用于燃料电池车辆的集成氢气再循环风机

摘要

一种用于燃料电池车辆的集成氢气再循环风机，其包括与风机机壳集成的喷射器。用于燃料电池车辆的集成氢气再循环风机包括：风机机壳，其包括形成于其顶部表面上的入口和出口；可转动地安装于风机机壳内部的叶轮；与叶轮后端连接以转动该叶轮的电机；和集成在风机机壳上表面上形成的喷射器。

说明书

相关申请的交叉引证

本申请依据35 U.S.C§119(a)要求申请日为2007年12月12日的韩国专利 申请第10-2007-0129202号的优先权，其全部内容在此引入以供参考。

技术领域

本申请涉及一种用于燃料电池车辆的氢气再循环风机，其中集成有喷射器。

背景技术

用于燃料电池车辆的燃料电池作为动力源通过使空气中的氧与作为燃料的 氢反应来产生电力。

燃料电池包括隔板、阳极、电解质膜、阴极、氢气/空气/冷却剂循环系统、 阳极流场和阴极流场。

为启动燃料电池，将作为燃料的氢气从储氢罐经由氢气供应电磁阀和管道 提供给阳极流场。

为提高燃料效率，对燃料电池中剩余未反应的氢气进行再循环。具体地， 当氢气再循环系统在放气阀(purge valve)关闭的状态下工作时，燃料电池中未 反应的氢气经由氢气再循环系统和氢气再循环切断阀(shut-off valve)沿着管道 移动，并进入阳极流场。

如图1和图2所示，用于燃料电池的常规氢气再循环系统使用喷射器 (ejector)101或风机(blower)102。

对于仅有喷射器的系统，尽管其功耗和造价低，但它的缺点在于，如果燃 料电池组(fuel cell stack)中使用的氢燃料数量减少，其性能会劣化。也就是说， 它不能确保车辆在较宽工作范围内的性能。

相反，对于仅有风机的系统，尽管它可以在车辆较宽的工作范围内提供所 需性能，但它的功耗和造价均高于仅有喷射器的系统。

背景技术部分公开的信息仅仅为了加强对本发明背景的理解，不应该作为 该信息形成了本领域技术人员已经知晓的在先技术的确认或任何形式的暗示。

发明内容

本发明致力于解决现有技术中的上述问题。本发明涉及一种用于燃料电池 车辆的集成氢气再循环风机，其中将喷射器合并入风机机壳(blower housing) 内。采用这种结构，集成氢气再循环风机可以取决于车辆需求的输出功率以可 调节的方式工作。具体地，当需要高功率时，风机和喷射器二者都可以工作， 而当需要低功率时，仅有风机工作，从而降低风机的功耗。

一方面，本发明提供一种用于燃料电池车辆的集成氢气再循环风机，该集 成氢气再循环风机包括：风机机壳，其包括形成于其顶部表面上的入口和出口； 可转动地安装于风机机壳内部的叶轮(impeller)；与叶轮后端连接以转动该叶轮 的电机；和集成在所述风机机壳上表面上形成的喷射器。

在优选的实施方式中，上述入口可以包括多个入口。优选地，其包括第一 入口和第二入口，新的氢气通过上述第一入口从储氢罐引入，再循环氢气通过 上述第二入口从燃料电池组出口引入。合适地，上述第一和第二入口可以彼此 平行。

在另一个优选实施方式中，风机机壳可以包括上机壳(upper housing)和下 机壳(lower housing)，其中第一入口和第二入口和出口形成于上机壳的上表面。 优选地，第一入口和第二入口和出口可以彼此平行地形成。

在再另一个实施方式中，上机壳可以包括沿着上机壳内缘的圆周方向形成 的基本为半圆的槽。该槽的一端优选与第二入口流体连通，并且该槽的另一端 优选与出口流体连通。通过第二入口引入的再循环氢气可以沿着半圆槽移动， 并最终通过出口排出。

在再另一个实施方式中，喷射器可以包括大直径部分和小直径部分，上述 大直径部分从风机机壳的上表面向上延伸，上述小直径部分的直径相对较小， 并从上述大直径部分的一端延伸。大直径部分可以设置有第一连接通道和第二 连接通道，上述第一连接通道从其中心处的底部延伸，并与第一入口连通，并 且第二连接通道在第一连接通道的外部上形成，并与第二入口连通。小直径部 分可以包括在其内部形成的喷射器出口，该喷射器出口与大直径部分一端的第 一连接通道和第二连接通道相连，并且第一连接通道与第二连接通道在大直径 部分的一端会聚在一起。适当地，在连接第二入口和第二连接通道的连接管道 中设置有止回阀(check valve)。

