一种燃料电池供氢及氢气循环系统、和其控制器方法与流程

1.本发明涉及质子交换膜技术领域，特别是涉及一种燃料电池供氢及氢气循环系统、和其控制方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池使用氢气作为燃料，利用氢气和氧气的电化学反应产生电能、热能和水，对外输出能量，其是一种发电装置。该装置相比内燃机，具有较高的效率和功率密度，可以应用于新能源汽车领域。
3.质子交换膜燃料电池具有燃料电池系统和氢气循环系统，氢气循环系统向燃料电池系统提供一定压力和流量的堆出反应气体，保证燃料电池电堆中的电化学反应的正常进行。氢气循环系统通过大量氢气的循环利用，保证燃料电池内的水平衡，并提高系统的经济性。因此，氢气循环能够提升燃料电池系统阳极的湿度、浓度的均匀性，避免局部的过干、水淹或者欠气，对整个燃料电池系统的动力性、经济性、以及膜电极寿命起到至关重要的作用。
4.目前，氢气循环系统通常使用氢气循环泵或/和引射器作为动力部件，来提升反应气体的压力。其中，氢气循环泵可以满足燃料电池系统全工况范围内气体循环需求，控制方便，但是氢气循环泵为旋转机械泵，存在体积大、重量大、噪音大、可靠性差等缺点。引射器为机械结构件，可以弥补氢气循环泵的缺点，但是难以满足燃料电池系统全部工况应用，使得氢气循环泵的开启使用率仍然较高，难以降低对氢气循环泵的要求，最终导致氢气循环泵的使用寿命较短。
5.现有技术中，如授权公告号为cn212485377u的中国实用新型专利公开了一种燃料电池氢气循环系统，该方案采用引射器和循环泵并联的布置形式，可以克服上述二者的缺点；但是，其未考虑对新氢进行加热，循环氢气经引射器增压的过程中，由于新氢温度降低，导致循环氢气的温度也降低，在此过程中会有液态水的析出，可能会导致燃料电池系统出现局部水淹。又比如授权公告号为cn215834559u的中国实用新型专利公开了一种引射器及燃料电池系统，其在引射器内设置混合腔，在混合腔的外壁连接有加热装置，可以对混合腔进行加热，防止引射器腔体内表面发生冻结现象，但是其仍然无法避免新氢温度较低时和二次流混合过程中产生的液态水析出。
6.另外，引射器工作时，循环气体会经氢气循环泵支路回流到引射器吸入支路，不经过电池堆栈，无法起到氢气循环的目的。氢气循环泵工作时，循环气体会经引射器抽吸支路回流到氢气循环泵的吸入口，不经过电池堆栈，无法起到氢气循环的目的。


技术实现要素：

7.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃料电池供氢及氢气循环系统，既能拓宽引射器的工况范围，又能减少引射器内部冷凝水的产生。
8.为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池供氢及氢气循环系统，包括燃料电池
电堆、与燃料电池电堆相连的供氢子系统、以及连接在燃料电池电堆和供氢子系统之间的氢循环子系统；
9.所述供氢子系统包括氢气源、引射器、连接在氢气源和引射器进口端之间的第一供氢管道、连接在引射器出口端和燃料电池电堆之间的第二供氢管道、都安装在第一供氢管道上的加热器和第一流量控制阀、与第二供氢管道相连的第一压力传感器、第三供氢管道、以及安装在第三供氢管道上的第二流量控制阀，所述第三供氢管道的两端分别与第一供氢管道和第二供氢管道相连，使所述串联的第一流量控制阀和引射器与第二流量控制阀并联，所述第二供氢管道和第三供氢管道的连接点、与第一压力传感器沿第二供氢管道中的气体流向先后分布；
10.所述氢循环子系统的动力部件为氢循环泵。
11.上述技术方案的优选方案为：所述氢循环子系统包括汽水分离器、连接在燃料电池电堆和汽水分离器进口端之间的第一氢循环管道、连接在汽水分离器出口端与引射器之间的第二氢循环管道、以及连接在汽水分离器出口端与第二供氢管道之间的第三氢循环管道，所述氢循环泵安装在第三氢循环管道上。
12.上述技术方案的优选方案为：所述氢循环子系统还包括安装在第二氢循环管道上的第一止回阀、以及安装在第三氢循环管道上的第二止回阀。
13.上述技术方案的优选方案为：所述氢循环子系统还包括与汽水分离器相连的第二压力传感器。
14.上述技术方案的优选方案为：所述供氢子系统还包括都与第一供氢管道相连的第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器、加热器和第二温度传感器沿第一供氢管道中的气体流向先后分布。
15.上述技术方案的优选方案为：所述加热器为换热器。
16.上述技术方案的优选方案为：所述供氢子系统还包括与第一供氢管道相连的第三压力传感器，所述第三压力传感器分布在引射器的前侧。
17.上述技术方案的优选方案为：所述供氢子系统还包括与第二供氢管道相连的安全阀，所述第二供氢管道和第三供氢管道的连接点、与安全阀沿第二供氢管道中的气体流向先后分布。
18.上述技术方案的优选方案为：所述供氢子系统还包括都安装在第一供氢管道上的减压阀和开关阀，所述减压阀和加热器沿第一供氢管道中的气体流向先后分布，所述减压阀和开关阀沿第一供氢管道中的气体流向先后分布。
19.上述技术方案的优选方案为：所述供氢子系统还包括安装在第一供氢管道上的氢过滤器，所述氢过滤器分布在减压阀和开关阀之间。
20.本技术还提供一种上述燃料电池供氢及氢气循环系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
