CN106960969B - 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，其在燃料电池与涡轮机之间配设有压力调整阀，并且在所述涡轮机以高旋转被驱动时，能够抑制该涡轮机的上游侧成为负压的情况。燃料电池系统(10)具备燃料电池堆(14)、氧化剂气体供给配管(48a)、氧化剂气体排出配管(48b)、空气压缩机(50)、涡轮机(52)及压力调整阀(60)。涡轮机(52)与空气压缩机(50)设置在同一轴(54)上，压力调整阀(60)配设在燃料电池堆(14)与所述涡轮机(52)之间。在涡轮机(52)与压力调整阀(60)之间配设有将外部空气向该涡轮机(52)导入的止回阀(62)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，其具备通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应进行发电的燃料电池，且借助空气压缩机及涡轮机向所述燃料电池供给所述氧化剂气体。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池采用由高分子离子交换膜构成的电解质膜。燃料电池通过隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA)，该电解质膜-电极构造体(MEA)在电解质膜的一侧的面配设有阳极电极，且在所述电解质膜的另一侧的面配设有阴极电极。电解质膜-电极结构体通过由隔板(双极板)夹持而构成发电单元。通常，在燃料电池中，层叠有规定数目的发电单元的燃料电池堆例如作为车载用燃料电池堆而搭载于燃料电池电动机动车。
在燃料电池中，例如将燃料罐(氢罐)中贮存的燃料气体(氢气)向阳极电极供给，另一方面，将外部空气(氧化剂气体)通过压缩机等向阴极电极供给。例如，在专利文献1公开的燃料电池装置的输出调整装置中，具有在向燃料电池供给空气的空气供给导管上设置的转速可变的压缩机(compressor)和在空气排出导管上设置的涡轮机(膨胀机)。此时，压缩机及涡轮机设置在共用的轴上。
在先技术文献
专利文献1：日本特开平7-14599号公报
然而，在从燃料电池将消耗了一部分的空气(氧化剂气体)排出的氧化剂气体排出配管中，存在设有压力调整阀的情况。压力调整阀通过使阀开口面积缩小，从而保持燃料电池的内部压力，并且提高压缩机的压缩比来进行提高所述燃料电池的输出的操作。
然而，在压力调整阀的空气出口到涡轮机的空气入口之间，可能空气变得稀薄而成为负压。因此，涡轮机的空气入口侧压力成为比所述涡轮机的空气出口侧压力低的低压，从而存在涡轮机前后压力的关系逆转这样的问题。由此，燃料电池的净输出降低，存在无法实现系统效率的提高这样的问题。
发明内容
本发明用于解决这种课题，其目的在于提供一种燃料电池系统，其在燃料电池与涡轮机之间配置有压力调整阀，并且在所述涡轮机以高旋转被驱动时，能够尽可能地抑制该涡轮机的上游侧成为负压的情况。
用于解决课题的方案
本发明的燃料电池系统具备燃料电池、氧化剂气体供给配管、氧化剂气体排出配管、空气压缩机、涡轮机及压力调整阀。燃料电池通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应进行发电。氧化剂气体供给配管向燃料电池供给氧化剂气体，另一方面，氧化剂气体排出配管从所述燃料电池排出所述氧化剂气体。
涡轮机配设于氧化剂气体排出配管，并且设置在与空气压缩机共用的轴上，另一方面，压力调整阀在所述氧化剂气体排出配管上配设于燃料电池与所述涡轮机之间的位置。
而且，在涡轮机与压力调整阀之间配设有与外部气体连通而将外部空气向该涡轮机导入的止回阀。
另外，在该燃料电池系统中，优选在止回阀的外部空气导入侧配置有空气滤清器。
并且，构成涡轮机的壳体一体或分体地设有所述涡轮机的空气吸入口，并且在所述空气吸入口的壁面上形成有将该空气吸入口的内部与外部连通的止回阀，且在所述壁面上，覆盖所述止回阀而安装有空气滤清器。
另外，在该燃料电池系统中，优选止回阀配置在涡轮机的比空气吸入口的中央水平线位置靠下方的位置。
