CN102770996A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
燃料电池系统（10）具备：空气供给流路（210），向燃料电池供给空气；簧片阀（214），设置在空气供给流路；空气排出流路（220），使从燃料电池排出的空气流动；调压阀（222），设置在空气排出流路并调整向燃料电池供给的空气的背压；旁通流路（230），将比簧片阀靠上游侧的空气供给流路和空气排出流路连接；旁通阀（232），设置在旁通流路并进行该旁通流路的开闭。燃料电池系统（10）在使旁通阀关闭的状态下，向燃料电池供给空气并使调压阀节流，由此来提高比调压阀靠上游侧的空气的压力，然后，通过打开旁通阀，使簧片阀附近的空气的流动倒流而使簧片阀关闭。
Description
技术领域
本发明涉及在向燃料电池供给空气的流路中设置的阀的控制技术。
背景技术
燃料电池系统存在如下问题：在系统停止中，当空气向燃料电池的阴极侧流入时，催化剂氧化而可能发生老化。关于这种问题，例如，在专利文献1记载的技术中，在系统停止时，通过关闭空气入口截止阀和空气出口截止阀，来抑制系统停止中的空气向燃料电池内的流入。
在这种燃料电池系统中，若在系统停止时将空气入口截止阀和空气出口截止阀关闭，则之后，由于残留在燃料电池内的氧与氢的反应，而有时阴极侧的压力会下降而成为负压。因此，作为用于将空气截止的截止阀，需要使用无论系统停止中的阴极侧的压力状态为正压还是负压，都能够维持闭状态的阀。因此，在专利文献1中，作为截止阀，采用具有隔膜和多个流出流入口的比较复杂的结构的阀。然而，这样的复杂结构的截止阀有时会成为妨碍燃料电池系统的小型化和低成本化的主要原因。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-243762号公报
专利文献2：日本特开2008-10198号公报
发明内容
考虑这种问题，本发明要解决的课题是，提供一种能够使用低成本的阀来抑制燃料电池系统停止中的空气向燃料电池内的流入的技术。
本发明为了解决上述的课题的至少一部分而作出，能够作为以下的方式或适用例来实现。
[适用例1]一种燃料电池系统，具备：燃料电池；空气供给流路，向所述燃料电池供给空气；簧片阀，设置在所述空气供给流路，在空气朝向所述燃料电池流动时打开；空气排出流路，供从所述燃料电池排出的空气流动；调压阀，设置在所述空气排出流路，调整向所述燃料电池供给的空气的背压；旁通流路，将比所述簧片阀靠上游侧的所述空气供给流路和所述空气排出流路连接；旁通阀，设置在所述旁通流路，进行该旁通流路的开闭；及控制部，在所述燃料电池系统停止时，执行升压处理和闭阀处理，所述升压处理是如下处理：在使所述旁通阀关闭的状态下，通过所述空气供给流路向所述燃料电池供给空气并使所述调压阀节流，来提高比该调压阀靠上游侧的空气的压力，所述闭阀处理是如下处理：在所述升压处理后，通过打开所述旁通阀，使所述簧片阀附近的空气的流动倒流而使所述簧片阀关闭。
在这种结构的燃料电池系统中，在燃料电池系统停止时，在使旁通阀关闭的状态下，向燃料电池供给空气并使调压阀节流，由此来提高比该调压阀靠上游侧的空气的压力。并且，之后，打开旁通阀而使簧片阀周围的空气的流动倒流，因此能够使簧片阀可靠地关闭。因此，能够采用低成本的簧片阀并抑制燃料电池系统的停止中的空气向燃料电池内的流入。
[适用例2]在适用例1记载的燃料电池系统中，还具备对向所述燃料电池供给的氢的压力进行调整的氢压力调整部，所述控制部与所述升压处理时的所述空气的压力的上升对应地控制所述氢压力调整部，提高向所述燃料电池供给的氢的压力。若为这种结构，则能够减少燃料电池内的极间差压，因此能够减轻施加给电解质膜及其周边的构件的物理性的负荷。
[适用例3]在适用例1或适用例2记载的燃料电池系统中，所述控制部使在所述升压处理时向所述燃料电池供给的空气的流量低于在所述燃料电池系统的动作中供给的流量。若为这种结构，则在升压处理时能够抑制燃料电池内的空气的压力急剧上升的情况。
