專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及循環(huán)從燃料電池的氧電極排出的廢氣以將它再循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)。
2.背景技術(shù)通過(guò)在例如空氣的氧化氣體和例如氫的燃料氣體之間的電化學(xué)反應(yīng)用于產(chǎn)生動(dòng)力的燃料電池系統(tǒng)要求潮濕供給到燃料電池的氧化氣體以獲得預(yù)先確定的動(dòng)力產(chǎn)生效率。一般地，在燃料電池系統(tǒng)中，包括由氧電極上的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸汽的廢氣循環(huán)到氧化氣體供給到其上的側(cè)，如在專利公布JP-A-8-500931中所披露。
前述的系統(tǒng)調(diào)節(jié)待循環(huán)的氣體的流速以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臐駶?rùn)，而不使用在氧化氣體供給到其上的側(cè)處的濕潤(rùn)模塊。專利公布JP-A-2002-343398披露的技術(shù)中形成了旁通通道，使得當(dāng)燃料電池的運(yùn)行停止時(shí)燃料電池內(nèi)的水成分在短時(shí)期內(nèi)去除。
前述的燃料電池系統(tǒng)如圖5中所示，它包括在壓縮機(jī)上游的允許氧化氣體進(jìn)入的進(jìn)入管A、從燃料電池堆中排出廢氣的排出管B和連接了管A和管B的連接管C。循環(huán)閥V2供給在連接管C內(nèi)以調(diào)節(jié)廢氣的流速。連接管C的一端連接到調(diào)節(jié)燃料電池堆內(nèi)部壓力的壓力調(diào)節(jié)閥V1的下游部分。在將廢氣通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥V1排放到外部期間，來(lái)自燃料電池堆的廢氣被從排出管B進(jìn)入到進(jìn)入管A內(nèi)，廢氣用于濕潤(rùn)待供給到燃料電池堆的氧化氣體。
前述的燃料電池系統(tǒng)未能適當(dāng)?shù)乜刂拼h(huán)的廢氣的流速且因此未能調(diào)節(jié)濕潤(rùn)的量。當(dāng)循環(huán)閥V2的一端連接到圍繞廢氣的出口的部分時(shí)，循環(huán)閥V2的入口處的壓力變得大約為大氣壓。因此，在循環(huán)閥V2入口和出口之間的壓力差變得小，這使得難于執(zhí)行適當(dāng)?shù)牧魉倏刂?。另外，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥V1后的廢氣受到流速改變的影響，此流速改變根據(jù)關(guān)于燃料電池堆輸出的要求，這可能導(dǎo)致壓力波動(dòng)?？紤]到壓力波動(dòng)的循環(huán)的廢氣的流速控制進(jìn)一步要求了循環(huán)閥V2的復(fù)雜的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供改進(jìn)了將廢氣循環(huán)到進(jìn)入側(cè)的閥的可控性的燃料電池系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括進(jìn)入管，它允許在氧化氣體供給源上游的氧化氣體的引入，該氧化氣體供給源向燃料電池供給氧化氣體，還包括排出管，它排放包括水蒸氣的廢氣，水蒸氣在燃料電池的運(yùn)行中在氧電極側(cè)產(chǎn)生。燃料電池系統(tǒng)設(shè)置有連接了進(jìn)入管和排出管的循環(huán)管、設(shè)置在循環(huán)管內(nèi)且運(yùn)行以調(diào)節(jié)從排出管供給到進(jìn)入管的廢氣流速的循環(huán)閥和設(shè)置在排出管內(nèi)的循環(huán)管和排出管接合的位置處的壓力產(chǎn)生構(gòu)件，該壓力產(chǎn)生構(gòu)件產(chǎn)生高于至少大氣壓的壓力。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，壓力產(chǎn)生構(gòu)件允許在高于大氣壓力的壓力下的廢氣到達(dá)循環(huán)閥的上游側(cè)。換言之，循環(huán)閥的入口和出口之間的壓力差被維持為等于或高于預(yù)先確定的值。這使得能改進(jìn)循環(huán)閥的可控性。適當(dāng)量的廢氣被循環(huán)以供給適當(dāng)量的水蒸氣到進(jìn)入側(cè)處的氧化氣體。因此，在進(jìn)入側(cè)處的濕潤(rùn)的量能有效地被調(diào)節(jié)。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，壓力產(chǎn)生構(gòu)件可以形成為廢氣壓力調(diào)節(jié)閥，它將流經(jīng)排出管的廢氣的壓力調(diào)節(jié)為預(yù)先確定的壓力值。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，根據(jù)壓力調(diào)節(jié)閥的控制范圍，流入到循環(huán)閥內(nèi)的廢氣的壓力被調(diào)節(jié)到預(yù)先確定的高于大氣壓力的壓力范圍內(nèi)。