一种燃料电池用氢气循环系统及其供氢控制方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用氢气循环系统及其供氢控制方法。


背景技术：

2.燃料电池阳极系统一般通过循环泵来实现燃料电堆中未完全反应氢气的循环，但是常用的电动循环泵在实际运行中存在以下问题：1)寿命不能满足需求；2)循环泵工作需要消耗额外的电能。若用引射器来代替循环泵，虽然可以不用消耗额外能量，但因为引射器的引射能力和新氢流量紧密相关，当在开关机时或者系统在极低功率运行时，此时新氢流量过低，导致引射能力差，将无法满足循环量的需求，如果要完成吹扫即通过氢气循环对燃料电堆内部的氢气路排水等工作，需要强制排氢以实现引射器的有效引射，但是这样会导致经济性变差以及尾排氢浓度高的问题。
3.中国专利cn107634245a公开了一种氢燃料电池汽车压力能驱动氢气循环泵装置，该专利通过涡轮膨胀机回收氢瓶里的高压氢气的压力能来驱动循环泵工作，因为回收的压力能与新氢流量正相关，在开关机时或者在极低功率运行时，因为新氢流量不足，这样会出现回收功不足而不能满足循环量的需求，影响系统的正常运行，而且当系统完全无新氢消耗时，因为涡轮膨胀机无流量而无法带动循环泵工作。


技术实现要素：

4.本发明提供一种燃料电池用氢气循环系统及其供氢控制方法，当燃料电池系统无新氢消耗时，该氢气循环系统中的涡轮膨胀机也能带动循环泵工作，能实现降低系统能耗、拓展循环泵可使用范围的目的，保证燃料电池系统高效率、长寿命运行。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种燃料电池用氢气循环系统，包括氢瓶、电堆和循环泵，所述氢瓶输出端连接涡轮膨胀机输入端，所述涡轮膨胀机输出端连接缓冲容腔输入端，所述缓冲容腔输出端连接所述电堆阳极入口，所述电堆阳极出口连接所述循环泵进气口，所述循环泵排气口连接所述电堆阳极入口，所述涡轮膨胀机与所述循环泵传动连接；所述氢气循环系统还包括用于调节所述缓冲容腔内氢气压力的调节组件。
7.进一步地，所述调节组件包括设置于所述涡轮膨胀机输出端与所述缓冲容腔输入端之间的缓冲流量控制阀，所述缓冲容腔输出端侧设有低压供氢阀。
8.进一步地，所述调节组件包括设置于所述氢瓶输出端与所述涡轮膨胀机输入端之间的缓冲流量控制阀，所述缓冲容腔输出端侧设有低压供氢阀。
9.进一步地，所述缓冲流量控制阀通过控制器控制开度大小，所述低压供氢阀的氢气流量与燃料电池系统的电流消耗正相关。
10.进一步地，所述调节组件包括设置于所述涡轮膨胀机上的可变喷嘴，所述缓冲容腔输出端侧设有低压供氢阀。
11.进一步地，所述低压供氢阀为比例阀或氢气喷射阀。
12.进一步地，所述涡轮膨胀机与所述循环泵通过机械方式或者磁力方式传动连接。
13.进一步地，所述电堆阳极出口连接分水器的输入端，所述分水器的气体出口连接所述循环泵进气口。
14.一种燃料电池用氢气循环系统供氢控制方法，包括以下控制方式：
15.(1)在开关机时或在极低功率运行时，通过调节所述调节组件，对所述缓冲容腔充气，提高所述缓冲容腔内氢气压力，进而提高所述涡轮膨胀机处的氢气流量，使所述涡轮膨胀机驱动所述循环泵工作；
16.(2)当有较大新氢消耗需求时，通过调节所述调节组件，使所述缓冲容腔内的氢气被消耗，降低所述缓冲容腔内的氢气压力，预留给后续低新氢流量工况使用。
