燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，更具体地讲，涉及有效应用在燃料箱中产生的燃料蒸汽的一种技术。
背景技术：
日本专利局在2000年公布的专利号为JP2000-192863A中公开的车辆燃料蒸汽控制装置包括一个罐(canister)，它吸收在燃料箱中产生的燃料蒸汽。罐所吸收的燃料蒸汽被释放并用重整器把它转化为氢和二氧化碳。而转化得到的氢被供给至燃料电池，并有效地被用作燃料气体。
发明概要然而，在已有的技术中，在罐和重整器之间安装了一个泵，而用驱动该泵来把从罐释放出的燃料送到重整器。因而，为驱动泵需要能量。还需要热能来进行燃料的重整，这样就可能导致相应的燃料效益的恶化。
当燃料蒸汽送至重整器时，它被重整而产生氢，接着氢又被送至燃料电池。作为一个结果，燃料电池产生电功率。然而由燃料电池产生的电功率对电池充电，所以当电池被充分充电后，产生的电功率就被浪费。换言之，能量(燃料)消耗只不过去处理燃料蒸汽。
因而本发明的一个目的是提供一种燃料电池系统，它能够处理在一个燃料箱内的燃料蒸汽而不消耗额外的能量。
为了获得上述目的，本发明提供一种燃料电池系统，它包括一个增压机构，它吸入含氧气体并把它在压力下传输，一个燃料箱，一个重整器，它从燃料箱供给的原燃料产生含氢气体，一个燃料电池，它通过从增压机构来的含氧气体和从重整器来的含氢气体的反应，产生电功率，一个连接到燃料箱的罐，它吸收从燃料箱来的燃料蒸汽，一个第一通道，它连接在罐和增压机构吸气侧之间，在第一通道内提供的第一阀门和一个控制器，它起了在要清除罐所吸收的燃料蒸汽时打开第一阀门的作用，从而把罐连接到增压机构的吸气侧。
本发明的细节以及其他特征和优点将在本说明书的其余部分阐明并且在附图中给出。
附图简述

图1是按照本发明燃料电池系统的一张示意图。
图2是一张流程图，它给出由本燃料电池系统的控制器所进行的燃料蒸汽清除处理的主程序。
图3是一张流程图，它给出第一清除起始处理程序。
图4是一张流程图，它给出第一清除终止确定处理程序。
图5是一张流程图，它给出第一清除终止处理程序。
图6是类同于图1，但给出本发明的第二个实施方案。
图7是按照第二个实施分案清除处理主程序的流程图。
图8是一张流程图，它给出第二清除起始处理程序。
图9是一张流程图，它给出第二清除终止处理程序。
图10类同于图1，但给出本发明第三个实施方案。
图11是给出按照第三个实施方案清除处理主程序的流程图。
图12是一张流程图，它给出第二清除终止确定处理程序。
图13类同于图1，但给出本发明第四个实施方案。
图14是一张流程图，它给出按照第四个实施方案清除处理主程序。
图15是一张表，它给出罐所吸收的燃料蒸汽量和节流阀门开口减小量之间的关系。
优选实施方案描述参照附图的图1，图1给出在第一个实施方案中的一个燃料电池系统。从一个空气供给系统22向燃料电池1的阴极1a供给含氧的空气，而从一个燃料供给系统24向燃料电池1的阳极1b供给富氢燃料气体。通过在电极间迁移氢离子，燃料电池1产生电能和水。这时也产生热能，用通过冷却系统21流动的冷却水把燃料电池保持在一个合适温度上，从而使由功率有效地产生出来。
在空气供给系统22中顺序安装一个过滤器2以去除空气中的灰尘，一个流量计3以量度供给空气的量，一个节流阀4以调节供给空气的体积，一个压缩机5以提供具有一个调整好流量的压缩空气，一个切断阀门7以控制向燃料电池1的空气供给，以及一个冷却器9以把在压缩器5中业已升高的空气温度调整到一合适的温度。具有已调整好流量和温度的空气被供给到阴极1a。因为按照后面将要叙述的重整器12中的重整反应要用掉氧气，因而在压缩器5的下游提供一个分支通道23通向重整器12，而提供给重整器12的空气量可以用在分支通道23上提供的切断阀门8来加以调节。
