CN108736046B - 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，具备：蝶形阀，设置于燃料电池与其他的构件之间的配管；及整流网，相对于蝶形阀设置于在所述配管中流动的气体的下游侧，并形成有对所述气体的流动进行整流的网。整流网还在铅垂方向的下端部具有未形成网的第一开口部。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
日本特开2002-373687号公报记载了如下的技术：在向燃料电池供给氢和氧而进行发电的燃料电池系统中，在将燃料电池与其他的构件连结的配管设置金属网，抑制以紊流为起因的振动，抑制噪音的产生。
发明内容
【发明要解决的问题】
在燃料电池中，由于氢与氧的电化学反应而生成水。在该生成水附着于在配管设置的金属网的情况下，设有金属网的配管的流路中的压损增加。而且，生成水在附着于金属网的状态下冻结时，会产生流路的闭塞。
【用于解决问题的手段】
本发明为了应对上述的课题而作出，可以作为以下的方式来实现。
(1)根据本发明的一方式，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统具备：蝶形阀，设置于燃料电池与其他的构件之间的配管；及整流网，相对于所述蝶形阀设置于在所述配管中流动的气体的下游侧，并形成有对所述气体的流动进行整流的网。所述整流网还在铅垂方向的下端部具有未形成所述网的第一开口部。
根据该方式的燃料电池系统，通过第一开口部，能够抑制在燃料电池生成而在配管的铅垂方向的下端部流动的生成水附着于网的可能性。由此，能够抑制由于在配管的铅垂方向的下端部流动的生成水而配管的流路中的压损增加的可能性。而且，通过利用网对在通过了蝶形阀的气体产生的气流的紊乱进行整流，由此能够实现以气流的紊乱为起因的噪音的降低。
(2)在上述方式的燃料电池系统中，所述整流网可以还在整流网的中央部具有沿所述蝶形阀的阀芯的旋转的轴向延伸且未形成所述网的第二开口部。
根据该方式的燃料电池系统，通过第二开口部，能够进一步抑制由于生成水而配管的流路中的压损增加的可能性。而且，即使附着于网的生成水冻结而闭塞且第一开口部由于生成水的冻结而闭塞，中央部的第二开口部发生闭塞的可能性也小。因此，即使在这样的状况下，也能够经由第二开口部使气体流动，能够抑制完全的闭塞。
(3)在上述方式的燃料电池系统中，所述第二开口部可以形成为包围将预先确定的最大开度下的所述蝶形阀沿所述气体的流动方向投影在所述整流网上而得到的区域。
根据该方式的燃料电池系统，能够高效地得到第二开口部以外的部分的网的整流效果和由第二开口部产生的抑制生成水的冻结引起的流路的闭塞的效果。
(4)在上述方式的燃料电池系统中，所述蝶形阀可以配置成阀芯以水平方向为旋转轴而旋转的朝向。
根据该方式的燃料电池系统，能够高效地提高网的整流效果。而且，在具有第一开口部的形态中，能够抑制在配管的铅垂方向的下端部流动的生成水引起的流路的压损的增加。而且，在具有第二开口部的形态中，能够抑制流路的闭塞。而且，在阀芯的旋转轴成为铅垂方向的情况下，由于在铅垂方向的下端部积存的生成水而旋转轴可能会冻结，但是如果阀芯的旋转轴成为水平方向，则能够最有效地抑制生成水附着而冻结于旋转轴。
本发明也可以通过上述的燃料电池系统以外的各种方式实现。例如，能够通过燃料电池系统的反应气体供给排出机构、燃料电池系统的空气供给排出机构、使用于它们的整流网等方式实现。
附图说明
图1是表示作为本发明的一实施方式的燃料电池系统的概略结构的说明图。
图2是表示空气供给流路及空气排出流路连接于燃料电池的部分的周边的概略立体图。
图3是表示调压阀的结构的概略立体图。
图4是表示图2的整流网的结构的概略主视图。
图5是将在图2的5-5向视剖面处从出口配管朝向排出配管流动的空气的流动的情形以未设置整流网的状态示出的说明图。
图6是表示图5的6-6向视剖面处的空气的流速分布的说明图。
图7是表示变形例的具有第二开口部的整流网的概略主视图。
【符号说明】
20…燃料电池系统
