CN101185188B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

燃料电池系统(100)具有贮存部(6)，燃料电池(3)，燃料供应部(7)，氢循环系统(104、105、3b)和蒸发气体供应部(14)，其中贮存部(6)贮存液氢，燃料电池(3)使用氢气作为燃料气体，燃料供应部(7)将由贮存在贮存部(6)中的液氢蒸发所产生的氢气提供给燃料电池(3)的阳极(3b)，氢循环系统(104、105、3b)包括作为系统一部分的燃料电池(3)的阳极(3b)，蒸发气体供应部(14)用于将贮存部(6)中产生的蒸发气体提供到氢循环系统(104、105、3b)中。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明一般性涉及具有液氢罐的燃料电池系统。

背景技术

通常，燃料电池是从燃料(氢和氧)获得电能的装置。因为燃料电池从环境方面考虑性能优异，并且可实现高的能量效率，所以燃料电池正在被广泛开发作为供能装置。

存在经过验证的为燃料电池提供氢的方法，例如提供贮存在贮存部中的氢的方法，所述贮存部例如是高压氢罐、储氢合金罐或液氢罐。液氢被验证为燃料电池的氢供应源，因为液氢具有高能量贮存密度和对贮存部具有高的氢充填效率。

然而，从外部加热液氢罐时，由于液氢蒸发可能产生蒸发气体。产生蒸发气体时液氢罐中的压力增加。因此，必要时必须排出蒸发气体。

专利文献1公开了一种在压力容器中贮存蒸发气体和在燃料电池启动时将贮存在压力容器中的蒸发气体提供给燃料电池的方法。可以使用蒸发气体作为燃料电池的燃料。

专利文献1：日本专利申请公开第2003-56799号。

发明内容

本发明待解决的问题

然而，在将专利文献1中公开的方法应用到燃料电池系统的情况下，必须提供用于容纳所述蒸发气体的压力容器。因此，该燃料电池系统的结构复杂。

本发明提供一种能有效使用蒸发气体并具有简化的系统结构的燃料电池系统。

解决问题的手段

根据本发明的燃料电池系统的特征在于包括贮存部、燃料电池、燃料供应部、氢循环系统、和蒸发气体供应部。所述贮存部贮存液氢。所述燃料电池使用氢气作为燃料气体。所述燃料供应部向燃料电池的阳极提供氢气。所述氢气通过贮存在贮存部中的液氢蒸发而产生。所述氢循环系统包括燃料电池的阳极。该蒸发气体供应部将贮存部中产生的蒸发气体提供给氢循环系统。

在根据本发明的燃料电池系统中，液氢贮存在贮存部中。由贮存在贮存部中的液氢蒸发所产生的氢气通过燃料供应部被提供给燃料电池的阳极。贮存部中产生的蒸发气体通过蒸发气体供应部提供给氢循环系统。这种情况下，防止了将蒸发气体排放到外部，因为蒸发气体被提供给氢循环系统。因此，不必设置排放到外部的蒸发气体所用的处理装置，例如稀释装置。因此，燃料电池系统的结构得到简化。当燃料电池产生电能时，该燃料电池可使用蒸发气体作为产生电能的燃料。因此，可以有效使用蒸发气体。当燃料电池不产生电能时，可将蒸发气体隔离在氢循环系统中。在下次产生电能时，燃料电池可使用蒸发气体作为燃料。因此，可有效使用蒸发气体。因此，可以防止燃料电池系统的能量效率降低。

蒸发气体供应部可具有第一阀，其在蒸发气体的压力大于阈值时向氢循环系统提供蒸发气体。这种情况下，防止了贮存部中的压力过高。该蒸发气体供应部可具有第二阀，其防止蒸发气体从氢循环系统回流进入贮存部。这种情况下，防止包含在阳极废气中的蒸汽等流入贮存部。因此，可防止第一阀腐蚀。

