CN111261898B - 燃料电池车辆的消音器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池车辆的消音器。燃料电池车辆的消音器包括：壳体，该壳体具有：入口，被配置成接收通过其流入到壳体中的空气和氢气，出口，以及冷凝水排出孔，其被配置成通过其将冷凝水排出到外部；分配板，设置在壳体中，并具有分配流入壳体中的空气和氢气的分配孔；旋转板，设置在壳体中，比分配板更靠近出口；电动机，连接到旋转板，以使旋转板旋转；以及防冻单元，从旋转板的一端延伸到冷凝水排出孔。

Description

燃料电池车辆的消音器

技术领域

本发明涉及一种燃料电池车辆的消音器。

背景技术

本部分中的说明仅用于提供与本发明有关的背景技术信息，并且可能不构成现有技术。

在应用燃料电池的车辆中，因燃料电池堆中发生化学反应而产生冷凝水。因此，与燃料电池堆出口连接的加湿器、与加湿器连接的排气管、以及安装在排气管中的消音器应用到燃料电池车辆中。燃料电池堆产生的冷凝水可以通过消音器中的排水孔排出。

在常规燃料电池车辆的排出结构中，当车辆保持在超低温，即-10℃或更低的室外温度的怠速状态下，冷凝水会冻结，因而车辆会停止。特别地，如果冷凝水冻结在配置成排出冷凝水的排水孔的周围，则难以去除冻结的冷凝水。

发明内容

本发明提供一种燃料电池车辆的消音器，其可以包括防冻单元，以机械地粉碎由冻结的冷凝水生成的冻结物质。

在另一方面，本发明提供一种燃料电池车辆的消音器，其提供被配置成使空气和氢气在其中混合的单独空间。

在一个方面，本发明提供一种燃料电池车辆的消音器，包括：壳体，具有：入口，被配置成接收通过该入口流入到壳体中的空气和氢气，出口，以及冷凝水排出孔，其被配置成通过该冷凝水排出孔将冷凝水排出到外部；分配板，设置在壳体中，并具有分配流入壳体中的空气和氢气的分配孔；旋转板，设置在壳体中，比分配板更靠近出口；电动机，连接到旋转板，以使旋转板旋转；以及防冻单元，从旋转板的一端延伸到冷凝水排出孔。

在一个实施方式中，旋转板可以通过电动机围绕旋转板的中心轴线在两个方向上旋转；并且防冻单元通过旋转板的旋转，粉碎在冷凝水排出孔处形成的冻结物质。

在另一个实施方式中，电动机可以通过电动机轴连接到旋转板；并且电动机可以设置在壳体的外表面或外侧。

在又一个实施方式中，电动机可以基于选自由车外温度、冷凝水的产生程度、吹扫(purge)周期以及排出的氢气的浓度所构成的组中的至少一个因子，通过改变旋转板的旋转角度和旋转周期，使旋转板旋转。

在又一个实施方式中，冷凝水排出孔可以沿旋转板的周向开放，从而提供防冻单元可移动的空间。

在又一个实施方式中，防冻单元的一部分可以通过冷凝水排出孔暴露于壳体的外部，并且防冻单元可以包括在旋转板的中心轴线的垂直方向上延伸的凹凸结构。

在又一个实施方式中，固定于旋转板的气压控制单元可以设置在分配板与旋转板之间，并且气压控制单元的数量可以对应于分配孔的数量。

在又一个实施方式中，气压控制单元可以从旋转板延伸到分配板，并且气压控制单元中可以形成有空腔，以将通过分配孔引入的空气和氢气排出到出口。

在又一个实施方式中，通过旋转板的旋转，气压控制单元的延伸方向可以与分配孔的形成方向不一致，并且如果气压控制单元的延伸方向与分配孔的形成方向不一致，则空气和氢气可以在分配板与旋转板之间的空间中混合。

在又一个实施方式中，通过旋转板的旋转，气压控制单元的延伸方向可以与分配孔的形成方向一致，并且如果气压控制单元的延伸方向与分配孔的形成方向一致，则通过分配孔引入的空气和氢气直接穿过气压控制单元，并排出到出口。

