CN103904345B - 具备紧急氢气供给线的燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种由空气供给系统、氢气供给系统、热及水管理系统及排气系统组成的燃料电池系统，其特征在于，包括：燃料电池；氢气储存装置；多数个喷射器，所述燃料电池和氢气储存装置之间并联的配置，从所述燃料电池处向再循环线排出的未反应氢气在所述燃料电池内再循环；流路选择阀，所述氢气储存装置和所述多数个的喷射器之间形成的第1氢气流路上配置，由所述多数个的喷射器连通的已分气的所述第1氢气流路中选择一个开放；压力调节工具氢气储存装置，控制向所述多数个的喷射器供给的流量的压力；电子控制单元，所述燃料电池需要的氢气信号接收到反馈对所述流路选择阀进行控制；及紧急氢气供给线，直接将氢气供应到燃料电池。
Description
技术领域
本发明涉一种以氧和氢反应后获得能量的燃料电池系统，特别是构成燃料电池系统的供氢系统内具备了紧急供氢线，在紧急情况发生时，直接供给燃料电池氢气的同时，将以往使用的电力消耗较大的阀门替换为检验阀，从而提高了经济性，并且，空气供应系统内将以往使用的涡轮式鼓风机替换成压缩空气塔减少噪音振荡的燃料电池系统。
背景技术
最近随着油价的急速上涨和消费者对环境污染的关心增加，燃料效率高而且亲环境能源的汽车开发取代内燃机汽车。为满足这样的需求大多数汽车公司正在开发替换使用能源的汽车。
使用这样的替换能源的汽车中，使用氢气燃料经过燃料的化学反应后副产品仅为氧和水的燃料电池汽车最具有实际效果的方案。这样的燃料电池汽车利用电力使电机启动旋转的一种电气汽车。
这样的燃料电池汽车接收到供应的氢气和氧气，燃料电池堆栈内水的电气分解逆反应等经过化学反应产生电力。产生的电力使驱动系统电机启动，因此车辆启动。堆栈提供的氢气是从氢气罐开始，经过减压器以及喷射器后供给堆栈，未反应氢气通过再循环喷射器重新向堆栈供给。
这里根据车辆的运行条件再循环气体的流量大小发生变化，为控制适量的再循环气体的流量，以往是具备多数个的喷射器，从而形成所希望的再循环气体的流量。
图1是以往具备多数喷射器的氢气供应系统的构成图。与图1所示一致，为了可以覆盖包括最小流量及最大流量的宽范围流量使用了3个喷射器5、7、9。氢气储存装置3和燃料电池1之间不同规格的3个喷射器5、7、9并列连接。各喷射器5、7、9从燃料电池1处排出的多余的氢气，经过氢气再循环共通流动通路35，通过3个再循环支路流动通路37、39、41进行再循环。各喷射器5、7、9的上下流两侧配置切断工具13、15、19、21、25、27，各喷射器5、7、9的上下流两侧位置依照切断工具的开闭，3个喷射器5、7、9适当使用。由此喷射器可以从流量分别单一选择，或者复数选择来使用，使用关闭阀选择需要的喷射器。关闭阀可以在3个以上的喷射器中只在一部分使用的情况时可以防止会发生的逆流。
但是，这样以往的技术由于采用多数的阀门所以系统变得复杂，因此费用也随着上升，因为使用的大部分是电磁阀所以电力的消耗变多。以后喷射器或者阀门出现故障时燃料电池的堆栈内供给氢气的无法紧急运转的问题。
另外，燃料电池汽车的堆栈作为可以产出电力的最重要的设备，需要供应氢气和具有一定量的湿度的空气。为了这样持续给堆栈内供应空气，使用多种多样方式的设备，其中最常用的是涡轮式鼓风机(trubo blower)方式。
图2a及图2b是常用的涡轮式鼓风机100及其附属部件叶轮(impeller)110的纵剖面图及示意图。这样的氢气供应系统内使用的涡轮式鼓风机100从旋转的叶轮110开始大量的构成部件导致系统复杂化及不经济性，高速旋转的涡轮式鼓风机100内因质量不均衡和旋转不对称，由于轴承的影响等会产生大的噪音和振动，驾驶者因噪音震动(NVH，noise、vibration、harshness)从感官上的品质造成问题。