30…空气供给排出机构
31…压缩器
32…空气供给流路
33…分流阀
34…入口配管
35a…出口配管
35b…排出配管
36…调压阀(蝶形阀)
37、37b…整流网
38…旁通流路
39…空气排出流路
40…燃料电池
41…组歧管
50…氢供给排出机构
51…调节器
54…喷射器
55…氢泵
56…气液分离部
57…排水断流阀
58…排出流路
60…氢供给流路
70…氢罐
71…断流阀
80…冷却水循环机构
81…散热器
82…冷却水泵
83…冷却水排出流路
84…冷却水供给流路
90…控制部
110…蝶形主体
114…阀杆
116…阀芯
120…驱动部
130…网部
131…网
132…第一开口部
134、134b…第二开口部
A1…空间区域
A2…空间区域
IPP…入口配管板
OPP…出口配管板
具体实施方式
A.实施方式：
图1是表示作为本发明的一实施方式的燃料电池系统20的概略结构的说明图。燃料电池系统20例如搭载于车辆，按照来自驾驶者的要求而输出成为车辆的动力源的电力。燃料电池系统20具备燃料电池40、氢供给排出机构50、空气供给排出机构30、冷却水循环机构80、控制部90，该燃料电池40具备多个单电池。燃料电池系统20通过未图示的电源开关的ON操作而起动，通过OFF操作而停止。电源开关相当于发动机机动车中的点火开关。电源开关是用于切换燃料电池系统20的停止状态与动作状态的输入接口。
氢供给排出机构50按照控制部90的控制，向燃料电池40的阳极进行作为燃料气体的氢的供给及排出。氢供给排出机构50具备氢罐70、断流阀71、氢供给流路60、调节器51、氢泵55、气液分离部56、排水断流阀57、排出流路58以及喷射器54。
氢罐70贮存氢。在氢罐70贮存具有几十MPa的高压的氢气。氢供给流路60是将燃料电池40与作为燃料电池40以外的构件的氢罐70连接的配管。断流阀71是切断从氢罐70向氢供给流路60的氢的供给的阀，也称为主截止阀。断流阀71由控制部90来控制其开闭。当通过控制部90的控制而断流阀71打开时，从氢罐70通过氢供给流路60向燃料电池40供给氢气。当断流阀71关闭时，氢气的供给被切断。
调节器51通过控制部90的控制，来调整贮存于氢罐70的氢的压力。喷射器54将由调节器51调整了压力后的氢按照控制部90的控制而朝向阳极喷射。
气液分离部56将从阳极排出的气体与液体分离。氢泵55将通过气液分离部56分离后的气体向燃料电池40再次供给。通过气液分离部56分离后的气体主要是未被消耗而排出的氢、经由燃料电池具备的膜电极接合体而从阴极侧透过的氮、未由气液分离部56从气体成分分离的水分。排出流路58是将气液分离部56与空气供给排出机构30具备的空气排出流路39(后述)连接的配管。排水断流阀57设置在排出流路58上。排水断流阀57为了将通过气液分离部56分离的液体和氮排出而打开。通过喷射器54和排水断流阀57的控制，来调整向燃料电池40的氢的供给量。
空气供给排出机构30按照控制部90的控制，向燃料电池40的阴极供给空气，从阴极将空气排出。空气供给排出机构30具备压缩器31、空气供给流路32、分流阀33、调压阀36、整流网37、旁通流路38以及空气排出流路39。
空气供给流路32是与燃料电池40的阴极的供给口连接的配管。空气排出流路39是与燃料电池40的阴极的排出口连接的配管。旁通流路38是从空气供给流路32的比燃料电池40靠上游侧分支而与空气排出流路39连接的配管。压缩器31设置在空气供给流路32的中途，从空气供给流路32的大气开放口侧吸附空气并压缩。设置压缩器31的位置是比空气供给流路32与旁通流路38的连接部位接近大气开放口的位置。
分流阀33在空气供给流路32上，设置在压缩器31的下游侧，即压缩器31与燃料电池40之间且空气供给流路32与旁通流路38的连接部位。分流阀33将从压缩器31流来的空气的流动方向切换为燃料电池40侧和旁通流路38侧中的任一方。这样的分流阀33也称为三通阀。旁通流路38是将分流阀33与空气排出流路39连接的配管。调压阀36在空气排出流路39中，设置在比空气排出流路39与旁通流路38的连接部位靠燃料电池40侧处。调压阀36根据开度来调整空气排出流路39的流路截面积。调压阀36由蝶形阀构成。整流网37对于通过了调压阀36的气流的紊乱进行整流。通过了调压阀36的空气在通过整流网37与旁通流路38连接的连接部位之后，从大气开放口向大气排出。压缩器31、分流阀33及调压阀36由控制部90控制。
