CN101472760B - 燃料电池车辆 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池车辆(100)包括：燃料电池组(20)，用于通过接收反应气体的供应来产生电力；加湿器件(43)，用于利用置于其间的水蒸汽可渗透隔膜输送从燃料电池组(20)排出的氧化废气和氧化气体，并且由此在氧化废气和氧化气体之间执行水分交换；以及排出流道(45)，用于将从加湿器件(43)排出的氧化废气排出到车辆外部。在加湿器件(43)中形成朝向车辆前侧打开的氧化废气出口(43A)。排出流道(45)连接到氧化废气出口(43A)并且从车辆前侧到车辆后侧以大致U形弯曲。

Description

燃料电池车辆
技术领域
本发明涉及一种其中安装燃料电池***的燃料电池车辆。
背景技术
燃料电池***是用于向膜电极组件供应燃料气体和氧化气体并且产生电化学反应从而将化学能转变成电能的能量转换***。在燃料电池***中，期望其中固体聚合物隔膜被用作电解质的固体聚合物电解质燃料电池组被用作车内电源***，这是因为固体聚合物电解质燃料电池组能够以低成本小型化并且具有高输出密度。
在燃料电池组中，在阳极中产生的氢离子在被水合时通过电解质隔膜移动到阴极。因此，在电解质隔膜的阳极侧中的表面附近水量不足，它变为干燥状态。为了使得燃料电池组继续产生电力，必须向阳极侧供应水。当处于适度潮湿状态时，用于固体聚合物电解质燃料电池组中的电解质隔膜具有优良的氢离子导电性。然而，当含水量降低时，电解质隔膜的电阻过度增加以阻止电解质隔膜正确发挥作用。
作为向电解质隔膜供应水的方法，一种通过使用加湿器件加湿反应气体的方法是为人熟知的。例如，日本专利特开2005-116368披露了一种用于利用加湿器件加湿氧化气体的燃料电池***，其中包括多个中空纤维隔膜的中空纤维隔膜束被容纳在所述加湿器件中。包括通过电池反应产生的大量水的高湿度氧化废气在中空纤维隔膜中流动，并且从大气引入的低湿度氧化气体在中空纤维隔膜外部流动。在氧化废气和氧化气体之间执行水分交换以加湿氧化气体。
专利文献1：日本专利特开2005-116368
发明内容
然而，当来自加湿器件的氧化废气从其被排出的出口朝向朝向其后侧排出氧化废气的燃料电池车辆的后侧打开时，发生下面的问题。例如，当在低于冰点的环境中燃料电池车辆停止时，其中它的前侧向下倾斜，存在以下可能性，即在加湿器件下游侧中的管道中剩余的水回流到加湿器件并且在加湿器件中冻结。当水在加湿器件中冻结时，反应气流流道被关闭并且燃料电池车辆不能被起动。
在该燃料电池车辆中，通常安装用于混合燃料废气和氧化废气以稀释燃料废气并且向大气排出燃料废气的稀释器件。然而，当加湿器件和稀释器件通过直管道连接时，存在以下可能性，即进入稀释器件中的空气流量降低并且由于通过电池反应产生的水而降低其稀释性能，水蒸汽等以如下状态被混合在从加湿器件向稀释器件流动的氧化废气中，其中所产生的水或者水蒸汽未从空气分离。
因此本发明的一个目的在于解决如上所述的问题，并且防止水从加湿器件下游侧中的管道到加湿器件的反向流动并且提高稀释器件的稀释性能。
为了实现如上所述的目的，根据本发明的一种燃料电池车辆包括：燃料电池组，用于通过接收反应气体的供应来产生电力；加湿器件，用于利用置于其间的水蒸汽可渗透隔膜输送从燃料电池组排出的反应废气和反应气体，并且由此在反应废气和反应气体之间执行水分交换；以及排出流道，用于将从加湿器件排出的反应废气排出到车辆外部。在加湿器件中形成朝向车辆前侧打开的反应废气出口，并且排出流道连接到反应废气出口并且弯曲从而从反应废气出口排出的反应废气流动到车辆前侧并且然后流动到车辆后侧。
