CN105609827A - 燃料电池系统及该系统内的流体的排出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使流体排出处理时的排出处理更加充分而避免在系统内残留水的燃料电池系统及该系统内的流体的排出方法。控制部使燃料电池的阳极的出口处的阳极流路内的流体的流量为第一流量，之后使阳极的出口处的阳极流路内的流体的流量为比第一流量少的第二流量，在以第二流量流动时通过将排气排水阀打开而将氢排出流路内的水排出。在以第一流量流动之后，可以使阳极的出口处的阳极流路内的流体以比第一流量少且比第二流量多的第三流量流动。

Description

燃料电池系统及该系统内的流体的排出方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及该系统内的流体的排出方法。
背景技术
在燃料电池系统的内部和/或燃料废气的循环流路，伴随发电而蓄积有氮和/或一氧化碳等杂质和/或水。为了将这样的杂质和/或水向外部排出，利用了在与循环流路连接的排出流路上设置排气排水阀，通过进行该排气排水阀的开闭控制，将循环流路内的气体和/或水每隔一定时间排出的技术(流放技术)。
而且，为了确保燃料电池系统的冰点下的起动性能，进行了在构成燃料电池系统的部件(例如上述的排气排水阀等)即将成为0℃之前，利用压力差将贮存于阳极侧流路的水等从排气排水阀排出这样的对策(例如参照专利文献1)。
【现有技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2007-305563号公报
发明内容
【发明要解决的问题】
然而，即使如上所述利用压力差将排气排水阀周围的水排出，由于在燃料电池组一侧残留有水，因此在排气时会从燃料电池组流来水，排气排水阀周围的排水有时也会变得不充分。若这样地排水处理不充分，则存在残留的水在冰点下环境下发生冻结而无法确保起动特性等问题。
因此，本发明目的在于提供一种使流体排出处理时的排出处理更加充分而避免在系统内残留水的燃料电池系统及该系统内的流体的排出方法。
【用于解决问题的手段】
为了解决上述课题，本发明涉及一种燃料电池系统，具有：燃料电池；氢供给部，向该燃料电池供给氢气；氢供给流路，供从氢供给部向燃料电池供给的氢气流动；氢排出流路，供从所述燃料电池排出的氢废气流动；排气排水阀，配置于所述氢排出流路；及控制部，控制从所述氢供给部的氢气的供给量，所述燃料电池系统的特征在于，
所述控制部使所述燃料电池的阳极的出口处的阳极流路内的流体的流量为第一流量，之后使所述阳极的出口处的所述阳极流路内的流体的流量为比所述第一流量少的第二流量，在以所述第二流量流动时通过将所述排气排水阀打开而将所述氢排出流路内的水排出。
在本发明中，在流体排出时，首先以第一流量使存在于阳极侧流路内的流体流动，由此将燃料电池组的阳极侧流路的水排出。然后，以比第一流量少的第二流量使燃料电池组的阳极出口等的水流动，将流路内的水从排气排水阀排出。这样，使用循环流路的氢泵等，对排水处理时的流放流量设置差异，由此以避免水从系统上游向系统下游移动的方式进行处理，从而能够避免水残留于该系统下游。
也可以是，所述氢供给部具备：燃料罐，贮存氢气；喷射器，设于氢供给流路；循环流路，使从所述燃料电池排出的氢废气从所述氢排出流路向所述氢供给流路返回；及氢泵，将所述氢排出流路内的氢废气经过所述循环流路向所述氢供给流路压送。
在上述的燃料电池系统中，可以是，在以所述第一流量流动之后，使所述阳极的出口处的阳极流路内的流体以比第一流量少且比第二流量多的第三流量流动。这样的情况下，以第三流量使流体流动，由此能够将贮存于燃料电池组的阳极出口附近的水预先排水，因此能够进一步抑制排气排水阀周围的残留水。
