CN100454639C - 燃料电池系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池系统包括：燃料电池，其接受燃料气体和氧化气体的供应来进行发电；燃料气体供应阻断装置，阻断向燃料电池阳极入口的燃料气体供应；以及阳极废气阻断装置，阻断来自燃料电池的阳极出口的阳极废气。当系统发生异常时，燃料气体供应阻断装置阻断向阳极入口的燃料气体供应，另一方面，阳极废气阻断装置在系统发生异常时开放阳极出口，并在满足预定条件之后阻断阳极废气。

Description

燃料电池系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其运行方法，特别涉及系统异常停止时的阳极废气(anode-off gas)的排气处理技术。
背景技术
由于燃料电池系统利用可燃性气体(富氢气)来进行电力发电，因此，当系统发生异常时，需要阻断向燃料电池的燃气供应以确保系统的安全。例如，在日本专利文献特开昭61-147465号公报中提出了下述技术，即：当因燃料电池的运行故障而紧急停止时，关闭设置在燃料电池堆栈的阳极和阴极的各个入口和出口处的电磁阀，并将各个阳极和阴极与惰性气体缓冲罐相连接，从而将在紧急停止时产生的两极之间的压差控制在最小限度以保护燃料电池。
专利文献1：日本专利文献特开昭61-147465号公报。
发明内容
但是，若燃料电池的阳极气体通道在被燃料气体加压的状态下将阳极入口和出口的电磁阀打开，则燃料气体会通过电解质膜泄漏到阴极气体通道内。并且在这种情况下，经安全检修确认后再次启动系统时，即使利用空气压缩机向阴极气体通道提供加压空气，向阴极气体通道泄漏的燃料气体也会在没有被稀释到足够浓度的情况下被顶出，从而排放到系统外部。
因此，本发明的课题是要解决上述问题，在系统异常停止时减少燃料气体向阴极气体通道的泄漏。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统包括：燃料电池，其接受燃料气体和氧化气体的供应来进行发电；燃料气体供应阻断装置，阻断向燃料电池的阳极入口的燃料气体供应；以及阳极废气阻断装置，阻断来自燃料电池的阳极出口的阳极废气，其中，当系统发生异常时，燃料气体供应阻断装置阻断向阳极入口的燃料气体供应，另一方面，阳极废气排气阻断装置在从系统发生异常开始到满足预定条件之前维持阳极出口的开放。
另外，在本发明所述的燃料电池系统的运行方法是具有接受燃料气体和氧化气体的供应来进行发电的燃料电池的燃料电池系统的运行方法，在该方法中，在系统发生异常时阻断向燃料电池阳极入口的燃料气体供应，另一方面，从系统发生异常开始到满足预定条件之前维持阳极出口开放。
根据上述结构，当系统发生异常时，通过在满足预定条件之前维持阳极出口的开放，能够减少阳极气体通道内的残余阳极气体(氢)，从而能够抑制阳极气体向阴极气体通道的泄漏。另外能够减少系统再次启动时从阴极气体通道排出的高浓度氢气。这里所述的“维持阳极出口的开放”是指禁止阳极废气阻断装置阻断阳极出口。另外所述的“系统发生异常时”不仅指检测出与燃料电池系统有关的系统异常的时候，也包括检测出系统异常后使燃料电池系统的异常应对模式(故障保险模式)动作的时候。
这里所述的“预定条件”是指系统异常停止时残留在燃料电池内部(例如，阳极气体通道)的阳极气体的残留量达到预定量以下的条件。作为具体示例，例如可设定下述条件：(1)阳极气体通道的内压达到预定压力以下；(2)从发生系统异常的时刻开始经过预定时间；(3)系统异常停止时从阳极出口排出的阳极废气流量的累积值超过预定流量；(4)系统异常停止时从阳极出口排出的阳极废气的氢浓度达到预定浓度以下；(5)系统异常停止时，从阳极出口排出的阳极废气的温度达到预定温度以下等。作为安全保障模式的一个示例，例如也可以将下述作为“预定条件”，即，在阻断向阳极入口的燃料气体供应的情况下，从阻断向阳极入口供应燃料气体的时刻开始直到经过预定时间都维持阳极出口的开放。
除了上述燃料电池系统的结构，还包括对从阳极出口排出的阳极废气进行吸气的吸气装置，该吸气装置优选如下构成，即：在阳极出口的开放期间对从阳极出口排出的阳极废气进行吸气。另外，除了上述燃料电池系统的运行方法构成外，还在阳极出口开放期间对从阳极出口排出的阳极废气进行吸气。通过上述结构能够缩短阳极出口开放的时间。
