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)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，更具體地，涉及一種提高發(fā)電效率并且減小重量 和尺寸的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為環(huán)境友好的電動(dòng)汽車，已經(jīng)研發(fā)了具有聚合物電解質(zhì)燃料電池系統(tǒng)的汽車。 燃料電池系統(tǒng)采用通過層疊發(fā)電電池形成的燃料電池。各發(fā)電電池包括氫離子傳導(dǎo)性固體 聚合物電解質(zhì)膜。在固體聚合物電解質(zhì)膜的一側(cè)上層疊支撐鉬催化劑的碳陽(yáng)極，在固體聚 合物電解質(zhì)膜的另一側(cè)上層疊支撐鉬催化劑的碳陰極。在各碳電極的表面上層疊氣體通道 形成構(gòu)件。氣體通道形成構(gòu)件形成用于向碳電極供給反應(yīng)氣體的氣體通道。氣體通道形成 構(gòu)件由金屬板條(lath)形成。在各氣體通道形成構(gòu)件的表面上層疊平坦板狀分離器。向陽(yáng)極供給作為燃料氣體的氫氣。向陰極供給作為氧化氣體(oxidation gas)的 空氣(氧氣)。在陽(yáng)極處，氫氣被離子化。氫離子穿過固體聚合物電解質(zhì)膜而向陰極移動(dòng)。 在陰極處，氫離子與氧反應(yīng)而生成水。所生成的水的一部分從陰極移動(dòng)，穿過固體聚合物電 解質(zhì)膜，然后流到陽(yáng)極。經(jīng)由外部負(fù)荷(external load)使陽(yáng)極處的電子向陰極移動(dòng)。這 一系列電化學(xué)反應(yīng)提取電能。日本特開2005-332674號(hào)公報(bào)公開了一種上述類型的燃料電池。該燃料電池具有 容納在堆殼體中的燃料電池堆。該燃料電池堆具有兩端被端板支撐的電池模塊。其中的一 個(gè)端板具有端子，高電壓從該端子被供給到電動(dòng)馬達(dá)。其中的另一個(gè)端板由電絕緣材料形 成。用于供給和排出氫氣、空氣和冷卻劑的管被獨(dú)立地連接到由電絕緣材料制成的該端板。 這些管需要大的安裝空間，這妨礙了尺寸和重量的減小。為了解決上述問題，日本特開2008-177100號(hào)公報(bào)提出了一種燃料電池系統(tǒng)。根 據(jù)該公報(bào)，燃料電池堆整合有多個(gè)歧管(manifold)。歧管的入口和出口被形成在燃料電池 堆的一側(cè)。樹脂配管構(gòu)件被安裝到燃料電池堆。配管構(gòu)件在與電池堆接觸的部分具有多個(gè) 流體通道。流體通道延伸到與歧管的入口和出口對(duì)應(yīng)的位置。流體通道包括氫入口通道、 氫出口通道、空氣入口通道、空氣出口通道、冷卻劑入口通道和冷卻劑出口通道。在配管構(gòu) 件被安裝到燃料電池堆的一側(cè)的情況下，各流體通道均被連接到歧管的入口和出口中的對(duì) 應(yīng)的一個(gè)。如上所述，日本特開2008-177100號(hào)公報(bào)所公開的燃料電池系統(tǒng)的配管構(gòu)件是單 一用途構(gòu)件，這簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。然而，該配管構(gòu)件仍然具有形成流體通道的多個(gè)獨(dú)立 的管。從而，不能利用流過冷卻劑入口通道的冷卻劑來冷卻流過空氣入口通道的空氣。因 此，不能降低由壓縮機(jī)供給到空氣入口通道的空氣的溫度，這妨礙了氫和氧之間的電化學(xué) 反應(yīng)。這防止了發(fā)電效率的提高。