在低输出功率下，止回阀关闭所述第二入口和第二连接通道，以防止再循 环氢气被引喷射器，使得再循环氢气通过第二入口引入，沿着半圆槽移动，并 通过出口排出，并且新的氢气通过第一入口引入，并通过第一连接通道和喷射 器出口排出。

另一方面，在高输出功率下，止回阀连接第二入口和第二连接通道，使得 再循环氢气通过第二连接通道和喷射器出口排出，同时，通过第二入口引入， 沿着半圆槽移动，并通过出口排出，并且新的氢气通过第一入口引入，并通过 第一连接通道和喷射器出口排出。

本文所用的术语“车辆(vehicle)”、“车用”或其它类似术语理解成包括通 常的机动车辆，例如载客车辆，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、 各种商用车辆，包括各种船只和船舶的水运工具，航空器和类似物。

所附附图结合在本说明书中并形成其一部分，并与以下具体描述一起，更 详细地说明了本发明的以上特征和优势，其用于通过实施例的方式解释本发明 的原理，这些特征和优势由此将是显而易见的。

附图说明

现在参考附图中图示的某些示范性实施方式对本发明的上述和其它特征进 行详细说明，以下附图仅仅作为图示给出，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是表示常规喷射器型氢气再循环系统的示意图；

图2是表示常规风机型氢气再循环系统的示意图；

图3是说明根据本发明优选实施方式的集成氢气再循环系统的示意图；

图4是说明根据本发明优选实施方式的集成氢气再循环风机的外部结构的 透视图；

图5是表示图4的集成氢气再循环风机的内部结构的分解透视图；

图6是表示图4的集成氢气再循环风机的内部结构的另一分解透视图；

图7是图4的集成氢气再循环风机的平面图；

图8是表示图5中的叶轮和上机壳内部的分解图；

图9是表示在高输出功率下，再循环氢气在图5中的上机壳中流动的工作 状态的示意图；

图10是显示再循环速率根据车辆输出功率而变化的图；和

图11是显示根据车辆输出功率而降低功率的效果的示意图。

图中列出的附图标记包括以下将进一步讨论的元件：

10：储氢罐                11：燃料电池

12：喷射器                13：喷射器出口

14：风机机壳              14a：上机壳

14b：下机壳               15：叶轮

16：电机                  17：第一入口

18：第二入口              19：出口

20：氢气连接通道          21：再循环氢气连接通道

22：半圆槽                23：半圆片

24：连接管道              25，26：止回阀

应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理 的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征， 包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使 用环境。

具体实施方式

现在详细参考本发明的优选实施方式，下文的附图中对其实施例进行说明， 其中通篇以类似的附图标记代表类似的元件。下面对实施方式进行说明，以通 过参考附图来说明本发明。

图3是说明根据本发明优选实施方式的集成氢气再循环系统的示意图，图4 是说明集成氢气再循环风机的外部结构的透视图，图5是表示图4的集成氢气 再循环风机的内部结构的分解透视图，图6是表示图4的集成氢气再循环风机 的内部结构的另一分解透视图，图7是图4的集成氢气再循环风机的平面图， 且图8是表示图5中的叶轮和上机壳内部的分解图。

本发明目的在于将喷射器12与风机机壳14集成，以利用风机和喷射器12 的优点，从而确保很宽工作范围内的性能并降低功耗。

根据本发明优选实施方式的集成氢气再循环风机包括：具有风机入口和出 口的风机机壳14、与风机机壳14集成的喷射器12、设置在风机机壳14内部的 叶轮15和电机16。

优选地，风机机壳14的总体形状是圆柱形。风机机壳14包括上机壳14a 和下机壳14b。上机壳14a的外表面上设置有第一入口17、第二入口18、出口 19和喷射器出口13。新的氢气和/或再循环氢气通过入口17和/或18引入，并 通过出口19和/或喷射器出口13排出。流体的流动方向呈“U”形，其中流体 在一个方向上引入，并在另一个方向上排出。

