CN104466209A - 具有喷射器的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有喷射器的燃料电池系统。具体地，该系统包括电池堆、燃料喷嘴和喷水嘴。具体地，电池堆经由使用燃料和空气的电化学反应产生电。燃料喷嘴将燃料喷射至电池堆中，并且喷水嘴将水喷射至燃料喷嘴中。具体地，由于燃料喷嘴内的真空，水从喷水嘴供应至燃料喷嘴中。

Description

具有喷射器的燃料电池系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年9月16日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0111104号的优先权和利益，其全部内容并入本文以供参考。

技术领域

本发明涉及一种具有喷射器的燃料电池系统，其将燃料和水分稳定地供应至通过使用燃料和空气而产生电能的燃料电池堆，以稳定地产生电。

背景技术

经由燃料电池系统工作的燃料电池车经常将氢(作为燃料)供应至燃料电池堆，以经由电化学反应产生电。然后，使用该电来对电动机提供动力，以驱动车辆。如此，燃料电池系统是一种发电系统，其在燃料电池堆中直接将燃料的化学能电化学地转化为电能，而不将燃料的化学能通过燃烧转化为热。

在燃料电池系统中，高纯度氢在操作期间通常从氢储存罐供应至燃料电池的燃料电极(阳极)，并且来自大气的空气经由诸如鼓风机的空气供应装置直接供应至燃料电池的空气电极(阴极)。

供应至燃料电池堆的氢通常分离成氢离子和电子作为燃料电极(阳极)的催化剂，并且所分离的氢离子通过聚合物电解质膜移向空气电极(阴极)。供应至空气电极的氧与通过外部导线进入空气电极的电子结合，以在生成水的同时生成电能。

为了合适地操作燃料电池，需要在燃料电池堆的膜电极组件(MEA)中适当地保持水分，并且加湿器应该安装在使电池堆循环以有效操作电池堆的各个燃料循环管线和空气循环管线上。

然而，该加湿装置/系统通常布置在电池堆外侧，因此在车辆内需要额外空间，并经常涉及复杂的管道连接。

上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成在该国本领域普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明致力于提供一种利用喷射器的燃料电池系统，其通过连续地再使用空气电极或燃料电极中生成的水分可以减少外部加湿器的容量或者从该系统省略加湿器。

本发明的示例性实施方式提供一种具有喷射器的燃料电池系统。具体地，提供一种经由燃料与空气之间的电化学反应产生电的电池堆，并且在该系统内布置燃料喷嘴，以将燃料喷射至电池堆中。该系统内还布置喷水嘴，以将水喷射至燃料喷嘴中。该水可通过来自经燃料喷嘴喷射的燃料的压力供应至喷水嘴。

更具体地，布置成接收并喷射燃料的燃料喷射孔可形成于燃料喷嘴中。同样地，喷水嘴的喷水孔可布置在燃料喷射孔的中心。

此外，供水管线可与喷水嘴连接，以便将冷凝水贮存器的下部容纳的水供应至喷水嘴。燃料喷嘴可布置在喷射器的进气室中，在喷射器的进气室中燃料和电池堆中循环的气体彼此混合。在燃料喷嘴的燃料喷射孔处可形成缺口。

燃料喷嘴可布置在容纳有冷凝水的冷凝水贮存器中，并且与燃料喷嘴分开地喷射燃料的主燃料喷嘴可布置在喷射器的进气室中。

燃料喷嘴可布置在邻近电池堆的歧管中，并且与燃料喷嘴分开地喷射燃料的主燃料喷嘴可布置在喷射器的进气室中。

系统还可包括供水管线，其与喷水嘴连接，以将水供应至喷水嘴。供水管线可以与第一冷凝水贮存器和第二冷凝水贮存器中的各个连接，其中该第一冷凝水贮存器从电池堆中循环的燃料中收集水分，该第二冷凝水贮存器从电池堆中循环的空气中收集水分。

液面传感器可布置成感测第二冷凝水贮存器中容纳的水的液面，并且供水控制阀可布置在连接第二贮存器和喷水嘴的供水管线上。此外，当由控制单元判断确定第二贮存器中容纳的水的液面等于或高于设定值时，控制单元可打开供水控制阀。

系统还可包括燃料控制阀和主燃料控制阀，该燃料控制阀控制供应至燃料喷嘴的燃料，该主燃料控制阀控制供应至主燃料喷嘴的燃料。

有利地，根据本发明的示例性实施方式，通过再使用空气电极或燃料电极中生成的水可以减小外部加湿器的尺寸或者甚至从燃料电池系统中完全移除加湿器。如此，通过最小化或移除从空气电极移动至燃料电极的水并且同时管理燃料电极内的水分可以大大减少所需的外部湿化。

