CN116895784A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统，所述燃料电池系统(10)具备：燃料电池堆(16)；加湿器(14)，其设置在氧化剂气体供给流路(30)上，对在氧化剂气体供给流路(30)流动的氧化剂气体进行加湿；排出路密封阀(20)，其设置于氧化剂气体排出流路(32)，在燃料电池堆(16)发电时所述排出路密封阀打开；以及调压装置(24)，其设置于排出路密封阀(20)的下游，并且进行调压使得上游的压力高于下游的压力。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及搭载于移动体等的燃料电池系统。
背景技术
近几年，燃料电池在各种领域受到关注。例如有搭载了燃料电池的燃料电池汽车。燃料电池汽车利用通过燃料电池中的电化学反应而发电产生的电力来驱动电动机，由此行驶。因此，不会像汽油车那样排出CO2、NOx、SO x等而仅排出水，对环境友好。燃料电池除了搭载于汽车以外，还能够搭载于船舶、航空器、机器人等其它移动体。
燃料电池由一对隔件夹持膜电极结构体(MEA)，该膜电极结构体(MEA)在电解质膜的两侧分别设置有阳极电极和阴极电极。燃料电池还被称为燃料电池堆。在专利文献1中公开了具有燃料电池的燃料电池系统。
构成专利文献1的燃料电池系统的氧化剂气体供给装置具有氧化剂气体供给流路、氧化剂气体排出流路、压缩机、供给路密封阀、配设在氧化剂气体排出流路的排出路密封阀。
氧化剂气体供给流路与燃料电池的氧化剂气体入口连通，氧化剂气体排出流路与燃料电池的氧化剂气体出口连通。供给路密封阀配设在氧化剂气体供给流路，排出路密封阀配设在氧化剂气体排出流路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-221731号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在燃料电池堆成为高温且低湿度的状况下，存在燃料电池堆的电解质膜干燥而促进电解质膜劣化的倾向。在燃料电池堆搭载于车辆的情况下，在上坡行驶时等容易发生燃料电池堆成为高温且低湿度的状况。
当燃料电池堆内的氧化剂气体流路的压力上升时，在该氧化剂气体流路流动的氧化剂气体中包含的水分量会增加。因而，考虑通过使燃料电池堆内的氧化剂气体流路的压力上升，来抑制电解质膜干燥。
但是，在燃料电池堆发电时，无法将配设在氧化剂气体排出流路的密封阀关闭。因此，希望即使在燃料电池堆发电时也能够使燃料电池堆内的氧化剂气体流路的压力上升。
本发明的目的在于解决上述问题。
用于解决问题的方案
本发明的一方面的燃料电池系统，具备：燃料电池堆，其通过燃料气体与氧化剂气体的化学反应来进行发电；氧化剂气体供给流路，其连接于所述燃料电池堆；以及氧化剂气体排出流路，其连接于所述燃料电池堆，在所述燃料电池系统中，具备：加湿器，其设置在所述氧化剂气体供给流路上，对在所述氧化剂气体供给流路流动的所述氧化剂气体进行加湿；排出路密封阀，其设置于所述氧化剂气体排出流路，在所述燃料电池堆发电时所述排出路密封阀打开；以及调压装置，其设置于所述排出路密封阀的下游，并且进行调压使得上游的压力高于下游的压力。
发明的效果
根据本发明的一方面，即使在燃料电池堆发电时排出路密封阀打开着，也能够使燃料电池堆内的氧化剂气体流路的压力上升。其结果是，与没有设置调压装置的情况相比，氧化剂气体中包含的水分量增多，能够抑制电解质膜干燥。
从参照附图并说明的以下实施方式的说明中能够容易地理解上述的目的、特征以及优点。
附图说明
图1是示出实施方式涉及的燃料电池系统的结构的概略图。
图2是示出调整处理的顺序的流程图。
图3是示出变形例涉及的调整处理的顺序的流程图。
具体实施方式
