CN109698370B - 燃料电池模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够抑制因存积在系统内的液体(水)所引起的密封性的降低的燃料电池模块。该燃料电池模块在气液分离器(37)的端口部(37a)，从外周直至内周设置有排出槽(37c)，并且排出槽(37c)的底部(37d)以越向内侧则越低的方式倾斜。附着于端口部(37a)与壳体部(38a)之间的液体(水)因其自重等而从排出槽(37c)向端口部(37a)内(气液分离器(37)侧)排出。

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，公知有具备通过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进行发电的燃料电池(燃料电池堆)的燃料电池系统。

然而，在这种燃料电池系统中，一般情况下，在燃料电池的运转结束后，控制燃料电池系统的各部执行扫气处理(净化处理)，该扫气处理(净化处理)用于使残留在燃料电池的水分、附着于燃料电池系统的配管、阀等的水分减少。由此，在搭载了燃料电池的燃料电池车辆中，通过使燃料电池内部的水分量减少，则在低温环境下也能够确保良好的启动性。

然而，存在即便进行上述扫气处理(净化处理)也因扫气残存、来自燃料电池(燃料电池堆)的残水、结露水等而导致在该燃料电池系统内残留有水分的情况。

图6中示出上述燃料电池系统的燃料气体供给系统130的循环流路136所具备的气液分离器137与循环泵(氢泵)138之间的连结结构的一个例子。

如图6所示，在循环流路136中，通常情况下，在气液分离器137向上突出地设置的大致圆筒状的端口部137a内插于向下开口于循环泵138的壳体部138a，并且在该连结部分、详细而言为端口部137a的外周与壳体部138a的内周之间，夹装有作为密封部件的O型环141，从而划分出将气液分离器137与循环泵138相连的流路(例如，参照下述专利文献1等)。因此，上述循环流路136中的气液分离器137与循环泵138的连结部分，即气液分离器137侧的端口部137a与循环泵138侧的壳体部138a之间(特别是设置于它们之间的O型环141的上侧)存在容易存积水分的趋势。

专利文献1：日本特开2005-353402号公报

然而，存积在上述连结部分的液体(基本为水)被冰点下的外部空气降温而冻结，且在动作时干燥，这样的湿润在车辆寿命内反复进行。从燃料电池的阳极电极排出的燃料气体(燃料废气)包含水分与来自燃料电池的杂质，反复进行上述湿润，则在上述连结部分液体逐渐被冷凝而导致pH逐渐降低(即，酸性变强)，从而存在在该连结部分生锈、产生泄漏(leak)的担忧。另外，冻结的液体(冰)逐渐生长，由此还存在密封性降低的担忧。

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能够抑制因存积在系统内的液体(水)所引起的密封性的降低的燃料电池模块。

为了解决上述课题，本发明的燃料电池模块在使从燃料电池排出的燃料废气回流至上述燃料电池的循环流路具备气液分离器和循环泵，在上述气液分离器向上突出地设置的筒状的端口部内插于在上述循环泵向下开口的壳体部，由此在上述气液分离器与上述循环泵之间划分出供燃料废气流通的流路，其中，在上述端口部，从外周直至内周设置有排出槽或排出孔，并且上述排出槽的底部或上述排出孔以越向内侧则越低的方式倾斜。

优选上述端口部具有圆筒状，上述排出槽或上述排出孔沿上述端口部的半径方向设置。

优选在形成于上述端口部与上述壳体部之间的收纳空间夹装有将上述端口部与上述壳体部之间密封的密封部件，上述排出槽或上述排出孔从上述端口部的外周的比上述收纳空间靠上侧的位置配设至上述端口部的内周。

优选上述排出槽或上述排出孔沿上述端口部的周向设置有多个。

优选上述循环泵的上述壳体部为金属制，上述气液分离器的上述端口部为树脂制。

根据本发明，附着于上述端口部与上述壳体部之间的液体(水)因其自重等而从排出槽或排出孔向端口部内(气液分离器侧)排出，因而在上述端口部与上述壳体部之间难以存积液体(水)，并且能够抑制该连结部分生锈，因而能够确保密封性。

另外，用于将附着于上述端口部与上述壳体部之间的液体(水)排出的排出槽或排出孔不与收纳密封部件的收纳空间连通，因而能够抑制在该密封部件附着液体(水)，由此也能够抑制密封性的降低。