同样，在燃料供给系统24中顺序地安装一个燃料箱10，以存储像甲醛这样的原燃料，重整器12，以把从燃料箱10来的原燃料转化为富氢的重整气体，以及一个一氧化碳氧化器(CO氧化器)14以把可以导致填充在燃料电池1电极间的铂退化的一氧化碳从重整气体中除去，从而把氢气供应到燃料电池1的阳极16。
在重整器12中进行的燃料重整反应需要热能，因而在重整器12邻近提供一个燃烧器13，燃烧器13用燃料电池1出来的废气和，如果需要的话，从燃料箱来的原燃料来产生热能。
在该燃料电池系统中，为了有效地利用在燃料箱10中产生的燃料蒸汽，提供了一个下面将要叙述的燃料蒸汽供给系统25。用一个罐11和燃料箱10连通以收集燃料箱10中的燃料蒸汽，罐11的下游端通过一个切断阀门6连接到空气供给系统22的节流阀4和压缩器5之间，而该切断阀门6控制是否释放由罐11所收集的燃料蒸汽。
控制器20包含一个，二个，或更多个微处理器，一个存储器和一个输入/输出接口，它进行将在后面叙述的燃料箱10中燃料蒸汽的清除处理(以后称清除(purge))。
图2中一张流程图，它给出由控制器20来进行的主清除处理程序，它是由控制器20来执行的。
首先，在步骤S1中，估计在罐11中燃料蒸汽吸收量EB。这可以这样进行，例如先用日本专利局在1996年公布的专利号为JP8-28370A所公开的方法，从燃料温度来计算产生的燃料蒸汽的量，用日本专利局在1998年公布的专利号为JP10-196467A所公开的方法，通过估计从传感器得到的测量结果，或者讲，通过在罐11内安装一个温度传感器并从罐的温度变化来加以估计，进行积分。
接着，在步骤S2中，要确定为罐11所吸收的燃料蒸汽是否要被清除。如果在步骤S1中得到的吸收量EB大于一个预先给定的值α，例如总容量的80％，则决定要清除燃料蒸汽，那么程序就进入步骤S3。而如果吸收量EB小于预先给定的值α，则决定不需清除，从而该程序终止。因而基于对罐11所吸收的燃料蒸汽量EB的估计值以决定是否要清除，就避免了这样两种情况，即吸收量Eb已超值并释放到大气中以引起污染的情况，以及吸收量EB尚小却进行不必要的燃料蒸汽处理的情况。
在步骤S3中，进行开始把燃料蒸汽清除到重整器12的第一清除起始处理。
图3是一张流程图，它显示清除起始处理程序，它由控制器20来执行。
在步骤S31中，把切断阀门8打开，在压缩机5的压力下传输的空气被送到重整器12。接着在步骤S32中，把切断阀门7关闭以使从压缩机5送出的空气不能送到燃料电池1。程序接着进入步骤S33，把切断阀门6打开利用压缩器5的负压上游把被罐11所吸收的燃料蒸汽清除到重整器12。以这样的方式，形成从罐11到重整器12的流动通道。
在步骤S34中，从图15给出的图来确定节流阀门4开口的减小量。在图15中，节流阀4开口的减小量被设置成当吸收量EB愈大，减少量也会大，也即流动通道表面积愈小。以这样的方式，吸收量EB愈大，节流阀4下游的压力愈小，它与罐11内部压力的差愈大，因而促进向节流阀下游释放燃料蒸气。当按照吸收量EB确定了开口减小量后，程序进入步骤S35，节流阀4的开口被减小，而压缩机5的旋转被增加以传送所需的空气量。
这样，通过打开切断阀门6，8，关闭切断阀门7，减小节流阀门4的开口和增加压缩机5的转速，在罐11中的燃料蒸汽就流向重整器12而不需要一个泵或类似物等，这样，燃料蒸汽的清除就开始了。
在这时，在重整器12中，发生燃料蒸汽的重整反应以产生燃料电池1所需的燃料气体，这样就能处理燃料蒸汽而没有不必要的丢弃燃料蒸汽从而降低燃料利用率。同样，燃料蒸汽是以气态被引入重整器12的，所以为进行重整反应汽化燃料的步骤就不需要了。以这种方式，它就能以易于进行重整反应的状态容易地供给至重整器，而汽化所需的燃料就能被节省下来了。