图1是示出实施方式涉及的燃料电池系统10的结构的概略图。燃料电池系统10具有氧化剂气体供给机12、加湿器14、燃料电池堆16、供给路密封阀18、排出路密封阀20、旁通阀22、调压装置24、控制装置26。
氧化剂气体供给机12是经由氧化剂气体供给流路30向燃料电池堆16供给氧化剂气体的机器。氧化剂气体供给机12构成为，能够对供给到氧化剂气体供给流路30的氧化剂气体的流量进行调整。氧化剂气体的流量由控制装置26设定。氧化剂气体供给机12可以是压缩机，但是不限于该压缩机。氧化剂气体可以是空气，但是如果是含氧的气体，则不限于空气。
加湿器14向氧化剂气体供给流路30导入水蒸气，对在该氧化剂气体供给流路30流动的氧化剂气体进行加湿。另外，加湿器14将在氧化剂气体排出流路32流动的排气中包含的水分回收，使该水分汽化为水蒸气。也可以是，加湿器14将汽化而成的水蒸气导入到氧化剂气体供给流路30。排气是包含氧化剂气体和水蒸气的混合气体。
燃料电池堆16通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应来进行发电。燃料气体如果是含氢的气体，则没有特别的限定。燃料电池堆16具有多个发电单电池40。
各发电单电池40具有膜电极结构体(MEA)41以及夹持该膜电极结构体41的一对隔件42。膜电极结构体41例如具备：电解质膜43，其是包含水分的全氟磺酸的薄膜；以及夹持该电解质膜43的阴极电极44和阳极电极45。
在一对隔件42中的一方隔件的朝向膜电极结构体41的表面形成氧化剂气体流路46。氧化剂气体流路46将燃料电池堆16的氧化剂气体入口部47与氧化剂气体出口部48连通。氧化剂气体入口部47连接于氧化剂气体供给流路30，氧化剂气体出口部48连接于氧化剂气体排出流路32。
在一对隔件42中的另一方隔件的朝向膜电极结构体41的表面形成燃料气体流路49。燃料气体流路49将燃料电池堆16的燃料气体入口部50与燃料气体出口部51连通。燃料气体入口部50连接于燃料气体供给流路34，燃料气体出口部51连接于燃料气体排出流路36。
经由氧化剂气体供给流路30朝向燃料电池堆16流动的氧化剂气体从氧化剂气体入口部47流入燃料电池堆16，并被分配至各发电单电池40的氧化剂气体流路46。在各发电单电池40中，被供给到氧化剂气体流路46的氧化剂气体的一部分与被供给到燃料气体流路49的燃料气体发生化学反应。包含没有发生化学反应的氧化剂气体、通过该化学反应生成的水(水蒸气)的混合气体作为排气被回收，并从氧化剂气体出口部48被排出到氧化剂气体排出流路32。被排出到氧化剂气体排出流路32的氧化剂气体从氧化剂气体排出流路32的排出口32X被排出到大气中。
供给路密封阀18设置于氧化剂气体供给流路30。供给路密封阀18按照控制装置26的控制来对氧化剂气体供给流路30进行开闭。供给路密封阀18可以是能够执行开阀与闭阀中的任一者的阀，也可以是能够调整开度的阀。
排出路密封阀20设置于氧化剂气体排出流路32。排出路密封阀20按照控制装置26的控制来对氧化剂气体排出流路32进行开闭。排出路密封阀20可以是能够执行开阀与闭阀中的任一者的阀，也可以是能够调整开度的阀。在本实施方式中，排出路密封阀20是能够调整开度的阀。排出路密封阀20的开度由控制装置26设定。
旁通阀22设置于旁通流路38。旁通流路38从氧化剂气体供给流路30分支，并且在调压装置24与排出路密封阀20之间处同氧化剂气体排出流路32合流。旁通阀22对在旁通流路38流通的氧化剂气体的流通量进行调整。在旁通阀22打开的情况下，从氧化剂气体供给机12供给的氧化剂气体的一部分不经由燃料电池堆16而被供给到氧化剂气体排出流路32。
