CN101663786A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种对燃料电池堆(10)有效地进行扫气过程的燃料电池系统,该燃料电池堆(10)由两个或两个以上各自利用所供给的反应气体发电的燃料电池(40)构成。当燃料电池堆(10)停止发电或当燃料电池堆(10)未进行发电时,执行扫气过程,其中使作为扫气气体的反应气体从气体通道部(44、46)循环到出口歧管(62、68)。在扫气过程期间,限制扫气气体从每个气体通道部(44、46)排放到出口歧管(62、68)时所通过的区域,并且从一个到另一个依次开关待限制的区域。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统,具体地涉及执行用于排出残留在燃料电池系统中的水分的扫气过程的燃料电池系统。
相关技术的描述
燃料电池堆由相互堆叠的两个或两个以上燃料电池构成。每个燃料电池还具有由几个薄构件构成的堆叠结构。更具体地,每个燃料电池由MEA(膜电极组合件)和从两侧将MEA夹在中间的隔离器构成,所述MEA由电解质膜和设置在电解质膜两侧上的电极构成。
在这种燃料电池中,为了能够有效发电,必须保持电解质膜高度润湿。为此,总是利用由燃料电池发电所产生的水和由反应气体携带入燃料电池中的水分使每个燃料电池的内部润湿。当停止发电操作时,燃料电池中气体所含的水分冷凝并形成露。因此,当在寒冷地区等中使用燃料电池系统时,露冻结并随后堵塞反应气体通道,其可导致燃料电池系统的启动性能变差。
为了解决该问题,例如,日本专利申请公开2006-04904(JP-A-2006-04904)描述了一种执行扫气过程以除去每个燃料电池中余留的水分的燃料电池系统。根据该燃料电池系统,更具体而言,当停止发电的请求被发出时,大量的扫气气体循环通过燃料电池,所以滞留在每个燃料电池中的水分与扫气气体一起排出到外部。
然而,根据上述燃料电池系统,因为在扫气过程期间需要在高压下向每个燃料电池供给大量的气体,所以需要提供大容量压缩机,因此可能过度消耗储存在电池中的电力。
发明内容
本发明提供能够在燃料电池堆中执行有效的扫气过程的燃料电池系统。
本发明的第一方面涉及燃料电池系统,所述燃料电池系统具有:由两个或两个以上相互堆叠的燃料电池构成的且适于利用所供给的反应气体发电的燃料电池堆,所述燃料电池的每一个具有所述反应气体流过其中的气体通道部和所述反应气体从所述气体通道部排出到其中的出口歧管;和用于在所述燃料电池堆停止发电或在所述燃料电池堆没有进行发电时将扫气气体从所述气体通道部循环至所述出口歧管的扫气装置。所述扫气装置限制所述扫气气体从所述气体通道部排出时所通过的区域。
根据上述燃料电池系统,在所述扫气过程期间限制所述扫气气体从所述气体通道部排出到所述出口歧管时所通过的区域。由于所述气体通道部的出口由此减少,所以所述气体通道部出口附近的气流的速率增加,因此可以将残留在所述气体通道部中的水分有效地排出到外部。
上述燃料电池系统可以为:所述出口歧管包括两个或两个以上相互隔开且对应于所述气体通道部的各区域的出口歧管;在至少一个所述出口歧管中设置有用于调节打开度的打开度调节装置;和所述扫气装置控制所述打开度调节装置以使至少一个所述出口歧管变窄。
根据该结构,因为所述出口歧管包括两个或两个以上的出口歧管,所以可以使至少一个所述歧管变窄。当在如此构建的燃料电池系统中执行扫气过程时,至少一个出口歧管变窄,使得可以有效地限制扫气气体排出所至的区域。
此外,上述燃料电池系统可以为:所述出口歧管包括两个或两个以上相互隔开的且对应于所述气体通道部的各个区域的出口歧管;在所述出口歧管中分别设置有用于调节所述出口歧管的打开度的出口打开度调节装置;和所述扫气装置控制所述出口打开度调节装置以使至少一个所述出口歧管变窄。
