燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种燃料电池系统，搭载于混合动力车、电动车等电动车辆。冷却水从电池组歧管（14）的冷却水入口（22）供给并通过燃料电池组（10）返回到电池组歧管（14）。在电池组歧管（14）背面侧形成有槽，由槽和端子（12）形成冷却水流路，冷却水通过该冷却水流路从冷却水出口（24）排出到外部。冷却水流路从车辆后方朝向车辆前方形成，对端板（16）进行保温，并且将到搭载于车辆前方的散热器的配管长度缩短化。
【专利说明】燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池系统，特别是涉及冷却水流路的结构。
【背景技术】
[0002]利用燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池中，在燃料电池组的单体电池层叠方向的端部设有端板，通过从该端板的散热而在端部产生温度。而且，由于该温度差而在单体电池内产生结露，在端部单体电池流路内积存水而存在发电性能降低的问题。
[0003]下述专利文献I中公开有在夹持多个单体电池而连结的一对压板的至少一方形成供冷却剂流通并对压板进行保温的冷却剂流路。
[0004]专利文献1:(日本)特开2001 - 68141号公报
【发明内容】
[0005]在压板或端板内形成冷却剂流路并对压板或端板进行保温的情况在防止端部单体电池内的结露方面是有效的，但在压板或端板内流通的冷却剂需要供给到散热器等的放热器，因此，需要也考虑至散热器的路径而在压板或端板内形成冷却剂流路。上述现有技术没有从这样的观点出发的研究，由于散热器的搭载位置，冷却剂流路冗长，系统整体的配管长度增大。
[0006]另外，在压板或端板内形成冷却剂流路的情况下，由于冷却剂的导电率，压板或端板与高电压的电池组同电位，因此，在用电池组壳体覆盖压板或端板且搭载在混合动力车、电动车等电动车辆上时，在车辆框架与电池组壳体之间需要确保绝缘，系统的尺寸增大化。
[0007]本发明的目的在于提供一种能够防止单体电池内的结露并且将系统紧凑化的燃料电池系统。
[0008]本发明提供一种燃料电池系统，其特征在于，具备:层叠多个单体电池而成的燃料电池组；设置于所述燃料电池组的层叠方向端部的端子；与所述端子相邻的电池组歧管；及与所述电池组歧管相邻的端板，在所述电池组歧管的与所述端子相对的面形成有槽，由所述槽、所述端子、所述端板形成冷却水的流路，所述冷却水在所述燃料电池组内流通并在所述燃料电池组的外部循环，所述流路形成为在将所述燃料电池组搭载于车辆时使所述冷却水从车辆后方侧向车辆前方侧流动。
[0009]本发明一实施方式中，冷却水流路的下游侧端部贯通所述电池组歧管及所述端板而与形成于所述端板的冷却水出口连接，所述冷却水不与所述端板接触地向端板外排水。
[0010]另外，本发明的其他实施方式中，在所述电池组歧管的与所述端子相对的面沿着所述槽形成有肋。
[0011]另外，本发明的其他实施方式中，在所述电池组歧管形成有阴极气体入口及阴极气体出口，在所述阴极气体入口及所述阴极气体出口中的至少任一方形成调整阴极气体的流量的肋。[0012]另外，本发明其他实施方式中，在所述电池组歧管的端部的与冷却水流路的上游端部高度相同或比冷却水流路的上游端部高的位置形成用于将包含于所述冷却水中的空气排出的孔。
[0013]另外，本发明的其他实施方式中，在所述端板上形成用于将所述冷却水向外部排水的冷却水出口、阴极气体入口、及阴极气体出口，所述冷却水出口、阴极入口、阴极出口形成为在将所述燃料电池组搭载于车辆时集中于车辆前方侧。
[0014]另外，本发明的其他实施方式中，所述系统以如下方式进行搭载，即在搭载于车辆时将所述端板与车辆的框架电连接。将端板与车辆框架电连接的情况除了将端板直接固定在车辆框架的情况以外，也包含将端板经由非绝缘部件(例如电池组框架等)固定在车辆框架的情况。
[0015]根据本发明，由于使冷却完燃料电池组的冷却水在电池组歧管内流通，因此能够抑制端部单体电池的温度降低并抑制端部单体电池的结露引起的发电性能降低。另外，电池组歧管内的冷却水流路从车辆后方朝向车辆前方形成，因此，将到搭载于车辆前方的散热器的配管长度缩短化，将系统紧凑化。另外，根据本发明，冷却水和端板没有直接接触，因此确保了端板的绝缘性。因此，能够使用端板将燃料电池系统与车辆框架电连接，将系统紧凑化。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是实施方式的燃料电池系统的外观立体图；
[0017]图2是实施方式的燃料电池系统的平面图；
