专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及循环从燃料电池的氧电极排出的废气以将它再循环的燃料电池系统。
2.背景技术通过在例如空气的氧化气体和例如氢的燃料气体之间的电化学反应用于产生动力的燃料电池系统要求潮湿供给到燃料电池的氧化气体以获得预先确定的动力产生效率。一般地，在燃料电池系统中，包括由氧电极上的电化学反应产生的水蒸汽的废气循环到氧化气体供给到其上的侧，如在专利公布JP-A-8-500931中所披露。
前述的系统调节待循环的气体的流速以实现适当的湿润，而不使用在氧化气体供给到其上的侧处的湿润模块。专利公布JP-A-2002-343398披露的技术中形成了旁通通道，使得当燃料电池的运行停止时燃料电池内的水成分在短时期内去除。
前述的燃料电池系统如图5中所示，它包括在压缩机上游的允许氧化气体进入的进入管A、从燃料电池堆中排出废气的排出管B和连接了管A和管B的连接管C。循环阀V2供给在连接管C内以调节废气的流速。连接管C的一端连接到调节燃料电池堆内部压力的压力调节阀V1的下游部分。在将废气通过压力调节阀V1排放到外部期间，来自燃料电池堆的废气被从排出管B进入到进入管A内，废气用于湿润待供给到燃料电池堆的氧化气体。
前述的燃料电池系统未能适当地控制待循环的废气的流速且因此未能调节湿润的量。当循环阀V2的一端连接到围绕废气的出口的部分时，循环阀V2的入口处的压力变得大约为大气压。因此，在循环阀V2入口和出口之间的压力差变得小，这使得难于执行适当的流速控制。另外，通过压力调节阀V1后的废气受到流速改变的影响，此流速改变根据关于燃料电池堆输出的要求，这可能导致压力波动。考虑到压力波动的循环的废气的流速控制进一步要求了循环阀V2的复杂的控制。
发明内容
本发明的目的是提供改进了将废气循环到进入侧的阀的可控性的燃料电池系统。
根据本发明的燃料电池系统包括进入管，它允许在氧化气体供给源上游的氧化气体的引入，该氧化气体供给源向燃料电池供给氧化气体，还包括排出管，它排放包括水蒸气的废气，水蒸气在燃料电池的运行中在氧电极侧产生。燃料电池系统设置有连接了进入管和排出管的循环管、设置在循环管内且运行以调节从排出管供给到进入管的废气流速的循环阀和设置在排出管内的循环管和排出管接合的位置处的压力产生构件，该压力产生构件产生高于至少大气压的压力。
在根据本发明的燃料电池系统中，压力产生构件允许在高于大气压力的压力下的废气到达循环阀的上游侧。换言之，循环阀的入口和出口之间的压力差被维持为等于或高于预先确定的值。这使得能改进循环阀的可控性。适当量的废气被循环以供给适当量的水蒸气到进入侧处的氧化气体。因此，在进入侧处的湿润的量能有效地被调节。
在以上构建的燃料电池系统中，压力产生构件可以形成为废气压力调节阀，它将流经排出管的废气的压力调节为预先确定的压力值。
在以上构建的燃料电池系统中，根据压力调节阀的控制范围，流入到循环阀内的废气的压力被调节到预先确定的高于大气压力的压力范围内。即使包含从燃料电池排放的废气的水蒸气的压力依赖于输出而波动，也能抑制此压力波动以稳定流入到循环阀内的废气的压力。这使得能改进循环阀的可控性。使用现有的压力调节阀允许了对流入循环阀内的废气的容易的压力控制。
在以上构建的燃料电池系统中，循环废气的循环管的一端可以在燃料电池和废气压力调节阀之间的位置处连接到排出管。
在以上构建的燃料电池系统中，在排出管上设置检测废气压力的传感器。废气压力调节阀可以构建为基于从传感器发送的电信号而电气地调节废气压力调节阀的开度。
在以上构建的燃料电池系统中，废气压力调节阀的开度基于检测到的废气压力电气地控制。因此，流入到循环阀内的废气的压力能精确地调节。
在以上构建的燃料电池系统中，压力产生构件可以形成为调节燃料电池内压力的压力调节阀。此外，循环废气的循环管的一端可以在燃料电池和压力调节阀之间的位置处连接到排出管。
在以上构建的燃料电池系统中，从燃料电池和压力调节阀之间的排出管获取的废气通过循环管以流入到循环阀内。废气的压力由压力调节阀控制为预先确定的压力值。在燃料电池系统中，用于循环废气的管道设计为使得不要求附加的设备。这使得能将系统设置为以更少数量的部件改进循环阀的可控性。
