CN101512820A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种燃料电池系统，其具有：燃料电池堆(51)，层叠多个通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的电池(50)而形成，并由配置在电池(50)的层叠方向两端部的一对端板(52)夹持；气液分离器(35)，分离从燃料电池堆(51)排出的废气的气液；其中，将气液分离器(35)固定到端板(52)上。由此，能有效利用燃料电池堆(51)的废热对气液分离器(35)进行加热。
Description
技术领域
本发明涉及具有接受反应气体的供给并通过电化学反应发电的燃料电池堆的燃料电池系统。
背景技术
近年来，以通过燃料气体和氧化气体的电化学反应发电的燃料电池作为能量源的燃料电池系统受到关注。该燃料电池系统所使用的燃料电池，例如将层叠了多个单电池的燃料电池堆固定到端板上而构成。
该燃料电池上连接有排出的废气流动的排气配管，该排气配管中设有气液分离器，分离在排气配管中流动的废气的气液(例如，参照日本特开2005-332676号公报)。
发明内容
但是，气液分离器在外部气体温度较低时存在内部水分冻结的情况，因此气液的分离率可能下降。并且，当气液分离器的水分冻结时，在其下游侧设有泵的情况下，该泵中可能发生运转不良。
因此，本发明的目的在于，提供能够抑制气液分离器的内部水分冻结的燃料电池系统。
为了实现上述目的，本发明的燃料电池系统具有：燃料电池堆，层叠多个通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的电池而形成，并由配置在上述电池的层叠方向两端部的一对端板夹持；气液分离器，分离从上述燃料电池堆排出的废气的气液，其中，上述气液分离器固定在上述端板上。
根据该构成，通过端板将燃料电池堆的废热传递到气液分离器，能有效利用该废热对气液分离器良好地进行加热。
本发明还可以是如下燃料电池系统：上述气液分离器具有螺带部，其通过使导入的废气旋转流动而分离液滴，该螺带部与上述端板邻接配置。
根据该构成，能缩短燃料电池堆与螺带部的距离，由此能够使从燃料电池堆排出的废气在流速高的状态下旋转流动，因此分离能力提高。并且，由于将端板和螺带部邻接配置，因此能够抑制在它们之间配置部件时产生的该部件的热容量增加，从而能够提高加热效率。
本发明还可以是如下燃料电池系统：使废气返回到上述燃料电池堆的循环泵通过配管与上述气液分离器的气体排出口连接时，上述配管上设置有以超过90度的角度折返的折返部。
根据该构成，含有不能被气液分离器分离完全的水分的废气通过配管从气体排出口被输送到循环泵时，通过配管的以超过90度的角度折返的折返部进一步被气液分离。因此能够抑制不能被气液分离器分离完全的水分流入到循环泵中。
另外，本发明还可以是如下燃料电池系统：上述气液分离器在横向上设置排水口，底部朝着上述排水口向前下方倾斜。
也可以是如下燃料电池系统：在上述底部，向下方凹陷的凹部沿着该底部的倾斜方向延伸形成，在该凹部的延长线上设置上述排水口。
还可以是如下燃料电池系统：上述底部中，相对上述凹部的倾斜角度，该凹部以外的侧底部的倾斜角度较大。
根据本发明，通过将气液分离器固定在端板上，能够有效利用燃料电池堆的废热对气液分离器良好地进行加热。因此，能抑制气液分离器内部的水分冻结。
附图说明
图1是表示本发明的燃料电池系统的第一实施方式的构成图。
图2是本发明的燃料电池系统的第一实施方式的堆外壳及其内部的俯视图。
图3A表示本发明的燃料电池系统的第一实施方式的重要部分，是省略了循环泵等的俯视图，图3B是其正视图。
图4是表示本发明的燃料电池系统的第一实施方式的螺带部的侧剖图。
图5是从凸缘部侧观察本发明的燃料电池系统的第一实施方式的螺带部的图。
