專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具備將燃料電池的正極換氣的系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在燃料電池系統(tǒng)中，向燃料電池的正極供給氫，向負(fù)極供給空氣，由 此利用氫和空氣中的氧的電化學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電。另外，在燃料電池系統(tǒng)中， 在燃料電池的負(fù)極中生成水，但有時該生成水經(jīng)由電解質(zhì)膜從負(fù)極向正極 透過。因此，燃料電池系統(tǒng)在達(dá)到冰點下的低溫環(huán)境下使用的情況下，存 在運行停止中生成水凍結(jié)的問題。因此，為了防止這樣的凍結(jié)，提出了在 運行停止時向負(fù)極和正極一同導(dǎo)入空氣，將生成水排出系統(tǒng)外的技術(shù)。作 為向正極導(dǎo)入空氣的機構(gòu)，提出了設(shè)置連接負(fù)極側(cè)和正極側(cè)的配管、和 將該配管連通 阻隔的換氣導(dǎo)入閩，在換氣時打開換氣導(dǎo)入閥的技術(shù)。
但是，在運行停止時進行換氣的情況下，在換氣結(jié)束后，由于從正極
的內(nèi)部擴散出的水分在換氣導(dǎo)入閥的柱塞(plunger)和支撐該柱塞的引導(dǎo) 部之間發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致在冰點下起動時換氣導(dǎo)入閥不工作的問題。
因此，作為防止冰點下起動時的換氣導(dǎo)入閥的工作不良的機構(gòu)，提出 了用隔膜等將柱塞從水分?jǐn)U散引起的加濕氣氛隔離而確保工作性的技術(shù) (例如，參照專利文獻l、 2)。
專利文獻1特開2005—265036號公報(圖2及圖3)專利文獻2特開2005—273704號公報(圖2及圖3) 但是，在專利文獻1及專利文獻2中記載的換氣導(dǎo)入閥中設(shè)置隔膜的 技術(shù)中，用隔膜隔離的柱塞室利用工作時隔膜的收縮膨脹形成的吸盤效果 而導(dǎo)致閥工作不良的問題。因此，需要在換氣導(dǎo)入閥中設(shè)置與大氣連通的 呼吸孔。但是，若設(shè)置呼吸孔，則柱塞室成為大氣壓，因此，換氣時的負(fù) 極側(cè)的氣壓對隔膜的整個面發(fā)生作用，導(dǎo)致為了打開換氣導(dǎo)入閥而需要過大的推力的問題。
另外，在換氣導(dǎo)入閥中設(shè)置隔膜的技術(shù)中，需要設(shè)置隔膜或呼吸孔， 因此，部件件數(shù)增加，損傷設(shè)計性，進而還導(dǎo)致成本上升或重量增加等問 題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供解決所述以往的問題，能夠避免冰點下起動時 的工作不良，而且在打開換氣導(dǎo)入閥時不需要過大的推力的燃料電池系 統(tǒng)。
本發(fā)明是一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，其是通過向燃料電池的負(fù) 極導(dǎo)入的負(fù)極氣體對所述燃料電池的正極進行換氣的燃料電池系統(tǒng)，具 備換氣導(dǎo)入閥，其將所述負(fù)極氣體導(dǎo)入所述正極；換氣導(dǎo)入閥控制裝置， 其將所述換氣導(dǎo)入閥控制為能夠開閉；加濕器，其將所述負(fù)極氣體加濕后 導(dǎo)入所述負(fù)極；所述換氣導(dǎo)入閥設(shè)置在迂回所述加濕器的旁路，作為所述 換氣導(dǎo)入閥的可動體的柱塞在所述換氣導(dǎo)入閥關(guān)閉時暴露于所述負(fù)極氣 體的氣氛中。
由此可知，由加濕器阻隔在燃料電池系統(tǒng)的運行停止中殘留于燃料電 池的負(fù)極側(cè)的水分的擴散，且干燥的負(fù)極氣體(空氣)從加濕器上游的空 氣流入口擴散，因此，換氣導(dǎo)入閥的負(fù)極在運行停止中也能夠維持干燥的 環(huán)境。