调压装置24是进行调压使得上游的压力高于下游的压力的装置。调压装置24也可以是与氧化剂气体排出流路32的开口相比形成小的开口的节流孔板。另外，调压装置24也可以是与氧化剂气体排出流路32的开口相比能够将开度调整为小的开口的调速阀。调压装置24设置于排出路密封阀20的下游。由此，即使在燃料电池堆16发电时排出路密封阀20打开着，也能够使燃料电池堆16内的氧化剂气体流路46的压力上升。其结果是，与没有设置调压装置24的情况相比，氧化剂气体中包含的水分量增多，能够抑制电解质膜43干燥。
控制装置26具有CPU、MPU等处理器52以及包括ROM、RAM、硬盘等各种存储器在内的存储介质54。处理器52按照存储在存储介质54中的程序来执行各种处理，由此对燃料电池系统10进行运转控制。控制装置26与电流传感器56、大气压传感器58、温度传感器60以及压力传感器62连接。
电流传感器56对通过燃料电池堆16的发电得到的电流(发电电流)进行检测。大气压传感器58对大气压进行检测。温度传感器60对燃料电池堆16的温度进行检测。温度传感器60例如设置于燃料电池堆16的制冷剂出口部。压力传感器62对在燃料电池堆16内形成的氧化剂气体流路46的压力(氧化剂气体流路内压)进行检测。压力传感器62例如设置于燃料电池堆16的氧化剂气体入口部47。
控制装置26基于从电流传感器56、大气压传感器58、温度传感器60以及压力传感器62输出的检测信号，来执行用于对供给到燃料电池堆16的氧化剂气体的流量进行调整的调整处理。
图2是示出调整处理的顺序的流程图。在从燃料电池堆16的发电动作起动至停止为止的发电时，以既定周期来重复执行所述调整处理。
在步骤S1中，为了使氧化剂气体中包含使电解质膜43不会干燥的水分量，控制装置26将燃料电池堆16内的氧化剂气体流路46中所需的压力作为目标压力来进行运算。在该情况下，控制装置26能够基于由大气压传感器58检测的当前的大气压、由温度传感器60检测的燃料电池堆16的当前的温度、燃料电池堆16的目标发电量来运算目标压力。
可以从上位控制装置等提供目标发电量，也可以由控制装置26运算目标发电量。例如能够基于被燃料电池堆16发电得到的电力所驱动的装置所要求的电量等，来运算目标发电量。当运算了目标压力时，调整处理转移至步骤S2。
在步骤S2中，控制装置26对排出路密封阀20进行控制，将该排出路密封阀20的开度设定为同在步骤S1中运算出的目标压力对应的开度。在该情况下，控制装置26使用表示开度与压力间的关系的表单或者关系式，来获取同目标压力对应的开度。该表单或者关系式存储于存储介质54。目标压力越大，控制装置26使开度越小。
而且，在燃料电池堆16发电时，无法将排出路密封阀20关闭。因而，对排出路密封阀20预先设定既定的下限开度。在同步骤S1中运算出的目标压力对应的开度小于排出路密封阀20的下限开度的情况下，控制装置26将排出路密封阀20的开度设定为所述下限开度。当设定了排出路密封阀20的开度时，调整处理转移至步骤S3。
在步骤S3中，控制装置26获取在步骤S1中运算出的目标压力以及燃料电池堆16的目标发电量各自所需的氧化剂气体的供给量。在该情况下，控制装置26使用表示压力和发电量与氧化剂气体的供给量间的关系的对应关系表(map)，来获取氧化剂气体的供给量。
对应关系表是考虑了发电所需的氧化剂气体量、为了向燃料电池堆16内的氧化剂气体流路46施加压力所需的氧化剂气体量而制作的，并且该对应关系表存储于存储介质54。当获取了氧化剂气体的供给量时，调整处理转移至步骤S4。
在步骤S4中，控制装置26将在步骤S3中获取到的氧化剂气体的供给量、目标发电量所需的氧化剂气体量中大的任一方设定为向燃料电池堆16供给氧化剂气体的目标供给量。