在以上构建的燃料电池系统中，检测废气压力的传感器围绕燃料电池在排出管上设置。压力调节阀可以构建为基于从传感器发送的电信号而电气地调节压力调节阀的开度。
在以上构建的燃料电池系统中，压力调节阀的开度基于检测的废气压力电气地控制。因此，能精确地调节流入到循环阀内的废气的压力。
在根据本发明的燃料电池系统中，压力产生构件可以形成为设置在排出管内循环管和排出管被接合位置下游的节气门和安全阀的一个。在燃料电池系统中，在管内的废气压力在通过节气门前设定为高于大气压力的值。因此，在增加的压力下的废气流入到循环阀内，改进了循环阀的可控性。
在以上构建的燃料电池系统中，供给氧化气体到燃料电池的氧气供给源可以设置有压缩机，它通过进入管从外部引入空气。
在以上构建的燃料电池系统中，氧化气体通过压缩机被允许进入，以提供到燃料电池，且进入管内的压力变成负压。在循环阀上游和下游之间的压力差增加，因此改进了循环阀的可控性。
在以上构建的燃料电池系统中，由压缩机引入的空气是环境空气。
另一个根据本发明的燃料电池系统包括允许在氧化气体供给源上游引入氧化气体的进入管，该氧化气体供给源向燃料电池供给氧化气体，还包括排放包括水蒸气的废气的排出管，该水蒸气在燃料电池运行期间在氧电极侧产生。燃料电池设置有连接进入管和排出管的循环管、设置在循环管内且运行以调节从排出管供给到进入管的废气流速的循环阀和设置在排出管内的压力产生构件，该压力产生构件在循环管和排出管接合的位置处产生高于进入管内压力的压力。
本发明的前面的和进一步的目的、特征和优点将参考附图从如下的优选实施例的描述中变得显见，附图中同样的附图标记用于代表同样的元件，且其中
图1是示出了根据本发明第一实施例的燃料电池系统的结构的示意性视图；图2是单元电池的示意性视图；图3是示出了输入到燃料电池系统的控制单元和从燃料电池系统的控制单元输出的信号的方框图；图4是示出了根据本发明第二实施例的燃料电池系统的结构的示意性视图；和图5是如相关技术中的燃料电池系统的示意性视图。
具体实施例方式
如下将描述本发明的优选实施例和修改的例子。
图1是示出了如本发明的第一实施例的燃料电池系统的结构的示意性视图，系统形成为如燃料电池系统10，它通过氢和氧之间的电化学反应生成动力，它安装在由燃料电池产生的动力驱动的车辆上。
参考图1，燃料电池系统10主要地由燃料电池堆20、氢系统30、空气系统40、冷却系统70、排出系统80、输出系统90、控制单元120等形成。
燃料电池堆20包括多个单元电池21，单元电池21每个具有氢电极(在下文中称为阳极)和氧电极(在下文中称为阴极)，它们被堆叠。堆叠的单元电池21穿插在端板28、29之间。
图2是示出了单元电池21的结构的示意性试图。单元电池21通过按次序堆叠分隔器22、阳极23、电解质24、阴极25和分隔器26形成。分隔器22、26具有凹槽27，每个凹槽27用作允许氢气、氧气和冷却剂流过的流道。氢气和氧气通过凹槽27分别供给到阳极23和阴极25。
提供到阳极23的氢气与组成阳极23的催化层上的催化剂反应产生氢离子。氢离子渗透了电介质24且与氧气中含有的氧在阴极25上反应。通过前述的电化学反应在单元电池21内产生了电能。燃料电池堆20由多个单元电池21串联形成以输出高功率。在实施例中，使用固体聚合物膜的产品Nafion作为电介质膜24。电介质膜24在湿态下运行良好。
端板28包括入口，通过入口将各种类型的流体，例如氢气、氧化气体、冷却剂供给到燃料电池堆20内，端板28还包括出口，通过出口将流体排放到外部。这些口连接到相应的管。通过入口供给的不同类型的流体适当地供给到单元电池21的凹槽27，使得电化学反应平稳地进行。在此实施例中，空气和冷却水分别用作氧化气体和冷却剂。
氢系统30由氢存储箱31、氢循环泵32、管路等形成，如在图1中所示，氢存储箱通过管路连接到燃料电池堆20的端板28。在高压下存储在氢存储箱31内的氢气的压力和流速通过阀(未示出)调节，以被供给到燃料电池堆20内。作为从氢存储箱31供给氢气的替代，可以重组(reform)甲烷、甲醇等以产生氢来供给。
