一种大功率燃料电池氢气循环系统及排氮控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大功率燃料电池氢气循环系统及排氮控制方法，系统包括氢气源、比例阀、引射器、电堆、分水器总成、氢气循环泵；第一、二、三比例阀的一端均连接至氢气源的出口，第一、二比例阀的另一端分别连接至第一、二引射器的高压入口，第一、二引射器的混合腔出口均连接至电堆的阳极入口，第一、二引射器的低压入口均连接至第三比例阀的另一端、氢气循环泵的出口以及第四比例阀的一端，第四比例阀的另一端和氢气循环泵的入口均连接至分水器总成的出气口，分水器总成的入口连接至电堆的阳极出口，分水器总成的排料口设置有排氮阀和排水阀；本发明专利技术能够覆盖各种工况阳极回流量需求和多工作模式需求，具有可靠性和鲁棒性高的优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种大功率燃料电池氢气循环系统及排氮控制方法


[0001]本专利技术涉及一种大功率燃料电池氢气循环系统及排氮控制方法，属于燃料电池


技术介绍

[0002]氢燃料电池广泛应用与交通，尤其在商用车细分场景有很广阔的前景。氢燃料电池以空气与氢气为反应气体，在燃料电池电堆内进行电化学反应产生电能、热能和水。空气供给、冷却、氢气供给系统是保障燃料电池操作条件及稳定运行的三个子系统。其中，氢气供给系统提供稳定压力的氢气，同时一般采用循环方案，将未反应完全氢气通过循环装置增压，与供应氢气混合运输至电堆参加反应。阳极循环提高了燃料电池经济性，保障燃料电池电堆气体供给及性能一致性。同时，燃料电池阳极循环量要求在全工况内范围广，响应快，尤其在商用车大功率燃料电池场景，设计合适的阳极循环方案，对保证燃料电池系统可靠运行至关重要。
[0003]现有燃料电池阳极循环技术主要包括单循环泵、单引射器、单循环泵与单引射器串联、并联方案。单循环泵方案优点为鲁棒性高，控制灵活，缺点为成本高，体积大，噪音大，寄生功率高；单引射器的方案（包含双引射器并联）优点为无寄生功耗，稳定性好，体积小，无噪声，成本低，缺点为鲁棒性差，无法控制，响应慢，覆盖工况范围有限；单循环泵与单引射器串联，循环泵需兼容最大最小回流量需求，零部件成本高，且循环泵需一直工作，寿命低，循环泵或比例阀失效将无法提供循环气体，鲁棒性低；单循环泵与单引射器并联方案，额定工作点引射器工作，难以满足频繁变载需求，且200kW功率以上大燃料电池系统，单引射器难以覆盖中高电密阳极回流量需求，循环泵或比例阀失效将无法提供循环气体，鲁棒性低。
[0004]同时，阳极回流量对燃料电池阳极循环至关重要，阳极回流量不足，入电堆氢气过量系数不足，会导致电堆阳极局部欠氢、水淹，造成电池单片电压单底，甚至反击烧穿，严重影响燃料电池运行。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种大功率燃料电池氢气循环系统及排氮控制方法，解决现有技术方案工作模式单一，难以应对不同的工况需求，同时解决阳极回流量不足影响燃料电池正常运行的技术问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：第一方面，本专利技术提供了一种大功率燃料电池氢气循环系统，所述系统包括氢气源、第一比例阀、第二比例阀、第三比例阀、第四比例阀、第一引射器、第二引射器、电堆、分水器总成、氢气循环泵以及系统尾排；所述第一比例阀、第二比例阀、第三比例阀的一端均连接至氢气源的出口，所述第一比例阀和第二比例阀的另一端分别连接至第一引射器和第二引射器的高压入口，所述第一引射器和第二引射器的混合腔出口均连接至电堆的阳极入
口，所述第一引射器和第二引射器的低压入口均连接至第三比例阀的另一端、氢气循环泵的出口以及第四比例阀的一端，所述第四比例阀的另一端和氢气循环泵的入口均连接至分水器总成的出气口，所述分水器总成的入口连接至电堆的阳极出口，所述分水器总成的排料口包括排氮口和排水口，所述排氮口和排水口分别连接有排氮阀和排水阀，所述排氮阀和排水阀与系统尾排的入口之间连接有尾排稀释腔，所述尾排稀释腔上还连接有阴极尾排管。
