CN111653806A - 燃料电池水箱以及燃料电池发电系统 - Google Patents

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Abstract

提供即使在发生燃料电池水箱的摆动、倾斜的情况下，也能够进一步抑制燃料电池水箱的高度的燃料电池水箱以及燃料电池发电系统。本实施方式的燃料电池水箱能够配置于摆动体，存储用于燃料电池的水、并且回收从燃料电池的氧化剂极排出的阴极排气中所含的水分，其中，在该燃料电池水箱中，基于燃料电池水箱的比因设想的摆动以及倾斜中的至少任一个而变动的存储的水的液面高度靠铅垂上方的位置，设有阴极排气的入口部。

Description

燃料电池水箱以及燃料电池发电系统
技术领域
本发明的实施方式涉及燃料电池水箱以及燃料电池发电系统。
背景技术
燃料电池发电系统将氢与氧的结合能直接转换为电能，被评价为环境性优异的发电装置。相对小容量的燃料电池发电系统为了方便安装，构成为燃料电池主体以及其他的设备、配管等被收纳于封装体的封装型的燃料电池发电系统。在该封装型的燃料电池发电系统中设有燃料电池水箱，该燃料电池水箱存储燃料电池的冷却水，并且回收阴极排气中所含的水。
在将这种燃料电池发电系统作为车辆、船舶等摆动体的电源装置而搭载的情况下，会受到所搭载的车辆、船舶的摆动、倾斜的影响。因此，已知有在燃料电池水箱的储水部设有使水的移动返回的返回板、阴极排气的入口部相对于行进方向设于后方侧的例子。在摆动体进行了摆动的情况下，呈现水面沿着行进方向的后侧或前侧的面上升的趋势。因此，需要将水箱的高度相对于储水量确保在规定的比率以上、或者将储水量限制为水不会从返回板溢出的量。
现有技术文献
专利文献1：日本专利第4902910号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明要解决的课题在于，提供一种即使在燃料电池水箱产生摆动、倾斜的情况下，也能够进一步抑制燃料电池水箱的高度的燃料电池水箱以及燃料电池发电系统。
用来解决课题的手段
本实施方式的燃料电池水箱能够配置于摆动体，存储用于燃料电池的水、并且回收从所述燃料电池的氧化剂极排出的阴极排气中所含的水分，其中，在该燃料电池水箱中，基于所述燃料电池水箱的比因设想的摆动以及倾斜中的至少任一个而变动的所述存储的水的液面高度靠铅垂上方的位置，设有所述阴极排气的入口部。
本实施方式的燃料电池水箱能够配置于摆动体，存储用于燃料电池的水、并且回收从所述燃料电池的氧化剂极排出的阴极排气中所含的水分，其中，在该燃料电池水箱中，在所述燃料电池水箱的侧面的中央部设有所述阴极排气的入口部，并将所述阴极排气的出口部设于所述燃料电池水箱的上表面的中央部。
本实施方式的燃料电池发电系统具备：燃料电池，能够配置于摆动体；以及燃料电池水箱，能够配置于所述摆动体，存储用于所述燃料电池的水，并且回收从所述燃料电池的氧化剂极排出的阴极排气中所含的水，其中，在该燃料电池发电系统中，基于所述燃料电池水箱的比因设想的摆动以及倾斜中的至少任一个而变动的所述存储的水的液面高度靠铅垂上方的位置，设有所述阴极排气的入口部。
发明效果
根据本发明，即使在燃料电池水箱发生摆动、倾斜的情况下，也能够进一步抑制燃料电池水箱的高度。
附图说明
图1是燃料电池发电系统的整体的概略构成图。
图2A是燃料电池水箱的俯视图。
图2B是燃料电池水箱的长边方向的剖面侧视图。
图2C是燃料电池水箱的短边方向的剖面侧视图。
图3是概念性地示出搭载于摆动体的燃料电池水箱的图。
图4是概念性地示出搭载于摆动体的燃料电池水箱内的水的液面的图。
图5A是第二实施方式的燃料电池水箱的长边方向的剖面侧视图。
