CN112534612A - 用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置，包括：燃料电池堆单元；用于向所述燃料电池堆单元供应空气并排放已通过所述燃料电池堆单元的空气的空气供应单元；以及设置在所述空气供应单元中的冷凝物转化单元，其加热通过所述空气供应单元的冷凝物，从而将其转化成蒸气。因此，本发明可以防止冬天冷凝物的排放所引起的黑冰的形成。

Description

用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置
技术领域
本发明涉及用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置，更具体地，涉及用于燃料电池车辆的防止由于空气与燃料电池反应而产生的冷凝物到达地面并被冻结的冷凝物排放装置。
背景技术
通常，燃料电池车辆(其为环保车辆)是下一代车辆，其中燃料电池用作能源，并且驱动马达由燃料电池产生的电力驱动，使得燃料电池车辆行驶。
为了产生燃料电池车辆行驶所需的电力，在燃料电池堆中产生冷凝物，并且为了稳定地操作燃料电池，应该将燃料电池堆中产生的冷凝物排放到外部。
即，在根据传统技术的燃料电池车辆的冷凝物排放结构中，由燃料电池堆的阴极产生的一些冷凝物通过电解质膜移动到阳极，排放到所述堆的外部，并且首先被收集在水阱中，并且当收集的冷凝物具有预定量时，排放阀被打开以将冷凝物排放到外部。
同时，大部分冷凝物从阴极排放到所述堆的外部并供应至加湿器。在加湿器中，废气中包含的一些冷凝物被用于加湿从外部供应的空气，并且剩余的冷凝物被排放到所述堆的外部。
通常，由于冷凝物通过排气管从燃料电池车辆排出，因此存在冷凝物在冬天冻结在地面上从而引起车辆事故的问题。因此，需要解决该问题。
本发明的相关技术公开于韩国专利公开第10-1776334号(经登记，2017年9月01日，发明名称：用于燃料电池车辆中的燃料电池堆的冷凝水排放结构(CONDENSATE WATERDRAIN STRUCTURE FOR FUEL CELL STACK IN FUEL CELL VEHICLE))中。
技术问题
本发明旨在提供用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置，其能够防止由于空气与燃料电池反应而产生的冷凝物到达地面并被冻结。
技术方案
本发明的一个方面提供了用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置，所述冷凝物排放装置包括：燃料电池堆单元；空气供应单元，其被配置成向所述燃料电池堆单元供应空气并排放通过所述燃料电池堆单元的空气；以及冷凝物转化单元，其形成于所述空气供应单元中并被配置成将通过所述空气供应单元的冷凝物加热并转化成水蒸气。
所述空气供应单元可以包括：供应管单元，其通过所述燃料电池堆单元；供应入口单元，其形成于所述供应管单元的一个端部中并且外部空气通过其被引入；以及供应出口单元，其形成于所述供应管单元的另一端部中并且被配置成将通过所述燃料电池堆单元的空气和水蒸气排放到外部，其中所述冷凝物转化单元可以设置在形成于所述燃料电池堆单元与所述供应出口单元之间的供应管单元中。根据本发明的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置还可以包括冷却单元，所述冷却单元被配置成引导冷却水通过所述燃料电池堆单元并在所述燃料电池堆单元中循环，其中所述冷凝物转化单元可被连接至所述冷却单元并加热所述空气供应单元。
所述冷凝物转化单元可以是热泵。
根据本发明的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置还可以包括热交换单元，所述热交换单元连接所述冷却单元和所述空气供应单元，并被配置成在所述冷却单元与所述空气供应单元之间进行热交换。
所述冷却单元可以包括：冷却管单元，其被配置成引导所述冷却水通过所述燃料电池堆单元并在所述燃料电池堆单元中循环；离子过滤器单元，其形成于所述冷却管单元中并且被配置成除去所述冷却水中的金属离子；旁通管单元，其两个端部连接至所述冷却管单元并且绕过所述离子过滤器单元；以及调节单元，其被配置成检测所述离子过滤器单元的离子电导率以控制通过所述旁通管单元的所述冷却水的量。
所述调节单元可以包括：调节检测单元，其安装在所述离子过滤器单元和所述冷却管单元中的至少之一上并且被配置成检测所述冷却水的离子电导率；调节控制单元，其被配置成接收所述调节检测单元的检测信号；以及调节阀单元，其被配置成根据所述调节控制单元的控制打开或关闭所述旁通管单元。
