本發明涉及一種燃料電池系統，其具備通過燃料氣體與氧化劑氣體的電化學反應進行發電的燃料電池，且借助空氣壓縮機及渦輪機向所述燃料電池供給所述氧化劑氣體。

背景技術：

例如，固體高分子型燃料電池采用由高分子離子交換膜構成的電解質膜。燃料電池通過隔板夾持電解質膜-電極結構體(mea)，該電解質膜-電極構造體(mea)在電解質膜的一側的面配設有陽極電極，且在所述電解質膜的另一側的面配設有陰極電極。電解質膜-電極結構體通過由隔板(雙極板)夾持而構成發電單元。通常，在燃料電池中，層疊有規定數目的發電單元的燃料電池堆例如作為車載用燃料電池堆而搭載于燃料電池電動機動車。

在燃料電池中，例如將燃料罐(氫罐)中貯存的燃料氣體(氫氣)向陽極電極供給，另一方面，將外部空氣(氧化劑氣體)通過壓縮機等向陰極電極供給。例如，在專利文獻1公開的燃料電池裝置的輸出調整裝置中，具有在向燃料電池供給空氣的空氣供給導管上設置的轉速可變的壓縮機(compressor)和在空氣排出導管上設置的渦輪機(膨脹機)。此時，壓縮機及渦輪機設置在共用的軸上。

在先技術文獻

專利文獻1：日本特開平7-14599號公報

然而，在從燃料電池將消耗了一部分的空氣(氧化劑氣體)排出的氧化劑氣體排出配管中，存在設有壓力調整閥的情況。壓力調整閥通過使閥開口面積縮小，從而保持燃料電池的內部壓力，并且提高壓縮機的壓縮比來進行提高所述燃料電池的輸出的操作。

然而，在壓力調整閥的空氣出口到渦輪機的空氣入口之間，可能空氣變得稀薄而成為負壓。因此，渦輪機的空氣入口側壓力成為比所述渦輪機的空氣出口側壓力低的低壓，從而存在渦輪機前后壓力的關系逆轉這樣的問題。由此，燃料電池的凈輸出降低，存在無法實現系統效率的提高這樣的問題。

技術實現要素：

本發明用于解決這種課題，其目的在于提供一種燃料電池系統，其在燃料電池與渦輪機之間配置有壓力調整閥，并且在所述渦輪機以高旋轉被驅動時，能夠盡可能地抑制該渦輪機的上游側成為負壓的情況。

用于解決課題的方案

本發明的燃料電池系統具備燃料電池、氧化劑氣體供給配管、氧化劑氣體排出配管、空氣壓縮機、渦輪機及壓力調整閥。燃料電池通過燃料氣體與氧化劑氣體的電化學反應進行發電。氧化劑氣體供給配管向燃料電池供給氧化劑氣體，另一方面，氧化劑氣體排出配管從所述燃料電池排出所述氧化劑氣體。

渦輪機配設于氧化劑氣體排出配管，并且設置在與空氣壓縮機共用的軸上，另一方面，壓力調整閥在所述氧化劑氣體排出配管上配設于燃料電池與所述渦輪機之間的位置。

而且，在渦輪機與壓力調整閥之間配設有與外部氣體連通而將外部空氣向該渦輪機導入的止回閥。

另外，在該燃料電池系統中，優選在止回閥的外部空氣導入側配置有空氣濾清器。

并且，構成渦輪機的殼體一體或分體地設有所述渦輪機的空氣吸入口，并且在所述空氣吸入口的壁面上形成有將該空氣吸入口的內部與外部連通的止回閥，且在所述壁面上，覆蓋所述止回閥而安裝有空氣濾清器。

另外，在該燃料電池系統中，優選止回閥配置在渦輪機的比空氣吸入口的中央水平線位置靠下方的位置。

另外，在該燃料電池系統中，優選具備使冷卻介質向燃料電池循環的冷卻介質循環配管，所述冷卻介質循環配管的一部分直接設置于止回閥或與該止回閥接近設置。

發明效果

根據本發明，在燃料電池與渦輪機之間配設有壓力調整閥，并且在所述渦輪機與所述壓力調整閥之間配設有與外部氣體連通而將外部空氣向該渦輪機導入的止回閥。因此，在燃料電池的高負荷發電時，渦輪機以高旋轉被驅動，且壓力調整閥的閥開口面積被縮小，從而該渦輪機的上游側成為負壓時，通過大氣壓使止回閥對外部氣體開放，因此所述外部氣體被向所述渦輪機的上游側導入，使所述渦輪機的上游側升壓至大氣壓。

