專利名稱：用于燃料電池系統(tǒng)的多級直列式燃料管噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多級直列式燃料管噴射器(cartridge ejector)。更具體 地，本發(fā)明涉及用于燃料電池系統(tǒng)的多級直列式燃料管噴射器，其用 作燃料電池系統(tǒng)中燃料處理系統(tǒng)的氫再循環(huán)鼓風機(blower),以增加 再循環(huán)氫氣的量，從而提高系統(tǒng)性能。
背景技術(shù)：
通常，燃料電池通過將燃料氣體的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能能夠產(chǎn) 生直流電。不象其它常規(guī)電池那樣，燃料電池利用燃料和從外面供應 的空氣不斷地產(chǎn)生電流。
在燃料電池中用作燃料的氫氣可以是純氫氣或利用碳氫化合物諸 如甲垸或乙醇轉(zhuǎn)化處理產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化氫氣。
最近，燃料電池己經(jīng)應用到車輛，針對燃料電池車輛的開發(fā)的大 量研究和研制持續(xù)進行。除了燃料電池車輛更環(huán)保并且可以使用純氫 氣或轉(zhuǎn)化氫氣作為能源來產(chǎn)生電能之外，這種燃料電池車輛與電力車 輛具有相同的特性，沒有根本不同。
再利用氫氣作為燃料的燃料電池系統(tǒng)中，氫氣由氫氣罐供給燃料 電池堆，供給燃料電池堆的氫氣量由控制器控制。同時，用于燃料電 池的空氣通過壓縮機供給燃料電池堆。
通常，空氣和氫氣供給燃料電池的量大于電化學反應需要的量， 以保證燃料電池堆的一定的性能水平和延長其壽命。
殘留在燃料電池堆中的未反應氫氣被再循環(huán)，以防止燃料的浪費， 從而提高系統(tǒng)的整體效率。
特別是，再循環(huán)未反應的氫氣的技術(shù)極其重要的，以提高燃料電 池系統(tǒng)的燃料效率。鼓風機裝置一般用于再循環(huán)從燃料電池堆排放到 電池堆入口的未反應氫氣。
因為常規(guī)鼓風機裝置有許多缺陷，它結(jié)構(gòu)負載、需要潤滑油，并
4且產(chǎn)生噪音和振動，利用噴射器裝置再循環(huán)未反應氫氣的技術(shù)被提出。 用于氫氣再循環(huán)的噴射器裝置具有以下優(yōu)點，它具有比鼓風機裝 置更簡單的結(jié)構(gòu)，它不需要潤滑油，因為其中不使用旋轉(zhuǎn)元件，它不 會產(chǎn)生噪音和振動；然而，也存在噴射器裝置具有很窄的操作范圍的 問題，因此，不適于將它應用于負載迅速變化的燃料電池車輛。
為了克服這些缺陷，有多種方法來擴展噴射器裝置的操作范圍。 一種方法是如有些日本汽車制造商提出的使用多個噴射器來增加操作 范圍的方法。
然而，這種方法存在一些缺陷，多個噴射器占據(jù)車內(nèi)很多空間， 由于增加零件數(shù)量，制造成本增加，由于其中使用的液壓驅(qū)動針難以 操縱，噴射器的流量控制不夠精確。
另外，該方法是不利的，因為兩個或三個噴射器互換或切換附加 的元件，諸如，互換或切換噴射器的裝置和防止逆流的裝置，從而導 致復雜的結(jié)構(gòu)。
作為噴射器裝置的另一實例，有各種可調(diào)噴嘴型的噴射器，其中 針的位置由電動機裝置來控制，以調(diào)整壓力和氫氣的量。然而，它具 有多個缺陷，它很貴，它遇到壓力損失或泄漏的問題。
在背景技術(shù)部分公開的信息僅僅是加深對發(fā)明的背景技術(shù)的理 解，不應該認為是該信息形成本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的 認可或任何形式的啟發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于解決上述所公開的與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的問題。本發(fā)明 的一個目的是提供一種用于燃料電池系統(tǒng)中燃料處理系統(tǒng)的多級直列 式燃料管噴射器，其通過增加再循環(huán)氫氣的量可以提高系統(tǒng)性能。
