CN101326665B - 燃料电池系统以及其停止方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，具有燃料电池主体、向该燃料电池供给并排出反应气体的气体流路、和对该气体流路中的气体流通状态进行调整的调整部件，并且，具有对上述气体流路的一部分进行扫气的至少2个系统的扫气路径，第一扫气路径形成为包括燃料电池主体，第二扫气路径形成为旁通燃料电池主体。

Description

燃料电池系统以及其停止方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统以及其停止方法，尤其涉及能够抑制设在气体流路中的泵、阀等系统构成部件冻结的燃料电池系统以及其停止方法。
背景技术
燃料电池系统下述系统：将燃料气体和氧化剂气体介于它们的供给路径供给到燃料电池，利用它们在电池主体中的电化学反应而进行发电。根据该电化学反应在电池主体中生成水，该水在包含在燃料废气(从燃料电池主体排出的燃料气体)或氧化剂废气(从饶料电池主体排出的氧化剂气体)中的状态下从电池主体排出。
因而，存在下述情况：当在燃料电池系统停止的过程中等情况下外部空气的温度下降到例如冰点以下时，残留在设于系统的气体流路中的阀或配管等中的气体中的水分凝结，使它们的构成部件冻结。此时，即使随后要起动燃料电池系统的话，也无法进行起动，或者即使能够起动也可能无法进行正常动作。尤其是当泵等那样的气体供给系统装置冻结时，无法进行燃料气体或氧化剂气体的供给，要到能够起动整个系统需要花费相当的时间。
作为该问题的对策，公开了下述方法：例如在氢泵的吸入口或排出部设置液体贮存部，形成使水分难以残留在氢泵的泵室内的结构，并且在系统即将停止之前利用干燥氢气对氢泵内进行扫气，以除去残留水分(专利文献1)。
另外，作为其他方法，公开了下述方法：为了防止氢泵的冻结，在系统停止阶段中，按预定的时间在氢泵内对干燥的氢气进行净化，从而排出残留水分(专利文献2)。
专利文献1：日本特开2003-178782号公报
专利文献2：日本特开2005-158426号公报
然而，在专利文献1、2中，仅以氢泵作为对象对冷冻防止处置进行了研究，但并未就残留在燃料电池主体等其他部位的水分进行考虑。因而，在系统停止时，要防止包括燃料电池主体和/或氢泵的系统的气体流路中冻结的问题，例如将包括燃料电池主体和氢泵的气体路径作为扫气路径而进行专利文献1、2的操作的情况下，燃料电池主体内的水分流入到设于气体流下游侧的泵和/或阀等系统构成部件，因而存在无法有效排出气体流路内的水分的问题。
发明内容
本发明鉴于上述问题而做出，其目的在于提供一种能够在系统起动时有效防止设置在燃料气体和/或氧化剂气体流路中的泵等各构成部件的冻结的燃料电池系统。
为了达成上述目的，在本发明中，提供一种燃料电池系统，具有燃料电池主体、向该燃料电池供给并排出反应气体的气体流路以及对该气体流路中的气体流通状态进行调整的调整部件；其特征在于，具有对上述气体流路的一部分进行扫气的至少2个系统的扫气路径；第一扫气路径形成为包括燃料电池主体，第二扫气路径形成为旁通燃料电池主体。
在此，需要注意的是，“调整部件”是指设置在用于供给并排出上述反应气体的气体流路中的任意部位上的泵、阀、气液分离器、加湿器、配管等系统构成部件。在本发明中，由于在燃料电池系统中设置了这样的至少2个系统的扫气路径，所以，在系统停止时，能够在进行包括燃料电池主体的第一扫气路径中的扫气后，进行不包括燃料电池主体的第二扫气路径中的扫气，不会受到从燃料电池主体排出的水分的影响，能够使残留水分有效地从对象气体流路排出。
在此，优选的是，第一扫气路径和第二扫气路径具有相同的调整部件。由此，能够有效地干燥该调整部件。
