CN110534768A - 燃料电池系统用的排气排水单元 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池系统用的排气排水单元，即便使用树脂材料也能够实现冻结防止。燃料电池系统用的排气排水单元(50)具备：气液分离器(51)，从由燃料电池(10)排出的燃料废气中分离出生成水；排气排水阀(52)，配置在气液分离器(51)的下游；及树脂制的单元主体(53)，与气液分离器(51)及排气排水阀(52)一体化。在单元主体(53)的内部分别设有将气液分离器(51)与排气排水阀(52)连通并在排气排水阀(52)侧的端部设有阀座(54)的一次侧排水流路(531)、经由排气排水阀(52)而与一次侧排水流路(531)连通的二次侧排水流路(532)、以及将一次侧排水流路(531)及二次侧排水流路(532)包围的温水流路(533)。

Description

燃料电池系统用的排气排水单元
技术领域
本发明涉及燃料电池系统用的排气排水单元。
背景技术
作为燃料电池系统，已知有具备将多个燃料电池单电池层叠而成的燃料电池、向燃料电池供给氢等燃料气体的燃料气体供给路径、使从燃料电池排出的燃料废气向燃料气体供给路径回流的循环路径的结构。在具有这样的结构的燃料电池系统中，在燃料废气之中包含通过燃料电池的电化学反应而生成的生成水，为了除去生成水而使用排气排水单元，该排气排水单元具有将燃料废气与生成水分离的气液分离器和将分离后的生成水向外部排出的排气排水阀。
作为排气排水单元，存在例如下述专利文献1记载那样排气排水阀的阀体与气液分离器为分体的结构。在该排气排水单元中，为了防止在冰点下时以生成水的残留为起因的排气排水单元的冻结，而采取将阀体设为金属制，而且在阀体设置将该阀体贯通的制冷剂流路，通过在制冷剂流路中流动的制冷剂的热量使阀体升温的对策。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2008-243722号公报
发明内容
【发明要解决的课题】
这种排气排水单元为了实现成本削减及小型化而研讨了使用树脂材料将排气排水阀与气液分离器进行一体化的情况。然而，在将上述的排气排水阀的阀体与气液分离器通过树脂材料进行一体化的情况下，由于树脂材料比金属材料的导热率低，因此产生无法防止排气排水单元的冻结的问题。
本发明为了解决这样的技术课题而作出，目的在于提供一种即便使用树脂材料也能够实现冻结防止的燃料电池系统用的排气排水单元。
【用于解决课题的方案】
本发明的燃料电池系统用的排气排水单元的特征在于，具备：气液分离器，从由燃料电池排出的燃料废气中分离出生成水；排气排水阀，配置在所述气液分离器的下游；及树脂制的单元主体，与所述气液分离器及所述排气排水阀一体化，在所述单元主体的内部分别设有将所述气液分离器与所述排气排水阀连通并在所述排气排水阀侧的端部设有阀座的第一流路、经由所述排气排水阀而与所述第一流路连通的第二流路、以及将所述第一流路及所述第二流路中的至少一方包围的温水流路。
在本发明的燃料电池系统用的排气排水单元中，在单元主体的内部分别设有第一流路、第二流路、以及将第一流路及第二流路中的至少一方包围的温水流路，因此能够利用在温水流路中流动的温水将第一流路或/及第二流路加温，能够防止在冰点下时以生成水的残留为起因的排气排水单元的冻结。而且，由于单元主体由树脂材料形成，因此能够实现成本的削减。其结果是，即便使用树脂材料也能够实现排气排水单元的冻结防止。
在本发明的燃料电池系统用的排气排水单元中，优选的是，所述第一流路的中心线与所述第二流路的中心线偏置，所述温水流路以将所述第一流路和所述第二流路分别包围的方式设置。这样的话，能够分别增加温水流路与第一流路的换热面积、及温水流路与第二流路的换热面积，因此能够将第一流路及第二流路高效地升温，能够提高排气排水单元的冻结防止效果。
在本发明的燃料电池系统用的排气排水单元中，优选的是，所述排气排水阀以其轴向成为横向的方式配置。这样的话，能够抑制排气排水单元整体的高度，因此能够实现排气排水单元的小型化。
【发明效果】
根据本发明，即便使用树脂材料也能够实现排气排水单元的冻结防止。
附图说明
图1是表示具备排气排水单元的燃料电池系统的概略构成图。
图2是示意性地表示排气排水单元的纵向剖视图。
图3是示意性地表示排气排水单元内的温水流路、一次侧排水流路及二次侧排水流路的纵向剖视图。