另外，在该燃料电池系统中，优选具备使冷却介质向燃料电池循环的冷却介质循环配管，所述冷却介质循环配管的一部分直接设置于止回阀或与该止回阀接近设置。
发明效果
根据本发明，在燃料电池与涡轮机之间配设有压力调整阀，并且在所述涡轮机与所述压力调整阀之间配设有与外部气体连通而将外部空气向该涡轮机导入的止回阀。因此，在燃料电池的高负荷发电时，涡轮机以高旋转被驱动，且压力调整阀的阀开口面积被缩小，从而该涡轮机的上游侧成为负压时，通过大气压使止回阀对外部气体开放，因此所述外部气体被向所述涡轮机的上游侧导入，使所述涡轮机的上游侧升压至大气压。
由此，在涡轮机以高旋转被驱动时，也能够尽可能地抑制该涡轮机的上游侧成为负压的情况，能够抑制涡轮机前后压力的关系逆转引起的系统效率的降低。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统的简要结构说明图。
图2是燃料电池输出与电动机涡轮转速的关系说明图。
图3是燃料电池输出与压力调整阀的阀开度的关系说明图。
图4是构成本发明的第二实施方式的燃料电池系统的涡轮机的简要说明图。
图5是所述涡轮机的图4中的V-V线剖视图。
图6是构成本发明的第三实施方式的燃料电池系统的压力调整阀的简要说明图。
图7是构成本发明的第四实施方式的燃料电池系统的中间配管的简要说明图。
图8是本发明的第五实施方式的燃料电池系统的简要结构说明图。
图9是构成所述第五实施方式的燃料电池系统的涡轮机的主要部分剖视说明图。
符号说明：
10、130…燃料电池系统 12…发电单元
14…燃料电池堆 16…氧化剂气体供给装置
18…燃料气体供给装置 20…冷却介质供给装置
22…电解质膜-电极结构体 24、26…隔板
28…固体高分子电解质膜 30…阳极电极
32…阴极电极 34…燃料气体流路
36…氧化剂气体流路 38…冷却介质流路
42a…氧化剂气体入口连通孔 42b…氧化剂气体出口连通孔
44a…冷却介质入口连通孔 44b…冷却介质出口连通孔
46a…燃料气体入口连通孔 46b…燃料气体出口连通孔
48a…氧化剂气体供给配管 48b…氧化剂气体排出配管
50…空气压缩机 52、90、132…涡轮机
54…轴 56…电动机
60、110…压力调整阀 62…止回阀
64…空气滤清器 66a…燃料气体供给配管
66b…燃料气体排出配管 68…氢罐
80…冷却介质循环路 80a…局部流路
92、112…壳体 94a…空气吸入口
94b…空气排出口 94as、118s、120s…壁面
100…阶梯 102…板
118…出口配管部 120…中间配管
具体实施方式
如图1所示，本发明的第一实施方式的燃料电池系统10例如构成搭载于燃料电池电动机动车等电动车辆的车载用燃料电池系统。
燃料电池系统10具备：层叠有多个发电单元(燃料电池)12的燃料电池堆14；向所述燃料电池堆14供给氧化剂气体的氧化剂气体供给装置16；以及向所述燃料电池堆14供给燃料气体的燃料气体供给装置18。燃料电池系统10还具备向燃料电池堆14供给冷却介质的冷却介质供给装置20。
发电单元12通过利用第一隔板24及第二隔板26夹持电解质膜-电极结构体22而构成。第一隔板24及第二隔板26由金属隔板或碳隔板构成。电解质膜-电极结构体22具备例如含有水分的全氟磺酸的薄膜即固体高分子电解质膜28和夹持所述固体高分子电解质膜28的阳极电极30及阴极电极32。固体高分子电解质膜28除了使用氟系电解质以外，还可使用HC(烃)系电解质。
第一隔板24在其与电解质膜-电极结构体22之间设置用于向阳极电极30供给燃料气体的燃料气体流路34。第二隔板26在其与电解质膜-电极结构体22之间设置用于向阴极电极32供给氧化剂气体的氧化剂气体流路36。在彼此相邻的第一隔板24与第二隔板26之间设有用于使冷却介质流通的冷却介质流路38。
在构成燃料电池堆14的一侧的端板40a上，分别沿发电单元12的层叠方向独立地连通而形成有氧化剂气体入口连通孔42a、氧化剂气体出口连通孔42b及冷却介质入口连通孔44a。在构成燃料电池堆14的另一侧的端板40b上，分别沿发电单元12的层叠方向独立地连通而形成有燃料气体入口连通孔46a、燃料气体出口连通孔46b及冷却介质出口连通孔44b。
