CN103329325A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明与含氢气体的流量的增减无关地使排出含氢气体良好地循环，并且使系统简化和小型化。本发明是一种燃料电池系统，包括：电池单元(11)，其通过使含氢气体和含氧气体先彼此分离然后再合流来进行发电；供给通路(20a)，其配置有喷射器(22)，其中所述喷射器(22)使从电池单元(11)排出的排出含氢气体再循环至电池单元(11)；以及旁路通路(20b)，其使向着电池单元(11)流动的含氢气体绕过喷射器(22)。该燃料电池系统的特征在于：在要供给至电池单元(11)的含氢气体的流量小于预定流量的情况下，使该含氢气体流经配置有喷射器(22)的供给通路(20a)，但在该含氢气体的流量大于预定流量的情况下，使该含氢气体流经旁路通路(20b)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具有使用例如固体高分子型电池的电池单元的燃料电池系统。
背景技术
在现有技术中，作为这种燃料电池系统，存在专利文献1所公开的名称为燃料循环型燃料电池系统的结构。
专利文献1所公开的燃料循环型燃料电池系统包括：燃料电池，其被供给作为燃料的氢气和作为氧化剂的空气并且执行发电；燃料供给流路，用于将所述氢气供给至所述燃料电池；燃料循环流路，用于使所述氢气循环，其中供给从所述燃料电池排出的作为未反应燃料的排出氢气以在所述燃料供给流路的特定位置处与所述氢气合流；燃料泵，用于取入和送出所述排出氢气；以及喷射器，用于利用所述氢气流动时产生的负压以吸入所述排出氢气并且使所述排出氢气与所述氢气合流。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-151588
发明内容
发明要解决的问题
对于专利文献1所公开的燃料循环型燃料电池系统，在发电所需的氢气的供给量低的情况下，喷射器喷嘴部处的流速减小，由此Bernoulli(伯努利)效应变得不太明显，并且无法使排出氢气充分循环。考虑到该问题，设置了用于在氢气的供给量低的低负荷状态下取入和送出排出氢气的燃料泵。
然而，对于该结构，由于添加了燃料泵，因此需要执行燃料泵的控制，由此该系统变复杂，并且难以实现小型化。
本发明的目的是通过提供以下的燃料电池系统来解决这些问题，其中可以与含氢气体的流量的增减无关地使排出含氢气体良好地循环，并且同时可以使该系统简化和小型化。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明提供一种燃料电池系统，包括：电池单元，其通过使含氢气体和含氧气体先彼此分离然后再彼此合流来进行发电；供给通路，其配置有喷射器，其中所述喷射器使从所述电池单元排出的排出含氢气体回流至所述电池单元；以及旁路通路，其使流向所述电池单元的所述含氢气体绕过所述喷射器，在所述燃料电池系统中，在供给至所述电池单元的含氢气体的流量低于预定流量的情况下，使所述含氢气体流经配置有所述喷射器的所述供给通路；另一方面，在所述含氢气体的流量高于所述预定流量的情况下，使所述含氢气体流经所述旁路通路。
利用该结构，在供给至电池单元的含氢气体的流量低于预定流量的情况下，使该含氢气体流经配置有喷射器的供给通路；另一方面，在该含氢气体的流量大于预定流量的情况下，使该含氢气体流经旁路通路。
发明的效果
根据本发明，可以与含氢气体的流量的增减无关地使排出含氢气体良好地循环，并且同时可以使该系统简化和小型化。
附图说明
图1(A)是示出与本发明的第一实施例有关的燃料电池系统的示意结构的说明图，并且(B)是示出启动燃料电池系统时的操作的流程图。
图2是示出基于启动与第一实施例有关的燃料电池系统时检测到的温度的操作的流程图。
图3是示出与本发明的第二实施例有关的燃料电池系统的示意结构的说明图。
图4(A)是示出与本发明的第三实施例有关的燃料电池系统的示意结构的说明图，并且(B)是示出作用于簧片阀的压力与开度之间的关系的图。
具体实施方式
