CN105609814A - 燃料电池系统 - Google Patents

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小川朋宏
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Abstract

本发明提供一种燃料电池系统，即使在氢泵停止的情况下也能够抑制在氢系统中杂质积存。该燃料电池系统(100)具备：氢泵(4)，设置于使从燃料电池(1)的氢极(1a)的出口侧排出的氢废气向氢极(1a)的入口侧循环的氢气循环流路(3)；排出阀(61)，使在氢气循环流路(3)内流动的氢废气向氢气循环流路(3)外排出；判定部(81)，判定氢泵(4)的停止；以及控制部(80)，控制排出阀(61)的开闭，在由判定部(81)判定为氢泵(4)停止的情况下，控制部(80)以使从排出阀(61)排出的氢废气的排出量与假定氢泵(4)工作时所排出的氢废气的排出量相比增加的方式，控制排出阀(61)的开闭。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
已知有应用于燃料电池汽车等的燃料电池系统。燃料电池系统是如下的系统：以具备被供给氢作为燃料气体的阳极和被供给空气的阴极的燃料电池组为主体，附设有贮存向阳极供给的氢等燃料气体的贮存罐、以及用于使包含未使用的燃料气体的排出气体返回原阳极的氢循环机构(氢泵)等。在燃料电池组中，氢与空气中所包含的氧发生反应而生成电力。
在此，已知在燃料电池中，随着反应进行，阴极气体(空气)中的氮和由反应产生的生成水等会从阴极经过电解质膜而向阳极侧渗透。由此，在阳极中氮等(以下，将它们统一称作“杂质”)的分压上升，燃料气体(氢)的浓度降低，导致燃料电池的发电能力降低。
因此，通常，在附设有上述氢循环机构等的燃料电池系统中，使在阳极侧(以下，也称作“氢系统”)的排出流路设置的排出阀打开，将包含未使用的氢和/或杂质的气体排出。例如，在专利文献1中，记载了基于燃料电池的氢系统的压力和该氢系统内的氢分压来推定氢系统内的杂质浓度，并根据该杂质浓度使排出阀打开而将氢废气(从阳极排出的包含未使用的氢和/或杂质的气体)排出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005－327597号公报
发明内容
本发明要解决的问题
另外，氢系统中通常允许的杂质是以上述氢循环机构工作为前提而确定的。在该氢循环机构例如由于冻结等而停止的情况下，有可能在氢系统的排出流路积存杂质。若杂质积存，则存在从燃料电池排出的气体的流动被阻碍、进而在燃料电池的电池面内发电不均这样的问题。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于提供即使在氢泵停止的情况下也能够抑制在氢系统中杂质积存的燃料电池系统。
用于解决问题的手段
为了解决上述课题，本发明涉及的燃料电池系统具备在阳极和阴极分别接受燃料气体和氧化气体的供给来进行发电的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池系统具备：氢泵，设置于使从所述阳极的出口侧排出的氢废气向所述阳极的入口侧循环的氢气循环流路；排出阀，使在所述氢气循环流路内流动的所述氢废气向所述氢气循环流路外排出；判定部，判定所述氢泵的停止；以及控制部，控制所述排出阀的开闭，在由所述判定部判定为所述氢泵停止的情况下，所述控制部以使由所述排出阀排出的所述氢废气的排出量与假定所述氢泵工作时所排出的所述氢废气的排出量相比增加的方式，控制所述排出阀的开闭。
在本发明涉及的燃料电池系统中，在由判定部判定为氢泵停止的情况下，控制部以使由排出阀排出的氢废气的排出量与假定氢泵工作时所排出的氢废气的排出量相比增加的方式，控制排出阀的开闭。由于在氢泵停止的情况下杂质容易积存在氢系统的排出流路(例如，燃料电池的下游侧的配管)，因此，在这样的状况下，能够使氢废气的排出量与假定氢泵工作时所排出的氢废气的排出量相比增加。其结果，能够抑制杂质例如积存在燃料电池的下游侧的配管，进而能够抑制燃料电池的劣化。
另外，在本发明涉及的燃料电池系统中，优选，所述控制部以根据燃料电池的输出值或对燃料电池的要求值使由所述排出阀排出的所述氢废气的排出量增加的方式，控制所述排出阀的开闭。