另外，所述換氣導(dǎo)入閥通過所述柱塞的進入而打開，通過所述柱塞的 后退而關(guān)閉，在所述換氣導(dǎo)入閥的閥體設(shè)置有至少在所述換氣導(dǎo)入閥的 關(guān)閉時，所述正極側(cè)的氣壓在閥關(guān)閉方向上作用的第一受壓部、和在閥打 開方向上作用的第二受壓部。
由此可知，在發(fā)電時通常正極側(cè)的氣壓高于負(fù)極側(cè)的氣壓的狀態(tài)，因 此，能夠?qū)⒃搲翰钭饔糜陂y體密封氣體的方向。其結(jié)果，能夠減輕設(shè)置于 閥體的彈簧力，在打開換氣導(dǎo)入閥時不需要過大的推力。
根據(jù)本發(fā)明可知，能夠表面冰點下起動時的工作不良，而且能夠在不 需要過大的推力的情況下打開換氣導(dǎo)入閥。


圖1是表示本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的一例的整體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示本實施方式的燃料電池系統(tǒng)中使用的換氣導(dǎo)入閥的剖面圖。
圖3是表示本實施方式的換氣導(dǎo)入閥的剖面圖，(a)是打開時，(b) 是關(guān)閉時。
圖中l(wèi)一燃料電池系統(tǒng)；IO —燃料電池；12 —正極；13 —負(fù)極；32 一加濕器；41一旁通路配管；42 —換氣導(dǎo)入閥；44一柱塞；45a—第一受 壓部；45b—第二受壓部；50—ECU (換氣導(dǎo)入閥控制裝置)。
具體實施例方式
圖1是表示本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的一例的整體結(jié)構(gòu)圖，圖2是 表示本實施方式的燃料電池系統(tǒng)中使用的換氣導(dǎo)入閥的結(jié)構(gòu)剖面圖。還 有，本實施方式的燃料電池系統(tǒng)例如可以適用于燃料電池汽車、船舶、航 空機、家庭用固定式電源等。
如圖1所示，本實施方式的燃料電池系統(tǒng)1具備燃料電池10、正極
系20、負(fù)極系30、正極換氣系40、 ECU (控制部)50等。
所述燃料電池10具有用含有催化劑的正極12、和含有催化劑的負(fù) 極13夾著質(zhì)子傳導(dǎo)性的固體高分子電解質(zhì)膜11而構(gòu)成的膜電極接合體 (MEA; Membrane Electrode Assembly),進而用導(dǎo)電性的隔板14、 15夾 著膜電極接合體而構(gòu)成單個電池單元，并具有將該單個電池單元在厚度方 向上串聯(lián)排列多個而連接層疊的構(gòu)造。另外，在隔板14的與正極12對置 的面形成有氫流體的正極流路14a，在隔板15的與負(fù)極13對置的面形成 有負(fù)極流路15a。還有，為了便于說明，圖l示出了單個單元的狀態(tài)。
所述正極系20是對燃料電池10供給氫，且從燃料電池10排出氫的 體系，包含氫罐21、阻隔閥22、調(diào)節(jié)器23、排出器24、排出閥25、配管 26a 26f等。
所述氫罐21具有例如由鋁合金形成，且在其內(nèi)部以高壓貯存高純 度的氫氣的罐室(未圖示)，并被構(gòu)成為，用由CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic:碳纖維強化塑料)、或GFRP (Glass Reinforced Plastic:
5玻璃纖維強化塑料)等形成的罩(未圖示)被覆該罐室的周圍。
所述阻隔閥22例如是電磁工作式，設(shè)置于氫罐21的出口附近，經(jīng)由 配管26a與氫罐21連接。
所述調(diào)節(jié)器23經(jīng)由配管26b與阻隔閥22連接，具有將從氫罐21供 給的高壓的氫氣減壓的功能。