图4是示意性地表示排气排水单元内的温水流路及二次侧排水流路的横向剖视图。
【符号说明】
1 燃料电池系统
10 燃料电池
20 氧化剂气体供给系统
30 燃料气体供给系统
40 制冷剂供给系统
50 排气排水单元
51 气液分离器
52 排气排水阀
53 单元主体
54、55 阀座
56 温水流入管
57 温水流出管
521 阀体
522 阀轴
523 阀室
524 促动器
531 一次侧排水流路(第一流路)
532 二次侧排水流路(第二流路)
532a 方向转换流路
533 温水流路
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的燃料电池系统用的排气排水单元(以下，将“燃料电池系统用的排气排水单元”简称为“排气排水单元”)的实施方式，但是在此之前基于图1来说明适用排气排水单元的燃料电池系统的结构。需要说明的是，燃料电池系统可以作为车辆、船舶、飞机、电车等的驱动源或建筑物的发电设备使用，但是在此，说明搭载于车辆而作为车辆的驱动源的例子。
图1是表示具备排气排水单元的燃料电池系统的概略构成图。如图1所示，燃料电池系统1主要具备燃料电池10、向燃料电池10供给空气等氧化剂气体的氧化剂气体供给系统20、向燃料电池10供给氢等燃料气体的燃料气体供给系统30、向燃料电池10供给制冷剂的制冷剂供给系统40。
燃料电池10是将多个燃料电池单电池层叠而成的单电池堆，构成固体高分子电解质型燃料电池。虽然未图示，但是燃料电池单电池具有由例如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)及阴极侧催化剂层(阴极电极)构成的膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。此外，燃料电池单电池具有夹持MEA的一对分隔件(即，阳极侧分隔件及阴极侧分隔件)。
另外，有时在MEA的两侧还形成有提供燃料气体或氧化剂气体并用于收集通过电化学反应而产生的电力的气体扩散层(GDL：GasDiffusion Layer)。此时，GDL配置于两侧的膜电极接合体称为MEGA(Membrane Electrode&Gas Diffusion Layer Assembly)。MEGA还有上述的阳极侧分隔件及阴极侧分隔件夹持。
氧化剂气体供给系统20具有例如用于向燃料电池10的阴极电极供给氧化剂气体的氧化剂气体供给路径21、将在燃料电池单电池供于电化学反应之后的氧化废气(即，未消耗的氧化剂气体)从燃料电池10排出的氧化剂气体排出路径22、使氧化剂气体不经由而绕过燃料电池10地向氧化剂气体排出路径22流通的旁通路径23。氧化剂气体供给路径21、氧化剂气体排出路径22及旁通路径23由例如软管、配管、管及接头构件等分别构成。
在氧化剂气体供给路径21从上游侧设有空气滤清器24、空气压缩器25、中间冷却器26等。另一方面，在氧化剂气体排出路径22具备消声器27等。需要说明的是，在氧化剂气体供给路径21的空气滤清器24设有例如未图示的大气压传感器、气流计等。
空气滤清器24除去从外部取入的空气中的尘埃。空气压缩器25对于经由空气滤清器24导入的氧化剂气体进行压缩，并将压缩后的氧化剂气体向中间冷却器26供给。中间冷却器26在使从空气压缩器25供给的氧化剂气体通过时，例如通过与制冷剂的换热而对氧化剂气体进行冷却，进而向燃料电池10的阴极电极供给。
另外，在氧化剂气体供给路径21设有用于将中间冷却器26与燃料电池10之间的氧化剂气体的流动切断的入口阀21V。入口阀21V是例如通过从中间冷却器26朝向燃料电池10的氧化剂气体的流动而开阀使氧化剂气体流动，并通过从燃料电池10朝向中间冷却器26的氧化剂气体的流动而闭阀来隔断氧化剂气体的流动的止回阀。
旁通路径23的一端连接于氧化剂气体供给路径21的中间冷却器26的下游侧，另一端连接于氧化剂气体排出路径22。换言之，旁通路径23从氧化剂气体供给路径21的中间冷却器26的下游侧朝向氧化剂气体排出路径22分支连接。通过空气压缩器25向旁通路径23供给，由中间冷却器26冷却而排出的氧化剂气体绕过燃料电池10朝向氧化剂气体排出路径22流动。在该旁通路径23设有用于调整在该旁通路径23中流动的氧化剂气体的流量的旁通阀23V。
