一种宽功率谱多级引射氢循环系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种宽功率谱多级引射氢循环系统。
2.

背景技术：

3.随着国民经济的持续增长以及对环境保护的要求越来越高，汽车尾气作为全球温室效应的一个主要因素之一，新能源汽车能大大降低汽车尾气的碳排放量，同时也在能源转型中发挥着重要作用。在燃料电池系统中，供氢系统目前主要分为阳极闭端和氢气循环两种方式，其中氢气循环又可分为氢泵循环、引射器循环。引射器因其具有加工难度低、耗能低等优点，目前被广泛采用。传统引射器虽然能在大功率大流量工况下的引射效果较好，但是在小功率小流量工况下的引射效果差，无法满足氢气循环的需求。
4.现有申请公布号为cn 106784930a“燃料电池汽车动力系统的双喷氢引射器装置”的专利中，通过并联的双喷引射器装置能够满足小功率和大功率工况下的氢循环供气。但大功率工况引射器在中高功率下的性能不如高功率下的性能表现。
5.现有授权公告号为cn 209607847u“引射器单元及具备该引射器单元的燃料电池氢气循环系统”的专利中，通过比例控制阀 串联两个引射器。然而通过压力信号控制比例控制阀难以控制流量的精度。
6.以上两个现有专利共同的一个问题：没有考虑引射器中残留水汽冷凝结水无法排出导致在环境温度较低时引射器残留冷凝水结冰的问题。
7.因此，拓宽氢引射器循环系统的使用工况是氢引射器循环系统的难点。


技术实现要素：

8.针对上述产生的问题，本发明的目的在于提供一种宽功率谱多级引射氢循环系统，使其在燃料电池系统中低、中、高功率变化范围内引射器能有足够的引射比，并维持所需要的过量氢气系数，同时解决了引射器中残留水汽冷凝结水无法排出导致在环境温度较低时引射器残留冷凝水结冰的问题。
9.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种宽功率谱多级引射氢循环系统，包括高压供气装置、多级引射装置、控制模块和电堆阀组，高压氢气通过所述高压供氢装置减压后流出到所述多级引射装置，所述控制模块根据燃料电池系统运行工况进行分析，控制所述多级引射装置的引射比，使得氢气从所述多级引射装置流出至电堆阀组阳极入口，剩余足够的湿润氢气从所述电堆阀组阳极出口通过所述多级引射装置的第1级引射器引射口，使得多级引射氢循环系统形成一个回路。
10.优选的，上述高压供气装置由高压氢气瓶组、瓶口阀组、压力调节阀组成，高压氢气从所述高压氢气瓶组通过所述瓶口阀组流出，再通过压力调节阀将高压氢气减压至燃料电池系统需要的压力范围，为多级引射装置提供氢气源。
11.优选的，上述多级引射装置为多组由氢喷射器组、压力变送器以及引射器高度集
成的单级喷射引射器组件组成，级数范围为2-10级，所述单级喷射引射器组件中的氢喷射器组由多个氢喷射器并联组成，所述压力变送器位于所述氢喷射器组与所述引射器之间。
12.优选的，上述各级喷射引射器组件中的所述氢喷射器组之间相互并联，所述各级喷射引射器组件中的引射器两两串联，所述上一级喷射引射器组件中的引射器出口与下一级喷射引射器组件中的引射器引射口之间装有引射压力变送器，如第1级喷射引射器组件中的所述氢喷射器组与第2级喷射引射器组件中的所述氢喷射器组并联，第1级喷射引射器组件中的所述引射器出口与第2级喷射引射器组件中的所述引射器引射口串联，第1级喷射引射器组件中的引射器出口与第2级喷射引射器组件中的引射器引射口之间装有一个引射压力变送器。
13.优选的，上述电堆阀组由电堆、电堆阳极入口压力变送器、电堆阳极出口压力变送器、水汽分离器、排氢阀、排水阀组成，电堆阳极入口压力变送器位于所述电堆阳极入口，电堆阳极出口压力变送器位于所述电堆阳极出口，所述排水阀和排氢阀安装在电堆阳极出口。
