[發(fā)明專利]氫氣減壓調(diào)控系統(tǒng)、方法、設(shè)備、電池系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010952708.2
• 申請(qǐng)日: 2020-09-11
• 公開（公告）號(hào): CN112072145B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊祖勇;陳黎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京亦嘉潔驅(qū)系統(tǒng)科技有限公司
• 主分類號(hào): H01M8/04746
• 分類號(hào): H01M8/04746;H01M8/04089;H01M8/04298;F17D1/04;F17D3/01
• 代理公司: 北京中政聯(lián)科專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11489
• 代理人: 陳劍杰

本申請(qǐng)涉及一種氫氣減壓調(diào)控系統(tǒng)、方法、設(shè)備、電池系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法。此氫氣減壓調(diào)控系統(tǒng)主要包括：集成氫氣壓力/流量調(diào)節(jié)裝置和引射器的一體結(jié)構(gòu)以及控制器；所述一體結(jié)構(gòu)的一端連通供氫設(shè)備，一端連通氫燃料電池電堆；其中所述氫氣壓力/流量調(diào)節(jié)裝置包括電子控制單元和多個(gè)并行的脈沖寬度調(diào)制控制的噴射器；所述一體結(jié)構(gòu)中包括至少一個(gè)氫氣壓力/流量調(diào)節(jié)裝置和至少一個(gè)引射器；至少一個(gè)所述氫氣壓力/流量調(diào)節(jié)裝置后連接至少一個(gè)所述引射器；所述控制器與所述一體結(jié)構(gòu)連接，用于根據(jù)系統(tǒng)輸出功率的需求，對(duì)所述一體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氫燃料電池電堆的供氫的壓力/流量和氫氣卷吸的調(diào)節(jié)。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種氫氣減壓調(diào)控系統(tǒng)、方法、設(shè)備、電池系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜氫燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)）通過(guò)氫氣和空氣中的氧氣的可控電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流、水和熱，將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。氫原子在催化劑的作用下以質(zhì)子的形式穿過(guò)適當(dāng)濕化的質(zhì)子交換膜與燃料電池另一端催化劑作用下的氧原子發(fā)生反應(yīng)、產(chǎn)生0.25-1伏的電壓向外供電。多個(gè)PEMFC串、并聯(lián)，配以持續(xù)的氫氣和空氣（氧氣）的供給系統(tǒng)和水管理和熱管理系統(tǒng)形成完整的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)。由于PEMFC系統(tǒng)較低的工作溫度和快速啟動(dòng)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，PEMFC系統(tǒng)目前成為各種燃料電池中，主導(dǎo)車輛和船舶清潔動(dòng)力，替代化石燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的高效動(dòng)力系統(tǒng)。

質(zhì)子交換膜氫燃料電池系統(tǒng)連續(xù)和高效率的運(yùn)行依賴于不間斷地給PEMFC陽(yáng)極端提供氫氣燃料和不間斷地給PEMFC陰極端提供含氧空氣。質(zhì)子交換膜兩側(cè)的氫氣和空氣需要一定高壓和合適的濕度以滿足對(duì)其電能輸出的要求和支持高效的電化學(xué)反應(yīng)。兩邊壓力要保持一定的平衡和穩(wěn)定，以避免氫氣向陰極和空氣中的氮?dú)庀蜿?yáng)極的不利滲透和對(duì)質(zhì)子交換膜壽命的損傷。

PEMFC的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)最初是通過(guò)多級(jí)減壓閥和比例調(diào)節(jié)閥來(lái)保障進(jìn)堆氫氣的流量和壓力，然而比例調(diào)節(jié)閥的精度難以控制。現(xiàn)在常用的氫氣噴射器多采用電磁閥來(lái)精確控制高壓氫氣出口的壓力和流量。

PEMFC系統(tǒng)的陰極和陽(yáng)極的燃料通常需要過(guò)量供應(yīng)來(lái)保證燃料在氫燃料電池電堆內(nèi)的反應(yīng)速率。在大功率的PEMFC中，氫氣通常要求1.5到3倍的過(guò)量系數(shù)（根據(jù)氫燃料電池電堆功率變化）。這部分過(guò)量供應(yīng)的氫氣需要進(jìn)行回收利用來(lái)提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，PEMFC反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的水可以經(jīng)過(guò)循環(huán)后對(duì)新的進(jìn)氣進(jìn)行加濕，提高氫燃料電池電堆的性能和壽命。通常可以使用的循環(huán)設(shè)備包括氫氣循環(huán)泵和氫氣引射器。氫氣循環(huán)泵由于功耗高，會(huì)造成PEMFC系統(tǒng)凈功率下降。同時(shí)，其較高的價(jià)格，工作產(chǎn)生的噪音和震動(dòng)，部件潤(rùn)滑等問(wèn)題都急需解決。相比之下，引射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不含移動(dòng)部件，沒有噪音污染，也不消耗能量，更適合PEMFC氫氣循環(huán)系統(tǒng)。

PEMFC陽(yáng)極氫氣引射器的尺寸設(shè)計(jì)通過(guò)預(yù)先定義好的驅(qū)動(dòng)流體的質(zhì)量流量和壓力來(lái)進(jìn)行。因此，固定尺寸的引射器通常只能滿足一定范圍內(nèi)的卷吸效率。在低于設(shè)計(jì)點(diǎn)的功率范圍運(yùn)行時(shí)，引射器無(wú)法對(duì)過(guò)量氫氣進(jìn)行回收。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以利用多個(gè)同一尺寸或不同尺寸的引射器來(lái)覆蓋更大的燃料電池運(yùn)行功率范圍。但多個(gè)引射器的生產(chǎn)制造成本和集成難度都會(huì)增加，對(duì)不同引射器的控制也更加復(fù)雜。變截面尺寸的引射器可以根據(jù)氫燃料電池電堆流量的變化改變噴管喉部截面的面積，從而滿足低功率下運(yùn)行的卷吸要求。噴嘴截面積的變化一般通過(guò)改變針閥的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。針閥位置的變化可以通過(guò)引射器內(nèi)腔體不同隔膜的壓力變化或是使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。但是在幾個(gè)毫米的噴管喉部直徑內(nèi)精細(xì)的控制針閥的位置在實(shí)際應(yīng)用中仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。不同截面積的噴嘴可嵌套在一起集成設(shè)計(jì)并方便制造安裝，但設(shè)計(jì)和控制難度都會(huì)增加。

PEMFC系統(tǒng)供氫子系統(tǒng)中同時(shí)有壓力/流量調(diào)節(jié)裝置和引射器的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)中包含了2個(gè)噴射器，其中一個(gè)噴射器與引射器相連，進(jìn)行氫氣循環(huán)，另一個(gè)噴射器作為旁通供氫支路，在必要時(shí)配合第一個(gè)噴射器進(jìn)行供氫補(bǔ)充。然而該系統(tǒng)使用的單個(gè)引射器只能滿足一定功率變化范圍內(nèi)對(duì)剩余氫氣的卷吸，無(wú)法在大功率范圍內(nèi)保持長(zhǎng)期可持續(xù)的引射卷吸能力。而且對(duì)于燃料電池氫氣減壓供給系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)和調(diào)控的方法，沒有研究、發(fā)現(xiàn)和介紹。