燃料电池宽域引射器设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种燃料电池宽域引射器设计方法及装置，其中，方法包括以下步骤：获取燃料电池电堆参数和工作条件；建立燃料电池引射器稳态特性方程和引射流体带水特性方程；将燃料电池引射器稳态特性方程和引射流体带水特性方程耦合入燃料电池引射器数学模型；利用模型计算预估引射器可用负载范围，且获取引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线；确定初始参数，按照顺序对喷嘴直径、混合室直径/喷嘴直径、混合室长度/混合室直径、喷嘴位置尺寸的参数数值进行优化。该方法在引射器参数优化设计阶段同时考虑性能的提升和可用负载范围的拓宽，指导设计宽域可用负载范围的氢气引射器，为解决燃料电池引射器工作负载范围较窄的难题提供了有效途径。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池宽域引射器设计方法及装置
本专利技术涉及质子交换膜燃料电池
，特别涉及一种燃料电池宽域引射器设计方法及装置。
技术介绍
质子交换膜燃料电池效率高、排放低、无污染，适合于车载使用并受到广泛关注。在燃料电池系统中，氢气供气至关重要，关系着燃料电池是否缺气及氢气侧的液态水吹扫。在常规阳极盲端的工作模式下，阳极排水的问题比较严重、易于发生阳极水淹，而且在变载过程下阳极极易发生缺气。水淹和缺气故障的产生不仅会影响燃料电池堆的正常使用，而且会严重影响燃料电池耐久性。为解决盲端模式的缺陷并提高氢气利用率，引入阳极氢气循环是必要的，目前常用的氢循环方式是采用氢气循环泵或氢气引射器。引入氢气循环泵会引入系统寄生功率，导致系统效率降低。同时，氢气循环泵本身的控制也是燃料电池堆是否发生故障的关键，氢气循环泵的引入会降低系统工作可靠性。相比之下，氢气引射器本身无需控制、不消耗能量、工作可靠，比较适合于应用到燃料电池系统。引射器本身在制冷系统和固体氧化物燃料电池系统中应用比较广泛，在质子交换膜燃料电池系统中使用还比较少。引射器用于燃料电池系统中目前面临的最大问题就是使用负载范围的限制。燃料电池在低负载运行时需求氢气流量较小，引射器引射性能较差甚至不能发挥出引射能力，因而在单引射器的氢循环系统中，引射器只能在较高负载时工作。为解决此问题，相关技术中采用较多的技术方案包括：(1)变喷嘴尺寸引射器；(2)多引射器并联；(3)引射器与小型循环泵并联；(4)通过压力或流量复杂控制拓宽引射器可用负载范围。但是，这些技术方案的使用本身就会削弱引射器应用的优势，在系统中的应用有一定的局限性。另外，在引射器设计过程中，对燃料电池堆和系统的工况参数的考虑不足也导致出现性能模拟结果的偏差且不能预估引射器可用负载范围，且不能在引射器参数设计阶段拓宽其使用负载范围。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种燃料电池宽域引射器设计方法，可以指导设计宽域可用负载范围的氢气引射器，为解决燃料电池引射器工作负载范围较窄的难题提供了有效途径。本专利技术的另一个目的在于提出一种燃料电池宽域引射器设计装置。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了一种燃料电池宽域引射器设计方法，包括以下步骤：获取燃料电池电堆的参数和工作条件；根据所述燃料电池电堆的参数、所述工作条件和燃料电池堆阳极压降特性建立燃料电池引射器稳态特性方程和引射流体带水特性方程；以及将所述电池引射器稳态特性方程和所述引射流体带水特性方程耦合入燃料电池引射器数学模型，并利用所述燃料电池引射器数学模型计算预估引射器可用负载范围，且获取所述引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线；根据所述引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线，确定初始参数，按照顺序对喷嘴直径、混合室直径/喷嘴直径、混合室长度/混合室直径、喷嘴位置尺寸的参数数值进行优化。本专利技术实施例的燃料电池宽域引射器设计方法，通过根据燃料电池堆的阳极压降特性和引射流体的带水特性，建立一种与燃料电池堆和系统组成和工况参数高度契合的引射器全负载范围数学模型在引射器参数优化设计阶段同时考虑性能的提升和可用负载范围的拓宽，可以指导设计宽域可用负载范围的氢气引射器，为解决燃料电池引射器工作负载范围较窄的难题提供了有效途径。