17.进一步地，
18.在控制方式(1)之前还包括的控制方式为：在正常运行时，所述氢瓶主路的氢气压力大，利用所述涡轮膨胀机回收所述氢瓶中高压氢气的压力能驱动所述循环泵工作；
19.控制方式(1)中，在开关机时或在极低功率运行时，增大所述调节组件的缓冲流量控制阀开度，使缓冲流量控制阀的氢气流量大于所述调节组件的低压供氢阀氢气流量，对所述缓冲容腔充气，提高所述涡轮膨胀机处的氢气流量，使所述涡轮膨胀机驱动所述循环泵工作；
20.控制方式(2)中，当有较大新氢消耗需求时，减小所述调节组件的缓冲流量控制阀的开度，使缓冲流量控制阀的氢气流量小于所述调节组件的低压供氢阀氢气流量，所述缓冲容腔内的氢气被消耗，降低所述缓冲容腔内的氢气压力，预留给后续低新氢流量工况使用。
21.相对于现有技术，本发明的有益效果为：
22.本发明中的燃料电池用氢气循环系统，包括氢瓶、电堆和循环泵，氢瓶输出端连接涡轮膨胀机输入端，涡轮膨胀机输出端连接缓冲容腔输入端，缓冲容腔输出端连接电堆阳极入口，电堆阳极出口连接循环泵进气口，循环泵排气口连接电堆阳极入口，涡轮膨胀机与循环泵传动连接，氢气循环系统还包括用于调节缓冲容腔内氢气压力的调节组件；这样在开关机时或在极低功率运行时，通过调节调节组件，对缓冲容腔充气，提高缓冲容腔内氢气压力，进而提高涡轮膨胀机处的氢气流量，使涡轮膨胀机驱动循环泵工作，以回收循环氢气入电堆阳极入口，完成吹扫等工作，即通过氢气循环对电堆内部的氢气路排水；当有较大新氢消耗需求时，通过调节调节组件，使缓冲容腔内的氢气被消耗，降低缓冲容腔内的氢气压力，预留给后续低新氢流量工况使用，保证系统的正常运行；因此本发明仅需在原有氢气循环系统架构的基础上，增加涡轮膨胀机、缓冲容腔和调节组件，当燃料电池系统无新氢消耗时，该氢气循环系统中的涡轮膨胀机也能带动循环泵工作，实现降低系统能耗、拓展循环泵可使用范围的目的，保证燃料电池系统高效率、长寿命运行。
23.本发明中，调节组件包括设置于涡轮膨胀机输出端与缓冲容腔输入端之间的缓冲流量控制阀，或者调节组件包括设置于氢瓶输出端与涡轮膨胀机输入端之间的缓冲流量控制阀，缓冲容腔输出端侧设有低压供氢阀；这样在开关机时或在极低功率运行时，增大缓冲流量控制阀开度，使缓冲流量控制阀的氢气流量大于低压供氢阀的氢气流量，对缓冲容腔充气，提高涡轮膨胀机处的氢气流量，使涡轮膨胀机驱动循环泵工作；当有较大新氢消耗需
求时，减小缓冲流量控制阀的开度，使缓冲流量控制阀的氢气流量小于低压供氢阀氢气流量，缓冲容腔内的氢气被消耗，降低缓冲容腔内的氢气压力，预留给后续低新氢流量工况使用，保证系统正常运行，实现降低附件功耗、拓展循环泵可使用范围的目的。
24.本发明中，调节组件包括设置于涡轮膨胀机上的可变喷嘴，缓冲容腔输出端侧设有低压供氢阀，这样在开关机时或在极低功率运行时，增大涡轮膨胀机上的可变喷嘴开度，使可变喷嘴的氢气流量大于低压供氢阀的氢气流量，对缓冲容腔充气，提高涡轮膨胀机处的氢气流量，使涡轮膨胀机驱动循环泵工作；当有较大新氢消耗需求时，减小涡轮膨胀机上的可变喷嘴开度，使可变喷嘴的氢气流量小于低压供氢阀氢气流量，缓冲容腔内的氢气被消耗，降低缓冲容腔内的氢气压力，预留给后续低新氢流量工况使用，保证系统正常运行，实现降低附件功耗、拓展循环泵可使用范围的目的。
附图说明
25.图1为本发明中实施例1的燃料电池用氢气循环系统的结构示意图；