[适用例4]在适用例1至适用例3中的任一项记载的燃料电池系统中，在所述空气供给流路和所述旁通流路的分支部，所述旁通流路的流路截面积大于所述空气供给流路的流路截面积。若为这种结构，则在使旁通阀打开时，空气容易从燃料电池侧朝向旁通流路流动。因此，能够使簧片阀更可靠地关闭。
[适用例5]在适用例1至适用例4中的任一项记载的燃料电池系统中，所述空气供给流路和所述旁通流路的分支部与所述簧片阀接近。通过这种结构，在使旁通阀打开时，空气也容易从燃料电池侧朝向旁通流路流动。因此，能够使簧片阀更可靠地关闭。
[适用例6]在适用例1至适用例5中的任一项记载的燃料电池系统中，所述旁通流路的入口与所述簧片阀的入口大致相对。通过这种结构，在使旁通阀打开时，空气也容易从燃料电池侧朝向旁通流路流动。因此，能够使簧片阀更可靠地关闭。
[适用例7]在适用例1至适用例6中的任一项记载的燃料电池系统中，在所述簧片阀与所述燃料电池之间设有流路截面积大于所述空气供给流路的缓冲罐。若为这种结构，在使旁通阀打开时，燃料电池侧的压力不易下降。因此，能够使簧片阀更可靠地关闭。
[适用例8]一种燃料电池系统，具备：燃料电池；空气压缩机，对空气进行加压；空气供给流路，从所述空气压缩机向所述燃料电池供给空气；簧片阀，设置在所述空气供给流路，在空气朝向所述燃料电池流动时打开；空气排出流路，供从所述燃料电池排出的空气流动；调压阀，设置在所述空气排出流路，调整向所述燃料电池供给的空气的背压；及控制部，在所述燃料电池系统停止时，执行升压处理和闭阀处理，所述升压处理是如下处理：在使所述旁通阀关闭的状态下，通过所述空气供给流路向所述燃料电池供给空气并使所述调压阀节流，来提高比该调压阀靠上游侧的空气的压力，所述闭阀处理是如下处理：在所述升压处理后，使所述旁通阀关闭，并使所述空气压缩机停止，从而使所述簧片阀关闭。
在这种结构的燃料电池系统中，在燃料电池系统停止时，通过向燃料电池供给空气并使调压阀节流，来提高比该调压阀靠上游侧的空气的压力。并且，之后，使调压阀关闭并使空气压缩机停止，由此使簧片阀周围的空气的流动倒流。因此，根据上述结构，也能够采用低成本的簧片阀并抑制燃料电池系统停止中的空气向燃料电池内的流入。
[适用例9]在适用例8记载的燃料电池系统中，在所述闭阀处理中，当所述空气压缩机的转速或由该空气压缩机产生的空气的供给量成为规定值以下时，所述控制部使所述调压阀关闭。根据这种结构，在升压处理时，能够抑制燃料电池内的空气的压力急剧上升的情况。
本发明除了作为上述的燃料电池系统的结构之外，例如，还可以作为燃料电池系统的控制方法、控制程序、具备燃料电池系统的车辆等构成。
附图说明
图1是表示作为第一实施例的燃料电池系统的简要结构的说明图。
图2是表示簧片阀的周边的简要结构的说明图。
图3是空气截止处理的流程图。
图4是表示空气截止处理中的各部的动作时机的时序图。
图5是表示作为第二实施例的燃料电池系统的简要结构的说明图。
图6是在第二实施例中执行的空气截止处理的流程图。
图7是表示燃料电池系统的变形例的说明图。
具体实施方式
以下，基于实施例，说明本发明的实施的方式。
A.第一实施例：
图1是表示作为本发明的第一实施例的燃料电池系统10的简要结构的说明图。本实施例的燃料电池系统10具备：燃料电池组100；向燃料电池组100供给作为氧化气体的空气的空气供给系统200；向燃料电池组100供给作为燃料气体的氢的氢供给系统300；进行燃料电池系统10的运转控制的控制单元400。本实施例的燃料电池系统10例如作为电源而搭载在由电动机驱动的车辆等移动体上。
燃料电池组100具有将作为固体高分子型的燃料电池而构成的单电池层叠多个而成的电池组结构。各单电池采用夹着电解质膜配置包括铂催化剂等的氢极（以下，称为阳极）和氧极（以下，称为阴极）而成的结构。向各个单电池的阳极供给氢，向阴极供给包含氧的空气，由此进行电化学反应，产生电动势。需要说明的是，燃料电池的形式并不局限于固体高分子型，可以采用磷酸型燃料电池等各种形式。
