CN105552402B - 具有供氢歧管的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有供氢歧管的燃料电池系统，包括：电池堆，利用供应的空气和燃料气体来产生电力；再循环管线，其使燃料气体再循环到电池堆的入口，燃料气体由电池堆部分地使用以被排出；以及喷射器单元，布置在再循环管线上，供应新鲜的燃料气体，并使电池堆排出的燃料气体再循环，其中喷射器单元包括：中压歧管，一侧形成有喷嘴安装部，并形成有供应通道；控制阀，其布置在中压歧管上；喷嘴，其与喷嘴安装部相接合，以喷射通过供应通道供应的燃料气体；以及低压歧管，其与中压歧管相接合，形成有腔室，形成有文氏管和扩散器，并且吸入电池堆的废气，将废气与从喷嘴喷射的燃料进行混合，并通过文氏管和扩散器将混合气体排出。

Description

具有供氢歧管的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种具有供氢歧管的燃料电池系统，其能够将燃料气体和水分安全地供应给电池堆，电池堆利用燃料气体和水分产生电能，其中降低氢的压力以使其再循环，从而实现再循环结构的紧凑封装。

背景技术

如现有技术中已知的，具有燃料电池系统的燃料电池车辆将氢作为燃料供应给燃料电池堆以产生电力，并且由燃料电池堆生成的电力操作电动机，从而使车辆移动。

在本文中，燃料电池系统不会将燃料的化学能转换为燃烧热，而是作为发电系统，通过电化学方法将燃料的化学能转换为电能。

燃料电池系统将来自储氢罐的高纯度氢供应到燃料电池的燃料电极(阳极)，并利用诸如空气鼓风机等空气供给装置，将空气供应到燃料电池的空气电极(阴极)。

因此，供应到燃料电池堆的氢被分离成质子和电子，经分离的氢离子通过高分子电解质膜供应到空气电极(阴极)，被供应到空气电极的氧与进入空气电极的电子结合以形成水分，然后在此产生电能。

一般地，燃料电池车辆利用通过电池堆中氢和氧的反应而产生的电力来操作电动机，从而使车辆能够移动。基于此目的，有必要为电池堆提供具有预定压力的氢。

另外，为了增加燃料电池车辆的行驶距离，大量的氢是必要的，因此燃料电池车辆利用燃料电池车辆中的具有数百个大气压的高压氢罐。

因此，布置多个阀和调节器，以降低氢罐与电池堆之间的氢的压力，并且使用多根管道和歧管分别将其连接起来。

然而，连接的部分越多，氢泄漏的可能性越大，并且为了保持气密性，还需要O型密封圈和密封部件，因此增加了成本，并使生产率下降。

另外，由于增加了在系统的制造和维修之后需要测量泄漏的点，因此气密性测试时间和成本也增加了。此外，在使用配件和管件来构成供气管线时，增加了连接部件，从而难以使用自动装置将它们组装起来，并且难以管理装配扭矩。因此，燃料电池车辆一直致力于减少具有阀和调节器的供氢系统(燃料处理系统)的连接部件/体积。

在背景技术部分所公开的上述信息仅用来增强对本发明的背景技术的理解，因此可能包含未构成已由本国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明努力提供一种具有供氢歧管的燃料电池系统，该系统具有以下优点：供氢系统结构紧凑，泄漏点减少，从而易于维护。

如上所述，根据本发明的示例性实施例的具有供氢歧管的燃料电池系统可包括：电池堆，其利用供应的空气和燃料气体来产生电力；再循环管线，其使燃料气体再循环到电池堆的入口，其中燃料气体由电池堆部分地使用以被排出；以及喷射器单元，其布置在再循环管线上，供应新鲜的燃料气体，并使电池堆排出的燃料气体再循环，其中喷射器单元可包括：中压歧管，其一侧形成有喷嘴安装部，并形成有供应通道以将燃料气体传送到喷嘴安装部；控制阀，其布置在中压歧管上，以控制被供应到电池堆的燃料；喷嘴，其与喷嘴安装部的端部相接合，以喷射通过供应通道供应的燃料气体；以及低压歧管，其与中压歧管相接合，形成有腔室以容纳喷嘴安装部和喷嘴，沿着从喷嘴喷射燃料气体的方向形成有文氏管和扩散器，并且吸入电池堆的废气，将废气和从喷嘴喷射的燃料进行混合，并通过文氏管和扩散器将混合气体排出。

喷嘴安装部可在中压歧管的下侧一体地延伸，并且控制阀布置在中压歧管的上部。

喷嘴可布置在喷嘴安装部的下端部的侧面。

控制阀可包括：沿外周布置的阀线圈；以及布置在阀线圈中的柱塞，其中利用被传送到阀线圈的动力使柱塞移动，并且柱塞的前端部控制供应通道的开放速度和燃料气体的流量。

截止阀可布置在控制阀的上游侧，以关闭供应通道。

供应通道可一体地形成在中压歧管中。

连接于腔室的净化通道可一体地形成在中压歧管中或者从中压歧管一体地延伸，并且净化阀布置在中压歧管上，以关闭净化通道。

净化通道可连接于腔室，并沿上方形成，并且净化部从中压歧管的侧面一体地形成或者一体地延伸，以排出由净化阀净化的净化气体。

调节器连接部可一体地形成在中压歧管上，以接收来自高压调节器的燃料气体。

中压歧管和喷嘴安装部可由金属材料制成，而喷嘴由聚合物材料制成。

隔热层可位于喷嘴安装部与喷嘴之间，以减少热传递。

根据用于实现上述目的的本发明，形成有文氏管和扩散器的低压歧管布置在中压歧管上，喷嘴通过中压歧管的喷嘴安装部来布置，高压氢通过中压歧管来供应，控制阀布置在中压歧管上，因此整体结构变得紧凑。