[0018]图3是图2的A — A剖面图；
[0019]图4是图2的B — B剖面图；
[0020]图5是实施方式的电池组歧管的外观立体图；
[0021]图6是实施方式的电池组歧管的外观立体图；
[0022]图7是表示实施方式的端部单体电池温度的时间变化的曲线图；
[0023]图8是实施方式的燃料电池系统的配管系说明图；
[0024]图9是实施方式的燃料电池系统的车辆搭载说明图；
[0025]图10是现有系统的车辆搭载说明图；
[0026]图11是其它实施方式的燃料电池系统的外观立体图。
【具体实施方式】
[0027]下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
[0028]图1表示本实施方式的燃料电池系统的外观立体图。燃料电池系统具备层叠多个单电池而构成的燃料电池组10、将由各单体电池发电的电力集电的集电板或端子12、电池组歧管14、及端板16。燃料电池组10及一方的端板和电池组壳体形成为一体,燃料电池组的另一侧的电池组壳体形成为开放端，在该开放端侧设置电池组歧管14及端板16。
[0029]燃料电池组10的外观形成大致长方体形状，以长度方向沿着混合动力车、电动车等电动车辆的左右方向或车宽方向的方式搭载。因此，燃料电池组10的宽度方向以沿着电动车辆的前后方向的方式搭载。图中，与燃料电池组10的关系用箭头表示车辆的前方方向和车辆上方方向。
[0030]电池组歧管14设置于端子12和端板16之间，沿车辆上下方向具备3个冷却水入口 22。未图示的散热器设于车辆前方，来自散热器的冷却水从形成于电池组歧管14的这些冷却水入口 22供给到燃料电池组的单体电池。
[0031]在端板16上设置阴极气体入口 18、阴极气体出口 20、冷却水出口 24、阳极气体入口 26、及阳极气体出口 28。阴极气体18在车辆前方方向及其相反侧的车辆后方方向合计设有2个，但也可以只在车辆前方方向设置I个。阴极气体入口 18、阴极侧出口 20、冷却水出口 24、阳极气体入口 26全部在端板16的车辆前方侧集中设置。另一方面，在端板16的车辆后方侧设置阳极气体出口 28。这样，使气体或冷却水入口 /出口在端板16的车辆前方侧集中是为了确保在端板16安装氢泵、气液分离器、喷射器等辅机类时的安装空间。氢泵等辅机类通过安装在端板16的车辆后方侧，可以实现系统整体的紧凑化。
[0032]另一方面，冷却水从电池组歧管14的冷却水入口 22供给，流通燃料电池组10的单体电池而到达电池组歧管14，流过电池组歧管14内的冷却水流路而从冷却水出口 24排出。
[0033]图2表示从端板16侧观察燃料电池组10的平面图。若着眼于冷却水的流动，则冷却水从电池组歧管14的冷却水入口 22进入，从图中纸面表面侧朝向纸面背面侧供给到燃料电池组10内，通过各单体电池并将各单体电池冷却后，从图中纸面背面侧朝向纸面表面侧而流过单体电池贯通歧管内，并从出口 23流入到电池组歧管14。即，单体电池贯通歧管与出口 23连接，完成单体电池冷却的冷却水流通单体电池贯通歧管并从出口 23排出。在电池组歧管14的背面侧即端子12侧形成有槽及肋25，由电池组歧管14内的槽和端子12构成电池组歧管内冷却水流路。从出口 23流入到电池组歧管14的冷却水即由于冷却完单体电池而具有热量的冷却水沿图中箭头方向即从车辆后方朝向车辆前方流过电池组歧管内冷却水流路，并从冷却水出口 24向电池组歧管14及端板16外排出。
[0034]这样，本实施方式中，不从与单体电池贯通歧管连接的出口 23向外部排出冷却水，而在与出口 23不同的位置设置冷却水出口 24，且将出口 23与冷却水出口 24之间用电池组歧管内冷却水流路连接。电池组歧管内冷却水流路由于从车辆后方朝向车辆前方形成于电池组歧管14内并从集中设置于车辆前方侧的冷却水出口 24排出，因此能够用完成单体电池冷却的冷却水对电池组歧管14及端板16进行保温，能够有效防止端部单体电池的结露。此外，也可以缩短用于将从电池组歧管14及端板16排出的冷却水供给到车辆前方的散热器的配管。
[0035]图3表示图2的A — A剖面图，另外，图4表示图2的B — B剖面图。就燃料电池组10的一侧而言，将端板或压板和电池组壳体一体形成，在另一侧设置电池组歧管14及端板16。在端子12和端板16之间的电池组歧管14沿上下方向形成多个槽，通过用端子12的表面覆盖该槽而构成电池组歧管内冷却水流路30。电池组歧管14内的槽形成于电池组歧管14的端子12侧的面，在端板16侧的面没有形成。因此，电池组歧管内冷却水流路30虽然与端子12接触，但没有与端板16接触，与冷却水的导电性无关地，端板16维持绝缘性。
