CN1943066A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够以简单的结构来推断燃料气体浓度及/或杂质气体浓度的燃料电池系统。该燃料电池系统具备由向燃料电池组(20)的阳极供应燃料的供应路径(75)和从燃料电池组(20)的阳极排出燃料的排出路径(76)构成的阳极路径，在该燃料电池系统中，根据阳极路径内的压力损失来导出阳极路径内的燃料气体浓度或杂质气体浓度。由于能够通过配置在管线内的差压计(58)或压力计来测量压力损失，所以不需要特殊的测量设备，从而能够以简单的结构来推断气体浓度。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，特别涉及燃料循环路径内的燃料气体浓度的推断。
背景技术
燃料电池作为有利于环境的清洁电源而受到关注。该燃料电池利用氢等燃料气体和空气等氧化气体通过电化学反应而产生电能。导入到燃料电池组内的燃料气体并不都与氧反应而成为水蒸汽，燃料气体的一部分原样通过燃料电池组并与水蒸汽一起被排出。如果将该通过的燃料气体原样排放到外界气体中则浪费了燃料气体，所以使来自燃料电池组的燃料极的排气进行循环以将其再次导入到燃料极中。
日本专利文献特开2003-317752号公报公开了求出氢循环系统内的气体中的声速、根据它来推断气体中的氢气浓度或杂质气体浓度的技术。并且，公开了在氢流量为阈值以下、杂质气体存在量为阈值以上时进行放气以提高燃料电池系统的能量效率的技术。
特许文献1：日本专利文献特开2003-317752号公报。
发明内容
但是，在该以往技术中，需要用于进行声速测量的超声波收发器，因此会导致装置复杂、成本高、并且维修困难。
本发明的课题是解决上述以往技术的问题，提供一种能够以简单的结构来推断燃料气体浓度及/或杂质气体浓度的燃料电池系统。
为了解决上述课题，本发明提供一种具备由向燃料电池组的阳极供应燃料的供应路径和从燃料电池组的阳极排出燃料的排出路径构成的阳极路径的燃料电池系统，在该燃料电池系统中，根据阳极路径内的规定的两点间的压力差来导出阳极路径内的燃料气体浓度或杂质气体浓度。由于能够通过配置在管线内的差压计或压力计来测量压力差，所以不需要特殊的测量设备，从而能够以简单的结构来推断气体浓度。
根据本发明优选的一个技术方案，上述压力差是阳极路径中的止回阀前后的压力差，或者是夹着燃料电池组的两点间的压力差。例如，由于在止回阀前后容易产生压力差，所以能够适当地测量压力差，而且不需要为压力损失产生而采用特殊的构造，所以为优选。
根据本发明优选的一个技术方案，根据导出的燃料气体浓度或杂质气体浓度来控制从阳极路径的排气。由此，能够有效地确保系统的效率及稳定性。
在该情况下，在导出的燃料气体的浓度降低的情况下、或在导出的杂质气体的浓度增加的情况下，也可以从阳极路径进行放气。优选通过打开阳极路径中的截流阀来进行该放气。
根据本发明优选的一个技术方案，根据导出的燃料气体的浓度或杂质气体的浓度来判断燃料电池组的电解质膜的状态。由此，即使在运转中也能够进行膜劣化判断，从而能够迅速地向驾驶者等提供维护信息。
根据本发明优选的一个技术方案，在阳极路径中包含有使从燃料电池组的阳极排出的燃料再次循环到阳极的循环路径。
本发明还提供另一种具备由向燃料电池组的阳极供应燃料的供应路径和从燃料电池组的阳极排出燃料的排出路径构成的阳极路径的燃料电池系统，在该燃料电池系统中，根据阳极路径内的压力损失来导出阳极路径内的燃料气体浓度或杂质气体浓度。根据该结构，由于能够通过配置在管线内的差压计或压力计来测量压力损失，所以不需要特殊的测量设备，从而能够以简单的结构来推断气体浓度。
本发明还提供另一种具备由向燃料电池组的阳极供应燃料的供应路径和从燃料电池组的阳极排出燃料的排出路径构成的阳极路径的燃料电池系统，在该燃料电池系统中，根据阳极路径内的压力损失来控制从阳极路径的排气。根据该结构，与上述一样能够以简单的结构来测量压力损失，并根据它来控制从阳极路径的排气，所以能够有效地确保系统的效率及稳定性。
