专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含通过反应用气体的电化学反应来进行发电的燃料电池的燃料电池系统，特别涉及对具备对反应用气体进行加湿的加湿器的燃料电池系统的改良。
背景技术：
作为以往的燃料电池系统，例如存在如专利文献I所记载的那样具备以下部件的燃料电池系统燃料电池，其通过反应用气体的电化学反应来进行发电；加湿器，其用于对提供给燃料电池的正极气体进行加湿；以及排气线和排气分流线，该排气线和排气分流线将燃料电池所排出的正极排气排出到外部。排气线经由加湿器，在将排出气体所包含的水分供给到加湿器之后通至外部。另夕卜，排气分流线从排气线分支，不经由加湿器地通至外部。由此，为了适当地调节提供给加 湿器的正极排气的水分，使正极排气的一部分分流。专利文献I :日本特开2007-220497号公报
发明内容
发明要解决的问题另外，在这种燃料电池系统中，使用负极气体(氢)和正极气体(空气)作为反应用气体，而由于空气中的氧浓度为16%左右，因此为了确保氧的物质量，需要使正极气体的配管系统比负极气体的配管系统口径大。但是，在如上所述的以往的燃料电池系统中，特别是正极气体的配管系统为具备排气线和从该排气线分支的排气分流线的结构，因此在燃料电池与加湿器之间会存在大口径的分支管，由此存在难以使系统构造小型化的问题，本发明的课题在于解决这种问题。本发明是着眼于上述以往的课题而完成的，其目的在于提供一种特别是具备对反应用气体进行加湿的加湿器的、能够实现系统构造的小型化的燃料电池系统。
_9] 用于解决问题的方案本发明的燃料电池系统具备燃料电池，其通过反应用气体的电化学反应来进行发电；气体供给路径，其向燃料电池供给反应用气体；以及加湿器，其用于对在气体供给路径中流通的反应用气体进行加湿。上述燃料电池具备分别独立的第一气体排出口和第二气体排出口来作为排出气体的出口。而且，燃料电池系统构成为具备从燃料电池的第一气体排出口经由加湿器通至外部的第一气体排出流路以及从燃料电池的另外的第二气体排出口通至外部的第二气体排出流路，并且具备针对第一气体排出流路和第二气体排出流路中的至少一个控制排出气体的流量的流量控制单元，将上述结构作为用于解决以往的课题的手段。发明的效果根据本发明的燃料电池系统，特别是在具备用于对反应用气体进行加湿的加湿器的燃料电池系统中，能够将燃料电池与加湿器之间缩短，从而实现系统构造的小型化。
图I是表示本发明的燃料电池系统的一个实施方式的框图。图2是说明单位电池的部分剖视状态的平面图。图3是说明燃料电池的反应用气体的流动的平面图。图4是说明燃料电池的立体图。图5是从背面侧观察图4所示的燃料电池得到的立体图。图6是表示本发明的燃料电池系统的其它实施方式的框图。图7是表示本发明的燃料电池系统的另一实施方式的框图。 图8是表示本发明的燃料电池系统的另一实施方式的框图。图9是表示本发明的燃料电池系统的另一实施方式的框图。
具体实施例方式下面，基于附图来说明本发明所涉及的燃料电池系统的实施方式。图I所示的燃料电池系统具备燃料电池1，其通过反应用气体的电化学反应来进行发电；气体供给路径2，其向燃料电池I供给反应用气体；以及加湿器3，其用于加湿在气体供给路径2中流通的反应用气体。另外，燃料电池系统具备第一气体排出流路4A，其从燃料电池I的第一气体排出口 IA经由加湿器2通至外部；以及第二气体排出流路4B，其从燃料电池I的另外的第二气体排出口 IB通至外部。而且，燃料电池系统具备流量控制单元(5)，该流量控制单元(5)针对第一气体排出流路4A和第二气体排出流路4B中的至少一个流路控制排出气体(排气)的流量。燃料电池I层叠多个图2所示的单位电池C，来构成图3所示的燃料电池堆S，并且，如图4和图5中也有所示出的那样，在燃料电池堆S的层叠方向的两侧，隔着集电板6A、6B固定有端板7A、7B。单位电池C具备膜电极结构体32，其在图2所示的例中呈长方形状，在其周围成一体地具有树脂制的框架31 ;以及金属制的隔离件33，其夹持框架31和膜电极结构体32。该单位电池C使作为反应用气体的负极气体(氢)在膜电极结构体32的燃料极(负极)与隔离件33之间流通。另外，使作为反应用气体的正极气体(空气)在膜电极结构体32的空气极(正极)与隔离件33之间流通。并且，在层叠多个单位电池C来构成燃料电池堆S的状态下，使冷却用流体在相邻的隔离件33、33之间流通。图示的单位电池C在一个短边侧形成有正极气体(空气)的入口歧管Ml、冷却用流体的入口歧管M2以及负极气体(氢)的出口歧管M3。