21.s1、设置控制器，使所述第一流量控制阀、第二流量控制阀、第一压力传感器和氢循环泵都与控制器通讯连接，所述控制器中预存有目标气压，该目标气压与燃料电池电堆的目标功率相匹配；
22.s2、所述控制器使第一流量控制阀处于常开状态、以及使第二流量控制阀和氢循环泵都处于常闭状态；
23.s3、所述氢气源供给的氢气依次经第一供氢管道、引射器和第二供氢管道后流入燃料电池电堆的阳极，且所述第一供氢管道中的氢气经加热器加热后再流入引射器中；
24.s4、所述控制器根据目标气压和第一压力传感器反馈的实时气压来控制第一流量控制阀、第二流量控制阀和氢循环泵的开关和开度：
25.s41、当所述引射器的工况满足目标气压时，保持第二流量控制阀和氢循环泵的关闭，并根据第一压力传感器反馈的实时气压调节第一流量控制阀的开度，直至实时气压达到目标气压；
26.s42、当所述引射器的工况不满足目标气压时，使第一流量控制阀的开度为100％、第二流量控制阀打开、以及保持氢循环泵的关闭，并根据第一压力传感器反馈的实时气压调节第二流量控制阀的开度，直至实时气压达到目标气压；
27.s43、当所述引射器的工况超出目标气压时，使氢循环泵打开、第一流量控制阀关闭、以及保持第二流量控制阀的关闭。
28.如上所述，本发明涉及的燃料电池供氢及氢气循环系统、和其控制方法，具有以下有益效果：
29.本技术通过供氢子系统向燃料电池电堆供给新氢，供氢子系统中，新氢会经加热器加热后再流入引射器中，从而减少燃料电池供氢及氢气循环系统运行时引射器内部产生的冷凝水，保证燃料电池供氢及氢气循环系统的正常运行。特别是，供氢子系统采用串联的第一流量控制阀和引射器与第二流量控制阀并联形式，即采用两路流量控制阀并联布置，可以减少通过引射器的新氢流量，进而可以减小引射器的喷嘴口径，也就拓宽了引射器的工况范围，即增大了引射器的开启使用率，相对而言，也就降低了氢循环泵的工况范围，即减小了氢循环泵的开启使用率，最终有效降低对氢循环泵的要求、以及提高氢循环泵的使用寿命。
附图说明
30.图1为本技术中燃料电池供氢及氢气循环系统实施例一的结构框图。
31.图2为本技术中燃料电池供氢及氢气循环系统实施例二的结构框图。
32.图3为本技术中燃料电池供氢及氢气循环系统实施例三的结构框图。
33.图4为本技术中燃料电池供氢及氢气循环系统实施例四的结构框图。
34.图5为本技术中燃料电池供氢及氢气循环系统实施例五的结构框图。
35.元件标号说明
36.10
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燃料电池电堆
37.20
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供氢子系统
38.21
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氢气源
39.22
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引射器
40.23
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第一供氢管道
41.24
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第二供氢管道
42.25
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加热器
43.251
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换热器
44.26
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第一流量控制阀
45.27
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第一压力传感器
46.28
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第三供氢管道
47.29
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第二流量控制阀
48.210
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第一温度传感器
49.211
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第二温度传感器
50.212
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第三压力传感器
51.213
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安全阀
52.214
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减压阀
53.215
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开关阀
54.216
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氢过滤器