本发明还提供另一种具备由向燃料电池组的阳极供应燃料的供应路径和从燃料电池组的阳极排出燃料的排出路径构成的阳极路径的燃料电池系统，在该燃料电池系统中，根据阳极路径内的压力损失来判断燃料电池组的电解质膜的状态。与上述一样能够以简单的结构来测量压力损失，并根据它来判断电解质膜的状态，所以即使在运转中也能够进行膜劣化判断，从而能够迅速地向驾驶者等提供维护信息。
在此情况下，优选根据导出的杂质气体的浓度的上升速度来判断燃料电池组的电解质膜的劣化。
在上述燃料电池系统中，优选通过计测阳极路径中的止回阀前后的压力差来导出压力损失。由于在止回阀前后容易产生压力损失，所以能够适当地测量压力损失，并且不需要为压力损失产生而采用特殊的构造，所以为优选。
如上所述，根据本发明，可以提供一种能够以简单的结构来推断燃料气体浓度及/或杂质气体浓度的燃料电池系统。
附图说明
图1是本发明实施方式的燃料电池系统的简要结构图；
图2是实施方式的燃料电池系统的气体浓度推断的处理次序的流程图；
图3是实施方式的燃料电池系统的排气关闭阀(shut valve)控制的处理次序的流程图；
图4是实施方式的燃料电池系统的膜劣化判断的处理次序的流程图。
具体实施方式
接着，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(1.燃料电池的结构)
图1是本发明实施方式的燃料电池系统的简要结构图。
如该图所示，作为氧化气体的空气(外界气体)经由空气供应路径71被供应到燃料电池组20的空气供应口。在空气供应路径71中设有：从空气中除去微粒的空气过滤器11、将空气加压的压缩机12、检测供应空气压的压力传感器51、以及向空气中添加需要的水分的加湿器13。另外，在空气过滤器中设有检测空气流量的空气流量计(流量计)。
从燃料电池组20排出的空气排气(offgas)经由排气路径72被排放到外部。在排气路径72中设有：检测排气压的压力传感器52、压力调节阀14、以及加湿器13。压力调节阀(减压阀)14作为压力调节器而发挥作用，该压力调节器设定向燃料电池组20供应空气的压力(空气压)。压力传感器51及52的未图示的检测信号被发送给控制部50。控制部50通过调节压缩机12及压力调节阀14来设定供应空气压及供应流量。
作为燃料气体的氢气被从氢供应源31经由燃料供应路径75供应到燃料电池组20的氢供应口。在燃料供应路径75中设有：检测氢供应源的压力的压力传感器54、调节向燃料电池组20供应氢气的供应压力的氢调压阀32、截流阀41、在燃料供应路径75存在异常压力时开放的安全阀39、截流阀33、以及检测氢气的入口压力的压力传感器55。压力传感器54及55的未图示的检测信号被提供给控制部50。
将没有被燃料电池组20消耗的氢气作为氢排气排出到氢循环路径76中以使其返回到燃料供应路径75的截流阀41的下游侧。在氢循环路径76中设有：检测氢排气的温度的温度传感器63、控制氢排气的排出的截流阀34、从氢排气中回收水分的气液分离器35、将回收的水回收到未图示的容器中的排水阀36、将氢排气加压的氢泵37、以及防倒流阀40。作为将氢排气加压的机构，也可以代替氢泵37而使用喷射器(ejector)。优选的是，装备计测防倒流阀40的前后的差压的差压计58、或分别设在防倒流阀40的前后而计测其压力的压力传感器，由此来计测氢循环路径76中的压力损失(压力差)，并如后述那样推断氢浓度或杂质气体浓度。此外，为了取得氢循环路径76的气体流量，优选在氢循环路径76中也设置流量计、或者设置氢泵37的转数的计数机构。温度传感器63的未图示的检测信号被提供给控制部50。氢泵37的动作由控制部50控制。氢排气在燃料供应路径75中与氢气合流并被供应到燃料电池组20以再利用。防倒流阀40防止燃料供应路径75的氢气向氢循环路径76侧倒流。从该氢循环路径76经过与燃料供应路径75的合流点而达到燃料电池组的燃料极的一系列的路径相当于本发明的阳极路径。
