專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)起動時進行發(fā)電恢復處理的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術：
關于把通過燃料氣體和氧化氣體的電化學反應來發(fā)電的燃料電池
作為能源的燃料電池系統(tǒng)，例如日本特開2004-165058號公報中公開了以下技術在系統(tǒng)起動后的預熱運行中，當判斷出燃料電池的輸出電壓較低、并判斷出該輸出電壓的下降是由殘留在燃料電池內的氮引起時，增加提供給燃料電池的燃料氣體的流量，進行所謂發(fā)電恢復處理。

發(fā)明內容
在系統(tǒng)起動時進行發(fā)電恢復處理的燃料電池系統(tǒng)中，系統(tǒng)起動后，在剛剛轉換到通常運行(通常發(fā)電)后，由于實際的壓力(以下稱為實際壓力)高于提供給陽極的目標氣體供給壓力(以下稱為目標壓力)，因此雖然陽極內的雜質(例如氮)的濃度較高，也要進行減壓處理，以使實際壓力與目標壓力一致。
在該減壓處理中，不再向位于調整提供給陽極的氣體供給壓力的調壓閥的下游側的燃料電池提供新的燃料氣體，因此導致陽極內的燃料氣體濃度下降，并且導致燃料電池的發(fā)電電壓(單電池電壓)下降，對于順利向通常運行轉換、或維持正常的通常運行造成影響。
本發(fā)明是鑒于以上情況而提出的，其目的在于，抑制系統(tǒng)起動時進行發(fā)電恢復處理后可能產(chǎn)生的燃料電池的發(fā)電電壓下降。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池；燃料供給系統(tǒng)，用于向上述燃料電池的陽極提供燃料氣體；調整單元，設置在上述燃料供給系統(tǒng)中，調整提供給上述陽極的氣體供給量，其中，在系統(tǒng)起動時，上述調整單元將從燃料供給源提供給上述陽極的新燃料氣體供給量維持得高于通常發(fā)電時根據(jù)上述燃料電池的發(fā)電電流設定的新燃料氣體供給量，直到提供給上述陽極的氣體中的雜質濃度下降到預定值以下。
根據(jù)該構成，系統(tǒng)起動時，進行發(fā)電恢復處理，以將壓力比通常發(fā)電時高的燃料氣體提供給陽極，接著在剛轉換到通常運行(通常發(fā)電)后，即使進行了使陽極入口側的實際壓力與目標壓力一致的減壓處理，陽極內含有的燃料氣體供給系統(tǒng)中的雜質濃度也會下降到預定值以下；換言之，由于燃料氣體濃度提高到預定濃度以上，因此伴隨著減壓處理，即使提供給陽極的燃料氣體供給量處于比此前的氣體供給量下降的狀態(tài)時，也可抑制燃料電池的發(fā)電電壓(單電池電壓)的下降。
上述調整單元可具有可變氣體供給裝置，將上述燃料供給系統(tǒng)的上游側的氣體狀態(tài)調整為目標值，并向下游側提供氣體；控制裝置，根據(jù)上述目標值對上述可變氣體供給裝置進行驅動控制；并且，當系統(tǒng)起動時，使上述可變氣體供給裝置對上述陽極的氣體供給量比通常發(fā)電時增加。
上述可變氣體供給裝置也可以在系統(tǒng)起動時將壓力比通常發(fā)電時高的燃料氣體提供給上述陽極，并將提供給上述陽極的氣體供給壓力維持得高于通常發(fā)電時，直到提供給上述陽極的氣體中的氮濃度下降到預定值以下。
也可具有循環(huán)流路，使從上述燃料電池的陽極出口排出的燃料廢氣與上述新燃料氣體合流，并再次提供給陽極入口；開關閥，設置在上述循環(huán)流路中，在打開時將上述燃料廢氣排出到系統(tǒng)外；上述調整單元根據(jù)上述開關閥的打開，使提供給上述陽極的氣體供給量比此 前的氣體供給量下降。