所述调节单元还可以包括调节电池组单元，所述调节电池组单元被配置成向所述调节控制单元供电。
所述调节单元还可以包括调节传输单元，其被配置成将从所述调节控制单元接收的所述调节检测单元的检测信号传输至外部装置。
所述冷却单元还可以包括：调节热交换单元，其设置在被配置成引导所述冷却水通过所述燃料电池堆单元并移动至所述离子过滤器单元的所述冷却管单元中并且冷却所述冷却水；以及泵单元，其设置在被配置成引导所述冷却水通过所述离子过滤器单元并移动至所述燃料电池堆单元的冷却管单元中并且强制传送所述冷却水。
有益效果
在根据本发明的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置中，由于冷凝物转化单元将冷凝物转化为水蒸气，因此可以防止由冷凝物排放引起的道路冻结。
在根据本发明的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置中，由于冷凝物转化单元使用被配置成冷却作为热源的燃料电池堆单元的冷却单元，因此可以降低冷凝物转化单元的能量消耗。
在根据本发明的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置中，由于热交换单元传送冷却单元的废热以预热移动至冷凝物转化单元的冷凝物，因此可以降低冷凝物转化单元的能量消耗。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施方案的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置的示意图。
图2是示出连接至图1中的冷却单元的冷凝物转化单元的示意图。
图3是示出连接图2中的空气供应单元和冷却单元的热交换单元的示意图。
本发明的实施方式
在下文中，将参考附图描述根据本发明的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置的实施方案。为了在说明书中方便和清楚起见，附图中所示的线的厚度或部件的尺寸可以被放大和示出。此外，下面描述的一些术语是考虑其在本发明中的功能来定义的，并且含义可以根据用户或操作员的意图或习惯而变化。因此，术语的含义应该基于本说明书通篇中的内容来解释。
图1是示出根据本发明一个实施方案的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置的示意图。参照图1，根据本发明一个实施方案的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置1包括燃料电池堆单元10，空气供应单元20和冷凝物转化单元30。
在燃料电池堆单元10中，由于反应气体的电化学反应而产生电能。可以提供氢作为燃料电池堆单元10中的电化学反应的燃料。
空气供应单元20向燃料电池堆单元10供应包含氧气的空气，所述氧气是电化学反应所需的氧化剂。此外，空气供应单元20将通过燃料电池堆单元10的空气和冷凝物排放到外部。
冷凝物转化单元30形成在空气供应单元20中，并且其加热和转换通过空气供应单元20的冷凝物为水蒸气。作为实例，冷凝物转化单元30可以安装在空气供应单元20中，并且可以当向其施加电力时加热空气供应单元20，以将通过空气供应单元20的冷凝物转化成水蒸气。
根据本发明一个实施方案的空气供应单元20包括供应管单元21，供应入口单元22和供应出口单元23。供应管单元21通过燃料电池堆单元10，通过形成在供应管单元21的一个端部上的供应入口单元22引入外部空气，并将其通过形成在供应管单元21的另一端部上的供应出口单元23排出到外部。
作为实例，通过供应入口单元22引入的空气可以通过供应管单元21供应至燃料电池堆单元10。此外，在燃料电池堆单元10中完全反应的空气可以通过供应出口单元23排放到外部。
同时，冷凝物转化单元30设置在形成于燃料电池堆单元10与供应出口单元23之间的供应管单元21中。冷凝物转化单元30可以加热在空气通过燃料电池堆单元10时产生的冷凝物，以将冷凝物转化成水蒸气。因此，由于空气和水蒸气通过供应出口单元23排放到外部，因此可以防止由于冷凝物在冬天掉落而产生冰。
图2是示出连接至图1中的冷却单元的冷凝物转化单元的示意图。参照图2，根据本发明一个实施方案的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置1还可以包括冷却单元40。
根据本发明的一个实施方案的冷却单元40可以引导冷却水通过燃料电池堆单元10并在燃料电池堆单元10中循环，并且冷凝物转化单元30可以连接至冷却单元40并且可以加热空气供应单元20。