图5B是第二实施方式的燃料电池水箱的短边方向的剖面侧视图。
图6A是第三实施方式的燃料电池水箱的长边方向的剖面侧视图。
图6B是第三实施方式的燃料电池水箱的短边方向的剖面侧视图。
图7A是第三实施方式的变形例1的燃料电池水箱的长边方向的剖面侧视图。
图7B是第三实施方式的变形例1的燃料电池水箱的短边方向的剖面侧视图。
图8A是第三实施方式的变形例2的燃料电池水箱的长边方向的剖面侧视图。
图8B是第三实施方式的变形例2的燃料电池水箱的短边方向的剖面侧视图。
图9A是第三实施方式的变形例3的燃料电池水箱的长边方向的剖面侧视图。
图9B是第三实施方式的变形例3的燃料电池水箱的短边方向的剖面侧视图。
图10A是第四实施方式的燃料电池水箱的长边方向的剖面侧视图。
图10B是第四实施方式的燃料电池水箱的短边方向的剖面侧视图。
附图标记说明
1：燃料电池发电系统、100：燃料电池、200：燃料电池水箱、202：阴极排气入口部、204：阴极排气出口部、206：防波板、208、208a、208b、208c：防波管、210：狭缝、212：多孔板、300：摆动体。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式的燃料电池水箱以及燃料电池发电系统进行详细说明。另外，以下所示的实施方式是本发明的实施方式的一个例子，本发明并不限定于这些实施方式而进行解释。另外，在本实施方式所参照的附图中，存在对相同的部分或具有相同的功能的部分标注相同的附图标记或类似的附图标记并省略其重复的说明的情况。另外，为了便于说明，存在附图的尺寸比率与实际的比率不同的情况、从附图中省略构成的一部分的情况。
(第一实施方式)图1是燃料电池发电系统1的整体的概略构成图。如该图1所示，燃料电池发电系统1是能够回收从燃料电池的氧化剂极排出的阴极排气中所含的水的系统，具备燃料电池100和燃料电池水箱200而构成。在图1中，还示出了阴极排气管L2和冷却水系统流路管L4。
燃料电池100在内部具有向燃料极供给含氢气体的燃料极流通路100a、冷却燃料电池100的冷却水流通路100b、以及向氧化剂极供给含氧气体的氧化剂极流通路100c。该燃料电池100使用供给至燃料极的含氢气体和供给至氧化剂极的含氧气体来进行发电。含氧气体例如是空气。
更具体而言，燃料电池100通过由化学式1表示的反应来进行发电。含氢气体流过燃料极流通路100a的燃料极，引起燃料极反应。含氧气体流过氧化剂极流通路100c的氧化剂极，引起氧化剂极反应。燃料电池100利用这些电化学反应，从电极取出电能。
(化学式1)燃料极反应：H2→2H++2e－氧化剂极反应：2H++2e－+(1/2)O2→H2O
经由冷却水系统流路管L4从燃料电池水箱200向冷却水流通路100b供给冷却水，对燃料电池100进行冷却。从该冷却水流通路100b排出的冷却水经由冷却水系统流路管L4被再次供给至燃料电池水箱200。
本实施方式的燃料极流通路100a、冷却水流通路100b、以及氧化剂极流通路100c例如由导电性多孔材料的隔板构成。这些隔板能够将电解质膜的加湿所需的水包含在多孔内部。另外，通过使冷却水流通路100b的压力比燃料极流通路100a以及氧化剂极流通路100c的压力低，能够将由电极反应产生的生成水经由隔板吸收到冷却水流通路100b中。另外，本实施方式的燃料电池100由隔板构成，但并不限定于此。
阳极排气是在燃料电池100的发电中从燃料极流通路100a排出的气体。另外，阴极排气是在燃料电池100的发电中从氧化剂极流通路100c排出的气体。在阴极排气中含有水分与微量的氢。阴极排气经由阴极排气管L2被供给至燃料电池水箱200。然后，阴极排气通过燃料电池水箱200的阴极排气出口部被排出。