接着程序进入图2的步骤S4，即，第一清除是终止确定处理。
图4是一张流程图，它给出第一清除终止确定处理，它是由控制器20来执行的。
在步骤S41中，设置一个清除终止时间Tn，清除终止时间Tn是按照罐11所吸收的燃料蒸气量EB来确定的。在步骤S42中，用控制器20提供的一个计时器来确定有没有经过了清除终止时间Tn这么长的一段时间，如果还没有经过，那么就进入步骤S43，这时计时器计时T加1。如此重复直到在某一个步骤S42中，计时器计时T超过清除终止时间Tn。这时程序进入步骤S44，把计时器计时T清零并确定清除已经结束。这里，清除的终止是由时间确定，但也可以在释放通道内装一个浓度检测传感器，清除是否终止可以由传感器的值来确定。这样，通过确定清除的终止，能够充分地清除罐11。
当在图2中确定终止清除后，程序从步骤S4进入步骤S5，进行第一清除终止处理，它把对重整器12的清除转变为通常处理。
图5是一张流程图，它给出第一清除终止处理程序，它由控制器20来执行的在步骤S51中，增大节流阀门4的开口，并回到正常运转时的开口。接着按照燃料电池系统所要求的空气流速来减小压缩机的转速。在步骤S52中，把切断阀门6关闭以停止燃料蒸汽从罐11释放到空气供给系统22。在步骤S53中，在从罐11出来的燃料蒸汽已经通过切断阀门8以后，把切断阀门7打开从而把压缩机5来的空气输到燃料电池1。 这里，确定全部燃料蒸汽是否已经通过切断阀门8或者根据是否已经历了一个事先确定的时间来确定，或者通过在切断阀门8的上游安置一个浓度检测传感器并且采集测量数据来确定。接着在步骤S54中，重整器12下游切断阀门8被关闭，或者，如果要向重整器12供给空气的话，则根据供给的量把开口减小。
通过完成第一清除终止处理，从空气压缩器5来的空气被供给到燃料电池1的阴极1a，如果需要的话，也供给到重整器12，而没有混以燃料蒸汽，这样通常的运转就能开始了。
当燃料蒸汽被清除，通过关闭切断阀门7，打开切断阀门6，8，以及增加节流阀门4开口的减小量，和空气供给系统22的燃料蒸汽供给系统25相联接部份的压力就变得小于罐11的内部压力，因而罐11内的燃料蒸汽就释放到空气供给系统22并和通过节流阀门4所供给的空气一起送到重整器12。因而，就能够把燃料蒸汽清除而不用泵等来把燃料蒸汽从罐11送至重整器12。同样，在重整器12中以燃料蒸汽为原材料产生出重整气体，而这又被用作燃料电池1的燃料气体，所以就能避免不必要的燃料蒸汽的消耗而改善燃料的利用率。
另外，按照吸数量EB的估计量，增加节流阀门4开口的减小量。当吸收量EB大时，在节流阀门4和压缩机5之间的压力降落增加，并且和罐11的内压力的压差也增加，因而燃料蒸汽的释放也加快，从而燃料蒸汽能被快速地清除。当燃料蒸汽被清除时，燃料电池1的功率产生会暂时下降或停止，但由于这个原因而产生的功率不足可以由一个二次电池来补足。
图6给出按照本发明第二个实施方案的燃料电池系统的结构。代替第一个实施方案中的分支通道23，用通过切断阀门16连接燃料器13和压缩器5下游的一个分支通道26。同样，在重整器12内安装一个重整器温度传感器30，在燃料器13内安装一个燃烧器温度传感器31，在一氧化碳氧化器14内安装一个一氧化碳氧化器温度传感器32，在燃料电池1内安装一个燃料电池温度传感器33。这些传感器的测量结果被输入到控制器20。
下面将参照图7叙述该燃料电池系统进行的清除处理。图7是一张流程图，它给出清除处理的主程序，它是由控制器20来执行的。在这里，通过在燃料器13中燃料被清除的燃料蒸汽，系统在起始及其他步骤时已被加热(warm-up)。
首先，在步骤S11中，先根据重整器温度传感器30，燃料器温度传感器31，一氧化碳氧化器温度传感器32和燃料电池温度传感器33的检测结果判断系统加热是否足够。如果系统加热已经足够，程序就终止，否则程序进入步骤S12。