有时以在步骤S2中设定的排出路密封阀20的开度来由该排出路密封阀20进行升压的氧化剂气体流路内压没有达到目标压力。在该情况下，在步骤S3中获取到的氧化剂气体的供给量大于目标发电量所需的氧化剂气体量。相反地，在氧化剂气体流路内压达到目标压力的情况下，目标发电量所需的氧化剂气体量大于在步骤S3中获取到的氧化剂气体的供给量。而且，氧化剂气体流路内压为如上所述在燃料电池堆16内形成的氧化剂气体流路46的压力。当设定了目标供给量时，调整处理转移至步骤S5。
在步骤S5中，控制装置26对氧化剂气体供给机12进行控制，使氧化剂气体的流量从当前的流量变更为目标供给量。即，控制装置26开始使所述氧化剂气体供给机12供给在步骤S4中所设定的目标供给量的氧化剂气体。当变更了氧化剂气体的流量时，调整处理转移至步骤S6。
在步骤S6中，控制装置26对流向旁通流路38的氧化剂气体的流量(旁通气体供给量)进行运算。在步骤S4中所设定的目标供给量大于目标发电量所需的氧化剂气体量的情况下，会存在发电不需要而剩余的氧化剂气体。为了使该剩余的氧化剂气体流向旁通流路38，控制装置26对在步骤S4中所设定的目标供给量与目标发电量所需的氧化剂气体量之差进行运算。具体来讲，从目标供给量中减去氧化剂气体量。
而且，在目标发电量所需的氧化剂气体量大于在步骤S4中所设定的目标供给量的情况下，控制装置26将旁通气体供给量作为零来进行运算。当运算了旁通气体供给量时，调整处理转移至步骤S7。
在步骤S7中，控制装置26对旁通阀22进行控制，将旁通阀22的开度设定为同旁通气体供给量对应的开度。在该情况下，控制装置26使用表示气体量与开度间的关系的表单或者关系式，获取同目标压力对应的开度。该表单或者关系式存储于存储介质54。旁通气体供给量越大，控制装置26使旁通阀22的开度越大。
而且，在旁通气体供给量为零的情况下，控制装置26将旁通阀22的开度设定为零。也就是说，控制装置26使旁通阀22关闭。当设定了旁通阀22的开度时，调整处理结束。
这样，在氧化剂气体流路内压没有达到目标压力的情况下，控制装置26有意地使得从氧化剂气体供给机12供给与目标发电量所需的氧化剂气体量相比大的目标供给量的氧化剂气体。在该情况下，控制装置26使发电不需要而剩余的氧化剂气体经由旁通流路38供给到调压装置24。由此，能够一边由调压装置24使氧化剂气体流路内压上升，一边使燃料电池堆16执行目标发电量的发电。其结果是，能够在不降低发电效率的情况下抑制电解质膜43干燥。
上述的实施方式也可以如下那样变形。
(第一变形例)
图3是示出变形例涉及的调整处理的顺序的流程图。在本变形例涉及的调整处理中，还包括步骤S11和步骤S12的各处理。在步骤S2的处理与步骤S3的处理之间执行步骤S11和步骤S12的各处理。
即，当在步骤S2中设定了排出路密封阀20的开度时，变形例涉及的调整处理转移至步骤S11。
在步骤S11中，控制装置26将同在步骤S1中运算出的目标压力对应的开度与排出路密封阀20的下限开度进行比较。在同目标压力对应的开度小于排出路密封阀20的下限开度的情况下(步骤S11：是)，调整处理转移至步骤S3。相反地，在同目标压力对应的开度为排出路密封阀20的下限开度以上的情况下(步骤S11：否)，调整处理转移至步骤S12。
在步骤S12中，控制装置26将由压力传感器62检测的氧化剂气体流路46的压力(氧化剂气体流路内压)与在步骤S1中运算出的目标压力进行比较。在氧化剂气体流路内压没有达到目标压力的情况下(步骤S12：否)，调整处理转移至步骤S3。相反地，在氧化剂气体流路内压达到了目标压力的情况下(步骤S12：是)，调整处理结束。
这样，在本变形例中，仅在如下的第一条件的情况下设定目标供给量。第一条件为如下情况：即使将排出路密封阀20的开度设定为同目标压力对应的开度以下而氧化剂气体流路内压也没有达到目标压力，或者同目标压力对应的开度小于排出路密封阀20的下限开度。由此，能够避免对氧化剂气体供给机12进行不必要的控制。其结果是，能够抑制氧化剂气体供给机12和控制装置26的负荷。
