用于燃料电池系统的气体和冷凝水排放系统及其控制方法
【专利说明】用于燃料电池系统的气体和冷凝水排放系统及其控制方法
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请要求2014年9月22日在韩国知识产权局提交的第10-2014-0126188号韩国专利申请的优先权权益，该申请的全部内容通过弓I用结合在本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及一种用于燃料电池系统的气体和冷凝水排放系统和方法。具体来说，气体和冷凝水可以通过单个的排放部从燃料电池系统中排出。
【背景技术】
[0004]燃料电池系统是接收作为燃料的氢气以及空气中的氧气并且通过燃料电池中氢气与氧气之间的电化学反应产生电能的发电系统。
[0005]例如，燃料电池系统被应用于燃料电池车辆中并且通过用由燃料电池产生的电能为电动机供电来操作车辆。
[0006]—般来说，这种燃料电池系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆是燃料电池单元的组件，每一个燃料电池单元包括阴极和阳极、用于将空气供应到阴极的空气供应装置、以及用于将氢气供应到阳极的氢气供应装置。
[0007]当燃料电池系统产生电力时，阴极产生水并且由于浓度差，一部分水通过燃料电池堆的电解质层被移动到阳极。
[0008]因此，包括未反应的氢气以及来自阴极的水的气体从燃料电池的阳极排放。气体和水通过氢气再循环装置被重新供应到燃料电池堆中，并且冷凝水在被临时存储在聚水器中之后从阳极排出且随后排放至燃料电池堆的外部。
[0009]当再循环气体时，通常对包括未反应的氢气的气体进行净化以便将除了从燃料电池堆的阳极排出的氢气以外的杂质去除。因此，这种净化增加了供应到阳极的氢气的浓度并且激活电池堆中的电化学反应。
[0010]如果阳极中的冷凝水没有被适当地排放到外部，那么电池堆可能充满冷凝水并且氢气可能无法通过电解质层移动到阴极。这样可能在驱动车辆的过程中引起减小的输出以及严重的问题。因此，冷凝水的排放以及含氢气的气体的净化对于操作燃料电池系统来说可能是至关重要的。
[0011]通常，排气阀(purge valve)和排水阀中的每一者都被应用到聚水器上，将来自燃料电池堆的阳极的气体和水排出管线与氢气再循环管线连接或被连接到聚水器的前端和后端上。这些阀可以独立地执行气体净化和排放冷凝水。换句话说，净化管线和排水管线是彼此分离的。
[0012]此【背景技术】部分所揭示的以上信息仅用于增强对发明背景的理解，因此其可能包含不形成在本国中本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0013]本发明提供一种通过利用排放冷凝水的单个排水阀连续地净化再循环气体和排放冷凝水而从燃料电池系统中排放气体和冷凝水的系统和方法，由此减少燃料电池系统的成本和重量。
[0014]在示例性实施例中，用于从燃料电池系统中排放气体和冷凝水的系统可以包括:燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阴极和阳极并且通过氧气和氢气的电化学反应产生电流；聚水器，所述聚水器临时存储从燃料电池堆的阳极排放的气体和水以及冷凝水；集成的排水阀，所述排水阀被安装在聚水器处，使得气体和冷凝水穿过集成的排水阀的排放部并且被排放到聚水器的外部；以及控制器，所述控制器通过打开和关闭所述集成的排水阀来控制气体和冷凝水的排放。
[0015]控制器可以通过对由电池堆产生的电流值进行积分或通过直接地接收电流积分值信号来直接地识别电流积分值。
[0016]燃料电池系统的气体和冷凝水排放系统可以进一步包括水位传感器，所述水位传感器被安装在聚水器中并且感测冷凝水。
[0017]具体来说，在聚水器中，冷凝水的水位下降的区间可以包括气体和冷凝水两者通过排放部被排出的区间。
[0018]集成的排水阀的排放部的入口面可以与冷凝水的水位面平行或基本上平行。
[0019]当作为由电池堆产生的电流的积分值的电流积分值等于或大于预定值时，控制器可以打开集成的排水阀。控制器可以通过利用来自水位传感器的输出信号和预定的打开时间中的至少一个确定是否关闭集成的排水阀来关闭所述集成的排水阀。
[0020]或者，控制器可以根据来自水位传感器的输出信号打开集成的排水阀并且通过利用来自水位传感器的输出信号和预定的打开时间中的至少一个确定是否关闭集成的排水阀来关闭集成的排水阀。