[0007]可选的，所述氢气源的出口还依次连接有减压阀、氢气加热器以及氢气过滤器，所述氢气过滤器的出口分别连接至第一比例阀、第二比例阀、第三比例阀的入口。
[0008]可选的，所述第一引射器和第二引射器的低压入口分别连接有第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀和第二单向阀的入口均连接至氢气循环泵的出口。
[0009]可选的，所述电堆的阳极入口连接有泄压阀。
[0010]可选的，所述氢气循环系统包括以下工作模式：模式一：控制第一比例阀关闭、第二比例阀关闭、第三比例阀开启、第四比例阀关闭、氢气源开启、氢气循环泵开启；模式二：控制第一比例阀关闭、第二比例阀开启、第三比例阀关闭、第四比例阀开启、氢气源开启、氢气循环泵开启或关闭；模式三：控制第一比例阀开启、第二比例阀关闭、第三比例阀关闭、第四比例阀开启、氢气源开启、氢气循环泵开启或关闭；模式四：控制第一比例阀开启、第二比例阀开启、第三比例阀关闭、第四比例阀开启、氢气源开启、氢气循环泵开启或关闭；模式五：控制第一比例阀开启、第二比例阀开启、第三比例阀开启、第四比例阀关闭、氢气源开启、氢气循环泵开启；模式六：控制第一比例阀开启、第二比例阀关闭、第三比例阀开启、第四比例阀关闭、氢气源开启、氢气循环泵开启；模式七：控制第一比例阀关闭、第二比例阀开启、第三比例阀开启、第四比例阀关闭、氢气源开启、氢气循环泵开启。
[0011]第二方面，本专利技术提供了一种大功率燃料电池氢气循环系统的排氮控制方法，基于如上述的大功率燃料电池氢气循环系统，在单引射器工作时，所述单引射器为第一引射器或第二引射器，所述排氮控制方法包括：获取电堆的电堆流阻和单引射器的引射比，根据所述电堆流阻和所述引射比计算所述电堆的阳极入口和阳极出口的气体摩尔流量；根据所述电堆的阳极入口和阳极出口的气体摩尔流量计算所述氢气循环系统的阳极循环腔体内氢气摩尔量；获取电堆的需求氢气过量系数，根据所述需求氢气过量系数计算所述电堆的阳极入口和阳极出口的氢气需求摩尔流量；根据所述电堆的阳极入口和阳极出口的氢气需求摩尔流量计算所述氢气循环系统的阳极循环腔体内氢气需求摩尔量；根据所述氢气循环系统的阳极循环腔体内氢气摩尔量和氢气需求摩尔量，计算所述电堆的欠氢量；
获取排氮阀的单次开关时间，根据所述欠氢量和所述单次开关时间计算所述排氮阀的开启次数，根据所述开启次数进行排氮控制。
[0012]可选的，所述根据所述电堆流阻和所述引射比计算所述电堆的阳极入口和阳极出口的气体摩尔流量包括：设电堆的阳极出口的水蒸气饱和且分水器总成后无液态水，构建所述电堆的阳极出口的气体摩尔流量的表达式：；式中，为电堆的阳极出口的氢气、氮气、水蒸气的摩尔流量，为电堆的阳极出口的压力，在电堆阳极、冷却顺流设计时等于水出温度，在电堆阳极、冷却逆流设计时等于水入温度；；构建单引射器的引射比的表达式：；式中，为单引射器的引射比，为引射器特性函数，为电堆的阳极入口的压力，为氢气、氮气、水蒸气的摩尔质量，为氢气供给摩尔质量流量；；构建电堆的电堆流阻的表达式：；式中，为电堆流阻，为电堆的阳极入口和阳极出口的混合气平均黏度，为电堆的阳极入口和阳极出口的混合气平均气体体积流量，为电堆的阳极入口和阳极出口的混合气平均密度，为常数系数；；；式中，为中间参数，时，为电堆的阳极入口和阳极出口的氢气、氮气、水蒸气的摩尔流量；为电堆的阳极入口和阳极出口的混合气的温度和压力；；；
；将所述电堆流阻和所述引射比带入所述电堆的阳极出口的气体摩尔流量、所述单引射器的引射比、所述电堆的电堆流阻的表达式，求解所述电堆的阳极入口的气体摩尔流量、阳极出口的气体摩尔流量。