另外，也可以形成如下构成：排出上述反应气体的流路具有循环流路，该循环流路通过循环泵使被排出的反应气体返回到供给上述反应气体的气体流路中；第一及第二扫气路径包括循环泵。根据该构成，在系统停止时，能够在进行包括燃料电池主体的第一扫气路径中的扫气后，在不受燃料电池主体的影响的状态下，进行包括循环泵的第二扫气路径中的扫气，因而能够有效地进行循环泵的干燥。
在此，也可以形成如下构成：燃料电池系统的第二扫气路径还具有旁通流路，该旁通流路的一端连接在上述循环流路中的、循环泵与上述供给流路之间，上述旁通流路的另一端连接在上述循环流路中的、燃料电池主体与循环泵之间。
另外，在上述的燃料电池系统中，第一和/或第二扫气路径还可以具有气液分离装置。此时，残留在反应气体流路内的水分被气液分离装置回收后，排出到系统外部，因而能够使调整部件更为有效地干燥。
另外，第二扫气路径还可使用不在燃料电池主体中流通的“新鲜的”反应气体进行扫气。此时，由于能够利用不包含水分的干燥反应气体对第二扫气路径进行扫气，因而能够更为有效地进行调整部件的干燥。
并且在本发明中，提供一种燃料电池系统的停止方法，用于停止具有上述任意特征的燃料电池系统，其特征在于，在系统停止前，实施：在第一扫气路径中进行扫气的步骤；以及在第二扫气路径中进行扫气的步骤。在本方法中，在燃料电池主体干燥之后，能够在与燃料电池主体分离的状态下进行构成部件的干燥，因而能够实现有效的干燥处理。
在此，上述燃料电池系统还可以具有检测预定部位的温度的检测机构，当由该检测机构检测的温度为基准值以下时，在第一扫气路径和第二扫气路径这两个路径中进行扫气。在本方法中，优选的是，仅在系统放置在有可能发生冻结的低温环境下时，实施上述步骤，因而能够实现系统的节能化。
另外，在上述燃料电池系统的停止方法中，当判断出第一扫气路径的残留水分量为基准值以下时，可以从在第一扫气路径中进行扫气的步骤，转移到在第二扫气路径中进行扫气的步骤。由此，能够更加可靠且有效地进行对象构成部件的干燥。
根据本发明的燃料电池系统，能够有效地将残留在流路内的水分排出，可抑制系统停止状态下的泵及其他构成部件发生冻结，因而能够在下次起动时快速地在低温环境下起动燃料电池系统。
附图说明
图1是本发明的燃料电池系统的构成图。
图2是表示本发明的燃料电池系统中的系统停止时的动作的流程图。
图3是表示本发明的燃料电池系统的第二实施方式的图。标号说明
1燃料电池主体、2燃料气体流路、3氧化剂气体流路、4控制部、200高压氢气罐、201燃料气体供给流路、203循环流路、207第一分支流路、209第二分支流路、210氢泵、220燃料废气用气液分离器、230、234、240、244、246电磁阀、232减压阀、242止回阀、250稀释器、301氧化剂气体供给流路、303氧化剂废气排出流路、305压缩机、309电磁阀、325加湿器、312氧化剂废气分支流路、400压力测定结果、401温度测定结果、515、525电磁阀、520、530旁通流路、600第一扫气路径、610第二扫气路径
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在下面的例子中，采用将本发明适用于燃料气体的供给、排出(或循环)流路的系统进行说明。但是，本发明也能够适用于氧化剂气体侧的路径。
图1中示出了本发明的燃料电池系统的一个构成例。该系统具有燃料电池主体1，能够将由该燃料电池主体1产生的电力作为例如车辆等的驱动源加以利用。而且，该燃料电池系统具有用于在系统内使燃料气体流通的燃料气体流路2、用于使氧化剂气体(空气)流通的氧化剂气体流路3、和控制部4。在下面的说明中，以使用氢气作为供给到燃料电池的燃料气体的系统作为例子进行说明。