根据该结构,因为所述出口歧管包括两个或两个以上出口歧管,所以至少一个所述歧管可以变窄。当在如此构建的燃料电池系统中执行扫气过程时,至少一个所述出口歧管变窄,使得可以有效地限制扫气气体排出所至的区域。
此外,上述燃料电池系统可以使得所述扫气装置从一个至另一个依次开关所述出口歧管,以使得所述出口歧管被所述出口打开度调节装置变窄。
根据该结构,在所述扫气过程期间,通过开关待变窄的所述出口歧管,从一个到另一个开关所述气体通道部的所述气体出口,因此可以将残留在所述气体通道部中各个区域中的水分有效地排出到外部。
本发明的第二方面涉及根据本发明第一方面的燃料电池系统,其中:所述燃料电池的每一个都具有连接至所述气体通道部的上游末端的两个或两个以上入口歧管,所述两个或两个以上入口歧管相互隔开,并且对应于所述气体通道部的各个区域;在所述入口歧管中分别设置有入口打开度调节装置;和所述扫气装置控制所述入口打开度调节装置以使面朝所述变窄的一个或更多个出口歧管的一个或更多个入口歧管变窄。
根据该结构,当在具有所述两个或两个以上入口歧管和所述两个或两个以上出口歧管的所述燃料电池堆中执行所述扫气过程时,所述一个或更多个出口歧管变窄,并且跨过所述气体通道部面朝该相同的一个或更多个出口歧管的一个或更多个入口歧管也变窄。由于这样减小了所述气体通道部的气体入口的区域,所以在此处扫气气体输送到所述气体通道部的流速增加,因此可以将残留的水分更有效地排出到外部。
本发明的第三方面涉及根据本发明第一方面的燃料电池系统,其中:所述出口歧管是单个出口歧管;在所述出口歧管中设置有两个或两个以上弹性构件;设置有用于使所述弹性构件膨胀或收缩的形状控制装置;和所述扫气装置通过使至少一个所述弹性构件膨胀限制扫气气体从所述气体通道部排出到所述出口歧管时所通过的区域。
根据该结构,在执行所述扫气过程时,设置在所述出口歧管中的至少一个所述弹性构件膨胀,并且随着所述弹性构件在所述出口歧管中膨胀,通向所述出口歧管的所述气体通道部的出口变窄,由此有效地限制了扫气气体排出所至的区域。
此外,所述扫气装置可以从一个到另一个依次开关所述弹性构件,以使得所述弹性构件通过所述形状控制装置而膨胀。
根据该结构,在执行所述扫气过程时,从一个到另一个依次开关待膨胀的所述弹性构件,由此开关所述气体通道部的气体出口。因此,可以将残留气体从所述气体通道部的各个区域有效地排出。
根据本发明第一方面、第二方面和第三方面的燃料电池系统可以使得所述反应气体是氧化性气体。
在该情况下,可以对每个燃料电池的阴极有效地进行扫气过程。
附图说明
参照附图,由以下示例性实施方案的说明,本发明的前述和其它特征和优点将变得明显,附图中使用类似的附图标记表示类似的元件/要素,其中:
图1是示意性示出根据本发明第一示例性实施方案的燃料电池系统的配置的图;
图2是示意性示出沿图1中所示的燃料电池堆10的部件堆叠方向观察的燃料电池堆10的内部结构和其外围部件的图;
图3是沿图2所示燃料电池堆10的部件堆叠方向截取的燃料电池堆10的一部分的横截面细节的图;
图4是示出燃料电池堆10发电期间的气体流动的图;
图5是示出燃料电池堆10扫气期间的气体流动的图;
图6是限定本发明第一示例性实施方案的每个开闭阀64的控制状态的表;
图7是示意性示出沿本发明第二实施方案的燃料电池堆80的部件堆叠方向观察的燃料电池堆80的内部结构和其外围部件的图;
图8是示出在燃料电池堆80中的扫气过程期间的气体流动的图;
图9示意性示出沿本发明第三示例性实施方案的燃料电池堆90的部件堆叠方向观察的燃料电池堆90的内部结构和其外围部件的图;和
图10是示出燃料电池堆90中的扫气过程期间的气体流动的图。
具体实施方式