也可以是，所述控制部在判断为所述燃料电池系统的构成部件的温度下降而成为0度的情况下，进行所述阳极侧流路的排气。这样的情况下，在冻结之前预先将阳极侧流路等的水排出，由此能够确保燃料电池系统的冰点下的起动性能。构成部件例如是上述的排气排水阀。
而且，本发明涉及一种燃料电池系统内的流体的排出方法，是将燃料电池系统内的流体向系统外排出的方法，所述燃料电池系统具有：燃料电池；燃料罐，贮存向该燃料电池供给的氢气；氢供给流路，供从该燃料罐向燃料电池供给的氢气流动；循环流路，使从所述燃料电池排出的氢废气向所述氢供给流路返回；氢泵，将该循环流路内的氢废气向所述氢供给流路压送；气液分离器，配置于所述循环流路；排气排水阀，设于该气液分离器；及控制部，对所述氢泵进行控制，所述燃料电池系统内的流体的排出方法的特征在于，利用所述氢泵使在所述燃料电池内的阳极侧流路内存在的流体以第一流量流动，之后利用所述氢泵以比第一流量少的第二流量流动，在以所述第二流量流动时通过将所述排气排水阀打开而将所述循环流路内的水排出。
【发明效果】
根据本发明，能够使流体排出处理时的排出处理更加充分而避免水残留在系统内。
附图说明
图1是表示燃料电池系统的概略结构的图。
图2是表示燃料电池系统的氢废气的循环流路的概略结构的图。
图3是表示停车流放时的随时间变化的坐标图，(A)是氢泵的转速，(B)是阳极排水量，(C)是从排气排水阀的排气排水量，(D)是喷射器的氢气压力，(E)是阳极出口处的流体的流量。
【符号说明】
1…燃料电池系统
2…燃料电池
2B…阳极侧流路(阳极流路)
2C…阳极出口
7…控制部
20…氢供给部
21…燃料罐
22…氢供给流路
24…氢泵
28…喷射器
30…气液分离器
31…排气排水阀
33…氢排出流路
具体实施方式
基于附图所示的实施方式的一例来详细说明本发明的结构。以下，首先对燃料电池系统1的整体结构进行说明，然后，对燃料电池系统1的流体排出处理进行说明。
图1示出搭载于燃料电池车辆的燃料电池系统1的概略结构，图2示出氢废气的循环流路的概略结构。需要说明的是，在此示出能够作为燃料电池车辆(FuelCellHybridVehicle)的车载发电系统而应用的系统的一例，但上述燃料电池系统1也可以用作在各种移动体(例如船舶和/或飞机等)或机器人等这样的能够自走的结构上搭载的发电系统以及固定的发电系统。
本实施方式的燃料电池系统1具备：接受反应气体(氧化气体及燃料气体)的供给而通过电化学反应来产生电力的燃料电池2；将作为氧化气体的空气向燃料电池2供给的氧化气体配管系统3；将作为燃料气体的氢气向燃料电池2供给的燃料气体配管系统4；向燃料电池2供给制冷剂来对该燃料电池2进行冷却的制冷剂配管系统5；对系统的电力进行充放电的电力系统6；以及对系统整体进行总括控制的控制部7。
燃料电池2例如是固体高分子电解质型燃料电池，成为层叠多个单电池而成的堆叠结构(在图2中，由符号2S表示燃料电池组)。单电池在由离子交换膜构成的电解质的一面具有空气极，在另一面具有燃料极，而且具有从两侧夹入空气极及燃料极的一对分隔件。向一方的分隔件的燃料气体流路供给燃料气体，向另一方的分隔件的氧化气体流路供给氧化气体，而且通过这些各反应气体产生化学反应而产生电力。在该燃料电池2安装有检测发电中的电流的电流传感器2a。
氧化气体配管系统3具有供向燃料电池2供给的氧化气体流动的空气供给流路11和供从燃料电池2排出的氧化废气流动的排气流路12。在空气供给流路11设有经由过滤器13取入氧化气体的压缩器14和对由压缩器14压送的氧化气体进行加湿的加湿器15。压缩器14通过未图示的电动机的驱动而取入大气中的氧化气体。而且，在排气流路12中流动的氧化废气通过背压调整阀16而在加湿器15中用于水分交换之后，最终作为废气向系统外的大气中排出。
