CN101267044A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统(10)，在端盖(62b)上一体地安装加湿器(36)。设于端盖(62)上的流体用配管例如氧化剂气体入口歧管(98a)的配管连接部(102a)、和构成加湿器(36)的流体用配管例如加湿空气供给配管(38)的配管连接部(112a)经由大致环状的中间配管(116)连接。中间配管(116)在外周部经由周槽(118a、118b)安装有O形环(120a、120b)，所述O形环(120a)与配管连接部(102a)的内周面密接，另一方面，所述O形环(120b)与配管连接部(112a)的内周面密接。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具备层叠多个发电电池单元而成的燃料电池组、和利用加湿流体将向所述燃料电池组供给的至少一反应气体进行加湿的加湿器的燃料电池系统。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池具备利用隔板夹着电解质膜·电极构造体(电解质·电极构造体)的发电电池单元，该电解质膜·电极构造体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜(电解质)的两侧分别配设有阳极侧电极及阴极侧电极。这种燃料电池通常通过层叠规定数量的发电电池单元作为燃料电池组使用。
但是，在燃料电池中，为确保良好的离子传导性，需要将电解质膜维持在所希望的湿润状态。因此，氧化剂气体及燃料气体通常在向燃料电池供给前经加湿装置进行加湿。
例如特开2001-216983号公报中公开的燃料电池用加湿系统中，如图8所示，具备组1和加湿单元2。而且，通过使组1的连接面1a和加湿单元2的连接面2a重合，将所述组1和所述加湿机构一体地安装。
在组1的连接面1a上，燃料气体入口3a和燃料气体出口3b在一对角位置形成，并且供给气体入口4a和供给气体出口4b同样在另一对角位置形成。进而冷却水入口5a及冷却水出口5b分别在左右各边的大致中央部形成。
在加湿单元2的连接面2a，与组1对应，形成有燃料气体送出口3c、燃料气体吸入口3d、供给气体送出口4c、送出气体吸入口4d、冷却水送出口5c及冷却水吸入口5d。
这样，由于加湿单元2被一体安装在组1上，故可实现构造的简化，且能够容易地实现装置整体的小型化及轻量化。
但是，在所述燃料电池用加湿系统中，在组1的连接面1a重合地安装加湿单元2的连接面2a时，需要将所述组1的配管和所述加湿单元2的配管彼此正确地进行定位。
例如，通过将组1的燃料气体入口3a和加湿单元2的燃料气体送出口3c在同一轴上准确的定位，从而燃料气体可平滑地流动。
发明内容
本发明是鉴于这种要求而开发的，其目的在于，提供一种可用简单地构成将燃料电池组的流体用配管和加湿器的流体用配管良好且高精度地连接的燃料电池系统。
本发明涉及一种燃料电池系统，其具备：层叠多个发电电池而成的燃料电池组、利用加湿流体将供给向所述燃料电池组的至少一反应气体进行加湿的加湿器。该燃料电池系统中，设于燃料电池组的流体用配管和设于加湿器的流体用配管经由分体构成的中间配管连接。
根据本发明，由于燃料电池组侧的流体用配管和加湿器侧的流体用配管通过中间配管连接，故即使在所述流体用配管彼此之间产生轴心的偏差，例如也可以通过所述中间配管的倾动来吸收所述轴心的偏差。由此，可用简单的构成将燃料电池组的流体用配管和加湿器的流体用配管良好且高精度地连接，并且可靠地得到反应气体的圆滑的流动。
从与附图协同的如下的优良的实施的实施例的说明更明了所述的目的、特征及优点。
附图说明
图1是搭载本发明实施方式的车载用燃料电池系统的燃料电池车辆的概略侧面说明图；
图2是所述燃料电池系统的概略构成说明图；
图3是构成所述燃料电池组的发电电池的分解立体说明图；
图4是所述燃料电池组的从加湿器侧观察的立体说明图；
