专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明关于一种燃料电池系统。
背景技术：
燃料电池系统，如专利文献1所述，层积了多个在阳极电极和阴极电极之间夹持着电解质的单体电池而构成燃料电池。将连接于燃料电池的氢气供给口的氢气供给管所供给的氢气(燃料气体)与阳极电极接触，将连接于燃料电池的空气供给口的空气供给管所供给的空气(氧化气体)与阴极电极接触，由此产生电化学反应，从而燃料电池发电。
在专利文献1所述的燃料电池系统中，公开了在加压输送被燃料电池吸入排出的气体时，在带有波动地加压输送气体的管道中设置减振部件，从而抑制由于管道的振动而产生噪音的燃料电池系统。
在以往的燃料电池系统中，将高压氢气供给管连接到燃料电池的氢气供给口，在氢气供给管的中途装设氢气调压阀，在氢气供给管的氢气调压阀的上游侧和下游侧，分别设置上游侧和下游侧的截止阀。
专利文献1日本特开2002-373687号公报发明内容这种燃料电池的起动，如图7所示，是通过打开上游侧截止阀，接着打开下游侧截止阀而完成的。但是，打开上游侧截止阀之后，如果在氢气供给管的下游侧截止阀的上游侧还没有被充分地加压的状态下，打开下游侧截止阀，则由于通过氢气调压阀(节流孔、流量调节器、流量计等)的节流部分的高压气体，会在供给管内引起波动。并且此时，下游侧截止阀的下游侧的燃料电池内气压P1和氢气调压阀的进口气压P2会产生波动。这些波动会使氢气供给管中产生较大的振动、噪音。
另外，即使在上述氢气供给管中设置专利文献1中的减振部件，也只能吸收特定频率范围内的振动。
本发明的课题是，在燃料电池系统中，在较大范围的管道长度、部件共振频率内，抑制高压气体供给管中的振动噪音的产生。
为了解决上述课题，本发明的燃料电池系统，是将高压气体供给管连接到燃料电池的气体供给口上，在高压气体供给管的中途装设气体调压阀，在高压气体供给管的气体调压阀的上游侧和下游侧分别设置上游侧和下游侧的截止阀的燃料电池系统，其特征在于具有控制装置，当上游侧截止阀的上游侧的气压和下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差大于基准值时，该控制装置，相对于上游侧截止阀的打开定时，使下游侧截止阀的打开定时延迟规定时间。另外，“气体调压阀”并不只限定于调压阀。节流孔、流量调节器、流量计等形成了用于控制供给管内的气体的流动的“节流部”的部件，也相当于“气体调压阀”。
(a)根据上述本发明的构造，在打开上游侧截止阀之后，延迟规定时间再打开下游侧截止阀，由此在高压气体供给管的下游侧截止阀的上游侧被充分地加压的状态下打开下游侧截止阀。因此，可以防止由于通过气体调压阀(也可以是节流孔、流量调节器、流量计等)的节流部分的高压气体而引起的供给管内的波动的产生(气体供给的振动·噪音的产生)。由于不会产生高压气体供给管的气压的波动，所以可以在较大范围的管道长度、部件共振频率内，抑制高压气体供给管中振动噪音的产生。
在此，高压气体供给管，既可以是燃料气体(阳极气体)的供给管，也可以是氧化气体(阴极气体)的供给管。
根据本发明的一个优选的方式，在上游侧截止阀的上游侧，连接有高压气体源。
在此，作为高压气体源可以是气体罐、泵等。例如，在高压气体供给管是燃料气体的供给管的情况下，储存氢气或者对氢气进行改良的CNG(压缩天然气)等的气体罐相当于高压气体源。另外，在高压气体供给管是氧化气体的供给管的情况下，用于获取大气等的氧化气体的泵(压缩机)相当于高压气体源。
根据本发明的一个优选的方式，当上游侧截止阀的上游侧的气压与下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差大于基准值，下游侧截止阀的下游侧的气压小于对于燃料电池的残留气压所规定的燃料电池内临界值，并且上游侧截止阀与下游侧截止阀之间的气压小于对于高压气体供给管的残留气压所规定的管内临界值时，上述控制装置，相对于上游侧截止阀的打开定时，使下游侧截止阀的打开定时延迟规定时间。
