CN111224133B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料电池系统。燃料电池系统具备：燃料电池组，由多个具有发电部的燃料单电池层叠而成；混合气体供给流路，构成为与燃料电池组连通，将燃料气体与燃料废气的混合气体向燃料电池组供给；以及搅拌混合器，构成为设置于混合气体供给流路，对混合气体施加旋转力。搅拌混合器具有导肋，该导肋构成为将混合气体所包含的液态水向与发电部一侧相反的一侧引导。

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

作为以往的燃料电池系统的例子，公知有如下燃料电池系统，即具备：多个燃料单电池层叠而成的燃料电池组；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)向燃料气体供给流路回流的循环流路。在具有这种结构的燃料电池系统中，有可能在循环流路流动的燃料废气之中，包含由未在气液分离器中从气体分离干净的生成水和冷凝水构成的液态水。而且，若液态水借助燃料气体的流动而向燃料电池组的内部侵入，则会招致燃料单电池的发电性能的降低。

为了解决这样的问题，进行了各种研究。例如，在下述日本特开2009-164136中，公开了如下燃料电池系统：使燃料气体与燃料废气在燃料气体供给流路内流动，产生更强制性的气流，从而对燃料废气所包含的液态水进行搅拌而使其均匀分散，然后将包含该均匀分散了的状态下的液态水在内的气体供给至燃料电池组(例如日本特开2009-164136的段落0102)。

但是，在上述的燃料电池系统中，通过燃料废气的流入产生的流动相对于燃料气体供给流路成为螺旋状的流动，因此燃料废气所包含的液态水有可能集中在燃料单电池入口。

发明内容

本发明提供一种能够抑制液态水集中在燃料单电池入口的燃料电池系统。

本发明的一个方式所涉及的燃料电池系统具有：燃料电池组，由多个具有发电部的燃料单电池层叠而成；混合气体供给流路，构成为与上述燃料电池组连通，将燃料气体与从上述燃料电池组排出的燃料废气的混合气体向上述燃料电池组供给；以及搅拌混合器，构成为设置于上述混合气体供给流路，对上述混合气体施加旋转力，上述搅拌混合器具有导肋，该导肋将上述混合气体所包含的液态水向与上述发电部一侧相反的一侧引导。

在上述方式所涉及的燃料电池系统中，搅拌混合器具有用于将混合气体所包含的液态水向与发电部一侧相反的一侧引导的导肋，因此混合气体所包含的液态水被导肋引导而相对于燃料单电池入口朝向相反侧的方向移动。因此，能够抑制液态水集中在燃料单电池入口。

在上述方式的燃料电池系统中，也可以构成为，上述燃料单电池具有燃料气体入口连通孔，上述发电部配置于上述燃料单电池的中央位置，上述燃料气体入口连通孔形成于上述发电部的周围，上述多个层叠的上述燃料单电池的上述燃料气体入口连通孔连通，经由上述混合气体供给流路而供给的上述混合气体穿过上述连通的燃料气体入口连通孔向上述发电部流动。

在上述方式的燃料电池系统中，也可以构成为，上述搅拌混合器具有螺旋状的混合器主体，上述导肋仿照上述混合器主体的螺旋形状而形成，上述混合器主体的螺旋形状形成为使得上述混合气体的流动朝向与上述发电部侧相反的一侧。

在上述方式的燃料电池系统中，也可以构成为，上述混合气体供给流路经由形成于在上述燃料电池组的单元层叠方向的一端部设置的端板的燃料气体入口连通孔，而与上述燃料单电池的上述燃料气体入口连通孔连接，上述搅拌混合器固定于上述混合气体供给流路的、上述端板的上述燃料气体入口连通孔一侧的位置。

根据上述方式，能够抑制液态水在燃料单电池入口集中。

下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点、技术以及工业意义，附图中相同的数字示出相同的部件。

附图说明

图1是第1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是用于对搅拌混合器以及导肋的配置进行说明的示意图。

图4A是表示搅拌混合器的俯视图。

图4B是沿着图4A的IVB-IVB线的剖视图。

图5A是表示第2实施方式的搅拌混合器的俯视图。

图5B是沿着图5A的VB-VB线的剖视图。

图6是表示实施例1与比较例的分析结果的图。

图7是表示实施例2与比较例的分析结果的图。

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。在附图的说明中，对于相同的要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。本发明的各实施方式所涉及的燃料电池系统可以搭载于车辆、船舶、飞机、电车等而作为驱动源加以使用，也可以作为建筑物的发电设备来使用。

