CN101657925B

CN101657925B - 燃料电池系统

Info

Publication number: CN101657925B
Application number: CN2008800121390A
Authority: CN
Inventors: 竹下昌宏; 弓矢浩之; 石垣克记
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: DE112008000866T5; US20100104909A1; US8227143B2; JP5040411B2; DE112008000866B4; WO2008132948A1; JP2008269857A; CN101657925A

Abstract

在包括在燃料电池(13)内的空气流路和大气之间设置的截止阀(50)、(60)的燃料电池系统(11)中，各截止阀(50)、(60)包括各阀座(58)、(68)和与各阀座(58)、(68)抵接而进行空气密封的各阀体(56)、(66)，各阀体(56)、(66)由于燃料电池(13)内的空气流路的负压而被向各阀体(56)、(66)的方向吸引。另外，具有在燃料电池(13)内的空气流路与各截止阀(50)、(60)之间设置、将燃料电池(13)内的空气流路的负压开放成大气压的大气开放阀(47)，在燃料电池的起动时开放燃料电池(13)的空气流路内的负压之后打开各截止阀(50)、(60)。由此，使燃料电池(13)的停止期间的截止阀(50)、(60)的封闭性提高，并且，使起动时的截止阀(50)、(60)的开阀性提高。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统的构成，尤其涉及截止阀的驱动系统。

背景技术

燃料电池是通过燃料与氧化剂的电化学反应进行发电的，具有：在由离子交换膜形成的电解质的两侧相对配置有燃料极和氧化剂极的膜电极组件(MEA)、形成有将燃料供给至燃料极的燃料供给流路的燃料用隔板、和形成有将氧化剂供给至氧化剂极的氧化剂供给流路的氧化剂用隔板。就燃料和氧化剂而言可以使用各种气体，但大多采用例如燃料用氢气、作为氧化剂用含有氧气的空气，通过电化学反应进行发电，并且，在氧化剂极生成水的形式的。

例如，如日本特开2006-221836号公报所示，在这样的燃料电池中，在停止了运转时，成为在氧化剂极侧的氧化剂供给流路中残留有作为氧化剂气体的空气，在燃料极侧的燃料供给流路中残留有作为燃料气体的氢气的状态。另一方面，在停止期间的燃料电池内，发生如下交叉泄漏(crossleak)：作为燃料气体的氢气通过离子交换膜移动至氧化剂极、相反作为氧化剂气体的空气中的氧气通过离子交换膜移动至燃料极。若发生该交叉泄漏，则通过与发电反应不同的化学反应，氢与氧结合生成水。

由交叉泄漏引起的氢气和氧气的反应，在耗尽空气中的氧气后就会停止，但是，若在燃料电池停止期间新的空气流入氧化剂供给流路，则上述的由交叉泄漏引起的反应会继续发生。因此，由于燃料电池内的氧化剂极与燃料极的电位的上升导致燃料极与氧化剂极所含的催化剂劣化，催化剂性能降低，存在导致燃料电池的性能降低这样问题。

作为防止这样的燃料电池的性能降低的方法，在日本特开2006-221836号公报中记载了：在燃料电池的氧化剂气体的入口和出口的管路上设置若切断驱动用的电源则变为关闭状态的常闭电磁阀，即使在燃料电池停止期间也能简单地封闭氧化剂极的方法。另外，在日本特开2000-3717号公报中记载了用空气压力驱动燃料电池的截止阀的系统。

另一方面，作为燃料电池的截止阀，有使用阀的可动部分在相对于氧化剂气体的流动从下游侧向上游侧的方向上移动而开阀的类型(以下称为上游方向开阀类型)的阀的情况。这样结构的阀，例如如日本特开2006-24469号公报所示，若氧化剂气体流入阀内的气体通路，则气体的压力在关阀方向(相对于氧化剂气体的流动从上游侧向下游侧)上对阀的可动部分加压。