14.优选的，上述由多组单级喷射引射器组件组成的多级引射装置，其各级氢喷射器组之间的流量-压力特性曲线可以全部相同、全不相同或者部分相同，其各级引射器性能参数可以全部相同、全不相同或者部分相同，所述引射器可以为分别只有1个射流入口、引射入口、引射器出口的常规单级引射器，所述引射器的一种变形模式为所述引射器引射口端设有一个与引射入口并联的排水孔，各级喷射引射器组件中引射器排水孔与上述电堆阀组的排水阀相连，当燃料电池停机后残留在引射器内的湿润氢气在环境温度较低时产生的冷凝水可以通过所述排水孔流出汇总至所述电堆阀组的排水阀处，可防止燃料电池在冷启动时由环境温度过低导致多级喷射引射器组件中的引射器残留水汽结冰而无法启动的问题。
15.优选的，上述多级引射装置中的多级单级喷射器引射器组件与上述电堆阀组的连接顺序可以有多种组合，可以为与所述电堆阀组中电堆阳极入口连接的单级喷射引射器组件为第1级，与所述电堆阀组中电堆阳极出口处水汽分离器连接的单级喷射引射器组件为第n级，也可以为与所述电堆阀组中电堆阳极入口连接的单级喷射引射器组件为第n级，与所述电堆阀组中电堆阳极出口处水汽分离器连接的单级喷射引射器组件为第1级，例如所述多级引射装置中的第n级喷射引射器组件的出口连通所述电堆阀组的电堆阳极入口，所述电堆阀组的水汽分离器与所述多级引射装置中的第1级喷射引射器组件的引射器引射口相连。
16.优选的，上述控制模块根据各级喷射引射器组件中的压力变送器、各级引射压力变送器、电堆功率、电堆阳极入口变送器和电堆阳极出口压力变送器的信号，计算得出各级氢喷射器组的供气量和电堆所需要的供气量，调整单极喷射引射器组件的开启数量以满足不同功率工况下流入所述电堆阳极入口的氢气流量，通过pwm脉冲宽度调制控制上述各级喷射引射器组件中的所述氢喷射器组的多个氢喷射器的开启频率以及占空比，以满足各级喷射引射器组中引射器引射比map图所需的射流流量和射流压力。
17.优选的，上述多级引射装置中各级喷射引射器组件的使用数量由所述控制模块根据所述电功率工况进行控制，如在小功率工况下，由于所述电堆所需氢气量较少，只需开启所述多级引射装置中的第1级喷射引射器组件，在中高功率工况下，开启所述多级引射装置中的喷射引射器组件的级数增加，但开启级数小于所述多级引射装置中喷射引射器组件的
总级数，在高功率工况下，为满足电堆所需氢气，同时满足所述电堆中氢气的过剩量，开启全部级数的所述多级引射装置中的喷射引射器组件。
18.优选的，上述多级引射装置中某一级喷射引射器组件的一种变形模式为在该级喷射引射器组件中的引射器前面增加了比例调节阀，所述比例调节阀的两端分别与所述引射器和所述氢喷射器组相连，另一端与电堆阳极入口相连，由所述氢喷射器组、所述压力变送器、所述比例调节阀、所述引射器组成的单级喷射引射器组件可以位于多级引射装置中的任意一级，该级喷射引射器组件主要用于减小其它各级喷射引射器组件对燃料电池所述电堆阳极气体压力和流量的影响，确保在某一瞬态工作状态时所述电堆阳极入口压力和流量始终满足要求，当所述电堆阳极入口压力或流量不稳定时，该级喷射引射器组件中的比例调节阀将由所述氢喷射器组流入的氢气部分或者全部直接通到所述电堆阳极入口处，少数或者没有气体从该级引射器射流口流入。
19.附图说明
20.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，使得本发明的其它特征、目的和优点变得更明显。本发明的示意性实施例附图及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是本发明实施例的一种宽功率谱多级引射氢循环系统原理结构示意图；图2是本发明实施例1的一种宽功率谱多级引射氢循环系统原理示意图；图3是本发明实施例2的一种宽功率谱多级引射氢循环系统原理示意图；图4是本发明实施例2的一种引射器变形示意图；图5是本发明实施例给出的单级喷射引射器组件的引射器引射比map示意图；图6是本发明实施例的一种宽功率谱多级引射氢循环系统控制策略示意图；附图标号含义：1高压氢气瓶组；2瓶口阀组；3压力调节阀；4第n级氢喷射器组；5第n级压力变送器；6第2级压力变送器；7第2级引射器；8第n级引射器；9电堆阳极入口压力变送器；10电堆；11排氢阀；12排水阀；13电堆阳极出口压力变送器；14水汽分离器；15第1级引射器；16第1级压力变送器；17第1级氢喷射器组；18第2级氢喷射器组；19第n级引射压力变送器；20第2级引射压力变送器；21高压供气装置；22第1级喷射引射器组件；23第2级喷射引射器组件；24第n级喷射引射器组件；25喷射引射器组件；26控制模块；27电堆阀组；28比例调节阀；29射流入口；30引射入口；31引射器出口；32排水孔。