當開關閥打開而將一部分燃料廢氣排出到系統(tǒng)外時，自燃料供給 源提供給陽極的新燃料氣體和燃料廢氣的混合氣體的雜質濃度變低； 換言之，由于混合氣體的燃料氣體濃度變高，因此即使提供給陽極的 氣體供給量比此前的氣體供給量降低，也可抑制發(fā)電電壓的下降。因 此，根據(jù)這種構成，通過使提供給陽極的氣體供給量比此前的氣體供 給量下降，也可抑制燃料電池的發(fā)電電壓的下降，同時改善燃耗。
上述可變氣體供給裝置可具有閥座，具有噴射氣體燃料(燃料 氣體)的噴射孔；噴嘴體，將該氣體燃料提供引導至噴射孔；閥體， 以能夠相對該噴嘴體在軸線方向上移動的方式收納保持該閥體；通過 電磁驅動力以預定的驅動周期驅動上述閥體，從而對上述噴射孔進行 開關。
根據(jù)本發(fā)明，可抑制系統(tǒng)起動時進行發(fā)電恢復處理后可能產(chǎn)生的 燃料電池的發(fā)電電壓下降。


圖1是本發(fā)明的一個實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)的構成圖。 圖2是用于說明圖所示的噴射器的控制流程的流程圖。 圖3是圖2所示的流程圖的步驟S7的處理中使用的映射的一例。 圖4是圖2所示的流程圖的步驟S9的處理中使用的映射的一例。 圖5是用于說明根據(jù)圖2所示的流程圖控制圖1所示的噴射器時 的燃料電池的入口側目標壓力和實際壓力的關系的圖。
具體實施例方式
以下參照

本發(fā)明的實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)1。在 本實施方式中，對將本發(fā)明應用于燃料電池車輛(移動體)的車載發(fā)電系統(tǒng)的例子進行說明。首先，使用圖1說明本發(fā)明的實施方式涉及 的燃料電池系統(tǒng)1的構成。
如圖1所示，本實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)1具有接收反應氣 體(氧化氣體及燃料氣體)的供給并產(chǎn)生電力的燃料電池10，并且還 具有氧化氣體配管系統(tǒng)(燃料供給系統(tǒng))2，向燃料電池10提供作 為氧化氣體的空氣；氫氣配管系統(tǒng)3，向燃料電池IO提供作為燃料氣 體的氫氣；統(tǒng)一控制整個系統(tǒng)的控制裝置4等。
燃料電池10具有層壓預定個數(shù)的單電池而構成的層疊構造，上述 單電池接收反應氣體的供給并發(fā)電。由燃料電池io產(chǎn)生的電力被提供 給PCU (Power Control Unit:電力控制單元)11。 PCU11具有配置在 燃料電池IO和牽引電機12之間的變換器、DC-DC轉換器等。并且， 燃料電池IO上安裝有檢測發(fā)電中的電流的電流傳感器13。
氧化氣體配管系統(tǒng)2具有空氣供給流路21，將由加濕器20加 濕后的氧化氣體(空氣)提供給燃料電池10;空氣排出流路22，將從 燃料電池10排出的氧化廢氣引導到加濕器20;和排氣流路23，用于 將氧化廢氣從加濕器20引導到外部?？諝夤┙o流路21中設有壓縮機 24，以導入大氣中的氧化氣體，并壓送到加濕器20。