设置在燃料电池的氧化剂入口、出口的截止阀是在燃料电池的运转中必须通常保持打开状态的阀。因此，为了确保运转中的打开状态的保持，不使用如日本特开2006-221836号公报中所记载的常闭阀，有时使用在阀开关用的电源、空气源等驱动源停止了时、阀保持打开状态的常开阀。就这样的常开阀而言，为了在燃料电池的停止期间将截止阀保持在封闭状态，需要供给电源或空气源等的驱动源，因此，存在在驱动源停止了时截止阀变为打开状态、或封闭力变弱而使空气漏入的可能性。

另外，如日本特开2000-3717号公报所记载的现有技术那样，在由空气压力驱动截止阀时，由于空气的泄漏等导致加压室的加压空气压力下降，存在截止阀变为打开状态、或封闭力变弱而使空气漏入的可能性。

另一方面，由于燃料电池的氧化剂气体含有水分，因此，在低温环境中，当燃料电池变为停止状态时，氧化剂气体的截止阀有时会在关阀状态下粘着或冻结。在截止阀为如日本特开2006-24469号公报所记载的现有技术那样的上游方向开阀类型的阀的情况下，为了始动而供给的氧化剂气体的压力作用于关阀方向而妨碍了开阀，因此有时会需要大的驱动力。

本发明的目的在于使燃料气体停止期间的截止阀的封闭性提高，并且使起动时的截止阀的开阀性提高。

发明内容

本发明燃料电池系统，包括通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应进行发电的燃料电池、和设置在燃料电池内的氧化剂气体流路与大气之间的截止阀，其特征在于：截止阀包括阀座、和与阀座抵接而进行氧化剂气体的密封的阀体，阀体由于燃料电池内的氧化剂气体流路的负压而被向阀座方向吸引。另外，在本明的燃料电池系统中，优选：还具有阀开闭驱动机构，该阀开闭驱动机构被安装于截止阀，通过被供给的驱动源进行截止阀的打开关闭动作，在驱动源的供给被停止时，将截止阀保持在打开状态；优选：该阀开闭驱动机构包括被供给氧化剂气体的开阀动作侧压力室和关阀动作侧压力室，通过各压力室之间的压力差对截止阀进行打开关闭驱动；优选：在位于燃料电池内的氧化剂气体流路与大气之间的全部流路上设置有截止阀。

另外，在本发明的燃料电池系统中，优选：还具有设置于燃料电池内的氧化剂气体流路与截止阀之间、将燃料电池内的氧化剂气体流路的负压向大气压开放的大气开放阀，优选：在燃料电池的起动时，打开大气开放阀之后，进行截止阀的打开动作。

本发明起到如下效果：能够使在燃料电池的停止期间的截止阀的封闭性提高、并且使起动时的截止阀的开阀性提高。

附图说明

图1是表示本发明中的燃料电池系统的实施方式中的燃料电池系统的系统构成的图。

图2是表示本发明中的燃料电池系统的实施方式中的截止阀打开状态的详细剖视图。

图3是表示本发明中的燃料电池系统的实施方式中的截止阀关闭状态的详细剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。如图1所示，本实施方式的燃料电池系统11包括：被供给作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的空气、通过电化学反应进行发电的燃料电池13；压缩供给到燃料电池13的空气的空气压缩机17；和对供给到燃料电池13的空气进行加湿的加湿模块15。空气压缩机17和加湿模块15通过压缩空气供给管27连接，加湿模块15和燃料电池13通过空气入口管29和空气出口管31连接，该空气入口管29将在加湿模块15被加湿的空气引导到连接于燃料电池13的空气流路的空气入口13a，该空气出口管31将从连接于燃料电池13的空气流路的空气出口13b排出的空气引导到加湿模块15，在加湿模块15连接有将空气排出到外部的空气排出管33。另外，设置有连接压缩空气供给管27和空气排出管33的旁通管35。空气压缩机17由马达19驱动，空气压缩机17使其温度上升了的空气在由中间冷却器21冷却之后被供给到加湿模块15。