在该优选的方式中，根据燃料电池的输出值或者对燃料电池的要求值，使氢废气的排出量增加。由于在燃料电池的输出值或者对燃料电池的要求值增加时杂质增加，因此，通过这样地增加氢废气的排出量，能够抑制杂质积存在燃料电池的下游侧的配管。
发明效果
根据本发明，能够提供即使在氢泵停止的情况下也能够抑制在氢系统中杂质积存的燃料电池系统。
附图说明
图1是说明本发明的实施方式涉及的燃料电池系统的结构的系统结构图。
图2是说明图1所示的燃料电池系统的控制的流程图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。本发明通过以下的优选实施方式进行说明，但在能够在不脱离本发明的范围的情况下通过多种方法进行变更，能够利用本实施方式以外的其他的实施方式。因此，本发明的范围内的所有的变更被包含在权利要求书中。
(燃料电池系统)
首先，对本发明的实施方式涉及的燃料电池系统的结构进行说明。图1是说明燃料电池系统的构成的系统结构图。
燃料电池系统100是搭载于燃料电池汽车(以下，也简称为“车辆”)等并对燃料电池(燃料电池组)1进行各种控制的系统。如图1所示，燃料电池系统100具备燃料电池1、氢气供给流路2a、供给阀21、压力计22、氧化气体供给流路2b、氢气循环流路3、氢泵4、排出流路6、排出阀61、流量计62、检测装置70、控制部80、判定部81、电流电缆51、以及电流传感器52。
燃料电池1是将单电池以在其间夹着导电性分隔件的状态层叠而成的燃料电池，能够输出与层叠数相应的输出电压，所述单电池在电解质膜1c的双面上成膜有具有能够使气体扩散的多孔质膜等结构的电极。在图中，为了便于说明，仅示出了在电解质膜1c面上形成有阳极(氢极)1a和阴极(氧极)1b的单电池的结构。如图所示，对氢极1a从氢气供给流路2a供给氢(燃料气体)，对氧极1b从氧化气体供给流路2b供给空气(氧化气体)。这样，燃料电池1接受燃料气体和氧化气体的供给进行发电，并生成电力。此外，燃料电池1的发电电压经过电流电缆51被输出至例如向车辆驱动用马达供给与指令转矩等相应的电流的变换器、搭载在车辆上的各种辅机、和/或作为向该辅机供电用的二次电池的蓄电池(这些部件全部包含在内，表示为“负载53”)。
氢气供给流路2a是向上述的燃料电池1的氢极1a的入口侧供给氢的流路。氧化气体供给流路2b是向氧极1b的入口侧供给空气的流路。
氢气循环流路3是使氢气从氢极1a的出口侧向入口侧循环的流路。在氢气循环流路3中配置有氢泵4。另外，氢气循环流路3与排出流路6连接，从而能够将在氢气循环流路3的内部流通的包含杂质等的气体从排出流路6向氢气循环流路3的外部排出。
氢泵4是将从氢极1a的出口侧排出并在氢气循环流路3的内部流通的包含杂质等的气体向氢极1a的入口侧压送的装置。换言之，氢泵4是用于使在氢气循环流路3的内部流通的包含杂质等的气体从氢极1a的出口侧向入口侧循环的装置。此外，作为氢泵4，只要是具有使氢气循环流路3内的气体循环的功能的装置即可，关于泵的方式等，可选择各种方式。
排出流路6与氢气循环流路3连通，是用于将在氢气循环流路3内流通的包含杂质等的气体向氢气循环流路3外排出的流路。排出流路6中设置有排出阀61和流量计62。排出阀61和流量计62详情后述，但也可以是不设置流量计62的结构。
在此，对构成燃料电池系统100的各种传感器、阀进行说明。如图1所示，上述氢气供给流路2a中配置有供给阀21和压力计22。
供给阀21是调节向氢极1a供给的氢的流量(氢量)的阀。供给阀21由来自控制部80的控制信号S1控制，并且其开度量被调节。
压力计22是检测氢气供给流路2a内的压力、即燃料电池1的阳极1a的压力的装置。即，压力计22具有取得燃料电池的阳极侧(氢系统)的压力的功能。与压力计22所检测到的压力相应的信号S2被输出到控制部80。
在燃料电池1连接有电流电缆51，在该电流电缆51设有电流传感器52。电流传感器52是检测燃料电池1进行发电的电流值的传感器。与电流传感器52所检测到的电流值相当的信号S5被输出到控制部80。该电流传感器52的输出信号S5与燃料电池1的发电量相对应。在本实施方式中，下述的控制部80以根据燃料电池1的电流值使由排出阀61排出的氢废气的排出量(排气频度)增加的方式，控制排出阀61的开闭。