55.217
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第三温度传感器
56.30
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氢循环子系统
57.31
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氢循环泵
58.32
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汽水分离器
59.321
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排氮阀
60.322
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排水阀
61.33
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第一氢循环管道
62.34
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第二氢循环管道
63.35
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第三氢循环管道
64.36
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第一止回阀
65.37
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第二止回阀
66.38
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第二压力传感器
67.39
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第四温度传感器
具体实施方式
68.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
69.须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
70.本技术提供一种燃料电池供氢及氢气循环系统、以及该燃料电池供氢及氢气循环系统的控制方法，应用于质子交换膜。下述提供燃料电池供氢及氢气循环系统的几个优选实施例。
71.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例一
72.如图1所示，燃料电池供氢及氢气循环系统实施例一包括燃料电池电堆10、与燃料
电池电堆10相连的供氢子系统20、以及连接在燃料电池电堆10和供氢子系统20之间的氢循环子系统30，供氢子系统20用于向燃料电池电堆10供给氢气，实现新氢的供给；氢循环子系统30用于将燃料电池电堆10流出的氢气混合气体送入供氢子系统20，与供氢子系统20中的新氢混合后再流入燃料电池电堆10，实现氢气循环。
73.如图1所示，供氢子系统20包括氢气源21、引射器22、连接在氢气源21和引射器22进口端之间的第一供氢管道23、连接在引射器22出口端和燃料电池电堆10之间的第二供氢管道24、都安装在第一供氢管道23上的加热器25和第一流量控制阀26、与第二供氢管道24相连的第一压力传感器27、第三供氢管道28、以及安装在第三供氢管道28上的第二流量控制阀29；加热器25用于加热第一供氢管道23中的新氢，则进入引射器22的新氢为加热后的新氢；第三供氢管道28的两端分别与第一供氢管道23和第二供氢管道24相连，从而使串联的第一流量控制阀26和引射器22与第二流量控制阀29并联，也就使得新氢的供给有两条支路，第一支路为通过第一流量控制阀26和引射器22供给，第二支路为通过第二流量控制阀29和第三供氢管道28供给，两条支路汇总至第二供氢管道24；第二供氢管道24和第三供氢管道28的连接点、与第一压力传感器27沿第二供氢管道24中的气体流向先后分布，则第一压力传感器27测的压力为并联两路的总压力。氢循环子系统30的动力部件为氢循环泵31。
74.本技术还提供一种上述燃料电池供氢及氢气循环系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
75.s1、设置控制器，使第一流量控制阀26、第二流量控制阀29、第一压力传感器27和氢循环泵31都与控制器通讯连接，则第一流量控制阀26、第二流量控制阀29和氢循环泵31的开关和开度都受控于控制器；控制器中预存有目标气压，该目标气压与燃料电池电堆10的目标功率相匹配；
76.s2、控制器使第一流量控制阀26处于常开状态、以及使第二流量控制阀29和氢循环泵31都处于常闭状态；
77.s3、氢气源21供给的氢气依次经第一供氢管道23、第一流量控制阀26、引射器22和第二供氢管道24后流入燃料电池电堆10的阳极，供给新氢，且第一供氢管道23中的氢气经加热器25加热后再流入引射器22中；
78.s4、控制器根据目标气压和第一压力传感器27反馈的实时气压来控制第一流量控制阀26、第二流量控制阀29和氢循环泵31的开关和开度：