作为吸气装置，例如优选用于使从阳极出口排出的阳极废气回流到阳极入口的循环泵。若使用设在氢循环系统中的已有的循环泵，则可在不增加新装置的情况下对阳极废气进行吸气。
除了上述燃料电池系统的结构，还优选包括降低从阳极出口排出的阳极废气的氢浓度的氢浓度降低装置。另外，除了上述燃料电池系统的运行方法的构成外，还可构成为降低从阳极出口排出的阳极废气的氢浓度。通过上述构成能够将阳极废气的氢浓度降到足够低之后再排到系统外部。
除了上述燃料电池系统的结构，还包括：氧化气体供应装置，用于向燃料电池的阴极入口供应氧化气体；和阴极废气通路，用于将从燃料电池的阴极出口排出的阴极废气导入到氢浓度降低装置。在系统发生异常之后阳极出口开放期间，优选氧化气体供应装置继续向阴极入口供应氧化气体，从而将从阴极出口排出的阴极废气导入氢浓度降低装置。另外，除了上述燃料电池系统的运行方法的构成外，还可以在系统发生异常之后的阳极出口开放期间，继续向阴极入口供应氧化气体，由此通过从阴极出口排出的阴极废气来降低从阳极出口排出的阳极废气的氢浓度。通过上述构成能够将稀释或者燃烧阳极废气所必需的气体提供给氢浓度降低装置，从而能够稳定地降低阳极废气的氢浓度。
附图说明
图1是本实施方式的燃料电池系统的主要构成图；
图2表示阳极废气的排气处理程序的第一控制例程；
图3表示阳极废气的排气处理程序的第二控制例程。
具体实施方式
图1是本实施方式的燃料电池系统的主要构成图。
燃料电池系统10被构成为安装在燃料电池电动汽车(FCEV)上进行电力发电的车载(on-board)发电装置，其包括接受反应气体(燃料气体、氧化气体)的供应来进行电力发电的燃料电池20。
燃料电池20具有膜-电极结合体(MEA)24，该膜-电极结合体24利用丝网印刷等在高分子电解质膜21的一个面上形成阳极22，在另一面上形成阴极23，其中上述高分子电解质膜21由氟树脂形成的质子导电的离子交换膜等构成。膜-电极结合体24的两个面由带有肋板的隔板(图中未示出)夹持，该隔板与阳极22以及阴极23之间分别形成有槽状的阳极气体通道25和阴极气体通道26。在阳极22发生(1)式的氧化反应，在阴极23发生(2)式的还原反应。燃料电池20作为整体发生(3)式的起电反应。
H2→2H++2e-…(1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O…(2)
H2+(1/2)O2→H2O…(3)
另外，为了方便说明而在该图中示意性示出了由膜-电极结合体24、阳极气体通道25以及阴极气体通道26构成的单体结构，但实际上具有通过上述带有肋板的隔板来串联多个单体的堆栈结构。
在燃料电池系统10的氧化气体供应系统中配置有用于向阴极气体通道26供应氧化气体的氧化气体通路41和用于对从阴极气体通道26流出的阴极废气(氧废气)进行排气的阴极废气通路42。所谓阴极废气是指从阴极出口排出的排放气体。在氧化气体通路41中设有阻断向阴极入口流入的氧化气体的阴极入口阀B1，在阴极废气通路42中设有阻断从阴极出口流出的阴极废气的阴极出口阀B2。这些阀B1～B2例如由截止阀(电磁阀)等构成。阀B1作为阻断向阴极入口供应氧化气体的氧化气体供应阻断装置来发挥作用；阀B2作为阻断从阴极出口排出阴极废气的阴极废气排气阻断装置来发挥作用。通过空气过滤器51而从空气取入的气体被由马达M2驱动的空气压缩机(氧化气体供应装置)C2加压之后，由加湿器52适度加湿，然后经由氧化气体通路41流入阴极气体通道26。在加湿器52中，由于燃料电池20的电池反应中所产生的生成水而处于高湿状态的阴极废气和从大气取入的低湿状态的氧化气体之间进行水分交换。流经阴极废气通路42的阴极废气被排到车外。
另一方面，在燃料电池系统10的燃料气体供应系统中配置有：用于向阳极气体通道25供应燃料气体的燃料气体通路31和用于使从阳极气体通道25排出的阳极废气(氢废气)回流到阳极22的循环通路32。所谓阳极废气是指从阳极出口排出的排放气体。燃料气体通路31和循环通路32构成氢循环系统。在燃料气体通路31中配置有：高压氢罐53的罐阀(主阀)A1；进行燃料气体压力调节的调节器A6；控制从高压氢罐53向燃料气体通路31供应/阻断燃料气体的供应阀A2；阻断向阳极入口流入的燃料气体的阳极入口阀A3；以及检测阳极气体通道25的内压(气压)的压力传感器P。这些阀A1～A3例如由截止阀(电磁阀)等构成，并作为阻断向阳极入口供应燃料气体的燃料气体供应阻断装置来发挥作用。