所述排出器24是用于使從燃料電池10的正極12側(cè)的出口排出的未 反應(yīng)的氫再循環(huán)的真空泵的一種，經(jīng)由配管26c與調(diào)節(jié)器23連接。另外， 配管26d連接排出器24和燃料電池10的正極12側(cè)入口，配管26e連接 正極12的出口和后述的排出閥25，配管26f連接配管26e的中途和排出 器24，經(jīng)由這些配管26d、 26e、 26f使氫循環(huán)。
所述排出閥25設(shè)置于配管26e，例如，具有在燃料電池系統(tǒng)l的運行 停止時的正極換氣時打開閥而將正極系20內(nèi)的生成水排出的功能。還有， 生成水殘留于正極系20內(nèi)(正極流路14a、配管26d、 26e、 26f內(nèi)等)。 另外，正極換氣是指驅(qū)動后述的空氣壓縮機31，向正極系20內(nèi)導(dǎo)入空氣 (負(fù)極氣體)，將殘留的生成水等向體系外換出的處理。
所述負(fù)極系30是將空氣(氧)向燃料電池10的負(fù)極13供給，且從 負(fù)極13排出負(fù)極廢氣的體系，具備空氣壓縮機31、加濕器32、背壓控制 閥33、配管34a 34d等。
所述空氣壓縮機31由利用電動機驅(qū)動的增壓器等構(gòu)成，具有將從空 氣流入口 31a取入而壓縮的空氣向燃料電池10的負(fù)極13供給的功能。
所述加濕器32具有回收含于負(fù)極廢氣中的水分，對負(fù)極氣體(空氣) 加濕的功能。該加濕器32例如具備將多個透水性膜捆扎而收容于殼的中 空系膜模塊，具有在中空系膜的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的一側(cè)使來自空氣壓縮機31 的空氣流通，在另一側(cè)使從燃料電池10的負(fù)極13的出口排出的負(fù)極氣體 (濕潤的空氣、生成水)流通，由此對來自空氣壓縮機31的負(fù)極氣體加 濕的功能。
所述背壓控制閥33例如由蝶形閥構(gòu)成，具有適當(dāng)調(diào)節(jié)負(fù)極系30內(nèi)的 壓力的功能。
還有，配管34a連接空氣壓縮機31、和導(dǎo)入來自空氣壓縮機31的負(fù) 極氣體的負(fù)極氣體導(dǎo)入口 32a。配管34b連接排出由加濕器32加濕的負(fù)極氣體的負(fù)極廢氣排出口 32b、和燃料電池10的負(fù)極13的入口。配管34c 連接燃料電池10的負(fù)極13側(cè)的出口、和導(dǎo)入負(fù)極廢氣的加濕器32的負(fù) 極廢氣導(dǎo)入口 32c。配管34d連接排出加濕器32的負(fù)極廢氣的負(fù)極廢氣排 出口 32d、和背壓控制閥33。
所述正極換氣系40具備旁通路配管41、換氣導(dǎo)入閥42等。
所述旁通路配管41是將從空氣壓縮機31取入的負(fù)極氣體導(dǎo)入燃料電 池10的正極12側(cè)的流路， 一端與加濕器32的上游側(cè)的配管34a連接， 另一端與燃料電池10的正極12側(cè)的入口的配管26d連接。
所述換氣導(dǎo)入闊42設(shè)置于旁通路配管41，具有在正極換氣時打開， 將來自空氣壓縮機31的負(fù)極氣體導(dǎo)入正極12側(cè)的功能。
如圖2所示，換氣導(dǎo)入閥42在殼43內(nèi)收容有柱塞44、閥體45等。 還有，圖2示出了換氣導(dǎo)入閥42關(guān)閉的狀態(tài)。
所述殼43例如組合多個框體而構(gòu)成，具備導(dǎo)入來自所述空氣壓縮 機31的作為換氣的負(fù)極氣體的換氣導(dǎo)入口 43a、和排出所述負(fù)極氣體的換 氣排出口43b。另外，在殼43內(nèi)設(shè)置有閥座43c，其通過與后述的閥體45 接觸而關(guān)閉閥，通過離開而打開閥。
所述柱塞44利用驅(qū)動部46在圖示的上下方向上驅(qū)動，利用柱塞44 的進入而打開閥，利用后退而關(guān)閉閥。驅(qū)動部46具備設(shè)置有線圈46a 的線軸46b、固定鐵心46c、將柱塞44支撐為能夠沿圖示的上下方向移動 的引導(dǎo)部45d等。另外，在柱塞44中插入軸47的一端(圖示下側(cè))而固 定，在軸47的另一端(圖示上側(cè))裝配有閥體45。另外，在柱塞44的下 端和殼43之間插入安裝有將閥體45向閥打開方向(圖示上方向)施力的 彈簧48a。
