CN104466214A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括外壳，外壳具有通过在由空气压缩机产生的高温高压压缩空气与用作燃料的氢气之间的电化学反应产生电的燃料电池组。来自空气压缩机的压缩空气的部分通过第一导管引入外壳中，而压缩空气通过第二导管从外壳流向空气压缩机。通过第一导管引入外壳的压缩空气去除从燃料电池组渗漏的水分和氢气，并通过第二导管返回至空气压缩机。

Description

燃料电池系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年9月13日提交的韩国专利申请号10-2013-0110153的优先权益，其全部内容通过引用为了所有目的合并于此。
技术领域
本公开内容涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统可以去除在由燃料电池产生电时从燃料电池组渗漏的水分和氢气，从而预防对燃料电池的内部零件的损害并且提高燃料电池的工作稳定性。
背景技术
通常，用于燃料电池系统的燃料电池组引发用作燃料的氢气和空气中的氧气之间的电化学反应以产生电能来驱动车辆。
如图1所示，燃料电池车辆包括燃料电池组2、加湿器4、燃料供给器、和氧气供给器，其中，燃料电池组2产生电，加湿器4加湿燃料和空气并且将加湿的混合物提供至燃料电池组2，燃料供给器向加湿器4供给氢气，而氧气供给器向加湿器4供给氧气。
空气供给器包括过滤器6和空气压缩机8，其中，过滤器6去除包含在外界空气中的异物，空气压缩机8压缩空气以提供至加湿器4。
燃料电池系统包括燃料处理系统（FPS）10以控制从燃料供给器（即氢气罐）提供至燃料电池组等的氢气的压力。
根据上述构造，通过由燃料供给器提供的氢气和由空气供给器提供的氧气之间的电化学反应产生电，另外还产生水和热量。
热量由冷却水冷却，而产生的水通过排气管排至外部。此处，从燃料电池组渗漏的一些氢气或者水分收集在燃料电池系统的外壳12中。即，虽然燃料电池组设置为气密性密封结构，使得气体不会从燃料电池组的内部与外部渗漏，但是由于该设计结构导致存在密封问题，因此使得一些水分和氢气渗漏至外部。
氢气和水分的这种渗漏可能分别在燃料电池系统的操作稳定性方面以及燃料电池组的内部零件和燃料电池系统外壳的磨蚀方面造成问题。
为了解决这些问题，在如图1所示的常规方法中，外壳12安装有风扇14以便将渗漏的氢气或者水蒸气排出外部，或者另外通过使用吸滤器形成的负压将外壳中的空气吸至外部。然而，这种方法具有差的密封性能，因为外壳的内部与外部由通道连接，通过该通道无规律地排出渗漏物。
上述仅仅意图帮助理解本公开内容的背景技术，并不意指本公开内容在本领域技术人员已知的相关技术的范围之内。
发明内容
本公开内容注意到相关技术中出现的上述问题并且提出了一种燃料电池系统以去除在由燃料电池产生电的过程中从燃料电池组渗漏的水分和氢气，从而预防对燃料电池的内部零件的损害并且提高燃料电池的工作稳定性。
根据本公开内容的实施方式，燃料电池系统包括外壳，该外壳具有通过在由空气压缩机产生的高温高压压缩空气与用作燃料的氢气之间的电化学反应产生电的燃料电池组。由空气压缩机产生的压缩空气的部分通过第一导管引入外壳，而压缩空气通过第二导管从外壳流向空气压缩机。通过第一导管引入外壳的压缩空气去除从燃料电池组渗漏的水分和氢气，并通过第二导管返回至空气压缩机。
外壳在其相对侧上可以具有入口和出口，第一导管和第二导管分别连接至入口和出口，并且入口和出口在外壳的内部密封。
第一导管和第二导管可以连接至外壳并且在燃料电池组上彼此相对设置。
第一导管可以连接在空气压缩机的出口流体管（outlet flow line）和外壳之间，而第二导管可以连接在外壳和空气压缩机的入口流体管之间。
空气压缩机可以具有用于旋转叶轮的电力发动机和气流通道，使得由叶轮旋转产生的压缩空气部分通过发动机的内部以冷却发动机。
第一导管可以连接在发动机的空气出口和外壳之间，而第二导管可以连接在外壳和空气压缩机的入口之间。
空气压缩机的出口可以具有支路（bypass），压缩空气的部分通过该支路被分流，第一导管可以连接在空气压缩机的出口和外壳之间，使得从空气压缩机被分流的压缩空气被引入外壳，而第二导管可以连接在外壳和空气压缩机的入口之间，使得通过外壳的空气流回至空气压缩机。
