CN101911363A - 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。电池堆对(100a、100b)包括设置在电池堆(100a)、(100b)的下端侧部分的冷媒导入口(42a、42b)；和设置在电池堆(100a)、(100b)的上端侧部分的冷媒排出口(44a、44b)，相对于与水平面(h)垂直的平面(v)而相互对称配置。电池堆(100a)、(100b)各自的单电池(50)的层叠方向配置成相对于水平面(h)倾斜。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，详细来说，涉及具备多个电池堆的燃料电池系统，该电池堆为层叠多个具有燃料极和氧化极的单电池而成。
背景技术
针对一般的燃料电池单电池(也称为单电池)的结构、特别是含有电极部分的要部的结构，说明其概略。如图3所例示，将阴极催化剂层12(也称为氧化极或阴极)和阳极催化剂层14(也称为燃料极或阳极)设置成夹着电解质膜10相互对置，进而，在阴极催化剂层12的外侧设置阴极扩散层16，另外，在阳极催化剂层14的外侧设置阳极扩散层18，由此，构成所谓的膜电极接合体(MEA)。另外，在阴极扩散层16的外侧，形成有氧化气体流路20和电池冷媒流路22的阴极侧隔离物26例如通过粘结等而被一体化，在阳极扩散层18的外侧，形成有燃料气体流路24和电池冷媒流路22的阳极侧隔离物28例如通过粘结而被一体化，形成了单电池50。
在图3所示的单电池50中，作为反应气体，向阴极催化剂层12供给氧、空气等至少含有氧的氧化气体，向阳极催化剂层14供给氢、重整气体(reformed gas)等至少含有氢的燃料气体，进行发电。这样的燃料电池一般在发电时产生伴随着化学反应的热，因此，使水、乙二醇(ethylene glycol)等冷却介质在如图3所示的电池冷媒流路22中流通，防止燃料电池过热，控制使得变为例如60℃～100℃左右的预定的温度范围。
图4是针对使多个图3所例示的单电池50层叠而成的一般的电池堆的概略结构，表示其一个例子的图。需说明的是，图4是用于对从外部供给到电池堆内部、以及排出的流体(包括反应气体(氧化气体或燃料气体)和冷却介质)的流通进行说明的图，在图4中，对包括隔离物、MEA等的单电池50的详细结构加以省略，或只是简略的记载。
在图4中，电池堆300通常层叠有为了获得所期望的发电性能所需要的多个单电池50。并且，从单电池50的层叠两端的外侧，通过由例如未图示的螺栓等进行的紧固等的方法，在层叠方向上对整体进行按压保持、固定，构成电池堆300(也称为燃料电池堆)。
另外，在图4中，以贯通单电池50的各个单电池的方式分别形成有流体供给歧管132和流体排出歧管136。流体例如如箭头134所示从外部供给之后，在形成在各个单电池50之间的、在此未图示的流体流路内流通，在各单电池50内部的未图示的电极部分供电池反应或热交换使用之后，如箭头138所示向外部排出。
在图4中，流体供给歧管132是指流体的种类不同的至少3个独立的供给歧管的任一个，即燃料气体供给歧管、氧化气体供给歧管、或冷却介质供给歧管的任一个。同样地，流体排出歧管136是指与流体供给歧管132对应的3个独立的排出歧管的任一个，即燃料气体排出歧管、氧化气体排出歧管、或冷却介质排出歧管的任一个。
即，在图4所示的电池堆或燃料电池堆300中，从燃料气体供给歧管(132)供给的燃料气体被分配到形成在各单电池50的未图示的燃料气体流路(相当于图3中所示的形成在单电池50的燃料气体流路24)，在供单电池50内的电池反应使用之后，作为废气(off gas)从燃料气体排出歧管(136)排出。另一方面，从氧化气体供给歧管(132)供给的氧化气体被分配到形成在各单电池50的未图示的氧化气体流路(相当于图3中所示的形成在单电池50的氧化气体流路20)，在供单电池50内的电池反应使用之后，作为废气从氧化气体排出歧管136排出。进一步，从冷煤供给歧管(132)供给的冷却介质被分配到形成在各单电池50的未图示的冷媒流路(相当于图3中所示的形成在单电池50的冷媒流路22)，在供与单电池50的热交换使用之后，从冷媒排出歧管(136)排出。
