氢气供应装置、燃料电池发电装置、燃料电池氢气循环装置及其控制方法与流程

1.本发明属于氢气供应技术领域，涉及一种燃料电池，尤其涉及一种燃料电池氢气供应循环装置及其控制方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为同时没有机械传动部件，故没有噪音，排放出的有害气体极少声污染。
3.为了提高氢气利用率，降低燃料电池发电成本，并且获得更高的电堆性能，往往对电池堆阳极氢气进行循环供应。常见的氢气循环供应方案有引射器和循环泵两种技术路线，为电堆运转提供压力稳定的氢气，为pem的压力平衡和水平衡作出应有贡献。
4.氢气引射器是将储氢瓶中出来的高压力低流速的氢气通过引射器，利用文丘里工作原理，将高压气体所具有的势能转化为动能，将燃料电池出口处的氢气回吸至入口处，并和高压储氢瓶供给的氢气进行混合。混合后的氢气具有一定的温、湿度，有利于提高燃料电池堆的工作性能。
5.由于氢气引射器是一种被动循环的装置，机械结构确定后，能够循环的过量系数比是固定的，而且由于文丘里管的特性，能提供的最大供应氢气流量越大，整个工作范围内的过量系数会越小。而大功率的电堆，具有小电密点的氢气过量系数要求高，大电密点氢气过量系数要求低的特性。这导致能满足的大功率电堆氢气需求的引射器，无法满足小电密点的氢气过量系数。
6.有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的氢气循环装置，以便克服现有氢气循环装置存在的上述至少部分缺陷。


技术实现要素：

7.本发明提供一种氢气供应装置、燃料电池发电装置、燃料电池氢气循环装置及其控制方法，可最大限度地保证多个不同工况点的引射效果。
8.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：一种燃料电池氢气循环装置，所述燃料电池氢气循环装置包括：引射器本体、多通电磁阀、至少两个引射喷嘴。
9.所述引射器本体分别设有进气口接头、引射口接头及出气口接头；所述引射器本体内设有引射腔，所述引射腔包括至少两个相互隔离的子引射腔，各子引射腔分别设有一引射喷嘴。
10.至少两个相互隔离的子引射腔中，存在两个子引射腔，其拥有不同直径的引射喷
嘴及腔体构造，分别适配大功率电堆小电密段高引射当量比小流量需求及大电密段低引射当量比大流量需求的不同工况。
11.所述多通阀座设置有氢进电磁阀及至少两个压力控制阀；所述氢进电磁阀与所述进气口接头连通，各压力控制阀与对应的子引射腔连接。
12.所述引射器本体连接所述多通电磁阀；所述多通电磁阀包括连接进气口接头的第一通路以及分别连接各引射空间的至少两个第二通路，各第二通路连接所述引射口接头。
13.所述燃料电池氢气循环装置进一步包括控制器，所述控制器用以接收引射腔内设定区域的压力数据。
14.所述控制器的输出端连接多通电磁阀的输入端及各压力控制阀的输入端，用以将控制信号发送至多通电磁阀及各压力控制阀，控制其动作。
15.所述控制器用以根据接收到的所述引射腔设定区域的压力数据生成各压力控制阀的控制数据；所述控制器根据不同的压力数据，控制设定子引射腔前端的压力控制阀打开，从而处于运行状态，控制其他子引射腔前端的压力控制阀关闭，并使多通电磁阀切换至运行中的子引射腔，提供对应的引射效果。
16.作为本发明的一种实施方式，所述燃料电池氢气循环装置包括两个引射喷嘴；所述引射腔包括两个相互隔离的子引射腔，各子引射腔设有一个引射喷嘴；所述多通电磁阀为三通电磁阀，所述多通阀座为三通阀座，所述三通阀座设置氢进电磁阀及两个压力控制阀。
17.作为本发明的一种实施方式，所述燃料电池氢气循环装置进一步包括：多通阀座；所述引射器本体连接所述多通阀座，所述多通阀座设置有氢进电磁阀及至少两个压力控制阀；所述氢进电磁阀通过螺纹与多通阀座相连，所述压力控制阀通过法兰结构与多通阀座相连；所述进气口接头通过螺纹连接到多通阀座上，出气口接头通过法兰连接到引射器本体上，引射口接头通过螺纹连接到多通电磁阀上。