氢循环系统可具有氢循环部，其循环氢循环系统中的氢。这种情况下，可以利用氢循环部控制提供给阳极的氢量。从蒸发气体供应部向氢循环系统提供蒸发气体的氢循环系统的位置可以在氢循环系统中氢循环部的上游和阳极的下游。

氢循环系统可具有排气部，其位于氢循环部的上游和阳极的下游，并且排出氢循环系统中的气体。这种情况下，可以排出从阴极流入阳极的氮等。从蒸发气体供应部向氢循环系统提供蒸发气体的氢循环系统的位置可以在氢循环部的上游和排气部的下游。在这种情况下，可防止从排气部中排出氢。

从蒸发气体供应部向氢循环系统提供蒸发气体的氢循环系统的位置可以在阳极的中部。这种情况下，防止了氢的密度在阳极出口侧降低。因此，在燃料电池的每个区域产生基本相等的电能。

燃料电池系统可以包括压力检测部和判定部，所述检测部检测氢循环系统中的压力，所述判定部判定在压力检测部检测的值大于阈值时蒸发气体是否正在进入氢循环系统。这种情况下，检测在贮存部中是否产生蒸发气体。压力检测部可以提供在氢循环部的下游和阳极的上游。

燃料电池系统还可以包括氢循环量控制器，其控制氢循环系统中氢的流量。这种情况下，可利用氢循环量控制器控制提供给阳极的氢量。

氢循环部可以是氢泵。当判定部判定蒸发气体正在进入氢循环系统时，氢循环量控制器可以控制氢泵的转动频率。这种情况下，即使向氢循环系统提供蒸发气体，也可以通过控制氢泵的转动频率而向阳极提供用于在燃料电池中发电的所需量的氢。当判定部判定蒸发气体正在进入氢循环系统时，氢循环量控制器可以控制氢泵，使得氢泵的转动频率降低。在这种情况下，防止向燃料电池提供过量的氢。

燃料电池系统可以包括故障判定部，所述故障判定部在压力检测部检测到的值大于阈值的时间超过一定时间时判定贮存部发生故障。这种情况下，当压力检测部检测到的值在给定时间内不超过阈值时，判定贮存部无故障。因此，判定是否暂时地或连续地产生蒸发气体。

贮存部可具有液体蒸发部。燃料电池系统可以包括控制器，该控制器控制液体蒸发部的操作并且在故障判定部判定贮存部发生故障时停止液体蒸发部的操作。在这种情况下，防止蒸发大量的液氢。并且防止所不期望的氢消耗。

发明效果

根据本发明，不必设置排放到外部的蒸发气体所用的处理装置，例如稀释装置。因此，燃料电池系统的结构得到简化。防止所不期望的氢消耗。燃料电池系统的能量效率得到改善。

附图说明

图1示出根据第一实施方案的燃料电池系统的整体结构的框图；

图2示出压力传感器检测到的气体压力；

图3示出在将蒸发气体提供给管的情况下，控制器的示例性控制序列的流程图；和

图4示出根据第二实施方案的燃料电池系统的整体结构的框图。

具体实施方式

(第一实施方案)

图1示出根据第一实施方案的燃料电池系统100的整体结构的框图。如图1所示，燃料电池系统100具有空气泵1、增湿器2、燃料电池3、压力控制阀4和8、稀释装置5、液氢罐6、主阀7、氢泵9、压力传感器10和11、氢排放阀12、止回阀13、安全阀14、加热器15和控制器20。燃料电池3具有阴极3a和阳极3b。

空气泵1通过管101连接到燃料电池3的阴极3a的入口。管101穿过增湿器2。阴极3a的出口通过管102连接到稀释装置5。管102穿过压力控制阀4。

加热器15位于液氢罐6中。液氢罐6通过管103和104连接到燃料电池3的阳极3b的入口。管103从液氢罐6侧依次穿过主阀7和压力控制阀8。管104的第一端部连接到管103。管104的第二端部连接到阳极3b的入口。阳极3b的出口通过管105连接到管104。

