CN105098209A - 用于燃料电池系统的喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于向燃料电池系统中的电池堆供应例如氢的燃料的喷射器，其可以根据系统负载的增大或减小自动地移动喷嘴的位置。因此，可以通过选择在使用喷射器的燃料电池系统中的喷嘴喉部面积来控制氢的必要供应以及再循环流量，并且具体地说，能够经自动地控制以在低负载下通过小喷嘴供应氢以使再循环量增加。

Description

用于燃料电池系统的喷射器

技术领域

本发明涉及用于燃料电池系统的喷射器，更具体地，涉及用于向燃料电池系统中的电池堆供应燃料(例如氢)的喷射器。

背景技术

通常，燃料电池系统是一种将燃料的化学能转化为电能的发电系统。

这样的燃料电池系统包括燃料电池堆、用于向燃料电池堆供应燃料(例如氢)的燃料供应系统、用于向燃料电池堆供应空气中的氧(其是电化学反应所需的氧化剂)的空气供应系统、以及用于将燃料电池堆的反应热排出到系统外侧并且控制燃料电池堆的驱动温度的冷却系统。

如图5(相关技术)中所示，常规燃料电池系统中的燃料供应和再循环系统基本上包括与储氢罐100连接的氢供应管线110、燃料电池堆170的未反应氢再循环所经过的氢再循环管线120、安装在电池组入口130与氢再循环管线120交会的结点处以朝向燃料电池堆的阳极泵送新的氢和再循环的氢的喷射器140a和140b、安装在氢供应管线110上以测量氢和空气的压力的电池组入口压力传感器150、以及安装在氢供应管线110上的调节器160。

在此情况下，喷射器140a和140b通过喷嘴喷射从高压罐供应的经压缩的氢从而产生真空，使得燃料电池堆中的排气被吸收以使氢气再循环。

鼓风机可以用作上文所描述的燃料电池系统的再循环装置，但是作为基于电动机的致动器的鼓风机较为昂贵，并且例如轴承的部件可能由于再循环气体的冷凝物而容易腐蚀。另外，当旋转部件因冷凝物而被卡住时，可通过使用加热器来使旋转部件解冻，这会不令人期望地增加此类布置的复杂度。

用作上述问题的简单解决方案的喷射器通过使用高压调节器后端的约100巴的氢经喷嘴喷射射流，以产生同时供应和再循环燃料所需的动量。

然而，当喷嘴的直径增大时，射流速度减小，使得喷射器的吸收性能劣化。

出于此原因，尽管减小喷射器喷嘴的尺寸在性能上是有利的，但是仍需要增大喷嘴的喉部面积以便对于较大负载供应大量流体。

作为可能的解决方案，已经提出布置大喷射器140b和小喷射器140a的技术。

如图5中所示，当设置大喷射器时，喷射器必须根据负载量使用大喷嘴或小喷嘴，使得将大喷嘴用于大量负载而将小喷嘴用于少量负载。

喷射器的性能可以通过燃料供应和泵送根据再循环性能来进行分类。喷嘴的尺寸越大，在相同压力下可供应的燃料流量就越大。然而，当喷嘴较大时，泵送性能因对于少量流体的射流速度低而劣化。尽管小尺寸喷嘴具有较好的气动性能因为小尺寸喷嘴即使在低水平供应中也具有高流速，但是小尺寸喷嘴不能满足供应大量流体的需求。

考虑到以上，在韩国未审查专利公开第10-2012-0136708号中已经提出一种用于控制燃料电池系统的氢燃料供应的装置。

如图6(相关技术)中所示，用于控制燃料电池系统的氢燃料供应的装置包括安装在燃料电池堆入口处以向燃料电池堆供应氢并且形成再循环流的喷射器200、与氢供应管线连接以与喷射器200的喷嘴入口210连通从而控制氢供应的比例控制电磁阀220、以及根据燃料电池系统的输出控制比例控制电磁阀220的驱动的阀控制器(未示出)。