从燃料电池堆20中排放的氢气又通过氢循环泵32被再循环到燃料电池。这能有效地使用尚未经受电化学反应而被排放的氢气。
空气系统40主要地由将空气供给到燃料电池堆20的进入管线、从燃料电池堆20内排出空气的排出管线和将空气从排出管线循环到进入管线的循环管线形成。
进入管线由空气滤清器41、空气流量计42、空气压缩机43、中冷器44和进入管45、46形成，进入管45、46以从供给到燃料电池堆22的空气流的上游的次序连接前述的设备。进入管线通过进入管46连接到燃料电池堆20的端板28。
从外部引入的空气经空气滤清器41清洁，通过空气流量计42且被空气压缩机43压缩。此空气然后被中冷器44冷却以被供给到燃料电池堆20内。空气压缩机43由马达驱动使得空气根据马达的旋转速度被引入。当如前述引入空气时，进入管45内的压力变成负压。
空气流量计42检测从外部引入的空气的流速。引入的空气的流速被输出到控制燃料电池堆20运行的控制单元120，基于空气流速控制空气压缩机43的马达。
而排出管线由压力调节阀50、废气压力调节阀59、排出管51、52形成，排出管51、52以从燃料电池堆20内排放的空气流(称为阴极废气)的上游按次序连接前述设备。排出管线通过排出管51连接到燃料电池堆20的端板28。
从燃料电池堆20排放的阴极废气从排出系统80的消声器81通过压力调节阀50、废气压力调节阀59和连接这些阀的排出管51、52排放。
压力调节阀50具有其开度，该开度被控制为以调节待供给到燃料电池堆20的空气的压力。废气压力调节阀59调节排出管52的压力，该压力根据运行要求波动到预先确定的范围。可以使用提升阀作为压力调节阀50和废气压力调节阀59，使得阀的开度通过提前或延迟此提升阀来调节。如前述控制阀的开度可以通过控制用于驱动提升阀的马达的旋转角度完成。
排出管51设有温度传感器55、压力传感器56，且排出管52设有压力传感器57。来自这些传感器的电信号输出到用于控制不同类阀的控制单元120。
循环管线由循环阀60和循环管61、62形成。循环管61连接排出管52和循环阀60，且循环管62连接循环阀60和进入管45。从燃料电池堆20排放的阴极废气经压力调节阀50而通过排出管52且流入到废气压力调节阀59内。然后，阴极废气的全部或部分通过排出管52和循环管61流入到循环阀60。
循环阀60通过调节其开度而调节阴极废气的流速使得阴极废气以预先确定的流速通过循环管62供给到进入管45。在燃料电池堆20内的阴极25内通过电化学反应生产了水(水蒸气)。因此排放的阴极废气包括水蒸气，且因此处于湿态。循环阀60将湿态空气供给到进入管45。在本发明的实施例中提升阀用作循环阀60。
空气压缩机43允许通过循环阀60供给的湿态的空气和从外部新供给的空气引入到其内部以进一步作为已湿润的空气供给到燃料电池堆20。循环阀60直接地控制循环中的阴极废气的流速使得供给到燃料电池堆20的已湿润的空气的量受控。本实施例的燃料电池系统10在进入管线内不提供有用于湿润空气的湿润模块。
冷却系统70由散热器71、泵72和连接散热器71和泵72的管形成。燃料电池堆20的端板28通过管连接到冷却系统70。在燃料电池堆20内的电化学反应产生热，这增加了其内的温度。流入到燃料电池堆20内以抑制温度升高的冷却水被散热器71冷却且然后被泵72循环。
排出系统80设有连接到空气系统40的消声器81使得来自燃料电池堆20的废气被排放到燃料电池系统10的外部。在循环进程中，含有氮成分的氢气通过氢循环泵32，生成了高度浓缩的氮气。排出系统80也连接到氢系统30，这在附图中未示出。因此生成的氮在氢系统30中被稀释以在预先确定的时间排放到外部。
输出系统90由逆变器91、用于车辆运行的马达92、DC/DC转换器93、二次电池94等形成。由供给到燃料电池堆20的氢气和空气之间的电化学反应所生成的电能用于驱动马达92以通过逆变器91运行车辆。在车辆的正常行驶或减速时生成的多余的电力可以通过DC/DC转换器93被储存在二次电池94内。