在下文中,将参照附图描述本发明的示例性实施方案。应注意,在下文中,各示例性实施方案中类似的要素/元件和部件用类似的附图标记表示,并且将不再重复对这些要素/元件和部件的说明。此外,应理解本发明不限于以下示例性实施方案中的任意实施方案。
图1是示意性示出根据本发明第一示例性实施方案的燃料电池系统的配置的图。参照图1,第一示例性实施方案的燃料电池系统由燃料电池堆10构成。燃料电池堆10是具有固体聚合物隔离膜的固体聚合物燃料电池堆,并且通常用于例如燃料电池车。燃料电池堆10由两个或两个以上相互堆叠的燃料电池40构成。每个燃料电池40由质子传导性电解质膜、设置在质子传导性电解质膜一侧上的阳极、设置在质子传导性电解质膜另一侧上的阴极、和分别设置在所述阳极和阴极外侧上的两个隔离器构成。在下文中,将描述所述燃料电池结构的更多细节。
用于分配阳极气体(氢)的阳极气体通道12和阳极废气通道14连接至燃料电池堆10。阳极气体通道12的上游末端连接至阳极气体供给源16(高压氢罐和重整器等),在阳极气体供给源16的下游设置有压力调节阀18。阳极气体在压力调节阀18处减压至期望的压力,然后供给到燃料电池堆10。在循环通过燃料电池堆10之后,阳极气体作为阳极废气排出到阳极废气通道14。未在附图中显示的稀释器设置在阳极废气通道14的下游侧。残留在阳极废气中的氢在稀释器中稀释至足够低的浓度,然后排放到外部。
另一方面,用于分配阴极气体(空气)的阴极气体通道20和用于排放阴极气体的阴极废气通道22连接至燃料电池堆10。在阴极气体通道20的入口处设置有空气滤清器24,其用于除去从外部引入的空气中包含的灰尘等。压缩机26设置在空气滤清器24的下游侧。通过压缩机26的工作所引入的空气通过阴极气体通道20供给至燃料电池堆10。压力调节阀28设置在阴极废气通道22中。压力调节阀28能够将燃料电池堆10中的阴极气体压力调节至期望的压力。在循环通过燃料电池堆10之后,阴极气体作为阴极废气排出到阴极废气通道22。
如图1所示,第一示例性实施方案的燃料电池系统设置有管理燃料电池系统的整体控制的ECU(电子控制单元)30。ECU 30的输出部连接至压缩机26、压力调节阀18、28和未在图中示出的各个其它部件和装置。另一方面,ECU 30的输入部连接至未在图中示出的各个传感器等。ECU 30基于来自与ECU 30连接的各传感器等的各种信息通过执行相应的程序驱动各个部件和装置。
在下文中,将参照图2和图3描述第一示例性实施方案的燃料电池堆10的结构和其外围部件。图2是示意性示出沿图1中所示的燃料电池堆10的部件堆叠方向观察的燃料电池堆10的内部结构和其外围部件的图。参考图2,在燃料电池堆10的每个MEA 50的上侧形成有开口,并且MEA 50的所述开口共同形成用于阴极的入口歧管60。上述阴极气体通道20与入口歧管60连通。
另一方面,在燃料电池堆10中的每个MEA 50的下侧处形成有用于阴极的出口歧管62a、62b、62c和62d的开口。注意,当出口歧管62a、62b、62c和62d中的一个或更多个不需要与其它的区分时,出口歧管62a、62b、62c和62d将统称为“出口歧管62”。阴极废气通道22分别与出口歧管62a、62b、62c和62d连通。此外,开闭阀64a、64b、64c和64d设置在阴极废气通道22中,靠近与出口歧管62相连的连接部。注意,当开闭阀64a、64b、64c和64d中的一个或更多个不需要与其它的区分时,开闭阀64a、64b、64c和64d将统称为“开闭阀64”。此外,在燃料电池堆10中形成有阳极入口歧管66、阳极出口歧管68、冷却剂入口歧管70和冷却剂出口歧管72。