另外，在另一个短边侧形成有负极气体的入口歧管M4、冷却用流体的出口歧管M5以及正极气体的出口歧管M6。由此，燃料电池I从外部向单位电池C的层叠方向导入反应用气体和冷却用流体，并且在各单位电池C中使反应用气体和冷却用流体沿长边方向流通。在此，正如图3中特别示出正极气体的流动那样，燃料电池I从一个端板7A侧导入正极气体，通过入口歧管Ml向各单位电池C供给正极气体。正极气体的入口歧管Ml在另一个端板7B侧被堵塞。而且，燃料电池I要将正极气体的排出气体送出到外部，正极气体的出口歧管M6到达两侧的端板7A、7B，如图4和图5中也有所示出的那样，形成分别独立的第一气体排出口 IA和第二气体排出口 1B。S卩，图I所示的燃料电池系统具备上述燃料电池1，其包含燃料电池堆S ;气体供给路径2，其向燃料电池I供给作为反应用气体的正极气体(空气)；以及加湿器3，其配置于上述气体供给路径2以加湿在气体供给路径2中流通的正极气体。气体供给路径2如图3所示那样从燃料电池堆S的层叠方向的一端侧(图中左侧)对燃料电池I供给正极气体。该气体供给路径2上设置有压缩机8，该压缩机8用于向燃料电池I加压供给正极气体。另外，燃料电池系统具备上述第一气体排出流路4A和第二气体排出流路4B作为正极气体的排出路径，在第一气体排出流路4A中具备流量控制单元(5)，该流量控制单元
(5)控制排出气体(反应后的正极排气)的流量。此时，上述第一气体排出流路4A相对于燃料电池I从如图3所示那样设置于燃料电池堆S的层叠方向的一端侧(正极气体的供给侦 的第一气体排出口 IA经由加湿器3通至外部。上述第二气体排出流路4Β相对于燃料 电池I从同样如图3所示那样设置于燃料电池堆S的层叠方向的另一端侧的第二气体排出口 IB通至外部。更具体地说，第一气体排出流路4Α从设置于燃料电池I的第一气体排出口 IA经由加湿器3，将排出气体所包含的水分(水蒸气)供给到加湿器3，经过流量控制单元(5)而通至外部。第二气体排出流路4Β将燃料电池I的第二气体排出口 IB与第一气体排出流路4Α的流量控制单元5的下游侧之间进行连接而通至外部。本实施方式的流量控制单元是流量控制阀5，能够在从全开到全闭之间无阶梯地调节流量。而且，燃料电池系统如上所述那样只在第一气体排出流路4Α上设置流量控制阀5，从而使得作为设置流量控制阀5的一个流路的第一气体排出流路4Α的压力损失低于作为另一个流路的第二气体排出流路4Β的压力损失。因此，第二气体排出流路4Β这一个压力损失大。由此，在燃料电池系统中，在使流量控制阀5全开的状态下，第一气体排出流路4Α的每单位时间的流量多，第二气体排出流路4Β的每单位时间的流量少。此外，图I中仅示出了正极气体的流通路径，但是燃料电池系统当然也具备负极气体和冷却用流体各自的流通路径。具备上述结构的燃料电池系统向燃料电池I导入负极气体和正极气体，此时，利用加湿器3来加湿正极气体并导入，在燃料电池I中通过电化学反应来进行发电。另外，燃料电池系统使燃料电池I的排出气体分别在第一气体排出流路4Α和第二气体排出流路4Β中流动,将该排出气体所包含的水分供给到加湿器3，将该排出气体排出到外部。此时，燃料电池系统能够通过调整流量控制阀5的开度来控制通过加湿器3的排出气体的流量，从而调整导入到燃料电池I的正极气体的加湿量。例如，在大气的湿度高的情况下，利用流量控制阀5来减少通过加湿器3的排出气体的流量或使该流量为零，来减少正极气体的加湿量。另外，在燃料电池系统中，设置有流量控制阀5的第一气体排出流路4Α的压力损失低于第二气体排出流路4Β的压力损失，因此仅通过调整流量控制阀5的开度就能够改变通过加湿器3的排出气体的流量来调整正极气体的加湿量。即，只要将第一气体排出流路4Α和第二气体排出流路4Β的压力损失比设计成即使在使流量控制阀5全开或全闭的状态下也会在第一气体排出流路4Α和第二气体排出流路4Β中流通期望量的排出气体即可。