[0036]另外，如图4所示，在阴极气体入口 18、阴极气体出口 20及冷却水出口 24分别连接有树脂配管32。电池组歧管内冷却水流路30的下游侧端部即车辆前方侧的端部贯通电池组歧管14及端板16而与冷却水出口 24连接，经由树脂配管32向散热器排水。因此，流过电池组歧管14内的冷却水未与端板16接触而从树脂配管32供给到散热器。如图4可知，不只是冷却水出口 24，阴极气体入口 18及阴极气体出口 20也形成与端板16未直接接触的构成。
[0037]图5及图6表示电池组歧管14的外观立体图。图5是从表面侧即端板16侧观察电池组歧管14的立体图。图6是从背面侧即端子12侧观察电池组歧管14的立体图。
[0038]在电池组歧管14设置有阴极气体入口 18、阴极气体出口 20、冷却水入口 22、冷却水出口 24、阳极气体入口 26及阳极气体出口 28。在电池组歧管14的出口 23的附近即电池组歧管内冷却水流路的上游侧端部附近形成有冷却水排气用的孔34，包含于冷却水中的空气从该孔34向外部排出。更详细而言，孔34形成在出口 23的上表面位置即与单体电池贯通歧管的上表面位置相同高度或比其高的位置。
[0039]另外，如图6所示，在电池组歧管14的与端子12相对的面从车辆后方朝向车辆前方形成有槽及肋25，用该槽、肋25及端子12构成电池组歧管内冷却水流路30。槽形成多个，例如图中所示上下形成5个，各槽由肋25划分并从车辆后方朝向车辆前方延伸。多个槽的端部全部与冷却水出口 24连接。肋25具有规定槽并且承受将端板16螺栓固定在燃料电池组10而连结燃料电池组10时的连结载荷的功能。
[0040]在阴极气体入口 18以将入口沿车辆前后方向进行分割的方式沿上下方向形成肋18a。另外，在阴极气体出口 20形成将出口沿上下方向分割并沿车辆前后方向分割的2个肋20a、20b。从阴极气体入口 18供给的阴极气体经由单体电池贯通歧管供给到各单体电池，来自各单体电池的废气经由单体电池贯通歧管从阴极气体出口 20排出，但通过在入口及出口分别设置肋18a、20a、20b，能够调整阴极气体的流动，将单体电池贯通歧管内的阴极气体的流动控制成均一化或希望的流量分配。
[0041]图7表示本实施方式的端部单体电池温度的时间变化。另外，为了对比，也一并表示在电池组歧管14内未形成冷却水流路的情况下的端部单体电池温度的时间变化。图中，曲线a是实施方式，曲线b是比较例。比较例中，端部单体电池温度暂且上升后，利用从端板16的散热逐渐降低下来。与此相对，本实施方式中使完成单体电池冷却的冷却水在电池组歧管14内流通并对端板16进行保温，因此，端部单体电池的温度维持相对高的温度。本实施方式中，通过对端板16进行保温而抑制端部单体电池的温度降低，防止端部单体电池的温度降低引起的结露。因此，端部单体电池的发电性能得到维持。
[0042]图8表示本实施方式的配管系的构成。从冷却水出口 24排出的冷却水通过排水配管100而供给到车辆前方的散热器60。另外，从设于电池组歧管14的车辆后方侧上部的除气用孔34排出的空气通过空气配管200而排气。配管200在合流点P与配管100合流。本实施方式中，合流点P设定在比单体电池出口贯通歧管的上表面的高度位置300高的位置。冷却水的单体电池出口贯通歧管的上表面即图2的出口 23的上表面设定为与燃料电池组的单体电池面的上表面相等，因此，考虑到除气特性时，从燃料电池组排出的冷却水的位置需要设定在比单体电池出口贯通歧管的上表面高的位置，但通过将除气用孔34形成在与单体电池出口贯通歧管的上表面的高度位置相等或比其高的位置且使除气用配管200在比单体电池出口贯通歧管的高度位置300高的位置与排水配管100合流，从而可以在比出口贯通歧管的高度位置300低的位置形成冷却水出口 24。[0043]另外，本实施方式中，使冷却水在电池组歧管14内流通并对端板16进行保温，但由于冷却水没有与端板16直接接触，因此能够将端板16维持在绝缘状态。因此，也简化在车辆上搭载燃料电池系统的情况下的构成。
[0044]图9表示在电动车搭载本实施方式的燃料电池系统的情况下的构成。燃料电池系统搭载于例如车辆的地板下。由于端板16处于绝缘状态，因此可以将端板16直接固定在车辆的电池组框架58上。电池组框架58固定于车辆框架上。换句话说，由于端板16处于绝缘状态，因此直接(未经由其它绝缘材料)与车辆框架电连接。将端板16在车辆的图中表示为在端板16安装有辅机50的状态。辅机50由与电池组壳体分体的辅机罩52覆盖，辅机罩52安装于端板16上。