图3是沿线III-III截取的图2所示燃料电池堆10的一部分的横截面视图。参考图3,燃料电池堆10具有由两个或两个以上相互堆叠的燃料电池40构成的堆叠结构。每个燃料电池40由发电部42、阴极气体流过其中的多孔通道部44、阳极气体流过其中的多孔通道部46、和隔离器48构成,每个隔离器48都用作相邻发电部42之间的隔离物。每个发电部42的MEA 50由夹在阳极和阴极中间的电解质膜构成。未在附图中显示的气体扩散层形成在MEA 50的外侧,密封垫整体式设置在各个气体扩散层的周围。
多孔通道部44和46由泡沫、烧结金属(例如不锈钢、钛和钛合金)或具有许多孔的多孔材料(例如金属网)制成。因为多孔通道部44和46主要用作各反应气体沿给定方向流过其中的通道,所以多孔通道部44和46由具有相对高孔隙度的多孔材料制成以降低各反应气体流的压力损失,由此提高排水能力。多孔通道部44与入口歧管60和出口歧管62连通。反应气体从入口歧管60输送到多孔通道部44,然后穿过多孔通道部44的孔并到达MEA 50的阴极。在MEA 50处由发电反应产生的废气从多孔通道部44排出到出口歧管62。多孔通道部46与阳极入口歧管66和阳极出口歧管68连通。
隔离器48是由相互堆叠的薄导电金属板例如不锈钢板和钛板等构成的三层隔离器。更具体地,每个隔离器48由邻接多孔通道部44的阴极板、邻接多孔通道部46的阳极板和插入阳极板和阴极板之间的中间板构成。
接下来,将参照图4~图6描述第一示例性实施方案的燃料电池系统的运行。具有前述结构的燃料电池堆10的内部在燃料电池堆10发电期间保持润湿。更具体地,充分润湿的反应气体输送至燃料电池堆10中,由此将水分携带至燃料电池堆10中。此外,由发电反应而产生的水也用于燃料电池堆10的增湿。
在燃料电池堆10发电期间,燃料电池堆10的温度保持为约80℃,因此,燃料电池堆10中气体中包含的水分冷凝,并且在发电结束之后形成露。如果该水堵塞燃料电池堆10中的通道,则燃料电池堆10的下次启动可能变得困难(系统的启动性变差)。此外,在例如环境温度低于零度的寒冷地区,当发电停止时燃料电池堆10中残留的水分冻结,因此,燃料电池堆10中通道的前述堵塞变得更严重。
鉴于上述问题,在本发明第一示例性实施方案的燃料电池系统中,当停止发电或没有进行发电时,执行用于排出燃料电池堆10中残留的水分的扫气过程。更具体地,在燃料电池堆10中的发电结束之后,驱动设置在阴极气体通道20上的压缩机26,以将用作扫气气体的空气输送入燃料电池堆10中一段时间。经过入口歧管60输送到燃料电池堆10中的扫气气体流过多孔通道部44,然后通过出口歧管62排出。在该时间期间,滞留在燃料电池堆10中的水分被扫气气体吹走,然后通过出口歧管62排出。这样,可以将残留在阴极气体通道中的水分有效地排放到外部。
为了在燃料电池堆10中获得高的发电效率,期望发电反应在MEA 50的各区域中均匀地进行。因此,在第一示例性实施方案的燃料电池堆10中,反应气体通过其从入口歧管60输送到多孔通道部44的气体入口大(例如,大于入口歧管60宽度的50%)。图4是示出燃料电池堆10发电期间的气体流动的图。如图4中所示,因为气体通道的宽度大,所以反应气体可均匀地供给到MEA 50的各个区域中,使得可以在燃料电池堆10中获得高的发电效率。
然而,在如上所述构建的燃料电池堆10中,存在不能有效执行上述扫气过程的可能性。也就是说,如前文提及的,在扫气过程期间,扫气气体从歧管入口侧循环到歧管出口侧,所以将其间残留的水分有效地排放到外部。因此,在燃料电池堆中每个MEA的气体入口大的情况下,不能使扫气气体的流速高至足以排出残留的水分,因此不能获得期望的扫气效果。
