CN109671960A - 燃料电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种例如在路况差的道路行驶时等即便从外部作用的振动较大的情况下也能够可靠地抑制压缩机的摆动并以此获得较高的NV性能或可靠性的燃料电池模块。在组壳体(11)连结有压缩机(22)与内部冷却器(23)，并且压缩机(22)与内部冷却器(23)刚性连结。

Description

燃料电池模块
技术领域
本发明涉及燃料电池模块。
背景技术
一直以来，公知有具备借助空气等氧化气体与氢等燃料气体的反应气体的电化学反应来发电的燃料电池(燃料电池组)的燃料电池系统。
然而，在这种燃料电池系统中，在用于向燃料电池供给氧化气体的氧化气体供给流路，从上游侧起设置有空气滤清器、空气压缩机(涡轮压缩机)(以下，有时简称为压缩机)、内部冷却器等，压缩机将经由空气滤清器导入的氧化气体压缩，并将压缩后的氧化气体向内部冷却器压力输送。压缩机一般具备用于将包括氧等在内的氧化气体向燃料电池压力输送的压缩室，在压缩室配置有压缩氧化气体的叶轮，在与压缩室邻接的位置配置有驱动叶轮旋转的马达，马达收纳于马达室。若在向燃料电池供给氧化气体时驱动压缩机，则驱动叶轮旋转的马达以高转速旋转，因而压缩机主体必然产生振动。
因此，通常为了截断向安装有压缩机的紧固体(壳体等)传导的振动，在与紧固体之间需要橡胶支架，但由于压缩机被经由橡胶支架固定，所以上述压缩机本身容易摆动。
针对这样的问题，例如在下述专利文献1中提出：为了确保摆动吸收功能与刚性，利用橡胶软管连接空气压缩机与内部冷却器等其他周边设备，并且在橡胶软管的外周局部地卷绕金属板。另外，在下述专利文献2提出：为了防止因产生自上述空气压缩机的振动引起的噪声的产生，将连接空气压缩机与其他周边设备的配管的一部分设计为高刚性的钢管等。
专利文献1：日本特开2010-212121号公报
专利文献2：日本特开2002-373687号公报
然而，例如在搭载了上述燃料电池系统的车辆在路况差的道路行驶时等，除了上述的产生自压缩机本身的振动之外，还作用有来自外部的振动。因此，在上述专利文献1、2等所记载的现有技术中，存在因来自外部的振动导致压缩机大幅度摆动的情况。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种例如在路况差的道路行驶时等，即便从外部作用的振动较大的情况下也能够可靠地抑制压缩机的摆动并能够以此获得较高的NV性能或可靠性的燃料电池模块。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池模块具备：燃料电池，其搭载于燃料电池组壳体；空气压缩机，其向上述燃料电池压力输送氧化气体；以及内部冷却器，其对从该空气压缩机压力输送来的氧化气体进行冷却，上述燃料电池模块的特征在于，在上述燃料电池组壳体连结有上述空气压缩机与上述内部冷却器，并且上述空气压缩机与上述内部冷却器刚性连结。
优选上述燃料电池模块具有托架，该托架用于将上述空气压缩机或上述内部冷却器固定于上述燃料电池组壳体，在上述托架与上述空气压缩机或上述内部冷却器之间夹装有弹性部件。
优选上述空气压缩机与上述内部冷却器的连结部分配置为在连接上述空气压缩机与上述内部冷却器的连接流路中处于重力方向的最低点。
优选上述空气压缩机与上述内部冷却器经由在各顶点部分被紧固的三角形状的凸缘连结，上述凸缘的边部分与上述燃料电池组壳体对置。
优选上述空气压缩机与上述内部冷却器的连结部分同用于将上述空气压缩机固定于上述燃料电池组壳体的托架与上述空气压缩机的连结部分在上述空气压缩机设定于相反侧。
优选上述空气压缩机与上述内部冷却器的连结部分同用于将上述内部冷却器固定于上述燃料电池组壳体的托架与上述内部冷却器的连结部分在上述内部冷却器设定于相反侧。
