专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以高压气体作为燃料的燃料电池系统。
背景技术：
一直以来，在以高压气体作为燃料的燃料电池系统中，已知有在高压罐内设置了由罐内式的电磁阀构成的断流阀的构造。该种断流阀位于为了将高压气体减压而设置的调节器的上游侧，按照在系统运转中开阀，在系统停止中闭阀的方式动作，是为了将系统停止中的燃料的供给切断，另外为了在位于断流阀的下游侧的调节器等设备中产生故障时防止燃料流出而设置的(例如参照专利文献1)。
特公平7-18384号公报(第3页，图2)但是，搭载了专利文献1中所记载的断流阀的系统中，当在接近作为系统整体的保证温度的低温环境下，系统被以高负载运转而高压气体急剧地被消耗时，因高压罐内的等焓膨胀，高压罐内的气体温度降低至比系统的保证温度更低，例如会有损害断流阀的断流功能，特别是断流阀的密封部的功能的问题。
发明内容
本发明是解决所述以往的问题的方案，其目的在于，提供在低温环境下的运转中，可以防止从高压罐直至燃料电池的设备的功能受到损害的情况的燃料电池系统。
本发明的特征是，具备将蓄积于内部的燃料向燃料电池供给的高压罐、将所述高压罐内的所述燃料向所述燃料电池供给的供给装置、控制在所述燃料电池中被消耗的燃料消耗量的燃料消耗控制机构、检测由所述高压罐放出的所述燃料的温度的燃料温度检测机构，利用所述燃料温度检测机构来控制所述燃料消耗量。
根据所述本发明，基于由高压罐放出的燃料的温度来控制燃料消耗量，因此可以控制由高压罐内的减压造成的热能的损失，即温度降低，因此就可以防止供给装置(例如断流阀)的由低温造成的劣化。而且，所谓所述的由高压罐中放出的燃料的温度也包括蓄积于高压罐内的燃料的温度。
例如，所述燃料消耗控制机构是控制所述燃料电池的输出的输出控制机构。像这样，通过控制燃料电池的输出，就可以控制燃料消耗量。
另外，所述燃料消耗控制机构也可以是控制所述燃料向所述燃料电池的供给量的燃料供给量控制机构。像这样，通过控制燃料向燃料电池的供给量，就可以控制燃料消耗量。
另外，也可以基于所述高压罐所处的最低使用环境温度和所述供给装置的性能保证温度，来求得所述燃料消耗量的最低限制值。这样，由于可以根据高压罐等燃料所参与的构件的特性，来抑制燃料消耗量的限制，因此就可以防止不必要地限制燃料电池的输出或不必要地限制燃料向燃料电池的供给量的情况。
另外，也可以还具备检测所述燃料电池所处的环境温度的环境温度检测机构，利用所述环境温度检测机构来求得所述燃料消耗量的最低限制值。这样，由于因高压罐所处的环境温度的变化，高压罐所接受的热能不同，因此就能够实现与环境温度对应了的燃料消耗量的限制，从而可以防止不必要地限制燃料电池的输出或不必要地限制燃料向燃料电池的供给量的情况。
根据本发明，在低温环境下的使用中，通过限制燃料消耗量来抑制由高压罐中排出的燃料的温度降低，就可以防止断流阀等供给装置劣化的情况。
图1是实施方式1的燃料电池系统的整体构成图。
图2是表示燃料电池的输出控制的流程图。
图3是表示气体温度与燃料电池的输出的关系的图形。
图4(a)是表示基于环境温度与气体温度的温差的热交换平衡输出的图形，(b)是表示气体温度与燃料电池的输出的关系的图形。
图5是表示燃料电池的其他的输出控制的流程图。
图6是表示气体温度与燃料电池的输出的关系的图形。
图7是实施方式2的燃料电池系统的整体构成图。
图8是表示燃料向燃料电池的供给量的控制的流程图。
图9是表示气体温度与气体供给量的关系的图形。
其中，1A，1B燃料电池系统，11高压罐，12断流阀，13调节器，14加湿器，15气体供给控制阀(燃料供给量控制机构)，30A控制装置(输出控制机构)，30B控制装置(燃料供给量控制机构)，FC燃料电池，T1温度传感器(燃料温度检测机构)，T2温度传感器(环境温度检测机构)具体实施方式