鉴于上述原因,在第一示例性实施方案的燃料电池系统中,在执行扫气过程时限制扫气气体的出口。图5是示出燃料电池堆10扫气过程期间的气体流动的图。如图5中所示,在开始扫气过程时,开闭阀64a打开,而开闭阀64b、64c和64d关闭,建立起扫气气体只可从出口歧管62a排出的状态。然后,将扫气气体输送到燃料电池堆10中,以使其流过多孔通道部44的内部,然后全部通过出口歧管62a排出。也就是说,此时因为扫气气体的出口仅限于一个歧管,所以流过多孔通道部44内部的扫气气体的流速增加,因此,可以将残留在扫气气体通道中的水分有效地排放到外部。
扫气气体的流路按给定的时间间隔从一个转换到另一个。图6是限定每个开闭阀64的控制状态的表。开闭阀64在燃料电池堆10的正常运行期间和扫气过程期间根据该表打开和关闭。更具体地,在燃料电池堆10的正常运行期间,开闭阀64a、64b、64c和64d全部打开,使得通过入口歧管60输送到燃料电池堆10中的反应气体均匀地供给到MEA 50的各个区域。
另一方面,当燃料电池堆10的发电过程停止时,开始扫气过程,以除去残留在燃料电池堆10中的水分。此时,更具体地,首先是打开开闭阀64a,同时关闭开闭阀64b、64c和64d,由此将残留在出口歧管62a附近的水分有效地排放到外部。然后,打开开闭阀64b,同时关闭开闭阀64a、64c和64d,由此将将残留在出口歧管62b附近的水分有效地排放到外部。然后,打开开闭阀64c,同时关闭开闭阀64a、64b和64d,由此将将残留在出口歧管62c附近的水分有效地排放到外部。最后,打开开闭阀64d,同时关闭开闭阀64a、64b和64c,由此将将残留在出口歧管62d附近的水分有效地排放到外部。
根据本发明第一示例性实施方案的燃料电池系统,如上文所述,当进行扫气过程时,限制扫气气体的出口,以增加流过燃料电池堆10内部的扫气气体流速,由此将燃料电池堆10中残留的水分有效地排放到外部。
根据本发明第一示例性实施方案的燃料电池系统,还因为按给定的时间间隔从一个到另一个转换扫气气体排出时所通过的出口歧管,所以在每个区域中都可产生快速的扫气气流。这样,可以将残留在燃料电池堆10的各个区域中的水分均匀地排放到外部。注意,在燃料电池堆10发电期间,所有的出口歧管62a、62b、62c和62d都打开,因此将反应气体均匀地供给到MEA 50的各个区域,从而获得高的发电效率。
虽然在第一示例性实施方案中通过执行扫气过程排放残留在燃料电池堆10中的阴极通道中的水分,但是执行扫气过程的通道不限于所述阴极通道。例如,可以对燃料电池堆10中的阳极通道执行扫气过程。
此外,虽然在第一示例性实施方案中根据图6所示的表打开和关闭开闭阀64,但是可以以其它方式控制开闭阀64。例如,可以根据例如残留在燃料电池堆10中的水分的量和所述水分的分布而更精细地控制开闭阀64。
此外,虽然在上述第一示例性实施方案中,燃料电池堆10具有多孔通道部44,并且执行扫气过程以排出残留在多孔通道部44中的水分,但是燃料电池堆10的结构不限于此。例如,反应气体通道可以是槽而非多孔部。
同时,注意,上述第一示例性实施方案中的多孔通道部44可以认为对应于本发明的“气体通道部”。
此外,注意,上述第一示例性实施方案中的开闭阀64可以认为对应于本发明的“出口打开度调节装置”。
接下来,将参照图7和图8描述本发明的第二示例性实施方案。第二示例性实施方案的燃料电池系统由代替图1中所示燃料电池系统的燃料电池堆10的燃料电池堆80构成。注意,图7中所示燃料电池系统的与图1中所示燃料电池系统相同的元件和部件将用相同的附图标记表示,并且这些元件和部件将不再赘述。
