CN101485025A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种在将气体供给到燃料电池的气体供给流路上配置调节器的燃料电池系统中，抑制调节器上游侧的过度的压力上升、防止调节器错误动作的技术。本发明的燃料电池系统1具有：燃料电池(2)；燃料气体供给流路(40)，向燃料电池(2)供给燃料气体；氧化气体供给流路(50)，向燃料电池供给氧化气体；二次调节器(12)，设置在燃料气体供给流路(40)上；旁通流路(42)，连接二次调节器(12)的上游侧流路和下游侧流路；压力调整阀(10)，设置在旁通流路(42)上，当上游侧的压力与下游侧的压力之差为规定值以下时关闭，当超过规定值时打开。

Description

燃料电池系统
技术领域
本申请请求基于2006年8月1日申请的日本专利申请第2006-209784号的优先权。该申请的全部内容在本说明书中作为参照引用。
本发明涉及到一种具有燃料电池、向燃料电池供给燃料气体的燃料气体供给流路、向燃料电池供给氧化气体的氧化气体供给流路的燃料电池系统。尤其涉及到一种可抑制向设置在气体供给流路上的调节器作用过大压力的燃料电池系统。
背景技术
具有燃料电池、气体供给流路的燃料电池系统已被开发，上述气体供给流路用于向燃料电池供给使燃料电池产生电气化学反应的燃料气体、氧化气体等流体。
例如，使用固体高分子燃料电池(PEFC)的燃料电池系统中，当空气极和燃料极的差压变大时，产生燃料电池电解质膜劣化、燃料电池寿命降低等问题。鉴于此开发了以下技术：控制供给到空气极侧的氧气的流量、及供给到燃料极侧的氢气的流量，并进行压力控制，使燃料电池的空气极侧的压力和燃料极侧的压力稳定。
在日本特开2002-246045号公报记载的燃料电池系统中，在氢气瓶的气体出口上设有一次调节器。在将氢气从一次调节器引导到燃料电池的氢气供给流路中，设有根据燃料电池的运转状态进行控制的二次调节器。并且，二次调节器的上游侧流路和下游侧流路通过旁通流路连接，该旁通流路上设有开关阀。二次调节器及开关阀通过控制部控制。
在该燃料电池系统中，氢气瓶内的氢气通过一次调节器调压为规定的压力。通过一次调节器调压的氢气通过二次调节器进一步调压。二次调节器根据燃料电池的运转状态被控制，调整供给到燃料电池的氢气的压力。这样一来，燃料电池的空气极侧的压力和燃料极侧的压力的差变得稳定，可抑制燃料电池的劣化、寿命下降等。
发明内容
在上述燃料电池系统中，过大的压力作用于氢气供给流路上设置的二次调节器，会产生二次调节器的错误动作。例如，氢气瓶的气体出口密封关闭、且从二次调节器有微小的氢气泄漏时，二次调节器上游的氢气供给流路内的氢气的压力基本下降到大气压。在该状态下因系统起动等高压气体从氢气瓶一下子流到氢气供给流路内时，二次调节器上游的气体压力急剧上升，二次调节器的上游的气体压力中产生暂时的压力峰值。这样一来，过大的压力作用于二次调节器，与该压力对应地会产生二次调节器错误开阀等错误动作。并且，在二次调节器的上游侧设置的各个部分(例如一次调节器等)失效时也一样，通过从氢气瓶一下放出的高压气体，在二次调节器的上游侧产生压力峰值，可能产生二次调节器的动作不良。
在上述燃料电池系统中，设有连接二次调节器的上游侧和下游侧的旁通流路，在该旁通流路上设有开关阀。但是该开关阀在清洁动作时开阀，在二次调节器的上游的气体压力过大上升时不会开阀。因此，无法抑制二次调节器上游的气体压力的过度上升，无法防止二次调节器的错误动作。
本发明提供一种在将气体供给到燃料电池的气体供给流路上配置调节器的燃料电池系统中，抑制调节器上游侧的过度的压力上升、防止调节器错误动作的技术。
