用于燃料电池系统的氢供给和再循环装置技术领域
本发明涉及用于燃料电池系统的氢供给和再循环装置，且更具体
地，涉及向电池堆供应来自氢储罐中的氢和从堆排放出的未反应的再
循环氢的用于燃料电池系统的氢供给和再循环装置。
背景技术
通常，燃料电池系统包括产生电能的燃料电池堆、将新燃料(氢)
和再循环氢供应到燃料电池堆的燃料供应系统、将空气中的氧气作为
电化学反应所需的氧化剂供应到燃料电池堆的空气供应系统、将燃料
电池堆的反应热排到系统外部且控制燃料电池堆的操作温度的冷却系
统等。
参考图1(现有技术)，在燃料电池系统的组件中的燃料供应系统
经配置以包括连接到氢储罐100上的氢供应线110、将在燃料电池堆(以
下称为“堆”)170中未反应的氢再循环的氢再循环线120、安装在堆
入口130与氢再循环线120相遇点以便将新的氢和再循环氢泵送并供
应到燃料电池堆正极的喷射器140a和140b、安装在堆入口130上且测
量氢和空气压力的堆入口侧压力传感器150、安装在氢供应线110上的
调节器160等。
这里，喷射器140a和140b通过喷嘴用来将从氢存储罐100供应
的压缩氢喷射到堆，并产生真空吸力且通过真空吸力接收从燃料电池
堆排出的未反应氢，并将接收的未反应氢再循环到堆。
在燃料电池系统中，鼓风机可用作氢再循环的装置，但是鼓风机
的缺点是作为马达类的致动器其价格昂贵，且鼓风机的轴承或其他部
件很可能将被再循环气体的冷凝水腐蚀，且另外存在如下问题，当鼓
风机的旋转部件被冷凝水凝固时，需要通过加热器将凝固的旋转部件
融化，使复杂性显著增加。
为了解决以上问题，喷射器被用作将新的氢和再循环氢供应到堆
的装置。
喷射器喷出大约100barg的氢，其从氢储罐流到高压调节器的后
端且产生氢再循环所需的动力(真空吸力)以来自氢储罐的新的氢和
来自堆的再循环的氢供应到堆，但是当喷射器的喷嘴直径增加时，喷
出速度降低，结果吸力性能显著退化。
由于这样的原因，减小喷射器的喷嘴尺寸在氢供应性能中是有利
的，但是喷嘴颈的区域需要较大以便供应具有大载荷的大流量。
因此，如图1所示，具有大喷嘴颈的喷射器140a与具有小喷嘴颈
的喷射器140b一起设置在堆入口130与氢再循环线120的相遇点处。
结果，根据作用在喷射器上的氢流载荷，当载荷小时使用小喷射
器140b，且当载荷大时选择性地使用大喷射器140a。
然而，由于需要用于选择喷射器的分离阀或控制装置且需要被两
个喷射器占用的空间问题，因此存在缺点。
为了解决以上的问题，本申请人已经提出，在燃料电池系统的喷
射器中，将大喷嘴与小喷嘴结合到一个导阀中，因此，根据流动控制
阀的下游氢压力自动选择小喷嘴和大喷嘴(韩国专利申请第
10-2014-0058698号(2014年5月16日))。
然而，因为大喷嘴与小喷嘴被设置在导阀的狭窄空间内的外径部
和内径部中，其具有组装过程复杂的缺点，具有大喷嘴与小喷嘴一起
暴露在高速氢气中的缺点，结果，在每一个喷嘴中都发生压力损失，
并进一步地，问题在于小喷嘴随着高速氢气一起震动而产生噪音。
在本背景部分公开的以上信息仅为了增强对本发明背景技术的理
解，因此可包含并不形成对本领域的普通技术人员来说已知的现有技
术的信息。
发明内容
本发明提供用于燃料电池系统的氢供给和再循环装置，当氢供应
压力低时，其能够通过第一喷嘴向堆供应氢，且当氢供应压力高时，
其能够通过使用柯恩达效应(Coanda Effect)的、不同于第一喷嘴的第
二喷嘴向堆供应氢，以通过燃料电池的整个操作区域满足所需要的氢
供应量且防止喷嘴震动和噪音产生。
一方面，本发明提供用于燃料电池系统的氢供给和再循环装置，
