用於燃料電池車輛的聚水器裝置的製作方法

2023-08-06 02:41:06

專利名稱：用於燃料電池車輛的聚水器裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於燃料電池車輛的聚水器裝置。更特別地，本 發明涉及這樣一種用於燃料電池車輛的聚水器裝置，其可以將來自燃 料電池組的剩餘氫氣和收集在聚水器中的剩餘冷卻劑同時排出。
背景技術：
在用於燃料電池車輛的燃料電池組中，膜電極組件(MEA)被安 置在最內部，MEA包括能夠輸送氫質子的固體聚合物電解質膜，以及 形成在電解質膜的兩側上以允許氫氣和氧氣相互發生反應的催化劑層 (即陽極和陰極)。
而且，氣體擴散層(GDL)被安置在MEA的外側，即安置陰極和 陽極的表面上，並且具有用來供應燃料的流場和用來供應由反應產生 的廢水的流場的分離器(separator)被安置在GDL的外側。
因此，氫氣的氧化反應發生在燃料電池的陽極以產生氫離子和電 子，並且氧氣的還原反應發生在接收來自陽極的氫離子和電子的陰極 以產生水。
也就是，將氫氣供應至陽極(也稱作氧化電極)，並且將氧氣(空 氣)供應至陰極(也稱作還原電極)。供應至陽極的氫氣在設置於電解 質膜兩側上的電極層的催化劑作用下被分解成氫離子(質子，H+)和 電子(e.)。此時，只有氫離子(質子，H+)通過作為陽離子交換膜的 電解質膜被傳輸到陰極，而此時，電子(e—)通過作為導體的GDL和 分離器被傳輸到陽極。
因此，在陰極，通過電解質膜供應的氫離子和通過分離器傳輸的 電子，與供應到陰極的空氣中的氧氣相遇而發生反應以生成水。
在此，由於氫離子的傳輸使電子通過外部導線流動而產生電能， 並且在反應過程中還附加地產生熱量。
同時，當將氫離子傳輸給供應到陰極的氧氣的絕緣體處於乾燥狀
態而不是溼潤狀態時，很難傳輸氫離子。因此，除了由氧氣產生的水 之外，還需要溼氣即用於增溼的去離子水。
為此，用於冷卻和增溼的冷卻劑在燃料電池組中流動。在此，有 必要保持冷卻劑的平衡，以便不會引起供應至燃料電池組的氣體(氫 氣和氧氣)中的缺水。
通常，由於缺水會影響燃料電池組的性能並造成劣化，所以排出 到燃料電池組外部的水量被設計成保持恆定。
因此，剩餘冷卻劑被收集在聚水器中，並且如果收集的冷卻劑的 量超出規定水平，則冷卻劑被自動排出到外部。在此，如果剩餘冷卻 劑不能順暢地排出，則會影響溼潤平衡，從而會劣化燃料電池組的性 能。
同時，從氫氣罐供應的氫氣與在燃料電池組中發生反應之後通過 陽極出口管排出的未反應氫氣相混合，並且混合氫氣被供應至燃料電 池組的氫氣入口。
然而，如果從陽極出口管排出的氫氣被連續地再循環，則會降低 氫氣密度。因此，可以將氫氣設計成不進行再循環，根據預定的控制 邏輯通過氫氣排氣閥和消音器排出。
下面將描述常規聚水器裝置的結構和使用聚水器排出剩餘冷卻劑 的操作。
圖2是示出常規聚水器裝置的示意圖。
安裝在燃料電池組100的分配器中的陽極出口管10 (氫氣排出
管)，被依次連接至氫氣排氣閥40和消音器50，並且燃料電池組的分 配器的冷卻劑出口管30被連接至聚水器20。
而且，用於將氫氣中包含的溼氣液滴排出到聚水器20中的除溼管 60，被連接在聚水器20的頂部和陽極出口管10之間。
第一和第二液面傳感器70a和70b分別安裝在聚水器20的上部和 下部，並且聚水器出口閥80安裝在其下部。
因此，當第一液面傳感器70a檢測到較高冷卻劑液面時，聚水器 出口閥80就被打開以排水。另一方面，當第二液面傳感器70b檢測到 較低冷卻劑液面時，聚水器出口閥80就被關閉。
將冷卻劑剩餘第二液面傳感器70b能夠檢測到的量的原因在於，
防止通過陽極出口管10排出的氫氣通過用於除去陽極出口管10中的
氫氣中包含的冷卻劑溼氣的除溼管60被排出到聚水器20中。因此， 通過陽極出口管10排出的氫氣，通過氫氣排氣閥40被傳輸給消音器
50。如上所述的常規聚水器裝置具有下列問題
1) 當聚水器中剩餘的冷卻劑由於液面傳感器出現故障而沒有被去
除時，可能會劣化燃料電池組的性能；和