[第1实施方式]

图1是第1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是多个燃料单电池11层叠而成的电池组，构成固体高分子电解质型燃料电池。虽未图示，但燃料单电池11具有例如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)构成的膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。并且，燃料单电池11具有夹持MEA的一对隔板(即，阳极侧隔板以及阴极侧隔板)。

另外，在MEA的两侧，有时分别形成有气体扩散层(GDL：Gas Diffusion Layer)。一方的GDL用于提供燃料气体，另一方的GDL用于提供氧化剂气体。GDL用于收集由电化学反应产生的电气。在该情况下，在两侧配置有GDL的膜电极接合体被称为MEGA(MembraneElectrode&Gas Diffusion Layer Assembly)。MEGA进一步被上述的阳极侧隔板以及阴极侧隔板夹持。而且，在具有气体扩散层的MEGA的情况下，该MEGA构成燃料单电池11的发电部111。另一方面，在不具有气体扩散层的MEA的情况下，该MEA构成燃料单电池11的发电部111。

如图2所示，发电部111配置于燃料单电池11的大致中央位置。在燃料单电池11中，在发电部111的一侧(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。在隔着发电部111与上述一侧相反的一侧(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。上述连通孔112a～112f也被称为歧管孔，分别形成为矩形状。燃料气体入口连通孔112a形成在发电部111的周围。多个层叠的燃料单电池11的燃料气体入口连通孔112a连通。

而且，在燃料电池组10的单元层叠方向的一端部，配置有电池组歧管(也被称为端板)12。电池组歧管12例如由铝等金属材料形成为大致矩形板状，通过螺栓等与燃料电池组10紧固固定。在电池组歧管12中，在与燃料单电池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。

上述连通孔12a～12f以具有与设置于对应的燃料单电池11的连通孔112a～112f相同的大小的方式形成为矩形状。

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的各燃料单电池11的阴极电极供给氧化剂气体的氧化剂气体供给流路21；以及将被供给至燃料电池组10且在各燃料单电池11中被供于电化学反应后的氧化剂废气从燃料电池组10排出的氧化剂气体排出流路22。氧化剂气体供给流路21与电池组歧管12的氧化剂气体入口连通孔12d以及燃料单电池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与电池组歧管12的氧化剂气体出口连通孔12c以及燃料单电池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例如由软管、配管以及接头部件等分别构成。另外，在氧化剂气体供给流路21中，具备空气净化器23、空气压缩机24、中冷器25、阀等。在氧化剂气体排出流路22中，具备消声器26、阀等。

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的燃料气体向燃料电池组10的各燃料单电池11的阳极电极供给的燃料气体供给流路32；将从燃料电池组10排出的燃料废气(即，未消耗的燃料气体)向燃料气体供给流路32回流的循环流路33、以及与循环流路33分支连接并将循环流路33内的燃料废气向燃料电池系统1的外部排出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例如由软管、配管以及接头部件等分别构成。虽未图示，但在燃料气体供给流路32中，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)的端部与电池组歧管12的燃料气体出口连通孔12f以及燃料单电池11的燃料气体出口连通孔112f连通。在该循环流路33中，具备气液分离器35、氢循环泵36等。气液分离器35将在循环流路33中流动的燃料废气所包含的生成水以及冷凝水(即，液态水)气液分离来存积。在该气液分离器35中，上述的燃料气体排出流路34从循环流路33分支。氢循环泵36将由气液分离器35气液分离后的燃料废气压缩送出而向燃料气体供给流路32回流。

循环流路33经由合流管37与燃料气体供给流路32连接。合流管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，并向燃料电池组10送出。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合流管37混合而成为混合气体，并经由混合气体供给流路38向燃料电池组10流动。

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中的从合流管37到电池组歧管12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)的端部与电池组歧管12的燃料气体入口连通孔12a以及燃料单电池11的燃料气体入口连通孔112a连通。即，混合气体供给流路38经由电池组歧管12的燃料气体入口连通孔12a而与燃料单电池11的燃料气体入口连通孔112a连通。经由混合气体供给流路38而供给的混合气体穿过所连通的燃料气体入口连通孔112a向发电部111流动。

