用于向燃料电池组输送主燃料流的装置和车辆装置制造方法

用于向燃料电池组输送主燃料流的装置和车辆装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种用于向燃料电池组输送主燃料流的装置和车辆装置，其中用于把主燃料流输送到燃料电池组的装置包括喷射器，其构造成从燃料供给源接收主燃料流。该装置还构造成从燃料电池组接收再循环燃料流，从而提供输送至燃料电池组的混合流体流。该喷射器包括弹性管道，用于根据燃料电池组的功率水平改变混合流体流的流量。通过本实用新型的技术方案，可通过调节弹性管道来改变喷射器的工作范围，由此可由单个喷射器代替多个喷射器的使用，从而降低成本、提高质量。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本文所公开的实施例总的来说涉及与燃料电池系统结合使用的几何特征可变的 喷射器。 用于向燃料电池组输送主燃料流的装置和车辆装置

【背景技术】
[0002] 众所周知，燃料电池系统与喷射器结合使用。在布莱顿（Brighton)等人的第 7, 943, 260( "260号专利"）号美国专利中举出了这种实现方式的一个实例。
[0003] 该" 260号专利"提供了一种用于将输入流体流输送通过燃料电池组并排放未使用 流体流的系统和方法。燃料电池组的进口用于接收该流体流。喷射器配置成混合供给源流 体流和未使用流体流以生成输入流体流，并控制输入流体流向燃料电池组的流动。鼓风机 配置成控制未使用流体流向喷射器的流动。旁通阀配置成控制未使用流体流向鼓风机和喷 射器的流动。 实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种几何特征可变的主燃料流输送装置。
[0005] 本实用新型提供了 一种用于把主燃料流输送到燃料电池组的装置。燃料电池组排 放再循环燃料流。该装置包括喷射器，其构造成从燃料供给源接收主燃料流。该装置还构 造成从燃料电池组接收再循环燃料流，从而提供输送至燃料电池组的混合流体流。该喷射 器包括弹性管道，用于根据燃料电池组的功率水平改变混合流体流的流量。
[0006] 优选地，喷射器包括接收主燃料流的第一进口。
[0007] 优选地，喷射器还包括接收再循环燃料流的第二进口，第一进口不同于第二进口。
[0008] 优选地，弹性管道构造成根据燃料电池组的功率水平增大或减小弹性管道的直 径。
[0009] 优选地，弹性管道进一步构造成在燃料电池组以高功率水平运行时增加弹性管道 的直径。
[0010] 优选地，弹性管道进一步构造成在燃料电池组以低功率水平运行时减小弹性管道 的直径。
[0011] 优选地，喷射器还包括与弹性管道联用的第一非变化管道，储气室限定在第一非 变化管道和弹性管道之间。
[0012] 优选地，喷射器还包括在燃料电池组以低功率水平运行时把气流输送到储气室中 的至少一个第一进口。
[0013] 优选地，喷射器还包括在燃料电池组以高功率水平运行时把气流从储气室排出的 至少一个第一进口。
[0014] 优选地，喷射器还包括安置在弹性管道周围以根据燃料电池组的功率水平改变几 何形状的至少一个塑形环。
[0015] 根据本实用新型的另一方面提供了一种装置，包括：喷射器，构造成从燃料供给 源接收主燃料流并且从燃料电池组接收再循环燃料流以提供输送至燃料电池组来生成电 能的混合流体流，喷射器包括根据燃料电池组的功率水平改变混合流体流的流量的弹性管 道。
[0016] 优选地，弹性管道构造成根据燃料电池组的功率水平增大或减小弹性管道的直 径。
[0017] 优选地，弹性管道进一步构造成在燃料电池组以高功率水平运行时增加弹性管道 的直径。
[0018] 优选地，弹性管道进一步构造成在燃料电池组以低功率水平运行时减小弹性管道 的直径。
[0019] 优选地，喷射器还包括与弹性管道联用的第一非变化管道，储气室限定在第一非 变化管道和弹性管道之间。
[0020] 优选地，喷射器还包括在燃料电池组以低功率水平运行时把气流输送到储气室中 的至少一个第一进口
[0021] 优选地，喷射器还包括在燃料电池组以高功率水平运行时把气流从储气室排出的 至少一个第一进口。
[0022] 优选地，喷射器还包括安置在弹性管道周围以根据燃料电池组的功率水平改变几 何形状的至少一个塑形环。