空气供给系统200具备：将从燃料电池系统10的外部导入的空气向燃料电池组100的阴极供给的空气供给流路210；将从燃料电池组100排出的空气（阴极废气）向外部排出的空气排出流路220。
在空气供给流路210中具备对从外部导入的空气进行加压的空气压缩机212和簧片阀214。由空气压缩机212加压后的空气通过簧片阀214，向燃料电池组100供给。簧片阀214构成为，根据空气从空气压缩机212向燃料电池组100的流动而打开，相对于反向的流动而关闭。在空气供给流路210中的空气压缩机212的上游具备对向燃料电池组100供给的空气的流量进行测定的空气流量计216。
在空气排出流路220中具备用于对向燃料电池组100供给的空气的背压进行调整的调压阀222。而且，在调压阀222的上游侧具备用于对空气的压力进行测定的空气压力传感器224。空气供给流路210中的空气压缩机212与簧片阀214之间和空气排出流路220的调压阀222的下游侧通过旁通流路230连接。在旁通流路230中具备旁通阀232，该旁通阀232用于将从空气供给流路210朝向空气排出流路220在旁通流路230中流动的空气截止。
氢供给系统300具备：从氢罐等接受氢的供给而使其向燃料电池组100流动的氢供给流路310；将从燃料电池组100排出的氢（阳极废气）向外部排出的氢排出流路320。
在氢供给流路310中设有喷射器312作为对向燃料电池系统10供给的氢的压力进行调整的压力调整器。在该喷射器312的下游侧具备对通过喷射器312调整后的氢的压力进行测定的氢压力传感器314。
在氢排出流路320上具备用于向外部排出阳极废气的排气阀322。氢排出流路320的排气阀322的上游侧和氢供给流路310的喷射器312的下游侧通过循环流路330连接。在循环流路330中设有循环泵332，该循环泵332用于使阳极废气从氢排出流路320向氢供给流路310循环。
在燃料电池系统10的运转中，排气阀322通常关闭。因此，从燃料电池系统10排出的包含残留氢的阳极废气通过氢排出流路320及循环流路330，由循环泵332加压，再次被导向氢供给流路310，被供给到燃料电池组100。在燃料电池系统10的运转中，氮和水蒸气等杂质从燃料电池组100内的阴极侧向阳极侧透过。因此，控制单元400使排气阀322在规定的时机打开，将杂质与阳极废气一起适当向外部排出。
控制单元400是用于进行燃料电池系统10的运转控制的装置，连接有上述的各种传感器（空气流量计216、空气压力传感器224、氢压力传感器314）和各种促动器（空气压缩机212、调压阀222、旁通阀232、喷射器312、循环泵332、排气阀322）。控制单元400由CPU和存储器等构成，CPU基于存储在存储器中的规定的控制程序，在燃料电池系统10停止时，执行后述的空气截止处理。
图2是表示簧片阀214的周边的简要结构的说明图。如图2所示，簧片阀214具备以固定的一端部为支点根据内外的压力差而另一端侧弯曲的板状的阀芯215，具有如下结构：相对于从空气压缩机212朝向燃料电池系统10的空气的流动，根据该空气的压力而自动打开，相对于反方向（从燃料电池组100向空气压缩机212的方向）的空气的流动，根据倒流的空气的压力而自动关闭。空气供给流路210形成为，在以簧片阀214的固定端为外侧时，将簧片阀214的固定端作为边界，向内侧折弯成倾斜45°以内的角度。若如此折弯空气供给流路210，则空气经由簧片阀214而流动时，能够抑制压力损失扩大的情况。
