CN103474684A - 车辆燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆燃料电池系统。燃料气体供应路径配置为将燃料气体从燃料气体容器提供给燃料电池堆。一次减压阀布置于燃料气体供应路径。二次减压阀布置于燃料气体供应路径并且在一次减压阀的下游侧。二次减压阀固定到燃料电池堆。

Description

车辆燃料电池系统
技术领域
本发明涉及车辆燃料电池系统，并且尤其涉及能够防止提供给安装在车辆上的燃料电池堆的燃料气体的压力减小的车辆燃料电池系统。
背景技术
车辆燃料电池系统包括水冷型和风冷型。风冷型燃料电池系统与水冷型燃料电池系统相比具有更简单的结构，因此适合于小型车辆。在相关技术的车辆燃料电池系统中，用于将作为燃料气体的氢从燃料气体容器提供给燃料电池的燃料气体供应管路部件、用于将燃料电池产生的水收集在其中的容器、用于将燃料电池产生的水引导到该容器的排水管路部件以及用于排出该容器中的所产生的水的排水阀容纳在该容器中，从而减小系统的尺寸（专利文献1）。此外，在相关技术的车辆燃料电池系统中，用于遮断燃料气体流动的遮断阀布置于连接到诸如燃料电池的气体消耗装置的气体管路，并且当关掉气体消耗装置时，遮断阀被关闭，从而使气体消耗装置能够消耗气体管路中的燃料气体，直到遮断阀的上游侧和下游侧之间的压力差达到预定值，然后气体消耗装置被关掉，从而提高遮断阀的密封性能（专利文献2）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP-A-2008-130329
专利文献2：JP-A-2006-156320
当将燃料电池系统安装在小型车辆上时，由于用于布置行驶用的电动机、燃料气体容器、燃料电池堆等的空间有限，所以难以靠近地安装燃料电池堆和燃料气体容器二者。如果燃料电池堆和燃料气体容器彼此分开地布置，那么连接燃料电池堆和燃料气体容器的燃料气体供应路径的长度增加，以致出现压力损失。在水冷型车辆燃料电池系统中，提供给燃料电池堆的燃料气体的压力至少为100kPa（表压）以上。因此，在燃料气体供应路径中出现的压力损失对要提供给燃料电池堆的燃料气体的压力的影响不显著。然而，在风冷型车辆燃料电池系统中，要提供给燃料电池堆的燃料气体的压力非常低，并且基本等于大气压力。因此，如果由于连接燃料电池堆和燃料气体容器的燃料气体供应路径的长度增加而出现压力损失，那么也许不能以所需的压力向燃料电池堆提供燃料气体。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够以适当的压力向燃料电池堆提供燃料气体的车辆燃料电池系统。
因此，为了实现上述目的，根据本发明的实施方式的一方面，提供一种车辆燃料电池系统，包括：燃料气体容器；燃料电池堆；燃料气体供应路径，其用于将燃料气体从所述燃料气体容器提供给所述燃料电池堆；一次减压阀，其布置于所述燃料气体供应路径；以及二次减压阀，其布置于所述燃料气体供应路径并且在所述一次减压阀的下游侧，其中所述二次减压阀固定到所述燃料电池堆。
利用该配置，由于二次减压阀装配到燃料电池堆，所以可以减小从二次减压阀到燃料电池堆的燃料气体供应路径的通道长度。因此，可以防止提供给燃料电池堆的燃料气体的压力由于在燃料气体供应路径的二次减压阀的下游侧出现的压力损失而减小。因此，根据本发明的实施方式的该方面，可以在燃料电池堆工作期间以适当的压力向燃料电池堆提供燃料气体。此外，由于可以在二次减压阀预先安装于燃料电池堆的状态下，将二次减压阀装配到车辆以及从车辆上拆卸二次减压阀，所以二次减压阀和燃料气体供应路径的安装性能提高，并且维修性能也提高。
附图说明
