CN104810532A - 具有喷射器功能的燃料电池堆歧管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有喷射器功能的燃料电池堆歧管，该燃料电池堆歧管与燃料电池堆结合并供给和分配用于运行燃料电池堆的燃料、空气和冷却水，该燃料电池堆歧管包括：歧管本体，其包括阳极出口和阳极入口；以及喷射器，其连接阳极出口和阳极入口，喷射器与歧管本体一体地形成，并且包括文丘里管、扩散器、以及安装在文丘里管上的喷嘴。

Description

具有喷射器功能的燃料电池堆歧管

技术领域

本发明涉及一种供给和分配用于运行燃料电池堆的氢气、空气和冷却水的燃料电池堆歧管，更具体地涉及一种包含用于使电池堆废气进行再循环的喷射器的燃料电池堆歧管。

背景技术

通常，燃料电池是一种发电机，通过在燃料电池堆中的电化学反应，将燃料的化学能转化为电能，而不是通过燃烧转化成热能。这类燃料电池不仅可用于为工业、家庭和车辆供电，同时也用于向小型电/电子产品，特别是便携式装置供电。

汽车燃料电池系统通常包括产生电能的燃料电池堆、向燃料电池堆供应燃料(例如，氢气)的燃料供给装置、向燃料电池堆供给作为电化学反应氧化剂的空气中的氢的空气供给装置、以及冷却系统，该冷却系统将燃料电池堆的反应所产生的热量移除到系统的外部环境，并控制燃料电池堆的运行温度。

最近，燃料电池中具有高功率密度的聚合物电解质膜燃料电池通常用于汽车电源。这种聚合物电解质膜燃料电池包括具有发生电化学反应的催化剂电极层的膜电极组件，其安装在固体聚合物电解质膜的两侧，其中氢离子通过该固体聚合物电解质膜移动；气体扩散层，其均匀地分配反应气体并传递所产生的电能；双极板，其沿着反应通道移动反应气体和冷却水；以及垫片和紧固机构，其保持反应气体和冷却水的气密性以及适当的紧固压力。

此外，燃料电池堆通常具有形成电池堆的入口通道和出口通道的歧管。歧管提供反应之前和反应之后的气体以及冷却水流进/出的通道。

这些歧管通常具有较长且复杂的内部通道，允许冷却水和气体从其中穿过。当多个电池堆模块安装在燃料电池车上时，连接于电池堆模块外侧的歧管向电池堆模块分别供应反应气体(空气和氢气)和冷却水。也就是说，电池堆歧管连接于燃料电池单元模块的外侧，并向电池堆提供流体或使流体返回。

在燃料电池堆歧管中形成有通道，以使流体可被供应到燃料电池单元模块或者从模块经由该通道返回，其中在燃料电池堆中使用的流体即氢气和空气(氧气)以及用于冷却水或冷却电池堆的液体流经该通道。

燃料电池系统通常还配备有再循环系统，用以再供给从电池堆排出的气体，为此经常需要使用诸如再循环鼓风机和喷射器等泵机构。

例如，在燃料电池系统中，必须供给氢气和氧气，以便在燃料电池堆中产生电流。当仅仅供给在电池堆中待反应量的氢气时，由于反应表面的端部的氢气密度不足，且供给电池堆的燃料的均匀性降低，因此不能产生充分的反应，使燃料电池堆的性能和稳定性可能会劣化，并且过度地供给了燃料。

然而，当反应后剩余的燃料被排出时，降低了车辆的燃料效率，因此人们已经提出应用一种再循环技术，通过将从燃料电池堆的阳极排出的气体与从储罐提供的氢气进行混合而再循环气体，并通过将混合物供给回到燃料电池堆来改善燃料效率。

此外，当将从电池堆排出的气体进行再循环时，可通过再循环气体中的水分来防止电池堆中的电解质膜变干。

需要使用用于循环气体的泵，使从电池堆排出的气体再循环，并且通常利用再循环鼓风机(利用电动机)和喷射器对氢气进行再循环。

在韩国专利申请公开号2009-0094904，10-2012-0136708等中，公开一种包括用于再循环系统的喷射器的各种燃料电池堆歧管。

然而，这些常规的再循环系统存在一定的问题，由于需要用于将泵机构安装到电池堆歧管的通道和部件，因此再循环系统的体积和重量都会增大，并且结构比较复杂。

在该背景部分中公开的以上信息仅用于增强对本发明的背景的理解，并且因此其可含有不构成该国中本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

