CN115149032A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明所要解决的问题在于提供一种燃料电池系统，具有多个燃料电池堆，能够以简单的结构使空气难以在冷却水内滞留，并且使相对于各燃料电池堆的冷却水的流量均匀化。为了解决上述问题，提供一种燃料电池系统，具有多个燃料电池堆，所述燃料电池堆中设置有供制冷剂流通的制冷剂流路，其中，多个燃料电池堆在水平方向上并列设置，该燃料电池系统，具有：供给管路，向制冷剂流路分配并供给制冷剂；以及，排出管路，将在制冷剂流路中流通的制冷剂集合并排出；供给管路及排出管路在重力方向上设置于多个燃料电池堆的制冷剂流路的形成范围内。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
以往，已知有使用燃料电池的燃料电池系统。燃料电池系统例如由具有层叠有数十个到数百个电池单体的堆结构的燃料电池堆构成。如果向燃料电池堆的阳极电极供给作为反应气体的氢气，向阴极电极供给作为反应气体的含有氧的空气，则利用电化学反应进行发电。
燃料电池除了上述以外还设置有供冷却水流通的循环路径。冷却水被供给到燃料电池的隔膜之间，借由冷却燃料电池而温度上升，利用以热交换器进行热交换而被冷却，从而再次被供给到燃料电池。在具有循环路径的燃料电池系统中，存在因空气残留在循环路径内而导致的供给水量不足、供给冷却水所需的能量效率降低等问题。因此，提出了一种燃料电池系统的结构，其中，对循环路径中位置相对较高的配管部连接分支管，所述分支管的上端与空气排出容器连接(例如，参照专利文献1)。
[先行技术文献]
(专利文献)
专利文献1：日本特开2003-123805号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
对于专利文献1中公开的燃料电池系统而言，由于将空气排出容器设置在循环路径中相对较高的位置，并且连接在循环路径上，因此存在不仅管路的结构变得复杂，而且需要较大的燃料电池系统的设置空间的问题。另外，现状是并未研究在具有多个燃料电池堆的燃料电池系统中，如何构成循环路径，以使供给到各燃料电池堆的冷却水的流量不产生偏差。
本发明是鉴于上述而完成的，其目的在于提供一种燃料电池系统，具有多个燃料电池堆，能够以简单的结构使空气难以在冷却水内滞留，并且使相对于各燃料电池堆的冷却水的流量均匀化。
[解决问题的技术手段]
(1)本发明涉及一种燃料电池系统，具有多个燃料电池堆，所述燃料电池堆中设置有供制冷剂流通的制冷剂流路，其中，多个前述燃料电池堆在水平方向上并列设置，该燃料电池系统，具有：供给管路，向前述制冷剂流路分配并供给前述制冷剂；以及，排出管路，将在前述制冷剂流路中流通的前述制冷剂集合并排出；前述供给管路及前述排出管路在重力方向上设置于多个前述燃料电池堆的前述制冷剂流路的形成范围内。
根据(1)的发明，能够提供一种燃料电池系统，具有多个燃料电池堆，能够以简单的结构使空气难以在冷却水内滞留，并且使相对于各燃料电池堆的冷却水的流量均匀化。
(2)根据(1)所述的燃料电池系统，其中，前述供给管路从上游侧到下游侧相对于水平方向往下方倾斜，前述排出管路从上游侧到下游侧相对于水平方向往上方倾斜。
根据(2)的发明，能够提供一种燃料电池系统，使空气难以在供给管路及排出管路内滞留。
(3)根据(1)或(2)所述的燃料电池系统，其中，前述供给管路及前述排出管路是从并列设置的多个前述燃料电池堆的一端侧向另一端侧延伸的流路，前述排出管路设置得比前述供给管路更接近多个前述燃料电池。
根据(3)的发明，能够提供维护时等的安全性高的燃料电池系统。
(4)根据(1)至(3)中任一项所述的燃料电池系统，其中，具有：供给侧连接部，连接前述制冷剂流路和前述供给管路；以及，排出侧连接部，连接前述制冷剂流路和前述排出管路；前述供给侧连接部及前述排出侧连接部中的至少一个是可拆卸的连接部。