其包括：具有氢供应路径的第一氢供应块，来自氢储罐的氢经过该氢
供应路径；装配到该第一氢供应块的顶部以打开/关闭氢供应路径的流
动控制阀；设置为具有第一氢分支路径和第二氢分支路径的结构的第
二氢供应块，该第一氢分支路径和第二氢分支路径与第一氢供应块的
氢供应路径相连通，且第二氢供应块装配到第一氢供应块的底部；设
置为具有用于从堆中引入再循环氢的再循环氢入口的结构的再循环氢
供应块，且该再循环氢供应块装配到第二氢供应块的底部；贯穿第二
氢分支路径的端部和再循环氢供应块的顶部而安装的导阀；安装在第
一氢分支路径的端部上且设置在再循环氢供应块的中心处的第一喷
嘴；及具有第二喷嘴以及混合路径和扩散路径的混合扩散管，该第二
喷嘴插入且安装在再循环氢供应块的近端上且在混合扩散管的后部从
导阀通过使用柯恩达效应喷射氢，该混合路径和扩散路径在混合扩散
管的前端处将从第一喷嘴和第二喷嘴喷射的氢供应到堆。
在优选的实施方式中，导阀可包括中空轴套和阀片，该中空轴套
设置为其中在导阀的外周表面上形成有氢通过凹槽的中空结构，且该
中空轴套承坐在于再循环氢供应块的顶部上形成的安装孔内，该阀片
插入中空轴套以经由弹簧弹性还原，从而打开/关闭第二氢分支路径。
在另一个优选实施方式中，在所述再循环氢供应块的顶部形成的
安装孔的较低内径中，可形成有中空轴套承坐在其上的悬挂颚。
在又一个优选实施方式中，在第一氢分支路径的端部处可形成延
伸到再循环氢供应块的内径中心的延伸管，且第一喷嘴安装在该延伸
管的端部上。
在另一个优选实施方式中，第一喷嘴可设置在使用柯恩达效应的
第二喷嘴的中心处。
在又一个优选实施方式中，第二喷嘴可形成为显示出柯恩达效应
的弯曲形状，以便转换方向且将氢从导阀喷射到混合扩散管的内径，
并且第二喷嘴沿圆周方向在混合扩散管的后端处一体形成。
在进一步的优选实施方式中，在再循环氢供应块的内径部分中可
一体形成引导间壁，该引导间壁与第二喷嘴形成具有预定间隔的氢通
过间隙。
在又一个优选实施方式中，在第二喷嘴中可进一步形成沿圆周方
向以等间隔形成的多个狭缝洞，以便控制氢喷射量。燃料电池系统可
包括：氢供给和再循环装置，其包括：具有氢供应路径的第一氢供应
块，来自氢储罐的氢经过所述氢供应路径；装配到所述第一氢供应块
以打开/关闭所述氢供应路径的流动控制阀；设置为具有第一氢分支路
径和第二氢分支路径的结构的第二氢供应块，所述第一氢分支路径和
所述第二氢分支路径与所述第一氢供应块的氢供应路径相连通，且所
述第二氢供应块装配到所述第一氢供应块；设置为具有用于从堆中引
入再循环氢的再循环氢入口的结构的再循环氢供应块，且所述再循环
氢供应块装配到所述第二氢供应块；贯穿所述第二氢分支路径和所述
再循环氢供应块而安装的导阀；安装在所述第一氢分支路径上且设置
在所述再循环氢供应块的中心处的第一喷嘴；及具有第二喷嘴以及混
合路径和扩散路径的混合扩散管，所述第二喷嘴插入且安装在所述再
循环氢供应块的近端上且在所述混合扩散管的后部从所述导阀通过使
用柯恩达效应喷射氢，所述混合路径和所述扩散路径在所述混合扩散
管的前端处将从所述第一喷嘴和所述第二喷嘴喷射的氢供应到所述
堆。
通过以上提到的问题解决方案，本发明提供以下效果。
第一，在低载荷操作条件(当氢压力低时)，新的氢可通过第一
喷嘴供应到堆，且再循环氢可容易地由第一喷嘴的喷射压力一起供应
到堆。
第二，在中/高载荷操作条件(当氢压力高时)，新的氢可通过使
用柯恩达效应的第二喷嘴供应到堆，该第二喷嘴不同于第一喷嘴，且
再循环氢可容易地由第一喷嘴和第二喷嘴的喷射压力一起供应到堆。
第三，因为第一喷嘴并不暴露于高速氢气中且第二喷嘴可通过使