本發(fā)明的另一目的是提供多級直列式燃料管噴射器，其可以有效 地防止再循環(huán)氫氣的逆流和提高冷啟動性能。
一方面，本發(fā)明提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的多級直列式燃料管 噴射器，其特征在于，具有連續(xù)增加各級流量的擴大結(jié)構(gòu)的多級直列
式燃料管噴射器，其設(shè)置在氫氣罐和燃料電池系統(tǒng)的燃料電池堆之間， 同時，連接至氫氣再循環(huán)管線，以利用經(jīng)由多級直列式燃料管噴射器
5供給燃料電池堆的氫氣的高壓流動，增加氫氣再循環(huán)管線的再循環(huán)氣 體量。
在優(yōu)選實施例中，多級直列式燃料管噴射器包括至少一個供應氫 氣的噴射器主體，每個噴射器主體包括多個以預定間隙布置成一列的 噴嘴，其中各個噴嘴的直徑從噴射器主體的入口側(cè)朝噴射器主體的出 口側(cè)增大，且在噴射器主體的外表面形成的多個副入口連接至噴嘴之 間的一個或多個間隙；容納噴射器主體和包括主入口的殼體，用于吸
入再循環(huán)氫氣。
優(yōu)選地，至少兩個噴射器主體并列布置在殼體中。
仍優(yōu)選地，噴射器主體的副入口位于噴嘴之間的一個或多個間隙
的前部。
適當?shù)?，用于防止氫氣再循環(huán)線的逆流的多個止回閥設(shè)置在噴射
器主體的副入口上。
還是適當?shù)?，用于改善冷啟動性能的加熱器設(shè)置在殼體的外側(cè)。 優(yōu)選地，每個噴射器主體包括以預定間隙布置成一列的三個噴嘴，
以及在噴射器主體的外表面上形成的三個副入口 ，其連接至噴嘴之間
的間隙。
應該理解，在本文中使用的術(shù)語"車輛"或"車輛的"或其它類 似術(shù)語通常包括機動車，諸如，客車、船只、飛機等，客車包括運動
功能車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用汽車，船只包括各種小船 和輪船。
本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點從附圖顯而易見或在附圖中更詳細地示 出，其并入本發(fā)明并形成本申請的一部分，下列詳細描述通過實例共 同用于解釋本發(fā)明的原理。


現(xiàn)在參照附示的一些示例性實施例詳細說明本發(fā)明的上述和 其它特征，這些附圖在下文中僅僅作為圖解給出，因此，不限于本發(fā) 明，其中
圖1是示出燃料處理系統(tǒng)的示意圖，其中設(shè)置有根據(jù)本發(fā)明的優(yōu) 選實施例的多級直列式燃料管噴射器；
6圖2是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多級直列式燃料管噴射器的
部件和外圍部件的透視圖3是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多級直列式燃料管噴射器的 橫剖視圖4是示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多級直列式燃料管噴射器的 操作狀態(tài)的橫剖視圖。
在附圖中示出的附圖標記包括下面進一步說明的以下元件 10:氫氣罐 11:燃料電池堆
12:多級直列式燃料管噴射器 13:氫氣再循環(huán)管線
14:主入口 15:噴射器主體
16:殼體 17a， 17b和17c:噴嘴
18a， 18b和18c:副入口 19a， 19b和19c:止回閥
20:加熱器 21:堆單元
應該理解，附圖不需要按比例，表示本發(fā)明基本原理的各種優(yōu)選 特征解釋的一些簡單圖示。在此公開的本發(fā)明的特別設(shè)計特征，例如， 包括具體尺寸、方向、位置和形狀，它們部分地取決于具體的預期應 用和使用環(huán)境。