由此，在渦輪機以高旋轉被驅動時，也能夠盡可能地抑制該渦輪機的上游側成為負壓的情況，能夠抑制渦輪機前后壓力的關系逆轉引起的系統效率的降低。

附圖說明

圖1是本發明的第一實施方式的燃料電池系統的簡要結構說明圖。

圖2是燃料電池輸出與電動機渦輪轉速的關系說明圖。

圖3是燃料電池輸出與壓力調整閥的閥開度的關系說明圖。

圖4是構成本發明的第二實施方式的燃料電池系統的渦輪機的簡要說明圖。

圖5是所述渦輪機的圖4中的v-v線剖視圖。

圖6是構成本發明的第三實施方式的燃料電池系統的壓力調整閥的簡要說明圖。

圖7是構成本發明的第四實施方式的燃料電池系統的中間配管的簡要說明圖。

圖8是本發明的第五實施方式的燃料電池系統的簡要結構說明圖。

圖9是構成所述第五實施方式的燃料電池系統的渦輪機的主要部分剖視說明圖。

符號說明：

10、130…燃料電池系統12…發電單元

14…燃料電池堆16…氧化劑氣體供給裝置

18…燃料氣體供給裝置20…冷卻介質供給裝置

22…電解質膜-電極結構體24、26…隔板

28…固體高分子電解質膜30…陽極電極

32…陰極電極34…燃料氣體流路

36…氧化劑氣體流路38…冷卻介質流路

42a…氧化劑氣體入口連通孔42b…氧化劑氣體出口連通孔

44a…冷卻介質入口連通孔44b…冷卻介質出口連通孔

46a…燃料氣體入口連通孔46b…燃料氣體出口連通孔

48a…氧化劑氣體供給配管48b…氧化劑氣體排出配管

50…空氣壓縮機52、90、132…渦輪機

54…軸56…電動機

60、110…壓力調整閥62…止回閥

64…空氣濾清器66a…燃料氣體供給配管

66b…燃料氣體排出配管68…氫罐

80…冷卻介質循環路80a…局部流路

92、112…殼體94a…空氣吸入口

94b…空氣排出口94as、118s、120s…壁面

100…階梯102…板

118…出口配管部120…中間配管

具體實施方式

如圖1所示，本發明的第一實施方式的燃料電池系統10例如構成搭載于燃料電池電動機動車等電動車輛的車載用燃料電池系統。

燃料電池系統10具備：層疊有多個發電單元(燃料電池)12的燃料電池堆14；向所述燃料電池堆14供給氧化劑氣體的氧化劑氣體供給裝置16；以及向所述燃料電池堆14供給燃料氣體的燃料氣體供給裝置18。燃料電池系統10還具備向燃料電池堆14供給冷卻介質的冷卻介質供給裝置20。

發電單元12通過利用第一隔板24及第二隔板26夾持電解質膜-電極結構體22而構成。第一隔板24及第二隔板26由金屬隔板或碳隔板構成。電解質膜-電極結構體22具備例如含有水分的全氟磺酸的薄膜即固體高分子電解質膜28和夾持所述固體高分子電解質膜28的陽極電極30及陰極電極32。固體高分子電解質膜28除了使用氟系電解質以外，還可使用hc(烴)系電解質。

第一隔板24在其與電解質膜-電極結構體22之間設置用于向陽極電極30供給燃料氣體的燃料氣體流路34。第二隔板26在其與電解質膜-電極結構體22之間設置用于向陰極電極32供給氧化劑氣體的氧化劑氣體流路36。在彼此相鄰的第一隔板24與第二隔板26之間設有用于使冷卻介質流通的冷卻介質流路38。

