燃料电池系统的制作方法

本申请公开燃料电池系统。

背景技术：

为了提高燃料电池的发电性能，希望对于燃料电池以所需足够的流量供给阴极气体、阳极气体。为此，需要能够准确地掌握向燃料电池供给的阴极气体以及阳极气体各自的流量。例如，可如专利文献1中公开那样在燃料电池的阴极气体供给口设置流量计来测量向燃料电池供给的阴极气体流量。

此外，存在如专利文献1、2所公开那样在向燃料电池供给阴极气体的情况下通过压缩机来对阴极气体进行升压的情况。

专利文献1：日本特开2010-177123号公报

专利文献2：日本特开2009-123550号公报

对于燃料电池而言，在如高输出请求时或高温运转时那样的高负荷运转时，存在使阴极气体的流量增加且提高气体的压力的情况。在此时的过渡阶段中，阴极气体流路中的气体的温度、压力会大幅度变动。另外，还存在通过分流控制来缩减向燃料电池供给的阴极气体流量的情况。该情况下，阴极气体流路中的压力也容易变动。例如，在燃料电池的阴极气体供给口的附近，根据燃料电池的运转状况，存在1秒以内气体温度从外部空气温度变动至100℃、气体压力从大气压变动至3个气压的情况。

另一方面，气体流量计一般一边利用由压力传感器、温度传感器获得的数值进行修正一边测量气体流量。该气体流量计设想了在温度、压力不急剧变化的环境下的使用，对于温度、压力急剧的变化响应性很低。因此，在上述那样的温度、压力急剧变动的环境下，存在气体流量计的修正不及时，气体流量计的测量精度差、无法准确地掌握向燃料电池供给的气体流量的担忧。

技术实现要素：

作为用于解决上述课题的手段之一，本申请公开一种燃料电池系统，具备：

燃料电池；

第1流路，向上述燃料电池供给阴极气体；

第2流路，从上述燃料电池排出阴极废气；

旁通流路，从上述第1流路分支并与上述第2流路连接；

压缩机，设置于上述第1流路；

第1流量计，设置于上述第1流路；

流量调整阀，设置于上述旁通流路；

第2流量计，设置于上述旁通流路；以及

控制部，控制向上述燃料电池供给的上述阴极气体的流量，

上述压缩机被配置于比上述旁通流路靠上游侧的位置，

上述第1流量计被配置于比上述压缩机靠上游侧的位置，

上述第2流量计被配置于比上述流量调整阀靠下游侧的位置，

上述控制部基于由上述第1流量计测量出的流量和由上述第2流量计测量出的流量来控制向上述燃料电池供给的上述阴极气体的流量。

在本公开的燃料系统中，可以在上述第1流路设置有加湿器，上述加湿器可以配置于上述燃料电池与上述旁通流路之间，上述加湿器可以利用从上述燃料电池排出至上述第2流路的阴极废气中的水分来加湿上述燃料电池的内部。

在本公开的燃料电池系统中，可以在上述第1流路设置有清洁器，上述清洁器可以配置于比上述压缩机靠上游侧的位置。

在本公开的燃料电池系统中，上述清洁器可以具备上述第1流量计。

在本公开的燃料电池系统中，即便是阴极气体流路中的气体的温度、压力大幅度变动的情况，例如也能够使用一般的气体流量计来高精度测量以及控制向燃料电池供给的阴极气体的流量。

附图说明

图1是用于说明燃料电池系统100的结构的简图。

图2是用于对燃料电池系统100所具备的其他结构的一个例子进行说明的简图。

附图标记说明：

1…燃料电池；11…第1流路；12…第2流路；13…旁通流路；14…阳极气体供给流路；15…阳极废气排出流路；16…冷却液供给流路；17…冷却液返回流路；20…压缩机；31…第1流量计；32…第2流量计；40…流量调整阀；50…控制部；60…加湿器；70…清洁器；81、82、83…阀；91…中冷器；92…热交换器；100…燃料电池系统。

具体实施方式

1.燃料电池系统

在图1中简要示出了燃料电池系统100的结构。如图1所示，燃料电池100具备：燃料电池1；

第1流路11，向燃料电池1供给阴极气体；

第2流路12，从燃料电池1排出阴极废气；

旁通流路13，从第1流路11分支并与第2流路12连接；

压缩机20，设置于第1流路11；

第1流量计31，设置于第1流路11；

流量调整阀40，设置于旁通流路13；

第2流量计32，设置于旁通流路13；以及

控制部50，控制向燃料电池1供给的阴极气体的流量。

压缩机20配置于比旁通流路13靠上游侧的位置。

第1流量计31配置于比压缩机20靠上游侧的位置。

第2流量计32配置于比流量调整阀40靠下游侧的位置。

控制部50基于由第1流量计31测量出的流量和由第2流量计32测量出的流量来控制向燃料电池1供给的阴极气体的流量。

1.1燃料电池

燃料电池1接受阴极气体以及阳极气体的供给来进行发电。阴极气体可以是空气等含氧气体。另一方面，阳极气体可以是氢，也可以是氢以外的燃料气体。作为燃料电池1的具体例，可举出固体高分子型燃料电池(pefc)。燃料电池1也可以是燃料电池组。燃料电池1与后述的流路的连接方式并不特别限定，例如只要是一般的配管连接即可。