管105穿过氢泵9。在管105中，在氢泵9和阳极3b的出口之间提供压力传感器10，并在氢泵9和管104之间提供压力传感器11。管107连接管105的中部和稀释装置5。在阳极3b的出口和压力传感器10之间的某处，管105连接到管107。管107穿过氢排放阀12。稀释装置5导向外部。

液氢罐6还通过管106连接到管105的中部。管106从液氢罐6侧依次穿过安全阀14和止回阀13。管105在压力传感器10和氢泵9之间处连接到管106。

控制器20具有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)等。控制器20从压力传感器10和11接收检测结果，并控制空气泵1、增湿器2、压力控制阀4和8、主阀7、氢泵9、氢排放阀12和加热器15。

之后，将说明燃料电池系统100的操作。空气泵1接收来自控制器20的指令，并通过管101向增湿器2提供所需要量的空气。增湿器2接收来自控制器20的指令并控制空气湿度。将通过增湿器2控制湿度的空气通过管101提供给阴极3a。

在燃料电池3中，由在以后说明的阳极3b处转化的质子和包含在提供给阴极3a的空气中的氧而产生水和电能。如此产生的水利用质子和氧的反应热蒸发为水蒸汽。在阴极3a处产生的水蒸汽和未与质子反应的空气作为阴极废气通过管102提供给稀释装置5。压力控制阀4接收来自控制器20的指令，并控制从阴极3a提供给稀释装置5的阴极废气的压力。

液氢罐6覆盖有绝热材料，并贮存作为燃料电池3的燃料的液氢。加热器15接收来自控制器20的指令并控制液氢罐6的温度。因此，蒸发所需量的液氢。通过管103和104，将在液氢罐6中蒸发的氢提供给阳极3b。主阀7接收来自控制器20的指令并打开和关闭管103。因此，控制器20可控制在液氢罐6中蒸发的氢向阳极3b的供应。压力控制阀8接收来自控制器20的指令并控制从液氢罐6提供给阳极3b的氢的压力。因此，控制器20可控制从液氢罐6提供给阳极3b的氢量。

在阳极3b处，氢转化为质子。未转化为质子的氢作为阳极废气通过管105提供给氢泵9。氢泵9是例如涡旋泵或螺杆泵的类型，并通过管105和104将阳极废气提供给阳极3b。压力传感器10检测在管105中流动的阳极废气的压力，并将检测结果提供给控制器20。压力传感器11检测通过氢泵9压缩的阳极废气的压力，并将检测结果提供给控制器20。

氢排放阀12接收来自控制器20的指令并打开和关闭管107。因此，控制器20控制管105中流动的阳极废气到稀释装置5的排放。这种情况下，可排出从阴极3a流入到阳极3b的氮等。稀释装置5氧化来自阴极3a的阴极废气和来自阳极3b的阳极废气，并将氧化后的气体排放到燃料电池系统100之外。

当液氢罐6中的压力大于给定值时，安全阀14将液氢罐6中的氢作为蒸发气体提供至管106中。因此，这防止液氢罐6中的压力过高。将提供给管106的氢提供给管105。止回阀13允许来自液氢罐6的氢流入管105，并禁止氢从管105流入液氢罐6。因此，可防止由包含在阳极废气中的水蒸汽等所引起的安全阀14的腐蚀。

因为通过管105和104将蒸发气体提供给阳极3b，因此防止由蒸发气体所引起的燃料电池3的温度下降。因此，当燃料电池3产生电能时，根据本实施方案的燃料电池系统100更有效。