在空气入口管29上设置有空气入口截止阀50，在空气出口管31上设置有空气出口截止阀60。另外，在空气出口管31的燃料电池13的空气出口13b与空气出口截止阀60之间设置有空气压力调节阀25，在空气压力调节阀25的上游侧的空气出口管31上设置有测定燃料电池13的出口空气压力的压力传感器37，在中间冷却器21的出口设置有测定压缩空气的压力的压力传感器34。另外，在旁通管35上设置有旁通流量调节阀23。在空气出口截止阀60与连接于燃料电池13的空气流路的空气出口13b之间连接有设置了大气开放阀47的大气开放管32。

空气入口截止阀50具有阀主体50b和驱动部50a。阀主体50b在壳体中具有阀座58和阀体56。在阀体56安装有阀杆57。驱动部50a由隔膜54分隔为2个压力室。图1的上部的压力室为由从压缩空气供给管27供给的压缩空气加压而产生在关阀方向上驱动阀体56的力的关阀动作侧压力室51，图1的下部的压力室为由从压缩空气供给管27供给的压缩空气加压而产生在开阀方向上驱动阀体56的力的开阀动作侧压力室52。在隔膜54安装有连接于阀杆57而驱动阀体56的驱动板55，在驱动板55的开阀动作侧压力室52侧设置有开阀用弹簧53，该开阀用弹簧53安装于开阀动作侧压力室52的壁面、并将驱动板55向与阀座58相反侧上推而施加开阀方向的力。空气出口截止阀60也具有与空气入口截止阀50同样的结构，具有阀主体60b和驱动部60a，阀主体60b具有阀座68和阀体66，驱动部60a设置有：由隔膜64分隔为产生在关阀方向上驱动阀体66的力的关阀动作侧压力室61、产生在开阀方向上驱动阀体66的力的开阀动作侧压力室62、以及连接于阀杆67而驱动阀体66的驱动板65和开阀用弹簧63。

在压缩空气供给管27连接有供给空气入口截止阀50和空气出口截止阀60的驱动用空气的驱动用空气供给管39的一端，驱动用空气供给管39的另一端分支、连接于空气入口截止阀驱动空气切换阀41、空气出口截止阀驱动空气切换阀44。各切换阀41、44具有2个空气供给口，一方的空气供给口通过管路71、73与各截止阀50、60的关阀动作侧压力室51、61连接，另一方的空气供给口通过管路72、74与各截止阀50、60的开阀动作侧压力室52、62连接。另外，在各管路71、73上经由管路75、77设置有将被供给到各管路71、73的压缩空气排放到大气中去的关阀侧排出阀42、45，在各管路72、74上经由管路76、78设置有将被供给到各管路72、74的压缩空气排放到大气中去的开阀侧排出阀43、46。

系统构成为：设置于压缩空气供给管27的压力传感器34、和燃料电池13的空气出口13b的压力传感器37连接于控制部80，并将检测信号输入到控制部80中。另外，系统构成为：空气压缩机17的马达19、旁通流量调节阀23、空气压力调节阀25、空气入口截止阀驱动空气切换阀41、空气出口截止阀驱动空气切换阀44、关阀侧排出阀42、45、开阀侧排出阀43、46、大气开放阀47连接于控制部80，根据控制部80的指令进行动作。空气入口截止阀驱动空气切换阀41、关阀侧排出阀42和开阀侧排出阀43构成空气入口截止阀50的阀驱动机构所含的阀机构，空气出口截止阀驱动空气切换阀44、关阀侧排出阀45和开阀侧排出阀46构成空气出口截止阀60的阀驱动机构所含的阀机构。

以下，参照图2对本实施方式的燃料电池系统11所用的空气入口截止阀50的详细结构进行说明。对与图1相同的部分标注相同的附图标记并省略其说明。

如图2所示，阀主体50b的壳体50c具有分别连接于空气入口管29的阀入口50d和阀出口50e。在壳体50c的里面的阀出口50e侧设置有阀座58。阀座58是设置在壳体50c的里面的圆环形的突出部，其上面与阀体56抵接而成为密封空气的密封面。在阀主体50b的上部安装有驱动部50a。驱动部50a由夹入驱动部壳体50f和驱动部盖50g之间的隔膜54分隔为关阀动作侧压力室51和开阀动作侧压力室52。