具體實施例方式
現(xiàn)參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，附圖中所示的實例，其中相同的附 圖標記表示相同的元件。參照附圖，在下文中說明這些實施例，來解 釋本發(fā)明。
圖1是示出了燃料處理系統(tǒng)的示意圖，其中設(shè)置有根據(jù)本發(fā)明優(yōu) 選實施例的多級直列式燃料管噴射器。
如圖1所示，燃料處理系統(tǒng)(FPS)， S卩，氫氣供應系統(tǒng)，從壓縮 氫氣罐IO將氫氣供應給燃料電池堆11，并控制整個燃料電池系統(tǒng)的操 作。FPS包括低壓調(diào)節(jié)器、多級直列式燃料管噴射器12、各種傳感器 等。
多級直列式燃料管噴射器12設(shè)置在氫氣罐IO和燃料電池堆11之 間，且同時連接至氫氣再循環(huán)管線13。多級直列式燃料管噴射器12通過噴嘴從壓縮的氫氣罐io供應壓縮的氫氣形成真空，并且利用真空
在燃料電池堆11的燃料電極中再循環(huán)氫氣。
因此，由于經(jīng)過多級直列式燃料管噴射器12供給燃料電池堆11 的氫氣的高壓流動，從氫氣管線13輸入的氫氣量可增加。
燃料電池堆11是燃料電池的功率產(chǎn)生模塊，其通過空氣和氫氣之 間的電化學反應產(chǎn)生電流。燃料電池堆ll包括空氣電極、燃料電極、 薄膜電極組件(MEA)、冷卻劑流場等。
這里，氫氣再循環(huán)管線13，即，燃料電極的再循環(huán)管線，便于燃 料電池堆ll的水排放和濕潤氫氣，其影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。
原則上，再循環(huán)量越大越有利于系統(tǒng)。
排氣閥設(shè)置在燃料電極的出口側(cè)。排氣閥通過系統(tǒng)控制器的命令 打開和關(guān)閉，以控制FPS管中的氫氣濃度。
優(yōu)選地，節(jié)流孔可以連接至排氣閥的后端，排放的氫氣通過稀釋 裝置可以稀釋到小于或等于5%的濃度。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的多級直列式燃料管噴射 器的部件和外圍部件的透視圖。
如圖2所示，多級直列式燃料管噴射器12包括噴射器主體15和 容納該噴射器主體15的殼體16。
容納在殼體16內(nèi)的噴射器主體15連接至燃料電池堆11的堆單元 21。壓縮后的氫氣經(jīng)過噴射器主體15，并接著經(jīng)由堆單元21提供至燃 料電池堆11。
優(yōu)選地，在殼體16內(nèi)設(shè)置噴射管主體15。更優(yōu)選地，在殼體16 內(nèi)可設(shè)置至少兩個噴射管主體15。
例如由金屬材料制成的殼體16包括用于再循環(huán)氫氣流入的主入口 14。加熱器20設(shè)置在殼體16的外部，以縮短冷啟動時間。盡管加熱 器的類型沒有限制，可使用硅橡膠加熱器。
圖3是表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多級直列式燃料管噴射器的 橫剖視圖。
如圖3所示，噴射器主體15使高速射流通過多級噴嘴并利用噴嘴 形成真空，因此，輸入高溫高濕的再循環(huán)氫氣的混合氣體。
優(yōu)選地，噴射器主體15包括兩個或多個噴嘴。在優(yōu)選實施例中，如圖3所示，三個噴嘴17a、 17b和17c在噴射器主體15內(nèi)以預定間 隙排列成一列，以與噴射器主體15形成同心圓。
各個噴嘴17a、 17b和17c的直徑按從連接至氫氣罐10的入口側(cè) 到連接至燃料電池堆11的出口側(cè)的排列順序越來越大。
例如，第二級噴嘴17b的直徑大于第一級噴嘴17a的直徑，而第 三級噴嘴17c的直徑大于第二級噴嘴17b的直徑。
