燃料电池系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种紧凑地构建氢配管系统的燃料电池系统。来自储氢罐（10）的高压氢气由喷射器（12）减压并被供给到电池堆歧管（16）。使喷射器（12）的上游侧的高压供给系统的一部分为第1端板内流路（22），使喷射器（12）的下游侧的低压供给系统的一部分为第2端板内流路（26）。第2端板内流路（26）是形成于端板的凹部或者沟槽，为明渠流路。
【专利说明】燃料电池系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池系统，特别是涉及燃料气体的供给系统。
【背景技术】
[0002]在通过燃料气体和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池中，曾提出了将用于供给燃料气体和氧化气体的配管系统形成为紧凑(compact)的结构的技术。
[0003]例如，在下述的专利文献I中，曾公开了在具备燃料电池堆(fuel cell stacks)、固定有燃料电池堆的端板、用于向燃料电池堆供给氢气的氢系部件(氢泵和调整器、气液分离器、分配管等)和收纳燃料电池堆和氢系部件的电池堆壳体的燃料电池系统中，将氢系部件集合化并安装于端板的构成。具体地讲，是沿端板的表面方向延伸的板状的托架被安装于端板上，在该托架搭载氢系部件的构成。
[0004]在先技术文献
[0005]专利文献1:日本特开2006-221915号公报
【发明内容】
[0006]氢气从储氢罐经过配管(高压配管)被供给到喷射器，在喷射器中被调整压力后，再次经过配管(低压配管)被供给到燃料电池堆，但由于来自储氢罐的高压氢气贯通覆盖氢系部件的辅机盖罩或者收纳壳体被供给到调整器，因此在该贯通部分中为了防止来自外部的水分侵入到内部而需要垫环(grommet)(用于堵塞贯通部分的间隙的环状的橡胶部件)，存在进一步的小型化较困难，并且成为成本增加的主要原因的问题。
[0007]本发明的目的在于提供能够紧凑地构建燃料电池系统的氢气供给系统的技术。
[0008]本发明的特征在于，具备:通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆；设置于上述燃料电池堆的层叠方向端部的端板；供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统；将来自上述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和供给来自上述喷射器的低压氢气的低压供给系统，上述低压供给系统的至少一部分是形成于上述端板内的端板内流路，上述端板内流路是形成于上述端板的凹部或者沟槽。
[0009]根据本发明，低压供给系统的至少一部分是由形成于端板的凹部或者沟槽形成的端板内流路，低压供给系统被紧凑化。另外，由于通过在端板内形成凹部或者沟槽而形成低压供给系统，因此生产率提高。进而，由于端板内流路是低压供给系统，因此用于形成该凹部或者沟槽的加强筋的壁厚可以比较薄。
[0010]另外，本发明的特征在于，具备:通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆；设置于上述燃料电池堆的层叠方向端部的端板；供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统；将来自上述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和供给来自上述喷射器的低压氢气的低压供给系统，上述低压供给系统的至少一部分是形成于上述端板内的端板内流路，上述高压供给系统的至少一部分包含分配配管系统，上述喷射器设置于上述分配配管系统的每一个中。[0011]根据本发明，低压供给系统的至少一部分形成于端板内，因此低压供给系统被紧凑化。另外，通过在高压供给系统设置分配配管系统，并在每一个配管系统中设置喷射器，高压氢气的减压系统被冗余化，可靠性提高。