冷却水循环机构80按照控制部90的控制而对燃料电池40进行冷却。冷却水循环机构80具备散热器81、冷却水泵82、冷却水排出流路83以及冷却水供给流路84。
冷却水供给流路84是将散热器81与燃料电池40之间连接的流路，是用于向燃料电池40供给冷却水的配管。冷却水排出流路83是将燃料电池40与散热器81连接的流路。冷却水排出流路83是用于从燃料电池40排出冷却水的配管。冷却水泵82设置于散热器81与燃料电池40之间的冷却水供给流路84。通过冷却水泵82使冷却水循环。
控制部90构成作为具备CPU、RAM、ROM的计算机。具体而言，控制部90是ECU(Electronic Control Unit)。控制部90输出用于控制燃料电池系统20的动作的信号。控制部90接受发电要求，对燃料电池系统20的各部进行控制而使燃料电池40发电。
需要说明的是，虽然图示或详细的说明省略，但是搭载于车辆的燃料电池系统20还具备二次电池、对燃料电池40的输出电压或二次电池的充放电进行控制的DC/DC转换器。二次电池蓄积燃料电池40输出的电力或再生电力，与燃料电池40一起作为电力源发挥功能。
图2是表示空气供给流路32及空气排出流路39连接于燃料电池40的部分的周边的概略立体图。图2所示的X、Y、Z表示相互垂直的方向，Y方向设定为重力方向(铅垂方向)，X方向及Z方向设定为水平方向。燃料电池4具有将与XY平面平行的多个单电池沿Z方向层叠的层叠体。在燃料电池40，在层叠体的层叠方向(Z方向)的一方的端部设有沿XY平面的厚板状的组歧管41。
组歧管41是将燃料电池40的内部的空气供给流路及空气排出流路与空气供给排出机构30(图1)的空气供给流路32及空气排出流路39分别连结的接口。而且，组歧管41是将燃料电池40的内部的氢供给流路及氢排出流路与氢供给排出机构50(图1)的氢供给流路60及气液分离部56分别连结的接口。此外，组歧管41是将燃料电池40的内部的冷却水供给流路及冷却水排出流路与冷却水循环机构80(图1)的冷却水供给流路84及冷却水排出流路83分别连结的接口。需要说明的是，为了使技术容易理解，在图2中仅示出空气供给流路32及空气排出流路39的向组歧管41的连接而省略其他的流路的连接。
空气供给流路32中的从分流阀33(图1)朝向组歧管41的入口配管34经由入口配管板IPP而连接于组歧管41的空气供给口(未图示)。而且，空气排出流路39中的将组歧管41与调压阀36连结的出口配管35a经由出口配管板OPP而连接于组歧管41的空气排出口(未图示)。出口配管35a设为与Z方向(水平方向)平行的配管。
图3是表示调压阀36的结构的概略立体图。调压阀36设置在出口配管35a(参照图2)的下游端。作为调压阀36，如上所述使用蝶形阀。以下，将调压阀36也称为“蝶形阀36”。
蝶形阀36具备蝶形主体110和驱动部120。在蝶形主体110的圆管状的内部空间具备阀杆114、以阀杆114为旋转轴而旋转的圆板状的阀芯116。蝶形主体110配置成阀杆114沿X方向的状态。驱动部120是使阀杆114旋转的促动器，可以由电动促动器或空气压式促动器、液压式促动器等构成。在本例中，驱动部120是使用了电动马达的电动促动器。
在图2的蝶形阀36的下游侧，即，在与出口配管35a相反的一侧，与蝶形主体110(参照图3)连续地设置整流网37。需要说明的是，“连续”不仅包括以与蝶形主体110相接的方式而整流网37直接连接于蝶形主体110的结构，而且包括经由用于使蝶形主体110与整流网37连接的接口来连接的结构。与蝶形主体110连续地设置整流网37是指在蝶形主体110与整流网37之间不会阻碍流路中的气体的流动的状态。