此外，由于以預(yù)定間隔來配置管，因此，各管均需要較大 的空間，不能減小管的重量和尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種提高發(fā)電效率并且減小氧化氣體供給管和冷卻劑 供給管的安裝空間從而減小重量和尺寸的燃料電池系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃 料電池，其包括燃料電極和氧化劑電極，所述燃料電極和所述氧化劑電極均包括入口和出 口 ；燃料氣體供給管，其連接到所述燃料電池的所述燃料電極的入口 ；燃料廢氣管，其連接 到所述燃料電極的出口 ；氧化氣體供給管，其能連接到所述氧化劑電極的入口 ；氧化廢氣 管，其能連接到所述氧化劑電極的出口 ；冷卻套，其位于所述燃料電池中，所述冷卻套包括 入口和出口 ；冷卻劑供給管；和冷卻劑排出管。冷卻劑供給管連接到所述燃料電池中的所 述冷卻套的入口。冷卻劑排出管連接到所述冷卻套的出口。所述氧化氣體供給管中具有氧 化氣體通道，所述冷卻劑供給管中具有冷卻劑供給通道。所述氧化氣體供給管與所述冷卻 劑供給管成一體，由單一分隔壁使所述氧化氣體通道和所述冷卻劑供給通道彼此分開。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的放大立體2是燃料電池堆和端板的立體圖；圖3是從背面?zhèn)扔^察的第一配管單元和第二配管單元的立體圖；圖4是第一配管單元和第二配管單元的主視圖；圖5是第一配管單元、第二配管單元和泵的主視圖；圖6是沿圖4中的線1-1截取的剖視圖；圖7是沿圖4中的線2-2截取的剖視圖；圖8是沿圖4中的線3-3截取的剖視圖；圖9是沿圖4中的線4-4截取的剖視圖；圖10是沿圖'1中的線5-5截取的剖視圖；圖11是沿圖ζ1中的線6-6截取的剖視圖；圖12是沿圖ζ1中的線7-7截取的剖視圖；圖13是沿圖ζ1中的線8-8截取的剖視圖；以及圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的燃料電池系統(tǒng)的放大主視圖
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照?qǐng)D1至圖13說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的汽車用燃料電池系統(tǒng)。如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆11。燃料電池堆11具有層疊的發(fā)電電 池(未示出)。向各發(fā)電電池的燃料電極供給作為燃料氣體的氫氣。向氧化劑電極供給作為 氧化氣體的空氣(氧氣)。結(jié)果，通過氫氣和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)，提取出電能并且生成水。如圖2所示，利用螺栓(未示出)將由絕緣材料制成的端板12固定到燃料電池堆 11的端面。在端板12的左上部形成燃料氣體入口 13。在端板12的右下部形成燃料廢氣出 口(fuel off-gas outlet) 14。在端板12的下部形成沿橫向延伸的氧化氣體入口 15。在 端板12的上部形成沿橫向延伸的氧化廢氣出口 16。在端板12的左下部形成冷卻劑入口 17。冷卻劑入口 17與形成在燃料電池堆11中的冷卻套(cooling jacket)連通。在端板12的右上部形成冷卻劑出口 18。如圖1和圖4所示，利用螺栓(未示出)將第一配管單元21和第二配管單元22 可拆裝地固定到端板12。如圖5所示，第一配管單元21和第二配管單元22是分開的。第 一配管單元21具有第一安裝基部23，其中，燃料氣體供給管M、第一氧化廢氣排出管31和 冷卻劑排出管34與第一安裝基部23成一體。燃料氣體供給管M的大部分被配置成穿過 端板12和冷卻劑排出管34之間。第二配管單元22具有第二安裝基部25，其中，氧化氣體 供給管沈、冷卻劑供給管27、第二氧化廢氣排出管33、氫分離器41和稀釋器48與第二安裝 基部25成一體。接頭36和泵45被配置在第一配管單元21和第二配管單元22之間。