CN112640173A - 吸气预热装置以及燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本实施方式的吸气预热装置具备箱体(4)、吸气口(5)、连接口(6)、空气的流路(7)、以及加热部(8)。箱体能够连接于燃料电池封装。吸气口设于箱体，从箱体的外部向箱体的内部吸入空气。连接口设于箱体，将箱体连接于燃料电池封装。空气的流路在箱体的内部设置于从吸气口至连接口。加热部配置于流路上，对空气进行加热。

Description

吸气预热装置以及燃料电池发电系统

技术领域

本发明的实施方式涉及吸气预热装置以及燃料电池发电系统。

背景技术

在设置于外部空气温度在冰点下的寒冷地区的燃料电池发电系统中，若从外部供给的空气的温度下降，则燃料电池发电系统内的设备、配管冻结，成为故障、破损的原因。为了防止设备、配管的冻结，在设置于寒冷地区的燃料电池发电系统中设有吸气预热单元，该进入预热单元在外部空气温度降低时预先对向燃料电池发电系统供给的空气进行加热。

以往的吸气预热单元一般为如下构成：设置于燃料电池的封装内部，具有从吸气口吸入的空气的流路，利用加热器等将通过流路的空气预热至封装内部的设备等不会冻结的温度，并将预热后的空气向燃料电池供给。

然而，以往的吸气预热单元需要对于不需要吸气预热单元的标准型的燃料电池发电系统大幅改变构成，因此有构成变得复杂并且高价的趋势。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013－69520号公报

发明内容

本发明将要解决的课题在于，提供一种吸气预热装置以及燃料电池发电系统，该吸气预热装置以及燃料电池发电系统能够通过灵活运用标准型的燃料电池发电系统的设计来实现构成的简化以及低成本化。

本实施方式的吸气预热装置具备箱体、吸气口、连接口、空气的流路、以及加热部。箱体能够连接于燃料电池封装。吸气口设于箱体，从箱体的外部向箱体的内部吸入空气。连接口设于箱体，将箱体连接于燃料电池封装。空气的流路在箱体的内部设置于从吸气口至连接口。加热部配置于流路上，对空气进行加热。

附图说明

图1是表示第一实施方式的吸气预热单元的剖面图。

图2是表示第一实施方式的燃料电池发电系统的剖面图。

图3是表示第二实施方式的吸气预热单元的剖面图。

图4是表示第三实施方式的吸气预热单元的剖面图。

图5是表示第四实施方式的吸气预热单元的剖面图。

图6是表示第四实施方式的吸气预热单元的侧视图。

图7是表示第五实施方式的吸气预热单元的剖面图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。本实施方式并不限定本发明。另外，在本实施方式所参照的附图中，有时对同一部分或者具有相同功能的部分标注相同的附图标记或者类似的附图标记，并省略其重复的说明。另外，存在附图的尺寸比例为了方便说明而有与实际的比例不同的情况、以及从附图中省略构成的一部分的情况。

(第一实施方式)

图1是表示作为吸气预热装置的一个例子的第一实施方式的吸气预热单元1的剖面图。图2是表示第一实施方式的燃料电池发电系统2的剖面图。

吸气预热单元1与图2所示的燃料电池封装3一起构成燃料电池发电系统2，是对吸入到燃料电池封装3的空气(即，吸气)进行预热的装置。燃料电池发电系统2为如下构成：以未内置有吸气预热单元的标准型的燃料电池发电系统的设计为基础，作为设为寒冷地区规格的情况下的选择，仅通过对标准型的燃料电池发电系统的设计追加轻微的变更，就能够设置吸气预热单元1。

具体而言，如图1所示，吸气预热单元1具备箱体4、吸气口5、连接口6、空气的流路7、以及加热部8。

箱体4能够连接于图2所示的燃料电池封装3。通过箱体4能够连接于燃料电池封装3，从而能够在设为寒冷地区规格的情况下作为选择地将吸气预热单元1设置于燃料电池发电系统2。