21.具体实施方式
22.本发明的目的在于提供一种宽功率谱多级引射氢循环系统，使其在燃料电池系统中的低、中、高功率变化范围内引射器能有足够的引射比，并维持所需要的过量氢气系数，同时解决了引射器中残留水汽冷凝结水无法排出导致在环境温度较低时引射器残留冷凝水结冰的问题。
23.为了更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施
例，而不是全部的实施例。
24.需要说明的是，本发明所用的术语“第一级”、“第二级”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。
25.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
27.图1-6为本发明的一种具体实施例。
28.一种宽功率谱多级引射氢循环系统，包括高压供气装置21、多级引射装置25、控制模块26和电堆阀组28，高压氢气通过所述高压供氢装置21减压后流出到所述多级引射装置25，所述控制模块26根据燃料电池系统运行工况进行分析，控制所述多级引射装置25的引射比，使得氢气从所述多级引射装置25流出至电堆阀组阳极入口，剩余足够的湿润氢气从所述电堆阀组阳极出口通过所述多级引射装置25的第1级引射器15引射口，使得多级引射氢循环系统形成一个回路。
29.优选的，上述高压供气装置21由高压氢气瓶组1、瓶口阀组2、压力调节阀3组成，高压氢气从所述高压氢气瓶组1通过所述瓶口阀组2流出，再通过压力调节阀3将高压氢气减压至燃料电池系统需要的压力范围，为多级引射装置25提供氢气源。
30.优选的，上述多级引射装置25为多组由氢喷射器组4（18、17）、压力变送器5（6、16）以及引射器8（7、15）高度集成的单级喷射引射器组件24（23、22）组成，级数范围为2-10级，所述单级喷射引射器组件24（23、22）中的氢喷射器组4（18、17）由多个氢喷射器并联组成，所述压力变送器5（6、16）位于所述氢喷射器组4（18、17）与所述引射器8（7、15）之间。
31.优选的，上述各级喷射引射器组件24（23、22）中的所述氢喷射器组4（18、17）之间相互并联，所述各级喷射引射器组件24（23、22）中的引射器8（7、15）两两串联，所述上一级喷射引射器组件中的引射器出口与下一级喷射引射器组件中的引射器引射口之间装有引射压力变送器，如第1级喷射引射器组件22中的所述氢喷射器组17与第2级喷射引射器组件23中的所述氢喷射器组18并联，第1级喷射引射器组件22中的所述引射器15出口与第2级喷射引射器组件23中的所述引射器7引射口串联，第1级喷射引射器组件22中的引射器15出口与第2级喷射引射器组件23中的引射器7引射口之间装有一个引射压力变送器20。
32.优选的，上述电堆阀组27由电堆10、电堆阳极入口压力变送器9、电堆阳极出口压力变送器13、水汽分离器14、排氢阀11、排水阀12组成，电堆阳极入口压力变送器9位于所述电堆10阳极入口，电堆阳极出口压力变送器13位于所述电堆10阳极出口，所述排水阀12和排氢阀11安装在电堆10阳极出口。
33.优选的，上述由多组单级喷射引射器组件22（23、24）组成的多级引射装置25，其各级氢喷射器组17（18、4）之间的流量-压力特性曲线可以全部相同、全不相同或者部分相同，其各级引射器15（7、8）性能参数可以全部相同、全不相同或者部分相同，所述引射器15（7、8）可以为分别只有1个射流入口29、引射入口30、引射器出口31的常规单级引射器，所述引