因为用于输送从稀释器件排出的反应废气的排出流道弯曲从而反应废气流动到车辆前侧并且然后流动到车辆后侧，所以即使当燃料电池车辆在其前侧向下倾斜的状态中停止时也有可能防止水从加湿器件的下游侧中的管道到加湿器件的反向流动。大致U形、大致V形和大致方U形优选用作排出流道的形状。
根据本发明的一个优选方面，该燃料电池车辆还可包括用于稀释反应废气的稀释器件，该稀释器件连接到排出流道的下游侧。
从加湿器件排出的反应废气在弯曲排出流道中被输送期间通过离心作用力被分离为气体和液体，因此，稀释器件能够稳定地引入空气。稀释器件的稀释性能能够由此被改进。
根据本发明的一个优选方面，该燃料电池车辆还可包括用于消掉排出反应废气的声音的消音器，该消音器连接到排出流道的下游侧。
附图说明
图1是根据本实施例的燃料电池***的***框图；并且
图2是燃料电池***的车内布局。
具体实施方式
将参考各图描述本发明的实施例。
图1示出用作燃料电池车辆的车内电源***的燃料电池***10的***构造。
燃料电池***10包括用于通过接收反应气体(氧化气体和燃料气体)的供应而产生电力的燃料电池组20、用于向燃料电池组20供应作为燃料气体的氢气的燃料气体管线***30、用于向燃料电池组20供应作为氧化气体的空气的氧化气体管线***40、用于控制充电和放电的电力***60，以及用于总体控制全部***的控制器70。
燃料电池组20例如是由串联层叠的多个电池构成的固体聚合物电解质电池组。该电池包括置于由离子交换隔膜构成的电解质隔膜一侧上的阴极、置于电解质隔膜另一侧上的阳极，和在其之间夹住阴极和阳极的一对分离器。燃料气体被供应到分离器中的一个的燃料气流流道并且氧化气体被供应到分离器的另一个的氧化气流流道。燃料电池组20通过气体供应来产生电力。
燃料气体管线***30包括燃料气体供应源31、从燃料气体供应源31供应到燃料电池组20的阳极的燃料气体(氢气)在其中流动的燃料气体供应流道35、用于向燃料气体供应流道35返回从燃料电池组20排出的燃料废气(氢废气)的循环流道36、用于加压并且向燃料气体供应流道35输送循环流道36中的燃料废气的循环泵37，以及以分支方式连接到循环流道36的排气流道39。
燃料气体供应源31由例如高压氢罐或者氢存储合金构成，并且存储例如35MPa或者70Mpa的氢气。当隔离阀32打开时，氢气从燃料气体供应源31流动到燃料气体供应流道35。氢气压力通过调节器33或者喷射器34被减少到例如大约200kPa，并且氢气被供应到燃料电池组20。
燃料气体供应源31可以由用于从碳氢化合物燃料生产富氢的重整气体的重整器，以及用于将重整器生产的重整气体带入高压状态并且积聚气体的高压气罐构成。
喷射器34是一种电磁驱动开关阀，其能够通过以预定驱动间隔利用电磁驱动作用力直接驱动阀体以从阀座分离阀体从而调节气体流量或者气体压力。喷射器34包括具有用于喷射气态燃料例如燃料气体的喷射孔的阀座、用于向喷射孔供应并且引导气态燃料的喷嘴本体，和用于打开和关闭喷射孔的阀体，以可移动方式容纳并且相对于喷嘴本体沿着轴向(气流方向)保持该阀体。
排气流道39经由排气阀38连接到循环流道36。排气阀38通过来自控制器70的指令被致动，以将在循环流道36中包括杂质和水的燃料废气排出到外部。通过打开排气阀38，在循环流道36中的氢废气中的杂质浓度降低并且将被循环和供应的燃料废气中的氢浓度增加。
