CN101546838B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池系统，其对层叠在燃料电池组内的各发电单元均匀且可靠地分配供给反应气体。燃料电池系统(10)具有层叠多个发电单元(60)的燃料电池组(14)和用于向所述燃料电池组(14)供给燃料气体的喷射器(50)。在构成燃料电池组(14)的绝缘板(59b)上，在连通喷射器(50)和燃料气体供给连通孔(76a)的连通部位设有用于对燃料气体进行整流的整流部(130)。整流部(130)设有横长形状的开口部(132)和多个孔部(134)，开口部(132)与具有横长形状的燃料气体供给连通孔(76a)的底部对应，多个孔部(134)配置在所述开口部(132)的上方。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具备由多个发电单元层叠而成的燃料电池组和反应气体供给机构的燃料电池系统，其中，所述反应气体供给机构向所述燃料电池组内导入反应气体，并且设有使从所述燃料电池组排出的使用完了反应气体返回所述燃料电池组的喷射器，所述反应气体供给机构与所述燃料电池组的一侧端板连结。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池在由高分子离子交换膜构成的电解质膜(电解质)的两侧具备发电单元，所述发电单元利用分离器夹持分别配置有阳极侧电极和阴极侧电极的电解质膜·电极构造体(电解质·电极构造体)。这种燃料电池通常通过层叠规定数量的发电单元，作为燃料电池组被使用。
但是，在燃料电池中，氢气等燃料气体被供给至阳极侧电极，且包含未用于发电的未反应的燃料气体在内的燃料废气从所述燃料电池被排出。因此，考虑到经济性，为谋求有效利用燃料气体，将燃料废气作为燃料气体再次供给至阳极侧电极。
例如，专利文献1中公开的燃料电池系统，如图6所示，设置有：用于从氢供给装置1向燃料电池2(多个发电单元2a的层叠体)供给氢的氢供给路径3；使从所述燃料电池2排出的废气与所述氢供给路径3合流，并使其再循环到所述燃料电池2的废气循环路径4；使废气循环到所述废气循环路径4，且可以控制废气的循环量，进而使废气与主供给氢混合的喷射泵(ejector pump)5；以及检测所述喷射泵5的吐出压的压力传感器6。
【专利文献1】日本特开2004-95528号公报
但是，在将喷射泵5配置在燃料电池2的附近时，由于氢以高压从所述喷射泵5被喷出至所述燃料电池2的氢供给连通孔内，所以在所述氢供给连通孔内容易产生静压分布。由此，在燃料电池2内，特别是对于位于氢入口侧的发电单元2a，存在氢供给不充分，发电性能下降的问题。
发明内容
本发明是应对该种需要而提出的，目的在于提供一种对于层叠在燃料电池组内的各发电单元，可以均匀且可靠地分配供给反应气体的燃料电池系统。
本发明的燃料电池系统具有燃料电池组和反应气体供给机构，所述燃料电池组通过层叠多个发电单元而构成，并且沿着层叠方向设有至少供给作为燃料气体的反应气体的反应气体供给连通孔，所述反应气体供给机构向所述反应气体供给连通孔导入所述反应气体，并且设有使从所述燃料电池组排出的使用完成反应气体返回所述反应气体供给连通孔的喷射器，所述反应气体供给机构与所述燃料电池组的一侧端板连结，从所述喷射器朝向所述反应气体供给连通孔延伸的方向喷出反应气体。
所述燃料电池组具有与所述一侧端板邻接配置的绝缘板，在所述绝缘板本身上，在连通所述喷射器和所述反应气体供给连通孔的连通部位设有用于对所述反应气体进行整流的整流部，所述整流部设有沿着所述横长开孔形状的底部的开口部和配置在所述开口部上方的多个孔部，在所述端板上安装树脂制歧管构件，该歧管构件一体地具有：与所述反应气体供给连通孔连通，且设有与所述反应气体供给连通孔的形状对应的横长形状通路的非圆形筒部；以及向所述端板的外侧突出，并设置与喷射器连通的圆形通路的圆形筒部。。
另外，反应气体供给连通孔具有横长开孔形状。
进而，反应气体优选是燃料气体，并且反应气体供给连通孔是燃料气体供给连通孔。
发明效果
根据本发明，在从喷射器向燃料电池组的反应气体供给连通孔喷出反应气体时，在设于绝缘板上的整流部的作用下，对所述反应气体进行整流。
因此，反应气体的流速下降，并且在反应气体供给连通孔内的静压分布得到改善。由此，能够对层叠在燃料电池组内的各发电单元均匀且可靠地分配供给反应气体，发电性能以及起动性有效提高。而且，对通常的绝缘板附加整流功能，可以有效地削减零件数量。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统的概略构成图；
图2是构成所述燃料电池组的发电单元的分解立体说明图；
图3是所述燃料电池系统的主要部分剖面说明图；
图4是构成所述燃料电池系统的整流部的主要部分说明图；