以下将参考附图来说明本发明的实施例。图1(A)是示出与本发明的第一实施例有关的燃料电池系统的示意结构的说明图，并且(B)是示出启动燃料电池系统时的操作的流程图。
在图1和以下所示的图2～4中，在含氢气体和含氧气体中，仅示出含氢气体的流通系统，而没有示出含氧气体的流通系统。这样简化了说明。
与本发明的第一实施例有关的燃料电池系统A1除了电池堆10以外，还包括燃料箱20、调压阀21、喷射器22、喷射器温度传感器29、压力传感器23、止回阀26、ON/OFF(开/闭)阀32、电池温度传感器28、氮净化阀24、分离箱30和排水阀31等、以及控制单元C。
这里，电池堆10具有以相互之间存在间隙的状态堆叠的多个电池单元11...。在各电池单元11的第一半导体层的内部和外部，使含氢气体和含氧气体彼此分离地流过以发电。
根据本实施例，在该说明中，将说明“氢气”作为“含氢气体”的示例，并且将说明“空气”作为“含氧气体”的示例。然而，本发明不限于这些示例。
电池单元11...各自具有容纳在隔离体之间(图中均未示出)的固体高分子型电池，其中这些固体高分子型电池各自的负极和正极配置在电解质的两侧。
燃料箱20用于储存要供给至电池堆10的期望量的氢气。在燃料箱20和电池堆10的接收部之间连接有供给管20a。
供给管20a是配置有喷射器22的供给通路。
调压阀21具有无级地增减调整从燃料箱20供给的氢气的压力的功能。调压阀21配置在供给管20a的中间部位，连接至后面要详细说明的控制单元C的输出侧，并且对供给压力进行增减控制。
根据本实施例，调压阀21是如下调压部，其中该调压部用于对从作为氢气的供给源的燃料箱20供给至电池堆10的接收部、然后供给至各电池单元11的负极的氢气的压力进行增减调整。
在供给管20a上以及调压阀21的下游侧的位置与喷射器22的下游侧的位置之间的部位，配置有用于使向着电池单元流动的含氢气体绕过喷射器的旁路通路20b。这里，将旁路通路20b称为“旁路管20b”。
在上述旁路管20b上，配置有用于允许氢气流经旁路管20b或者隔断流经旁路管20的氢气的ON/OFF阀32。ON/OFF阀32连接至控制单元C的输出侧，并且可以进行适当地开闭驱动。
后面要说明的分离箱30经由排出管10a连接至电池堆10的排出部，并且同时在分离箱30和喷射器20之间连接有作为回流通路的回流管30a。
也就是说，使从电池堆10的负极排出的排出氢气经由喷射器22回流至电池堆10。
喷射器22配置在供给管20a上的调压阀21的下游侧。
利用流经供给管20a的氢气的卷入作用，喷射器22发挥使从电池堆10排出的排出氢气经由回流管30a回流至负极的功能。在本实施例中，仅以低流量执行回流。
喷射器温度传感器29测量上述喷射器22的温度，并且根据本实施例，该喷射器温度传感器29被配置为测量喷射器22自身的温度。
此外，喷射器温度传感器29可被配置为测量流经喷射器22的氢气的温度。更具体地，例如，喷射器温度传感器29可以配置在供给管20a上的喷射器22的上游侧。
喷射器温度传感器29连接至控制单元C的输入侧并且能够测量喷射器22的温度。通过配置喷射器温度传感器29，可以正确地测量喷射器22的温度。
压力传感器23用于测量从喷射器22排出的氢气的压力。压力传感器23配置在供给管22a上的喷射器22的下游侧，并且连接至控制单元C的输入侧以检测压力。
止回阀26配置在回流管30a上，用于防止在间歇操作期间出现升压的情况下向回流管30a侧施加压力时、排出氢气回流至电池堆10。通过这样配置止回阀26，可以进行更高稳定性的发电。然而，并非必须配置止回阀26。
电池温度传感器28用于测量电池堆10的温度、因而也测量电池单元11的温度，并且电池温度传感器28连接至控制单元C的输入侧。
分离箱30分离出从负极排出的排出氢气中所包含的水w，并且储存在分离箱30内的水w经由排水阀31被排出到外部。
此外，排水阀31连接至控制单元C的输出侧并且适当地进行开闭控制。
氮净化阀24用于排出残留在分离箱30处的氮气，氮净化阀24连接至控制单元C的输出侧并且进行开闭驱动。