在循环通路32中配置有阻断从阳极出口流出的阳极废气的排放的阳极出口阀A4和使阳极废气回流到燃料气体通路31的循环泵C1。通过阳极气体通道25时受到压力损失的阳极废气被由马达M1驱动的循环泵C1升压至适当压力，然后被导入燃料气体通路31。在循环通路32中分支设有阳极废气通路33，用于在循环氢气中所包含的氢之外的成分浓度升高时，将部分阳极废气从循环通路32清除到系统外。阳极废气的清除操作能够由设在阳极废气通路33中的氢气排气阀A5进行调节。循环通路32和阳极废气通路33构成阳极废气的排气系统。上述阀A4～A5例如由截止阀(电磁阀)等构成，并作为阻断从阳极出口排出阳极废气的阳极废气阻断装置来发挥作用。
在阳极废气通路33的路径上设有稀释器54，用于通过混合稀释阳极废气(被稀释气体)和部分阴极废气(稀释气体)来降低阳极废气的氢浓度。在阴极废气通路42分支设置与稀释器54连通的分支通路43，从而可将阴极废气的一部分作为稀释气体导入稀释器54中。作为设在阳极废气排气系统中的氢浓度降低装置，除了上述的稀释器54之外，也可采用催化燃烧器(氢气燃烧器)等。
控制部60在控制整个系统的同时，在系统发生异常时按照后述的阳极废气的排气处理程序，基于来自压力传感器P的传感器信号来监视阳极气体通道25的内压，并根据需要来驱动控制马达M1、M2以调节循环泵C1、空气压缩机C2的转数，进行上述的阀A1～A6的闭阀操作(阻断气体操作)，由此来执行系统停止处理。
下面简要说明系统发生异常时的阳极废气的排气处理。
(1)当燃料电池系统10的主要装置或附属部件等在关于温度、压力、电压、电流、氢安全、高电压安全等的异常诊断中被判断为异常，从而进行系统停止时，控制部60关闭设在燃料气体供应系统中的阀A1～A3，从而阻断向燃料电池20供应燃料气体。
(2)在阳极气体通道25的内压下降到预定压力以下之前，或者在从发生系统异常的时刻开始直到经过预定时间的期间(例如，从阀A1～A3的闭阀时刻开始直到经过预定时间的期间)，控制部60强制开放阳极出口。通过在系统停止时暂时强制开放阳极出口，滞留在阳极气体通道25中的阳极废气被排放到电池外，而不会通过高分子电解质膜21泄漏到阴极气体通道26中。排放到电池外的阳极废气流入稀释器54中。对系统异常停止时泄漏到阴极气体通道26中的氢气进行充分稀释，使得在系统再次启动时不会作为高浓度氢气从阴极气体通道26排出，这是在确保系统安全性方面必须要解决的课题，因此，通过对阳极废气进行如上所述的排气处理就能够解决该课题。
(3)当进行系统停止时，虽然希望所有的附属部件停止动作，但却希望在空气压缩机C2可动作的状态下使空气压缩机C2动作，从而将加压空气导入稀释器54中。由此，可将滞留在稀释器54中的阳极废气稀释至足够低的浓度。
(4)另外，优选在循环泵C1的下游侧设置氢气排气阀A5的系统结构(例如，图1所示的系统结构)，并且在循环泵C1能够动作的状态下使循环泵C1动作，从而促使阳极废气排放到电池外(进行强制排气)。这样，通过对阳极废气进行强制排气，可以缩短开放阳极出口的时间，从而能够在短时间内进行系统停止处理。循环泵C1作为从阳极出口强制吸入阳极废气的吸气装置来发挥作用。
但是在循环泵C1的上游侧设置氢气排气阀A5的系统结构(例如，在图1的D位置处设置循环泵C1的系统结构)中，即使使循环泵C1动作也无法强制排出阳极废气，因此没必要使循环泵C1动作。
(5)若阳极气体通道25的内压充分下降到不足以引起泄漏的压力，则关闭阀A4～A5以阻断阳极废气的排气系统。由此结束系统停止处理。
图2是记述了系统异常停止时的控制程序的第一控制例程。
假设该控制例程是在循环泵C1的下游侧设置氢气排气阀A5的系统结构，且处于循环泵C1能够动作的状态。
