CN101861672A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池系统，通过有效利用燃料电池壳体内的下部空间，尽可能地抑制壳体的高度尺寸，并可将稀释器收容于壳体内。燃料电池系统(8)具备通过向阳极侧供给的气体和向阴极侧供给的气体之间的电化学反应来发电的燃料电池组(12)、将从燃料电池组(12)排出的阳极废气利用阴极废气稀释并排出的稀释器(18)、以及在内部收容燃料电池组(12)及稀释器(18)的燃料电池壳体(10)，其中，将向稀释器(18)的排气方向下游侧延伸的排气管(34)通过的燃料电池壳体(10)的侧面开口部(13a)在重力方向上配置于相比稀释器(18)的内面最下部(38)靠上一侧。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，特别是涉及与将从燃料电池组排出的阳极废气稀释并排气的稀释器相关联的排气装置。
背景技术
近年来，由于对环境的影响少，故而在汽车或车辆上进行燃料电池组的搭载。燃料电池组中，例如向燃料电池的阳极侧供给氢等燃料气体，且向阴极侧供给含氧的氧化气体例如空气，利用通过电解质膜的电化学反应而取出需要的电力。
供给到阴极侧的氧化气体从燃料电池组排出时的阴极废气中含有因电化学反应而产生的反应生成水。另一方面，供给到阳极侧的燃料气体从燃料电池组排出时的阳极废气中也含有通过电解质膜而到达的反应生成水。
通过将在连接燃料电池组的阳极废气出口和稀释器的配管的中途设置的净化阀在规定的定时开阀，阳极废气被送向稀释器。阴极废气也经由配管被从燃料电池送向稀释器。而且，在稀释器内，阳极废气与阴极废气混合而稀释后，排出到外部。此时，阴极废气及阳极废气分别包含的反应生成水也一并被排出。
连接燃料电池组的阳极废气出口和净化阀的配管及连接净化阀和稀释器的配管为了确保阳极废气中含有的反应生成水的排水性，优选都朝向废气排气方向下游侧下倾配置。另外，在净化阀和稀释器之间取得相对于燃料电池组的电绝缘的情况下，通常用由绝缘材料构成的例如橡胶软管将净化阀和稀释器连接，但为了确保相对于高压燃料电池组的足够的绝缘性，必须使用一定程度的长度的橡胶软管。其结果是，为了确保它们的排水性、绝缘性，需要在燃料电池组的阳极废气出口和稀释器的阳极废气入口设置例如数十平方厘米程度的高度差。
例如，专利文献1中记载有下述技术：用于将从燃料电池系统排出的排水导向排气管的配管朝向其流体移动方向下游下倾地配置以使在内部流通的流体容易流动。
专利文献1：(日本)特开2005-163812号公报
另外，尝试了将燃料电池组及相关联的各要素收容于燃料电池壳体内并装载于车辆的底板下部。该情况下，为尽可能宽地确保车内空间，期望将燃料电池壳体的高度尺寸抑制得尽可能小。
但是，在设有上述数十厘米的高度差的状态下在燃料电池壳体内收容稀释器时，壳体高度尺寸增大。另外，对于稀释器，也需要维持大的内部空间以进行充分的混合稀释化，从而形成大型化，因此，在底板下装载燃料电池壳体的情况下，在壳体内收容稀释器成为抑制壳体高度尺寸的障碍。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种燃料电池系统，通过有效利用燃料电池壳体内的下部空间，尽可能地抑制壳体的高度尺寸，并且可在壳体内收容稀释器。
本发明提供一种燃料电池系统，其具备：通过向阳极侧供给的气体和向阴极侧供给的气体之间的电化学反应来发电的燃料电池、将从燃料电池排出的阳极废气利用阴极废气稀释并排出的稀释器、以及在内部收容燃料电池及稀释器的燃料电池壳体，其特征在于，将向稀释器的排气方向下游侧延伸的排气管所通过的燃料电池壳体的侧面开口部在重力方向上配置于比稀释器的内面最下部靠上侧的位置。