在此情况下，阀控制器在当前状态下的输出小于预设的参考输出的低输出区段中在脉冲流控制方案下控制比例控制电磁阀的驱动。

附图标记230是喷射器喷嘴，并且附图标记240和250分别表示喷射器出口和阀体。

根据以上技术，通过脉冲氢供应改进了低负载喷射器的性能。控制脉冲氢供应的阀为比例控制阀，其在低负载下通过快速开/关操作向喷嘴供应脉冲流。另外，在作为燃料供应条件的大负载条件下，通过活塞的上下移动可以实现静驱动(quietdriving)。

然而，在以上技术中，必须设定低负载驱动范围，并且该范围越大，开/关操作的次数就越多，使得对阀产生苛刻的要求。

特别地，如有可能，则需要通过小范围内的最少位移执行脉冲流。最理想的是在没有任何脉冲流的情况下获得所需的气动性能。

换句话说，改进喷射器的泵送效率，使得可以保证阀耐久性并且可以抑制噪声产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种喷射器，其能够根据系统负载的增大或减小自动地移动喷嘴的位置，能够通过选择在使用喷射器的燃料电池系统中的喷嘴喉部面积来控制氢的必要供应和再循环流量，并且具体地说，能够经自动地控制以在低负载下通过小喷嘴供应氢使得再循环量增加。

为了实现以上目的，根据本发明，提供一种具有以下特征的用于燃料电池系统的喷射器。

安装在燃料电池的再循环流动路径上以向燃料电池堆的阳极泵送并且供应新的氢和再循环气体的燃料电池系统用喷射器包括：喷射器主体，在前端具有氢出口且在后端具有再循环氢入口；喷嘴，安装在喷射器主体中以与用于控制氢供应的流量控制阀连通；喷嘴主体，具有氢流动路径；以及喷嘴装置，安装在喷嘴主体处并且配置成提供氢流动路径，喷嘴主体根据系统负载的增大或减小改变喷嘴喉部面积，使得氢供应和再循环流量得到控制。

具体地说，喷嘴装置包括：喷嘴盖，安装在喷嘴主体的前端；阀喷嘴，配置成提供氢流动路线，与喷嘴盖的内轴线平行地布置，并且在由弹簧弹性地支承以移动的同时打开或关闭喷嘴盖的内侧和氢流动路径；以及衬套，配置成在同心地介于喷嘴盖与阀喷嘴之间的同时，通过使用多个孔提供氢引入到喷嘴盖中的流动路线。

因此，用于燃料电池系统的喷射器能够当系统在低负载或中等或高负载下驱动时根据系统负载的增大或减小自动地移动喷嘴的位置，并且能够改变喷嘴喉部面积使得氢供应和再循环流量可以得到调整。

优选地，在阀喷嘴的后端形成阀片，该阀片用于在选择性地关闭喷嘴主体中的氢流动路径的孔口的同时打开或关闭喷嘴盖的内侧和氢流动路径。

还优选地，在阀喷嘴的后端形成突起，该突起比阀片的后表面更向后突出，使得可以引起氢的涡流和压降。

用于燃料电池系统的喷射器可以根据系统负载的增大或减小自动地移动喷嘴的位置，通过选择在使用喷射器的燃料电池系统中的喷嘴喉部面积来控制氢的必要供应和再循环流量，并且具体地说，经自动控制以在低负载下通过小喷嘴供应氢使得再循环量增加，从而改进喷射器的泵送效率、保证阀中的配置并且抑制噪声产生。

附图说明

现在将参考附图图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是示出根据本发明实施方式的用于燃料电池系统的喷射器的截面视图；