[0023] 根据本实用新型的再一方面提供了 一种车辆装置，包括：喷射器，构造成从燃料供 给源接收主燃料流并且从燃料电池组接收再循环燃料流以提供输送至燃料电池组来产生 能量的混合流体流，喷射器包括根据燃料电池组的功率水平调整自身的几何形状的弹性管 道。
[0024] 优选地，喷射器还包括与弹性管道联用的第一非变化管道，造成根据燃料电池组 的功率水平增大或减小的储气室限定在第一非变化管道和弹性管道之间。
[0025] 通过本实用新型的技术方案，可通过调节弹性管道来改变喷射器的工作范围，由 此可由单个喷射器代替多个喷射器的使用，从而降低成本、提高质量。

【专利附图】

【附图说明】
[0026] 本实用新型实施例的特殊性由所附权利要求指出。然而，通过结合附图参照以下 详细说明，各种实施例的其他特征将更加明显且可被最好地理解，其中：
[0027] 图1根据一个实施例示出了与燃料电池系统结合使用的装置；
[0028] 图2A至2E根据一个实施例示出了具有弹性管道的装置，处于不同工况的弹性管 道约束或实现主流和再循环流的流动；
[0029] 图3示出了根据另一个实施例的装置；
[0030] 图4示出了根据又一个实施例的装置；
[0031] 图5A示出了根据再一个实施例的装置；
[0032] 图5B和图5C示出了与图5A的装置结合使用的塑形环的侧视图；
[0033] 图6A示出了根据另一个实施例的装置；以及
[0034] 图6B示出了与图6A的装置结合使用的塑形环的侧视图。

【具体实施方式】
[0035] 根据需要，本实用新型的具体实施例公开于此；然而，应当理解，所公开的实施例 仅仅是本实用新型的实例，且可由各种替代形式实施。附图不一定按比例绘制，某些特征可 能被放大或者缩小来展示特定元件的细节。因此，本文所公开的特定构造和功能细节不应 认作限定，而仅仅作为教导本领域技术人员灵活使用本实用新型的代表性基础。
[0036] 众所周知，许多燃料电池被结合起来形成燃料电池组。这种电池组通常响应于将 氢气和氧气转化为水和能量的电化学反应来提供电流。该电流被用于为各种电气设备提供 电能。供给源通常向燃料电池组提供氢气（"供给源氢气"）。燃料电池组生成电能所使用 的氢气可少于供给源所提供的氢气。燃料电池组可排放未使用的氢气。喷射器接收由燃料 电池组所排放的未使用氢气，并将未使用氢气与供给源所产生的氢气混合，以维持到达燃 料电池组的氢气的流量。喷射器将供给源氢气和未使用氢气送至燃料电池组。未使用氢气 至燃料电池组的再循环可提高燃料效率。
[0037] 流经燃料电池组及产生电流所需的氢气量根据功耗的水平变化。在高功率模式 (或水平）下，由燃料电池组所排放的未使用氢气的量通常会很高，因为燃料电池组不得不 以相对更快的速度消耗更多的氢气，以满足更高的功率需求。在一个实例中，由燃料电池系 统所驱动的车辆在高速运行时可处于高功率模式。
[0038] 在低功率模式（或水平）期间，由燃料电池组所排放的未使用氢气的流量通常会 很低，因为燃料电池组以低速消耗氢气。由燃料电池系统所驱动的车辆会在车辆处于怠速 状态或以低于预定临界值的速度运行时处于低功率模式。
[0039] 无论是处于高功率模式还是处于低功率模式，通常都希望提供供给源氢气和再循 环的未使用氢气的混合物。上面提到的喷射器将供给源氢气流和未使用氢气流混合，并使 其能够被输送至燃料电池组。用于这种被动再循环的典型喷射器的壁壳的几何形状固定， 从而导致工作范围受限。混合腔室的固定几何形状会导致阻塞或者受限的二次或再循环氢 气（未使用氢气）流动。由于一个喷射器的工作范围有限，系统设计会要求多个喷射器来 满足更宽的工作范围需求（举例来说，通常是4 : 1调节比）。这个条件可影响成本、质量 和稳定性。本文所例举的实施例可使得在燃料电池系统中能够使用单个喷射器。
[0040] 举例来说，单个喷射器可结合包括弹性管道的管道使用，以使该管道的几何形状 可由外部控制改变。在这种情况下，相较于一般喷射器的工作范围，喷射器可进一步扩大工 作范围。在用于燃料电池系统中时，单个喷射器连同弹性管道可取代对多个几何形状固定 的喷射器的需求。
[0041] 图1根据一个实施例示出了与燃料电池系统12结合使用的装置10。装置10可与 车辆内的燃料电池系统12结合使用。装置10可为喷射器或者其他合适的装置。装置10 包括喷嘴14和非变化（或固定）管道16,用于向燃料电池系统12内的燃料电池组17提供 主燃料流（"主流"）和再循环燃料流（"再循环流"）。装置10的第一进口 13从燃料供给 源（或氢气供给源）接收主流。装置10的第二进口 15接收来自燃料电池组17的再循环 流。