上述燃料电池系统不仅具备原本的发电功能、正极气体的加湿量的调整功能，而且构成为燃料电池I与加湿器3之间完全不存在分支管、阀等的简单结构，从而能够将燃料电池I与加湿器3之间缩短，来实现系统构造的小型化。另外，上述燃料电池系统例如装载在汽车等车辆上，在这种情况下，如前所述，需要使正极气体的配管系统为大口径，具体地说，要使用口径超过50mm的配管。因此，在燃料电池I与加湿器3之间存在支管等这样的系统中，双方之间需要充分大于配管的口径的空间。与之相对地，本燃料电池系统能够将燃料电池I与加湿器3之间缩短，因此非常适于装载空间有限的车辆用的系统。在此，在上述燃料电池系统中，作为更优选的实施方式，能够构成为以下结构反应用气体是正极气体，燃料电池堆(燃料电池l)s与加湿器3之间的距离比上述第一气体排出流路4A的直径短。由此，除了实现系统构造的小型化以外，还能够有助于提高加湿器3的性能。即，在加湿器3中，例如通过中空线来进行水分交换(加湿)，该水分交换是利用排出气体(正·极排气)中的水蒸气来进行的，已变成水分的冷凝水是无法完成交换的。因此，如上所述，只要减小燃料电池堆S与加湿器3之间的距离，就能够将从燃料电池堆S导入到加湿器3的排出气体的温度降低抑制得较低，从而能够充分确保导入到加湿器3的水蒸气量(降低冷凝水的量)，来提高水分交换率。并且，在上述燃料电池系统中，第一气体排出口 IA和第二气体排出口 IB处于燃料电池堆S的层叠方向的一端侧和另一端侧这两个位置，因此，燃料电池堆S内的正极气体的配流偏差会根据从哪个排出口 1A、1B将排出气体排出而发生变化。例如，在从其中一侧(加湿器3侧)的第一排出口 IA和排出流路4A将排出气体排出的情况下，大量正极气体流向接近加湿器3 —侧的单位电池C，而不流向另一侧。此时，在另一侧，排出气体的流速变小，因此水难以被排出。但是，在上述燃料电池系统中，能够通过切换排出气体的排出流路4A、4B来良好地将水排出。图6、是表示本发明的燃料电池系统的其它四个例的实施方式的图。此外，对与之前的实施方式相同的结构部位附加相同的标记，省略详细的说明。图6所示的燃料电池系统构成为以下的结构在第一气体排出流路4A和第二气体排出流路4B中的某一个流路上设置流量控制单元(5)，设置有上述流量控制单元(5)的一个流路的直径比另一个流路的直径大。更具体地说，图示的燃料电池系统构成为以下的结构在作为一个流路的第一气体排出流路4A上设置作为流量控制单元的流量控制阀5，使第一气体排出流路4A的直径比作为另一个流路的第二气体排出流路4B (另一个流路)的直径大。由此，燃料电池系统构成为以下的结构第一气体排出流路4A的压力损失比第二气体排出流路4B的压力损失低。图7所不的燃料电池系统在第一气体排出流路4A和第二气体排出流路4B的双方上设置有流量控制单元(5、15)。作为一个流路的第一气体排出流路4A上设置的流量控制单元(5)是流量控制阀5。另外，作为另一个流路的第二气体排出流路4B上设置的流量控制单元(15)是节流孔(orifice) 15。由此，燃料电池系统构成为以下的结构第一气体排出流路4A的压力损失比第二气体排出流路4B的压力损失低。图8所示的燃料电池系统构成为以下的结构在第一气体排出流路4A和第二气体排出流路4B的双方上设置有流量控制单元(5、5)，上述流量控制单元都是流量控制阀5、5。上述图6 图8所示的各燃料电池系统与之前的实施方式同样地，能够通过对流量控制阀5的开度进行调整来控制通过加湿器3的排出气体的流量，从而调整正极气体的加湿量。而且，各燃料电池系统与之前的实施方式同样地能够将燃料电池I与加湿器3之间缩短，来实现系统构造的小型化。特别是图6所示的燃料电池系统使用直径小的配管作为第二气体排出流路4B，由此能够有助于系统构造的进一步小型化。另外，图7所示的燃料电池系统不仅使用共同的配管作为第一气体排出流路4A和第二气体排出流路4B，而且能够通过选择节流孔15的口径来设定期望的压力损失比。并且，图8所示的燃料电池系统在第一气体排出流路4A和第二的气体排出流路4B的双方上设置流量控制阀5，因此能够进行更高精确度的流量控制。在图f图8所示的各实施方式中，示出了只在第一气体排出流路4A上设置流量控制单元的结构、在第一气体排出流路4A和第二的气体排出流路4B的双方上设置流量控 制单元的结构。与之相对地，图9所示的燃料电池系统为只在第二气体排出流路4B上设置作为流量控制单元的流量控制阀5的结构。在这种情况下，燃料电池系统能够与之前的各实施方式的结构相反地构成为第一气体排出流路4A的压力损失比第二气体排出流路4B的压力损失高的结构，例如，能够减小第一气体排出流路4A的直径，或者在第一气体排出流路4A上设置节流孔(15)。在上述燃料电池系统中，也能够通过调整流量控制阀5的开度来改变通过加湿器3的排出气体的流量，从而调整正极气体的加湿量，并且，与之前的实施方式同样地，能够将燃料电池I与加湿器3之间缩短，来实现系统构造的小型化。此外，本发明的燃料电池系统的结构并不限定于上述各实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内能够适当变更结构的细节。另外，在上述各实施方式中，说明了在作为反应用气体的正极气体的流通路径上设置加湿器3、第一气体排出流路4A和第二的气体排出流路4B以及流量控制单元等各结构的情况。这些结构也能够设置在作为反应用气体的负极气体的流通路径上，但是如前所述，需要使正极气体的配管系统的口径比负极气体的配管系统大，因此在实现系统构造的小型化这一点上，设置在正极气体的流通路径上更加理