79.s41、当引射器22的工况满足目标气压时，说明仅通过第一流量控制阀26和引射器22这条第一支路供给的新氢已经能满足燃料电池电堆10的目标功率，此时，控制器保持第一流量控制阀26的打开、以及保持第二流量控制阀29和氢循环泵31的关闭，也即保持仅由第一流量控制阀26和引射器22这条第一支路向燃料电池电堆10输入氢气；同时，控制器还根据第一压力传感器27反馈的实时气压调节第一流量控制阀26的开度，直至实时气压达到目标气压；
80.s42、当引射器22的工况不满足目标气压时，说明引射器22在最大工况下产生的气压仍然小于目标气压，此时，控制器控制第一流量控制阀26的开度为100％、第二流量控制阀29打开、以及保持氢循环泵31的关闭，则由并联布置的第一流量控制阀26和引射器22这条第一支路、以及第二流量控制阀29和第三供氢管道28这条第二支路同时向燃料电池电堆10输入氢气，第一流量控制阀26处于全开状态；同时，控制器还根据第一压力传感器27反馈
的实时气压调节第二流量控制阀29的开度，直至实时气压达到目标气压；
81.s43、当引射器22的工况超出目标气压时，说明引射器22在最小工况下产生的气压仍然大于目标气压，此时，控制器控制氢循环泵31打开、第一流量控制阀26关闭、以及保持第二流量控制阀29的关闭，则第一流量控制阀26和引射器22这条第一支路、以及第二流量控制阀29和第三供氢管道28这条第二支路都关闭，仅由氢循环子系统30通过供氢子系统20向燃料电池电堆10输入氢气。
82.因此，上述燃料电池供氢及氢气循环系统中，供氢子系统20实现新氢供给，氢循环子系统30实现氢气循环。特别是，供氢子系统20中设置有加热器25，新氢会经加热器25加热后再流入引射器22中，从而减少燃料电池供氢及氢气循环系统运行时引射器22内部产生的冷凝水，避免燃料电池电堆10出现水淹现象，保证燃料电池供氢及氢气循环系统的正常运行。并且，供氢子系统20采用串联的第一流量控制阀26和引射器22与第二流量控制阀29并联形式，即采用两路流量控制阀并联布置，可以减少通过引射器22的新氢流量，进而可以减小引射器22的喷嘴口径，也就拓宽了引射器22的工况范围，即增大了引射器22的开启使用率，相对而言，也就降低了氢循环泵31的工况范围，即减小了氢循环泵31的开启使用率，最终有效降低对氢循环泵31的要求、以及提高氢循环泵31的使用寿命。
83.优选地，加热器25为换热器251，通过换热器251实现对第一供氢管道23中新氢的加热。
84.进一步地，如图1所示，氢循环子系统30包括汽水分离器32、连接在燃料电池电堆10和汽水分离器32进口端之间的第一氢循环管道33、连接在汽水分离器32出口端与引射器22之间的第二氢循环管道34、以及连接在汽水分离器32出口端与第二供氢管道24之间的第三氢循环管道35，氢循环泵31安装在第三氢循环管道35上；汽水分离器32中设置有排氮阀321和排水阀322。因此，氢循环子系统30也采用两路并联的布置，燃料电池电堆10流出的氢气混合气体经汽水分离器32进行汽水分离后，混合气体一支路直接经第二氢循环管道34流入引射器22，混合气体另一支路经氢循环泵31和第三氢循环管道35流入第二供氢管道24。如此，能进一步降低对氢循环泵31的设计要求，进一步延长氢循环泵31的使用寿命。
85.优选地，如图1所示，氢循环子系统30还包括安装在第二氢循环管道34上的第一止回阀36、以及安装在第三氢循环管道35上的第二止回阀37，第二止回阀37布置在氢循环泵31的出口端侧。第一止回阀36避免了引射器22工作时氢循环泵31和第三氢循环管道35这条支路的回流，使循环气体全部进入燃料电池电堆10；第二止回阀37避免了氢循环泵31工作时引射器22抽吸支路的回流，使循环气体全部进入燃料电池电堆10。因此，通过设置第一止回阀36和第二止回阀37，有效避免产生回流，使氢循环泵31和引射器22都能发挥最大的循环能力，保证燃料电池供氢及氢气循环系统的氢气循环需求得到满足。
86.进一步地，如图1所示，氢循环子系统30还包括与汽水分离器32相连的第二压力传感器38，第二压力传感器38与控制器通讯连接，用于将汽水分离器32内的实时气压反馈给控制器。供氢子系统20还包括与第一供氢管道23相连的第三压力传感器212，第三压力传感器212分布在引射器22的前侧，即第三压力传感器212和引射器22沿第一供氢管道23中的气体流向先后分布；第三压力传感器212测量第一供氢管道23中的实时气压、并反馈给控制器，从而监控氢气源21的剩余气量，控制器由此判断氢气源21是否欠气；当第三压力传感器212反馈的实时气压低于阈值，则主动降低燃料电池供氢及氢气循环系统的输出功率，防止
出现阳极欠气现象，也即防止出现燃料供应不足导致的系统功率降低现象。
87.进一步地，如图1所示，供氢子系统20还包括都与第一供氢管道23相连的第一温度传感器210和第二温度传感器211，第一温度传感器210、换热器251和第二温度传感器211沿第一供氢管道23中的气体流向先后分布，即第一温度传感器210分布在换热器251的入口端侧，第二温度传感器211分布在换热器251的出口端侧。第一温度传感器210和第二温度传感器211都与控制器通讯连接，控制器根据第一温度传感器210和第二温度传感器211的反馈温度来监控换热器251的换热效果；当第一温度传感器210和第二温度传感器211的差值低于设定阈值时，则增加换热器251的热水供应量，提升换热器251的换热效果。另外，供氢子系统20还包括与第二供氢管道24相连的第三温度传感器217，第二供氢管道24和第三供氢管道28的连接点、与第三温度传感器217沿第二供氢管道24中的气体流向先后分布；第三温度传感器217都与控制器通讯连接，第三温度传感器217用于测量第二供氢管道24中汇总气体的温度，并反馈给控制器。氢循环子系统30还包括与第一氢循环管道33相连的第四温度传感器39，第四温度传感器39都与控制器通讯连接；第四温度传感器39用于测量燃料电池电堆10流出的氢气混合气体的温度，并反馈给控制器。
