CN1914758A - 用于燃料电池堆的燃料气体置换装置 - Google Patents

Abstract

提供沿堆叠方向延伸贯通多个电池(1)且用于将燃料气体引入电池(1)的燃料气体供给歧管(4)。提供将燃料气体供给歧管(4)的下游端连接到燃料气体排气歧管(7)的旁路通路(9)，以及用于开启和关闭旁路通路(9)的阀(11)。当开始向燃料气体供给歧管(4)供给燃料气体时，阀(11)开启，从而燃料气体供给歧管(4)中的大部分空气经由旁路通路(9)通过燃料气体的扫气被驱散到外部，而不使该空气经过电池内部。

Description

用于燃料电池堆的燃料气体置换装置

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池堆的燃料气体置换装置，更具体地，涉及一种用于对燃料气体供给歧管内部扫气(scavenge)的技术。

背景技术

JP 09-27334 A公开了一种固体聚合物电解膜型燃料电池。在该燃料电池中，通过将多个单元电池堆叠在一起形成燃料电池堆，每个该单元电池由以下组成：由聚合物离子交换膜构成的电解质；以及分别布置在该电解质每一侧的催化剂电极和多孔碳电极。

发明内容

在燃料电池堆中，用于将燃料气体分配和供给到电池的燃料气体供给歧管形成为沿堆叠方向延伸。在开始发电时，当开始向燃料气体供给歧管供给燃料气体时，原本占据燃料气体供给歧管的大气被燃料气体扫气。在该情况下，燃料气体在被分配和供给到电池的同时，在燃料气体供给歧管内向下游侧前进。因此，紧跟在开始供给燃料气体之后，产生如下状态：燃料气体被引入燃料气体供给歧管上游侧的电池中，而没有燃料气体被引入其下游侧的电池中。当上游侧的电池实现正常的燃料电池发电时，下游侧的发电被延迟，在这时，由于燃料气体不足引起的碳腐蚀，产生放电。

本发明的一个目的是缩短在开始发电之后对燃料气体供给歧管内的大气进行扫气所需的时间，并且限制由于碳腐蚀造成的放电，而这种碳腐蚀在电池的局部是易于发生的。

为了达到上述目的，本发明提供由多个电池堆叠在一起形成的燃料电池堆，其包括：燃料气体供给歧管，其被设置以沿堆叠方向延伸贯通该电池，并适于将燃料气体引导到该电池；燃料气体排气歧管，其被设置以沿堆叠方向延伸贯通该电池，并适于收集从该电池排出的过剩燃料；旁路通路，其将该燃料气体供给歧管的下游端连接到该燃料气体排气歧管；以及阀，其开启和关闭该旁路通路；其中，当开始向该燃料气体供给歧管供给燃料气体时，该阀开启以因此由供给的该燃料气体通过该旁路通路对该燃料气体供给歧管中的大部分空气实行扫气，而不使该空气流经该电池。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的燃料电池堆的分解立体图。

图2是示出扫气时每个电池的电压上升特性的图。

图3是根据本发明第二实施例的燃料电池堆的分解立体图。

图4是根据本发明第三实施例的燃料电池堆的分解立体图。

具体实施方式

下面，将参考附图说明本发明的实施例。

图1是示出相对于堆叠方向在中心附近位置分开的燃料电池堆的图。在图1中，通过把多个单元电池1堆叠在一起形成燃料电池堆，每个单元电池1包括电解质和设置为将该电解质夹在中间的一对催化剂电极。

这里，将概要地说明各电池1中电的产生。阳极侧催化剂电极(燃料电极)接收作为燃料气体的氢的供应，该氢在催化剂电极被电离成氢离子和电子。

氢离子移动到阴极侧催化剂电极(空气电极)，电子通过外部电路流动并移动到阴极侧催化剂电极(空气电极)。向阴极侧催化剂电极(空气电极)供给空气，空气中的氧、已通过电解质移来的氢离子、以及已通过外部电路移来的电子相互反应生成水。作为上述电子通过外部电路移动的结果，电流在与电子的移动方向相反的方向流动，因此使得可以获得电能。

在上述燃料电池堆中，第一端板2和第二端板8被分别布置在燃料电池堆的两端。在该燃料电池堆中形成有沿堆叠方向延伸通过电池1的燃料气体供给歧管4。该燃料气体供给歧管4位于电池1的一端。此外，在燃料气体供给歧管4的相对侧的位置上形成有沿堆叠方向延伸通过电池1的燃料气体排气歧管7。

在各电池1中，形成有在燃料气体供给歧管4和燃料气体排气歧管7之间建立连通关系的燃料气体通道5。该燃料气体通道5布置在各电池1的发电区。从燃料气体供给歧管4供给的用作燃料气体的氢被分配和供给到燃料气体通道5，用于各电池1中的发电反应。氢的未用于发电反应的部分被排入燃料气体排气歧管7。