在根据本实施方案的燃料电池系统100中，管104和105和阳极3b形成封闭空间。这防止蒸发气体排放到外部。因此，不必设置排放到外部的蒸发气体所用的另一处理装置，例如稀释装置。因此，燃料电池系统100的结构得到简化。当设计燃料电池系统时，可以将由管104和105以及阳极3b形成的封闭空间的体积设定为优选值，尽管在本实施方案中该体积是约3到4升。

当燃料电池3产生电能的时候，燃料电池3可使用蒸发气体作为产生电能的燃料。在这种情况下，控制器20控制氢泵9，使得氢泵9的转动频率降低。因此，可防止氢泵9的不期望的操作以及液氢的不期望的消耗。因此，燃料电池系统100的能量效率得到改善。下文中详述。

当燃料电池3不产生电能时，可将蒸发气体隔离在由管104和105以及阳极3b形成的封闭空间中。在下次产生电能时，燃料电池3可使用蒸发气体作为燃料。因此，可防止液氢的不期望的消耗。因此，可防止燃料电池系统100的能量效率降低。

因为蒸发气体在氢泵9的上游侧提供至管105，所以可通过控制氢泵9的转动频率来控制提供给阳极3b的氢量。

在该实施方案中，氢泵9将阳极废气提供给阳极3b。可以提供其它供应部例如可变喷射器来替代氢泵9。当燃料电池3使用氢气作为燃料气体时，燃料电池3不局限于本实施方案的情况。可在止回阀13的上游侧的管106中设置另一压力传感器，该压力传感器可以检测蒸发气体的流入。

在该实施方案中，压力传感器11检测管106中的蒸发气体流入。流量计可以检测在管106中的蒸发气体的流入。在这种情况下，流量计可以设置在管106中的止回阀13的上游侧，或可以设置流量计代替压力传感器11。而且，该流量计可以检测管106中的蒸发气体的流入。

接着，将描述管105中流动的气体的压力。图2示出通过压力传感器11检测到的气体压力。图2的纵轴表示通过压力传感器11检测到的气体压力。图2的横轴表示氢泵9的转动频率。

如图2的实线X所示，管105中的气体压力随着氢泵9的转动频率增加而增加。实线X表示由燃料电池3发电所需的氢量和氢泵9的转动频率计算的理论数值。因此，在实线X中，氢泵9的转动频率与管105中的气体压力成正比。然而，如图2的虚线Y所示，由于氢泵9的压缩效率的分散性等，管105中的气体压力是分散的。图2中的虚线Z表示当考虑氢泵9的压缩效率的分散性时，相对于氢泵9的转动频率计算得到的管105中的最大气体压力。因此，由压力传感器11检测到的气体压力在点线Z上方时，蒸发气体流入管105。因此，可用图2的点线Z检测管105中的蒸发气体的流入。

接着，将说明在将蒸发气体提供给管105的情况下，控制器20的操作。图3示出在将蒸发气体提供给管105的情况下，控制器20的示例性控制序列的流程图。控制器20以给定的间隔(例如，几毫秒)重复该操作。

如图3所示，控制器20判定管105中的气体压力是否大于给定压力(步骤S1)。具体而言，控制器20可以基于压力传感器11的检测结果和图2的点线Z进行判定。

当在步骤S1中判定管105中的气体压力大于给定压力时，控制器20控制氢泵9使得氢泵9的转动频率降低(步骤S2)。然后，控制器20等待给定时间，例如5秒钟(步骤S3)。然后，控制器20判定管105中的气体压力是否大于给定压力(步骤S4)。具体而言，控制器20可以基于压力传感器11的检测结果和图2的点线Z进行判定。

当在步骤S4中判定管105中的气体压力大于给定压力时，控制器20停止给加热器15供给能量(步骤S5)。然后，控制器20停止所述序列。

当在步骤S4中判定管105中的气体压力不大于给定压力时，控制器20控制氢泵9以正常的频率转动(步骤S6)。然后，控制器20停止所述序列。

当在步骤S1中判定管105中的气体压力不大于给定压力时，控制器20停止所述序列。

如上所述，按照以上的流程图判定蒸发气体是否流入管105。蒸发气体流入管105时，通过降低氢泵9的转动频率防止过量的氢进入燃料电池3。因此，防止氢的不期望的消耗，并防止氢泵9的不期望的操作。因此，燃料电池系统100的系统效率得到改善。