在又一个实施方式中，设有多个微孔的蚀刻网可以设置在旋转板与出口之间，蚀刻网可以抑制或防止冷凝水通过出口排出到外部。

在又一个实施方式中，壳体可以具有筒状，分配板和旋转板可以具有盘状，并且壳体的中心轴线可以与分配板和旋转板的中心轴线重合。

下面将讨论本发明的其它方面和实施方式。

通过下面的详细描述，进一步的应用领域将会更加显而易见，应该理解，这些描述和具体实施例仅出于说明的目的，并非意图用于限制本发明的范围。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面参考附图描述以实施例的方式给出的本发明的某些实施方式，并且其中：

图1是示出根据本发明一个方面的燃料电池系统的框图；

图2是示出根据本发明一个方面的消音器的视图；

图3是示出根据本发明一个方面的消音器的另一视图；

图4是示出根据本发明一个方面的防冻单元的视图；

图5是示出根据本发明一个方面的基于旋转板的旋转的氢气和氧气的流路。

应当理解的是，附图不必按比例绘制，而是呈现出说明本发明基本原理的各种优选特征的简化表示。本文中所公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，这些特征将部分地由预期的特定应用和使用环境来确定。

在附图中，在全部的几张图中，附图标记指代本发明的相同或等同部件。

在此描述的视图仅仅出于说明的目的，并非意图以任何方式来限制本发明的范围。

具体实施方式

下面的描述本质上仅为示例性的，并非意图限制本发明及其应用或使用。应该理解，在全部附图中，相应的附图标记终指代相同或相应的部件或特征。

下面详细参考本发明的各种实施方式，本发明的实施例在附图中被图解并且在下面被描述。尽管本发明将结合示范性实施例被描述，然而可以理解的是，本描述并不意在将本发明限制到那些示范性实施例上。相反地，本发明意在不仅仅覆盖示范性实施例，而且覆盖各种可选形式、变型、等价形式和其它实施例，其可被包含在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围中。在下面的描述中，即使在不同的视图中示出，相同或类似的元件也由相同的附图标记来表示。

在下面的描述中，应该理解，诸如“部件”、“单元”、“模块”等术语，是指用来处理至少一种功能或操作的单元，并且它们可被实施为硬件、软件或硬件和软件的组合。

此外，在下面的描述中，应该理解，诸如第一、第二等词语，仅用于区别一个元件与其它元件，而不是用来限制它们的顺序。

以下的描述示出本发明。此外，给出下面的描述来描述本发明的各个方面，本发明可使用在各种组合、变化和环境中。也就是说，在由说明书及其等同物和/或现有技术中的技术等公开的本发明的精神和范围内，还可以存在各种修改、变型或等同布置等。下面的描述仅用于更好地理解本发明的技术精神，并且可以进行各种变化以满足本发明的具体应用领域和目的。因此，应该理解，在此的描述并非意图用来限制本发明。

图1是示出根据本发明一个方面的燃料电池系统的框图。

参考图1，燃料电池系统1可以包括氢气供应单元20、燃料电池堆30、空气供应单元40、加湿器50、气压控制阀60和消音器100。

氢气供应单元20可以将来自氢气罐的高压氢气供应到燃料电池堆30。高压氢气通过调节器减压，并且在根据燃料电池堆30的操作条件，通过压力控制来控制经减压的氢气的供应量的条件下，将减压后的氢气供应到燃料电池堆30。在燃料电池堆30的化学反应之后，剩余的氢气可以通过燃料电池堆30的氢气电极(阳极)的出口排出，或者通过氢气再循环装置(未示出)再循环到燃料电池堆30的氢气电极的入口。

燃料电池堆30可以从用作燃料的氢气与含有氧气的空气之间的电化学反应中产生电能。燃料电池堆30可以具有多个单元电池和多个分隔板交替堆叠的结构。每个单元电池可以包括空气电极、电解质层和氢气电极。例如，供应到氢气电极的氢气可以分离成氢离子和电子，而电子可以通过外部电路移动到空气电极，在空气电极处，氧气可以与电子结合，因而产生氧离子。氧离子可以通过电解质层移动到氢气电极，并与氢气电极处的氢离子结合，从而产生反应物，即水。也就是说，一个单元电池通过化学结合产生电能，氢气电极和空气电极变成单元电池的阳极和阴极。根据电解质层的类型，将燃料电池堆分为聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。

燃料电池堆30可以包括吹扫阀35，以排出燃料电池堆30的氢气电极中的氢气。吹扫阀35可以在每个预定吹扫周期中打开或关闭。然而，也可以通过根据单独的测量因子计算的吹扫周期来控制吹扫阀35。例如，当燃料电池堆30的发电量增加时，可以缩短吹扫周期。