在构成关阀动作侧压力室51的驱动部盖50g设置有供驱动用空气出入关阀动作侧压力室51的关阀动作侧压力室空气垫(空気座)51a。在关阀动作侧压力室空气垫51a连接有供给压缩空气的管路71。另外，在构成开阀动作侧压力室52的驱动部壳体50f设置有供驱动用空气出入开阀动作侧压力室52的开阀动作侧压力室空气垫52a。在该开阀动作侧压力室空气垫52a连接有供给压缩空气的管路72。

在隔膜54的中心部安装有连接于阀杆57而驱动阀体56的驱动板55。在驱动板55和驱动部壳体50f之间设置有开阀用弹簧53，开阀用弹簧53对驱动板55向开阀方向施力。安装于阀杆57的前端的阀体56为圆板状，在与阀座58的密封面相对的部分设置有密封空气的密封面。构成为：该阀体56的密封面与阀座58的密封面抵接，则双方的密封面紧密贴合能够密封空气。

阀体56在壳体50c中能上下移动，在与壳体50c之间设置有波纹管式密封件(ベロ一シ一ル)54a。空气入口截止阀50由波纹管式密封件54a分隔为阀主体50b侧和驱动部50a侧，在波纹管式密封件54a的驱动部50a侧的驱动部壳体50f形成有通过大气室空气垫59a与大气连通的大气室59。空气出口截止阀60为与上述的空气入口截止阀50同样的结构。

在燃料电池系统11的运转中，控制部80输出：将空气入口截止阀驱动空气切换阀41切换至打开侧的指令、打开空气入口截止阀50用的关阀侧排出阀42的指令、和关闭空气入口截止阀50用的开阀侧排出阀43的指令。根据该指令，空气入口截止阀驱动空气切换阀41的空气供给方向被切换至开阀侧，关阀侧排出阀42打开，开阀侧排出阀43关闭，形成从压缩空气供给管27经由空气入口截止阀驱动空气切换阀41、管路72将压缩空气供给到空气入口截止阀50的开阀动作侧压力室52的流路，封闭开阀动作侧压力室52使得流入其内部的压缩空气不会被排出到大气中，从而能够使压力上升。

由于空气入口截止阀驱动空气切换阀41被切换至开阀侧，使对关阀动作侧压力室51供给压缩空气的管路71变为被封闭的状态，使设置于管路75的关阀侧排出阀42变为打开，该管路75连接于与关阀动作侧压力室51连接的管路71，所以，关阀动作侧压力室51与大气连通，成为内部压力保持为大气压力的状态。

另外，开阀用弹簧53施加将阀体56通过阀杆57所连接的驱动板55向与阀座58相反侧上推的开阀方向的力，因此，如图2所示，将空气入口截止阀50保持在开阀状态。另外，通过同样的动作将空气出口截止阀60也保持在开阀状态。另外，在燃料电池13的运转中，关闭各截止阀50、60的各关阀侧排出阀42、45，即使保持各关阀动作侧压力室51、61与开阀动作侧压力室52、62的压力差，也能够保持开阀状态。而且，在本实施方式中，构成为：即使在停止了向各压力室52、62的压缩空气的供给时，通过各开阀用弹簧53、63的开阀方向的作用力将各截止阀50、60保持在开阀状态的常开阀。

在燃料电池系统11停止时，控制部80输出：将空气入口截止阀驱动空气切换阀41切换至关闭侧的指令、关闭空气入口截止阀50用的关阀侧排出阀42的指令、和打开空气入口截止阀50用的开阀侧排出阀43的指令。根据该指令，空气入口截止阀驱动空气切换阀41的空气供给方向被切换至关阀侧，关阀侧排出阀42关闭，开阀侧排出阀43打开。通过这些阀的切换、打开关闭动作，形成从压缩空气供给管27经由空气入口截止阀驱动空气切换阀41、管路71将压缩空气供给到空气入口截止阀50的关阀动作侧压力室51的流路，并且封闭关阀动作侧压力室51使得流入其内部的压缩空气不会被排出到大气中，成为能够使压力上升的状态。