[0012]另外，本发明的特征在于，具备:通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆；设置于上述燃料电池堆的层叠方向端部的端板；供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统；将来自上述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和供给来自上述喷射器的低压氢气的低压供给系统，上述低压供给系统的至少一部分是形成于上述端板内的端板内流路，上述端板内流路是用盖罩被覆形成于上述端板的凹部或者沟槽而构成的，上述端板内流路形成于上述端板之中的、上述燃料电池堆不抵接的区域。
[0013]根据本发明，低压供给系统的至少一部分形成于端板内，因此低压供给系统被紧凑化。另外，端板内流路形成于端板之中的、燃料电池堆不抵接的区域，因此能够在端板和燃料电池堆被固定了的状态下，拆下盖罩使端板内流路露出，维修性显著提高。
[0014]另外，本发明的特征在于，具备:通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆；设置于上述燃料电池堆的层叠方向端部的端板；供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统；将来自上述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和供给来自上述喷射器的低压氢气的低压供给系统，上述低压供给系统的至少一部分是形成于上述端板内的端板内流路，上述端板内流路形成在上下方向上延伸的枝状流路，具备设置于上述枝状流路的一部分的前端(leading end)的压力传感器。
[0015]根据本发明，低压供给系统的至少一部分形成于端板内，因此低压供给系统被紧凑化。另外，通过将压力传感器设置在枝状流路的前端，即使假如在端板内流路混入了异物(水和/或冰、尘埃)的情况下，也能够抑制对压力传感器的恶劣影响。
[0016]另外，本发明的特征在于，具备:通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆；设置于上述燃料电池堆的层叠方向端部的端板；供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统；将来自上述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和供给来自上述喷射器的低压氢气的低压供给系统，上述高压供给系统的至少一部分是形成于上述端板内的第I端板内流路，上述低压供给系统的至少一部分是形成于上述端板内的第2端板内流路，上述第I端板内流路的流入口形成于上述端板的一个侧面，从上述第I端板内流路的流出口流出的高压氢被供给到上述喷射器的入口侧。
[0017]根据本发明，高压供给系统的至少一部分和低压供给系统的至少一部分形成于端板内，因此高压供给系统和低压供给系统被紧凑化。另外，高压供给系统的第I端板内流路在端板的一个侧面形成有流入口，因此来自储氢罐的高压氢气能够从端板的侧面流入，不需要贯通设置于端板的覆盖辅机类的辅机盖罩，因此不需要防止用的垫环等。
[0018]根据本发明，可以紧凑地构建燃料电池系统的氢气供给系统。特别是由于将低压供给系统的一部分形成于端板内，因此能够维持低压供给系统的强度，并且紧凑地构建。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是燃料电池系统的氢气供给系统的构成图。
[0020]图2是端板的外观立体图(表面侧)。
[0021]图3是端板的外观立体图(背面侧)。[0022]图4是图3的局部放大平面图。
[0023]图5是端板的侧面图。
[0024]图6是图2中的V1-VI截面图。
[0025]图7是表示端板和燃料电池堆的抵接(触接)区域的外观立体图。
【具体实施方式】
[0026]以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
[0027]首先，对于燃料电池系统的氢气供给系统(阳极侧供给系统)的总体构成进行说明。
[0028]燃料电池(FC)具备:将接受反应气体的供给通过电化学反应进行发电的单元电池层叠多个而构成的燃料电池堆、设置在该燃料电池堆的层叠方向端部的端板(EP)和电池堆歧管。
[0029]来自储氢罐的高压氢气通过调整器被供给到端板。在端板并列地设置有多个、例如3个喷射器。从3个喷射器射出的低压氢气被供给到燃料电池。喷射器的上游侧相对地为高压，喷射器的下游侧相对地为低压，因此将喷射器的上游侧称为高压系统，将喷射器的下游侧称为低压系统。