(第二变形例)
也可以是，控制装置26在如下的第二条件的情况下，将前一次所设定的目标供给量设定为本次的目标供给量。第二条件为：使用对应关系表而本次获取到的氧化剂气体的供给量大于目标发电量所需的氧化剂气体量的情况。此外，第二条件为：与前一次所设定的目标供给量相比，使用对应关系表而本次获取到的氧化剂气体的供给量大的情况。
因而，即使在目标供给量急剧下降了的情况下，也能够由调压装置24使得从氧化剂气体供给机12供给用于使燃料电池堆16内的氧化剂气体流路46的压力上升的氧化剂气体量。
(第三变形例)
上述的实施方式以及变形例在不脱离本发明的目的的范围内，能够进行任意的组合。
以下，对于能够根据以上记载掌握的发明以及效果进行记载。
(1)本发明涉及燃料电池系统，其具备：燃料电池堆16，其通过燃料气体与氧化剂气体的化学反应来进行发电；氧化剂气体供给流路30，其连接于所述燃料电池堆；以及氧化剂气体排出流路32，其连接于所述燃料电池堆，在所述燃料电池系统10中，具备：加湿器14，其设置在所述氧化剂气体供给流路上，对在所述氧化剂气体供给流路流动的所述氧化剂气体进行加湿；排出路密封阀20，其设置于所述氧化剂气体排出流路，在所述燃料电池堆发电时所述排出路密封阀打开；以及调压装置24，其设置于所述排出路密封阀的下游，并且进行调压使得上游的压力高于下游的压力。
由此，即使在燃料电池堆发电时排出路密封阀打开着，也能够使燃料电池堆内的氧化剂气体流路的压力上升。其结果是，与没有设置调压装置的情况相比，氧化剂气体中包含的水分量增多，能够抑制电解质膜干燥。
(2)也可以是，本发明涉及燃料电池系统，具备：氧化剂气体供给机12，其用于经由所述氧化剂气体供给流路向所述燃料电池堆供给所述氧化剂气体；旁通流路38，其从所述氧化剂气体供给流路分支，在所述调压装置与所述排出路密封阀之间处同所述氧化剂气体排出流路合流；旁通阀22，其设置于所述旁通流路，对在所述旁通流路流通的所述氧化剂气体的流通量进行调整；以及控制装置26，其对所述氧化剂气体供给机和所述旁通阀进行控制，所述控制装置基于所述燃料电池堆内的氧化剂气体流路46的目标压力、所述燃料电池堆的目标发电量来设定对所述燃料电池堆供给所述氧化剂气体的目标供给量，使所述氧化剂气体供给机供给所述目标供给量的所述氧化剂气体，根据所述目标供给量来对所述旁通阀的开度进行调整。由此，能够一边由调压装置使氧化剂气体流路的压力上升，一边使燃料电池堆执行目标发电量的发电。其结果是，能够在不降低发电效率的情况下抑制电解质膜干燥。
(3)也可以是，本发明涉及燃料电池系统，所述控制装使用表示压力和发电量与所述氧化剂气体的供给量间的关系的对应关系表，来获取同所述目标压力和所述目标发电量对应的所述供给量，并且将所述供给量以及所述目标发电量所需要的氧化剂气体量中大的任一方设定为所述目标供给量。由此，能够一边由调压装置使氧化剂气体流路的压力上升，一边适当地设定在使燃料电池堆执行目标发电量的发电的情况下的目标供给量。
(4)也可以是，本发明涉及燃料电池系统，所述控制装置以既定周期来设定所述目标供给量，在本次获取到的所述供给量大于所述氧化剂气体量并且与前一次所设定的所述目标供给量相比本次获取到的所述供给量大的情况下，所述控制装置将前一次所设定的所述目标供给量设定为本次的所述目标供给量。由此，即使在目标供给量急剧下降了的情况下，也能够使氧化剂气体供给机供给用于由调压装置使氧化剂气体流路的压力上升的氧化剂气体量。
(5)也可以是，本发明涉及燃料电池系统，在与所述目标发电量所需要的氧化剂气体量相比所述目标供给量大的情况下，所述控制装置将所述旁通阀设定为同所述目标供给量与所述氧化剂气体量之差对应的开度。由此，能够使燃料电池堆适当地执行目标发电量的发电。
