CN110190297B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够抑制燃料电池单元的入口附近的杂质的集中的燃料电池系统。燃料电池系统(1)具备：燃料电池组(10)，其层叠有多个具有发电部(111)的燃料电池单元(11)；电池组歧管(12)，其配置在燃料电池组(10)的层叠方向的端部，并且具有燃料气体入口连通孔(12a)；以及混合气体供给流路(38)，其与燃料气体入口连通孔(12a)连通，将燃料气体以及燃料废气的混合气体供给至燃料电池组(10)。在混合气体供给流路(38)设置有用于使混合气体回旋的搅拌机(39)。在电池组歧管(12)的燃料气体入口连通孔(12a)的内壁中的与燃料电池单元(11)的发电部(111)侧相反的一侧设置有引导肋(13)。

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
以往，作为这样的领域的技术，已知有具备层叠有多个燃料电池单元的燃料电池组、向燃料电池组供给氢等燃料气体的燃料气体供给流路、以及使从燃料电池组排出的燃料废气(即，未消耗的燃料气体)回流到燃料气体供给流路的循环流路的燃料电池系统。在具有这样的构成的燃料电池系统中，存在在循环流路流动的燃料废气中含有在气液分离器未被分离出来的生成水、在燃料电池组的组装工序等附着的金属粉末等杂质的可能性。而且，若这些杂质通过燃料气体的流动而侵入燃料电池组的内部，则导致燃料电池单元的发电性能的降低。
为了解决这样的问题，研究了各种方法。例如在下述专利文献1公开了在燃料气体供给流路内流动有燃料气体和燃料废气，并进一步通过引起强制的流动来搅拌燃料废气所包含的杂质而使杂质均匀化，并以该均匀化后的状态供给至燃料电池组的燃料电池系统(例如专利文献1的段落0102)。
专利文献1：日本特开2009－164136号公报
但是，在上述的燃料电池系统中，通过燃料废气的流入而产生的流动相对于燃料气体供给流路成为螺旋状的流动，所以存在燃料废气所包含的杂质集中在燃料电池单元入口附近的可能性。
发明内容
本发明是为了解决这样的技术课题而完成的，目的在于提供能够抑制燃料电池单元的入口附近的杂质的集中的燃料电池系统。
本发明所涉及的燃料电池系统是具备：燃料电池组，其层叠有多个具有发电部的燃料电池单元；电池组歧管，其配置在上述燃料电池组的层叠方向的端部，并且至少具有燃料气体入口连通孔；以及混合气体供给流路，其与上述电池组歧管的上述燃料气体入口连通孔连通，将燃料气体以及燃料废气的混合气体供给至上述燃料电池组，上述的燃料电池系统的特征在于，在上述混合气体供给流路设置有用于使上述混合气体回旋的搅拌机，在上述电池组歧管的上述燃料气体入口连通孔的内壁中的、与上述燃料电池单元的上述发电部侧相反的一侧设置有引导肋。
在本发明所涉及的燃料电池系统中，由于在混合气体供给流路设置搅拌机，所以混合气体所包含的杂质由于搅拌机的旋转力而回旋并且流向燃料电池组侧。由此，能够使混合气体所包含的杂质移动到与燃料电池单元的发电部侧相反的一侧的位置。除此之外，由于在电池组歧管的燃料气体入口连通孔的内壁中的、与燃料电池单元的发电部侧相反的一侧设置引导肋，所以混合气体所包含的杂质进一步由于引导肋的遮挡而留在该引导肋。其结果是，能够抑制燃料电池单元的入口附近的杂质的集中，使杂质扩散到更广的范围。
在本发明所涉及的燃料电池系统中，优选上述搅拌机设置在上述混合气体供给流路中的上述燃料气体入口连通孔的紧前位置。这样一来，能够使混合气体所包含的杂质高效地移动到与燃料电池单元的发电部侧相反一侧的位置。
在本发明所涉及的燃料电池系统中，优选上述引导肋以与上述混合气体所包含的杂质的流动垂直的方式配置。这样一来，能够有效地抑制燃料电池单元的入口附近的杂质的集中。