燃料气体流路2具有例如将来自高压氢气罐200那样的氢燃料源的燃料气体供给到燃料电池主体1的燃料气体供给流路201、和用于将燃料废气从燃料电池主体1排出的燃料废气排出流路203。然而，燃料废气排出流路203实质上构成了循环流路，从燃料电池主体1侧起，经由后述的气液分离器220以及氢泵210与燃料气体供给流路201连接。此后，也将该燃料废气排出流路203称为循环流路230。在循环流路203上，连接有第一分支流路207和第二分支流路209。
另外，在燃料流路2的燃料气体供给流路201中，在高压氢气罐200的排出口配置常闭电磁阀230，朝向燃料电池主体1侧依次配置有减压阀232、常闭电磁阀234。另一方面，在循环流路203中，从燃料电池主体1侧观察时，依次配置有常闭减压阀240、气液分离器220、氢泵210以及止回阀242。另外，第一分支流路207与气液分离器220连接，在其中途配置有常闭电磁阀244。第二分支流路209在氢泵210的出口侧与循环流路203和燃料气体供给流路201的连接点A之间与循环流路203连接。在第二分支流路209中配置了常闭电磁阀(净化阀)246以及稀释器250，稀释器250出口侧的第二分支流路209的另一端与后述的氧化剂废气排出流路303连接。另外，第一分支流路270的另一端也与氧化剂废气排出流路303连接。
另外，在循环流路203上，在氢泵210和连接点A(循环流路203和燃料气体供给流路201的连接点)之间，连接有从循环流路203分支出来的旁通流路520，该旁通流路520经由电磁阀515再次在电磁阀240和气液分离器220之间与循环流路203连接。
另一方面，氧化剂气体流路3具有用于对燃料电磁主体供给氧化剂的氧化剂气体供给流路301、和用于从燃料电池主体1排出氧化剂废气的氧化剂废气排出流路303。
在氧化剂气体供给流路301上，配置有压缩机305和加湿器325。而且，在氧化剂废气排出流路303上设有上述加湿器325，在加湿器325与燃料电池主体1之间配置有电磁阀(空气调压阀)309。另外，氧化剂废气排出流路303在与上述分支流路207连接的连接点的下游侧具有氧化剂废气分支流路312，该氧化剂废气分支流路312与上述稀释器250连接。但是，也有省略掉稀释器250和氧化剂废气分支流路312的情况。
控制部4接收来自设置在上述各流路的预定部位的压力传感器和温度传感器的压力测定结果400、温度测定结果401，分别对各阀234、240、244、246、230、232、309、氢泵210以及压缩机305等进行控制。进而，控制部4也进行后述的电磁阀515的控制。为了使视图容易观察，省略了控制线等。
在此，对氧化剂气体的通常的流动进行简单说明。在燃料电池系统的通常的运转时，由控制部4使压缩机305驱动，由此将大气中的空气取入作为氧化剂气体，经过氧化剂气体供给流路301，经由加湿器325供给到燃料电池1。被供给的氧化剂气体在燃料电池1内通过电化学反应消耗后，作为氧化剂废气被排出。被排出的氧化剂废气经过氧化剂废气排出流路303被排出到外部。
接着，对氢气的流动进行说明。在通常的运转时，由控制部4将电磁阀230打开，从高压氢气罐200放出氢气，该放出的氢气经过燃料气体供给流路201，在由减压阀232减压之后，经由电磁阀234供给到燃料电池主体1。被供给的氢气在燃料电池1内通过电化学反应被消耗后，作为氢废气被排出。被排出的氢废气经过循环流路203，由气液分离器220除去水分后，经由氢泵210返回到燃料气体供给流路201，再次供给到燃料电池主体1。另外，由于在燃料气体供给流路201和循环流路203的连接点A与氢泵210之间设有止回阀242，所以循环的氢废气不会逆流。通常情况下，第一及第二分支流路207、209的电磁阀244以及246关闭，但根据需要而使这些阀打开时，从各个分支流路排出包括大量由气液分离器220处理得到的水分以及无需循环的氢废气。这些液体和/或气体经由氧化剂废气排出流路303排出到系统外部。