另外，因为判定蒸发气体流入管105是否超过给定时间，所以判定是否暂时地或连续地产生蒸发气体。因此，迅速地检测加热器15的故障。因此，防止蒸发大量的液氢。并且防止不期望的氢消耗。

在蒸发气体流入管105未超过给定时间的情况下，氢泵9以正常的频率转动，并不停止加热器15的操作。燃料电池3继续稳定地产生电能。

以上的实施方案包括但不限于在步骤S4中判定管105中的气体压力大于给定压力时，判定加热器15发生故障。例如，可判定在液氢罐6中发生隔热故障，并且可判定安全阀14发生故障。

在该实施方案中，液氢罐6相当于贮存部。主阀7相当于燃料供应部。管104和105以及阳极3b相当于氢循环系统。安全阀14相当于蒸发气体供应部。氢泵9相当于氢循环部。控制器20相当于氢循环量控制器、判定部、故障判定部和控制器。压力传感器11相当于压力检测部。加热器15相当于液体蒸发部。安全阀14相当于第一阀。止回阀13相当于第二阀。氢排放阀12相当于排放部。

(第二实施方案)

图4示出根据第二实施方案的燃料电池系统100a的整体结构的框图。在燃料电池系统100a中，管106不连接到管105，而是连接到阳极3b的中部，与图1所示的燃料电池系统100不同。

提供至阳极3b的氢气随着在阳极3b处的流动用于产生电能。而且，在阳极3b的出口附近氢的密度降低。因此，在燃料电池3中不相等地产生电能。

在该实施方案中，蒸发气体提供到阳极3b的中部。而且，防止了在阳极3b的出口侧的氢密度的降低。因此，在燃料电池3的每个区域基本上相等地产生电能。当管106连接到阳极3b的中部时，不限制管106和阳极3b的连接位置。

在根据该实施方案的燃料电池系统100a中，防止蒸发气体排放到外部。因此，不必设置排放到外部的蒸发气体所用的另一处理装置，例如稀释装置。因此，燃料电池系统100a的结构得到简化。当燃料电池3不产生电能时，可将蒸发气体隔离在由管104和105以及阳极3b形成的封闭空间中。而且，在下次产生电能时，燃料电池3可将蒸发气体用作燃料。因此，可防止氢的损失。因此，可防止燃料电池系统100a的能量效率降低。

Claims (23)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，该燃料电池系统包括：

贮存液氢的贮存部；

使用氢气作为燃料气体的燃料电池；

向所述燃料电池的阳极提供氢气的燃料供应部，所述氢气由贮存在所述贮存部中的液氢蒸发产生；

包括所述燃料电池的阳极的氢循环系统；和

向所述氢循环系统提供产生于所述贮存部中的蒸发气体的蒸发气体供应部，

其中：

所述氢循环系统具有氢循环部，所述氢循环部使氢在所述氢循环系统中循环；和

所述氢循环系统的从所述蒸发气体供应部向所述氢循环系统提供所述蒸发气体的位置在所述氢循环系统中所述氢循环部的上游和所述阳极的下游。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述蒸发气体供应部具有第一阀，在所述蒸发气体的压力大于阈值时所述第一阀向所述氢循环系统提供所述蒸发气体。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述蒸发气体供应部具有第二阀，所述第二阀防止所述蒸发气体从所述氢循环系统回流进入所述贮存部。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢循环系统具有设置在所述氢循环部上游并且在所述阳极下游的排气部，所述排气部排出所述氢循环系统中的气体。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢循环系统的从所述蒸发气体供应部向所述氢循环系统提供所述蒸发气体的位置在所述氢循环部的上游和所述排气部的下游。