图2A至C是表示本实施方式的燃料电池水箱200的构成的图。图2A是燃料电池水箱200的俯视图。图2B是图2A的a－a线箭头所示的长边方向的剖面侧视图，图2C是图2A的b―b线箭头所示的短边方向的剖面侧视图。Z方向是铅垂上方。另外，与Z方向正交的XY平面与水平面对应。
如图2A至C所示，阴极排气入口部202设于距燃料电池水箱200的侧面F1、F2等距离的位置处。另外，阴极排气出口部204设于燃料电池水箱200的上表面的中央。阴极排气入口部202以及阴极排气出口部204位于比所存储的水的液面靠铅垂上方的位置即气相。如此，将阴极排气入口部202设于燃料电池水箱200的侧面中央部，将阴极排气出口部204设于燃料电池水箱200的上表面的中央部。
由此，通过阴极排气入口部202而充满了燃料电池水箱200的气相的阴极排气通过阴极排气出口部204从燃料电池水箱200向上方向排出。另外，可能积存于燃料电池水箱200的气相的氢被从阴极排气入口部202导入的阴极排气通过设于水箱上表面的阴极排气出口部204扫气排出。
图3是概念性地示出搭载于摆动体300的燃料电池水箱200的图。图3的摆动体300例如是汽车等单一车辆的例子。在汽车的情况下，作为摆动，相对于行进方向前后沉浮的俯仰的要素变大。因此，燃料电池水箱200的设置阴极排气入口部202的侧面F4沿着摆动体300的推进力方向D而配置。即，设置阴极排气入口部202的侧面沿着摆动较大的方向。这里，燃料电池水箱200的摆动较大的方向是指，侧面F4的两端部的铅垂方向的移动距离变大的方向。
与此相对，在摆动体300为连结多个车辆而成的轴距较长的铁道车辆的情况下，与前后沉浮的俯仰(pitching)相比侧倾(rolling)成为支配性的摆动。在这种情况下，设置阴极排气入口部202的侧面F4为与行进方向正交的方向。即，在铁道车辆的情况下，设置阴极排气入口部202的侧面F4也沿着摆动较大的方向。另外，后述的图4、图5A的例子为，摆动体300是汽车的例子，在轴距较长的铁道车辆的情况下，设置阴极排气入口部202的侧面F4为与行进方向正交的方向。
另外，在船舶的情况下，在水面平静的情况下，由基于横波风的侧倾引起的摆动成为支配性的摆动。由侧倾引起的摆动的方向是与行进方向正交的方向。然而，当暴风雨时，呈现越过波浪的动作，作为摆动，俯仰的要素极端地变大。在这种情况下，设置阴极排气入口部202的侧面优选配置于沿着摆动较大的行进方向的方向。另外，在该情况下，例如，如后述的图7A、B等所示，使突出的防波管208a延伸至短边方向的侧面中央，能够应对由侧倾引起的摆动。
如此，设置阴极排气入口部202的侧面沿着摆动体300的摆动较大的方向而配置。另外，阴极排气入口部202配置于摆动体300的摆动中心G的铅垂上方。摆动中心G一般与摆动体300的重心一致。如此，在基于摆动体300的摆动中心G的燃料电池水箱200的侧面F3的位置设置阴极排气入口部202。
图4是图2A的a－a线箭头所示的长边方向的剖面侧视图，是概念性地示出搭载于摆动体300的燃料电池水箱200内的水的液面的图。左图是表示摆动体300在水平面上静止时的液面W2、摆动体300的前部相对于行进方向上升至铅垂上方侧的情况下的液面W4、摆动体300的前部相对于行进方向下降至铅垂下侧的情况下的液面W6的图。如此，液面沿着燃料电池水箱200的侧面F1、F2而移动。右图是表示连结了根据摆动体300的倾斜范围即燃料电池水箱200的倾斜范围设想的液面的最上部的液面高度H8的图。
如此，基于燃料电池水箱200的比因设想的摆动以及倾斜中的至少任一个而变动的水的液面高度H8靠铅垂上方的位置，设有阴极排气入口部202。即，如上述那样，阴极排气入口部202设于燃料电池水箱200的侧面F4的中央部。由此，能够考虑水的液面高度H8来设置阴极排气入口部202，能够抑制燃料电池水箱200的高度。