吸气口5设于箱体4。吸气口5从箱体4的外部向箱体4的内部吸入空气A。

更详细地说，如图1所示，吸气口5设于箱体4的前壁部41上的上端部附近位置。由于在箱体4的上端部附近位置设有吸气口5，能够避免吸气口5被积雪堵塞。

连接口6设于箱体4。连接口6将箱体4连接于燃料电池封装3。更详细地说，连接口6设于与前壁部41相反的一侧的箱体4的后壁部42上。

流路7在箱体4的内部设置于从吸气口5至连接口6。流路7使从吸气口5吸入的空气A流动至连接口6，并从连接口6将空气A排出而向燃料电池封装3内供给。

更详细地说，流路7在箱体4的内部被折返两次，从而具有上游侧流路部71、中流侧流路部72、以及下游侧流路部73相互相邻地连续的3列流路部71～73。进一步详细地说，流路7利用从箱体4的上壁部43向底壁部44侧延伸的上游侧流路壁74、以及在上游侧流路壁74的下游侧从箱体4的底壁部44向上壁部43侧延伸的下游侧流路壁75来区分出3列流路部71～73。

加热部8配置于流路7上。加热部8将流经流路7的空气加热。在第一实施方式中，加热部8由夹套加热器等电加热器构成。

更详细地说，加热部8配置于3列流路部71～73中的中流侧流路部72上。通过配置于中流侧流路部72上，加热部8能够在抑制吸气预热单元1向外部的散热的同时高效地将空气加热。另外，流路7被折返两次，使得加热部8不仅能够将流经中流侧流路部72的空气加热，也能够将流经与中央侧流路部72相邻的上游侧流路部71以及下游侧流路部73的空气加热。即，根据加热部8，能够进行自身再加热回收。

另一方面，如图2所示，燃料电池封装3具有由隔壁30分隔的机械室31与电气室32。在机械室31内配置有：电池堆33(即，电池主体)，使从吸气预热单元1供给的空气中的氧与从燃料的供给源(未图示)供给的燃料中的氢反应而发电；鼓风机34，将从吸气预热单元1供给的空气通过流路39而导入到电池堆33；以及换气风扇36，用于使在机械室31内泄漏的燃料通过排气口35而排气。除了这些设备以外，还在机械室31内配置有泵(未图示)等鼓风机34以外的辅机类。在电气室32内配置有电连接于电池堆33的逆变器、控制基板等电气设备310、风扇37。为了使电气室32内的压力高于机械室31内，将电气室32内的风扇37配置于电气室32的吸气口38附近以使得在电气室32内形成正压，将机械室31内的换气风扇36配置于机械室31的排气口35附近以使得在机械室31内形成负压。通过使电气室32内的压力高于机械室31内，能够抑制燃料气体从机械室31侧向电气室32侧流入而给电气设备310带来负面影响。

如上述那样构成的吸气预热单元1如图2所示，经由连接口6一个一个的连接于机械室31以及电气室32，从而能够构成寒冷地区规格的燃料电池发电系统2。

在这种燃料电池发电系统2中，寒冷地区的低温的外部空气A从吸气口5吸入到箱体4的内部，在依次流过上游侧流路部71、中流侧流路部72以及下游侧流路部73的过程中被加热部8至少加热至不会使燃料电池封装3内冻结的温度。

由加热部8加热后的空气A从连接口6排出而向燃料电池封装3内供给。更详细地说，被与机械室31连接的一方的吸气预热单元1的加热部8加热后的空气A被供给到机械室31内，被与电气室32连接的另一方的吸气预热单元1的加热部8加热后的空气A被供给到电气室32内。

供给到机械室31内的空气A的一部分利用鼓风机34导入电池堆33而使用于发电。供给到机械室31内的空气A的另一部分使用于换气风扇36进行的机械室31的换气。

供给到电气室32内的空气A将电气室32内加热至不会使电气室32内冻结的温度之后从电气室32的排气口311排气。

根据第一实施方式，在寒冷地区规格的情况下作为选择地将吸气预热单元1连接于燃料电池封装3，从而能够灵活运用标准型的燃料电池发电系统的设计而实现构成的简化以及低成本化。

另外，即使在发电停止中等不需要向燃料电池封装3供给空气A的情况下，只要通过中流侧流路部72上的加热部8加热吸气预热单元1内的空气A，就能够在吸气预热单元1内高效地储存高温的空气A。由此，能够抑制低温的外部空气向燃料电池封装3的流入。