由于空气入口截止阀驱动空气切换阀41被切换至关阀侧，对关阀动作侧压力室51供给压缩空气的管路71变为被封闭的状态，使设置于管路76的开阀侧排出阀43变为打开，该管路76连接于与关阀动作侧压力室52连接的管路72，因此，开阀动作侧压力室52与大气连通，成为内部压力保持为大气压力的状态。接着，来自运转中的空气压缩机17的压缩空气被供给到关阀动作侧压力室51，由于各压力室51、52的压力差而对空气入口截止阀50的驱动板55施加关闭阀体56的方向的关阀方向力。该关阀方向的力比由开阀用弹簧53所产生的开阀方向的力大，因此，如图3所示，空气入口截止阀50的阀体56与阀座58紧密贴合成为关阀状态。在燃料电池13停止时，通过与空气入口截止阀50同样的动作将空气出口截止阀60也关闭。

在截止阀50、60变为关闭时，空气压缩机17仍然运转，来自空气压缩机17的压缩空气从压缩空气供给管27经由驱动用空气供给管39、各切换阀41、44、管路71、73被供给到各关阀动作侧压力室51、61，由于各关阀动作侧压力室51、61与各开阀动作侧压力室52、62的压力差而对各阀体56、66施加有比开阀用弹簧53、63大的关阀方向的力，使各截止阀保持关阀状态。

接着，控制部80输出将空气入口截止阀驱动空气切换阀41和空气出口截止阀驱动空气切换阀44分别切换到开阀侧、打开各开阀侧排出阀43、46的指令。根据该指令，各切换阀41、44被切换到开阀侧，各开阀侧排出阀43、46保持打开状态。各切换阀41、44被切换到开阀侧，则连接于各切换阀41、44的关阀动作侧压力室51、61的管路71、73被封闭。由于将各关阀侧排出阀42、45保持在关阀状态，因此，各关阀动作侧压力室51、61会在内部保持压力的状态下被封闭。由此，各截止阀50、60成为即使在没有关阀用驱动空气的供给的状态下也能由保持压力将各截止阀保持在关闭状态的状态。其后，控制部80使空气压缩机17停止。即使空气压缩机17停止而不再供给驱动用空气，各截止阀50、60通过在各关阀动作侧压力室51、61内部保持的压力被保持在如图3所示的关闭状态。

空气入口截止阀50以及空气出口截止阀60一起变为关闭，则使燃料电池13与外部气体隔断，作为氧化剂气体的空气不再流入。但是，在燃料电池13内部的空气流路中残留有含有作为氧化剂的氧气的空气，由该残留空气中的氧气和残留在氢气流路中的氢气的反应使空气的体积减少，由此，燃料电池13的空气流路的压力下降为负压。

如图3所示，在燃料电池13内部的空气流路的压力变为负压时，燃料电池13的空气入口截止阀50的阀体56由于处于大气压状态的大气压室59与施加于阀出口50e的燃料电池13的空气流路的负压的压力差、被向位于燃料电池13的空气流路侧的各阀座58方向吸引。当负压增大到某种程度，使向阀座58吸引阀体56所产生的关阀方向的力变得比由开阀用弹簧53所产生的开阀方向的力大时，阀体56的密封面与相对的阀座58的密封面抵接的力变大，仅由负压即能使阀体56保持关阀状态。因此，即使在燃料电池13停止期间由于驱动用空气的泄漏，使关阀动作侧压力室51的压力下降，也能由燃料电池13的空气流路的负压使空气入口截止阀50保持关阀状态。另外，由于由燃料电池13的负压保持空气入口截止阀50的关闭状态，因此，在燃料电池13的停止期间不需要电力等用于保持关阀的驱动力。与上述同样，空气出口截止阀60也能够由燃料电池13的空气流路的负压使阀体66与阀座68抵接以密封空气而保持关阀状态。