本发明的燃料电池系统具有燃料电池、与燃料电池连接的燃料气体供给流路、与燃料电池连接的氧化气体供给流路、设置在燃料气体供给流路和氧化气体供给流路的至少一个上的调节器、连接调节器的上游侧流路和下游侧流路的旁通流路、设置在旁通流路上的压力调整阀。燃料气体供给流路向燃料电池供给燃料气体。氧化气体供给流路向燃料电池供给氧化气体。燃料电池使用供给的燃料气体和氧化气体产生化学反应生成电。调节器控制自身所处的流路的下游侧的气体压力。旁通流路的上游侧与调节器的上游侧流路连通，旁通流路的下游侧与调节器的下游侧流路连通。压力调整阀在旁通流路的上游侧的压力和下游侧的压力差为规定值以下时关闭，当超过规定值时打开。
根据上述系统，过度高的气体压力施加于配置在气体供给流路的调节器的上游时，设置在连接调节器的上游和下游的旁通流路上的压力调整阀打开。从而可使调节器的上游的气体经过旁通流路流向调节器的下游。因此调节器的上游的气体压力被降压，防止调节器的错误动作。
进一步优选：上述压力调整阀压力具有：阀，具有密封部；阀座，具有密封部和气体通过口；弹性体，向阀座侧对阀施力，阀的密封部和阀座的密封部抵接时，阀座的气体通过口被密封，阀的密封部从阀座的密封部离开时，阀座的气体通过口打开。
在上述压力调整阀中，燃料电池系统正常运转时，旁通流路的上游侧的气体压力和下游侧的气体压力的差保持在规定值以下，阀的密封部与阀座的密封部抵接，关闭气体通过口。而在系统动作开始时、系统失效时等，当旁通流路的上游侧的气体压力和下游侧的气体压力的差超过规定值时，通过上游侧的气体压力，阀的密封部从阀座的密封部离开，气体通过口打开。当上游侧的压力恢复到规定值以下时，通过弹性体的施力，阀被压回，气体通过口再次密封。
根据上述构造，未采用由控制部开关驱动压力调整阀的阀的构造，而采用通过旁通流路的上游侧和下游侧的压力差机械地开关的构造，因此当调节器的上游侧的压力过度上升时，可立刻关闭压力调整阀的阀。并且，压力调整阀打开的时间由弹性体的弹性模数决定，因此通过调整弹性体的弹性模数，可调整作用于调节器的压力的上限值。因此，可防止过大的负荷作用于调节器，确保调节器的耐久性。
进一步优选：上述阀座上设有阀引导部，其在阀座的密封部上游侧可滑动地引导阀。
在燃料电池系统中，调节器的上游侧的燃料气体供给流路内仅有燃料气体流动，与之相对，调节器的下游侧的燃料气体供给流路内不仅有燃料气体、而且流动燃料电池生成的气体。因此，通过将引导阀的阀引导部设置在阀座的密封部上游侧，可将阀引导部配置在仅有燃料气体流动的流路内。这样一来，确保了阀的开关动作的切实性，可防止压力调整阀的动作不良。
例如，在使用固体高分子型燃料电池的燃料电池系统中，氢离子和水透过燃料电池的电解质膜，所以在加湿状态下动作。因此，燃料气体供给流路上设置的调节器的上游侧被氢气充满，是干的，与之相对，下游侧由饱和水蒸气充满，是湿润的。同样，压力调整阀的上游侧是干的，压力调整阀的下游侧为湿润。因此，在系统停止后产生下游侧的水蒸气造成的结露时，结露水有时会从压力调整阀的下游侧进入到压力调整阀内。引导阀的阀引导部位于上述密封部下游侧时，进入的结露水在阀引导部上冻结，压力调整阀的阀可能被锁定。并且，还存在异物从下游侧进入而产生阀动作不良的情况。
使用固体高分子型燃料电池的燃料电池系统采用上述本发明的构造时，位于阀座的密封部的上游侧的阀引导部被氢气(干性气体)充满，是干燥且清洁的。因此，可防止结露水冻结、异物进入等造成压力调整阀产生动作不良。
进一步优选：本发明的燃料电池系统的压力调整阀的气体入口上设有流量调节部，其抑制气体到压力调整阀的流入速度。
根据上述构造，在压力调整阀的上游的压力过度上升时，也可通过压力调整阀的气体入口上设置的流量调节部抑制气体过度流入到压力调整阀内，抑制作用于阀的气体的压力过度上升。这样一来，在压力调整阀的上游侧的压力过度上升时，也可确保压力调整阀的阀的动作性。
进一步优选，流量调节部具有节流部件和过滤部件中的至少一个。
例如，流量调节部由节流部件及过滤部件构成时，可将节流部件配置在压力调整阀的气体入口，在该节流部件的下游配置过滤部件。此时，在过滤部件的下游配置阀座时，从压力调整阀的气体入口流入到压力调整阀内的气体通过节流部件的喷孔减速，进一步通过过滤部件减速。因此，可抑制过大的压力作用于压力调整阀的阀。从而可确保压力调整阀的动作性。当然，在仅使用节流部件或过滤部件的任意一个时，也可使从压力调整阀的气体入口流入到压力调整阀内的气体良好地减速。