在图3所示的单电池50中，为了作为燃料电池发挥预定的功能，要求电解质膜10作为质子导电性电解质膜起作用，但为此需要至少维持预定的水分量以上。因此，一般进行：通过将例如预先加湿到预定的水分量的燃料气体和/或氧化气体(有时将它们统称为反应气体)供给到单电池50内等，由此维持电解质膜100的水分量。
另一方面，在运行停止时，一般燃料电池堆的温度降低到室温左右。因此，当如上述所述使在运行时加湿了的反应气体流通时，有时各反应气体供给/排出歧管中残存的反应气体中的水分凝结。此时，在凝结的水分量多、排水困难的情况下，有时会产生歧管和/或流体流路由水分堵塞的所谓的溢流(flooding)现象。另外，特别是在寒冷时，这样的冷凝水在流路内冻结，估计还会出现再启动要耗费时间的情况。
于是，如图5所示，可以组合使用如下电池堆对，所述电池堆对具有将单电池的层叠块数分割为两部分的结构，包括第一电池堆400a和第二电池堆400b。根据本实施方式，能够以电池堆对整体确保所需的电动势，另一方面，能够通过缩短冷凝水的排出距离、更具体而言通过缩短反应气体供给/排出歧管的长度，使滞留的冷凝水的量减少。
但是，包含生成水的冷凝水的排出依赖于在反应气体歧管内流通的废气的流量、流速、温度等，因此，仅减少单电池的层叠块数时，依然存在排出不充分的情况。
在专利文献1中，记载了如下的电池堆：为了排出电池堆外壳内的残余水分，该电池堆配置成从单电池层叠方向观察呈V字形。
在专利文献2中，记载了如下的燃料电池堆：通过倾斜预定的角度的量，调整布局上的平衡，并且，设置有用于有效地抽出混入到冷却水的流路内的空气的短筒(short tube)。
专利文献1：日本特开2005-158339号公报
专利文献2：日本特开2007-103082号公报
发明内容
本发明提供一种燃料电池堆，其能够使在反应气体流路内、特别是反应气体歧管内的水分简便且快速地向外部排出，并且能够提高冷却介质的对单电池的冷却效率。
本发明的构成如下。
(1)一种燃料电池系统，具备相对于与水平面垂直的平面而相互对称配置的电池堆对，该电池堆对包括：层叠多个具有燃料极和氧化极的单电池而成的电池堆；冷媒导入口，其用于将供与所述单电池间的热交换使用的冷却介质导入到所述电池堆的内部，设置在所述电池堆的下端侧部分；以及冷媒排出口，其用于将与所述单电池间进行了热交换的用过的冷却介质排出到所述电池堆的外部，设置在所述的电池堆的上端侧部分，所述电池堆对被配置成所述电池堆各自的单电池层叠方向相对于所述水平面倾斜。
(2)在上述的燃料系统中，所述电池堆对配置成从单电池层叠方向的侧面观察呈V字形状或∧字形状。
(3)在上述的燃料电池系统中，在所述电池堆的附近，配置有流体流通配管或电气配线的至少一方。
(4)在上述的燃料系统中，在所述冷媒排出口的附近部分具备：从排出到所述电池堆的外部的所述冷却介质除去空气的脱气单元。
根据本发明，能够简便且快速地向外部排出反应气体歧管内的水分，并且能够提高冷却介质的对单电池的冷却效率。
附图说明
图1A是对本发明的实施方式的燃料电池系统的概略结构进行例示的图。
图1B是对本发明的实施方式的燃料电池系统的概略结构进行例示的图。
图2A是对本发明的另一实施方式的燃料电池系统的概略结构进行例示的图。
图2B是对本发明的另一实施方式的燃料电池系统的概略结构进行例示的图。
图3是对单电池的要部的概略结构进行例示的图。
图4是针对燃料电池堆的概略结构表示其一个例子的图。
图5是对具备电池堆对的燃料电池系统的概略结构进行例示的图。
附图标记说明：
10：电解质膜；12：阴极催化剂层；14：阳极催化剂层；16：阴极扩散层；18：阳极扩散层；20：氧化气体流路；22：电池冷媒流路；24：燃料气体流路；26：阴极侧隔离物；28：阳极侧隔离物；32a、32b：反应气体供给歧管；32c、32d：冷媒供给歧管；36a、36b：反应气体排出歧管；36c、36d：冷媒排出歧管；42a、42b：冷媒导入口；44a、44b：冷媒排出口；46：分支部；48a、48b、48c：脱气单元；50：单电池；56：合流部；100a、100b、200a、200b、300、400a、400b：电池堆(燃料电池堆)；100、200：燃料电池系统；132、132a、132b：流体供给歧管；136、136a、136b：流体排出歧管。