即使包含從燃料電池排放的廢氣的水蒸氣的壓力依賴于輸出而波動(dòng)，也能抑制此壓力波動(dòng)以穩(wěn)定流入到循環(huán)閥內(nèi)的廢氣的壓力。這使得能改進(jìn)循環(huán)閥的可控性。使用現(xiàn)有的壓力調(diào)節(jié)閥允許了對(duì)流入循環(huán)閥內(nèi)的廢氣的容易的壓力控制。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，循環(huán)廢氣的循環(huán)管的一端可以在燃料電池和廢氣壓力調(diào)節(jié)閥之間的位置處連接到排出管。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，在排出管上設(shè)置檢測(cè)廢氣壓力的傳感器。廢氣壓力調(diào)節(jié)閥可以構(gòu)建為基于從傳感器發(fā)送的電信號(hào)而電氣地調(diào)節(jié)廢氣壓力調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，廢氣壓力調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度基于檢測(cè)到的廢氣壓力電氣地控制。因此，流入到循環(huán)閥內(nèi)的廢氣的壓力能精確地調(diào)節(jié)。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，壓力產(chǎn)生構(gòu)件可以形成為調(diào)節(jié)燃料電池內(nèi)壓力的壓力調(diào)節(jié)閥。此外，循環(huán)廢氣的循環(huán)管的一端可以在燃料電池和壓力調(diào)節(jié)閥之間的位置處連接到排出管。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，從燃料電池和壓力調(diào)節(jié)閥之間的排出管獲取的廢氣通過(guò)循環(huán)管以流入到循環(huán)閥內(nèi)。廢氣的壓力由壓力調(diào)節(jié)閥控制為預(yù)先確定的壓力值。在燃料電池系統(tǒng)中，用于循環(huán)廢氣的管道設(shè)計(jì)為使得不要求附加的設(shè)備。這使得能將系統(tǒng)設(shè)置為以更少數(shù)量的部件改進(jìn)循環(huán)閥的可控性。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，檢測(cè)廢氣壓力的傳感器圍繞燃料電池在排出管上設(shè)置。壓力調(diào)節(jié)閥可以構(gòu)建為基于從傳感器發(fā)送的電信號(hào)而電氣地調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，壓力調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度基于檢測(cè)的廢氣壓力電氣地控制。因此，能精確地調(diào)節(jié)流入到循環(huán)閥內(nèi)的廢氣的壓力。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，壓力產(chǎn)生構(gòu)件可以形成為設(shè)置在排出管內(nèi)循環(huán)管和排出管被接合位置下游的節(jié)氣門(mén)和安全閥的一個(gè)。在燃料電池系統(tǒng)中，在管內(nèi)的廢氣壓力在通過(guò)節(jié)氣門(mén)前設(shè)定為高于大氣壓力的值。因此，在增加的壓力下的廢氣流入到循環(huán)閥內(nèi)，改進(jìn)了循環(huán)閥的可控性。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，供給氧化氣體到燃料電池的氧氣供給源可以設(shè)置有壓縮機(jī)，它通過(guò)進(jìn)入管從外部引入空氣。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，氧化氣體通過(guò)壓縮機(jī)被允許進(jìn)入，以提供到燃料電池，且進(jìn)入管內(nèi)的壓力變成負(fù)壓。在循環(huán)閥上游和下游之間的壓力差增加，因此改進(jìn)了循環(huán)閥的可控性。
在以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)中，由壓縮機(jī)引入的空氣是環(huán)境空氣。
另一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括允許在氧化氣體供給源上游引入氧化氣體的進(jìn)入管，該氧化氣體供給源向燃料電池供給氧化氣體，還包括排放包括水蒸氣的廢氣的排出管，該水蒸氣在燃料電池運(yùn)行期間在氧電極側(cè)產(chǎn)生。燃料電池設(shè)置有連接進(jìn)入管和排出管的循環(huán)管、設(shè)置在循環(huán)管內(nèi)且運(yùn)行以調(diào)節(jié)從排出管供給到進(jìn)入管的廢氣流速的循環(huán)閥和設(shè)置在排出管內(nèi)的壓力產(chǎn)生構(gòu)件，該壓力產(chǎn)生構(gòu)件在循環(huán)管和排出管接合的位置處產(chǎn)生高于進(jìn)入管內(nèi)壓力的壓力。