如圖3所示，第一安裝基部23具有與端板12的燃料氣體入口 13連通的入口孔 23a、與氧化廢氣出口 16連通的出口孔2 和與冷卻劑出口 18連通的出口孔23c。如圖1 所示，燃料氣體供給管M的末端被一體地聯(lián)接到第一安裝基部23，以使燃料氣體供給管M 與入口孔23a連通，S卩，使燃料氣體供給管對(duì)與燃料氣體入口 13連通。因此，燃料氣體經(jīng) 由燃料氣體供給管M被供給到燃料電池堆11中的燃料電極。如圖1、圖3和圖6所示，形成為具有扁平形狀的第一氧化廢氣排出管31被一體 地聯(lián)接到第一安裝基部23，以使第一氧化廢氣排出管31與出口孔2 連通，即，使第一氧 化廢氣排出管31與氧化廢氣出口 16連通。如圖10所示，排出筒32從第一氧化廢氣排出 管31的底壁向下突出。冷卻劑排出管34被一體地聯(lián)接到第一氧化廢氣排出管31，以使冷 卻劑排出管34與第一安裝基部23的出口孔23c連通，即，使冷卻劑排出管34與冷卻劑出 口 18連通。由單一分隔壁35使氧化廢氣排出管31的氧化廢氣排出通道31a與冷卻劑排 出管34的冷卻劑排出通道3 彼此分開。第二安裝基部25具有與端板12的氧化氣體入口 15連通的入口孔25a、與冷卻劑 入口 17連通的入口孔2 和與燃料廢氣出口 14連通的出口孔25c。如圖7和圖8所示，氧 化氣體供給管26的末端被一體地聯(lián)接到第二安裝基部25，以使氧化氣體供給管沈與入口 孔2 連通，S卩，使氧化氣體供給管沈與氧化氣體入口 15連通。冷卻劑供給管27的末端被 聯(lián)接到第二安裝基部25，以使冷卻劑供給管27與入口孔2 連通，即，使冷卻劑供給管27 與冷卻劑入口 17連通。如圖7所示，氧化氣體供給管沈與冷卻劑供給管27 —體地形成。 由單一分隔壁觀使氧化氣體供給管26的氧化氣體供給通道^a與冷卻劑供給管27的冷 卻劑供給通道27a彼此分開。如圖1和圖8所示，第二氧化廢氣排出管33被聯(lián)接到氧化氣體供給管沈的外側(cè) 面。如圖10所示，排出管33的一端向上突出。接頭36使排出筒32與第二氧化廢氣排出 管33的突出端彼此聯(lián)接。
如圖7和圖8所示，氫分離器41與第二安裝基部25 —體地形成，以使氫分離器41 與第二出口孔25c連通，S卩，使氫分離器41與燃料廢氣出口 14連通。在氫分離器41中限 定分離室43。在分離室43中設(shè)置用于從燃料廢氣分離出氫的結(jié)構(gòu)(未示出)。如圖4所 示，泵45(參見圖幻被連接到分離室43的氫氣出口 44。泵45的排出口(未示出)經(jīng)由管 46被連接到燃料氣體供給管M的中間部分(參見圖11)。如圖8和圖12所示，稀釋器48 與氫分離器41 一體地形成。稀釋器48被配置成鄰近分離室43的燃料廢氣出口 47。稀釋 器48具有稀釋室49，在該稀釋室49中，交替地配置多個(gè)曲折板(蛇形板)50。在稀釋室49 的下游側(cè)形成連通孔51。稀釋室49經(jīng)由連通孔51與排出管33的第二氧化廢氣排出通道33a連通。如圖8所示，氧化氣體供給管沈、排出管33和稀釋器48 —體地形成。由單一分隔 壁52使氧化氣體供給管沈的氧化氣體供給通道26a與稀釋器48的稀釋室49彼此分開。 此外，由單一分隔壁53使第二氧化廢氣排出通道33a與稀釋室49彼此分開。在本實(shí)施方 式中，氫分離器41和稀釋器48用作被連接到第二安裝基部25的出口孔25c (燃料廢氣出 口 14)的燃料廢氣管。除了泵45和管46之外，第一配管單元21和第二配管單元22均優(yōu)選被形成為一 體件。由于難以一體地成型燃料氣體供給管對(duì)，因此，燃料氣體供給管M可以被單獨(dú)成型， 然后被連接到配管單元。另外，氫分離器41和稀釋器48被單獨(dú)成型并且被連接到配管單?！，F(xiàn)在將說明上述燃料電池系統(tǒng)的操作。參照?qǐng)D1和圖4，從氫氣存儲(chǔ)器(未示出)向供給管M供給氫氣。氫氣經(jīng)由第一 安裝基部23的入口孔23a和端板12的燃?xì)馊肟?13被供給到燃料電池堆11的陽(yáng)極側(cè)燃料 電極。