射器15（7、8）的一种变形模式如图4所示，所述引射器15（7、8）引射口端设有一个与引射入口30并联的排水孔32。
34.优选的，上述各级喷射引射器组件中变形模式的引射器15（7、8），其排水孔32与上述电堆阀组27的排水阀12相连，如图3所示，当燃料电池停机后残留在引射器15（7、8）内的湿润氢气在环境温度较低时产生的冷凝水可以通过所述排水孔32流出汇总至所述电堆阀组27的排水阀12处，可防止燃料电池在冷启动时由环境温度过低导致多级喷射引射器组件中的引射器15（7、8）残留水汽结冰而无法启动的问题。
35.优选的，上述多级引射装置25中的多级单级喷射器引射器组件与上述电堆阀组27的连接顺序可以有多种组合，可以为与所述电堆阀组27中电堆阳极入口连接的单级喷射引射器组件为第1级，与所述电堆阀组27中电堆阳极出口处水汽分离器14连接的单级喷射引射器组件为第n级，也可以为与所述电堆阀组27中电堆阳极入口连接的单级喷射引射器组件为第n级，与所述电堆阀组27中电堆阳极出口处水汽分离器27连接的单级喷射引射器组件为第1级，例如所述多级引射装置25中的第n级喷射引射器组件24的出口连通所述电堆阀组27的电堆10阳极入口，所述电堆阀组27的水汽分离器14与所述多级引射装置25中的第1级喷射引射器组件22的引射器15引射口相连。
36.优选的，上述控制模块26根据各级喷射引射器组件22（23、24）中的压力变送器16（6、5）、各级引射压力变送器20（19）、电堆功率、电堆阳极入口变送器9和电堆阳极出口压力变送器13的信号，计算得出各级氢喷射器组17（18、4）的供气量和电堆所需要的供气量，调整单极喷射引射器组件22（23、24）的开启数量以满足不同功率工况下流入所述电堆10阳极入口的氢气流量，通过pwm脉冲宽度调制控制上述各级喷射引射器组件22（23、24）中的所述氢喷射器组17（18、4）的多个氢喷射器的开启频率以及占空比，以满足各级喷射引射器组22（23、24）中引射器引射比map图所需的射流流量和射流压力。
37.优选的，上述多级引射装置25中各级喷射引射器组件22（23、24）的使用数量由所述控制模块26根据所述电功率工况进行控制，如在小功率工况下，由于所述电堆10所需氢气量较少，只需开启所述多级引射装置25中的第1级喷射引射器组件22，在中高功率工况下，开启所述多级引射装置25中的喷射引射器组件的级数增加，但开启级数小于所述多级引射装置25中喷射引射器组件的总级数，在高功率工况下，为满足电堆10所需氢气，同时满足所述电堆10中氢气的过剩量，开启全部级数的所述多级引射装置25中的喷射引射器组件。
38.优选的，上述多级引射装置25中某一级喷射引射器组件24的一种变形模式为在该级喷射引射器组件24中的引射器8前面增加了比例调节阀28，如图2所示，所述比例调节阀28的两端分别与所述引射器8和所述氢喷射器组4相连，另一端与电堆10阳极入口相连，由所述氢喷射器组4、所述压力变送器5、所述比例调节阀28、所述引射器8组成的单级喷射引射器组件可以位于多级引射装置25中的任意一级，该级喷射引射器组件24主要用于减小其它各级喷射引射器组件对燃料电池所述电堆10阳极气体压力和流量的影响，确保在某一瞬态工作状态时所述电堆10阳极入口压力和流量始终满足要求，当所述电堆10阳极入口压力或流量不稳定时，该级喷射引射器组件24中的比例调节阀28将由所述氢喷射器组4流入的氢气部分或者全部直接通到所述电堆10阳极入口处，少数或者没有气体从该级8引射器射流口流入。
39.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、组合、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。