1.2第1流路

第1流路11是用于向燃料电池1供给阴极气体的流路。例如，可以构成为第1流路11的上游侧的一端与阴极气体源连接，且下游侧的另一端与燃料电池1的阴极气体供给口连接。阴极气体源的方式并不特别限定。在利用空气作为阴极气体的情况下，第1流路11的上游侧的一端可以向大气敞开。

1.3第2流路

第2流路12是用于从燃料电池1排出阴极废气的流路。例如，可以构成为第2流路12的上游侧的一端与燃料电池1的阴极废气排出口连接，且下游侧的另一端向大气敞开。阴极废气包括在燃料电池1的阴极中因电池反应而生成的气体。阴极废气例如可能包含氧、水。

1.4旁通流路

旁通流路13从第1流路11分支并与第2流路12连接。例如在第1流路11内的阴极气体的流量、压力过大的情况下，旁通流路13能够作为将过大量的阴极气体从第1流路11向第2流路12排出的流路发挥功能。另外，在后述的压缩机20为涡轮式压缩机(例如离心式压缩机)的情况下，旁通流路13还能够作为用于避免该涡轮式压缩机的喘振的流路发挥功能。即，在燃料电池1所需的阴极气体流量低于涡轮式压缩机的下限流量的情况下，通过利用旁通流路13将涡轮式压缩机的阴极气体流量维持为下限流量以上来避免喘振，并且使旁通流路13分流阴极气体的一部分，能够调整向燃料电池1供给的阴极气体流量。并且，在因某些理由而想要缩减或者截断阴极气体向燃料电池1的供给的情况下，旁通流路13还能够作为用于排出该阴极气体的流路发挥功能。

1.5压缩机

在第1流路11设置有压缩机20。压缩机20被配置于比旁通流路13靠上游侧的位置。压缩机20具有提高向燃料电池1供给的阴极气体的压力的功能。压缩机20的种类并不特别限定。压缩机20例如可以是涡轮式，也可以是涡旋式，还可以是螺旋罗茨式。在采用任一种压缩机20的情况下，均可能在比压缩机20靠下游侧的第1流路11中产生上述的温度变动、压力变动。

1.6第1流量计

在第1流路11设置有第1流量计31。第1流量计31被配置于比压缩机20靠上游侧的位置。这里，比压缩机20靠上游侧的位置难以受到压缩机20的下游侧中的上述温度变动、压力变动的影响。因此，可利用第1流量计31高精度测量在第1流路11中向压缩机20流入的阴极气体的流量。第1流量计31的测量方式并不特别限定。例如可以使用热式流量计。在本公开的燃料电池系统100中，作为第1流量计31不需要使用高成本的专用制品，可以使用廉价的通用制品。

1.7流量调整阀

在旁通流路13设置有流量调整阀40。如上所述，根据燃料电池1的运转状况等，存在使阴极气体的一部分从第1流路11向旁通流路13分流的情况。该情况下，通过调整流量调整阀40的开度，能够调整向旁通流路13分流的阴极气体的流量。流量调整阀40只要是能够使旁通流路13中的阴极气体的流量增减的阀即可，其具体的方式并不特别限定。

1.8第2流量计

在旁通流路13设置有第2流量计32。第2流量计32被配置于比流量调整阀40靠下游侧的位置。这里，比流量调整阀40靠下游侧的位置难以受到第1流路1中的压力变动、温度变动的影响。例如，在比流量调整阀40靠下游侧的位置流动有接近外部空气温度以及大气压的阴极气体而非被压缩机20压缩后的温度、压力变动大的阴极气体。因此，可利用第2流量计32高精度测量在旁通流路13流动的阴极气体流量。第2流量计32的测量方式并不特别限定。例如可以使用热式流量计。在本公开的燃料电池系统100中，作为第2流量计32，不需要使用高成本的专用制品，可以使用廉价的通用制品。

1.9控制部

控制部50基于由第1流量计31测量出的流量和由第2流量计32测量出的流量来控制向燃料电池1供给的阴极气体的流量。控制部50只要构成为与一般的控制机构同样即可。即，控制部50能够具备cpu、ram、rom等。

