燃料电池系统的制作方法

本公开涉及具有燃料电池和用于冷却燃料电池的冷却装置的燃料电池系统，所述燃料电池利用氢与氧(空气)的化学反应进行发电。

背景技术：

以往，开发了各种具备燃料电池的燃料电池系统，所述燃料电池利用氢与氧(空气)的化学反应进行发电。在燃料电池中，由于发电时的化学反应而产生水分及热。燃料电池为了发电效率而需要维持在一定的温度(例如80℃左右)，并经由水等热介质将发电时产生的热从散热器向大气放出。

作为与这种燃料电池系统相关的技术，已知在日本特开2001-313054中记载的技术。日本特开2001-313054所记载的燃料电池系统构成为：利用气液分离器回收在燃料电池的化学反应中产生的水，并通过泵的工作将回收的水向散热器散布。该燃料电池系统利用散布到散热器的水的蒸发潜热而使散热器的冷却性能提高。

然而，在日本特开2001-313054所记载的燃料电池系统中，需要用于向散热器送出水的泵等，从而导致装置大型化。

技术实现要素：

本公开鉴于上述点，在具有用于冷却燃料电池的冷却装置的燃料电池系统中实现小型化。

本公开的一个方式提供燃料电池系统。该燃料电池系统具备：燃料电池，所述燃料电池使氢与空气中包含的氧发生电化学反应；空气排出通路，所述空气排出通路构成为将空气排气从燃料电池排出，所述空气排气包含未用于电化学反应的未反应氧；背压调整阀，所述背压调整阀设置于空气排出通路，并构成为调整空气排气的压力；冷却装置，所述冷却装置构成为通过使用热介质进行热交换来冷却燃料电池；储水部，所述储水部构成为储存水；高压导入路，所述高压导入路将空气排出通路的比背压调整阀靠空气流动方向的上游侧的部位与储水部连接；及散布装置，所述散布装置构成为向冷却装置散布储水部的水。散布装置构成为向冷却装置散布由空气排气的压力压送的储水部的水。

由此，能够利用燃料电池的空气排气的压力向水散布用通路压送储水部内的水并向冷却装置散布。因此，不需要用于向冷却装置送出水的泵等，能够使燃料电池系统小型化。

另外，在燃料电池的空气背压变高的情况下，可认为燃料电池的温度变高，冷却燃料电池的必要性变高。因此，通过利用燃料电池的空气排气的压力向冷却装置散布水，从而能够适当地冷却燃料电池。

也可以是，在所述燃料电池系统中，所述散布装置包括水散布用通路和水散布控制阀，所述水散布用通路构成为供从所述储水部向所述冷却装置供给的水通过，所述水散布控制阀设置于所述水散布用通路，并构成为通过进行开闭来控制水向所述冷却装置的散布。

也可以是，在所述燃料电池系统中，所述水散布控制阀在从所述储水部供给到所述水散布用通路的水的压力超过规定压力的情况下开放。

也可以是，在所述燃料电池系统中，所述散布装置包括水散布用通路和空气控制阀，所述水散布用通路构成为供从所述储水部向所述冷却装置供给的水通过，所述空气控制阀设置于所述高压导入路，并构成为通过进行开闭来控制水向所述冷却装置的散布，所述空气控制阀在从所述空气排出通路供给到所述高压导入路的所述空气排气的压力超过规定压力的情况下开放。

也可以是，在所述燃料电池系统中，还具备气液分离器，所述气液分离器构成为从所述空气排气中回收在所述燃料电池中伴随着所述电化学反应生成的水，所述储水部储存由所述气液分离器回收的水。

也可以是，在所述燃料电池系统中，所述气液分离器设置在所述空气排出通路的比所述背压调整阀靠空气流动方向的下游侧的部位，在所述气液分离器与所述储水部之间设置有止回阀，所述止回阀构成为限制流体从所述储水部向所述气液分离器的移动。

也可以是，在所述燃料电池系统中，所述气液分离器设置在所述空气排出通路的比所述背压调整阀靠空气流动方向的上游侧的部位，所述气液分离器与所述储水部由所述高压导入路连接。

