CN101755358B - 燃料电池系统及燃料电池的起动方法 - Google Patents

燃料电池系统及燃料电池的起动方法 Download PDF

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Abstract

通过简易的构成高精度地判断有无气体泄漏。控制部接收燃料电池的起动要求后，打开主截止阀而开始氢气从氢罐向燃料电池的供给。接着，控制部执行氢气配管系统的气体泄漏判断处理。该气体泄漏判断处理中，在判断为发生气体泄漏的情况下，输出气体泄漏警报而使燃料电池的起动中止。另一方面，气体泄漏判断处理中，在判断为未发生气体泄漏的情况下，使压缩机起动而开始氧化气体向燃料电池的供给，使燃料电池的运转继续。

Description

燃料电池系统及燃料电池的起动方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及燃料电池的起动方法。
背景技术
燃料电池系统中，从确保安全性的观点等出发，需要监视氢气(燃料气体)是否从气体配管、燃料电池泄漏。另一方面，在燃料电池系统中进行发电时，由于在燃料电池内消耗氢气，因此需要在考虑氢气的消耗量之上判断有无气体泄漏。
在下述专利文献1所记载的燃料电池系统中，使用差分气体量来判断有无气体泄漏，所述差分气体量通过从向气体供给流路供给的氢气流量中减去燃料电池消耗的氢气的消耗量和流入泄漏检测流路内的氢气的增减量而求出。
专利文献1：(日本)特开2006-179469号公报
发明内容
但是，氢气的消耗量因各种变动因素导致其变动，因此难以考虑这些变动因素而高精度地计算出。因此，如果要使用这种氢气的消耗量来高精度地判断有无气体泄漏，系统的构成会变得复杂。
本发明为了解决上述现有技术产生的问题而提出，其目的在于，提供能够通过简易的构成高精度地判断有无气体泄漏的燃料电池系统及燃料电池的起动方法。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统，具有接受燃料气体和氧化气体的供给而通过电化学反应产生电力的燃料电池，所述燃料电池系统的特征在于，具有控制单元，所述控制单元在燃料电池起动时，在开始燃料气体对燃料电池的供给之后判断有无该燃料电池的燃料极侧的燃料气体泄漏，在该判断结束后开始氧化气体对燃料电池的供给。
此外，本发明的燃料电池的起动方法，是具有燃料电池的燃料电池系统中的燃料电池的起动方法，所述燃料电池接受燃料气体和氧化气体的供给而通过电化学反应产生电力，所述燃料电池的起动方法的特征在于，在燃料电池起动时，在开始燃料气体对燃料电池的供给之后判断有无该燃料电池的燃料极侧的燃料气体泄漏，在该判断结束后开始氧化气体对燃料电池的供给。
根据上述发明，在使燃料电池起动时，能够在从燃料气体向燃料电池的供给开始直到氧化气体的供给开始为止的期间，判断有无燃料气体泄漏。即，能够在燃料电池中消耗燃料气体之前判断有无燃料气体泄漏。因此，能够不考虑燃料电池中的燃料气体的消耗量而判断有无燃料气体泄漏，因此能够通过简易的构成高精度地判断有无气体泄漏。
在所述燃料电池系统中，还具备燃料供给流路，所述燃料供给流路用于使燃料气体从贮存燃料气体的燃料供给源向燃料电池供给，所述控制单元能够通过打开设于燃料供给流路的阀而开始燃料气体的供给，并在关闭阀之后判断有无所述燃料气体泄漏。此外，在所述燃料电池系统中，所述控制单元能够通过使向燃料电池供给氧化气体的氧化气体供给源起动而开始所述氧化气体的供给。
根据本发明，能够通过简易的构成高精度地判断有无气体泄漏。
附图说明
图1是示意地表示实施方式的燃料电池系统的构成图。
图2是用于说明图1所示的燃料电池系统的燃料电池的起动处理的流程图。
标号说明
