专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，特别是涉及抑制异常噪音以及机械部件的应力产生的技术。
背景技术：
如日本专利特开2002-373687号公报所记载的那样，燃料电池系统，构成将多个由阳极电极和阴极电极夹住电解质的单电池多个层叠的燃料电池，使连接到燃料电池的氢供给口的氢供给管所供给的氢(燃料气体)与阳极接触，使连接到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)与阴极接触，通过由此产生的电化学反应发电。
日本专利特开2002-373687号公报公开了一种燃料电池系统，其中，在压送吸入或排出燃料电池的气体时，通过在利用脉动压送气体的配管中设置减振部件来抑制由配管振动引起的噪音的产生。
发明内容
对于在将来自氢供给源的氢供给燃料电池阳极侧的氢供给管的途中设有燃料电池入口断流阀(下面，称作FC入口阀)的燃料电池系统的起动，通过打开氢供给源侧的主截止阀(主阀)、接着打开FC入口阀来进行。
可是存在下述问题，即，打开主截止阀后，如果在氢供给管的FC入口阀的上游侧还未被充分加压的状态下打开该FC入口阀，则在系统起动时具有与大气压相当的压力的氢供给管及燃料电池内的气体通路中，由于供给高压氢及加压空气而急剧地加压，从而会因为冲击而在电池组(stack)内部产生异常噪音，并在机械部件中产生振动应力。
这种问题不仅出现在氢供给系统的通路(氢供给管)中，而且在将从燃料电池排出的氢废气返回氢供给管的氢循环系统的通路、将氢废气排到外部的氢排出系统的通路、及将来自燃料电池的空气废气排出的空气排出系统的通路等、供给燃料电池的气体及从燃料电池排出的废气流通的通路中也会产生这种问题。
作为该问题的对策，即使在氢供给管等的气体通路中设置日本专利特开2002-373687号公报中记载的减振部件，也只能吸收特定频率范围的振动，而不能充分地解决所述问题。而且，这种急剧加压不一定限定在燃料电池的起动期间。
另外，在具有从其两侧由阳极电极和阴极电极夹持固体高分子电解质膜(以下，称作电解质膜)的燃料电池的燃料电池系统中，为了电解质膜的破损防止、长寿命化等，有必要将阳极侧的氢气供给压力与阴极侧的空气供给压力的压差(以下，称作极间压差)控制到规定值以下。
因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，可抑制由急剧加压引起的异常噪音的产生以及机械部件的应力产生。
本发明的燃料电池系统，具有接受反应气体的供给而发电并排出反应废气的燃料电池；所述反应气体或所述反应废气流通的气体通路；设置在该气体通路上的阀装置；及控制该阀装置的开度的控制装置，其中，所述控制装置在所述气体通路内的气体压力增加时，根据所述阀装置的上游和下游的压差的大小，以连续或断续地增加开度面积的方式控制该阀装置的开度。
根据这种结构，由于例如像系统起动时那样、阀装置的下游压力(例如，阀装置-燃料电池间的气体通路、燃料电池内的气体通路等)降低到与大气压相当，所以，即使在供给高压或加压后的反应气体时气体通路内的气体压力增加的情况下，通过与阀装置的上下游间的压差的大小对应地使该阀装置的开度面积连续增加或断续增加(例如，以规定周期重复全开和全闭)，也可以抑制气体通路内的急剧加压。
而且，本发明的燃料电池系统，具有接受反应气体的供给而发电并排出反应废气的燃料电池；所述反应气体或所述反应废气流通的气体通路；设置在该气体通路上的阀装置；及控制该阀装置的开度的控制装置，其中，所述控制装置在所述阀装置的上下游间的压差为规定值以上时，根据该压差的大小，以连续或断续地增加开度面积的方式控制该阀装置的开度。
根据这种结构，由于例如像系统起动时那样、阀装置的下游压力降低到与大气压相当，所以，即使在供给高压或加压后的反应气体时出现急剧加压的担忧的情况下，在阀装置的上下游间的压差未满规定值期间，通过连续或断续地增加该阀装置的开度面积，能使阀装置的上下游间的压差逐渐减小，从而可以抑制急剧加压。
所述控制装置在所述阀装置的下游压力为目标压力以下时，根据所述下游压力与目标压力的压差的大小控制该阀装置的开度。