图1是示出根据本发明一实施方式的车辆燃料电池系统的燃料气体供应系统的示意图。
图2是示出安装于车辆的车辆燃料电池系统的布局的示意图。
图3是风冷型车辆燃料电池系统的框图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式。
图3是车辆燃料电池系统1的框图。车辆燃料电池系统1是将空气作为反应气体和冷却剂的风冷型。在风冷型燃料电池系统中，与水冷型燃料电池系统相比，提供给燃料电池堆的燃料气体（氢气）和空气（氧化气体）的压力低。车辆燃料电池系统1设置有燃料电池堆2，在燃料电池堆2中堆叠多个电池，每个电池是最小构成单元。在车辆燃料电池系统1中，存储在燃料气体容器3中的高压燃料气体（压缩氢气）喷出到燃料气体供应路径4，通过减压阀（在此，为一次减压阀5和二次减压阀6）减压，然后被引入到燃料电池堆2的阳极进气部7。与水冷型燃料电池系统不同，车辆燃料电池系统1不具有高压压缩机，而是使用通过过滤器8吸入到阴极进气路径9的空气作为反应气体和冷却剂，并且利用低压送风风扇10将该空气提供给燃料电池堆2的阴极进气部11。提供给燃料电池堆2的阴极进气部11的空气不仅起到与燃料气体反应以用于在燃料电池堆2中堆叠的电池中的发电反应的反应气体的作用，而且还起到用于吸收燃料电池堆2的废热以冷却燃料电池堆2的冷却剂的作用。与燃料气体反应后的空气和冷却燃料电池堆2后的空气从燃料电池堆2的阴极排气部12排放到阴极排气路径13，并由此排放到外部空气。从燃料电池堆2的阳极排气部14排放到阳极排气路径15的阳极排气通过清除阀16汇合到阴极排气路径13的阴极排气。当清除包括在阳极排气中的燃料气体时，要被排出的燃料气体被阴极排气稀释到可燃下限浓度以下，然后被排放到外部空气。
如图1中所示，车辆燃料电池系统1将燃料气体从燃料气体容器3经由燃料气体供应路径4提供给燃料电池堆2。燃料气体容器3具有压力传感器17和温度传感器18。容器主阀单元19、一次减压阀单元20和二次减压阀单元21从燃料气体容器3向燃料电池堆2依次布置在燃料气体供应路径4上。容器主阀单元19固定到燃料气体容器3，并且设置有第一遮断阀23，第一遮断阀23用于遮断从燃料气体容器3的喷出口22向燃料气体供应路径4喷出的燃料气体。容器主阀单元19设置有燃料气体注入路径25，燃料气体注入路径25用于通过燃料气体容器3的注入口24注入燃料气体。燃料气体注入路径25上设置有逆止阀26和容器安全阀27。一次减压阀单元20邻接容器主阀单元19固定到燃料气体容器3，并且设置有过滤器28，过滤器28用于过滤出喷出到燃料气体供应路径4和一次减压阀5的燃料气体。二次减压阀单元21固定到燃料电池堆2，并且设置有用于遮断喷出到燃料气体供应路径4的燃料气体的第二遮断阀29和二次减压阀6。第一遮断阀23布置于燃料气体供应路径4并且在一次减压阀5的上游侧。第二遮断阀29装配于二次减压阀6的燃料气体进入侧并且直接装配于二次减压阀6的上游侧。在车辆燃料电池系统1中，一次减压阀5和二次减压阀6从上游侧依次布置于燃料气体供应路径4。换句话说，二次减压阀6布置于燃料气体供应路径4并且在一次减压阀5的下游侧。控制装置30配置为当操作燃料电池堆2使其运转停止时优先于第一遮断阀23关闭第二遮断阀29。二次减压阀6固定到燃料电池堆2。二次减压阀6配置为将燃料气体减压到接近大气压力的压力，并且将该燃料气体提供给燃料电池堆2的阳极进气部7。燃料电池堆2使用压力接近大气压力的空气作为反应气体和冷却剂。