根据本发明，在燃料电池组壳体连结有空气压缩机与内部冷却器，并且空气压缩机与内部冷却器刚性连结，因而空气压缩机、内部冷却器以及燃料电池组壳体稳固地一体化，刚性提高，能够可靠地抑制空气压缩机的摆动。
另外，在用于将空气压缩机或内部冷却器固定于燃料电池组壳体的托架与空气压缩机或内部冷却器之间夹装有弹性部件，因而在空气压缩机或内部冷却器产生的振动在输入至托架之前被弹性部件吸收，例如与在托架与壳体之间夹装弹性部件的情况相比，还具有能够抑制NV并且托架的耐久性提高之类的效果。
附图说明
图1是包括本发明的燃料电池模块在内的燃料电池系统的系统结构图。
图2是表示包括本发明的燃料电池模块在内的燃料电池系统的主要部分的仰视立体图。
图3是表示图2的燃料电池模块中的压缩机与内部冷却器的连结部分的要部放大侧视图。
图4是用来进行刚性连结的定义的说明的图。
附图标记说明：
1…燃料电池系统；2…燃料电池模块；10…燃料电池(燃料电池组)；11…组壳体(燃料电池组壳体)；22…压缩机(空气压缩机)；22a…ACP托架；22d…橡胶支架(弹性部件)；22s…压缩机侧连接部；22t…压缩机侧凸缘；23…内部冷却器；23a…IC托架；23d…橡胶支架(弹性部件)；23s…内部冷却器侧连接部；23t…内部冷却器侧凸缘；24…紧固件。
具体实施方式
以下，根据附图所示的实施方式的一个例子对本发明的结构详细地进行说明。以下，作为一个例子，例示了在搭载于燃料电池车的燃料电池或包括其在内的燃料电池系统应用本发明的情况来进行说明，但应用范围并不局限于这样的例子。
首先，使用图1对包括本发明的燃料电池模块在内的燃料电池系统的系统结构进行概述。
图1所示的燃料电池系统1例如具备：燃料电池(燃料电池组)10，其是层叠多个作为单位单元的燃料单电池而构成的；氧化气体供给系统20，其向燃料电池10供给空气等氧化气体；以及燃料气体供给系统30，其向燃料电池10供给氢等燃料气体。
例如，固体高分子型燃料电池10的燃料单电池具备膜电极接合体(MEA：MembraneElectrode Assembly)，该膜电极接合体由离子透过性的电解质膜、夹持该电解质膜的阳极侧催化剂层(阳极电极)以及阴极侧催化剂层(阴极电极)构成。在MEA的两侧形成有气体扩散层(GDL：Gas Diffusion Layer)，该气体扩散层用于提供燃料气体或氧化气体并且对通过电化学反应产生的电力进行集电。GDL配置于两侧的膜电极接合体称为MEGA(MembraneElectrode&Gas Diffusion Layer Assembly：膜电极与气体扩散层组件)，MEGA被一对分隔件夹持。这里，MEGA是燃料电池的发电部，在不存在气体扩散层的情况下，MEA成为燃料电池的发电部。
氧化气体供给系统20例如具有：氧化气体供给流路(配管)25，其用于向燃料电池10(的阴极电极)供给氧化气体；氧化气体排出流路(配管)29，其将供给至燃料电池10并在各燃料单电池被用于电化学反应之后的氧化废气从燃料电池10排出；以及旁通流路26，其使经由氧化气体供给流路25供给的氧化气体不经由燃料电池10(旁通)地向氧化气体排出流路29流通。氧化气体供给系统20的各流路例如能够由橡胶软管、金属制的管等构成。
在氧化气体供给流路25，从上游侧起设置有空气滤清器21、压缩机22、内部冷却器23等，在氧化气体排出流路29设置有消声器28等。此外，在氧化气体供给流路25(的空气滤清器21)例如设置有省略了图示的大气压传感器、空气流量计等。
在氧化气体供给流路25，空气滤清器21将从大气中获取的氧化气体(空气等)中的尘埃除去。
压缩机22将经由上述空气滤清器21导入的氧化气体压缩，并将压缩后的氧化气体向内部冷却器23压力输送。
内部冷却器23在使从压缩机22压力输送并导入的氧化气体通过时，例如通过与制冷剂的热交换对其进行冷却，供给至燃料电池10(的阴极电极)。