作为示例，冷却单元40包括冷却管单元41，离子过滤器单元42，旁通管单元43和调节单元44。冷却管单元41可以引导冷却水通过燃料电池堆单元10并在燃料电池堆单元10中循环。离子过滤器单元42可以形成于冷却管单元41中并且除去冷却水中的金属离子。旁通管单元43的两个端部可以连接至冷却管单元41，并且旁通管单元43可以绕过离子过滤器单元42。调节单元44可以检测离子过滤器单元42的离子电导率，以控制通过旁通管单元43的冷却水的量。即，旁通管单元43的通过面积可以根据离子过滤器单元42的离子电导率来调节，并且通过离子过滤器单元42的冷却水的量可以调节成与经调节的通过面积相对应。
此外，调节热交换单元45可以设置在被配置成引导冷却水通过燃料电池堆单元10并移动至离子过滤器单元42的冷却管单元41中并且可以冷却冷却水。此外，泵单元46可以设置在被配置成引导冷却水通过离子过滤器单元42并移动至燃料电池堆单元10的冷却管单元41中并且可以强制地向其传送冷却水。
同时，调节单元44可以包括调节检测单元441，调节控制单元442和调节阀单元443。调节检测单元441可以安装在离子过滤器单元42和冷却管单元41中的至少一个中，以检测冷却水的离子电导率。调节控制单元442可以接收调节检测单元441的检测信号并控制调节阀单元443，所述调节阀单元443被配置成打开或关闭旁通管单元43。
作为实例，根据冷却水的离子电导率，可以改变允许冷却水通过旁通管单元43的旁通管单元43的开口面积。此外，通过旁通管单元43的冷却水的量可以与通过离子过滤器单元42的冷却水的量成反比。
更具体地，调节检测单元441可以是安装在离子过滤器单元42上以检测离子过滤器单元42的电流的电极端子。此外，调节检测单元441可以是安装在至少一个冷却管单元41上以检测电流的电极端子。
在离子过滤器单元42的离子电导率大于预设值的情况下，调节阀单元443可以关闭旁通管单元43。此外，在离子过滤器单元42的离子电导率小于预设值的情况下，调节阀单元443可以打开旁通管单元30。即，由于通过离子过滤器单元42的冷却水的流速可以根据冷却水的离子电导率来调节，因此可以使流阻最小化，并且可以快速降低冷却水的离子电导率。
调节单元44还可以包括调节电池组单元444。调节电池组单元444可以向调节控制单元442供电。调节电池组单元444可以防止用于驱动调节控制单元442的燃料电池堆单元10的能量消耗以提高燃料经济性。
此外，调节单元44还可以包括调节传输单元445。调节传输单元445可以将从调节控制单元442接收的调节检测单元441的检测信号传输至外部装置100。
同时，可以在冷凝物转化单元30中使用热泵。冷凝物转化单元30可以连接至设置在调节热交换单元45与离子过滤器单元42之间的冷却管单元41，并且可以通过使用冷却管单元41的热量作为热源和使用附加能量来加热通过供应管单元21的冷凝物以将该冷凝物转换成水蒸气。此外，冷凝物转化单元30可以连接至设置在燃料电池堆单元10与调节热交换单元45之间的冷却管单元41，以使用高温热源，以便可以减少额外的能量使用。
图3是示出连接图2中的空气供应单元和冷却单元的热交换单元的示意图。参照图3，根据本发明一个实施方案的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置1还可以包括热交换单元50。
热交换单元50可以连接冷却单元40和空气供应单元20，并且在冷却单元40与空气供应单元20之间进行热交换。
作为实例，热交换单元50的一个端部可以连接至设置在燃料电池堆单元10与调节热交换单元45之间的冷却管单元41，并且其另一端部可以连接至设置在燃料电池堆单元10与供应出口单元23之间的供应管单元21。热交换单元50可以由热导体形成，并且可以在不提供额外的能量的情况下将冷却管单元41的热量传送至供应管单元21以加热通过供应管单元21的冷凝物。由于冷凝物在移动至冷凝物转化单元30之前被热交换单元50预热，因此可以降低冷凝物转化单元30中的能量消耗。
下面将描述根据具有上述结构的本发明的一个实施方案的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置的操作。
通过供应入口单元22引入的外部空气通过供应管单元21和燃料电池堆单元10。由于通过供应管单元21提供的空气和作为燃料提供的氢气，在燃料电池堆单元10中发生电化学反应，从而可以产生电。
同时，由通过燃料电池堆单元10的一些空气产生冷凝物，并且空气和冷凝物移动通过供应管单元21并通过供应出口单元23排放到外部。