此外，控制部80基于上述电流传感器52所检测到的电流值，计算燃料电池1的输出值，该控制部80也可以以根据燃料电池1的输出值使由排出阀61排出的氢废气的排出量(排气频度)增加的方式，控制排出阀61的开闭。另外，控制部80也可以以根据对燃料电池1的要求值使由排出阀61排出的氢废气的排出量(排气频度)增加的方式，控制排出阀61的开闭。另外，控制部80也可以以根据经由电流电缆51与燃料电池1连接的负载53使由排出阀61排出的氢废气的排出量(排气频度)增加的方式，控制排出阀61的开闭。
与氢气循环流路3连接的排出流路6中配置有排出阀61和流量计62。排出阀61是能够调节排出流路6的开度量或开度时间的阀，通过控制其开度，能够将包含未使用的氢和/或杂质(氮、水等)的气体从氢极1a向外部排出。排出阀61由来自控制部80的控制信号S6控制。此外，作为排出阀61，只要能够调节排出流路6的开度量或开度时间即可，可以采用任意方式的阀。
流量计62是检测经过排出流路6排出的流体的流量的装置。即，流量计62所检测的流量相当于从氢极1a排出的包含未使用的氢和/或杂质(氮、水等)的气体(氢废气)的排出量。与流量计62所检测到的流量相对应的信号S7被输出到控制部80。在本实施方式中，流量计62检测氢泵4工作时从排出阀61排出的氢废气的流量(排出量)，并将与该检测到的流量相对应的信号S7输出到控制部80。
此外，也可以是不设置流量计62的结构，例如，只要排出阀61是能够高精度调节开度量的阀，则也可以不使用检测排出流路6的流量的流量计62，根据排出阀61的开度量、开度时间或开闭次数来调整氢废气的排出量。此外，也可以由控制部80根据燃料电池1的运转状况计算氢气循环流路3内的压力，根据该算出的压力，基于使排出阀61以规定时间打开时所排出的量，调整排出量。
检测装置70检测氢泵4的例如转速、消耗电力或消耗电流，并将与该检测到的信息相对应的信号S4向控制部80输出。当与检测装置70所检测到的信息相对应的信号S4向控制部80输出时，判定部81判定与该信号S4相对应的氢泵4的工作状态(例如，氢泵4是否停止)。
控制部80构成为包含未图示的CPU、ROM、RAM、A/D转换器及输入输出界面等。控制部80如上所述，基于来自压力计22、电流传感器52、流量计62各自的检测信号S2、S5、S7，控制供给阀21或排出阀61。即，向供给阀21或排出阀61发送控制信号S1、S6。在本实施方式中，控制部80基于与压力计22检测到的压力相对应的信号S2，推定当前的氢极1a内的氢分压，并基于该推定的氢分压，推定氢极1a内的杂质浓度(或杂质量)。然后，控制部80按照该推定出的杂质浓度来控制排出阀61。即，控制部80基于推定出的杂质浓度，控制排出阀61来增加从氢极1a排出的氢废气的排出量。
另外，控制部80具备判定部81。判定部81基于来自检测装置70的检测信号S4，判定氢泵4是否停止。在通过判定部81判定为氢泵4停止的情况下，控制部80向排出阀61发送控制信号S6，以使由排出阀61排出的氢废气的排出量与假定氢泵4工作时所排出的氢废气的排出量相比增加的方式，控制排出阀61的开闭。此外，在通过判定部81判定出氢泵4停止的情况下使由排出阀排出的氢废气的排出量与假定氢泵4工作时所排出的氢废气的排出量相比增加的量，基于除了氢泵4工作/停止之外其他条件都相同时的运转状态来算出。这种除了氢泵4工作/停止之外其他条件都相同时的运转状态是指：氢泵4工作时除氢泵4以外的装置(例如，燃料电池1等)的运转状态和氢泵4停止时除氢泵4以外的装置(例如，燃料电池1等)的运转状态在同一条件下运转。这样，在本实施方式中，在氢泵4停止时所增加的氢废气的排出量以除氢泵4以外的装置在同一条件下运转为前提的基础上被调整。此外，作为排出阀61的开闭控制，可列举例如增大排出阀61的开度量的控制、延长开度时间的控制、或者增加开闭次数(缩短放气周期)的控制等。此外，在本实施方式中，例如，在电池电压下降时，下述的氢泵转速偏差为规定值以上时，控制部80进行缩短放气周期的控制。
(燃料电池系统的处理的流程)
以下，对燃料电池系统100的控制部80进行的排出阀61的控制方法进行说明。图2是表示控制部80进行的处理的一例的流程图。此外，该处理在燃料电池1的使用过程期间以规定的周期被反复执行。