1燃料电池系统；2燃料电池；3氧化气体配管系统；4氢气配管系统；5控制部；21电流传感器；30过滤器；31压缩机；32空气供给流路；33空气排出流路；34加湿器；40氢罐；41氢供给流路；42循环流路；43主截止阀；44调节器；45第一切断阀；46第二切断阀；47氢泵；48气液分离器；49排气排水阀；50排出流路；51稀释器；91DC/DC转换器；92二次电池；93牵引变换器；94牵引马达；P1压力传感器。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明的燃料电池系统及燃料电池的起动方法的适宜实施方式进行说明。本实施方式中，对将本发明的燃料电池系统作为燃料电池车辆(FCHV：Fuel Cell Hybrid Vehicle)的车载发电系统使用的情况进行说明。
本发明的燃料电池系统，其特征在于，在使燃料电池起动时，在从燃料气体向燃料电池的供给开始直到氧化气体的供给开始为止的期间，判断有无燃料气体泄漏，由此能够通过简易的构成高精度地判断有无气体泄漏。作为使燃料电池起动的时刻，例如相当于发动机起动时或从间歇运转模式恢复到通常运转模式时。即，相当于从反应气体(氧化气体及燃料气体)向燃料电池的供给停止或暂停的状态开始或重新开始供给反应气体的时刻。
首先，参照图1，对本实施方式的燃料电池系统的构成进行说明。图1是示意地表示本实施方式的燃料电池系统的构成图。
如图1所示，燃料电池系统1具有：接受反应气体即氧化气体和燃料气体的供给而通过电化学反应产生电力的燃料电池2、向燃料电池2供给作为氧化气体的空气的氧化气体配管系统3、向燃料电池2供给作为燃料气体的氢的氢气配管系统4、以及集中控制系统整体的控制部5。
燃料电池2由层叠多个接受反应气体的供给而发电的单电池而成的电池组构造构成。燃料电池2发电产生的直流电力的一部分被DC/DC转换器91降压，向二次电池92(蓄电池)充电。牵引变换器93将从燃料电池2和二次电池92的双方或任一方供给的直流电力变换为交流电力，向牵引马达94供给交流电力。燃料电池2中安装有检测发电中的电流的电流传感器21。
氧化气体配管系统3具有：经由过滤器30取入大气中的氧化气体并将其压缩后送出的压缩机31(氧化气体供给源)、用于向燃料电池2供给氧化气体的空气供给流路32、以及用于将从燃料电池2排出的氧化废气排出的空气排出流路33。空气供给流路32及空气排出流路33上设有加湿器34，该加湿器34使用从燃料电池2排出的氧化废气而对从压缩机31压送的氧化气体进行加湿。通过该加湿器34进行了水分交换等之后的氧化废气最终作为废气而向系统外的大气中排出。
氧化气体配管系统4具有：贮存高压(例如70MPa)的氢气的作为燃料供给源的氢罐40、用于向燃料电池2供给氢罐40的氢气的作为燃料供给流路的氢供给流路41、以及用于使从燃料电池2排出的氢废气返回到氢供给流路41的循环流路42。此外，氢气配管系统4是本发明的燃料供给系统的一种实施方式。代替本实施方式的氢罐40，例如还可以采用改性器和高压气罐作为燃料供给源，所述改性器利用水蒸气将烃类燃料改性为富氢的燃料气体，所述高压气罐使通过该改性器改性后的燃料气体成为高压状态而储压。此外，也可以采用具有储氢合金的罐作为燃料供给源。
氢供给流路41上设有：切断或允许氢气从氢罐40的供给的主截止阀43(阀)、将氢气的压力调整为预先设定的二次压的调节器44、以及切断或允许氢气从氢供给流路41向燃料电池2的供给的第一切断阀45(阀)。此外，在第一切断阀45的下游侧设有检测氢供给流路41内的氢气的压力的压力传感器P1。