图5是所述加湿器及所述燃料电池组的立体说明图；
图6是所述加湿器的自安装侧看到的正面图；
图7是所述加湿器和所述燃料电池组的连接构造的说明图；
图8是特开2001-216938号公报的燃料电池用加湿系统的分解说明图。
具体实施方式
图1是搭载本发明实施方式的燃料电池系统10的燃料电池车辆12的概略侧面说明图，图2是所述燃料电池系统10的概略构成图。另外，图2中，为进行说明，后述的各构成要素的配置位置记载在与实际的配置位置不同的位置。实际的配置位置示于图1。
燃料电池系统10具备：燃料电池组14、用于向所述燃料电池组14供给冷却介质的冷却介质供给机构16、用于向所述燃料电池组14供给氧化剂气体(反应气体)的氧化剂气体供给机构18、用于向所述燃料电池组14供给燃料气体(反应气体)的燃料气体供给机构20。
燃料电池组14位于燃料电池车辆12的车宽方向中央，且将后述的层叠方向设定为车长方向(箭头L方向)，并且例如配置于中央托架22。
如图1及图2所示，冷却介质供给机构16具备在燃料电池车辆12的行进方向前侧(图1中箭头L1方向)配置的散热器24。在该散热器24上，经由制冷剂用泵26连接冷却介质供给配管28、和冷却介质排出配管30。冷却介质供给配管28及冷却介质排出配管30比燃料电池组14更靠近燃料电池车辆12的行进方向前侧配置。
氧化剂气体供给机构18具备与制冷剂用泵26邻近配置的空气用泵32。一端连接于该空气用泵32的空气供给配管34的另一端与加湿器36连接，并且，该加湿器36经由加湿空气供给配管38与燃料电池组14连接。在燃料电池组14和加湿器36上连接用于将已使用的氧化剂气体(下面称作废气)作为加湿流体供给的废气供给配管40。在加湿器36上，在经由废气供给配管40供给的废气的排出侧配设背压阀42(参照图2)。
燃料气体供给机构20具备贮存作为燃料气体的氢气的燃料气体罐(燃料罐)44。在该燃料气体罐44上连接燃料气体管45的一端，且在所述燃料气体管45上，经由遮断阀46、调节器48及喷射器50连接燃料气体的供给配管51，同时，将所述燃料气体供给配管51连接于燃料电池组14。
在燃料电池组14上连接排出已使用的燃料气体的排出燃料气体配管52。该排出燃料气体配管52经由返回配管54连接于喷射器50，且一部分与排气阀56连通。
燃料电池组14中，在车长方向即水平方向(箭头A方向)层叠多个发电电池单元60，并且在层叠方向的两端，经由未图示的接线板及绝缘板配设金属制端盖62a、62b。电力取出端子63a、63b从端盖62a、62b突出到层叠方向外侧，所述电力取出端子63a、63b与未图示的行进用电动机及辅助设备连接。
燃料电池组14具备包含沿垂直方向(箭头C方向)构成为长条(纵长)的四角形的端盖62a、62b作为端板的壳体64。
如图3所示，各发电电池单元60具备电解质膜·电极构造体(电解质·电极构造体)66、和夹持所述电解质膜·电极构造体66的薄板波形状的第一及第二金属隔板68、70，并且纵长地构成。另外，也可以使用例如碳隔板来代替第一及第二金属隔板68、70。
在发电电池单元60的长边方向(箭头C方向)的一端缘部，沿箭头A方向彼此连通地设置用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体供给连通孔72a、及用于供给燃料气体例如含氢气体的燃料气体供给连通孔76a。
在发电电池单元60的长边方向的另一端缘部，沿箭头A方向彼此连通地设置用于排出氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔72b及用于排出燃料气体的燃料气体排出连通孔76b。
在发电电池单元60的短边方向(箭头B方向)的一端缘部设置用于供给冷却介质的冷却介质供给连通孔74a，并且，在所述发电电池单元60的短边方向的另一端缘部设置用于排出冷却介质的冷却介质排出连通孔74b。冷却介质供给连通孔74a及冷却介质排出连通孔74b被设定为纵长形状。