26.图2为本发明中实施例2的燃料电池用氢气循环系统的结构示意图；
27.图3为在开关机时或在极低功率运行时的缓冲容腔内氢气压力的变化关系图(图中a表示缓冲容腔内氢气压力，b表示缓冲流量控制阀的氢气流量，c表示低压供氢阀的氢气流量)；
28.图4为当有较大新氢消耗需求时的缓冲容腔内氢气压力的变化关系图(图中a表示缓冲容腔内氢气压力，b表示缓冲流量控制阀的氢气流量，c表示低压供氢阀的氢气流量)。
29.图中附图标记说明：1、氢瓶，2、电堆，3、循环泵，4、涡轮膨胀机，5、缓冲容腔，6、缓冲流量控制阀，7、低压供氢阀，8、尾排阀，9、分水器。
具体实施方式
30.一种燃料电池用氢气循环系统，包括氢瓶1、电堆2和循环泵3，氢瓶1输出端连接涡轮膨胀机4输入端，涡轮膨胀机4输出端连接缓冲容腔5输入端，缓冲容腔5输出端连接电堆2阳极入口，电堆2阳极出口连接循环泵3进气口，循环泵3排气口连接电堆2阳极入口，涡轮膨胀机4与循环泵3传动连接；氢气循环系统还包括用于调节缓冲容腔5内氢气压力的调节组件。
31.实施例1
32.如图1所示，一种燃料电池用氢气循环系统，包括氢瓶1、电堆2和循环泵3，氢瓶1输出端连接涡轮膨胀机4输入端，涡轮膨胀机4输出端连接缓冲容腔5输入端，缓冲容腔5输出端连接电堆2阳极入口，电堆2阳极出口连接分水器9的输入端，分水器9的气体出口连接循环泵3进气口，循环泵3排气口连接电堆2阳极入口，涡轮膨胀机4与循环泵3通过机械方式或者磁力方式传递扭矩，这样可以很好地解决密封问题；氢气循环系统还包括用于调节缓冲容腔5内氢气压力的调节组件；调节组件包括设置于涡轮膨胀机4输出端与缓冲容腔5输入端之间的缓冲流量控制阀6，缓冲容腔5输出端侧设有低压供氢阀7，低压供氢阀7为比例阀或氢气喷射阀；缓冲流量控制阀6通过控制器控制开度大小，低压供氢阀7是用于控制电堆2阳极进氢的阀门，根据燃料电池系统工作点按需调节，低压供氢阀7的氢气流量与燃料电池系统的电流消耗正相关。
33.本发明中的燃料电池用氢气循环系统的供气主路上依次设置氢瓶1、涡轮膨胀机4、缓冲流量控制阀6、缓冲容腔5、低压供氢阀7，氢瓶1中的氢气由供气主路向电堆2阳极入口供气。
34.本发明中的燃料电池用氢气循环系统的循环回路中，电堆2阳极中未完全反应的氢气经循环泵3驱动后将压缩后的循环氢气重新泵回电堆2阳极入口。
35.实施例2
36.如图2所示，一种燃料电池用氢气循环系统，包括氢瓶1、电堆2和循环泵3，氢瓶1输出端连接涡轮膨胀机4输入端，涡轮膨胀机4输出端连接缓冲容腔5输入端，缓冲容腔5输出端连接电堆2阳极入口，电堆2阳极出口连接分水器9的输入端，分水器9的气体出口连接循环泵3进气口，循环泵3排气口连接电堆2阳极入口，涡轮膨胀机4与循环泵3通过机械方式或者磁力方式传动连接；氢气循环系统还包括用于调节缓冲容腔5内氢气压力的调节组件；调节组件包括设置于氢瓶1输出端与涡轮膨胀机4输入端之间的缓冲流量控制阀6，缓冲容腔5输出端侧设有低压供氢阀7，低压供氢阀7为比例阀或氢气喷射阀；缓冲流量控制阀6通过控制器控制开度大小，低压供氢阀7是用于控制电堆2阳极进氢的阀门，根据燃料电池系统工作点按需调节，低压供氢阀7的氢气流量与燃料电池系统的电流消耗正相关。
37.本发明中的燃料电池用氢气循环系统的供气主路上依次设置氢瓶1、缓冲流量控制阀6、涡轮膨胀机4、缓冲容腔5、低压供氢阀7，氢瓶1中的氢气由供气主路向电堆2阳极入口供气。