附图说明

图1是燃料电池系统的总体配置图。

图2是根据本发明的示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的总体配置图。

图3是根据本发明的第一示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的局部详细截面图。

图4是根据本发明的第二示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的局部详细截面图。

图5是根据本发明的第三示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的示意性配置图。

图6是根据本发明的第四示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的示意性配置图。

图7是根据本发明的第五示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的示意性配置图。

图8A、图8B和图8C是示出根据本发明的示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统中的氢加热方法的示意性配置图。

图9是示出根据本发明的示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统中加热氢的换热器的位置的示意性配置图。

图10A和图10B是示出根据本发明的示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统中的喷射器安装方法的平面图和侧视图。

符号说明

10：控制单元

100：喷射器

210：电池堆

255：燃料喷嘴

265：供水管线

267：喷水嘴

280：混合物管道

具体实施方式

下文中将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车、燃料电池车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

此外，应当理解以下方法由至少一个控制器执行。术语控制器是指包括存储器和处理器的硬件装置，配置成执行应该作为其算法结构理解的一个或多个步骤。存储器配置成存储算法步骤，并且处理器具体配置成执行所述算法步骤以实施以下进一步描述的一个或多个操作。

更进一步，本发明的控制逻辑可实施为含有通过处理器、控制器等执行的可执行程序指令的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的例子包括但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、优盘、智能卡和光学数据存储装置。还能够在网络耦合的计算机系统中分布计算机可读记录介质，使得例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分散的方式存储并且执行计算机可读介质。

图1是燃料电池系统的总体配置图。参照图1，燃料电池系统可包括电池堆210，其包括冷却通道、燃料电极和空气电极。燃料电池系统可包括过滤器130、消音器140、压缩器150、中间冷却器160、加湿器170和排出阀180作为将空气循环至电池堆210的空气电极的部件。

燃料电池系统还可包括冷却剂贮存器105、散热器120和水泵110作为将冷却剂循环至冷却通道的部件，以及喷射器100、加湿器220、贮存器202、放气阀(purge valve)190和排水阀(drain valve)200作为将作为燃料的氢供应至燃料电极的部件。

在本发明的示例性实施方式中，对于燃料电池系统的各个部件的结构和功能的详细描述可参考相关技术并且将省略其详细描述。水从电池堆210的质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的空气电极中生成，并且电极膜的传导性通过从外侧供应的水分得到改善。也就是，向MEA形成适当的水分对合适的操作是至关重要的。

如图所示，加湿器包括在循环至空气电极的管线中，并且加湿器安装在氢供应侧，以实现合适的操作。然而，需要单独的安装空间来安装单独的加湿器，并且配管可能较复杂。此外，从电池堆210中的空气电极中生成的水分(H₂O)根据温度以液体或蒸气形式存在，并且由于压力差通过空气电极的膜转移至燃料电极。

燃料电极的水和蒸气的量根据驱动条件改变，并且水和蒸气通过减少氢反应由冷凝水贮存器或排水阀通过适当方法排出至外侧。也就是，提供不平衡驱动模式，在该模式中在空气电极中水分从外侧补充并且在燃料电极中水分排出至外侧。

图2是根据本发明的示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的总体配置图。图3是根据本发明的第一示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的局部详细截面图。

参照图2和图3，燃料电池系统的一部分可包括电池堆210、冷凝水贮存器202、喷射器100、燃料喷嘴255、混合物管道280、喷水嘴267、供水管线265、加热器260、压力传感器280和湿度传感器282。进气室275布置在喷射器100的内侧，并且燃料喷嘴255布置在进气室275中。

燃料喷射孔270形成于燃料喷嘴255的端部。喷水嘴267可布置在燃料喷嘴255的内侧，并且喷水嘴267的喷水孔300可布置在燃料喷嘴255的燃料喷射孔270的中心。

燃料控制阀250可布置在该系统中，以便控制氢的流动，氢是供应至燃料喷嘴255的燃料，并且控制单元10可配置成根据包括电池堆210的负载/压力/湿度的驱动条件控制燃料控制阀250。

此外，可设置供水管线265，以便将水供应至喷水嘴267。该供水管线265可向下延伸至冷凝水贮存器202中。

当燃料控制阀250由控制单元10打开时，氢可从燃料喷嘴255的燃料喷射孔270喷射。此时，由所喷射的氢形成真空。结果，水通过供水管线265拉动，并且从喷水嘴267的喷水孔300喷射至燃料喷嘴255中。

在本发明的示例性实施方式中，从燃料电池的电池堆210排出的水分的量由于包括驱动温度、压力等的各种因素而变化。如此，由燃料喷嘴255喷射的氢具有声速(马赫数＝1，约1200m/s)，并且水经由该速度引起的真空压力被拉入燃料喷嘴中。