此外，優(yōu)選地，噴射器主體15包括兩個或多個副入口。如圖3所 示，例如，三個副入口 18a、 18b和18c設(shè)置在噴射器主體15的外表 面上，以連接至噴嘴17a、 17b和17c之間的間隙空間。因此，通過副 入口 18a、 18b和18c引入的氫氣可以被沿噴嘴軸線流動的氣流吸收到
在這種情況下，各個副入口 18a、 18b和18c位于各個噴嘴17a、 17b和17c之間的間隙空間的前部，以提供讓輸入的氫氣可朝向間隙空 間自然前進的通道。
適當?shù)兀O(shè)置至少一個止回閥，以防止氫氣再循環(huán)管線13的逆流。 如圖3所示，例如，三個止回閥19a、 19b和19c設(shè)置在各個副入口 18a、 18b和18c上，以防止氫氣再循環(huán)管線13的逆流。
設(shè)置在燃料處理系統(tǒng)中的排氣閥是將從排氣管出口排放的氣體中 所含的氮氣或其它副產(chǎn)品排放至大氣中的開關(guān)閥，因此，使再循環(huán)氣 體的性能最優(yōu)。在排放操作中，排放氮氣、氫氣、蒸汽、水等，根據(jù) 施加的負載調(diào)整開關(guān)間隔和打開時間。
如果用于再循環(huán)氣體的噴射器不正確地運行，其中排氣閥開啟， 氫氣不供應至堆，而是相反地流向再循環(huán)管線，那么可通過排氣閥排 放到大氣中。
就噴射器的性能而言，當供應大量的再循環(huán)氣體時，噴射器具有 高性能，而當供應少量再循環(huán)氣體時(例如，在空轉(zhuǎn)或低負載操作過 程中)，在再循環(huán)管線中具有很小的吸收功能。
因此，諸如止回閥等用于防止氫氣在再循環(huán)管線13逆流的裝置是 必需的。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，將每個圓盤(殼式)形式的止回閥19a、 19b和19c安裝在副入口 18a、 18b和18c中，以在沒有吸收功能時，以防止氫氣流回到再循環(huán)管線。
市場上可買到的止回閥具有一些缺陷，其中它們沒有大容量、大 壓降，且難以連接管道。然而，本發(fā)明提供的止回閥直接安裝在各個 入口上，并且直接抵抗噴嘴的壓力。
當通過噴嘴形成真空時，朝噴射器中心推動殼式盤以形成間隙， 從而打開入口。而當沒有通過噴嘴形成真空時，殼式盤阻擋入口，以 防止氣體的逆流。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的多級直列式燃料管噴射器 的操作狀態(tài)的橫剖視圖。
如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的多級直列式燃料管噴射器 連續(xù)地在各級中增加流量。具體地說，(1)在大約1.5 — 10巴(bar) 的高壓的干燥氫氣從第一級噴嘴17a以高速噴射；(2)在第一級噴嘴 部分，噴射的氫氣形成真空(低壓)，且氫氣、氮氣、蒸汽等的混合氣 體輸入第一級副入口 18a; (3)由于輸入的氮氣和蒸汽，在第一級中的 氣體密度增加，從而在第二級噴嘴17b中形成較高的負壓；(4)經(jīng)過 第一級仍具有較高壓力的氣體經(jīng)由第二級噴嘴17b噴射，以形成低壓， 且再循環(huán)的氣體輸入第二級副入口 18b; (5)同樣，在第三級中通過第 三級噴嘴17c形成較高負壓，且再循環(huán)的氣體輸入到第三級副入口 18c 中；(6)在各級中重復上述過程(1)至(5)。原則上，更多級將增加 輸入氣體的量。
通常，因為吸入(吸收)性能與噴嘴的流速和密度成正比，通過 增加各級朝出口的氣體密度，可提高噴射器的吸入性能。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例的多級直列式燃料管噴射器具有利用高壓氫 氣形成真空的閉環(huán)，將燃料供給排氣管入口，且將未反應的燃料輸入 噴射器入口。同樣，利用根據(jù)本發(fā)明的多級直列式噴嘴，可容易地獲 得足夠的負壓和大的流量。此外，將至少一個燃料管噴射器并列安裝， 以提供多種類型的噴射器。因此，可在單個噴射器殼體中增加多個燃 料管噴射器，以滿足系統(tǒng)所需的負載，從而以小的體積獲得高負壓和 大流量。