(第二实施方式)

接下来，对具备吸气口的开闭机构的第二实施方式进行说明。图3是表示第二实施方式的吸气预热单元1的剖面图。

如图3所示，第二实施方式的吸气预热单元1除了第一实施方式的构成之外，还具备能够开闭吸气口5的开闭机构9。

如图3所示，开闭机构9具有以上下相邻的方式配置于吸气口5的多个板状部件91。各板状部件91以各自的旋转轴92为中心旋转，从而能够变更吸气口5的开口面积。例如，板状部件91如图3中实线所示，以板状部件91的外侧(外部空气侧)的端部位于比板状部件91的内侧(流路7侧)的端部靠下方的位置的方式倾斜，从而能够在抑制雨水向吸气预热单元1的内部的侵入的同时使吸气口5开放。另一方面，如图3中虚线所示，板状部件91比实线的状态更大幅倾斜而使相邻的板状部件91彼此接触或者接近，从而能够遮挡吸气口5。

板状部件91的旋转可以是手动以及自动中的某一个。在使板状部件91自动地旋转的情况下，例如也可以是，使板状部件91旋转的促动器(未图示)对应于从燃料电池封装3的电气设备310侧接收到通知发电停止的信号而使板状部件9旋转到遮挡吸气口5的位置。

根据第二实施方式，在发电的停止中等不需要向燃料电池封装3供给空气A的情况下，通过利用开闭机构9遮挡吸气口5，能够防止低温的外部空气A向燃料电池封装3的流入。

(第三实施方式)

接下来，对具备旁通流路的第三实施方式进行说明。图4是表示第三实施方式的吸气预热单元1的剖面图。

如图4所示，第三实施方式中的吸气预热单元1除了第一实施方式的构成之外还构成为能够形成旁通流路10。

旁通流路10在箱体4的内部不经由加热部8地设置于从吸气口5侧至连接口6侧。更详细地说，在图4所示的例子中，旁通流路10由上游侧流路部71的上游端和中流侧流路部72的下游端构成。

另外，在第三实施方式中，上游侧流路壁74具有作为切换部的一个例子的可动壁部741。可动壁部741对空气流过经由加热部8的流路7以及旁通流路10中的哪一个进行切换。

更详细地说，可动壁部741如图4中虚线所示，以利用最短路径连通吸气口5与下游侧流路部73的方式移动到相对于可动壁部741以外的上游侧流路壁74倾斜的位置，从而能够形成由上游侧流路部71的上游端与中流侧流路部72的下游端构成的旁通流路10。另外，可动壁部741以外的上游侧流路壁74的图4的纸面垂直方向的端部固定于箱体4。因此，即使可动壁部741移动到形成旁通流路10的位置，上游侧流路壁74也不会落下。

另外，可动壁部741如图4中实线所示，移动到与可动壁部741以外的上游侧流路壁74成为直线状的位置，从而解除旁通流路10，与第一实施方式相同地将上游侧流路部71与中流侧流路部72分隔。

可动壁部741的移动也可以是手动以及自动中的某一个。在使可动壁部741自动地移动的情况下，例如也可以是，在由温度传感器(未图示)检测出的外部空气温度为不需要空气A的预热的规定温度以上的情况下，使可动壁部741移动的促动器(未图示)使可动壁部741移动到形成旁通流路10的位置。

根据第三实施方式，在燃料电池发电系统2的周围温度较高所以无需将空气A预热的情况下，通过形成旁通流路10，能够不使空气A预热地直接供给到燃料电池封装3。由此，能够使流路7成为捷径，因此能够减少流路7的压力损失以及辅机动力。

(第四实施方式)

接下来，对加热部是温水的流路的第四实施方式进行说明。图5是表示第四实施方式的吸气预热单元1的剖面图。另外，在图5中，省略了图2所示的鼓风机34、电气室32的图示。图6是表示第四实施方式的吸气预热单元1的主视图。

到目前为止，说明了加热部由电加热器构成的例子。与此相对，第四实施方式中的加热部由回收了通过燃料电池的发电产生的热量的温水的流路81构成。

更详细地说，如图5以及图6所示，流路81是从中流侧流路部72的上游端侧到下游端侧地沿与空气A的流动方向正交的方向蜿蜒配置的管状的流路。流路81的上游端以及下游端分别与配置于吸气预热单元1的外部的管状的流路12的下游端以及上游端连接。