图7是示意性示出沿燃料电池堆80的部件堆叠方向观察的燃料电池堆80的内部结构和其外围部件的图。参照图7,在燃料电池堆80的每个MEA 50的上侧形成有开口,并且MEA 50的所述开口分别共同形成用于阴极的入口歧管82a、82b、82c和82d。注意,入口歧管82a、82b、82c和82d中的一个或更多个不需要与其它的区分时,入口歧管82a、82b、82c和82d将统称为“入口歧管82”。阴极气体通道20具有支路,并且分别连接至入口歧管82a、82b、82c和82d。开闭阀84a、84b、84c和84d设置在阴极气体通道20的分支点的直接下游。注意,开闭阀84a、84b、84c和84d中的一个或更多个不需要与其它的区分时,开闭阀84a、84b、84c和84d将统称为“开闭阀84”。
接下来,将参照图8描述第二示例性实施方案的燃料电池系统的运行特征。在第一示例性实施方案中,如上文详细描述的,在进行扫气过程时,通过将扫气气体的出口限定到一个特定的出口歧管增加了扫气气体的流速,从而将残留在燃料电池堆10中的水分有效地排放到外部。另一方面,在第二示例性实施方案中,限制扫气气体的出口以及扫气气体的入口,以使扫气气体的流速进一步增加。
图8是示出在燃料电池堆80中进行扫气过程期间的气体流动的图。如图8中所示,当燃料电池堆80的发电停止并开始扫气过程时,打开开闭阀84a,同时关闭开闭阀84b、84c和84d,使得扫气气体只可以通过入口歧管82a输送到燃料电池堆80中。这样,输送到多孔通道部44的扫气气体的流速增加。
在第二示例性实施方案的燃料电池系统中,还如图8所示限制扫气气体的出口。更具体地,此时,打开开闭阀64a,同时关闭开闭阀64b、64c和64d,建立起只可以通过位于与入口歧管82a对应的位置处的出口歧管62a排放扫气气体的状态。这样,通过入口歧管82a输送到燃料电池堆80中的扫气气体只通过出口歧管62a排出。
在如上所述控制开闭阀64和84的情况下,扫气气体流速的增加多于仅对应于限制扫气气体的出口时的增加。因此,可以将残留在扫气气体通道中的水分更有效地排放到外部。
扫气气体的流路按给定的时间间隔从一个转换到另一个。更具体地,在第二示例性实施方案的燃料电池系统中,根据图6所示的表所限定的操作蚀刻控制开闭阀64、84,因此可以有效地转换扫气气体的流路。
根据第二示例性实施方案的燃料电池系统,如上所述,在执行扫气过程时,通过将扫气气体的入口限制到一个特定的入口歧管82以及将扫气气体的出口限制到一个特定的出口歧管62,有效地增加了流过燃料电池堆80内部的扫气气体的流速。这样,可以将残留在燃料电池堆80中的水分有效地排放到外部。
根据第二示例性实施方案的燃料电池系统,还因为扫气气体的流路按给定的时间间隔转换,所以可以将残留在燃料电池堆80中的水分均匀地排放到外部。此外,注意,在燃料电池堆80发电期间,每个出口歧管62中的气流不受限制,因此反应气体均匀地供给到MEA 50的各个区域中,从而获得高的发电效率。
虽然第二示例性实施方案中,残留在燃料电池堆80中的阴极通道中的水分通过执行前述扫气过程而排出,但是执行扫气过程的通道不限于所述阴极通道。例如,可以对燃料电池堆80中的阳极通道执行扫气过程。
此外,虽然在第二示例性实施方案中,根据图6所示的表打开和关闭开闭阀64、84,但是可以以其它方式控制开闭阀64、84。例如,可以根据例如残留在燃料电池堆80中的水分的量和所述水分的分布更精细地控制开闭阀64、84。
此外,虽然在上述第二示例性实施方案中,燃料电池堆80具有多孔通道部44,并且执行扫气过程以排出残留在多孔通道部44中的水分,但是燃料电池堆80的结构不限于此。例如,反应气体通道可以是槽而非多孔部。
同时,注意,第二示例性实施方案的燃料电池系统的开闭阀84可以认为对应于本发明的“入口打开度调节装置”。
接下来,将参照图9和图10描述本发明的第三示例性实施方案。第三示例性实施方案的燃料电池系统由代替图1中所示燃料电池系统的燃料电池堆10的燃料电池堆90构成。注意图9中所示燃料电池系统的与图1中所示燃料电池系统相同的元件和部件将用相同的附图标记表示,并且这些元件和部件将不再描述。