用柯恩达效应甚至对高速氢气维持强硬状态，所以可防止喷嘴震动和
噪音产生。
本发明的其他方面和优选实施方式在下文讨论。
附图说明
本发明的以上与其他特征现在将参考在附图中图示说明的某些示
例性实施方式而详细描述，附图仅以举例说明的方式在以下给出，因
此并不限制本发明，其中：
图1(现有技术)是示出用于燃料电池系统的燃料供应系统的基本
构成的示意图；
图2是用于描述柯恩达效应的示意图；
图3是示出根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给和再循环装
置的截面图；
图4和图5是示出根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给和再
循环装置的操作状态的截面图；
图6是示出在根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给和再循环
装置的第二喷嘴中形成的狭缝洞的示意图；
图7A到图7D是示出在根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给
和再循环装置的第二喷嘴中形成狭缝洞的实施方式的示意图；以及
图8A与图8B是示出在根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给
和再循环装置中，当第一喷嘴位于第二喷嘴的中心处时和当第一喷嘴
不位于第二喷嘴的中心处时的氢流速的速率分布图。
应该理解，附图并不一定按照比例绘制，而仅仅是呈现用于说明
本发明基本原理的各种优选特征的某些简化表示。如本文公开的特定
设计特征，包括诸如特定尺寸、方向、位置、及形状将由特定的既定
应用及使用环境而部分地确定。
在附图中，各图的附图标记指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各种实施方式，其实施例在附图中图示
并在下面描述。尽管本发明将结合示例性的实施方式进行描述，但是
应该理解本说明书并不旨在将本发明限制在那些示例性实施方式。相
反，本发明旨在不仅涵盖示例性实施方式，而且涵盖各种替换、修改、
等同方式和其他实施方式，其可包括在所附权利要求定义的本发明的
精神与范围内。
可以理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似
术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽
车、卡车、各种商用车辆的客车，包括各种船和舰艇的水运工具，飞
行器等等，且包括混合动力车辆、电动力车辆、插电式混合电动车辆、
氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，来自非石油资源的燃料)。
如本文所述的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例
如既有汽油动力又有电动力的车辆。
本文所用的术语仅仅是为了描述特定实施方式，而并非旨在限制
本发明。如本文所使用，除非上下文另外明确指出，单数形式“一种”、
“一个”和“该”也旨在包括复数形式。将进一步理解，当在本说明
书中使用时，术语“包括”和/或“含有”指明存在所述的特征、整数、
步骤、操作、要素、和/或组件，但并不排除存在或加入一个或更多其
他的特征、整数、步骤、操作、要素、组件、和/或其组合。如本文所
使用，术语“和/或”包括一个或更多相关所列项目的任何和所有组合。
贯穿本说明书，除非明确有相反描述，单词“包括”与其变体例如“包