氫氣配管系統(tǒng)3具有作為燃料供給源的儲氫罐(燃料供給源) 30， lt存高壓(例如70MPa)的氫氣；作為燃料供給流路的氫氣供給 流路31，用于將儲氫罐30中的氫氣提供給燃料電池10;和循環(huán)流路 32，用于使從燃料電池10排出的廢氫氣返回到氫氣供給流路31。氫氣 配管系統(tǒng)3是本發(fā)明中的燃料供給系統(tǒng)的一個實施方式。
此外，也可替代儲氫罐30，將以下裝置用作燃料供給源改性器， 由烴類燃料生成富氫的改性氣體；和高壓氣體罐，使由該改性器生成 的改性氣體為高壓狀態(tài)并蓄壓。并且，也可將具有儲氫合金的燃料罐用作燃料供給源。
氫氣供給流路31上設有截止閥33,截斷或允許來自儲氫罐30 的氫氣供給；調節(jié)器34，調整氫氣的壓力；和噴射器(可變氣體供給 裝置)35。在噴射器35的上游側設有檢測氫氣供給流路31內的氫氣 的壓力及溫度的一次側壓力傳感器41及溫度傳感器42。并且，在噴射 器35的下游側、氫氣供給流路31和循環(huán)流路32的合流部的上游側， 設有檢測氫氣供給流路31內的氫氣壓力的二次側壓力傳感器43。
調節(jié)器34是將該上游側壓力(一次壓力)調整為預先設定的二次 壓力的裝置。在本實施方式中，將對一次壓力進行減壓的機械式減壓 閥用作調節(jié)器34。作為機械式減壓閥的構成，可采用如下公知的構成 背壓室和調壓室具有以隔膜隔開而形成的框體，通過背壓室內的背壓， 在調壓室內使一次壓力減壓為預定的壓力，作為二次壓力。
在本實施方式中，如圖1所示，在噴射器35的上游側配置二個調 節(jié)器34，從而可有效降低噴射器35的上游側壓力。因此，可提高噴射 器35的機械構造(閥體、框體、流路、驅動裝置等)的設計自由度。
并且，由于可降低噴射器35的上游側壓力，因此可抑制由于噴射 器35的上游側壓力和下游側壓力的差壓增大而引起的噴射器35的閥 體難以移動的情況。因此，可擴大噴射器35的下游側壓力的可變調壓 幅度，并且可抑制噴射器35的響應性下降。
噴射器35是以電磁驅動力直接按預定的驅動周期驅動閥體使其 與閥座隔離，從而可調整氣體流量、氣體壓力等氣體狀態(tài)的電磁驅動 式的開關閥。噴射器35具有閥座，其具有噴射氫氣等氣體燃料的噴射 孔，并且還具有噴嘴體，將該氣體燃料提供引導至噴射孔；閥體， 以能夠相對該噴嘴體在軸線方向(氣體流動方向)上移動的方式收納 保持該閥體。
8在本實施方式中，噴射器35的閥體由作為電磁驅動裝置的螺線管 驅動，通過向該螺線管供電的脈沖狀勵磁電流的開、關，可二階段、 多階段、連續(xù)地(無階段)或線性地切換噴射孔的開口面積。并且，
根據(jù)從控制裝置4輸出的控制信號，控制噴射器35的氣體噴射時間及
氣體噴射時期，以高精度地控制氫氣的流量及壓力。
如上所述，噴射器35通過電磁驅動力直接對閥(閥體及閥座)進 行開關驅動，其驅動周期可在高響應的區(qū)域控制，因此具有較高的響 應性。
此外，通過噴射器35的閥體的開關來調整氣體流量，并且提供給 噴射器35的下游的氣體壓力比噴射器35的上游的氣體壓力降低，因 此可將噴射器35解釋為調壓閥(減壓閥、調節(jié)器)。并且，在本實施 方式中還可解釋為根據(jù)氣體要求，為了在預定的壓力范圍內與要求 壓力一致，可改變噴射器35的上游氣體壓力的調壓量(減壓量)的可 變調壓閥。
并且，在本實施方式中，如圖1所示，在氫氣供給流路31和循環(huán) 流路32的合流部AI的上游側，配置噴射器35。并且，如圖l的虛線 所示，使用多個儲氫罐30作為燃料供給源時，在從各儲氫罐30提供 的氫氣的合流部分(氫氣合流部A2)的下游側，配置噴射器35。