根据该构成，将向稀释器的排气方向下游侧延伸的排气管所通过的燃料电池壳体的侧面开口部在重力方向上配置于比稀释器的内面最下部靠上侧的位置，由此，能够在燃料电池壳体的侧面开口部确保从下面跨至侧面的立起缘部，并且能够将比侧面开口部靠下方的壳体内部空间作为稀释器配置空间而有效利用，可在壳体内最大限度地取得稀释器的容积。
本发明的燃料电池系统中，优选将供阳极废气向稀释器内喷出的喷出口配置在比稀释器的内面最下部靠排气方向上游侧的位置。
根据该构成，即使生成水从排气管向稀释器内倒流，也会滞留在内面最下部，因此，即使该滞留的生成水因外气温降低而冻结，也能够抑制位于比内面最下部靠上游侧的喷出口被堵塞的情况。
另外，本发明的燃料电池系统中，优选将供阳极废气向稀释器内喷出的喷出口配置在比稀释器的内面最下部靠重力方向上侧的位置。
根据该构成，即使生成水从排气管向稀释器内倒流，也会滞留在内面最下部，因此，即使该滞留的生成水因外气温降低而冻结，也能够抑制位于比内面最下部靠重力方向上侧的位置的喷出口被堵塞的情况。
另外，本发明的燃料电池系统中，优选其构成为在稀释器内使阳极废气与阴极废气的流动相对而喷出。
在此，所谓“相对”，不限于相对于阴极废气的排出方向向正逆方向喷出的情况，而是全部包括将阳极废气的喷出方向进行向量分解时具有与阴极废气的喷出方向正逆的方向成分的喷出方向。
根据该构成，通过使喷出的阳极废气与阴极废气的流动相对碰撞，各废气易于混合，可以在小的空间内高效地稀释，对于将稀释器小型化是有利的。
另外，本发明的燃料电池系统中，也可以将加湿器在排气方向上配置于稀释器的下游侧而连接排气管，所述加湿器用于对向燃料电池的阳极侧供给的气体进行加湿。
根据该构成，可将阳极废气及阴极废气两方中包含的生成水由加湿器回收并再利用于阳极气体的加湿，可以高效地进行加湿。
附图说明
图1是装载本发明一实施方式的燃料电池系统的燃料电池汽车的概略结构图；
图2是燃料电池系统的概略结构图；
图3是图2的燃料电池系统的稀释器的重力方向剖面图；
图4A是概略性表示从上方看到的稀释器及与其连结的净化阀的状态的图；
图4B是概略性表示从上方看到的稀释器及与其连结的净化阀的状态的与图4相同的图；
图5是表示稀释器的变形例的图；
图6是表示在净化阀和稀释器之间设有两根连结管的变形例的图。
符号说明
1燃料电池汽车；2前座；8燃料电池系统；10燃料电池壳体；11底面或下面；12燃料电池组；13侧面；13a开口部；13b缘部；14净化阀；15连结管；16空气调压阀；18稀释器；20燃料罐；22喷射器；24配管；26压力计；27循环升压器；28空气切断阀；30导入管；32稀释部；33喷出口；34排气管；36下面；38下面最下部；40加湿器；42氧化气体源；44空气压缩机；50弹性部件。
具体实施方式
下面，使用附图对本发明的实施方式进行详细说明。该说明中，具体的形状、材料等为用于容易理解本发明的一例，可根据用途、目的、规格等进行适宜变更。
图1是表示具备本发明一实施方式的燃料电池系统的燃料电池汽车1的概略结构的图。燃料电池汽车1在前座2下方的底板下部搭载有作为燃料电池系统的构成要素的燃料电池壳体(以下称作“FC壳体”)10。
图2表示本实施方式的燃料电池系统8的概略构成。图2是从上方看到的燃料电池系统8的状态。燃料电池系统8包括收容于FC壳体10内的作为燃料电池的燃料电池组12等各要素、以及与FC壳体10的内部构成要素连接的加湿器40等。FC壳体10由沿着重力方向的高度尺寸比其它边长小的矩形扁平型的箱体形成。FC壳体10例如通过对金属板进行弯曲加工、焊接、螺纹紧固等而形成。在FC壳体10的内部收容有燃料电池组12、净化阀14、空气调压阀16及稀释器18等。燃料电池组12经由绝缘部件固定于FC壳体10的下面或底面。
