一种燃料电池供氢循环系统及控制方法与流程

本发明涉及氢燃料电池，尤其涉及一种燃料电池供氢循环系统及控制方法。

背景技术：

1、燃料电池发动机由热管理系统、空气供给系统、氢气供给循环系统、电堆、电气系统等五大功能单元组成，为保证燃料电池电堆稳定运行，需要外界持续向燃料电池电堆的阳极侧以及阴极侧供给燃料，燃料在电堆内部发生电化学反应输出电能、水和热。为提高燃料电池的反应效率以及在动态快速拉载时的响应速率，往往需要向电堆的阳极侧通入过量计量比的氢气，待反应完毕后从电堆阳极侧出口排出，此时排放出的物质不仅含有少部分的杂质气体、水，还有部分未反应完全的氢气，此时需要将这部分氢气供给循环到电堆阳极侧入口，再次参与反应。

2、燃料电池发动机的动态响应速度、反应效率等指标与氢气供给循环系统的性能密切相关，目前燃料电池供氢循环系统的技术路线主要有4种，分别为：单引射器方案、单氢气循环泵方案、引射器与氢气循环泵组合方案、以及多级引射器方案。引射器方案为文丘里管原理，是一种被动式工作方案。通过高速流动的氢气产生低压强，利用压差带动阳极回路的余氢循环，工作时无寄生功耗产生，但在燃料电池发动机低功率段下的引射效能不足；氢气循环泵方案在全功率段下的回氢效果较好，但寄生功耗较大。一方面，当前市面上的燃料电池发动机中有部分为引射器与氢气循环泵的串联组合方案，在燃料电池低功率段下，采用氢气循环泵工作主动回氢；当中高功率段下采用引射器与氢气循环泵共同工作的模式，满足此时氢气供给循环的大流量需求。此方案虽然结合了引射器和氢气循环泵的各自优势，但也存在缺点：一方面，氢气循环泵由于和引射器为串联组合、在全功率段下均需做功，不仅会导致氢气循环泵自身功耗的增加，还对氢气循环泵的使用寿命、以及发动机整机的nvh等级均有影响；另一方面，因为从电堆阳极回路循环的氢气为高温、高湿的状态，而从氢瓶泄放出的氢气为相对低温状态，两路氢气在引射器回氢口处汇流后进入电堆参与反应，有可能因为热传导不均，而发生气体低温冷凝现象，导致燃料电池电堆的单电池发生水淹，气体传输受阻，影响燃料电池发动机的反应效率。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池供氢循环系统及控制方法，优化了现有氢气循环泵与引射器的组合方案，降低了氢气循环泵的功耗，延长了其使用寿命，而且可对进入电堆前的低温氢气进行加热，换热效率高，成本低，可有效减少燃料电池发生水淹的可能。

2、为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述燃料电池供氢循环系统，包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的入口通过进氢管路与集成式引射器相连，所述燃料电池电堆的出口通过气水分离器、回氢管路与进氢管路相连，所述回氢管路内设置有氢气循环泵，所述回氢管路通过旁通管路与所述集成式引射器相连。

3、所述气水分离器上设置有气体出口和液体出口，所述气体出口与所述回氢管路相连，所述液体出口通过排水管与尾排相连，所述排水管内设置有排水阀；所述回氢管路内沿着氢气的回流方向依次设置单向阀和氢气循环泵。

4、所述集成式引射器与所述回氢管路的出口之间的进氢管路内安装有氢气换热器。

5、所述氢气循环泵安装在所述燃料电池电堆的上端面，所述集成式引射器和所述气水分离器设置在所述燃料电池电堆的一端，所述氢气换热器设置在所述燃料电池电堆的一侧。

6、所述氢气换热器包括换热器本体，所述换热器本体通过固定架固定在所述燃料电池电堆上，所述换热器本体上设置有热源入口、热源出口、冷媒介质入口和冷媒介质出口，所述热源入口和热源出口通过管路与燃料电池发动机的冷却水路相连。

7、所述集成式引射器与所述氢气换热器之间的进氢管路通过排氮管与尾排相连，所述排氮管内设置有排氮阀。

8、所述集成式引射器包括引射器本体，所述引射器本体内设置有压力传感器，所述引射器本体上沿氢气的流动方向依次安装有关断阀、比例阀和泄压阀，所述压力传感器通过控制器与所述泄压阀相连。

9、所述引射器本体的两端分别设置氢气入口接头和氢气出口接头，所述引射器本体上设置有排气口和与所述旁通管路相连的回氢口。

10、所述循环系统还包括与所述集成式引射器的入口相连的车载供氢系统，所述车载供氢系统包括高压氢瓶及其出口处沿着氢气出口方向依次安装的瓶口阀和减压阀。

11、一种燃料电池供氢循环控制方法，运用所述的燃料电池供氢循环系统，包括氢气回流控制方法，所述氢气回流控制方法包括燃料电池发动机低功率工作模式和燃料电池发动机高功率工作模式；