也可以是，在所述燃料电池系统中，还具备构成为控制所述散布装置的控制部，所述散布装置包含水散布用通路和水散布控制阀，所述水散布用通路构成为供从所述储水部向所述冷却装置供给的水通过，所述水散布控制阀设置于所述水散布用通路，并构成为通过由所述控制部调整阀开度来控制水向所述冷却装置的散布。

也可以是，在所述燃料电池系统中，还具备温度传感器，所述温度传感器构成为检测在所述燃料电池的冷却中使用后的所述热介质的温度，所述控制部在由所述温度传感器检测出的温度超过规定温度的情况下使所述水散布控制阀开放。

也可以是，在所述燃料电池系统中，还具备构成为控制所述散布装置的控制部，所述水散布控制阀构成为通过由所述控制部调整阀开度来控制水向所述冷却装置的散布。

也可以是，在所述燃料电池系统中，还具备温度传感器，所述温度传感器检测在所述燃料电池的冷却中使用后的所述热介质的温度，所述控制部在由所述温度传感器检测出的温度超过规定温度的情况下使所述水散布控制阀开放。

此外，上述各构成要素示出与后述实施方式记载的具体部件的对应关系。

附图说明

以下，将参照附图说明本发明的示例性的实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，其中，相同的数字代表相同的元件，其中：

图1是第一实施方式的燃料电池系统的示意图。

图2是示出关闭状态的水散布控制阀的剖视图。

图3是示出打开状态的水散布控制阀的剖视图。

图4是示出燃料电池的输出与空气背压的关系的图。

图5是第二实施方式的燃料电池系统的示意图。

图6是第三实施方式的燃料电池系统的示意图。

图7是第四实施方式的燃料电池系统的示意图。

图8是第五实施方式的燃料电池系统的示意图。

图9是第六实施方式的燃料电池系统的示意图。

图10是第七实施方式的燃料电池系统的示意图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本公开的实施方式。此外，在以下的各实施方式彼此中，在图中，对彼此相同或者等同的部分标注相同的附图标记。

(第一实施方式)

以下，基于图1～图4说明本公开的第一实施方式。图1是示出本第一实施方式的燃料电池系统的整体结构图。该燃料电池系统应用于作为一种电动汽车的所谓燃料电池车辆，向车辆行驶用电动马达等电负荷供给电力。

如图1所示，燃料电池系统具备燃料电池10，所述燃料电池10利用氢与氧的电化学反应而产生电力。燃料电池10构成为向未图示的逆变器等电气设备供给电力。逆变器将从燃料电池10供给的直流电流转换为交流电流，向行驶用马达(负荷)供给而驱动马达。

在本第一实施方式中，作为燃料电池10，使用固体高分子电解质型燃料电池，成为将多个作为基本单位的电池单元层叠而成的堆构造。各电池单元成为由一对电极夹持电解质膜的结构。

经由氢供给通路11向燃料电池10供给氢，经由空气供给通路12向燃料电池10供给包含氧的空气。氢例如从未图示的高压氢容器供给。空气由设置于空气供给通路12的空气供给装置13供给。

在燃料电池10中，发生以下的氢与氧的电化学反应而产生电能。

(负极侧)h2→2h⁺+2e^-

(正极侧)2h⁺+1/2o2+2e^-→h2o

为了进行该电化学反应，燃料电池10内的电解质膜需要成为含有水分的湿润状态。因此，构成为通过对向燃料电池10供给的氢及空气进行加湿，并向燃料电池10供给这些加湿后的气体，从而对燃料电池10内的电解质进行加湿。向燃料电池10供给的氢及空气的加湿能够利用未图示的加湿装置等进行。

未用于上述电化学反应的未反应的氢作为氢排气经由氢排出通路14从燃料电池10排出，未用于上述电化学反应的未反应的氧作为空气排气经由空气排出通路15从燃料电池10排出。另外，在燃料电池10中，通过电化学反应而产生生成水，该水分在包含在空气排气中的状态下经由空气排出通路15从燃料电池10排出。