优选本发明的燃料电池系统的压力调整阀气体出口上设有具有防水性的片材。
通过上述构造，即使压力调整阀的下游侧的气体中含有水蒸气也可防止该水蒸气产生的结露水进入到压力调整阀内。此外，片材只要是具有防水性的部件即可，例如可以是具有细微的通气口的过滤器。
附图说明
图1是表示燃料电池系统的概要构造的图。
图2是表示压力调整阀的概要构造的图。
具体实施方式
首先，列举以下说明的实施例的主要特征。
(方式1)燃料气体为氢气，氧化气体为空气。
(方式2)燃料气体的贮存罐可在超高压状态下贮存氢。
(方式3)燃料气体的贮存罐的气体出口上设有导阀。一次调节器与导阀相邻配置。从一次调节器到燃料电池延伸的氢气供给流路上设有二次调节器。
(方式4)控制装置控制导阀的开关。控制装置与汽车的点火开关连接。
(方式5)控制装置检测燃料电池的负荷、气体消耗量、供给到燃料电池的氢气的压力，据此控制二次调节器。
(方式6)燃料电池系统使用固体高分子型燃料电池。燃料电池系统搭载到利用由燃料电池发电的电力进行驱动(行驶)的燃料电池汽车上。
实施例
参照附图说明本发明的实施例。
图1表示本实施例的燃料电池系统1的概要构造。燃料电池系统1搭载到汽车60。燃料电池系统1具有：燃料电池2、氧气供给流路50、贮存罐4、导阀6、一次调节器7、氢气供给流路40、二次调节器12、旁通电路42、压力调节阀10、气液分离器14、氢循环流路70、泵8、排水流路80、排水阀16、控制装置64。
贮存罐4可在超高压状态下贮存氢。贮存罐4的气体出口上设有导阀6。导阀6打开时，氢气从贮存罐4向氢气供给流路40流动，导阀6关闭时，氢气从贮存罐4向氢气供给流路40的流动被切断。导阀6的开关由控制装置64控制。贮存罐4的气体出口和导阀6之间不存在气体配管。
在导阀6的下游设有一次调节器7。一次调节器7使来自贮存罐4的氢气的压力降压到规定压力。导阀6和一次调节器7相邻配置，两者之间不存在气体配管。
在一次调节器7的下游连接有氢气供给流路40a。二次调节器12的上游侧连接在氢气供给流路40a的下游。二次调节器12使通过一次调节器7降压的氢气进一步降压。控制装置64检测燃料电池2的负荷、气体消耗量、供给到燃料电池2的氢气的压力，据此控制二次调节器12。二次调节器12的下游侧与氢气供给流路40b连接，氢气供给流路40b的下游侧与燃料电池2连接。通过二次调节器12降压的氢气经过氢气供给流路40b供给到燃料电池2的氢极侧。
上游侧流路40a和下游侧流路40b通过旁通流路42连接。旁通流路42上设有压力调整阀10。压力调整阀10在旁通流路42的上游侧流路42a的气体压力和下游侧流路42b的气体压力的差为规定值以下时关闭，超过规定值时打开。
氢气供给流路40b与氢循环流路70连接。在燃料电池2未使用的剩余的氢与水、水蒸气一起排出，通过气液分离器14，分离为排水和富氢气体。富氢气体导出到氢循环流路70，通过泵8返回到氢气供给流路40b，再次供给到燃料电池2的氢极。通过气液分离器14分离的排水从排水阀16排出。
燃料电池2由重叠多张燃料电池单元的电池组构成。燃料电池单元由以下构成：具有催化剂层和气体扩散层的阳极、具有催化剂层和气体扩散层的阴极、配置在阳极和阴极之间的电解质膜(例如氟树脂系离子交换膜等)。燃料电池2从氢气供给流路40向氢极侧供给氢气、从氧化气体供给流路50向空气极侧供给氧气(本实施例中为压缩的空气)。由供给氢极侧的氢气获得的质子和电子与由供给到空气极侧的氧化气体获得的氧反应，生成水。通过该化学反应从流动的电流生成的电作为搭载燃料电池系统1的汽车60的驱动电源被使用。使用固体高分子电解质膜的燃料电池2在加湿状态下动作，因此氢气供给流路40的一次侧的供给流路40a被氢气充满，是干的，与之相对，氢气供给流路40的二次侧的供给流路40b被饱和水蒸气充满，是湿润的。