根据该构造，当下游侧截止阀的下游侧的气压(P1)小于对于燃料电池的残留气压所规定的电池内临界值(Pa)，并且上游侧截止阀和下游侧截止阀之间的气压(P2)小于对于高压气体供给管的残留气压所规定的管内临界值(Pb)时，意味着在燃料电池和高压气体供给管中都没有残留一定的气压。此时，根据上述(a)，通过打开上游侧截止阀之后延迟规定时间(一定的间隔时间)再打开下游侧截止阀，由此避免了高压气体以接近声速的速度一口气从高压气体供给管的上游侧向下游侧穿过，从而在气体调压阀、管道的节流孔、弯曲等处产生振动。
在这种情况下，优选为，上游侧截止阀与下游侧截止阀之间的气压是气体调压阀的进口侧的压力。
根据本发明的一个优选的方式，上述控制装置，下游侧截止阀的下游侧的气压越大，将上述规定时间设定得越短，上游侧截止阀与下游侧截止阀之间的气压越大，将上述规定时间设定得越短。
根据该构造，下游侧截止阀的下游侧的气压(P1)越大，将规定时间(间隔时间)设定得越短，上游侧截止阀与下游侧截止阀之间的气压(P2)越大，将规定时间(间隔时间)设定得越短，由此可以有效地在高压气体供给管的下游侧截止阀的上游侧被充分加压的状态下，打开下游侧截止阀。
根据本发明的一个优选的方式，控制装置，上游侧截止阀的上游侧的气压与下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差越小，将规定时间设定得越短。
根据本发明的一个优选的方式，上述规定时间是，打开上游侧截止阀后，上游侧截止阀与下游侧截止阀之间的气压变成比对于高压气体供给管的残留气压所规定的管内临界值高的压力为止的时间。
根据本发明的一个优选的方式，当上游侧截止阀的上游侧的气压和下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差比基准值小时，控制装置使上游侧截止阀的打开定时与下游侧截止阀的打开定时一致。
根据本发明的一个优选的方式，燃料电池系统，还具有检测上游侧截止阀的上游侧气压的第1压力传感器和检测下游侧截止阀的下游侧气压的第2压力传感器。控制装置，根据第1压力传感器以及上述第2压力传感器的检测结果检测出压力差。
根据本发明的一个优选的方式，在高压气体供给管中，流过燃料气体。
本发明的燃料电池系统的截止阀的控制方法，是将高压气体供给管连接到燃料电池的气体供给口上，在高压气体供给管的中途装设气体调压阀，在高压气体供给管的气体调压阀的上游侧和下游侧分别设置上游侧和下游侧的截止阀的燃料电池系统的截止阀的控制方法，其特征在于，当上游侧截止阀的上游侧的气压和下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差大于基准值时，相对于上游侧截止阀的打开定时，使下游侧截止阀的打开定时延迟规定时间。
图1是表示燃料电池系统的管道系统图。
图2是图1的主要部分放大图。
图3是表示燃料电池系统的控制用图的模式图。
图4是表示燃料电池系统的控制顺序的一例的流程图。
图5是表示燃料系统的控制状态的压力线图。
图6是表示燃料电池系统的控制顺序的另一例的流程图。
图7是表示以往燃料电池系统的控制状态的压力线图。
具体实施例方式
燃料电池系统10，层积了多个在阳极电极和阴极电极之间夹持有电解质的单体电池而构成燃料电池11，使连接于燃料电池11的氢气供给口的氢气供给管75所供给的氢气(燃料气体)与阳极电极接触，使连接于燃料电池11的空气供给口的空气供给管71所供给的空气(氧化气体)与阴极电极接触，由此产生电化学反应，进而发电。