根据本发明，能够抑制燃料电池单元的入口附近的杂质的集中。
附图说明
图1是实施方式所涉及的燃料电池系统的概略结构图。
图2是表示燃料电池组以及电池组歧管的立体图。
图3是用于说明搅拌机以及引导肋的配置的示意图。
图4是表示实施例与比较例的结果的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的燃料电池系统的实施方式进行说明。本发明所涉及的燃料电池系统既可以搭载于车辆、船舶、飞机、电车等作为驱动源使用，也可以作为建筑物的发电设备使用。
图1是实施方式所涉及的燃料电池系统的概略结构图，图2是表示燃料电池组以及电池组歧管的立体图。本实施方式的燃料电池系统1主要具备燃料电池组10、向燃料电池组10供给空气等氧化剂气体的氧化剂气体供给系统20、以及向燃料电池组10供给氢等燃料气体的燃料气体供给系统30。
燃料电池组10是层叠有多个燃料电池单元11的单电池组，构成固体高分子电解质型燃料电池。虽然未图示，但燃料电池单元11例如具有由离子透过性的电解质膜、夹持该电解质膜的正极侧催化剂层(正极电极)以及负极侧催化剂层(负极电极)构成的膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。并且，燃料电池单元11具有夹持MEA的一对隔板(即，正极侧隔板以及负极侧隔板)。
另外，具有在MEA的两侧还形成有用于提供燃料气体或氧化剂气体并且对通过电化学反应产生的电力进行集电的气体扩散层(GDL：Gas Diffusion Layer)的情况。该情况下，在两侧配置有GDL的膜电极接合体被称为MEGA(Membrane Electrode&Gas DiffusionLayer Assembly)。MEGA进一步被上述的正极侧隔板以及负极侧隔板夹持。而且，在具有气体扩散层的MEGA的情况下，该MEGA构成燃料电池单元11的发电部111。另一方面，在不具有气体扩散层的MEGA的情况下，该MEA构成燃料电池单元11的发电部111。
如图2所示，发电部111配置在燃料电池单元11的大致中央位置。在燃料电池单元11中，隔着发电部111在一侧(在图2中为上侧)依次设置有燃料气体入口连通孔112a、制冷剂出口连通孔112b、以及氧化剂气体出口连通孔112c。隔着发电部111在另一侧(在图2中为下侧)依次设置有氧化剂气体入口连通孔112d、制冷剂入口连通孔112e、以及燃料气体出口连通孔112f。这些连通孔112a～112f也称为歧管孔，分别形成为矩形形状。
而且，在燃料电池组10的层叠方向的一端部配置有电池组歧管12。电池组歧管12例如由铝等金属材料大致形成为矩形板状，并利用螺栓等与燃料电池组10紧固固定。在电池组歧管12中，在与燃料电池单元11的燃料气体入口连通孔112a对应的位置设置有燃料气体入口连通孔12a，在与制冷剂出口连通孔112b对应的位置设置有制冷剂出口连通孔12b，在与氧化剂气体出口连通孔112c对应的位置设置有氧化剂气体出口连通孔12c，在与氧化剂气体入口连通孔112d对应的位置设置有氧化剂气体入口连通孔12d，在与制冷剂入口连通孔112e对应的位置设置有制冷剂入口连通孔12e，在与燃料气体出口连通孔112f对应的位置设置有燃料气体出口连通孔12f。
这些连通孔12a～12f以具有与对应的设置在燃料电池单元11的连通孔112a～112f相同的大小的方式形成为矩形形状。
如图1所示，氧化剂气体供给系统20例如具有用于向燃料电池组10的负极电极供给氧化剂气体的氧化剂气体供给流路21、和从燃料电池组10排出被供给到燃料电池组10并在各燃料电池单元11进行了电化学反应后成为氧化剂废气的氧化剂气体排出流路22。氧化剂气体供给流路21依次与电池组歧管12的氧化剂气体入口连通孔12d以及燃料电池单元11的氧化剂气体入口连通孔112d连通。氧化剂气体排出流路22依次与电池组歧管12的氧化剂气体出口连通孔12c以及燃料电池单元11的氧化剂气体出口连通孔112c连通。