图5是构成本发明的第二实施方式的燃料电池系统的整流部的主要部分说明图；
图6是专利文献1公开的燃料电池系统的说明图。
图中：
10-燃料电池系统；14-燃料电池组；16-冷却介质供给机构；18-氧化剂气体供给机构；20-燃料气体供给机构；44-燃料气体箱；45-燃料气体管；50-喷射器(ejector)；52-排出燃料气体配管；54-回流配管；59a、59b-绝缘板；60-发电单元(cell)；62a、62b-端板；66-电解质膜·电极构造体；68、70-分离器(separator)；72a-氧化剂气体供给连通孔；72b-氧化剂气体排出连通孔；74a-冷却介质供给连通孔；74b-冷却介质排出连通孔；76a-燃料气体供给连通孔；76b-燃料气体排出连通孔；78-固体高分子电解质膜；80-阳极侧电极；82-阴极侧电极；84-燃料气体流路；86-冷却介质流路；88-氧化剂气体流路；90-歧管(manifold)构件；94-主体部；96-筒状部；98-喷嘴；100-扩散器(diffuser)；104-废气(off gas)通路；106-燃料气体通路；110-喷射口；112、134、144-孔部；114-吸引室；116-喷出通路；120-中间接头；122-大径部；124-小径部；130、140-整流部；132、142-开口部；142a-幅宽部。
具体实施方式
图1是关于本发明的第一实施方式的燃料电池系统10的概要结构图。
燃料电池系统10被搭载在未图示的燃料电池车辆上，并具备：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。
冷却介质供给机构16具备散热器(radiator)24。该散热器24经制冷剂用泵26连接于冷却介质供给配管28和冷却介质排出配管30。
氧化剂气体供给机构18具备与制冷剂用泵26接近配置的空气用泵32。一端与该空气用泵32连接的空气供给配管34的另一端与加湿器36连接，且该加湿器36通过加湿空气供给配管38连接于燃料电池组14。燃料电池组14和加湿器36与用于将使用完的氧化剂气体(以下称为废气)作为加湿流体进行供给的废气供给配管40连接。在加湿器36中，在通过废气供给配管40被供给的废气的排出侧配置有背压阀42。
燃料气体供给机构20具备作为燃料气体储存氢气的燃料气体箱44。该燃料气体箱44与燃料气体管45的一端连接，所述燃料气体管45经截止阀46、调节器48及喷射器50与燃料电池组14连接。
在燃料电池组14上连接有排出使用完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通过回流配管54与喷射器50连接，且一部分与排气阀(purge valve)56连通。
燃料电池组14，在水平方向(图2中，箭头A的方向)上层叠多个发电单元60，并且在层叠方向的两端，经接线柱板(terminal plate)58a、58b及绝缘板59a、59b而配置金属制端板62a、62b(参照图1)。燃料电池组14具备，例如，以端板62a、62b为端板的封装(未图示)，或者紧固所述端板62a、62b间的连杆(tie rod)(未图示)。
在接线柱板58a、58b上设有电力取出端子63a、63b，所述电力取出端子63a、63b从端板62a、62b向层叠方向外侧突出，并与未图示的行驶用马达、辅机设备连接。
如图2所示，各发电单元60具备电解质膜·电极构造体66以及夹持所述电解质膜·电极构造体66的第一分离器68及第二分离器70，且构成为纵向上长。并且，第一及第二分离器68、70由碳分离器或金属分离器构成。
在发电单元60的长边方向(箭头C的方向)的一端缘部(上端缘部)设有在箭头A方向上相互连通的氧化剂气体供给连通孔72a和燃料气体供给连通孔(反应气体供给连通孔)76a，氧化剂气体供给连通孔72a用于供给氧化剂气体、例如含氧气体，燃料气体供给连通孔76a用于供给燃料气体、例如含氢气体。
在发电单元60的长边方向的另一端缘部(下端缘部)设有在箭头A方向上相互连通的氧化剂气体排出连通孔72b及燃料气体排出连通孔76b，氧化剂气体排出连通孔72b用于排出氧化剂气体，燃料气体排出连通孔76b用于排出燃料气体。
在发电单元60的短边方向(箭头B的方向)的一端缘部设置有用于供给冷却介质的冷却介质供给连通孔74a，且在所述发电单元60的短边方向的另一端缘部设置有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被设定成纵长形状。
电解质膜·电极构造体66具备：例如在全氟磺酸的薄膜中含浸有水的固体高分子电解质膜78、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。
