CN104170140B - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池系统，其具有：燃料电池堆；阴极供给流路，其与所述燃料电池堆连接，使阴极气体流动；阴极废气流路，其与所述燃料电池堆连接，将阴极废气排出；旁通流路，其从所述阴极供给流路分支，使所述阴极气体的一部分绕过所述燃料电池堆而流动；旁通阀，其对在所述旁通流路中流动的旁通流量进行调整，并且具有大气连通孔；以及阳极废气流路，其与所述燃料电池堆连接，将阳极废气排出，在该燃料电池系统中，该阳极废气流路和与所述阴极废气流路或者所述旁通阀相比为下游的旁通流路合流，在所述旁通阀中，即使是全闭状态，也形成使规定量的气体泄漏的间隙。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
JP2009－123550A公开了一种燃料电池系统，其使从阴极压缩机喷出的阴极气体的一部分旁路绕过而不向燃料电池堆供给。
发明内容
本发明人开发了一种燃料电池系统，其通过使阳极废气流路与阴极废气流路合流，从而使从燃料电池堆流出的阳极废气与阴极废气混合，降低阳极废气的浓度而向大气排气。并且，在本发明人的系统中，还使旁通流路与阴极废气流路合流。在这种系统中，在旁通阀等上存在大气连通孔，在排气消音器中存在水的等情况下，可能产生阳极废气在旁通流路中逆流的现象。在这种情况下，考虑逆流的阳极废气从连通孔向大气流出的可能性。
本发明就是着眼于这种可能性而提出的。本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，其即使在旁通阀等上存在大气连通孔，也能够抑制阳极废气向大气流出。
本发明所涉及的燃料电池系统的一个方式是，具有：燃料电池堆；阴极供给流路，其与所述燃料电池堆连接，使阴极气体流动；阴极废气流路，其与所述燃料电池堆连接，将阴极废气排出；旁通流路，其从所述阴极供给流路分支，使所述阴极气体的一部分绕过所述燃料电池堆而流动；旁通阀，其对在所述旁通流路中流动的旁通流量进行调整，并且具有大气连通孔；以及阳极废气流路，其与所述燃料电池堆连接，将阳极废气排出。并且，该阳极废气流路和与所述阴极废气流路或者所述旁通阀相比为下游的旁通流路合流，在所述旁通阀中，即使是全闭状态，也形成使规定量的气体泄漏的间隙。
以下根据附图，详细说明本发明的实施方式、本发明的优点。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的燃料电池系统的第1实施方式的图。
图2A是对燃料电池堆中的电解质膜的反应进行说明的示意图。
图2B是对燃料电池堆中的电解质膜的反应进行说明的示意图。
图3是表示本实施方式的特征结构即旁通阀的构造的图。
图4是将初始状态模型化的图。
图5是表示本发明所涉及的燃料电池系统的第2实施方式的图。
具体实施方式
(第1实施方式)
图1是表示本发明所涉及的燃料电池系统的第1实施方式的图。
燃料电池系统1包含燃料电池堆10、阴极压缩机20、阴极供给流路30、旁通流路40、旁通阀50、阴极废气流路60、阳极罐70、阳极供给流路80、以及阳极废气流路90。
燃料电池堆10被供给阴极气体以及阳极气体，产生电力。
阴极压缩机20设置在阴极供给流路30上。阴极压缩机20对空气进行加压输送。
阴极供给流路30与燃料电池堆10连接。在阴极供给流路30中，流动由阴极压缩机20加压输送的空气。
旁通流路40从阴极供给流路30分支，与阴极废气流路60合流。在旁通流路40上，由阴极压缩机20压送的空气的一部分(燃料电池堆10不需要的剩余空气)分支而流动。
旁通阀50设置在旁通流路40的中途。旁通阀50对在旁通流路40中流动的阴极气体的流量进行调整。
阴极废气流路60与燃料电池堆10连接，使从燃料电池堆10流出的阴极废气流动。
阳极罐70设置在阳极供给流路80上。阳极罐70是对阳极气体(氢气)进行收容的密闭容器。阳极罐70将收容的阳极气体(氢气)向燃料电池堆10供给。
阳极供给流路80与燃料电池堆10连接。在阳极供给流路80中，从阳极罐70流出的阳极气体(氢气)流动。
阳极废气流路90的一端与燃料电池堆10连接，使阳极废气流动。另一端在本实施方式中与阴极废气流路60连接。