下面，以氢泵为例来说明用于防止本发明燃料电池系统构成部件冻结的动作。
一般来讲，在燃料电池系统在低温环境下停止的情况下，由于来自于包括残留在系统内部的水分的气体的水分的凝结而使得系统构成部件(例如泵、各种阀、气液分离器、加湿器、配管等)冻结，有无法在下次起动时快速起动系统的可能性。为了防止这样的系统构成部件的冻结，考虑在系统停止前或停止过程中，在燃料气体流路2中对燃料废气等进行净化，将残留水分排出。
例如为了使氢泵210干燥，考虑构成以包括燃料电池主体1的燃料气体流路整体作为对象的、单系统的扫气路径(以下表示为第一扫气路径600)。然而，此时，直到确认出残留水分量达到一定值以下时在反复氢废气的循环扫气的话，则在氢泵中继续从燃料电池主体侧流入残留水分，因而一直到燃料电池主体的干燥、进而是氢泵的干燥这两者结束为止都反复扫气操作。尤其是通常为了除去氢泵的残留水分，由于需要比其它部件更多的时间，因而在这样的方法中，氢泵的干燥效率差，需要直到系统停止为止的相当多的时间。
对此，在本发明的方法中，由双系统构成排气路径，当燃料电池系统在低温环境下停止时，进行两个阶段的水分除去操作。此时，在第一阶段的水分除去操作中，预先在包括燃料电池主体1的第一扫气路径中实施水分除去，进行燃料电池主体1的干燥，接着，在第二阶段的水分除去操作中，在不包括燃料电池主体1的第二扫气路径中，能够实施用于进行氢泵210的水分除去操作的操作，因而能够有效地除去氢泵的水分。
更为详细地说明该两阶段的水分除去操作的方法。首先，在起初的阶段中，燃料废气在由图1的虚线所示的第一扫气路径600内循环。即，通过氢泵210，燃料废气在从循环流路203-A点起到燃料电池主体1的燃料气体供给流路201-燃料电池主体1-所相连的路径中循环，系统内的残留水分被气液分离器220回收除去(在该阶段中，减压阀234以及电磁阀240打开，电磁阀230、232、515关闭)。通过该燃料废气的循环操作，残留在燃料电池主体1中的水分被充分排出。接着，在第二阶段中，在旁通燃料电池主体1的路径、即图1中由双重虚线表示的第二扫气路径610中，由氢泵210使燃料废气循环，由气液分离器220除去残留水分(在该阶段中，减压阀234以及电磁阀240关闭，电磁阀515打开)。由此，可不受到燃料电池主体1的影响，能够有效地使氢泵210干燥。
以图2所示的流程图为例详细说明该动作。
图2是表示停止燃料电池系统时的系统动作流程的图。首先，在步骤S10中，通过温度传感器等检测机构，测定出外部空气温度或对象配管温度(例如图1中的燃料气体流路2内的任意配管温度)，在控制部4中，通过对该测定温度401与预定的阈值进行比较，判断有无必要进行防止冻结用的水分除去操作。在测定温度401为阈值以下时，在控制部4中，判断为需要进行燃料气体流路2的水分除去操作，进入下一步骤S20。另一方面，在测定温度超过阈值时，由于不从控制部4发送用于水分除去操作用的指令，故不进行特别的操作，系统停止。因此，通过这样的判断步骤S10，能够实现系统的节能化。另外，在通常的系统中，作为通常的停止模式，也有编入在系统停止前在第一扫气路径中进行扫气的操作。在这样的系统中，在步骤S10中，当测定温度401超过阈值时，在系统即将停止之前，仅实施第一扫气路径中的扫气。
接着，在步骤S20中，关闭电磁阀230、515和减压阀232(或确认为关闭)，并且打开电磁阀234、240(或确认为打开)，形成第一扫气路径600。另外，氢泵210运转，开始第一扫气路径600内的燃料废气的循环。由此，残留在包括燃料电池主体1的第一扫气路径600内的水分被气液分离器220回收处理。