在氧化剂气体排出路径22中，消声器27将流向氧化剂气体排出路径22的氧化废气分离成例如气相和液相而向外部排出。而且，在氧化剂气体排出路径22设有用于调整向燃料电池10供给的氧化剂气体的背压的调压阀22V。在调压阀22V的下游侧连接上述的旁通路径23。
另一方面，燃料气体供给系统30具有例如积存氢等高压的燃料气体的燃料气体罐31、将来自燃料气体罐31的燃料气体向燃料电池10的阳极电极供给的燃料气体供给路径32、使从燃料电池10排出的燃料废气(即，未消耗的燃料气体)向燃料气体供给路径32回流的循环路径33、经由后述的气液分离器51而分支连接于循环路径33的排出路径34。燃料气体供给路径32、循环路径33及排出路径34由例如软管、配管、管及接头构件等分别构成。
在燃料气体供给路径32设有对燃料气体供给路径32进行开闭的截止阀32V、用于调整在燃料气体供给路径32中流动的燃料气体的压力的调节器35、以及用于将调压后的燃料气体朝向燃料电池10供给的喷射器36。当打开截止阀32V时，积存于燃料气体罐31的高压的燃料气体向燃料气体供给路径32流出，被调节器35或喷射器36减压，向燃料电池10的阳极电极供给。
在循环路径33从上游侧(即，燃料电池10侧)依次配置有具备气液分离器51及排气排水阀52等的排气排水单元50、氢循环泵37。气液分离器51与循环路径33连接，对于在循环路径33中流动的燃料废气包含的生成水进行气液分离，积存分离的生成水，并将分离后的燃料废气向氢循环泵37侧传送。氢循环泵37对于通过气液分离器51进行了气液分离的燃料废气进行加压并使其向燃料气体供给路径32循环。
排出路径34配置于排气排水单元50的下游侧。排出路径34的一端与排气排水单元50的二次侧排水流路532(后述)连接，另一端与氧化剂气体排出路径22连接。
另一方面，制冷剂供给系40具有例如使制冷剂在散热器42与燃料电池10之间循环的制冷剂循环路径41、以及设置于该制冷剂循环路径41的水泵43。水泵43配置于制冷剂循环路径41的制冷剂循环去路41a，对制冷剂进行加压并将其向燃料电池10供给。作为制冷剂，可使用例如包含乙二醇的水。并且，在制冷剂循环路径41中流动的制冷剂在燃料电池10中通过时吸收由电化学反应产生的热量而升温，而且在散热器42中通过时由于散热而冷却。
另外，在制冷剂循环路径41的制冷剂循环回路41b连接有空调加热器44。
在如以上所述构成的燃料电池系统1中，燃料电池10通过从氧化剂气体供给系统20向阴极电极供给的氧化剂气体与从燃料气体供给系统30向阳极电极供给的燃料气体的电化学反应而进行发电。并且，伴随着电化学反应而在阴极电极生成水(即，生成水)。生成的生成水的大多数从阴极电极侧排出，但是一部分的生成水透过电解质膜向阳极电极侧移动，向燃料废气混入。混入于燃料废气的生成水(换言之，燃料废气包含的生成水)被上述的气液分离器51分离。
另外，在燃料电池10中，通过阴极电极与阳极电极的压力差而阴极电极侧的氧化剂气体的一部分透过电解质膜向阳极电极侧移动。因此，氧化剂气体包含的氮气向燃料废气混入，与燃料废气一起经由循环路径33向燃料气体供给路径32回流，向燃料电池10供给。并且，当在燃料电池10中流动的氮的浓度上升时，使燃料电池10的发电性能下降，因此需要将氮与燃料废气一起定期地向外部排出。因此，在燃料电池系统1中，经由排气排水阀52定期地将燃料废气及氮向外部排出。因此，排气排水阀52作为排出生成水的排水阀发挥功能的同时，也作为排出燃料废气及氮的排气阀发挥功能。
以下，参照图2～图4而详细说明上述的排气排水单元50的结构。
图2是示意性地表示排气排水单元的纵向剖视图，图3是示意性地表示排气排水单元内的温水流路、一次侧排水流路及二次侧排水流路的纵向剖视图，图4是示意性地表示排气排水单元内的温水流路及二次侧排水流路的横向剖视图。排气排水单元50具备上述的气液分离器51、在气液分离器51的下游配置的上述的排气排水阀52、与气液分离器51及排气排水阀52一体化的树脂制的单元主体53。
排气排水阀52是电磁驱动式的开闭阀，具有阀室523、配置于阀室523内的橡胶制的阀体521、将阀体521固定的阀轴522、用于使阀轴522以规定的行程往复移动的促动器524。如图2所示，排气排水阀52以其轴L3方向成为横向的方式配置。并且，阀体521通过促动器524的驱动而沿轴L3方向往复移动，能够与后述的阀座54、55接触/分离。需要说明的是，在此的横向是指车辆的左右方向或车辆的前后方向。
