一种燃料电池多级引射与水管理控制方法及系统与流程

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池多级引射与水管理控制方法及系统。

背景技术：

1、燃料电池（比如质子交换膜燃料电池）在工作过程中会产生水，水的存在对燃料电池的性能具有重大影响，具体来说，因为燃料电池中的质子交换膜需要充分润湿以维持高质子传导率，因此缺水会导致离子电导率下降、电池性能衰减；而过量液态水则会堵塞气体扩散层和流道，阻碍反应气体传输，引发水淹现象，导致电池电压骤降。因此，水管理是燃料电池的核心技术之一，直接影响其功率输出、耐久性等性能。

2、目前，燃料电池的水管理主要涉及空气路湿度调节和氢气路水管理两个方面。在空气路方面，现有技术通常通过调节空气路湿度来控制电堆内部的水含量。一种常见的方式是采用膜增湿器对进入电堆的空气进行增湿，并通过设置增湿旁路（干燥节气门）来调节进入电堆的空气湿度。

3、在氢气路方面，现有技术主要采用两种方式实现水管理，分别为氢气循环泵和引射器。其中，氢气循环泵通过主动循环将电堆阳极出口未反应的湿润氢气送回阳极入口，从而提高氢气利用效率和优化电池水热管理能力，但氢气循环泵需要消耗额外的电力维持运转，成本较高。引射器则无需额外供电，结构简单、运行可靠、寿命较长，因此受到越来越多的关注。但传统引射器作为被动循环装置，其机械结构确定后引射性能基本固定，回流能力只能在一定的输出功率范围内有效，无法适应燃料电池宽功率范围的变工况需求。特别是在电堆刚刚启动或处于低功率状态下，电堆输出功率较小，未反应的氢气流量较小，而引射器通径通常按最大功率设计，导致流速下降、引射能力降低，造成阳极的水不能有效排出，使电堆产生水淹。

4、当然为解决引射器工作范围狭窄的问题，现有技术提出了多级引射器或多喷嘴引射器的方案。通过设置不同通径的喷嘴，可在不同功率段切换使用不同的喷嘴，以扩大引射器的工作范围。例如，在小功率段启用小喷嘴，在大功率段切换大喷嘴。然而，现有采用多级引射器的水管理方案中，引射器的切换控制通常仅关注氢气循环量的匹配，未能将引射器切换与电堆内部水分的保留与排出需求进行系统性的协同控制。

5、综上所述，现有燃料电池水管理技术存在以下问题：氢气循环泵能耗高、成本高；传统引射器工作范围窄、无法适应全功率范围；多级引射器的切换控制尚未与水管理需求充分结合；空气路增湿调节与氢气路水管理之间缺乏协同控制。这些问题导致燃料电池系统在不同功率段难以维持适宜的水含量，影响电堆性能和寿命，同时增加了系统成本和控制的复杂性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种燃料电池多级引射与水管理控制方法及系统，旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题。

2、为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

3、提供了一种燃料电池多级引射与水管理控制方法，包括以下步骤：

4、获取燃料电池电堆的当前运行功率；

5、根据所述当前运行功率所处的功率等级，确定多级引射器的目标工作模式，所述多级引射器至少包括第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴与所述第二喷嘴的口径不同；