本巨
ο附图标记说明I :燃料电池；1A :第一气体排出口；IB :第二气体排出口；2 :气体供给路径；3 :力口湿器；4A:第一气体排出流路；4B:第二气体排出流路；5:流量控制阀(流量控制单元)；
15:节流孔(流量控制单元);C :单位电池；S :燃料电池堆。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备 燃料电池，其通过反应用气体的电化学反应来进行发电； 气体供给路径，其向燃料电池供给反应用气体； 加湿器，其用于加湿在气体供给路径中流通的反应用气体； 第一气体排出流路，其从燃料电池的第一气体排出口经由加湿器通至外部；以及 第二气体排出流路，其从燃料电池的第二气体排出口通至外部， 并且，该燃料电池系统还具备流量控制单元，该流量控制单元针对第一气体排出流路和第二气体排出流路中的至少一个控制排出气体的流量。
2.一种燃料电池系统，其特征在于，具备 燃料电池堆，其是层叠多个单位电池而形成的，该单位电池通过反应用气体的电化学反应来进行发电； 气体供给路径，其从燃料电池堆的层叠方向的一端侧供给反应用气体； 加湿器，其配置于上述气体供给路径，以用于加湿在气体供给路径中流通的反应用气体； 第一气体排出流路，其从设置于燃料电池堆的层叠方向的一端侧的第一气体排出口经由上述加湿器通至外部；以及 第二气体排出流路，其从设置于燃料电池堆的层叠方向的另一端侧的第二气体排出口通至外部， 并且，该燃料电池系统还具备流量控制单元，该流量控制单元针对第一气体排出流路和第二气体排出流路中的至少一个控制排出气体的流量。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于， 反应用气体是正极气体，燃料电池堆与加湿器之间的距离比上述第一气体排出流路的直径短。
4.根据权利要求广3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 在上述第一气体排出流路和上述第二气体排出流路中的某一个流路上设置上述流量控制单元， 设置上述流量控制单元的一个流路的压力损失比另一个流路的压力损失低。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于， 在上述第一气体排出流路和上述第二气体排出流路中的某一个流路上设置上述流量控制单元， 设置上述流量控制单元的一个流路的直径比另一个流路的直径大。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于， 在上述第一气体排出流路和上述第二气体排出流路上均设置上述流量控制单元， 其中一个流路上设置的流量控制单元是流量控制阀， 另一个流路上设置的流量控制单元是节流孔。
7.根据权利要求广3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 在上述第一气体排出流路和上述第二气体排出流路上均设置上述流量控制单元，流量控制单元都是流量控制阀。
全文摘要
在以往的燃料电池系统中，正极气体的配管系统为具备从排气线分支的排气分流线的结构，因此存在难以使系统构造小型化的问题。本发明的燃料电池系统具备燃料电池(1)；气体供给路径(2)，其向燃料电池(1)供给反应用气体；加湿器(3)，其用于加湿反应用气体；第一气体排出流路(4A)，其从燃料电池(1)的第一气体排出口(1A)经由加湿器(3)通至外部；以及第二气体排出流路(4B)，其从燃料电池(1)的第二气体排出口(1B)通至外部，并且，该燃料电池系统还具备流量控制单元(5)，该流量控制单元(5)针对第一气体排出流路(4A)和第二气体排出流路(4B)中的至少一个控制排出气体的流量，通过设为上述燃料电池系统，来将燃料电池(1)与加湿器(3)之间缩短，从而实现系统构造的小型化。
文档编号H01M8/10GK102986072SQ201180030959
公开日2013年3月20日 申请日期2011年6月21日 优先权日2010年6月23日
发明者长田贵仁, 池添圭吾, 筑后隼人 申请人:日产自动车株式会社