单元主体53以将气液分离器51与排气排水阀52连结的方式与气液分离器51及排气排水阀52一体地安装。该单元主体53可以通过树脂成型而形成作为一个部件，或者可以通过将单独制作的多个部件组装而形成。
单元主体53例如通过硬的树脂材料以在内部具有多个空处的方式形成。作为树脂材料，可列举例如聚碳酸酯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯等。如图2所示，在单元主体53的内部分别设有配置于气液分离器51的下游而由空处构成的一次侧排水流路(第一流路)531、配置于排气排水阀52的下游而由空处构成的二次侧排水流路(第二流路)532、以及以包围一次侧排水流路531和二次侧排水流路532的方式配置而由空处构成的温水流路533。
一次侧排水流路531呈例如圆筒状，以成为横向的方式在气液分离器51与排气排水阀52之间延伸设置，将气液分离器51与排气排水阀52连通。一次侧排水流路531的气液分离器51侧的端部与气液分离器51的底部连接，一次侧排水流路531的排气排水阀52侧的端部与排气排水阀52的阀室523连接。而且，在一次侧排水流路531的排气排水阀52侧的端部设有能够使排气排水阀52的阀体521落座的阀座54。
二次侧排水流路532呈例如阶梯的筒状(参照图3)，经由排气排水阀52与一次侧排水流路531连通。更具体而言，二次侧排水流路532经由该二次侧排水流路532的一端部即方向转换流路532a与排气排水阀52的阀室523连通。方向转换流路532a与一次侧排水流路531的延伸方向平行地配置，在该方向转换流路532a的端部设有能够使阀体521落座的阀座55。并且，二次侧排水流路532中的与方向转换流路532a相反侧的另一端部与上述的排出路径34连通。
在本实施方式中，在一次侧排水流路531的端部设置的阀座54和在方向转换流路532a的端部设置的阀座55为了能够使排气排水阀52的阀体521同时落座而相对于阀体521以相同距离配置。即，阀体521如果与在一次侧排水流路531的端部设置的阀座54抵接而落座，则同时也落座于在方向转换流路532a的端部设置的阀座55。由此，一次侧排水流路531及二次侧排水流路532同时被闭锁。另一方面，当阀体521从阀座54和阀座55分离时，一次侧排水流路531及二次侧排水流路532同时开放。
并且，当一次侧排水流路531及二次侧排水流路532同时开放时(即，排气排水阀52的开阀时)，气液分离器51内的生成水如图2的箭头所示依次流过一次侧排水流路531、阀室523、方向转换流路532a，向二次侧排水流路532流入。
另一方面，温水流路533以将一次侧排水流路531和二次侧排水流路532分别包围的方式配置。该温水流路533例如以将一次侧排水流路531与二次侧排水流路532之间的部分挖空的方式形成，为了更大地确保与一次侧排水流路531及二次侧排水流路532各自的接触面积(换言之，换热面积)而成为不规则的形状。
单元主体53还具备从单元主体53向外方突出的温水流入管56和温水流出管57。温水流入管56及温水流出管57分别与温水流路533连接。因此，如图2及图4的空心箭头所示，温水经由温水流入管56向温水流路533的内部流入，一边在一次侧排水流路531及二次侧排水流路532的周围流动一边将这些排水流路加热，经由温水流出管57向外部流出。
在温水流路533中流动的温水经由设置在排气排水单元50与上述的空调加热器44之间的温水循环路径45被供给(参照图1)。温水流入管56与温水循环路径45的温水循环去路45a连接，温水流出管57与温水循环路径45的温水循环回路45b连接。
在此，温水循环回路45b还优选以经由氢循环泵37返回空调加热器44的方式形成(参照图1)。这样的话，氢循环泵37也能够加温，因此起到防止氢循环泵37的结露的效果。
另外，在本实施方式中，为了防止在冰点下时以生成水的残留为起因的二次侧排水流路532等的冻结而二次侧排水流路532相对于水平方向倾斜配置。具体而言，如图3所示，二次侧排水流路532相对于水平方向以前高后低的方式配置。并且，相对于水平方向的倾斜角度α由于以下的理由而优选设定为约10度。
即，假定在寒冷地车辆以前低后高的状态驻车的情况，相对于路面的驻车倾斜角度在车辆的前后方向上设计为约9度，在车辆的左右方向上设计为约8度。如果将倾斜角度α设定为约10度，则即使假设在将车辆以最大驻车倾斜角度(即9度)以前低后高的状态驻车的情况下，二次侧排水流路532也能够确保相对于水平方向倾斜(在此倾斜角度为1度)的状态，因此能够使生成水不滞留于二次侧排水流路532地向外部流出。