[0042] 燃料罐阀（未示出）可控制主流的供给，压力调节器（未示出）可调节主流的压 力。燃料电池组可包括用于排出主流中未使用部分的出口。正如上面所提到的，燃料电池 组不可能消耗全部主流。因此，主流的未使用部分可再循环返回燃料电池组。主流的未使 用部分通常被定义为再循环流。260号专利中阐述了将主流提供至燃料电池组的方式以及 生成再循环流的方式的实例，其全部内容结合于此作为参考。
[0043] 喷嘴14引导主流进入管道16。当主流离开喷嘴14时，其会和用于与主流混合以 提供混合流的再循环流共同作用。该混合流（举例来说，主流和再循环流）被输送至燃料 电池组，用于产生能量。通常希望确保再循环流连同主流被提供至燃料电池组，以提高燃料 效率并提供额外加湿的燃料流。
[0044] 管道16通常包括第一段18和第二段20。第一段18包含实体壁21 (或不变的管 道）和变化（或弹性）管道22。弹性管道22可由软塑料或其他合适的材料构成，以使其能 够变形。
[0045] 弹性管道22可通常为圆柱形，并在非变化管道16内定义了内径（dl)，该内径 (dl)可根据燃料电池系统12的不同运行特性而改变。这方面会在下写文更详细的讨论。 应当理解，弹性管道22的形状可呈现为多种形状或结构，而且管道22通常定义了开口，该 开口的大小可根据燃料电池系统12的运行特性而变化。如果弹性管道22并非一般的圆柱 形，那么可认为弹性管道22通常包括在其间定义了开口的弹性壁。弹性管道22通常防渗 透，以防止混合流从其间通过。第二段20也包括实体壁21 (或非变化管道）。
[0046] 非变化管道21和弹性管道22通常界定了储气室24,其从气体供给源26接收气 体。所述气体可为氢气、空气、氮气等。一般而言，气体供给源26可为同样提供主流的氢气 供给源。通常，在储气室24内添加气体会引起弹性管道22向内移动，从而减小内径（或开 口）。这种状况引起弹性管道22几何形状的改变。相反，可将气体从储气室24移除以引起 弹性管道22向外移动，从而增大内径（或开口）。这种状况也会引起弹性管道22的几何形 状的改变。气体供给源26可为同时向燃料电池组提供阴极电子流的空气供给源。气体供 给源26也可为向燃料电池组提供阳极电子流（或主流）的加压氢气供给源。进口 28布置 在第一段18内，用于向储气室24提供从气体供给源26接收的气体。
[0047] 气体输送装置（或多端口双向电流体致动器）30设置在气体供给源26和进口 28 之间。在一个实例中，气体输送装置30可包含泵或其他适宜的装置，在使用空气移动弹性 管道22时，所述泵或者其他适宜的装置用于增加空气的压力。在另一实例中，气体输送装 置30可包含阀和/或压力调节器，从而在使用氢气移动弹性管道22时提供氢气。气体输 送装置30还可包括用于从储气室24移除气体的真空泵。在该实例中，真空泵可用于移除 空气、氢气、氮气等。
[0048] 控制器32可操作地连接至气体输送装置30,用于控制将气体输送至储气室24的 方式。控制器32可基于燃料电池系统12的不同运行特性来控制输送至储气室24的气体 量。一个或多个传感器34检测燃料电池系统12的运行特性，并提供表示这些特性的信号。 举例来说，当燃料电池系统12以低功率模式运行时，可期望增加输送至储气室24的气体 量，以便减小内径（或开口）来为混合流形成较窄流路。在该实例中，传感器34可测量由 燃料电池产生的电流和/或功率的量。控制器32可从传感器34接收表示所测量的电流 和/或功率的信号，当所测量的电流和/或功率低于预定量时，控制器32控制气体输送装 置30来向储气室24提供气体。在该实例中，燃料电池并不产生大量的功率或电流，因此也 不需要大量的氢气。因此，可减小开口来减小流路的面积。然而，为节约燃料，仍然有必要 将来自主流和再循环流的氢气混合。虽然直径（或开口）响应于弹性管道22向内变形而 减小，但该特征仍然能够使来自主流和再循环流的氢气混合在一起并输送至燃料电池。
