燃料电池系统的制作方法

1.本公开涉及燃料电池系统。


背景技术：

2.日本特开2018-073564记载有具备氢循环泵、气液分离器等氢系统辅机的燃料电池系统。在该燃料电池系统中，设计为：通过将气液分离器设置于氢气循环流路的最下侧的部位，使从燃料电池组的氢气出口排出的水分没有存留于氢气循环流路而流落至气液分离器。
3.然而，在上述的现有技术中，存在如下问题：由于液态水存留于气液分离器，所以液态水在气液分离器内结冰。这样的问题是针对除气液分离器以外的其他氢系统辅机也同样产生的问题。


技术实现要素：

4.本公开能够作为以下的方式来实现。
5.(1)根据本公开的一方式，提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统具备：燃料电池组，其具有使氢气通过的氢孔；氢系统辅机；以及氢配管，其将上述氢孔与上述氢系统辅机连接。上述氢配管具有液体滞留部，上述液体滞留部位于比上述氢配管与上述氢系统辅机的连接部以及上述氢孔靠重力方向的下方的位置。
6.根据该燃料电池系统，由于从氢孔排出的液态水滞留于液体滞留部，所以能够抑制液态水侵入氢系统辅机而在氢系统辅机的内部结冰。
7.(2)也可以是，在上述燃料电池系统中，上述氢孔位于比上述氢配管与上述氢系统辅机的上述连接部靠下方的位置。
8.根据该燃料电池系统，能够成为容易防止液态水向氢系统辅机流入的结构。
9.(3)也可以是，在上述燃料电池系统中，上述氢孔包括作为氢废气从上述燃料电池组的出口的氢出口孔，上述氢系统辅机包括使水分从上述氢废气分离的气液分离器，上述氢配管包括将上述氢出口孔与上述气液分离器连接的配管。
10.根据该燃料电池系统，能够成为液态水不易侵入气液分离器的结构。
11.(4)也可以是，在上述燃料电池系统中，上述氢孔包括作为氢气向上述燃料电池组的入口的氢入口孔，上述氢系统辅机包括朝向上述氢入口孔供给氢废气的氢循环泵，上述氢配管包括将上述氢入口孔与上述氢循环泵连接的配管。
12.根据该燃料电池系统，能够成为液态水不易侵入氢循环泵的结构。
13.(5)也可以是，在上述燃料电池系统中，具备配置在上述燃料电池组的上方的电力转换装置。另外，上述氢孔包括：作为氢废气从上述燃料电池组的出口的氢出口孔和作为氢气向上述燃料电池组的入口的氢入口孔，上述氢系统辅机包括：使水分从上述氢废气分离的气液分离器和朝向上述氢入口孔供给上述氢废气的氢循环泵，上述氢配管包括：将上述氢出口孔与上述气液分离器连接的第1氢配管和将上述氢入口孔与上述氢循环泵连接的第
2氢配管。而且，也可以是，上述氢循环泵配置于比上述气液分离器靠上方的位置，以在将上述氢循环泵沿着水平方向朝向上述电力转换装置投影时上述氢循环泵的投影区域的至少一部分与上述电力转换装置重叠的方式配置上述氢循环泵。
14.根据该燃料电池系统，能够抑制液态水侵入气液分离器、氢循环泵而在氢系统辅机的内部结冰，另外能够将燃料电池系统的整体的高度抑制得较小。
15.(6)也可以是，在上述燃料电池系统中，上述氢配管构成为从上述氢孔至上述液体滞留部为止没有上升地单调下降。
16.根据该燃料电池系统，能够使从氢孔排出的液态水可靠地滞留于液体滞留部。
17.(7)也可以是，在上述燃料电池系统中，上述液体滞留部是向下方凸出屈曲的屈曲部。
18.根据该燃料电池系统，能够通过屈曲部而容易地形成液体滞留部。
19.(8)也可以是，在上述燃料电池系统中，上述液体滞留部是在上述氢配管的内部向下方凹陷的凹陷部。
20.根据该燃料电池系统，能够通过凹陷部而容易地形成液体滞留部。
21.下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件。
附图说明
22.图1是表示一实施方式的燃料电池系统的流路结构的说明图。
23.图2是表示第1实施方式的氢系统辅机和氢配管的配置的说明图。
24.图3是表示第2实施方式的氢系统辅机和氢配管的配置的说明图。