下面将参照附图对本实施方式的燃料电池系统进行说明。而且，以下说明中，将以在车辆中搭载该燃料电池系统的情况为例进行说明。
(实施方式1)图1是实施方式1的燃料电池系统的整体构成图，图2是表示燃料电池的输出控制的处理的流程图，图3是表示气体温度与燃料电池的输出的关系的图形。
如图1所示，实施方式1的燃料电池系统1A包括燃料电池FC、氢供给机构10、空气供给机构20、控制装置30A、温度传感器T1、T2。
所述燃料电池FC是作为固体高分子型的PEM(Proton ExchangeMembrane)型的燃料电池，是将多个单电池层叠而构成的，该单电池是将用含有规定的催化剂的阳极p1和阴极p2夹持电解质膜m而构成的膜电极构造体(MEAMembrane Electrode Assembly)再用一对导电性的隔板(未图示)夹持而构成的。
所述氢供给机构10是向燃料电池FC的阳极p1供给作为燃料的氢的部分，例如由高压罐11、断流阀12、调节器13及加湿器14构成。而且，断流阀12、调节器13及加湿器14相当于本实施方式中的供给装置。另外，为了防止燃料消耗的浪费等，向阳极p1供给的氢被使用喷射器等(未图示)再循环使用。
所述高压罐11是能够以例如35MPa(350个大气压)的非常高的压力蓄积作为燃料的氢的容器。断流阀12是被与高压罐11一体化地设置的罐内式的电磁阀。调节器13是用于将由高压罐11放出的高压的氢减压的装置，例如由多个调节器(减压阀)构成，从而能够阶段性地减压。加湿器14是用于将氢加湿为适于燃料电池FC内的反应的湿度的装置。
所述空气供给机构20是向燃料电池FC的阴极p2供给作为氧化剂的空气的机构，由压缩机21、冷却器(未图示)、加湿器(未图示)等构成。压缩机21是由马达驱动的增压器等，被与燃料电池FC的上游侧连接，利用来自后述的控制装置30A的信号控制马达的转速。
而且，所述燃料电池系统1A中，设有由未图示的散热器或循环泵等构成的冷却机构，具备将燃料电池FC伴随着发电产生的热向大气中放出的功能。
所述控制装置30A由未图示的CPU、ROM、RAM、周边电路、输入输出接口等构成，借助未图示的控制线来控制断流阀12及调节器13。该控制装置30A包括本实施方式的输出控制机构。
所述温度传感器T1是检测从高压罐11经过断流阀12放出的氢的温度(气体温度)的装置，被设于断流阀12的下游侧。该温度传感器T1相当于本发明的燃料温度检测机构。而且，温度传感器T1也可以直接检测高压罐11内的温度。
所述温度传感器T2是检测燃料电池FC所处的环境温度(外界温度)的装置，相当于本发明的环境温度检测机构。
这些温度传感器T1、T2分别借助信号线L1、L2与控制装置30A连接，从而将由温度传感器T1检测的气体温度、由温度传感器T2检测的环境温度分别输入控制装置30A。
本实施方式的燃料电池系统1A中，由断流阀12的开阀造成的来自高压罐11的高压力的氢，经过调节器13以被减压至规定的压力的状态向燃料电池FC的阳极p1供给，另外来自压缩机21的压缩空气被未图示的冷却器冷却到规定的温度，在由未图示的加湿器加湿为规定的湿度的状态下，向燃料电池FC的阴极p2供给。这样，在燃料电池FC内因氢与空气中的氧发生电化学反应而进行发电。燃料电池FC所产生的电能(发电电流)被向未图示的行进马达或辅机(压缩机21)等负载供给。
而且，在燃料电池FC的扫气处理或冲洗处理时被排出的氢在经过未图示的稀释装置而被由燃料电池FC的阴极排出的生成水或空气等稀释为规定的浓度后向车辆的外部排出。
下面，在参照图2及图3的同时，对实施方式1的燃料电池系统1A中的燃料电池FC的输出控制进行说明。而且，图2中，将各处理步骤简记为「ST」。另外，以下的说明中，以保护断流阀12的情况为例进行说明。另外，以将该断流阀12的性能保证温度设为-40℃，将输出开始限制温度设为-35℃的情况为例进行说明。但是，对于输出开始限制温度，并不限定于-35℃，可以任意地设定。