根据本公开内容，具有上述构造的燃料电池系统去除在产生电时从燃料电池组渗漏的水分和氢气，从而预防对燃料电池组的内部零件的损害并且提高燃料电池的工作稳定性。
将在冷却空气压缩机的发动机期间经加热的暖气提供至外壳的内部，从而提高外壳中的水分去除效率。
此外，由空气压缩机产生的压缩空气被分流并提供至外壳的内部，从而提高燃料电池组100的冷却效率，并且同时确保喘振裕度（surge margin）以提高空气压缩机的操作性能。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将更加清楚地理解本公开内容的上述及其它目的、特征以及优点。
图1是示出常规燃料电池系统的示图。
图2是示出根据本公开内容的第一种实施方式的燃料电池系统的构造的示图。
图3是示出根据本公开内容的第二种实施方式的燃料电池系统的构造的示图。
图4是示出根据本公开内容的第三种实施方式的燃料电池系统的构造的示图。
具体实施方式
在下文，参考附图详细描述根据本公开内容的实施方式的燃料电池系统。
参考图2，适合于燃料电池车辆的燃料电池系统包括燃料电池组100和加湿器200，其中，燃料电池组100产生电，加湿器200加湿燃料和空气混合物并将加湿的混合物提供至燃料电池组100。燃料供给器向加湿器200供给氢气，而空气供给器向加湿器供给包含氧气的空气。空气供给器包括过滤器300和空气压缩机400，其中，过滤器300去除包含在外界空气中的异物，空气压缩机400向加湿器提供压缩空气。
这种燃料电池系统在本领域中已众所周知，因此将省略对其各个部件的详细描述。然而，本公开内容并不限于燃料电池系统的构成部件的技术特征。
本公开内容提供了一种燃料电池系统以有效地去除收集在外壳500中的氢气和水蒸气，其中，提供燃料电池组100以在冷却空气压缩机400的发动机440的同时确保喘振裕度。
燃料电池系统包括外壳500，外壳500具有通过在由空气压缩机400产生的高温高压压缩空气与用作燃料的氢气之间的电化学反应产生电的燃料电池组100。从空气压缩机400产生的压缩空气的部分通过第一导管600引入外壳500，而压缩空气通过第二导管700从外壳500流回空气压缩机400。通过第一导管600引入外壳500的压缩空气去除从燃料电池组100渗漏的水分和氢气，并通过第二导管700返回至空气压缩机400。
即，收集在外壳500中的水分由于压缩空气而蒸发，并且与从第一导管600流动至第二导管700的压缩空气一起从外壳500的内部排出。以这种方式，空气去除外壳500中的水分和氢气并且流回至空气压缩机400以重复循环。
为了稳定地装配燃料电池组100并且保护燃料电池组100以免遭受外部碰撞，外壳500压力密封燃料电池组100。已知的技术可以广泛地适合于外壳，并且本公开内容不限于此。
外壳500连接第一导管600和第二导管700。第一导管600和第二导管700使得由空气压缩机400产生的压缩空气能够通过外壳500并且流回至空气压缩机400。即，压缩空气去除外壳500中的水分和氢气并且返回至空气压缩机400以补充空气压缩机中的空气流量。在下文中将描述第一导管600和第二导管700的连接。
外壳500在其相对侧上可以具有入口520和出口540，第一导管600和第二导管700分别连接至入口520和出口540，其中，入口520和出口540在外壳500的内部密封。
通常，使用冷却风扇或者负压去除外壳500中的氢气和水蒸气。然而，根据这种常规方法，气体可透过外壳，降低密封性能。
相反地，根据本公开内容，通过使用由空气压缩机400产生的高温高压压缩空气去除外壳500中的氢气和水分。为这个目的，外壳500具有入口520和出口540，第一导管600和第二导管700分别连接至入口520和出口540，使得来自空气压缩机400的压缩空气通过各自的导管流入和流出外壳500。
密封外壳500的入口520和出口540以提高密封性能。外壳500的内部空间完全密封，使得通过入口520引入的压缩空气通过出口540全部排出外壳500。因此，确保压缩空气的顺畅循环，并且防止压缩空气损失。
第一导管600和第二导管700可以按这种方法连接至外壳500，使得在燃料电池组100上彼此相对。