如图2中所示，车辆燃料电池系统1安装于车辆31。在车辆31中，后座34布置在后轮32之间的后地板面板33上，行李箱35形成在后座34后方的后地板面板33上。在车辆燃料电池系统1中，燃料电池堆2安装在其上形成有后备箱35的后地板面板33下方，燃料气体容器3安装在其上布置有后座34的后地板面板33下方。穿过容器主阀单元19的第一遮断阀23的燃料气体容器3中的燃料气体被一次减压阀单元20的一次减压阀5减压，然后喷出到燃料气体供应路径4。穿过燃料气体供应路径4的燃料气体被与燃料电池堆2一体化的二次减压阀单元21的二次减压阀6减压到基本等于大气压力的压力，然后经由连接管36提供给燃料电池堆2的阳极进气部7。在燃料气体容器3的外围，通过一个篮状框架37将燃料气体容器3、第一遮断阀23和一次减压阀5一体化，并且将它们装配到车辆31。在燃料电池堆2的外围，通过一个篮状框架38将燃料电池堆2和二次减压阀6一体化，并且将它们装配到车辆31。
关于提供给燃料电池堆2的燃料气体，在风冷型车辆燃料电池系统1中，该燃料气体的压力非常低，并且基本与大气压力相同。因此，如果燃料电池堆2和燃料气体容器3彼此分开，那么连接燃料电池堆2和燃料气体容器3的燃料气体供应路径4的长度增加，以致出现压力损失。结果，出现不以所需的压力向燃料电池堆2提供燃料气体的问题。在风冷型车辆燃料电池系统1中，燃料气体典型地通过一次减压阀5和二次减压阀6分两步减压。为了解决燃料气体的压力因该压力损失而减小的问题，根据本发明的该实施方式的车辆燃料电池系统1将二次减压阀6与燃料电池堆2一体化，并且将二次减压阀6安装于车辆31。尽管二次减压阀可以直接安装在一次减压阀5后方以及直接安装在燃料电池堆2前方，但是考虑到压力损失，在本实施方式中，如图2中所示，二次减压阀6与燃料电池堆2一体化，然后安装于车辆。根据车辆燃料电池系统1，由于二次减压阀6固定到燃料电池堆2，所以可以减小从二次减压阀6到燃料电池堆2的燃料气体供应路径4的通路长度。因此，可以防止提供给燃料电池堆2的燃料气体的压力因在二次减压阀6的下游侧的燃料气体供应路径4出现的压力损失而减小。因此，在燃料电池堆2工作期间，车辆燃料电池系统1能够以适当压力向燃料电池堆2提供燃料气体。根据车辆燃料电池系统1，由于可以在二次减压阀6预先安装于燃料电池堆2的状态下将二次减压阀6装配到车辆以及从车辆拆卸二次减压阀6，所以二次减压阀6和燃料气体供应路径的安装性能提高，并且维修性能也提高。
在车辆燃料电池系统1中，一个燃料气体供应路径4连接在燃料气体容器3和燃料电池堆2之间。当通过某种控制，如车辆31停止，关掉车辆燃料电池系统1时，燃料气体容器3的第一遮断阀23被关闭。然而，紧接在关闭第一遮断阀23之后，高压燃料气体留在燃料气体供应路径4上，因此该燃料气体被提供给燃料电池堆2，直到输入至二次减压阀6的输入压力减小。同时，在风冷型燃料电池系统中，由于始终提供空气，所以燃料电池堆2保持在开路电压（没有外部施加的负载的状态下的电位差）。在车辆燃料电池系统1中，当重复进行启动和停止时，该开路电压状态长时间持续，以致加速了燃料电池堆2的寿命缩短。此外，保持高电压，以致安全性恶化。另外，从控制的观点来看，消耗留在燃料气体供应路径4中的燃料气体不是本来所需要的。因此，增加了不必要的燃料气体消耗，以致车辆31的行驶距离缩短。鉴于上述考虑，第二遮断阀29和二次减压阀6之间的距离短是优选的。因此，根据车辆燃料电池系统1，第二遮断阀29装配到二次减压阀6的燃料气体进入侧。此外，根据车辆燃料电池系统1，第一遮断阀23布置在燃料气体供应路径4的一次减压阀5的上游侧，并且当操作燃料电池堆2使其运转停止时第二遮断阀29优先于第一遮断阀23关闭。因此，根据车辆燃料电池系统1，可以减小第二遮断阀29的下游侧的燃料气体供应路径中的空间体积，并且可以缩短二次减压阀6和第二遮断阀29之间的管路，从而减少部件的数量。