发明内容
(要解决的技术问题)
为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池系统，其目的在于使用检验阀降低电力消耗，在紧急状态下可以顺畅的供应氢气的燃料电池系统的氢气供给系统。
另一目的在于，空气供给系统内有因以往的涡轮式鼓风机具有非经济性和噪音震动的缺点，替换一种既经济又没有噪音及振动的手段。
(解决问题的手段)
为达成所述目的本发明与下面相同的具备的组成为其特征。
即，由空气供给系统、氢气供给系统、热及水管理系统及排气系统组成的燃料电池系统，其特征在于，包括：燃料电池；氢气储存装置，向所述燃料电池供给氢气；多数个的喷射器，所述燃料电池和氢气储存装置之间并联配置，从所述燃料电池处向再循环线排出的未反应氢气在所述燃料电池内再循环；流路选择阀，所述氢气储存装置和所述多数个的喷射器之间形成的第1氢气流路上配置，由所述多数个的喷射器连通的已分气的所述第1氢气流路中选择一个开放；压力调节工具，配置在所述氢气储存装置和流路选择阀之间的所述第1氢气流路上面，控制向所述多数个的喷射器供给的流量的压力；电子控制单元，所述燃料电池需要的氢气信号接收到反馈对所述流路选择阀进行控制，为控制选择的喷射器内供给流量的压力从而控制压力调节工具；及紧急氢气供给线，从所述流路选择阀处分离与燃料电池连通，从而直接将氢气供应到燃料电池。
这里所述多数个的喷射器互相规格不同，所述电子控制单元在紧急运转时周期性将流路变更到喷射器供给氢气，从所述压力调节工具读取压力数据，确认压力变化与否从而判断喷射器启动状态可否。
更进一步，其特征在于，所述多数个的喷射器和燃料电池之间分气的第1氢气流路及所述多数个的喷射器分离的再循环线上各个安装上检验阀。
另外所述空气供给系统由压缩空气塔以及和所述压缩空气塔并列连接的空气加湿器组成，压缩空气塔的空气通过空气加湿器向燃料电池供应，从而替换以往的涡轮式鼓风机。
(发明的效果)
本发明依据所述的构成，喷射器使用不可能时通过紧急氢气供给线直接供给氢气，因此，可以使用紧急运转模式，并且具有使用多数的喷射器可以将使用流量范围扩宽的有利效果。
并且，现有的阀门大部分使用电控制较容易的电磁阀，电力消耗大，本发明利用从经济上价格更节省的检验阀，从而降低成本并且电力消耗减小从经济上具有非常有利的效果。
附图说明
图1是以往具备多数喷射器的氢气供应系统的构成图。
图2a及图2b是常用的涡轮式鼓风机100及其附属部件叶轮(impeller)110的纵剖面图及示意图。
图3是本发明的燃料电池系统的整体系统构成图。
图4是本发明的燃料电池系统内具备紧急氢气供给线和检验阀的氢气供给系统概念图。
图5是以往使用的多数个的喷射器及多数的切断工具的氢气供给系统内添加了具有本发明特征的紧急氢气供给线的概念图。
符号说明
1:压缩空气塔 2：空气加湿器
10：燃料电池 17：排气系统
20：空气供给系统 21、22：多数个的喷射器
27、28、29、47、49：检验阀
31：再循环线 32：第1氢气流路
34：紧急氢气供给线
35：压力调整工具 37：流路选择阀
40：热及水管理系统 66：电子控制单元
100：涡轮式鼓风机
具体实施方式
以下，本发明的可优选实施例参照附加的图面进行详细的说明。首先根据在各个图面的构成要素中附加了参照符号，对于同一个构成要素，虽然显示在不同图面上显示，但要留意尽可能是同一符号。根据本发明的说明，判断出相关的公知功能或对于构成的具体说明，会把本发明的要点不必要的漏掉情况，将省略对其详细说明。
图3是本发明的燃料电池系统的整体系统构成图。
与图3图示一致，本发明的燃料电池系统大体上由燃料电池10、氢气供给系统30、空气供给系统20、热及水管理系统40及排气系统17的子系统构成。
这里空气供给系统20供给燃料电池10内与氢气反应的空气。