具体实施方式
使用附图对本发明的实施方式进行详细说明。需说明的是，在各附图中，对同样的结构标记相同的附图标记，并且，省略重复的说明。
图1A、图1B是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的结构的一个例子的概略图，图1A是特别着眼于反应气体的流通的图。
在图1A中，在燃料电池系统100中，相对于与水平面h垂直的平面v相互对称配置的第一电池堆(cell stack)100a和第二电池堆100b构成电池堆对，配置成：从单电池50层叠方向的侧面观察倾斜成大致V字形状。
在图1A中，构成电池堆对的第一电池堆100a和第二电池堆100b分别能够适用与图5中所示的第一电池堆400a和第二电池堆400b同样的结构的电池堆。在第一电池堆100a和第二电池堆100b中，从反应气体供给歧管32a、32b分别供给到各电池堆内的反应气体，在供各单电池50内的电极反应使用之后，作为废气反应气体排出歧管36a、36b分别向各电池堆的外部排出。此时，使第一电池堆100a和第二电池堆100b相对于水平面h分别相互前倾θ1、θ2的量(即，相对于相对向的电池堆对的下端部分，使上端部分相互接近)，由此，贯通各单电池50的反应气体供给歧管32a、32b和反应气体排出歧管36a、36b也变为相对水平面h倾斜大致θ1、θ2的量。此时，设为θ1＝θ2，使电池堆对相对于与水平面h垂直的面v而对称配置时，能够对各电池堆大致同样地进行运行控制，这是合适的。
根据本实施方式，具有倾斜了的反应气体歧管，由此，在例如反应气体的流量和/或流速不充分的低负荷运行时、应排出的水分量增大的高加湿运行时、进一步在反应气体的流通停止的各电池堆的运行停止时，也能够使在反应气体歧管内凝结得到的水分通过自重快速地排向外部，因此是合适的。
在本实施方式中，反应气体的流通通路只要是在各歧管的内部、冷凝水不会滞留的结构，则不一定限于图1A所示出的方向，也可以设为任何结构。需说明的是，从效率化、小型化的观点出发，优选是做成如下结构：与各反应气体歧管连通，使进行反应气体的供给或废气的排出的反应气体流路的至少一部分合流而共用化。
图1B是在图1A所示的燃料电池系统中特别着眼于冷却介质的流通的图。在图1B所示的燃料电池系统100中，具备冷媒供给歧管32c、32d和冷媒排出歧管36c、36d，进行冷却介质的流通，所述冷媒供给歧管32c、32d在各电池堆的下端侧部分分别设置有冷媒导入口42a、42b，所述冷媒排出歧管36c、36d在各电池堆的上端侧部分分别设置有冷媒排出口44a、44b。所谓本实施方式的电池堆的下端侧部分是指形成在电池堆的冷媒流路中的相对于水平面位于下端侧的部分，在此，是指图1B中所示的冷媒供给歧管32c、32d的一端部分。另外，所谓电池堆的上端侧部分是指形成在电池堆的冷媒流路中的相对于水平面位于上端侧的部分，在此，是指图1B中所示的冷媒排出歧管36c、36d的一端部分。
在实施方式中，由分支部46分成两部分的冷却介质分别在供与构成第一电池堆100a和第二电池堆100b的各单电池50的热交换使用之后，从冷媒排出歧管36c、36d排出。根据本实施方式，从各电池堆的下端侧部分供给的冷却介质朝向各电池堆的上端侧，一边充满冷媒流路，一边流通，因此，各单电池50的冷却效率提高。
另外，在图1B中，在冷却介质的流通上采用循环方式的情况下，可以采用如下结构：使从冷媒排出口44a、44b排出到电池堆的外部的使用过的冷却介质在未图示的合流部合流之后，进行温度交换、杂质的除去等的再生处理，再次作为冷却介质来进行利用。此时，在冷媒流路的途中、优选在冷媒排出口44a、44b的附近部分，在冷却介质的流通转到下降侧的附近，设置脱气单元48a、48b，除去环境中的空气等混入冷却介质的气体，这是合适的。根据本实施方式，能维持循环的冷却介质的冷却效率，并且在作为冷却介质采用例如乙二醇等的情况下，还有助于防止劣化，因此是合适的。需说明的是，作为脱气单元48a、48b，可以优选使用具有作为脱气孔的开口的空气收集器(air traps)，但不限于此。