经由排气阀38和排气流道39排出的燃料废气和在排出流道45中流动的氧化废气流动到稀释器件50中，并且稀释器件50稀释燃料废气。通过消音器(静音器)51消掉排出被稀释的燃料废气的声音并且被稀释的燃料废气经由尾管52被排出到车辆外部。
氧化气体管线***40包括被供应到燃料电池组20的阴极的氧化气体在其中流动的氧化气体供应流道44，以及从燃料电池组20排出的氧化废气在其中流动的排出流道45。用于经由过滤器41引入氧化气体的空气压缩机42和用于加湿通过空气压缩机42加压和输送的氧化气体的加湿器件43被置于氧化气体供应流道44中。用于调节氧化气体的供应压力的背压调节阀46和加湿器件43被置于排出流道45中。
加湿器件43容纳包括多个水蒸汽可渗透隔膜(中空纤维隔膜)的水蒸汽可渗透隔膜束(中空纤维隔膜束)。包括通过电池反应产生的大量水的高湿度氧化废气(湿润气体)在水蒸汽可渗透隔膜中流动，并且从大气引入的低湿度氧化气体(干燥气体)在水蒸汽可渗透隔膜外部流动。利用置于其间的水蒸汽可渗透隔膜在氧化气体和氧化废气之间执行水分交换，从而加湿氧化气体。
电力***60包括DC/DC转换器61、蓄电池62、牵引逆变器63和牵引电机64。DC/DC转换器61是直流电压转换器，并且具有增加来自蓄电池62的直流电压并且向牵引逆变器63输出直流电压的功能，以及降低来自燃料电池组20或者牵引电机64的直流电压并且利用该直流电压对蓄电池62充电的功能。通过DC/DC转换器61的如上所述的功能控制蓄电池62的充电和放电。通过利用DC/DC转换器61控制电压转换，燃料电池组20的运行点(输出电压，输出电流)被控制。
蓄电池62是能够充电和放电的储电器件，并且用作在再生制动期间的再生能量存储源和在伴随燃料电池车辆的加速和减速的负荷改变期间的能量缓冲器。例如，可充电电池例如镍镉存储蓄电池、镍氢存储蓄电池以及锂充电蓄电池被优选地用作蓄电池62。
牵引逆变器63将直流电转变成三相交流电并且将三相交流电供应到牵引电机64。牵引电机64例如是三相交流电机并且构成燃料电池车辆的动力源。
控制器70是包括CPU、ROM、RAM以及输入和输出接口的计算机***，并且控制燃料电池***10的每一个部分。例如，当控制器70接收从点火开关(未示出)输出的起动信号时，控制器70开始运行燃料电池***10，并且基于从加速器传感器(未示出)输出的加速器位置信号或者从车辆速度传感器(未示出)输出的车辆速度信号计算全部***所需求的电力。全部***所需求的电力是车辆运行电力和配件电力的总和。该配件电力包括例如由车内配件(加湿器件、空气压缩机、氢泵、冷却水循环泵等)消耗的电力、由车辆运行所必需的设备(变速齿轮、车轮控制器件、转向器件、悬挂器件等)消耗的电力，以及由设于乘客空间中的设备(空调、照明设备、音响***等)消耗的电力。
控制器70确定燃料电池组20和蓄电池62的输出电力分布，调节空气压缩机42的旋转速度或者喷射器34的阀位置，并且调节供应到燃料电池组20的反应气体的量从而燃料电池组20的产生电力与目标电力相一致。控制器70还控制DC/DC转换器61并且调节燃料电池组20的输出电压以控制燃料电池组20的运行点(输出电压、输出电流)。控制器70还向牵引逆变器63输出U相位、V相位和W相位的各种交流电压指令值作为切换指令，并且控制牵引电机64的输出扭矩和旋转速度从而能够获得相应于加速器位置的目标车辆速度。
注意图1仅仅用于概略解释***构造并且未在其中反映出实际的车内布局。