燃料气体配管系统4具有：作为氢供给源的燃料罐21；供从燃料罐21向燃料电池2供给的氢气流动的氢供给流路22；向燃料电池2供给氢气的氢供给部20；供从燃料电池2排出的氢废气(燃料废气)流动的氢排出流路33；用于使氢废气向氢供给流路22的合流部A1返回的循环流路23；将在氢排出流路33中流动的氢废气向氢供给流路22压送的氢泵24；以及与循环流路23分支连接的排气排水流路25。
氢供给部20具备：贮存氢气的燃料罐21；设于氢供给流路22的喷射器28；使从燃料电池2排出的氢废气从氢排出流路33返回氢供给流路22的循环流路23；将氢排出流路33内的氢废气经过循环流路23向氢供给流路22压送的氢泵24(参照图2)。
燃料罐21例如由高压罐和/或储氢合金等构成而在本实施方式的燃料电池车辆上搭载有多个，构成为能够贮存例如35MPa或70MPa的氢气。当打开后述的截止阀26时，氢气从燃料罐21向氢供给流路22流出。氢气由后述的调节器27或喷射器28最终减压至例如200kPa左右，向燃料电池2供给。需要说明的是，在本实施方式中，将这样的燃料罐21设为氢供给源，但除此之外，也可以通过从烃系的燃料生成富氢的改性气体的改性器和将由该改性器生成的改性气体蓄压成高压状态的高压气体罐来构成氢供给源。
在氢供给流路22设有用于切断或允许从燃料罐21的氢气的供给的截止阀26、调整氢气的压力的调节器27以及喷射器28。而且，在喷射器28的下游侧且在氢供给流路22与循环流路23的合流部A1的上游侧设有检测氢供给流路22内的氢气的压力的压力传感器29。而且，在喷射器28的上游侧设有检测氢供给流路22内的氢气的压力及温度的压力传感器及温度传感器(图示省略)。由压力传感器29等检测到的与氢气的气体状态(压力、温度)相关的信息使用于后述的喷射器28的反馈控制和/或流放控制。
调节器27是将其上游侧压力(一次压)调节成预先设定的二次压的装置。在本实施方式中，采用对一次压进行减压的机械式的减压阀作为调节器27。作为机械式的减压阀的结构，可以采用如下的公知的结构：具有利用隔膜分隔而形成背压室和调压室的框体，通过背压室内的背压在调压室内将一次压减压成规定的压力来作为二次压。
喷射器28是利用电磁驱动力直接以规定的驱动周期对阀芯进行驱动而使阀芯从阀座分离，由此能够调整气体流量和/或气体压的电磁驱动式的开闭阀。喷射器28具备具有喷射氢气等气体燃料的喷射孔的阀座，并且具备将该气体燃料供给引导至喷射孔的喷嘴体、被收容保持为相对于该喷嘴体能够沿轴线方向(气体流动方向)移动并对喷射孔进行开闭的阀芯。例如在本实施方式中，喷射器28的阀芯由作为电磁驱动装置的电磁元件驱动，通过向该电磁元件供电的脉冲状励磁电流的ON/OFF，能够两级、多级或无级地切换喷射孔的开口面积。而且，通过从控制部7输出的控制信号来控制喷射器28的气体喷射时间及气体喷射时期，由此高精度地控制氢气的流量及压力。这样，喷射器28利用电磁驱动力直接对阀(阀芯及阀座)进行开闭驱动，其驱动周期能够被控制至高响应的区域，因此具有高响应性。
需要说明的是，通过喷射器28的阀芯的开闭来调整气体流量，并且向喷射器28的下游供给的气体压力与喷射器28上游的气体压力相比被减压，因此也可以将喷射器28解释为调压阀(减压阀、调节器)。而且，在本实施方式中，也可以解释为能够根据气体要求在规定的压力范围中以与要求压力一致的方式使喷射器28的上游气体压的调压量(减压量)变化的可变调压阀。
在本实施方式中，将这样的喷射器28配置在比氢供给流路22与循环流路23的合流部A1靠上游侧处(参照图1)。而且，如图1的虚线所示，在作为燃料供给源使用多个燃料罐21的情况下，在比从这些燃料罐21供给的氢气进行合流的部分(氢气合流部A2)靠下游侧处配置该喷射器28。