所述閥體45具有第一受壓部45a和第二受壓部45b。第一受壓部45a 是與正極側(cè)的氣體接觸的部分整體，第二受壓部45b是與負(fù)極側(cè)的氣體接 觸的部分整體。另外，閥體45的、所述閥座43c抵接的抵接部45cl或前 端部(前端部)45c2等由彈性部件45c形成。另夕卜，在閥體45和殼43之 間夾有將閥體45向閥關(guān)閉方向(圖示下方向)施力的彈簧48b。還有，閥 體45的形狀為一例，不限定于本實施方式。
在這樣的本實施方式中，在殼43的圖示上下方向的中央部設(shè)置有換氣導(dǎo)入口 43a,夾著閥座43c而在換氣導(dǎo)入口 43a的上側(cè)設(shè)置有換氣排出 口 43b，柱塞44位于由閥體45分隔的空間的負(fù)極側(cè)。
所述ECU (Electronic Control unit) 50包括CPU (Central Processing Unit)、存儲器、程序等，具備換氣導(dǎo)入閥控制裝置。還有，換氣導(dǎo)入閥控 制裝置如下地控制，即在正極換氣開始時將換氣導(dǎo)入閥42打開，在負(fù) 極換氣時將換氣導(dǎo)入閥42關(guān)閉。另外，ECU50與阻隔閥22、排出閥25、 空氣壓縮機31、背壓控制閥33、換氣導(dǎo)入閥42連接，控制阻隔閥22、排 出閥25及換氣導(dǎo)入閥42的開閉動作、空氣壓縮機31的電動機的轉(zhuǎn)速、 背壓控制閥33的閥開啟度。
然后，對本實施方式的燃料電池系統(tǒng)l的動作進行說明。首先，在燃 料電池系統(tǒng)l的運行中，利用ECU50，打開阻隔閥22，向燃料電池10的 正極12供給氫，另外，驅(qū)動空氣壓縮機31，向燃料電池10的負(fù)極13供 給由加濕器32加濕的空氣(氧)。由此，在燃料電池10內(nèi)的正極12中， 利用催化劑的作用，電子從氫脫離，經(jīng)過外部負(fù)荷(未圖示)，電子移動 至負(fù)極13，由此進行發(fā)電。另外，在負(fù)極13中，利用催化劑的作用，通 過透過固體高分子電解質(zhì)膜11而移動至負(fù)極13的氫離子、經(jīng)過外部負(fù)荷 而移動過來的電子、和空氣中的氧的反應(yīng)而生成水。
然而，在發(fā)電時，有時由燃料電池10的負(fù)極13生成的水透過固體高 分子電解質(zhì)膜11而移動至正極12。因此，在燃料電池系統(tǒng)1的運行停止 時，利用ECU50的控制，打開換氣導(dǎo)入閥42及排出閥25，并且，驅(qū)動空 氣壓縮機31，將從空氣壓縮機31導(dǎo)入的負(fù)極氣體經(jīng)由旁通路配管41供給 于正極12偵lj。還有，此時，換氣導(dǎo)入閥42中，線圈46a被通電而被勵磁， 由此柱塞44向圖示上側(cè)移動，閥體45向上方被推壓，負(fù)極氣體按圖3(a) 中箭頭所示的方向流動。由此，吹散附著于正極12的表面等的生成水(從 負(fù)極側(cè)移動過來的生成水)，將其通過排出閥25而排出體系外。正極換氣 結(jié)束后，利用ECU50的控制，關(guān)閉換氣導(dǎo)入閥42及排出閥25，停止空氣 壓縮機31的驅(qū)動。但是，在負(fù)極換氣結(jié)束后，有時殘留于MEA的內(nèi)部的 生成水向MEA的外部擴散，通過配管26d 26f后到達(dá)換氣導(dǎo)入閥42。
因此，在本實施方式中，如圖3 (b)所示，將換氣導(dǎo)入閥42構(gòu)成為 在換氣導(dǎo)入閥42的關(guān)閉時，作為可動體的柱塞44暴露于空氣(負(fù)極氣體)的氣氛中。即，柱塞44設(shè)置于由閥體45分隔的空間的負(fù)極側(cè)，且將作為 換氣氣體的負(fù)極氣體的取出位置設(shè)為負(fù)極廢氣水分回收型加濕器32的上 游。由此，在燃料電池系統(tǒng)1的運行停止中殘留于燃料電池10的負(fù)極13 側(cè)的生成水被加濕器32吸收，從而不會擴散至配管34a，且從上游的空氣 流入口 31a擴散干燥空氣，因此，換氣導(dǎo)入閥42的負(fù)極側(cè)在燃料電池系 統(tǒng)1的運行停止中也能夠維持干燥的環(huán)境。