图2A及图2B是对燃料电池堆中的电解质膜的反应进行说明的示意图。
如上述所示，燃料电池堆10被供给反应气体(阴极气体O2，阳极气体H2)而发电。燃料电池堆100是层叠几百片膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly；MEA)而构成的，该膜电极接合体是在电解质膜的两面形成有阴极电极催化剂层及阳极电极催化剂层而形成的。各膜电极接合体(MEA)，在阴极电极催化剂层以及阳极电极催化剂层中，与负载相对应地进行以下反应而发电。此外，图2A示出1片MEA。在这里示出向MEA一边供给阴极气体(阴极入)并从对角侧排出(阴极出)，一边供给阳极气体(阳极入)并从对角侧排出(阳极出)的例子。
【式1】
阴极电极催化剂层：4H++4e-+O2→2H2O…(1-1)
阳极电极催化剂层：2H2→4H++4e-…(1-2)
如图2B所示，随着反应气体(阴极气体O2)流入阴极流路，进行上式(1-1)的反应，生成水蒸气。于是，在阴极流路的下游侧，相对湿度增大，将阴极侧与阳极侧的相对湿度差作为驱动力，水进行逆扩散而将阳极上游侧加湿。该水分进一步进行从MEA向阳极流路蒸发而将在阳极流路中流动的反应气体(阳极气体H2)加湿。然后，输送至阳极下游侧而将阳极下游(阴极上游)的MEA加湿。
在阳极电极催化剂层中，进行上式(1－2)的反应，但剩余的阳极气体H2以未反应的状态流出。如果这种未反应气体多，则阳极气体H2的消耗效率差。因此，为了提高阳极气体H2的消耗效率，而在阳极废气流路90上设置清除阀，已知通常预先使该清除阀关闭的阳极空端类型的燃料电池系统。在这种燃料电池系统中，空气中的氮气N2经由电解质膜向阳极流路透过。这种氮气N2积存在设置于燃料电池堆10的正下游的缓冲罐中，如果成为清除期间，则使清除阀打开，将氮气N2排出(清除)至阳极废气流路90。此时，缓冲罐中的氢气H2也与氮气N2一起向阳极废气流路90流出。将这种气体称为阳极废气。在该阳极废气中包含的氢气H2与在阴极废气流路60中流动的阴极废气(空气)混合，降低浓度而排气。
在这里，为了使对本实施方式的理解变得容易，而对解决课题进行说明。发明人对作为旁通阀50而使用提动阀类型这一点进行了研究。在这种类型中，经由大气连通孔使内部与大气连通。因此，如果作为这种结构的旁通阀使用，则在排气消音器中存在水等的情况下，可能产生阳极废气在旁通流路40中逆流的现象。发明人发现：在这种情况下，存在逆流的阳极废气从大气连通孔向大气流出的可能性。在此情况下，在阳极废气中包含的氢气H2从大气连通孔向大气流出。
因此，发明人提出能够避免这种情况的燃料电池系统。
下面，对具体的内容进行说明。
图3是表示本实施方式的特征结构即旁通阀的构造的图。
旁通阀50包含壳体51、阀体52、以及电动机53。该旁通阀50是在阀体52即1根杆轴520上固定设置有2个锥形阀521、522的双提动阀类型。
壳体51的内部被分隔为上游室501、下游室502、弹簧室503。上游室501和下游室502被2个分隔壁(分隔壁511以及分隔壁512)分隔。在图3中，2个分隔壁(分隔壁511以及分隔壁512)的内侧是上游室501。2个分隔壁(分隔壁511以及分隔壁512)的外侧是下游室502。上游室501与旁通流路40的上游侧(阴极供给流路侧)连接。下游室502与旁通流路40的下游侧(阴极废气流路侧)连接。在分隔壁511上形成孔511a。在分隔壁512上形成孔512a。如后述所示，在本实施方式中，孔512a的周围是阀座，阀体52的锥形阀522与该阀座抵接。
弹簧室503形成在下游室502的更外侧(在图3中为上侧)。在将下游室502和弹簧室503连接的孔中，设置衬套56。弹簧室503经由大气连通孔55与大气连通。由于是这种构造，所以即使在弹簧室503中存在水分等，该水分也从大气连通孔55向大气排出。
阀体52包含杆轴520、锥形阀521、锥形阀522、弹簧保持架523。
锥形阀521、锥形阀522以及弹簧保持架523固定设置在杆轴520上。因此，如果杆轴520沿轴向(在图3中为上下方向)移动，则锥形阀521、锥形阀522以及弹簧保持架523也与杆轴520一起沿轴向移动。此外，锥形阀521和锥形阀522的间隔，比分隔壁511和分隔壁512的间隔短。并且，在本实施方式中，如图3所示，在阀体52的锥形阀522与孔512a周围的阀座抵接的状态(初始状态)下，锥形阀521与孔511a的周围的阀座分离而位于上游室501中。杆轴520插入至衬套56中。弹簧保持架523与弹簧54抵接。