图4是表示图2的整流网37的结构的概略主视图。图4示出从蝶形阀36(参照图2)的相反侧，即，整流网37的下游侧观察整流网37的状态。整流网37在圆管状的内部空间具有网部130。在网部130，沿XY平面(铅垂面)形成有网131。而且，整流网37在铅垂方向(Y方向)的下端部具有未形成网131的第一开口部132。整流网37还在铅垂方向的中央具有未形成网131的第二开口部134。需要说明的是，关于第一开口部132及第二开口部134的形状在后文叙述。
在图2的整流网37的下游侧连接有构成空气排出流路39的排出配管35b。排出配管35b具有从沿着Z方向(水平方向)的方向而朝向斜下方折弯的形状。
图5是表示在图2的5-5向视剖面处，未设置整流网37的情况下的从出口配管35a朝向排出配管35b流动的空气的流动情况的说明图。而且，图6是表示图5的6-6向视剖面处的空气的流速分布的说明图。
如图5所示，通过蝶形阀36的空气的流速非常大，因此在未设置整流网37的情况下，会产生不规则地紊乱的流动的紊流。此时，在沿水平方向(Z方向)的阀芯116的下游侧的空间区域A1中，从上游侧流入的空气的流量少，从下游侧旋入而朝向反向的紊流流入。而且，排出配管35b中的从沿着水平方向(Z方向)的状态向斜下方折弯的空间中的位于下方的空间区域A2也是从上游侧流入的空气的流量少，从下游侧旋入而朝向反向的紊流流入。
在本实施方式中，如上所述，在蝶形阀36的下游配置整流网37(参照图2、图4)。具体而言，如图6的虚线所示，在流速大而产生紊流的流体的区域配置网部130。网部130能够对气体进行整流，以使由于流速大的空气的流动而产生的紊流成为层流。其结果是，能够实现以气流的紊乱为起因的噪音的降低。
另外，在本实施方式中，如图6的虚线所示，在铅垂方向的下端部配置第一开口部132。因此，从燃料电池40在排出配管35b(参照图5)的下端部流动的液体的水能够经由第一开口部132向下游流动。由此，能够抑制在下端部流动的生成水附着并滞留于网而配管的流路中的压损增加的事态。需要说明的是，如图6所示，铅垂方向的下端部的流速小，因此可认为对于紊流的产生的影响小，即使没有网131，对于整流效果的影响也小。
另外，在本实施方式中，如图6的虚线所示，在铅垂方向(Y方向)的中央部配置有第二开口部134。因此，即使假设水附着而冻结于网部130，且水滞留而冻结于第一开口部132，网部130及第一开口部132全部闭塞，通过较大地开口的第二开口部134避免流路闭塞的可能性也高。即，能够更有效地抑制流路的闭塞。需要说明的是，配置第二开口部134的区域是蝶形阀36(参照图5)的水平方向(Z方向)的下游侧的区域。如图6所示，在该区域中，流速小，因此没有网131对于紊流的产生的影响小，其结果是，可认为对于整流效果的影响小。
需要说明的是，如图4所示，第二开口部134设为包围将预先确定的最大开度下的蝶形阀36(具体而言，阀杆114及阀芯116)投影在整流网37上的区域那样的形状(例如，由呈线对称地配设的一对圆弧构成的形状)。该形状与在蝶形阀36(参照图5)的下游处、流速小、即使没有网131对于整流效果的影响也小的区域的形状基本一致。
如以上说明所述，在本实施方式中，通过在蝶形阀36的下游设置的整流网37，能够对通过了蝶形阀36的空气的紊流进行整流。其结果是，能抑制以紊流为起因的振动，能抑制噪音的产生。而且，在本实施方式的整流网37中，在通过了蝶形阀36的空气的流速小而结果是对于紊流的影响度小的配管的铅垂方向的下端部设有第一开口部132。通过该第一开口部132，能够抑制在该下端部流动的生成水滞留引起的流路的压损的增加。此外，通过在整流网37的铅垂方向的中央部设置的第二开口部134，能够抑制生成水的冻结引起的流路的闭塞。
B.变形例：
需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式或变形例，在不脱离其主旨的范围内能够以各种形态实施，例如，也能够进行如下的变形。
B1.变形例1：