18.作为本发明的一种实施方式，所述引射器本体设有泄压阀，所述泄压阀连接所述出气口接头；所述泄压阀连接所述引射腔，用以在引射腔内压力超过设定阈值时排放氢气；所述控制器的输出端连接泄压阀的输入端，用以将控制信号发送至泄压阀，控制其动作。
19.作为本发明的一种实施方式，所述燃料电池氢气循环装置进一步包括压力传感器，所述压力传感器用以感应引射腔内设定区域的压力数据。
20.所述控制器的输入端连接所述压力传感器的输出端，用以接收所述压力传感器感应的压力数据。
21.根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种氢气供应装置，所述氢气供应装置包括：上述燃料电池氢气循环装置。
22.作为本发明的一种实施方式，所述氢气供应装置进一步包括氢存储容器，所述燃料电池氢气循环装置的进气口接头连接所述氢存储容器。
23.根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种燃料电池发电装置，所述燃料电池发电装置包括：上述燃料电池氢气循环装置。
24.作为本发明的一种实施方式，所述燃料电池发电装置进一步包括氢存储容器、燃
料电池。
25.所述燃料电池氢气循环装置的进气口接头连接所述氢存储容器；所述燃料电池的过量氢气输出端连接所述引射口接头。
26.根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种上述燃料电池氢气循环装置的控制方法，所述控制方法包括：控制器接收到的引射腔设定区域的压力数据；控制器根据不同的压力数据，控制设定子引射腔前端的压力控制阀打开，从而处于运行状态，控制其他子引射腔前端的压力控制阀关闭，并使多通电磁阀切换至运行中的子引射腔，提供对应的引射效果。
27.本发明的有益效果在于：本发明提出的氢气供应装置、燃料电池发电装置、燃料电池氢气循环装置及其控制方法，可最大限度地保证多个不同工况点的引射效果；满足大功率电堆小电密点小流量高过量系数比、大电密点大流量低过量系数比的要求。同时，本发明通过多通电磁阀隔离至少两个引射通道，可以有效地防止氢气倒灌等现象，提高引射循环效果。
附图说明
28.图1为本发明一实施例中燃料电池氢气循环装置的结构示意图。
29.图2为本发明一实施例中燃料电池氢气循环装置的结构示意图。
30.图3为本发明一实施例中燃料电池氢气循环装置的电路控制示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
32.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
33.该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
34.说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本技术的实现方式不受步骤实现的顺序限制。说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。
35.需要说明的是，不同实施例中不同名称的部件由于其功能相同，因此使用了相同标记，这是本领域技术人员可以理解的。
36.本发明揭示了一种燃料电池氢气循环装置，图1、图2为本发明一实施例中燃料电池氢气循环装置的结构示意图，图3为本发明一实施例中燃料电池氢气循环装置的电路控制示意图；请参阅图1至图3，所述燃料电池氢气循环装置包括：引射器本体1、多通阀座2（至少有三个通路）、多通电磁阀3（至少有三个通路）、至少两个引射喷嘴（至少包括第一引射喷嘴4、第二引射喷嘴5）。
37.所述引射器本体1分别设有进气口接头6、引射口接头7及出气口接头8；所述引射器本体6内设有引射腔，所述引射腔包括至少两个相互隔离的子引射腔（至少包括第一子引
