[发明专利]一种燃料电池多级喷轨阳极回路及控制方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池多级喷轨阳极回路，多级喷轨由若干级氢喷轨构成，所述氢喷轨内设有喷嘴和引射器，所述减压阀的输出端与氢喷轨的喷嘴的输入端相连接，所述喷嘴的输出端与同级氢喷轨内的引射器的输入端相连接，所述引射器的输出端与下一级氢喷轨的引射器输入端相连接，最后一级氢喷轨的引射器的输出端与燃料电池电堆的输入端相连接，所述燃料电池电堆与排水排气模块相连接，所述排水排气模块的输出端与第一级氢喷轨的引射器的输入端相连接；采用多喷轨组合的方式，根据需求流量，选择不同的喷轨工作，使系统运行长期保持在较高过量比的情形下；提升喷轨引射效果，满足系统大流量运行下的过量比需求；优化特定工作区间下的压力波动。

技术领域

本发明涉及燃料电池系统技术领域，特别涉及一种燃料电池多级喷轨阳极回路及控制方法。

背景技术

燃料电池系统的持续运行需要向燃料电池的阳极持续提供反应气体，供气通过燃料电池阳极回路的供氢装置实现。

通常的燃料电池系统的阳极回路供氢装置有比例阀或氢喷轨。氢喷轨通常包含引射器及喷嘴组件。其中，高压氢气以较高的流速通过喷嘴，在引射器中产生引射效果，从而带动阳极回路内的低压氢气流动，并最终进入燃料电池电堆，满足燃料电池系统运行的氢气消耗需求。

氢喷轨的设计方案及控制方式，会显著影响燃料电池阳极回路的氢气过量比及压力控制精度。

燃料电池的阳极回路是向燃料电池提供氢气的结构。参阅图1是采用氢喷轨的一般阳极回路配置的示意图，包含减压阀、氢喷轨、排水排气模块、阳极压力传感器等部分。

入口氢气由氢罐内的高压氢气经过减压阀减压，减压后的氢气经由喷嘴进入阳极回路，高流速氢气在引射器中与电堆阳极出口的低压氢气混合，通过引射作用带动低压氢气流动，阳极压力传感器获取入堆氢气压力并反馈给燃料电池控制器，燃料电池控制器通过控制喷嘴的工作，使阳极压力维持稳定；低压出堆氢气经过排水排气模块排出液态水及杂质气体，然后经由引射器与高流速氢气混合后再次进入电堆，以提升氢气利用率。通常的，经由引射器混合的入堆氢气中，被引射的出堆氢气所占比例越大，则该喷轨的过量比越大，引射效率越高。

典型的喷轨过量比曲线如下图2所示，当流量较低时，引射过量比随流量的增大而快速增加，并在某一流量下达到过量比最大的最佳工作点；之后进一步增大流量，则会导致过量比的下降。

在一般的燃料电池系统中，可能会遇到下列问题。

1、由于氢气过量比受喷嘴口径和氢气流量影响，小口径喷嘴在较低流量下过量比大，大口径喷嘴在较高流量下过量比大。采用单一喷嘴时，会在某些流量下，无法满足系统运行的过量比需求。

2、由于氢气过量比受出堆氢气压力影响，被引射的出堆氢气压力越高，过量比越大；压力越低，过量比越小。当系统运行至高档位，堆内流量增大，使气体压降增大，进一步导致被引射的出堆氢气压力过低，过量比过低，无法满足系统运行的过量比需求

3、喷轨的开启或关闭动作，会使阳极回路的流量发生变化，从而令阳极入口压力产生较大的压力波动，影响系统的运行状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料电池多级喷轨阳极回路及控制方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种燃料电池多级喷轨阳极回路，包括燃料电池电堆、多级喷轨、减压阀、排水排气模块和氢气气源；所述氢气气源的输出端与减压阀的输入端相连接，所述多级喷轨由若干级氢喷轨构成，所述氢喷轨内设有喷嘴和引射器，所述减压阀的输出端与氢喷轨的喷嘴的输入端相连接，所述喷嘴的输出端与同级氢喷轨内的引射器的输入端相连接，所述引射器的输出端与下一级氢喷轨的引射器输入端相连接，最后一级氢喷轨的引射器的输出端与燃料电池电堆的输入端相连接，所述燃料电池电堆的输出端与排水排气模块的输入端相连接，所述排水排气模块的输出端与第一级氢喷轨的引射器的输入端相连接；各级氢喷轨内的喷嘴口径依级增大或依级减小。