CN1620733A - 燃料电池动力装置 - Google Patents

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Abstract

燃料电池组(1)通过使空气与由氢气供给通道(4)提供的氢气反应生成电力，并且经由喷射器(10)通过再循环通道(8)将由发电操作产生的阳极排出物再循环到氢气供给通道(4)。提供通过绕过喷射器(10)用于将氢气从氢气供给通道(4)供应给燃料电池组(1)的阀门(12，20)。当通过调整阀门(12，20)的开度使氢气供给通道(4)中的氢气流速小时，控制器(7)维持喷射器(10)的阳极排出物再循环性能。当氢气流速大时，防止过分增加喷射器(10)上游的氢气供给通道(4)中的压力。

Description

燃料电池动力装置
技术领域
本发明涉及从燃料电池组排放到氢气供给通道的阳极排出物的再循环。
背景技术
日本专利局在1998年出版的Tokkai 10-284098公开了一种燃料电池动力装置，该装置具有用于再循环从燃料电池组的阳极排放到连接至阳极的氢气供给通道的氢气的喷射器。
在使用润湿氢气生成动力的聚合物电解质燃料电池中，将过量氢气提供给燃料电池的阳极以便实现总体的高反应效率以及防止用于润湿氢气的蒸气凝结和留在电池中。因此，从阳极排出的阳极排出物包含高浓度氢气，因此在现有技术的动力装置中提供再循环装置以便再利用该阳极排出物。
发明内容
当燃料电池动力装置用来为车辆提供原动力时，响应车辆的运行状态改变功率负载。这导致氢气供给通道中氢气流速的显著变化。在低负载操作中，氢气供给能道中氢气流速很小并且不能获得喷射器所需要的将阳极排出物再循环到氢气供给通道的所需的速位差(velocityhead)。如果使用小容量喷射器，即使当氢气流的速位差很小时，也可将阳极排出物喷射到氢气供给通道中，但小容量喷射器不能将在高负载操作中所需的大量阳极排出物喷射到氢气供给通道中。另外，由于在与小容量喷射器有关的氢气流中发生的压力损失很大，当氢气供给通道中的氢气流速增加时，喷射器的氢气供给通道上游中的压力经历很大的增加。因此，当使用小容量喷射器时，必须改进喷射器的氢气供给通道上游的耐压性能。
因此，响应氢气的流速，使用氢气供给通道的速位差的喷射器的性能易于变动，这导致氢气供给通道中大的压力变化。
因此，本发明的一个目的是保证相对于小的氢气流速的喷射器性能，同时防止在由于大的氢气流速产生的氢气供给通道中压力过分增加。
为了实现上述目的，本发明提供燃料电池动力装置，该装置包括燃料电池组，其通过空气和氢气反应生成电力以及排出包含氢气的阳极排出物；氢气供给通道，其将氢气提供给燃料电池组；再循环通道，其收集从燃料电池组排出的阳极排出物；喷射器，其安装在氢气供给通道中，并使用氢气供给通道中的氢气的速位差将阳极排出物从再循环通道喷射到氢气供给通道中；阀门，其绕过喷射器并将喷射器的氢气供给通道上游中的氢气提供给燃料电池组而不经过该喷射器。
本发明的详细情况以及其他特征和优点将在说明书的其他部分中阐述并在附图中表示。
附图说明
图1是根据本发明的燃料电池动力装置的示意图；
图2是根据本发明，描述由控制器执行的用于旁通阀的控制例程的流程图；
图3A和3B是表示相对于燃料供应通道中氢气流速的燃料电池动力装置的氢气循环比的变化和喷射器的压力上游中的变化图；
图4是根据本发明的第二实施例的燃料电池动力装置的示意图；
图5与图2类似，但表示本发明的第二实施例；
图6是根据本发明的第三实施例的燃料电池动力装置的示意图；
图7是根据本发明的第三实施例，表示由控制器执行的用于旁通阀的控制例程的流程图；
图8是根据本发明第四实施例的燃料电池动力装置的示意图；