但是，搭载了燃料电池系统1A的车辆中，在例如因将油门踏板踩下而进行急速的加速，从燃料电池FC中取出很大的电能的情况下，从高压罐11中急速地放出氢。此时，当从高压罐11中放出高压的氢时，所放出的氢的温度即降低。由此，在车辆被在冰点以下的低温环境下运转时，当如前所述地从高压罐11中急速地放出氢时，则氢就有可能降低至比断流阀12的性能保证温度(-40℃)更低，这样断流阀12就有可能劣化，特别是断流阀12的密封性能降低，断流功能受损。
所以，为了防止此种断流阀12的由低温造成的劣化，在实施方式1的燃料电池系统1A中，基于图2的流程图及图3的图形来控制燃料电池FC的输出。
控制装置30A中，在图2的步骤1(ST1)中，利用温度传感器T1一直监视从高压罐11中放出的氢的气体温度(燃料的温度)。此外，在步骤2(ST2)中，判断气体温度是否在-35℃(输出限制开始温度)以下，在该步骤2(ST2)中，在气体温度不是在-35℃以下的情况下(No)，返回，回到步骤1(ST1)。
另一方面，在步骤2(ST2)中，在判断为气体温度在-35℃以下的情况下(Yes)，转移到步骤3(ST3)，基于图3的图形，限制燃料电池FC的输出(最高输出)。该图3所示的图形表示了燃料电池FC的输出与气体温度的关系，将气体温度到达了-35℃的情况作为输出限制开始的引发条件，缓慢地限制燃料电池FC的输出(最高输出)。此时的对燃料电池FC的输出限制是通过从控制装置30A，向燃料电池FC经过控制线L3(参照图1)提供用于抑制从燃料电池FC中输出的发电电流(电能)的控制信号而进行的。
像这样，在实施方式1的燃料电池系统1A中，通过限制来自燃料电池FC的发电电流(电能)的取出量，就可以抑制由高压罐11放出的燃料的量，因此就能够防止气体温度急剧地降低，防止断流阀12的劣化。而且，也可以不是通过限制从燃料电池FC中取出的电流，而是通过限制电能消耗机器的消耗量，来限制燃料电池FC的输出。
但是，虽然利用所述的燃料电池系统1A的输出控制，可以防止断流阀12的劣化，但是根据高压罐11的特性，即高压罐11的材质等，高压罐11可以从环境温度(外界温度)中接收的热能量不同，当一律仅根据由温度传感器T1得到的温度来限制燃料电池FC的输出时，就有可能将其输出限制为必要程度以上。即，如图3所示，如果在气体温度降低至-40℃时将输出设为零，则会产生车辆完全无法行进的问题。所以，也可以通过基于图4(a)所示的图形来设定燃料电池FC的输出的最低限制值，来消除车辆无法行进这样的问题。
图4(a)是表示基于环境温度与气体温度的温差的热交换平衡输出的图形，图4(b)是表示气体温度与燃料电池的输出的关系的图形。图4(a)的所谓Δt是从由温度传感器T2检测的环境温度中减去了由温度传感器T1检测的气体温度的温差。另外，图4(a)的所谓热交换平衡输出是在氢放出时因高压罐11的减压而损失的热能量、与在环境温度下高压罐11内的燃料经过高压罐11所接受的热能量相等时的输出。这里，通过利用图4(a)所示的关系，将Δt的环境温度置换为燃料电池FC所处的(车辆所保证的)最低使用环境温度，将气体温度置换为断流阀12的性能保证温度，就可以求得由燃料电池FC消耗的燃料消耗量的最低限制值。例如，在将最低使用环境温度设为-20℃，将断流阀12的性能保证温度设为-40℃的情况下，温差Δt即变为20℃(图4(a)中以符号t1表示)，该t1℃下的热交换平衡输出，即最低限制值成为在图4(a)中以符号I表示的输出。其结果是，可以得到图4(b)所示的图形，基于该图形可以控制燃料电池FC的输出。