控制单元C包括CPU(中央处理单元)、接口电路等，并且通过执行期望程序发挥以下各功能。
(1)控制单元C具有判断供给至电池单元11的含氢气体的流量是否低于预定流量的功能。该功能被称为“气体流量判断部件C1”。
例如，“关于流量是否低于预定流量的判断”是通过判断负荷是否为最高输出的10%以下的低负荷来执行。
另外，实验已经表明以下：对于与最高输出的请求值相对应地设计的传统喷射器，在10%以下的低负荷(低流量区域)的情况下无法执行回流；对于为了在10%以下的低负荷的情况下进行回流所设计的传统喷射器，在负荷高于10%的情况下，压力损失变得过高，并且回流流量变得不足。
也就是说，“预定流量”是指利用按照最高输出的请求值所设计的传统喷射器无法使排出含氢气体回流至电池单元11的流量。换句话说，对于按照最高输出的请求值所设计的传统喷射器，氢气的流量无法使排出氢气经由回流管30a回流至电池单元11。
(2)在判断为供给至电池单元11的含氢气体的流量为预定流量以上的情况下、使该含氢气体的压力间歇地增减变化的功能。该功能被称为“气体供给压力改变部件C2”。
根据本实施例，经由作为上述调压部的调压阀21供给至电池单元11的负极的氢气的压力间歇地增减变化。
另外，在氢气的流量低于预定流量的情况下，在该氢气的压力保持恒定的情况下供给该氢气。
这里，“间歇地”表示以等间隔和以不规则间隔。
对压力的增减变化的值进行设置，以使得能够排出固体高分子型电池中的杂质。更具体地，可以设置包括排出水的较高压力值和排出氮气等的较低压力值的这两个值。
例如，还可以采用如下方案：将正常压力变化设置为排出氮气等的较低压力值，并且在该压力变化重复了预定次数之后，以排出水的较高压力值来执行压力变化。
也就是说，在不使排出氢气回流的情况下，通过使负极压力间歇地增减变化，排出了固体高分子型电池中的杂质(水、氮等)。结果，可以提高从固体高分子型电池的负极的上游侧到下游侧的整体氢气浓度。结果，可以创建高度稳定的发电。
(3)测量电池单元11的温度的功能。该功能被称为“电池温度测量部件C3”。
根据本实施例，基于电池温度传感器28来测量电池单元11的温度。
(4)以下功能：在判断为供给至电池单元11的含氢气体的流量低于预定流量的情况下以及在判断为在中该含氢气体的流量为预定流量以上的情况下，针对配置有喷射器22的供给管20a、用于绕过喷射器22的旁路管20b，经由作为流路切换部的ON/OFF阀32来执行流路的切换。该功能被称为“流路切换部件C4”。
(5)判断利用喷射器温度传感器29测量得到的喷射器22的温度是否在包括冰点温度的预定温度区域内的功能。该功能被称为“喷射器温度判断部件C5”。
这里，“包括冰点温度的预定温度区域”是指低于作为上限温度的约20°C的温度区域，其中在该温度区域中，来自正极的氮透过量增大，使含氢气体的压力间歇地增减变化的操作变得困难，并且喷射器22的温度使得即使考虑到传感器的误差以及喷射器22的热容量也不会发生结冰。
这里，“结冰”是指如下状态：来自电池堆10的回流中的水蒸气因来自燃料箱20的低于冰点的供给氢而被冷却，并且在喷射器喷嘴部处冻结，由此使喷射器堵塞。
在本实施例中，说明了设置喷射器温度判断部件C5以判断利用喷射器温度传感器29测量得到的喷射器22的温度是否在包括冰点温度的预定温度区域内这一示例。然而，还可以采用如下方案：代替喷射器温度判断部件C5，设置喷射器温度估计部件以估计喷射器22的温度是否进入包括冰点温度的预定温度区域。
(6)以下功能：在判断为测量得到的喷射器22的温度在包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，使含氢气体的压力间歇地增减变化。该功能被称为“气体供给压力改变部件C6”。
根据本实施例，利用作为上述调压部的调压阀21，使供给至电池单元11的负极的氢气的压力间歇地增减变化。
在配置喷射器温度估计部件的情况下，代替气体供给压力改变部件C6，配置气体供给压力改变部件以使得在估计为喷射器22的温度进入包括冰点温度的预定温度区域的情况下，使含氢气体的压力间歇地增减变化。