另外，液面W4、W6的变动因摆动体300的摆动以及倾斜所产生的水的加速度而进一步变大。在包含设想了由该水的加速度引起的变动量的余量的位置设有阴极排气入口部202。由摆动体300的摆动以及倾斜产生的水的加速度在摆动中心G的位置最大程度变小，因此液面W4、W6的变动进一步变小。因此，通过将阴极排气入口部202设置于摆动中心G的铅垂上方，能够减少液面W4、W6的变动的影响。
如以上说明那样，根据本实施方式，基于燃料电池水箱200的比因设想的摆动以及倾斜中的至少任一个而变动的存储水的液面高度H8靠铅垂上方的位置，设置阴极排气入口部202。由此，阴极排气入口部202可抑制燃料电池水箱200发生了摆动、倾斜的情况下的液面W4、W6的变化的影响。因此，阴极排气入口部202不会被堵塞，能够维持阴极排气的连续的排出，因此能够维持燃料电池发电系统的动作健全性。另外，在发生燃料电池水箱200的摆动、倾斜的情况下，也能够进一步抑制燃料电池水箱200的高度。
(第二实施方式)第二实施方式的燃料电池水箱200因还设有防波板206而与第一实施方式的燃料电池水箱200不同。以下，针对与第一实施方式的燃料电池水箱200不同的点进行说明。
图5A、B是表示本实施方式的燃料电池水箱200中的防波板206的构成的图。图5A是图2A的a－a线箭头所示的长边方向的第二实施方式的燃料电池水箱200的剖面侧视图，图5B是图2A的b―b线箭头所示的短边方向的第二实施方式的剖面侧视图。
如图5A、B所示，燃料电池水箱200还具有防波板206。防波板206设于设有阴极排气入口部202的燃料电池水箱200的侧面F4的阴极排气入口部202的水平方向侧面。
防波板206针对由燃料电池水箱200相对于行进方向D即沿着侧面F4的方向的摆动或倾斜引起的液面的变动，作为防波部件而发挥功能。即，该防波板206抑制所产生的波堵塞阴极排气入口部202。
更具体而言，单侧液位因摆动或倾斜而沿着燃料电池水箱200的左右侧面F1、2上升，另一单侧液位减少。在摆动时，该液位交替地进行替换的动作，但防波板206能够对此进行抑制。由此，能够抑制存储水向阴极排气入口部202的流入。
如以上说明那样，根据本实施方式，在设有阴极排气入口部202的燃料电池水箱200的侧面F4的阴极排气入口部202的水平方向侧面设置防波板206。由此，能够抑制阴极排气入口部202因燃料电池水箱200相对于沿着侧面F4的方向的摆动或倾斜所引起的液面变动而堵塞。
(第三实施方式)第三实施方式的燃料电池水箱200因还设有防波管208而与第一实施方式的燃料电池水箱200不同。以下，针对与第一实施方式的燃料电池水箱200不同的点进行说明。
图6A、B是表示第三实施方式的燃料电池水箱200的构成的图。图6A是图2A的a－a线箭头所示的长边方向的第三实施方式的燃料电池水箱200的剖面侧视图，图6B是图2A的b―b线箭头所示的第三实施方式的燃料电池水箱200的短边方向的剖面侧视图。
如图6A、B所示，燃料电池水箱200还具有防波管208。防波管208在阴极排气入口部202的周边设有一方的开口部，在燃料电池水箱200的内部侧设有另一方的开口部。即，在燃料电池水箱200中，连接有向阴极排气入口部202的开口突出的防波管208。
如以上说明那样，设置在阴极排气入口部202的周边设有一方的开口部、在燃料电池水箱200的内部侧设有另一方的开口部的防波管208。由此，能够抑制阴极排气入口部202因基于燃料电池水箱200的短边方向的摆动或倾斜的液面而堵塞。
(第三实施方式的变形例1)第三实施方式的变形例1的防波管208a因延伸至燃料电池水箱200的短边方向的侧面中央而与第三实施方式的防波管208不同。以下，针对与第三实施方式的防波管208不同的点进行说明。