另外，在氧化气体供给流路25设置有入口阀25V，该入口阀25V用于截断内部冷却器23与燃料电池10之间的氧化气体的流动。此外，入口阀25V可以是借助氧化气体从内部冷却器23朝向燃料电池10的流动开阀而供氧化气体流动并借助氧化气体从燃料电池10朝向内部冷却器23的流动闭阀而截断氧化气体的流动的单向阀。
旁通流路26的一端与氧化气体供给流路25(的内部冷却器23或其下游侧)连接，另一端与氧化气体排出流路29连接。换言之，从氧化气体供给流路25(的内部冷却器23或其下游侧)朝向氧化气体排出流路29分支连接有旁通流路26。由压缩机22压力输送进而由内部冷却器23冷却并排出的氧化气体在旁通流路26中流向氧化气体排出流路29，从而绕过燃料电池10。在该旁通流路26设置有旁通阀26V，该旁通阀26V用于将朝向氧化气体排出流路29流动的氧化气体截断来调整在该旁通流路26流动的氧化气体的流量。
在氧化气体排出流路29，消声器28将流动至氧化气体排出流路29的氧化废气(排出气体)例如分离为气相与液相并向外部排出。
另外，在氧化气体排出流路29设置有调压阀29V，该调压阀29V用于对供给至燃料电池10的氧化气体的背压进行调整。在调压阀29V的下游侧连接有上述旁通流路26。
另一方面，燃料气体供给系统30例如具有：氢罐等燃料气体供给源31，其储存氢等高压的燃料气体；燃料气体供给流路(配管)35，其将来自燃料气体供给源31的燃料气体向燃料电池10(的阳极电极)供给；循环流路36，其使从燃料电池10排出的燃料废气(未消耗的燃料气体)回流至燃料气体供给流路35；燃料气体排出流路(配管)39，其与循环流路36分支连接并将循环流路36内的燃料废气向外部排出(大气放出)。燃料气体供给系统30的各流路例如能够由橡胶软管、金属制的管等构成。
在燃料气体供给流路35例如设置有：截断阀35V，其设置有测定燃料气体的压力的压力计(未图示)等，并且用于截断开闭燃料气体供给流路35并朝向燃料电池10流动的燃料气体；调压器34，其用于对在燃料气体供给流路35流动的燃料气体的压力进行调整(减压)；以及喷射器33，其用于将调压后的燃料气体朝向燃料电池10供给。若打开截断阀35V，则储存于燃料气体供给源31的高压的燃料气体从燃料气体供给源31流出至燃料气体供给流路35，被调压器34、喷射器33调压(减压)并供给至燃料电池10(的阳极电极)。
在循环流路36，从上游侧(燃料电池10侧)起设置有气液分离器37、循环泵(亦称为氢泵)38等。
气液分离器37将流动至循环流路36的燃料气体(氢等)所含有的生成水进行气液分离并储存。以从该气液分离器37分支的方式设置有燃料气体排出流路39。
循环泵38对在气液分离器37气液分离后的燃料废气进行压力输送并使之向燃料气体供给流路35循环。
在燃料气体排出流路39设置有放气阀(purge valve)39V，该放气阀39V用于开闭燃料气体排出流路39，并将在气液分离器37分离出的生成水与从燃料电池10排出的燃料废气的一部分排出。
经由燃料气体排出流路39的放气阀39V的开闭调整而排出的燃料废气与在氧化气体排出流路29流动的氧化废气混合，经由消声器28向外部大气放出。
具有上述结构的燃料电池系统1借助通过氧化气体供给系统20供给至燃料电池10(的阴极电极)的空气等氧化气体与通过燃料气体供给系统30供给至燃料电池10(的阳极电极)的氢等燃料气体的电化学反应来进行发电。
图2是仰视包括本发明的燃料电池模块在内的燃料电池系统的主要部分的图。
以下，对本发明的特征部分亦即压缩机22以及内部冷却器23的配置构成重点进行说明。
图示实施方式的燃料电池系统1中的燃料电池模块2构成为主要包括燃料电池(燃料电池组)10、配备于氧化气体供给系统20(的氧化气体供给流路25)的压缩机22以及内部冷却器23。
燃料电池10例如通过螺栓等紧固件(未图示)紧固并搭载于固定配置在车辆前部的燃料电池组壳体(以下，简称为组壳体)11上。