本發(fā)明的前面的和進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將參考附圖從如下的優(yōu)選實(shí)施例的描述中變得顯見(jiàn)，附圖中同樣的附圖標(biāo)記用于代表同樣的元件，且其中
圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意性視圖；圖2是單元電池的示意性視圖；圖3是示出了輸入到燃料電池系統(tǒng)的控制單元和從燃料電池系統(tǒng)的控制單元輸出的信號(hào)的方框圖；圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意性視圖；和圖5是如相關(guān)技術(shù)中的燃料電池系統(tǒng)的示意性視圖。
具體實(shí)施例方式
如下將描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和修改的例子。
圖1是示出了如本發(fā)明的第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的示意性視圖，系統(tǒng)形成為如燃料電池系統(tǒng)10，它通過(guò)氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)生成動(dòng)力，它安裝在由燃料電池產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛上。
參考圖1，燃料電池系統(tǒng)10主要地由燃料電池堆20、氫系統(tǒng)30、空氣系統(tǒng)40、冷卻系統(tǒng)70、排出系統(tǒng)80、輸出系統(tǒng)90、控制單元120等形成。
燃料電池堆20包括多個(gè)單元電池21，單元電池21每個(gè)具有氫電極(在下文中稱為陽(yáng)極)和氧電極(在下文中稱為陰極)，它們被堆疊。堆疊的單元電池21穿插在端板28、29之間。
圖2是示出了單元電池21的結(jié)構(gòu)的示意性試圖。單元電池21通過(guò)按次序堆疊分隔器22、陽(yáng)極23、電解質(zhì)24、陰極25和分隔器26形成。分隔器22、26具有凹槽27，每個(gè)凹槽27用作允許氫氣、氧氣和冷卻劑流過(guò)的流道。氫氣和氧氣通過(guò)凹槽27分別供給到陽(yáng)極23和陰極25。
提供到陽(yáng)極23的氫氣與組成陽(yáng)極23的催化層上的催化劑反應(yīng)產(chǎn)生氫離子。氫離子滲透了電介質(zhì)24且與氧氣中含有的氧在陰極25上反應(yīng)。通過(guò)前述的電化學(xué)反應(yīng)在單元電池21內(nèi)產(chǎn)生了電能。燃料電池堆20由多個(gè)單元電池21串聯(lián)形成以輸出高功率。在實(shí)施例中，使用固體聚合物膜的產(chǎn)品Nafion作為電介質(zhì)膜24。電介質(zhì)膜24在濕態(tài)下運(yùn)行良好。
端板28包括入口，通過(guò)入口將各種類型的流體，例如氫氣、氧化氣體、冷卻劑供給到燃料電池堆20內(nèi)，端板28還包括出口，通過(guò)出口將流體排放到外部。這些口連接到相應(yīng)的管。通過(guò)入口供給的不同類型的流體適當(dāng)?shù)毓┙o到單元電池21的凹槽27，使得電化學(xué)反應(yīng)平穩(wěn)地進(jìn)行。在此實(shí)施例中，空氣和冷卻水分別用作氧化氣體和冷卻劑。
氫系統(tǒng)30由氫存儲(chǔ)箱31、氫循環(huán)泵32、管路等形成，如在圖1中所示，氫存儲(chǔ)箱通過(guò)管路連接到燃料電池堆20的端板28。在高壓下存儲(chǔ)在氫存儲(chǔ)箱31內(nèi)的氫氣的壓力和流速通過(guò)閥(未示出)調(diào)節(jié)，以被供給到燃料電池堆20內(nèi)。作為從氫存儲(chǔ)箱31供給氫氣的替代，可以重組(reform)甲烷、甲醇等以產(chǎn)生氫來(lái)供給。
從燃料電池堆20中排放的氫氣又通過(guò)氫循環(huán)泵32被再循環(huán)到燃料電池。這能有效地使用尚未經(jīng)受電化學(xué)反應(yīng)而被排放的氫氣。
空氣系統(tǒng)40主要地由將空氣供給到燃料電池堆20的進(jìn)入管線、從燃料電池堆20內(nèi)排出空氣的排出管線和將空氣從排出管線循環(huán)到進(jìn)入管線的循環(huán)管線形成。
進(jìn)入管線由空氣濾清器41、空氣流量計(jì)42、空氣壓縮機(jī)43、中冷器44和進(jìn)入管45、46形成，進(jìn)入管45、46以從供給到燃料電池堆22的空氣流的上游的次序連接前述的設(shè)備。進(jìn)入管線通過(guò)進(jìn)入管46連接到燃料電池堆20的端板28。