图9是根据本发明的第四实施例，表示由控制器执行的节流阀控制例程的流程图；
图10是根据本发明的第四实施例，表示燃料电池组上节流阀开度和负载的关系的图；
图11是根据本发明第五实施例的燃料电池动力装置的示意图；
图12与图9类似，但表示本发明的第五实施例；
图13是根据本发明的第五实施例，表示存储在控制器中的节流阀开度的图的特征的曲线图；
图14A-14C是根据本发明的第五实施例，表示在喷射器的氢气供给通道上游中的压力、氢气循环比、节流阀开度以及燃料电池动力装置中氢气供给量的关系的图；
图15是根据本发明的第六实施例的燃料电池动力装置的示意图；
图16是根据本发明的第六实施例，表示由控制器执行的节流阀控制例程的流程图。
具体实施方式
参考图1，安装在车辆中作为动力源的燃料电池组1是由多层固态聚合燃料电池组成的公知燃料电池组。燃料电池组1具有阳极1A和阴极1B。通过提供给阳极1A的氢气与提供给阴极1B的空气的反应生成动力。
将氢气从氢气储罐3提供给阳极1A。将空气从空气供给通道15提供给阴极1B。在进入燃料电池组1前，通过加湿器2分别润湿空气和氢气。加湿器2中的空气和氢气通过半渗透膜分别与纯水接触并由通过半渗透膜的水分子润湿。
在氢气储罐3和加湿器2间的氢气供给通道4中提供压力控制阀5和喷射器10。
将具有排气阀14的排出通道9连接到燃料电池组1的阳极1A。排气阀14排出由燃料电池组1中发电生成操作产生的阳极排出物。将再循环通道8连接到排气阀14上游的排出通道9以便将阳极排出物从排出通道9通过喷射器10再循环到氢气供给通道4。
通常关闭排气阀14并在以下情况打开。包含在氢气储罐3中的氢气含有微量的杂质如氮(N2)或一氧化碳(CO)。尽管由燃料电池组1中的发电操作消耗氢气，但这些杂质累积在动力装置中并对燃料电池组1的发电性能具有负影响。因此，通过在燃料电池操作中定期打开排气阀14，可能将累积在动力装置中的杂质排出到燃料电池动力装置的外面。
另外，当起动燃料电池动力装置时，将空气积累在包括燃料电池组1的动力装置元件中。该剩余空气由从氢气储罐3提供的氢气清除并且打开排气阀14以便执行排出到动力装置外的换气操作。
氢气供给通道4具有旁通通道11以便绕过喷射器10。在旁通通道11中提供与节流孔(orifice)13串联的螺线管旁通阀12。
喷射器10的容量最好是当低负载操作期间关闭旁通阀12时能维持最佳再循环量的容量。也就是说，喷射器10的容量是以低负载操作期间氢气供给通道14的流速为标准确定的。节流孔13具有产生基本上等于由用于相同流速的喷射器10产生的压力损失的压力损失的尺寸。
响应来自控制器7的信号，控制压力控制阀5、旁通阀13和排气阀14的开度和关闭。控制器7包括具有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出接口(I/O接口)的微型计算机。该控制器也可包括多个微型计算机。
为控制各个阀，控制器7具有以来自压力传感器6和负载传感器16的信号的形式的输入数据，该压力传感器6检测由加湿器2提供给燃料电池组1的氢气压力，负载传感器16检测燃料电池组1上的发电负载。
控制器7控制压力控制阀5的开度以便压力传感器6的检测压力符合预定压力。响应由负载传感器7检测的燃料电池组1上的发电负载，通过打开和关闭旁通阀12，控制器7也控制阳极排出物的再循环量。通过关闭排气阀14执行该控制。
参考图2，将描述由控制器7执行的用于阳极排出物再循环量的控制例程。在通过关闭排气阀14操作燃料电池动力装置期间以10毫秒的间隔执行该例程。相对于下述实施例描述的用于控制例程的性能情况全部相同。