根据(4)的发明，能够提高燃料电池系统的维护性。
(5)根据(1)所述的燃料电池系统，其中，具有：热交换器，冷却前述制冷剂；以及，连接部，连接前述供给管路的上游侧端部和前述排出管路的下游侧端部；前述连接部设置于前述热交换器内。
根据(5)的发明，使基于制冷剂内的各燃料电池堆的电力消耗的差的溶出离子的差均匀化，且使各燃料电池堆的耐久性均匀化，由此可以获得高耐久性的燃料电池系统1。
(6)根据(5)所述的燃料电池系统，其中，具有多个电力供给系统，所述电力供给系统由在水平方向上并列设置的多个前述燃料电池堆、前述供给管路以及前述排出管路构成，多个前述电力供给系统，在重力方向上并列设置，并设置有连结流路，以将多个前述电力供给系统的前述连接部彼此相互连结。
根据(6)的发明，在多个电力供给系统之间也能够得到与(5)同样的效果，能够提高燃料电池系统的耐久性。
(7)根据(4)所述的燃料电池系统，其中，在前述燃料电池堆的与配置有前述供给侧连接部及前述排出侧连接部的一端侧的面相对向的另一端侧的面上，设置有排出口，以将滞留于前述制冷剂内的气体排出到前述燃料电池堆外，前述排出口在重力方向上设置得比前述供给侧连接部及前述排出侧连接部更靠上方。
根据(7)的发明，可以从燃料电池堆内的制冷剂中优选地去除空气。
(8)根据(6)所述的燃料电池系统，其中，在前述制冷剂流路上设置有补水口，以补充前述制冷剂，前述补水口设置于在重力方向上配置于最上方的前述电力供给系统的前述供给管路或前述排出管路的最上部。
根据(8)的发明，从一个位置补充制冷剂，借此可以排出滞留在供给管路及排出管路内的空气，且将制冷剂供给至燃料电池系统内。
附图说明
图1是绘示本发明的一实施方式的燃料电池系统的简要结构的侧视图。
图2是绘示一实施方式的燃料电池系统的简要结构的俯视图。
图3是绘示一实施方式的电力供给系统的简要结构的侧视图。
图4是绘示一实施方式的燃料电池堆的简要结构的概念图。
图5是绘示一实施方式的燃料电池堆的结构的分解立体图。
图6是绘示一实施方式的燃料电池堆的结构的侧视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。本发明不受以下实施方式的任何限定，在本发明的目的范围内，可以适当变更来实施。
＜燃料电池系统＞
图1是绘示本实施方式的燃料电池系统的简要结构的侧视图。燃料电池系统1具有：发电部10，具有电力供给系统G1和G2；以及，热交换器20，借由对供给至电力供给系统G1和G2的冷却水进行热交换来进行冷却。燃料电池系统1是固定型的系统，例如可以用作应急用电源。
(发电部)
发电部10具有：多个电力供给系统G1和G2；以及，容纳这些系统的容器11。在本实施方式中，尽管多个电力供给系统将在下面描述为两个电力供给系统G1和G2，但是多个电力供给系统也可以是三个或更多个电力供给系统。
(电力供给系统)
电力供给系统G1和G2在重力方向上并列设置。在本实施方式中，电力供给系统G1是在重力方向上设置得比电力供给系统G2更靠上方的电力供给系统。电力供给系统G1和G2构成为分别具有多个燃料电池堆S1～S5及S6～S10。构成各电力供给系统的燃料电池堆的数量不特别限定于上述。电力供给系统G1和G2中的各燃料电池堆S1～S5及S6～S10分别在水平方向上并列设置。各燃料电池堆例如载置在设置于容器11内的架子等上。各燃料电池堆也可以载置在水平维持构件上。而且，容器11也可以载置在隔振装置上。由此，能够将各燃料电池堆的载置状态维持为水平。
电力供给系统G1和G2具有：供给管路，向燃料电池堆内的制冷剂流路分配并供给流通的制冷剂；以及，排出管路，将在制冷剂流路中流通的制冷剂集合并排出。如图1所示，电力供给系统G1具有供给管路L11及排出管路L21，电力供给系统G2具有供给管路L12和排出管路L22。以下，以电力供给系统G1的供给管路L11及排出管路L21为例进行说明，但同样的结构也可以适用于电力供给系统G2。