图6是表示本发明的燃料电池系统的第二实施方式的气液分离器的透视图。
图7A是表示本发明的燃料电池系统的第二实施方式的气液分离器的侧视图，图7B是其正视图。
具体实施方式
接着，参照图1～图5说明本发明的燃料电池系统的第一实施方式。
图1是燃料电池系统1的系统构成图。该燃料电池系统1能应用于燃料电池汽车的车载发电系统，船舶、飞机、电车或步行机器人等所有移动体用的发电系统，以及作为建筑(住宅、大厦等)用的发电设备使用的固定式发电系统等，具体而言用于汽车。
燃料电池系统1具有接受反应气体(氧化气体及燃料气体)的供给并通过电化学反应产生电力的燃料电池10，并且具有：阴极系的氧化气体配管系统2，调整作为提供到该燃料电池10的氧化气体例如空气的气体供给；和阳极系的燃料气体配管系统3，调整作为燃料气体例如氢气的气体供给。
氧化气体配管系统2具有：空气供给配管21，将由加湿器20加湿的氧化气体(空气)提供到燃料电池10；排气配管22，将从燃料电池10排出的氧化废气引导到加湿器20；和排出配管23，用于将氧化废气从加湿器20引导到外部。空气供给配管21中设有压缩机24，取入大气中的氧化气体，并压送到加湿器20。
燃料气体配管系统3具有：作为存储了高压氢气的燃料供给源的氢罐30；用于将氢罐30的氢气提供到燃料电池10的燃料供给配管31；作为从燃料电池10排出的燃料气体的废气的氢废气流动的排气配管32；使排气配管32的氢废气返回到燃料供给配管31的循环配管33。
燃料供给配管31中设有附带断开阀的调节器34，为了向燃料电池10提供燃料气体，断开或允许来自氢泵30的氢气供给，并且在允许时调整氢气的压力。也可替代该附带断开阀的调节器34，而设置调整上游侧的气体状态(流量、压力、温度、摩尔浓度等)并提供到下游侧的喷射器。
排气配管32上设有气液分离器35，用于将从燃料电池10排出的氢废气通过循环配管33再次提供到燃料电池10。该气液分离器35分离从燃料电池10排出的氢废气的气液，具体而言，从氢废气中回收水分。该气液分离器35上连接有排气排水阀36，该排气排水阀36上连接有排出配管37。
排气排水阀36根据来自未图示的控制装置的指令进行动作，从而使气液分离器35回收的水分、以及排气配管32内的含有杂质的氢废气通过排出配管37排出(清除)到外部。
循环配管33上设有循环泵38，通过对从燃料电池10排出的循环配管33内的氢废气进行吸引、加压并排出到燃料供给配管31侧，调整从燃料电池10排出的气体的循环。并且，排出配管37上设有稀释器39，用于通过来自排出配管23的氧化废气来稀释氢废气。
在上述燃料电池系统1的第一实施方式中，从氢罐30经过燃料供给配管31而被附带断开阀的调节器34调整并提供到燃料电池10的氢气、与通过压缩机24的压送、经过空气供给配管21而被加湿器20加湿并导入到燃料电池10的氧化气体在燃料电池10中发生电化学反应，进行发电。
并且，来自燃料电池10的氢废气被导入到排气配管32的气液分离器35中，在循环泵38中经过循环配管33而被导入到燃料供给配管31，再次被导入到燃料电池10。而且，在适当时刻打开排气排水阀36时，来自燃料电池10的氢废气从气液分离器35经过排出配管37而被导入稀释器39，在该稀释器39中，被从燃料电池10排出的氧化废气稀释并排出到外部。
燃料电池10如图2所示，具有：多个(二个)燃料电池堆51、51，将接受反应气体的供给并通过电化学反应发电的单电池50层叠所需个数而构成；一对端板52、53，从层叠方向两端部夹持在单电池50的层叠方向上平行地并列设置，的上述燃料电池堆51、51；和连接端板52、53的未图示的张力板。燃料电池10收容在堆外壳54中。