另外，截止阀或净化阀布置在中压歧管上，净化路径形成在中压歧管中，因此整体结构变得紧凑，同时易于维护。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的示意图；

图2是根据本发明的示例性实施例，配置在燃料电池系统中的供氢歧管的示意性截面图；

图3是根据本发明的示例性实施例，配置在燃料电池系统中的供氢歧管的示意性立体图；

图4是根据本发明示例性实施例的供氢歧管的示意性截面图；以及

图5是示出根据本发明示例性实施例的供氢歧管的温度的曲线图。

附图标记说明：

100：柱塞

105：阀线圈

110：控制阀

115：中压歧管

120：低压歧管

125：喷嘴

122：喷射器

150：氢罐

155：截止阀

160：高压调节器

165：净化阀

200：喷嘴安装部

205：腔室

210：文氏管

212：扩散器

215：供应通道

310：调节器连接部

320：净化部

400：净化通道

170：电池堆。

具体实施方式

下文中，将参照附图，对本发明的示例性实施例进行详细说明。

图1是根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的示意图。

参照图1，燃料电池系统包括：氢罐150、截止阀155、高压调节器160、控制阀110、喷嘴125、喷射器122、净化阀165以及电池堆170。

作为燃料的氢气在高压下存储于氢罐150中，截止阀155可完全关闭供氢管线。高压调节器160将高压氢降低到预定压力，而控制阀110控制被供应到喷嘴125的氢。

喷射器122将由喷嘴125喷射的氢与再循环的燃料气体进行混合，该混合气体经过文氏管210和扩散器212，而净化阀165从再循环管线将水分或不需要的气体清除到外部。

燃料电池系统需要氢和氧以便从电池堆170产生电流。在这种情况下，仅将理论反应量的氢供应到电池堆170，在反应后期，氢浓度下降，燃料气体氢的均匀性劣化，从而使电池堆的性能和稳定性劣化，因此过量的氢被供应到这里。

然而，当被供应到电池堆170的过量氢中的一部分与氧进行反应，而其另一部分被排出到外部时，燃料消耗率降低，因此使在电池堆170中反应并排出的废气再循环，以便与新鲜的氢混合，并且将混合气体供应到电池堆，从而提高燃料效率。

另外，在电池堆170的废气进行再循环的情况下，再循环气体中的水分能够防止电池堆170的电解质膜变干。

为了泵送电池堆170的废气，需要使用泵。通常情况下，可以使用再生电动鼓风机或喷射器122，使废气进行再循环。

喷射器122高速喷射具有压力的流体，在喷射的流体周围形成真空，并且在真空状态下吸入周围的流体，其可被称为液压泵。

喷射器122包括喷嘴125，其高速喷射工作流体(氢)，吸入二次气体(阳极废气)；并且包括将氢和废气混合的文氏管210，以及扩散器212，其减小流体的移动速度，并增大流体的压力。

图2是根据本发明的示例性实施例，配置在燃料电池系统中的供氢歧管的示意性截面图。

参照图2，喷射器122包括中压歧管115、喷嘴125和低压歧管120，并且文氏管210与扩散器212从低压歧管120沿水平方向一体地延伸。

供应通道215在中压歧管115内部形成，用以供应氢；喷嘴安装部200从中压歧管115的底面的中心部分，在下侧一体地延伸。

喷嘴125安装在喷嘴安装部200的下端部的侧面上，并且喷嘴125能够朝向文氏管210和扩散器212喷射氢气。

控制阀110安装在中压歧管115的上部，并且控制阀110包括柱塞100和沿着边缘周围布置的阀线圈105。

柱塞100可通过被供应至阀线圈105的动力而上下移动，并且柱塞100的前端部可选择性地关闭供应通道215。

低压歧管120安装在中压歧管115的下部，并且在低压歧管120中形成有腔室205，以容纳喷嘴安装部200和喷嘴125。腔室205连接至文氏管210和扩散器212的通道。

在本发明的示例性实施例中，通过中压歧管115的供应通道215供应氢气，如果控制阀110打开，则由腔室205的喷嘴125朝向文氏管210和扩散器212喷射氢气，以便在腔室205中形成真空压力，从而使电池堆170的废气从腔室的下侧被吸入，并且将来自扩散器212的氢气供应至电池堆170的燃料电极。