在本实施方式中，使用空气压缩机作为空气供给装置13，将加压后的空气作为加压进气向燃料电池10供给。空气供给装置13与压缩机马达(未图示)机械连接。

在空气排出通路15中设置有背压调整阀16。背压调整阀16通过调整阀开度，从而能够调整燃料电池10的空气背压，并能够调整燃料电池10内的空气的压力。

燃料电池10在输出变高时温度上升而电解质容易干燥，发电状态有可能变得不稳定。因此，当燃料电池10的输出变高时，利用背压调整阀16提高空气背压，防止电解质膜的干燥。

在燃料电池10发电时，由于上述电化学反应而产生热。燃料电池10为了发电效率而需要在运转期间维持在一定温度(例如80℃左右)。另外，由于燃料电池10内部的电解质膜在超过规定的容许上限温度时会因高温而被破坏，所以需要将燃料电池10保持在容许温度以下。

燃料电池系统具备向燃料电池10循环供给冷却水的冷却水通路20。作为冷却水，为了防止低温时的冻结，例如能够使用乙二醇与水的混合溶液。在冷却水通路20中，设置有用于使冷却水循环的冷却水泵21。

在冷却水通路20中设置有散热器22。散热器22是使由于燃料电池10而成为高温的冷却水与由风扇23输送的外部空气热交换，并将由燃料电池10产生的热放出到系统外的热交换器。也就是说，散热器22是通过使用热介质进行热交换而冷却燃料电池10的冷却装置。风扇23的旋转由后述的控制部100控制。

在冷却水通路20中的燃料电池10的出口侧，设置有检测从燃料电池10流出的冷却水的温度的温度传感器24。从燃料电池10流出的冷却水的温度(即燃料电池10的出口温度)也能够称为流入散热器22的冷却水的温度(即散热器22的入口温度)。

在供燃料电池10的空气排气通过的空气排出通路15中，设置有用于从空气排气中分离水分的气液分离器30。气液分离器30构成水回收部，所述水回收部回收空气排气中包含的燃料电池10的生成水。

在气液分离器30的下方，设置有用于储存由气液分离器30回收的水的储水部31。气液分离器30与储水部31利用水通路32而连接。由气液分离器30回收的水经由水通路32向储水部31供给。

储水部31利用高压导入路33而与空气排出通路15的比背压调整阀16靠空气流动方向的上游侧的部位连接。从高压导入路33向储水部31内导入空气排气。空气排气是高压空气，储水部31内的水由高压空气推出。

在储水部31连接有水散布用通路34。由高压空气从储水部31内推出的水被压送到水散布用通路34。从储水部31供给到水散布用通路34的水的压力与从高压导入路33导入的高压空气的压力对应，当高压空气的压力变高时，从储水部31供给的水的压力变高。

储水部31的储存水经由水散布用通路34向散热器22供给。在水散布用通路34的前端设置有未图示的水散布喷嘴，在水散布用通路34中流动的水散布到散热器22的表面。散布到散热器22的水在散热器22的表面蒸发。能够利用该水的蒸发潜热使散热器22的冷却能力提高。

在将气液分离器30与储水部31连接的水通路32中设置有止回阀35。止回阀35防止流体从储水部31向气液分离器30的流动。能够利用止回阀35防止从高压导入路33供给的高压空气向气液分离器30流动。结果，能够防止从高压导入路33供给的高压空气的压力下降，能够确保水向散热器22的散布所需的压力。

在水散布用通路34中设置有水散布控制阀36。水散布控制阀36是当从储水部31供给到水散布用通路34的水的压力低于规定压力时封闭，当超过规定压力时开放的压力控制阀。此外，水散布用通路34和水散布控制阀36相当于本实施方式的散布装置。

如图2、图3所示，水散布控制阀36具备壳体36a、罩36b、阀体36c、密封部36d及弹簧36e。如图2所示，在水的压力低于规定压力的情况下，利用弹簧36e向壳体36a推压阀体36c。此时，储水部31的水不供给到散热器22。如图3所示，当水的压力超过规定压力时，弹簧36e被推压收缩，阀体36c从壳体36a分离。由此，储水部31的水供给到散热器22。