像这样，基于最低使用环境温度、断流阀12的性能保证温度来求得燃料电池FC的燃料消耗量的最低限制值，由此可以防止将燃料电池FC的输出限制为必要程度以上的情况，因此可以防止车辆无法行进这样的问题，另外可以防止行进性能被过度地限制的情况。
另外，在本实施方式的燃料电池系统1A中，也可以增加图5所示的流程图来控制燃料电池FC的输出。图5是表示燃料电池的其他的输出控制的流程图，图6是表示气体温度和燃料电池的输出的关系的图形。而且，图5是取代图2的步骤3(ST3)而设置了步骤4(ST4)及步骤5(ST5)的流程图。
如图5所示，控制装置30A(参照图1)中，在步骤2(ST2)中，在气体温度被判断为-35℃以下的情况下(Yes)，在步骤4(ST4)中，从温度传感器T2取得环境温度。此后，转移到步骤5(ST5)，基于图6的图形限制燃料电池FC的输出(最高输出)。该图6所示的图形虽然基本上与图3所示的图形相同，但是在基于环境温度可以改变最低限制值这一点上不同。即，如图6所示，在环境温度低的情况下，最低限制值被设定得较小，在环境温度高的情况下，最低限制值被设定得较高。由此，由于可以抑制将燃料电池FC的输出限制为必要程度以上的情况，因此可以消除行进性能受损这样的问题，另外可以防止行进性能被过度地限制的情况。
(实施方式2)图7是实施方式2的燃料电池系统的整体构成图，图8是表示燃料向燃料电池的供给量的控制的流程图，图9是表示气体温度与气体供给量的关系的图形。该实施方式2的燃料电池系统1B取代实施方式1中的输出控制机构，搭载了燃料供给量控制机构，由于其他的构成与实施方式1相同，因此使用相同的符号，而将其说明省略。
所述燃料供给量控制机构由气体供给控制阀15、该气体供给控制阀15的控制装置30B构成。气体供给控制阀15可以利用可变节流孔、开关式的开闭阀等构成，例如被设于调节器13和加湿器14之间。而且，在开关式的开闭阀的情况下，通过在切换开和关的时刻的同时进行控制，就可以控制向燃料电池FC供给的燃料的供给量。
下面，对实施方式2的燃料电池系统1B的燃料供给量的控制进行说明。控制装置30B中，如图8所示，在步骤11(ST11)中，利用温度传感器T1一直监视由高压罐11放出的氢(燃料)的气体温度。此后，在步骤12(ST12)中，判断所检测的气体温度是否达到-35℃(输出限制开始温度)以下。在步骤12(ST12)中，在气体温度被判断为在-35℃以下的情况下(Yes)，则转移到步骤13(ST13)，基于图9的图形来限制气体供给量(燃料的供给量)。图9所示的图形是表示气体温度与气体供给量的关系的图形，将气体温度降低至-35℃的情况作为开始气体供给量的限制的引发条件，缓慢地限制向燃料电池FC供给的气体供给量。向燃料电池FC的气体供给量的限制例如通过从控制装置30B经过控制线L4向气体供给控制阀15提供控制信号来控制。
像这样，在实施方式2的燃料电池系统1B中，通过限制向燃料电池FC的气体供给量，就能够防止由高压罐11放出的气体温度急剧地降低的情况，从而可以防止断流阀12的由低温造成的劣化。
而且，实施方式2中，也可以与实施方式1相同地如下控制，即，与环境温度对应地制作气体温度下的气体供给量的图形，在环境温度低的情况下，将气体供给量的最低限制值设定得较低，在环境温度高的情况下，将气体供给量的最低限制值设定得较高。
另外，所述的实施方式中，虽然作为供给装置的保护，以防止断流阀12的劣化的情况为例进行了说明，但是并不限定于此，对于在供给装置当中调节器13与断流阀12或加湿器14相比低温耐受性更差的燃料电池系统1A、1B的情况，也可以为了保护调节器13而控制燃料电池FC的输出或向燃料电池FC的气体供给量。另外，对于加湿器14与断流阀12或调节器13相比低温耐受性更差的燃料电池系统1A、1B的情况，也可以为了保护加湿器14而控制燃料电池FC的输出或向燃料电池FC的气体供给量。另外，温度传感器T1的位置可以根据所保护的供给装置的种类适当地变更，例如在保护加湿器14的情况下，也可以将温度传感器T1设于调节器13和加湿器14之间。