氧化剂气体供给流路21以及氧化剂气体排出流路22例如分别由软管、配管以及接头部件等构成。另外，在氧化剂气体供给流路21具备空气净化器23、空气压缩机24、中间冷却器25、以及阀等。在氧化剂气体排出流路22具备消音器26、阀等。
另一方面，燃料气体供给系统30例如具有存积氢等高压的燃料气体的燃料气体供给源31、将来自燃料气体供给源31的燃料气体供给至燃料电池组10的正极电极的燃料气体供给流路32、使从燃料电池组10排出的燃料废气(即，未消耗的燃料气体)回流至燃料气体供给流路32的循环流路33、以及与循环流路33分支连接并将循环流路33内的燃料废气排出到外部的燃料气体排出流路34。燃料气体供给流路32、循环流路33以及燃料气体排出流路34例如分别由软管、配管以及接头部件等构成。虽然未图示，但在燃料气体供给流路32具备压力计、喷射器、调节器、阀等。
循环流路33的上游侧(即，燃料电池组10侧)的端部依次与电池组歧管12的燃料气体出口连通孔12f以及燃料电池单元11的燃料气体出口连通孔112f连通。在该循环流路33具备气液分离器35、氢循环泵36等。气液分离器35使在循环流路33流动的燃料废气所包含的生成水(即，液态水)气液分离并存积。从该气液分离器35分支设置有上述的燃料气体排出流路34。氢循环泵36供给在气液分离器35进行了气液分离的燃料废气并使其回流到燃料气体供给流路32。
循环流路33经由连接管37与燃料气体供给流路32连接。连接管37使从燃料气体供给源31供给的燃料气体与从循环流路33供给的燃料废气合流，并送出到燃料电池组10。因此，从燃料气体供给源31供给的燃料气体与从循环流路33供给的燃料废气在该连接管37混合成为混合气体，并经由混合气体供给流路38流向燃料电池组10。
混合气体供给流路38是燃料气体供给流路32的一部分，即、是燃料气体供给流路32中从连接管37到电池组歧管12为止的区间。而且，混合气体供给流路38的下游侧(即，燃料电池组10侧)的端部依次与电池组歧管12的燃料气体入口连通孔12a和燃料电池单元11的燃料气体入口连通孔112a连通。
虽然未图示，但本实施方式的燃料电池系统1还具备向燃料电池组10供给制冷剂的制冷剂供给流路、和使从燃料电池组10排出的制冷剂循环到散热器侧的制冷剂排出流路。制冷剂供给流路依次与电池组歧管12的制冷剂入口连通孔12e以及燃料电池单元11的制冷剂入口连通孔112e连通。制冷剂排出流路依次与电池组歧管12的制冷剂出口连通孔12b和燃料电池单元11的制冷剂出口连通孔112b连通。
另外，在混合气体供给流路38设置有用于使燃料气体以及燃料废气的混合气体回旋的搅拌机39。具体而言，如图3所示，在形成混合气体供给流路38的配管的内部配置有搅拌机39。搅拌机39由设置在配管的外部的马达(未图示)进行驱动而旋转，对在混合气体供给流路38流动的混合气体赋予回旋力。这里，优选搅拌机39设置在混合气体供给流路38中的电池组歧管12的燃料气体入口连通孔12a的紧前位置。
另外，如图3所示，在电池组歧管12的燃料气体入口连通孔12a的内壁中，与燃料电池单元11的发电部111侧相反侧设置有引导肋13。引导肋13例如由树脂材料形成为板状，并通过粘合等方式固定在燃料气体入口连通孔12a的内壁中与发电部111侧相反侧(在图3中为上侧)。优选引导肋13配置为与混合气体所包含的杂质的流动垂直。
在如以上那样构成的燃料电池系统1中，由于在混合气体供给流路38设置搅拌机39，所以如图3的箭头F所示，混合气体所包含的杂质通过搅拌机39的旋转力回旋并且流向燃料电池组10侧。由此，能够使混合气体所包含的杂质移动到与燃料电池单元11的发电部111侧相反侧(在图3中为上侧)的位置。