燃料电池组12为将单电池组合多个层叠而成，该单电池为在电解质膜的两侧配置有催化剂电极层的MEA(Membrane ElectrodeAssembly)的两外侧配置隔板夹持而成。燃料电池组12具有下述功能：向阳极侧供给氢等燃料气体，向阴极侧供给含氧的氧化气体例如空气，利用通过电解质膜的电化学反应进行发电，取出需要的电力。
在燃料电池组12的阳极侧的气体入口，从设于壳体外部的燃料罐20经由配置于壳体内的喷射器22供给氢气。喷射器22具有将来自燃料罐20的氢气调整为适当的压力和流量而喷出的功能。从喷射器22延伸到燃料电池组12的配管24上连接有压力计26。压力计26检测向燃料电池组12供给的氢气的压力。另外，图2中，作为将喷射器22及压力计26收容于FC壳体10内的结构进行图示，但不限于此，也可以将它们配置于FC壳体10的外部。
燃料电池组12的阳极侧出口经由净化阀14与稀释器18连接。净化阀14在规定的定时暂时被切换控制到开阀状态。此外，在净化阀14处于闭阀状态时，从阳极侧出口排出的阳极废气被例如泵即循环升压器27升压，返回燃料电池组12的阳极侧入口被再利用。在这样循环中，阳极废气中作为燃料气体的氢因电化学反应而消耗，从而浓度降低，另一方面，变成含有从阴极侧通过电解质膜的电化学反应生成水及氮。稀释器18将从燃料电池组12排出来的含氢及水等的阳极废气与阴极废气混合而稀释，之后向FC壳体10外排出。
稀释器18在排气方向下游侧经由设于壳体外部的空气切断阀28与加湿器40连接。通过在稀释器18和空气切断阀28之间、或空气切断阀28和加湿器40之间设置例如由橡胶软管等绝缘性配管连接的部分，由此取得在FC壳体10的内外的电绝缘。空气切断阀28处于开阀状态时，从稀释器40排出的废气在通过加湿器40时，向内置于加湿器40的多孔质体交接水之后，经由未图示的消音器(也称作“消声器”)向外部排出。
另一方面，燃料电池汽车1中，在壳体外部具备向燃料电池组12的阴极侧供给的氧化气体例如作为氧的供给源的氧化气体源42。氧化气体源42可使用实际上含氧的大气。来自氧化气体源42的空气在由空气压缩机(ACP)升压后，在通过加湿器40时被适当加湿，之后，被供给向燃料电池组12的阴极侧入口。另外，本实施方式中，将氧化气体源42及空气压缩机44相对于FC壳体10设于燃料罐20的相反侧，但不限于此，也可以将氧化气体源42及空气压缩机44相对于FC壳体10设于与燃料罐20相同的一侧。由此，具有可缩短从空气压缩机44到加湿器44的空气供给路径的优点。
燃料电池组12的阴极侧出口经由空气调压阀16与稀释器18连接。空气调压阀16也称作背压阀，是具有调整阴极侧出口的气压而调整空气流向燃料电池组12的流量的功能的阀，可使用例如蝶阀那样可调整流路的有效开口的阀。从阴极出口排出的阴极废气可利用作为用于在稀释器18中将阴极废气中含有的氢浓度稀释以达到规定浓度以下的稀释气体。另外，阴极废气中含有通过燃料电池组12中的电化学反应生成的水。
图3表示本实施方式的燃料电池系统8的排气装置的构成要素即稀释器40的沿重力方向的剖面。稀释器18由导入作为阴极废气的空气的导入管30、将从净化阀14喷出的阳极废气与空气混合而稀释的稀释部32、以及排出稀释的废气的排气管34构成。稀释器18接近FC壳体10的底面11而设置。
稀释器18的稀释部32优选具有大的内部空间，以充分地进行阳极废气的稀释化，其可以由与排气方向正交的方向的剖面为例如圆形、椭圆形、大致口字形等的筒体构成。另外，构成稀释部32的内面的一部分的下面36朝向排气方向下游侧下倾形成，与下游侧排气管34的边界部即下面36上倾地过渡的部分成为最下部38。另外，关于稀释部32，也可以使上面和下面平行地形成，且以下面具有下倾斜的方式倾斜设置稀释器18自身。另外，也可以构成为使稀释部32的下面36与水平方向平行地形成或配置，且下面36整体成为最下部。