在第一分离器68的面向电解质膜·电极构造体66的面68a上，形成有连通燃料气体供给连通孔76a和燃料气体排出连通孔76b的燃料气体流路84。该燃料气体流路84例如由沿箭头C的方向延伸的槽部构成。在第一分离器68的与面68a相反的面68b上，形成有连通冷却介质供给连通孔74a和冷却介质排出连通孔74b的冷却介质流路86。该冷却介质流路86由沿箭头B的方向延伸的槽部构成。
在第二分离器70的面向电解质膜·电极构造体66的面70a上设置例如由在箭头C的方向上延伸的槽部构成的氧化剂气体流路88，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。在第二分离器70的与面70a相反的面70b上，以与第一分离器68的面68b重合的方式一体地形成冷却介质流路86。虽未图示，但根据需要，在第一及第二分离器68、70上设置有密封构件。
如图3所示，在端板62b上安装树脂制歧管构件90。该歧管构件90一体地具有：与燃料气体供给连通孔76a连通，且设有与所述燃料气体供给连通孔76a的形状对应的横长形状(横长开孔形状)通路91a的非圆形筒部92a；以及向端板62b的外侧突出，并设置圆形通路91b的圆形筒部92b。
喷射器50具备主体部94和筒状部96，在所述主体部94收容喷嘴98及扩散器100。在主体部94上形成废气通路104。喷嘴98中设置了与燃料气体管45连通的燃料气体通路106，该燃料气体通路106从在所述喷嘴98的前端设置的喷射口110开放向扩散器100内。
废气通路104与回流配管54连通，且通过在扩散器100的外周形成的孔部112与吸引室114连通。吸引室114与喷出通路116连通，喷出通路116在朝向前端侧直径缩小后，朝向流动方向的下游方向直径连续扩大。
在连结筒状部96的前端与歧管构件90的圆形筒部92b的连结部位上配置中间接头120。中间接头120是圆筒状构件，一体地具有大径部122和小径部124。
在大径部122和小径部124上分别形成圆周槽126a、126b。大径部122在圆周槽126a上配置O形环128a，并将其嵌合于喷射器50的筒状部96，另一方面，小径部124在圆周槽126b上配置O形环128b，并将其嵌合于歧管构件90的圆形筒部92b。
如图3以及图4所示，在绝缘板59b上，在连通喷射器50和燃料气体供给连通孔76a的连通部位设有用于对燃料气体进行整流的整流部130。整流部130设有开口部132和多个孔部134，开口部132沿着具有横长形状的燃料气体供给连通孔76a的底部，多个孔部134配置在所述开口部132的上方。开口部132实质上对应于燃料气体供给连通孔76a和燃料气体流路84的桥部设定。
对于这样构成的燃料电池系统10的动作进行以下说明。
首先，如图1所示，驱动构成氧化剂气体供给机构18的空气用泵32，吸引作为氧化剂气体的外部空气并导入向空气供给配管34。该空气从空气供给配管34被导入向加湿器36内，并被供给至加湿空气供给配管38。
此时，如后所述，作为用于反应的氧化剂气体的废气被供给至废气供给配管40。因此，废气中含有的水分移动至使用前的空气中，该使用前的空气被加湿。被加湿了的空气从加湿空气供给配管38通过端板62b被供给至燃料电池组14内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中，在截止阀46的开放作用下，燃料气体箱44内的燃料气体(氢气)被调节器48降压后，通过端板62b，从喷射器50被导入燃料电池组14内的燃料气体供给连通孔76a。
并且，在冷却介质供给机构16中，在制冷剂用泵26的作用下，冷却介质从冷却介质供给配管28通过端板62a被导入燃料电池组14内的冷却介质供给连通孔74a。
如图2所示，被供给至燃料电池组14内的各发电单元60中的空气，从氧化剂气体供给连通孔72a被导入第二分离器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，燃料气体从燃料气体供给连通孔76a被导入第一分离器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中，被供给至阴极侧电极82的空气中的氧和被供给至阳极侧电极80的燃料气体(氢)在电极催化剂层内通过电化学反应而被消耗，从而进行发电。
下面，被供给至阴极侧电极82的被消耗了的空气，沿氧化剂气体排出连通孔72b流动后，作为废气从端板62b排出至废气供给配管40(参照图1)。该废气作为加湿用气体被供给到加湿器36。
同样，被供给至阳极侧电极80的被消耗了的燃料气体，被排出至燃料气体排出连通孔72b并流动，作为排出燃料气体从端板62b被排出至排出燃料气体配管52(参照图1)。被排出至排出燃料气体配管52的排出燃料气体，一部分通过回流配管54在喷射器50的吸引作用下与新的燃料气体混合，并被供给至燃料电池组14内。剩余的排出燃料气体在排气阀56的开放作用下被排出。