6.根据权利要求1和4～5中任一项的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：

检测所述氢循环系统中的压力的压力检测部；和

判定部，其判定当所述压力检测部检测的值大于阈值时所述蒸发气体是否正在进入所述氢循环系统。

7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述压力检测部设置在所述氢循环部的下游和所述阳极的上游。

8.根据权利要求6的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括控制所述氢循环系统中流动的氢量的氢循环量控制器。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于：

所述氢循环部是氢泵；和

当所述判定部判定所述蒸发气体正在进入所述氢循环系统时，所述氢循环量控制器控制氢泵的转动频率。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，当所述判定部判定所述蒸发气体正在进入所述氢循环系统时，所述氢循环量控制器控制所述氢泵的转动频率，使得所述氢泵的转动频率降低。

11.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括故障判定部，所述故障判定部在所述压力检测部检测的值大于阈值的时间超过给定时间时判定所述贮存部发生故障。

12.根据权利要求11的燃料电池系统，其特征在于：

所述贮存部具有液体蒸发部；和

所述燃料电池系统具有控制器，所述控制器控制所述液体蒸发部的操作并且在所述故障判定部判定所述贮存部发生故障时停止所述液体蒸发部的操作。

13.一种燃料电池系统，其特征在于，该燃料电池系统包括：

贮存液氢的贮存部；

使用氢气作为燃料气体的燃料电池；

向所述燃料电池的阳极提供氢气的燃料供应部，

所述氢气由贮存在所述贮存部中的液氢蒸发产生；

包括所述燃料电池的阳极的氢循环系统；和

向所述氢循环系统提供产生于所述贮存部中的蒸发气体的蒸发气体供应部，

其中：

所述氢循环系统具有氢循环部，所述氢循环部使氢在所述氢循环系统中循环；和

所述氢循环系统的从所述蒸发气体供应部向所述氢循环系统提供所述蒸发气体的位置在所述阳极的中部。

14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于，所述蒸发气体供应部具有第一阀，在所述蒸发气体的压力大于阈值时所述第一阀向所述氢循环系统提供所述蒸发气体。

15.根据权利要求13或14所述的燃料电池系统，其特征在于，所述蒸发气体供应部具有第二阀，所述第二阀防止所述蒸发气体从所述氢循环系统回流进入所述贮存部。

16.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其特征在于，所述氢循环系统具有设置在所述氢循环部上游并且在所述阳极下游的排气部，所述排气部排出所述氢循环系统中的气体。

17.根据权利要求13或16的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括：

检测所述氢循环系统中的压力的压力检测部；和

判定部，其判定当所述压力检测部检测的值大于阈值时所述蒸发气体是否正在进入所述氢循环系统。

18.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其特征在于，所述压力检测部设置在所述氢循环部的下游和所述阳极的上游。

19.根据权利要求17的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括控制所述氢循环系统中流动的氢量的氢循环量控制器。

20.根据权利要求19所述的燃料电池系统，其特征在于：

所述氢循环部是氢泵；和

当所述判定部判定所述蒸发气体正在进入所述氢循环系统时，所述氢循环量控制器控制氢泵的转动频率。

21.根据权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于，当所述判定部判定所述蒸发气体正在进入所述氢循环系统时，所述氢循环量控制器控制所述氢泵的转动频率，使得所述氢泵的转动频率降低。

22.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统还包括故障判定部，所述故障判定部在所述压力检测部检测的值大于阈值的时间超过给定时间时判定所述贮存部发生故障。

23.根据权利要求22的燃料电池系统，其特征在于：

所述贮存部具有液体蒸发部；和

所述燃料电池系统具有控制器，所述控制器控制所述液体蒸发部的操作并且在所述故障判定部判定所述贮存部发生故障时停止所述液体蒸发部的操作。

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