另外，由于当操作燃料电池堆2使其运转停止时，第二遮断阀29优先于第一遮断阀23关闭，所以可以减少在关闭第二遮断阀29之后提供给燃料电池堆2的燃料气体的量，从而防止长时间持续发电。因此，可以避免在操作燃料电池堆2使其运转停止之后向燃料电池堆2提供额外的燃料气体引起的不必要的燃料气体消耗。此外，由于可以防止由长时间持续发电引起的燃料电池堆2长时间保持在高电压，所以安全性提高。在燃料电池堆2的工作停止之后，燃料气体被封闭在燃料气体供应路径4的夹在一次减压阀5和第二遮断阀29之间的部分中，使得对应部分的内部压力保持在预定压力。因此，当下次启动燃料电池堆2时，可以防止燃料气体供应路径4的夹在一次减压阀5和第二遮断阀29之间的部分的内部压力极度变化（重复进行加压和减压）。因此，可以提高布置于夹在一次减压阀5和第二遮断阀29之间的部分的管路或密封部件的耐用性。
此外，车辆燃料电池系统1具有二次减压阀6将燃料气体减压到接近大气压力的压力的结构。在此情况下，提供给燃料电池堆2的燃料气体的压力受到二次减压阀6的下游侧的燃料气体供应路径4中出现的压力损失的高度影响。因此，如图2中所示，当二次减压阀6装配在燃料电池堆2的燃料气体进入侧的附近时，能够防止由二次减压阀6的下游侧出现的压力损失引起的提供给燃料电池堆2的燃料气体的压力减小的本发明的该实施方式的有益效果变得更加显著。此外，车辆燃料电池系统1是燃料电池堆2使用具有接近大气压力的压力的空气作为反应气体和冷却剂的风冷型燃料电池堆。因此，当本发明的该实施方式的结构应用于燃料电池堆2使用具有接近大气压力的压力的空气作为反应气体和冷却剂的风冷型燃料电池堆时，本发明的该实施方式的有益效果变得更加显著。
如图2中所示，车辆燃料电池系统1具有通过在燃料气体容器3的外围的一个篮状框架37将燃料气体容器3、第一遮断阀23和一次减压阀5一体化并且通过在燃料电池堆2的外围的一个篮状框架38将燃料电池堆2和二次加压阀6一体化的结构。预先制备一体化的部件，从而可以通过将两个篮状框架37、38安装于车辆31，然后将它们通过燃料气体供应路径4相连的简单处理，将车辆燃料电池系统1安装于车辆31。因此，安装至车辆31的安装性能和维修性能提高。在上述实施方式中，本发明应用于车辆燃料电池系统1，其中燃料气体通过一次减压阀5和二次减压阀6分两步减压。然而，本发明不局限于两步减压，还可以应用于一步减压。
本发明可以减小提供给安装于车辆的燃料电池堆的燃料气体的压力损失，提高安装性能和维修性能，并且本发明可以应用于水冷型燃料电池系统以及风冷型燃料电池系统。

Claims (4)

1.一种车辆燃料电池系统，包括：
燃料气体容器；
燃料电池堆；
燃料气体供应路径，其用于将燃料气体从所述燃料气体容器提供给所述燃料电池堆；
一次减压阀，其布置于所述燃料气体供应路径；以及
二次减压阀，其布置于所述燃料气体供应路径并且在所述一次减压阀的下游侧，
其中所述二次减压阀固定到所述燃料电池堆。
2.根据权利要求1所述的车辆燃料电池系统，
其中第一遮断阀布置于所述燃料气体供应路径并且在所述一次减压阀的上游侧，并且第二遮断阀布置于所述二次减压阀的燃料气体进入侧，并且
其中当操作所述燃料电池堆使其运转停止时，所述第二遮断阀优先于所述第一遮断阀关闭。
3.根据权利要求1所述的车辆燃料电池系统，其中所述二次减压阀用于将所述燃料气体减压到接近大气压力的压力。
4.根据权利要求3所述的车辆燃料电池系统，其中所述燃料电池堆为风冷型燃料电池堆，即将具有接近大气压力的压力的空气作为反应气体和冷却剂二者使用。
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