如上所述，在燃料电池系统100中，可利用第1流量计31高精度测量向压缩机20流入的阴极气体的流量(流量x)。这里，向压缩机20流动的阴极气体的流量与从压缩机20向下游侧流出的阴极气体的流量实际相等。或者，考虑到压缩机20的性能，能够根据向压缩机20流入的阴极气体的流量来容易地确定从压缩机20向下游流出的阴极气体的流量。另外，在燃料电池系统100中，可利用第2流量计32高精度测量从压缩机20向旁通流路13分流而不向燃料电池1供给的阴极气体流量(流量y)。在图1所示的燃料电池系统100中，如在其结构上明示那样，例如可以说流量x与流量y的差量的流量(x－y)与向燃料电池1供给的阴极气体流量实际相等。

因而，控制部50可以根据流量x与流量y的差量来求出向燃料电池1供给的阴极气体的流量的推断值，并基于该推断值来控制向燃料电池1供给的阴极气体的流量。具体而言，例如在阴极气体的流量的推断值低于燃料电池1所需的阴极气体流量的情况下，通过利用来自控制部50的信号使压缩机20的阴极气体流量增加、或减小流量调整阀40的开度，能够使向燃料电池1供给的阴极气体流量增加至所需值。另外，在阴极气体的流量的推断值超过燃料电池1所需的阴极气体流量的情况下，通过利用来自控制部50的信号使压缩机20的阴极气体流量减少、或增大流量调整阀40的开度，能够使向燃料电池1供给的阴极气体流量减少至所需值。

或者，也可以如后述那样通过利用控制部50对任意设置于第1流路11、第2流路12的阀81、82、83的开度进行控制，来控制向燃料电池1供给的阴极气体的流量。

1.10其他结构

燃料电池系统100除了具备上述的结构之外，例如还可以具备以下说明那样的结构。

1.10.1加湿器

如图2所示，在燃料电池系统100中，可以在第1流路11设置有加湿器60。加湿器60可以配置于燃料电池1与旁通流路13之间。另外，也可以如图2所示，加湿器60与第1流路11和第2流路12双方连接。具体而言，加湿器60可以利用从燃料电池1排出至第2流路12的阴极废气中的水分来加湿燃料电池1的内部。换言之，在燃料电池系统100中，可以使水分经由燃料电池1、第1流路11、第2流路12以及加湿器60循环。

这里，在燃料电池系统具备加湿器的情况下，燃料电池的阴极气体供给口附近成为除了上述的温度、压力的变动剧烈之外还高湿的环境。在这样的苛刻的环境下，存在流量计对阴极气体流量的测量精度进一步变差的担忧。与此相对，在本公开的燃料电池系统100中，由于在比加湿器60靠上游侧的位置装备第1流量计31，且在实际不受加湿器60的加湿的影响的旁通流路13装备第2流量计32，所以第1流量计31以及第2流量计32难以受到加湿器60的湿度的影响。即，即便燃料电池系统100具备加湿器60，也能够基于第1流量计31以及第2流量计32的测量值来高精度测量/推断向燃料电池1供给的阴极气体流量。

1.10.2清洁器

如图2所示，在燃料电池系统100中，可以在第1流路11设置有清洁器70。清洁器70可以配置于比压缩机20靠上游侧的位置。如上所述，当使空气作为阴极气体在第1流路11中流通的情况下，存在将该第1流路11的上游侧的一端向大气敞开来将大气中的空气获取至第1流路11的情况。该情况下，可在比压缩机20靠上游侧的位置设置用于除去大气中的尘埃、垃圾的清洁器70。清洁器70例如可以具备框体和配置于该框体内的过滤器。

在清洁器70的内部的至少一部分，阴极气体的流动容易恒定，能够高精度测定阴极气体的流量。关于该点，可以如图2所示，在燃料电池系统100中，清洁器70具备上述的第1流量计31。

1.10.3阀

第1流路11、第2流路12可以具备阀。例如，可以如图2所示，第2流路12在比旁通流路13靠上游侧(燃料电池1与旁通流路13之间)的位置具备阀81。通过调整阀81的开度，能够调整阴极气体的流量、压力。例如，在燃料电池1的内部的压力降低的情况下，可以减小阀81的开度并且利用压缩机20使第1流路11内的压力上升。

可以如图2所示，第1流路11在比旁通流路13靠下游侧(燃料电池1与旁通流路13之间)的位置具备阀82。通过调整阀82的开度，能够调整阴极气体的流量、压力。例如，在向燃料电池1供给的阴极气体流量比所需量过大的情况下，通过减小阀82的开度并且增大流量调整阀40的开度，可以不使压缩机20的阴极气体流量变化地使向燃料电池1供给的阴极气体流量降低。