另外，在本实施例中，空气供给流路210和旁通流路230的分支部217与簧片阀214接近配置，而且，簧片阀214的入口和旁通流路230的入口以它们的入口面所成的角为45°以内的角度的方式相对配置。而且，旁通流路230的口径D1形成得比簧片阀214的入口部分的空气供给流路210的口径D2大，而且，从分支部217到旁通阀232的距离L1形成得比从分支部217到簧片阀214的距离L2长。即，在本实施例中，从分支部217到旁通阀232的流路内的容积形成得比从分支部217到簧片阀214的容积大。口径D1、口径D2、距离L1、距离L2可以分别形成为例如58mm、45mm、70mm、28mm。
图3是在燃料电池系统10停止时通过控制单元400执行的空气截止处理的流程图。以下，夹杂图4所示的时序图，说明该处理。需要说明的是，在该空气截止处理开始时，设定旁通阀232关闭。
根据点火开关等的操作，对燃料电池系统10进行停止指示时，如图4（a）的时间t0所示，控制单元400首先通过空气流量计216监控空气的流量Q并控制空气压缩机212，减少向燃料电池系统10供给的空气的流量Q，形成为最低流量附近（步骤S 10）。然后，控制单元400进一步缩小调压阀222的开度（步骤S12）。此时，控制单元400将调压阀222的开度设定成从调压阀222流出的空气的流量比通过步骤S10设定的流量Q小。如此，当使空气的流量Q减少而减小调压阀222的开度时，如图4（c）所示，空气的压力P1在时间t0以后逐渐升高。
接下来，控制单元400如图4（d）所示，利用空气压力传感器224来监控空气的压力P1，并同时对应于该压力P1的上升，控制喷射器312，提高氢供给系统300内的氢的压力P2（步骤S14）。如此，若对应于空气的压力P1的上升而提高氢供给系统300内的氢的压力P2，则能够减少燃料电池组100内的极间差压，因此能够抑制物理性的负荷作用于电解质膜等的情况。需要说明的是，如图4（c）所示，在时间t0以后，空气的压力P1暂时下降是因为，在步骤S10中由于减少了空气的流量Q，空气供给系统200内的压力暂时下降。而且，如图4（d）所示，氢的压力P2也与空气的压力P1同样地下降是由于与空气的压力P1的变动同步地控制单元400调整氢的压力P2。
如以上所述，在使空气的压力P1逐渐上升时，控制单元400判断上升后的空气的压力P1是否超过了规定的阈值Pth（步骤S16）。控制单元400在压力P1未超过阈值Pth时，待机直至压力P1超过阈值Pth，在压力P1超过了阈值Pth时，如图4（b）的时间t1所示，使调压阀222关闭（步骤S18），这之后不久，如图4（e）的时间t2所示，使旁通阀232全开（步骤S20）。由此，比调压阀222靠上游侧的空气向旁通流路230流入，因此通过该空气的反方向的流动，而簧片阀214关闭（步骤S22）。当簧片阀214关闭时，空气供给系统200内的空气的压力P1下降，因此根据其下降量，控制单元400也使氢的压力P2下降。需要说明的是，在步骤S16中，与空气的压力P1进行对比的阈值Pth能够通过实验性地预先求出簧片阀214能够完全关闭的空气的压力来确定。
当使簧片阀214关闭时，控制单元400最后如图4（a）的时间t4所示使空气压缩机212停止（步骤S24），结束处理。而且，此时，控制单元400也使氢供给系统300侧的喷射器312和排气阀322关闭。
根据以上说明的本实施例的燃料电池系统10，在燃料电池系统10停止后，通过使簧片阀214和调压阀222关闭，而能够抑制空气向燃料电池组100内流入的情况。因此，能够在燃料电池系统10停止中抑制催化剂发生氧化而老化的情况。而且，在本实施例中，通过执行上述的空气截止处理，能够使燃料电池系统10停止时的燃料电池组100的阴极侧的压力为正压，因此使用简单的结构的簧片阀214就能够将空气的流入截止。因此，能够实现燃料电池系统10的小型化和低成本化。
另外，在本实施例中，在燃料电池系统10停止后，不仅燃料电池组100内的阴极侧的空气的压力升高，而且阳极侧的氢的压力也升高，因此能够抑制在燃料电池组100内产生极间差压的情况。因此，在燃料电池系统10停止中，能够抑制物理性的负荷作用于燃料电池组100内的电解质膜等的情况。而且，若如此提高阳极侧的氢的压力，则在燃料电池系统10停止中，氢从阳极侧向阴极侧透过，由此氧与氢在阴极侧发生反应，能够消耗残存在阴极侧的氧。因此，能够更有效地抑制催化剂被氧化的情况。
