用于燃料電池系統的氣體和冷凝水排放系統及其控制方法
【專利說明】用于燃料電池系統的氣體和冷凝水排放系統及其控制方法
[0001]相關申請案的交叉參考
[0002]本申請要求2014年9月22日在韓國知識產權局提交的第10-號韓國專利申請的優先權權益，該申請的全部內容通過弓I用結合在本文中。
技術領域
[0003]本發明涉及一種用于燃料電池系統的氣體和冷凝水排放系統和方法。具體來說，氣體和冷凝水可以通過單個的排放部從燃料電池系統中排出。
【背景技術】
[0004]燃料電池系統是接收作為燃料的氫氣以及空氣中的氧氣并且通過燃料電池中氫氣與氧氣之間的電化學反應產生電能的發電系統。
[0005]例如，燃料電池系統被應用于燃料電池車輛中并且通過用由燃料電池產生的電能為電動機供電來操作車輛。
[0006]—般來說，這種燃料電池系統包括燃料電池堆，所述燃料電池堆是燃料電池單元的組件，每一個燃料電池單元包括陰極和陽極、用于將空氣供應到陰極的空氣供應裝置、以及用于將氫氣供應到陽極的氫氣供應裝置。
[0007]當燃料電池系統產生電力時，陰極產生水并且由于濃度差，一部分水通過燃料電池堆的電解質層被移動到陽極。
[0008]因此，包括未反應的氫氣以及來自陰極的水的氣體從燃料電池的陽極排放。氣體和水通過氫氣再循環裝置被重新供應到燃料電池堆中，并且冷凝水在被臨時存儲在聚水器中之后從陽極排出且隨后排放至燃料電池堆的外部。
[0009]當再循環氣體時，通常對包括未反應的氫氣的氣體進行凈化以便將除了從燃料電池堆的陽極排出的氫氣以外的雜質去除。因此，這種凈化增加了供應到陽極的氫氣的濃度并且激活電池堆中的電化學反應。
[0010]如果陽極中的冷凝水沒有被適當地排放到外部，那么電池堆可能充滿冷凝水并且氫氣可能無法通過電解質層移動到陰極。這樣可能在驅動車輛的過程中引起減小的輸出以及嚴重的問題。因此，冷凝水的排放以及含氫氣的氣體的凈化對于操作燃料電池系統來說可能是至關重要的。
[0011]通常，排氣閥(purge valve)和排水閥中的每一者都被應用到聚水器上，將來自燃料電池堆的陽極的氣體和水排出管線與氫氣再循環管線連接或被連接到聚水器的前端和后端上。這些閥可以獨立地執行氣體凈化和排放冷凝水。換句話說，凈化管線和排水管線是彼此分離的。
[0012]此【背景技術】部分所揭示的以上信息僅用于增強對發明背景的理解，因此其可能包含不形成在本國中本領域普通技術人員已知的現有技術的信息。

【發明內容】

[0013]本發明提供一種通過利用排放冷凝水的單個排水閥連續地凈化再循環氣體和排放冷凝水而從燃料電池系統中排放氣體和冷凝水的系統和方法，由此減少燃料電池系統的成本和重量。
[0014]在示例性實施例中，用于從燃料電池系統中排放氣體和冷凝水的系統可以包括:燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陰極和陽極并且通過氧氣和氫氣的電化學反應產生電流；聚水器，所述聚水器臨時存儲從燃料電池堆的陽極排放的氣體和水以及冷凝水；集成的排水閥，所述排水閥被安裝在聚水器處，使得氣體和冷凝水穿過集成的排水閥的排放部并且被排放到聚水器的外部；以及控制器，所述控制器通過打開和關閉所述集成的排水閥來控制氣體和冷凝水的排放。
[0015]控制器可以通過對由電池堆產生的電流值進行積分或通過直接地接收電流積分值信號來直接地識別電流積分值。
[0016]燃料電池系統的氣體和冷凝水排放系統可以進一步包括水位傳感器，所述水位傳感器被安裝在聚水器中并且感測冷凝水。
[0017]具體來說，在聚水器中，冷凝水的水位下降的區間可以包括氣體和冷凝水兩者通過排放部被排出的區間。
[0018]集成的排水閥的排放部的入口面可以與冷凝水的水位面平行或基本上平行。
[0019]當作為由電池堆產生的電流的積分值的電流積分值等于或大于預定值時，控制器可以打開集成的排水閥。控制器可以通過利用來自水位傳感器的輸出信號和預定的打開時間中的至少一個確定是否關閉集成的排水閥來關閉所述集成的排水閥。
[0020]或者，控制器可以根據來自水位傳感器的輸出信號打開集成的排水閥并且通過利用來自水位傳感器的輸出信號和預定的打開時間中的至少一個確定是否關閉集成的排水閥來關閉集成的排水閥。