在循环流路23上，经由气液分离器30及排气排水阀31连接有排气排水流路25。气液分离器30从氢废气回收水分。排气排水阀31接受控制部7的指令而工作，由此将由气液分离器30回收的水分和循环流路23内的包含杂质的氢废气(燃料废气)向外部排出(流放)。当打开该排气排水阀31时，循环流路23内的氢废气中的杂质的浓度下降，循环供给的氢废气中的氢浓度上升。
而且，虽然没有特别详细地图示，但经由排气排水阀31及排气排水流路25排出的氢废气由稀释器(图示省略)稀释而与排气流路12内的氧化废气合流。氢泵24通过电动机(图示省略)的驱动，将循环系统内的氢气向燃料电池2循环供给。氢气的循环系统由氢供给流路22的合流部A1的下游侧流路、在燃料电池2的分隔件形成的燃料气体流路以及循环流路23构成。
制冷剂配管系统5具有：与燃料电池2内的冷却流路连通的制冷剂流路41；设于制冷剂流路41的冷却泵42；对从燃料电池2排出的制冷剂进行冷却的散热器43；以及检测从燃料电池2排出的制冷剂的温度的温度传感器44。冷却泵42通过电动机(图示省略)的驱动，将制冷剂流路41内的制冷剂向燃料电池2循环供给。由温度传感器44检测到的制冷剂的温度(＝从燃料电池2排出的氢废气的温度)使用于后述的流放控制。
电力系统6具备高压DC/DC转换器61、蓄电池62、牵引变换器63、牵引电动机64以及未图示的各种辅机变换器等。高压DC/DC转换器61是直流的电压变换器，具有调整从蓄电池62输入的直流电压而向牵引变换器63侧输出的功能和调整从燃料电池2或牵引电动机64输入的直流电压而向蓄电池62输出的功能。通过这样的高压DC/DC转换器61的功能，实现蓄电池62的充放电。而且，通过高压DC/DC转换器61，控制燃料电池2的输出电压。
蓄电池62将蓄电池单电池层叠而将一定的高电压设为端子电压，通过未图示的蓄电池计算机的控制能够将剩余电力充电或辅助性地供给电力。牵引变换器63将直流电流转换成三相交流，向牵引电动机64供给。牵引电动机64例如是三相交流电动机，构成供燃料电池系统1搭载的燃料电池车辆的主动力源。
辅机变换器是对各电动机的驱动进行控制的电动机控制部，将直流电流转换成三相交流而向各电动机供给。辅机变换器是例如脉冲宽度调制方式的PWM变换器，按照来自控制部7的控制指令，将从燃料电池2或蓄电池62输出的直流电压转换成三相交流电压，控制由各电动机产生的旋转转矩。
控制部7检测设于车辆的加速用的操作构件(加速器等)的操作量，接受加速要求值(例如，来自牵引电动机64等负载装置的要求发电量)等的控制信息，控制系统内的各种设备的动作。需要说明的是，负载装置除了包括牵引电动机64之外，还包括例如包含为了使燃料电池2工作所需的辅机装置(例如压缩器14、氢泵24、冷却泵42的各电动机等)、与车辆的行驶相关的各种装置(变速器、车轮控制部、转向装置、悬架装置等)使用的致动器、乘员空间的空调装置(空调)、照明、音频设备等的电力消耗装置。
这样的控制部7由未图示的计算机系统构成。上述计算机系统具备CPU、ROM、RAM、HDD、输入输出接口及显示器等，CPU读入记录在ROM中的各种控制程序而执行所希望的运算，由此进行反馈控制和/或流放控制等各种处理或控制。
接下来，对上述的燃料电池系统1的流体排出处理进行说明。以下，对停车流放(燃料电池车停车而停止运转之后，在系统即将成为0℃以下之前实施的流放处理)的流体排出处理进行说明。需要说明的是，在实施停车流放时，使燃料电池1的运转停止而在水的移动和/或结露收敛之后开始排出处理，由此能够提高排出的效率。