具体实施方式
25.图1是表示本公开的一实施方式的燃料电池系统10的流路结构的说明图。燃料电池系统10搭载于移动体，根据来自驾驶员的要求，输出用作驱动力的电力。移动体例如为四轮汽车等车辆。其中，燃料电池系统10可以为固定式。燃料电池系统10具备燃料电池组20、空气供给排出部30、氢气供给排出部50、制冷剂循环部70。
26.燃料电池组20是通过燃料气体和氧化剂气体的电化学反应而发电的单元，层叠多个燃料电池单元而形成。作为燃料电池组20，能够应用多种类型，但在本实施方式中，使用固体高分子型的燃料电池组。燃料气体为氢气，氧化剂气体为空气。各燃料电池单元具备：在电解质膜的两面配置有阴极电极和阳极电极的发电体亦即膜电极接合体和在膜电极接合体的两侧配置的隔离件。电解质膜由在内部包含了水分的湿润状态时显示出良好的质子传导率的固体高分子薄膜构成。
27.空气供给排出部30具有：对燃料电池组20供给作为氧化剂气体的空气的功能和将从燃料电池组20的阴极侧排出的废水和阴极废气向燃料电池系统10的外部排出的功能。空气供给排出部30在燃料电池组20的上游侧具备空气供给配管31、空气净化器32、空气压缩机33、对由于增压而上升的吸气温度进行降低的中冷器34、分流阀35、空气分流配管37。空气供给配管31是与燃料电池组20的空气入口孔ain连接的配管。在空气供给配管31中从获取外部的空气的吸气口侧朝向下游，依次设置有空气净化器32、空气压缩机33、中冷器34、
分流阀35。空气净化器32在空气供给配管31的吸气口侧设置，对取入的空气进行清洁。空气压缩机33获取空气，并将压缩后的空气向燃料电池组20的空气入口孔ain供给。中冷器34对通过空气压缩机33而上升的吸气温度进行降低。
28.分流阀35设置于中冷器34与燃料电池组20之间，并将由空气压缩机33压缩并由中冷器34冷却后的空气向燃料电池组20侧分流，并经由空气分流配管37向阴极废气配管41侧分流。空气供给排出部30在燃料电池组20的下游侧具备阴极废气配管41、调压阀43、消声器46。阴极废气配管41是与燃料电池组20的空气出口孔aout连接的配管，并能够将包含生成水的阴极废气向燃料电池系统10的外部排出。调压阀43具备于阴极废气配管41，对阴极废气的压力即燃料电池组20的阴极侧的背压进行调整。在阴极废气配管41的调压阀43与消声器46之间连接有空气分流配管37的分流目的地的端口。
29.氢气供给排出部50具有：对燃料电池组20供给氢气的功能、将从燃料电池组20排出的氢废气向燃料电池系统10的外部排出的功能、使氢气在燃料电池系统10内循环的功能。氢气供给排出部50在燃料电池组20的上游侧具备氢气供给配管51和氢罐52。在氢罐52填充有用于向燃料电池组20供给的高压氢。氢罐52经由氢气供给配管51而与燃料电池组20的氢入口孔hin连接。在氢气供给配管51还从上游侧依次设置有开闭阀53、调节器54、氢供给装置55。开闭阀53对氢从氢罐52向氢供给装置55的流入进行调整。调节器54是用于对氢供给装置55的上游侧的氢的压力进行调整的减压阀。氢供给装置55例如由作为电磁驱动式的开闭阀的喷射器构成。
30.氢气供给排出部50在燃料电池组20的下游侧具备氢废气配管61、气液分离器62、氢气循环配管63、氢循环泵64、排水配管65、排水阀66。氢废气配管61是将燃料电池组20的氢出口孔hout与气液分离器62直接连接的氢配管。
31.气液分离器62连接于氢气循环配管63和排水配管65。经由氢废气配管61而流入气液分离器62的阳极废气由气液分离器62分离为气体成分和水分。也将阳极废气称为“氢废气”。在气液分离器62内，将氢废气的气体成分向氢气循环配管63引导。由气液分离器62分离出的水分临时储存于储水部62a，且从储水部62a向排水配管65被引导。