從外部引入的空氣經(jīng)空氣濾清器41清潔，通過(guò)空氣流量計(jì)42且被空氣壓縮機(jī)43壓縮。此空氣然后被中冷器44冷卻以被供給到燃料電池堆20內(nèi)?？諝鈮嚎s機(jī)43由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)使得空氣根據(jù)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度被引入。當(dāng)如前述引入空氣時(shí)，進(jìn)入管45內(nèi)的壓力變成負(fù)壓。
空氣流量計(jì)42檢測(cè)從外部引入的空氣的流速。引入的空氣的流速被輸出到控制燃料電池堆20運(yùn)行的控制單元120，基于空氣流速控制空氣壓縮機(jī)43的馬達(dá)。
而排出管線由壓力調(diào)節(jié)閥50、廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59、排出管51、52形成，排出管51、52以從燃料電池堆20內(nèi)排放的空氣流(稱為陰極廢氣)的上游按次序連接前述設(shè)備。排出管線通過(guò)排出管51連接到燃料電池堆20的端板28。
從燃料電池堆20排放的陰極廢氣從排出系統(tǒng)80的消聲器81通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥50、廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59和連接這些閥的排出管51、52排放。
壓力調(diào)節(jié)閥50具有其開(kāi)度，該開(kāi)度被控制為以調(diào)節(jié)待供給到燃料電池堆20的空氣的壓力。廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59調(diào)節(jié)排出管52的壓力，該壓力根據(jù)運(yùn)行要求波動(dòng)到預(yù)先確定的范圍。可以使用提升閥作為壓力調(diào)節(jié)閥50和廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59，使得閥的開(kāi)度通過(guò)提前或延遲此提升閥來(lái)調(diào)節(jié)。如前述控制閥的開(kāi)度可以通過(guò)控制用于驅(qū)動(dòng)提升閥的馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度完成。
排出管51設(shè)有溫度傳感器55、壓力傳感器56，且排出管52設(shè)有壓力傳感器57。來(lái)自這些傳感器的電信號(hào)輸出到用于控制不同類閥的控制單元120。
循環(huán)管線由循環(huán)閥60和循環(huán)管61、62形成。循環(huán)管61連接排出管52和循環(huán)閥60，且循環(huán)管62連接循環(huán)閥60和進(jìn)入管45。從燃料電池堆20排放的陰極廢氣經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥50而通過(guò)排出管52且流入到廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59內(nèi)。然后，陰極廢氣的全部或部分通過(guò)排出管52和循環(huán)管61流入到循環(huán)閥60。
循環(huán)閥60通過(guò)調(diào)節(jié)其開(kāi)度而調(diào)節(jié)陰極廢氣的流速使得陰極廢氣以預(yù)先確定的流速通過(guò)循環(huán)管62供給到進(jìn)入管45。在燃料電池堆20內(nèi)的陰極25內(nèi)通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)了水(水蒸氣)。因此排放的陰極廢氣包括水蒸氣，且因此處于濕態(tài)。循環(huán)閥60將濕態(tài)空氣供給到進(jìn)入管45。在本發(fā)明的實(shí)施例中提升閥用作循環(huán)閥60。
空氣壓縮機(jī)43允許通過(guò)循環(huán)閥60供給的濕態(tài)的空氣和從外部新供給的空氣引入到其內(nèi)部以進(jìn)一步作為已濕潤(rùn)的空氣供給到燃料電池堆20。循環(huán)閥60直接地控制循環(huán)中的陰極廢氣的流速使得供給到燃料電池堆20的已濕潤(rùn)的空氣的量受控。本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)10在進(jìn)入管線內(nèi)不提供有用于濕潤(rùn)空氣的濕潤(rùn)模塊。
冷卻系統(tǒng)70由散熱器71、泵72和連接散熱器71和泵72的管形成。燃料電池堆20的端板28通過(guò)管連接到冷卻系統(tǒng)70。在燃料電池堆20內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱，這增加了其內(nèi)的溫度。流入到燃料電池堆20內(nèi)以抑制溫度升高的冷卻水被散熱器71冷卻且然后被泵72循環(huán)。
排出系統(tǒng)80設(shè)有連接到空氣系統(tǒng)40的消聲器81使得來(lái)自燃料電池堆20的廢氣被排放到燃料電池系統(tǒng)10的外部。在循環(huán)進(jìn)程中，含有氮成分的氫氣通過(guò)氫循環(huán)泵32，生成了高度濃縮的氮?dú)?。排出系統(tǒng)80也連接到氫系統(tǒng)30，這在附圖中未示出。因此生成的氮在氫系統(tǒng)30中被稀釋以在預(yù)先確定的時(shí)間排放到外部。