因此，考虑到上述问题而提出本发明，并且本发明的目的在于提供一种具有喷射器功能的燃料电池堆歧管，其中可通过使氢气供给和再循环通道最优化，去除其他构件和硬件，不具有用于另外安装喷射器的单独喷射器结构，来减少制造成本和重量，其可通过去除喷射器组装过程来改善其生产率。本发明还可通过将氢气可通过其泄漏的接头减到最少、通过实施具有新结构的歧管来改善燃料电池系统的安全性，其中该新结构的歧管通过一体地形成/制造具有文丘里管和扩散器结构的燃料电池堆歧管并添加喷嘴到其上而具有喷射器功能。

本发明提供的具有喷射器功能的燃料电池堆歧管具有以下特征：该燃料电池堆歧管与燃料电池堆结合并供给和分配用于运行燃料电池堆的燃料、空气和冷却水，该燃料电池堆歧管包括：歧管本体，其包括阳极出口和阳极入口；以及喷射器，其连接阳极出口和阳极入口，喷射器与歧管本体一体地形成，并且包括文丘里管、扩散器、以及安装在文丘里管上的喷嘴。

因此，由于燃料电池堆歧管具有与其一体的喷射器结构，因此可以使用于供应/再循环氢气的通道最优化，并且可以去除喷射器结构或其它相关部件，因此可以降低制造成本和重量。

喷射器的扩散器的前端可以直接连接到歧管本体的阳极入口，并且文丘里管的下游侧可以通过导管连接到歧管本体的阳极出口。包含文丘里管和扩散器的喷射器可水平地布置在歧管本体上。

喷射器的扩散器的上游侧可被局部切割，并且可以在扩散器被加工之后利用帽部件覆盖(finish)局部切割部。

在某些实施例中，喷射器的喷嘴可以另外地从外侧安装，也可以与电池堆歧管一体地形成。

当歧管本体和与歧管本体一体形成的喷射器由金属制成时，可以通过重力浇注或压铸法来形成歧管本体和喷射器。此外，当歧管本体和与歧管本体一体形成的喷射器由塑料制成时，可以通过吹塑成型和注塑成型法来形成歧管本体和喷射器。

本发明提供的具有喷射器功能的燃料电池堆歧管具有以下优点：

首先，由于可以通过将喷射器功能设置到电池堆歧管本身来去除通常包括在燃料电池中的歧管的单个组件，因此可减少制造成本并简化制造过程。

第二，由于燃料电池堆歧管和喷射器之间没有接头，因此可以将需要被制成密封的部分减到最少，并且不需要垫片和组件构件的气密性。因此，可能减少制造成本和重量。

第三，由于燃料电池堆歧管和喷射器是一体形成的，因此他们之间的热交换增加，从而可以减少在冷启动中喷射器喷嘴的冻结，并增加喷射器结构的提温速度。

下文中将讨论本发明的以上和其他特征。

附图说明

现将参考在附图中示出的本发明的特定示例性实施例详细描述本发明的以上和其他特征，其中附图仅以说明的方式在下文中给出，并且因此不是对本发明的限制，并且其中：

图1示出根据本发明的示例性实施例的具有喷射器功能的燃料电池堆歧管的立体图；

图2是沿着图1的A-A线截取的横截面图；

图3示出根据本发明的示例性实施例的具有喷射器功能的燃料电池堆歧管的安装状态的立体图；

图4示出根据本发明的示例性实施例的具有喷射器功能的燃料电池堆歧管后处理的示例的立体图；以及

图5示出根据本发明的示例性实施例的具有喷射器功能的燃料电池堆歧管的安装状态的使用的横截面图。

附图中的标记说明：

10：燃料电池堆           11：阳极出口

12：阳极入口             13：歧管本体

14：文丘里管             15：扩散器

16：喷嘴                 17：喷射器

18：导管                 19：帽部件

20：阴极入口             21：阴极出口

22a,22b：冷却水通道      23：氢气罐

24：调节器               25：流控制阀

26：加工工具

应当理解的是，附图不必按比例绘制，其呈现了说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程序上简化的表示。将部分通过特定预期的应用和使用环境来确定本文所公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、取向、位置和形状。

在图示中，贯穿附图的所有图示中的附图标记指代本发明的相同或等效部件。

具体实施方式

下文中将详细参考本发明的各种实施例，其中在附图中示出并在下面描述这些实施例的示例。尽管将结合示例性实施例描述本发明，然而应当理解的是，本描述不旨在将本发明限制到那些示例性实施例。相反地，本发明旨在不仅覆盖示例性实施例，还覆盖可包括在由随附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代方案、修改、等效和其他实施例。