当在主控制程序中调用该控制例程时，控制部60检查有无系统异常发生(S101)。有无系统异常发生是通过与温度、压力、电压、电流、氢安全、高电压安全等有关的异常诊断程序来进行检查的。在这里，若判断为“有异常”(S101；是)，则控制部60关闭阀A1～A3以阻断燃料气体供应系统(S102)。此时，阳极出口处于开放状态。接着，使循环泵C1动作，将阳极废气强制排放到稀释器54中(S103)。
接着，检查空气压缩机C2是否可以动作(S104)。若可以动作(S104；是)，则使空气压缩机C2动作，从而将稀释空气导入稀释器54中以稀释阳极废气(S105)。然后，将压力传感器P检测出的阳极气体通道25的内压PA和预定的阀值Pt进行比较，以检查是否PA≤Pt(S106)。作为阀值Pt，优选设定为阳极废气不会泄漏的程度的压力值。若内压PA在阀值Pt以下(S106；是)，则关闭设置在阳极废气的排气系统中的阀A4～A5以阻断阳极废气的排放(S107)。接着，依次停止空气压缩机C2和循环泵C1(S108、S109)。
另一方面，当空气压缩机C2例如因电源系统的异常等而不能动作时(S104；否)，则在空气压缩机C2保持停止的状态下将内压PA和阀值Pt进行比较，以检查是否PA≤Pt(S110)。若内压PA在阀值Pt以下(S110；是)，则控制部60关闭阀A4～A5(S111)，并进一步停止循环泵C1(S109)。
图3是记述了系统异常停止时的控制程序的第二控制例程。
该控制例程的S201～S211与第一控制例程的S101～S111相对应。
当在主控制程序中调用该控制例程时，控制部60检查有无系统异常发生(S201)。在这里，若判断为“有异常”(S201；是)，则控制部60关闭阀A1～A3以阻断燃料气体供应系统(S202)。此时，阳极出口处于开放状态。接着，使循环泵C1动作，将阳极废气强制排放到稀释器54中(S203)。然后，检查空气压缩机C2是否可以动作(S204)。若可以动作(S204；是)，则使空气压缩机C2动作，从而将稀释空气导入稀释器54中来稀释阳极废气(S205)。
然后，将从阻断燃料气体供应系统的时刻开始的经过时间t与预定的阀值t1进行比较以检查是否t≥t1(S206)。作为阀值t1，优选设定为阳极废气不会泄漏的程度的时间。若经过时间t在阀值t1以上(S206；是)，则关闭设在阳极废气排气系统中的阀A4～A5以阻断阳极废气的排放(S207)。接着，依次停止空气压缩机C2和循环泵C1(S208、S209)。
另一方面，当空气压缩机C2例如因电源系统的异常等而不能动作时(S204；否)，则在空气压缩机C2保持停止的状态下将从阻断燃料气体供应系统的时刻开始的经过时间t和预定的阀值t2进行比较，以检查是否t≥t2(S210)。作为阀值t2，考虑空气压缩机C2不能动作而优选设定为比阀值t1长的时间。若经过时间t在阀值t2以上(S210；是)，则关闭设在阳极废气排气系统中的阀A4～A5(S211)，然后停止循环泵C1(S209)。
这样，控制燃料气体供应阻断装置(阀A1～A3)来阻断向阳极入口的燃料气体供应，另一方面控制阳极废气阻断装置(阀A4～A5)，以便强制性暂时开放阳极出口，并在阳极气体通道25的内压达到预定压力Pt以下后、或者在经过预定时间t1(或者t2)之后阻断从阳极出口的阳极废气排放，由此可降低阳极气体通道25内的残存氢气气压，从而抑制阳极废气向阴极气体通道26泄漏。由此，可在系统再次启动时抑制从阴极气体通道26排出高浓度氢气。
另外，由于通过设在阳极废气排气系统中的循环泵C1的泵吸作用(吸气作用)而从阳极出口吸阳极废气，并向电池外强制排气，所以能够缩短阳极出口的开放时间。另外，通过在阳极废气的排气系统中设置稀释器54等氢浓度降低装置，可以在充分降低阳极废气的氢浓度之后再向系统外排放。即，当系统异常停止时，关闭罐阀A1、供应阀A2以及阳极入口阀A3，同时，打开阳极出口阀A4和氢气排气阀A5，并使循环泵C1动作，从而将阳极内的残留气体排放到电池外。在循环泵C1动作期间，优选将阴极入口阀B1和阴极出口阀B2维持在打开状态，并通过使空气压缩机C2动作来向阴极气体通道26供应空气，从而将稀释空气导入设在阴极下游的稀释器54中。由此能够充分稀释在系统异常停止时流入稀释器54的阳极废气。若阳极气体通道25内部的阳极气体残余量下降到预定量以下，则关闭阳极出口阀A4和氢气排气阀A5，并停止循环泵C1。
