CN101308935B - 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，其能够避免冰点下起动时的工作不良，而且在打开换气导入阀时不需要过大的推力。将负极气体导入负极的换气导入阀(42)设置于将加湿器迂回的旁通路配管。另外，作为换气导入阀(42)的可动体的柱塞(44)在换气导入阀(42)关闭时，暴露于负极气体的气氛中。另外，在换气导入阀(42)的阀体(45)具备正极侧的气压作用于阀关闭方向的第一受压部(45a)、和作用于阀打开方向的第二受压部(45b)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及具备将燃料电池的正极换气的系统的燃料电池系统。
背景技术
在燃料电池系统中，向燃料电池的正极供给氢，向负极供给空气，由此利用氢和空气中的氧的电化学反应进行发电。另外，在燃料电池系统中，在燃料电池的负极中生成水，但有时该生成水经由电解质膜从负极向正极透过。因此，燃料电池系统在达到冰点下的低温环境下使用的情况下，存在运行停止中生成水冻结的问题。因此，为了防止这样的冻结，提出了在运行停止时向负极和正极一同导入空气，将生成水排出系统外的技术。作为向正极导入空气的机构，提出了设置：连接负极侧和正极侧的配管、和将该配管连通·阻隔的换气导入阀，在换气时打开换气导入阀的技术。
但是，在运行停止时进行换气的情况下，在换气结束后，由于从正极的内部扩散出的水分在换气导入阀的柱塞(plunger)和支撑该柱塞的引导部之间发生冻结，导致在冰点下起动时换气导入阀不工作的问题。
因此，作为防止冰点下起动时的换气导入阀的工作不良的机构，提出了用隔膜等将柱塞从水分扩散引起的加湿气氛隔离而确保工作性的技术(例如，参照专利文献1、2)。
【专利文献1】特开2005-265036号公报(图2及图3)
【专利文献2】特开2005-273704号公报(图2及图3)
但是，在专利文献1及专利文献2中记载的换气导入阀中设置隔膜的技术中，用隔膜隔离的柱塞室利用工作时隔膜的收缩膨胀形成的吸盘效果而导致阀工作不良的问题。因此，需要在换气导入阀中设置与大气连通的呼吸孔。但是，若设置呼吸孔，则柱塞室成为大气压，因此，换气时的负极侧的气压对隔膜的整个面发生作用，导致为了打开换气导入阀而需要过大的推力的问题。
另外，在换气导入阀中设置隔膜的技术中，需要设置隔膜或呼吸孔，因此，部件件数增加，损伤设计性，进而还导致成本上升或重量增加等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供解决所述以往的问题，能够避免冰点下起动时的工作不良，而且在打开换气导入阀时不需要过大的推力的燃料电池系统。
本发明是一种燃料电池系统，其特征在于，其是通过向燃料电池的负极导入的负极气体对所述燃料电池的正极进行换气的燃料电池系统，具备：换气导入阀，其将所述负极气体导入所述正极；换气导入阀控制装置，其将所述换气导入阀控制为能够开闭；加湿器，其将所述负极气体加湿后导入所述负极；所述换气导入阀设置在迂回所述加湿器的旁路，作为所述换气导入阀的可动体的柱塞在所述换气导入阀关闭时暴露于所述负极气体的气氛中。
由此可知，由加湿器阻隔在燃料电池系统的运行停止中残留于燃料电池的负极侧的水分的扩散，且干燥的负极气体(空气)从加湿器上游的空气流入口扩散，因此，换气导入阀的负极在运行停止中也能够维持干燥的环境。
另外，所述换气导入阀通过所述柱塞的进入而打开，通过所述柱塞的后退而关闭，在所述换气导入阀的阀体设置有：至少在所述换气导入阀的关闭时，所述正极侧的气压在阀关闭方向上作用的第一受压部、和在阀打开方向上作用的第二受压部。
由此可知，在发电时通常正极侧的气压高于负极侧的气压的状态，因此，能够将该压差作用于阀体密封气体的方向。其结果，能够减轻设置于阀体的弹簧力，在打开换气导入阀时不需要过大的推力。
