CN113764716B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供能够小型化的燃料电池系统。本公开的燃料电池系统具有燃料电池模块以及用于排出燃料电池模块内的液态水的液态水排出流路。燃料电池模块具有：电池层叠体；反应气体排出歧管，形成为在燃料电池系统的使用时供反应气体从铅垂方向下侧向铅垂方向上侧流动；反应气体排出口，被配置为在燃料电池系统的使用时位于反应气体排出歧管的铅垂方向上侧；以及液态水排出口，被配置为在燃料电池系统的使用时位于反应气体排出歧管的铅垂方向下侧。液态水排出流路以液态水能够在其内部流动的方式与液态水排出口连接。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及燃料电池系统。
背景技术
公知有通过使阳极气体例如氢与阴极气体例如氧发生化学反应来进行发电的燃料电池系统。
燃料电池系统具备：燃料电池模块，具有多个燃料电池单电池相互层叠而成的燃料电池层叠体；和用于向燃料电池模块供给阳极气体、阴极气体等反应气体并进行排出的辅机、反应气体供给流路以及反应气体排出流路等。
由于燃料电池模块中的电池反应生成水，所以从燃料电池模块排出的阴极气体通常含有水蒸气或者液态水。另外，由于将反应气体加湿来进行燃料电池模块中的电池反应，所以从燃料电池模块排出的阳极气体通常也含有水蒸气或者液态水。
因此，在燃料电池系统中，可能在反应气体排出流路中产生滞留水。
在专利文献1～3所公开的燃料电池系统中，为了除去阳极气体排出流路中的滞留水，在配置于燃料电池模块的下游的阳极气体排出流路配置了气液分离器。
此外，在专利文献3中，对于在将燃料电池系统搭载于车辆的情况下，当被保持为以气液分离器侧抬起的方式倾斜的姿势时产生无法确保隔着燃料电池模块与气液分离器相反侧的排水性的问题，公开了在这样的姿势下容易滞留有滞留水的位置进而配置气液分离器。
专利文献1：日本特开2011－175807号公报
专利文献2：日本特开2011－171283号公报
专利文献3：日本特开2010－177148号公报
在将燃料电池系统搭载于交通工具例如车辆等的实用化的场景中，要求使燃料电池系统成为更简易且小型的设计。
发明内容
本公开的目的在于，提供能够简化以及小型化的燃料电池系统。
本发明人发现能够通过以下的方式来实现上述课题：
《方式1》
一种燃料电池系统，具有燃料电池模块以及用于排出上述燃料电池模块内的液态水的液态水排出流路，其中，
上述燃料电池模块具有：
燃料电池层叠体，由多个燃料电池单电池相互层叠而成；
反应气体排出歧管，通过形成于多个上述燃料电池单电池的反应气体排出连通孔相互连结而形成，且形成为在上述燃料电池系统的使用时供反应气体从铅垂方向下侧朝向铅垂方向上侧流动；
反应气体排出口，将上述反应气体排出歧管与上述燃料电池模块的外部连通，且被配置为在上述使用时位于上述反应气体排出歧管的铅垂方向上侧；以及
液态水排出口，将上述反应气体排出歧管与上述燃料电池模块的外部连通，且被配置为在上述使用时位于上述反应气体排出歧管的铅垂方向下侧，
上述液态水排出流路以上述液态水能够在其内部流动的方式与上述液态水排出口连接。
《方式2》
根据方式1记载的燃料电池系统，其中，上述反应气体为阳极气体。
《方式3》
根据方式1或2记载的燃料电池系统，其中，上述液态水排出流路具有用于调节液态水的排出的排水阀。
《方式4》
根据方式1～3中任一个方式记载的燃料电池系统，其中，还具有反应气体供给流路以及辅机，
上述燃料电池模块还具有：