另外，在本实施方式中，一次侧排水流路531的中心线L1与二次侧排水流路532的中心线L2偏置。具体而言，如图3所示，在高度方向(即，车辆的高度方向)上，一次侧排水流路531的中心线L1的位置比二次侧排水流路532的中心线L2的位置高规定距离h(也称为偏置量h)。
在具有以上的结构的排气排水单元50中，在单元主体53的内部分别设有一次侧排水流路531、二次侧排水流路532、以及将一次侧排水流路531及二次侧排水流路532包围的温水流路533，因此利用在温水流路533中流动的温水能够将一次侧排水流路531及二次侧排水流路532高效地加温，抑制一次侧排水流路531及二次侧排水流路532的冻结，能够防止冰点下时以生成水的残留为起因的排气排水单元50的冻结。而且，由于单元主体53由树脂材料形成，因此与金属制的情况相比能够实现成本的削减。其结果是，即便使用树脂材料也能够实现排气排水单元50的冻结防止。
另外，一次侧排水流路531的中心线L1与二次侧排水流路532的中心线L2在高度方向上偏置，因此能够分别增加温水流路533与一次侧排水流路531的换热面积、及温水流路533与二次侧排水流路532的换热面积，能够提高排气排水单元50的冻结防止效果。特别是由此，能够缩短温水流路533与一次侧排水流路531的距离，特别是温水流路533与在一次侧排水流路531的端部设置的阀座54的距离(例如，能够将温水流路533设置至一次侧排水流路531的正上方位置)，因此能够使包含阀座54的一次侧排水流路531良好地升温。并且，通过使阀座54升温，能够将落座于该阀座54的阀体521间接地加温，因此能够防止阀体521的冻结，能够抑制落座时的密封不良的发生。
另外，排气排水阀52以其轴L3方向成为横向的方式配置，因此能够抑制排气排水单元50整体的高度，能够实现排气排水单元50的小型化。此外，单元主体53与气液分离器51及排气排水阀52一体化，因此不需要设置以往那样的阀体，更容易实现排气排水单元50的小型化。此外，伴随着不再需要设置阀体的情况，能够省去保持阀体与气液分离器的密封性的密封构件等，因此能够实现成本削减。
以上，详细叙述了本发明的实施方式，但是本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离权利要求书记载的本发明的主旨的范围内，能够进行各种设计变更。例如，在上述的实施方式中，说明了温水流路533将一次侧排水流路531及二次侧排水流路532这双方包围而使其升温的例子，但是并不局限于此，温水流路533可以形成为包围一次侧排水流路531及二次侧排水流路532中的至少一方。
另外，在上述的实施方式中，列举一次侧排水流路531的中心线L1与二次侧排水流路532的中心线L2偏置的例子进行了说明，但是也可以不偏置而在由一次侧排水流路531的中心线L1和二次侧排水流路532的中心线L2规定的平面内配置一次侧排水流路531及二次侧排水流路532。这样的话，能够使温水与规定的平面平行地流入，能够期待进一步抑制排气排水单元50的高度的效果。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统用的排气排水单元，其特征在于，具备：
气液分离器，从由燃料电池排出的燃料废气中分离出生成水；
排气排水阀，配置在所述气液分离器的下游；及
树脂制的单元主体，与所述气液分离器及所述排气排水阀一体化，
在所述单元主体的内部分别设有将所述气液分离器与所述排气排水阀连通并在所述排气排水阀侧的端部设有阀座的第一流路、经由所述排气排水阀而与所述第一流路连通的第二流路、将所述第一流路及所述第二流路中的至少一方包围的温水流路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统用的排气排水单元，其中，
所述第一流路的中心线与所述第二流路的中心线偏置，
所述温水流路以将所述第一流路和所述第二流路分别包围的方式设置。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统用的排气排水单元，其中，
所述排气排水阀以其轴向成为横向的方式配置。
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