專利名稱：用于燃料電池系統(tǒng)的氫排放系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的氫排放系統(tǒng)。更具體地，本 發(fā)明涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的氫排放系統(tǒng)，其可以通過對在排放 期間對從燃料電池排放的氫的稀釋進行最優(yōu)化而確保燃料電池車輛的 安全性，并且通過減少排放期間生成的噪聲而確保車輛的安靜。
背景技術：
燃料電池系統(tǒng)通?？梢园ㄓ糜诎l(fā)電的燃料電池組、用于將燃料 (氫)提供給燃料電池組的燃料供給系統(tǒng)、用于將空氣中的氧作為電 化學反應所需的氧化劑提供給燃料電池組的空氣供給系統(tǒng)、和用于控 制燃料電池組的工作溫度的熱管理系統(tǒng)。
在具有上述構造的示例性燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池組的氫出口 優(yōu)選地連接有氫再循環(huán)鼓風機(blower),以將燃料電池組的燃料電極 (陽極)處的反應之后剩余的氫再循環(huán)至燃料電極加以重復使用。
積聚在燃料電極中的氮或水通過定期清除從燃料電池組中排出。
因此，在應用于燃料電池車輛的燃料電池組的工作中，氮或水積 聚在燃料電極(氫電極)中，并使燃料電池組的性能劣化，因此，有 必要通過氫電極的定期清除(purge)來確保燃料電池組的穩(wěn)定的性能。
當氮或水通過定期清除從燃料電池組中排出時， 一些殘留的氫與 氮或水一起排出，如果所排放的氫濃度高，則可能有爆炸的危險。
因此，為了避免爆炸，所排放的氫的濃度應該降低或稀釋至爆炸 范圍之內。為這一目的，常規(guī)地，氫清除管線中設置有稀釋器，以稀釋空氣 中氫的密度。
然而，在例如使用稀釋器的情形中，氫和空氣僅僅被相互混合， 但是氫的絕對量沒有減少。因此，氫可以積聚在車輛內部，并可以導 致安全性事故?？梢栽O置有用于將空氣引入稀釋器或空氣供給裝置中 的管道，這使制造成本增加，并導致管道系統(tǒng)的復雜。
作為用于處理從燃料電池組排放的氫的后處理系統(tǒng)，常規(guī)上已經 提出了催化劑燃燒裝置或火焰燃燒裝置，其中將大量空氣導入反應器，
以除去從燃料電池組中排放的廢氫(exhausthydrogen)。然而，它導致 管道系統(tǒng)的復雜，并增加了用于將空氣提供給催化劑燃燒或火焰燃燒 裝置的空氣鼓風機的負擔。
在此背景技術部分中公開的上述信息僅用于增強對本發(fā)明背景技 術的理解，因此其可以包含不形成本國家的本領域普通技術人員己知 的現有技術的信息。

發(fā)明內容
一方面，本發(fā)明涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的氫排放系統(tǒng)，其中 氫清除管線優(yōu)選地連接有用于弓I入空氣的噴射器，噴射器的出口部設 置有后處理(post-treatment)系統(tǒng)，例如加濕器、催化劑燃燒反應器、 和燃燒器(burner),以消除大量的氫，同時改善燃料電池組的濕潤性， 從而改善燃料電池組的性能和耐用性。
在一個實施方式中，本發(fā)明提供了一種用于燃料電池系統(tǒng)的氫排 放系統(tǒng)，其包括用于清除從燃料電池組的燃料電極所排放的氫的清除 閥，所述氫排放系統(tǒng)適當地包括噴射器，其安裝到從清除閥延伸的 氫清除管線上，以從外部引入空氣；和后處理系統(tǒng)，其優(yōu)選地與噴射 器的排出管線連接，以去除從其中排出的氫。
在優(yōu)選的實施方式中，后處理系統(tǒng)是用于將經加濕的空氣提供給 燃料電池組的空氣電極的加濕器，噴射器的排出管線優(yōu)選地與加濕器 的內部連接。
在另一個優(yōu)選的實施方式中，后處理系統(tǒng)是適當地安裝到噴射器 排出管線上的催化劑燃燒裝置，催化劑燃燒裝置的排出管線延伸至外部，或者與加濕器的內部連接。
