CN114530612A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括燃料电池组和存储罐，其中以液态存储从所述燃料电池组排放的生成水的至少一部分。所述存储罐包括配置为将所述存储罐的内部的压力调节为等于或低于预定压力的第一阀门，所述预定压力高于所述存储罐的外部的压力。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及一种燃料电池系统。
背景技术
众所周知，在燃料电池系统中通过发电会生成水。日本未审查专利申请公开第2020-64882号(JP 2020-64882A)中描述的燃料电池系统包括存储水的罐，该水是通过冷却从燃料电池组排放的气体中包括的水蒸气得到的液体的水。在JP 2020-64882A中，将罐中的该水用作制冷剂。
发明内容
当通过发电生成的水保持为液态时，该水能够用于各种目的。此外，在该水保持为液态的情况下，与在该水保持为气态的情况下相比，该水能够以更小的体积存储。然而，用于冷却和液化从燃料电池组排放的水蒸汽的冷却装置需要大的空间来布置该冷却装置。因此，需要一种不使用冷却装置就能以液态存储从燃料电池组排放的水的技术。
本公开是为了解决上述问题而完成的并且能够在下面的方面得以实现。
(1)本公开的一个方面提供了一种燃料电池系统。所述燃料电池系统包括燃料电池组和存储罐。在所述存储罐中，从所述燃料电池组排放的生成水的至少一部分以液态存储。所述存储罐包括第一阀门，所述第一阀门被配置为将所述存储罐的内部的压力调整为等于或低于预定压力，所述预定压力高于所述存储罐的外部的压力。
在这个方面，在具有压力高于所述存储罐的外部的压力的所述存储罐中，具有在所述存储罐的外部水变成水蒸汽的温度的水能够以液体的状态存在。因此，不使用冷却装置就能将从所述燃料电池组排放的水保持液态进行存储。
(2)在根据上述方面的所述燃料电池中，所述预定压力可以是在所述存储罐中的预期温度范围内将所述存储罐的内部的所述生成水的至少一部分保持为液态的压力。
在这个方面，在所述存储罐的内部所述生成水保持为液态。因此，不使用冷却装置就能将从所述燃料电池组排放的水保持液态进行存储。
(3)在根据上述方面的所述燃料电池中，所述存储罐可以包括第二阀门，所述第二阀门被配置为当所述存储罐的内部的所述压力低于所述存储罐的外部的所述压力时，将外部空气导入所述存储罐。
在这个方面，可以抑制由于所述存储罐的内部的所述压力变得大大低于所述存储罐的外部的所述压力而导致所述存储罐变形的这种情况。
(4)在根据上述方面的所述燃料电池中，所述存储罐可以包括设置在所述存储罐的内部的热传递构件，所述热传递构件被配置为漂浮在所述生成水的水面上并且具有的热传导率高于所述生成水的热传导率。
在这个方面，当所述第一阀门被打开并且在所述热传递构件上的液态的所述生成水蒸发时，通过所述热传递构件，所述存储罐能够将蒸发的潜热传递到位于所述热传递构件下面的液态的所述生成水。因此，可以促进位于所述热传递构件下面的液态的所述生成水的温度的降低。因此，可以抑制所述存储罐的内部的所述生成水的蒸发。此外，所述热传递构件覆盖所述存储罐的内部的液态的水的表面的至少一部分。这也使得可以抑制从所述存储罐的内部的液态的水的表面的水的蒸发。
(5)根据上述方面的所述燃料电池可以进一步包括：冷却系统，所述冷却系统被配置为通过冷却剂冷却所述燃料电池组；供给装置，所述供给装置被配置为将所述存储罐的内部的所述生成水作为所述冷却剂发送到所述冷却系统。
在这个方面，能够利用所述生成水作为冷却系统所用的冷却剂。
注意，本公开可以在各个方面实现。例如，本公开可以在诸如存储燃料电池组的生成水的罐、包括燃料电池系统的发电机、和包括燃料电池系统的车辆等方面实现。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1是示出燃料电池系统的示意性结构的视图；以及
图2是示出在存储罐中氮的量、水的状态和水的量之间的关系的示意图。
具体实施方式
A.第一实施例
图1是示出根据本公开的一个实施例的燃料电池系统100的示意性结构的视图。燃料电池系统100包括燃料电池组10、控制部20、阴极气体给排系统30、阳极气体给排系统50、冷却系统60和供给装置70。例如，根据本实施例的燃料电池系统100设置在燃料电池车辆中。