在吸气预热单元1的外部的流路12上配置有用于使水W1在相互连接的流路81、12内循环的泵13。

吸气预热单元1的外部的流路12局部地配置于机械室31的内部。在机械室31的内部的流路12上设有用于与冷却电池堆33的冷却水进行热交换的热交换器14。通过电池堆33的发电而加热了的冷却水通过冷却水的流路13而到达热交换器14，在热交换器14中与流路12内的水进行热交换，从而将流路12内的水加热。加热后的流路12内的水利用泵13导入到吸气预热单元1内的流路81，与流经流路7的空气进行热交换，从而将空气预热。

根据第四实施方式，能够利用电池堆33的排热将空气预热，因此能够提高燃料电池发电系统2的能量效率。

(第五实施方式)

接下来，对加热部是废气的流路的第五实施方式进行说明。图7是表示第五实施方式的吸气预热单元1的剖面图。

在图5以及图6中，说明了加热部由回收了通过燃料电池的发电产生的热量的温水的流路81构成的例子。与此相对，第五实施方式中的加热部为使图5以及图6所示的流路81作为从燃料电池排出的废气的流路而发挥功能的构成。

更详细地说，如图7所示，流路81与连接于机械室31的排气口35的废气G的流路15连接。流路15中流入有通过电池堆33的发电而成为高温的空气极(阴极)的废气G。流入流路15的高温的废气G通过流路15导入到吸气预热单元1内的流路81，与流经流路7的空气A进行热交换。从而将空气A预热。

根据第五实施方式，能够与第四实施方式相同地利用电池堆33的排热将空气A预热，因此能够提高燃料电池发电系统2的能量效率。

虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，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、其变形包含在发明的范围、主旨中，同样包含在权利要求书所记载的发明与其等效的范围中。

附图标记说明

1吸气预热单元，3燃料电池封装，4箱体，5吸气口，6连接口，7流路，8加热部

Claims (10)

1.一种燃料电池发电系统的吸气预热装置，具备：

箱体，能够连接于燃料电池封装；

吸气口，设于所述箱体，从所述箱体的外部向所述箱体的内部吸入空气；

连接口，设于所述箱体，将所述箱体连接于所述燃料电池封装；

在所述箱体的内部设置于从所述吸气口至所述连接口的所述空气的流路；以及

加热部，配置于所述流路上，对所述空气进行加热。

2.根据权利要求1所述的吸气预热装置，

所述流路在所述箱体的内部至少被折返两次，从而具有至少3列相邻的流路部，所述加热部配置于所述至少3列流路部中的中流侧的流路部上。

3.根据权利要求2所述的吸气预热装置，

所述加热部对流经所述中流侧的流路部的空气和流经与所述中流侧的流路部邻接的其他流路部的空气进行加热。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的吸气预热装置，

还具备能够开闭所述吸气口的开闭机构。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的吸气预热装置，

所述吸气口设于所述箱体的上端部附近位置。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的吸气预热装置，还具备：

旁通流路，在所述箱体的内部不经由所述加热部地设置于从所述吸气口侧至所述连接口侧；以及

切换部，对所述空气流过经由所述加热部的流路以及所述旁通流路中的哪一个进行切换。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的吸气预热装置，

所述加热部具有电加热器。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的吸气预热装置，

所述加热部具有温水的流路，该温水的流路回收了通过所述燃料电池的发电而产生的热量。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的吸气预热装置，

所述加热部具有从所述燃料电池排出的废气的流路。

10.一种燃料电池发电系统，具备：

燃料电池封装；以及

吸气预热装置，

所述吸气预热装置具备：

箱体，能够连接于所述燃料电池封装；

吸气口，设于所述箱体，从所述箱体的外部向所述箱体的内部吸入空气；

连接口，设于所述箱体，将所述箱体连接于所述燃料电池封装；

在所述箱体的内部设置于从所述吸气口至所述连接口的所述空气的流路；以及

加热部，配置于所述流路上，对所述空气进行加热。

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