CN101533920B - 用于燃料电池系统的氢排放系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃料电池系统的氢排放系统，其可以通过对在排放期间对从燃料电池排放的氢的稀释进行最优化而确保燃料电池车辆的安全性，并且通过减少排放期间生成的噪声而确保车辆的安静。针对该目的，本发明提供了一种用于燃料电池系统的氢排放系统，其包括用于清除从燃料电池组的燃料电极排放的氢的清除阀，上述氢排放系统包括：喷射器，其安装到从清除阀延伸的氢清除管线上，以从外部引入空气；和后处理系统，其与喷射器的排出管线连接，以去除从其中排出的氢。

Description

用于燃料电池系统的氢排放系统

相关申请的交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119(a)要求2008年3月14日提交的韩国专利申请第10-2008-0023609号的优先权，其全部内容在此引入以供参考。

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的氢排放系统。更具体地，本发明涉及一种用于燃料电池系统的氢排放系统，其可以通过对在排放期间对从燃料电池排放的氢的稀释进行最优化而确保燃料电池车辆的安全性，并且通过减少排放期间生成的噪声而确保车辆的安静。

背景技术

燃料电池系统通常可以包括用于发电的燃料电池组、用于将燃料(氢)提供给燃料电池组的燃料供给系统、用于将空气中的氧作为电化学反应所需的氧化剂提供给燃料电池组的空气供给系统、和用于控制燃料电池组的工作温度的热管理系统。

在具有上述构造的示例性燃料电池系统中，燃料电池组的氢出口优选地连接有氢再循环鼓风机(blower)，以将燃料电池组的燃料电极(阳极)处的反应之后剩余的氢再循环至燃料电极加以重复使用。

积聚在燃料电极中的氮或水通过定期清除从燃料电池组中排出。

因此，在应用于燃料电池车辆的燃料电池组的工作中，氮或水积聚在燃料电极(氢电极)中，并使燃料电池组的性能劣化，因此，有必要通过氢电极的定期清除(purge)来确保燃料电池组的稳定的性能。

当氮或水通过定期清除从燃料电池组中排出时，一些残留的氢与氮或水一起排出，如果所排放的氢浓度高，则可能有爆炸的危险。

因此，为了避免爆炸，所排放的氢的浓度应该降低或稀释至爆炸范围之内。

为这一目的，常规地，氢清除管线中设置有稀释器，以稀释空气中氢的密度。

然而，在例如使用稀释器的情形中，氢和空气仅仅被相互混合，但是氢的绝对量没有减少。因此，氢可以积聚在车辆内部，并可以导致安全性事故。可以设置有用于将空气引入稀释器或空气供给装置中的管道，这使制造成本增加，并导致管道系统的复杂。

作为用于处理从燃料电池组排放的氢的后处理系统，常规上已经提出了催化剂燃烧装置或火焰燃烧装置，其中将大量空气导入反应器，以除去从燃料电池组中排放的废氢(exhaust hydrogen)。然而，它导致管道系统的复杂，并增加了用于将空气提供给催化剂燃烧或火焰燃烧装置的空气鼓风机的负担。

在此背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景技术的理解，因此其可以包含不形成本国家的本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

一方面，本发明涉及一种用于燃料电池系统的氢排放系统，其中氢清除管线优选地连接有用于引入空气的喷射器，喷射器的出口部设置有后处理(post-treatment)系统，例如加湿器、催化剂燃烧反应器、和燃烧器(burner)，以消除大量的氢，同时改善燃料电池组的湿润性，从而改善燃料电池组的性能和耐用性。

在一个实施方式中，本发明提供了一种用于燃料电池系统的氢排放系统，其包括用于清除从燃料电池组的燃料电极所排放的氢的清除阀，所述氢排放系统适当地包括：喷射器，其安装到从清除阀延伸的氢清除管线上，以从外部引入空气；和后处理系统，其优选地与喷射器的排出管线连接，以去除从其中排出的氢。

在优选的实施方式中，后处理系统是用于将经加湿的空气提供给燃料电池组的空气电极的加湿器，喷射器的排出管线优选地与加湿器的内部连接。

在另一个优选的实施方式中，后处理系统是适当地安装到喷射器排出管线上的催化剂燃烧装置，催化剂燃烧装置的排出管线延伸至外部，或者与加湿器的内部连接。

在再一个优选的实施方式中，后处理系统是安装到喷射器排出管线上的燃烧器，燃烧器的排出管线延伸至外部，或者与加湿器的内部连接。

在再另一个优选的实施方式中，从燃料电池组空气电极延伸的空气排出管线与喷射器排出管线之间优选地连接有具有空气供给阀的分支管线。

本文所用的术语“车辆(vehicle)”、“车用”或其它类似术语理解成包括通常的机动车辆，例如载客车辆，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆，包括各种船只和船舶的水运工具，航空器和类似物。