燃料气体供给口3开在第一端板2中，并与燃料气体供给歧管4连接。此外，燃料气体排气口6开在第一端板2中，并与燃料气体排气歧管7连接。

从燃料气体供给口3引入的燃料气体从燃料气体供给歧管4分配到电池1的燃料气体通道5，过剩的燃料气体通过燃料气体排气歧管7和燃料气体排气口6排出到外部。

在燃料电池堆中还设置有延伸通过电池1的以下部件：歧管14，其用于供给发电反应所需的空气；空气排气歧管15；冷却水供给歧管16，其循环用于冷却由于发电反应而温度上升的燃料电池堆的冷却水；以及冷却水排出歧管17。

顺便提及，当开始用燃料电池发电时，需要对已在发电停止期间进入燃料气体供给歧管的大气(空气)进行扫气。在燃料电池的发电停止期间，允许大气在该期间进入燃料气体供给歧管4，则随着时间的推移该歧管4的内部充满大气。直到燃料气体供给歧管4中的所有大气被燃料气体代替，才获得正常的发电状态。因此，为了对燃料气体供给歧管4中的大气进行扫气，采用以下构造。

在燃料电池堆的第二端板8中形成有贯通口4a，该贯通口4a连接到燃料气体供给歧管4的下游端。

燃料电池堆具有延伸贯通电池1的、与燃料气体排气歧管7独立并且与燃料气体排气歧管7平行的旁路排气通路10。在第二端板8中形成有连接到旁路排气通路10的贯通口10a。

旁路排气通路10的另一端与燃料气体排气歧管7一起连接到设置在第一端板2中的燃料气体排气口6。

此外，设置有旁路管9，用于在与燃料气体供给歧管4相通的贯通口4a和与旁路排气通路10相通的贯通口10a之间建立连通关系。

换句话说，由布置在燃料电池堆外部的旁路管9在燃料气体供给歧管4的下游端和旁路排气通路10的上游端之间建立连通关系。在旁路管9的大约中点处设置有常闭型电磁阀11。

旁路管9和旁路排气通路10组成本实施例的旁路通路。

旁路排气通路10和旁路管9的最小通路截面积被设置成在电磁阀11闭合的燃料电池正常运行期间，可使流过旁路排气通路10和旁路管9的燃料气体的量不少于流过电池1的燃料气体通道5的燃料气体的总量。结果，可将供给到燃料气体供给口3的全部燃料气体经过旁路通路直接引导到燃料气体排气口6，而不使该燃料气体流经电池1的燃料气体通道5。

为此，应当布置为使以下公式有效： $D\≥d\×\sqrt{N};$ 其中，D是旁路排气通路10和旁路管9的直径，d是每个燃料气体通道5的直径，N是全部电池1的燃料气体通道5的总数量(电池数量乘以每个单元电池的通道数量)。

为了控制电磁阀11的开启和关闭，设置了控制器12。为使燃料电池开始发电，当开始向燃料电池堆供给燃料气体时，控制器12使电磁阀11保持开启预定的时间段。

当电磁阀11开启时，燃料气体供给歧管4的下游端通过旁路管9和旁路排气通路10连接到燃料气体排气口6，这也可以保证用于将燃料气体供给歧管4中的大气驱散到外部的路径，而不使该大气流经燃料气体通道5。设置在电池1中的每个燃料气体通道5的通道截面积比旁路管9和旁路排气通路10的通道截面积小得多，这就意味着，燃料气体通道5对气流起着很大阻力。因此，当电磁阀11开启时，燃料气体供给歧管4中的燃料气体不从有很大流动阻力的燃料气体通道5流过，大部分大气从旁路管9和旁路排气通路10流过。

因此，通过在开始供给燃料气体时保持电磁阀11开启，由燃料气体驱散在燃料电池停止发电期间充满燃料气体供给歧管4内部的大气，因此，在很短的时间完成置换和扫气行为。

因此，预先存储上述预定的时间段，作为在电磁阀11开启时由燃料气体置换燃料气体供给歧管4中的大气所需且足够的时间。当该预定的时间段流逝后，判断为燃料气体供给歧管4内部的扫气已经完成，燃料气体供给歧管4充满燃料气体，并且电磁阀11由控制器12关闭。

在该情况下，燃料气体供给歧管4中的燃料经由电池1的燃料气体通道5被排入燃料气体排气歧管7。

如果没有设置旁路管9和旁路排气通路10，当开始供给燃料气体时，供给到燃料气体供给歧管4的燃料气体将在被从上游通道开始相继分配和供给到燃料气体通道的同时流经燃料气体供给歧管4，所以需要时间来对燃料气体供给歧管4内聚集的大气完全地扫气。因此，如图2所示，在完成扫气以前，在上游侧电池1中，通过供给燃料气体实现燃料电池的正常发电(电池电压上升)，而在下游侧电池1中，由于燃料气体供给的延迟，发电行为延迟，此外，由于燃料气体不足引起的碳腐蚀，有可能产生放电。

相反，在本发明中，当开始供给燃料气体时，通过旁路管9和旁路排气通路10，使得燃料气体供给歧管4的下游端与燃料气体排气口6直接相通，所以，在很短的时间内完成扫气，由此可将下游侧电池的电压上升相对于上游侧电池的电压上升的延迟减少到足够小，从而避免由碳腐蚀造成的放电。