[0030]来自燃料电池的排气(废气:off gas)被供给到气液分离器中。气液分离器从排气分离水分，将排气的一部分供给到氢泵使其循环。含有水分和杂质的排气经由排气阀(purge valve)被排出到排气管。
[0031]图1模式地表不本实施方式中的氢气供给系统。来自储氢罐10的高压氢气通过高压供给系统被供给到喷射器12。高压供给系统由:软管等的弹性构件构成的配管部20、第I端板内流路22、分配管(输送管)24构成。配管部20、分配管24设置在端板外，但第I端板内流路22按文字意思设置在端板内。
[0032]喷射器12由3个喷射器12a、12b、12c构成。喷射器12的构成和功能是公知的，但简单地进行说明，在喷射器12a、12b、12c的每一个设置有阀体，通过对电磁元件(solenoid)的通电来驱动阀体，变更内部流路的开口状态。在电磁元件为非通电状态时，阀体通过弹簧的作用力而与和阀体相对的阀座抵接，将内部流路闭塞。如果电磁元件变为通常状态，则阀体对抗弹簧的作用力而移动，从阀座间隔开，内部流路变为开状态。电磁元件通过来自未图示的控制装置的控制信号而被通电，通过控制喷射器12a、12b、12c的气体喷射时间和气体喷射正时，来高精度地控制氢气的流量和压力。喷射器12a、12b、12c的下游侧与上游侧相比被减压，因此也可以将喷射器12a、12b、12c称为调压阀。
[0033]来自喷射器12a、12b、12c的低压氢气，通过低压供给系统被供给到燃料电池的电池堆歧管16。低压供给系统由:第2端板内流路26、软管等的弹性构件构成的配管部28、第3端板内流路30构成。配管28设置在端板外，但第2端板内流路26和第3端板内流路30按文字意思设置在端板内。在第2端板内流路26设置有压力传感器14，低压氢气的压力被检测并被供给到控制装置。
[0034]在本实施方式中，高压供给系统的一部分设置在端板内，并且，低压供给系统的一部分也设置在端板内。通过将高压供给系统的一部分设置在端板内，不仅能够将配管系统紧凑化，也能够在使来自储氢罐的高压氢气流入到端板内后供给到喷射器12，因此不需要象现有技术那样从储氢罐通过外部配管供给到喷射器的情况那样的、外部配管贯通辅机盖罩的部分的垫环。另外，通过将低压供给系统的一部分设置在端板内，不仅能够将配管系统紧凑化，也能够确保低压系统配管的强度。
[0035]接着，对于本实施方式中的端板的构成进行说明。
[0036]图2和图3表示本实施方式中的端板100的外观立体图。图2是从端板100的表面侧、即与燃料电池堆相反侧观察到的外观立体图，图3是从端板的背面侧、即燃料电池堆侧观察到的外观立体图。
[0037]端板100为平板状，由适合于铸造的铝等构成。端板100在收纳燃料电池堆的收纳壳体上通过螺栓紧固而被固定。螺栓插入到设置于端板100的中央上部的螺栓孔50中。
[0038]在端板100的规定位置、具体地讲端板100的从中央部在左右方向上偏移了的位置(图中X方向)，形成有喷射器用的孔13。喷射器用的孔13在上下方向(图中I方向)形成有13a、13b、13c这3个。这3个喷射器用的孔13a、13b、13c是分别与图1中的3个喷射器12a、12b、12c对应的。S卩，喷射器12a安装于喷射器用的孔13a中。喷射器12b安装于喷射器用的孔13b中。喷射器12c安装于喷射器用的孔13c中。喷射器12a?12c，其出口侧分别安装于喷射器用的孔13a?13c。
[0039]在端板100的喷射器用的孔13的附近，形成有压力传感器用的孔15。具体地讲，其形成于比喷射器用的孔13靠上方的位置。压力传感器用的孔15是与图1中的压力传感器14对应的。压力传感器14安装于压力传感器用的孔15中。
[0040]在端板100的一个侧面形成有高压氢气的流入口 21，来自储氢罐的高压氢气从该流入口 21流入，被供给到第I端板内流路22。
[0041]在燃料电池100的喷射器用的孔13的附近，具体地讲，在比喷射器用的孔13靠下方的位置，形成有高压氢流出口 23。在第I端板内流路22流动的高压氢从该流出口 22流出到端板外，通过分配管24被分配供给到3个喷射器12a、12b、12c。