燃料电池组10是固体聚合物燃料电池，其被配置为在接收作为反应物气体的阳极气体(例如氢气)和阴极气体(例如空气)后发电。燃料电池组10被配置为对多个电池(未示出)进行堆叠。
控制部20被配置为包括CPU、存储器和连接各个部分(稍后描述)的接口电路的计算机。控制部20响应来自电子控制单元(ECU)的指示输出控制燃料电池组10中的各个装置的起动和停止的信号。控制部20通过执行存储在存储器中的程序来控制燃料电池组100的发电。注意，在控制部20中，这些控制的部分或全部可以作为硬件电路实现。
阴极气体给排系统30向燃料电池组10供应阴极气体并且从燃料电池组10排放阴极气体。阴极气体给排系统30包括阴极气体管31、压缩机32、电机33、膨胀器35、阴极废气管34、气液分离器36、排水阀门37、排水管38、排气阀门39和存储罐40。
阴极气体管31连接到燃料电池组10，使得将从外部引入阴极气体管31中的空气供应到燃料电池组10。
压缩机32被布置在阴极气体管31的上游侧。压缩机32从进气侧引入大气中的空气，在压缩机32中对空气加压，并从排气侧将由此加压的空气供应到阴极气体管31。从压缩机32的进气侧引入的空气被加压并且从压缩机32的排气侧排放。例如，压缩机32是离心式压缩机。注意，压缩机32是轴流式压缩机。
电机33是配置为驱动压缩机32的电机。阴极废气管34经由膨胀器35将从燃料电池组10排放的阴极废气排放到燃料电池系统100的外部。
膨胀器35被布置在阴极废气管34中。膨胀器35协助电机33对压缩机32的驱动。膨胀器35通过从膨胀器35的进气侧流入膨胀器35的空气驱动压缩机32。更具体地，膨胀器35通过膨胀器35的轮的旋转协助电机的驱动来旋转压缩机32的轮。旋转膨胀器35的轮的空气从膨胀器35的排气侧排放。
气液分离器36设置在阴极废气管34中燃料电池组10与膨胀器35之间。气液分离器36从燃料电池组10排放的气体中，分离出气体中包括的生成水的至少一部分。在本实施例中，“生成水”是包括处于气态的水和处于液态的水的概念。
排水阀门37设置在气液分离器36的下部中。排水阀门37控制存储在气液分离器36中的液态的生成水的通过排水管38的循环流通。液态的生成水经由排水阀门37从气液分离器36排放并且存储在存储罐40中。排水管38将气液分离器36连接到存储罐40。
排气阀门39设置在阴极废气管34中气液分离器36与膨胀器35之间。排气阀门39控制气液分离器36中的不必要气体的通过阴极废气管34的循环流通。不必要气体主要是氮气。由排气阀门39排放的不必要气体经由膨胀器35排放到阴极废气管34并且然后经过阴极废气管34排放到外部。在燃料电池系统100的工作期间，排水阀门37和排气阀门39通常关闭并且分别响应来自控制部20的控制信号打开。
存储罐40是将从气液分离器36排放的生成水的至少一部分以液态存储的容器。存储罐40包括第一阀门41、第二阀门42、热传递构件43和排气管44。注意，第二阀门42和热传递构件43可以省略。
第一阀门41是这样的阀门，其被配置为控制存储罐40的内部的气体，使得气体经过排气管44循环流通使得存储罐40的内部的压力变成等于或低于预定压力的压力，该预定压力高于存储罐40的外部的压力。例如，预定压力是在存储罐40中的预期温度范围内存储罐40内部的生成水的至少一部分能够保持为液态的压力。即，预定压力是高于饱和蒸汽压力的压力。例如，存储罐40中的预期温度等于或低于燃料电池组10的温度但是高于外部温度。第一阀门41被配置为当存储罐40的内部的压力增加到预定压力时关闭。排气管44将气体排放到存储罐40的外部。在本实施例中，排气管44连接到阴极废气管34的下游侧。
第二阀门42是这样的阀门，当存储罐40的内部的压力低于大气压，即存储罐40的外部的压力时，经由该第二阀门42将外部空气导入存储罐40内。第二阀门42被配置为当存储罐40的内部的压力降低到预定阈值压力时打开。例如，阈值压力是低于存储罐40外部的压力的压力。
热传递构件43是这样的构件，其漂浮在液态的生成水的水面上并且具有的热传导率高于液态的生成水的热传导率。例如，热传递构件43是诸如具有封闭单元的铝的泡沫金属。整个热传递构件43的比重小于水的比重，使得热传递构件43漂浮在液态的生成水的水面上。热传递构件43被布置为覆盖存储罐40内部的液态的生成水的液面的90％并且暴露在液态的生成水的液面上。