电动机53设置在壳体51的顶部。电动机53具有接收驱动指令信号，使电动机轴531伸缩的机构。电动机轴531与杆轴520的一端(在图3中为上端)抵接。
如图3所示，在初始状态(旁通阀50的开度最小的状态；此外，将如上述所示旁通阀50的开度最小的状态适当称为“全闭状态”)下，锥形阀522与阀座抵接，将孔512a闭塞。由于锥形阀521不与阀座抵接，所以在分隔壁511和锥形阀521之间存在间隙，孔511a不闭塞。
如果从初始状态开始使电动机53的电动机轴531伸出，则杆轴520向下方移动，锥形阀522从阀座分离。此时，弹簧54被压缩。
如果电动机轴531收缩，则弹簧54伸长，将弹簧保持架523向上方顶起。由此，杆轴520向上方移动。杆轴520移动，直至锥形阀522与阀座抵接为止。
此外，如上述所示，在初始状态(旁通阀50的开度最小的状态)下，锥形阀522与阀座抵接，孔512a被闭塞，但锥形阀521不与阀座抵接。在分隔壁511和锥形阀521之间存在间隙，孔511a不闭塞。
如果将这种状态模型化，则如图4所示。
由于在分隔壁511和锥形阀521之间存在间隙，所以与旁通阀50的上游室501的压力P1和下游室502的压力P2的压力差相对应地，阴极气体(内部泄漏气体)泄漏。在本实施方式中，通过该阴极气体的泄漏(流动)而防止阳极废气的逆流。因此，对初始状态下的分隔壁511和锥形阀521的间隙进行设定，以成为这样的阳极气体流量。具体的数值是通过实验或模拟等而设定的。此外，如上述所示，还存在从弹簧室503经由大气连通孔55向大气泄漏的气体(外部泄漏气体)，因此，还考虑该流量而进行设定。
内部泄漏量Q1以及外部泄漏量Q2以下式表示。此外，ρ表示阴极气体的密度。f是表示泄漏特性的函数。
【式2】
Q1＝f1(P1，P2，ρ1，α1，μ1)…(2-1)
Q2＝f2(P2，P0，ρ2，α2，μ2)…(2-2)
用于防止逆流的条件是下式。
【式3】
Q1＞Q2…(3)
阴极压力P1、燃料电池堆的压力损失Ps、旁通阀的衬套部的泄漏特性f2、旁通流路40的压力损失ΔP3，是根据系统设计及部件制造性确定的。相对于上述前提条件，通过对满足上式的泄漏量Q1进行设计，从而对泄漏量进行管理。
并且，如果该条件成立，则至少在旁通流路40中，从阴极供给流路30分支的阴极气体始终从上游侧向下游侧(从图1及图4的左侧向右侧)流动，因此，防止阳极废气的逆流。
另外，在本实施方式中，在初始状态(旁通阀50的开度最小的状态)下，相距弹簧室503及大气连通孔55较远的锥形阀522与阀座抵接，将孔512a闭塞。另一方面，相距弹簧室503及大气连通孔55较近的锥形阀521不与阀座抵接，因此，在分隔壁511和锥形阀521之间存在间隙，孔511a不闭塞。因此，产生内部泄漏。在弹簧室503的附近存在电动机53。还考虑如果电动机53万一暴露于逆流来的阳极废气中，则在阳极废气中包含的水蒸气的影响下生锈的情况，但如本实施方式所示，由于从接近弹簧室503及大气连通孔55的一侧产生内部泄漏，所以从阴极供给流路30分支的阴极气体，能够形成在弹簧室503以及大气连通孔55中流动的气流、或在旁通流路40中流动的气流，因此，能够防止电动机53暴露于阳极废气中的情况。另外，如上述所示，考虑在大气连通孔55中流动的量，即，以使与从大气连通孔55向大气泄漏(外部泄漏)的量相比更多的气体泄漏(内部泄漏)的方式，设置分隔壁511和锥形阀521的间隙。这样，能够确保旁通流路40的流动，防止阳极废气的逆流。
另外，在本实施方式中，如图3所示，在阀体52的锥形阀522与孔512a周围的阀座抵接的状态(初始状态)下，锥形阀521与孔511a周围的阀座分离而位于上游室501。由于上游室501气压高，所以抵抗该气压而使阀体52动作需要较大的能量，但如果是本实施方式的构造，则利用锥形阀521以及锥形阀522消除因气压产生的力，因此，容易使阀体52动作。