含”或“含有”将理解为暗示包含所述要素但是并不排除任何其他的
要素。此外，本说明书中描述的术语“装置”、“器”、“机”、以
及“模块”都意味着用于处理至少一个功能和操作的装置，且能够通
过硬件或软件及其组合实施。
此外，本发明的控制逻辑可实施为计算机可读媒介上的非瞬时性
计算机可读介质，计算机可读介质包含由处理器、控制器等执行的可
执行程序指令。计算机可读介质的实例包括，但不限于，ROM、RAM、
光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光数据存储
装置。计算机可读媒介也可分布在连接计算机系统的网络中以便计算
机可读媒介以分布式方式存储和执行，例如，通过远程信息处理服务
器或控制器局域网(CAN)。
以下，将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。
第一，以下描述柯恩达效应以便帮助理解本发明。
参考图2，当流体(例如水)成直线流下时，如果弯曲的机构(例
如匙)接触流体，那么流体的流动方向沿着结构的弯曲表面改变，这
样的现象被称为柯恩达效应。
本发明提供具有复杂喷嘴类型的用于燃料电池系统的氢供给和再
循环装置，在复杂喷嘴类型中，将普通第一喷嘴与利用柯恩达效应的
第二喷嘴结合。
在此，根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给和再循环装置的
构造将在下面详细描述。
图3是示出根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给和再循环装
置的截面视图。
在图3中，附图标记10表示第一氢供应块10，氢从氢储罐供应到
第一氢供应块10中。
来自氢储罐100的氢所经过的氢供应路径12，在第一氢供应块10
中形成。
此外，控制氢供应流的流动控制阀20安装在第一氢供应块10的
顶部，且流动控制阀20的活塞22用于打开/关闭第一氢供应块10的氢
供应路径。
更详细地，流动控制阀20通过电信号执行活塞22的上升与下降
操作，且根据活塞22的上升或下降操作控制第一氢供应块10的氢供
应路径12的开启水平。
第二氢供应块30安装在第一氢供应块10的底部以能够连通，结
果，第二氢供应块30设置为如下结构：其中，在第二氢供应块30中
垂直地形成第一氢分支路径32和第二氢分支路径34，它们与第一氢供
应块10的氢供应路径12相连通。
因此，经过第一氢供应块10的氢供应路径12的氢以分布方式流
到第一氢分支路径32和第二氢分支路径34。
再循环氢供应块40组装到第二氢供应块30的底部，结果，再循
环氢供应块40设置为如下结构：其中，用于从堆引入再循环氢的再循
环氢入口42水平地透过。
此外，与第二氢分支路径34重合的安装孔44透过第二氢供应块
30的顶部，且当在安装孔44中氢压力较高时，安装导阀50，其执行
打开操作以使氢通过。
导阀50由中空轴套54和插入到中空轴套54内并经由弹簧56弹
性还原的阀片58构成。
更详细地，承坐在安装孔44(于再循环氢供应块40的顶部形成)
中的中空轴套54设置为中空的结构，其中在中空轴套54的外周表面
上形成氢通过凹槽52，且阀片58插入中空轴套54内以经由弹簧56弹
性还原，用于打开/关闭第二氢分支路径34。
在这种情况下，支撑中空轴套54的底部外周部分的悬挂颚46一
体形成，以便中空轴套54稳定地承坐在再循环氢供应块40的安装孔
44的较低内径上。
因此，当氢压力以预定水平或更高作用于阀片58上时，阀片58
下降，同时压缩弹簧56以打开第二氢分支路径34，随后来自第二氢分