此外，可以在燃料电池堆30的氢气电极的出口处设置传感器(未示出)，并且该传感器(未示出)可以测量施加到被引入燃料电池堆30中的氢气以及从反应后的燃料电池堆排出的氢气的压力及其浓度。

空气供应单元40可以将空气供应到加湿器50，加湿器50可以将空气供应到燃料电池堆30的空气电极。加湿器50可以利用从燃料电池堆30的空气电极排出的高温高湿空气中的湿气，对通过空气供应单元40的空气压缩机供应的干燥空气进行加湿，并将加湿后的空气供应到燃料电池堆30的空气电极。

气压控制阀60可以设置在加湿器50的后方。通过燃料电池堆30的空气电极的出口排出的湿润气体可以在湿润空气穿过加湿器50的同时，与由空气供应单元40供应的干燥空气交换湿气，然后通过气压控制阀60排出到大气中。

消音器100可以设置在气压控制阀60的后方。消音器100可以安装在车辆的排气侧，从燃料电池堆30排出的氢气和空气可以被引导到消音器100中。下面将描述消音器100的详细结构。

图2是示出根据本发明的消音器的视图，而图3是示出根据本发明一个方面的消音器的另一个视图。

参考图1至图3，消音器100可以包括壳体110、分配板120、旋转板130、电动机140和防冻单元150。

壳体110可以具有空气和氢气所流入的入口111以及出口113，并且包括冷凝水排出孔115，以排出燃料电池堆30中的化学反应产生的冷凝水。壳体110可以具有筒状。冷凝水排出孔115可以形成在分配板120和出口113之间。冷凝水排出孔115可以贯穿壳体110的侧面形成，并且沿围绕壳体110的中心轴线的周向延伸。壳体110的中心轴线是指穿过圆筒形壳体110的截面中心的轴线。

分配板120可以设置在壳体110中，并且分配流入壳体110中的空气和氢气。分配板120可以具有盘状。分配板120的中心轴线可以与壳体110的中心轴线重合。流入壳体110的空气和氢气的压力根据与分配板120的接触而首先减小，然后空气和氢气可以穿过分配板120上限定的分配孔125。分配孔125可以分配空气和氢气，并且在分配板120上可以设置多个分配孔。

旋转板130可以设置在壳体110中，并且可以在壳体110中旋转。旋转板130可以被设置为比分配板120更靠近壳体110的出口113。旋转板130可以具有盘状。旋转板130可以通过电动机轴145连接到安装于壳体110的外表面或外侧处的电动机140，并且可以在电动机140的驱动下沿两个方向旋转。旋转板130可以围绕其中心轴线沿两个方向旋转。旋转板130的中心轴线可以与壳体110的中心轴线重合。电动机轴145可以沿与旋转板130的中心轴线重合的方向延伸。

旋转板130可以包括气压控制单元135，该气压控制单元用作空气和氢气朝向出口113流经的通道。气压控制单元135可以被设置成固定于旋转板130。气压控制单元135可以从旋转板130延伸到分配板120。例如，气压控制单元135可以具有筒状，但并不限制于此。气压控制单元135的数量可以对应于分配孔125的数量。气压控制单元135中可以具有空腔。根据旋转板130的旋转，气压控制单元135的开口区域可以与分配孔125的形成方向一致。换言之，气压控制单元135的延伸方向和分配孔125的开口方向可以彼此一致。气压控制单元135的一端可以接触旋转板130，气压控制单元135的另一端可以与分配板120间隔开。也就是说，由于气压控制单元135与分配板120彼此间隔开指定距离，因此通过分配孔125引入的空气和氢气可以通过气压控制单元135排出到出口113，并且流入由分配板120和旋转板130限定的内部空间160中。被引入内部空间160中的空气和氢气混合。

例如，如果根据旋转板130的旋转，气压控制单元135的延伸方向与分配孔125的形成方向彼此一致，则通过分配孔125引入的空气和氢气可以直接穿过气压控制单元135，并被排出到出口113。