控制单元120用于控制以上构建的燃料电池系统10的各种阀、马达和泵。图3是代表了输入到控制单元120和从控制单元120输出的信号的方框图。
参考图3，基于从不同的传感器接收到的信号，控制单元120确定车辆的运行状态且输出用于控制执行机构的信号。
更具体地，控制单元120接收分别来自压力传感器56、57、温度传感器55、空气流量计42、加速器位置传感器121和车速传感器122等的指示了压力P1、P2、温度T、空气流速q、加速器开度和车辆速度V等的信号，基于这些信号计算所需的输出(电力)以通过控制空气压缩机43、压力调节阀50、循环阀60、废气调节阀59、氢循环泵32和泵72等运行燃料电池系统10。
控制单元120控制用作湿润模块的湿润的量，湿润模块没有设置在根据本发明的燃料电池系统10内。更具体地，控制单元120计算空气供给管线需要的湿润的量以控制循环阀60的开度。例如当确定湿润的量不足于要求的量时，控制单元120增加循环阀60的开度。而当确定湿润的量超过要求的量时，控制单元120减小循环阀60的开度。
湿润的量可以基于检测值计算，检测值例如包括燃料电池堆20(未示出)的电流值和电压值、由温度传感器55检测到的温度T、由空气流量计42检测到的流速q、从空气压缩机43的马达旋转速度推出的进入空气量和预先确定的水含量图。基于计算的水含量确定对应于要求的湿润的量的阴极废气的循环流速，以确定循环阀60的开度。
在根据第一实施例的燃料电池系统10的运行期间，当通过控制单元120基于运行状态确定燃料电池堆20的动力生成的量已被增加时，通过空气系统40为增加反应速度的目的而增加空气供给量。更具体地，控制单元120执行增加空气压缩机43的马达的旋转速度的控制。
当空气压缩机43的旋转速度增加时，供给的空气的流速增加且在燃料电池堆20和排出管51等内的压力增加。设置在排出管51内的压力传感器56检测已增加的压力值P1。控制单元120接收到来自压力传感器56的电信号，它通过增加压力调节阀50的开度而执行降低压力值P1的控制，其目的是保持燃料电池堆20内的压力大体上恒定。
当增加压力调节阀50的开度时，在排出管52内的阴极废气的流速增加以升高其内的压力。设在排出管52内的压力传感器57检测到压力值P2已增加。控制单元120接收到来自压力传感器57的电信号，它通过增加废气压力调节阀59的开度执行减小压力值P2的控制，其目的是保持排出管52内的压力在预先确定的范围内。
当由控制单元120确定在燃料电池系统10的运行期间由燃料电池堆20所产生的电力已减小时，执行减小空气压缩机43的马达的旋转速度的控制。
当空气压缩机43的旋转速度减小时，排出管51内的压力减小。控制单元120执行增加压力值P1的控制，该压力值P1由基于压力传感器56的压力值P1降低压力调节阀50的开度而已被减小。
当压力调节阀50的开度减小时，排出管52内的压力减小。控制单元120执行增加压力值P2的控制，该压力值P2由基于压力传感器57的压力值P2降低废气压力调节阀59的开度而已被减小。
控制单元120执行如上所述的一系列阀的控制，以将排出管51、52内的每个压力大体上保持恒定。换言之，在阴极废气内由关于燃料电池输出的要求所导致的压力波动通过控制废气压力调节阀59使得排出管52内的压力控制在预先确定的范围内而被抑制。
在排出管52内的处于控制在预先确定的范围内的压力下的阴极废气通过循环管线内的循环管61流入到循环阀60。在循环阀60上游的阴极废气的压力被恒定地维持在预先确定的范围内。在其上游具有保持在恒定压力下的阴极废气的循环阀60用于向进入管45供给预先确定的量的阴极废气。
在根据第一实施例的燃料电池系统中，尽管排出管52内的阴极废气的压力波动，此波动能通过调节废气压力调节阀59的开度抑制。另外，在排出管52内(在循环阀管61内)的压力通过废气压力调节阀59被控制为高于大气压力的预先确定的压力值，以增加循环阀60的上游和下游之间的压力差。这能向循环阀60的上游侧供给处于稳定的压力下阴极废气，以改进循环阀60的可控性。因此，适当的水蒸气的量能供给到处于进入侧的空气。