反应气体供给歧管，通过形成于多个上述燃料电池单电池的反应气体供给连通孔相互连结而形成，且形成为在上述使用时供反应气体从铅垂方向上侧向铅垂方向下侧流动；以及
反应气体供给口，将上述反应气体供给歧管与上述燃料电池模块的外部连通，且被配置为在上述使用时位于上述反应气体供给歧管的铅垂方向上侧，
上述反应气体供给流路将上述反应气体供给口与上述辅机连通，
上述辅机在上述使用时被配置于上述燃料电池模块的铅垂方向上侧。
《方式5》
根据方式4记载的燃料电池系统，其中，上述辅机是反应气体供给装置以及反应气体泵，
上述反应气体供给流路将上述反应气体供给装置、上述反应气体泵以及上述反应气体供给口依次连通。
《方式6》
根据方式1～5中任一个方式记载的燃料电池系统，其中，上述燃料电池层叠体被配置为在上述使用时层叠方向成为铅垂方向、或者层叠方向相对于铅垂方向具有倾斜。
《方式7》
根据方式6记载的燃料电池系统，其中，上述倾斜相对于铅垂方向具有45°以下的斜度。
《方式8》
一种车辆，其中，搭载有方式1～7中任一个方式记载的燃料电池系统。
根据本公开，能够提供一种可简化以及小型化的燃料电池系统。
附图说明
图1是本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统100的示意图。
图2是表示在本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统100中进行发电时的阳极气体以及液态水的流动的示意图。
图3是本公开的第2实施方式涉及的燃料电池系统100的示意图。
附图标记说明：
1…燃料电池单电池；1a…阳极气体供给连通孔；1b…阳极气体排出连通孔；10…燃料电池模块；11…燃料电池层叠体；12以及13…端板；14…阳极气体供给歧管；15…阳极气体供给口；16…阳极气体排出歧管；17…阳极气体排出口；18…液态水排出口；20…阳极气体供给装置；30…阳极气体泵；40…阳极气体供给流路；50…阳极气体排出流路；60…储水部；70…液态水排出流路；80…排水阀；100…燃料电池系统。
具体实施方式
以下，对本公开的实施方式进行详述。其中，本公开并不限定于以下的实施方式，能够在公开的主旨范围内进行各种变形来实施。
《燃料电池系统》
本公开的燃料电池系统具有燃料电池模块以及用于排出燃料电池模块内的液态水的液态水排出流路。燃料电池模块具有：燃料电池层叠体，由多个燃料电池单电池相互层叠而成；反应气体排出歧管，通过形成于多个燃料电池单电池的反应气体排出连通孔相互连结而形成，且形成为在燃料电池系统的使用时供反应气体从铅垂方向下侧朝向铅垂方向上侧流动；反应气体排出口，将反应气体排出歧管与燃料电池模块的外部连通，且被配置为在使用时位于反应气体排出歧管的铅垂方向上侧；以及液态水排出口，将反应气体排出歧管与燃料电池模块的外部连通，且被配置为在使用时位于反应气体排出歧管的铅垂方向下侧。液态水排出流路以液态水能够在其内部流动的方式与液态水排出口连接。
使用图1以及图2来更具体地说明本公开的燃料电池系统。其中，图1以及图2示出了反应气体为阳极气体的情况，但本公开的燃料电池系统中的反应气体并不限定于阳极气体。另外，图1以及图2的主旨并不在于限定本公开的燃料电池系统。其中，在图1以及图2中，用“V”表示铅垂方向，用“H”表示水平方向。
图1是本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统100的示意图。如图1所示，本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统100具有燃料电池模块10、作为辅机的阳极气体供给装置20以及阳极气体泵30、阳极气体供给流路40、阳极气体排出流路50、储水部60、液态水排出流路70以及排水阀80。