首先，在步骤S1，控制器7确定燃料电池组1上的发电负载是否达到预定负载。响应燃料电池组1上的发电负载，增加提供给燃料电池组1的氢气量。当喷射器10上游的氢气供给通道4中压力达到用于耐压特征的预置上限时，预定负载与燃料电池组1的发电负载一致。事先根据实验确定该预定负载。
在步骤S1，当发电负载到达预定负载时，控制器7进入步骤S2并打开旁通阀12。
在步骤S1，当发电负载未到达预定负载时，控制器7进入步骤S3并关闭旁通阀12。
在步骤S2或步骤S3中的操作后，控制器7中止该例程。
如上所述，响应发电负载，增加对燃料电池组1的氢气供给量。参考图3A和3B，图中的垂直虚线表示与预定发电负载相应的氢气供给量。
当打开旁通阀12时，通过允许由氢气储罐3提供的部分氢气流入旁通通道11中来降低由氢气供给产生的压力损失。因此，相对于相同的氢气供给量，如图3A所示，能减小喷射器10的氢气供给通道上游中的压力。相反地，由于通道扩展(expansion)导致的经过喷射器10的氢气的流速降低，也能降低可由喷射器10使用以便将再循环通道8中的阳极排出物喷向氢气供给通道4的氢气供给通道4中的速位差。结果通过打开旁通阀12，如图3B所示，降低表示氢气储罐3的氢气供给量与从再循环通道8提供给氢气供给通道的阳极排出物再循环量之间的比率的循环比。
将旁通阀12维持在关闭位置，同时控制器7执行上述控制例程直到氢气供给量到达由图中虚线所示的预定负载当量数为止。因此，与打开旁通阀12的情况相比，氢气供给通道4中的流速高。结果，可能向喷射器10提供阳极排出物的喷射所需的速位差。因此，在低发电负载的情况下，喷射器10也可将足够的阳极排出物再循环到氢气供给通道3。另外，通过再利用阳极排出物，可将发电效率维持在高水平。
另一方面，当氢气供给量到达由图中虚线所示的预定负载当量数时，打开旁通阀12。结果，通过旁通通道11将部分氢气提供给加湿器2，并且与关闭旁通阀12时的情况相比，作为氢气流动的结果，由喷射器10获得的压力损失很低。因此，可能将大量氢气传送给加湿器2而不会过分地增加喷射器10上游的氢气供给通道3中的压力，如图3A所示。
预参考图4和5来描述本发明的第二实施例。
首先，参考图4，在本实施例中，在旁通通道11上游的氢气供给通道4中提供流速(flow rate)传感器17以便检测氢气储罐3的氢气供给流速，同时省略第一实施例的负载传感器16。硬件结构的其他方面与参考第一实施例描述的相同。
控制器7执行在图5中示出的例程而不是第一实施例的图2的例程以便控制旁通阀12的开度和关闭。对该例程的执行情况与用于图2中所示的例程的执行情况相同。
首先，在步骤S11中，控制器7将由流速传感器17检测的氢气流速与预定流速进行比较。
用下述方式确定预定流速。即，将预定流速设置为当旁通阀12关闭的情况下，当喷射器10上游的氢气供给通道4中的压力到达用于耐压性的预置上限时的流速。通过计算或通过实验确定预定流速。
在步骤S11，当氢气流速达到预定流速时，控制器7进入步骤S12并打开旁通阀12。
在步骤S11，当氢气流速未达到预定流速时，控制器7在步骤S13关闭旁通阀12。
在步骤S12或步骤S13的处理后，控制器7终止该例程。
用与第一实施例相同的方式，该实施例也在低负载维持阳极排出物的再循环量，同时在高负载防止过分增加氢气供给通道4中的压力。
在高发电负载情况下，当以高压力提供空气和氢气时，固态聚合燃料电池通常显示出较高的发电效率。然而，当发电负载低时，所提供的空气和氢气的压力对发电效率影响很小，并且当考虑用于增压的能量时在低压力下的能量效率较高。因此，最好在低负载区中，将空气和氢气的供给压力抑制在低电平，并且在高负载区中增加空气和氢气的供给压力。