应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它相似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商业车辆、包括各种船只和船舶的水上车辆、飞行器，等等，并包括混合动力燃料电池车、电动车辆、插入式混合动力燃料电池电动车辆、氢动力车辆，燃料电池车等。

实施例：

在下文中，将参考附图更详细地描述本发明，以使本领域技术人员能够更容易地实施本发明。

下面参考附图详细描述本发明。

图1和图2是示出根据本发明一个实施例的具有喷射器功能的燃料电池堆歧管的立体图和横截面图，图3是示出根据本发明一个示例性实施例的具有喷射器功能的燃料电池堆歧管的安装/配置的立体图。

如图1至3所示，燃料电池堆歧管，连接到燃料电池堆10以供给和分配用于燃料电池堆运转的燃料、空气和冷却水，在电池堆歧管的阳极管线中具有一体的文丘里管(venturi)-扩散器结构的喷射器。

为此，燃料电池堆歧管的歧管本体13具有阳极入口12和阳极出口11，分别用于向燃料电池堆10供给燃料(氢气)和从燃料电池堆10排出燃料(氢气)；阴极入口20和阴极出口21，分别用于向燃料电池堆10供应空气以及从燃料电池堆10排出空气；以及冷却通道22a和22b，用于供给和排出冷却水。

歧管本体13具有大致矩形板的形状，阴极出口21和阳极出口11在本体的一个纵向端处上下地形成，并且阳极入口12和阴极入口20在本体的另一纵向端上下地形成。冷却通道22a和22b分别形成在阳极入口12和阴极入口20之间、以及阴极出口21和阳极出口11之间。

具有阳极入口12、阳极出口11、阴极入口20、阴极出口21的歧管本体13以及冷却通道22a、22b，每一个以与燃料电池堆10紧密接触的方式安装，并且可以提供燃料、氧气和冷却水。

特别地，歧管本体13具有一体的喷射器17，即，起喷射器作用的部件与歧管12一体地形成，如此可以去除通常在相关现有技术中使用的单独喷射器。为此，喷射器17包括文丘里管14和扩散器15，它们与歧管本体13一体地形成。

用于供给氢气的喷嘴16可以安装在文丘里管14的前侧上。喷嘴16布置在文丘里管14的内侧，并可平行于文丘里管的轴线喷射氢气，并且从氢气罐(图5中的23)(下文将描述)延伸的氢气管线连接到喷嘴16。喷嘴可附加地安装在燃料电池堆歧管的外侧上，也可以作为一个单元与燃料电池堆歧管结合在一起。

喷射器17连接在歧管本体13上的阳极出口11和阳极入口12之间，以便被排出到阳极出口11的氢气可再循环，并且可通过喷嘴16供给氢气。例如，具有文丘里管14和扩散器15的喷射器17可水平地布置在歧管本体13上，扩散器15的前端(上游侧)直接连接到歧管本体13的阳极入口12，并且文丘里管14的后端(下游侧)通过导管18以一定角度连接到歧管本体13的阳极出口11。

也就是说，喷射器17可以在与歧管本体13的阳极入口12相同的高度、通过扩散器部分直接与阳极入口12连接，并通过文丘里管部件和导管18在较低部分、以一定角度与阳极出口12连接。显然地，导管18也可以与歧管本体13一体形成。

因此，从阳极出口11排出的、再循环的氢气可通过导管18和喷射器17流入到阳极入口12中，并且从喷射器17的喷嘴16供给的氢气也可流入阳极入口12。

喷射器17是一种泵，其中当从喷嘴高速喷射处于压力下的流体时，该泵通过在其附近产生低压区域来吸收和排出流体，该喷射器17由以下组件构成：喷嘴16，其高速喷射处于高压下的主要流体(氢气)；文丘里管14，其利用文丘里管效应吸收次要流体(阳极废气)，并将其与主要流体混合；以及扩散器15，其降低速度并增大流体的压力。

因此，高速下的主要流体的动能被转化成文丘里管14中的全部流体混合物的动能，并且该速度通过具有不断增大的横截面的扩散器15被转化为压力，使得次要流体以比其被喷射器17吸收时更高的压力从喷射器出口排出，然后提供给阳极入口12。

作为形成具有一体喷射器17的歧管本体13的方法，当燃料电池堆歧管由金属制成时，使用浇注(molding)和压铸法；当燃料电池堆歧管由塑料制成时，可以使用吹塑成型和注塑成型法。