根据本发明可知，能够表面冰点下起动时的工作不良，而且能够在不需要过大的推力的情况下打开换气导入阀。
附图说明
图1是表示本实施方式的燃料电池系统的一例的整体结构图。
图2是表示本实施方式的燃料电池系统中使用的换气导入阀的剖面图。
图3是表示本实施方式的换气导入阀的剖面图，(a)是打开时，(b)是关闭时。
图中：1-燃料电池系统；10-燃料电池；12-正极；13-负极；32-加湿器；41-旁通路配管；42-换气导入阀；44-柱塞；45a-第-受压部；45b-第二受压部；50-ECU(换气导入阀控制装置)。
具体实施方式
图1是表示本实施方式的燃料电池系统的一例的整体结构图，图2是表示本实施方式的燃料电池系统中使用的换气导入阀的结构剖面图。还有，本实施方式的燃料电池系统例如可以适用于燃料电池汽车、船舶、航空机、家庭用固定式电源等。
如图1所示，本实施方式的燃料电池系统1具备：燃料电池10、正极系20、负极系30、正极换气系40、ECU(控制部)50等。
所述燃料电池10具有：用含有催化剂的正极12、和含有催化剂的负极13夹着质子传导性的固体高分子电解质膜11而构成的膜电极接合体(MEA；Membrane Electrode Assembly)，进而用导电性的隔板14、15夹着膜电极接合体而构成单个电池单元，并具有将该单个电池单元在厚度方向上串联排列多个而连接层叠的构造。另外，在隔板14的与正极12对置的面形成有氢流体的正极流路14a，在隔板15的与负极13对置的面形成有负极流路15a。还有，为了便于说明，图1示出了单个单元的状态。
所述正极系20是对燃料电池10供给氢，且从燃料电池10排出氢的体系，包含氢罐21、阻隔阀22、调节器23、排出器24、排出阀25、配管26a～26f等。
所述氢罐21具有：例如由铝合金形成，且在其内部以高压贮存高纯度的氢气的罐室(未图示)，并被构成为，用由CFRP(Carbon FiberReinforced Plastic：碳纤维强化塑料)、或GFRP(Glass Reinforced Plastic：玻璃纤维强化塑料)等形成的罩(未图示)被覆该罐室的周围。
所述阻隔阀22例如是电磁工作式，设置于氢罐21的出口附近，经由配管26a与氢罐21连接。
所述调节器23经由配管26b与阻隔阀22连接，具有将从氢罐21供给的高压的氢气减压的功能。
所述排出器24是用于使从燃料电池10的正极12侧的出口排出的未反应的氢再循环的真空泵的一种，经由配管26c与调节器23连接。另外，配管26d连接排出器24和燃料电池10的正极12侧入口，配管26e连接正极12的出口和后述的排出阀25，配管26f连接配管26e的中途和排出器24，经由这些配管26d、26e、26f使氢循环。
所述排出阀25设置于配管26e，例如，具有在燃料电池系统1的运行停止时的正极换气时打开阀而将正极系20内的生成水排出的功能。还有，生成水残留于正极系20内(正极流路14a、配管26d、26e、26f内等)。另外，正极换气是指驱动后述的空气压缩机31，向正极系20内导入空气(负极气体)，将残留的生成水等向体系外换出的处理。
所述负极系30是将空气(氧)向燃料电池10的负极13供给，且从负极13排出负极废气的体系，具备空气压缩机31、加湿器32、背压控制阀33、配管34a～34d等。
所述空气压缩机31由利用电动机驱动的增压器等构成，具有将从空气流入口31a取入而压缩的空气向燃料电池10的负极13供给的功能。
所述加湿器32具有回收含于负极废气中的水分，对负极气体(空气)加湿的功能。该加湿器32例如具备将多个透水性膜捆扎而收容于壳的中空系膜模块，具有：在中空系膜的内侧和外侧的一侧使来自空气压缩机31的空气流通，在另一侧使从燃料电池10的负极13的出口排出的负极气体(湿润的空气、生成水)流通，由此对来自空气压缩机31的负极气体加湿的功能。
