CN101233643B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

在配备有固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统(100)中，将从燃料电池堆(10)的阴极排出的包含湿气的阴极废气供应到阴极。当已经在燃料电池堆(10)中发生溢流时，控制空气泵(42)、循环节流阀(44)、供应节流阀(46)、和背压控制阀(38)，并且增加阴极废气的循环量以排出多余湿气。通过这么做，在该燃料电池系统中，能够在维持电解质膜处于湿润状态的同时消除溢流。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种设有固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

通过氢和氧的电化学反应产生电力的燃料电池作为电源在过去已经被注意到。这些燃料电池包括使用固体聚合物膜作为电解质膜的固体聚合物电解质燃料电池。为了利用这种类型的固体聚合物电解质燃料电池获得期望的发电性能，需要将电解质膜保持在适当湿润的条件下，并且利用电解质膜保持适当水平的质子传导性。为此，在设有固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统中，需要在操作期间湿润电解质膜。

近来，已经提出了一种技术，利用该技术，在发电期间的燃料电池中产生的也就是通过氢和氧的电化学反应产生的产物水被再使用以湿润电解质膜，从而提高燃料电池系统的能量效率。例如，JP8-500931A和JP9-312164A公开了通过向阴极循环和再提供含有从阴极排出的产物水的阴极废气从而湿润电解质膜的技术。

另一方面，如果在电解质膜附近存在多余湿气，则将发生溢流。具体地，反应气体到电解质膜的扩散将被该多余湿气阻碍，并降低燃料电池的发电性能。作为用于消除该溢流的技术，例如，JP2004-152532A公开了一种技术，利用该技术，当发生溢流时，增加从外部提供到燃料电池的气体流，从而排出多余湿气。

如在上述JP8-500931A和JP9-312164A中指导的，在通过向阴极循环和再提供包含从燃料电池阴极排出的产物水的阴极废气来湿润电解质膜的燃料电池系统中，为了消除溢流，可以执行在前述JP2004-152532中公开的技术。然而，在这种情况下，如果仅仅增加从外部提供到燃料电池的气体流，则具有这样的风险：电解质膜将过分干燥，并且燃料电池的发电性能将下降。因此，需要在抑制电解质膜的干燥并维持潮湿状态的同时来消除溢流。

发明内容

本发明意图解决上述问题，并且目的为：在设有固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统中，在将电解质膜维持在湿润状态的同时消除溢流。

为了至少部分地解决上述问题，在本发明中采用下面的结构。

本发明的燃料电池系统包括：燃料电池，该燃料电池采用固体聚合物电解质作为电解质膜；供应管路，用于向所述燃料电池的阴极供应氧化剂气体；循环管路，用于将从所述阴极排出的阴极废气循环到所述供应管路；循环气体流量调节器，用于调节通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量；溢流检测器，用于检测在所述燃料电池中是否发生溢流；以及控制器，用于控制所述循环气体流量调节器。当所述溢流检测器检测到溢流时，所述控制器控制所述循环气体流量调节器，使得通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量比没有发生溢流时大。

通过这么做，在利用包含湿气的阴极废气以及适当控制其循环量来湿润电解质膜的同时，当在燃料电池中发生溢流时，可以从燃料电池中排出多余湿气。由此，在设有固体聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统中，在排出多余湿气并消除溢流的同时，能够将电解质膜维持在湿润状态下。

在前述燃料电池系统中，循环气体流量调节器可以包括：第一流量调节阀，该第一流量调节阀设置在所述循环管路上，用于调节通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量；以及泵，该泵设置在所述供应管路与所述循环管路的汇合部分的下游的所述供应管路上。当溢流检测器检测到溢流时，控制器可以加快泵的旋转速度并加大第一流量调节阀的开度，使得所述旋转速度和开度比没有发生溢流时大。

在前述燃料电池系统中，循环气体流量调节部分还可以包括第二流量调节阀，该第二流量调节阀被设置在供应管路和循环管路的汇合部分的上游的供应管路上，用于调节氧化剂气体的流量。当溢流检测器检测到溢流时，控制器可以减小第二流量调节阀的开度，使得该开度比没有发生溢流时小。

通过这么做，当在燃料电池中发生溢流时，可以增加包含湿气的阴极废气的循环量。

除了被构造为上述的燃料电池系统之外，本发明还可以被构成为燃料电池系统控制方法的发明。并且，本发明可以被简化从而以多种其他模式实现，诸如：用于实现上述的计算机程序；上面记录有程序的记录介质；或者包含程序并且实施为载波的数据信号。在这各个实施例中，可以执行之前所示的多种补充元件。