在如上收容在堆外壳54中的状态下，燃料电池10在将单电池50的层叠方向作为水平方向、并使燃料电池堆51、51的并列设置方向为水平方向的姿态下设置在车体上。此时，在堆外壳54的下侧配置未图示的牵引电动机，因此堆外壳54的高度在空间上因该牵引电动机受到限制。以下以设置于车体时的姿态进行说明。
如图3A、图3B所示，在上述燃料电池10的车辆后方侧的端板52上，从燃料电池堆51、51排出的氢废气的排出路径55、55开口，在这些排出路径55、55上连接上述排气配管32。在第一实施方式中，该排气配管32的气液分离器35固定在端板52上。
气液分离器35具有：螺带部60，靠近固定在端板52上；管部件构成的配管61，管部件一端侧连接到螺带部60的与端板52相反的一侧，另一端侧沿着端板52的面方向弯曲；和分离部62，与配管61的另一端侧连接。
螺带部60是使导入的气体产生旋转力并分离该气体中的水的滴液的旋风器型的装置，如图4及图5所示，具有形成为有底筒状的壳体65。该壳体65的一端(上游端)开口，在该开口部分形成有能固定到端板52的凸缘部65A。
并且，将该凸缘部65A通过未图示的密封材料由螺栓等连接固定，由此螺带部60被密封地固定到端板52上。在这样固定到端板52上的状态下，螺带部60的壳体65内与排出路径55、55连通。
壳体65形成为朝向另一端(下游端)逐渐变窄的尖端细的形状，其内部固定有螺带板67。该螺带板67具有沿轴向拧成螺旋状的旋转板部67a，该旋转板部67a的两侧部被固定到壳体65的内周面上。
该螺带板67的一端部分(上游端部分)作为由平板构成的分离板部67b。该分离板部67b在俯视时，以将壳体65左右对称地分割的方式，配置在端板52上形成的排出路径55、55之间的大致中央部(参照图5)。
在此，从排出路径55、55送入到螺带部60的氢废气通过螺带板67的分离板部67b，分配到通过螺带板67的拧成螺旋状的旋转板部67a形成的螺旋状的各路径。由此，氢废气的分配变得平均，并且在与螺带板67交叉的方向上，具有一定速度的氢废气顺利地被引导到下游侧。
并且，流入到螺旋状路径的氢废气成为旋转流，通过其离心力将气体中的水分引导到外侧，同时通过配管61导入到分离部62。
如图3A、图3B所示，分离部62具有侧面与配管61的另一端侧连接的箱状的外壳70。并且，通过配管61在旋转流动的状态下导入到该外壳70的氢废气中，由离心力引导到外侧的水分在外壳70的内表面变为水滴，向下方流动，并存储在外壳70的底部。
与分离部62的外壳70的配管61相反的侧面的气体排出口71与配管72连接，配管72构成水分分离的氢废气被送入的循环配管33。并且，在分离部62和端板52之间，设有排出壳体65底部存储的水分、并排出氢废气的排气排水阀36。
配管72由管部件构成，具有：直线状部72a，从壳体65的侧面开始，沿着端板52的面方向向水平侧方延伸；弯曲部(折返部)72b，从该直线状部72a的前端开始，沿着端板52的面方向向上侧弯曲成180度圆弧状；直线状部72c，从弯曲部72b的前端开始，沿着端板52的面方向，向接近壳体65的方向水平延伸；和弯曲部72d，从该直线状部72c的前端开始，沿着端板52的面方向向上方弯曲。
并且，在该弯曲部72d的上端部上形成的凸缘部72e上，连接着使氢废气返回到燃料电池堆51、51的循环泵38的下部。
在此，弯曲部72b呈180度的半圆状，使配管72以超过90度的中心角的180中心角折返。
此外，螺带部60的壳体65中，主要的构成部件通过将薄板冲压成形而形成，螺带板67也通过将薄板冲压成形而形成。而且，分离部62的外壳70的主要构成部件也通过将薄板冲压成形而形成。
根据上述燃料电池系统1的第一实施方式，将分离由燃料电池堆51、51排出的废气的气液的气液分离器35固定到端板52上，由此将燃料电池堆51、51的废热通过端板52传递到气液分离器35并有效利用，从而能够良好地加热气液分离器35。因此，能抑制气液分离器35内部水分的冻结。