图7A、B是表示第三实施方式的变形例1的燃料电池水箱200的构成的图。图7A是图2A的a－a线箭头所示的长边方向的第三实施方式的变形例1的燃料电池水箱200的剖面侧视图，图7B是图2A的b―b线箭头所示的短边方向的第三实施方式的变形例1的燃料电池水箱200的剖面侧视图。
如图7A、B所示，从阴极排气入口部202突出的防波管208a延伸至短边方向的侧面中央而连接。另外，防波管208a向阴极排气入口部202的铅垂下侧偏心而设置。由此，即使水流入防波管208a内，也可抑制阴极排气入口部202堵塞。
如以上说明那样，在第三实施方式的变形例1中，使防波管208a从阴极排气入口部202延伸至燃料电池水箱200的短边方向的侧面中央而设置。因燃料电池水箱200的短边方向摆动以及倾斜中的至少任一个而变动的存储水的液面高度在短边方向的侧面中央部最大程度变低，因此能够进一步抑制阴极排气入口部202堵塞。
(第三实施方式的变形例2)第三实施方式的变形例2的防波管208b因在管长边方向设有狭缝210而与第三实施方式的防波管208不同。以下，针对与第三实施方式的防波管208不同的点进行说明。
图8A、B是表示第三实施方式的变形例2的燃料电池水箱200的构成的图。图8A是图2A的a－a线箭头所示的长边方向的第三实施方式的变形例2的燃料电池水箱200的剖面侧视图，图8B是图2A的b―b线箭头所示的短边方向的第三实施方式的变形例2的燃料电池水箱200的剖面侧视图。在向阴极排气入口部202的开口突出并延伸至侧面中央而设置的防波管208b的管下表面，在管长边方向上设有狭缝210。另外，本实施方式的狭缝210并不限定设于防波管208b，例如也可以设于防波管208、防波管208a、防波管208c等。
如以上说明那样，在第三实施方式的变形例2中，在防波管208b的管下表面，在管长边方向上设置狭缝210。由此，能够使因液面相对于防波管208b的长边方向的摆动而堆积的水、包含于阴极排气而从阴极排气入口部202流入的水从狭缝210落下。
(第三实施方式的变形例3)第三实施方式的变形例3的防波管208c因具有在水平方向上延长的开口形状而与第三实施方式的防波管208不同。以下，针对与第三实施方式的防波管208不同的点进行说明。
图9A、B是表示第三实施方式的变形例3的燃料电池水箱200的构成的图。图9A是图2A的a－a线箭头所示的长边方向的第三实施方式的变形例3的燃料电池水箱200的剖面侧视图，图9B是图2A的b―b线箭头所示的短边方向的第三实施方式的变形例3的燃料电池水箱200的剖面侧视图。如图9A、B所示，使防波管208c的开口在水平方向上扩大。
如以上说明那样，在第三实施方式的变形例3中，使防波管208c的开口形状在水平方向上延长。由此，即使在液面的摆动更加激烈的情况下，也可抑制防波管208c的开口被堵塞。
(第四实施方式)第四实施方式的燃料电池水箱200因设有多孔板212而与第三实施方式的变形例2的燃料电池水箱200不同。以下，针对与第三实施方式的变形例2的燃料电池水箱200不同的点进行说明。
图10A、B是表示第四实施方式的燃料电池水箱200的构成的图。图10A是图2A的a－a线箭头所示的长边方向的第四实施方式的燃料电池水箱200的剖面侧视图，图10B是图2A的b―b线箭头所示的短边方向的第四实施方式的燃料电池水箱200的剖面侧视图。
多孔板212设于液面与防波管208a之间。另外，本实施方式的多孔板212也可以设于第一至第三实施方式以及第三实施方式的变形例1、3的燃料电池水箱200。
如以上那样，根据本实施方式，在液面与防波管208a之间设置多孔板212。由此，能够抑制由上下方向的振动引起的突发的液面的变动。