[供给管路及排出管路]
供给管路L11及排出管路L21是从并列设置的多个燃料电池堆S1～S5的一端侧向另一端侧延伸的流路。即，供给管路L11及排出管路L21沿着并列设置的多个燃料电池堆的同一面配置。如图2所示，供给管路L11及排出管路L21在重力方向即Z方向上配置于多个燃料电池堆S1～S5的制冷剂流路的形成范围内即La内。由此，能够抑制空气滞留在燃料电池堆内，并且能够使供给至各燃料电池堆的制冷剂的流量均匀化。
图3所示的流路Lx、Ly、Lz表示能够配置供给管路L11及排出管路L21的位置。配置有供给管路L11及排出管路L21的位置最优选为Lx，Ly次之，Lz更次之。将供给管路L11及排出管路L21配置在制冷剂流路的形成范围La中且在重力方向上比中央更靠上方，由此能够抑制空气滞留在燃料电池堆内。另外，如图3所示，供给管路L11及排出管路L21优选为从燃料电池堆S5侧到燃料电池堆S1侧且在下方具有任意角度θ的倾斜。由此，能够抑制空气滞留在供给管路及排出管路内。
如图2所示，供给管路L11是从上游侧即燃料电池堆S5侧向下游侧即燃料电池堆S1侧延伸的流路，利用设置于供给管路L11内的泵P对各燃料电池堆供给制冷剂。供给管路L11具有相对于各燃料电池堆分支的分级(tournament)结构。供给管路L11的上游侧在后述的热交换器20内与排出管路L21连通。也可以在供给管路L11的任意位置设置气液分离器12。气液分离器12具有将流入到供给管路L11中的空气排出到外部的功能。气液分离器12优选为设置在多个燃料电池堆中最先启动的燃料电池堆的上游侧，既可以分别设置在各燃料电池堆的后述的供给侧连接部C1附近，也可以设置在最接近热交换器20的燃料电池堆的上游侧。
如图2所示，排出管路L21是从上游侧即燃料电池堆S1侧向下游侧即燃料电池堆S5侧延伸的流路，且是将在各燃料电池堆内流通的制冷剂排出的流路。排出管路L21具有相对于各燃料电池堆分支的分级结构。排出管路L21的下游侧在后述的热交换器20内与供给管路L11连通。可以在供给管路L11及排出管路L21的任意位置设置离子交换器I。离子交换器I除了图2所示的配置以外，也可以在供给管路L11内例如设置1个。
如图2所示，排出管路L21设置在比供给管路L11更接近各燃料电池堆的位置。在排出管路L21中流通的制冷剂的温度比在供给管路L11中流通的制冷剂的温度更高，因此，根据上述结构，将排出管路L21配置在人难以触及的位置，从而能够提高燃料电池系统1的维护等时的安全性。另外，排出管路L21与各燃料电池堆中的热交换器20侧的连接位置连接。由此，能够缩短排出管路L21的流路长度，并能够进一步提高燃料电池系统1的安全性。
优选为供给侧连接部C1及排出侧连接部C2中的至少一个是可拆卸的连接部，所述供给侧连接部C1将供给管路L11与各燃料电池堆的制冷剂流路连接，所述排出侧连接部C2将排出管路L21与各燃料电池堆的制冷剂流路连接。由此，能够从供给管路L11及排出管路L21拆卸各燃料电池堆，能够提高燃料电池系统1的维护性。作为上述可自由拆卸的连接部，可列举例如快速连接器等容易拆卸的连接部。
优选为在供给管路L11或排出管路L21的最上部设置有补水口3。伴随燃料电池系统1的继续使用，在供给管路L11及排出管路L21中循环的水等制冷剂的量减少，需要进行补给，而借由设置具有上述结构的补水口3，能够一边将滞留在供给管路L11及排出管路L21中的空气脱气一边供给制冷剂。补水口3只要设置在供给管路L11或排出管路L21的最上部即可，其他结构没有特别限制。也可以在补水口3与供给管路L11或排出管路L21之间设置离子交换器I。
[燃料电池堆]
