CN102916212A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够以简单的结构经济性地驱动换气设备，并良好地完成燃料电池箱内的换气的燃料电池系统。燃料电池系统(10)具备多个发电单元(12)层叠而成的燃料电池(14)、收容所述燃料电池(14)的燃料电池箱(34)。燃料电池系统(10)具备：配设在燃料电池箱(34)的外部的换气设备(40)；与所述换气设备(40)连接，向所述燃料电池箱(34)内供给换气用空气的吸气管道(42)；在所述吸气管道(42)的局部设置，具有比该吸气管道(42)小的开口截面积，且向所述燃料电池箱(34)的外部开放的排气配管部(44)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具备燃料电池的燃料电池系统，所述燃料电池具备发电单元，所述发电单元具有在电解质膜的两侧设有阴极电极及阳极电极的电解质膜-电极结构体，所述燃料电池通过向所述阴极电极供给的氧化剂气体及向所述阳极电极供给的燃料气体的电化学反应而进行发电。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池通过一对隔板夹持在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的两侧分别设有阳极电极及阴极电极的电解质膜-电极结构体(MEA)。
燃料电池通常在一方的隔板与电解质膜-电极结构体之间形成有用于向阳极电极供给燃料气体的燃料气体流路，在另一方的隔板与所述电解质膜-电极结构体之间形成有用于向阴极电极供给氧化剂气体的氧化剂气体流路。进而，在构成各燃料电池且彼此相邻的隔板间形成有用于使冷却介质在电极范围内流动的冷却介质流路。
对于这种燃料电池来说，特别是在搭载于燃料电池电动机动车时，有时会以收容于燃料电池箱内的状态搭载。此时，在燃料电池箱内形成有用于收容燃料电池的燃料电池室，并使用用于对该燃料电池室内进行换气的换气装置。该换气装置具有例如在检测到从燃料电池的氢管线进入氢时，利用换气风扇将该氢向燃料电池箱的外部排出的功能。
另外，对于车载用燃料电池来说，有时将车身底板下方或前箱等受限定的空间内作为燃料电池室来搭载燃料电池。因此，配置燃料电池的空间内、即燃料电池室内，需要与上述燃料电池箱内同样地进行换气。
为此，例如已知有专利文献1所公开的燃料电池箱换气装置。如图3所示，该燃料电池箱换气装置由三通阀1、换气配管2、换气风扇3、排出口4、氢检测传感器5及控制装置6构成。
并且，在由氢检测传感器5检测出燃料电池箱B的内部的氢时，根据其检测值，三通阀1将从增压器7向燃料电池V供给的空气从排气配管2向所述燃料电池箱B内放出。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2003-132916号公报
然而，在上述专利文献1中，即使在燃料电池箱B的内部检测到微量的氢时，也需要利用燃料电池箱换气装置进行换气处理，并同时继续燃料电池V的发电。
因此，对于三通阀1而言，有可能使向发电侧的空气流路、即燃料电池V供给的空气流量减少，对燃料电池电动车辆的行驶造成影响。而且，必须较高地设定增压器7的输出，容易产生噪声的问题。
发明内容
本发明用于解决这种问题，其目的在于提供一种能够以简单的结构经济性地驱动换气设备，并且良好地完成燃料电池箱内的换气的燃料电池系统。
本发明涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备燃料电池和收容所述燃料电池的燃料电池箱，所述燃料电池具备发电单元，所述发电单元具有在电解质膜的两侧设有阴极电极及阳极电极的电解质膜-电极结构体，所述燃料电池通过向所述阴极电极供给的氧化剂气体及向所述阳极电极供给的燃料气体的电化学反应而进行发电。
在该燃料电池系统中，具备：换气设备；吸气管道，其与所述换气设备连接，向燃料电池箱内供给空气；排气配管部，其在所述吸气管道的局部设置，具有比该吸气管道小的开口截面积，并且向所述燃料电池箱的外部开放。
另外，在该燃料电池系统中，优选吸气管道与燃料电池箱的上部连通，并且排气配管部向所述燃料电池箱的上方延伸并开口。
并且，在该燃料电池系统中，优选从吸气管道的中途形成分支管道，所述分支管道与燃料电池箱的下部连通，并且在所述分支管道上设有排水配管部，所述排水配管部向所述燃料电池箱的下方延伸并开口，且具有比该分支管道小的开口截面积。
发明效果
在本发明中，当燃料电池室内为微小的氢浓度时，换气设备停止工作。因此，燃料电池室内的氢通过设置在吸气管道的局部上的排气配管部向燃料电池箱的外部自然换气。