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要部侧视图。

图3表示图2的燃料电池模块中的气液分离器与循环泵的连结部分，图3中的(A)是要部放大剖视图，图3中的(B)是沿着图3中的(A)的X-X向视线的剖视图。

图4是表示图2的燃料电池模块中的气液分离器与循环泵的连结部分的其他例子的要部放大剖视图。

图5是表示图2的燃料电池模块中的气液分离器与循环泵的连结部分的又一其他例子的要部放大剖视图。

图6是表示燃料电池系统中的气液分离器与循环泵的连结部分的现有例的要部放大剖视图。

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(燃料电池堆)；37…气液分离器；37a…端口部；37b…台阶部；37c…排出槽；37d…排出槽的底部；38…循环泵；38a…壳体部；38b…台阶部；40…收纳空间；41…O型环(密封部件)。

具体实施方式

以下，基于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，例示将本发明应用于搭载在燃料电池车的燃料电池或包括该燃料电池的燃料电池系统的情况并进行说明，但应用范围并不局限于这样的例子。

首先，使用图1对具备本发明的燃料电池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(燃料电池堆)10，其通过将多个作为单电池的燃料电池单元进行层叠而构成；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；燃料气体供给系统30，其向燃料电池10供给氢气等燃料气体。

例如，固体高分子型燃料电池10的燃料电池单元具备膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)，该膜电极接合体由离子透过性的电解质膜与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。在两侧配置有GDL的膜电极接合体称为MEGA(Membrane Electrode&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并在各燃料电池单元进行了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，从上游侧起依次具备空气净化器21、空气压缩机(涡轮压缩机)(以下，简称为压缩机)22、内部冷却器23等，在氧化气体排出流路29具备消声器28等。此外，在氧化气体供给流路25(的空气净化器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中，空气净化器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将经由上述空气净化器21而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压送。

内部冷却器23在使由压缩机22压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氧化气体进行冷却，并供给至燃料电池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止回阀。

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。在旁通流路26，由压缩机22压送并由内部冷却器23冷却而排出的氧化气体对燃料电池10进行旁通而朝向氧化气体排出流路29流动。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：氢罐等的燃料气体供给源31，其储存氢气等高压的燃料气体；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，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，用于开闭燃料气体供给流路35以截断朝向燃料电池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向燃料气体供给流路35流出，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)起依次具备气液分离器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(氢气等)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进行气液分离后的燃料废气进行压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设置有清洗阀(purge valve)39V，该清洗阀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的清洗阀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通过由氧化气体供给系统20供给至燃料电池10(的阴极电极)的空气等氧化气体与由燃料气体供给系统30供给至燃料电池10(的阳极电极)的氢气等燃料气体之间的电化学反应来进行发电。

图2是侧视观察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气液分离器37与循环泵38的连结(连接)结构重点进行说明。

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(燃料电池堆)10、以及配备于燃料气体供给系统30(的循环流路36)的气液分离器37和循环泵38。

燃料电池10例如通过螺栓等紧固件(未图示)被紧固并搭载于固定配置在车辆前部的燃料电池堆框架(以下，简称为堆框架)11上。

另一方面，气液分离器37以及循环泵38纵向排列配设于上述堆框架11的下方。详细而言，铝等金属制的循环泵38经由螺栓等紧固件38B而组装于堆框架11的下表面，树脂制的气液分离器37经由螺栓等紧固件37B而组装于该循环泵38的下部。

参照图3中的(A)即可清楚知晓：为了划分将气液分离器37与循环泵38之间连通起来的流路(供燃料废气流通的流路)，在配置于下侧的气液分离器37，向上突出地设置有大致圆筒状的端口部37a，该端口部37a具有供气液分离后的燃料废气通过的内部流路(内腔)，在配置于上侧的循环泵38，向下开口形成具有收纳上述大致圆筒状的端口部37a的大小的横剖面大致圆形的壳体部38a。另外，在上述端口部37a的外周设置有由向上梯台面构成的台阶部(外周台阶部)37b，在上述壳体部38a的内周设置有由向下梯台面构成的台阶部(内周台阶部)38b。

设置于上述气液分离器37的端口部37a内插于在循环泵38开口的壳体部38a，并且在由形成于端口部37a的外周的台阶部37b与形成于壳体部38a的内周的台阶部38b划分出的(圆环状的)收纳空间40夹装有作为将它们之间密封(seal)的密封部件的O型环41(处于压缩状态)，划分出将气液分离器37与循环泵38相连的流路。