接着，在步骤S30中，判断第一扫气路径内的残留水分量是否为基准值以下。当判断出残留水分量超过基准值时，继续第一扫气路径内的燃料废气的循环。另一方面，当判断出残留水分量降低到基准值以下时，结束第一扫气路径中的残留水分除去操作，转移到步骤S40中。在此，在控制部4中，作为判断第一扫气路径的残留水分量达到基准值以下的方法，有下述方法。(1)预先在控制部4存储氢泵的动作时间和水分除去量的关系，当氢泵达到预定的动作时间时，判断为路径内的水分达到基准值以下；(2)在气液分离器中预设液面传感器等，监控通过第一扫气路径中的燃料废气的循环回收的水分除去量的变化，当该长期变化成为预定的变化量以下时，判断为路径内的水分达到基准值以下；等等。另外，在(1)方法的情况下，氢泵的动作时间和水分除去量的关系也根据燃料电池的发电量或冷却水温等燃料电池的动作状态而发生变化，因而优选的是，在控制部4中预先存储各种条件下的多个关系。
在步骤S40中，根据控制部4的指令，电磁阀234、240关闭，电磁阀515打开，形成第二扫气路径610。在该路径中，也通过氢泵210进行燃料废气的循环。
接着，在步骤S50中，判断第二扫气路径610内的残留水分量是否为基准值以下。当判断出残留水分量超过基准值时，继续第二扫气路径610内的燃料废气的循环。另一方面，当判断出残留水分量降低到基准值以下时，结束第二扫气路径610中的残留水分除去操作，停止系统。在该步骤中，也利用与上述第一扫气路径600内残留水分量的判断方法相同的方法。
通过上述步骤，能够可靠且有效地使燃料气体流路2内的氢泵等构成部件干燥。
图3示出了本发明的燃料电池系统的另一实施例。
在该例子中，旁通流路的位置与在先所示的图1不同。即，旁通流路530的一端，连接在燃料气体供给流路201的、电磁阀234与连接点A(燃料气体供给流路201和循环流路203的连接点)之间(连接点B)。另外，旁通流路530的另一端，连接在循环流路203的、氢泵210与气液分离器220之间(连接点C)。另外，在旁通流路530中配置电磁阀525。
在该系统构成中，在第一阶段的水分除去操作时，在第一扫气路径600内，也通过上述的路径同样地使燃料废气循环。然而，在进行第二阶段的水分除去的场合，在该系统中，电磁阀234、240关闭，电磁阀230、246、525、减压阀232打开。即，干燥的氢气在高压氢气罐200-燃料气体供给流路和旁通流路530的连接点B-旁通流路530和循环流路203的连接点C-的路径中流入氢泵210，包含在氢泵210中的残留水分被排出。从氢泵210排出的包括水分的氢气经由电磁阀246以及稀释器250而被排出。在该系统的情况下，使用新鲜的干燥氢气除去氢泵210内的残留水分，因而能够进行更为有效地除去水分。
另外，由本发明的燃料电池系统进行的系统停止操作，不应理解为仅适用于系统从运转状态停止的时候。例如，还可以在燃料电池系统在低温环境下停止的状态下，在可能发生冻结的情况下根据需要进行上述(图2)的操作。此时，作为在2个系统的扫气路径内循环的气体，也可使用来自高压氢气罐200的氢气来代替燃料废气。
在上述本发明的实施例中，对以氢泵210为对象并使其有效干燥的例子进行了说明。即，示出下述构成：在第一扫气路径中包括氢泵210和燃料电池主体1，在第二扫气路径中包括氢泵210，但并不包括燃料电池主体1。然而，本发明的2个系统的扫气路径并不限于这样的构成。另外，作为本发明的适用对象的系统构成部件也并不限于氢泵。例如可以构成为，将设在反应气体流路中的其他构成部件(阀、加湿器、配管等)作为对象，将第一扫气路径构成为包含燃料电池主体(可包含上述构成部件，也可不包含上述构成部件)，将第二扫气路径构成为包括这些部件但不包括燃料电池主体。