也就是说，燃料电池系统10，如图1、图2所示，经由空气供给管71将作为氧化气体的空气(大气)供给燃料电池11的空气供给口。在空气供给管71中，设置有从空气中除去微粒的空气过滤器21、对空气进行加压的压缩机22、检测供给空气压的压力传感器51、以及对空气添加所需水分的加湿器23。另外，在空气过滤器21中，设置有检测空气流量的空气流量计21A。
从燃料电池11排出的空气排放气，经过排气路72向外部排放。在排气路72上，设置有检测排气压的压力传感器52、压力调整阀24、以及加湿器23的换热器。压力调整阀(减压阀)24，作为用于对向燃料电池11供给的空气的压力(空气压)进行设定的调压器而工作。压力传感器51以及52的未图示的检测信号被发送到控制部50(控制装置)。控制部50，通过调整压缩机22以及压力调整阀24来设定供给空气压和供给流量。
作为燃料气体的氢气，从氢气供给源30(高压气体源)经由氢气供给管75(高压气体供给管)向燃料电池11的氢气供给口供给。在氢气供给管75上，设置有检测氢气供给源的压力的压力传感器54、上游侧截止阀(SV2)31、调整向燃料电池11供给的氢气的供给压力的氢气调压阀32、在氢气供给管75的压力异常时开放的溢流阀75A、下游侧截止阀(SV1)33、以及检测氢气的入口压力的压力传感器55。在氢气供给管75的上游侧截止阀31和下游侧截止阀33的中间部、本实施例中是在上游侧截止阀31和氢气调压阀32的中间部，设置有检测氢气的管道内压力的压力传感器56。压力传感器54、55、56的未图示的检测信号被供给控制部50。
没有被燃料电池11消耗的氢气，作为氢气排放气被排出到氢气循环路76，并返回到氢气供给管75的截止阀的下游侧。在氢气循环路76上，设置有检测氢气排放气的温度的温度传感器63、排出氢气排放气的截止阀34、从氢气排放气回收水分的气液分离器35、将回收后的水回收到未图示的罐中的排水阀36、对氢气排放气进行加压的氢气泵37、以及止回阀38。截止阀33以及34，相当于用于关闭燃料电池的阳极侧的关闭装置。温度传感器63的未图示的检测信号，被供给到控制部50。氢气泵37的动作由控制部50所控制。氢气排放气，在氢气供给管75中和氢气汇合后，被供给到燃料电池11从而再利用。止回阀38，防止氢气供给管75的氢气向氢气循环路76侧逆流。
氢气循环路76，经由清除阀39通过清除通路77而连接于排气路72。清除阀39，是电磁式的截止阀，根据来自于控制部50的指令而工作，由此将氢气排放气排放(清除)到外部。通过间歇地进行该清除动作，可以防止因反复进行氢气排放气的循环，燃料极侧的氢气的杂质浓度增加，电池电压降低。
进而，在燃料电池11的冷却水出入口，设置有使冷却水循环的冷却路74。在冷却路74上，设置有检测从燃料电池11排出的冷却水的温度的温度传感器61、将冷却水的热量向外部散出的散热器(换热器)41，对冷却水加压从而使之循环的泵42、以及检测向燃料电池11供给的冷却水的温度的温度传感器62。
控制部50，接收未图示的车辆的加速信号等的负荷请求和来自燃料电池系统的各部分的传感器等的控制信息，对各种阀类和发动机类的运转进行控制。控制部50，由未图示的控制计算机系统构成。控制计算机系统，可以由公知的能得到的系统构成。
然而，关于燃料电池系统10，为了抑制作为高压气体供给管的氢气供给管75中由于氢气压力的波动而产生的振动噪音，具有以下构造。
燃料电池系统10，如前所述，在氢气供给管75的中途装设氢气调压阀32，在氢气供给管75的氢气调压阀32的上游侧和下游侧分别设置上游侧截止阀31和下游侧截止阀33。燃料电池系统10，利用压力传感器55检测出下游侧截止阀33的下游侧(包括燃料电池11)的气压P1，利用压力传感器54检测出上游侧截止阀31的上游侧的气压P3。另外，燃料电池系统10，利用压力传感器56检测出上游侧截止阀31与下游侧截止阀33之间、本实施例中是上游侧截止阀31与氢气调压阀32的中间部(氢气调压阀32的进口侧)的气压P2。