另一方面，在燃料电池室内检测到规定以上的氢浓度时，驱动换气设备。因而，从吸气管道向燃料电池室内导入换气用空气，进行强制换气。此时，排气配管部具有比吸气管道小的开口截面积，能够阻止氢从所述排气配管部向外部逆流。
由此，不需要用于切换自然换气和强制换气的阀等，能够利用简单的结构经济性地驱动换气设备，并良好地完成燃料电池箱内的换气。而且，能够有效降低换气设备所产生的噪声。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的燃料电池系统搭载于燃料电池车辆的状态的简要结构图。
图2是本发明第二实施方式的燃料电池系统搭载于燃料电池车辆的状态的简要结构图。
图3是专利文献1所公开的燃料电池箱换气装置的简要说明图。
符号说明：
10、60…燃料电池系统         12…发电单元
14…燃料电池                 16…电解质膜-电极结构体
22…固体高分子电解质膜       24…阴极电极
26…阳极电极                 28…氧化剂气体通路
30…燃料气体通路             32…燃料电池室
34…燃料电池箱               38…箱换气排气管道
40…换气设备                 42…吸气管道
44…排气配管部               46…上部开口部
62…分支管道                 64…下部开口部
66…排水配管部
具体实施方式
如图1所示，本发明第一实施方式的燃料电池系统10例如构成在燃料电池电动机动车等燃料电池车辆11上搭载的车载用燃料电池系统。
燃料电池系统10具备多个发电单元12在水平方向或重力方向上层叠(堆叠)而成的燃料电池14。在燃料电池14中，电解质膜-电极结构体(MEA)16被夹持在阴极侧隔板18与阳极侧隔板20之间。电解质膜-电极结构体16例如具备水浸渍于全氟磺酸的薄膜而得到的固体高分子电解质膜22和夹持所述固体高分子电解质膜22的阴极电极24及阳极电极26。
阴极电极24及阳极电极26具有由碳素纸等构成的气体扩散层和将在表面担载有铂合金的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜22的两面。
在阴极侧隔板18的朝向电解质膜-电极结构体16的面上形成有氧化剂气体通路28。在阳极侧隔板20的朝向电解质膜-电极结构体16的面上形成有燃料气体通路30。在彼此相邻的阴极侧隔板18与阳极侧隔板20之间形成有冷却介质通路(未图示)。
虽为图示，但在燃料电池14上连接有向氧化剂气体通路28供给氧化剂气体、例如空气的氧化剂气体供给装置、向燃料气体通路30供给燃料气体、例如氢气的燃料气体供给装置、向冷却介质通路供给冷却介质的冷却介质供给装置。
燃料电池14配设在燃料电池室32中。该燃料电池室32例如形成在燃料电池箱34内。在燃料电池箱34内收容燃料电池14及用于检测氢浓度的氢检测传感器36的同时，也可以收容燃料电池14的辅机类。氢检测传感器36配置在燃料电池箱34内的上表面(顶板)34a。在燃料电池箱34的壁面34b的下方侧连接有箱换气排气管道38。
燃料电池系统10具备：配设在燃料电池箱34的外部的换气设备(例如气泵)40；与所述换气设备40连接，向所述燃料电池箱34内供给换气用空气的吸气管道42；在所述吸气管道42的局部设置，具有比该吸气管道42小的开口截面积，且设置在所述燃料电池箱34的上方而向外部开放的排气配管部44。
吸气管道42的一端与换气设备40的空气出口40a连通，另一端与燃料电池箱34的上部开口部46连通。排气配管部44向燃料电池箱34的上方延伸并开口。吸气管道42的内径D1设定成大于排气配管部44的内径D2(D1＞D2)。优选设定为4×D2≥D1≥1.5×D2，更优选设定为4×D2≥D1≥2×D2。实质上可以相对于自然换气能力和强制换气能力的要求值，来适当设定D1及D2。
以下说明如此构成的燃料电池系统10的动作。
首先，在搭载了燃料电池系统10的燃料电池车辆11通常行驶时，驱动氧化剂气体供给装置、燃料气体供给装置及冷却介质供给装置。因此，向燃料电池14的氧化剂气体通路28供给氧化剂气体(空气)，另一方面，向所述燃料电池14的燃料气体通路30供给燃料气体(氢气)。
因而，在各发电单元12中，向阴极电极24供给的氧化剂气体中的氧和向阳极电极26供给的燃料气体中的氢发生电化学反应而进行发电。因此，从燃料电池14向未图示的行驶电动机供给电力，使燃料电池车辆11行驶。另外，通过向燃料电池14供给的冷却介质将所述燃料电池14冷却。
在燃料电池箱34内，通过氢检测传感器36检测燃料电池室32中是否产生了规定以上的氢浓度。并且，当检测到规定以上的氢浓度时，驱动换气设备40。需要说明的是，也可以分支供给为了发电而向燃料电池14供给的空气。