此外，在图示例中，端口部37a的上端外缘被倒角成锥状(换言之，在端口部37a的上端外缘设置有由锥面构成的倒角部37t)，以便能够向壳体部38a顺利地插入端口部37a。

另外，在本例中，为了排出附着于上述端口部37a与上述壳体部38a之间的液体(水)，在上述气液分离器37中的端口部37a的上部(比台阶部37b更靠上侧的小径上部)，从外周至内周设置有狭缝状的排出槽37c，并且该排出槽37c的底部(底面)37d以越向内侧则越低的方式倾斜。即，上述排出槽37c从端口部37a的外周中的比上述收纳空间40靠上侧的位置起至端口部37a的内周以倾斜的方式配置。换言之，上述收纳空间40(收纳于收纳空间40的O型环41)设置于比上述排出槽37c的外端靠下侧的位置。

在本例中，排出槽37c的底部(底面)37d的倾斜角设定为30°左右，由此，即便在燃料电池(燃料电池堆)10以某种程度倾斜(例如倾斜15°左右)的情况下，也能够有效地将附着于端口部37a与壳体部38a之间的液体(水)向下方排出。

另外，在本例中，上述排出槽37c沿大致圆筒状的端口部37a的周向等角度间隔地设置有多个(在图示例中，按照90°间隔而设置有四个)(参照图3中的(B))。

在具有这样的结构的本实施方式的燃料电池模块2中，附着于上述端口部37a与上述壳体部38a之间的液体(水)因其自重等而从排出槽37c向端口部37a内(气液分离器37侧)排出，因而在上述端口部37a与上述壳体部38a之间难以存积液体(水)，并且能够抑制在该连结部分生锈，因而能够确保密封性。

另外，用于将附着于上述端口部37a与上述壳体部38a之间的液体(水)排出的排出槽37c不与收纳O型环41的收纳空间40连通，因而能够抑制液体(水)附着于该O型环41，由此也能够抑制密封性的降低。

此外，在上述实施方式中，设置于端口部37a的排出槽37c沿端口部37a的径向设置，但当然也可以由螺旋槽(不沿着端口部37a的径向的槽)等构成上述排出槽37c。另外，设置于端口部37a的排出槽37c的数量也不局限于图示例。

另外，在上述实施方式中，为了将附着于上述端口部37a与上述壳体部38a之间的液体(水)排出，在端口部37a的上部形成了上侧开放的排出槽37c，但例如也可以在端口部37a的上部形成从外周至内周以越向内侧则越低的方式倾斜的排出孔(贯通孔)，并经由该排出孔将附着于上述端口部37a与上述壳体部38a之间的液体(水)向端口部37a内(气液分离器37侧)排出。

另外，在上述实施方式中，在由形成于端口部37a的外周的台阶部37b(向上梯台面)与形成于壳体部38a的内周的台阶部38b(向上梯台面)划分出的收纳空间40安装了作为密封部件的O型环41，但当然也可以例如图4、5所示那样，在形成于端口部37a的外周的环状槽37A或形成于壳体部38a的内周的环状槽38A安装O型环41。

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，它们也包括在本发明内。

Claims (5)

1.一种燃料电池模块，在使从燃料电池排出的燃料废气回流至所述燃料电池的循环流路具备气液分离器和循环泵，在所述气液分离器向上突出地设置的筒状的端口部内插于在所述循环泵向下开口的壳体部，由此在所述气液分离器与所述循环泵之间划分出供燃料废气流通的流路，

其中，

在所述端口部，从外周直至内周设置有排出槽或排出孔，并且所述排出槽的底部或所述排出孔以越向内侧则越低的方式倾斜。

2.根据权利要求1所述的燃料电池模块，其中，

所述端口部具有圆筒状，所述排出槽或所述排出孔沿所述端口部的半径方向设置。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池模块，其中，

在形成于所述端口部与所述壳体部之间的收纳空间夹装有将所述端口部与所述壳体部之间密封的密封部件，

所述排出槽或所述排出孔从所述端口部的外周的比所述收纳空间靠上侧的位置配设至所述端口部的内周。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池模块，其中，

所述排出槽或所述排出孔沿所述端口部的周向设置有多个。

5.根据权利要求1或2所述的燃料电池模块，其中，

所述循环泵的所述壳体部为金属制，所述气液分离器的所述端口部为树脂制。

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