图4示出燃料电池10的输出与空气背压的关系，示出燃料电池10的温度不同的三种模式。此外，在图4中，“fc输出”是指燃料电池10的输出，“fc温度”是指燃料电池10的温度。

如图4所示，在燃料电池10的温度较低的模式中，由于电解质膜不易干燥，所以空气背压变低。因此，在燃料电池10的温度较低的模式中，即使燃料电池10的输出变高，从储水部31供给到水散布用通路34的水的压力也不会超过规定压力。因此，水散布控制阀36不开放，不进行水向散热器22的散布。

另一方面，在燃料电池10的温度较高的模式中，由于电解质膜容易干燥，所以空气背压变高。因此，在燃料电池10的温度较高的模式中，当燃料电池10的输出变高时，从储水部31供给到水散布用通路34的水的压力超过规定压力，水散布控制阀36开放，进行水向散热器22的散布。

如图1所示，在燃料电池系统中设置有控制部100。控制部100是对构成燃料电池系统的各控制对象设备的工作进行控制的控制部。控制部100由包括cpu、rom及ram等在内的公知的微型计算机及其周边电路构成。

从燃料电池10向控制部100输入示出发电状态的信息，从温度传感器24向控制部100输入燃料电池10的出口温度。从控制部100向背压调整阀16等各控制对象设备输出控制信号。控制部100能够基于存储在rom中的控制程序，控制各控制对象设备的工作。

根据以上说明的本实施方式，储存向散热器22供给的水的储水部31与空气排出通路15的比背压调整阀16靠空气流动方向的上游侧的部位利用高压导入路33连接。由此，能够利用燃料电池10的空气排气的压力向水散布用通路34压送储水部31内的水并向散热器22散布。因此，不需要用于向散热器22送出水的泵等，能够使燃料电池系统小型化。

另外，在燃料电池10的空气背压变高的情况下，可认为燃料电池10的温度变高，冷却燃料电池10的必要性变高。因此，通过利用燃料电池10的空气排气的压力向散热器22散布水，从而能够适当地冷却燃料电池10。

另外，在本实施方式中，在水散布用通路34中设置有在水的压力超过规定压力的情况下开放的水散布控制阀36。由此，在燃料电池10的空气背压不高的情况下，即在燃料电池10的温度较低的情况下，不向散热器22散布水。因此，在冷却燃料电池10的必要性较低的情况下，能够防止向散热器22散布不需要的水。

(第二实施方式)

接着，说明本公开的第二实施方式。以下，仅说明与上述第一实施方式不同的部分。

如图5所示，在本第二实施方式中，在水散布用通路34中不设置水散布控制阀36，在高压导入路33中设置有空气控制阀37。空气控制阀37是当从空气排出通路15供给到高压导入路33的空气排气的压力低于规定压力时封闭，当超过规定压力时开放的压力控制阀。此外，水散布用通路34和空气控制阀37相当于本实施方式的散布装置。

在本第二实施方式的燃料电池系统中，当燃料电池10的空气背压超过规定压力时，空气控制阀37开放，向储水部31导入高压空气。由此，储水部31内的水向水散布用通路34压送，进行水向散热器22的散布。

根据以上说明的本第二实施方式，与上述第一实施方式同样地，能够利用燃料电池10的空气排气的压力向水散布用通路34压送储水部31内的水并向散热器22散布。因此，不需要用于向散热器22送出水的泵等，能够使燃料电池系统小型化。

(第三实施方式)

接着，说明本公开的第三实施方式。以下，仅说明与上述各实施方式不同的部分。

如图6所示，在本第三实施方式中，在水散布用通路34中设置有水散布控制阀38。本第三实施方式的水散布控制阀38构成为通过任意地调整阀开度从而能够任意地调整通过水散布用通路34的水的流量的流量控制阀。水散布控制阀38基于来自控制部100的控制信号工作。此外，水散布用通路34和水散布控制阀38相当于本实施方式的散布装置。

控制部100以在燃料电池10的出口温度超过规定温度的情况下使水散布控制阀38开放的方式进行控制即可。或者，控制部100也可以以在燃料电池10的输出超过规定值的情况下使水散布控制阀38开放的方式进行控制。由此，能够在冷却燃料电池10的必要性较高的情况下向散热器22散布水。