在構成燃料電池堆14的一側的端板40a上，分別沿發電單元12的層疊方向獨立地連通而形成有氧化劑氣體入口連通孔42a、氧化劑氣體出口連通孔42b及冷卻介質入口連通孔44a。在構成燃料電池堆14的另一側的端板40b上，分別沿發電單元12的層疊方向獨立地連通而形成有燃料氣體入口連通孔46a、燃料氣體出口連通孔46b及冷卻介質出口連通孔44b。

氧化劑氣體入口連通孔42a及氧化劑氣體出口連通孔42b與氧化劑氣體流路36連通，使氧化劑氣體、例如含氧氣體(以下也稱為空氣)流通。冷卻介質入口連通孔44a及冷卻介質出口連通孔44b與冷卻介質流路38連通，使冷卻介質流通。燃料氣體入口連通孔46a及燃料氣體出口連通孔46b與燃料氣體流路34連通，使燃料氣體、例如含氫氣體(以下也稱為氫氣)流通。

氧化劑氣體供給裝置16具有與燃料電池堆14的氧化劑氣體入口連通孔42a連通的氧化劑氣體供給配管48a和與所述燃料電池堆14的氧化劑氣體出口連通孔42b連通的氧化劑氣體排出配管48b。在氧化劑氣體供給配管48a的上游側配設有空氣壓縮機50，另一方面，在氧化劑氣體排出配管48b的下游側配設有渦輪機52?？諝鈮嚎s機50與渦輪機52設置在共用的軸54上，并且在所述軸54上連結有電動機56，從而構成電動機渦輪。

在氧化劑氣體供給配管48a及氧化劑氣體排出配管48b上，配設有位于空氣壓縮機50的下游側的加濕器58。需要說明的是，作為加濕器58，只要能夠對供給的空氣進行加濕即可，其結構沒有特別限定。在氧化劑氣體排出配管48b上配設有位于燃料電池堆14(及加濕器58)與渦輪機52之間的壓力調整閥60。

在氧化劑氣體排出配管48b上配設有止回閥62，該止回閥62位于渦輪機52與壓力調整閥60之間，與外部氣體連通而將外部空氣向該渦輪機52導入。作為止回閥62，例如使用傘形閥，但除此以外，還可以采用各種止回閥(單向閥)。在止回閥62的外部空氣導入側配置有空氣濾清器64。空氣濾清器64只要阻止異物從外部進入即可，可以使用各種濾清器。

燃料氣體供給裝置18具有與燃料電池堆14的燃料氣體入口連通孔46a連通的燃料氣體供給配管66a和與所述燃料電池堆14的燃料氣體出口連通孔46b連通的燃料氣體排出配管66b。在燃料氣體供給配管66a的上游配置有貯存高壓氫的氫罐68，在該氫罐68的下游配設有密封閥70及噴射器72。

在噴射器72與燃料氣體排出配管66b的中途連接有氫循環路74，并且在所述氫循環路74上配設有氫循環用的氫泵76。在燃料氣體排出配管66b的下游配設有通過空氣對排出的氫進行稀釋的稀釋器78。

冷卻介質供給裝置20具備冷卻介質循環路80，該冷卻介質循環路80與燃料電池堆14的冷卻介質入口連通孔44a和冷卻介質出口連通孔44b連通，來循環供給冷卻介質。在冷卻介質循環路80上，接近冷卻介質入口連通孔44a側而配置有冷卻泵82，并且接近冷卻介質出口連通孔44b而配置有散熱器84。

以下，對這樣構成的燃料電池系統10的動作進行說明。

如圖1所示，在構成氧化劑氣體供給裝置16的電動機56的旋轉作用下，借助空氣壓縮機50向氧化劑氣體供給配管48a輸送空氣。該空氣在通過加濕器58而被加濕后，向燃料電池堆14的氧化劑氣體入口連通孔42a供給。

另一方面，在燃料氣體供給裝置18中，在密封閥70的打開作用下，從氫罐68向燃料氣體供給配管66a供給氫氣。該氫氣向燃料電池堆14的燃料氣體入口連通孔46a供給。

空氣從氧化劑氣體入口連通孔42a向第二隔板26的氧化劑氣體流路36導入?？諝庋刂趸瘎怏w流路36移動，向電解質膜-電極結構體22的陰極電極32供給。另一方面，氫氣從燃料氣體入口連通孔46a向第一隔板24的燃料氣體流路34導入。氫氣沿著燃料氣體流路34移動，向電解質膜-電極結構體22的陽極電極30供給。