[0042]在端板100的与被形成喷射器用的孔13的位置相反侧的端部附近，形成有第3端板内流路30。来自喷射器12的低压氢气，通过端板外的配管部28被供给到该第3端板内流路30，通过该第3端板内流路30供给到燃料电池堆。另外，在端板100安装有氢泵和配管等的各种辅机类。即，在端板100的孔60安装氢泵，在开口部62安装气液分离器。氢泵是用于使来自燃料电池堆的排气再次返回到燃料电池堆进行再利用的循环泵。另外，在开口部64安装有供给作为氧化气体的空气并且排出来自燃料电池堆的空气的阀组件。而且，在开口部66安装有从电池堆歧管供给到燃料电池堆的冷却水的出口配管。而且，流出口 29和第3端板内流路30由配管连接。该配管也被安装于端板100，构成配管部28。
[0043]另一方面，如图3所示，在端板100的背面侧，形成有第2端板内流路26。第2端板内流路26是形成于端板100的凹部或者沟槽，是其表面的一部分露出了的明渠流路。第2端板内流路26的外观如图3所示形成枝状，在第2端板内流路26的一部分形成有上述的喷射器用的孔13。
[0044]图4表示包含图3中的第2端板内流路26的局部放大平面图。第2端板内流路26在上下方向(图中y方向)上延伸成枝状。沿着第2端板内流路26，在上下方向上形成有3个喷射器用的孔13a、13b、13c。另外，在第2端板内流路26的枝部之一，具体地讲，在比喷射器用的孔13靠上方的枝部的前端，形成有压力传感器用的孔15，在此安装压力传感器14。压力传感器14被安装在第2端板内流路26的上方、即高的位置，因此可预防由结露水等的冻结造成的压力传感器14的故障。另外，在第2端板内流路26的上端形成有流出口
29。来自喷射器12的低压氢气在第2端板内流路26合流后，从流出口 29再次流出到端板外。
[0045]通过在端板100内形成第2端板内流路26，能够利用端板100本身的强度来确保低压系统的配管的强度。即，在将来自喷射器12的低压氢气通过软管等的配管系统导入到燃料电池堆的构成中，不仅相应地配管系统的长度增大，强度也成为问题，但通过将低压供给系统的一部分形成于端板内，利用端板本身作为配管系统，可解决这些问题。
[0046]另外，由于第2端板内流路26为低压系统，因此与高压系统的情况相比，也能够实现构成第2端板内流路26的壁(加强筋:ribs)的薄壁化。
[0047]另外，第2端板内流路26为明渠流路，需要用于将其被覆的被覆盖罩，但由于第2端板内流路26为低压系统，因此与高压系统相比容易确保与被覆盖罩的密封性。当然，通过拆下被覆盖罩，第2端板内流路26的维修也较容易。端板100如已述那样由容易铸造的铝等的金属构成，但被覆盖罩(端板盖罩)能够由树脂构成。端板100和被覆盖罩相互由密封材料密封，从加工容易性来看，优选用于收容密封材料的密封沟槽不是设置在端板100侧而是设置在被覆盖罩侧。即，在将密封沟槽形成于端板100侧的情况下需要机械加工且生产率降低，但在树脂制的被覆盖罩侧形成密封沟槽比较容易，能够提高生产率。
[0048]本实施方式的端板100为以上那样的构成，来自储氢罐的高压氢气通过软管等的配管部20从形成于端板100的侧面的流入口 21流入到第I端板内流路22。
[0049]通过了第I端板内流路22的高压氢气，从流出口 23向端板外流出，并流入到端板外的分配管24。分配管24将高压氢气流分配成3个，在3个分配流路的每一个设置有喷射器12a、12b、12c，这3个分配流路相互形成冗余系统。即，不论哪个喷射器发生故障，都能够利用剩余的正常的喷射器将高压氢气减压，维持系统的可靠性。喷射器12a、12b、12c的出口侧分别安装于端板100的喷射器用的孔13a、13b、13c中，因此由喷射器12a、12b、12c减压了的低压氢气流入到第2端板内流路26。
[0050]通过了第2端板内流路26的低压氢气，从形成于第2端板内流路26的上部的流出口 29向端板外流出，并通过软管等的配管系统流入到第3端板内流路30。流入到第3端板内流路30的低压氢气，通过端板100内被供给到燃料电池堆。
[0051]这样，在本实施方式中，在高压供给系统的一部分形成第I端板内流路22，并且，在低压供给系统的一部分形成第2端板内流路26和第3端板内流路30，有效利用端板100构成了氢气的供给路，因此能够将配管系统紧凑化，并且能够确保配管系统的强度。
[0052]另外，来自储氢罐的高压氢气，从端板100的一个侧面流入到端板内，从端板100流出，经过分配管24被供给到喷射器12，因此不需要贯通设置在端板100的覆盖辅机类的辅机盖罩供给到喷射器12，因此不需要用于密封贯通部分的垫环。换句话说，不需要形成贯通辅机盖罩的流路，因此辅机盖罩的液体密封性提高。