2) 由於通過陽極出口管排出的氫氣具有高於常壓的壓力，所以需 要用於降低排氣噪聲的消音器、兩個液面傳感器和將陽極出口管連接 到聚水器的除溼管，從而增大了製造成本。
在本背景部分中公開的信息只是為了加強對本發明的背景的理
解，而不應被視為是對以下事實的承認或任何形式的暗示該信息構
成了本領域技術人員已知的現有技術。

發明內容
本發明是在致力於解決上述問題的過程中做出的，並且本發明的 一個目的是提供一種用於燃料電池車輛的聚水器裝置，其中陽極出口 管被形成為穿過聚水器的內部，並且具有較小直徑並朝向聚水器底部 延伸的冷卻劑排出管被一體地形成，使得當陽極出口管中的剩餘氫氣 根據柏努利原理被排出到聚水器出口閥時，聚水器中收集的剩餘冷卻 劑通過冷卻劑排出管排出到聚水器出口閥。
在一個方面中，本發明提供了一種用於燃料電池車輛的聚水器裝 置，其中通過利用氫氣流速和聚水器中的壓力的裝置，將從燃料電池 組排出的氫氣和聚水器中的冷卻劑同時排出。
在優選實施例中，利用氫氣流速和聚水器中的壓力的裝置包括 陽極出口管，其從燃料電池組延伸並穿過聚水器上部的內部；聚水器 出口閥，其連接至陽極出口管的一端；冷卻劑出口管，其從燃料電池 組延伸並連接至聚水器的上部；以及冷卻劑排出管，其從陽極出口管 朝向聚水器的底部延伸。
優選地，冷卻劑排出管的直徑小於陽極出口管的直徑。 應該理解，本文中使用的術語"車輛"或"車輛的"或其它類似 術語，包括一般的機動車輛，諸如包括運動型多功能車(SUV)、公共
汽車、卡車、各種商用車輛在內的載客汽車，包括各種船和艇在內的
航空器 等等
下文將討論本發明的其它方面。


記:
圖l是示出根據本發明的聚水器裝置的示意圖；並且 圖2是示出常規聚水器裝置的示意圖。
附圖中列出的附圖標記包括後面進一步討論的以下元件的參考標
10:陽極出口管 30:冷卻劑出口管 50:消音器 70a:第一液面傳感器 80:聚水器出口閥 100:燃料電池組
20
聚水器
40:氫氣排氣閥 60:除溼管 70b:第二液面傳感器 90:冷卻劑排出管
具體實施例方式
現在將詳細參考本發明的優選實施例，其實例在下文中所附的圖 中示出，其中相同的附圖標記始終指代相同的元件。下面將通過參考 這些附圖來描述實施例以便說明本發明。
圖1是示出根據本發明的聚水器裝置的示意圖。
用於燃料電池的分配器分別將燃料電池反應所需的溼氣和空氣 (氧氣)供應至燃料電池組模塊，並且包括布置在其中的氫氣和空氣
供應管和排出管。供應管和排出管之一是陽極出口管10。
在燃料電池組100中反應的氫氣通過陽極出口管IO被排出。通過 陽極出口管10排出的未反應的氫氣被再循環或者在氫氣密度降低的情
況下被排出到外部空氣中。
在常規聚水器裝置中，陽極出口管]0 (氫氣排出管)被依次連接 至氫氣排氣閥40和消音器50;然而，在本發明中，不需要氫氣排氣閥 40和消音器50，並且陽極出口管10穿過聚水器20並直接連接到聚水 器出口閥80。
更詳細地，如圖1中所示，從燃料電池組IOO延伸的陽極出口管 10穿過聚水器20上部的內部，並直接連接到聚水器出口閥80。
特別地，穿過聚水器20內部的陽極出口管IO被連接至朝向聚水 器20底部延伸的冷卻劑排出管90。冷卻劑排出管90的直徑小於陽極 出口管10的直徑。
同時，燃料電池組100的分配器的冷卻劑出口管30被連接至聚水 器20的上部，使得從燃料電池組通過冷卻劑出口管30排出的冷卻劑 被收集在聚水器20中。
而且，由於收集在聚水器20中的冷卻劑的量與反應的氫氣的量成 比例，並且氫氣排出時間與反應的氫氣的量成比例，所以通過排出氫 氣而排出的冷卻劑的量與冷卻劑的量的變化成比例地變化。
下面將描述根據本發明的具有上述配置的脫水器裝置的操作。
在燃料電池組100中發生反應之後排出的剩餘氫氣(即未反應的 氫氣)，通過陽極出口管IO被排出，並通過聚水器出口閥80被排出到 外部空氣中，其中氫氣穿過陽極出口管10的穿過聚水器20的一部分。
同時，收集在聚水器20中的冷卻劑被吸收到從陽極出口管10朝 向聚水器20的底部延伸的冷卻劑排出管90中，並向上與穿過陽極出 口管10的氫氣混合，並通過聚水器出口閥80排出到外部空氣中。