6、按照所述目标工作模式控制所述多级引射器在所述第一喷嘴与所述第二喷嘴之间进行切换，以调节氢气回路的引射流量，使电堆内部水分维持在预设范围内；

7、其中，在低功率等级下，控制所述多级引射器以所述第一喷嘴工作，使引射流量降低甚至无引射，以保留电堆内部水分；

8、在中功率等级下，控制所述多级引射器以所述第二喷嘴工作，使引射流量增大，以加强电堆排水防止水淹；

9、在高功率等级下，控制所述多级引射器以所述第一喷嘴工作或使所述第一喷嘴与所述第二喷嘴同时工作，以适应大功率下的氢气流量需求。

10、优选的，所述多级引射器为可变喷嘴引射器，所述第一喷嘴为大喷嘴，所述第二喷嘴为小喷嘴。

11、优选的，所述多级引射器为串联引射器或并联引射器。

12、优选的，在所述低功率等级下，所述多级引射器在所述第一喷嘴与所述第二喷嘴之间按照预设周期进行循环切换；

13、所述预设周期包括第一喷嘴运行时长和第二喷嘴运行时长，其中，所述第一喷嘴运行时长远大于所述第二喷嘴运行时长。

14、优选的，随着所述当前运行功率在所述低功率等级内增大，所述第一喷嘴运行时长逐渐减小，所述第二喷嘴运行时长逐渐延长。

15、优选的，还包括：

16、在所述多级引射器切换过程中，配合控制尾排阀的开启和关闭，以辅助电堆排水排气。

17、优选的，所述尾排阀的开启周期与所述多级引射器的切换周期相关联，不同的功率等级对应不同的切换周期和尾排周期。

18、优选的，所述燃料电池系统还包括空气路增湿旁路，所述空气路增湿旁路设有增湿节气门和干燥节气门；

19、所述方法还包括：

20、根据所述当前运行功率所处的功率等级，控制所述增湿节气门和/或所述干燥节气门的开度，以调节空气路的湿度；

21、在低功率等级下，关闭所述干燥节气门，空气经增湿器进入电堆；

22、在中功率等级下，关闭所述增湿节气门并打开所述干燥节气门；

23、在高功率等级下，同时打开所述增湿节气门和所述干燥节气门。

24、优选的，所述氢气回路的引射流量调节与所述空气路的湿度调节根据电堆的实际运行状态进行排列组合，共同调控电堆系统的水管理。

25、还提供了一种燃料电池多级引射与水管理系统，包括：

26、燃料电池电堆；

27、多级引射器，设置于所述燃料电池电堆的氢气回路上，至少包括第一喷嘴和第二喷嘴，所述第一喷嘴与所述第二喷嘴的口径不同；

28、尾排阀，设置于所述燃料电池电堆的氢气出口管路上；

29、控制器，与所述多级引射器和所述尾排阀信号连接，被配置为执行本申请实施例所提供的方法。

30、在上述技术方案的基础上，与现有技术相比，本发明的优点在于：

31、采用本申请实施例所提供的燃料电池多级引射与水管理控制方法，该方法包括获取燃料电池电堆的当前运行功率，根据当前运行功率所处的功率等级确定多级引射器的目标工作模式，并按照目标工作模式控制多级引射器在第一喷嘴与第二喷嘴之间进行切换，以调节氢气回路的引射流量，使电堆内部水分维持在预设范围内，因此通过该方法，能够通过分级控制策略使多级引射器在不同功率等级下呈现差异化的引射特性，与电堆产水规律精准匹配，使电堆内部水分在全工况范围内处于动态平衡，提升单片电压一致性和系统净功率，降低对辅助增湿设备和气水分离器的性能依赖，优化系统成本与控制复杂度。

1.一种燃料电池多级引射与水管理控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多级引射器为可变喷嘴引射器，所述第一喷嘴为大喷嘴，所述第二喷嘴为小喷嘴。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多级引射器为串联引射器或并联引射器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述低功率等级下，所述多级引射器在所述第一喷嘴与所述第二喷嘴之间按照预设周期进行循环切换；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，随着所述当前运行功率在所述低功率等级内增大，所述第一喷嘴运行时长逐渐减小，所述第二喷嘴运行时长逐渐延长。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述尾排阀的开启周期与所述多级引射器的切换周期相关联，不同的功率等级对应不同的切换周期和尾排周期。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料电池系统还包括空气路增湿旁路，所述空气路增湿旁路设有增湿节气门和干燥节气门；

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述氢气回路的引射流量调节与所述空气路的湿度调节根据电堆的实际运行状态进行排列组合，共同调控电堆系统的水管理。

10.一种燃料电池多级引射与水管理系统，其特征在于，包括：