[0053]此外，本实施方式，是在第2端板内流路26形成3个喷射器用的孔13a、13b、13c来安装喷射器12a、12b、12c的构成，喷射器12a、12b、12c在上下方向(为图中y方向，铅垂方向)配置。即，被设置于相互不同的高度，因此即使在低温时发生水分的冻结，也能够消除3个喷射器12a、12b、12c同时发生故障的顾虑(即使在低温时发生水分的冻结，也是从位于最下方位置的喷射器12c按顺序发生故障)。
[0054]图5表示端板100的侧面图。在端板100的一个侧面设置有流入口 21，来自储氢罐的高压氢气从这里流入到第I端板内流路22中。通过将流入口 21形成于端板100的侧面，在流入口 21附近产生薄壁部，如果该薄壁部产生偏差则有强度降低之虞，因此优选在薄壁部附近形成向端板100的表面侧突出的突出部21a。
[0055]图6表示图2中的V1- VI截面。是流入口 21、第I端板内流路22和流出口 23的截面图。形成于端板100的一个侧面的流入口 21与第I端板内流路22连接。第I端板内流路22在端板100内沿图中X方向延伸，在途中折曲而与形成于端板100的表面的流出口23连接。在图中，z方向是与端板100的表面垂直的法线方向。第I端板内流路22虽然沿X方向延伸，但同时以直径从流入口 21朝向流出口 23逐渐变小的方式有锥度地形成。第I端板内流路22不是明渠流路而是闭槽(closed channel)流路、即由形成于端板100的穿孔构成，因此通过这样地有锥度地形成第I端板内流路22，有容易脱离成型模具、加工变得容易的优点。
[0056]在本实施方式中，第2端板内流路26由明渠流路构成，并用被覆盖罩覆盖，由此在端板100内流通低压氢气，但通过将该第2端板内流路26形成于端板100之中的、燃料电池堆不抵接的区域，能够一面维持端板100和燃料电池堆抵接的状态，一面仅拆卸被覆盖罩。
[0057]图7用区域60表示出图3所示的端板的外观立体图中的、燃料电池堆的抵接区域。从燃料电池堆的层叠方向观察，使端板100的面积比燃料电池堆的面积大，形成端板100之中的、燃料电池堆不抵接的剩余区域。在该剩余区域形成有第2端板内流路26。
[0058]端板100利用螺栓孔50与燃料电池堆进行螺栓紧固，但即使在与燃料电池堆进行螺栓紧固并施加了紧固载荷的状态下，燃料电池堆也不与端板100的剩余区域抵接，因此在该紧固状态下被覆盖罩处于向外部露出的状态。因此，即使在紧固状态下，也能够简单地拆卸被覆盖罩，使第2端板内流路26露出，进行第2端板内流路26的维护。
[0059]以上，对于本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限于此，能够进行各种变形。
[0060]例如，在本实施方式中，示出了设置多个喷射器12a、12b、12c的构成，但喷射器的数量是任意的，也可以为I个或者4个以上。在仅设置I个的情况下也优选压力传感器14设置在喷射器的上方。
[0061]附图标记说明
[0062]10...储氢罐；12...喷射器；14...压力传感器；16...电池堆歧管；20...配管
部；22...第I端板内流路；24...分配管；26...第2端板内流路；28...配管部；30...第3端板内流路。
【权利要求】
1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备: 通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆； 设置于所述燃料电池堆的层叠方向端部的端板； 供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统； 将来自所述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和 供给来自所述喷射器的低压氢气的低压供给系统， 所述低压供给系统的至少一部分是形成于所述端板内的端板内流路， 所述端板内流路是形成于所述端板的凹部或者沟槽。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述端板内流路是用盖罩被覆形成于所述端板的所述凹部或者沟槽而构成的。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述端板为金属， 所述盖罩为树脂， 收容用于密封所述端板和所述盖罩的密封材料的密封沟槽形成于所述盖罩上。