32.氢气循环配管63与氢气供给配管51的比氢供给装置55靠下游侧的合流点p1连接。在氢气循环配管63设置有氢循环泵64。氢循环泵64作为将气液分离器62中分离出的气体成分所含的氢气向氢气供给配管51送出的循环泵发挥功能。通过氢废气配管61和氢气循环配管63，构成氢气循环流路。
33.在排水配管65设置有排水阀66。排水阀66通常关闭，在预先设定的规定的排水时间点、氢废气中的不活泼气体的排出时间点打开。排水配管65的下游端以能够将阳极侧的排水和氢废气与阴极侧的排水和空气废气混合而排出的方式与阴极废气配管41合流。此外，能够省略排水配管65中将气液分离器62与排水阀66之间连接的部分。
34.制冷剂循环部70具备制冷剂配管71、散热器72、制冷剂循环泵74。制冷剂配管71是用于使用于冷却燃料电池组20的制冷剂循环的配管，由上游侧配管71a和下游侧配管71b构成。上游侧配管71a将燃料电池组20内的制冷剂流路的制冷剂出口孔cout与散热器72的入口连接。下游侧配管71b将燃料电池组20内的制冷剂流路的制冷剂入口孔cin与散热器72的出口连接。散热器72具有获取外部空气的风扇，并通过在制冷剂配管71的制冷剂与外部空气之间进行热交换，从而对制冷剂进行冷却。制冷剂循环泵74设置于下游侧配管71b。制冷
剂通过制冷剂循环泵74的驱动力而在制冷剂配管71内流动。
35.空气供给排出部30、氢气供给排出部50以及制冷剂循环部70的构成部件通过由微型计算机构成的未图示的控制部来控制。作为其结果，进行向燃料电池组20供给氢气、空气的供给控制、从燃料电池组20排出的排水控制、由燃料电池组20产生的排热的冷却控制。
36.在燃料电池组20搭载于车辆的情况下，包括燃料电池组20、气液分离器62、氢循环泵64的氢系统辅机设置于车辆的前舱内。
37.图2是表示第1实施方式的氢系统辅机和氢配管的配置的说明图。图2中，示出表示水平方向的x轴以及y轴、表示重力方向的z轴。图2相当于从水平方向观察燃料电池组20的端面的主视图。在燃料电池组20搭载于移动体的情况下，图2的状态相当于移动体在水平的场所停止的状态。
38.在燃料电池组20的上方设置有电力转换装置80。电力转换装置80包括：对燃料电池组20的输出电压进行变更的fc转换器、构成进行氢循环泵64用的电力转换的泵变换器等的多个功率半导体。将电力转换装置80设置于燃料电池组20的上方的理由是为了利用用于冷却燃料电池组20的制冷剂来进行电力转换装置80的冷却。图2的例子中，电力转换装置80以与燃料电池组20的上表面接触的状态设置，但也可以在两者之间插入一些构件。
39.在燃料电池组20的端面设置有氢入口孔hin以及氢出口孔hout、空气入口孔ain以及空气出口孔aout、制冷剂入口孔cin以及制冷剂出口孔cout。图2的例子中，在燃料电池组20的左上端附近配置有氢入口孔hin，在作为其对角侧的右下端附近配置有氢出口孔hout。另外，在燃料电池组20的右上端附近配置有空气入口孔ain、制冷剂入口孔cin、制冷剂出口孔cout，在燃料电池组20的左下端附近配置有空气出口孔aout。氢入口孔hin以及氢出口孔hout分别相当于本公开的“氢孔”。
40.图2中，作为氢系统辅机，绘制出氢循环泵64、气液分离器62、排水阀66。在本实施方式中，氢循环泵64通过连接配管67而与氢入口孔hin直接连接。另外，气液分离器62通过氢废气配管61而与氢出口孔hout直接连接。气液分离器62的下端与排水阀66直接连接。在本公开中，“直接连接”是指在中途不存在阀等辅机。