所附附图结合在本说明书中并形成其一部分，并与以下具体描述一起，更详细地说明了本发明的以上特征和优势，其用于通过实施例的方式解释本发明的原理，这些特征和优势由此将是显而易见的。

附图说明

现在参考附图中图示的某些示范性实施方式对本发明的上述和其它特征进行详细说明，以下附图仅仅作为图示给出，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是示出根据本发明第一实施方式的示例性用于燃料电池系统的氢排放系统的示意图。

图2是示出根据本发明第二实施方式的示例性用于燃料电池系统的氢排放系统的示意图。

图3是示出根据本发明第三实施方式的示例性用于燃料电池系统的氢排放系统的示意图。

图4是示出根据本发明第四实施方式的示例性用于燃料电池系统的氢排放系统的示意图。

图5是说明根据本发明的应用于用于燃料电池系统的氢排放系统的喷射器的工作原理的横剖面图。

附图中列出的参考数字包括涉及下文进一步讨论的下列元件：

10：燃料电池组             12：燃料电极

14：氢再循环管线                 16：清除阀

18：氢清除管线                   20：空气电极

22：空气供给管线                 24：空气排出管线

26：加湿器                       28：喷射器排出管线

30：鼓风机                       32：催化剂燃烧装置

34：催化剂燃烧装置排出管线

36：燃烧器                       38：燃烧器排出管线

40：分支管线                     42：空气供给阀

100：喷射器                      102：外壳

104：喷射器主体                  106：主入口

110a、110b和110c：喷嘴           112a、112b和112c：副入口

114：罩体                        116：检查阀

应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。

具体实施方式

如本文所述，本发明包括一种用于燃料电池系统的氢排放系统，其包括用于清除从燃料电池组的燃料电极所排放的氢的清除阀，所述氢排放系统包括：喷射器和后处理系统，所述喷射器安装在氢清除管线上。在某些优选的实施方式中，喷射器安装到从清除阀延伸的氢清除管线上，以从外部引入空气，后处理系统与喷射器的排出管线连接，以去除从其中所排出的氢。在其它优选的实施方式中，后处理系统是用于将经加湿的空气提供给燃料电池组空气电极的加湿器，喷射器的排出管线与加湿器的内部连接。在再另一个优选的实施方式中，后处理系统进一步包括安装到喷射器排出管线上的催化剂燃烧装置，催化剂燃烧装置的排出管线延伸至外部，或者与加湿器的内部连接。在示例性的实施方式中，后处理系统进一步包括安装到喷射器排出管线上的燃烧器，燃烧器的排出管线延伸至外部，或者与加湿器的内部连接。在其它另一实施方式中，从燃料电池组空气电极延伸的空气排出管线与喷射器排出管线之间连接有具有空气供给阀的分支管线。

发明还可以包括机动车辆，该机动车辆包括根据本文所述任一实施方式的氢排放系统。

现在将详细参考本发明的优选实施方式，其实例在下文所附的附图中进行说明，其中类似的参考数字通篇代表类似的元件。下面对实施方式进行说明，以通过参考附图来解释本发明。

本发明涉及通过将喷射器与燃料电池组的氢清除管线(用于排放氢的管道)连接而除去氢，同时，涉及通过将氢引入燃料电池组空气电极的入口部而除去氢，在某些实施例中是完全除去，或者通过将氢适当地引入燃料电池组空气电极的出口部而反复对少量的氢进行稀释。优选地，将通过催化剂燃烧产生的水适当地引入空气电极，以适当地改善燃料电池组的湿润性。

第一实施方式

图1是示出根据本发明第一示例性实施方式的用于燃料电池系统的优选氢排放系统的示意图。

如图所示，燃料电池组10的燃料电极12适当连接有氢再循环管线14和包括清除阀16的氢清除管线18。优选地，燃料电池组10的空气电极20适当连接有空气供给管线22和空气排出管线24，并且其上连接有用于将经加湿的空气提供给空气电极20的加湿器26。

在优选的实施方式中，从清除阀16延伸的氢清除管线18连接有用于从外部引入空气的喷射器100，喷射器100的排出管线28如现在这样适当地延伸到外部。

根据示例性的实施方式，清除阀16优选为ON/OFF阀，并用于将从燃料电池组10的出口排放的废气中含有的氮或任何其它副产品排放至外部，以保持再循环气体的最优化特性。因此，在清除期间，氮、氢、水蒸汽、水和其它副产品通过清除阀16排放，并根据负载适当地控制ON/OFF的次数和打开时间。

任何一种能够吸入空气的喷射器均可以用作喷射器100。根据某些实施方式，优选使用适当地包括外壳102和喷射器主体104的多级在线筒式喷射器(cartridge elector)。