[0049] 当燃料电池系统12以高功率模式运行时，可期望增大弹性管道22的直径（或开 口），以准许管道16中的混合流（举例来说，主流和再循环流之内的氢气）的量增加。在该 实例中，传感器34可向控制器32传输表明电流和/或功率超过预定量的信号，使得气体输 送装置30能够移除储气室24内的气体来增加弹性管道22的直径（或开口）。这种状况 使得来自主流和再循环流的氢气能够混合在一起并输送至燃料电池。虽然功率或电流可作 为向储气室24提供气体或从储气室24移除气体以引起弹性管道22向内或向外变形从而 改变直径（或开口）的指标，但是可以想到，针对该目的，还可使用或监控其他的运行特性。 举例来说，可使用燃料电池组的温度来确定向储气室24提供（或从其移除）的气体量。
[0050] 图2A至2E根据一个实施例示出了具有弹性管道22的装置10,处于不同工况的弹 性管道22约束或实现主流和再循环流的流动。
[0051] 图2A示出了处于最大张开状态的弹性管道22的内径（或开口）。换句话说，储气 室24中的气体不足以引起弹性管道22变形。这种状况可表明燃料电池系统12正处于使 流向燃料电池组的主流和再循环流达到最大流量的高功率模式。图2A提供了曲线图36,其 中，X轴为主流的压力且y轴为再循环流的质量流量。如曲线图36所示，在这种状态中，主 流的压力和再循环流的质量流量处于最大值。
[0052] 图2B至2E大致示出了弹性管道22的内径（或开口）从其最大张开状态逐步移 动到大致关闭状态的状况。举例来说，图2E示出储气室24的容积中完全充满了由气体供 给源26所提供的气体以引起弹性管道22完全向内变形来限制氢气流动的状况。这种状况 可表明燃料电池系统12正处于低功率模式。在一个实例中，弹性管道22的最大直径（或 开口）可变化到1毫米，1毫米对应于燃料电池组处于高功率模式时的最大直径。应当理 解，弹性管道22的最大直径（或开口）可根据特定实施例的所需标准而改变。
[0053] 图3根据另一实施例示出了装置10'。装置10'通常示出了用于从气体供给源 26接收气体的多个进口 28a至28η。控制器32可选择性地控制输送装置来向进口 28a至 28η中的一个或多个输送气体。使用多个进口 28a至28η可提高对管道22的形状的控制水 平。同样地，控制器32可控制输送装置30以经由进口 28a至28η从储气室24移除气体。 调整弹性管道22在管道16内的位置可改变喷嘴14相对于该管道中最狭窄区域的位置，如 此能够通过限制主流和再循环流混合时的可用区域来控制混合流的成分。
[0054] 图4根据另一实施例示出了装置10"。弹性管道22包含能使管道22参照尺寸 改变形状的材料。这种状况通常在29处示出。举例来说，29处的视图表示管道22的仰视 图，该视图演示出管道22的形状可从大致圆形图案变化为大致椭圆形图案，反之亦然。举 例来说，在向储气室24添加气体的情况下，管道22可将其形状改变为减少氢气的流量的圆 形。相反，在从储气室24移除气体的情况下，管道22可将其形状从圆形图案改变为大致椭 圆形图案，以增加氢气的流量。
[0055] 图5Α根据另一实施例示出了装置10"'的不同视图。装置10"'通常包括围绕 弹性管道22的一个或多个塑形环38a至38η( "38"）。电机组件40包括多个电机（举例 来说，伺服电机）42a至42η ( "42")，用于控制塑形环38的打开或关闭，从而增大或减小弹 性管道22的直径。举例来说，塑形环38可围绕弹性管道22安置（见图5Β和图5C)，当要 求限制混合流的流量时（举例来说，当燃料电池组处于低功率模式时），塑形环38可对弹 性管道22的外部施加作用力以关闭弹性管道22。根据燃料电池系统12的运行特性（举 例来说，由燃料电池组所产生的电流/功率或燃料电池系统12内的温度），控制器32可控 制电机组件40以使塑形环38向弹性管道22的外部施加作用力。相反，根据燃料电池系统 12的运行特性（举例来说，由燃料电池组所产生的电流/功率或燃料电池系统12内的温 度），控制器32可控制电机组件40以使塑形环38张开，从而能够使弹性管道22的直径增 大，以便准许来自主流和再循环流的氢气的流量增加。
[0056] 所使用的塑形环38的数量可根据弹性管道22的性能而变化。塑形环38可被封 闭在第一段18之内，以减轻塑形环38处的渗漏。实体壁21和弹性管道22通常界定了用 于容纳塑形环38并防止气体渗漏的环腔44'。
[0057] 图6A根据另一实施例示出了装置10""。定心装置46设置在弹性管道22之内， 用于将塑形环38中心定位。在装置10""内的塑形环38(见图6B)通常布置为弹性皮带， 用于向弹性管道22的外部施加作用力，以限制来自主流和再循环流的氢气的流量。电机42 均可实现为线性布置的多级马达，每个电机均可连接到塑形环38 (举例来说，弹性皮带）以 控制塑形环38的运动。