在上述实施方式中，以在整流网37的铅垂方向的下端部设置第一开口部132且在铅垂方向的中央部设置第二开口部134的结构为例进行了说明。然而，也可以省略第二开口部134。但是，与不具备第二开口部134的形态相比，具备第二开口部134的形态的冻结时的流路的闭塞的可能性小。
B2.变形例2：
在上述实施方式中，说明了第二开口部134的形状作为包围将预先确定的最大开度下的蝶形阀36(具体而言，阀杆114及阀芯116)沿水平方向(Z方向)投影在整流网37的区域那样的形状。然而，实施方式没有限定于此。即，第二开口部134只要是在整流网的中央部具有沿着旋转的轴向未形成网131的具有任意形状的开口即可。
B3.变形例3：
在上述实施方式中，说明了相对于沿水平方向(Z方向)的出口配管35a(沿水平方向的流路的流动方向)而蝶形阀36的阀芯116配置成以水平方向(X方向)为旋转轴进行旋转的朝向的结构(参照图3、图4)的例子。然而，实施方式没有限定于此。
图7是表示变形例的具有第二开口部134b的整流网37b的概略主视图。图7示出阀杆114相对于铅垂方向(Y方向)及水平方向(X方向)而倾斜配置的形态。在该形态中，阀芯116以相对于铅垂方向及水平方向而倾斜的方向为旋转轴进行旋转。这种情况下，第二开口部134b只要沿着整流网37b倾斜旋转的轴向而形成与第二开口部134(参照图4)同样的形状的开口部即可。
但是，如实施方式那样，阀芯116配置成以水平方向(X方向)为旋转轴而旋转的朝向的形态在能够更高效地得到网部130的整流效果、第一开口部132的压损抑制效果、及第二开口部134的闭塞抑制效果的点上优选。而且，在阀芯116的阀杆114沿着铅垂方向(Y方向)配置的情况下，由于在铅垂方向的下端部积存的生成水而作为旋转轴的阀杆114可能会冻结。然而，如果阀芯116的阀杆114配置成水平方向(X方向)的朝向，则能够最有效地抑制生成水附着并冻结于作为旋转轴的阀杆114的情况。
B4.变形例4：
另外，在上述实施方式及变形例中，说明了在流动方向为水平方向(Z方向))的配管上沿着铅垂面(XY平面)配置蝶形阀36及整流网37的结构的例子。然而，实施方式没有限定于此。但是，优选不是在流动方向为铅垂方向(Y方向)的配管上配置蝶形阀36及整流网37的结构。
B5.变形例5：
在上述实施方式中，在燃料电池40的空气排出流路39中，以使用了蝶形阀的调压阀36及其下游配置的整流网37为例进行了说明。然而，实施方式没有限定于此，在其他的气体的流路中，也可以适用于蝶形阀及其下游配置的整流网。
本发明并不局限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，与发明内容一栏记载的各方式中的技术特征对应的实施方式的技术特征为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现上述的效果的一部分或全部，可以适当进行更换或组合。而且，该技术特征在本说明书中只要不是作为必须的特征进行说明，就可以适当删除。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，其中，具备：
蝶形阀，设置于燃料电池与其他的构件之间的配管中；及
整流网，相对于所述蝶形阀设置于在所述配管中流动的气体的下游侧，并形成有对所述气体的流动进行整流的网，
所述整流网还在铅垂方向的下端部具有未形成所述网的第一开口部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述整流网在所述整流网的中央部具有沿所述蝶形阀的阀芯的旋转的轴向延伸且未形成所述网的第二开口部。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述第二开口部形成为包围将预先确定的最大开度下的所述蝶形阀沿所述气体的流动方向投影在所述整流网上而得到的区域。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述蝶形阀配置成阀芯以水平方向为旋转轴而旋转的朝向。
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