41.将气液分离器62与氢出口孔hout连接的氢废气配管61具有液体滞留部61b。该液体滞留部61b在比氢出口孔hout以及氢废气配管61与气液分离器62的连接部靠重力方向的下方的位置配置。图2的例子中，液体滞留部61b作为向下方凸出屈曲的屈曲部而构成。换言之，液体滞留部61b是向下方凸出屈曲的屈曲管。包括液体滞留部61b的屈曲部也可以作为u形管而构成。在燃料电池系统10停止时等，在从氢出口孔hout排出了液态水的情况下，能够使该液态水存留在液体滞留部61b。作为其结果，能够抑制液态水侵入气液分离器62而在气液分离器62的内部结冰。另外，图2的例子中，氢出口孔hout位于比氢废气配管61与气液分离器62的连接部靠下方的位置，因此，能够成为容易防止液态水向气液分离器62流入的结构。而且，氢废气配管61构成为从氢出口孔hout至液体滞留部61b为止没有上升地单调下降。作为其结果，能够使从氢出口孔hout排出的液态水可靠地滞留于液体滞留部61b。“单调下降”这一表达包括在其中途存在水平部分和下降部分这两者的结构和仅存在下降部分的结构这双方。其中，氢废气配管61不需要从氢出口孔hout至液体滞留部61b为止单调下降，也可以构成为在其中途包括朝向上方的部分。此外，优选氢废气配管61从氢出口孔hout至液体滞留部61b为止连续下降。
42.将氢循环泵64与氢入口孔hin连接的连接配管67相当于图1的氢循环泵64与氢入口孔hin之间的配管。在图1的结构中，在氢气循环配管63与氢气供给配管51在合流点p1合流之后，氢气供给配管51与氢入口孔hin连接。图2中，简化地绘制出将氢入口孔hin与氢循环泵64之间连接的结构。
43.将氢循环泵64与氢入口孔hin连接的连接配管67也具有与氢废气配管61几乎相同的特征。即，连接配管67具有在比氢入口孔hin以及连接配管67与氢循环泵64的连接部靠重力方向的下方的位置配置的液体滞留部67b。图2的例子中，液体滞留部67b作为向下方凸出屈曲的屈曲部而构成。包括液体滞留部67b的屈曲部也可以作为u形管而构成。在燃料电池系统10停止时等，在从氢入口孔hin排出了液态水的情况下，能够将该液态水滞留于液体滞留部67b。作为其结果，能够抑制液态水侵入氢循环泵64而在氢循环泵64的内部结冰。另外，氢入口孔hin位于比连接配管67与氢循环泵64的连接部靠下方，因此，能够成为容易防止液态水向氢循环泵64流入的结构。而且，连接配管67构成为从氢入口孔hin至液体滞留部67b为止没有上升地单调下降。作为其结果，能够使从氢入口孔hin排出的液态水可靠地滞留于液体滞留部67b。其中，连接配管67不需要从氢入口孔hin至液体滞留部67b为止单调下降，也可以构成为在其中途包括朝向上方的部分。此外，优选连接配管67从氢入口孔hin至液体滞留部67b为止连续下降。
44.图2的例子中，在氢废气配管61和连接配管67分别设置液体滞留部61b、67b，但可以省略其中的一者。其中，若分别设置液体滞留部61b、67b，则在气液分离器62和氢循环泵64两者中能够减少液态水的侵入、结冰的可能性，从这方面来看优选。在其他实施方式中，在除气液分离器62、氢循环泵64以外的氢系统辅机经由氢配管而与氢孔直接连接的情况下，优选在该氢配管设置液体滞留部。
45.图2的例子中，氢循环泵64进一步配置于比气液分离器62靠上方的位置。另外，配置氢循环泵64，以使得在将氢循环泵64沿着水平方向朝向电力转换装置80进行投影时，氢循环泵64的投影区域的一部分与电力转换装置80重叠。作为其结果，能够将燃料电池系统10的整体的高度抑制得较小。此外，也可以以使氢循环泵64的投影区域的全部与电力转换装置80重叠的方式配置氢循环泵64。图2的例子中，进一步将气液分离器62配置为在将气液分离器62沿着水平方向朝向燃料电池组20进行了投影时，气液分离器62的投影区域的全部与燃料电池组20重叠。这样，能够将燃料电池系统10的整体的高度抑制得更小。
46.此外，优选将氢废气配管61、连接配管67的内径设定为如下那样的直径：通过燃料电池系统10的空转时的氢气流量使液体滞留部61b、67b内的液态水吹走。“空转”是指在车辆停止并且没有踩踏加速踏板的状态下的燃料电池系统10的运转状态。若构成为通过空转时的氢气流量使液体滞留部61b、67b内的液态水吹走，则能够防止空转时在氢配管内存留有液态水。作为其结果，在车辆行驶时氢气以高流量流动时，能够减少大量的液态水流入燃料电池组20、使燃料电池单元产生负电位这样的不良状况产生的可能性。