图2表示压力调整阀10的概要构造。压力调整阀10具有：阀20、具有气体通过口26的阀座22、使阀20向阀座22侧施力的弹性体(本实施例中为弹簧)24。
阀20可在压力调整阀10的轴方向上移动，可切换与阀座22抵接的状态、及离开阀座22的状态。阀20的前端(上游侧)设有滑动部20a，滑动部20a的下游侧设有密封部20b。滑动部20a位于阀座22的气体通过口26内，被气体通过口26的内周面引导。因此，阀20向压力调整阀10的轴方向移动时，滑动部20a被阀座22的气体通过口26的内周面引导。这样一来，阀20可在稳定的状态下向压力调整阀10的轴方向移动(即在本实施例中，阀座22的气体通过口26的内周面作为阀引导部作用)。
阀座22具有连接设置在气体通过口26的下游侧的密封部23。在阀20与阀座22抵接的状态下，阀20的密封部20b与阀座22的密封部23抵接，阀座22的气体通过口26关闭。在阀20离开阀座22的状态下，阀20的密封部20b离开阀座22的密封部23，阀座22的气体通过口26打开。当气体通过口26打开时，压力调整阀10的气体入口和气体出口连通。压力调整阀10的气体入口上连接有旁通流路42a的一端，旁通流路42a的另一端与上游侧流路40a连接。压力调整阀10的气体出口上连接有旁通流路42b的一端，旁通流路42b的另一端与下游侧流路40b连接。
弹性体24配置在阀20的密封部20b的下游侧。弹性体24在阀20与阀座22抵接的状态下为压缩状态。这样一来，对阀20向阀座22侧施力。上游侧的旁通流路42a内的氢气的压力作用于阀20的上游侧，下游侧的旁通流路42b内的氢气的压力作用于阀20的下游侧。因此，阀20的上游侧的氢气的压力高于下游侧的氢气的压力，当上游侧和下游侧的氢气的压力差超过规定值时，阀20对抗弹性体24的施力，从阀座22离开。
此外，阀20离开阀座22时的阀20的上游侧和下游侧的压力差可通过阀20和阀座22抵接时(即关阀时)的弹性体24的压缩量调整，可根据二次调节器12的可动作压力适当决定。开阀压力可设定得小于二次调节器12可动作的压力。这样一来，可防止当一次侧的旁通流路42a和二次侧的旁通流路42b的差压大于设定的开阀压力时，阀20离开阀座、过大的压力作用于二次调节器12。
在上述压力调整阀10的气体入口设有流量调节部30。流量调节部30由节流部件30a、过滤部件30b构成。节流部件30a具有喷孔30c，通过该喷孔30c抑制从旁通流路42a到压力调整阀10内的氢气流入，降低氢气到压力调整阀10内的流入速度。并且，过滤部件30从经过了节流部件30a的氢气中去除异物等，并且作为流路阻力部件作用。因此，经过了节流部件30a的氢气通过过滤部件30进一步降低流速。这样一来，可缓和过大的压力作用于压力调整阀10的阀。此外，在本实施例中，连接配置节流部件30a和过滤部件30b，但仅配置任意一个部件也可获得缓和过度压力的作用。来自旁通流路42a的气体压力不直接作用于阀20，因此可防止阀20的错误开阀。
另一方面，压力调整阀10的气体出口设有兼具通气性和防水性的片材28。片材28具有防水性，从而可防止来自处于湿润状态下的下游侧(二次侧)的旁通流路42的结露水、异物进入到压力调整阀10。另一方面，由于片材28具有通气性，因此二次调节器12的上游侧的氢气可经过旁通流路42流入到二次调节器12的下游侧。
此外，上述阀20、阀座22、弹性体24、片材28、及流量调节部30收容在未图示的主体中。
以下说明本实施例的燃料电池系统1的运转动作的概要。汽车60的点火开关62接通时，燃料电池系统1起动，控制装置64打开导阀6，开始从贮存罐4向氢气供给流路40a放出氢气。从导阀6流出的氢气通过一次调节器7降压。从一次调节器7流出到氢气供给流路40a的氢气流入到二次调节器12。二次调节器12进行调整，使从氢气供给流路40a流入的氢气的压力为供给到燃料电池2的最佳压力。即，控制装置64根据燃料电池的负荷状态和来自氢循环流路70的氢气的循环量等，决定供给到燃料电池12的氢气的压力，并而驱动二次调节器以达到所决定的压力。二次调节器12进行调压，使氢气的压力成为供给到燃料电池2的适当的气体压力。这样一来，适当压力的氢气和氧气供给到燃料电池2，可防止燃料电池2的电解质膜劣化、寿命降低等。