下面参照图5描述喷射器100的示例性结构。

在示例性实施方式中，喷射器主体104适当地固定安装在外壳102中，上述外壳具有主入口106，并优选具有至少三个在喷射器主体104中以预定的间隙顺次排列的喷嘴110a、110b和110c。在某些实施方式中，各个喷嘴110a、110b和110c的直径按照排列顺序从入口部到出口部适当地逐渐变大。

在示例性实施方式中，各个喷嘴110a、110b和110c的外圆周上设置有罩体114，上述罩体具有至少三个副入口112a、112b和112c，使得各个喷嘴110a、110b和110c得以适当固定。在进一步的示例性实施方式中，三个副入口112a、112b和112c优选与各个喷嘴110a、110b和110c之间的间隙连接。

优选地，三个副入口112a、112b和112c上安装有检查阀116，以适当地防止引入的空气泄漏到外部。

下面描述根据本发明第一实施方式的氢排放系统的运行的实例。

在示例性实施方式中，当通过氢清除管线18所排放的氢被引入到喷射器100中时，喷射器主体104的各个喷嘴110a、110b和110c适当地进行连续增加所引入的氢的通量(flux)的放大操作，同时在其它实施方式中，外部空气被适当地引入喷射器主体104并与废氢混合，从而适当地提供氢的稀释。

下面在实例中更详细地描述用于提供氢稀释的喷射器的工作原理：

(1)从燃料电池组10的氢清除管线18排出的废氢可以通过第一级喷嘴110a注入。

(2)从第一级喷嘴110a注入的氢优选地在第一级喷嘴部中产生真空压力(低压)，检查阀116被真空压力打开，以通过第一级副入口112a适当地引入外部空气。

(3)在引入的外部空气与氢混合的同时，优选使气体密度增加，因此在第二级喷嘴110b中产生更高的真空压力。

(4)混合气体优选通过第二级喷嘴110b重新注入，以在第二级中产生低压，因此相应的检查阀116被打开，以通过第二级副入口112b引入外部空气。

(5)通过上述原理，由第三级喷嘴110c在第三级中产生适当更高的真空压力，因此，外部空气被引入第三级副入口112c。

(6)根据本发明的某些实施方式，上述过程(1)至(5)在各个步骤中加以重复，级数越多，所引入空气的量优选增加越多。

如上述实例中所述，由于燃料电池组10的氢清除管线18优选连接有至少一个喷射器100，废氢与外部空气适当混合，因而有利于废氢的稀释。稀释过的氢通过喷射器100的排出管线28排放到外部。

在某些实施方式中，由于废氢的稀释操作优选通过经由喷射器自发引入空气而自发进行，因此本发明提供如下优点：基于对喷射器的选择而易于对空气的提供量进行控制；在本发明的某些实施方式中，不需要单独的控制逻辑；并且，通过控制外部空气的量，易于防止温度的过度上升。

第二实施方式

图2是示出根据本发明第二实施方式的示例性用于燃料电池系统的氢排放系统的示意图。

如图所示，本发明第二实施方式的特征在于，喷射器100的排出管线28不是向外部延伸，而是优选地与加湿器26连接，上述加湿器用于将经加湿的空气提供给空气电极20。

在优选实施方式中，通过喷射器100的排出管线28排放的稀释过的气体(即空气和废氢)不向外部，而是适当地引入加湿器26。

例如，当稀释过的气体不向外部排出，而是适当地引入加湿器26时，加湿器26可以优选地用作缓冲罐(即消音器(silencer))，同时可以优选地用作用于稀释大量空气和氢的稀释器。

根据优选的实施方式，由于废氢中含有水，适当地引入加湿器26的废氢成为提供给燃料电池的空气的加湿源，过剩的空气优选地成为燃料电池的反应物氧的额外供给源。

因此，在优选的实施方式中，废氢中所含的水可以用于适当地对通过鼓风机30引入的外部空气进行加湿，过剩的空气通过鼓风机30与外部空气混合，成为提供给空气电极20的氧的额外供给源。

第三实施方式

图3是示出根据本发明第三实施方式的示例性用于燃料电池系统的氢排放系统的示意图。

如图所示，本发明第三实施方式举例说明了本发明的特征，其包括作为后处理系统的催化剂燃烧装置32，上述催化剂燃烧装置与喷射器100的排出管线28连接

在示例性的实施方式中，催化剂燃烧装置32的排出管线34延伸至外部，或者与加湿器26的内部连接。

根据某些实施方式，当从燃料电池组10排放的氢通过喷射器100以与空气混合，并引入催化剂燃烧装置32中时，优选地氢可以很容易地通过催化剂燃烧反应去除。

在示例性实施方式中，催化剂燃烧装置32中的催化剂燃烧反应器起到缓冲器(buffer)作用，以优选消除引入废氢的过程中产生的噪音。

在优选的实施方式中，从燃料电池组10的空气电极20延伸的空气排出管线24和喷射器100的排出管线28适当地与具有空气供给阀42的分支管线40连接。

因此，在某些示例性实施方式中，当控制器(未示出)正好在打开清除阀16时打开空气供给阀42时，从燃料电池组10的空气电极20排放的空气可以通过分支管线40额外地提供给催化剂燃烧装置32中的催化剂燃烧反应器，以确保通过催化剂燃烧反应除去氢所适当需要的足量空气。