(7)以下功能：在判断为测量得到的喷射器22的温度在包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，利用作为流路切换部的ON/OFF阀32来切换流路，由此使压力间歇地增减变化的含氢气体绕过喷射器22。该功能被称为“流路切换部件C7”。
根据本实施例，在估计为喷射器22的温度进入包括冰点温度的预定温度区域的情况下，通过利用ON/OFF阀32切换至旁路管20b，使压力间歇地变化的含氢气体绕过喷射器22。
以下将参考图1(B)来说明启动具有上述结构的燃料电池系统A1时的操作。
步骤1：在图1(B)中，将步骤1缩写为“Sa1”。以下使用相同的缩写。
在使ON/OFF阀32闭合的情况下，连续地供给氢气，由此使负极处的压力保持恒定。
步骤2：判断为了与负荷相对应所需的氢气的流量是否大于预定流量。在判断为为了与负荷相对应所需的氢气的流量大于预定流量的情况下，该操作进入步骤3。否则，该操作返回至步骤1。
步骤3：在使ON/OFF阀32打开的情况下，从燃料箱20供给的氢气的压力间歇地增减变化并且将该氢气供给至负极。
以下将参考图2来说明基于启动具有上述结构的燃料电池系统A1时检测到的温度的操作。图2是示出基于启动燃料电池系统A1时检测到的温度的操作的流程图。
步骤1：在图2中，将步骤1缩写为“Sb1”。以下使用相同的缩写。测量喷射器22的温度。
步骤2：判断喷射器22的温度是否在包括冰点温度的预定温度区域内。在判断为喷射器22的温度在预定温度区域内的情况下，该操作进入步骤6。否则，该操作进入步骤3。
步骤3：在使ON/OFF阀32闭合的情况下，使排出氢气经由喷射器22回流。
步骤4：判断为了与负荷相对应所需的氢气的流量是否大于预定流量。在判断为为了与负荷相对应所需的氢气的流量大于预定流量的情况下，操作进入步骤5。否则，操作返回至步骤3。
步骤5：使ON/OFF阀32打开，由此从燃料箱20供给的氢气的压力间歇地增减变化并且将该氢气供给至负极。
在这种情况下，喷射器22的压力损失高，并且在间歇操作时几乎无法工作。
步骤6：使ON/OFF阀32打开，从燃料箱20供给的氢气的压力间歇地增减变化并且将该氢气供给至负极，然后该操作返回至步骤1。
根据本实施例，可以实现以下效果。
·可以与含氢气体的流量的增减无关地使排出含氢气体良好地循环，并且同时可以使该系统简化和小型化。
·由于低负荷侧的压力下降，氢透过量可以减少，并且可以削减燃料成本。
·可以避免燃料效率的劣化，同时可以防止喷射器的结冰。
以下将参考图3来说明与根据本发明的第二实施例有关的燃料电池系统。图3是示出与本发明的第二实施例有关的燃料电池系统的示意结构的说明图。
对于与第二实施例有关的燃料电池系统A2的硬件的结构，代替以上参考与第一实施例有关的燃料电池系统A1所述的ON/OFF阀32，配置有三向阀34。结果，在本实施例中采用与第一实施例中使用的附图标记相同的附图标记，并且将不再次说明这些附图标记。以下将仅说明不同的特征。
在三向阀34配置在供给管20a和旁路管20b之间的情况下，该三向阀34连接至控制单元C的输出侧，并且对该三向阀34进行适当地切换控制以对配置有喷射器22的供给管20a和旁路管20b进行切换。
也就是说，除了参考(1)～(6)所述的各功能以外，本实施例中的控制单元C还具有以下功能。
(8)以下功能：在判断为测量得到的喷射器22的温度在包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，利用作为流路切换部的三向阀34来执行切换，由此绕过喷射器22。该功能被称为“流路切换部件C8”。
结果，在间歇操作时，可以绕过喷射器22，由此可以避免喷射器22的压力损失并且可以执行更加稳定的间歇操作。
另外，具有上述结构的燃料电池系统A2的操作与参考图1(B)和图2所述的操作相同，因此将不针对本实施例再次进行详细说明。