燃料电池模块10具有多个燃料电池单电池1相互在铅垂方向V层叠而成的燃料电池层叠体11、以及从铅垂方向V的两侧夹着燃料电池层叠体11的端板12及13。此外，燃料电池模块10例如能够具有但并不限定于端子板、压板、约束部件以及燃料电池壳体等作为其他构件，但在图中省略。
另外，燃料电池模块10具有阳极气体供给歧管14、阳极气体供给口15、阳极气体排出歧管16、阳极气体排出口17以及液态水排出口18。
阳极气体供给歧管14通过形成于多个燃料电池单电池1的阳极气体供给连通孔1a相互连结而形成。另外，阳极气体供给歧管14形成为在燃料电池系统100的使用时供阳极气体从铅垂方向V上侧向铅垂方向V下侧流动。
阳极气体供给口15配置于阳极气体供给歧管14的铅垂方向V上侧。阳极气体供给口15以贯通被配置于燃料电池层叠体11的铅垂方向V上侧的端板12的方式将阳极气体供给歧管14与作为燃料电池模块10的外部的阳极气体供给流路40连通。
阳极气体排出歧管16通过形成于多个燃料电池单电池1的阳极气体排出连通孔1b相互连结而形成。另外，阳极气体排出歧管16形成为在燃料电池系统100的使用时供阳极气体从铅垂方向V下侧向铅垂方向V上侧流动。
阳极气体排出口17配置于阳极气体排出歧管16的铅垂方向V上侧，以贯通被配置于燃料电池层叠体11的铅垂方向V上侧的端板12的方式将阳极气体排出歧管16与作为燃料电池模块10的外部的阳极气体排出流路50连通。
液态水排出口18配置于阳极气体排出歧管16的铅垂方向V下侧，以贯通被配置于燃料电池层叠体11的铅垂方向V下侧的端板13的方式将阳极气体排出歧管16与配置于燃料电池模块10的外部的储水部60连通。
阳极气体供给装置20是用于向燃料电池模块10供给阳极气体的装置，例如是阳极气体罐等。另外，阳极气体泵30是用于将从阳极气体供给装置20供给的阳极气体输送至燃料电池模块10的泵。
阳极气体供给流路40将阳极气体供给装置20以及阳极气体泵30与燃料电池模块10的阳极气体供给口15连通。
阳极气体排出流路50将燃料电池模块10的阳极气体排出口17与作为燃料电池系统100的外部的阳极气体泵30连通。
储水部60是供从燃料电池模块10排出的液态水暂时滞留的空间。
液态水排出流路70将储水部60、燃料电池系统100以及外部连通，通过开闭排水阀80，能够根据需要将滞留在储水部60的液态水排出至燃料电池系统100的外部。
图2是表示在本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统100中进行发电时的阳极气体以及液态水的流动的示意图。
如图2所示，在本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统100中，当发电时，阳极气体如黑色箭头所示那样在燃料电池系统100内流动。如图2所示，从阳极气体供给装置20供给的阳极气体通过阳极气体供给流路40流入至燃料电池模块10的阳极气体供给口15，从阳极气体供给歧管14供给至各燃料电池单电池1内，通过各燃料电池单电池1内的电池反应被消耗。其中，阳极气体能够在供给至燃料电池模块10之前被未图示的加湿装置加湿。
未被各燃料电池单电池1内的电池反应消耗的阳极气体以包括水蒸气以及液态水的状态被从各燃料电池单电池1排出，并在阳极气体排出歧管16内通过而流动至阳极气体排出流路50，被输送至阳极气体泵30。输送至阳极气体泵30的阳极气体被再利用于电池反应。