同时，冷凝物转化单元30安装在设置于燃料电池堆单元10与供应出口单元23之间的供应管单元21中，并且加热供应管单元21。因此，冷凝物被转化成水蒸气并被排放到外部，从而可以防止由于冷凝物的掉落而引起的道路冻结。
由于冷凝物转化单元30连接至被配置成冷却燃料电池堆单元10的冷却单元40并使用冷却单元40作为热源，因此可以降低用于将冷凝物转化成水蒸气的能量消耗。此外，用于将冷凝物转化成水蒸气的冷凝物转化单元30的能量消耗可以通过被配置成将冷却管单元41的热量传送至供应管单元21的热交换单元50而进一步降低。
在根据本发明的一个实施方案的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置1中，由于冷凝物转化单元30将冷凝物转化成水蒸气，因此可以防止由于冷凝物的掉落而引起的道路冻结。
在根据本发明的一个实施方案的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置1中，由于冷凝物转化单元30使用在冷却燃料电池堆单元10之后被加热的冷却单元40作为热源，因此可以降低冷凝物转化单元30的能量消耗。
在根据本发明的一个实施方案的用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置1中，由于热交换单元50传送冷却单元40的废热以预热移动至冷凝物转化单元30的冷凝物，因此可以降低冷凝物转化单元30的能量消耗。
虽然已经参考附图中所示的实施方案描述了本发明，但是所述实施方案应当仅以描述性的意义来考虑，并且应当理解，本领域的技术人员可以做出各种变化和等同的其它实施方案。因此，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.用于燃料电池车辆的冷凝物排放装置，包括：
燃料电池堆单元；
空气供应单元，其被配置成向所述燃料电池堆单元供应空气并排放通过所述燃料电池堆单元的空气；以及
冷凝物转化单元，其形成于所述空气供应单元中并被配置成将通过所述空气供应单元的冷凝物加热并转化成水蒸气。
2.如权利要求1所述的冷凝物排放装置，其中所述空气供应单元包括：
供应管单元，其通过所述燃料电池堆单元；
供应入口单元，其形成于所述供应管单元的一个端部中并且外部空气通过其被引入；以及
供应出口单元，其形成于所述供应管单元的另一端部中并且被配置成将通过所述燃料电池堆单元的空气和水蒸气排放到外部，
其中所述冷凝物转化单元设置在形成于所述燃料电池堆单元与所述供应出口单元之间的所述供应管单元中。
3.如权利要求1所述的冷凝物排放装置，其还包括冷却单元，所述冷却单元被配置成引导冷却水通过所述燃料电池堆单元并在所述燃料电池堆单元中循环，
其中所述冷凝物转化单元连接至所述冷却单元并加热所述空气供应单元。
4.如权利要求3所述的冷凝物排放装置，其中所述冷凝物转化单元包括热泵。
5.如权利要求3所述的冷凝物排放装置，其还包括热交换单元，所述热交换单元连接所述冷却单元和所述空气供应单元，并且被配置成在所述冷却单元与所述空气供应单元之间进行热交换。
6.如权利要求3所述的冷凝物排放装置，其中所述冷却单元包括：
冷却管单元，其被配置成引导所述冷却水通过所述燃料电池堆单元并在所述燃料电池堆单元中循环；
离子过滤器单元，其形成于所述冷却管单元中并且被配置成除去所述冷却水中的金属离子；
旁通管单元，其两个端部连接至所述冷却管单元并且绕过所述离子过滤器单元；以及
调节单元，其被配置成检测所述离子过滤器单元的离子电导率以控制通过所述旁通管单元的所述冷却水的量。
7.如权利要求6所述的冷凝物排放装置，其中所述调节单元包括：
调节检测单元，其安装在所述离子过滤器单元和所述冷却管单元中的至少之一上并且被配置成检测所述冷却水的离子电导率；
调节控制单元，其被配置成接收所述调节检测单元的检测信号；以及
调节阀单元，其被配置成根据所述调节控制单元的控制打开或关闭所述旁通管单元。
8.如权利要求7所述的冷凝物排放装置，其中所述调节单元还包括调节电池组单元，所述调节电池组单元被配置成向所述调节控制单元供电。
9.如权利要求7所述的冷凝物排放装置，其中所述调节单元还包括调节传输单元，其被配置成将从所述调节控制单元接收的所述调节检测单元的检测信号传输至外部装置。
10.如权利要求6所述的冷凝物排放装置，其中所述冷却单元还包括：
调节热交换单元，其设置在被配置成引导所述冷却水通过所述燃料电池堆单元并移动至所述离子过滤器单元的所述冷却管单元中并且冷却所述冷却水；以及
泵单元，其设置在被配置成引导所述冷却水通过所述离子过滤器单元并移动至所述燃料电池堆单元的所述冷却管单元中并且强制传送所述冷却水。
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