如之前所述，外壳500连接在第一导管600和第二导管700之间，使得通过第一导管600引入的压缩空气在外壳500中充分地循环，然后通过第二导管700从外壳500排出，同时去除外壳中的氢气和水分。
如果第一导管600和第二导管700彼此太接近，换言之彼此相邻，则在连接至外壳500时，通过第一导管600引入的压缩空气在外壳500中不能充分地循环并通过第二导管700从外壳500排出，因此外壳中的氢气和水分可能没有完全去除。因此，可以将第一导管600和第二导管700远离彼此设置。
即，在燃料电池组100上，第一导管600和第二导管700彼此相对地连接至外壳500，使得通过第一导管600引入的压缩空气在外壳500中可以充分地循环并且通过第二导管700从外壳500排出。
现在将描述本公开内容的其它实施方式。
如图2所示，第一导管600可以连接在空气压缩机400的出口流体管a和外壳500之间，而第二导管700可以连接在外壳500和空气压缩机400的入口流体管b之间。
此处，如图2所示，流体管是指氧气通过过滤器300、空气压缩机400以及加湿器200流至燃料电池组100的通道。
上述的本公开内容的第一实施方式提供了燃料电池系统的基本构思结构，其中，第一导管600连接在空气压缩机400的出口流体管a和外壳500之间，使得由空气压缩机400产生的压缩空气在朝向加湿器200流动时部分流至第一导管600。根据本公开内容的实施方式，第一导管600连接至流体管a，压缩空气通过流体管a流动，并且压缩空气的部分可以引入外壳500以去除燃料电池组100渗漏的水分。
根据本公开内容的实施方式，在第二导管700连接在外壳500和空气压缩机的入口流体管b之间时，压缩空气在去除水分之后可以通过第二导管700从外壳500排出。此处，通过第二导管700排出的压缩空气可以与包含在外壳500中的氢气一起排出。即，外壳500中的水分和氢气可以同时去除。
利用其中通过第二导管700排出的压缩空气通过空气压缩机400的入口流体管b流动的构造，使得通过外壳500的内侧的空气流回至空气压缩机400，压缩空气可以得以保存。
此外，空气压缩机400可以具有电力发动机440以旋转叶轮420和空气流动通道460以使随叶轮420旋转产生的压缩空气部分通过发动机440的内部，以冷却发动机440。
通常，用于燃料电池车辆的空气压缩机400利用发动机440的激活旋转叶轮420以产生压缩空气。本公开内容的空气压缩机400具有用于利用叶轮420的旋转产生的压缩空气的空气流动通道460，使得压缩空气通过发动机440的内部以冷却发动机440。
如图3所示，经由朝向发动机440的叶轮420后侧的入口通孔480a引入叶轮420的壳体中的空气通过空气流动通道460移动，从而冷却发动机440。在冷却发动机440之后，通过出口通孔480b排出空气。
根据本公开内容的第二种实施方式，第一导管600可以连接在发动机440的空气出口（或者出口通孔480b）和外壳500之间，并且第二导管700可以连接在外壳500和空气压缩机400的入口之间。
此处，随着叶轮420的旋转产生的压缩空气部分通过发动机440并且冷却发动机440，在该过程中，压缩空气变热。加热的压缩空气通过第一导管600提供至外壳500，从而去除外壳500中收集的水份。
因此，已冷却空气压缩机400的发动机440的空气在通过第一导管600之后全部去除外壳500中的水分，然后与水蒸气和氢气一起通过第二导管700排出外壳500。
此处，第二导管700在外壳500处连接至空气压缩机400的入口，使得通过第二导管700排出的空气流回至空气压缩机400，以在燃料电池组100中再使用，或者另外重复之前的步骤。
根据本公开内容的第三种实施方式，如图4所示，空气压缩机400的出口430可以具有支路，压缩空气的部分通过该支路被分流。第一导管600可以连接在空气压缩机400的出口430和外壳500之间，使得从空气压缩机400被分流的压缩空气引入外壳500。第二导管700可以连接在外壳500和空气压缩机400的入口470之间，使得通过外壳500的空气流回至空气压缩机400。此处，空气压缩机400的出口430是流动通道，压缩空气通过该流动通道流向燃料电池组100，入口470也是通道，通过该通道空气引入至叶轮420用于压缩。