支路径34的氢通过中空轴套54的氢通过凹槽52流向将在下面描述的
第二喷嘴72。
相反，当氢压力以预定水平或更低作用于阀片58上时，阀片58
不下降且第二氢分支路径34由于弹簧56的弹性恢复力而继续关闭。
同时，设置在再循环氢供应块40的内径中心处的第一喷嘴60，安
装在第二氢供应块30的第一氢分支路径32的端部上，且第一喷嘴60
用于从第一氢分支路径32向混合扩散管70的混合路径74喷射氢。
优选地，在第一氢分支路径32的端点处形成延伸到再循环氢供应
块40的内径中心的延伸管36，且第一喷嘴60安装在延伸管36的端部。
更具体地，第一喷嘴60设置在使用柯恩达效应的第二喷嘴72的
中心(混合扩散管内径的中心)处。
这里，混合扩散管70插入且安装到再循环氢供应块40的近端。
具体地，在混合扩散管70的后端上形成第二喷嘴72，该第二喷嘴
72插入且安装到再循环氢供应块40的近端并使用柯恩达效应从导阀
50喷射氢。
此外，具有直横截面的混合路径74和具有逐渐扩大直径的扩散路
径76在混合扩散管70的后端处连续形成，混合路径74将从第一喷嘴
60和第二喷嘴72喷射的氢供应到堆。
第二喷嘴72以显示出柯恩达效应的曲线形状形成，以便通过将氢
的方向转换为向着混合扩散管70的内径而喷射通过导阀50的氢，并
且第二喷嘴72一体形成在混合扩散管70的后端处的外周方向。
在这种情况下，在再循环氢供应块40的内径部分中一体形成引导
间壁(guide partition)48，其形成与第二喷嘴72具有预定间隔的氢通
过间隙C。
因此，通过导阀50垂直流下的氢沿着具有弯曲形状(其显示出柯
恩达效应)的第二喷嘴72转换，且经过第二喷嘴72与引导间壁48之
间的氢通过间隙C，此后向混合扩散管70的混合路径74喷射。
这里，具有该构造的根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给和
再循环装置的操作流程将在下面描述。
低载荷操作
图4是示出根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给和再循环装
置的操作状态的截面视图，其处于低载荷操作。
第一氢供应块10的氢供应路径12的打开/关闭程度根据流动控制
阀20(图3示出)的活塞的上升/下降长度而增加/降低，且氢供应路径
12的下游氢流压力也增加/降低。
即，当氢供应路径12的开启水平较小时，下游氢流压力降低，且
当开启水平较大时，下游氢流压力也增加。
因此，当燃料电池系统处于低载荷操作时，流动控制阀20的活塞
22由电信号下降，结果，氢供应路径12的开启水平被控制为较小。
因此，当氢从氢储罐供应到第一氢供应块10时，氢经过开启水平
被控制为较小的氢供应路径12，流动到第二氢供应块30的第一氢分支
路径32和第二氢分支路径34。
当经过氢供应路径12的氢流压力小时，导阀50的阀片58由弹簧
56的弹性还原力而继续关闭第二氢分支路径34。
随后，经过氢供应路径12的氢沿着第一氢分支路径32流动，此
后通过第一喷嘴60向混合扩散管70的混合路径74喷射。
在这种情况下，引入到再循环氢供应块40的再循环氢入口42的
再循环氢(未反应且从堆排出的氢)由来自第一喷嘴60喷射的氢的喷
射压力一起向混合扩散管70的混合路径74喷射。
因此，从第一喷嘴60喷射的氢和引入到再循环氢入口42的再循
环氢在混合扩散管70的混合路径74中混合，此后通过扩散路径76供
应到堆中。
高载荷操作
图5是示出根据本发明的用于燃料电池系统的氢供给和再循环装
置的操作状态的截面视图，其处于高载荷操作。