射腔9、第二子引射腔10），；各子引射腔分别设有一引射喷嘴，其中，第一子引射腔9设有第一引射喷嘴4，第二子引射腔10设有第二引射喷嘴5。至少两个相互隔离的子引射腔中，存在两个子引射腔，其拥有不同直径的引射喷嘴及腔体构造，分别适配大功率电堆小电密段高引射当量比小流量需求及大电密段低引射当量比大流量需求的不同工况。
38.所述引射器本体1通过连接所述多通阀座2，所述多通阀座2设置有氢进电磁阀13及至少两个压力控制阀（至少包括第一压力控制阀14、第二压力控制阀15）；所述氢进电磁阀13与所述进气口接头6连通，各压力控制阀分别与对应的子引射腔连接（第一压力控制阀14与第一子引射腔9连接，第二压力控制阀15与第二子引射腔10连接）。
39.所述引射器本体1连接所述多通电磁阀3；所述多通电磁阀3包括连接进气口接头6的第一通路以及分别连接各引射空间的至少两个第二通路，各第二通路连接所述引射口接头7。在一实施例中，所述多通电磁阀3包括两个第二通路。
40.在本发明的一实施例中，所述燃料电池氢气循环装置包括两个引射喷嘴（第一引射喷嘴4、第二引射喷嘴5）；所述引射腔包括两个相互隔离的子引射腔（第一子引射腔9、第二子引射腔10），各子引射腔设有一个引射喷嘴；所述多通电磁阀为三通电磁阀，所述多通阀座为三通阀座，所述三通阀座设置氢进电磁阀及两个压力控制阀（第一压力控制阀14、第二压力控制阀15）。所述氢进电磁阀13通过螺纹与多通阀座2相连，所述压力控制阀通过法兰结构与多通阀座2相连。所述进气口接头6通过螺纹连接到多通阀座2上，出气口接头8通过法兰连接到引射器本体1上，引射口接头7通过螺纹连接到多通电磁阀3上。
41.所述引射器本体1设有泄压阀16，所述泄压阀16连接所述出气口接头8；所述泄压阀16连接所述引射腔，用以在引射腔内压力超过设定阈值时排放氢气。在一实施例中，所述泄压阀16可以为机械泄压阀。
42.所述燃料电池氢气循环装置进一步包括设有控制器17及压力传感器18，所述压力传感器18用以感应引射腔内设定区域的压力数据。所述控制器17的输入端连接所述压力传感器18的输出端，用以接收所述压力传感器18感应的压力数据。所述控制器17的输出端连接多通电磁阀3的输入端、泄压阀16的输入端及各压力控制阀（第一压力控制阀14、第二压力控制阀15）的输入端，用以将控制信号发送至多通电磁阀3、泄压阀16及各压力控制阀，控制其动作。
43.所述控制器17用以根据压力传感器18感应的数据监测所述引射腔设定区域的压力数据，以此生成各压力控制阀的控制数据。所述控制器17根据不同的压力数据，控制设定子引射腔前端的压力控制阀打开，从而处于运行状态，控制其他子引射腔前端的压力控制阀关闭，并使多通电磁阀切换至运行中的子引射腔，提供对应的引射效果。在一实施例中，控制器17可根据压力数据控制第一子引射腔9前端的第一压力控制阀14打开、第二子引射腔10前端的第二压力控制阀15关闭，使得第一子引射腔9处于运行状态，提供第一种引射效果（如可以是适配大功率电堆小电密段高引射当量比小流量需求）；控制器17可根据压力数据控制第二子引射腔10前端的第二压力控制阀15打开、第一子引射腔9前端的第一压力控制阀14关闭，使得第二子引射腔10处于运行状态，提供第二种引射效果（如可以适配大电密段低引射当量比大流量需求）。
44.在本发明的一实施例中，可以不设置多通阀座2；可用独立的供氢管路加两路氢进电磁阀及压力控制阀代替，保证各子引射腔有独立的压力控制阀即可。
45.此外，泄压阀可以不集成在引射器本体上（即泄压阀可以不作为燃料电池氢气循环装置的一部分）；压力传感器也可以不集成在引射器本体上（即压力传感器可以不作为燃料电池氢气循环装置的一部分），但引射器出口需另连接压力传感器，保证有压力数据反馈给控制器作为控制的信号输入）。
46.请参阅图1、图2，所述燃料电池氢气循环装置形成两路引射器，分别为一路引射器及二路引射器。