虽未图示，但本实施方式的燃料电池系统1具备：向燃料电池组10供给制冷剂的制冷剂供给流路、以及使从燃料电池组10排出的制冷剂向散热器侧循环的制冷剂排出流路。制冷剂供给流路与电池组歧管12的制冷剂入口连通孔12e以及燃料单电池11的制冷剂入口连通孔112e依次连通。制冷剂排出流路与电池组歧管12的制冷剂出口连通孔12b以及燃料单电池11的制冷剂出口连通孔112b依次连通。

另外，本实施方式的燃料电池系统1还具备搅拌混合器39，该搅拌混合器39设置于混合气体供给流路38，将燃料气体和燃料废气混合并对混合后的混合气体施加旋转力。具体而言，如图3所示，在形成混合气体供给流路38的配管的内部中，在电池组歧管12的燃料气体入口连通孔12a的紧前位置(即，紧上游侧的位置)，固定有搅拌混合器39。即，搅拌混合器39固定于混合气体供给流路38的、电池组歧管12的燃料气体入口连通孔12a侧的位置。

以下，参照图4A、图4B对搅拌混合器39的构造进行说明。图4A是表示搅拌混合器39的俯视图，图4B是沿着图4A的IVB-IVB线的剖视图。搅拌混合器39具有：例如通过将一张薄板扭曲而形成的螺旋状的混合器主体391；和沿着混合器主体391的螺旋形状设置的导肋392。混合器主体391的螺旋形状使混合气体的流动朝向与发电部111侧相反的一侧(图3中为上侧)。详细而言，混合器主体391的螺旋形状使混合气体的流动在图3的上下方向上朝向处于与发电部111侧相反的一侧的燃料气体入口连通孔112a内的区域。

另一方面，导肋392呈长条状，从混合器主体391的螺旋中心轴侧的表面沿径向突出，并且遍及混合器主体391的全长地配置。而且，该导肋392以将混合气体所包含的液态水向与发电部111侧相反的一侧引导的方式，仿照混合器主体391的螺旋形状地形成。如图4B所示，导肋392呈截面矩形状，与混合器主体391一体化形成。

具有这种构造的搅拌混合器39的混合器主体391与导肋392通过树脂成型而一体形成。此外，搅拌混合器39也可以通过将独立制成的导肋392借助粘合等固定于混合器主体391而形成。

在如以上那样构成的燃料电池系统1中，搅拌混合器39具有用于将混合气体所包含的液态水向与发电部111侧相反的一侧引导的导肋392，因此混合气体所包含的液态水如图3的箭头F所示地被导肋392引导而向与燃料单电池入口相反的方向移动。“燃料单电池入口”是指与图3所示的电池组歧管12的燃料气体入口连通孔12a最近的燃料单电池11、和与燃料气体入口连通孔12a第二近的燃料单电池11之间的缝隙的上侧(即燃料气体入口连通孔112a侧)的端部。因此，能够抑制液态水集中于燃料单电池入口，能够抑制因液态水的侵入引起的发电性能的降低。

另外，具有导肋392的搅拌混合器39设置于混合气体供给流路38中的燃料气体入口连通孔12a的紧前位置(即，紧上游侧的位置)，因此能够使混合气体所包含的液态水向与燃料单电池11的发电部111侧相反的一侧高效地移动。

[第2实施方式]

以下，参照图5A、图5B对燃料电池系统的第2实施方式进行说明。

图5A是表示第2实施方式的搅拌混合器39A的俯视图，图5B是沿着图5A的VB-VB线的剖视图。本实施方式所涉及的燃料电池系统在搅拌混合器的导肋的形状上与上述的第1实施方式不同，而其他的构造与第1实施方式相同，因此省略重复的说明。

具体而言，如图5A所示，搅拌混合器39A具有：通过将一张薄板扭曲而形成的螺旋状的混合器主体391；和沿着混合器主体391的螺旋形状设置的导肋393。导肋393以将混合气体所包含的液态水向与发电部111侧相反的一侧引导的方式，遍及混合器主体391的全长地配置。

如图5B所示，导肋393呈截面L字状，具有从混合器主体391沿径向突出的基端部393a、和从基端部393a的前端以与该导肋393正交的方式折弯的折曲部393b。折曲部393b朝向混合器主体391的螺旋中心轴侧折弯。具有这种构造的搅拌混合器39A的混合器主体391与导肋393通过树脂成型而一体地形成。