阳极气体给排系统50向燃料电池组10供应阳极气体并且从燃料电池组10排放阳极气体。
冷却系统60通过经由燃料电池组10循环流通制冷剂来调节燃料电池组10的温度。冷却系统60包括制冷剂供应管61、制冷剂排放管62、散热器63、制冷剂泵64、三通阀65和旁通管66。例如，可以使用水、含有乙二醇等的不冻水等作为制冷剂。
制冷剂供应管61连接到燃料电池组10的内部的制冷剂入口，并且制冷剂排放管62连接到燃料电池组10的制冷剂出口。散热器63连接到制冷剂排放管62和制冷剂供应管61。散热器63通过电风扇吹风等冷却从制冷剂排放管62流入其中的制冷剂，并且将制冷剂排放到制冷剂供应管61。制冷剂泵64设置在制冷剂供应管61中并且将制冷剂泵送到燃料电池组10。三通阀65分别调节向散热器63和旁通管66供应的制冷剂的量。
供给装置70连接到设置在存储罐40的下部的供应口和冷却系统60。供给装置70将存储罐40的内部的液态的生成水作为冷却剂发送到冷却系统60。例如，供给装置70是泵。在冷却系统60的内部的压力低于存储罐40的内部的压力的情况下，优选在存储罐40的内部的液态的生成水的温度降低到等于或低于预定温度后，供给装置70将存储罐40内部的液态的生成水作为冷却剂发送到冷却系统60。在此，存储罐40的内部的生成水能够保持为液态供应到冷却系统60。
图2是示出本实施例中的存储罐内部的氮的量、水的状态和水的量之间的关系的示意图。这不是示出气体与液态的生成水的质量比。纵轴指示各物质的量，并且对于氮和水蒸气示出了它们的分压。即，纵轴指示各个气体能够作为气态存在的量。最左侧的柱状图示出了气液分离器36中的状态。从右侧起的三个柱状图示出了存储罐40中的状态。从左侧起的第二个柱状图示出了从气液分离器36刚排放气体和水后的状态。从左侧起的第三个柱状图示出了饱和状态。饱和状态是水与水蒸汽之间建立平衡状态的状态。最右侧的柱状图示出了考虑到潜热的状态。
在对应于最左侧柱状图的气液分离器36的内部的状态下，例如，压力大约是300kPa，并且温度大约是90℃。在对应于从左侧起的第二个柱状图的存储罐40的内部的状态下，例如，压力大约是110kPa，并且温度是90℃。由于从气液分离器36排放了气体和水，氮也排放到外部并且水蒸气也排放到外部。因此，如从左侧起的第二个柱状图中所示，除氮的量外水蒸汽的量也略微减少。由于从气液分离器36排放气体而丢失的气体由从左侧起第二个柱状图上的虚线指示。
在对应于从左侧起的第三个柱状图的存储罐40的内部的状态下，例如，存储罐40内部的压力大约是110kPa并且温度是90℃。在调节存储罐40内部的压力的过程中，第一阀门41打开，使得存储罐40内部的气体被排放并且促进存储在存储罐40中的液态的生成水的蒸发。因此，如交替的长短虚线指示，液态的生成水的量从左侧起的第二个柱状图上的液态的生成水的量减少。由于氮具有小于水蒸气的比重，因此氮比水蒸气更容易排放到存储罐40的外部。因此，存储罐40的内部的水蒸气的比例增加，使得存储罐40在短时间内进入饱和状态。因此这使得抑制水蒸气排放到外部成为可能。
在对应于最右侧的柱状图的存储罐40的内部的状态下，例如，存储罐40内部的压力大约是110kPa并且温度是80℃。由于液态的生成水蒸发时蒸发热被带走，存储罐40的内部的温度降低。因此，饱和蒸气压下降，使得可以抑制液态的生成水的蒸发。此外，由于热传递构件43通过蒸发热促进液态生成水的温度的降低，因此可以进一步抑制液态的生成水的蒸发。结果是，如交替的长短虚线所示，液态的生成水的量小于从左侧起的第二个柱状图上的液态的生成水的量，但如交替的一长两短虚线所示，液态的生成水的量大于从左侧起的第三个柱状图上的液态的生成水的量。
利用根据本实施例上述的燃料电池系统100，通过第一阀门41将存储罐40的内部的压力调节为等于或低于预定压力，预定压力高于存储罐40外部的压力。这使得抑制存储罐40的内部的液态的生成水的蒸发成为可能。因此，在具有压力高于存储罐的外部的压力的存储罐中，具有在存储罐的外部水变成水蒸汽的温度的水能够以液体的状态存在。因此，不使用冷却装置就能将从燃料电池组10排放的水存储为保持液态的水。