下面，使用图4～图6对燃料电池系统1中使用的燃料电池堆的结构进行说明。在以下的说明中，以燃料电池堆S1为例进行说明，但同样的结构也可以适用于其他的燃料电池堆。
图4是表示燃料电池堆S1的简要结构的概念图。燃料电池堆S1具有例如层叠数十个到数百个电池单体的堆结构。各燃料电池单体由一对隔膜141夹持膜电极结构体(Membrane Electrode Assembly,MEA)14而构成。膜电极结构体14例如由阳极电极(负极)和阴极电极(正极)这两个电极、及被这些电极夹持的固体高分子电解质膜构成。如果向形成在阳极电极侧的阳极流路y1供给氢，向形成在阴极电极侧的阴极流路y2供给含有氧的空气，则借由它们的电化学反应进行发电。
在燃料电池堆S1内形成有制冷剂流路13。制冷剂在制冷剂流路13内循环，由此借由热交换燃料电池堆S1被冷却，构成为不超过为了保护燃料电池堆S1而确定的上限温度。供给管路L11及排出管路L21在重力方向即Z方向上配置于燃料电池堆S1的制冷剂流路13的形成范围内即La内。
作为燃料电池堆S1的结构，没有特别限定，例如，如图5所示，具备：具有膜电极结构体14的发电单元、隔热结构15、绝缘体16、密封板161、隔板17、端板18、放气结构(breathing)19。在燃料电池堆S1的内部，制冷剂流路13沿箭头y3的方向流通。
在燃料电池堆S1的配置有供给管路L11及排出管路L21的一侧的一端侧的面上，设置有与制冷剂流路13连通的歧管m1及歧管m2。歧管m1经由供给侧连接部C1与供给管路L11连接。歧管m2经由排出侧连接部C2与排出管路L21连接。
在燃料电池堆S1的与上述一端侧的面相对向的另一端侧的面上，设置有具有排出口m3及排出口m4的自呼吸板19。放气结构19具有如下功能：将滞留在制冷剂流路13中流通的制冷剂内的空气等气体，经由排出口m3及排出口m4排出到燃料电池堆S1的外部。排出口m3和排出口m4与储备箱(reserve tank)(未图示)连接。如图6所示，排出口m3及排出口m4在重力方向即Z方向上设置得比歧管m1及歧管m2更靠上方。由此，能够将滞留在燃料电池堆S1内部的气体借由排出口m3和排出口m4高效地排出到外部。
(热交换器)
热交换器20是用于冷却在供给管路及排出管路中流通的制冷剂的装置。作为热交换器20，没有特别限制，可以列举例如冷却塔、散热器、加热器芯、油冷却器、冷机等。在本实施方式中，热交换器20是图2所示的开放式的冷却塔。如图2所示，热交换器20具备：主体部21、滴下配管22、循环流路L4、及风扇F。
主体部21将在热交换器20中循环的冷却水W存积在下方，并且在内部收纳作为冷却对象的供给管路及排出管路、滴下配管22。如图2所示，电力供给系统G1的供给管路L11的上游侧端部与排出管路L21的下游侧端部借由配置在主体部21内部的连接部Lc1而连接。同样地，电力供给系统G2的供给管路L12的上游侧端部与排出管路L22的下游侧端部借由配置在主体部21的内部的连接部Lc2连接。连接部Lc1以及连接部Lc2没有特别限定，只要是将供给管路和排出管路连接为可供制冷剂流通的结构即可。此外，连接部Lc1及连接部Lc2借由连接流路L3彼此连结。由此，不仅能够使在多个电力供给系统G1和G2的供给管路及排出管路中流通的制冷剂的流量和温度均匀化，而且能够使离子传导率均匀化。各燃料电池堆有时消耗电力产生差异，有时溶出的离子量产生差异。如果冷却水内的离子传导率高，则燃料电池堆的劣化增加，但是根据本实施方式的上述结构，能够使在各燃料电池堆内流动的制冷剂的离子传导率均匀化。由此，各燃料电池堆的耐久性均匀，其结果是能够提高整个燃料电池系统1的耐久性。
滴下配管22在热交换器20的上部沿水平方向延伸设置。滴下配管22与循环流路L4连接，使从循环流路L4供给的冷却水在主体部21的内部向下方滴下。如图2所示，从滴下配管22滴下的冷却水与供给管路及排出管路接触并进行热交换后，落下至主体部21的下部。