所述背压控制阀33例如由蝶形阀构成，具有适当调节负极系30内的压力的功能。
还有，配管34a连接空气压缩机31、和导入来自空气压缩机31的负极气体的负极气体导入口32a。配管34b连接排出由加湿器32加湿的负极气体的负极废气排出口32b、和燃料电池10的负极13的入口。配管34c连接燃料电池10的负极13侧的出口、和导入负极废气的加湿器32的负极废气导入口32c。配管34d连接排出加湿器32的负极废气的负极废气排出口32d、和背压控制阀33。
所述正极换气系40具备：旁通路配管41、换气导入阀42等。
所述旁通路配管41是将从空气压缩机31取入的负极气体导入燃料电池10的正极12侧的流路，一端与加湿器32的上游侧的配管34a连接，另一端与燃料电池10的正极12侧的入口的配管26d连接。
所述换气导入阀42设置于旁通路配管41，具有在正极换气时打开，将来自空气压缩机31的负极气体导入正极12侧的功能。
如图2所示，换气导入阀42在壳43内收容有柱塞44、阀体45等。还有，图2示出了换气导入阀42关闭的状态。
所述壳43例如组合多个框体而构成，具备：导入来自所述空气压缩机31的作为换气的负极气体的换气导入口43a、和排出所述负极气体的换气排出口43b。另外，在壳43内设置有阀座43c，其通过与后述的阀体45接触而关闭阀，通过离开而打开阀。
所述柱塞44利用驱动部46在图示的上下方向上驱动，利用柱塞44的进入而打开阀，利用后退而关闭阀。驱动部46具备：设置有线圈46a的线轴46b、固定铁心46c、将柱塞44支撑为能够沿图示的上下方向移动的引导部45d等。另外，在柱塞44中插入轴47的一端(图示下侧)而固定，在轴47的另一端(图示上侧)装配有阀体45。另外，在柱塞44的下端和壳43之间插入安装有将阀体45向阀打开方向(图示上方向)施力的弹簧48a。
所述阀体45具有第一受压部45a和第二受压部45b。第一受压部45a是与正极侧的气体接触的部分整体，第二受压部45b是与负极侧的气体接触的部分整体。另外，阀体45的、所述阀座43c抵接的抵接部45c1或前端部(前端部)45c2等由弹性部件45c形成。另外，在阀体45和壳43之间夹有将阀体45向阀关闭方向(图示下方向)施力的弹簧48b。还有，阀体45的形状为一例，不限定于本实施方式。
在这样的本实施方式中，在壳43的图示上下方向的中央部设置有换气导入口43a，夹着阀座43c而在换气导入口43a的上侧设置有换气排出口43b，柱塞44位于由阀体45分隔的空间的负极侧。
所述ECU(Electronic Control unit)50包括CPU(Central ProcessingUnit)、存储器、程序等，具备换气导入阀控制装置。还有，换气导入阀控制装置如下地控制，即：在正极换气开始时将换气导入阀42打开，在负极换气时将换气导入阀42关闭。另外，ECU50与阻隔阀22、排出阀25、空气压缩机31、背压控制阀33、换气导入阀42连接，控制阻隔阀22、排出阀25及换气导入阀42的开闭动作、空气压缩机31的电动机的转速、背压控制阀33的阀开启度。
然后，对本实施方式的燃料电池系统1的动作进行说明。首先，在燃料电池系统1的运行中，利用ECU50，打开阻隔阀22，向燃料电池10的正极12供给氢，另外，驱动空气压缩机31，向燃料电池10的负极13供给由加湿器32加湿的空气(氧)。由此，在燃料电池10内的正极12中，利用催化剂的作用，电子从氢脱离，经过外部负荷(未图示)，电子移动至负极13，由此进行发电。另外，在负极13中，利用催化剂的作用，通过透过固体高分子电解质膜11而移动至负极13的氢离子、经过外部负荷而移动过来的电子、和空气中的氧的反应而生成水。