并且，由于气液分离器35的螺带部60与端板52邻接配置，因此能缩短燃料电池堆51、51和螺带部60的距离，使燃料电池堆51、51排出的氢废气能够在流速快的状态下旋转流动，因此分离能力提高。
并且，由于使端板52和螺带部60邻接配置，因而能够抑制它们之间设置部件时产生的该部件的热容量增加，提高加热效率。因此，能够立即进行暖机。
而且，使气液分离器35的螺带部60和分离部62各自独立，通过配管61连接它们，从而能够确保螺带60中产生的氢废气的旋转流所流动的距离，其结果是能够良好地使气液分离。
并且，由于在连接气液分离器35的气体排出口71和循环泵38的配管72上，设有以超过90度的180度折返的弯曲部72b，因此含有不能被气液分离器35分离完全的水分的废气从气体排出口71通过配管72被输送到循环泵38时，在弯曲部72b进一步被气液分离。
因此，能够抑制不能被气液分离器35分离完全的水分流入到循环泵38中。在此，由弯曲部72b分离的水的滴液通过车辆倾斜等返回到气液分离器35的分离部62。此外，配管72即使不折返180，只要以超过90度的角度折返就能使气液充分地分离。
而且，在连接气液分离器35的气体排出口71和循环泵38的配管72上，从上游到下游没有向前下方的部分，因此能使在配管72中途被分离的水的滴液良好地返回到气液分离器35的分离部62。
并且，来自气液分离器35的配管72从下侧与循环泵38连接，因此能进一步抑制水分进入到循环泵38中。
而且，气液分离器35的螺带部60及分离部62以用于冲压成形的薄板为主体构成，将它们用管部件构成的配管61连接，因此能够降低热容量，这样也能立即使气液分离器35暖机。
接着，对本发明的燃料电池系统的第二实施方式，主要参照图6、图7A及图7B，以其与第一实施方式的不同点为中心进行说明。此外，对与第一实施方式相同的部分赋予相同的标记。
在第二实施方式中，气液分离器与第一实施方式不同。第二实施方式的气液分离器80具有：横向长箱状的外壳81；从外壳81的长边方向的一端侧的侧面延伸出来的气体导入配管82；从外壳81的长边方向的相反端侧的侧面横向延伸，使该前端的排水口83横向开口的排水配管84；和从外壳81的上表面延伸出来的排气配管85。
外壳81具有大致呈筒状的主干部87和堵塞主干部87两侧的开口部的侧板部88、89，该主干部87及侧板部88、89通过将薄板冲压成形而形成。气体导入配管82连接到侧板部88，排水配管84连接到侧板部89，排气配管85连接到主干部87。此外，主干部87上形成有多个加强用的筋90。
气体导入配管82的前端形成有凸缘部82A，通过该凸缘部82A，气液分离器80被螺栓等固定到端板52。气体导入配管82从凸缘部82A向与端板52的面方向垂直的方向延伸后，沿着端板52的面方向弯曲，该部分与外壳81的上部连接。
外壳81内设有：过滤器92，从由气体导入配管82导入的氢废气中除去异物；离子交换器93，从经过过滤器92的氢废气中除去金属离子。
通过气液分离器80从氢废气中分离出来的水的滴液沿着外壳81的内表面流落到外壳81的底部95。主干部87由一定板厚的薄板形成，因此底部95也具有一定板厚，该底部95在从相对于端板52垂直的方向观察的正面视图中，整体是从气体导入配管82侧向排水配管84、即朝着其前端的排水出口83侧向前下方倾斜的倾斜形状。
外壳81的底部95中，向下方凹陷的凹部96沿着底部95的倾斜方向延伸形成。该凹部96是如下形状：使从接近端板52的一侧和远离端板52的一侧分别向下方突出的一对立板部97、97的下边缘部由半圆筒状的底板部98连接的形状。外壳81的底部95由该凹部96、及从凹部96的上边缘部向两侧延伸的侧底部100、101构成。