在這樣運行停止時，將柱塞44暴露于干燥的負(fù)極氣體氣氛中，由此 使擴散的水分不會通過固定鐵心46c、和軸47之間后，到達(dá)柱塞44和引 導(dǎo)部46d之間，能夠防止在柱塞44和引導(dǎo)部46d之間發(fā)生結(jié)冰。從而， 能夠避免燃料電池系統(tǒng)1的冰點下起動時的換氣導(dǎo)入閥42的工作不良。
另外，在本實施方式中，形成為通過柱塞44推出閥體45而打開閥的 結(jié)構(gòu)，由此，如上所述，在發(fā)電時，通常將正極12側(cè)氣壓Pa (參照圖3 (b))控制成比負(fù)極13側(cè)氣壓Pc (參照圖3 (b))高的狀態(tài)，利用其壓 差(Pa—PcX))，閥體45向密封(阻隔)的方向作用，因此，能夠減小 為了確保高氣體阻隔能力或密封性所需的彈簧48b的彈簧力。由此，在打 開換氣導(dǎo)入閥42時，能夠以小的推力驅(qū)動柱塞44，能夠小型化換氣導(dǎo)入 閥42。
另外，在本實施方式中，不像以往一樣設(shè)置隔膜或呼吸孔，能夠防止 冰點下起動時的換氣導(dǎo)入閥的工作不良，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)部件件數(shù)的削減 產(chǎn)生的設(shè)計性的提高、輕量化、成本降低。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其是通過向燃料電池的負(fù)極導(dǎo)入的負(fù)極氣體對所述燃料電池的正極進行換氣，其特征在于，具備換氣導(dǎo)入閥，其將所述負(fù)極氣體導(dǎo)入所述正極；換氣導(dǎo)入閥控制裝置，其可開閉地控制所述換氣導(dǎo)入閥；加濕器，其將所述負(fù)極氣體加濕后導(dǎo)入所述負(fù)極，所述換氣導(dǎo)入閥設(shè)置于繞過所述加濕器的旁通路，作為所述換氣導(dǎo)入閥的可動體的柱塞在所述換氣導(dǎo)入閥關(guān)閉時暴露于所述負(fù)極氣體的氣氛中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述換氣導(dǎo)入閥通過所述柱塞的進入而打開，通過所述柱塞的后退而關(guān)閉，在所述換氣導(dǎo)入閥的閥體設(shè)置有至少在所述換氣導(dǎo)入閥的關(guān)閉時，所述正極側(cè)的氣壓在閥關(guān)閉方向上作用的第一受壓部、和在閥打開方向上 作用的第二受壓部。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于， 所述柱塞在所述旁通路中設(shè)置于所述換氣導(dǎo)入閥的閥體的所述負(fù)極側(cè)。
4. 一種燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具有將所述負(fù)極氣體導(dǎo)入所述負(fù)極的空氣壓縮機。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，其能夠避免冰點下起動時的工作不良，而且在打開換氣導(dǎo)入閥時不需要過大的推力。將負(fù)極氣體導(dǎo)入負(fù)極的換氣導(dǎo)入閥(42)設(shè)置于將加濕器迂回的旁通路配管。另外，作為換氣導(dǎo)入閥(42)的可動體的柱塞(44)在換氣導(dǎo)入閥(42)關(guān)閉時，暴露于負(fù)極氣體的氣氛中。另外，在換氣導(dǎo)入閥(42)的閥體(45)具備正極側(cè)的氣壓作用于閥關(guān)閉方向的第一受壓部(45a)、和作用于閥打開方向的第二受壓部(45b)。
文檔編號F16K27/02GK101308935SQ20081009717
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日
發(fā)明者尾崎浩靖, 菅原龍也 申請人:本田技研工業(yè)株式會社