[0045]另一方面，图10表示不确保端板16的绝缘而端板16与燃料电池组10同电位的情况的构成，由于端板16与燃料电池组10同电位，因此需要将燃料电池组10、端板16、辅机50全部收纳在电池组壳体11内。而且，冷却水出口等经由金属配管52与树脂配管54连接，并在车辆的电池组框架58上固定电池组壳体11。另外，为了确保电池组壳体11和端板16之间的绝缘，由绝缘支架56支承端板16。
[0046]这样，端板16没有绝缘时，不能将端板16与车辆的电池组框架58连接，由于需要在确保电池组壳体11和端板16的绝缘的基础上经由电池组壳体11固定在车辆的电池组框架58上，因此，零件数量增多并且尺寸增大。根据本实施方式，可理解为，能够以简单的构成确保绝缘性并在车辆上搭载，且也能够将尺寸缩小化。
[0047]以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于此，可以进行各种变形。
[0048]例如，本实施方式中设为在电池组歧管14的背面侧形成槽及肋25并利用肋25承受连结载荷的构成，但作为肋25也可以设为沿着槽形成圆状或椭圆状的突起来承受连结载荷的构成。
[0049]另外，如图4所示，本实施方式中，冷却水出口 24、阴极气体入口 18、阴极气体出口20与端板16未直接接触而确保端板16的绝缘性，但优选对于阳极气体入口 26及阳极气体出口 28也同样设为与端板16未直接接触的构成，并将连接配管设为树脂配管。
[0050]另外，如上述，本实施方式中，将阴极气体入口 18如图1所示在端板16的下方侧沿车辆前后方向形成有2个，但也可以只在车辆前方方向仅形成I个。图11表示该情况下的外观立体图。可理解为，在车辆后方侧确保用于将氢泵、气液分离器等辅机类安装在端板16的空间。
[0051]此外，如图6所示，本实施方式中，虽然在阴极气体入口 18及阴极气体出口 20分别形成用于调整阴极气体的流量的肋18a、20a、20b，但也可以只在阴极气体入口 18或只在阴极气体出口 20形成流量调整用的肋。
[0052]标号说明
[0053]10燃料电池组、12端子、14电池组歧管、16端板、18阴极气体入口、20阴极气体出口、22冷却水入口、24冷却水出口、26阳极气体入口、28阳极气体出口、30电池组歧管内冷却水流路。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备: 层叠多个单体电池而成的燃料电池组； 设置于所述燃料电池组的层叠方向端部的端子； 与所述端子相邻的电池组歧管；及 与所述电池组歧管相邻的端板， 在所述电池组歧管的与所述端子相对的面形成有槽， 由所述槽、所述端子、所述端板形成冷却水的流路，所述冷却水在所述燃料电池组内流通并在所述燃料电池组的外部循环， 所述流路形成为在将所述燃料电池组搭载于车辆时使所述冷却水从车辆后方侧向车辆前方侧流动。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 冷却水流路的下游侧端部贯通所述电池组歧管及所述端板而与形成于所述端板的冷却水出口连接， 所述冷却水不与所述端板接触地向端板外排出。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 在所述电池组歧管的与所述端子相对的面沿着所述槽形成有肋。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 在所述电池组歧管形成有阴极气体入口及阴极气体出口， 在所述阴极气体入口及所述阴极气体出口中的至少任一方形成调整阴极气体的流量的肋。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 在所述电池组歧管的端部的与冷却水流路的上游端部高度相同或比冷却水流路的上游端部高的位置形成用于将包含于所述冷却水中的空气排出的孔。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 在所述端板上形成用于将所述冷却水向外部排出的冷却水出口、阴极气体入口、及阴极气体出口， 所述冷却水出口、阴极入口、阴极出口形成为在将所述燃料电池组搭载于车辆时集中于车辆前方侧。
7.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述系统以如下方式进行搭载，即在搭载于车辆时将所述端板与车辆的框架电连接。
【文档编号】H01M8/24GK103563151SQ201180071134
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2011年7月12日 优先权日:2011年7月12日
【发明者】堀田裕, 糸贺道太郎, 武山诚 申请人:丰田自动车株式会社