首先，在步骤S10中，判定部81基于来自检测装置70的检测信号S4，判定氢泵4是否因为例如冻结等停止。作为判定的结果，在由判定部81判定为氢泵4正在工作的情况下(步骤S10(否))，接着执行步骤S10的处理，在由判定部81判定为氢泵4停止的情况下(步骤S10(是))，进入到步骤S11。此外，作为步骤S10的判定条件，例如可列举，泵转速偏差是否为规定值以上，更详细地，泵转速测量值(实际测量值)是否比泵转速指令值低作为判定条件。
接着，在步骤S11中，控制部80以使氢废气的排气频度增加的方式进行控制。具体而言，基于由检测装置70检测到的检测信号S4，控制部80以使由排出阀61排出的氢废气的排出量与假定氢泵4工作时所排出的氢废气的排出量相比增加的方式，进行排出阀61的开闭控制。换言之，控制部80以除氢泵4在以外的装置处于同一条件的运转状态为前提的基础上，在氢泵4停止时，以使由排出阀61排出的氢废气的排出量与氢泵4工作时所排出的氢废气的排出量相比增加的方式，进行排出阀61的开闭控制。如上所述，作为排出阀61的开闭控制，例如可列举增大排出阀61的开闭量的控制、延长开度时间的控制、或者增加开闭次数(缩短放气周期)的控制等。通过这样进行排出阀61的开闭控制，能够使氢废气的排出量(排气量)与氢泵4工作时的同一条件时的排出量相比增加。
如上所述，在本实施方式中，具备判定氢泵4停止的判定部81和控制排出阀61的开闭的控制部80，在由判定部81判定为氢泵4停止的情况下，以使从排出阀61排出的氢废气的排出量与假定氢泵4工作时所排出的氢废气的排出量相比增加的方式，控制排出阀61的开闭。由于在氢泵4停止的情况下杂质容易积存在燃料电池1的下游侧的配管(在本实施方式中，氢气循环流路3)中，因此，在这样的情况下，使来自排出阀61的氢废气的排气频度(排出量)与假定氢泵4工作时氢废气的排气频度(排出量)相比增加。其结果，能够抑制杂质积存在燃料电池的下游侧的配管，进而能够抑制燃料电池1的劣化。
另外，在本实施方式中，以根据燃料电池1的输出值或对燃料电池1的要求值使从排出阀61排出的氢废气的排出量增加的方式，控制排出阀61的开闭。由于在燃料电池1的输出值或燃料电池1的要求值增加时杂质的产生量增加，因此，在这样地杂质的产生量增加的情况下，使氢废气的排出量增加。其结果，即使杂质的产生量增加，也能够抑制杂质积存在燃料电池1的下游侧。
以上，参照具体例对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限于这些具体例。即，本领域的技术人员对这些具体例适当施加设计变更而得到的变形例只要具备本发明的特征，则也被包含在本发明的范围内。上述的各具体例所具备的各要素及其配置、条件等并不限于例示的各要素及其配置、条件，而能够适当变更。
标号说明
1：燃料电池
1a：氢极(阳极)
1b：氧极(阴极)
1c：电解质膜
2a：氢气供给流路
2b：氧化气体供给流路
3：氢气循环流路
4：氢泵
6：排出流路
21：供给阀
22：压力计
51：电流电缆
52：电流传感器
53：负载
61：排出阀
62：流量计
70：检测装置
80：控制部
81：判定部
100：燃料电池系统

Claims (2)

1.一种燃料电池系统，具备在阳极和阴极分别接受燃料气体和氧化气体的供给来进行发电的燃料电池，其特征在于，所述燃料电池系统具备：
氢泵，设置于使从所述阳极的出口侧排出的氢废气向所述阳极的入口侧循环的氢气循环流路；
排出阀，使在所述氢气循环流路内流动的所述氢废气向所述氢气循环流路外排出；
判定部，判定所述氢泵的停止；以及
控制部，控制所述排出阀的开闭，
在由所述判定部判定为所述氢泵停止的情况下，所述控制部以使由所述排出阀排出的所述氢废气的排出量与假定所述氢泵工作时所排出的所述氢废气的排出量相比增加的方式，控制所述排出阀的开闭。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部以根据燃料电池的输出值或对燃料电池的要求值使由所述排出阀排出的所述氢废气的排出量增加的方式，控制所述排出阀的开闭。
CN201510716156.4A 2014-11-14 2015-10-29 燃料电池系统 Pending CN105609814A (zh)

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