另外，根据本专利技术上述实施例的燃料电池宽域引射器设计方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述燃料电池引射器稳态特性方程的计算公式为：m1＝1.05×10-8NI，其中，ps是引射器引射口压力，p是氢气入堆压力等于引射器出口压力，N为燃料电池堆中电池的片数,m2为进入所述引射器引射口的引射湿润氢气质量流量，m1为进入引射器入口的干燥氢气质量流量，C为与燃料电池内部尺寸参数和工况参数有关参数，w为引射湿润气体中的氢气质量分数，I是燃料电池工作电流。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述与燃料电池内部尺寸参数和工况参数有关参数的计算公式为：其中，L为单条流道长度，n为氢气侧单片电池流道数，T为燃料电池反应温度，psat为温度T下水蒸气的饱和压力，Cd为燃料电池氢气侧流道深度，Cw为燃料电池氢气侧流道宽度。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述将所述电池引射器稳态特性方程和所述引射流体带水特性方程耦合入燃料电池引射器数学模型，进一步包括：建立所述燃料电池氢气循环引射器数学模型，所述引射口作为质量流量入口，氢气质量流量为所述进入引射器入口的干燥氢气质量流量，气体温度为工作环境温度，所述引射器出口作为压力出口，且设定压力为氢气入堆压力，所述引射引射口作为压力入口，气体温度为燃料电池堆工作温度，并且增加边界条件自定义函数，设定引射口压力为所述燃料电池引射口压力，设定氢气质量分数为所述引射湿润气体中的氢气质量分数，其中，引射湿润气体中的氢气质量分数w体现引射流体带水特性方程，具体公式为：进一步地，对所述燃料电池氢气循环引射器数学模型进行迭代计算，每一步计算ps时，m2和w调用上一步迭代计算结果；每一步计算w时，调用本步已经得到的ps结果；最终得到收敛的m2和w的结果。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述根据所述引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线，确定参数，按照顺序对喷嘴直径、混合室直径/喷嘴直径、混合室长度/混合室直径、喷嘴位置尺寸的参数数值进行优化，进一步包括：确定参数初始值，按照顺序对喷嘴直径、混合室直径/喷嘴直径、混合室长度/混合室直径、喷嘴位置尺寸的参数数值进行优化，其中，从燃料电池最大工作电流开始按照预设间隔减小电流，仿真获得对应电流的氢气引射比，直到氢气引射比接近于0，预估可用负载范围，并绘制对应尺寸下的氢气引射比曲线，改变该参数获得一组曲线，对比这组曲线进行寻优；其中，优化喷嘴直径时，限制条件是在Imax工作状态下，引射器入口压力不得超过压力控制阀最大控制压力Pmax。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述氢气引射比计算公式为：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，预估引射器的引射性能和可用负载范围，在引射器参数优化阶段设计参数以拓宽引射器可用负载范围。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例提出了一种燃料电池宽域引射器设计装置，包括：参数获取模块，用于获取燃料电池电堆的参数和工作条件；特性方程建立模块，用于根据所述燃料电池电堆的参数、所述工作条件和燃料电池堆阳极压降特性建立燃料电池引射器稳态特性方程和引射流体带水特性方程；耦合计算模块，用于将所述电池引射器稳态特性方程和所述引射流体带水特性方程耦合入燃料电池引射器数学模型，并利用所述燃料电池引射器数学模型获取引射器可用负载范围，且获取所述引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线；寻优模块，用于根据所述引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线，确定初始参数，按照顺序对喷嘴直径、混合室直径/喷嘴直径、混合室长度/混合室直径、喷嘴位置尺寸的参数数值进行优化。