在再一個優(yōu)選的實施方式中，后處理系統(tǒng)是安裝到噴射器排出管 線上的燃燒器，燃燒器的排出管線延伸至外部，或者與加濕器的內部 連接。
在再另一個優(yōu)選的實施方式中，從燃料電池組空氣電極延伸的空 氣排出管線與噴射器排出管線之間優(yōu)選地連接有具有空氣供給閥的分 支管線。
本文所用的術語"車輛(vehicle)"、"車用"或其它類似術語理解 成包括通常的機動車輛，例如載客車輛，包括運動型多功能車(SUV)、 公共汽車、卡車、各種商用車輛，包括各種船只和船舶的水運工具， 航空器和類似物。
所附附圖結合在本說明書中并形成其一部分，并與以下具體描述 一起，更詳細地說明了本發(fā)明的以上特征和優(yōu)勢，其用于通過實施例 的方式解釋本發(fā)明的原理，這些特征和優(yōu)勢由此將是顯而易見的。


現在參考附圖中圖示的某些示范性實施方式對本發(fā)明的上述和其 它特征進行詳細說明，以下附圖僅僅作為圖示給出，因此不是對本發(fā)
明的限制，其中
圖1是示出根據本發(fā)明第一實施方式的示例性用于燃料電池系統(tǒng) 的氫排放系統(tǒng)的示意圖。
圖2是示出根據本發(fā)明第二實施方式的示例性用于燃料電池系統(tǒng) 的氫排放系統(tǒng)的示意圖。
圖3是示出根據本發(fā)明第三實施方式的示例性用于燃料電池系統(tǒng)
的氫排放系統(tǒng)的示意圖。
圖4是示出根據本發(fā)明第四實施方式的示例性用于燃料電池系統(tǒng) 的氫排放系統(tǒng)的示意圖。
圖5是說明根據本發(fā)明的應用于用于燃料電池系統(tǒng)的氫排放系統(tǒng) 的噴射器的工作原理的橫剖面圖。
附圖中列出的參考數字包括涉及下文進一步討論的下列元件 10:燃料電池組 12:燃料電極14:氫再循環(huán)管線16:清除閥
18:氫清除管線20:空氣電極
22:空氣供給管線24:空氣排出管線
26:加濕器28:噴射器排出管線
30:鼓風機32:催化劑燃燒裝置
34:催化劑燃燒裝置排出管線
36:燃燒器38:燃燒器排出管線
40:分支管線42:空氣供給閥
跳噴射器102:外殼
跳噴射器主體106:主入口
llOa、 110b和110c:噴嘴112a、 112b禾B 112c:114:罩體116:檢査閥
應當理解到，所附的附圖并非必然是按比例的，其說明了本發(fā)明 基本原理的各種優(yōu)選特征的一定程度上簡化的代表。本文公開的本發(fā) 明的具體設計特征，包括，例如，具體大小、方向、位置和形狀將部 分取決于具體的既定用途和使用環(huán)境。
具體實施例方式
如本文所述，本發(fā)明包括一種用于燃料電池系統(tǒng)的氫排放系統(tǒng)， 其包括用于清除從燃料電池組的燃料電極所排放的氫的清除閥，所述
氫排放系統(tǒng)包括噴射器和后處理系統(tǒng)，所述噴射器安裝在氫清除管 線上。在某些優(yōu)選的實施方式中，噴射器安裝到從清除閥延伸的氫清 除管線上，以從外部引入空氣，后處理系統(tǒng)與噴射器的排出管線連接， 以去除從其中所排出的氫。在其它優(yōu)選的實施方式中，后處理系統(tǒng)是 用于將經加濕的空氣提供給燃料電池組空氣電極的加濕器，噴射器的 排出管線與加濕器的內部連接。在再另一個優(yōu)選的實施方式中，后處 理系統(tǒng)進一步包括安裝到噴射器排出管線上的催化劑燃燒裝置，催化 劑燃燒裝置的排出管線延伸至外部，或者與加濕器的內部連接。在示 例性的實施方式中，后處理系統(tǒng)進一步包括安裝到噴射器排出管線上 的燃燒器，燃燒器的排出管線延伸至外部，或者與加濕器的內部連接。 在其它另 一實施方式中，從燃料電池組空氣電極延伸的空氣排出管線與噴射器排出管線之間連接有具有空氣供給閥的分支管線。
發(fā)明還可以包括機動車輛，該機動車輛包括根據本文所述任一實 施方式的氫排放系統(tǒng)。
現在將詳細參考本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其實例在下文所附的附 圖中進行說明，其中類似的參考數字通篇代表類似的元件。下面對實 施方式進行說明，以通過參考附圖來解釋本發(fā)明。