如上所述，根據(jù)多級直列式燃料管噴射器，可增加再循環(huán)氫氣的 量，提高系統(tǒng)的整體性能。此外，與常規(guī)的鼓風機系統(tǒng)相比，零件的數(shù)量和制造成本可顯著降低。另外，不需要用于常規(guī)噴射器的高價電 機和控制器。而且，可降低誤動作的可能性和噪音。此外，噴射器的 組裝、維護和修理簡化。并且，可縮短冷啟動時間，因此而改善冷啟 動性能。
已經(jīng)參照優(yōu)選實施例詳細描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員應該理解，不脫離本發(fā)明的原理和精神以及附加權(quán)利要求和它 們的等同權(quán)利要求的范圍，可以對這些實施例進行改變。
權(quán)利要求
1. 一種用于燃料電池系統(tǒng)的多級直列式燃料管噴射器，其特征在于將具有連續(xù)增加各級中的流量的擴大結(jié)構(gòu)的多級直列式燃料管噴射器設(shè)置在燃料電池系統(tǒng)的氫氣罐和燃料電池堆之間，并且同時連接至氫氣再循環(huán)管線，從而利用經(jīng)由所述多級直列式燃料管噴射器而供給所述燃料電池堆的氫氣的高壓流動，增加來自所述氫氣再循環(huán)管線的再循環(huán)氣體的量。
2. 如權(quán)利要求1所述的多級直列式燃料管噴射器，包括 至少一個供應氫氣的噴射器主體，每個所述噴射器主體包括多個以預定間隙布置成一列的噴嘴，其中各個所述噴嘴的直徑從所述噴射 器主體的入口側(cè)朝向所述噴射器主體的出口側(cè)增大，每個所述噴射器 主體還包括在所述噴射器主體的外表面上形成的多個副入口，該副入 口連接至所述噴嘴之間的一個或多個間隙；和容納所述噴射器主體且包括主入口的殼體，該主入口用于吸入再 循環(huán)氫氣。
3. 如權(quán)利要求2所述的多級直列式燃料管噴射器，其中至少兩個 所述噴射器主體并列布置在所述殼體中。
4. 如權(quán)利要求2所述的多級直列式燃料管噴射器，其中所述噴射 器主體的所述副入口位于所述噴嘴之間的一個或多個間隙的前部。
5. 如權(quán)利要求2所述的多級直列式燃料管噴射器，其中用于防止 所述氫氣再循環(huán)管線的逆流的多個止回閥設(shè)置在所述噴射器主體的副 入口上。
6. 如權(quán)利要求2所述的多級直列式燃料管噴射器，其中用于提高 冷啟動性能的加熱器設(shè)置在所述殼體的外側(cè)。
7.如權(quán)利要求2所述的多級直列式燃料管噴射器，其中每個所述 噴射器主體包括以預定間隙布置成一列的三個噴嘴，和在所述噴射器 主體的外表面上形成的三個副入口，該副入口連接至所述噴嘴之間的 間隙中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的多級直列式燃料管噴射器，包括至少一個供應氫氣的噴射器主體，每個噴射器主體包括以預定間隙布置成一列的多個噴嘴，其中各個噴嘴的直徑從噴射器主體的入口側(cè)朝噴射器主體的出口側(cè)增大，在噴射器主體的外表面上形成的多個副入口連接噴嘴之間的一個或多個間隙；容納噴射器主體并包括主入口的殼體用于再循環(huán)氫氣的吸入。多級直列式燃料管噴射器通過增加再循環(huán)氫氣的量可以提高系統(tǒng)性能。而且，至少一個止回閥設(shè)置在燃料管噴射器的入口位置，以有效地防止再循環(huán)氫氣的逆流，至少一個加熱器設(shè)置在燃料管噴射器周圍，以提高冷啟動性能。
文檔編號H01M8/04GK101459248SQ20081013193
公開日2009年6月17日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日
發(fā)明者樸庸善, 李賢埈, 潘炫錫, 魯容奎 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社