这里，在阳极气体排出歧管16中，阳极气体从铅垂方向V下侧向铅垂方向V上侧流动，但阳极气体中的液态水以及在阳极气体排出歧管16内结露而成为液态水的水蒸气如白色箭头所示那样因重力而在阳极气体排出歧管16内从铅垂方向V上侧向下侧流动，滞留在储水部60。通过打开排水阀80，使得滞留在储水部60的液态水流动至液态水排出流路70，被排出至燃料电池系统100的外部。
如上述那样，在本公开的燃料电池系统中，由于反应气体排出歧管形成为在燃料电池系统的使用时供反应气体从铅垂方向下侧向铅垂方向上侧流动，所以能够在反应气体排出歧管内将反应气体所包括的液态水以及结露而成为液态水的水蒸气从反应气体分离，并通过液态水排出流路排出至燃料电池系统外。
这样，在本公开的燃料电池系统中，由于能够在燃料电池模块内进行气液分离，所以例如能够省略或小型化以及/或者简化被配置于反应气体排出流路的气液分离器，因此，能够将燃料电池系统进一步小型化以及/或者简化。
在本公开的燃料电池系统中，反应气体可以是阳极气体以及阴极气体中的任一个。
其中，在本公开中，燃料电池系统的使用时是指在燃料电池系统进行发电时。
〈燃料电池模块〉
在本公开的燃料电池系统中，燃料电池模块具有燃料电池层叠体、反应气体排出歧管、反应气体排出口以及液态水排出口。
燃料电池模块能够还具有反应气体供给歧管和反应气体供给口、以及其他构件。作为其他构件，能够举出端板、端子板以及约束部件等，但并不限定于这些。
(燃料电池层叠体)
燃料电池层叠体是多个燃料电池单电池相互层叠而成的。
燃料电池层叠体中的燃料电池单电池的数量能够由本领域技术人员根据燃料电池模块的用途以及所希望的性能来适当地设定。
燃料电池单电池的数量例如可以为2个以上2000个以下。燃料电池单电池的数量可以为2个以上、50个以上、200个以上或者500个以上，可以为2000个以下、1500个以下、1000个以下或者500个以下。
在本公开的燃料电池系统中，燃料电池层叠体能够被配置为在使用时层叠方向成为铅垂方向或者层叠方向相对于铅垂方向具有倾斜。该倾斜可以相对于铅垂方向具有45°以下的斜度。
燃料电池层叠体的倾斜相对于铅垂方向可以为0°～45°的斜度。燃料电池层叠体的倾斜相对于铅垂方向可以为0°以上、5°以上、10°以上或者15°以上，可以为45°以下、40°以下、35°以下或者30°以下。
图3是本公开的第2实施方式涉及的燃料电池系统100的示意图。
在图3所示的本公开的第2实施方式涉及的燃料电池系统100中，与图1所示的本公开的第1实施方式涉及的燃料电池系统100不同，燃料电池层叠体11相对于铅垂方向V具有倾斜。
构成燃料电池层叠体的燃料电池单电池可以是一般的燃料电池单电池，例如能够依次层叠有阴极隔板、阴极气体扩散层、阴极催化剂电极层、电解质膜、阳极催化剂电极层、阳极气体扩散层以及阳极隔板。这些层的层叠方向能够与在燃料电池层叠体中层叠多个燃料电池单电池的方向、即燃料电池层叠体的层叠方向一致。
燃料电池单电池具有反应气体排出连通孔。反应气体排出连通孔在层叠方向贯通燃料电池单电池。反应气体排出连通孔还能够具有与燃料电池单电池的收纳有发电元件的空间连通的分支孔。多个相互层叠的燃料电池单电池的反应气体排出连通孔相互连结而形成反应气体排出歧管。
另外，燃料电池单电池能够具有反应气体供给孔。反应气体供给连通孔在层叠方向贯通燃料电池单电池。反应气体供给连通孔还能够具有与燃料电池单电池的收纳有发电元件的空间连通的分支孔。多个相互层叠的燃料电池单电池的反应气体供给连通孔相互连结而形成反应气体供给歧管。
在燃料电池系统的使用时，反应气体例如通过反应气体供给歧管，并通过反应气体供给连通孔的分支孔被供给至燃料电池单电池的收纳有发电元件的空间，一部分被电池反应消耗。反应气体中的未被电池反应消耗的剩余部分例如通过反应气体排出连通孔的分支孔而从燃料电池单电池的收纳有发电元件的空间被排出至反应气体排出歧管。