上游侧截止阀31的上游侧的气压P3与下游侧截止阀33的下游侧的气压P1之间的压力差(P3-P1)大于事先设定的基准值Plimit，控制部50以此作为第1条件来进行间隔控制。
下游侧截止阀33的下游侧的气压P1小于对于燃料电池11的残留气压事先规定的电池内临界值Pa，并且，上游侧截止阀31与下游侧截止阀33之间(本实施例中是氢气调压阀32的进口侧压力)的气压P2小于对于氢气供给管75的残留气压事先规定的管内临界值Pb，控制部50以此作为第2条件来进行间隔控制。
控制部50，根据第1和第2条件(但是，只有第1条件也可)，相对于上游侧截止阀31的打开定时，使下游侧截止阀33的打开定时延迟一定的间隔时间(规定时间)T，即进行间隔控制。
控制部50，具有如图3(A)所示的三维图，对于上述每个(P3-P1)参数，根据P1、P2来确定间隔时间T。(P3-P1)越小间隔时间T(mSec)设定得越短。图3(B)表示了对于(P3-P1)的某个参数，根据P1和P2而确定的间隔时间T(mSec)的数据。下游侧截止阀33的下游侧的气压P1越大，将间隔时间T设定得越短；上游侧截止阀31与下游侧截止阀33之间(本实施例中是氢气调压阀32的进口侧压力)的气压P2越大，将间隔时间T设定得越短。
所以，在燃料电池系统10中，由控制部50进行的间隔控制顺序如下(图4)。
(1)利用压力传感器55检测出下游侧截止阀33(SV1)的下游侧的气压P1，利用压力传感器54检测出上游侧截止阀31(SV2)的上游侧的气压P3，利用压力传感器56检测出上游侧截止阀31与下游侧截止阀33之间(本实施例中是氢气调压阀32的进口侧压力)的气压P2(S12)。
(2)判断间隔控制的第1条件。若(P3-P1)小于基准值Plimit，则第1条件不成立，所以将上游侧截止阀31和下游侧截止阀33打开，开始运转燃料电池11(S22)。在此，基准值Plimit是作为在所使用的气体供给管、气体调压阀、气压的条件下大小为不产生波动·振动的压力值，而事先根据实验和模拟等求得的值(S14)。
(3)若(P3-P1)大于基准值Plimit，间隔控制的第1条件成立，所以继续判断第2条件。若P1≥Pa以及/或者P2≥Pb，则第2条件不成立，所以将上游侧截止阀31和下游侧截止阀33打开，开始运转燃料电池11。在此，临界值Pa、Pb是作为在所使用的气体供给管、气体调压阀、气压的条件下大小为不产生波动·振动的压力值，而事先根据实验和模拟等设定的值(S16)。
(4)当P1＜Pa并且P2＜Pb时，间隔控制的第2条件也成立，所以在上述三维图中使用(P3-P1)、P1、P2，来确定间隔时间(规定时间)T(S18)。
(5)打开上游侧截止阀31，并在经过该间隔时间T后打开下游侧截止阀33，即进行时差动作，开始运转燃料电池11(S20)。
所以，利用本实施例会起到以下的作用效果(图5)。
(a)在打开上游侧截止阀31后，延迟一定的间隔时间T再打开下游侧截止阀33，由此如图5所示，变为在氢气供给管75的下游侧截止阀33的上游侧被充分加压的状态下打开下游侧截止阀33。由此，不会导致频繁地反复开关氢气调压阀32(节流孔、流量调节器)的情况，其结果，不会使下游侧截止阀33的下游侧的电池内气压P1和氢气调压阀32的进口侧气压P2产生波动，不会产生氢气供给管75的较大的振动、噪音。由于本身在氢气供给管75中不产生气压的波动，所以可以在较大范围的管道长度、部件共振频率内，抑制氢气供给管75中振动噪音的产生。
(b)当下游侧截止阀33的下游侧的气压P1小于对于燃料电池11的残留气压所规定的电池内临界值Pa、并且上游侧截止阀31与下游侧截止阀33之间的气压P2小于对于氢气供给管75的残留气压所规定的管内临界值Pb时，意味着在燃料电池和氢气供给管75中都没有残留一定的气压。此时，根据上述(a)，在打开上游侧截止阀31之后，延迟一定的间隔时间T再打开下游侧截止阀33，由此避免了高压气体以接近声速的速度一口气从氢气供给管75的上游侧向下游侧穿过，从而在氢气调压阀32、管道的节流孔、弯曲等处产生振动。