在本实施方式中，即使为常开阀，在燃料电池13的停止期间，能由在各关阀动作侧压力室51、61中保持的压力与燃料电池13的负压所产生的对阀体56、66的吸引力进行关阀状态的保持，由此，起到能够使在燃料电池13停止期间的各截止阀50、60的封闭性提高这样的效果。另外，各截止阀50、60能由燃料电池13的空气流路的负压吸引阀体56、66而保持关阀状态，即使在停止期间存在驱动用空气的泄漏也能保持封闭状态，能够使封闭性提高。另外，因为不需要用于保持关阀状态的电力等动力，所以起到能高效地运用燃料电池这样的效果。

在以上所述的本实施方式中，由于燃料电池13停止后的残留氢气和残留空气的反应使得燃料电池13的空气流路中的压力降低，因而使燃料电池13的空气流路变为负压，利用这一点使截止阀50、60的封闭性提高，但也可以在使各截止阀50、60关闭后，进行从燃料电池13的空气流路吸引空气等，使空气流路变为负压，利用该负压使各截止阀50、60的封闭性提高。

接着，对在本实施方式的燃料电池系统11中，停止期间的燃料电池13的空气流路的压力从负压状态开始的起动进行说明。燃料电池13的空气流路的压力为负压状态，空气入口截止阀50如图3所示，由负压使阀体56与阀座58侧抵接并紧密贴合，使阀入口50d变为大气压状态。

图1所示的控制部80，首先输出打开大气开放阀47的指令。接着，根据该指令，大气开放阀47变为打开。当大气开放阀47变为打开时，空气从大气开放阀47通过大气开放管32进入由燃料电池13的空气流路和各截止阀50、60所封闭的负压区域，燃料电池13的空气流路的负压降下来。当燃料电池13的空气流路的负压降低时，由负压产生的向阀座58吸引阀体56的吸引力降低，施加于阀体56的开阀方向的力变小。另一方面，对驱动板55施加有来自开阀用弹簧53的开阀方向的力，该驱动板55被安装于与阀体56连接的阀杆57。当施加于阀体56的开阀用弹簧53的开阀方向的力的大小变得比由负压产生的关阀方向的力大时，阀体56沿开阀方向移动，阀座58和阀体56的各密封面分离，变得不能密封空气。于是，空气也从阀入口50d流入燃料电池13的空气流路，负压进一步降低，关阀方向的力变小。因此，对空气入口截止阀50的阀体56施加更大的开阀方向的力，空气入口截止阀50开阀。与上述同样地，空气出口截止阀60也打开。

即使在空气入口截止阀50的阀体56和阀座58在停止期间粘着的情况下，通过打开大气开放阀47使燃料电池13的空气流路的压力变为大气压，能够使由燃料电池13的空气流路的负压产生的关阀方向的力大致为零，所以，即使在开阀动作侧压力室52的加压压力低的状态下也能够进行开阀。

这样，在本实施方式中，即使在燃料电池13的空气流路在停止期间变成负压的情况下，也起到能够使各截止阀50、60的开阀性提高这样的效果。

Claims

1.一种燃料电池系统，包括通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应进行发电的燃料电池、和在所述燃料电池内的氧化剂气体流路与大气之间所设置的截止阀，其特征在于：

所述截止阀包括阀座、和与所述阀座抵接而进行氧化剂气体的密封的阀体；

所述阀体在闭阀状态下由所述燃料电池内的所述氧化剂气体流路的低于大气压的负压向阀座方向吸引；

所述燃料电池系统进一步具有安装于截止阀的阀开闭驱动机构，该阀开闭驱动机构通过被供给的驱动源进行截止阀的打开关闭动作，在驱动源的供给被停止的情况下将截止阀保持在打开状态。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述阀开闭驱动机构包括被供给所述氧化剂气体的开阀动作侧压力室与被供给所述氧化剂气体的关阀动作侧压力室，通过各压力室之间的压力差对所述截止阀进行打开关闭驱动。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

在位于所述燃料电池内的所述氧化剂气体流路与大气之间的全部流路上设置有所述截止阀。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

具有设置于燃料电池内的氧化剂气体流路与截止阀之间、将燃料电池内的氧化剂气体流路的负压开放成大气压的大气开放阀。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，

在燃料电池的起动时，打开大气开放阀之后，进行截止阀的打开动作。