如图3所示，从净化阀14向稀释部32内喷出阳极废气的喷出口33在排气方向上被配置于比最下部38靠上游侧。另外，喷出口33相比最下部38向重力方向上侧具有高度差h而配置。通过这样配置喷出口33，即使在包括稀释部32的最下部38的下面36上所滞留的水因外气温降低而冻结的情况下，也能够抑制喷出口被堵塞。
另外，在本实施方式中，作为将喷出口33配置于相比稀释器18内的最下部38靠排气方向上游侧且靠重力方向上侧的结构进行了说明，但不限于此，只要满足任一方即排气方向上游侧或重力方向上侧的条件，就具有抑制喷出口33的冻结堵塞的效果。
图4A、4B是从上方看到的净化阀14及稀释器18的图。净化阀14接近稀释器18的稀释部32的水平方向侧方而配置。而且，净化阀14和稀释部32通过连结管15连结，连结管15的出口成为喷出口33。连结管15相对于稀释部32的轴心方向倾斜地连结。由此，经由连结管15在稀释部32内向排气方向上游侧喷出的阳极废气从斜向与阴极废气即空气的流动方向相对地喷出。通过该构成，喷出的阳极废气与阴极废气的流动相对碰撞，由此阳极废气中含有的高浓度氢部分S向排气方向及与其交叉的方向迅速扩大而低浓度化，即容易被稀释化，其结果是可以在小的空间内进行高效的稀释化，对于将稀释器小型化有利。另外，通过将净化阀14设于稀释器18的水平方向侧方，不需要在净化阀14和稀释器18之间较大地设置高度差，对于减小FC壳体10的高度尺寸有利。
稀释器18的排气管34从稀释部32向排气方向下游侧延伸，通过形成于FC壳体10的侧面13的开口部13a伸出到壳体外部。在开口部13a安装例如索环等弹性部件50，防止开口部13a的缘部和排气管34的接触，并且将开口部13a的缘部和排气管34之间的间隙密封。
FC壳体10的开口部13a被配置于相比稀释部32的内面最下部38靠重力方向上侧。通过这样配置开口部13a，在FC壳体10的开口部13a确保从下面11跨至侧面13的立起缘部13b，并且可将比开口部13a靠下方的壳体内部空间作为稀释器18的配置空间而有效利用，可在壳体内最大限度地取得稀释器18的容积。另外，通过确保立起缘部13b作为开口部13a的下部缘部，可对于FC壳体10抑制开口部形成区域的强度下降，并且可以在侧面开口部13a容易且可靠地安装环状的密封部件。
接着，对本实施方式的燃料电池系统8的动作及作用进行说明。
在燃料电池组12中，将从氧化气体源42由空气压缩机44升压的空气由加湿器40适当加湿后，向阴极侧入口供给。另一方面，从燃料罐20流入FC壳体10内的氢气由喷射器22调节为适当的压力及流量后，供给向燃料电池组12的阳极侧入口。在燃料电池组12中，分别供给的空气中的氧和氢通过经由电解质膜的电化学反应进行发电而输出电力。
从燃料电池组12的阴极侧出口排出的阴极废气，是含有通过电化学反应而生成的水的空气，经由空气调压阀16被送入稀释器18。另一方面，从燃料电池组12的阳极侧出口排出的阳极废气是含有通过与未消耗的氢发生电化学反应而生成的水等的气体，在净化阀14处于闭阀状态期间，被循环升压器27升压，并被再次供给到阳极侧入口而进行循环。而且，当净化阀14在规定的定时被暂时切换为开阀状态时，阳极废气经由净化阀14及连结管15被送入稀释部32。
在稀释器18的稀释部32，从喷出口33喷出的阳极废气通过从导入管30流入的阴极废气稀释后，通过排气管34向FC壳体10外排出。此时，阳极废气及阴极废气两方所包含的水通过高速且大流量地流动的阳极气体的势能而成为飞沫状，从稀释器18向下游侧排出，但上述水的一部分可在稀释部32中滞留于下面36。但是，在本实施方式的稀释器18中，由于阳极废气的喷出口33配置在相比下面最下部38靠上游侧且靠重量方向上侧，因此，即使因外气温下降而滞留于稀释部32的下面的水冻结，也能够避免或抑制喷出口33被堵塞的情况。