[0021 ] 在示例性實施例中，用于從電池中排放氣體和冷凝水的系統可以包括:燃料電池堆，所述燃料電池堆包括陰極和陽極并且通過氧氣和氫氣的電化學反應產生電流；聚水器，所述聚水器臨時存儲從電池堆的陽極排出的氣體和水以及冷凝水；集成的排水閥，所述集成的排水閥被安裝在聚水器處，使得氣體和冷凝水可以穿過排放部并且被排放到聚水器的外部；以及控制器，所述控制器通過打開和關閉集成的排水閥來控制氣體和冷凝水的排放。
[0022]在示例性實施例中，控制系統的方法可以包括以下兩個步驟中的至少一個步驟:通過控制器確定作為由電池堆產生的電流的積分值的電流積分值是否等于或大于預定值；以及通過控制器確定是否根據來自水位傳感器的輸出信號感測到冷凝水。所述方法可以進一步包括如果電流積分值等于或大于預定值，則通過控制器打開集成的排水閥的步驟。或者，所述方法可以進一步包括如果控制器確定感測到冷凝水的水位，則通過控制器打開集成的排水閥的步驟。
[0023]另外，所述方法可以進一步包括:通過控制器確定是否已經過集成的排水閥的預定打開時間的步驟；以及當已經過打開時間時通過控制器關閉集成的排水閥的步驟。
[0024]當電流積分值等于或大于預定值并且感測到冷凝水時，可以打開集成的排水閥，并且由于在打開集成的排水閥之后因未感測到冷凝水，因此在經過預定的第一打開時間之后，集成的排水閥隨后可以被關閉。
[0025]當電流積分值等于或大于預定值并且未感測到冷凝水時，集成的排水閥可以被打開并且在從集成的排水閥的打開經過預定的第二打開時間之后，集成的排水閥隨后可以被關閉。
[0026]當感測冷凝水時，集成的排水閥可以被打開并且在從集成的排水閥的打開經過預定的第三打開時間之后，集成的排水閥隨后可以被關閉。
【附圖說明】
[0027]圖1將相關技術中的常規的氣體和冷凝水排放系統的結構與根據本發明的示例性實施例的氣體和冷凝水排放系統的示例性的結構進行對比。
[0028]圖2示出根據本發明的示例性實施例的用于示例性系統的排放氣體和冷凝水的示例性過程。
[0029]圖3示出根據本發明的示例性實施例的用于排放氣體和冷凝水的示例性系統的側視圖。
[0030]圖4是示出確定在用于排放氣體和冷凝水的常規系統中凈化值的打開時間的原理的曲線圖。
[0031]圖5是示出根據本發明的示例性實施例的確定在排放氣體和冷凝水的示例性系統中用于凈化(purging)再循環氣體的打開時間的示例性原理的示例性曲線圖。
[0032]圖6示出根據本發明的示例性實施例的用于排放氣體和冷凝水的示例性系統的示例性控制設備。
[0033]圖7示出根據本發明的示例性實施例的控制用于排放氣體和冷凝水的示例性系統的示例性方法。
[0034]圖1至7中列舉的參考標號包括下文中進一步論述的以下部件:
[0035]10:聚水器 20:集成的排水閥
[0036]21:排放部 30:水位傳感器
[0037]40:控制器 50:電流檢測器
【具體實施方式】
[0038]本文中所使用的術語僅出于描述具體實施例的目的，并非意圖限制本發明。如本文中所使用的單數形式“一”、“一個”和“所述”意圖還包括復數形式，除非上下文另外清楚地指示。應進一步理解，術語“包括”和/或“包含”在用于本說明書中時規定所陳述的特征、整數、步驟、操作、元件，和/或組件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、組件，和/或其群組的存在或添加。如本文所使用的術語“和/或”包括相關聯的所列項目中的一個或多個的任何以及所有組合。
[0039]下文將參考附圖詳細描述本發明的示例性實施例，使得本領域普通技術人員容易地執行本發明。本領域普通技術人員將認識到，本發明可以以各種不同形式實施并且不應被解釋為限于本文中所描述的實施例。
[0040]圖1說明用于排放氣體和冷凝水的常規系統的結構以及根據本發明的示例性實施例的用于排放氣體和冷凝水的示例性系統的示例性結構。
[0041]在圖1的(a)中示出的常規技術以及圖1的(b)中示出的示例性實施例兩者中，包含從燃料電池堆的陽極排出的氫氣和水的氣體可以穿過聚水器或可以臨時存儲在