本發(fā)明涉及通過將噴射器與燃料電池組的氫清除管線(用于排放 氫的管道)連接而除去氫，同時，涉及通過將氫引入燃料電池組空氣 電極的入口部而除去氫，在某些實施例中是完全除去，或者通過將氫 適當地引入燃料電池組空氣電極的出口部而反復對少量的氫進行稀 釋。優(yōu)選地，將通過催化劑燃燒產生的水適當地引入空氣電極，以適 當地改善燃料電池組的濕潤性。
第一實施方式
圖1是示出根據本發(fā)明第一示例性實施方式的用于燃料電池系統(tǒng) 的優(yōu)選氫排放系統(tǒng)的示意圖。
如圖所示，燃料電池組10的燃料電極12適當連接有氫再循環(huán)管 線14和包括清除閥16的氫清除管線18。優(yōu)選地，燃料電池組10的空 氣電極20適當連接有空氣供給管線22和空氣排出管線24，并且其上 連接有用于將經加濕的空氣提供給空氣電極20的加濕器26。
在優(yōu)選的實施方式中，從清除閥16延伸的氫清除管線18連接有 用于從外部引入空氣的噴射器100，噴射器100的排出管線28如現在 這樣適當地延伸到外部。
根據示例性的實施方式，清除閥16優(yōu)選為ON/OFF閥，并用于將 從燃料電池組10的出口排放的廢氣中含有的氮或任何其它副產品排放 至外部，以保持再循環(huán)氣體的最優(yōu)化特性。因此，在清除期間，氮、 氫、水蒸汽、水和其它副產品通過清除閥16排放，并根據負載適當地 控制ON/OFF的次數和打開時間。
任何一種能夠吸入空氣的噴射器均可以用作噴射器100。根據某些 實施方式，優(yōu)選使用適當地包括外殼102和噴射器主體104的多級在 線筒式噴射器(cartridge elector)。下面參照圖5描述噴射器100的示例性結構。
在示例性實施方式中，噴射器主體104適當地固定安裝在外殼102 中，上述外殼具有主入口 106，并優(yōu)選具有至少三個在噴射器主體104 中以預定的間隙順次排列的噴嘴110a、 110b禾fU10c。在某些實施方式 中，各個噴嘴110a、 110b和110c的直徑按照排列順序從入口部到出口 部適當地逐漸變大。
在示例性實施方式中，各個噴嘴llOa、 110b和110c的外圓周上設 置有罩體114，上述罩體具有至少三個副入口 112a、 112b禾tU12c，使 得各個噴嘴110a、 110b和110c得以適當固定。在進一步的示例性實施 方式中，三個副入口 112a、 112b禾B 112c優(yōu)選與各個噴嘴110a、 110b 和110c之間的間隙連接。
優(yōu)選地，三個副入口 112a、 112b和112c上安裝有檢查闊116，以 適當地防止引入的空氣泄漏到外部。
下面描述根據本發(fā)明第一實施方式的氫排放系統(tǒng)的運行的實例。
在示例性實施方式中，當通過氫清除管線18所排放的氫被引入到 噴射器100中時，噴射器主體104的各個噴嘴110a、 110b禾B 110c適當 地進行連續(xù)增加所引入的氫的通量(flux)的放大操作，同時在其它實 施方式中，外部空氣被適當地引入噴射器主體104并與廢氫混合，從 而適當地提供氫的稀釋。
下面在實例中更詳細地描述用于提供氫稀釋的噴射器的工作原
理
(1) 從燃料電池組10的氫清除管線18排出的廢氫可以通過第一 級噴嘴110a注入。
(2) 從第一級噴嘴110a注入的氫優(yōu)選地在第一級噴嘴部中產生 真空壓力(低壓)，檢査閥116被真空壓力打開，以通過第一級副入口 112a適當地引入外部空氣。
(3) 在引入的外部空氣與氫混合的同時，優(yōu)選使氣體密度增加， 因此在第二級噴嘴110b中產生更高的真空壓力。
(4) 混合氣體優(yōu)選通過第二級噴嘴110b重新注入，以在第二級 中產生低壓，因此相應的檢查閥116被打開，以通過第二級副入口 112b 引入外部空氣。(5) 通過上述原理，由第三級噴嘴110c在第三級中產生適當更 高的真空壓力，因此，外部空氣被引入第三級副入口 112c。
(6) 根據本發(fā)明的某些實施方式，上述過程(1)至(5)在各個 步驟中加以重復，級數越多，所引入空氣的量優(yōu)選增加越多。