下面，参考图2描述燃料电池***10的车内布局。为了简化说明，在图2中示出仅仅燃料电池组20、空气压缩机42、加湿器件43、稀释器件50、消音器51和尾管52的车内布局并且省去其它器件。具有与图1的器件相同的引用数字的器件代表相同的器件并且省去其详细说明。
引用数字100表示燃料电池车辆。图中左侧是车辆的前侧并且图中上侧是车辆的右侧面。
在加湿器件43中形成的氧化废气出口43A朝向车辆前侧打开。排出流道45连接到氧化废气出口43A并且以大致U形弯曲从而排出流道45从车辆前侧朝向车辆后侧定向。稀释器件50连接到排出流道45的下游侧，并且消音器51从那里连接到下游侧。尾管52朝向车辆后侧以大致直形设置。
利用如上所述的构造，因为排出流道45以大致U形弯曲，在加湿器件43下游侧的管线***(尾管52、消音器51、稀释器件50等)中剩余的水仅仅回流排出流道45的中部(弯曲点附近)并且即使当燃料电池车辆100在其前侧向下倾斜的状态中停止时水也不回流到加湿器件43。由于加湿器件43的冻结引起的燃料电池***10的起动故障由此得以避免。为了有效防止当燃料电池车辆100在其前侧向下倾斜的状态中停止时水向加湿器件43反向流动，与加湿器件43的下游侧的管线***(尾管52、消音器51、稀释器件50等)相比，氧化废气出口43A可以设于较高的位置中。
因为排出流道45以大致U形状弯曲，所以从加湿器件43排出的氧化废气在排出流道45中输送期间通过离心作用力被分离为气体和液体。从气体分离的水在排出流道45的壁表面附近停留，因此，包括很少的水或者水蒸汽的空气流动到稀释器件50的空气引入开口50A中。因为水几乎不被混合到空气引入开口50A中，所以能够保证稳定的空气引入量并且能够改进稀释器件50的稀释性能。
注意排出流道45的形状不限于大致U形，并且例如可以使用大致V形和大致方U形。
虽然在以上说明中示出其中根据本实施例的燃料电池***10作为电源被安装在燃料电池车辆上的实例，但是燃料电池***10可以作为电源被安装在除了燃料电池车辆之外的其它移动体(机器人、船、飞行器等)上。
工业应用性
根据本发明，用于输送从稀释器件排出的反应废气的排出流道弯曲从而从反应废气出口排出的反应废气流动到车辆前侧然后流动到车辆后侧，因此，即使当燃料电池车辆在其前侧向下倾斜的状态中停止时也有可能防止水从加湿器件下游侧中的管道反向流动到加湿器件。因为从加湿器件排出的反应废气在排出流道中输送期间通过离心作用力被分离到为气体和液体，所以空气能够被稳定引入稀释器件中。相应地，有可能改进稀释器件的稀释性能。

Claims (3)

1.一种燃料电池车辆，包括：
燃料电池组，用于通过接收反应气体的供应来产生电力；
加湿器件，用于利用介于从所述燃料电池组排出的反应废气和所述反应气体之间的水蒸汽可透膜输送所述反应废气和所述反应气体，由此在所述反应废气和所述反应气体之间执行水分交换；以及
排出流道，用于把从所述加湿器件排出的所述反应废气排出到所述车辆的外部，
其特征在于：在所述加湿器件中形成朝向所述车辆的前侧打开的反应废气出口，并且所述排出流道连接到所述反应废气出口，并且所述排出流道弯曲，从而使从所述反应废气出口排出的所述反应废气流动到所述车辆的前侧且然后流动到所述车辆的后侧。
2.根据权利要求1的燃料电池车辆，还包括
稀释器件，用于稀释所述反应废气，
其中所述稀释器件连接到所述排出流道的下游侧。
3.根据权利要求1的燃料电池车辆，还包括
消音器，用于把排出所述反应废气的声音消除，
其中所述消音器连接到所述排出流道的下游侧。
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