此外，在本实施方式中，锥形阀522与阀座抵接，孔512a被闭塞，但还考虑随着时间的磨损。通过还考虑这种随时间变化而进行设计，从而能够更可靠地实现本实施方式的作用效果。
并且，通过上述的式子，能够更可靠地实现本实施方式的作用效果。
(第2实施方式)
图5是表示本发明所涉及的燃料电池系统的第2实施方式的图。
此外，以下，对于实现与上述相同的功能的部分，标注相同的标号，适当省略重复的说明。
在本实施方式的燃料电池系统1中，阳极废气流路90的一端与燃料电池堆10连接而使阳极废气流动，另一端与旁通流路40连接。
即使是这种结构，也能够得到与第1实施方式相同的作用效果。
以上，针对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，并不将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。
例如，在上述实施方式中，锥形阀521和锥形阀522的间隔，比分隔壁511和分隔壁512的间隔短。但是，并不限于此。锥形阀521和锥形阀522的间隔也可以比分隔壁511和分隔壁512的间隔长。如果是这种结构，则在初始状态下，阀体52的锥形阀521与孔511a周围的阀座抵接，锥形阀522从孔512a周围的阀座远离而位于下游室502。这种结构也是本发明的技术范围。
另外，也可以使锥形阀521和锥形阀522的间隔与分隔壁511和分隔壁512的间隔相同。在这种情况下，只要在锥形阀521以及锥形阀522中的至少一个上，形成使上游室501以及下游室502连通的连通孔即可。这种结构也是本发明的技术范围。
并且，在上述实施方式中，旁通阀50是提动阀类型，但也可以是蝶式阀类型。
此外，上述实施方式可以适当组合。
本申请基于2012年3月14日向日本特许厅申请的特愿2012-57761申请的优先权，该申请的全部内容作为参照引入本说明书中。
Claims (6)
1.一种燃料电池系统，其具有：
燃料电池堆；
阴极供给流路，其与所述燃料电池堆连接，使阴极气体流动；
阴极废气流路，其与所述燃料电池堆连接，将阴极废气排出；
旁通流路，其从所述阴极供给流路分支，与所述阴极废气流路合流，使所述阴极气体的一部分绕过所述燃料电池堆而流动；
旁通阀，其对在所述旁通流路中流动的旁通流量进行调整；以及
阳极废气流路，其与所述燃料电池堆连接，将阳极废气排出，
该阳极废气流路和与所述阴极废气流路或者所述旁通阀相比为下游的旁通流路合流，
在所述旁通阀的壳体上形成大气连通孔，该大气连通孔将壳体内部和大气连通，具有使在所述旁通流路中逆流的阳极废气向大气流出的可能性，
在所述旁通阀中，在所述旁通阀的开度最小的状态下，也形成使规定量的气体泄漏的间隙，所述规定量能够防止所述阳极废气在所述旁通流路中逆流。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
所述旁通阀是双提动阀类型，其阀体是在1根杆轴上形成2个锥形阀，该旁通阀在处于所述旁通阀的开度最小的状态时，所述2个锥形阀中的一个锥形阀与阀座抵接，但另一个锥形阀不与阀座抵接而具有间隙，使规定量的气体泄漏。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，
所述一个锥形阀是远离所述大气连通孔的一侧的锥形阀，
所述另一个锥形阀是接近所述大气连通孔的一侧的锥形阀。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，
所述规定量比从所述大气连通孔向大气泄漏的外部泄漏量大。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，
所述旁通阀在处于随着时间而磨损的状态下，也在所述旁通阀的开度最小的状态下使规定量的气体泄漏。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，
在所述旁通阀中，在壳体内形成由阀体分隔的上游室以及下游室，基于泄漏特性函数求出在所述旁通阀的开度最小的状态下从上游室向下游室泄漏的内部泄漏量以及从下游室向大气泄漏的外部泄漏量，设置间隙，以使得内部泄漏量比外部泄漏量大。
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