〈反应气体排出歧管〉
反应气体排出歧管通过形成于多个燃料电池单电池的反应气体排出连通孔相互连结而形成。
另外，反应气体排出歧管形成为在燃料电池系统的使用时供反应气体从铅垂方向下侧向铅垂方向上侧流动。更具体而言，反应气体排出歧管能够形成为在燃料电池系统的使用时供反应气体沿着铅垂方向或者沿着相对于铅垂方向倾斜了的方向从铅垂方向下侧向铅垂方向上侧流动。
在反应气体流动的方向相对于铅垂方向具有倾斜的情况下，倾斜相对于铅垂方向可以为0°～45°的斜度。反应气体流动的方向的倾斜相对于铅垂方向可以为0°以上、5°以上、10°以上或者15°以上，可以为45°以下、40°以下、35°以下或者30°以下。
〈反应气体排出口〉
反应气体排出口将反应气体排出歧管与燃料电池模块的外部连通。另外，被配置为在燃料电池系统的使用时位于反应气体排出歧管的铅垂方向上侧。
在燃料电池模块具有端板的情况下，反应气体排出口可以是在燃料电池层叠体的层叠方向上贯通端板的两面的孔。
〈液态水排出口〉
液态水排出口将反应气体排出歧管与燃料电池模块的外部连通。另外，被配置为在燃料电池系统的使用时位于反应气体排出歧管的铅垂方向下侧。
在燃料电池模块具有端板的情况下，反应气体排出口可以是在燃料电池层叠体的层叠方向上贯通端板的两面的孔。
〈反应气体供给歧管〉
反应气体供给歧管通过形成于多个燃料电池单电池的反应气体供给连通孔相互连结而形成。
另外，反应气体供给歧管形成为在燃料电池系统的使用时供反应气体从铅垂方向上侧向铅垂方向下侧流动。更具体而言，反应气体供给歧管能够形成为在燃料电池系统的使用时供反应气体沿着铅垂方向或者沿着相对于铅垂方向倾斜了的方向从铅垂方向上侧向铅垂方向下侧流动。
在反应气体流动的方向相对于铅垂方向具有倾斜的情况下，倾斜相对于铅垂方向可以为0°～45°的斜度。反应气体流动的方向的倾斜相对于铅垂方向可以为0°以上、5°以上、10°以上或者15°以上，可以为45°以下、40°以下、35°以下或者30°以下。
〈反应气体供给口〉
反应气体供给口将反应气体供给歧管与燃料电池模块的外部连通。另外，被配置为在燃料电池系统的使用时位于反应气体供给歧管的铅垂方向上侧。
在燃料电池模块具有端板的情况下，反应气体供给口可以是在燃料电池层叠体的层叠方向上贯通端板的两面的孔。
《液态水排出流路》
液态水排出流路是用于排出燃料电池模块内的液态水的流路。液态水排出流路以液态水能够在其内部流动的方式与液态水排出口连接。液态水排出流路能够将液态水排出口与燃料电池系统之外连通。
液态水排出流路能够具有排水阀。在液态水排出流路具有排水阀的情况下，能够根据流入至液态水排出流路内的液态水的量来调节排水量。
液态水排出流路能够在排水阀的上游侧具有储水部。在液态水排出流路具有储水部的情况下，能够在燃料电池系统的使用时暂时储存从反应气体排出歧管经由液态水排出口流入至液态水排出流路的液态水。
《反应气体供给流路以及辅机》
本公开的燃料电池系统能够具有反应气体供给流路以及辅机。反应气体供给流路可以将反应气体供给口与辅机连通。
辅机可以是反应气体供给装置以及反应气体泵。该情况下，反应气体供给流路可以将反应气体供给装置、反应气体泵以及反应气体供给口依次连通。此外，在反应气体为阳极气体的情况下，反应气体供给装置例如可以是阳极气体罐。另外，在反应气体为阴极气体的情况下，例如可以是用于从燃料电池系统之外取入空气的空气取入口等。
辅机在使用时能够配置于燃料电池模块的铅垂方向上侧。