在此，凹部96的底板部98的正面视图的倾斜角度α1设定为即使搭载车辆在通常范围下倾斜时也不会反向倾向的第一规定角度，与之相对，侧底部100、101的正面视图的倾斜角度α2设定为比第一规定角度大的第二规定角度。即，底部95中，相对于凹部96的倾斜角度α1，使凹部96以外的侧底部100、101的倾斜角度α2大。
并且，两侧的侧底部100、101在侧面视图中，也以凹部96侧变低的方式倾斜，其倾斜角度β与凹部96的底板部98一样，也设定为第一规定角度。
并且，在凹部96的延伸方向的延长线上设有排水配管84及其排水口83。在该排水配管84上，在排水口83的位置形成有凸缘部84A，通过该凸缘部84A与排气排水阀36(参照图1)接合。
通过气液分离器80除去了水分的氢废气从上部的排气配管85排出，在该排气配管85的上端形成有凸缘部85A。使除去了水分的氢废气返回到燃料电池10中的循环泵38(参照图1)与该凸缘部85A接合。
根据上述燃料电池系统1的第二实施方式，将分离从燃料电池堆51、51排出的氢废气的气液的气液分离器80固定到端板52上，由此将燃料电池堆51、51的废热通过端板52传递到气液分离器80并有效利用，从而能够良好地加热气液分离器80。因此，能抑制气液分离器80内部水分的冻结。
并且，气液分离器80中横向设置排水口83，因此即使由于与下侧的牵引电动机的干扰关系而使气液分离器80的高度受限时，也能够确保存储水的外壳81的大小。因此，能延长排气排水阀36的打开动作的间隔。
并且，底部95作为整体朝着排水口83向前下方倾斜，因此即使横向设置排水口83，也能通过底部95的倾斜良好地将水引导到排水口83。
而且，底部95中，向下方凹陷的凹部96沿着底部95的倾斜方向延伸形成，在其延长线上设有排水口83，因此即使存储的水量少时，也能通过凹部96确保水的高度，能抑制从排水口83排水时所排出的氢废气的量。
并且，相对于凹部96的倾斜角度α1，使底部95中的凹部96以外的侧底部100、101的倾斜角度α2大，因此能够确保凹部96中存储的水的容量，并且即使在车辆倾斜时，也能通过侧底部100、101维持作为底部95整体的倾斜状态。
并且，由于凹部96的底板部98呈半圆筒状，因此能在保持加工性的同时确保凹部96的水的容量。
Claims (6)
1.一种燃料电池系统，具有：
燃料电池堆，层叠多个通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的电池而形成，并由配置在所述电池的层叠方向两端部的一对端板夹持；
气液分离器，分离从所述燃料电池堆排出的废气的气液，
其中，所述气液分离器固定到所述端板上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述气液分离器具有螺带部，其通过使导入的废气旋转流动而分离液滴，该螺带部与所述端板邻接配置。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，使废气返回到所述燃料电池堆的循环泵通过配管与所述气液分离器的气体排出口连接，所述配管上设置有以超过90度的角度折返的折返部。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述气液分离器在横向上设置排水口，底部朝着所述排水口向前下方倾斜。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，在所述底部中，向下方凹陷的凹部沿着该底部的倾斜方向延伸而形成，在所述凹部的延长线上设置所述排水口。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，所述底部中，所述凹部以外的侧底部的倾斜角度大于该凹部的倾斜角度。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090819 |