47.另外，在氢废气配管61中，优选以使液体滞留部61b的流路截面积小于与液体滞留部61b的两侧邻接的配管部分的流路截面积的方式构成氢废气配管61。这样，在液体滞留部61b中氢气的流速提高，因此，具有容易除去存积于液体滞留部61b的液态水这样的优点。在连接配管67中，也同样优选以使液体滞留部67b的流路截面积小于与液体滞留部67b的两侧邻接的配管部分的流路截面积的方式构成连接配管67。
48.燃料电池系统10优选在停止燃料电池系统10的动作时，执行燃料电池组20的阳极侧的扫气处理。通过该扫气处理，能够吹走存积于液体滞留部61b、67b的液态水。另外，燃料电池系统10优选在寒冷时启动时进行预热运转。由于存积于液体滞留部61b、67b的液态水的量为1cc左右，所以假设在该液态水结冰的情况下，也能够通过预热运转而解冻。
49.如以上那样，在第1实施方式中，作为氢配管的氢废气配管61具有液体滞留部61b。能够抑制从氢出口孔hout排出的液态水侵入气液分离器62而在其内部结冰。作为其他氢配管的连接配管67也同样具有液体滞留部67b，因此，能够抑制从氢入口孔hin排出的液态水侵入作为氢系统辅机的氢循环泵64而在其内部结冰。
50.图3是表示第2实施方式的氢系统辅机和氢配管的配置的说明图。与第1实施方式之间的不同点仅为作为氢配管的氢废气配管161和连接配管167的结构与图2不同这点，其他结构与第1实施方式相同。
51.氢废气配管161具有液体滞留部161b。该液体滞留部161b与图2所示的液体滞留部61b相通之处在于，配置于比氢出口孔hout以及氢废气配管161与气液分离器62的连接部靠重力方向的下方的位置。其中，图3的液体滞留部161b作为在氢废气配管161的内部向下方凹陷的凹陷部而构成。换言之，液体滞留部161b是氢废气配管161的内部的底面以凹状形成的部分。通过该液体滞留部161b，也能够存留从氢出口孔hout排出的液态水。在第2实施方式中，与图2所示的氢废气配管61相通之处还有氢废气配管161构成为从氢出口孔hout至液体滞留部161b为止没有上升地单调下降。另外，在第2实施方式中，也优选在氢废气配管161中，以使液体滞留部161b的流路截面积小于与液体滞留部161b的两侧邻接的配管部分的流路截面积的方式构成氢废气配管161。
52.连接配管167还具有液体滞留部167b。该液体滞留部167b与图2所示的液体滞留部67b相通之处在于，配置于比氢入口孔hin以及连接配管167与氢循环泵64的连接部靠重力方向的下方的位置。其中，图3的液体滞留部167b作为在连接配管167的内部向下方凹陷的凹陷部而构成。通过该液体滞留部167b，也能够存留从氢入口孔hin排出的液态水。在第2实施方式中，与图2所示的连接配管67的相通之处还有连接配管167构成为从氢出口孔hout至液体滞留部167b为止没有上升地单调下降。另外，在第2实施方式中，也优选在连接配管167中，以使液体滞留部167b的流路截面积小于与液体滞留部167b的两侧邻接的配管部分的流路截面积的方式构成连接配管167。
53.如以上那样，在第2实施方式中，作为氢配管的氢废气配管161具有液体滞留部161b。能够抑制从氢出口孔hout排出的液态水侵入气液分离器62而在其内部结冰。作为其他氢配管的连接配管167也同样具有液体滞留部167b，因此，能够抑制从氢入口孔hin排出的液态水侵入作为氢系统辅机的氢循环泵64而在其内部结冰。
54.本公开不局限于上述的实施方式、变形例，能够在不脱离其主旨的范围内通过各种结构来实现。例如，与发明内容一栏中记载的各方式中的技术特征对应的实施方式、变形例中的技术特征为了解决上述课题的一部分或者全部或者为了实现上述效果的一部分或者全部，能够适当进行替换、组合。另外，只要该技术特征不是作为本说明书中必需的内容而说明的，便能够适当地删除。