图2是示出根据本发明实施方式的当用于燃料电池系统的喷射器在低负载下驱动时的喷射器状态的截面视图；

图3是示出根据本发明实施方式的当用于燃料电池系统的喷射器在中等或高负载下驱动时的喷射器状态的截面视图；

图4是示出根据本发明实施方式的当用于燃料电池系统的喷射器在中等负载下(在过渡区中)驱动时喷射器状态的截面视图；

图5(相关技术)是示出燃料电池系统中的燃料供应和再循环系统的基础配置的示意图；并且

图6(相关技术)是示出根据相关技术的用于调整燃料电池系统的氢燃料供应的装置的截面视图。

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。

在附图中，附图标记在几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细地描述本发明。

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。

本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种(a、an)”和“该(the)”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

此外，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是示出根据本发明实施方式的用于燃料电池系统的喷射器的截面视图。

如图1中所示，喷射器安装在燃料电池堆的入口以通过泵送向燃料电池堆供应新的氢和再循环的氢。

流量控制阀13与喷射器的后端连接，使得氢(新的氢)传送到喷射器，从而以通过流量控制阀13控制的流量供应到电池堆。

在此情况下，例如与在韩国未审查专利公开第10-2012-0136708号中公开的流量控制阀具有相同结构的常规流量控制阀可以用作为流量控制阀13，并且将省略其详述。

喷射器包括喷射器主体12。喷射器主体12具有以下结构，其中引起氢通过喷嘴14向电池堆喷洒的混合器和扩散器与容纳喷嘴14的主体相继连接。

在喷射器主体12的前端，即，在混合器和扩散器的前端形成出口10，使得通过氢出口10喷射的氢可以供应到电池堆。在喷射器主体12的后端或在后端下方形成再循环氢入口11，使得通过再循环氢入口11引入到喷射器主体12中的再循环氢可以与新的氢混合从而供应到电池堆。

另外，喷射器包括用于喷洒氢的喷嘴14。喷嘴14与喷射器主体12的后端连接以被支承并且设置在喷射器主体12的内侧。

喷嘴14可以包括喷嘴主体15、喷嘴盖16、阀喷嘴18、衬套20。

喷嘴主体15可以通过其后端与流量控制阀13连通。在喷嘴主体15中形成氢流动所经过的氢流动路径25以及氢排出所经过的孔口21。

因此，从流量控制阀13传送的氢沿着氢流动路径25流动并且经过孔口21。随后，在经过阀喷嘴18、混合器和扩散器之后，氢通过氢出口10喷射从而引入到电池堆中。

具有中空盖形状的喷嘴盖16与喷嘴主体15的前端平行地安装，使得氢经过喷嘴盖16的内部。

具有管道形状以允许氢经过的阀喷嘴18与喷嘴盖16的内部中心轴平行地布置。另外，阀喷嘴18经支承以使得能够在多个支架24的内壁表面上滑动，该多个支架24在喷嘴盖16和下文将进行描述的衬套20的前端的内壁上形成。

在喷嘴盖16的前端的周边与阀喷嘴18的内壁之间形成空隙，使得通过该空隙引入到衬套20中的氢可以通过喷嘴盖16的前端排出。

另外，阀喷嘴18可以由弹簧17弹性地支承，弹簧17的一侧由衬套20的一侧支承，使得阀喷嘴18始终接收弹簧17的力从而被向后方推动。

具体地说，在阀喷嘴18的后端形成比阀喷嘴具有相对更大直径的阀片22。在此情况下，阀片22可以通过选择性地阻塞喷嘴主体15中的氢路径25的孔口21来使氢路径相对于喷嘴盖的内侧打开或关闭。

例如，包括阀片22的阀喷嘴18可以在由弹簧17完全弹性地支承时向前和/或向后方直线移动。因此，阀片22可以根据施加于阀片22的后表面的氢压力与弹簧力之间的相关性而在向前方向上移动或在向后方向上还原。