在步骤S12和S13中，来估计吸收量EB，这是用和第一个实施方案的步骤S1，S2相同方式进行的，并由此确定是否需要清除燃料蒸汽。如果确定应当清除，程序进入步骤S14，进行第二清除起始处理以把燃料蒸汽清除至燃料器13。
图8是一张流程图，给出第二清除起始处理程序，它是由控制器20来执行的。
在第一清除起始处理中，在步骤S31中，切断阀门8被打开以把燃料蒸汽供给重整器12，但这里在步骤S141中，是把切断阀门16打开，把燃料蒸汽供给燃料器13。因而燃料蒸汽被供给到燃料器13并开始燃烧，使得邻近的重整器12能被加热。之后的步骤S142-S145与第一清除起始处理的步骤S32-S35是类似的。
当用第二清除起始处理已经开始清除时，在图7的步骤S15中，进行第一清除终止确定处理，其方式与在第一实施方案中的步骤S4的处理是一样的。
当在步骤S15中决定终止清除时，程序进入步骤S16，用第二清除终止处理来终止清除，从而从清除到燃料器13转向正常运转。
图9是一张流程图，它给出第二清除终止处理程序，这是被控制器20来执行的。
步骤S161-S163是与第一清除终止处理的步骤S51-S53是类似的。
然而，在第一清除终止处理的步骤S54中，切断阀门8是为了停止含氧气体对重整器12的供应而关闭的，但在这里，在步骤S164中，切断阀门16为了停止含氧气体对燃料器13的供应而关闭。
以这样的方式，通过在系统区没有足够加热时把燃料蒸汽供给燃烧器13，可以用燃料蒸汽来加热燃料电池系统，并且能够处理燃料蒸汽而不会降低燃料的利用率。同样，因为燃料蒸汽是气态的，当燃料在燃料器13内燃料时，不需要汽化的步骤，从而能够减少燃料的消耗。
图10给出按照第三个实施方案的燃料电池的结构。安装了温度传感器30以检测在第一个实施方案中所用的燃料电池系统的重整器12的温度。同样，控制器20进行由图11的流程给出的清除处理。
首先，在步骤S21，S22中，计算罐11所吸收的燃料蒸汽量EB，并从吸收量EB决定是否需要清除。如果吸收量EB大于一预先确定的量α，并确定清除是必需的，程序进入步骤S23。在步骤S23中，从重整器温度传感器30的检测结果确定重整器12中的催化剂是否被激活。这里，当燃料蒸汽被送进重整器12时，如果重整器12是冷的，则重整反应将不会是有效的，这时程序就终结。
另一方面，如果重整器12已足够加热，程序进入步骤S24，检测燃料电池系统的运行状态。在步骤S25中，根据检测到的运行状态来决定车辆是否在低负载下运行。这可以对一个事先确定的时间，例如过去的几分钟内到过去的几十分钟内，测量装在燃料电池1上的安培表的当前值来实现。如果该测量值小于额定值的30％或者车辆在低速下运行，则确定该车辆是在低负载下运行。
当燃料蒸汽被处理时，燃料电池1所产生的功率要暂时地下降或停止，因而功率供给必须由一个二次电池或类似物来补足。在这里，在低负载下，当燃料电池所要求的功率负载不大时，燃料蒸汽被处理，当车辆在低负载下运行时，程序进入步骤S26，而当它不是在低负载下运行时，程序终止。
在步骤S26中，进行在图3中所示的第一清除起始处理。由于此，在罐11中的燃料蒸汽被送至重整器12，而通过重整反应，产生为燃料电池1所需的燃料气体。
接着，程序进入步骤S27，进行在图12中所示的第二清除终止确定处理。
这里，该确定处理和图4所示的第一清除终止确定处理是类似的。在步骤S273中，在计时计数器时间T加1后，程序进入步骤S274，其中检测燃料电池的运行状态。接着程序进入步骤S275，再次决定车辆是否在低负载下运行。
这样，以这种方式反复检查运行状态，肯定能够防止高负载加到二次电池上。如果车辆运行在低负载下，程序转向步骤S272，并确定是否已到达清除终止时间。如果不是在低负载下运行，有重负载加在二次电池上，则确定应该结束清除，程序进入步骤S276，而计时计数器时间T复位。