輸出系統(tǒng)90由逆變器91、用于車(chē)輛運(yùn)行的馬達(dá)92、DC/DC轉(zhuǎn)換器93、二次電池94等形成。由供給到燃料電池堆20的氫氣和空氣之間的電化學(xué)反應(yīng)所生成的電能用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)92以通過(guò)逆變器91運(yùn)行車(chē)輛。在車(chē)輛的正常行駛或減速時(shí)生成的多余的電力可以通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器93被儲(chǔ)存在二次電池94內(nèi)。
控制單元120用于控制以上構(gòu)建的燃料電池系統(tǒng)10的各種閥、馬達(dá)和泵。圖3是代表了輸入到控制單元120和從控制單元120輸出的信號(hào)的方框圖。
參考圖3，基于從不同的傳感器接收到的信號(hào)，控制單元120確定車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)且輸出用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)。
更具體地，控制單元120接收分別來(lái)自壓力傳感器56、57、溫度傳感器55、空氣流量計(jì)42、加速器位置傳感器121和車(chē)速傳感器122等的指示了壓力P1、P2、溫度T、空氣流速q、加速器開(kāi)度和車(chē)輛速度V等的信號(hào)，基于這些信號(hào)計(jì)算所需的輸出(電力)以通過(guò)控制空氣壓縮機(jī)43、壓力調(diào)節(jié)閥50、循環(huán)閥60、廢氣調(diào)節(jié)閥59、氫循環(huán)泵32和泵72等運(yùn)行燃料電池系統(tǒng)10。
控制單元120控制用作濕潤(rùn)模塊的濕潤(rùn)的量，濕潤(rùn)模塊沒(méi)有設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)10內(nèi)。更具體地，控制單元120計(jì)算空氣供給管線需要的濕潤(rùn)的量以控制循環(huán)閥60的開(kāi)度。例如當(dāng)確定濕潤(rùn)的量不足于要求的量時(shí)，控制單元120增加循環(huán)閥60的開(kāi)度。而當(dāng)確定濕潤(rùn)的量超過(guò)要求的量時(shí)，控制單元120減小循環(huán)閥60的開(kāi)度。
濕潤(rùn)的量可以基于檢測(cè)值計(jì)算，檢測(cè)值例如包括燃料電池堆20(未示出)的電流值和電壓值、由溫度傳感器55檢測(cè)到的溫度T、由空氣流量計(jì)42檢測(cè)到的流速q、從空氣壓縮機(jī)43的馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度推出的進(jìn)入空氣量和預(yù)先確定的水含量圖。基于計(jì)算的水含量確定對(duì)應(yīng)于要求的濕潤(rùn)的量的陰極廢氣的循環(huán)流速，以確定循環(huán)閥60的開(kāi)度。
在根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)10的運(yùn)行期間，當(dāng)通過(guò)控制單元120基于運(yùn)行狀態(tài)確定燃料電池堆20的動(dòng)力生成的量已被增加時(shí)，通過(guò)空氣系統(tǒng)40為增加反應(yīng)速度的目的而增加空氣供給量。更具體地，控制單元120執(zhí)行增加空氣壓縮機(jī)43的馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度的控制。
當(dāng)空氣壓縮機(jī)43的旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，供給的空氣的流速增加且在燃料電池堆20和排出管51等內(nèi)的壓力增加。設(shè)置在排出管51內(nèi)的壓力傳感器56檢測(cè)已增加的壓力值P1?？刂茊卧?20接收到來(lái)自壓力傳感器56的電信號(hào)，它通過(guò)增加壓力調(diào)節(jié)閥50的開(kāi)度而執(zhí)行降低壓力值P1的控制，其目的是保持燃料電池堆20內(nèi)的壓力大體上恒定。
當(dāng)增加壓力調(diào)節(jié)閥50的開(kāi)度時(shí)，在排出管52內(nèi)的陰極廢氣的流速增加以升高其內(nèi)的壓力。設(shè)在排出管52內(nèi)的壓力傳感器57檢測(cè)到壓力值P2已增加。控制單元120接收到來(lái)自壓力傳感器57的電信號(hào)，它通過(guò)增加廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59的開(kāi)度執(zhí)行減小壓力值P2的控制，其目的是保持排出管52內(nèi)的壓力在預(yù)先確定的范圍內(nèi)。