电解质膜·电极构造体66例如具备在全氟代磺酸的薄膜中含浸有水的固体高分子电解质膜78和夹持所述固体高分子电解质膜78的阳极侧电极80及阴极侧电极82。
在面向第一金属隔板68的电解质膜·电极构造体66的面68a上形成将燃料气体供给连通孔76a和燃料气体排出连通孔76b连通的燃料气体流路84。该燃料气体流路84例如由沿箭头C方向延伸的槽部构成。在第一金属隔板68的面68b上形成将冷却介质供给连通孔74a和冷却介质排出连通孔74b连通的冷却介质流路86。该冷却介质流路86由沿箭头B方向延伸的槽部构成。
在面向第二金属隔板70的电解质膜·电极构造体66的面70a上例如设置由沿箭头C方向延伸的槽部构成的氧化剂气体流路88，并且，该氧化剂气体流路88与氧化剂气体供给连通孔72a和氧化剂气体排出连通孔72b连通。在第二金属隔板70的面70b上，与第一金属隔板68的面68b重合，一体地形成冷却介质流路86。图中未图示，根据需要在第一及第二金属隔板68、70上一体形成密封部件。
如图4所示，壳体64具备：作为端板的端盖62a、62b；配置于层叠的发电电池单元60的侧部的四片面板部件90a～90d；通过螺栓91将所述面板部件90a～90d相互邻近的端部之间连接的角铁部件92；将所述端盖62a、62b与所述面板部件90a～90d连接的长度各不相同的连接销94a、94b。面板部件90a～90d由薄板金属制板构成。
如图2所示，在端盖62a上设置冷却介质入口歧管96a、和冷却介质出口歧管96b。冷却介质入口歧管96a连通于冷却介质供给连通孔74a，另一方面，冷却介质出口歧管96b连通于冷却介质排出连通孔74b。冷却介质入口歧管96a及冷却介质出口歧管96b经由冷却介质供给配管28及冷却介质排出配管30与散热器24连通。
如图4所示，在端盖62b上设置与氧化剂气体供给连通孔72a连通的氧化剂气体入口歧管98a、与燃料气体供给连通孔76a连通的燃料气体入口歧管100a、与氧化剂气体排出连通孔72b连通的氧化剂气体出口歧管98b、及与燃料气体排出连通孔76b连通的燃料气体出口歧管100b。
氧化剂气体入口歧管98a、燃料气体入口歧管100a、氧化剂气体出口歧管98b、及燃料气体出口歧管100b分别具有薄壁圆筒状的配管连接部102a、103a、102b、103b。配管连接部102a、103a、102b及103b从端盖62b的面向层叠方向外侧突出形成。
如图5所示，在燃料电池组14的端盖62b上固定构成加湿器36的金属制壳体104。壳体104例如铸造成型，在与端盖62b相接的突缘部106中插有多个螺栓108。通过将螺栓108螺合于端盖62b，将壳体104固定于所述端盖62b。
在壳体104内上下排列收容第一及第二加湿部110a、110b。第一加湿部110a及第二加湿部110b与空气供给配管34和加湿空气供给配管38连接。第一加湿部110a及第二加湿部110b例如可采用空心丝加湿构造。在壳体104上，将构成燃料气体供给机构20的各辅助设备、例如遮断阀46、调节器48、喷射器50及背压阀42一体化。
如图6所示，在加湿空气供给配管38、废气供给配管40、燃料气体供给配管51及排出燃料气体配管52的端部分别设置薄壁圆筒状的配管连接部112a、112b、114a及114b。配管连接部112a、112b、114a及114b经由中间配管116分别与设于端盖62b的氧化剂气体入歧管98a、氧化剂气体出口歧管98b、燃料气体入口歧管100a及燃料气体出口歧管100b的各配管连接部102a、102b、103a及103b连接。
如图7所示，中间配管116具有大致圆筒状，并且在其外周部两端缘部经由周槽118a、118b安装O形环120a、120b。构成氧化剂气体歧管98a的配管连接部102a的内周径和构成加湿空气配管38的配管连接部112a的内周径被设定为大致同一直径，并且与中间配管116的外周面之间形成规定的间隙S。用于通过中间配管116的倾动来吸收配管连接部102a、112a之间的轴心的偏差。在配管连接部102a、112a的前端部内周面形成倒角(锥部)122a、122b。