因此，从换气设备40向吸气管道42输送空气，所述空气从燃料电池箱34的上部开口部46吹送到燃料电池室32。由此，进入到燃料电池室32中的氢在空气作用下经过箱换气排气管道38排到室外，从而进行燃料电池箱34内的换气。
此时，吸气管道42的内径D1设定成大于排气配管部44的内径D2(D1＞D2)。因此，在吸气管道42中流通的空气良好地喷到燃料电池箱34内而完成燃料电池室32的换气，另一方面，还能够阻止氢从排气配管部44向外部逆流。由此，在燃料电池车辆11内，能够阻止所述氢进入想要抑制氢的漏出的空间、例如电动机室或客室内等。
另外，在燃料电池箱34内的燃料电池室32为微小的氢浓度(小于规定的氢浓度)时，停止换气设备40的工作。因此，燃料电池室32内的氢经过在吸气管道42的局部设置的排气配管部44向燃料电池箱34的外部自然换气。
特别是，排气配管部44从燃料电池箱34的上部开口部46向上方延伸并开口。因此，容易滞留在燃料电池箱34内的上部的氢被有效地换气。
这种情况下，在第一实施方式中，燃料电池室32内为微小的氢浓度时，停止换气设备40的工作，所述燃料电池室32内的氢被自然换气。
另一方面，在燃料电池室32内检测到规定以上的氢浓度时，驱动换气设备40，从吸气管道42向所述燃料电池室32内导入换气用空气，进行强制换气。
由此，能够省去用于切换自然换气和强制换气的阀等，以简单的结构就能够经济性地驱动换气设备40。而且，可获得能够良好地完成燃料电池箱34内的换气，并且有效地降低换气设备40所产生的噪声的效果。
图2是本发明第二实施方式的燃料电池系统60搭载于燃料电池车辆11的状态的简要结构图。需要说明的是，对于与第一实施方式的燃料电池系统10相同的构成要素标注相同的参照符号，并省略其详细的说明。
在燃料电池系统60中，从吸气管道42的中途形成分支管道62。分支管道62与燃料电池箱34的重力方向下部开口部64连通，并且在所述分支管道62上设有向所述燃料电池箱34的下方延伸并开口的排水配管部66。
分支管道62的内径D3设定成大于排水配管部66的内径D4(D3＞D4)。优选设定成4×D4≥D3≥1.5×D4，更优选设定成4×D4≥D3≥2×D4。
以下说明这样构成的燃料电池系统60的动作。
当燃料电池室32内为微小的氢浓度时，停止换气设备40的工作，所述燃料电池室32内的氢经过在吸气管道42的局部设置的排气配管部44向燃料电池箱34的外部自然换气。
另外，在燃料电池室32中，结露水容易滞留在底部。此时，与燃料电池箱34的下部开口部64连通而设置分支管道62，并且在所述分支管道62上设置向所述燃料电池箱34的下方延伸并开口的排水配管部66。因此，滞留在燃料电池室32的底部的结露水从分支管道62通过排水配管部66向外部排出。因此，能够阻止在燃料电池室32中产生滞留水。
另一方面，当在燃料电池室32内检测到规定以上的氢浓度时，驱动换气设备40，从吸气管道42向所述燃料电池室32内导入换气用空气，进行强制换气。
同样，从自吸气管道42分支出的分支管道62向燃料电池室32内导入换气用空气。此时，分支管道62的内径D3设定成大于排水配管部66的内径D4(D3＞D4)。因此，在分支管道62中流通的空气向燃料电池箱34内良好地喷出而完成燃料电池室32的换气，另一方面，能够阻止氢从排水配管部66向外部逆流。
由此，可获得与上述第一实施方式同样的效果，即，能够省去用于切换自然换气和强制换气的阀等，以简单的结构就能够经济性地驱动换气设备40等。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，其具备燃料电池和收容所述燃料电池的燃料电池箱，所述燃料电池具备发电单元，所述发电单元具有在电解质膜的两侧设有阴极电极及阳极电极的电解质膜-电极结构体，所述燃料电池通过向所述阴极电极供给的氧化剂气体及向所述阳极电极供给的燃料气体的电化学反应而进行发电，所述燃料电池系统的特征在于，具备：
换气设备；
吸气管道，其与所述换气设备连接，向所述燃料电池箱内供给空气；
排气配管部，其在所述吸气管道的局部设置，具有比该吸气管道小的开口截面积，并且向所述燃料电池箱的外部开放。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述吸气管道与所述燃料电池箱的上部连通，所述排气配管部向所述燃料电池箱的上方延伸并开口。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
从所述吸气管道的中途形成分支管道，所述分支管道与所述燃料电池箱的下部连通，并且在所述分支管道上设有排水配管部，所述排水配管部向所述燃料电池箱的下方延伸并开口，且具有比该分支管道小的开口截面积。
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