氧化剂气体入口连通孔42a及氧化剂气体出口连通孔42b与氧化剂气体流路36连通，使氧化剂气体、例如含氧气体(以下也称为空气)流通。冷却介质入口连通孔44a及冷却介质出口连通孔44b与冷却介质流路38连通，使冷却介质流通。燃料气体入口连通孔46a及燃料气体出口连通孔46b与燃料气体流路34连通，使燃料气体、例如含氢气体(以下也称为氢气)流通。
氧化剂气体供给装置16具有与燃料电池堆14的氧化剂气体入口连通孔42a连通的氧化剂气体供给配管48a和与所述燃料电池堆14的氧化剂气体出口连通孔42b连通的氧化剂气体排出配管48b。在氧化剂气体供给配管48a的上游侧配设有空气压缩机50，另一方面，在氧化剂气体排出配管48b的下游侧配设有涡轮机52。空气压缩机50与涡轮机52设置在共用的轴54上，并且在所述轴54上连结有电动机56，从而构成电动机涡轮。
在氧化剂气体供给配管48a及氧化剂气体排出配管48b上，配设有位于空气压缩机50的下游侧的加湿器58。需要说明的是，作为加湿器58，只要能够对供给的空气进行加湿即可，其结构没有特别限定。在氧化剂气体排出配管48b上配设有位于燃料电池堆14(及加湿器58)与涡轮机52之间的压力调整阀60。
在氧化剂气体排出配管48b上配设有止回阀62，该止回阀62位于涡轮机52与压力调整阀60之间，与外部气体连通而将外部空气向该涡轮机52导入。作为止回阀62，例如使用伞形阀，但除此以外，还可以采用各种止回阀(单向阀)。在止回阀62的外部空气导入侧配置有空气滤清器64。空气滤清器64只要阻止异物从外部进入即可，可以使用各种滤清器。
燃料气体供给装置18具有与燃料电池堆14的燃料气体入口连通孔46a连通的燃料气体供给配管66a和与所述燃料电池堆14的燃料气体出口连通孔46b连通的燃料气体排出配管66b。在燃料气体供给配管66a的上游配置有贮存高压氢的氢罐68，在该氢罐68的下游配设有密封阀70及喷射器72。
在喷射器72与燃料气体排出配管66b的中途连接有氢循环路74，并且在所述氢循环路74上配设有氢循环用的氢泵76。在燃料气体排出配管66b的下游配设有通过空气对排出的氢进行稀释的稀释器78。
冷却介质供给装置20具备冷却介质循环路80，该冷却介质循环路80与燃料电池堆14的冷却介质入口连通孔44a和冷却介质出口连通孔44b连通，来循环供给冷却介质。在冷却介质循环路80上，接近冷却介质入口连通孔44a侧而配置有冷却泵82，并且接近冷却介质出口连通孔44b而配置有散热器84。
以下，对这样构成的燃料电池系统10的动作进行说明。
如图1所示，在构成氧化剂气体供给装置16的电动机56的旋转作用下，借助空气压缩机50向氧化剂气体供给配管48a输送空气。该空气在通过加湿器58而被加湿后，向燃料电池堆14的氧化剂气体入口连通孔42a供给。
另一方面，在燃料气体供给装置18中，在密封阀70的打开作用下，从氢罐68向燃料气体供给配管66a供给氢气。该氢气向燃料电池堆14的燃料气体入口连通孔46a供给。
空气从氧化剂气体入口连通孔42a向第二隔板26的氧化剂气体流路36导入。空气沿着氧化剂气体流路36移动，向电解质膜-电极结构体22的阴极电极32供给。另一方面，氢气从燃料气体入口连通孔46a向第一隔板24的燃料气体流路34导入。氢气沿着燃料气体流路34移动，向电解质膜-电极结构体22的阳极电极30供给。
因此，在各电解质膜-电极结构体22中，向阴极电极32供给的空气中的氧与向阳极电极30供给的氢气在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗，从而进行发电。
另外，在冷却介质供给装置20中，在冷却泵82的作用下，从冷却介质循环路80向燃料电池堆14的冷却介质入口连通孔44a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。冷却介质沿着冷却介质流路38流动，在对发电单元12进行冷却之后，从冷却介质出口连通孔44b向冷却介质循环路80排出。