另外，控制部100可以调整水散布控制阀38的开度而调整水向散热器22的散布量。例如，燃料电池10的出口温度越高或燃料电池10的输出越大，越增大水散布控制阀38的开度，从而能够增多水向散热器22的散布量。由此，能够根据燃料电池10的温度适当地调整水向散热器22的散布量。

(第四实施方式)

接着，说明本公开的第四实施方式。以下，仅说明与上述各实施方式不同的部分。

如图7所示，在本第四实施方式中，在将气液分离器30与储水部31连接的水通路32中设置有开闭阀39。开闭阀39基于来自控制部100的控制信号，对水通路32的流路进行开闭。

在燃料电池系统中，设置有检测外部空气温度的外部空气温度传感器101。外部空气温度传感器101的传感器信号输入到控制部100。控制部100在外部空气温度超过规定温度(例如10℃)的情况下使开闭阀39开放，在外部空气温度低于规定温度的情况下使开闭阀39封闭。由此，在外部空气温度低于规定温度的情况下，不从气液分离器30向储水部31供给水。因此，能够防止在冬季这样的低温环境下储水部31装满水，能够防止储存水冻结而导致储水部31破损。

(第五实施方式)

接着，说明本公开的第五实施方式。以下，仅说明与上述各实施方式不同的部分。

如图8所示，在本第五实施方式的储水部31设置有检测储存水的水位的液面传感器40。液面传感器40的传感器信号输入到控制部100。控制部100在外部空气温度低于规定温度(例如10℃)且储水部31的水位超过规定值(例如满水的八成)的情况下，缩小背压调整阀16的开度。由此，空气背压上升，储水部31的储存水经由水散布用通路34排出。因此，能够防止在冬季这样的低温环境下储水部31装满水，能够防止储存水冻结而导致储水部31破损。

另外，也可以不设置液面传感器40，在外部空气温度低于规定温度(例如10℃)的情况下，定期地缩小背压调整阀16的开度，并排出储水部31的储存水。

(第六实施方式)

接着，说明本公开的第六实施方式。以下，仅说明与上述各实施方式不同的部分。

如图9所示，在本第六实施方式中，氢排出通路14的下游侧端部连接在空气排出通路15中的背压调整阀16与气液分离器30之间。因此，在氢排出通路14中流动的氢排气与空气排出通路15中的空气排气合流，氢排气与空气排气一起向气液分离器30供给。

在燃料电池10的电化学反应中产生的水分的一部分经由电解质膜从空气极侧向氢极侧移动，在包含在氢排气中的状态下从燃料电池10排出。因此，通过将氢排气与空气排气一起供给到气液分离器30，从而也能够回收移动到燃料电池10的氢极侧的水分。

(第七实施方式)

接着，说明本公开的第七实施方式。以下，仅说明与上述各实施方式不同的部分。

如图10所示，在本第七实施方式中，气液分离器30设置在空气排出通路15的比背压调整阀16靠空气流动方向的上游侧的部位。气液分离器30与储水部31由高压导入路33连接。因此，由气液分离器30从空气排气回收的水分经由高压导入路33向储水部31供给。也就是说，本第七实施方式的高压导入路33兼用作上述各实施方式的水通路32。

当高压导入路33的通路被液态水堵塞时，液态水不从气液分离器30向储水部31流动。因此，优选的是，高压导入路33确保充分的流路直径(例如直径10mm左右)。

根据这种本第七实施方式的结构，也能够利用燃料电池10的空气排气的压力向水散布用通路34压送储水部31内的水并向散热器22散布。因此，不需要用于向散热器22送出水的泵等，能够使燃料电池系统小型化。

(其他实施方式)

本公开不限定于上述实施方式，在不脱离本公开的宗旨的范围内，能够按以下方式进行各种变形。另外，上述各实施方式公开的手段可以在能够实施的范围内适当地组合。

例如，在上述各实施方式中，构成为向储水部31供给由气液分离器30从空气排气回收的水。但是，本公开不限于此，也可以从外部向储水部31供给水，并将该水向散热器22散布。在该情况下，能够省略气液分离器30。