(c)下游侧截止阀33的下游侧的气压P1越大，将间隔时间T设定得越短，上游侧截止阀31与下游侧截止阀33之间的气压P2越大，将间隔时间T设定得越短，由此可以有效地在氢气供给管75的下游侧截止阀33的上游侧被充分加压的状态下，打开下游侧截止阀33。
燃料电池系统10中的控制部50的间隔控制动作，如图6所示，也可以通过以下的顺序进行。
(1)用压力传感器55检测出下游侧截止阀33(SV1)的下游侧的气压P1，用压力传感器54检测出上游侧截止阀31(SV2)的上游侧的气压P3，用压力传感器56检测出上游侧截止阀31与下游侧截止阀33之间(本实施例中是氢气调压阀32的进口侧压力)的气压P2(S42)。
(2)判断间隔控制的第1条件(S44)。若(P3-P1)小于基准值Plimit，则第1条件不成立，所以打开上游侧截止阀31和下游侧截止阀33(S52)，开始运转燃料电池11(S54)。
(3)若(P3-P1)大于基准值Plimit，则间隔控制的第1条件成立，所以只打开上游侧截止阀31(S46)。
(4)在打开上游侧截止阀31后，使下游侧截止阀33的打开延迟待机一定的间隔时间(规定时间)，直至上游侧截止阀31与下游侧截止阀33之间(本实施例中是氢气调压阀32的进口侧压力)的气压P2变成高于对于氢气供给管75的残留气压所事先规定的管内临界值Pb(P2＞Pb)(S48)。
(5)当变为P2＞Pb时，打开下游侧截止阀33(S50)，开始运转燃料电池11(S54)。
在利用图6的间隔控制动作的情况下同样，在打开上游侧截止阀31之后，延迟一定的间隔时间(规定时间)T再打开下游侧截止阀33，由此变为在氢气供给管75的下游侧截止阀33的上游侧被充分加压的状态下打开下游侧截止阀33。因此，不会导致频繁地反复开关氢气调压阀32(节流孔、流量调节器)的情况，所以不会使下游侧截止阀33的下游侧的电池内气压P1和氢气调压阀32的进口侧气压P2产生波动，不会产生氢气供给管75的较大的振动、噪音。因为本身在氢气供给管75中不会产生气压的波动，所以可以在较大范围的管道长度、部件共振频率内抑制氢气供给管75中振动噪音的产生。
另外，在以上的说明中，作为本发明的“高压气体供给管”，以阳极气体类的管道、即氢气供给管75为一个例子，但是并不限定于此。例如，在阴极气体的管道系统中同样可以使用上述的截止阀的控制方法。在此情况下，在图1所示的空气供给管71中，在作为高压气体源的压缩机21的下游还设置截止阀，并在该截止阀的下游设置气体调压阀，在该气体调压阀的下游再设置截止阀。
权利要求
1.一种燃料电池系统，该燃料电池系统将高压气体供给管连接到燃料电池的气体供给口上，在高压气体供给管的中途装设气体调压阀，在高压气体供给管的气体调压阀的上游侧和下游侧分别设置上游侧和下游侧的截止阀，其特征在于具有控制装置，当上游侧截止阀的上游侧的气压与下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差大于基准值时，该控制装置，相对于上游侧截止阀的打开定时，使下游侧截止阀的打开定时延迟规定时间。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于当上游侧截止阀的上游侧的气压与下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差大于基准值时，并且当下游侧截止阀的下游侧的气压小于对于燃料电池的残留气压所规定的燃料电池内临界值，并且上游侧截止阀和下游侧截止阀之间的气压小于对于高压气体供给管的残留气压所规定的管内临界值时；上述控制装置，相对于上游侧截止阀的打开定时，使下游侧截止阀的打开定时延迟规定时间。