以下将参考图4(A)、(B)来说明与本发明的第三实施例有关的燃料电池系统。图4(A)是示出与本发明的第三实施例有关的燃料电池系统的示意结构的说明图。图4(B)是示出作用于簧片阀的压力与开度之间的关系的图。
对于与第三实施例有关的燃料电池系统A3的硬件的结构，代替参考第一实施例的燃料电池系统A1所述的ON/OFF阀32，配置有簧片阀35。结果，根据本实施例，采用与第一实施例中使用的附图标记相同的附图标记，并且将不再次说明这些附图标记。以下将仅说明不同的特征。
簧片阀35具有使开度根据作用于该簧片阀的氢气的压力而改变的功能。更具体地，如图4(B)所示，随着氢气的压力上升，开度增大。
也就是说，由于在高负荷侧压力上升(由于正极也上升，因此不会发生压力差)，因而簧片阀35的开度增大，由此可以在无需通过喷射器22的情况下通过旁路侧，并且可以执行间歇操作。
在间歇操作时，上述簧片阀35使流路绕过喷射器22，由此可以避免喷射器22的压力损失，并且可以以更高的稳定性执行间歇操作。
通过采用簧片阀35，无需利用控制单元C来执行控制，由此可以简化系统结构并且削减成本。
在判断为测量得到的喷射器22的温度在包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，压力上升，并且执行间歇操作，由此簧片阀35的开度增大以绕过喷射器22。
具有本实施例的结构的燃料电池系统A3的操作与参考图1(B)和图2所述的操作相同。结果，将不再次详细说明该操作。
然而，本发明不限于这些实施例，存在以下的变形实施例。
在上述实施例中，已经参考配置有用于测量喷射器的温度的喷射器温度测量部件的示例进行了说明。然而，还可以采用如下方案：代替喷射器温度测量部件，配置可以预测喷射器的温度的喷射器温度预测部件。
优选可以采用以下应用例中的喷射器温度预测部件。利用安装至电池堆的上述电池温度传感器28以及图中未示出的安装至喷射器附近的配件的其它温度传感器，通过考虑到放热量和热容量的实验和模拟等、针对温度传感器的读取值和喷射器主体的温度之间的差来预先准备映射，然后使用该映射来预测喷射器温度。
在这种情况下，喷射器温度判断部件判断预测得到的喷射器的温度是否在包括冰点温度的预定温度区域内。
尽管已经说明了特定实施例，但这些实施例仅是以示例的形式呈现的，并且这些实施例并不意图限制本发明的范围。实际上，这里所述的新实施例可以以各种其它形式来体现；此外，可以在没有背离本发明的精神的情况下对这里所述的实施例的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求书及其等同物意图涵盖落在本发明的范围和精神内的这些形式或修改。
附图标记说明
11  电池单元
20a  供给通路(供给管)
20b  旁路通路(旁路管)
22  喷射器
27  三向阀
28  电池温度传感器
30a  回流通路(回流管)
33  停止阀
35  簧片阀
C1  气体流量判断部件
C2、C6  气体供给压力改变部件
C3  电池温度检测部件
C4、C8  流路切换部件
C5  喷射器温度判断部件

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，包括：电池单元，其通过使含氢气体和含氧气体先彼此分离然后再彼此合流来进行发电；供给通路，其配置有喷射器，其中所述喷射器使从所述电池单元排出的排出含氢气体回流至所述电池单元；以及旁路通路，其使流向所述电池单元的所述含氢气体绕过所述喷射器，
在所述燃料电池系统中，在供给至所述电池单元的含氢气体的流量低于预定流量的情况下，使所述含氢气体流经配置有所述喷射器的所述供给通路；另一方面，在所述含氢气体的流量高于所述预定流量的情况下，使所述含氢气体流经所述旁路通路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述喷射器被设计成能够使回流高达以下流量：在比燃料电池的最高输出的请求值低的输出时的所述排出含氢气体的流量。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，还包括气体供给压力改变部件，所述气体供给压力改变部件在所述含氢气体的流量高于所述预定流量的情况下，改变所述含氢气体的压力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其中，还包括流路切换部，所述流路切换部对流入所述电池单元的含氢气体的流路进行切换，