當(dāng)由控制單元120確定在燃料電池系統(tǒng)10的運(yùn)行期間由燃料電池堆20所產(chǎn)生的電力已減小時(shí)，執(zhí)行減小空氣壓縮機(jī)43的馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度的控制。
當(dāng)空氣壓縮機(jī)43的旋轉(zhuǎn)速度減小時(shí)，排出管51內(nèi)的壓力減小。控制單元120執(zhí)行增加壓力值P1的控制，該壓力值P1由基于壓力傳感器56的壓力值P1降低壓力調(diào)節(jié)閥50的開(kāi)度而已被減小。
當(dāng)壓力調(diào)節(jié)閥50的開(kāi)度減小時(shí)，排出管52內(nèi)的壓力減小?？刂茊卧?20執(zhí)行增加壓力值P2的控制，該壓力值P2由基于壓力傳感器57的壓力值P2降低廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59的開(kāi)度而已被減小。
控制單元120執(zhí)行如上所述的一系列閥的控制，以將排出管51、52內(nèi)的每個(gè)壓力大體上保持恒定。換言之，在陰極廢氣內(nèi)由關(guān)于燃料電池輸出的要求所導(dǎo)致的壓力波動(dòng)通過(guò)控制廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59使得排出管52內(nèi)的壓力控制在預(yù)先確定的范圍內(nèi)而被抑制。
在排出管52內(nèi)的處于控制在預(yù)先確定的范圍內(nèi)的壓力下的陰極廢氣通過(guò)循環(huán)管線內(nèi)的循環(huán)管61流入到循環(huán)閥60。在循環(huán)閥60上游的陰極廢氣的壓力被恒定地維持在預(yù)先確定的范圍內(nèi)。在其上游具有保持在恒定壓力下的陰極廢氣的循環(huán)閥60用于向進(jìn)入管45供給預(yù)先確定的量的陰極廢氣。
在根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，盡管排出管52內(nèi)的陰極廢氣的壓力波動(dòng)，此波動(dòng)能通過(guò)調(diào)節(jié)廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59的開(kāi)度抑制。另外，在排出管52內(nèi)(在循環(huán)閥管61內(nèi))的壓力通過(guò)廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59被控制為高于大氣壓力的預(yù)先確定的壓力值，以增加循環(huán)閥60的上游和下游之間的壓力差。這能向循環(huán)閥60的上游側(cè)供給處于穩(wěn)定的壓力下陰極廢氣，以改進(jìn)循環(huán)閥60的可控性。因此，適當(dāng)?shù)乃魵獾牧磕芄┙o到處于進(jìn)入側(cè)的空氣。
提升類的閥用于壓力調(diào)節(jié)閥50、廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59和循環(huán)閥60。然而，也可以使用蝶型閥(butterfly tpye valve)。也能使用螺線管以驅(qū)動(dòng)提升閥。在此情況下，可以執(zhí)行負(fù)荷控制以以預(yù)先確定的周期重復(fù)地驅(qū)動(dòng)(開(kāi)-關(guān)運(yùn)行)閥體。
在第一實(shí)施例中，基于壓力傳感器57的壓力值P2控制廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59。然而，此控制也可以基于壓力傳感器56的壓力值P1執(zhí)行。也可以輸出控制命令到廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59，這與從控制單元120到壓力調(diào)節(jié)閥50的一個(gè)輸出等價(jià)。在任一情況下，現(xiàn)有的用于控制燃料電池系統(tǒng)的過(guò)程允許排出管52的壓力控制到預(yù)先確定的范圍內(nèi)。
在第一實(shí)施例中，廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59用于控制流入到循環(huán)閥60內(nèi)的陰極廢氣的壓力。也可以在管中提供節(jié)氣門(mén)作為廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59的替代。在此情況下，流經(jīng)循環(huán)管61的陰極廢氣的壓力控制為高于在排出系統(tǒng)80內(nèi)的陰極廢氣的壓力。換言之，帶有預(yù)先確定的尺寸的節(jié)氣門(mén)可以增加循環(huán)管61和62之間的壓力差以改進(jìn)循環(huán)閥60的可控性。
圖4是如本發(fā)明的第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意性視圖。參考圖4，燃料電池系統(tǒng)200主要地由燃料電池堆20、氫系統(tǒng)30、空氣系統(tǒng)210、冷卻系統(tǒng)70、排出系統(tǒng)80和輸出系統(tǒng)90等形成。