而且，在本实施例中，当使簧片阀214关闭时，缩小调压阀222的开度而减少空气的流量Q，由此使燃料电池组100内的空气的压力逐渐上升。因此，能抑制空气的压力的急剧上升，因此能够抑制向电解质膜和簧片阀214的物理性的负担。而且，若如此使燃料电池组100内的空气的压力逐渐上升，则阳极侧的氢的压力调整变得容易，因此能够更有效地抑制极间差压变大的情况。
另外，在本实施例中，使空气供给流路210中的簧片阀214的入口与旁通流路230的入口大致相对且接近配置，而且，使旁通流路230的入口的口径D1形成得比簧片阀214的上游侧的空气供给流路210的口径D2大。而且，通过使从空气供给流路210和旁通流路230的分支部217到旁通阀232的距离L1形成得比从该分支部217到簧片阀214的距离L2长，从分支部217到旁通阀232的流路内的容积形成得比从分支部217到簧片阀214的容积大。根据所述结构，在本实施例中，在使旁通阀232打开时，空气容易从燃料电池组100侧朝向旁通流路230侧流动。因此，在使旁通阀232打开时，能够使簧片阀214更可靠地关闭。
B.第二实施例：
图5是表示作为本发明的第二实施例的燃料电池系统10b的简要结构的说明图。在该图5中，对与图1所示的第一实施例的燃料电池系统10相同的结构要素标注相同的标号。如图5所示，本实施例的燃料电池系统10b成为从图1所示的燃料电池系统10省去了旁通流路230和旁通阀232的结构。
图6是第二实施例中控制单元400执行的空气截止处理的流程图。如图6所示，本实施例中执行的处理与图3所示的第一实施例中的空气截止处理相比，步骤S18以后的处理不同。即，在第一实施例中，在使空气的压力P1上升到阈值Pth之后，将调压阀222关闭，将旁通阀232打开，由此使簧片阀214关闭。相对于此，在本实施例中，在使空气的压力P1上升到阈值Pth之后，将调压阀222关闭（步骤S18），使空气压缩机212停止（步骤S20b），由此使簧片阀214关闭（步骤S22b）。由此，在调压阀222的上游侧压力提高后的空气在空气压缩机212停止后要向空气压缩机212侧倒流，而能够使簧片阀214关闭。
需要说明的是，在本实施例中，使调压阀222关闭的时机可以设定为：在对空气压缩机212作出了停止指示之后，实际上空气压缩机212的转速或通过空气压缩机212供给的空气的流量Q成为了规定值以下之后。由此，能够在调压阀222关闭后抑制空气供给系统内的空气的压力P1升高至必要以上的情况。需要说明的是，前述的规定值例如可以通过预先实验求出在对空气压缩机212施加停止指示之后使调压阀222关闭时比簧片阀214靠下游侧的压力成为能够使簧片阀214关闭的压力状态的转速、空气的流量Q而确定。
以上，说明了本发明的几个实施例，但本发明并未限定为这些实施例，而在不脱离其宗旨的范围内可以采用各种结构。
例如图7所示，也可以在空气供给流路210中的簧片阀214的下游侧设置具有比空气供给流路210的流路截面积大的流路截面积的缓冲罐218，通过该缓冲罐218而将空气向燃料电池组100供给。若设置这种缓冲罐218，则即使在上述的第一实施例或第二实施例的空气截止处理中使旁通阀232全开（图3的步骤S20）或使空气压缩机212停止（图6的步骤S20b），比簧片阀214靠下游侧（燃料电池组100侧）的压力也不易下降。因此，能够使簧片阀214更可靠地关闭。
另外，如图7所示，在空气排出流路220中，也可以在调压阀222与旁通流路230之间设置截止阀226。由此，例如能够将调压阀222主要用于调压的用途，而将截止阀226用于空气排出流路220的开闭的用途。
标号说明
10、10b…燃料电池系统
100…燃料电池组
200…空气供给系统
210…空气供给流路
212…空气压缩机
214…簧片阀
215…阀芯