图9是示意性示出沿燃料电池堆90的部件堆叠方向观察的燃料电池堆90的内部结构和其外围部件的图。参照图9,在燃料电池堆90的每个MEA 50的下侧形成有开口,并且MEA 50的所述开口共同形成出口歧管92。阴极废气通道22与出口歧管92连通。弹性构件94a、94b、94c和94d设置在出口歧管92中。注意,弹性构件94a、94b、94c和94d中的一个或更多个不需要与其它的区分时,弹性构件94a、94b、94c和94d将统称为“弹性构件94”。每个弹性构件94都是其内部充气时膨胀的弹性构件。弹性构件94由氟橡胶或硅橡胶制成。弹性构件94通过管(未图示)连接至压缩机(未图示),并且在各个管上设置有用于各个弹性构件94的压力调节阀。根据该结构,选定的一个或更多个弹性构件94可以根据需要膨胀或收缩。
接下来,将参照图10描述第三示例性实施方案的燃料电池系统的运行特征。在第一示例性实施方案中,如上文详细描述的,在进行扫气过程时,通过将扫气气体的出口限制到一个特定的出口歧管增加了扫气气体的流速,从而将残留在燃料电池堆10中的水分有效地排放到外部。另一方面,在第三示例性实施方案中,通过使出口歧管92中的弹性构件94膨胀限制扫气气体排出时所通过的出口歧管92的区域,以代替所述扫气气体出口的限制。
图10是示出燃料电池堆90扫气过程期间的气体流动的图。如图10中所示,当扫气过程开始时,弹性构件94a收缩,同时弹性构件94b、94c和94d膨胀,由此可以只通过出口歧管92中弹性构件94a附近的空隙排放扫气气体。也就是说,限制扫气气体排出时所通过的出口歧管的区域,使得流过多孔通道部44的扫气气体的流速相应增加。这样,可以将残留在扫气通道中的水分有效地排放到外部。
扫气气体的流路按给定的时间间隔从一个转换至另一个。更具体地,在第三示例性实施方案的燃料电池系统中,弹性构件94根据图6的表所限定的阀时刻膨胀和收缩,使得在燃料电池堆90中扫气气体的流路有效地从一个转换至另一个,由此可以将残留在燃料电池堆80中的水分有效地排放到外部。
根据第三示例性实施方案的燃料电池系统,如上所述,在执行扫气过程时,通过限制扫气气体排出时所通过的出口歧管92的区域,有效地增加了流过燃料电池堆80内部的扫气气体的流速。这样,可以将残留在燃料电池堆80中的水分有效地排放到外部。此外,因为按给定的时间间隔从一个至另一个转换将待膨胀的弹性构件94,所以可以增加每个区域中的扫气气体流速,并且由此可以将残留在燃料电池堆各个区域中的水分排放到外部。
根据第三示例性实施方案的燃料电池系统,此外,在燃料电池堆80的发电期间,所有的弹性构件94收缩,使得出口歧管92成为沿每个多孔通道部44的外侧面延伸的单个歧管。这样,气体通过其从每个多孔通道部44流到出口歧管92的气体入口大,因此,反应气体可以均匀地供给到MEA 50的各个区域,由此可以获得高的发电效率。
虽然在第三示例性实施方案中,通过执行前述扫气过程排放残留在燃料电池堆90中的阴极通道中的水分,但是执行扫气过程的通道不限于所述阴极通道。例如,可以对燃料电池堆90中的阳极通道执行扫气过程。
此外,虽然在第三示例性实施方案中,根据图6所示的表使弹性构件94膨胀和收缩,但是可以以其它方式控制各个弹性构件94的状态。例如,可以根据例如残留在燃料电池堆90中的水分的量和所述水分的分布更精确地控制各个弹性构件94的状态。
此外,虽然在上述第三示例性实施方案中,燃料电池堆90具有多孔通道部44,并且执行扫气过程以排出残留在多孔通道部44中的水分,但是燃料电池堆90的结构不限于此。例如,反应气体通道可以是槽而非多孔部。此外,弹性构件94可以具有任意结构,并且可以以任意方式控制每个弹性构件94的状态,只要出口歧管92可以根据需要变窄即可。