本专利技术实施例的燃料电池宽域引射器设计装置，通过根据燃料电池堆的阳极压降特性和引射流体的带水特性，建立一种与燃料电池堆和系统组成和工况参数高度契合的引射器全负载范围数学模型在引射器参数优化设计阶段同时考虑性能的提升和可用负载范围的拓宽，可以指导设计宽域可用负载范围的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池宽域引射器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：获取燃料电池电堆的参数和工作条件；根据所述燃料电池电堆的参数、所述工作条件和燃料电池堆阳极压降特性建立燃料电池引射器稳态特性方程和引射流体带水特性方程；将所述电池引射器稳态特性方程和所述引射流体带水特性方程耦合入燃料电池引射器数学模型，并利用所述燃料电池引射器数学模型计算预估引射器可用负载范围，且获取所述引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线；根据所述引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线，确定初始参数，按照顺序对喷嘴直径、混合室直径/喷嘴直径、混合室长度/混合室直径、喷嘴位置尺寸的参数数值进行优化。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池宽域引射器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：获取燃料电池电堆的参数和工作条件；根据所述燃料电池电堆的参数、所述工作条件和燃料电池堆阳极压降特性建立燃料电池引射器稳态特性方程和引射流体带水特性方程；将所述电池引射器稳态特性方程和所述引射流体带水特性方程耦合入燃料电池引射器数学模型，并利用所述燃料电池引射器数学模型计算预估引射器可用负载范围，且获取所述引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线；根据所述引射器可用负载范围内氢气引射性能曲线，确定初始参数，按照顺序对喷嘴直径、混合室直径/喷嘴直径、混合室长度/混合室直径、喷嘴位置尺寸的参数数值进行优化。2.根据权利要求1所述的燃料电池宽域引射器设计方法，其特征在于，所述燃料电池引射器稳态特性方程的计算公式为：m1＝1.05×10-8NI，其中，ps是引射器引射口压力，p是氢气入堆压力等于引射器出口压力，N为燃料电池堆中电池的片数,m2为进入所述引射器引射口的引射湿润氢气质量流量，m1为进入引射器入口的干燥氢气质量流量，C为与燃料电池内部尺寸参数和工况参数有关参数，w为引射湿润气体中的氢气质量分数，I是燃料电池工作电流。3.根据权利要求2所述的燃料电池宽域引射器设计方法，其特征在于，所述与燃料电池内部尺寸参数和工况参数有关参数的计算公式为：其中，L为单条流道长度，n为氢气侧单片电池流道数，T为燃料电池反应温度，psat为温度T下水蒸气的饱和压力，Cd为燃料电池氢气侧流道深度，Cw为燃料电池氢气侧流道宽度。4.根据权利要求3所述的燃料电池宽域引射器设计方法，其特征在于，所述将所述电池引射器稳态特性方程和所述引射流体带水特性方程耦合入燃料电池引射器数学模型，进一步包括：建立所述燃料电池氢气循环引射器数学模型，所述引射器入口作为质量流量入口，氢气质量流量为所述进入引射器入口的干燥氢气质量流量，气体温度为工作环境温度，所述引射器出口作为压力出口，且设定压力为氢气入堆压力，所述引射口作为压力入口，气体温度为燃料电池堆工作温度，并且增加边界条件自定义函数，设定引射口压力为所述燃料电池引射口压力，设定氢气质量分数为所述引射湿润气体中的氢气质量分数，其中，引射湿润气体中的氢气质量分数w体现引射流体带水特性方程，具体公式为：5.根据权利要求4所述的燃料电池宽域引射器设计方法，其特征在于，对所述燃料电池氢气循环引射器数学模型进行迭代计算，进一步包括：每一步计算ps时，m2和w调用上一步迭代计算结果；每一步计算w时，调用本步已经得到的ps结果；最终得到收敛的m2和w的结果。6.根据权利要求4所述的燃料电池宽域引射器设计方法，其特征在于，所述根据所述引射器可用负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴普成，任棚，吴子尧，贾肖宁，陈东方，黄尚尉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11