在本实施方式中，构成电池堆对的第一电池堆100a和第二电池堆100b各自可以串联连接，作为另一实施方式，也可以并联连接。
图2A、图2B是表示本发明的另一实施方式的燃料电池系统的结构的一个例子的概略图，图2A是特别着眼于反应气体的流通的图。
图2A所示的燃料电池系统200，除了相对于与水平面h垂直的平面v而相互对称配置的、构成电池堆对的第一电池堆200a和第二电池堆200b配置成从单电池50层叠方向的侧面观察倾斜成大致∧字形状之外，具有与图1A所示的燃料电池系统100大致相同的结构。
在图2A所示的第一电池堆200a和第二电池堆200b中，从反应气体供给歧管32a、32b分别供给到各电池堆内的反应气体在供各单电池50内的电极反应使用之后，作为废气从反应气体排出歧管36a、36b分别向各电池堆的外部排出。此时，将第一电池堆200a和第二电池堆200b配置成相对于水平面h分别相互后倾θ3、θ4的量(即，相对于相对向的电池堆对的下端部分，使上端部分相互远离)，由此，贯通各单电池50的反应气体供给歧管32a、32b和反应气体排出歧管36a、36b也变为相对水平面h倾斜大致θ3、θ4的量。此时，设为θ3＝θ4，使电池堆对相对于与水平面h垂直的面v而对称配置，由此，能够使各电池堆的运行控制大致相同。
根据本实施方式，具有倾斜了的反应气体歧管，由此，即使是各电池堆处于任何运行状态，也能够将在反应气体歧管内凝结得到的水分快速排向外部，因此是合适的。
在本实施方式中，反应气体的流通路径只要是在各歧管的内部、冷凝水不会滞留的结构，则不一定限于图2A所示的结构，也可以为任何结构。需说明的是，从效率化、小型化的观点出发，优选是做成如下结构：与各反应气体歧管连通，使进行反应气体的供给或废气的排出的反应气体流路的至少一部分合流而使之共用化。
图2B是在图2A所示的燃料电池系统中、特别着眼于冷却介质的流通的图。在图2B所示的燃料电池系统200中，具备冷媒供给歧管32c、32d和冷媒排出歧管36c、36d，进行冷却介质的流通，所述冷媒供给歧管32c、32d在各电池堆的下端侧部分分别设置有冷媒导入口42a、42b，所述冷媒排出歧管36c、36d在各电池堆的上端侧部分分别设置有冷媒排出口44a、44b。
在实施方式中，供给到各电池堆的冷却介质分别在供与构成第一电池堆200a和第二电池堆200b的各单电池50的热交换使用之后，从冷媒排出歧管36c、36d排出。根据本实施方式，从各电池堆的下端侧部分供给的冷却介质朝向各电池堆的上端侧，一边充满冷媒流路，一边流通，因此，各单电池50的冷却效率提高。
在图2B中，在冷却介质的流通上采用循环方式的情况下，可以采用如下结构：使从冷媒排出口44a、44b排出到电池堆的外部的使用过的冷却介质在合流部56合流之后，进行温度交换、杂质的除去等的再生处理，再次作为冷却介质来进行利用。此时，在冷媒流路的途中、优选是在冷媒排出口44a、44b的附近部分，在冷却介质的流通转到下降侧的附近、即图2B中合流部56的附近部分，设置脱气单元48c，除去环境中的空气等混入冷却介质的气体，这是合适的。根据本实施方式，能维持循环的冷却介质的冷却效率，并且在作为冷却介质采用例如乙二醇等的情况下，也有助于防止劣化，因此是合适的。需说明的是，作为脱气单元48c，可以应用与图1B所示的脱气单元48a、48b同样的结构，但不限于此。
在图1A中，作为θ1(θ2)的适当的角度也依赖于燃料电池堆的规格(body size)、特别是层叠方向的长度和各反应气体歧管的大小、反应气体歧管内表面的水和性(亲水性/拒水性(water repellency)的程度)等诸项条件，因此，难以一概地规定，但具体来说，可以将θ1(θ2)的角度设定为例如5°～60°左右，更具体而言设定为10～45°左右。
另一方面，在图2A中，作为θ3(θ4)的适当的角度也依赖于燃料电池堆的规格、特别是层叠方向的长度和各反应气体歧管的大小、反应气体歧管内表面的水和性(亲水性/拒水性的程度)等诸项条件，因此，难以一概地规定，但具体来说，可以将θ3(θ4)的角度设定为例如5°～60°左右，更具体而言设定为10～45°左右。