另一方面，從壓縮機(jī)(未示出)向氧化氣體供給管26的氧化氣體供給通道26a供給 空氣?？諝饨?jīng)由第二安裝基部25的入口孔2 和端板12的氧化氣體入口 15被供給到燃 料電池堆11的陰極側(cè)氧化劑電極。此外，由泵(未示出)向冷卻劑供給管27的冷卻劑供 給通道27a供給冷卻劑。冷卻劑經(jīng)由第二安裝基部25的入口孔2 和端板12的冷卻劑入 口 17被供給到燃料電池堆11的冷卻套。在燃料電池堆11中，被供給到燃料電極的氫氣和 被供給到氧化劑電極的空氣中的氧彼此電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。然后，電力經(jīng)由電極端子被供 給到例如汽車的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。已經(jīng)用于發(fā)電的氫氣變成燃料廢氣并且經(jīng)由圖13所示的端板12的燃料廢氣出口 14和第二安裝基部25的出口孔25c被供給到分離室43。在分離室43中，從燃料廢氣中分 離出燃料氣體。由圖4所示的泵45將分離出的燃料氣體經(jīng)由管46供給到燃料氣體供給管 24，以再次使用。已經(jīng)在分離室43中分離出大部分燃料氣體的燃料廢氣經(jīng)由圖8所示的出 口 47被導(dǎo)入到稀釋器48的稀釋室49中。在燃料廢氣沿著曲折板50在稀釋室49中流動(dòng) 時(shí)，包含在燃料廢氣中的氫氣被稀釋。被稀釋的燃料廢氣從連通孔51流動(dòng)到排出管33的 第二氧化廢氣排出通道33a中。燃料廢氣被流過第二氧化廢氣排出通道33a的氧化廢氣進(jìn) 一步稀釋，然后從排出管33排出到外界。在燃料電池堆11的冷卻套中，用于減少發(fā)電所產(chǎn)生的熱的冷卻劑經(jīng)由圖6所示的 端板12的冷卻劑出口 18和安裝基部23的出口孔23c被排出到冷卻劑排出管34的冷卻劑 排出通道3 中。由循環(huán)泵(未示出)將冷卻劑再次引到熱交換器。在被熱交換器冷卻之 后，冷卻劑被供給到冷卻劑供給管27的冷卻劑供給通道27a?，F(xiàn)在將說明上述燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。(1)如圖7所示，氧化氣體供給管沈和冷卻劑供給管27成一體，并且由單一分隔 壁觀使氧化氣體供給通道26a與冷卻劑供給通道27a彼此分開。該結(jié)構(gòu)允許氧化氣體供 給通道26a中的經(jīng)由壓縮機(jī)的絕熱壓縮而被加熱的空氣被流過冷卻劑供給通道27a的低溫 冷卻劑有效地冷卻。這提高了燃料電池堆11中的發(fā)電效率。此外，由于氧化氣體供給管26 與冷卻劑供給管27之間不存在間隙，因此，減小了用于氧化氣體供給管沈和冷卻劑供給管 27的安裝空間。這減小了第二配管單元22的重量和尺寸。
(2)如圖6所示，第一氧化廢氣排出管31與冷卻劑排出管34成一體，并且由單一 分隔壁35使氧化廢氣排出通道31a與冷卻劑排出通道3 彼此分開。該結(jié)構(gòu)減小了氧化廢 氣排出管31和冷卻劑排出管34的安裝空間，由此減小了第一配管單元21的重量和尺寸。(3)如圖8所示，氧化氣體供給管沈、排出管33和稀釋器48成一體，并且由單一 分隔壁52使氧化氣體供給通道26a與稀釋室49彼此分開，由單一分隔壁53使第二氧化廢 氣排出通道33a與稀釋室49彼此分開。該結(jié)構(gòu)減小了氧化氣體供給管沈、排出管33和稀 釋器48的安裝空間，由此減小了氧化氣體供給管沈、排出管33和稀釋器48的重量和尺寸。上述實(shí)施方式可以如下變型。如圖14所示，泵45的殼體可以被冷卻劑供給管27包圍，使得冷卻劑供給管27的 外周面與泵45的殼體的外表面接觸。這允許泵45被流過冷卻劑供給通道27a的冷卻劑冷 卻。泵45的冷卻將由泵45從管46供給到燃料氣體供給管M的氫氣冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟取?