新鲜氢气通过第一入口17从储氢罐10提供。氢气通过第二入口18从燃料 电池组出口加以再循环。

喷射器12包括大直径部分和小直径部分。大直径部分的内部设置有从中心 底部延伸到出口方向、连接到第一入口17的氢气连接通道20，使得新的氢气通 过氢气连接通道20引入。另外，氢气连接通道20的外部设置有再循环氢气连 接通道21，以与第二入口18连接，该第二入口与氢气连接通道20相分离，使 得再循环氢气通过再循环连接通道21引入。

小直径部分的直径相对较小，并从大直径部分的一端延伸，使得大直径部 分的氢气连接通道20与再循环氢气连接通道21的一端彼此连接。因此，新的 氢气和再循环氢气可以加以混合，并通过喷射器出口13排出。

叶轮15具有圆盘(circular plate)形状，并设置成面向上机壳14a的内侧。 沿着圆盘的边缘形成有第一半圆槽，在第一半圆槽中沿着圆周方向以规则的间 隔形成有多个半圆片23。

沿着上机壳14a内缘上的圆周方向设置有第二半圆槽22，使得其一端与第 二入口18连接，另一端与出口19连接。

叶轮15的第一半圆槽和上机壳14a内部形成的第二半圆槽22彼此面对， 以便于流体的流动，具体地，通过叶轮15的半圆片23的转动来促进再循环氢 气的流动。

电机16与叶轮15的后端连接，从而通过电机16的工作使叶轮15转动。 而且，电机16的转动速度和工作通过来自控制器的控制信号加以控制。

下面将描述具有上述构成的集成氢气再循环风机的工作状态。

图9是表示在高输出功率下，再循环氢气在图5中的上机壳中流动的工作 状态的示意图。

首先，控制器从车辆速度传感器和踏板(pedal)传感器接收信号，并控制 集成氢气再循环风机的工作，以便根据车辆输出功率来调节提供给燃料电池11 的氢气量。

在低输出功率下，控制器操纵风机，该风机可以在很宽的工作区域内提供 所需性能。具体地，风机的电机16进行工作，以使叶轮15转动，使得新的氢 气通过第一入口17引入，并通过喷射器12的氢气连接通道20排出至喷射器出 口13，并且，再循环氢气通过第二入口18引入，并通过上机壳14a内部形成的 半圆槽22排出至风机出口19。

在该情况下，喷射器12的再循环氢气连接通道21被设置在连接第二入口 18和再循环氢气连接通道21的连接管道24中的止回阀关闭，从而防止再循环 氢气被引入喷射器12。

在低输出功率下，需要供应给燃料电池11的氢气量小于高输出功率。因此， 在低输出功率下，可以防止再循环氢气引入喷射器，再循环氢气可以通过风机 的工作而补充。

同时，在高输出功率下，再循环氢气通过风机和喷射器12二者引入。具体 地，风机的电机16进行工作，以使叶轮15转动，使得新的氢气通过第一入口 17引入，并通过喷射器12的氢气连接通道20排出至喷射器出口13，并且，再 循环氢气通过第二入口18引入，并通过喷射器12的再循环氢气连接通道21排 出至喷射器出口13。

而且，再循环氢气通过风机的工作从第二入口18引入，并通过上机壳14a 内部形成的半圆槽22排出至风机出口19。

在该情况下，与仅使用风机的常规氢气再循环系统相比，可以降低风机的 转速，并通过喷射器12的操作在高输出功率下补充再循环氢气。

在集成氢气再循环风机中，喷射器12能够以双模式工作，从而能够降低总 体功耗。

图10是显示再循环速率根据车辆输出功率而变化的图，图11是显示根据 车辆输出功率而降低功率的效果的示意图。

可以确定，如果车辆在如图11所示的52kW输出功率下被驱动，则风机的 功耗可以降低至50％。

综上所述，根据本发明的用于燃料电池车辆的集成氢气再循环风机，喷射 器与风机机壳集成，以利用风机能够在宽泛的工作区域内保持所需性能的优点， 以及喷射器功耗低的优点，使得在低输出下仅有风机工作，在高输出下风机和 喷射器同时工作，从而降低功耗。

本发明参考其优选实施方式进行了详细说明。然而，本领域技术人员能够 理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变， 本发明的范围由所附的权利要求及其等价物限定。