图4是示出根据本发明实施例的具有喷射器功能的燃料电池堆歧的后加工的示例的立体图。如图4所示，另外地加工喷射器17的文丘里管14和扩散器15的表面，以使质量更好。例如，在形成歧管13时，对喷射器17的扩散器15的前端进行局部切割，利用加工工具26、通过局部切割来加工文丘里管14的内侧以及扩散器15的内侧，然后通过帽部件19覆盖(finish)该局部切割部。

也就是说，当在喷射器的文丘里管/扩散器结构中提供附加加工以使表面质量更好时，可以对该结构执行注塑成型，其中局部切割通道(切割扩散器和阳极入口的接合处)，然后在加工之后结合具有通道形状的帽部件19，如此可改善空气动力学特征。

图5是示出根据本发明一个实施例的具有喷射器功能的燃料电池堆歧管的安装状态的使用的横截面图。如图5所示，提供从氢气罐23到喷射器17的喷嘴16的氢气管线，并且调节器24和流控制阀25布置在氢气管线中。

因此，从氢气储罐23提供的氢气通过喷嘴16高速喷入文丘里管14中，并且从阳极出口11排出的再循环氢气也通过导管18流入喷射器17的文丘里管14。

因此，从喷嘴16高速喷射的氢气的动能被转化成文丘里管14中包括的再循环氢气的全部流体混合物的动能，该速度通过具有不断增大的横截面的扩散器15被转化为压力，并且再循环的氢气以比其被喷射器17吸收时的更高压力从喷射器出口排出，然后被供给到阳极入口12。

如上所述，在本发明中，可以通过一体地形成具有燃料电池堆歧管的喷射器，来减少制造成本并简化制造过程。

例如，在相关现有技术中，需要形成/加工和检查燃料电池堆歧管，形成、加工、组装和检查喷射器，组装燃料电池堆歧管和喷射器，检查气密性，组装燃料处理系统(FPS)，然而在本发明中需要形成/加工燃料电池堆歧管→检查气密性，组装FPS，因此可以减小步骤的数量。

此外，由于在燃料电池堆歧管和喷射器之间不存在接头，因此能够将需要被制造为密封的部分减到最少。例如，在相关现有技术中，在喷射器的文丘里管/扩散器接头以及一个喷嘴接头上的两个位置要求气密性，但是在发明中，仅仅在一个喷嘴接头处要求气密性，因此能够相应地确保气密性。

此外，由于燃料电池堆歧管和喷射器是一体形成的，因此可以减少在冷启动中喷嘴的冻结，并且可以增大提温速度。例如，在冷启动中，燃料电池堆歧管的温度高于与冷却水和燃料电池堆(加热源)接触的FPS部分，因此在冷启动中更有利。

尽管上面详细描述了本发明的实施例，然而本发明的范围并不限于这些实施例，本领域技术人员在权利要求所限定的本发明的精神下的各种改变和变型也包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种具有喷射器功能的燃料电池堆歧管，所述燃料电池堆歧管与燃料电池堆结合并供给和分配用于运行所述燃料电池堆的燃料、空气和冷却水，所述燃料电池堆歧管包括：

歧管本体，其包括阳极出口和阳极入口；以及

喷射器，其连接所述阳极出口和所述阳极入口，所述喷射器与所述歧管本体一体地形成，并且包括文丘里管、扩散器、以及安装在所述文丘里管上的喷嘴。

2.如权利要求1所述的燃料电池堆歧管，其中所述喷射器的所述扩散器的前端直接连接到所述歧管本体的所述阳极入口，并且所述文丘里管的后端通过导管连接到所述歧管本体的所述阳极出口。

3.如权利要求1所述的燃料电池堆歧管，其中所述喷射器的所述喷嘴另外地安装在燃料电池堆的外侧，或者与所述燃料电池堆歧管一体地形成。

4.如权利要求1所述的燃料电池堆歧管，其中包含所述文丘里管和所述扩散器的所述喷射器水平地布置在所述歧管本体上。

5.如权利要求1所述的燃料电池堆歧管，其中所述喷射器的所述扩散器的前端被局部切割，并且在加工所述扩散器之后利用帽部件覆盖所述局部切割部。

6.如权利要求1所述的燃料电池堆歧管，其中当所述歧管本体和与所述歧管本体一体形成的所述喷射器由金属制成时，通过重力浇注或压铸法来形成所述歧管本体和所述喷射器。

7.如权利要求1所述的燃料电池堆歧管，其中当所述歧管本体和与所述歧管本体一体形成的所述喷射器由塑料制成时，通过吹塑成型或注塑成型法来形成所述歧管本体和所述喷射器。