提升类的阀用于压力调节阀50、废气压力调节阀59和循环阀60。然而，也可以使用蝶型阀(butterfly tpye valve)。也能使用螺线管以驱动提升阀。在此情况下，可以执行负荷控制以以预先确定的周期重复地驱动(开-关运行)阀体。
在第一实施例中，基于压力传感器57的压力值P2控制废气压力调节阀59。然而，此控制也可以基于压力传感器56的压力值P1执行。也可以输出控制命令到废气压力调节阀59，这与从控制单元120到压力调节阀50的一个输出等价。在任一情况下，现有的用于控制燃料电池系统的过程允许排出管52的压力控制到预先确定的范围内。
在第一实施例中，废气压力调节阀59用于控制流入到循环阀60内的阴极废气的压力。也可以在管中提供节气门作为废气压力调节阀59的替代。在此情况下，流经循环管61的阴极废气的压力控制为高于在排出系统80内的阴极废气的压力。换言之，带有预先确定的尺寸的节气门可以增加循环管61和62之间的压力差以改进循环阀60的可控性。
图4是如本发明的第二实施例的燃料电池系统的示意性视图。参考图4，燃料电池系统200主要地由燃料电池堆20、氢系统30、空气系统210、冷却系统70、排出系统80和输出系统90等形成。
根据第二实施例的燃料电池系统200与根据第一实施例的燃料电池系统10除空气系统210外相同。燃料电池系统200的除空气系统210的零件外的部件将标识以与第一实施例中那些部件相同的附图标号，且因此其解释将忽略。燃料电池系统200包括控制不同执行机构的控制单元(未示出)，这与第一实施例相同。
参考图4，空气系统210由进入管线、排出管线和循环管线形成，类似于在第一实施例中描述的那些管线。排出管线包括温度传感器55、其内具有温度传感器56的排出管221、用于调节燃料电池堆20内压力的压力调节阀50和导引阴极废气通过压力调节阀50到排出系统80的排出管222。排出管221、222对应于在图1中示出的根据第一实施例的燃料电池系统10的排出管51、52，它们展现相同的功能。第二实施例的排出管线与第一实施例的排出管线的不同在于不提供废气压力调节阀。
循环管线由循环阀60、循环管62、220等形成。第二实施例的循环管线与第一实施例的循环管线在流过排出管线的阴极废气被循环到进入管线这点上等价。然而，在第二实施例中，连接到循环阀60的循环管220与排出管线连接的位置与第一实施例中不同。
循环管220具有连接到排出管221的一端，使得燃料电池堆20下游和压力调节阀50上游之间的阴极废气被供给到循环阀60。在排出管221内的阴极废气的压力由执行压力控制的压力调节阀50大体上维持恒定。
在第二实施例的燃料电池系统200中，流经排出管221的阴极废气的压力在燃料电池堆20的下游和压力调节阀50的上游之间由执行压力控制的压力调节阀50维持为预先确定的值。因此，用于改进循环阀60的可控性的系统可以由更少的部件形成。
如本发明的实施例已描述，应理解的是本发明不限于前述的实施例且本发明可以形成为多个形式而不偏离本发明的范围。
第一实施例的燃料电池系统构建为使用废气压力调节阀59调节循环阀60上游的压力。也可以使用安全阀替代废气压力调节阀59。此设备的使用用作流道内的流阻，它可以将循环阀60上游的压力设定为等于或大于因排出系统80的管内的流阻导致的压力损失(例如大气压力)。因此由燃料电池堆20的输出波动导致的压力增加可以由使用安全阀抑制在预先确定的范围内。
权利要求
1.一种燃料电池系统(10、200)，包括允许在氧化气体供给源的上游引入氧化气体的进入管(45)，该氧化气体供给源向燃料电池(20)供给该氧化气体，还包括排放含有水蒸气的废气的排出管(51、52、221、222)，该水蒸气在氧电极侧通过所述燃料电池的运行产生，其特征在于包括连接进入管(45)和排出管(51、52、221、222)的循环管(61、62、220)；设置在该循环管内且运行以调节从排出管(51、52、221、222)供给到进入管(45)的废气的流速的循环阀(60)；和设置在排出管(51、52、221、222)内且在循环管(61、62、220)和排出管(51、52、221、222)接合处产生高于至少大气压力的压力的压力产生构件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述压力产生构件包括将流经排出管(51、52)的废气的压力调节到预先确定的压力值的废气压力调节阀(59)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中循环废气的循环管(61、62)的一端在燃料电池(20)和废气压力调节阀(59)之间的位置处连接到排出管(51、52)。