循環(huán)流路32中，通過氣液分離器36及排氣排水閥37與排出流路 38相連。氣液分離器36用于從廢氫氣回收水分。排氣排水閥37根據(jù) 來自控制裝置4的指令進行動作，從而將由氣液分離器36回收的水分. 及循環(huán)流路32內的含有雜質(例如氮)的廢氫氣排出到外部。
并且，循環(huán)流路32中設有氫泵39，將循環(huán)流路32內的廢氫氣加 壓并送出到氫氣供給流路31 —側。此外，排出流路38內的氣體通過稀釋器40被稀釋，與排氣流路23內的氣體合流。
控制裝置4檢測出設置在車輛上的加速操作裝置(加速踏板等) 的操作量，接收加速要求值(例如來自牽引電機12等的負載裝置的要
求發(fā)電量)等控制信息，控制系統(tǒng)內各種設備的動作。
此外，所謂負載裝置，是除了牽引電機12以外還包括以下裝置的
耗電裝置的總稱使燃料電池IO動作所必須的輔助裝置(例如壓縮機
24、氫泵39、冷卻泵的電機等)、與車輛行駛相關的各種裝置(變速 器、車輪控制裝置、轉向裝置、懸架裝置等)中使用的致動器、乘員 空間的空調裝置(空調)、照明裝置、音響等。
控制裝置4由未圖示的計算機系統(tǒng)構成。該計算機系統(tǒng)具有CPU、 ROM、 RAM、 HDD、輸入輸出接口及顯示器等，通過CPU讀入并執(zhí) 行ROM中存儲的各種控制程序，來實現(xiàn)各種控制動作。
圖2是從系統(tǒng)起動到切換至通常發(fā)電(通常運行)的噴射器35的 控制流程，是在系統(tǒng)起動時、具體而言例如控制裝置4檢測到用戶進 行操作而使點火開關接通的信號、并開始對燃料電池io的反應氣體供 給時等情況下執(zhí)行的。
并且，圖3是表示圖2的步驟S7的處理中使用的、燃料電池10 的發(fā)電電流(以下稱為FC電流)和燃料電池10的入口側目標壓力(以 下稱為FC入口目標壓力)的關系的映射；并且，圖4是表示圖2的步 驟S9的處理中使用的、FC電流和噴射器35的基本噴射時間(F/F項) 的關系的映射。
在圖2的流程圖中，首先進行FC入口目標壓力的初始設定(歩驟 Sl)。并且，F(xiàn)C入口目標壓力被維持在該初始設定值，直至提供給燃 料電池IO的陽極的氣體中的雜質濃度變?yōu)轭A定值以下(步驟S3:NO)。該初始設定值被設定為比通常發(fā)電時根據(jù)FC電流設定的FC入口目標 壓力(燃料氣體供給量)、即比圖3的壓力P1高的預定的壓力P2。
這樣一來，在本實施方式的系統(tǒng)起動時，如圖5所示，在提供給 燃料電池10的陽極的氣體中的雜質濃度下降到該圖中單點劃線所示的 預定值以下的期間內，將圖5中的虛線所示的FC入口目標壓力(從儲 氫罐30提供給燃料電池10的陽極的新氫氣供給量)維持得高于通常 發(fā)電時根據(jù)FC電流設定的FC入口目標壓力。
因此，如圖5中的實線所示，在提供給燃料電池10的陽極的氣體 中的雜質濃度下降到圖5中的單點劃線所示的預定值以下的期間，燃 料電池10的陽極入口側的實際壓力(FC入口實際壓力)被維持得高 于通常發(fā)電時，噴射器35對燃料電池10的陽極的氣體供給量和通常 發(fā)電時相比增加。
此外，步驟S3中的判斷例如是根據(jù)氮傳感器等的檢測結果來進 行，但不限于此，也可通過氫傳感器直接檢測提供給燃料電池10的陽 極的氣體中的氫濃度，據(jù)此檢測結果判斷雜質濃度變?yōu)轭A定值以下。