此外，由于第一阀门41，存储罐40的内部的压力变为等于或小于在存储罐40中的预期温度范围内能够将存储罐40的内部的生成水的至少部分保持为液态的压力。因此，生成水在存储罐40的内部保持为液态。因此，不使用冷却装置就能将从燃料电池组10排放的水保持液态进行存储。
此外，由于第二阀门，当存储罐40的内部的压力低于存储罐40的外部的压力时，能够将外部空气导入存储罐40。因此，不超过需要的增加存储罐40的耐压性能，可以抑制由于存储罐40的内部的压力变为大大低于存储罐40的外部的压力而导致存储罐40变形的这种情况。
此外，热传递构件43设置在存储罐40的内部。因此，当第一阀门41打开并且热传递构件43上的液态的生成水蒸发时，通过热传递构件43，存储罐40可以将蒸发的潜热传递到位于热传递构件43下面的液态的生成水。因此，可以促进位于热传递构件43下面的液态的生成水的温度的降低。此外，热传递构件43被布置为覆盖液态的生成水的液面的至少一部分。因此，可以抑制从存储罐40的内部的液态的生成水的表面的水的蒸发。
此外，燃料电池系统100包括配置为将存储罐40的内部的液态的生成水作为冷却剂发送到冷却系统60的供给装置70。因此，能够利用液态的生成水作为冷却系统60所用的冷却剂。
B.其他实施例
(B1)在上述实施例中，燃料电池系统100在阴极气体给排系统30中包括存储罐40。然而，本发明不限于此，并且燃料电池系统100可以在阳极气体给排系统50中包括存储罐40。
(B2)在上述实施例中，燃料电池系统100将存储罐40的内部的液态的生成水作为冷却剂供应到冷却系统60。可替代地，燃料电池系统100可以将存储罐40的内部的液态的生成水经过阴极废气管34排放到燃料电池系统100外部。例如，在存储罐40的内部的液态的生成水的温度变为预定温度或更低的情况下，燃料电池系统100将生成水排放到外部。利用这种结构，可以抑制排放到燃料电池系统100的外部的存储罐40的内部的液态的生成水变成水蒸气并且形成白雾的情况。
(B3)在上述实施例中，当存储罐40的内部的压力降低到预定压力时，第二阀门42被配置为打开。可替代地，第二阀门42可以被配置为当存储罐40的内部的压力与存储罐40的外部的压力之间的差值变为预定压力或更多时，打开。
本公开不限于上述实施例并且可在不偏离本公开的要旨的范围内以各种结构实现。例如，对应于发明内容中描述的方面的技术特征的各个实施例的技术特征，能够适当地替代或组合，以便解决上述问题或以便实现上述效果的部分或全部。此外，如果本说明书中的技术特征没有描述为必不可少，则能够适当地删除技术特性。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池组；和
存储罐，将从所述燃料电池组排放的生成水的至少一部分以液态存储在所述存储罐中，其中所述存储罐包括第一阀门，所述第一阀门被配置为将所述存储罐的内部的压力调节为等于或低于预定压力的压力，所述预定压力高于所述存储罐的外部的压力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述预定压力是在所述存储罐中的预期温度范围内将所述存储罐的内部的所述生成水的至少一部分保持为液态的压力。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中所述存储罐包括第二阀门，所述第二阀门被配置为：当所述存储罐的内部的所述压力低于所述存储罐的外部的所述压力时，将外部空气导入所述存储罐。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其中所述存储罐包括设置在所述存储罐的内部的热传递构件，所述热传递构件被配置为漂浮在所述生成水的水面上并且具有的热传导率高于所述生成水的热传导率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，进一步包括：
冷却系统，所述冷却系统被配置为通过冷却剂冷却所述燃料电池组；和
供给装置，所述供给装置被配置为将所述存储罐的内部的所述生成水作为所述冷却剂发送到所述冷却系统。
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