[发明专利]一种燃料电池氢气循环系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池氢气循环系统及控制方法，包括供氢管路和氢再循环管路，供氢管路包括依次连接的储氢容器、减压阀、比例阀、稳压器、喷射器和氢气加湿器，氢气加湿器出口与燃料电池的氢入口连接，减压阀和比例阀之间的管路上设有分流阀，分流阀第一出口与比例阀入口连通，第二出口与涡轮机的进氢通路入口连通，涡轮机的进氢通路出口与比例阀和稳压器之间的管路连通；氢再循环管路包括与燃料电池的氢出口连接的冷凝器，冷凝器出口与涡轮机的回氢通路入口连通，涡轮机的回氢通路出口与喷射器和氢气加湿器之间的管路连通。其能够利用高压氢气的势能带动氢气再循环，供给燃料电池工作所需要的氢气量，实现燃料电池氢气循环和过氢比的控制。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及燃料电池氢气循环系统及控制方法。

背景技术

受环境污染问题和能源紧缺问题的影响，新能源汽车一直是行业内的重点发展方向。其中，氢氧燃料电池汽车具有能量密度高、续航里程长、加氢时间短等优点，是汽车的理想能源方式。燃料电池正常工作时需要多个辅助系统的协调工作，包括氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统和功率控制系统，以提供合适的氢气、空气、冷却水流量等，保证燃料电池的最佳工作状态。其中，氢气供给系统需要提供充足而湿度合适的反应气体，否则会造成燃料电池的“饥饿”现象，不仅会导致输出功率下降，还对燃料电池的寿命造成影响。

氢气循环被应用到燃料电池氢气供给系统，通过阳极氢气再循环的方式，不仅在保证阳极过氢比的情况下减小“饥饿”现象的出现，还可以对进堆氢气进行自加湿。目前广泛应用的两种氢气循环器件分别是氢气循环泵和引射器。对于氢气循环泵来说，阳极在引入氢气循环泵后，通过控制循环泵的转速，可以实现过氢比的精确控制，但是循环泵不仅会消耗额外的功率，其工作寿命还受限于循环泵的品质，从而影响整个系统的寿命。对于引射器来说，引射器通过高压氢气通过其内部结构，形成负压区，从而卷吸回流氢气，实现氢气循环。但是由于引射器的内部结构固定，导致其卷吸氢气的能力不受控，不能实现过氢比的控制，特别是当燃料电池在低功率区工作时，其引射比会急剧下降至零，这也限制了引射器的使用范围。

另一方面，氢气在燃料电池汽车上的储存方式一般是通过高压氢气瓶储存，其压力高达 70MPa，而燃料电池的进氢压力往往在3Bar以内，这之间的巨大压差变化需要多级减压阀的减压作用，这也浪费了高压氢气的部分内能。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃料电池氢气循环系统及控制方法，其能够利用高压氢气的势能带动氢气再循环，供给燃料电池工作所需要的氢气量，实现燃料电池氢气循环和过氢比的控制。

本发明所述的燃料电池氢气循环系统，包括供氢管路和氢再循环管路，所述供氢管路包括依次连接的储氢容器、减压阀、比例阀、稳压器、喷射器和氢气加湿器，所述氢气加湿器出口与燃料电池的氢入口连接，所述减压阀和比例阀之间的管路上设有分流阀，所述分流阀入口与减压阀出口连通，分流阀第一出口与比例阀入口连通，分流阀第二出口与涡轮机的进氢通路入口连通，所述涡轮机的进氢通路出口与比例阀和稳压器之间的管路连通；所述氢再循环管路包括与燃料电池的氢出口连接的冷凝器，所述冷凝器出口与涡轮机的回氢通路入口连通，所述涡轮机的回氢通路出口与喷射器和氢气加湿器之间的管路连通；所述涡轮机包括设于进氢通路内的主动轮和设于回氢通路内的从动轮，所述主动轮和从动轮传动连接，高压氢气进入涡轮机进氢通路驱动主动轮转动，带动与主动轮传动连接且位于回氢通路中的从动轮转动，由从动轮驱动燃料电池的氢出口排出的氢气重新输送至供氢管路中。

进一步，所述稳压器上连接有用于采集稳压器压力信号的第一压力传感器，稳压器出口侧连接有第一流量传感器；所述氢气加湿器入口侧连接有第二压力传感器和第二流量传感器。

进一步，所述涡轮机的进氢通路出口侧连接有第一单向阀，所述涡轮机的回氢通路出口侧连接有第二单向阀。

进一步，所述冷凝器上集成连接有吹扫阀，用于排出冷凝器中的液态水及一部分回流的气体。