另外，在本实施方式中，以(1)阳极气体通道的内压达到预定压力以下；或者(2)从发生系统异常的时刻开始经过预定时间为条件，来检查系统异常停止时燃料电池内部的阳极气体的残余量是否达到预定量以下，但该情况只是示例，本发明并不局限于此，也可以通过检测与阳极气体残余量相关联的物理量来判断阳极气体的残余量是否达到预定量以下。例如，还可以将(3)系统异常停止时，从阳极出口排出的阳极废气流量的累积值超过预定流量；(4)系统异常停止时，从阳极出口排出的阳极废气的氢浓度达到预定浓度以下；(5)系统异常停止时，从阳极出口排出的阳极废气的温度达到预定温度以下等作为条件，来检查系统异常停止时燃料电池内部的阳极气体的残余量是否达到预定量以下。
另外，在本实施方式的结构中，也可以如下改变系统结构，即：省略循环通路32和循环泵C1，通过阳极废气阻断装置(阀A4或者A5中至少任意一个)将阳极废气排放到系统之外。另外，也可以在阳极出口开放期间停止循环泵C1的动作。也可以在循环通路32的上游设置与系统外部相连通的支路，并在系统异常停止处理过程中开放该支路。也可以设置燃烧器(催化器)以代替稀释器54。还可以分别省略阴极一侧的空气压缩机C2的动作和向稀释器54的阴极废气供应。
工业实用性
本发明通过在发生系统异常直到满足预定条件期间维持阳极出口的开放，能够降低阳极气体通道内的残存阳极气体的压力，并抑制阳极气体向阴极气体通道泄漏。由此，对要求减少系统再次启动时从阴极气体通道排放的高浓度氢气的燃料电池系统是有用的，从而可广泛用于这种燃料电池系统。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，其接受燃料气体和氧化气体的供应来进行发电；
燃料气体供应阻断装置，阻断向所述燃料电池的阳极入口的燃料气体供应；
阳极废气阻断装置，阻断来自所述燃料电池的阳极出口的阳极废气；
氢浓度降低装置，降低从所述阳极出口排出的阳极废气的氢浓度；
氧化气体供应装置，用于向所述燃料电池的阴极入口供应氧化气体；以及
阴极废气通路，用于将从所述燃料电池的阴极出口排出的阴极废气导入所述氢浓度降低装置，其中，
当系统发生异常时，所述燃料气体供应阻断装置阻断向所述阳极入口的燃料气体供应，另一方面，
所述阳极废气阻断装置在从系统发生异常开始到满足预定条件之前维持所述阳极出口的开放，
在系统发生异常之后所述阳极出口开放的期间，所述氧化气体供应装置继续向所述阴极入口供应氧化气体，从而将从所述阴极出口排出的阴极废气导入所述氢浓度降低装置。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述预定条件为阳极气体通道的内部压力达到预定压力以下。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述预定条件为从系统发生异常的时刻开始经过预定时间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，还具有吸气装置，对从所述阳极出口排出的阳极废气进行吸气，
所述吸气装置在所述阳极出口的开放期间对从所述阳极出口排出的阳极废气进行吸气。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述吸气装置是用于使从所述阳极出口排出的阳极废气回流到所述阳极入口的循环泵。
6.一种燃料电池系统的运行方法，所述燃料电池系统具有接受燃料气体和氧化气体的供应来进行发电的燃料电池，所述运行方法的特征在于，
在系统发生异常时阻断向燃料电池阳极入口的燃料气体供应，另一方面，
从系统发生异常开始到满足预定条件之前维持阳极出口的开放，
在系统发生异常之后所述阳极出口开放的期间，继续向阴极入口供应氧化气体，由此通过从所述阴极出口排出的阴极废气来降低从所述阳极出口排出的阳极废气的氢浓度。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统的运行方法，其中，在所述阳极出口开放期间，对从所述阳极出口排出的阳极废气进行吸气。
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