当本发明被构成为计算机程序、上面记录有程序的记录介质等时，可以构成用于控制燃料电池系统的操作的整个程序，或者仅仅构成完成本发明功能的那些部分。如下多种记录介质可以被用作该记录介质，诸如软盘、CD-ROM、DVD-ROM、磁光盘、IC卡、ROM盒、穿孔卡片、上面印刷有条形码或其他符号的印刷材料、计算机内部存储设备(例如RAM、ROM或其他存储器)或者外部存储设备或多种其他这样的计算机可读介质。

附图说明

图1是示出作为本发明第一实施例的燃料电池系统100的简化结构的图示；

图2是示出溢流消除控制流程的流程图；以及

图3是示出作为改进实例的燃料电池系统100A的简化结构的图示。

具体实施方式

下面将以如下顺序描述本发明的实施例。

燃料电池系统的结构：

操作控制：

改进实例：

A.燃料电池系统的结构

图1是示出作为本发明第一实施例的燃料电池系统100的简化结构的图示。燃料电池(FC)堆10是用于通过氢和氧的电化学反应来发电的一堆多个堆叠电池。每个电池由设置为将具有质子传导性的电解质膜夹在其间的氢电极(下文中称为“阳极”)和氧电极(下文中称为“阳极”)构成。在该实施例中，使用利用NAFION(TM)等的固体聚合物电解质膜作为电解质膜的固体聚合物型电池。在燃料电池堆10中安装用于测量电池电压的电压传感器12。

经由管路22从氢罐20向燃料电池堆10的阳极提供氢燃料气体。代替氢罐20，可以通过诸如酒精、碳氢化合物、醛等的起始材料的重整反应来生成氢并提供给阳极。

从阳极排放的废气(下文中称为“阳极废气”)通过管路24被排放到外部。用于循环阳极废气的管路26连接到管路22和管路24。在该管路26上安装循环泵40，并通过该循环泵40的操作可以循环阳极废气，从而可以再次使用包含在阳极废气中且没有被燃料电池堆10消耗的氢。虽然在附图和描述中省略，但是可以任选地在管路上安装多种阀、压力传感器等。

经由过滤器30和管路32向燃料电池堆10的阴极提供空气作为氧化剂气体。在管路32上安装空气泵42，并且利用该空气泵42的操作将空气提供给阴极。本发明中管路32对应于供应管路。

通过管路34和背压控制阀38将从阴极排放的废气(下文中称为“阴极废气”)排放到外部。用于循环阴极废气的管路36连接到管路32和管路34。如先前提到的，因为本发明的燃料电池堆10利用固体聚合物膜作为电解质膜，所以需要使电解质膜湿润，从而维持电解质膜的适当质子传导性并获得期望的发电能力。因为阴极废气包含通过由燃料电池堆10进行的发电所产生的产物水，所以可以通过将这些阴极废气提供给阴极来执行电解质膜的湿润。在本发明中，管路36对应于循环管路。

如所述的，用于控制提供给燃料电池堆10的空气量的供应节流阀46被设置在管路32与管路36的汇合部分的上游。用于测量在过滤器30和供应节流阀46之间的管路32内的压力的压力传感器52被设置在管路32的供应节流阀46和过滤器30之间。还将压力传感器50设置在空气泵42和管路32与管路36的汇合部分之间。用于测量背压的压力传感器被设置在管路34上。用于控制阴极废气循环量的循环节流阀44被设置在管路36上。空气泵42、循环节流阀44和供应节流阀46能够通过控制空气泵42的速度、循环节流阀44的开度以及供应节流阀46的开度来控制阴极废气的循环量，并对应于在本发明中的循环气体流量调节器。

利用控制单元60来控制燃料电池系统100的操作。控制单元60被构成为设有内部CPU、RAM和ROM的微型计算机，并且根据存储在ROM中的程序来控制系统的操作。在附图中，用于实现该控制的输入到控制单元及从控制单元输出的信号的例子由虚线示出。例如，来自压力传感器50、52、54以及来自电压传感器12的传感器信号可以被提及为输入信号。例如，用于背压控制阀38、空气泵42、循环节流阀44和供应节流阀46的控制信号可以被提及为输出信号。

B.操作控制：

下面将讨论溢流消除控制，当在燃料电池堆10中已经发生溢流时，执行溢流消除控制来消除溢流。溢流表示这样的现象，其中产物水在电解质膜附近凝聚，且多余湿气阻碍反应物气体扩散到电解质膜，从而降低了燃料电池的发电能力。

图2是溢流消除控制流程的流程图。该控制是在燃料电池系统100的操作期间如果需要则由控制单元60的CPU执行的控制。

首先，CPU通过电压传感器12来测量燃料电池堆10的电池电压(步骤S100)。然后，基于该电压值，确定是否在燃料电池堆10中发生了溢流(步骤S110)。例如，如果电池电压等于或小于规定值则确定溢流已经发生。