流路切换部件如下工作：在供给至所述电池单元的含氢气体的流量低于所述预定流量的情况下，使所述含氢气体流经配置有所述喷射器的所述供给通路；另一方面，在所述含氢气体的流量高于所述预定流量的情况下，使所述含氢气体流经所述旁路通路。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，还包括：
喷射器温度测量部件，其测量所述喷射器的温度；
喷射器温度判断部件，其判断测量得到的所述喷射器的温度是否在包括冰点温度的预定温度区域内；
气体供给压力改变部件，其在判断为测量得到的所述喷射器的温度在包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，使所述含氢气体的压力间歇地增减变化；以及
流路切换部件，其在判断为测量得到的所述喷射器的温度在包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，经由流路切换部切换至所述旁路通路。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，还包括：
喷射器温度预测部件，其预测所述喷射器的温度；
喷射器温度判断部件，其判断预测得到的所述喷射器的温度是否在包括冰点温度的预定温度区域内；
气体供给压力改变部件，其在判断为预测得到的所述喷射器的温度在包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，使所述含氢气体的压力间歇地增减变化；以及
流路切换部件，其在判断为预测得到的所述喷射器的温度在包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，经由流路切换部切换至所述旁路通路。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中，还包括：
喷射器温度估计部件，其估计所述喷射器的温度是否进入包括冰点温度的预定温度区域内；
气体供给压力改变部件，其在估计为所述喷射器的温度进入包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，使所述含氢气体的压力间歇地增减变化；以及
流路切换部件，其在估计为所述喷射器的温度进入包括冰点温度的预定温度区域内的情况下，将流路切换至所述旁路通路。
8.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，用于测量所述喷射器的温度的喷射器温度传感器被配置为测量向着所述喷射器流动的含氢气体的温度。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，用于测量所述喷射器的温度的所述喷射器温度传感器还被配置为测量所述喷射器自身的温度。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述流路切换部是配置在所述旁路通路处的停止阀，以及
所述流路切换部件经由所述停止阀来切换流路。
11.根据权利要求4至9中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述流路切换部是用于对所述供给通路和所述旁路通路进行切换的三向阀，以及
所述流路切换部件经由所述三向阀来切换流路。
12.根据权利要求4至9中任一项所述的燃料电池系统，其中，所述流路切换部是配置在所述旁路通路处的簧片阀，以及
所述流路切换部件经由所述簧片阀来切换流路。
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