图3示出表示停车流放时的、(A)氢泵24的转速、(B)阳极排水量、(C)从排气排水阀31的排气排水量、(D)喷射器28的氢气压力、及(E)阳极出口处的流体的流量分别随时间的变化的坐标图。
<电池组排水阶段>
在停车流放开始时，首先，为了使燃料电池组2S的阳极侧流路内存在的流体以第一流量流动，通过控制部7使构成氢供给部20的设备、例如氢泵24上升至第一转速并动作规定时间t1。此时，在本实施方式中，不是使氢泵24瞬时地以第一转速动作，而是使用一定程度的时间逐渐提升转速(参照图3(A))。在这样的情况下，通过将阳极侧流路的水逐渐排出，对于下游的气液分离机30的溢流防止具有效果。而且，若逐渐提升转速，对于噪声降低也具有效果。
当以第一流量使流体开始流动时，阳极排水量(从燃料电池2的阳极侧流路2B的排水量)逐渐增加，在达到峰值之后，逐渐减少(参照图2、图3(B))。在此，“第一流量”是比从燃料电池系统1排出水所需的“第二流量”(后述)大的流量(参照图3(A))，通过首先以这样比通常大的流量进行流动，在打开排气排水阀31时，能够避免燃料电池2内的水流向排气排水阀31。因此，能够抑制排气排水阀31的周围的残留水。
在该电池组排水阶段中，适时地进行排气排水阀31的开闭(参照图3(C))。这样的话，能够防止排出的气液的溢流。
需要说明的是，在停车流放处理期间，喷射器28的氢气压力保持为较高的状态(参照图3(D))。由此，在停车流放处理中能够实施气液分离机30的排水，并防止溢流。
在该电池组排水阶段中，阳极出口(在阳极侧流路2B中流动的流体通过燃料电池组2S的歧管而排出的部分)2C处的流体的流速随着氢泵24的转速上升而上升，在保持一定的流速A之后，随着氢泵24的转速下降而下降(参照图3(E))。
<阳极出口排水·氢泵干燥阶段>
在上述的电池组排水阶段(规定时间t1)之后，向阳极出口排水·氢泵干燥阶段转移。在此，为了使流体以比上述的第一流量少且比第二流量多的第三流量流动，通过控制部7，将氢泵24的转速降低至第三转速，并动作规定时间t3(参照图3(A))。
若这样地将停车流放处理时的流量设为第三流量，则阳极排水量先急剧减少，之后，平缓减少(参照图3(B))。这样的情况下，贮存于容易成为流路的瓶颈的阳极出口2C的附近的水花费比以往长的时间而一点点地排水。若这样排水(除水)，则能够进一步抑制排气排水阀31周围的残留水。
伴随着排水(除水)的进展，阳极出口2C的流体的流速减少(参照图3(E))。然后，若以第三流量使流体继续流动，则氢泵24的内部逐渐干燥。
需要说明的是，在阳极出口排水·氢泵干燥阶段中，适时地进行排气排水阀31的开闭，由此防止排出的气液的溢流(参照图3(C))。
<排气排水阀干燥阶段>
在上述的阳极出口排水·氢泵干燥阶段(规定时间t3)之后，向排气排水阀31的干燥阶段转移。在此，为了使流体以比上述的第三流量少的第二流量流动，通过控制部7，将氢泵24的转速降低至第二转速(参照图3(A))。
然后，在打开排气排水阀31的状态下，使喷射器28在短时间内进行开闭动作，进行使氢气压力呈脉冲状地增加的扫气处理。在本实施方式中，将其反复进行多次(参照图3(D))。伴随该动作，从排气排水阀31的排气排水量瞬间地增减，能促进排气排水阀31的干燥(参照图3(C))。
而且，伴随着这样的扫气处理，阳极出口2C处的流体的流速也呈脉冲状地变化(参照图3(E))。需要说明的是，作为此时的最大的流速值的流速B与上述的电池组排水阶段的流速A相比非常小(A＞＞B)。因此，没有来自阳极侧流路2B的排水，也没有新的水向阳极出口2C移动。