接下来，向阴极电极32供给而被消耗了一部分的空气从氧化剂气体出口连通孔42b向氧化剂气体排出配管48b排出。空气通过加湿器58而对从氧化剂气体供给配管48a供给的新空气进行加湿之后，被调整为压力调整阀60的设定压力，之后被涡轮机52吸引。涡轮机52对来自燃料电池堆14的排气能量进行电再生，从而能够提高所述燃料电池堆14的净输出。
同样，向阳极电极30供给而被消耗了一部分的氢气从燃料气体出口连通孔46b向燃料气体排出配管66b排出。氢气从燃料气体排出配管66b向氢循环路74导入，在喷射器72的吸引作用下向燃料气体供给配管66a循环。排出到燃料气体排出配管66b的氢气根据需要而在稀释器78的作用下向外部排出(排气)。
在燃料电池系统10中，燃料电池输出与电动机涡轮转速具有图2所示的关系。具体而言，在燃料电池堆14的高负荷时(高输出时)，空气压缩机50及涡轮机52高旋转化。
另一方面，燃料电池输出与压力调整阀60的阀开度具有图3所示的关系。即，在燃料电池堆14的高负荷时(高输出时)，为了保持所述燃料电池堆14的内部压力，将压力调整阀60的阀开度缩小。由此，如图1所示，在氧化剂气体排出配管48b中，压力调整阀60与涡轮机52的入口侧之间的空气变得稀薄，从而容易产生负压。
在该情况下，在第一实施方式中，在燃料电池堆14(及加湿器58)与涡轮机52之间配设有压力调整阀60，并且在所述涡轮机52与所述压力调整阀60之间配设有止回阀62。因此，在燃料电池堆14的高负荷时，若压力调整阀60与涡轮机52的入口侧之间的压力降低，则通过与大气压之间的压力差而止回阀62对外部气体开放。因此，外部气体(外部空气)向涡轮机52的上游侧导入，使压力调整阀60与所述涡轮机52的入口侧之间升压至大气压。
由此，在涡轮机52以高旋转被驱动时，也能够尽可能地抑制所述涡轮机52的上游侧成为负压的情况。因此，能够消除涡轮机52的上游侧的压力成为比所述涡轮机52的下游侧的压力低的低压的情况，能够良好地阻止燃料电池堆14的净输出降低的情况。
并且，在第一实施方式中，在止回阀62的外部空气导入侧配置有空气滤清器64。因此，通过使外部气体暂且通过空气滤清器64，从而即使所述外部气体中混有杂质，所述杂质也会由所述空气滤清器64捕获。由此，能够可靠地防止杂质引起的涡轮机52的不良情况(旋转不良、腐蚀等)。
图4是构成本发明的第二实施方式的燃料电池系统的涡轮机90的简要说明图。需要说明的是，对与第一实施方式的燃料电池系统10相同的构成要素，标注相同的符号并省略其详细的说明。另外，在以下说明的第三实施方式以后的实施方式中，也同样省略其详细的说明。
涡轮机90具备壳体92，在所述壳体92的外周端部一体成形有空气吸入口94a，并且在所述壳体92的中央部形成有空气排出口94b。在圆筒状的空气吸入口94a的壁面94as上形成有将所述空气吸入口94a的内部与外部连通的止回阀62，且在所述壁面94as上，覆盖所述止回阀62而安装有空气滤清器64。
如图5所示，在壁面94as上，在比通过空气吸入口94a的中央位置的中央水平线H靠下方的位置，例如在下侧一半的大致180°的范围内安装有止回阀62。在壁面94as上形成有厚度减薄且具有孔部96a的座面96，并且在所述座面96上以将所述孔部96a开闭自如的方式装配有伞状阀芯98。
在壁面94as上，覆盖止回阀62而配置有空气滤清器64。空气滤清器64构成网格滤清器，并且设有与壁面94as卡合的阶梯100。空气滤清器64被保持于板102，并且所述板102通过使多根螺栓104与设置于壁面94as的螺纹孔106螺合而固定于所述壁面94as。在板102的中央形成有将外部气体向止回阀62导入的开口部108。
在这样构成的第二实施方式中，能够容易将止回阀62安装于壁面94as，并且空气滤清器64借助阶梯而被定位于所述止回阀62的外侧。因此，能够简单地完成空气滤清器64的装卸作业。
然而，来自外部气体的进入水容易滞留于止回阀62的伞状阀芯98。此时，在第二实施方式中，止回阀62及空气滤清器64相对于壁面94as而安装在比通过空气吸入口94a的中央位置的中央水平线H靠下方的位置。因此，在止回阀62中不会生成滞留水，例如，能够避免水的冻结引起伞状阀芯98动作不良的情况。并且，在空气滤清器64中不会产生水的冻结引起的孔眼堵塞，能够阻止外部气体的导通不良。