4.一种燃料电池系统，其特征在于，具备: 通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆； 设置于所述燃料电池堆的层叠方向端部的端板； 供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统； 将来自所述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和 供给来自所述喷射器的低压氢气的低压供给系统， 所述低压供给系统的至少一部分是形成于所述端板内的端板内流路， 所述高压供给系统的至少一部分包含分配配管系统， 所述喷射器设置于所述分配配管系统的每一个中。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，设置于所述分配配管系统的每一个中的多个喷射器，被设置于相互不同的高度。
6.一种燃料电池系统，其特征在于，具备: 通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆； 设置于所述燃料电池堆的层叠方向端部的端板； 供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统； 将来自所述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和 供给来自所述喷射器的低压氢气的低压供给系统， 所述低压供给系统的至少一部分是形成于所述端板内的端板内流路， 所述端板内流路是用盖罩被覆形成于所述端板的凹部或者沟槽而构成的， 所述端板内流路形成于所述端板之中的、所述燃料电池堆不抵接的区域。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述端板从所述燃料电池堆的层叠方向观察时的面积比所述燃料电池堆的面积大， 所述端板内流路形成于所述端板之中的、所述燃料电池堆不抵接的剩余区域。
8.一种燃料电池系统，其特征在于，具备: 通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆；设置于所述燃料电池堆的层叠方向端部的端板； 供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统； 将来自所述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和 供给来自所述喷射器的低压氢气的低压供给系统， 所述低压供给系统的至少一部分是形成于所述端板内的端板内流路， 所述端板内流路形成在上下方向上延伸的枝状流路， 具备设置于所述枝状流路的一部分的前端的压力传感器。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述喷射器的出口侧与所述端板内流路连接， 所述压力传感器设置于比所述喷射器高的位置。
10.一种燃料电池系统,其特征在于,具备: 通过氢气和氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池堆； 设置于所述燃料电池堆的层叠方向端部的端板； 供给来自储氢罐的高压氢气的高压供给系统； 将来自所述高压供给系统的高压氢气减压的喷射器；和 供给来自所述喷射器的低压氢气的低压供给系统， 所述高压供给系统的至少一部分是形成于所述端板内的第I端板内流路， 所述低压供给系统的至少一部分是形成于所述端板内的第2端板内流路， 所述第I端板内流路的流入口形成于所述端板的一个侧面，从所述第I端板内流路的流出口流出的高压氢被供给到所述喷射器的入口侧。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第I端板内流路是形成于所述端板内的穿孔，其内径从所述流入口朝向所述流出口逐渐变小。
【文档编号】H01M8/04GK103563152SQ201180071383
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2011年6月28日 优先权日:2011年6月28日
【发明者】武山诚 申请人:丰田自动车株式会社