然而，当采用该控制类型时，在由负载变动产生的瞬时操作情况期间失去了对燃料电池组1的氢气供给量以及燃料电池组1上的发电负载间的平衡。例如，当负载增加时，除增加氢气供给量以便满足氢气消耗量的增加外，有必要增加氢气供给量以便增加氢气供给压力。相反，在负载减少期间，除减少与氢气消耗量的减小相应的氢气供给量外，有必要减少氢气供给量以便减小氢气供给压力。
当控制压力控制阀5的开度以便满足上述要求时，在该实施例中，响应氢气供给通道4中的氢气流速打开和关闭旁通阀12，而不是如第一实施例中那样响应燃料电池组1上的发电负载打开和关闭旁通阀12。响应氢气流速打开和关闭旁通阀12允许在瞬时操作情况下更精确地控制喷射器10上游的氢气供给通道4中的压力。
参考图6和7，将描述本发明的第三实施例。
首先，参考图6，在该实施例中，提供压力传感器18代替第二实施例的流速传感器17。硬件结构的其他方面与参考第二实施例描述的硬件结构相同。
控制器7执行如图7所示的例程而不是图5所示的第二实施例的例程。
参考图7，在步骤S21，控制器7首先确定当前是否关闭旁通阀12。
当旁通阀12关闭时，在步骤S22，确定由压力传感器18检测的喷射器10上游的氢气供给通道4的压力是否到达第一预定压力。第一预定压力是响应用于如上所述的耐压性的上限压力而预置的压力。
当从压力传感器18检测的压力达到第一预定压力时，在步骤S24，控制器7打开旁通阀12。当从压力传感器18检测的压力未到达第一预定压力时，在步骤S23，控制器7关闭旁通阀12。
另一方面，当在步骤S21中旁通阀12当前是打开的时，在步骤S25中，控制器7将从压力传感器18检测的压力与第二预定压力进行比较。将第二预定压力的值设置成比第一预定压力的值小。
当压力传感器18检测到的压力小于第二预定压力时，在步骤S26控制器7关闭旁通阀12。当从压力传感器18检测到的压力不小于第二预定压力时，在步骤S27控制器7打开旁通阀12。
在执行在步骤S23、S24、S26或S27中的任何一个处理后，控制器7终止该例程。
根据旁通阀12打开或关闭，氢气流速与喷射器10上游的氢气供给通道4中的压力的关系不同。在该实施例中，在步骤S21中确定旁通阀12的状态以及将从压力传感器18检测到的压力与相应于预定结果的预定压力相比。从而可精确地确定氢气流速。因此，如参考第二实施例所描述的那样，可相对于流速中的瞬时变动精确地控制喷射器10上游的氢气供给通道4上游中的压力。
如果旁通阀12的控制目的仅在于防止过分增加喷射器10的上游中的压力，可将第二预定压力设置成等于第一预定压力。
然而，将第二预定压力的值设置成小于第一预定压力的值的原因如下。在步骤S21，当关闭旁通阀12以及从压力传感器18检测的压力达到第一预定压力时，在步骤S24打开旁通阀12。从而降低喷射器10上游的氢气供给通道4中的压力。在执行例程的另一情况下，在步骤S25中将从压力传感器18检测的压力与第二预定压力进行比较，因为在步骤S21的确定期间旁通阀12是打开的。
当第二预定压力等于第一预定压力时，从压力传感器18检测的压力降到第二预定压力以下，因为如上所述压力降低，并且在步骤S27中关闭旁通阀12。
这将导致在执行例程的每种情况下打开或关闭旁通阀12。为避免旁通阀12的这种频繁地打开或关闭操作，将第二预定压力的值设置成小于第一预定压力的值。即，通过将第二预定压力的值设置成比第一预定压力的值小，在与打开和关闭旁通阀12有关的压力情况下提供滞后区。
在如上的第一至第三实施例中，尽管在旁通通道11中提供节流孔13，也有可能通过将旁通阀12的打开的横截面积设置成小值或通过将旁通通道11的流动横截面积预置成小值而省略节流孔13。
将参考图8至10来描述本发明的第四实施例。