在某些实施例中，通过催化剂燃烧装置32除去氢之后，可以残余有少量的氢和水，并将其提供给加湿器26。

因此，催化剂燃烧反应过程中产生的水被引入加湿器26，以充当对通过鼓风机30提供给燃料电池组10的空气的额外的加湿源，少量残余的氢在加湿器26中用空气充分或完全稀释，并通过加湿器26的排出管线适当地排出至外部。

第四实施方式

图4是示出根据本发明第四实施方式的示例性用于燃料电池系统的氢排放系统的示意图。

如图所示，本发明的第四实施方式具有某些优选特征，其中作为后处理系统的燃烧器36优选地与喷射器100的排出管线28连接。

在某些实施方式中，燃烧器36的排出管线38延伸到外部，或者与加湿器26的内部连接。

因此，当从燃料电池组10排放的氢通过喷射器100以与空气混合，并适当地引入燃烧器36中时，可以很容易地在燃烧器36中通过燃烧除去氢。

以同样的方式，从燃料电池组10的空气电极20延伸的空气排出管线24和喷射器100的排出管线28适当地与具有空气供给阀42的分支管线40连接。

因此，在某些示例性实施方式中，当控制器(未示出)正好在打开清除阀16时打开空气供给阀42时，优选地从燃料电池组10的空气电极20排放的空气可以通过分支管线40额外地提供给燃烧器36中的燃烧室，以确保通过燃烧反应除去氢所需的更充足的空气。

在某些实施方式中，即使通过燃烧器36除去氢之后，也残余有少量的氢和水，并将其提供给加湿器26。

因此，在某些情况下，优选地燃烧器36的燃烧反应过程中产生的水被引入加湿器26，以充当对通过鼓风机30提供给燃料电池组10的空气的额外的加湿源，少量残余的氢在加湿器26中用空气充分或完全稀释，并通过加湿器26的排出管线排出至外部。

如上所述，本发明提供了以下效果。

在某些实施方式中，燃料电池组的氢清除管线优选地连接有喷射器，喷射器的出口部优选设置有后处理系统，例如加湿器、催化剂燃烧装置、燃烧器和加湿器，可以对从燃料电池组排放的氢进行稀释，同时，能够很容易地除去废氢。

在其它的某些实施方式中，最终的氢排出管线优选地与加湿器的内部连接，使得废氢中所含的水被引入加湿器，可以有效地对提供给空气电极的空气进行加湿。

根据优选的实施方式，由于最终的氢排出管线与加湿器的内部适当连接，因此加湿器可以起到缓冲器即消音器的作用。

在其它优选的实施方式中，由于燃料电池组的氢清除管线(用于排放氢的管道)连接有喷射器，外部空气被自发地引入其中，因此不需要有用于提供稀释用空气的管道和空气供给装置。

本发明参考其优选实施方式进行了详细说明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (2)

1.一种用于燃料电池系统的氢排放系统，其包括用于清除从燃料电池组的燃料电极排放的氢的清除阀，所述氢排放系统包括：

喷射器，其安装到从所述清除阀延伸的氢清除管线上，以从外部引入空气；和

后处理系统，其与所述喷射器的排出管线连接，以去除从其中排出的氢，

其中从所述燃料电池组的空气电极延伸的空气排出管线和所述喷射器的排出管线与具有空气供给阀的分支管线连接，

所述后处理系统包括：

将经加湿的空气提供给所述燃料电池组的空气电极的加湿器；和

安装到所述喷射器的排出管线上的催化剂燃烧装置，所述催化剂燃烧装置的排出管线延伸至外部，或者与所述加湿器的内部连接。

2.一种用于燃料电池系统的氢排放系统，其包括用于清除从燃料电池组的燃料电极排放的氢的清除阀，所述氢排放系统包括：

喷射器，其安装到从所述清除阀延伸的氢清除管线上，以从外部引入空气；和

后处理系统，其与所述喷射器的排出管线连接，以去除从其中排出的氢，

其中从所述燃料电池组的空气电极延伸的空气排出管线和所述喷射器的排出管线与具有空气供给阀的分支管线连接，

所述后处理系统包括：

将经加湿的空气提供给所述燃料电池组的空气电极的加湿器；和

安装到所述喷射器的排出管线上的燃烧器，且所述燃烧器的排出管线延伸至外部，或者与所述加湿器的内部连接。

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