氢循环路径76经由排气关闭阀(放气阀)38并通过放气流路77与排气路径72连接。排气关闭阀38是电磁式的截流阀，通过按照来自控制部50的指令进行动作而将氢排气排放到外部(放气)。通过间歇地进行该放气动作，能够防止因氢排气的循环而使燃料极侧的氢气的杂质浓度增大、从而造成电池电压降低。
另外，在燃料电池组20的冷却水出入口设有使冷却水循环的冷却路径74。在冷却路径74中设有：检测从燃料电池组20排出的冷却水的温度的温度传感器61、将冷却水的热量散发到外部的散热器(热交换器)21、将冷却水加压并使其循环的泵22、以及检测被供应到燃料电池组20中的冷却水的温度的温度传感器62。
控制部50从未图示的车辆的加速信号等要求负荷及燃料电池系统的各部分的传感器等获取控制信息，从而控制各种阀类及马达类的运转。控制部50由具备未图示的运算装置及存储装置的控制计算机系统构成。控制计算机系统可以由公知的可得到的系统构成。
(2.气体浓度的推断原理)
接着，说明本发明的实施方式的氢气浓度或杂质气体浓度的推断方法的原理。
(2-1.前提)
首先，在气体的定常流中，系统的压力损失与密度成比例。例如，作为燃料气体的氢气的分子量为2、作为杂质气体的分子量为28，所以例如氮气为100％时的密度是氢气为100％时的密度的14倍，压力损失也变为14倍。
另外，在氢循环系统内的气体中，氢、氮、水蒸汽占绝大部分。氮是从空气极透过来的杂质气体，水蒸汽是氢与氧的电化学反应的生成物。可以认为它们中的水蒸汽的量(在燃料电池组出口)大体是饱和蒸汽。
由上可知，压力损失的变化量与氮气的增加量是1对1的关系，因此能够根据压力损失来推断氮气浓度及氢气浓度。
(2-2.计算方法)
接着，说明用来进行气体浓度推断的计算方法的具体例子。
如果设某个温度下的饱和蒸汽压为PH2O、
系统内的气体压力为Psys，
则系统内的水蒸汽的比例WH2O(％)为
WH2O(％)＝PH2O/Psys×100(％)。
如果设该温度下的湿度为100％的氢气的压力损失(氮浓度为0％时)为PL1、
氢浓度为WH2时的压力损失为PL2，则
PL1∶PL2＝{WH2O×18+(100-WH2O)×2}∶{WH2O×18+WH2×2+(100-WH2O-WH2)×28}的关系成立，解该式则求出氢浓度WH2。另外，在式中，18是水分子量，100-WH2O-WH2是氮浓度。
另外，以上的计算仅为一个示例，并不限于此。例如，也可以预先制作特性映射(characteristic map)并仅通过输入参数来得到氢气浓度及氮气浓度，对于该特性映射的制作方法来说，也可以不使用计算值而使用实验值。
此外，燃料排气的压力损失(压力差)的计测位置及方法只要在阳极路径内即可，对其没有特别的限制，例如也可以另外设置产生压力损失的节流孔(orifice)并计测其前后的差压。此外，也可以设置在氢循环路径76和燃料供应路径75的合流点的下游。但是，在由夹着燃料电池组的2点间的差压而得到压力损失的情况下，可以通过
压力损失＝差压-在组内消耗的压力(根据燃料电池电流量来计算)-交叉泄漏量来得到压力损失。
(3.气体浓度的推断动作)
接着，参照图2所示的流程图来说明本实施方式的燃料电池系统的控制部50的气体浓度推断动作。控制部50如上所述由控制用计算机构成，按照未图示的控制程序来控制燃料电池系统的各部分的动作。
首先，确认排气关闭阀38是否关闭(步骤11)。在排气关闭阀38打开的情况下(步骤11：NO)，由于是在氢放气中、不需要推断气体浓度，所以返回并等待接下来的动作定时(timing)。在排气关闭阀38关闭的情况下(步骤11：YES)，从差压计58的输出中读取阳极路径的规定的2点间的差压，并通过温度传感器63及流量计取得气体温度及流量(步骤12)。
由所读取的差压而知道压力损失PL2，由气体温度而知道饱和水蒸汽量WH2O及氢气的压力损失PL1，因此通过上述的计算计算出氢气浓度与氮气浓度(步骤13)。计算出气体浓度后，将氮气浓度(以及根据需要将氢气浓度)存储在存储装置中(步骤14)。
(4.排气关闭阀驱动动作)