在循环流路42上设有切断或允许从燃料电池2流向循环流路42的氢废气的流出的第二切断阀46(阀)、以及对循环流路42内的氢废气加压而向氢供给流路41侧送出的氢泵47。此外，循环流路42上，经由气液分离器48及排气排水阀49连接有排出流路50。气液分离器48从氢废气回收水分。排气排水阀49根据来自控制部5的指令，将通过气液分离器48回收的水分和包含循环流路42内的杂质的氢废气排出(purge：净化)。从排气排水阀49排出的氢废气被稀释器51稀释而与空气排出流路33内的氧化废气汇合。
控制部5检测燃料电池车辆中设置的加速操作部件(油门等)的操作量，接受加速要求值(例如来自牵引马达94等电力消耗装置的要求发电量)等控制信息，控制系统内的各种设备的动作。此外，电力消耗装置中，除了牵引马达94之外，还包括例如为了使燃料电池2动作而需要的辅机装置(例如压缩机31、氢泵47的马达等)、参与车辆的行驶的各种装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、悬架装置等)所使用的促动器、乘员空间的空调装置(空调)、照明、音响等。
控制部5在燃料电池2起动时控制下述的“燃料电池起动处理”：使氢气向燃料电池2供给而判断有无气体泄漏，在该判断结束后使氧化气体向燃料电池2供给。具体而言，首先，在燃料电池2起动时，打开主截止阀43而开始氢气从氢罐40向燃料电池2的供给。接着，执行氢气配管系统4的气体泄漏判断处理(如下所述)。作为该气体泄漏判断处理的结果，在判断为未发生气体泄漏的情况下，使压缩机31起动而开始氧化气体向燃料电池2的供给。由此，燃料电池系统1的运转开始。
此处，作为使燃料电池2起动的步骤，除了本实施方式所采用的开始氢气的供给后开始氧化气体的供给的步骤之外，还有开始氧化气体的供给后开始氢气的供给的步骤、使氧化气体和氢气的供给同时开始的步骤。但是，在这些步骤中，由于在刚开始氢气的供给后就由燃料电池2进行发电，所以在燃料电池2内产生电流，消耗供给到燃料电池2的氢气。因此，在通过这些步骤使燃料电池2起动而判断有无气体泄漏的情况下，必须考虑氢气的消耗量。
与此相对，本实施方式的控制部5在燃料电池2起动时，在开始氢气的供给后开始氧化气体的供给，进而在从氢气的供给开始直到氧化气体的供给开始为止的期间判断有无气体泄漏。在从氢气的供给开始直到氧化气体的供给开始为止的期间，由于不通过燃料电池2进行发电，因此在燃料电池2内不产生电流。即，在本实施方式的燃料电池系统1中，在燃料电池2起动时判断有无气体泄漏时，能够不需要考虑氢气的消耗量从而进行高精度的气体泄漏判断。
作为上述气体泄漏判断处理，能够应用现有的燃料电池系统中采用的各种气体泄漏判断处理。例如，能够应用以下的气体泄漏判断处理。首先，通过压力传感器P1检测出由于关闭第一切断阀45及第二切断阀46而在第一切断阀45及第二切断阀46之间形成的封闭空间的压力变化，使用该检测结果测定气体泄漏量。然后，在测定的气体泄漏量比预先记录的阈值大的情况下，判断为在氢气配管系统4中产生了氢气的气体泄漏。另一方面，在气体泄漏量处于预先记录的阈值以下的情况下，判断为在氢气配管系统4中未产生氢气的气体泄漏。
此处，控制部5在物理上例如具有：CPU、存储由CPU处理的控制程序和控制数据的ROM或HDD、主要作为用于控制处理的各种作业区域而使用的RAM、以及输入输出接口。这些要素彼此经由总线而连接。输入输出接口上，连接有压力传感器P1等各种传感器，并且连接有用于驱动压缩机31、主截止阀43、第一切断阀45、第二切断阀46、氢泵47以及排气排水阀49等的各种驱动器。
CPU根据ROM中存储的控制程序，经由输入输出接口接收压力传感器P1的检测结果，使用RAM内的各种数据而进行处理，由此判断有无氢气配管系统4的气体泄漏。此外，CPU经由输入输出接口向各种驱动器输出控制信号，由此控制燃料电池系统1整体。
接着，使用图2所示的流程图，对本实施方式的燃料电池2的起动处理进行说明。