(6)也可以是，本发明涉及燃料电池系统，在即使将所述排出路密封阀的开度设定为同所述目标压力对应的开度以下而所述氧化剂气体流路的压力也没有达到所述目标压力的情况下，或者在同所述目标压力对应的开度小于所述排出路密封阀的下限开度的情况下，所述控制装置设定所述目标供给量。由此，能够避免对氧化剂气体供给机进行不必要的控制。其结果是，能够抑制氧化剂气体供给机和控制装置的负荷。
而且，本发明并不限于上述的公开内容，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够采用各种结构。

Claims (6)

1.一种燃料电池系统，其具备：燃料电池堆(16)，其通过燃料气体与氧化剂气体的化学反应来进行发电；氧化剂气体供给流路(30)，其连接于所述燃料电池堆；以及氧化剂气体排出流路(32)，其连接于所述燃料电池堆，在所述燃料电池系统(10)中，具备：
加湿器(14)，其设置在所述氧化剂气体供给流路上，对在所述氧化剂气体供给流路流动的所述氧化剂气体进行加湿；
排出路密封阀(20)，其设置于所述氧化剂气体排出流路，在所述燃料电池堆发电时所述排出路密封阀打开；以及
调压装置(24)，其设置于所述排出路密封阀的下游，并且进行调压使得上游的压力高于下游的压力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，具备：
氧化剂气体供给机(12)，其用于经由所述氧化剂气体供给流路向所述燃料电池堆供给所述氧化剂气体；
旁通流路(38)，其从所述氧化剂气体供给流路分支，在所述调压装置与所述排出路密封阀之间处同所述氧化剂气体排出流路合流；
旁通阀(22)，其设置于所述旁通流路，对在所述旁通流路流通的所述氧化剂气体的流通量进行调整；以及
控制装置(26)，其对所述氧化剂气体供给机和所述旁通阀进行控制，
所述控制装置基于所述燃料电池堆内的氧化剂气体流路(46)的目标压力、所述燃料电池堆的目标发电量来设定对所述燃料电池堆供给所述氧化剂气体的目标供给量，使所述氧化剂气体供给机供给所述目标供给量的所述氧化剂气体，根据所述目标供给量来对所述旁通阀的开度进行调整。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装使用用于表示压力和发电量与所述氧化剂气体的供给量间的关系的对应关系表，来获取同所述目标压力和所述目标发电量对应的所述供给量，并且将同所述目标压力对应的所述供给量以及所述目标发电量所需要的氧化剂气体量中大的任一方设定为所述目标供给量。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制装置以既定周期来设定所述目标供给量，
在本次获取到的同所述目标压力对应的所述供给量大于所述氧化剂气体量并且与前一次所设定的所述目标供给量相比本次获取到的同所述目标压力对应的所述供给量大的情况下，所述控制装置将前一次所设定的所述目标供给量设定为本次的所述目标供给量。
5.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于，
在与所述目标发电量所需要的氧化剂气体量相比所述目标供给量大的情况下，所述控制装置将所述旁通阀设定为同所述目标供给量与所述氧化剂气体量之差对应的开度。
6.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于，
在即使将所述排出路密封阀的开度设定为同所述目标压力对应的开度而所述氧化剂气体流路的压力也没有达到所述目标压力的情况下，或者在同所述目标压力对应的开度小于所述排出路密封阀的下限开度的情况下，所述控制装置设定所述目标供给量。
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