如果在步骤S110中确定已经发生溢流，则CPU将增加循环节流阀44的开度，以及增加空气泵42的速度(步骤S120)。通过这么做，将增加阴极废气的循环量，将增加流动速度，并且可以加速在燃料电池堆10的电解质膜附近的多余湿气的排出。此时，CPU将控制循环节流阀44的开度以及空气泵42的速度，使得压力传感器52的输出变成恒定。CPU还将监视压力传感器54的输出并且控制背压控制阀38的开度，使得背压变成恒定。通过使得背压控制阀38的开度更大并且控制背压至较低水平，可以进一步加速从燃料电池堆10排放湿气。

接着，通过电压传感器12，CPU将测量燃料电池堆10的电池电压，并且以与步骤S110相同的方式来确定是否已经消除了溢流(步骤S130)。如果已经消除了溢流(步骤S130：是)，则溢流消除控制将终止。

在步骤S130，如果溢流没有被消除(步骤S130：否)，则CPU将减少供应节流阀46的开度，以及进一步增加空气泵42的速度(步骤S140)。通过这么做，不增加供应作为氧化剂气体的空气的量，就将增加阴极废气的循环量，并将增加全部流动速度，以及可以进一步加速在燃料电池堆10的电解质膜附近的多余湿气的排出。此时，CPU将控制供应节流阀46的开度以及空气泵42的速度，使得压力传感器52的输出变成恒定。CPU还将监视压力传感器54的输出并控制背压控制阀38的开度，使得背压变成恒定。

然后，通过电压传感器12，CPU将再次测量燃料电池堆10的电池电压，并且以与步骤S110相同的方式来确定溢流是否已经被消除(步骤S150)。如果溢流没有被消除，则在增加阴极废气的循环量的同时将继续操作直到溢流消除(步骤S150：否)。如果溢流已经被消除(步骤S150：是)，则溢流消除控制将终止。

根据上述本实施例的燃料电池系统100，通过循环含有湿气的阴极废气并且供应阴极，可以执行燃料电池堆10的电解质膜的湿润，而当在燃料电池堆10中发生溢流时增加阴极废气的循环量以排出湿气，从而可以消除溢流。

C：改进实例：

虽然以上描述了本发明的实施例，但是本发明不以任何方式局限于该实施例，并且可以被简化为以不偏离本发明精神的多种方式来实现。例如，下面的改进实例将是可以的。

C1：改进实例1：

图3是示出作为改进实例的燃料电池系统100A的简化结构的图示。该燃料电池系统100A除了没有设有在以上实施例的燃料电池系统100中的供应节流阀46和压力传感器52之外与燃料电池系统100相同。在该改进实例中的溢流消除控制中，省略了图2所示流程图中的步骤S130和步骤S140的过程。

关于本改进实例的燃料电池系统100A，如同以上实施例的燃料电池系统100一样，通过循环包含湿气的阴极废气并且将它们提供给阴极，同时执行燃料电池堆10的电解质膜的湿润，则可以在燃料电池堆10中发生溢流时增加阴极废气的循环量以排出多余湿气，从而消除溢流。

C2：改进实例2：

在前述改进实例的燃料电池系统100A中，可以设置循环泵来代替循环节流阀44，并且可以控制该循环泵。具体地，如果确定已经发生了溢流，CPU将增加了空气泵42的速度，还将增加循环泵的速度。通过这么做，将增加阴极废气的循环量，将增加流动速度，以及可以加速在燃料电池堆10的电解质膜附近的多余湿气的排出。

C3：改进实例3：

在之前讨论的实施例中，在图2所示的溢流消除控制的步骤S150中，如果没有消除溢流，则增加阴极废气的循环量的操作照原样继续；然而，本发明不局限于此。例如，这也是可以接受的：返回步骤S120，进一步增加循环节流阀44的开度，并且进一步增加空气泵42的速度。这也是可以接受的：返回步骤S140，进一步减少供应节流阀46的开度，并且进一步增加空气泵42的速度。

C4：改进实例4：

在之前讨论的实施例中，基于由电压传感器12检测的电池电压，来确定在燃料电池堆10中是否发生了溢流，但是不局限于此。例如，这也是可以接受的：使用阻抗计来测量燃料电池堆10的交流阻抗，并且基于该测量值来做出确定。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池，该燃料电池采用固体聚合物电解质作为电解质膜；