47.一路引射器包括三通阀座2、氢进电磁阀6、第一压力控制阀14和引射器本体1，所述氢进电磁阀6通过螺纹与三通阀座2相连，所述第一压力控制阀14通过法兰结构与三通阀座2相连，所述三通阀座2与引射器本体1相连，所述引射器本体1内设置有第一引射喷嘴4，所述引射器本体1上端固定设置有机械泄压阀16，所述引射器本体6上端固定设置有压力传感器8，所述引射器本体6底部通过法兰方式与三通电磁阀10连接。
48.二路引射器包括三通阀座2、氢进电磁阀6、第二压力控制阀15和引射器本体1，所述氢进电磁阀6通过螺纹与三通阀座2相连，所述第二压力控制阀15通过法兰结构与三通阀座2相连，所述三通阀座2与引射器本体1相连，所述引射器本体1内设置有第二引射喷嘴 5。
49.进气口接头6通过螺纹连接到三通阀座2上，出气口接头8通过法兰连接到引射器本体1上，引射口接头7通过螺纹连接到三通电磁阀3上。
50.其中，氢进电磁阀6、第一压力控制阀14、第二压力控制阀15、压力传感器18、三通电磁阀3均通过导线与控制器17电性相连。
51.需要说明的是，本发明为可选并联双引射器的燃料电池氢气循环装置，工作时，通过三通阀座2能为氢进电磁阀6、第一压力控制阀14提供有效地连通手段，提高了安装可靠性，通过氢进电磁阀6控制前端氢气的供应和切断，通过第一压力控制阀14（或第二压力控制阀15）控制供应氢气的流量和压力，通过引射器本体1及内部设置的第一引射喷嘴4（或第二引射喷嘴5），可将第一压力控制阀14（或第二压力控制阀15）提供的高压力低流速的氢气通过引射器本体1，利用文丘里工作原理，将高压气体所具有的势能转化为动能，将燃料电池出口处的氢气回吸至入口处，并和高压储氢瓶供给的氢气进行混合。
52.混合后的氢气具有一定的温、湿度，有利于提高燃料电池堆的工作性能，通过机械泄压阀16可在引射腔体1内部压力过高时，将氢气从泄压阀排出，防止电堆收到高压氢气冲击，通过压力传感器18可监控引射器本体1后端的压力，为第一压力控制阀14（或第二压力控制阀15）的控制反馈数值，进行闭环控制，通过三通电磁阀3可切换两个并联的引射器流道，在不同工作点提供不同的引射效率。
53.本发明揭示一种氢气供应装置，所述氢气供应装置包括：上述燃料电池氢气循环装置。在本发明的一实施例中，所述氢气供应装置进一步包括氢存储容器，所述燃料电池氢气循环装置的进气口接头连接所述氢存储容器。
54.本发明还揭示一种燃料电池发电装置，所述燃料电池发电装置包括：上述燃料电池氢气循环装置。在本发明的一实施例中，所述燃料电池发电装置进一步包括氢存储容器、燃料电池；所述燃料电池氢气循环装置的进气口接头连接所述氢存储容器；所述燃料电池的过量氢气输出端连接所述引射口接头。
55.本发明进一步揭示一种上述燃料电池氢气循环装置的控制方法，所述控制方法包括：根据压力传感器感应的数据监测所述引射腔设定区域的压力数据，以此生成各压力控
制阀的控制数据；根据不同的工作模式控制多通电磁阀的动作，从而控制各引射喷嘴的工作状态，提供不同的引射效率。
56.综上所述，本发明提出的氢气供应装置、燃料电池发电装置、燃料电池氢气循环装置及其控制方法，可最大限度地保证多个不同工况点的引射效果；满足大功率电堆小电密点小流量高过量系数比、大电密点大流量低过量系数比的要求。同时，本发明通过多通电磁阀隔离至少两个引射通道，可以有效地防止氢气倒灌等现象，提高引射循环效果。
57.需要注意的是，本技术可在软件和/或软件与硬件的组合体中被实施；例如，可采用专用集成电路(asic)、通用目的计算机或任何其他类似硬件设备来实现。在一些实施例中，本技术的软件程序可以通过处理器执行以实现上文步骤或功能。同样地，本技术的软件程序(包括相关的数据结构)可以被存储到计算机可读记录介质中；例如，ram存储器，磁或光驱动器或软磁盘及类似设备。另外，本技术的一些步骤或功能可采用硬件来实现；例如，作为与处理器配合从而执行各个步骤或功能的电路。
58.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
59.这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。