[0021 ] 在示例性实施例中，用于从电池中排放气体和冷凝水的系统可以包括:燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阴极和阳极并且通过氧气和氢气的电化学反应产生电流；聚水器，所述聚水器临时存储从电池堆的阳极排出的气体和水以及冷凝水；集成的排水阀，所述集成的排水阀被安装在聚水器处，使得气体和冷凝水可以穿过排放部并且被排放到聚水器的外部；以及控制器，所述控制器通过打开和关闭集成的排水阀来控制气体和冷凝水的排放。
[0022]在示例性实施例中，控制系统的方法可以包括以下两个步骤中的至少一个步骤:通过控制器确定作为由电池堆产生的电流的积分值的电流积分值是否等于或大于预定值；以及通过控制器确定是否根据来自水位传感器的输出信号感测到冷凝水。所述方法可以进一步包括如果电流积分值等于或大于预定值，则通过控制器打开集成的排水阀的步骤。或者，所述方法可以进一步包括如果控制器确定感测到冷凝水的水位，则通过控制器打开集成的排水阀的步骤。
[0023]另外，所述方法可以进一步包括:通过控制器确定是否已经过集成的排水阀的预定打开时间的步骤；以及当已经过打开时间时通过控制器关闭集成的排水阀的步骤。
[0024]当电流积分值等于或大于预定值并且感测到冷凝水时，可以打开集成的排水阀，并且由于在打开集成的排水阀之后因未感测到冷凝水，因此在经过预定的第一打开时间之后，集成的排水阀随后可以被关闭。
[0025]当电流积分值等于或大于预定值并且未感测到冷凝水时，集成的排水阀可以被打开并且在从集成的排水阀的打开经过预定的第二打开时间之后，集成的排水阀随后可以被关闭。
[0026]当感测冷凝水时，集成的排水阀可以被打开并且在从集成的排水阀的打开经过预定的第三打开时间之后，集成的排水阀随后可以被关闭。
【附图说明】
[0027]图1将相关技术中的常规的气体和冷凝水排放系统的结构与根据本发明的示例性实施例的气体和冷凝水排放系统的示例性的结构进行对比。
[0028]图2示出根据本发明的示例性实施例的用于示例性系统的排放气体和冷凝水的示例性过程。
[0029]图3示出根据本发明的示例性实施例的用于排放气体和冷凝水的示例性系统的侧视图。
[0030]图4是示出确定在用于排放气体和冷凝水的常规系统中净化值的打开时间的原理的曲线图。
[0031]图5是示出根据本发明的示例性实施例的确定在排放气体和冷凝水的示例性系统中用于净化(purging)再循环气体的打开时间的示例性原理的示例性曲线图。
[0032]图6示出根据本发明的示例性实施例的用于排放气体和冷凝水的示例性系统的示例性控制设备。
[0033]图7示出根据本发明的示例性实施例的控制用于排放气体和冷凝水的示例性系统的示例性方法。
[0034]图1至7中列举的参考标号包括下文中进一步论述的以下部件:
[0035]10:聚水器 20:集成的排水阀
[0036]21:排放部 30:水位传感器
[0037]40:控制器 50:电流检测器
【具体实施方式】
[0038]本文中所使用的术语仅出于描述具体实施例的目的，并非意图限制本发明。如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”意图还包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。应进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在用于本说明书中时规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件，和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件，和/或其群组的存在或添加。如本文所使用的术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何以及所有组合。
[0039]下文将参考附图详细描述本发明的示例性实施例，使得本领域普通技术人员容易地执行本发明。本领域普通技术人员将认识到，本发明可以以各种不同形式实施并且不应被解释为限于本文中所描述的实施例。
[0040]图1说明用于排放气体和冷凝水的常规系统的结构以及根据本发明的示例性实施例的用于排放气体和冷凝水的示例性系统的示例性结构。
[0041]在图1的(a)中示出的常规技术以及图1的(b)中示出的示例性实施例两者中，包含从燃料电池堆的阳极排出的氢气和水的气体可以穿过聚水器或可以临时存储在