此外,在第三示例性实施方案的燃料电池系统中,如上所述,弹性构件94布置在出口歧管92中并用于限制扫气气体排出时所通过的出口歧管92的区域。或者,可以将弹性构件94布置在其它位置。例如,可以将弹性构件94布置在入口歧管60中,并用于控制扫气气体输送时所通过的入口歧管的区域。
虽然已经参照本发明的示例性实施方案描述了本发明,但是应理解,本发明不限于所述实施方案或结构。相反,本发明旨在涵盖各种修改方案和等同布置。此外,虽然以各种组合和配置显示了示例性实施方案的各要素/元件,但是包括多于、少于或仅单个元件的其它组合和配置也在本发明的精神和范围内。
Claims (8)
1.一种燃料电池系统,包括:
由两个或两个以上相互堆叠的燃料电池构成的且适于利用所供给的反应气体发电的燃料电池堆,所述燃料电池的每一个具有所述反应气体流过其中的气体通道部和所述反应气体从所述气体通道部排出到其中的出口歧管;和
用于在所述燃料电池堆停止发电时或在所述燃料电池堆不发电时,将扫气气体从所述气体通道部循环至所述出口歧管的扫气装置,所述燃料电池系统的特征在于:
所述扫气装置限制所述扫气气体从所述气体通道部排出时所通过的区域。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统,其中:
所述出口歧管包括相互隔开且对应于所述气体通道部的各区域的两个或两个以上出口歧管;
在至少一个所述出口歧管中设置有用于调节打开度的打开度调节装置;和
所述扫气装置控制所述打开度调节装置以使所述至少一个出口歧管变窄。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统,其中:
所述出口歧管包括两个或两个以上相互隔开且对应于所述气体通道部的各个区域的出口歧管;
在所述出口歧管中分别设置有用于调节所述出口歧管的打开度的出口打开度调节装置;和
所述扫气装置控制所述出口打开度调节装置以使所述至少一个出口歧管变窄。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统,其中所述扫气装置顺序开关所述出口歧管使得所述出口歧管被所述出口打开度调节装置变窄。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的燃料电池系统,其中:
每个所述燃料电池具有连接至所述气体通道部的两个或两个以上入口歧管,所述两个或两个以上入口歧管相互隔开,并且对应于所述气体通道部的各个区域;
所述燃料电池系统还包括分别设置在所述入口歧管中的入口打开度调节装置;和
所述扫气装置控制所述入口打开度调节装置以使对应于所述变窄的一个或多于一个的出口歧管的一个或多于一个的入口歧管变窄。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统,其中:
所述出口歧管是单个出口歧管;
所述燃料电池系统还包括设置在所述出口歧管中的两个或两个以上弹性构件,和用于使所述弹性构件膨胀或收缩的形状控制装置;和
所述扫气装置通过使至少一个所述弹性构件膨胀限制扫气气体从所述气体通道部排出到所述出口歧管所通过的区域。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统,其中所述扫气装置顺序开关所述弹性构件以使得所述弹性构件通过所述形状控制装置而膨胀。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统,其中所述反应气体是氧化性气体。
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