需说明的是，在实施方式中，在如定置型燃料电池系统那样将电池堆对固定在预定的位置的情况下，可以经由未图示的调整件(spacer，定位架)、台座等来设置成与图1A、图2A所示的水平面h之间保持预定的倾斜。另一方面，在将电池堆对搭载到车辆等移动体上那样的系统的情况下，意味着处于如下状态：搭载在移动体上的电池堆对保持为水平，在该情况下，也可以预先根据移动体移动的路径的状态来适当设定相对于水平面使之倾斜的角度。另外，作为其他的实施方式，采用如下结构也是合适的，即不管使之搭载的移动体的姿势(倾斜)如何都相对于水平面保持一定的角度。
这样，通过相对于水平面使之倾斜的角度，在电池堆的附近、具体来说是在电池堆对的上下方，会产生难以设置包含框体等的其他装置的死空间(例如，图1B中所示的空间S1、S2、S3，图2B中所示的空间S4、S5、S6等)。此时，在该微小空间根据需要配置使反应气体、冷却介质流通的流体流通配管和/或电气配线等也是合适的。根据本实施方式，能够对微小空间也有效地加以利用，能够有助于作为燃料电池系统整体的小型化。
如以上所述，根据实施方式或变形例，能够使反应气体歧管内的水分简便且快速地向外部排出，并且能够提高冷却介质的对单电池的冷却效率。
工业应用前景
本发明能够应用于任何燃料电池系统，但特别是在具备下述电池堆的燃料电池系统中是特别有用的，所述电池堆：经由反应气体供给歧管供给含有水分的反应气体，经由反应气体排出歧管排出含有水分的反应气体的废气。
Claims (10)
1.一种燃料电池系统，其特征在于，
具备相对于与水平面垂直的平面而相互对称配置的电池堆对，该电池堆对包括：
层叠多个具有燃料极和氧化极的单电池而成的电池堆；
冷媒导入口，其用于将供与所述单电池间的热交换使用的冷却介质导入到所述电池堆的内部，设置在所述电池堆的下端侧部分；以及
冷媒排出口，其用于将与所述单电池间进行了热交换的用过的冷却介质排出到所述电池堆的外部，设置在所述的电池堆的上端侧部分，
所述电池堆对被配置成所述电池堆各自的单电池层叠方向相对于所述水平面倾斜。
2.根据权利要求l所述的燃料电池系统，其特征在于，所述电池堆对配置成从单电池层叠方向的侧面观察呈V字形状或∧字形状。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述电池堆的附近，配置有流体流通配管或电气配线的至少一方。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述电池堆的附近，配置有流体流通配管或电气配线的至少一方。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述冷媒排出口的附近部分具备：从排出到所述电池堆的外部的所述冷却介质除去空气的脱气单元。
6.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述冷媒排出口的附近部分具备：从排出到所述电池堆的外部的所述冷却介质除去空气的脱气单元。
7.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述冷媒排出口的附近部分具备：从排出到所述电池堆的外部的所述冷却介质除去空气的脱气单元。
8.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述冷媒排出口的附近部分具备：从排出到所述电池堆的外部的所述冷却介质除去空气的脱气单元。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
使所述电池堆对相对于水平面分别前倾5°～60°，将所述电池堆对配置成与相对向的所述电池堆的下端部分之间相比，相对向的所述电池堆的上端部分之间更近。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
使所述电池堆对相对于水平面分别后倾5°～60°，将所述电池堆对配置成与相对向的所述电池堆的下端部分之间相比，相对向的所述电池堆的上端部分之间更远。
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