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(jìn)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(shí)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(diǎn)下的低溫環(huán)境下使用的情況下，存 在運(yùn)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(yùn)行停止時(shí)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(jī)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(shí)打開換氣導(dǎo)入閥的技術(shù)。
但是，在運(yùn)行停止時(shí)進(jìn)行換氣的情況下，在換氣結(jié)束后，由于從正極
的內(nèi)部擴(kuò)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(diǎn)下起動(dòng)時(shí)換氣導(dǎo)入閥不工作的問題。
因此，作為防止冰點(diǎn)下起動(dòng)時(shí)的換氣導(dǎo)入閥的工作不良的機(jī)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(xiàn)l、 2)。
專利文獻(xiàn)1特開2005—265036號(hào)公報(bào)(圖2及圖3)專利文獻(xiàn)2特開2005—273704號(hào)公報(bào)(圖2及圖3) 但是，在專利文獻(xiàn)1及專利文獻(xiàn)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(shí)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(shí)的負(fù) 極側(cè)的氣壓對(duì)隔膜的整個(gè)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(jì)性，進(jìn)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(diǎn)下起動(dòng)時(shí) 的工作不良，而且在打開換氣導(dǎo)入閥時(shí)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(duì)所述燃料電池的正極進(jìn)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(dòng)體的柱塞在所述換氣導(dǎo)入閥關(guān)閉時(shí)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(yùn)行停止中殘留于燃料電 池的負(fù)極側(cè)的水分的擴(kuò)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(kuò)散，因此，換氣導(dǎo)入閥的負(fù)極在運(yùn)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(jìn)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(shí)，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(shí)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(shí)不需要過大的推力。
根據(jù)本發(fā)明可知，能夠表面冰點(diǎn)下起動(dòng)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式的換氣導(dǎo)入閥的剖面圖，(a)是打開時(shí)，(b) 是關(guān)閉時(shí)。
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(shí)施例方式
圖1是表示本實(shí)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(shí)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(shí)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(jī)、家庭用固定式電源等。
如圖1所示，本實(shí)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(jìn)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(gè)電池單元，并具有將該單個(gè)電池單元在厚度方 向上串聯(lián)排列多個(gè)而連接層疊的構(gòu)造。另外，在隔板14的與正極12對(duì)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(duì)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(gè)單元的狀態(tài)。
所述正極系20是對(duì)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(qiáng)化塑料)、或GFRP (Glass Reinforced Plastic:
5玻璃纖維強(qiáng)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(yùn)行 停止時(shí)的正極換氣時(shí)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(dòng)后述的空氣壓縮機(jī)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(jī)31、加濕器32、背壓控制 閥33、配管34a 34d等。
所述空氣壓縮機(jī)31由利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(duì)負(fù)極氣體(空氣) 加濕的功能。該加濕器32例如具備將多個(gè)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(jī)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(duì)來自空氣壓縮機(jī)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(jī)31、和導(dǎo)入來自空氣壓縮機(jī)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(jī)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(shí)打開， 將來自空氣壓縮機(jī)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(gè)框體而構(gòu)成，具備導(dǎo)入來自所述空氣壓縮 機(jī)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(dòng)部46在圖示的上下方向上驅(qū)動(dòng)，利用柱塞44 的進(jìn)入而打開閥，利用后退而關(guān)閉閥。驅(qū)動(dòng)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(dòng) 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(shí)施方式。
在這樣的本實(shí)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(chǔ)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(shí)將換氣導(dǎo)入閥42打開，在負(fù) 極換氣時(shí)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(jī)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(dòng)作、空氣壓縮機(jī)31的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、 背壓控制閥33的閥開啟度。
然后，對(duì)本實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)l的動(dòng)作進(jìn)行說明。首先，在燃 料電池系統(tǒng)l的運(yùn)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(dòng)空氣壓縮機(jī)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(dòng) 至負(fù)極13，由此進(jìn)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(dòng)至負(fù)極13的氫離子、經(jīng)過外部負(fù)荷 而移動(dòng)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(shí)，有時(shí)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(dòng)至正極12。因此，在燃料電池系統(tǒng)1的運(yùn)行停止 時(shí)，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(dòng)空 氣壓縮機(jī)31，將從空氣壓縮機(jī)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(shí)，換氣導(dǎo)入閥42中，線圈46a被通電而被勵(lì)磁， 由此柱塞44向圖示上側(cè)移動(dòng)，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(dòng)。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(dòng)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(jī)31的驅(qū)動(dòng)。但是，在負(fù)極換氣結(jié)束后，有時(shí)殘留于MEA的內(nèi)部的 生成水向MEA的外部擴(kuò)散，通過配管26d 26f后到達(dá)換氣導(dǎo)入閥42。
因此，在本實(shí)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(shí)，作為可動(dòng)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(yùn)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(huì)擴(kuò)散至配管34a，且從上游的空氣 流入口 31a擴(kuò)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(yùn)行停止中也能夠維持干燥的環(huán)境。
在這樣運(yùn)行停止時(shí)，將柱塞44暴露于干燥的負(fù)極氣體氣氛中，由此 使擴(kuò)散的水分不會(huì)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(diǎn)下起動(dòng)時(shí)的換氣導(dǎo)入閥42的工作不良。
另外，在本實(shí)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(shí)，通常將正極12側(cè)氣壓Pa (參照?qǐng)D3 (b))控制成比負(fù)極13側(cè)氣壓Pc (參照?qǐng)D3 (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(shí)，能夠以小的推力驅(qū)動(dòng)柱塞44，能夠小型化換氣導(dǎo)入 閥42。
另外，在本實(shí)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(diǎn)下起動(dòng)時(shí)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(jì)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(duì)所述燃料電池的正極進(jìn)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(dòng)體的柱塞在所述換氣導(dǎo)入閥關(guān)閉時(shí)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(jìn)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(shí)，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(jī)。
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(diǎn)下起動(dòng)時(shí)的工作不良，而且在打開換氣導(dǎo)入閥時(shí)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(dòng)體的柱塞(44)在換氣導(dǎo)入閥(42)關(guān)閉時(shí)，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(hào)F16K27/02GK101308935SQ20081009717
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社