如果由于第二清除终止确定处理，确定应该结束清除，程序进入图11的步骤S28，通过第一清除结束处理转变为正常运行。
因而，当重整器12被足够地加热，而催化剂被激活，燃料蒸汽被供应，那么燃料蒸汽一定被重整反应处理，燃料蒸汽不会没有处理地被释放到外面，从而避免对环境有害的影响。
同样，通过对燃料蒸汽被清除所处的条件加上了燃料电池系统的运行状态，特别是当系统上的运行负载是低的情况下处理燃料蒸汽，由于燃料蒸汽的处理而引起系统运行性能的恶化就能被抑制。
图13给出按照第四个实施方案的电池系统的结构。
在这个实施方案中，从压缩机5的下游分出的的通道被分成两支，一支通道23，它通过切断阀门8分支到重整器12，一支通道26，它通过切断阀门16分支到燃料器13。这里分支通道26从空气供应通道22分出的分支点位于压缩机5一边，而分支通道23从空气供应通道22分出的分支点在切断阀门7一边，切断阀门7处于下游。由于这样的结构，根据系统的状态，燃料蒸汽能够供应到重整器12和燃烧13二者之一。
同样，和第二个实施方案一样的地安装了重整器温度传感器30，燃烧器温度传感器31，一氧化碳氧化器温度传感器32和燃料电池温度传感器33。
控制器20进行如图14所示的清除处理。
在步骤S31，S32中，从罐11吸收的燃料蒸汽吸收量EB来决定燃料蒸汽是否应该清除。如果不必需，程序被终止，而如果需要，程序进入步骤33，在该步骤中，确定系统是否冷的(在加热前)。如果确定系统是冷的，进行第二清除起始处理(步骤S42)，它在燃烧器13中用燃料蒸汽，进行第一清除终止处理(步骤S43)以及第二清除终止处理(步骤S44)，以及车辆返回正常运行。
另一方面，如果在步骤S33中确定系统已经加热了，则在步骤S37，S38中确定系统是否在低负载下运行。如果不是在低负载下运行，程序被终止，而如果在低负载下运行，进行第一清除起始处理(步骤S39)，第二清除终止确定处理(步骤S40)和第一清除终止处理(步骤S41)，而燃料蒸汽用在重整器12中。
通过进行这样的控制，当系统是冷的时，例如系统发动时，燃料蒸汽被燃烧器13所用，而当在正常运转时，燃料蒸汽被重整器12所用，从而减少了在第二电源电池上的荷载并改善燃料利用效率。
日本专利申请号P2001-382798(2001年12月17日申请)的全部内容在此引入作为参改。
虽然，上面参照本发明的某些实施方案叙述了本发明，但本发明并不局限于上述的实施方案。对本领域的技术人员，借助于以上的教导，能够对上述实施方案进行修改或变动。本发明范围要参照下述权利要求来确定。
工业应用领域本发明能够用于各种燃料电池系统，包括用于车辆的燃料电池系统。按照本发明，在燃料箱内的燃料汽能够被处理而不消耗额外的能量，因而燃料电池系统的燃料利用率被改进了。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括一个增压机构(5)，它吸入含氧气体并在压力下将其传送，一个燃料箱(10)，一个重整器(12)，它从燃料箱(10)供给的原燃料中产生含氢气体，一个燃料电池(1)，它通过从增压机构(5)来的含氧气体和从重整器(12)来的含氧气体的反应而产生功率。一个连接到燃料箱(10)的罐(11)，它从燃料箱(10)吸收燃料蒸汽，一个第一通道(25)，它连接在罐(11)和增压机构(5)的吸气侧之间。一个第一阀门(6)，它提供在第一通道(25)内，以及一个控制器(20)其功能是当要清除罐(11)吸收的燃料蒸汽时打开第一阀门(6)以把罐(11)连接到增压机构(5)的吸气侧。