另一方面，压缩机22以及内部冷却器23横向排列配设于上述组壳体11的下方。压缩机22经由大致板状的ACP托架22a安装于组壳体11的下表面，内部冷却器23经由一对脚状的IC托架23a、23a安装于组壳体11的下表面。
详细地说，在压缩机22的上部(设置于该上部的多个安装部)经由多根螺栓等紧固件(未图示)安装有ACP托架22a的内周部分(设置于该内周部分的多个安装部)，该ACP托架22a的外周部分(设置于该外周部分的多个固定部)经由多根螺栓等紧固件22c连结固定于组壳体11的下表面(设置于该下表面的多个固定部)。在本例中，为了截断在压缩机22产生的振动经由ACP托架22a向组壳体11等传递，在ACP托架22a(的安装部)与压缩机22(的安装部)之间夹装有用于振动吸收或防振的由弹性材料构成的环状的橡胶支架(亦称为橡胶衬套)(弹性部件)22d。
另外，在内部冷却器23的一侧部(和与压缩机22对置的部分相反的一侧的部分，且为与设置有后述的内部冷却器23侧的连接部23s的一侧相反的一侧的部分)(设置于内部冷却器23的一侧部的一对安装部)经由螺栓等紧固件23b安装有一对IC托架23a、23a的下端(设置于该下端的安装部)，该一对IC托架23a、23a的上端(设置于该上端的固定部)经由螺栓等紧固件23c连结固定于组壳体11的下表面(设置于该下表面的一对固定部)。在本例中，为了截断在内部冷却器23产生的振动经由IC托架23a、23a向组壳体11等传递，在IC托架23a、23a(的安装部)与内部冷却器23(的安装部)之间夹装有用于振动吸收或防振的由弹性材料构成的环状的橡胶支架(弹性部件)23d。
另外，在本例中，从压缩机22的下部朝向内部冷却器23侧突出地设置有在内部形成有流路的连接部22s，并且从内部冷却器23的另一侧部(与设置有针对上述IC托架23a、23a的安装部的一侧相反的一侧的部分)朝向压缩机22侧突出地设置有在内部形成有流路的连接部23s，并列设置于上述组壳体11的下方的压缩机22与内部冷却器23经由上述连接部22s、23s连接从而被连结在一起。此外，压缩机22侧的连接部22s与内部冷却器23侧的连接部23s连接，由此形成于它们的内部的连接流路构成上述氧化气体供给系统的氧化气体供给流路的一部分(参照图4)。
即，在本实施方式中，压缩机22与内部冷却器23的连结部分(即，各连接部22s、23s的凸缘22t、23t)同ACP托架22a与压缩机23的连结部分在压缩机22设定于相反侧(连结压缩机22与内部冷却器23的连结部分、压缩机22的重心位置、以及ACP托架22a与压缩机22的连结部分的2条直线的角度为90°以上)。另外，压缩机22与内部冷却器23的连结部分同IC托架23a与内部冷却器23的连结部分在内部冷却器23设定于相反侧(连结压缩机22与内部冷却器23的连结部分、内部冷却器23的重心位置、以及IC托架23a与内部冷却器23的连结部分的2条直线的角度为90°以上)。
详细地说，由图2与图3可见，在压缩机22侧的连接部22s以及内部冷却器23侧的连接部23s各自的前端设置有三角形状的凸缘22t、23t。各凸缘22t、23t配设为3个边部分中的一个边部分位于上侧(即与组壳体11对置的一侧)、3个顶点部分中的一个顶点部分位于下侧(即跟与组壳体11对置的一侧相反的一侧)，使各凸缘22t、23t彼此抵接并且通过螺栓等紧固件24紧固该各顶点部分(设置于该各顶点部分的紧固部)，从而将压缩机22(的连接部22s)与内部冷却器23(的连接部23s)刚性连结。
这里，例如，如图4所示(在图4中，例示了内部冷却器23侧)，“刚性连结”是指：在固定一端侧的连接部23s(的凸缘23t)并用力F按压另一端侧时，根据变形量计算出的弹簧常量为0.5kN/mm以上的连结状态。
另外，在本例中，在连接压缩机22与内部冷却器23的上述连接流路，为了使液体(扫气残留、来自燃料电池(燃料电池组)10的余水、结露水等)难以侵入压缩机22、内部冷却器23，压缩机22与内部冷却器23的连结部分(即各连接部22s、23s的凸缘22t、23t)配置为在上述连接流路中处于重力方向的最低点。