汽车60的点火开关62断开时，燃料电池系统1也停止。导阀6通过控制装置64关闭，二次调节器12也关闭。这样一来，氢气向燃料电池2的供给停止。
例如，贮存罐4的气密性良好、且燃料电池系统1停止时从二次调节器12有微小泄漏时，二次调节器12上游的配管内压力基本下降到大气压。从该状态开始接通点火开关62使系统1起动时，来自贮存罐4的高压氢气一下子流入到氢气供给流路40内，二次调节器12的上游的氢气的气体压力急速上升。当二次调节器12的上游的氢气的压力产生暂时的峰值时，二次调节器12的上游和下游的差压超过规定值，因此压力调整阀10打开。这样一来，二次调节器12的上游侧的氢气的压力下降，可防止二次调节器12的错误动作、破坏等。并且，因导阀6、一次调节阀7等故障等原因，在从贮存罐4到氢气供给流路40的氢气泄漏时，也可能存在二次调节器的上游的氢气的压力过度上升的情况。这种情况下，压力调整阀10也开阀，降低作用于二次调节器12的氢气的压力，因此可防止二次调节器12的错误动作、破坏等。
此外，本实施例的压力调整阀10通过阀座22的气体通过口26的内周面引导阀20的滑动部20a。因此，阀20的滑动部20a配置在使氢气(干燥气体)流动的流路内，因此可确保阀20的稳定的动作。
并且，压力调整阀10的气体出口(下游侧的出口)设有具有防水性的片材28，可防止结露水从下游侧的氢气供给流路40b进入到压力调整阀10内。这样一来，还可防止压力调整阀10内的结露水的冻结等，确保阀20的稳定的动作。
以上详细说明了本发明的具体例，但它们只是示例，不限定权利要求范围。权利要求范围所述的技术包括将上述示例的具体例进行各种变形、变更的情况。
本说明书或附图中说明的技术要素可单独或通过各种组合发挥技术作用，不限于申请时的权利要求所述的组合。并且，本说明书或附图中示例的技术可同时实现多个目的，也可以实现其中的一个目的本身来具有技术有用性。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，具有：
燃料电池；
燃料气体供给流路，与燃料电池连接，向燃料电池供给燃料气体；
氧化气体供给流路，与燃料电池连接，向燃料电池供给氧化气体；
调节器，设置在燃料气体供给流路和氧化气体供给流路中的至少一个上；
旁通流路，连接调节器的上游侧流路和下游侧流路；和
压力调整阀，设置在旁通流路上，当上游侧的压力与下游侧的压力之差为规定值以下时关闭，当超过规定值时打开。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，上述压力调整阀具有：
阀，具有密封部；
阀座，具有密封部和气体通过口；和
弹性体，向阀座侧对阀施力，
阀的密封部和阀座的密封部抵接时，阀座的气体通过口被封闭，阀的密封部从阀座的密封部离开时，阀座的气体通过口打开。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，在上述阀座中设有阀引导部，其在阀座的密封部上游侧可滑动地引导阀。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在上述压力调整阀的气体入口处设有流量调节部，其抑制气体向压力调整阀内的流入。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，上述流量调节部具有节流部件和过滤部件中的至少一个。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在上述压力调整阀的气体出口处设有具有防水片材。
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