從而提高了發(fā)電效率。第一配管單元21和第二配管單元22可以一體地形成。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，其包括燃料電池，其包括燃料電極和氧化劑電極，所述燃料電極和所述氧化劑電極均包括入 口和出口 ；燃料氣體供給管，其連接到所述燃料電池的所述燃料電極的入口 ；燃料廢氣管，其連接到所述燃料電極的出口 ；氧化氣體供給管，其能連接到所述氧化劑電極的入口 ；氧化廢氣管，其能連接到所述氧化劑電極的出口 ；冷卻套，其位于所述燃料電池中，所述冷卻套包括入口和出口 ；冷卻劑供給管，其連接到所述燃料電池中的所述冷卻套的入口 ；和冷卻劑排出管，其連接到所述冷卻套的出口，所述燃料電池系統(tǒng)的特征在于，所述氧化氣體供給管中具有氧化氣體通道，所述冷卻 劑供給管中具有冷卻劑供給通道，所述氧化氣體供給管與所述冷卻劑供給管成一體，由單一分隔壁使所述氧化氣體通道 和所述冷卻劑供給通道彼此分開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述氧化廢氣管中具有氧化廢 氣通道，所述冷卻劑排出管中具有冷卻劑排出通道，所述氧化廢氣管和所述冷卻劑排出管成一體，由單一分隔壁使所述氧化廢氣通道和所 述冷卻劑排出通道彼此分開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)具有用于 從燃料廢氣中分離出燃料氣體的分離器，所述分離器被設(shè)置在所述燃料廢氣管中，由所述 分離器分離出的燃料氣體經(jīng)由泵和管被引導(dǎo)至所述燃料氣體供給管，所述分離器具有稀釋 器，所述稀釋器用于稀釋包含在從所述分離器排出的燃料廢氣中的燃料氣體，所述稀釋器 的殼體與所述氧化廢氣管成一體，由單一分隔壁使所述稀釋器的稀釋室與所述氧化廢氣管 的氧化廢氣通道彼此分開。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻劑供給管與所述泵的 殼體接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述氧化廢氣管是第一氧化廢 氣管和第二氧化廢氣管中的一方，所述燃料電池系統(tǒng)還包括第一安裝基部，所述燃料氣體供給管、所述第一氧化廢氣管和所述冷卻劑排出管被一 體地聯(lián)接到所述第一安裝基部，以形成第一配管單元；第二安裝基部，所述氧化氣體供給管、所述冷卻劑供給管、所述第二氧化廢氣管、所述 分離器和所述稀釋器被一體地聯(lián)接到所述第二安裝基部，以形成第二配管單元；和 接頭，其用于使所述第一氧化廢氣管和所述第二氧化廢氣管彼此聯(lián)接。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)。端板(12)被連接到燃料電池堆(11)。第一配管單元(21)和第二配管單元(22)被安裝到端板(12)。第一配管單元(21)具有第一安裝基部(23)，燃料氣體供給管(24)、第一氧化廢氣排出管(31)和冷卻劑排出管(34)被聯(lián)接到第一安裝基部(23)。第二配管單元(22)具有第二安裝基部(25)，氧化氣體供給管(26)、冷卻劑供給管(27)和排出管(33)被聯(lián)接到第二安裝基部(25)。排出管(33)被連接到排出筒(32)，該排出筒(32)被聯(lián)接到第一氧化廢氣排出管(31)。氧化氣體供給管(26)和冷卻劑供給管(27)彼此成一體。此外，第一氧化廢氣排出管(31)和冷卻劑排出管(34)彼此成一體。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102044686SQ20101050945
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日
發(fā)明者今村敦士, 小出浩嗣, 荒井安成 申請(qǐng)人:豐田紡織株式會(huì)社