另外，如图2所示，冷却介质从冷却介质供给连通孔74a被导入第一及第二分离器68、70间的冷却介质流路86后，沿箭头B的方向流动。该冷却介质，在冷却了电解质膜·电极构造体66后，在冷却介质排出连通孔74b移动，并从端板62a被排出至冷却介质排出配管30。该冷却介质，如图1所示，在被散热器24冷却后，在制冷剂用泵26的作用下，从冷却介质供给配管28被供给至燃料电池组14。
在这种情况下，在第一实施方式中，如图3所示，从燃料气体管45向喷嘴98的燃料气体通路106供给的燃料气体，从在所述喷嘴98的前端设置的喷射口110被喷射至扩散器100。因此，在吸引室114中产生负压，排出燃料气体通过废气通路104从回流配管54被吸引至该吸引室114。
因此，从喷嘴98喷射的燃料气体中混入排出燃料气体，该混合后的燃料气体从扩散器100的喷出通路116被朝向燃料气体供给连通孔76a喷出。
此时，在绝缘板59b上，在连通喷射器50和燃料气体供给连通孔76a的连通部位设有用于对燃料气体进行整流的整流部130。如图4所示，该整流部130设有下方侧的横长形状的开口部132和配置在所述开口部132上方的多个孔部134。下方侧由于接近所谓的桥部，所以需要供给较多的燃料，另一方面，上方侧虽然优选不流通所述燃料气体，但为了使压损不会变得过大，设有孔部134。
因此，从喷出通路116喷出的燃料气体，由于通过开口部132而变得容易圆滑且可靠地供应给燃料气体流路84，并且由于通过多个孔部134而被整流之后，供应给燃料气体供给连通孔76a。
由此，以较高的速度从喷出通路116喷出的燃料气体，在整流部130的整流作用下流速降低，在燃料气体供给连通孔76a内的静压分布得到改善。因此，可以得到对于构成燃料电池组14的多个发电单元60能够均匀且可靠地分配供给燃料气体，有效地提高发电性能及起动性的效果。
而且，对绝缘板59b附加整流功能，可以有效地阻止零件数量的增加。
另外，在整流部130，可以将孔部134的开口直径以及个数沿着燃料气体供给连通孔76a的形状等进行各种设定。另外，开口部132的形状除了横长形状之外，还可以对应于例如燃料气体难以流通的部位设定成一部分幅宽的不同的形状。
另外，在第一实施方式中，虽然作为反应气体采用向燃料电池组14循环供给的燃料气体为例进行了说明，但是不仅限于此，也适用在作为所述反应气体将氧化剂气体循环供给至所述燃料电池组14的情况。特别在使用纯氧作为氧化剂气体时适用。
图5是构成本发明的第二实施方式的燃料电池系统的整流部140的主要部分说明图。并且，与第一实施方式的燃料电池系统10相同的结构要素用同一参照符号进行表示，省略其详细的说明。
整流部140设有沿着燃料气体供给连通孔76a的底部的开口部142和配置在所述开口部142上方的多个孔部144(直径比孔部134大且数量设定为小于孔部134的数量)。开口部142对应于横长形状的一部分、即燃料气体难以流通的部位(所谓桥部的附近)在高度方向较大开口的幅宽部142a。这是为了使燃料气体容易从桥部流向反应面内。
在这样构成的第二实施方式中，能够对构成燃料电池组14的多个发电单元60均匀且可靠地分配供给燃料气体，并且可以取得与上述第一实施方式同样的效果。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，该燃料电池系统具有燃料电池组和反应气体供给机构， 
所述燃料电池组通过层叠多个发电单元而构成，并且沿着层叠方向设有至少供给作为燃料气体的反应气体的反应气体供给连通孔， 
所述反应气体供给机构向所述反应气体供给连通孔导入所述反应气体，并且设有使从所述燃料电池组排出的使用完成反应气体返回所述反应气体供给连通孔的喷射器，所述反应气体供给机构与所述燃料电池组的一侧端板连结， 
从所述喷射器朝向所述反应气体供给连通孔延伸的方向喷出反应气体， 
其中所述燃料电池组具有与所述一侧端板邻接配置的绝缘板，在所述绝缘板本身上，在连通所述喷射器和所述反应气体供给连通孔的连通部位设有用于对所述反应气体进行整流的整流部， 
所述整流部设有沿着横长开孔形状的底部的开口部和配置在所述开口部上方的多个孔部， 
在所述端板上安装树脂制歧管构件，该歧管构件一体地具有：与所述反应气体供给连通孔连通，且设有与所述反应气体供给连通孔的形状对应的横长形状通路的非圆形筒部；以及向所述端板的外侧突出，并设置与喷射器连通的圆形通路的圆形筒部。 
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 
所述反应气体供给连通孔具有横长开孔形状。 
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