12、在发动机低功率工作模式下，回氢管路内的单向阀和氢气循环泵开启，由气水分离器分离出的氢气通过氢气循环泵进入进氢管路；

13、在发动机高功率工作模式下，回氢管路内的单向阀关闭，氢气循环泵休眠，由气水分离器分离出的氢气通过旁通管路到达集成式引射器，并由集成式引射器进入进氢管路。

14、本发明的有益效果是：

15、本发明通过优化现有氢气循环泵与引射器的组合方案，采用集成式引射器，减小了零部件的体积，使整体结构更加紧凑；通过在回氢管路增加旁通管路，降低了氢气循环泵的功耗，延长了使用寿命；通过氢气换热器对进入电堆前的低温氢气进行加热，换热效率高，成本低，可有效减少燃料电池发生水淹的可能。本发明方案有利于提高燃料电池发动机的整体反应效率，可为氢气供给循环系统的设计工作提供一种新的思路。

技术特征：

1.一种燃料电池供氢循环系统，其特征在于，包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的入口通过进氢管路与集成式引射器相连，所述燃料电池电堆的出口通过气水分离器、回氢管路与进氢管路相连，所述回氢管路内设置有氢气循环泵，所述回氢管路通过旁通管路与所述集成式引射器相连。

2.根据权利要求1所述的燃料电池供氢循环系统，其特征在于：所述气水分离器上设置有气体出口和液体出口，所述气体出口与所述回氢管路相连，所述液体出口通过排水管与尾排相连，所述排水管内设置有排水阀；所述回氢管路内沿着氢气的回流方向依次设置单向阀和氢气循环泵。

3.根据权利要求1所述的燃料电池供氢循环系统，其特征在于：所述集成式引射器与所述回氢管路的出口之间的进氢管路内安装有氢气换热器。

4.根据权利要求3所述的燃料电池供氢循环系统，其特征在于：所述氢气循环泵安装在所述燃料电池电堆的上端面，所述集成式引射器和所述气水分离器设置在所述燃料电池电堆的一端，所述氢气换热器设置在所述燃料电池电堆的一侧。

5.根据权利要求3所述的燃料电池供氢循环系统，其特征在于：所述氢气换热器包括换热器本体，所述换热器本体通过固定架固定在所述燃料电池电堆上，所述换热器本体上设置有热源入口、热源出口、冷媒介质入口和冷媒介质出口，所述热源入口和热源出口通过管路与燃料电池发动机的冷却水路相连。

6.根据权利要求3所述的燃料电池供氢循环系统，其特征在于：所述集成式引射器与所述氢气换热器之间的进氢管路通过排氮管与尾排相连，所述排氮管内设置有排氮阀。

7.根据权利要求1所述的燃料电池供氢循环系统，其特征在于：所述集成式引射器包括引射器本体，所述引射器本体内设置有压力传感器，所述引射器本体上沿氢气的流动方向依次安装有关断阀、比例阀和泄压阀，所述压力传感器通过控制器与所述泄压阀相连。

8.根据权利要求7所述的燃料电池供氢循环系统，其特征在于：所述引射器本体的两端分别设置氢气入口接头和氢气出口接头，所述引射器本体上设置有排气口和与所述旁通管路相连的回氢口。

9.根据权利要求1所述的燃料电池供氢循环系统，其特征在于：所述循环系统还包括与所述集成式引射器的入口相连的车载供氢系统，所述车载供氢系统包括高压氢瓶及其出口处沿着氢气出口方向依次安装的瓶口阀和减压阀。

10.一种燃料电池供氢循环控制方法，运用如权利要求1-9任意一项所述的燃料电池供氢循环系统，其特征在于：包括氢气回流控制方法，所述氢气回流控制方法包括燃料电池发动机低功率工作模式和燃料电池发动机高功率工作模式；

技术总结一种燃料电池供氢循环系统及控制方法，属于氢燃料电池技术领域，该燃料电池供氢循环系统，包括燃料电池电堆，所述燃料电池电堆的入口通过进氢管路与集成式引射器相连，所述燃料电池电堆的出口通过气水分离器、回氢管路与进氢管路相连，所述回氢管路内设置有氢气循环泵，所述回氢管路通过旁通管路与所述集成式引射器相连，本发明的有益效果是，本发明优化了现有氢气循环泵与引射器的组合方案，降低了氢气循环泵的功耗，延长了其使用寿命，而且可对进入电堆前的低温氢气进行加热，换热效率高，成本低，可有效减少燃料电池发生水淹的可能。技术研发人员：任博,潘陈兵,潘立升,陈大华,王春喜,王艳受保护的技术使用者：安徽瑞氢动力科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29