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，上述上游侧截止阀与上述下游侧截止阀之间的气压，是上述气体调压阀的进口侧压力。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于上述控制装置；下游侧截止阀的下游侧的气压越大，将上述规定时间设定得越短；上游侧截止阀与下游侧截止阀之间的气压越大，将上述规定时间设定得越短。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于上述控制装置；上游侧截止阀的上游侧的气压与下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差越小，将上述规定时间设定得越短。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，上述规定时间是，打开上游侧截止阀后，上游侧截止阀与下游侧截止阀之间的气压变成比对于高压气体供给管的残留气压所规定的管内临界值高的压力为止的时间。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于上述控制装置；当上游侧截止阀的上游侧的气压与下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差比基准值小时，使上游侧截止阀的打开定时与下游侧截止阀的打开定时一致。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于还具有检测上游侧截止阀的上游侧的气压的第1压力传感器，以及检测下游侧截止阀的下游侧的气压的第2压力传感器；上述控制装置，根据上述第1压力传感器以及上述第2压力传感器的检测结果检测上述压力差。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在上述高压气体供给管中，流过燃料气体。
10.如权利要求1至9中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在上述上游侧截止阀的上游侧，连接有高压气体源。
11.一种在燃料电池系统中的截止阀的控制方法，该燃料电池系统的截止阀的控制方法将高压气体供给管连接到燃料电池的气体供给口上，在高压气体供给管的中途装设气体调压阀，在高压气体供给管的气体调压阀的上游侧和下游侧分别设置上游侧和下游侧的截止阀，其特征在于当上游侧截止阀的上游侧的气压与下游侧截止阀的下游侧的气压之间的压力差大于基准值时，相对于上游侧截止阀的打开定时，使下游侧截止阀的打开定时延迟规定时间。
全文摘要
本发明关于一种燃料电池系统，该燃料电池系统将高压气体供给管连接到燃料电池的气体供给口，在高压气体供给管的中途装设气体调压阀，在高压气体供给管的气体调压阀的上游侧和下游侧分别设置上游侧和下游侧的截止阀。上述燃料电池系统，通过打开上游侧截止阀接着打开下游侧截止阀从而被起动，但是如果在打开上游侧截止阀之后，在氢气供给管的下游侧截止阀的上游侧还没有被充分加压的状态下打开下游侧截止阀，则此时会有由于通过氢气调压阀的节流部分的高压气体，而在供给管内产生波动，进而产生较大的噪音等问题。本发明通过在上述燃料电池系统中设置控制装置而解决上述问题，该控制装置当上游侧截止阀(31)的上游侧气压(P3)和下游侧截止阀(33)的下游侧气压(P1)之间的压力差比基准值大时，相对于上游侧截止阀(31)的打开定时，使下游侧截止阀(33)的打开定时延迟规定时间。
文档编号H01M8/04GK1954452SQ20058001540
公开日2007年4月25日 申请日期2005年5月12日 优先权日2004年5月14日
发明者奥见正义 申请人:丰田自动车株式会社