因此，在各電解質膜-電極結構體22中，向陰極電極32供給的空氣中的氧與向陽極電極30供給的氫氣在電極催化劑層內通過電化學反應被消耗，從而進行發電。

另外，在冷卻介質供給裝置20中，在冷卻泵82的作用下，從冷卻介質循環路80向燃料電池堆14的冷卻介質入口連通孔44a供給純水、乙二醇、油等冷卻介質。冷卻介質沿著冷卻介質流路38流動，在對發電單元12進行冷卻之后，從冷卻介質出口連通孔44b向冷卻介質循環路80排出。

接下來，向陰極電極32供給而被消耗了一部分的空氣從氧化劑氣體出口連通孔42b向氧化劑氣體排出配管48b排出。空氣通過加濕器58而對從氧化劑氣體供給配管48a供給的新空氣進行加濕之后，被調整為壓力調整閥60的設定壓力，之后被渦輪機52吸引。渦輪機52對來自燃料電池堆14的排氣能量進行電再生，從而能夠提高所述燃料電池堆14的凈輸出。

同樣，向陽極電極30供給而被消耗了一部分的氫氣從燃料氣體出口連通孔46b向燃料氣體排出配管66b排出。氫氣從燃料氣體排出配管66b向氫循環路74導入，在噴射器72的吸引作用下向燃料氣體供給配管66a循環。排出到燃料氣體排出配管66b的氫氣根據需要而在稀釋器78的作用下向外部排出(排氣)。

在燃料電池系統10中，燃料電池輸出與電動機渦輪轉速具有圖2所示的關系。具體而言，在燃料電池堆14的高負荷時(高輸出時)，空氣壓縮機50及渦輪機52高旋轉化。

另一方面，燃料電池輸出與壓力調整閥60的閥開度具有圖3所示的關系。即，在燃料電池堆14的高負荷時(高輸出時)，為了保持所述燃料電池堆14的內部壓力，將壓力調整閥60的閥開度縮小。由此，如圖1所示，在氧化劑氣體排出配管48b中，壓力調整閥60與渦輪機52的入口側之間的空氣變得稀薄，從而容易產生負壓。

在該情況下，在第一實施方式中，在燃料電池堆14(及加濕器58)與渦輪機52之間配設有壓力調整閥60，并且在所述渦輪機52與所述壓力調整閥60之間配設有止回閥62。因此，在燃料電池堆14的高負荷時，若壓力調整閥60與渦輪機52的入口側之間的壓力降低，則通過與大氣壓之間的壓力差而止回閥62對外部氣體開放。因此，外部氣體(外部空氣)向渦輪機52的上游側導入，使壓力調整閥60與所述渦輪機52的入口側之間升壓至大氣壓。

由此，在渦輪機52以高旋轉被驅動時，也能夠盡可能地抑制所述渦輪機52的上游側成為負壓的情況。因此，能夠消除渦輪機52的上游側的壓力成為比所述渦輪機52的下游側的壓力低的低壓的情況，能夠良好地阻止燃料電池堆14的凈輸出降低的情況。

并且，在第一實施方式中，在止回閥62的外部空氣導入側配置有空氣濾清器64。因此，通過使外部氣體暫且通過空氣濾清器64，從而即使所述外部氣體中混有雜質，所述雜質也會由所述空氣濾清器64捕獲。由此，能夠可靠地防止雜質引起的渦輪機52的不良情況(旋轉不良、腐蝕等)。

圖4是構成本發明的第二實施方式的燃料電池系統的渦輪機90的簡要說明圖。需要說明的是，對與第一實施方式的燃料電池系統10相同的構成要素，標注相同的符號并省略其詳細的說明。另外，在以下說明的第三實施方式以后的實施方式中，也同樣省略其詳細的說明。

渦輪機90具備殼體92，在所述殼體92的外周端部一體成形有空氣吸入口94a，并且在所述殼體92的中央部形成有空氣排出口94b。在圓筒狀的空氣吸入口94a的壁面94as上形成有將所述空氣吸入口94a的內部與外部連通的止回閥62，且在所述壁面94as上，覆蓋所述止回閥62而安裝有空氣濾清器64。