这样，在本实施方式的燃料电池模块2中，在组壳体11连结有压缩机22与内部冷却器23，并且压缩机22与内部冷却器23刚性连结，因而压缩机22、内部冷却器23以及组壳体11稳固地形成一体，刚性提高，例如在路况差的道路行驶时等，即便从外部作用的振动较大的情况下，也能够可靠地抑制压缩机22的摆动。另外，如上述那样刚性连结，从而能够错开共振点，因而还具有耐久性提高的效果。
另外，在用于将压缩机22或内部冷却器23固定于组壳体11的托架(ACP托架22a或IC托架23a)与压缩机22或内部冷却器23之间夹装有橡胶支架22d、23d，因而在压缩机22或内部冷却器23产生的振动在输入至托架之前被橡胶支架22d、23d吸收，例如与在托架与壳体之间夹装弹性部件的情况相比，还具有能够抑制NV并且托架的耐久性提高之类的效果。
另外，在本实施方式中，压缩机22与内部冷却器23的连结部分配置为在连接压缩机22与内部冷却器23的连接流路中处于重力方向的最低点，因而液体(扫气残留、来自燃料电池(燃料电池组)10的余水、结露水等)容易存积在上述连接流路中的上述连结部分，在叶轮高速旋转的压缩机22、流路狭窄的内部冷却器23难以残留有水，能够保护压缩机22、内部冷却器23。
另外，压缩机22与内部冷却器23经由在各顶点部分被紧固的三角形状的凸缘22t、23t连结，凸缘22t、23t的边部分与配置于上侧的组壳体11对置，因而在由压缩机22、内部冷却器23以及组壳体11围起的部分中与组壳体11对置的部分无需配置螺栓等紧固件24，因此还具有容易确保作业空间(例如供用于紧固件24的工具等侵入的间隙)、作业性提高之类的效果。
以上，使用附图对本发明的实施方式进行了详述，但具体结构并不限定于该实施方式，即便存在不脱离本发明的要旨的范围内的设计变更等，它们也属于本发明。

Claims (6)

1.一种燃料电池模块，其具备：燃料电池，其搭载于燃料电池组壳体；空气压缩机，其向上述燃料电池压力输送氧化气体；以及内部冷却器，其对从该空气压缩机压力输送来的氧化气体进行冷却，
其中，
在上述燃料电池组壳体连结上述空气压缩机与上述内部冷却器，并且上述空气压缩机与上述内部冷却器刚性连结。
2.根据权利要求1所述的燃料电池模块，其中，
所述燃料电池模块具有托架，该托架用于将上述空气压缩机或上述内部冷却器固定于上述燃料电池组壳体，
在上述托架与上述空气压缩机或上述内部冷却器之间夹装有弹性部件。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池模块，其中，
上述空气压缩机与上述内部冷却器的连结部分配置为在连接上述空气压缩机与上述内部冷却器的连接流路中处于重力方向的最低点。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池模块，其中，
上述空气压缩机与上述内部冷却器经由在各顶点部分被紧固的三角形状的凸缘连结，上述凸缘的边部分与上述燃料电池组壳体对置。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池模块，其中，
上述空气压缩机与上述内部冷却器的连结部分同用于将上述空气压缩机固定于上述燃料电池组壳体的托架与上述空气压缩机的连结部分在上述空气压缩机设定于相反侧。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池模块，其中，
上述空气压缩机与上述内部冷却器的连结部分同用于将上述内部冷却器固定于上述燃料电池组壳体的托架与上述内部冷却器的连结部分在上述内部冷却器设定于相反侧。
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