中间配管116上，使一侧的O形环120a在配管连接部102a的内周面滑动接触，同时使另一侧的O形环120b在配管连接部112a的内周面滑动接触，将氧化剂气体入口歧管98a和加湿空气供给配管38连接。中间配管116的内径被设定为与氧化剂气体入口歧管98a、即氧化剂气体供给连通孔72a及加湿空气供给配管38的内径相同的尺寸。
另外，氧化剂气体出口歧管98b和废气供给配管40、燃料气体入口歧管100a和燃料气体供给配管51及燃料气体出口歧管100b和排出燃料气体配管52具有与所述氧化剂气体入口歧管98a和加湿空气供给配管38相同的关系，其详细的说明省略。
如图4所示，在端盖62b上设置规定数量的定位用定位销122，如图6所示，在壳体104的与所述端盖62b接合的面设定规定数量的所述定位销122嵌合的定位孔124。
另外，在本实施方式中，如图2所示，也可以在构成氧化剂气体供给机构18的空气供给配管23和构成燃料气体供给机构20的喷射器50的下游侧之间设置设有排气阀(未图示)，以将残存于燃料电池组14的燃料气体流路系统内的燃料气体排气(排气)。
下面，对该燃料电池系统10的动作进行说明。
首先，如图2所示，驱动构成氧化剂气体机构18的空气用泵32，吸引作为氧化剂气体的外部空气，将其导入空气供给配管34。该空气自空气供给配管34被导入加湿器36内，通过第一及第二加湿部110a、110b被供给到加湿空气供给配管38。
此时，如后述，向废气供给配管40供给作为反应所使用的氧化剂气体的废气。因此，废气中所含的水分向使用前的空气移动，将该使用前的空气加湿。加湿后的空气自加湿空气供给配管38通过端盖62a被供给到燃料电池组14的氧化剂气体供给连通孔72a。
另一方面，在燃料气体供给机构20，在遮断阀46的开放作用下，燃料气体罐44内的燃料气体(氢气)由调节器48降压，之后通过喷射器50，自燃料气体供给配管51通过端盖62b被导入燃料电池组14内的燃料气体供给连通孔76a。
进而，在冷却介质供给机构16，在制冷剂用泵26的作用下，将冷却介质自冷却制冷剂供给配管28通过端盖62a导入燃料电池组14内的冷却介质供给连通孔74a。
如图3所示，供给到燃料电池组14内的发电电池单元60的空气自氧化剂气体供给连通孔72a被导入到第二金属隔板70的氧化剂气体流路88，沿电解质膜·电极构造体66的阴极侧电极82移动。另一方面，燃料气体自燃料气体供给连通孔76a被导入第一金属隔板68的燃料气体流路84，沿电解质膜·电极构造体66的阳极侧电极80移动。
因此，在各电解质膜·电极构造体66，向阴极侧电极82供给的空气中的氧气和向阳极侧电极80供给的燃料气体(氢气)在电极催化剂层内通过电化学反应消耗，进行发电。
其次，供给到阴极侧电极82而消耗的空气沿氧化剂气体排出连通孔72b流动后，作为废气自端盖62b向废气供给配管40排出(参照图2)。
同样，供给到阳极侧电极80而消耗的燃料气体排出到燃料气体排出连通孔76b并流动，作为排出燃料气体自端盖62b向排出燃料气体配管52排出。排出到排出燃料气体配管52的排出燃料气体的一部分通过返回配管54，在喷射器50的吸引作用下返回燃料气体供给配管51。该排出燃料气体与新的燃料气体混合，自燃料气体供给配管51供给向燃料电池组14内。剩余的排出燃料气体在排气阀56的开放作用下排出。
另外，如图3所示，冷却介质在自冷却介质供给连通孔74a被导入到第一及第二金属隔板68、70间的冷却介质流路86后，沿箭头B方向流动。该冷却介质在将电解质膜·电极构造体66冷却后，在冷却介质排出连通孔74b移动，自端盖62a的冷却介质出口歧管96b排出到冷却介质排出配管30。该冷却介质如图2所示，在由散热器24冷却后，在制冷剂用泵26的作用下，自冷却介质供给配管28供给向燃料电池组14。