[0058] 根据燃料电池系统12的运行特性（举例来说，由燃料电池组所产生的电流/功率 或燃料电池系统12内的温度），控制器32可控制电机组件40以使塑形环38向弹性管道 22的外部施加作用力。相反地，根据燃料电池系统12的运行特性（举例来说，由燃料电池 组所产生的电流/功率或燃料电池系统12内的温度），控制器32可控制电机组件40以使 塑形环38张开，从而能够使弹性管道22的直径增大，以准许来自主流和再循环流的氢气的 流量的增加。
[0059] 定心装置46可包含至少两个相对的弹簧（未示出），以确保在弹性管道22的直径 根据燃料电池系统12的运行特性而增大或减小时，弹性管道22保持与喷射器14的对中。 如图6B所示，电机42可在48处拉动塑形环38 (或皮带），以减小弹性管道22的直径。当 塑形环38被拉动时，弹性管道22的直径减小，然而，也可将弹性管道22朝向48拉动。在 该实例中，定心装置46配置成使得弹性管道22内的通道（或开口）大致与喷嘴14中心对 齐。可以想到，所使用的塑形环38的数量可改变，而且每个塑形环38可被独立调整以在弹 性管道22内产生不同的直径或开口。塑形环38可被放置在环腔44'中以防止气体渗透。
[0060] 尽管上面描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本实用新型的所 有可能形式。相反，此说明书里的措辞仅仅是描述性措辞而非限制性措辞，应当理解，可进 行各种改变而不偏离本实用新型的主旨和范围。此外，多种可执行实施例的特征可结合起 来形成本实用新型的其它实施例。
【权利要求】
1. 一种用于向燃料电池组输送主燃料流的装置，所述燃料电池组排放再循环燃料流， 其特征在于，所述装置包括： 喷射器，构造成从燃料供给源接收所述主燃料流并从所述燃料电池组接收所述再循环 燃料流以提供输送至所述燃料电池组的混合流体流，所述喷射器包括根据所述燃料电池组 的功率水平改变所述混合流体流的流量的弹性管道。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷射器包括接收所述主燃料流的第 一进口。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述喷射器还包括接收所述再循环燃料 流的第二进口，所述第一进口不同于所述第二进口。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷射器还包括与所述弹性管道联用 的第一非变化管道，储气室限定在所述第一非变化管道和所述弹性管道之间。
5. -种车辆装置，其特征在于，包括： 喷射器，构造成从燃料供给源接收主燃料流并且从燃料电池组接收再循环燃料流以提 供输送至所述燃料电池组来生成电能的混合流体流，所述喷射器包括根据所述燃料电池组 的功率水平改变所述混合流体流的流量的弹性管道。
6. 根据权利要求5所述的车辆装置，其特征在于，所述喷射器还包括与所述弹性管道 联用的第一非变化管道，储气室限定在所述第一非变化管道和所述弹性管道之间。
7. 根据权利要求6所述的车辆装置，其特征在于，所述喷射器还包括在所述燃料电池 组以低功率水平运行时把气流输送到所述储气室中的至少一个第一进口。
8. 根据权利要求6所述的车辆装置，其特征在于，所述喷射器还包括在所述燃料电池 组以高功率水平运行时把气流从所述储气室排出的至少一个第一进口。
9. 根据权利要求5所述的车辆装置，其特征在于，所述喷射器还包括安置在所述弹性 管道周围以根据所述燃料电池组的功率水平改变几何形状的至少一个塑形环。
10. -种车辆装置，其特征在于，包括： 喷射器，构造成从燃料供给源接收主燃料流并且从燃料电池组接收再循环燃料流以提 供输送至所述燃料电池组来产生能量的混合流体流，所述喷射器包括根据所述燃料电池组 的功率水平调整自身的几何形状的弹性管道。
【文档编号】H01M8/04GK203910914SQ201420033840
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2013年1月25日
【发明者】柯特·大卫·奥斯本, 马克·A.·佩尔兰, 米洛斯·米拉契奇 申请人:福特环球技术公司