由阳极废气及阴极废气的混合气体构成的废气从排气管34经由切断阀28流入加湿器40。于是，废气中包含的水被内置的多孔质体捕捉而回收。被多孔质体回收的水被用于供给向燃料电池组12的空气的加湿。通过了加湿器40的废气经由消音器向外部排出。
本实施方式中，由于将加湿器40配置于稀释器18的下游侧，故而也可以不在FC壳体10中收容大的加湿器49，对减小FC壳体10的高度尺寸是有利的。另外，当因某些原因而加湿器40内的多孔质体干燥时，产生废气中的氢经由多孔质体混入到向阴极侧供给的空气的交叉泄漏。该情况下，交叉泄漏的氢与空气一同向燃料电池组12的阴极侧供给时，因催化剂反应而生成水，该水包含于阴极废气中，经由稀释器18到达加湿器40并被回收，由此，可应急地减轻加湿器40的干燥状态。
另外，对本实施方式中所说明的稀释器18可进行各种变更或改良。例如图5所示，也可以在上倾的排气管34的下面突出设置阻挡部52。通过该阻挡部52可防止水从排气管34向稀释部32的倒流，并且通过在与阻挡部52对应的位置将排气管34的流路截面积减小，排气流速加速，因此具有滞留于阻挡部52的下游侧的水容易被吹到下游侧的效果。另外，若由绝缘体形成阻挡部52及排气管34，则可以在短距离内确保与滞留于稀释部32的下面36的水的绝缘。在此，作为上述绝缘体，示例了PPS(聚苯硫醚)等树脂，但也可以通过由这样的绝缘性树脂涂敷阻挡部52及排气管34的表面而构成上述绝缘体。
另外，如图6所示，也可以通过以连通到稀释部32内的下面36附近的方式连接的第一连结管15a和配置于第一连结管15a的重力方向上侧的第二连结管15b将净化阀14和稀释部32连结。根据该结构，即使在滞留于稀释部32内的下面36的水冻结而堵塞第一连结管15a的情况下，也能够确保经由第二连结管15b的阳极废气向稀释部32内的喷出路径，因此，能够回避陷入完全堵塞状态的危险性。另外，通过以连通到稀释部32的下面36附近的方式连接第一连结管15a，可以最大限度地利用从燃料电池组12的阳极废气出口到稀释部32内的下面36的高度差，从而提高排水性能。另外，第二连结管15b即使相对于第一连结管15a不在正上方，只要在重力方向的上侧即可，也可以在水平方向上错开。
Claims (5)
1.一种燃料电池系统，其具备：通过向阳极侧供给的气体和向阴极侧供给的气体之间的电化学反应来发电的燃料电池、将从燃料电池排出的阳极废气利用阴极废气稀释并排出的稀释器、以及在内部收容燃料电池及稀释器的燃料电池壳体，其特征在于，
将向稀释器的排气方向下游侧延伸的排气管所通过的燃料电池壳体的侧面开口部在重力方向上配置于比稀释器的内面最下部靠上侧的位置。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
将供阳极废气向稀释器内喷出的喷出口配置在比稀释器的内面最下部靠排气方向上游侧的位置。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
将供阳极废气向稀释器内喷出的喷出口配置在比稀释器的内面最下部靠重力方向上侧的位置。
4.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
构成为在稀释器内使阳极废气与阴极废气的流动相对而喷出。
5.如权利要求1～4中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
将加湿器在排气方向上配置于稀释器的下游侧而连接排气管，所述加湿器用于对向燃料电池的阳极侧供给的气体进行加湿。
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