然而，在发电时，有时由燃料电池10的负极13生成的水透过固体高分子电解质膜11而移动至正极12。因此，在燃料电池系统1的运行停止时，利用ECU50的控制，打开换气导入阀42及排出阀25，并且，驱动空气压缩机31，将从空气压缩机31导入的负极气体经由旁通路配管41供给于正极12侧。还有，此时，换气导入阀42中，线圈46a被通电而被励磁，由此柱塞44向图示上侧移动，阀体45向上方被推压，负极气体按图3(a)中箭头所示的方向流动。由此，吹散附着于正极12的表面等的生成水(从负极侧移动过来的生成水)，将其通过排出阀25而排出体系外。正极换气结束后，利用ECU50的控制，关闭换气导入阀42及排出阀25，停止空气压缩机31的驱动。但是，在负极换气结束后，有时残留于MEA的内部的生成水向MEA的外部扩散，通过配管26d～26f后到达换气导入阀42。
因此，在本实施方式中，如图3(b)所示，将换气导入阀42构成为：在换气导入阀42的关闭时，作为可动体的柱塞44暴露于空气(负极气体)的气氛中。即，柱塞44设置于由阀体45分隔的空间的负极侧，且将作为换气气体的负极气体的取出位置设为负极废气水分回收型加湿器32的上游。由此，在燃料电池系统1的运行停止中残留于燃料电池10的负极13侧的生成水被加湿器32吸收，从而不会扩散至配管34a，且从上游的空气流入口31a扩散干燥空气，因此，换气导入阀42的负极侧在燃料电池系统1的运行停止中也能够维持干燥的环境。
在这样运行停止时，将柱塞44暴露于干燥的负极气体气氛中，由此使扩散的水分不会通过固定铁心46c、和轴47之间后，到达柱塞44和引导部46d之间，能够防止在柱塞44和引导部46d之间发生结冰。从而，能够避免燃料电池系统1的冰点下起动时的换气导入阀42的工作不良。
另外，在本实施方式中，形成为通过柱塞44推出阀体45而打开阀的结构，由此，如上所述，在发电时，通常将正极12侧气压Pa(参照图3(b))控制成比负极13侧气压Pc(参照图3(b))高的状态，利用其压差(Pa-Pc＞0)，阀体45向密封(阻隔)的方向作用，因此，能够减小为了确保高气体阻隔能力或密封性所需的弹簧48b的弹簧力。由此，在打开换气导入阀42时，能够以小的推力驱动柱塞44，能够小型化换气导入阀42。
另外，在本实施方式中，不像以往一样设置隔膜或呼吸孔，能够防止冰点下起动时的换气导入阀的工作不良，因此，能够实现部件件数的削减产生的设计性的提高、轻量化、成本降低。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，其是通过向燃料电池的负极导入的负极气体对所述燃料电池的正极进行换气，其特征在于，
具备：换气导入阀，其将所述负极气体导入所述正极；
换气导入阀控制装置，其可开闭地控制所述换气导入阀；
加湿器，其将所述负极气体加湿后导入所述负极，
所述换气导入阀设置于绕过所述加湿器的旁通路，所述旁通路的一端与所述加湿器的上游侧的配管连接，所述旁通路的另一端与所述燃料电池的正极侧的入口的配管连接，
作为所述换气导入阀的可动体的柱塞在所述换气导入阀关闭时暴露于所述负极气体的气氛中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述换气导入阀通过所述柱塞的进入而打开，通过所述柱塞的后退而关闭，在所述换气导入阀的阀体设置有：至少在所述换气导入阀的关闭时，所述正极侧的气压在阀关闭方向上作用的第一受压部、和所述负极侧的气压在阀打开方向上作用的第二受压部。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述柱塞在所述旁通路中设置于所述换气导入阀的阀体的所述燃料电池的负极侧。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，具有：
将所述负极气体导入所述负极的空气压缩机。
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