首先，参考图8，在该实施例中，提供连续地调整旁通通道11的开度的节流阀20而不是第一实施例的节流孔13和旁通阀12。硬件结构的其他方面与参考第一实施例描述的相同。
控制器7执行如图9中所示的例程以便控制打节流阀20的开度。
参考图9，控制器7首先读取在步骤S31中由负载传感器16检测的燃料电池组1上的发电负载。
然后，在步骤S32，通过查看具有如图10所示的预先存储在ROM中的特征的图，在负载的基础上计算节流阀开度。
然后，在步骤S33，将与计算的节流阀开度相应的信号输出给节流阀20。在步骤S33的处理后，控制器7终止该例程。
在图10所示的图中，将节流阀的开度维持在0值直到发电负载达到预定负载为止。因此，用与第一实施例相同的方式，可将阳极排出物再循环量维持在低负载区，同时在高负载区防止过分增加氢气供给通道4中的压力。
现将参考图11至13描述本发明的第五实施例。
首先参考图11，在该实施例中，在旁通通道11上游的氢气供给通道4中提供与第二实施例中相同的流速传感器17，同时省略第四实施例的负载传感器16。硬件结构的其他方面与参考第四实施例描述的相同。
控制器7执行图12所示的例程而不是第四实施例中如图9所示的例程以便控制节流阀20的开度。
参考图12，控制器7首先读取在步骤S41由流速传感器17检测的氢气流速。
然后，在步骤S42，通过查看具有如图13所示的预先存储在ROM中的特征的图，在氢气流速的基础上计算节流阀开度。
然后，在步骤S43，将与计算的节流阀开度相应的信号输出给节流阀20。在步骤S43的处理后，控制器7中止例程。
在图13所示的曲线中，只要氢气供给通道4中的氢气流速达到预定值就关闭节流阀20，当氢气流速达到预定值时，节流阀开始打开，此后，节流阀20的开度增加同时氢气流速增加。
参考图14A至14C，节流阀20的这些流速特征表示，只要关闭节流阀20，喷射器10上游的氢气供给通道4中的压力以及氢气流速就增加。在节流阀20开始打开后，使压力稳定在#Pmax的最大许可压力。在该点后，没有另外的压力增加。因此，可能向燃料电池组1提供大量氢气而不会导致过分增加氢气供给通道4中的压力。由于氢气供给通道4中的氢气流速与燃料电池组1上的发电负载相应，获得与响应发电负载控制节流阀20开度的第四实施例相同的结果。
现将参考图15和16描述本发明的第六实施例。
首先，参考图15，在该实施例中，在喷射器10上游的氢气供给通道4中提供与在第三实施例中描述过的相同的压力传感器18代替在第五实施例中描述的流速传感器17。硬件结构的其他方面与参考第五
实施例描述的相同。
控制器7执行图16中所示的例程而不是第五实施例中如图12所示的例程，以便控制节流阀20。
参考图16，控制器7首先读取在步骤S51中由压力传感器18检测的氢气供给通道4中的压力Pn。
然后，在步骤S52中，计算压力Pn和氢气供给通道4中最大许可压力#Pmax的差值作为差压ΔPn。
在步骤S53中，将差压ΔPn乘以系数K以便计算将差压ΔPn转化成节流阀20中的开度的转换值ΔDn。
然后在步骤S54中，将通过把转换值ΔDn加到在执行例程的紧前面计算的节流阀20的目标开度Dn所得到的值设置为新的目标开度Dn。
在下一步骤S55中，确定目标开度Dn是否大于零。当目标开度Dn大于0时，例程进入步骤S57，控制节流阀20的开度以便与目标开度Dn相符。
当目标开度Dn小于零时，即，当它取负值时，在步骤S56将目标开度较正到零值，以及在步骤S57执行该处理。在步骤57的处理后，控制器终止该例程。