根據(jù)第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)200與根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)10除空氣系統(tǒng)210外相同。燃料電池系統(tǒng)200的除空氣系統(tǒng)210的零件外的部件將標(biāo)識(shí)以與第一實(shí)施例中那些部件相同的附圖標(biāo)號(hào)，且因此其解釋將忽略。燃料電池系統(tǒng)200包括控制不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制單元(未示出)，這與第一實(shí)施例相同。
參考圖4，空氣系統(tǒng)210由進(jìn)入管線、排出管線和循環(huán)管線形成，類似于在第一實(shí)施例中描述的那些管線。排出管線包括溫度傳感器55、其內(nèi)具有溫度傳感器56的排出管221、用于調(diào)節(jié)燃料電池堆20內(nèi)壓力的壓力調(diào)節(jié)閥50和導(dǎo)引陰極廢氣通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥50到排出系統(tǒng)80的排出管222。排出管221、222對(duì)應(yīng)于在圖1中示出的根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)10的排出管51、52，它們展現(xiàn)相同的功能。第二實(shí)施例的排出管線與第一實(shí)施例的排出管線的不同在于不提供廢氣壓力調(diào)節(jié)閥。
循環(huán)管線由循環(huán)閥60、循環(huán)管62、220等形成。第二實(shí)施例的循環(huán)管線與第一實(shí)施例的循環(huán)管線在流過(guò)排出管線的陰極廢氣被循環(huán)到進(jìn)入管線這點(diǎn)上等價(jià)。然而，在第二實(shí)施例中，連接到循環(huán)閥60的循環(huán)管220與排出管線連接的位置與第一實(shí)施例中不同。
循環(huán)管220具有連接到排出管221的一端，使得燃料電池堆20下游和壓力調(diào)節(jié)閥50上游之間的陰極廢氣被供給到循環(huán)閥60。在排出管221內(nèi)的陰極廢氣的壓力由執(zhí)行壓力控制的壓力調(diào)節(jié)閥50大體上維持恒定。
在第二實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)200中，流經(jīng)排出管221的陰極廢氣的壓力在燃料電池堆20的下游和壓力調(diào)節(jié)閥50的上游之間由執(zhí)行壓力控制的壓力調(diào)節(jié)閥50維持為預(yù)先確定的值。因此，用于改進(jìn)循環(huán)閥60的可控性的系統(tǒng)可以由更少的部件形成。
如本發(fā)明的實(shí)施例已描述，應(yīng)理解的是本發(fā)明不限于前述的實(shí)施例且本發(fā)明可以形成為多個(gè)形式而不偏離本發(fā)明的范圍。
第一實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)構(gòu)建為使用廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59調(diào)節(jié)循環(huán)閥60上游的壓力。也可以使用安全閥替代廢氣壓力調(diào)節(jié)閥59。此設(shè)備的使用用作流道內(nèi)的流阻，它可以將循環(huán)閥60上游的壓力設(shè)定為等于或大于因排出系統(tǒng)80的管內(nèi)的流阻導(dǎo)致的壓力損失(例如大氣壓力)。因此由燃料電池堆20的輸出波動(dòng)導(dǎo)致的壓力增加可以由使用安全閥抑制在預(yù)先確定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)(10、200)，包括允許在氧化氣體供給源的上游引入氧化氣體的進(jìn)入管(45)，該氧化氣體供給源向燃料電池(20)供給該氧化氣體，還包括排放含有水蒸氣的廢氣的排出管(51、52、221、222)，該水蒸氣在氧電極側(cè)通過(guò)所述燃料電池的運(yùn)行產(chǎn)生，其特征在于包括連接進(jìn)入管(45)和排出管(51、52、221、222)的循環(huán)管(61、62、220)；設(shè)置在該循環(huán)管內(nèi)且運(yùn)行以調(diào)節(jié)從排出管(51、52、221、222)供給到進(jìn)入管(45)的廢氣的流速的循環(huán)閥(60)；和設(shè)置在排出管(51、52、221、222)內(nèi)且在循環(huán)管(61、62、220)和排出管(51、52、221、222)接合處產(chǎn)生高于至少大氣壓力的壓力的壓力產(chǎn)生構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述壓力產(chǎn)生構(gòu)件包括將流經(jīng)排出管(51、52)的廢氣的壓力調(diào)節(jié)到預(yù)先確定的壓力值的廢氣壓力調