当辅机在燃料电池系统的使用时被配置于燃料电池模块的铅垂方向上侧的情况下，即便在燃料电池模块内的反应气体排出歧管内未完全气液分离的水蒸气在反应气体排出流路内结露而生成液态水，液态水也难以流入至辅机侧。除此之外，由于在燃料电池系统中，重量特别大的燃料电池模块在燃料电池系统内位于下侧，所以能够降低作为燃料电池系统整体而观察时的重心。若降低燃料电池系统的重心，则例如在将燃料电池系统搭载于例如车辆等时，能够使行驶稳定性提高。
《车辆》
本公开的车辆搭载有本公开的燃料电池系统。本公开的车辆例如可以是将燃料电池作为驱动力来行驶的燃料电池汽车。
在本公开的车辆中，本公开的燃料电池系统例如能够被配置在位于车辆的前端部的马达室内。
特别是在本公开的燃料电池系统中，当辅机配置于燃料电池模块的铅垂方向上侧的情况下，燃料电池系统中的重量特别大的燃料电池模块被配置于车辆的更下侧。因此，在这样的方式中，能够使车辆的行驶稳定性提高。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具有燃料电池模块以及用于排出所述燃料电池模块内的液态水的液态水排出流路，其中，
所述燃料电池模块具有：
燃料电池层叠体，由多个燃料电池单电池相互层叠而成；
一对端板，在所述燃料电池系统的使用时从铅垂方向的两侧夹着燃料电池层叠体；
反应气体排出歧管，通过形成于多个所述燃料电池单电池的反应气体排出连通孔相互连结而形成，且形成为在所述燃料电池系统的使用时供反应气体从铅垂方向下侧向铅垂方向上侧流动；
反应气体排出口，将所述反应气体排出歧管与所述燃料电池模块的外部连通，且被配置为在所述使用时位于所述反应气体排出歧管的铅垂方向上侧，并且贯通被配置在所述燃料电池模块的铅垂方向上侧的所述端板的两面；以及
液态水排出口，将所述反应气体排出歧管与所述燃料电池模块的外部连通，且被配置为在所述使用时位于所述反应气体排出歧管的铅垂方向下侧，并且贯通被配置在所述燃料电池模块的铅垂方向下侧的所述端板的两面，
所述液态水排出流路以所述液态水能够在其内部流动的方式与所述液态水排出口连接，
还具有反应气体供给流路以及辅机，
所述燃料电池模块还具有：
反应气体供给歧管，通过形成于多个所述燃料电池单电池的反应气体供给连通孔相互连结而形成，且形成为在所述使用时供反应气体从铅垂方向上侧向铅垂方向下侧流动；以及
反应气体供给口，将所述反应气体供给歧管与所述燃料电池模块的外部连通，且被配置为在所述使用时位于所述反应气体供给歧管的铅垂方向上侧，并且贯通被配置在所述燃料电池模块的铅垂方向上侧的所述端板的两面，
所述反应气体供给流路将所述反应气体供给口与所述辅机连通，
所述辅机在所述使用时被配置于所述燃料电池模块的铅垂方向上侧，
所述燃料电池层叠体被配置为在所述使用时层叠方向成为铅垂方向、或者层叠方向相对于铅垂方向具有倾斜，并且所述倾斜相对于铅垂方向具有45°以下的斜度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述反应气体为阳极气体。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述液态水排出流路具有用于调节液态水的排出的排水阀。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述辅机为反应气体供给装置以及反应气体泵，
所述反应气体供给流路将所述反应气体供给装置、所述反应气体泵以及所述反应气体供给口依次连通。
5.一种车辆，其中，搭载有权利要求1～4中任一项所述的燃料电池系统。
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