除此之外，由于在电池组歧管12的燃料气体入口连通孔12a的内壁中与燃料电池单元11的发电部111侧相反的一侧设置引导肋13，所以混合气体所包含的杂质进一步由于引导肋13的遮挡而留在该引导肋13。其结果是，能够抑制燃料电池单元11的入口附近的杂质的集中，能够使杂质扩散到更宽的范围(参照图3的箭头F)。
另外，在本实施方式的燃料电池系统1中，由于搅拌机39设置在混合气体供给流路38中的燃料气体入口连通孔12a的紧前位置，所以能够使混合气体所包含的杂质高效地移动到与燃料电池单元11的发电部111侧相反一侧的位置。并且，由于引导肋13被配置为与混合气体所包含的杂质的流动垂直，所以能够有效地抑制燃料电池单元11的入口附近的杂质的集中。
本申请发明者们为了验证本发明的效果，使用上述的燃料电池系统1，分别制成了在电池组歧管的燃料气体入口连通孔的内壁中的与燃料电池组的发电部侧相反的一侧不设置引导肋的示例(比较例)、设置引导肋的示例(实施例1)、以及设置引导肋并且将引导肋设置为与混合气体所包含的液态水的流动垂直的示例(实施例2)。然后，对上述的比较例以及实施例，选出杂质中比例最多的液态水，并测定该液态水量。
图4是表示实施例与比较例的结果的图。如图4所示，可知与比较例相比，实施例1以及实施例2的燃料电池单元的入口附近的液态水量减少。具体而言，与比较例相比，实施例1的液态水量减少约21％，实施例2的液态水量减少约35％。由此，证明了通过设置引导肋能够抑制燃料电池单元的入口附近的液态水的集中。并且，可知与实施例1相比，实施例2进一步减少燃料电池单元的入口附近的液态水量。由此，证明了通过与混合气体所包含的液态水的流动垂直地设置引导肋，能够进一步提高抑制燃料电池单元的入口附近的液态水的集中的效果。
以上，对本发明的实施方式进行了详述，但本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离权利要求书所记载的本发明的精神的范围内，能够进行各种设计变更。例如，燃料电池组也可以在与电池组歧管相邻的位置进一步设置虚设单元(非发电单元)。该情况下，能够得到与上述的实施方式相同的作用效果。
附图标记说明
1…燃料电池系统，10…燃料电池组，11…燃料电池单元，12…电池组歧管，12a…燃料气体入口连通孔，13…引导肋，30…燃料气体供给系统，32…燃料气体供给流路，33…循环流路，37…连接管，38…混合气体供给流路，39…搅拌机，111…发电部，112a…燃料气体入口连通孔。

Claims (2)

1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池组，其层叠有多个具有发电部的燃料电池单元；
电池组歧管，其配置在所述燃料电池组的层叠方向的端部，并且至少具有燃料气体入口连通孔；以及
混合气体供给流路，其与所述电池组歧管的所述燃料气体入口连通孔连通，将燃料气体以及燃料废气的混合气体供给至所述燃料电池组，
所述燃料电池系统的特征在于，
在所述混合气体供给流路设置有用于使所述混合气体回旋的搅拌机，
在所述电池组歧管的所述燃料气体入口连通孔的内壁中的、与所述燃料电池单元的所述发电部侧相反的一侧设置有引导肋，
所述引导肋以与所述混合气体所包含的杂质的流动垂直的方式配置，由此遮挡所述混合气体所包含的杂质而将其留在该引导肋。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述搅拌机设置在所述混合气体供给流路中的所述燃料气体入口连通孔的紧前位置。
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