因此，在阀片22和阀喷嘴18向前方移动的状态下，当阀片22与孔口21分离时，喷嘴盖16的内侧与氢路径25连通，使得氢可以流入到喷嘴盖16的内侧。

另外，在阀片22和阀喷嘴18向后方还原的状态下，当阀片22紧密附接于孔口21时，喷嘴盖16的内侧与氢路径25切断，使得氢仅可以通过阀喷嘴18供应。

衬套20布置在喷嘴盖16与阀喷嘴18之间的同心圆上并且与阀喷嘴18的内壁表面相称。

在衬套20上形成多个孔19并且多个孔19沿着衬套20的外围布置，使得流入到喷嘴盖16中的氢可以经孔19逸出以通过喷嘴盖16的前端喷射。

在弹簧17弹性地支承阀喷嘴18的情况下，当弹簧17置于衬套20中设置的沟槽中时，弹簧17的两端均可以支承并且安装在衬套20侧与阀片22侧之间。

同时，在阀喷嘴18具有阀片22的情况下，在设置阀片22的阀喷嘴18的后端形成从阀片21的后表面突出的突起23(参见图4)，使得引起撞击阀片22的后表面的氢的涡流和压降。特别地，由于涡流和压降，在流体流动特征曲线上过渡区可以是流畅的。