根据该实施例，当氢气供给通道4中的压力Pn增加并超过最大许可压力#Pmax时，节流阀20打开。此时节流阀20的开度与用来将增加的压力Pn降低到最大许可压力#Pnax所需的开度相应。因此在该实施例中，也可能相对于小的氢气流速维持喷射器10中的阳极排出物流速并且相对大的氢气流速防止过分增加喷射器10上游的氢气供给通道4的压力。
Tokugan2001-350994(日本，2001年11月16日申请)的内容在此引入作为参考。
尽管上面已经参考本发明的某些实施例描述了本发明，但本发明并不局限于上面所描述的实施例。根据上述教导，本领域的技术人员将相对上面描述过的实施例的修改或变化。
如上所述，当氢气流速小时，根据本发明的绕过喷射器的阀维持喷射器的阳极排出物再循环性能，同时防止当氢气流速大时喷射器上游的压力变得过大。因此，通过将本发明应用到氢气流速频繁改变的车辆燃料电池动力装置，可增强阳极排出物的再循环性能。

Claims (8)

1、一种燃料电池动力装置，包括：
燃料电池组(1)，用于通过空气和氢气反应生成电力并且排出包含氢气的阳极排出物；
氢气供给通道(4)，用于将氢气提供给燃料电池组(1)；
再循环通道(8)，用于收集从燃料电池组(1)排出的阳极排出物；
喷射器(10)，其安装在氢气供给通道(4)中，并且用于通过使用氢气供给通道(4)中的氢气的速位差，将阳极排出物从再循环通道(8)喷射到氢气供给通道(4)中；和
阀门(12、20)，其绕过喷射器(10)并将喷射器(10)上游的氢气供给通道(4)中的氢气提供给燃料电池组(1)而不经过喷射器(10)。
2、如权利要求1所述的燃料电池动力装置，其中该燃料电池动力装置还包括：传感器(16、17、18)，用于检测喷射器(10)上游的氢气供给通道(4)中的压力；以及可编程控制器(7)，用于编程来控制阀门(12、20)的开度以便防止喷射器(10)上游的氢气供给通道(4)中的压力超过预定压力(S1-S3、S11-S13、S21-S27、S31-S33、S41-S43、S51-S57)。
3、如权利要求2所述的燃料电池动力装置，其中进一步编程控制器(7)以便当压力大于第一预定压力时打开阀门(12，20)，以及当压力小于第二预定压力时关闭阀门(12，20)，该第二预定压力小于第一预定压力。
4、如权利要求1所述的燃料电池动力装置，其中该燃料电池动力装置还包括：传感器(16)，用于检测燃料电池组(1)上的发电负载；以及可编程控制器(7)，其被编程为控制阀门(12，20)以便增加与发电负载的增加相应的阀门(12，20)的开度(S1-S3、S31-S33)。
5、如权利要求1所述的燃料电池动力装置，其中燃料电池组(1)还包括：传感器(17)，用于检测喷射器(10)上游的氢气供给通道(4)中的氢气流速；以及可编程控制器(7)，其被编程为控制阀门(12，20)以便增加与氢气流速的增加相应的阀门(12，20)的开度(S11-S13、S41-S43)。
6、如权利要求1至5的任何一个所述的燃料电池动力装置，其中该燃料电池动力装置还包括：绕过喷射器(10)的旁通通道(11)、设置在旁通通道(11)中的阀门(12)以及设置在旁通通道(11)中与阀门(12，20)串联的的节流孔(13)，阀门(12，20)包括一个可选择地使用打开状态或关闭状态的阀门(12)。
7、如权利要求1至5任何一个所述的燃料电池动力装置，其中阀门(12，20)包括可在打开状态和关闭状态之间连续改变的节流阀(20)。
8、如权利要求7所述的燃料电池动力装置，其中燃料电池组(1)还包括：传感器(18)，用于检测喷射器(10)上游的氢气供给通道(4)中的压力；以及可编程控制器(7)，其被编程为控制节流阀(20)开度以使该压力与预定压力相符。
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