另外，所述的实施方式中，虽然以车辆为例进行了说明，但是并不限定于此，也可以适用于家庭用等固定式的燃料电池系统。在适用于固定式的燃料电池系统的情况下，通过基于环境温度使气体供给量的最低限制值可变，就可以防止燃料电池FC的发电性能过度地降低的情况。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征是，包括燃料电池、在内部蓄积了燃料的高压罐、将所述高压罐内的所述燃料向所述燃料电池供给的供给装置、控制在所述燃料电池中被消耗的燃料消耗量的燃料消耗控制机构、检测由所述高压罐放出的所述燃料的温度的燃料温度检测装置，基于所述燃料温度检测装置中检测到的所述温度来控制所述燃料消耗量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，所述燃料消耗控制机构是控制所述燃料电池的输出的输出控制机构。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，所述燃消耗控制机构是控制向所述燃料电池供给的所述燃料的量的燃料供给量控制机构。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，所述供给装置包括断流阀、调节器及加湿器。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，所述供给装置包括断流阀、调节器、加湿器及气体供给控制阀。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，基于所述高压罐所处的最低使用环境温度和所述供给装置的性能保证温度，来求得所述燃料消耗量的最低限制值。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，还包括检测所述燃料电池所处的环境温度的环境温度检测装置，基于所述环境温度检测装置检测到的温度，来求得所述燃料消耗量的最低限制值。
8.一种搭载了权利要求1～7中任意一项所述的燃料电池系统的车辆。
9.一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括高压罐、燃料电池和供给装置，该控制燃料电池系统的方法的特征是，包括检测从所述高压罐排出的气体的温度的步骤；判定所述检测温度是否在规定的限制值以下的步骤；在判断为所述检测温度在所述规定的限制值以下的情况下，基于所述气体温度来限制所述燃料电池的输出的步骤，所述规定的限制值是基于所述供给装置的性能保证温度来设定的。
10.根据权利要求9所述的控制燃料电池系统的方法，其特征是，在所述判定步骤中，在判定为所述检测温度在所述规定的限制值以下的情况下，在限制所述燃料电池的输出的步骤之前还包括检测所述燃料电池的环境温度的步骤，所述限制所述燃料电池的输出的步骤，进一步基于所述检测到的环境温度来进行。
全文摘要
本发明提供一种在低温环境下的运转中，可以防止从高压罐直至燃料电池的设备的功能受到损害的情况的燃料电池系统。在断流阀(12)的下游，设有检测从高压罐(11)放出的燃料的温度的温度传感器(T1)。控制装置(30A)中，在判断为气体温度低于预先设定的输出限制开始温度的情况下，基于规定的图形，限制来自燃料电池(FC)的输出。由于通过限制输出，就可以限制由高压罐(11)放出的燃料的量，因此可以抑制燃料急剧地降低的情况。
文档编号H01M8/00GK1877892SQ20061008424
公开日2006年12月13日 申请日期2006年5月29日 优先权日2005年6月9日
发明者高久晃一, 斗贺泽秀一 申请人:本田技研工业株式会社