特别是在本发明的空气供给系统20由压缩空气塔1以及与所述压缩空气塔1并列连接的空气加湿器2构成。所述压缩空气塔1的空气经过所述空气加湿器2向燃料电池10供给。
即在压缩空气塔1内直接向燃料电池10供给空气(氧气)时，因为不是使用待机着的空气，所以不必为了灰尘或者异物使用净化器，也不需要用大量的空气来制造高压，因此不需要以往的涡轮式鼓风机100。最终零部件得到减少，因涡轮式鼓风机100造成的噪音震动问题不再发生，从而提升驾驶者的噪音震动(NVH)感官上的品质提升。
更进一步，压缩空气塔1的空气供给为了给氢气燃料电池汽车注入燃料(氢气)停驶在氢气站时在站里与空气一起接收供应。待机中的空气比较容易获取因此在站内获取这些不难，利用压缩机(compressor)只用压缩即可。
并且这里热及水管理系统40负责维持在燃料电池里供给的水的均衡并维持所述燃料电池10的热适当的温度。
另外，氢气供给系统30为所述燃料电池10供应氢气。
图4是本发明的燃料电池系统内具备紧急氢气供给线和检验阀的氢气供给系统概念图。
本发明的氢气供给系统30通过图4更具体的说明。
首先具备氢气和氧气进行化学反应的燃料电池10。并且所述燃料电池10内安装了供应氢气的氢气储存装置3，配置与所述燃料电池10与氢气储存装置3之间设置并联的多数个喷射器21、22，从燃料电池10开始向再循环线31排出的未反应氢气，在所述燃料电池10内再循环。图4里使用两个的喷射器应理解为可以3个以上。
这里所述多数个的喷射器21、22可以互相规格不同。即，多数个的喷射器21、22各个负责低流量及高流量，利用流路选择阀37随着运转模式和喷射器需要流量可选择性的使用，从而可以得到燃料电池10所需的最小或最大流量覆盖范围扩宽效果。
并且，流路选择阀37安装在所述氢气储存装置3和所述多数个的喷射器21、22之间形成了第1氢气流路32上。所述多数个的喷射器连通的分气的所述第1氢气流路32中选择一个开放。
另外压力调节工具35配置在所述氢气储存装置3和流路选择阀37之间所述第1氢气流路32上面，供应给所述多数个的喷射器21、22的流量的压力依照电子控制单元66(ECU，Electronic Control Unit)的控制命令调整。
并且，电子控制单元66从所述燃料电池开始接收到所需氢气信号的反馈对所述流路选择阀37进行控制，为了调整选择的喷射器流量的压力而控制压力调节工具35。
进一步，紧急氢气供给线34从所述流路选择阀37开始分离与燃料电池联通，从而直接将氢气供应到燃料电池10。
即，喷射器在应对低温或者由于其他问题产生氢气不能输送的情况从氢气储存装置3开始安装了分流的紧急氢气供给线34。可以不通过喷射器直接在氢气储存装置向燃料电池10供给氢气，在紧急运转模式时在电子控制单元66内对流路选择阀37进行控制，选择紧急氢气供给线34供应氢气。因不是使用喷射器的氢气供应，从而不可以再循环降低了效率，但是具有在紧急时可以运转的有利效果。喷射器变成冷启动或变为可以自动状态的话电子控制单元66使流路选择阀37变成自动，向紧急氢气供给线34供应的氢气终止，向喷射器供应氢气。
这里判断喷射器是否可以自动状态的方法是，紧急时运转中所述电子控制单元66周期性的将流路变更到喷射器供应氢气，从所述压力调节工具35处读取压力数据判断确认压力变化与否。
另外这里所述多数个的喷射器21、22和燃料电池10之间分离的第1氢气流路32及从所述多数个的喷射器21、22分离的再循环线31上各自安装了检验阀27、28、29、47、49。
即，喷射器选择性的使用时，为防止选择的喷射器的出口流量向未被选择的喷射器发生逆流的现象在喷射器的后端安装了检验阀27、28、29。多数个的喷射器21、22中使用喷射器Ⅰ21时喷射器Ⅰ21的后端的流量不向喷射器Ⅱ22逆流，因此在喷射器Ⅱ22的后端安装第1检验阀28，使用喷射器Ⅱ22时喷射器Ⅱ22的后端的流量不向喷射器Ⅰ21的后端逆流，因此在喷射器Ⅰ21的后端安装第2检验阀27。