根据本公开内容的另一种实施方式，由空气压缩机400产生的压缩空气没有全部提供至燃料电池组100，在空气压缩机400的出口430处，压缩空气的部分被分流，通过第一导管600被分流的压缩空气提供到外壳500中，因此提高燃料电池组100的冷却效果并且确保空气压缩机的喘振裕度。
即，根据常规技术，因为常规空气压缩机在低流动速率下出现喘振现象，所以压缩空气排出到外部。然而，根据本公开内容，压缩空气通过第一导管600从空气压缩机400提供至外壳500，因此减少流动速率的损失。在确保喘振裕度的同时冷却需要保持温度的燃料电池组，因此提高燃料电池组的冷却效率。
以这种方法，通过第一导管600引入外壳500的空气通过第二导管700流回至空气压缩机400的入口470，因此可以保持空气流速，可以去除外壳500中的氢气和水分、确保喘振裕度，并且可以提高电池组的冷却效率。
取决于车辆的设计和说明书，上述第一种至第三种实施方式可以选择性地应用或者作为组合应用。
根据本公开内容的燃料电池系统去除在燃料电池组100产生电时从燃料电池组渗漏的水分和氢气，从而防止对燃料电池组的内部零件的损害并且提高燃料电池的工作稳定性。此外，在冷却空气压缩机400的发动机440的过程中加热的暖气提供至外壳500的内部，从而提高外壳500中的水分去除效率。
另外，由空气压缩机400产生的压缩空气被分流并提供至外壳500的内部，从而提高燃料电池组100的冷却效率，同时确保喘振裕度以提高空气压缩机400的操作性能。
虽然为了示例性的目的已描述本公开内容的实施方式，但是本领域技术人员应理解，在没有背离附加的权利要求中公开的公开内容的范围和精神的情况下，可以做出各种修改、增加以及替换。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，包括：
外壳，所述外壳具有通过在由空气压缩机产生的高温高压压缩空气与用作燃料的氢气之间的电化学反应产生电的燃料电池组；
第一导管，由所述空气压缩机产生的所述压缩空气的部分通过所述第一导管引入所述外壳中；以及
第二导管，所述压缩空气通过所述第二导管从所述外壳流向所述空气压缩机，
其中，通过所述第一导管引入所述外壳中的所述压缩空气去除从所述燃料电池组渗漏的水分和氢气，并通过所述第二导管返回至所述空气压缩机。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述外壳在其相对侧上具有入口和出口，所述第一导管和所述第二导管分别连接至所述入口和所述出口，并且所述入口和所述出口相对于所述外壳的内部密封。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一导管和所述第二导管连接至所述外壳并且在所述燃料电池组上彼此相对设置。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一导管连接在所述空气压缩机的出口流体管和所述外壳之间，并且所述第二导管连接在所述外壳和所述空气压缩机的入口流体管之间。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述空气压缩机具有用于旋转叶轮的电力发动机和空气流动通道，使得由所述叶轮旋转产生的所述压缩空气部分通过所述发动机的内部以冷却所述发动机。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述第一导管连接在所述发动机的空气出口和所述外壳之间，而所述第二导管连接在所述外壳和所述空气压缩机的入口之间。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述空气压缩机的出口具有支路，所述压缩空气的部分通过所述支路被分流，所述第一导管连接在所述空气压缩机的所述出口和所述外壳之间，使得将从所述空气压缩机被分流的所述压缩空气引入所述外壳中，以及所述第二导管连接在所述外壳和所述空气压缩机的入口之间，使得通过所述外壳的所述空气流回至所述空气压缩机。
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