216…空气流量计
217…分支部
218…缓冲罐
220…空气排出流路
222…调压阀
224…空气压力传感器
226…截止阀
230…旁通流路
232…旁通阀
300…氢供给系统
310…氢供给流路
312…喷射器
314…氢压力传感器
320…氢排出流路
322…排气阀
330…循环流路
332…循环泵
400…控制单元
Claims (9)
1.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池；
空气供给流路，向所述燃料电池供给空气；
簧片阀，设置在所述空气供给流路，在空气朝向所述燃料电池流动时打开；
空气排出流路，供从所述燃料电池排出的空气流动；
调压阀，设置在所述空气排出流路，调整向所述燃料电池供给的空气的背压；
旁通流路，将比所述簧片阀靠上游侧的所述空气供给流路和所述空气排出流路连接；
旁通阀，设置在所述旁通流路，进行该旁通流路的开闭；及
控制部，在所述燃料电池系统停止时，执行升压处理和闭阀处理，
所述升压处理是如下处理：在使所述旁通阀关闭的状态下，通过所述空气供给流路向所述燃料电池供给空气并使所述调压阀节流，来提高比该调压阀靠上游侧的空气的压力，
所述闭阀处理是如下处理：在所述升压处理后，通过打开所述旁通阀，使所述簧片阀附近的空气的流动倒流而使所述簧片阀关闭。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
还具备对向所述燃料电池供给的氢的压力进行调整的氢压力调整部，
所述控制部与所述升压处理时的所述空气的压力的上升对应地控制所述氢压力调整部，提高向所述燃料电池供给的氢的压力。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述控制部使在所述升压处理时向所述燃料电池供给的空气的流量低于在所述燃料电池系统的动作中供给的流量。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的燃料电池系统，其中，
在所述空气供给流路和所述旁通流路的分支部，所述旁通流路的流路截面积大于所述空气供给流路的流路截面积。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述空气供给流路和所述旁通流路的分支部与所述簧片阀接近。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述旁通流路的入口与所述簧片阀的入口大致相对。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的燃料电池系统，其中，
在所述簧片阀与所述燃料电池之间设有流路截面积大于所述空气供给流路的缓冲罐。
8.一种燃料电池系统，具备：
燃料电池；
空气压缩机，对空气进行加压；
空气供给流路，从所述空气压缩机向所述燃料电池供给空气；
簧片阀，设置在所述空气供给流路，在空气朝向所述燃料电池流动时打开；
空气排出流路，供从所述燃料电池排出的空气流动；
调压阀，设置在所述空气排出流路，调整向所述燃料电池供给的空气的背压；及
控制部，在所述燃料电池系统停止时，执行升压处理和闭阀处理，
所述升压处理是如下处理：在使所述旁通阀关闭的状态下，通过所述空气供给流路向所述燃料电池供给空气并使所述调压阀节流，来提高比该调压阀靠上游侧的空气的压力，
所述闭阀处理是如下处理：在所述升压处理后，使所述调压阀关闭，并使所述空气压缩机停止，从而使所述簧片阀关闭。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，
在所述闭阀处理中，当所述空气压缩机的转速或由该空气压缩机产生的空气的供给量成为规定值以下时，所述控制部使所述调压阀关闭。
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