接着，参照图3所示的流程图来说明本实施方式的燃料电池系统的控制部50的排气关闭阀驱动动作。
首先，取得通过图2的处理而推断出的氢气浓度及氮气浓度(步骤21)。接着，根据得到的氮气浓度来计算系统损失量(氢泵动力增加量+燃料电池输出降低量)(步骤22)。如果氮气浓度增加，则为了将足够的氢气输送到燃料电池中而需要输送较多的气体，此外，由于气体密度增加，所以压力损失也变大，因此氢泵37的需要动力变大、损失增加。此外，如果氮气浓度增加，则燃料电池组的发电效率降低。在这些带来的系统损失比氢排放带来的损失大的情况下，排放氢排气是合理的。并且，在氢浓度下降到给燃料电池的稳定性带来不良影响的水平时，需要排放氢排气并导入新的氢气。在步骤23中，判断上述系统损失量为氢排放带来的损失量以上，在步骤24中，判断氢浓度为规定的阈值以下。在这些条件均满足的情况下(步骤23和24：YES)，驱动排气关闭阀38而将一定量的氢排气放气(步骤25)。在任一个条件不满足的情况下(步骤23或24：NO)，返回并等待接下来的动作。
(5.膜劣化判断动作)
接着，参照图4所示的流程图来说明本实施方式的燃料电池系统的控制部50的膜劣化判断动作。
首先，取得通过图2的处理而推断出的氮气浓度的履历(步骤31)。接着，计算出得到的氮气浓度的增加速度(步骤32)。由于氮气浓度迅速增加意味着燃料电池的电解质膜的交叉泄漏增大、从空气极的氮气透过量增大，所以意味着电解质膜的状态恶化。在步骤33中，判断氮气浓度的增加速度为规定的阈值以上。在满足该条件的情况下(步骤33：YES)，判断为膜的劣化(步骤34)，根据需要而向车辆的驾驶者等报告。在不满足条件的情况下(步骤33：NO)，返回并等待接下来的动作。
本实施方式如上构成，由此即使在燃料电池系统的运转动作中也能够进行膜的劣化判断。
Claims (10)
1.一种燃料电池系统，具备由向燃料电池组的阳极供应燃料的供应路径和从所述燃料电池组的阳极排出燃料的排出路径构成的阳极路径，其特征在于，
根据所述阳极路径内的规定的两点间的压力差来导出所述阳极路径内的燃料气体浓度或杂质气体浓度。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述压力差是所述阳极路径中的止回阀前后的压力差。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述压力差是夹着所述燃料电池组的两点间的压力差。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
根据所述导出的燃料气体浓度或杂质气体浓度来控制从所述阳极路径的排气。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述导出的燃料气体浓度降低的情况下，从所述阳极路径进行放气。
6.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述导出的杂质气体浓度增加的情况下，从所述阳极路径进行放气。
7.如权利要求5或6所述的燃料电池系统，其特征在于，
通过打开所述阳极路径中的截流阀而从所述阳极路径进行放气。
8.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
根据所述导出的燃料气体浓度或杂质气体浓度来判断所述燃料电池组的电解质膜的状态。
9.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述阳极路径中包含有使从所述燃料电池组的阳极排出的燃料再次循环到阳极的循环路径。
10.一种燃料电池系统，具备由向燃料电池组的阳极供应燃料的供应路径和从所述燃料电池组的阳极排出燃料的排出路径构成的阳极路径，其特征在于，
根据所述阳极路径内的压力损失来导出所述阳极路径内的燃料气体浓度或杂质气体浓度。
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