以上，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形例包含在发明的范围或主旨内，并且包含在权利要求书所记载的发明及其等效的范围内。

Claims (15)

1.一种燃料电池水箱，能够配置于摆动体，存储用于燃料电池的水、并且回收从所述燃料电池的氧化剂极排出的阴极排气中所含的水分，其中，在该燃料电池水箱中，基于所述燃料电池水箱的比因设想的摆动以及倾斜中的至少任一个而变动的所述存储的水的液面高度靠铅垂上方的位置，设有所述阴极排气的入口部。
2.如权利要求1所述的燃料电池水箱，
基于所述燃料电池的倾斜的范围，设有所述入口部。
3.如权利要求2所述的燃料电池水箱，
在基于所述摆动体的摆动中心的所述燃料电池水箱的侧面的位置，设置所述入口部，并将所述阴极排气的出口部设于比所述入口部靠铅垂上方的位置。
4.如权利要求3所述的燃料电池水箱，
基于所述摆动体的重心位置，配置所述入口部以及所述出口部。
5.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池水箱，
在沿着所述摆动体的摆动较大的方向的所述燃料电池水箱的侧面设有所述入口部。
6.如权利要求1所述的燃料电池水箱，
将所述入口部设于所述燃料电池水箱的侧面中央部，并将所述阴极排气的出口部设于所述燃料电池水箱的上表面的中央部。
7.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池水箱，
所述燃料电池水箱还具有防波板，该防波板基于设于所述燃料电池水箱的侧面的所述入口部的位置，设于所述侧面。
8.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池水箱，
所述燃料电池水箱还具有防波管，该防波管在所述入口部的周边设有一方的开口部，在所述燃料电池水箱的内部侧具有另一方的开口部。
9.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池水箱，
所述燃料电池水箱还具有防波管，该防波管在所述入口部的周边设有一方的开口部，在所述摆动体的摆动中心的铅垂上方具有另一方的开口部。
10.如权利要求9所述的燃料电池水箱，
所述另一方的开口部为燃料电池水箱的中央部。
11.如权利要求9所述的燃料电池水箱，
在所述防波管的下表面的管长边方向上设有狭缝。
12.如权利要求8所述的燃料电池水箱，
使连接于所述入口部的管的开口部的形状在水平方向上延长。
13.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池水箱，
所述燃料电池水箱还具有多孔板，该多孔板设于所述摆动体停止的情况下的所述水的液面上侧且所述入口部的下侧。
14.一种燃料电池水箱，能够配置于摆动体，存储用于燃料电池的水、并且回收从所述燃料电池的氧化剂极排出的阴极排气中所含的水分，其中，在该燃料电池水箱中，在所述燃料电池水箱的侧面的中央部设置所述阴极排气的入口部，并将所述阴极排气的出口部设于所述燃料电池水箱的上表面的中央部。
15.一种燃料电池发电系统，具备：燃料电池，能够配置于摆动体；以及燃料电池水箱，能够配置于所述摆动体，存储用于所述燃料电池的水，并且回收从所述燃料电池的氧化剂极排出的阴极排气中所含的水，其中，在该燃料电池发电系统中，基于所述燃料电池水箱的比因设想的摆动以及倾斜中的至少任一个而变动的所述存储水的液面高度靠铅垂上方的位置，设有所述阴极排气的入口部。
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