由喷水嘴267喷射的水通过待与燃料混合的氢的流动而雾化。此外，燃料和水的供应/混合性能可以通过间歇地打开燃料控制阀250而改善。

在本发明的示例性实施方式中，当驱动负载增加时，电池堆的操作温度增加，燃料电极的入口变得干燥，并且排水量增加。如上所述，排出的水再次再循环至燃料电极，以减小外部加湿器的尺寸或者完全省略该外部加湿器。

图4是根据本发明的第二示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的局部详细截面图。与图1至图3相比，类似部件的描述将在图4中跳过，并且仅描述明显差异。

参照图4，缺口400形成于燃料喷嘴255的燃料喷射孔270。缺口400以A或V形在燃料喷射孔300(图3)的内侧形成，并且从燃料喷嘴255喷射的氢的湍流强度增加，以使颗粒尺寸最小化并统一，且增强氢和再循环气体的混合。

在本发明的示例性实施方式中，水喷射在低负载条件下可以被抑制，并且水喷射可以在设定负载或更多下执行。此外，可以控制供水管线265的内径，可以在供水管线上形成孔(未示出)，或者可以控制供水管线265的高度。另外，单独控制阀(未示出)可以安装在供水管线265上，以积极地控制水的喷射。

进一步地，加热器260(图2)可应用于喷射器100的混合物管道280或燃料再循环管线，结果，可以通过管理内部循环管线增加水的温度而改善低温操作效率。

图5是根据本发明的第三示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的示意性配置图。与图1至图4相比，类似部件的描述将在图5中跳过，并且仅描述明显差异。

参照图5，燃料电池系统包括电池堆210、冷凝水贮存器202、喷射器100、混合物管道280和控制单元10。主燃料喷嘴255a布置在形成于喷射器100中的进气室275的中心，并且控制单元10控制主氢控制阀250a，以控制从主燃料喷嘴255a喷射的氢的量。

燃料喷嘴255b可布置在冷凝水贮存器202中，并且喷水嘴267可布置在燃料喷嘴255b的内侧。可延伸供水管线265，以将冷凝水贮存器202中容纳的水供应至喷水嘴267。

此外，控制单元10可配置成控制氢控制阀250b，该氢控制阀250b调节供应至燃料喷嘴255b的氢的量。另外，从喷水嘴267喷射的水的量也可根据从燃料喷嘴255b喷射的氢的量得到控制。

此外，可倾斜燃料喷嘴255b，以容易地将燃料和水分从冷凝水贮存器202供应至喷射器100。

图6是根据本发明的第四示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的示意性配置图。与图1至图5相比，类似部件的描述将在图6中跳过，并且仅描述明显差异。

参照图6，主燃料喷嘴255a布置在形成于喷射器100中的进气室275的中心，并且控制单元10可配置成控制主氢控制阀250a，以调节从主燃料喷嘴255a喷射的氢的量。另外，歧管600可邻近电池堆210形成，并且作为燃料的氢可通过歧管600供应至电池堆210。

燃料喷嘴255b可布置在歧管600中，并且喷水嘴267可布置在燃料喷嘴255b的内侧。供水管线265可延伸至冷凝水贮存器202中，以将冷凝水贮存器202中容纳的水供应至喷水嘴267。

此外，控制单元10可配置成控制氢控制阀250b，以调节供应至燃料喷嘴255b的氢的量。另外，从喷水嘴267喷射的水的量也可根据从燃料喷嘴255b喷射的氢的量得到控制。

图7是根据本发明的第五示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统的示意性配置图。图7与图2相比，描述明显差异，且跳过类似部件的描述。

参照图7，燃料电池系统可包括空气冷凝水贮存器710、液面传感器720和供水控制阀730。空气冷凝水贮存器710可以是布置在循环于空气电极中的空气循环管线上的空间，以冷凝并收集空气中包括的水分。供水管线265可将冷凝水贮存器202的下部收集的水以及空气冷凝水贮存器710的下部收集的水供应至喷水嘴267。另外，供水控制阀730可调节空气冷凝水贮存器710中容纳的水的供应。

感测储存水的液面传感器720可布置在空气冷凝水贮存器710中，并且控制单元10可配置成通过液面传感器720确定水的液面，并根据感测的液面控制供水控制阀730。

也就是，当确定空气冷凝水贮存器710中容纳的水的液面低于给定值时，控制单元10可关闭供水控制阀730，并且当确定水的液面等于或高于设定值时，控制单元10可打开供水控制阀730。因此，可防止空气流入循环燃料电池的燃料的管线。

图8A、图8B和图8C是示出根据本发明的示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统中的氢加热方法的示意性配置图。