循环流路L4将在排出管路L21的冷却中使用后的高温的冷却水W供给至热交换器20的上部。例如如图2所示，循环流路L4从主体部21的下部朝向上部延伸设置。
风扇F设置在热交换器20的上部，借由旋转驱动将外部气体导入热交换器内部。
以上，对本发明所涉及的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，能够进行适当变更。
附图标记
1：燃料电池系统
13：制冷剂流路
20：热交换器
3：补水口
L11、L12：供给管路
L21、L22：排出管路
C1：供给侧连接部
C2：排出侧连接部
Lc1、Lc2：连接部
L3：连结流路
G1、G2：电力供给系统
S1～S10：燃料电池系统

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，具有多个燃料电池堆，所述燃料电池堆中设置有供制冷剂流通的制冷剂流路，该燃料电池系统的特征是，
多个前述燃料电池堆在水平方向上并列设置，
该燃料电池系统，具有：供给管路，向前述制冷剂流路分配并供给前述制冷剂；以及，排出管路，将在前述制冷剂流路中流通的前述制冷剂集合并排出；
前述供给管路及前述排出管路在重力方向上设置于多个前述燃料电池堆的前述制冷剂流路的形成范围内。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，前述供给管路从上游侧到下游侧相对于水平方向往下方倾斜，前述排出管路从上游侧到下游侧相对于水平方向往上方倾斜。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，前述供给管路及前述排出管路是从并列设置的多个前述燃料电池堆的一端侧向另一端侧延伸的流路，前述排出管路设置得比前述供给管路更接近多个前述燃料电池堆。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，具有：供给侧连接部，连接前述制冷剂流路和前述供给管路；以及，排出侧连接部，连接前述制冷剂流路和前述排出管路；
前述供给侧连接部及前述排出侧连接部中的至少一个是可拆卸的连接部。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，具有：热交换器，冷却前述制冷剂；以及，连接部，连接前述供给管路的上游侧端部和前述排出管路的下游侧端部；
前述连接部设置于前述热交换器内。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征是，具有多个电力供给系统，所述电力供给系统由在水平方向上并列设置的多个前述燃料电池堆、前述供给管路以及前述排出管路构成，
多个前述电力供给系统，在重力方向上并列设置，并设置有连结流路，以将多个前述电力供给系统的前述连接部彼此相互连结。
7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征是，在前述燃料电池堆的与配置有前述供给侧连接部及前述排出侧连接部的一端侧的面相对向的另一端侧的面上，设置有排出口，以将滞留于前述制冷剂内的气体排出到前述燃料电池堆外，
前述排出口在重力方向上设置得比前述供给侧连接部及前述排出侧连接部更靠上方。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征是，在前述制冷剂流路上设置有补水口，以补充前述制冷剂，
前述补水口设置于在重力方向上配置于最上方的前述电力供给系统的前述供给管路或前述排出管路的最上部。
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