提供給燃料電池10的陽極的氣體中的雜質濃度變?yōu)轭A定值以下 時(步驟S3: YES)，通過電流傳感器13檢測出FC電流(步驟S5)， 例如使用圖3所示的映射、即表示步驟S5中檢測出的FC電流和對應 對燃料電池10的要求輸出而設定的FC入口目標壓力的關系的映射， 根據(jù)在步驟S5中檢測出的FC電流求出FC入口目標壓力(步驟S7)。
此外，作為使圖3所示的FC電流和FC入口目標壓力建立相關關 系的映射，具有多個和燃料電池10的陽極內的雜質濃度對應的FC入 口目標壓力映射，從而在步驟S7中，根據(jù)FC電流和陽極內的雜質濃 度決定FC入口目標壓力。
11接著，控制裝置4例如使用圖4所示的映射，即表示FC電流和作
為噴射器的基本噴射時間的前饋項(以下稱為F/F項)的關系的映射， 根據(jù)步驟S5中檢測出的FC電流求出作為噴射器的基本噴射時間的F/F 項(步驟S9)。
接著，控制裝置4求出步驟S7中求出的FC入口目標壓力、與二 次側壓力傳感器43檢測出的現(xiàn)在的燃料電池10的入口側壓力(以下 稱為FC入口壓力)的偏差(以下稱為FC入口壓力偏差)(步驟Sll), 作為校正(降低)該FC入口壓力偏差的校正值，求出噴射器噴射時間 的反饋項(以下稱為F/B項)(步驟S13)。
接著，控制裝置4在由步驟S9求出的作為噴射器35的基本噴射 時間的F/F項上加上由步驟S13求出的F/B項，并根據(jù)需要進一步加上 校正值，從而求出噴射器35的噴射時間(噴射量)(步驟S15)。
并且，控制裝置4將用于實現(xiàn)上述噴射時間的控制信號輸出給噴 射器35，從而控制噴射器35的噴射時間及噴射時期，調整提供給燃料 電池10的氫氣的流量及壓力。之后，步驟S5 S15的處理被以預定周 期反復執(zhí)行。
如上所述，在本實施方式涉及的燃料電池系統(tǒng)1中，當系統(tǒng)起動 時，進行發(fā)電恢復處理，以將壓力比通常運行(通常發(fā)電)時高的氫 氣提供給燃料電池IO的陽極，接著在轉換到通常運行后，即使進行使 陽極入口側的FC入口實際壓力與FC入口目標壓力一致的減壓處理， 陽極內含有的氫氣配管系統(tǒng)3中的雜質濃度也會下降到預定值以下， 換言之，由于氫氣濃度提高到預定濃度以上，因此伴隨著減壓處理， 即使提供給陽極的氫氣供給量處于比此前的氣體供給量下降的狀態(tài) 時，也可抑制通常運行轉換時燃料電池IO的發(fā)電電壓(單電池電壓) 的下降。上述實施方式是用于說明本發(fā)明的一個示例，本發(fā)明不限于此， 只要不脫離主旨，可適當設計各種構成部件。例如，控制裝置4使排
氣排水閥37打開后，可對應排氣排水閥37的打開來控制噴射器35的 開關動作，以使提供給燃料電池10的陽極的氣體供給量比此前的氣體 供給量降低。
艮P,排氣排水閥37打開而將一部分廢氫氣排出到系統(tǒng)外時，自儲 氫罐30提供給燃料電池10的陽極的新氫氣和廢氫氣的混合氣體的雜 質濃度變低，換言之，由于混合氣體的氫氣濃度變高，因此即使提供 給燃料電池10的陽極的氣體供給量比此前的氣體供給量降低，也可抑 制發(fā)電電壓的下降。
因此，在上述實施方式中，對應排氣排水閥37的打開，使提供給 燃料電池IO的陽極的氣體供給量比此前的氣體供給量下降，從而可抑 制通常運行時的燃料電池10的發(fā)電電壓的下降，同時改善燃耗。
并且，在上述實施方式中，示例了將本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng) 搭載于燃料電池車輛的情況，但也可將本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)搭 載到燃料電池車輛以外的各種移動體(機器人、船舶、飛機等)上。 另外，也可將本發(fā)明涉及的燃料電池系統(tǒng)適用于建筑(住宅、大廈等) 用的發(fā)電設備所使用的固定式發(fā)電系統(tǒng)。