电动机140可以通过电动机轴145连接到旋转板130，从而使旋转板130旋转。尽管在本实施方式中，电动机140安装在壳体110的外侧，但是电动机140也可以安装在壳体110的内侧。电动机140可以使旋转板130以预定周期旋转，或者以根据测量因子的测量值设置的周期使旋转板130旋转。电动机140可以与控制器200联锁。控制器200可以基于诸如怠速时间、室外温度、冷凝水的产生程度、吹扫周期以及排出的氢气的浓度中的至少一个测量因子，来计算旋转板130的旋转角度和旋转周期。电动机140可以根据控制器200计算的旋转角度和旋转周期来使旋转板130旋转。在此，室外温度可以通过附接到车辆的单独的室外温度传感器(未示出)来测量。冷凝水的产生程度可以基于由燃料电池堆30产生的蒸汽量、燃料电池堆30的入口和出口的温度、以及燃料电池堆30的入口和出口的压力来计算。吹扫周期可以根据燃料电池堆30的发电量来计算，当燃料电池堆30的发电量增加时，可以缩短吹扫周期。排出的氢气的浓度可以由安装在燃料电池堆30的氢气电极处的传感器(未示出)来测量。

防冻单元150可以固定安装在旋转板130的一端，并粉碎在冷凝水排出孔115处形成的冻结物质。防冻单元150可以具有板状结构，以机械地粉碎冻结物质。冻结物质通过由燃料电池堆30产生的冷凝水冻结而形成。冻结物质可以通过车辆在-10℃或以下的室外温度下处于怠速状态达很长时间时，冷凝水经冻结而形成。防冻单元150可以从旋转板130的一端延伸到冷凝水排出孔115，并通过冷凝水排出孔115暴露于壳体110的外侧。冷凝水排出孔115可以基于旋转板130的中心轴线，沿周向开放，因而提供防冻单元150可移动的空间。因此，旋转板130可以旋转，以使防冻单元150可在由冷凝水排出孔115限定的空间中移动，电动机140可以通过用于防冻单元150的充足电动机扭矩，使旋转板130旋转，以粉碎冻结物质。

在壳体110中可以设置蚀刻网170。蚀刻网170可以设置在旋转板130与出口113之间。蚀刻网170可以用于抑制或防止冷凝水通过出口113排出。蚀刻网170可以设有多个微孔(未示出)，多个微孔被限定为使空气和氢气通过，而不使冷凝水通过。蚀刻网170可以具有椭圆形板状，蚀刻网170的中心轴线可以与壳体110的中心轴线不重合。也就是说，蚀刻网170可以在壳体110中倾斜地设置。然而，蚀刻网170的形状和位置不限于此，蚀刻网170可以具有阻挡旋转板130与出口113之间的空间的形状，以抑制或防止冷凝水通过出口113排出。此外，蚀刻网170可以以与分配板120和旋转板130相同的方式具有盘状。

根据本发明的一个实施方式，用于燃料电池车辆的消音器100可以包括防冻单元150，其被配置成机械地去除在冷凝水排出孔115周围形成的冻结物质。电动机140可以根据由控制器200导出的旋转角度和旋转周期，使旋转板130旋转，从而周期性地粉碎冻结物质。

此外，根据本发明的一个实施方式，在旋转板130的旋转作用下，氢气和空气可以流入分配板120与旋转板130之间的内部空间160中，并且在内部空间160中混合以产生水。电动机140可以使旋转板130周期性地旋转，因而控制引入内部空间160中的氢气和空气的量。因此，用于燃料电池车辆的消音器100可以通过周期性地旋转旋转板130来减小混合气体中氢气的浓度。

图4示出本发明一个方面的防冻单元的视图。

参考图2至图4，防冻单元150的一部分可以通过冷凝水排出孔115暴露于壳体110的外侧。冷凝水排出孔115可以沿旋转板130的周向开放，因而提供防冻单元150可移动的空间。在图4中，旋转板130的旋转轴线可以是y轴方向，旋转板130的周向可以是x轴方向。防冻单元150可以沿旋转板130的旋转轴线的垂直方向延伸，并且包括凹凸的结构。例如，防冻单元150可以包括被布置成多行的凹凸结构。

图5示出根据本发明一个方面的基于旋转板的旋转的氢气和氧气的流动路径。

参考图1和图5，根据旋转板130的旋转，气压控制单元135的延伸方向与分配孔125的开放方向可以彼此不一致。也就是说，气压控制单元135中的通道与分配孔125可以不一致。在此情况下，通过分配孔125引入的空气和氢气不流入气压控制单元135，并且可以仅仅引入到内部空间160中。内部空间160中的一部分空气和氢气可以反应以产生水，不参与反应的空气和氢气通过气压控制单元135排出。因此，混合气体(空气和氢气)中的氢气的浓度可以根据旋转板130的旋转而周期性地减小。