如上述實例中所述，由于燃料電池組10的氫清除管線18優(yōu)選連 接有至少一個噴射器IOO，廢氫與外部空氣適當混合，因而有利于廢氫 的稀釋。稀釋過的氫通過噴射器100的排出管線28排放到外部。
在某些實施方式中，由于廢氫的稀釋操作優(yōu)選通過經由噴射器自 發(fā)引入空氣而自發(fā)進行，因此本發(fā)明提供如下優(yōu)點基于對噴射器的 選擇而易于對空氣的提供量進行控制；在本發(fā)明的某些實施方式中， 不需要單獨的控制邏輯；并且，通過控制外部空氣的量，易于防止溫 度的過度上升。
第二實施方式
圖2是示出根據本發(fā)明第二實施方式的示例性用于燃料電池系統(tǒng) 的氫排放系統(tǒng)的示意圖。
如圖所示，本發(fā)明第二實施方式的特征在于，噴射器100的排出 管線28不是向外部延伸，而是優(yōu)選地與加濕器26連接，上述加濕器 用于將經加濕的空氣提供給空氣電極20。
在優(yōu)選實施方式中，通過噴射器100的排出管線28排放的稀釋過 的氣體(即空氣和廢氫)不向外部，而是適當地引入加濕器26。
例如，當稀釋過的氣體不向外部排出，而是適當地引入加濕器26 時，加濕器26可以優(yōu)選地用作緩沖罐(即消音器(silencer)),同時可 以優(yōu)選地用作用于稀釋大量空氣和氫的稀釋器。
根據優(yōu)選的實施方式，由于廢氫中含有水，適當地引入加濕器26 的廢氫成為提供給燃料電池的空氣的加濕源，過剩的空氣優(yōu)選地成為 燃料電池的反應物氧的額外供給源。
因此，在優(yōu)選的實施方式中，廢氫中所含的水可以用于適當地對 通過鼓風機30引入的外部空氣進行加濕，過剩的空氣通過鼓風機30 與外部空氣混合，成為提供給空氣電極20的氧的額外供給源。第三實施方式
圖3是示出根據本發(fā)明第三實施方式的示例性用于燃料電池系統(tǒng) 的氫排放系統(tǒng)的示意圖。
如圖所示，本發(fā)明第三實施方式舉例說明了本發(fā)明的特征，其包
括作為后處理系統(tǒng)的催化劑燃燒裝置32，上述催化劑燃燒裝置與噴射 器IOO的排出管線28連接
在示例性的實施方式中，催化劑燃燒裝置32的排出管線34延伸 至外部，或者與加濕器26的內部連接。
根據某些實施方式，當從燃料電池組10排放的氫通過噴射器100 以與空氣混合，并引入催化劑燃燒裝置32中時，優(yōu)選地氫可以很容易 地通過催化劑燃燒反應去除。
在示例性實施方式中，催化劑燃燒裝置32中的催化劑燃燒反應器 起到緩沖器(buffer)作用，以優(yōu)選消除引入廢氫的過程中產生的噪音。
在優(yōu)選的實施方式中，從燃料電池組10的空氣電極20延伸的空 氣排出管線24和噴射器100的排出管線28適當地與具有空氣供給閥 42的分支管線40連接。
因此，在某些示例性實施方式中，當控制器(未示出)正好在打 開清除閥16時打開空氣供給閥42時，從燃料電池組10的空氣電極20 排放的空氣可以通過分支管線40額外地提供給催化劑燃燒裝置32中 的催化劑燃燒反應器，以確保通過催化劑燃燒反應除去氫所適當需要 的足量空氣。
在某些實施例中，通過催化劑燃燒裝置32除去氫之后，可以殘余 有少量的氫和水，并將其提供給加濕器26。
因此，催化劑燃燒反應過程中產生的水被引入加濕器26，以充當 對通過鼓風機30提供給燃料電池組10的空氣的額外的加濕源，少量 殘余的氫在加濕器26中用空氣充分或完全稀釋，并通過加濕器26的 排出管線適當地排出至外部。
第四實施方式
圖4是示出根據本發(fā)明第四實施方式的示例性用于燃料電池系統(tǒng) 的氫排放系統(tǒng)的示意圖。如圖所示，本發(fā)明的第四實施方式具有某些優(yōu)選特征，其中作為
后處理系統(tǒng)的燃燒器36優(yōu)選地與噴射器100的排出管線28連接。
在某些實施方式中，燃燒器36的排出管線38延伸到外部，或者
與加濕器26的內部連接。
因此，當從燃料電池組IO排放的氫通過噴射器100以與空氣混合，
并適當地引入燃燒器36中時，可以很容易地在燃燒器36中通過燃燒
除去氫。