因此，根据本发明，喷射器在与流量控制阀连接的同时在喷嘴中具有阀结构。喷嘴包括阀喷嘴(小喷嘴或内喷嘴)、外喷嘴(大喷嘴)、弹簧、衬套以及喷嘴盖。

在喷嘴的结构和形状中，喷嘴喉部面积和流量随电控的流量控制阀以及喷嘴中的阀而变化。

随后，如下根据力的平衡操作喷嘴阀的开/关操作：

Fs>(Pin-Pout)×Av→关闭喷嘴阀，

Fs<(Pin-Pout)×Av→打开喷嘴阀，

其中Pin是流量控制阀的下游压力，Pout是喷嘴阀的后端压力，Av是孔口的面积，并且Fs是弹簧的力(-kx)。

根据以上关系，Av和Fs是预定的设计值，Pin是根据活塞的位置而变化的控制变量。

特别地，随着施加到流量控制阀的电流增加，喷嘴入口的压力增加。当压力达到阈值压力时，喷嘴阀开始打开，使得流量提高，从而同时将氢供应到阀喷嘴和外喷嘴。

总之，使得氢能够在低负载下供应到小喷嘴(喷嘴阀)且在大负载下供应到大喷嘴(喷嘴阀+喷嘴盖)。

图2是示出根据本发明实施方式的当用于燃料电池系统的喷射器在低负载下驱动时的喷射器状态的截面视图。

图2如下示出喷嘴阀的关闭状态：

Fs>(Pin-Pout)×Av→关闭喷嘴阀。

由于在低负载驱动条件下流量控制阀的阀开度较小，因此流量控制阀的下游压力(Pin)降低至低于弹簧17的力。因此，所有的氢供应到阀喷嘴18。

由于阀喷嘴18的内径较小，因此可以在相同压力下获得较高速度。因而，实现了燃料电池系统所需的在低负载驱动条件下的优异吸收性能(气动性能)。

图3是示出根据本发明实施方式的当用于燃料电池系统的喷射器在中等或高负载下驱动时的喷射器状态的截面视图。

图3如下示出喷嘴阀的打开状态：

Fs<(Pin-Pout)×Av→打开喷嘴阀。

流量控制阀的活塞在中等或高负载下增大阀开度，使得流量控制阀的下游压力(Pin)增加至高于弹簧17的力。

因此，阀喷嘴18被打开，使得氢开始供应到阀喷嘴18和外喷嘴(喷嘴盖中的流动路径)。

随着流量控制阀的开度增大，流量控制阀的下游压力(Pin)增加，使得阀喷嘴18向前方进一步移动得更远。

随着阀喷嘴18向前方移动，使得流体量能够增加。

在此情况下，阀喷嘴18的移动操作可以设计成允许衬套20抑制振动。衬套20由能够减小摩擦或经过表面处理的材料形成。

图4是示出根据本发明实施方式的当用于燃料电池系统的喷射器在中等负载下(在过渡区中)驱动时的喷射器状态的截面视图。

如图4中所示，在中等负载下的驱动区中，阀喷嘴18因流量控制阀的控制而增加的压力Pin打开。

当阀喷嘴18开始打开时，力的平衡可快速改变，使得可能引起压力和流量在流体流动特征曲线上快速变化。

由于不稳定性和非线性是对于流量控制阀的控制非常不利的条件，因此必须鉴于硬件考虑不稳定性和非线性。

如图4中所示，阀喷嘴18的突起23减少了在阀门开始打开或关闭时所造成的不稳定性。

孔口的流动路径的面积能够更为逐渐地改变，使得由突起所引起的涡流和压降可以允许流体流动特征曲线中的过渡区较流畅。

如上文所描述，根据本发明，提供一种新的喷射器，其在喷嘴中具有阀结构，并且能够允许氢燃料通过在喷嘴上游处的流量控制阀(比例控制阀)进行的氢压力控制得以供应或控制。此外，根据本发明，氢在低负载下仅通过阀喷嘴供应，并且阀喷嘴在中等或高负载下移动构建大喷嘴。另外，应用阀喷嘴的突起结构以流畅地改变阀喷嘴和外喷嘴的过渡区，使得当阀喷嘴移动时摩擦并不大并且不会输出任何异物。另外，出于稳定移动阀喷嘴的目的应用衬套、喷嘴盖和弹簧，使得可以改进喷射器的泵送效率。因此，可以保证阀的耐久性并且可以抑制噪声产生。

尽管到目前为止已经详细地描述了本发明，但是本发明的范围不限于所述描述，本领域的技术人员使用由权利要求所限定的本发明的基本概念所进行的各种修改也落在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池系统的喷射器，所述喷射器包括：

喷射器主体，在前端具有氢出口且在后端具有再循环氢入口；以及

喷嘴，安装在所述喷射器主体中以与用于控制氢供应的流量控制阀连通，

其中所述喷嘴包括：

喷嘴主体，具有氢流动路径；以及

喷嘴装置，安装在所述喷嘴主体处并且配置成提供氢流动路径，所述喷嘴主体根据系统负载的增大或减小改变喷嘴喉部面积，使得所述氢供应和再循环流量得到控制。

2.根据权利要求1所述的喷射器，还包括阀片，形成在阀喷嘴的后端，并且在选择性地关闭所述喷嘴主体中的氢流动路径的孔口的同时打开或关闭喷嘴盖的内侧和所述氢流动路径。

3.根据权利要求1所述的喷射器，还包括在阀喷嘴的后端形成的突起，其中所述突起比阀片的后表面更向后突出。

4.根据权利要求1所述的喷射器，其中所述喷嘴装置包括：

喷嘴盖，安装在所述喷嘴主体的前端；

阀喷嘴，配置成提供氢流动路线，与所述喷嘴盖的内轴线平行地布置，并且在由弹簧弹性地支承以移动的同时打开或关闭所述喷嘴盖的内侧和所述氢流动路径；以及

衬套，配置成在同心地介于所述喷嘴盖与所述阀喷嘴之间的同时，通过使用多个孔提供氢引入到所述喷嘴盖中的流动路线。

5.根据权利要求4所述的喷射器，还包括阀片，形成在所述阀喷嘴的后端，并且在选择性地关闭所述喷嘴主体中的氢流动路径的孔口的同时打开或关闭所述喷嘴盖的内侧和所述氢流动路径。

6.根据权利要求4所述的喷射器，还包括在所述阀喷嘴的后端形成的突起，其中所述突起比阀片的后表面更向后突出。

7.根据权利要求1所述的喷射器，其中所述喷射器安装在燃料电池车中。