首先，例如在点火开关变为ON(接通)时或在间歇运动时满足规定的恢复条件时，控制部5接收燃料电池2的起动要求(步骤S1)。接着，控制部5打开主截止阀43而开始氢气从氢罐40向燃料电池2的供给(步骤S2)。
接着，控制部5执行氢气配管系统4的气体泄漏判断处理(步骤S3)。在该气体泄漏判断处理中，在判断为发生气体泄漏(步骤S4；YES：是)的情况下，控制部5输出气体泄漏警报而中止燃料电池2的起动(步骤S5)。
另一方面，在上述气体泄漏判断处理中，在判断为未发生气体泄漏(步骤S4；NO：否)的情况下，控制部5使压缩机31起动而开始氧化气体向燃料电池2的供给(步骤S6)，使燃料电池2的运转继续(步骤S7)。
此外，在上述燃料电池的起动处理中，在判断为发生气体泄漏(步骤S4；YES)的情况下，使燃料电池2的起动中止，但不一定需要使起动中止。例如，也可以执行与气体泄漏量对应的检查处理等，进行用于使燃料电池2起动/运转的规定项目的确认之后，如果没有问题则使燃料电池2的运转继续。
由上述可知，根据实施方式的燃料电池系统1，能够在使燃料电池2起动时，在从氢气向燃料电池2的供给开始直到氧化气体的供给开始为止的期间，判断有无气体泄漏。即，能够在燃料电池2中消耗氢气之前，判断有无气体泄漏。因此，由于能够不考虑燃料电池2中的氢气消耗量而判断有无气体泄漏，因此能够通过简易的构成高精度地判断有无气体泄漏。
此外，在上述实施方式中，对将本发明的燃料电池系统装载于燃料电池车辆上的情况进行了说明，但燃料电池车辆以外的各种移动体(机器人、船舶、飞行器等)也能够应用本发明的燃料电池系统。此外，也可以将本发明的燃料电池系统应用于作为建筑物(住宅、大楼等)用的发电设备而使用的固定用发电系统。
本发明的燃料电池系统及燃料电池的起动方法适于通过简易的构成高精度地判断有无气体泄漏的情况。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，具有接受燃料气体和氧化气体的供给而通过电化学反应产生电力的燃料电池，所述燃料电池系统的特征在于，
具有控制单元，所述控制单元在所述燃料电池起动时，在开始燃料气体对所述燃料电池的供给之后判断有无包含该燃料电池在内的燃料电池的燃料极侧的燃料气体泄漏，在该判断结束后开始氧化气体对所述燃料电池的供给。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备燃料供给流路，所述燃料供给流路用于使所述燃料气体从贮存所述燃料气体的燃料供给源向所述燃料电池供给，
所述控制单元通过打开设于所述燃料供给流路的阀而开始所述燃料气体的供给，并在关闭所述阀之后判断有无所述燃料气体泄漏。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制单元通过使向所述燃料电池供给所述氧化气体的氧化气体供给源起动而开始所述氧化气体的供给。
4.一种燃料电池的起动方法，是具有燃料电池的燃料电池系统中的燃料电池的起动方法，所述燃料电池接受燃料气体和氧化气体的供给而通过电化学反应产生电力，所述燃料电池的起动方法的特征在于，
在所述燃料电池起动时，在开始燃料气体对所述燃料电池的供给之后判断有无包含该燃料电池在内的燃料电池的燃料极侧的燃料气体泄漏，在该判断结束后开始氧化气体对所述燃料电池的供给。
5.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制单元在所述判断中判断为发生燃料气体泄漏的情况下，输出气体泄漏警报而使所述燃料电池的起动中止，而在判断为未发生燃料气体泄漏的情况下，开始所述氧化气体对所述燃料电池的供给而使所述燃料电池的运转继续。
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