(diào)節(jié)閥(59)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中循環(huán)廢氣的循環(huán)管(61、62)的一端在燃料電池(20)和廢氣壓力調(diào)節(jié)閥(59)之間的位置處連接到排出管(51、52)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括設(shè)置在排出管(51、52)內(nèi)的傳感器(57)以檢測(cè)廢氣的壓力，其中廢氣壓力調(diào)節(jié)閥(59)的開(kāi)度基于從該傳感器(57)輸出的電信號(hào)電氣地調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述壓力產(chǎn)生構(gòu)件包括調(diào)節(jié)燃料電池(20)內(nèi)的壓力的壓力調(diào)節(jié)閥(50)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池系統(tǒng)，其中循環(huán)廢氣的循環(huán)管(220)一端在燃料電池(20)和壓力調(diào)節(jié)閥(50)之間的位置處連接到排出管(221)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括設(shè)置在排出管(51、221)內(nèi)靠近燃料電池(20)的位置處的傳感器(56)以檢測(cè)廢氣的壓力，其中壓力調(diào)節(jié)閥(50)的開(kāi)度基于從該傳感器(56)輸出的電信號(hào)電氣地調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于所述壓力產(chǎn)生構(gòu)件包括設(shè)置在排出管(51、52、221、222)內(nèi)、循環(huán)管和排出管(51、52、221、222)接合位置下游處的節(jié)氣門(mén)和安全閥的一個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8的任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于向燃料電池(20)供給氧化氣體的所述氧氣供給源設(shè)置有從外部通過(guò)進(jìn)入管(45)引入空氣的壓縮機(jī)(43)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中由壓縮機(jī)(43)引入的空氣是環(huán)境空氣。
11.一種燃料電池系統(tǒng)(10、200)，包括允許在氧化氣體供給源的上游引入氧化氣體的進(jìn)入管(45)，該氧化氣體供給源向燃料電池(20)供給氧化氣體，還包括排放含有水蒸氣的廢氣的排出管(51、52、221、222)，該水蒸氣在氧電極側(cè)通過(guò)燃料電池的運(yùn)行產(chǎn)生，其特征在于包括連接進(jìn)入管(45)和排出管(51、52、221、222)的循環(huán)管(61、62、220)；設(shè)置在該循環(huán)管內(nèi)且運(yùn)行以調(diào)節(jié)從排出管(51、52、221、222)供給到進(jìn)入管(45)的廢氣的流速的循環(huán)閥(60)；和設(shè)置在排出管(51、52、221、222)內(nèi)且在循環(huán)管(61、62、220)和排出管(51、52、221、222)接合的位置處產(chǎn)生高于進(jìn)入管(45)內(nèi)壓力的壓力的壓力產(chǎn)生構(gòu)件。
全文摘要
燃料電池系統(tǒng)(10、200)包括允許在氧化氣體供給源的上游引入氧化氣體的進(jìn)入管(45、46)，該氧化氣體供給源向燃料電池(20)供給氧化氣體，還包括排放含有水蒸氣的廢氣的排出管(51、52、221、222)，該水蒸氣在氧電極側(cè)通過(guò)燃料電池(20)的運(yùn)行產(chǎn)生。燃料電池系統(tǒng)(10、200)設(shè)置有連接進(jìn)入管和排出管(51、52、221、222)的循環(huán)管(61、62、220)、設(shè)在循環(huán)管內(nèi)且運(yùn)行以調(diào)節(jié)從排出管(51、52、221、222)向進(jìn)入管供給的廢氣的流速的循環(huán)閥(60)和設(shè)在排出管(51、52、221、222)內(nèi)循環(huán)管和排出管(51、52、221、222)接合的位置處且產(chǎn)生高于至少大氣壓力的壓力的壓力產(chǎn)生構(gòu)件。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1943067SQ200580012063
公開(kāi)日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2005年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月8日
發(fā)明者山崎大輔, 梅花豐一, 渡邊修夫, 北村伸之 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社