聚水器20中的冷卻劑能夠與氫氣一起被排出的原因如下所述。
當通過陽極出口管IO排出高壓氫氣時，如果增大氫氣流的速度， 則根據柏努利原理，其壓力會減小。而且，由於冷卻劑排出管90是窄 管，所以冷卻劑排出管90的內部根據氫氣流速度的增大而具有減小的 壓力。
因此，陽極出口管10和冷卻劑排出管90中的壓力變得低於聚水 器20中的壓力，使得聚水器20中的冷卻劑被吸收到冷卻劑排出管90 中，同時，上行與穿過陽極出口管10的氫氣混合，並通過聚水器出口 閥80排出到外部空氣中。
由於冷卻劑與通過陽極出口管IO排出的氫氣混合，所以在排出氫 氣過程中能夠獲得減小噪聲的效果，並且排出氫氣的引燃得到顯著的 減少。
像這樣，當根據柏努利原理，陽極出口管10中的氫氣被排出到聚
水器出口閥80時，聚水器20中的冷卻劑與氫氣同時沿著冷卻劑排出
管90排出到聚水器出口閥80。因此，不需要常規聚水器裝置中的用於 排出冷卻劑的液面傳感器、用於排出氫氣的氫氣排氣闊、和消音器， 從而降低了製造成本。
如果從聚水器中去除所有的冷卻劑，則會產生這樣的效果，即通 過陽極出口管排出的氫氣中所包含的溼氣在重力作用下沿著冷卻劑排 出管被收集在聚水器中。
而且，如果在發動機冷起動工作條件過程中關閉發動機，則聚水 器出口閥被打開以去除常規聚水器裝置的聚水器中的剩餘冷卻劑；然 而，由於大部分壓力通過氫氣排氣閥被排放，所以只利用重力很難去 除冷卻劑。然而，根據本發明的聚水器裝置，由於在關閉發動機時， 冷卻劑通過冷卻劑排出管被強行移除到聚水器出口閥，所以聚水器中 的剩餘冷卻劑的量非常小。因此，利用熱電阻線來融化冷卻劑需要較 低的熱負載，或者不需要進行進一步融化的熱電阻線，從而降低製造 成本。
如上所述，根據本發明的用於燃料電池車輛的聚水器裝置提供了
包括以下效果的有利效果
1) 由於陽極出口管穿過聚水器並連接到聚水器出口閥，並且形成 有從陽極出口管朝向聚水器底部延伸的冷卻劑排出管，所以可以同時 排出氫氣和冷卻劑，並排除常規聚水器裝置中所需的若干元件，諸如 氫氣排氣閥、消音器和除溼管，從而降低了製造成本。
2) 由於冷卻劑與氫氣混合併排出，所以冷卻劑吸收氫氣的排氣噪 聲，並因此可以在沒有消音器的情況下減小排氣噪聲並減小排出氫氣 的引燃。
3) 由於聚水器中的剩餘冷卻劑的量非常小，所以使用熱電阻線融
化冷卻劑需要較低的熱負載，或者不需要用於進行進一步融化的熱電
阻線，從而降低製造成本；以及
4) 由於不需要常規液面傳感器，所以可以防止在由於液面傳感器 出現故障而不能去除剩餘冷卻劑時可能造成的燃料電池組的性能下 降。
已經參考本發明的優選實施例對本發明進行了詳細描述。然而， 本領域技術人員應該理解的是，可對這些實施例做出改變而不脫離本 發明的原理和精神，本發明的範圍由所附權利要求及其等效物限定。
權利要求
1.一種用於燃料電池車輛的聚水器裝置，其中通過利用氫氣流速和聚水器中的壓力的裝置，將從燃料電池組排出的氫氣和聚水器中的冷卻劑同時排出。
2. 如權利要求1所述的聚水器裝置，其中所述利用氫氣流速和聚水器中的壓力的裝置包括陽極出口管，其從所述燃料電池組延伸並穿過聚水器的上部的內部；聚水器出口閥，其被連接至陽極出口管的一端； 冷卻劑出口管，其從所述燃料電池組延伸並被連接至聚水器的上 部；以及冷卻劑排出管，其從所述陽極出口管朝向聚水器的底部延伸。
3. 如權利要求2所述的聚水器裝置，其中所述冷卻劑排出管的直 徑小於所述陽極出口管的直徑。
全文摘要
本發明提供了一種用於燃料電池車輛的聚水器裝置，其中陽極出口管被形成為穿過聚水器上部的內部，並且具有較小直徑並朝向聚水器底部延伸的冷卻劑排出管被一體地形成，使得當陽極出口管中的剩餘氫氣根據柏努利原理被排出到聚水器出口閥時，聚水器中收集的剩餘冷卻劑通過冷卻劑排出管排出到聚水器出口閥。
文檔編號H01M8/04GK101350421SQ20071030705
公開日2009年1月21日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年7月20日
發明者權純吉 申請人:現代自動車株式會社