38.其中实施例1和实施例2中的燃料电池用氢气循环系统供氢控制方法，包括以下控制方式：
39.(1)在正常运行时，氢瓶1主路的氢气压力大，利用涡轮膨胀机4回收氢瓶1中高压氢气的压力能驱动循环泵3工作，不需要消耗额外的电能；
40.(2)如图3所示，在开关机时或在极低功率运行时，增大缓冲流量控制阀6开度，使缓冲流量控制阀6的氢气流量大于低压供氢阀7的氢气流量，对缓冲容腔5充气，提高涡轮膨胀机4处的氢气流量，使涡轮膨胀机4驱动循环泵3工作，以回收循环氢气入电堆2阳极入口，完成吹扫等工作，即通过氢气循环对电堆2内部的氢气路排水，此时缓冲容腔5内的氢气压力逐渐增大；
41.(3)如图4所示，当有较大新氢消耗需求时，减小缓冲流量控制阀6的开度，使缓冲流量控制阀6的氢气流量小于低压供氢阀7氢气流量，缓冲容腔5内的氢气被消耗，降低缓冲容腔5内的氢气压力，预留给后续低新氢流量工况使用，保证系统的正常运行。
42.本发明中在开关机时或在极低功率运行时，由于电堆2消耗的新氢流量很低，涡轮膨胀机4处的氢气流量很低，不能产生足够的功用于驱动循环泵3的工作，但是通过在涡轮膨胀机4输出端增加一个缓冲容腔5，可以利用缓冲容腔5内的缓冲容积，通过增大缓冲流量控制阀6开度，使缓冲流量控制阀6的氢气流量大于低压供氢阀7的氢气流量，对缓冲容腔5充气，提高涡轮膨胀机4处的氢气流量，使涡轮膨胀机4驱动循环泵3工作。
43.实施例3
44.一种燃料电池用氢气循环系统，包括氢瓶1、电堆2和循环泵3，氢瓶1输出端连接涡轮膨胀机4输入端，涡轮膨胀机4输出端连接缓冲容腔5输入端，缓冲容腔5输出端连接电堆2阳极入口，电堆2阳极出口连接分水器9的输入端，分水器9的气体出口连接循环泵3进气口，
循环泵3排气口连接电堆2阳极入口，涡轮膨胀机4与循环泵3通过机械方式或者磁力方式传动连接；氢气循环系统还包括用于调节缓冲容腔5内氢气压力的调节组件；调节组件包括设置于涡轮膨胀机4上的可变喷嘴，缓冲容腔5输出端侧设有低压供氢阀7，低压供氢阀7为比例阀或氢气喷射阀，低压供氢阀7的氢气流量与燃料电池系统的电流消耗正相关。
45.一种燃料电池用氢气循环系统供氢控制方法，包括以下控制方式：
46.(1)在正常运行时，氢瓶1主路的氢气压力大，利用涡轮膨胀机4回收氢瓶1中高压氢气的压力能驱动循环泵3工作；
47.(2)在开关机时或在极低功率运行时，增大涡轮膨胀机4上的可变喷嘴开度，使可变喷嘴的氢气流量大于低压供氢阀7的氢气流量，对缓冲容腔5充气，提高涡轮膨胀机4处的氢气流量，使涡轮膨胀机4驱动循环泵3工作，此时缓冲容腔5内的氢气压力逐渐增大；
48.(3)当有较大新氢消耗需求时，减小涡轮膨胀机4上的可变喷嘴开度，使可变喷嘴的氢气流量小于低压供氢阀7氢气流量，缓冲容腔5内的氢气被消耗，降低缓冲容腔5内的氢气压力，预留给后续低新氢流量工况使用，保证系统正常运行。
49.综上，本发明仅需在原有氢气循环系统架构的基础上，增加涡轮膨胀机4、缓冲容腔5和调节组件，当燃料电池系统无新氢消耗时，该氢气循环系统中的涡轮膨胀机4也能带动循环泵3工作，实现降低系统能耗、拓展循环泵3可使用范围的目的，保证燃料电池系统高效率、长寿命运行。
50.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。