参照图8A，加热器260可安装在供应至喷射器100的氢管线内，以加热氢。

参照图8B，换热器可安装在供应至喷射器100的氢管线内，并且冷却剂和氢通过换热器800，且氢由冷却剂加热。

参照图8C，换热器800可布置在供应至喷射器100的氢管线内，冷凝水可通过排出阀180从加湿器170排出，并且所排出的冷凝水可通过换热器800。然后，氢可以由冷凝水加热。

图9是示出根据本发明的示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统中加热氢的换热器的位置的示意性配置图。参照图9，电池堆210安装在车辆的前轮侧，并且氢罐900安装在后轮侧。氢从氢罐900供应至电池堆210，并且换热器800安装在供应管线内。从电池堆210排出至外侧的空气可通过换热器800，并且所排出的空气加热氢。进一步地，所排出的空气可以通过喷射器壳体290，以加热通过喷射器壳体290的氢。

图10A和图10B是示出根据本发明的示例性实施方式的具有喷射器的燃料电池系统中的喷射器安装方法的平面图和侧视图。

参照图10A和图10B，喷射器100可安装在燃料供应歧管101的入口侧，氢可从喷射器100喷射，并且氢的喷射方向和燃料供应歧管101的纵向方向可彼此一致。此外，从燃料排出歧管102排出的再循环燃烧气体可供应至喷射器100，并且新氢气也可供应至喷射器100。

尽管本发明结合目前被认为是实用的示例性实施方式进行了描述，但应当理解本发明不限于所公开的实施方式。相反，本发明意在涵盖包括在随附权利要求的精神和范围内的各种变更和等同布置。

Claims (16)

1.一种具有喷射器的燃料电池系统，包括：

电池堆，配置成经由燃料与空气之间的电化学反应产生电；

燃料喷嘴，布置成将燃料喷射至所述电池堆中；以及

喷水嘴，布置成将水喷射到所述燃料喷嘴的内侧，

其中由于所述燃料喷嘴内的真空，水从所述喷水嘴供应至所述燃料喷嘴中。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

在所述燃料喷嘴中形成将所述燃料喷射至所述电池堆的燃料喷射孔，并且所述喷水嘴的喷水孔布置在所述燃料喷射孔的中心。

3.根据权利要求1所述的系统，其中：

供水管线与所述喷水嘴连接，以将冷凝水贮存器的下部容纳的水供应至所述喷水嘴。

4.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述燃料喷嘴布置在所述喷射器的进气室中，在所述喷射器的进气室中所述电池堆中循环的气体和所述燃料混合在一起。

5.根据权利要求1所述的系统，其中：

在所述燃料喷嘴的燃料喷射孔中形成缺口。

6.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述燃料喷嘴布置在容纳有冷凝水的冷凝水贮存器中，并且

与所述燃料喷嘴分开地喷射燃料的主燃料喷嘴布置在所述喷射器的进气室中。

7.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述燃料喷嘴布置在邻近所述电池堆的歧管中，并且

与所述燃料喷嘴分开地喷射燃料的主燃料喷嘴布置在所述喷射器的进气室中。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括：

供水管线，其与所述喷水嘴连接，以将水供应至所述喷水嘴，

其中所述供水管线与第一冷凝水贮存器和第二冷凝水贮存器中的各个连接，所述第一冷凝水贮存器从所述电池堆中循环的燃料中收集水分，所述第二冷凝水贮存器收集所述电池堆中循环的空气中包含的水分。

9.根据权利要求8所述的系统，还包括：

配置成感测所述第二冷凝水贮存器中容纳的水的液面的液面传感器布置在所述系统中，并且供水控制阀布置在连接所述第二贮存器和所述喷水嘴的供水管线上，以及

控制单元配置成当所述控制单元确定所述第二贮存器中容纳的水的液面等于或高于设定值时，打开所述供水控制阀。

10.根据权利要求6所述的系统，还包括：

燃料控制阀，其调节供应至所述燃料喷嘴的燃料；以及

主燃料控制阀，其调节供应至所述主燃料喷嘴的燃料。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括：

氢管线，其将氢供应至所述燃料喷嘴；以及

加热器，其加热所述氢管线。

12.根据权利要求1所述的系统，还包括：

氢管线，其将氢供应至所述燃料喷嘴；以及

换热器，其安装在所述氢管线上。

13.根据权利要求12所述的系统，其中：

冷却所述电池堆的冷却剂在通过所述换热器的同时加热通过所述氢管线和喷射器壳体的氢。

14.根据权利要求12所述的系统，其中：

从所述电池堆的空气电极中循环的循环空气排出的冷凝水在通过所述换热器的同时加热通过所述氢管线的氢。

15.根据权利要求12所述的系统，其中：

所述换热器布置在所述电池堆与储存氢的氢罐之间。

16.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述燃料喷嘴安装在所述燃料进气歧管的入口侧，使得水和从所述燃料喷嘴喷射的燃料的喷射方向与所述电池堆的燃料进气歧管的纵向彼此一致。