另外，为说明本发明而使用的燃料电池系统的构成为一个例子，并不限定本发明。需要注意的是，例如在实际的燃料电池系统中，也有在未示出的部位配置电磁阀或配管等其他构成部件的情况，相反，也有省略掉图1或图3所示的若干构成部件的情况。
另外，本申请主张2005年12月5日提出的日本专利申请2005-350551号的优先权，作为本申请的参照将援引该日本申请的全部内容。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，具有燃料电池主体、向所述燃料电池主体供给及排出反应气体的气体流路和对所述气体流路中的气体流通状态进行调整的调整部件；其特征在于，
具有对所述气体流路的一部分进行扫气的至少2个系统的扫气路径，第一扫气路径被形成为包含燃料电池主体，第二扫气路径被形成为绕过燃料电池主体；
所述燃料电池系统还具有控制部，所述控制部对所述调整部件的动作进行控制，以使气体在第一或第二扫气路径中流通；
所述控制部在使第一扫气路径中的气体的流通停止之后使气体在第二扫气路径中流通。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
气体在第一扫气路径中流通的期间，当确认为第一扫气路径内的残留水分量为基准值以下时，所述控制部使第一扫气路径中的气体的流通停止并使气体在第二扫气路径中流通。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统还具有检测第一扫气路径预定部位的温度的检测机构；
当由所述检测机构检测出的温度为基准值以下时，所述控制部控制所述调整部件的动作，以使气体在第一扫气路径中流通。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
排出所述反应气体的气体流路具有循环流路，所述循环流路利用循环泵使排出的反应气体返回到供给所述反应气体的流路中；
第一及第二扫气路径具有循环泵。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
第二扫气路径还具有旁通流路，所述旁通流路的一端连接在所述循环流路中的、循环泵与所述供给流路之间，所述旁通流路的另一端连接在所述循环流路中的、燃料电池主体与循环泵之间。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，第一和/或第二扫气路径具有气液分离装置。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，第二扫气路径利用未在燃料电池主体中流通的反应气体进行扫气。
8.一种燃料电池系统的停止方法，所述燃料电池系统具有燃料电池主体、向所述燃料电池主体供给及排出反应气体的气体流路和对所述气体流路中的气体流通状态进行调整的调整部件；其特征在于，
所述燃料电池系统具有对所述气体流路的一部分进行扫气的至少2个系统的扫气路径，第一扫气路径被形成为包含燃料电池主体，第二扫气路径被形成为绕过燃料电池主体；
在系统停止前，执行：
在第一扫气路径中进行扫气的步骤；和
在第二扫气路径中进行扫气的步骤。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统的停止方法，其特征在于，
所述燃料电池系统还具有检测预定部位的温度的检测机构；
当由所述检测机构检测出的温度为基准值以下时，在第一扫气路径和第二扫气路径这两个路径中进行扫气。
10.如权利要求8所述的燃料电池系统的停止方法，其特征在于，
当判断出第一扫气路径的残留水分量为基准值以下时，从在第一扫气路径中进行扫气的步骤转移到在第二扫气路径中进行扫气的步骤。
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