如圖5所示，在壁面94as上，在比通過空氣吸入口94a的中央位置的中央水平線h靠下方的位置，例如在下側一半的大致180°的范圍內安裝有止回閥62。在壁面94as上形成有厚度減薄且具有孔部96a的座面96，并且在所述座面96上以將所述孔部96a開閉自如的方式裝配有傘狀閥芯98。

在壁面94as上，覆蓋止回閥62而配置有空氣濾清器64。空氣濾清器64構成網格濾清器，并且設有與壁面94as卡合的階梯100。空氣濾清器64被保持于板102，并且所述板102通過使多根螺栓104與設置于壁面94as的螺紋孔106螺合而固定于所述壁面94as。在板102的中央形成有將外部氣體向止回閥62導入的開口部108。

在這樣構成的第二實施方式中，能夠容易將止回閥62安裝于壁面94as，并且空氣濾清器64借助階梯而被定位于所述止回閥62的外側。因此，能夠簡單地完成空氣濾清器64的裝卸作業。

然而，來自外部氣體的進入水容易滯留于止回閥62的傘狀閥芯98。此時，在第二實施方式中，止回閥62及空氣濾清器64相對于壁面94as而安裝在比通過空氣吸入口94a的中央位置的中央水平線h靠下方的位置。因此，在止回閥62中不會生成滯留水，例如，能夠避免水的凍結引起傘狀閥芯98動作不良的情況。并且，在空氣濾清器64中不會產生水的凍結引起的孔眼堵塞，能夠阻止外部氣體的導通不良。

圖6是構成本發明的第三實施方式的燃料電池系統的壓力調整閥110的簡要說明圖。

壓力調整閥110具有殼體112，在所述殼體112內收容有主體部(致動器)114。在殼體112的一端設有入口配管部116，并且在所述殼體112的另一端設有出口配管部(空氣吸入口)118。出口配管部118的端面與渦輪機52的空氣吸入側的端面連結。

出口配管部118具有圓筒狀，在壁面118s上形成有將所述出口配管部118的內部與外部連通的止回閥62，且在所述壁面118s上，覆蓋所述止回閥62而安裝有空氣濾清器64。需要說明的是，上述的安裝結構與第二實施方式相同，省略其詳細的說明。

在這樣構成的第三實施方式中，在止回閥62中不會生成滯留水，例如，能夠避免水的凍結引起閥芯動作不良的情況等，能夠得到與上述的第二實施方式同樣的效果。

圖7是構成本發明的第四實施方式的燃料電池系統的中間配管120的簡要說明圖。

中間配管120是將壓力調整閥60與渦輪機52連結的圓筒狀配管。在中間配管120的壁面120s上形成有將所述中間配管120的內部與外部連通的止回閥62，且在所述壁面120s上，覆蓋所述止回閥62而安裝有空氣濾清器64。需要說明的是，上述的安裝結構與第二實施方式相同，省略其詳細的說明。

在這樣構成的第四實施方式中，在止回閥62中不會生成滯留水，例如，能夠避免水的凍結引起閥芯動作不良的情況等，能夠得到與上述的第二及第三實施方式同樣的效果。

圖8是本發明的第五實施方式的燃料電池系統130的簡要結構說明圖。

燃料電池系統130具備渦輪機132，并且構成冷卻介質供給裝置20的冷卻介質循環路80的局部流路80a直接地設置于止回閥62或者與所述止回閥62的傘狀閥芯98接近設置。如圖9所示，渦輪機132具有與第二實施方式的渦輪機90同樣的結構，對相同的構成要素標注相同的符號，并省略其詳細的說明。

在渦輪機132的空氣吸入口94a處，在壁面94as內形成有通過管鑄入、基于型芯得到的孔鑄形狀的一對局部流路80a。一對局部流路80a配置在止回閥62的上下。止回閥62及空氣濾清器64的搭載位置沒有限定，可以設置在壁面94as的任意位置。

在這樣構成的第五實施方式中，從燃料電池堆14排出的比較高溫的冷卻介質在一對局部流路80a中流通，由此能夠對止回閥62及空氣濾清器64進行加熱。因此，例如能夠解除滯留的水滴引起的凍結，可以得到能夠可靠地避免止回閥62的動作不良這樣的效果。