图3是根据本发明的示例性实施例，配置在燃料电池系统中的供氢歧管的示意性立体图。

参照图3，截止阀155、控制阀110和净化阀165布置在中压歧管115的上部，喷嘴安装部200从中压歧管115的底部中心位置一体地延伸。

调节器连接部310在中压歧管115的一侧面一体地形成，以接收来自氢罐150和高压调节器160的氢气，净化部320从中压歧管115的另一侧面一体地延伸，其中在净化部320中，通过净化阀165来净化气体。

在本发明的示例性实施例中，低压歧管120安装在中压歧管115的下部，截止阀155、控制阀110和净化阀165布置在中压歧管115的上部，使得维护变得容易，并且整体结构可配置得更加紧凑。

图4是根据本发明的示例性实施例的供氢歧管的示意性截面图。

参照图4，喷嘴安装部200和喷嘴125布置在腔室205中，并且腔室205连接于净化通道400。净化通道400在上侧延伸。而且，净化阀165布置在净化通道400的上部，并且净化阀165可选择性地关闭净化通道400。

净化通道400的入口形成在喷嘴125的前端附近，并且形成在扩散器212的上游侧，以便能够防止水分流入净化阀165，从而能够防止净化阀165冻结。

在本发明的示例性实施例中，截止阀155可根据设计说明书而单独地布置，并且净化阀165和控制阀110可布置在侧面。

此外，参照图4，在喷嘴安装部200和喷嘴125之间形成有隔热层410。中压歧管115的喷嘴125和喷嘴安装部200通过隔热层410而隔热，以防止喷嘴125冻结。

图5是示出根据本发明的示例性实施例的供氢歧管的温度的曲线图。

参照图5，水平轴代表时间，垂直轴代表温度。具体地，温度表示中压歧管115和喷嘴125的温度。

当供氢歧管曝露于零下30摄氏度的温度下时，中压歧管115的温度快速下降，而喷嘴125的温度相对缓慢地下降。

也就是说，中压歧管115曝露在相对外侧，然而，形成在中压歧管115中的喷嘴安装部200的喷嘴125布置在腔体205内，并且喷嘴与喷嘴安装部之间的装配部是由具有较低热传导率的材料(例如，聚合物材料)制成，因此即使外部温度较低，温度下降的速度也较慢。

而且，中压歧管115的内表面首先凝结，而喷嘴125不会凝结，因此喷嘴不受妨碍，从而使喷嘴能够在低温下安全地喷射氢。

尽管已结合目前被认为是实际的示例性实施例对本发明进行了说明，然而应当理解，本发明并不局限于所公开的实施例，相反地，本发明意图覆盖包含在所附权利要求的构思和范围内的各种变型和等效布置。

Claims (11)

1.一种具有供氢歧管的燃料电池系统，包括：

电池堆，其利用供应的空气和燃料气体来产生电力；

再循环管线，其使燃料气体再循环到所述电池堆的入口，其中燃料气体由所述电池堆部分地使用以被排出；以及

喷射器单元，其布置在所述再循环管线上，供应新鲜的燃料气体，并使电池堆排出的燃料气体再循环，

其中所述喷射器单元包括：

中压歧管，其一侧形成有喷嘴安装部，并形成有供应通道以将燃料气体传送到所述喷嘴安装部；

控制阀，其布置在所述中压歧管上，以控制被供应到所述电池堆的燃料；

喷嘴，其与所述喷嘴安装部相接合，以喷射通过所述供应通道供应的燃料气体；以及

低压歧管，其与所述中压歧管相接合，形成有腔室以容纳所述喷嘴安装部和所述喷嘴，沿着从所述喷嘴喷射燃料气体的方向形成有文氏管和扩散器，并且吸入所述电池堆的废气，将所述废气与从所述喷嘴喷射的燃料进行混合，并通过所述文氏管和所述扩散器将所述混合气体排出，

其中所述喷嘴安装部从所述中压歧管的底面的中心部分，在下侧一体地延伸。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述喷嘴安装部在所述中压歧管的下侧一体地延伸，并且所述控制阀布置在所述中压歧管的上部。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述喷嘴布置在所述喷嘴安装部的下部的侧面。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述控制阀包括：

沿外周布置的阀线圈；以及

布置在所述阀线圈中的柱塞，其中利用被传送到所述阀线圈的动力使所述柱塞移动，并且所述柱塞的前端部控制所述供应通道的开放速度和所述燃料气体的流量。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中截止阀布置在所述控制阀的上游侧，以关闭所述供应通道。

6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述供应通道一体地形成在所述中压歧管中。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中连接于所述腔室的净化通道一体地形成在所述中压歧管中或者从所述中压歧管一体地延伸，并且净化阀布置在所述中压歧管上，以关闭所述净化通道。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述净化通道连接于所述腔室，并沿上方形成，并且净化部从所述中压歧管的侧面一体地形成或者一体地延伸，以排出由所述净化阀净化的净化气体。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中调节器连接部一体地形成在所述中压歧管上，以接收来自高压调节器的燃料气体。

10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述中压歧管和所述喷嘴安装部由金属材料制成，而所述喷嘴由聚合物材料制成。

11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中在所述喷嘴安装部与所述喷嘴之间设置隔热层，以减少热传递。