供应管路，用于向所述燃料电池的阴极供应氧化剂气体；

循环管路，用于将从所述阴极排出的阴极废气循环到所述供应管路；

循环气体流量调节器，所述循环气体流量调节器用于调节通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量，并且所述循环气体流量调节器包括空气泵、循环节流阀和供应节流阀，其中所述空气泵、所述循环节流阀和所述供应节流阀能够通过控制所述空气泵的速度、所述循环节流阀的开度以及所述供应节流阀的开度来控制阴极废气的循环量，并且该空气泵设置在所述供应管路与所述循环管路的汇合部分的下游的所述供应管路上；

溢流检测器，用于检测在所述燃料电池中是否发生溢流；以及

控制器，用于控制所述循环气体流量调节器；

其中当所述溢流检测器检测到溢流时，所述控制器控制所述循环气体流量调节器，使得通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量比没有发生溢流时大；

在通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量增加后，所述溢流检测器确定是否已经消除了溢流：如果所述溢流检测器确定已经消除了溢流，则所述控制器终止增加通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量的溢流消除控制；如果溢流没有被消除，则所述控制器将减少所述供应节流阀的开度，并且进一步增加所述空气泵的速度，从而在不增加供应作为所述氧化剂气体的空气的量的情况下，增加阴极废气的循环量，并将增加全部流动速度；并且

然后，所述溢流检测器再次确定是否已经消除了溢流：如果溢流没有被消除，则在增加阴极废气的循环量的同时将继续操作，直到溢流消除；并且如果所述溢流检测器确定已经消除了溢流，则所述控制器终止溢流消除控制。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述循环节流阀设置在所述循环管路上，用于调节通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量；并且

其中当所述溢流检测器检测到溢流时，所述控制器增加所述空气泵的旋转速度并增加所述循环节流阀的开度，使得所述旋转速度和所述开度比没有发生溢流时大。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述供应节流阀设置在所述供应管路与所述循环管路的汇合部分的上游的所述供应管路上，用于调节所述氧化剂气体的流量，并且

其中当所述溢流检测器检测到溢流时，所述控制器减小所述供应节流阀的开度，使得所述开度比没有发生溢流时小。

4.根据权利要求1到2中任何一项所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括：

排放管路，用于将从所述阴极排出的阴极废气排出到外部；以及

背压控制阀，该背压控制阀设置在所述排放管路上，用于控制背压；

其中当所述溢流检测器检测到溢流时，所述控制器增加所述背压控制阀的开度，使得所述开度比没有发生溢流时大。

5.根据权利要求1到2中任何一项所述的燃料电池系统，其中所述溢流检测器包括用于检测所述燃料电池的电池电压的电压传感器。

6.根据权利要求1到2中任何一项所述的燃料电池系统，其中所述溢流检测器包括用于测量所述燃料电池的交流阻抗的阻抗计。

7.一种用于控制燃料电池系统的方法，

所述燃料电池系统具有：燃料电池，该燃料电池采用固体聚合物电解质作为电解质膜；供应管路，用于向所述燃料电池的阴极供应氧化剂气体；循环管路，用于将从所述阴极排出的阴极废气循环到所述供应管路；以及循环气体流量调节器，所述循环气体流量调节器用于调节通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量，并且所述循环气体流量调节器包括空气泵、循环节流阀和供应节流阀，其中所述空气泵、所述循环节流阀和所述供应节流阀能够通过控制所述空气泵的速度、所述循环节流阀的开度以及所述供应节流阀的开度来控制阴极废气的循环量，并且该空气泵设置在所述供应管路与所述循环管路的汇合部分的下游的所述供应管路上，

所述方法包括以下步骤：

(a)检测在所述燃料电池中是否发生溢流；

(b)当检测到溢流时，增加通过所述循环管路循环的阴极废气的流量，使得阴极废气的流量比没有发生溢流时大；

(c)在通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量增加后，确定是否已经消除了溢流：如果确定已经消除了溢流，则增加通过所述循环管路循环的所述阴极废气的流量的溢流消除控制终止；并且如果溢流没有被消除，则所述控制器将减少所述供应节流阀的开度，并且进一步增加所述空气泵的速度，从而在不增加供应作为氧化剂气体的空气的量的情况下，增加阴极废气的循环量，并将增加全部流动速度；以及

(d)再次确定是否已经消除了溢流：如果溢流没有被消除，则在增加阴极废气的循环量的同时将继续操作，直到溢流消除；并且如果确定已经消除了溢流，则溢流消除控制终止。

8.根据权利要求7所述的用于控制燃料电池系统的方法，其中所述燃料电池系统还包括用于将从所述阴极排出的阴极废气排出到外部的排放管路，并且

所述方法还包括以下步骤：

(e)当检测到溢流时，将所述排放管路内的背压降低到比没有发生溢流时低的水平。

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