[0013]可选的，所述根据所述电堆的阳极入口和阳极出口的气体摩尔流量计算所述氢气循环系统的阳极循环腔体内氢气摩尔量包括：将阳极循环腔体划分为：腔体一，电堆的阳极出口至单引射器的低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大功率燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述系统包括氢气源、第一比例阀、第二比例阀、第三比例阀、第四比例阀、第一引射器、第二引射器、电堆、分水器总成、氢气循环泵以及系统尾排；所述第一比例阀、第二比例阀、第三比例阀的一端均连接至氢气源的出口，所述第一比例阀和第二比例阀的另一端分别连接至第一引射器和第二引射器的高压入口，所述第一引射器和第二引射器的混合腔出口均连接至电堆的阳极入口，所述第一引射器和第二引射器的低压入口均连接至第三比例阀的另一端、氢气循环泵的出口以及第四比例阀的一端，所述第四比例阀的另一端和氢气循环泵的入口均连接至分水器总成的出气口，所述分水器总成的入口连接至电堆的阳极出口，所述分水器总成的排料口包括排氮口和排水口，所述排氮口和排水口分别连接有排氮阀和排水阀，所述排氮阀和排水阀与系统尾排的入口之间连接有尾排稀释腔，所述尾排稀释腔上还连接有阴极尾排管。2.根据权利要求1所述的大功率燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述氢气源的出口还依次连接有减压阀、氢气加热器以及氢气过滤器，所述氢气过滤器的出口分别连接至第一比例阀、第二比例阀、第三比例阀的入口。3.根据权利要求1所述的大功率燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述第一引射器和第二引射器的低压入口分别连接有第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀和第二单向阀的入口均连接至氢气循环泵的出口。4.根据权利要求1所述的大功率燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述电堆的阳极入口连接有泄压阀。5.根据权利要求1所述的大功率燃料电池氢气循环系统，其特征在于，所述氢气循环系统包括以下工作模式：模式一：控制第一比例阀关闭、第二比例阀关闭、第三比例阀开启、第四比例阀关闭、氢气源开启、氢气循环泵开启；模式二：控制第一比例阀关闭、第二比例阀开启、第三比例阀关闭、第四比例阀开启、氢气源开启、氢气循环泵开启或关闭；模式三：控制第一比例阀开启、第二比例阀关闭、第三比例阀关闭、第四比例阀开启、氢气源开启、氢气循环泵开启或关闭；模式四：控制第一比例阀开启、第二比例阀开启、第三比例阀关闭、第四比例阀开启、氢气源开启、氢气循环泵开启或关闭；模式五：控制第一比例阀开启、第二比例阀开启、第三比例阀开启、第四比例阀关闭、氢气源开启、氢气循环泵开启；模式六：控制第一比例阀开启、第二比例阀关闭、第三比例阀开启、第四比例阀关闭、氢气源开启、氢气循环泵开启；模式七：控制第一比例阀关闭、第二比例阀开启、第三比例阀开启、第四比例阀关闭、氢气源开启、氢气循环泵开启。6.一种大功率燃料电池氢气循环系统的排氮控制方法，其特征在于，基于如权利要求1
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5任一项所述的大功率燃料电池氢气循环系统，在单引射器工作时，所述单引射器为第一引射器或第二引射器，所述排氮控制方法包括：获取电堆的电堆流阻和单引射器的引射比，根据所述电堆流阻和所述引射比计算所述电堆的阳极入口和阳极出口的气体摩尔流量；
根据所述电堆的阳极入口和阳极出口的气体摩尔流量计算所述氢气循环系统的阳极循环腔体内氢气摩尔量；获取电堆的需求氢气过量系数，根据所述需求氢气过量系数计算所述电堆的阳极入口和阳极出口的氢气需求摩尔流量；根据所述电堆的阳极入口和阳极出口的氢气需求摩尔流量计算所述氢气循环系统的阳极循环腔体内氢气需求摩尔量；根据所述氢气循环系统的阳极循环腔体内氢气摩尔量和氢气需求摩尔量，计算所述电堆的欠氢量；获取排氮阀的单次开关时间，根据所述欠氢量和所述单次开关时间计算所述排氮阀的开启...

【专利技术属性】
技术研发人员：王佳，高云峰，薛琼，
申请(专利权)人：江苏徐工工程机械研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：