当燃料电池系统处于中/高载荷操作时，流动控制阀20的活塞22
根据电信号上升/下降，结果，氢供应路径12的开启水平控制为较大。
因此，当氢从氢储罐供应到第一氢供应块10时，氢经过开启水平
被控制为较大的氢供应路径12，流到第二氢供应块30的第一氢分支路
径32和第二氢分支路径34。
在这种情况下，因为经过氢供应路径12的氢动压力较大，当导阀
50的阀片58下降，同时压缩弹簧56以打开第二氢分支路径34时，来
自第二氢分支路径34的氢通过中空轴套54的氢通过凹槽52向第二喷
嘴72流动。
随后，通过中空轴套54的氢通过凹槽52垂直流下的氢沿着具有
曲线形状(其显示出柯恩达效应)的第二喷嘴72而方向转换，且经过
第二喷嘴72与引导间壁48之间的氢通过间隙C，此后向混合扩散管
70的混合路径74喷射。
同时，经过氢供应路径12的氢沿着第一氢分支路径32流动，此
后通过第一喷嘴60向混合扩散管70的混合路径74喷射。
在这种情况下，引入再循环氢供应块40的再循环氢入口42的再
循环氢(未反应且从堆排出的氢)，由来自第一喷嘴60和第二喷嘴72
喷射的氢的喷射压力一起向混合扩散管70的混合路径74喷射。
因此，从第一喷嘴60和第二喷嘴72喷射的氢与引入到再循环氢
入口42的再循环氢在混合扩散管70的混合路径74中混合，此后通过
扩散路径76供应到堆中。
同时，如图8A所示，当氢仅从使用柯恩达效应的第二喷嘴72喷
射而不从第一喷嘴60喷射时，在混合扩散管70中氢在外部的流速比
在中心高，结果，向堆的氢供应效率可能下降。
相反，如图8B所示，当氢既从第一喷嘴60又从使用柯恩达效应
的第二喷嘴72喷射时，在混合扩散管70中氢在中心的流速比在外部
高，结果，氢可平稳地供应到堆。
因此，当第一喷嘴60与使用柯恩达效应的第二喷嘴72结合时，
向堆的氢供应效率可增加，为此，第一喷嘴60可设置在使用柯恩达效
应的第二喷嘴72的中心(混合扩散管内径的中心)处。
在此，如本发明另一个实施方式，如图6所示，在第二喷嘴72中
沿圆周方向以相等间隔进一步形成多个狭缝洞78，以便控制氢喷射量。
形成狭缝洞78的原因在下面描述。
在第二喷嘴72与引导间壁48之间的氢通过间隙C通常确定为接
近0.1mm到0.25mm的水平，结果，氢再循环气体的蒸气可在燃料电
池系统停止后在小间隙C中冷凝和冻结，而且就生产力来说精确地管
理小间隙尺寸十分困难。
就这一点，在第二喷嘴72中形成多个狭缝洞78，以便确保第二喷
嘴72与引导间壁48之间的氢通过间隙C。
在这种情况下，狭缝洞78的形成间隔和数量可根据第二喷嘴72
与引导间壁48之间的氢通过间隙C确定。
例如，如图7A-7D所示，当氢通过间隙C具有0.1mm的尺寸时，
在第二喷嘴72内形成多个狭缝洞78，形成大约20到30度的间隔；当
氢通过间隙C具有0.15mm尺寸时，在第二喷嘴72内形成狭缝洞78，
形成大约60度的间隔；当氢通过间隙C具有0.2mm尺寸时，在第二
喷嘴72内形成狭缝洞78，形成大约90度的间隔；且当氢通过间隙C
具有0.25mm尺寸时，在第二喷嘴72内形成狭缝洞78，形成大约120
度的间隔。
如上所述，提供用于燃料电池系统的氢供给和再循环装置，其具
有复杂的喷嘴类型，其中将执行一般喷射操作的第一喷嘴与使用柯恩
达效应的第二喷嘴结合，以在整个燃料电池的全部操作区域满足堆所
需的氢供应量，并防止在现有技术中的喷嘴震动和产生噪音的问题。
本发明已经参考其优选实施方式详细描述。然而，本领域的技术
人员将明白，在这些实施方式中可做出改变而不偏离本发明的原理与
精神，其范围在所附权利要求及它们的等同方式中定义。