根据本实施方式的燃料电池系统，除了得到与上述的第1实施方式相同的作用效果之外，还起到以下的效果。即，搅拌混合器39A的导肋393具有从混合器主体391沿径向突出的基端部393a和与该基端部393a正交的折曲部393b，因此由基端部393a和折曲部393b形成的角部起到捕捉液态水的作用。因此，能够进一步提高抑制液态水在燃料单电池入口集中的效果。

本申请发明人为了验证本发明的效果，针对不具有导肋的搅拌混合器(比较例)、具有与第1实施方式相同的构造的导肋的搅拌混合器(实施例1)、具有与第2实施方式相同的构造的导肋的搅拌混合器(实施例2)分别制作模型，将制成的各模型应用于燃料电池系统1，并通过流体分析软件Fluent(ANSYS日本有限公司制)对所制成的各模型进行了燃料单电池入口的液态水量的分析。

图6是表示实施例1与比较例的分析结果的图。如图6所示，与比较例相比可知，在实施例1中，燃料单电池入口的液态水量减少了67％。由此，证明了通过在搅拌混合器设置导肋，能够抑制燃料单电池入口的液态水的集中。

图7是表示实施例2与比较例的分析结果的图。如图7所示，与比较例相比可知，在实施例2中，燃料单电池入口的液态水量减少了83％。由此，证明了通过在搅拌混合器设置导肋，能够抑制燃料单电池入口的液态水的集中。并且，与实施例1相比可知，在实施例2中，燃料单电池入口的液态水量进一步减少。由此，证明了如第2实施方式所述的那样，通过由导肋的基端部以及折曲部形成的角部来捕捉液态水，能够进一步提高抑制燃料单电池入口处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，能够在不脱离权利要求书所记载的技术范围的范围内，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邻接的位置进一步设置虚拟单元(非发电单元)。在该情况下，得到与上述的实施方式相同的作用效果。

另外，在上述的实施方式中，针对导肋说明了截面矩形状以及截面L字状的例子，但导肋的截面形状并不限定于这些，也可以是截面圆弧状、截面月牙状等。另外，导肋也可以不设置于混合器主体，而设置于合流管内壁(搅拌混合器的位置)，或者也可以设置于混合气体供给流路内壁的与搅拌混合器对应的位置。并且，燃料电池系统的构造并不限定于上述的内容，例如也可以在混合气体供给流路中的搅拌混合器的上游侧进一步设置除去杂质的过滤器。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具有：

燃料电池组，由多个具有发电部的燃料单电池层叠而成；

混合气体供给流路，构成为与所述燃料电池组连通，将燃料气体与从所述燃料电池组排出的燃料废气的混合气体向所述燃料电池组供给；以及

搅拌混合器，构成为设置于所述混合气体供给流路，对所述混合气体施加旋转力，

其中，所述搅拌混合器具有混合器主体和导肋，所述混合器主体以使所述混合气体的流动朝向与所述发电部一侧相反的一侧的方式形成为螺旋状，该导肋沿着所述混合器主体的螺旋中心轴方向而遍及所述混合器主体的全长地配置，将所述混合气体所包含的液态水向与所述发电部一侧相反的一侧引导。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述燃料单电池具有燃料气体入口连通孔，

所述发电部被配置于所述燃料单电池的中央位置，所述燃料气体入口连通孔形成于所述发电部的周围，

层叠的多个所述燃料单电池的所述燃料气体入口连通孔连通，

经由所述混合气体供给流路而供给的所述混合气体穿过所述连通的燃料气体入口连通孔向所述发电部流动。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述搅拌混合器具有螺旋状的混合器主体，所述导肋仿照所述混合器主体的螺旋形状而形成，

所述混合器主体的螺旋形状形成为使得所述混合气体的流动朝向与所述发电部一侧相反的一侧。

4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述混合气体供给流路经由形成于在所述燃料电池组的单电池层叠方向的一端部设置的端板的燃料气体入口连通孔，而与所述燃料单电池的所述燃料气体入口连通孔连通，

所述搅拌混合器固定于所述混合气体供给流路的、所述端板的所述燃料气体入口连通孔一侧的位置。

5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述混合气体供给流路经由形成于在所述燃料电池组的单电池层叠方向的一端部设置的端板的燃料气体入口连通孔，而与所述燃料单电池的所述燃料气体入口连通孔连通，

所述搅拌混合器固定于所述混合气体供给流路的、所述端板的所述燃料气体入口连通孔一侧的位置。

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