根据本发明的一个方面，控制器200可以基于选自由怠速时间、室外温度、冷凝水的产生程度、吹扫周期以及排出的氢气的浓度构成的组中的至少一个的测量值，来计算旋转板130的旋转角度和旋转周期，电动机140可以根据由控制器200计算的旋转角度和旋转周期，使旋转板130旋转。因此，考虑到燃料电池堆30中的发电量的变化、室外温度等，通过旋转板130的旋转，用于燃料电池车辆的消音器100可以减小混合气体中的氢气的浓度，并机械地粉碎在冷凝水排出孔115周围形成的冻结物质。

从上述描述可知，根据本发明一个方面的燃料电池车辆的消音器，可以机械地去除在冷凝水排出孔周围形成的冻结物质。在此，电动机可以根据由控制器导出的旋转角度和旋转周期，使旋转板130旋转，以周期性地粉碎冻结物质。

此外，根据本发明一个方面的燃料电池车辆的消音器，可以通过旋转板的旋转，使氢气和空气被引入分配板与旋转板之间的内部空间中，并减小由内部空间中的化学反应产生的混合气体中的氢气的浓度。

尽管已经参考具体实施方式对本发明进行了描述，然而对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，还可以对这些实施方式进行改变。

Claims (12)

1.一种燃料电池车辆的消音器，包括：

壳体，具有：

入口，被配置成接收通过所述入口流入所述壳体中的空气和氢气，

出口，和

冷凝水排出孔，被配置成通过所述冷凝水排出孔将冷凝水排出到外部；

分配板，设置在所述壳体中，并且具有被配置成分配流入所述壳体中的空气和氢气的分配孔；

旋转板，设置在所述壳体中，比所述分配板更靠近所述出口；

电动机，连接到所述旋转板，并且被配置成使所述旋转板旋转；以及

防冻单元，从所述旋转板的一端延伸到所述冷凝水排出孔。

2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的消音器，其中：

所述旋转板被配置成通过所述电动机围绕所述旋转板的中心轴线在两个方向上旋转；并且

所述防冻单元被配置成通过所述旋转板的旋转，粉碎在所述冷凝水排出孔处形成的冻结物质。

3.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的消音器，其中：

所述电动机通过电动机轴连接到所述旋转板；并且

所述电动机设置在所述壳体的外表面上。

4.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的消音器，其中，所述电动机被配置成通过基于选自车外温度、冷凝水的产生程度、吹扫周期和排出的氢气的浓度中的至少一个因子，改变所述旋转板的旋转角度和旋转周期，来使所述旋转板旋转。

5.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的消音器，其中，所述冷凝水排出孔沿所述旋转板的周向开放，从而提供所述防冻单元能够移动的空间。

6.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的消音器，其中：

所述防冻单元的一部分通过所述冷凝水排出孔暴露于所述壳体的外部；并且

所述防冻单元包括沿所述旋转板的中心轴线的垂直方向延伸的凹凸结构。

7.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的消音器，其中：

在所述分配板与所述旋转板之间设置固定于所述旋转板的气压控制单元；并且

所述气压控制单元的数量对应于所述分配孔的数量。

8.根据权利要求7所述的燃料电池车辆的消音器，其中：

所述气压控制单元从所述旋转板延伸到所述分配板；并且

所述气压控制单元中形成有空腔，所述空腔被配置成将通过所述分配孔引入的空气和氢气排出到所述出口。

9.根据权利要求8所述的燃料电池车辆的消音器，其中：

通过所述旋转板的旋转，所述气压控制单元的延伸方向与所述分配孔的形成方向不一致；并且

如果所述气压控制单元的延伸方向与所述分配孔的形成方向不一致，则空气和氢气在所述分配板与所述旋转板之间的空间中混合。

10.根据权利要求8所述的燃料电池车辆的消音器，其中：

通过所述旋转板的旋转，所述气压控制单元的延伸方向与所述分配孔的形成方向一致；并且

如果所述气压控制单元的延伸方向与所述分配孔的形成方向一致，则通过所述分配孔引入的空气和氢气直接穿过所述气压控制单元，并排出到所述出口。

11.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的消音器，其中，在所述旋转板与所述出口之间设置设有多个微孔的蚀刻网，

其中，所述蚀刻网抑制冷凝水通过所述出口排出到外部。

12.根据权利要求1所述的燃料电池车辆的消音器，其中：

所述壳体具有筒状，所述分配板和所述旋转板具有盘状；并且

所述壳体的中心轴线与所述分配板和所述旋转板的中心轴线重合。