该情况下，在本实施方式中，在构成燃料电池14的端盖62b上一体地安装加湿器36，同时将所述燃料电池组14侧的流体用配管和所述加湿器36侧的流体用配管利用中间配管116连接。
具体而言，在如图4所示，构成设于端盖62b上的氧化剂气体入口歧管98a、氧化剂气体出口歧管98b、燃料气体入口歧管100a及燃料气体出口歧管100b的各配管连接部10a、102b、103a及103b、和如图6所示，构成设于加湿器36的加湿空气供给配管38、废气供给配管40、燃料气体供给配管50及排出燃料气体配管52的各配管连接部112a、112b、114a及114b之间设有中间配管116。
此时，如图7所示，在中间配管116的外周和配管连接部102a、112a的内周之间形成规定的间隙S，同时，在所述中间配管116的外周，经由周槽118a、118b安装有O形环120a、120b。O形环120a、120b分别与氧化剂气体入口歧管98a的配管连接部102a的内周面和加湿空气供给配管38的配管连接部112a的内周面密接。
这样，配管连接部102a、112a经由中间配管116连接，因此，即使在所述配管102a、112a之间引起轴心偏差，例如也可以通过所述中间配管116的倾斜将该轴心的偏差可靠地吸收。
由此，在本实施方式中，可以以简单的构成良好且高精度地将燃料电池组14的流体用配管和加湿器36的流体用配管连接，同时完成氧化剂气体及燃料气体的圆滑且可靠地流通。
进而通过使用中间配管116，燃料电池组14和加湿器36的定位可靠且容易地完成。此时，在规定数量的定位销122和规定数量的定位孔124的嵌合作用下，燃料电池组14和加湿器36的定位作业更简单化。
另外，由于中间配管116可作为定位部件利用，故例如使用至少两个中间配管116，另一方面，未设置所述中间配管116的其它流体用配管例如也可以采用凹坑构造等。
进而在本实施方式中，中间配管116的内径被设定为与加湿空气供给配管38的内径及氧化剂其它入口歧管98a的内径大致相同的尺寸。由此，加湿空气自加湿空气供给配管38经中间配管116圆滑且良好地流向氧化剂气体入口歧管98a。

Claims (6)

1、一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池组(14)，其层叠多个发电电池单元(60)；
加湿器(36)，其利用加湿流体将向所述燃料电池组(14)供给的至少一种反应气体加湿，并且，
设置于所述燃料电池组(14)的流体用配管(102a)与设置于所述加湿器(36)的流体用配管(112a)经由分体地构成的中间配管(116)来连接。
2、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述流体用配管具有：所述一种反应气体即氧化剂气体用供给配管(102a)、氧化剂气体用排出配管(102b)、和另一种反应气体即燃料气体用供给配管(103a)及燃料气体排出用排出配管(103b)，
在所述流体用配管的至少两个上配设所述中间配管(116)。
3、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述中间配管(116)的外周与所述流体用配管(102a)的内周形成间隙，并且在所述间隙中夹装O形环(120a)。
4、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述中间配管(116)的内径被设定为与所述流体用配管(102a)连通的流体连通孔(72a)的内径相同的尺寸。
5、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池组(14)和所述加湿器(36)经由定位销(122)相互定位。
6、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池组(14)用于车载。
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