如图2所示，当在燃料电池系统100中设置有加湿器60的情况下，第1流路11可以具备绕过加湿器60的流路，可以在该绕过流路装备阀83。另外，该情况下，可以如图2所示，上述阀82被设置于比加湿器60靠上游侧(绕过流路与加湿器60之间)的位置。即，如图2所示，在通过加湿器60加湿燃料电池1的内部的情况下，可以增大阀82的开度而减小阀83的开度，在不需要加湿器60的加湿的情况下，可以减小阀82的开度而增大阀83的开度。此外，在燃料电池系统100中，可以通过上述的控制部50来进行阀81～82的开闭控制。即，控制部50只要至少控制向燃料电池1的阴极气体的供给流量即可，除了控制阴极气体的供给流量之外，可以还控制燃料电池1的湿度，也可以还进行湿度以外的控制。

1.10.4中冷器

如图2所示，在燃料电池系统100中，可以在压缩机20的下游侧设置有中冷器91。即，因压缩机20引起的升压而温度上升的阴极气体可以在维持规定的压力的同时被中冷器91冷却。中冷器91例如可以与后述的冷却液流路16、17连接。即，通过使在冷却液流路16、17中循环的冷却液的一部分向中冷器91分流，能够容易地确保在中冷器91中所需的冷却性能。

1.10.5其他

如图2所示，在燃料电池系统100中，可以设置向燃料电池1供给阳极气体的流路14以及从燃料电池1排出阳极废气的流路15。阳极废气流路15可以与作为阴极废气流路的第2流路12连接。另外，如图2所示，在燃料电池100中，可以设置使冷却液在燃料电池1与热交换器92之间循环的冷却液流路16、17。阳极侧流路14、15、冷却液流路16、17只要是与以往同样的结构即可。

燃料电池系统100能够具备未图示的其他结构。例如，可以具备将阳极废气、阴极废气中的气体与液体分离的气液分离器。另外，当然也可以具备从燃料电池1向外部延伸的配线等。这些也只要是与以往同样的结构即可。

此外，图2所示的各结构是本公开的燃料电池系统100能够具备的结构的一个例子。本公开的燃料电池系统100可以既具备图1所示的基本结构又省略图2所示的各结构的一部分而具备，还可以具备图2所示的各结构以外的结构。

2.阴极气体流量的测定方法

本公开的技术还具有作为向燃料电池供给的阴极气体流量的测量方法的方面。即，如图1所示，本公开的阴极气体流量的测定方法是在燃料电池系统100中测定向燃料电池1供给的阴极气体流量的方法，该燃料电池系统100具备：燃料电池1；第1流路11，向燃料电池1供给阴极气体；第2流路12，从燃料电池1排出阴极废气；旁通流路13，从第1流路11分支并与第2流路12连接；压缩机20，设置于第1流路11；第1流量计31，设置于第1流路11；流量调整阀40，设置于旁通流路13；以及第2流量计32，设置于旁通流路13，且压缩机20被配置于比旁通流路13靠上游侧的位置，上述阴极气体流量的测定方法的特征在于，将第1流量计11配置于比压缩机20靠上游侧的位置，将第2流量计12配置于比流量调整阀40靠下游侧的位置，基于由第1流量计11测量出的流量与由第2流量计12测量出的流量来测量向燃料电池1供给的阴极气体的流量。各结构如上所述，这里省略详细的说明。

3.车辆

本公开的燃料电池系统例如能够被采用为车辆的动力源。这里，在将本公开的燃料电池系统搭载于车辆的情况下，由于配置的限制而在现实中难以使第1流路11的整体笔直，存在将第1流路11在多个位置弯曲的情况。该情况下，在第1流路11的弯曲部分中，阴极气体的流速产生分布，阴极气体流量的测量精度稍微降低。即，为了更高精度测量阴极气体的流量，可在第1流路11的直线部分配置第1流量计31。或者，当在第1流路11中无法确保足够的长度的直线部分的情况下，可以如上所述在清洁器91设置第1流量计31。

如以上那样，根据本公开的燃料电池系统100，即便在第1流路11内的阴极气体的温度、压力因由压缩机20引起的升压等而急剧变动那样的情况下，也能够基于第1流量计31与第2流量计32高精度测量以及控制向燃料电池1供给的阴极气体的流量。另外，例如即便在压缩机20为涡轮式压缩机时为了避免该涡轮式压缩机的喘振而经由旁通流路13进行分流控制的情况等使旁通流路13分流阴极气体的一部分的情况下，也能够高精度测量以及控制向燃料电池1供给的阴极气体的流量。