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于进一步包括设置在排出管(51、52)内的传感器(57)以检测废气的压力，其中废气压力调节阀(59)的开度基于从该传感器(57)输出的电信号电气地调节。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于所述压力产生构件包括调节燃料电池(20)内的压力的压力调节阀(50)。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中循环废气的循环管(220)一端在燃料电池(20)和压力调节阀(50)之间的位置处连接到排出管(221)。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池系统，其特征在于进一步包括设置在排出管(51、221)内靠近燃料电池(20)的位置处的传感器(56)以检测废气的压力，其中压力调节阀(50)的开度基于从该传感器(56)输出的电信号电气地调节。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于所述压力产生构件包括设置在排出管(51、52、221、222)内、循环管和排出管(51、52、221、222)接合位置下游处的节气门和安全阀的一个。
9.根据权利要求1到8的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于向燃料电池(20)供给氧化气体的所述氧气供给源设置有从外部通过进入管(45)引入空气的压缩机(43)。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中由压缩机(43)引入的空气是环境空气。
11.一种燃料电池系统(10、200)，包括允许在氧化气体供给源的上游引入氧化气体的进入管(45)，该氧化气体供给源向燃料电池(20)供给氧化气体，还包括排放含有水蒸气的废气的排出管(51、52、221、222)，该水蒸气在氧电极侧通过燃料电池的运行产生，其特征在于包括连接进入管(45)和排出管(51、52、221、222)的循环管(61、62、220)；设置在该循环管内且运行以调节从排出管(51、52、221、222)供给到进入管(45)的废气的流速的循环阀(60)；和设置在排出管(51、52、221、222)内且在循环管(61、62、220)和排出管(51、52、221、222)接合的位置处产生高于进入管(45)内压力的压力的压力产生构件。
全文摘要
燃料电池系统(10、200)包括允许在氧化气体供给源的上游引入氧化气体的进入管(45、46)，该氧化气体供给源向燃料电池(20)供给氧化气体，还包括排放含有水蒸气的废气的排出管(51、52、221、222)，该水蒸气在氧电极侧通过燃料电池(20)的运行产生。燃料电池系统(10、200)设置有连接进入管和排出管(51、52、221、222)的循环管(61、62、220)、设在循环管内且运行以调节从排出管(51、52、221、222)向进入管供给的废气的流速的循环阀(60)和设在排出管(51、52、221、222)内循环管和排出管(51、52、221、222)接合的位置处且产生高于至少大气压力的压力的压力产生构件。
文档编号H01M8/10GK1943067SQ200580012063
公开日2007年4月4日 申请日期2005年4月7日 优先权日2004年4月8日
发明者山崎大辅, 梅花丰一, 渡边修夫, 北村伸之 申请人:丰田自动车株式会社