并且在选择的喷射器的再循环线31内产生的吸力为了不造成未被选择的喷射器发生声压，在从多数个的喷射器21、22分离的再循环线上各个安装检验阀47、49。借此选择的喷射器内产生的声压不给其他的喷射器造成影响。
另外这里排气系统17负责从所述燃料电池10开始排出氢气及氧气。
图5是以往使用的多数个的喷射器及多数的切断工具的氢气供给系统内添加了具有本发明特征的紧急氢气供给线的概念图。即，本发明的紧急氢气供给线34在以往的氢气供应系统也依然有效，关闭切断工具13、19、25通过紧急氢气供给线34直接向燃料电池供应氢气。
依照以上说明的本发明陈述的实施例及参考图纸并非限定于此，在不脱离本发明的技术性思想范围内可以进行多样的置换、增加及变更。在本发明所属技术领域具备通常知识的人员应明确理解。
Claims (8)
1.具备紧急氢气供给线的燃料电池系统，由空气供给系统(20)、氢气供给系统(30)、热及水管理系统(40)及排气系统(17)组成，其特征在于，包括：
燃料电池(10)；
氢气储存装置(3)，向所述燃料电池(10)供给氢气；
多数个的喷射器(21、22)，所述燃料电池和氢气储存装置之间并联配置，从所述燃料电池处向再循环线排出的未反应氢气在所述燃料电池内再循环；
流路选择阀(37)，所述氢气储存装置(3)和所述多数个的喷射器(21、22)之间形成的第1氢气流路(32)上配置，由所述多数个的喷射器(21、22)连通的已分气的所述第1氢气流路(32)中选择一个开放；
压力调节工具(35)，配置在所述氢气储存装置(3)和流路选择阀(37)之间的所述第1氢气流路(32)上面，控制向所述多数个的喷射器(21、22)供给的流量的压力；
电子控制单元(66)，所述燃料电池(10)需要的氢气信号接收到反馈对所述流路选择阀(37)进行控制，为控制选择的喷射器内供给流量的压力从而控制压力调节工具；
及紧急氢气供给线(34)，从所述流路选择阀(37)处分离与燃料电池(10)连通，从而直接将氢气供应到燃料电池。
2.根据权利要求1所述的具备紧急氢气供给线的燃料电池系统，其特征在于，
所述多数个的喷射器(21、22)和燃料电池(10)之间分离的第1氢气流路(32)上各自安装第一检验阀(27、28、29)。
3.根据权利要求1所述的具备紧急氢气供给线的燃料电池系统，其特征在于，
从所述多数个的喷射器(21、22)分离再循环线(31)，在所述再循环线(31)上各自安装第二检验阀(47、49)。
4.根据权利要求1至3任一所述的具备紧急氢气供给线的燃料电池系统，其特征在于，
所述多数个的喷射器(21、22)互相以不同规格构成。
5.根据权利要求2所述的具备紧急氢气供给线的燃料电池系统，其特征在于，
所述多数个的喷射器(21、22)选择性的使用时，防止选择的喷射器的出口流量向未被选择的喷射器发生逆流的现象，在喷射器的后端各自安装了第一检验阀(27、28、29)。
6.根据权利要求1至3任一所述的具备紧急氢气供给线的燃料电池系统，其特征在于，
所述电子控制单元(66)在紧急运转时周期性将流路变更到喷射器供给氢气，从所述压力调节工具(35)读取压力数据，确认压力变化与否从而判断喷射器启动状态可否。
7.根据权利要求1所述的具备紧急氢气供给线的燃料电池系统，其特征在于，
所述电子控制单元(66)是在紧急运转模式时控制流路选择阀(37)，选择紧急氢气供给线(34)。
8.根据权利要求1至3任一所述的具备紧急氢气供给线的燃料电池系统，其特征在于，
所述空气供给系统(20)由压缩空气塔(1)以及和所述压缩空气塔(1)串联的空气加湿器(2)组成，压缩空气塔(1)的空气通过空气加湿器(2)向燃料电池(10)供应。
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