2.权利要求1的燃料电池系统，进一步包含一个第二阀门(4)，它被安置在比起第一通道(25)连接到增压机构(5)的吸气侧的位置更上游的地方，以及一个第三阀门8，它把来自增压机构(5)在压力下传送的气体在燃料电池(1)和重整器(12)之间分开，以及该控制器(20)还有这样的功能当清除燃料蒸汽时，减小第二阀门(4)的开口以及用第三阀门(8)来引导包含被清除的燃料的含氧气体进入重整器(12)。
3.权利要求2的燃料电池系统，其中控制器(20)还有这样的功能当重整器(12)处于重整反应可能进行的温度时，清除罐(11)所吸收的燃料蒸汽。
4.权利要求1的燃料电池系统，进一步包含一个第二阀门(4)，它被安置在比起第一通道(25)连接到增压机构(5)的吸气侧的位置更上游的地方，一个燃烧器(13)，它产生为在重整器(12)中的重整反应所需的热，以及一个第四阀门(16)，它把来自增压机构(5)在压力下传送的气体在燃料电池(1)和燃料器(13)之间分开，以及该控制器(20)还有如下功能当清除燃料蒸汽时，减小第二阀门(4)的开口，并用第四阀门(16)来引导包含被清除燃料的含氧气体进入燃料器(13)。
5.权利要求4的燃料电池系统，其中该控制器(20)还有如下功能确定燃料电池系统是否已经加热，而当燃料电池系统尚未加热，把罐(11)所吸收的燃料蒸汽清除到燃烧器(13)以加热燃料电池系统。
6.权利要求1的燃料电池系统，进一步包括一个第二阀门(4)，它被安置在比起第一通道(25)连接到增压机构(5)的吸气侧的位置更上游的地方，一个燃烧器(13)，它产生在重整器(12)中重整反应所需的热，以及第五阀门(8，16)，它把来自增压机构(5)在压力下传输的气体在燃料电池(1)，重整器(12)和燃烧器(13)之间分配，以及控制器(20)还有如下功能确定重整器(12)是否已加热，以及当要清除燃料蒸汽时，减小第二阀门(4)的开口，并且用第五阀门(8，16)，使当重整器(12)尚未加热时，把包含被清除的燃料的含氧气体引向燃烧器(13)，而当它已经加热时，把包含被清除的燃料的含氧气体引向重整器(12)。
7.权利要求2-6中任何一个的燃料电池系统，其中控制器(20)还有如下功能当清除燃料蒸汽时，当罐(11)吸收的燃料蒸汽量愈大，把第二阀门(4)的开口减小得更多。
8.权利要求1-6中任何一个的燃料电池系统，其中控制器(20)还有如下功能当罐(11)所吸收的燃料蒸汽量已经达到一预先确定的量时，进行罐(11)所吸收的燃料蒸汽的清除。
9.权利要求1-6中任何一个的燃料电池系统，其中控制器(20)还有如下功能只有当燃料电池系统所要求的负载低于一预定的低负载时，才进行罐(11)所吸收的燃料蒸汽的清除。
10.一种燃料电池系统包括一个增压机构(5)，它吸入含氧气体并把它在压力下传输一个燃料箱(10)，一个重整器(12)，它从燃料箱(10)提供的原燃料产生含氧气体，一个燃料电池(1)，它通过从增压机构(5)来的含氧气体和从重整器(12)来的含氢气体的反应来产生功率。一个连接到燃料箱(10)的罐(11)，它从燃料箱(10)吸收燃料蒸汽，以及当要把罐(11)所吸收的燃料蒸汽清除时，连接罐(11)到增压机构(5)的吸气侧的装置。
全文摘要
提供一个压缩机5，以调整提供给燃料电池系统的含氧气体的压力，一个节流阀门4，以控制部分含氧气体的通道表面积，及切断阀门7，8，以把压缩机5下游的含氧气体在燃料电池和重整器12之间分配。当为罐所吸收的燃料蒸汽被清除时，节流阀门4的开口被减小，而使罐11与压缩器5的上游侧连通。由于压缩机5的上游负压，为罐所吸收的燃料蒸汽被分配到重整器12或燃烧器13之间并被处理。
文档编号H01M8/04GK1554131SQ0280271
公开日2004年12月8日 申请日期2002年10月25日 优先权日2001年12月17日
发明者伊藤泰之, 宫漥博史, 史 申请人:日产自动车株式会社