此外，在扫气完成之后，电磁阀11关闭，由此可将来自燃料气体供给歧管4的燃料气体分配和供给到电池1的燃料气体通道5。

下面，将参考图3说明另一实施例。

在本实施例中，在第二端板8上形成有连接到燃料气体排气歧管7的上游端的贯通口7a，旁路管9的一端连接到贯通口7a。如上面的实施例中，电磁阀11设置在旁路管9的大约中点处。

在该情况下，没有设置第一实施例的旁路排气通路10。作为代替，使用燃料气体排气歧管7。

因此，通过在开始供给燃料气体时打开电磁阀11，燃料气体供给歧管4中的大气通过经由旁路管9和燃料气体排气歧管7的扫气操作被驱散到外部，因此在短时间内完成燃料气体的置换。

作为在燃料电池堆外部设置旁路管9的代替，也可以在第二端板8的内侧以凹槽的形式形成旁路通路，通过该旁路通路在燃料气体供给歧管4和燃料气体排气歧管7(或者图1的燃料气体排气通路10)之间建立连通关系。

接着，将参考图4说明又一实施例。

在该实施例中，控制器12关闭电磁阀11的定时变得更加准确。

在图4所示的结构中，图1的结构额外设置了用于检测燃料气体供给歧管4下游侧的电池1中电压的电压传感器21，基于来自电压传感器21的检测信号控制由控制器12关闭电磁阀11的定时。

在开始供给燃料气体、完成对燃料气体供给歧管4中的大气的扫气时，且当燃料气体供给歧管4的内部充满燃料气体时，燃料气体也被引入在燃料气体供给歧管4下游侧的电池1，结果下游侧电池中的电压上升。

控制器12与燃料气体供给的开始同时开启电磁阀11，其后，当燃料气体供给歧管4下游侧的电池1中的电压超过预设阈值时关闭电磁阀11。在该结构中，当燃料气体供给歧管4的扫气完成时且当检测到燃料气体也被引入燃料气体供给歧管4下游侧的电池1时，电磁阀11关闭。因此，即使当在燃料电池停止发电之后不久进行重启(即，热重启时)，换句话说，即使在燃料气体供给歧管4中的气体还没有被大气置换的状态下重启时，或者在该气体正在被大气置换的同时重启时，依然可以使电磁阀11精确地开启必要的时间段，使得能在短时间内可靠地完成扫气而不包括转换到正常操作状态的任何延迟。

在图1的结构中，当从开始供给燃料气体起经过预定时间段之后关闭电磁阀11时，可以基于从上次操作停止已经过的时间长度、燃料电池的温度等判断是否是热重启，因此依据该判断结果影响该预定时间段的变量设置。例如，在燃料电池重启前的时间段越短，进入(broken into)燃料气体供给歧管4的大气量越少，所以可缩短上述扫气所需的预定时间段。

本发明并不限于上述实施例，而是允许本领域技术人员基于权利要求中公开的技术思想作出各种可能的改进和修改。

工业应用性

用于本发明的燃料电池堆的燃料气体置换设备能应用于车辆燃料电池等。

Claims (7)

1.一种燃料电池堆，由多个电池(1)堆叠在一起而形成，其包括：

燃料气体供给歧管(4)，其被设置为沿堆叠方向延伸贯通所述电池(1)，用于将燃料气体引导到所述电池(1)；

燃料气体排气歧管(7)，其被设置为沿堆叠方向延伸贯通所述电池(1)，用于收集从所述电池(1)排出的过剩燃料；

旁路通路(9)，其将所述燃料气体供给歧管(4)的下游端连接到所述燃料气体排气歧管(7)；以及

阀(11)，其开启和关闭所述旁路通路(9)，

其中，当开始向所述燃料气体供给歧管(4)供给燃料气体时，所述阀(11)开启从而由供给的所述燃料气体通过所述旁路通路(9)对所述燃料气体供给歧管(4)中的大部分空气进行扫气，而不使所述空气流经所述电池(1)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述旁路通路(9)连接到所述燃料气体排气歧管(7)的上游端。

3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，所述旁路通路(9)连接到所述燃料气体排气歧管(7)的下游端。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，将所述旁路通路(9)形成为具有足以允许不少于流经所述电池(1)的燃料气体的总量的燃料气体流动的通路面积。

5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆还包括分别布置在堆叠在一起的所述电池(1)两端的一对端板(2)和(8)，

所述旁路通路(9)设置在位于所述燃料气体供给歧管(4)的下游端的所述端板(8)中。

6.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆还包括控制所述阀(11)的开启和关闭的控制器(12)，所述控制器(12)在对所述燃料气体供给歧管(4)中的所述空气进行扫气所需的时间段内保持所述阀(11)开启。

7.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其特征在于，该燃料电池堆还包括电压传感器(21)，该电压传感器(21)检测所述燃料气体供给歧管(4)下游侧的所述电池(1)的电压，

所述控制器(12)从开始向所述燃料气体供给歧管(4)供给燃料气体起保持所述阀(11)开启，直到由所述电压传感器(21)检测的电压达到预定电压。

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