權利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池；燃料供給系統(tǒng)，用于向上述燃料電池的陽極提供燃料氣體；和調整單元，設置在上述燃料供給系統(tǒng)中，調整提供給上述陽極的氣體供給量，其特征在于，在系統(tǒng)起動時，上述調整單元將從燃料供給源提供給上述陽極的新燃料氣體供給量維持得高于通常發(fā)電時根據(jù)上述燃料電池的發(fā)電電流設定的新燃料氣體供給量，直到提供給上述陽極的氣體中的雜質濃度下降到預定值以下。
2. 根據(jù)權利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，上述調整單元具有可變氣體供給裝置，將上述燃料供給系統(tǒng)的上游側的氣體狀態(tài)調整為目標值，并向下游側提供氣體；和控制裝置，根據(jù)上述目標值對上述可變氣體供給裝置進行驅動控制；并且，在系統(tǒng)起動時，使上述可變氣體供給裝置對上述陽極的氣體供給量比通常發(fā)電時增加。
3. 根據(jù)權利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在系統(tǒng)起動時，上述可變氣體供給裝置將壓力比通常發(fā)電時高的燃料氣體提供給上述陽極，并將提供給上述陽極的氣體供給壓力維持得高于通常發(fā)電時，直到提供給上述陽極的氣體中的氮濃度下降到預定值以下。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，具有循環(huán)流路，使從上述燃料電池的陽極出口排出的燃料廢氣與上述新燃料氣體合流，并再次提供給陽極入口；和開關閥，設置在上述循環(huán)流路上，在該開關閥打開時將上述燃料廢氣排出到系統(tǒng)外，上述調整單元根據(jù)上述開關閥的打開，使提供給上述陽極的氣體供給量比此前的氣體供給量降低。
5.根據(jù)權利要求1至4的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，上述可變氣體供給裝置具有閥座，具有噴射氣體燃料的噴射孔;噴嘴體，將該氣體燃料提供引導至噴射孔；閥體，以能夠相對該噴嘴體在軸線方向上移動的方式收納保持該閥體；通過電磁驅動力以預定的驅動周期驅動上述閥體，從而對上述噴射孔進行開關。
全文摘要
在本發(fā)明中，在FC入口目標壓力的初始設定(步驟S1)之后，使FC入口目標壓力維持該初始設定值，直到提供給燃料電池陽極的氣體中的雜質濃度變?yōu)轭A定值以下(步驟S3NO)；該初始設定值設定得比通常發(fā)電時根據(jù)FC電流設定的FC入口目標壓力高；如果提供給燃料電池(10)的陽極的氣體中的雜質濃度變?yōu)轭A定值以下(步驟S3YES)，則使用表示在步驟S5中檢測出的FC電流與根據(jù)對燃料電池(10)的要求輸出而設定的FC入口目標壓力的關系的映射，求出FC入口目標壓力(步驟S7)。
文檔編號H01M8/04GK101467294SQ20078002139
公開日2009年6月24日 申請日期2007年5月29日 優(yōu)先權日2006年6月9日
發(fā)明者馬屋原健司 申請人:豐田自動車株式會社