以同樣的方式，從燃料電池組10的空氣電極20延伸的空氣排出 管線24和噴射器100的排出管線28適當地與具有空氣供給閥42的分 支管線40連接。
因此，在某些示例性實施方式中，當控制器(未示出)正好在打 開清除閥16時打開空氣供給閥42時，優(yōu)選地從燃料電池組10的空氣 電極20排放的空氣可以通過分支管線40額外地提供給燃燒器36中的 燃燒室，以確保通過燃燒反應除去氫所需的更充足的空氣。
在某些實施方式中，即使通過燃燒器36除去氫之后，也殘余有少 量的氫和水，并將其提供給加濕器26。
因此，在某些情況下，優(yōu)選地燃燒器36的燃燒反應過程中產生的 水被引入加濕器26，以充當對通過鼓風機30提供給燃料電池組10的 空氣的額外的加濕源，少量殘余的氫在加濕器26中用空氣充分或完全 稀釋，并通過加濕器26的排出管線排出至外部。
如上所述，本發(fā)明提供了以下效果。
在某些實施方式中，燃料電池組的氫清除管線優(yōu)選地連接有噴射 器，噴射器的出口部優(yōu)選設置有后處理系統(tǒng)，例如加濕器、催化劑燃 燒裝置、燃燒器和加濕器，可以對從燃料電池組排放的氫進行稀釋， 同時，能夠很容易地除去廢氫。
在其它的某些實施方式中，最終的氫排出管線優(yōu)選地與加濕器的 內部連接，使得廢氫中所含的水被引入加濕器，可以有效地對提供給 空氣電極的空氣進行加濕。
根據優(yōu)選的實施方式，由于最終的氫排出管線與加濕器的內部適 當連接，因此加濕器可以起到緩沖器即消音器的作用。
在其它優(yōu)選的實施方式中，由于燃料電池組的氫清除管線(用于排放氫的管道)連接有噴射器，外部空氣被自發(fā)地引入其中，因此不 需要有用于提供稀釋用空氣的管道和空氣供給裝置。
本發(fā)明參考其優(yōu)選實施方式進行了詳細說明。然而，本領域技術 人員能夠理解，可以在不偏離本發(fā)明的原理和精神的情況下對這些實 施方式進行改變，本發(fā)明的范圍由所附的權利要求及其等同方式限定。
權利要求
1. 一種用于燃料電池系統(tǒng)的氫排放系統(tǒng)，其包括用于清除從燃料電池組的燃料電極排放的氫的清除閥，所述氫排放系統(tǒng)包括噴射器，其安裝到從所述清除閥延伸的氫清除管線上，以從外部引入空氣；和后處理系統(tǒng)，其與所述噴射器的排出管線連接，以去除從其中排出的氫。
2. 根據權利要求1所述的氫排放系統(tǒng)，其中所述后處理系統(tǒng)是用 于將經加濕的空氣提供給所述燃料電池組的空氣電極的加濕器，且所 述噴射器的排出管線與所述加濕器的內部連接。
3. 根據權利要求2所述的氫排放系統(tǒng)，其中所述后處理系統(tǒng)進一 步包括安裝到所述噴射器的排出管線上的催化劑燃燒裝置，所述催化 劑燃燒裝置的排出管線延伸至外部，或者與所述加濕器的內部連接。
4. 根據權利要求2所述的氫排放系統(tǒng)，其中所述后處理系統(tǒng)進一 步包括安裝到所述噴射器的排出管線上的燃燒器，且所述燃燒器的排 出管線延伸至外部，或者與所述加濕器的內部連接。
5. 根據權利要求1所述的氫排放系統(tǒng)，其中從所述燃料電池組的 空氣電極延伸的空氣排出管線與所述噴射器的排出管線之間連接有具 有空氣供給閥的分支管線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的氫排放系統(tǒng)，其可以通過對在排放期間對從燃料電池排放的氫的稀釋進行最優(yōu)化而確保燃料電池車輛的安全性，并且通過減少排放期間生成的噪聲而確保車輛的安靜。針對該目的，本發(fā)明提供了一種用于燃料電池系統(tǒng)的氫排放系統(tǒng)，其包括用于清除從燃料電池組的燃料電極排放的氫的清除閥，上述氫排放系統(tǒng)包括噴射器，其安裝到從清除閥延伸的氫清除管線上，以從外部引入空氣；和后處理系統(tǒng)，其與噴射器的排出管線連接，以去除從其中排出的氫。
文檔編號H01M8/06GK101533920SQ20081016730
公開日2009年9月16日 申請日期2008年10月10日 優(yōu)先權日2008年3月14日
發(fā)明者權富吉, 李賢埈, 魯容奎 申請人:現代自動車株式會社