88.进一步地，如图1所示，供氢子系统20还包括与第二供氢管道24相连的安全阀213，第二供氢管道24和第三供氢管道28的连接点、与安全阀213沿第二供氢管道24中的气体流向先后分布；安全阀213与控制器通讯连接，安全阀213处于常闭状态。当系统出现故障时，比如第一流量控制阀26和第二流量控制阀29故障时，此时可切断气源，控制器控制安全阀213开启，通过安全阀213进行泄压，避免引发次生故障。
89.进一步地，如图1所示，供氢子系统20还包括都安装在第一供氢管道23上的减压阀214和开关阀215，减压阀214和加热器25沿第一供氢管道23中的气体流向先后分布，减压阀214和开关阀215沿第一供氢管道23中的气体流向先后分布；减压阀214起到减压作用；开关阀215在系统出现故障时，可以切断气源，避免引发次生故障。供氢子系统20还包括安装在第一供氢管道23上的氢过滤器216，氢过滤器216分布在减压阀214和开关阀215之间，避免杂质进入开关阀215、第一流量控制阀26和第二流量控制阀29，防止造成开关阀215、第一流量控制阀26和第二流量控制阀29卡死失效。
90.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例一中，如图1所示，氢气源21、减压阀214、换热器251、氢过滤器216、开关阀215、第一流量控制阀26和引射器22先后分布，则换热器251布置在减压阀214和氢过滤器216之间。氢气源21的输出口可以直接连接减压阀214的入口，或者，氢气源21的输出口经第一供氢管道23连接减压阀214的入口；减压阀214的出口经第一供氢管道23连接换热器251的入口；换热器251的出口可以直接连接氢过滤器216，或者，换热器251的出口经第一供氢管道23连接氢过滤器216。第一温度传感器210布置在减压阀214和换热器251之间的这段第一供氢管道23上，第三供氢管道28的一端与开关阀215和第一流量控制阀26之间的这段第一供氢管道23相连，第三压力传感器212可以布置在减压阀214、换热器251、氢过滤器216、开关阀215、第一流量控制阀26和引射器22之间的任一位置，优选布置在第一流量控制阀26和引射器22之间的这段第一供氢管道23上。
91.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例二
92.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例二与燃料电池供氢及氢气循环系统实施例一的区别在于：换热器251的布置位置不同。如图2所示，燃料电池供氢及氢气循环系统实施
例二中，换热器251布置在氢过滤器216和开关阀215之间。
93.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例三
94.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例三与燃料电池供氢及氢气循环系统实施例一的区别在于：换热器251的布置位置不同。如图3所示，燃料电池供氢及氢气循环系统实施例三中，换热器251布置在开关阀215和第一流量控制阀26之间，则第三供氢管道28的一端与换热器251和第一流量控制阀26之间的这段第一供氢管道23相连。
95.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例四
96.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例四与燃料电池供氢及氢气循环系统实施例一的区别在于：换热器251的布置位置不同。如图4所示，燃料电池供氢及氢气循环系统实施例四中，换热器251布置在第一流量控制阀26和引射器22之间。
97.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例二至燃料电池供氢及氢气循环系统实施例四中，换热器251的位置发生了变化；此时，第一温度传感器210的位置可以保持不变，也可以跟随换热器251的位置进行调整，但第一温度传感器210始终是布置在换热器251的前侧。
98.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例五
99.燃料电池供氢及氢气循环系统实施例五与燃料电池供氢及氢气循环系统实施例一的区别在于：第二止回阀37的布置位置不同。如图5所示，第二止回阀37布置在氢循环泵31的入口端侧。
100.综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
101.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。