如以上说明那样，根据本实施方式的流体排出处理，在流体排出时，首先使阳极侧流路2B内存在的流体以第一流量流动，由此将燃料电池组2S的阳极侧流路2B的水排出，然后，使燃料电池组2S的阳极出口2C等的水以比第一流量少的第二流量流动，将流路内的水从排气排水阀31排出。这样，通过使用循环流路23的氢泵24，对排水处理时的流放流量设置差异，能够以使水不从燃料电池系统1的上游向下游移动的方式进行处理，避免水残留于该系统下游。
需要说明的是，上述的实施方式是本发明的优选实施的一例，但没有限定于此，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形实施。例如，在上述的实施方式中虽然说明了每次停车流放时实施的流体排出处理(流放处理)，但这只不过是一例，当然也可以在其他的时机实施处理。若示出一例的话，也可以使用于仅排出阳极侧流路贮存的生成水的情况。
而且，在上述的实施方式中，说明了通过改变氢泵24的转速来改变流体的流量的情况，但只要能够同样改变流体流量即可，并不局限于氢泵24，也可以使用构成氢供给部20的其他的设备例如喷射器28来改变流体的流量。
【产业上的可利用性】
本发明优选应用于有时在冰点下起动的燃料电池系统。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，具有：
燃料电池；
氢供给部，向该燃料电池供给氢气；
氢供给流路，供从氢供给部向燃料电池供给的氢气流动；
氢排出流路，供从所述燃料电池排出的氢废气流动；
排气排水阀，配置于所述氢排出流路；及
控制部，控制从所述氢供给部的氢气的供给量，
所述燃料电池系统的特征在于，
所述控制部使所述燃料电池的阳极的出口处的阳极流路内的流体的流量为第一流量，之后使所述阳极的出口处的所述阳极流路内的流体的流量为比所述第一流量少的第二流量，在以所述第二流量流动时通过将所述排气排水阀打开而将所述氢排出流路内的水排出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述氢供给部具备：
燃料罐，贮存氢气；
喷射器，设于氢供给流路；
循环流路，使从所述燃料电池排出的氢废气从所述氢排出流路向所述氢供给流路返回；及
氢泵，将所述氢排出流路内的氢废气经过所述循环流路向所述氢供给流路压送。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
在以所述第一流量流动之后，使所述阳极的出口处的阳极流路内的流体以比第一流量少且比第二流量多的第三流量流动。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部在判断为所述燃料电池系统的构成部件的温度下降而成为0度的情况下，进行所述阳极侧流路的排气。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，
所述构成部件是所述排气排水阀。
6.一种燃料电池系统内的流体的排出方法，是将燃料电池系统内的流体向系统外排出的方法，所述燃料电池系统具有：
燃料电池；
燃料罐，贮存向该燃料电池供给的氢气；
氢供给流路，供从该燃料罐向燃料电池供给的氢气流动；
循环流路，使从所述燃料电池排出的氢废气向所述氢供给流路返回；
氢泵，将该循环流路内的氢废气向所述氢供给流路压送；
气液分离器，配置于所述循环流路；
排气排水阀，设于该气液分离器；及
控制部，对所述氢泵进行控制，
所述燃料电池系统内的流体的排出方法的特征在于，
利用所述氢泵使在所述燃料电池内的阳极侧流路内存在的流体以第一流量流动，之后利用所述氢泵以比第一流量少的第二流量流动，
在以所述第二流量流动时通过将所述排气排水阀打开而将所述循环流路内的水排出。
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