图6是构成本发明的第三实施方式的燃料电池系统的压力调整阀110的简要说明图。
压力调整阀110具有壳体112，在所述壳体112内收容有主体部(致动器)114。在壳体112的一端设有入口配管部116，并且在所述壳体112的另一端设有出口配管部(空气吸入口)118。出口配管部118的端面与涡轮机52的空气吸入侧的端面连结。
出口配管部118具有圆筒状，在壁面118s上形成有将所述出口配管部118的内部与外部连通的止回阀62，且在所述壁面118s上，覆盖所述止回阀62而安装有空气滤清器64。需要说明的是，上述的安装结构与第二实施方式相同，省略其详细的说明。
在这样构成的第三实施方式中，在止回阀62中不会生成滞留水，例如，能够避免水的冻结引起阀芯动作不良的情况等，能够得到与上述的第二实施方式同样的效果。
图7是构成本发明的第四实施方式的燃料电池系统的中间配管120的简要说明图。
中间配管120是将压力调整阀60与涡轮机52连结的圆筒状配管。在中间配管120的壁面120s上形成有将所述中间配管120的内部与外部连通的止回阀62，且在所述壁面120s上，覆盖所述止回阀62而安装有空气滤清器64。需要说明的是，上述的安装结构与第二实施方式相同，省略其详细的说明。
在这样构成的第四实施方式中，在止回阀62中不会生成滞留水，例如，能够避免水的冻结引起阀芯动作不良的情况等，能够得到与上述的第二及第三实施方式同样的效果。
图8是本发明的第五实施方式的燃料电池系统130的简要结构说明图。
燃料电池系统130具备涡轮机132，并且构成冷却介质供给装置20的冷却介质循环路80的局部流路80a直接地设置于止回阀62或者与所述止回阀62的伞状阀芯98接近设置。如图9所示，涡轮机132具有与第二实施方式的涡轮机90同样的结构，对相同的构成要素标注相同的符号，并省略其详细的说明。
在涡轮机132的空气吸入口94a处，在壁面94as内形成有通过管铸入、基于型芯得到的孔铸形状的一对局部流路80a。一对局部流路80a配置在止回阀62的上下。止回阀62及空气滤清器64的搭载位置没有限定，可以设置在壁面94as的任意位置。
在这样构成的第五实施方式中，从燃料电池堆14排出的比较高温的冷却介质在一对局部流路80a中流通，由此能够对止回阀62及空气滤清器64进行加热。因此，例如能够解除滞留的水滴引起的冻结，可以得到能够可靠地避免止回阀62的动作不良这样的效果。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，其具备：
燃料电池，其通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应进行发电；
氧化剂气体供给配管，其向所述燃料电池供给所述氧化剂气体；
氧化剂气体排出配管，其从所述燃料电池排出所述氧化剂气体；
空气压缩机，其配设于所述氧化剂气体供给配管；
涡轮机，其配设于所述氧化剂气体排出配管，并且设置在与所述空气压缩机共用的轴上；以及
压力调整阀，其在所述氧化剂气体排出配管上配设于所述燃料电池与所述涡轮机之间的位置，
所述燃料电池系统的特征在于，
在所述涡轮机与所述压力调整阀之间配设有与外部气体连通而将外部空气向该涡轮机导入的止回阀，
在所述止回阀的外部空气导入侧配置有空气滤清器，
构成所述涡轮机的壳体一体或分体地设有所述涡轮机的空气吸入口，并且，
在所述空气吸入口的壁面上形成有将该空气吸入口的内部与外部连通的所述止回阀，且在所述壁面上，覆盖所述止回阀而安装有所述空气滤清器。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述止回阀配置在所述涡轮机的比所述空气吸入口的中央水平线位置靠下方的位置。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统具备使冷却介质向所述燃料电池循环的冷却介质循环配管，
所述冷却介质循环配管的一部分直接设置于所述止回阀或与该止回阀接近设置。
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