根据这种结构，即使在存在气体通路被急剧加压的担忧的情况下，在阀装置的下游压力达到目标压力之前期间，通过连续或断续地增加该阀装置的开度面积，能使阀装置的下游压力和目标压力的压差逐渐减小，从而可以抑制急剧加压。
所述压差越大，所述阀装置的单位时间内的开度面积变化量越小。
由于对于压差大这种情况，存在急剧加压的担忧，所以根据这种结构，可以更有效地抑制急剧加压时的共鸣的产生以及机械部件的应力产生。
所谓“单位时间内的开度面积变化量越小”除表示连续或阶段地增加阀装置的开度时的开度面积变化量小之外，还包含下述含义，即，断续地使阀装置的开度为全开时的全开时间较短及/或全闭时间较长。
所述阀装置的下游的封闭空间体积越大，该阀装置的单位时间内的开度面积变化量越小。
根据这种结构，即使在加压后的封闭空间包含例如燃料电池内的气体通路等、封闭空间体积大的情况下，也可以更有效地抑制急剧加压时的共鸣的产生以及机械部件的应力产生。
所述阀装置可以为开闭式电磁阀或开度可变式电磁阀中的至少一种。
例如，在阀装置为开闭式电磁阀的情况下，即，在阀装置为只能选择全开(开度指令ON)或全闭(开度指令OFF)的阀装置的情况下，通过以规定周期重复全开和全闭，能使所述压差逐渐减少，从而可以抑制急剧加压。
在所述阀装置为开闭式电磁阀的情况下，可以由负载控制来改变该阀装置的开度面积。
这种情况中，可以使负载比(ON-OFF重复时的ON-OFF时间比率)一定，也可以使负载比随时间经过而逐渐减少或增加。
另一方面，在阀装置为开度可变式电磁阀的情况下，即，在阀装置为能在全开-全闭期间例如线性地可变控制阀装置开度的装置的情况下，通过例如渐渐地增加阀装置的开度等、连续地使阀装置的开度变化，能使所述压差逐渐减少，从而可以抑制急剧加压。
所述阀装置可以为位于设置在所述气体通路上的调压阀的下游的电磁阀。
根据这种结构，由调压阀(例如，机械式调节器、减压阀等)减压后的气体压力会由其下游的电磁阀连续或断续地进行开度控制，从而能以简单地方式保证电磁阀的耐久性、密封性。而且，还可以抑制由高压气体的影响产生的电磁阀的控制恶化。
可以根据所述阀装置的下游压力，设定该阀装置的单位时间内的开度面积变化量。
根据这种结构，可以使该阀装置的下游压力反馈到阀装置的开度设定。
所述阀装置可以为连接到所述气体通路上的高压储气罐的主阀。
根据这种结构，即使对于在气体通路的途中未设置容许/禁止向燃料电池的气体供给的阀装置或对朝向燃料电池的气体供给压力进行调压(减压)的阀装置的燃料电池系统，通过控制高压储气罐的主阀，也可以抑制与燃料电池相连的气体供给通路或燃料电池内部的气体通路被急剧加压。
可以在所述气体通路上串联地设置多个所述阀装置，并与上游侧阀装置的开闭状态对应地控制下游侧阀装置的开度面积。
根据这种结构，可以主要控制串联地设置的阀装置中上游侧的阀装置的开度，从属地控制下游侧阀装置的开度。而且，在例如系统起动时下游侧的阀装置保持关闭、仅打开上游侧的阀装置的情况下，上游侧的阀装置至下游侧的阀装置间的封闭空间，作为抑制其下游的气体通路(例如与燃料电池相连的气体供给通路或燃料电池内部的气体通路)被急剧加压的缓冲器而起作用。
可以协调控制供给所述燃料电池阳极侧的气体压力与供给阴极侧的气体压力。
这里，所谓协调控制是指，例如与对应阴极侧(燃料气体侧)或阴极侧(氧化气体侧)中一侧的气体压力变化设定的阀装置的开度控制对应地，另一侧的气体压力变化，以此方式进行调压(实施至少另一侧的阀装置的开度控制)。
例如，可以主要控制设置在高压燃料气体侧的气体通路中的阀装置，并与其对应地、控制设置在氧化气体侧的气体通路中的阀装置或/和气体供给机构(例如，压缩机)，所以可以将从燃料气体供给通路供给燃料电池的燃料气体供给压力与从氧化气体供给通路供给燃料电池的氧化气体供给压力之间的压差控制到适当范围内。
特别是，在用阳极电极和阴极电极从电解质膜两侧夹持电解质膜构成燃料电池的燃料电池系统中，能抑制极间压差(燃料气体供给压力与氧化气体供给压力的压差)的过度增大，从而可以防止电解质膜破损等。
所述气体通路的一部分为相互并列的通路，其中一条通路与另一条通路相比为压力损失大的通路，当所述压差为规定值以上时，代替连续或断续地增加所述阀装置的开度面积的方式，使用所述压力损失大的通路。
比另一条通路的压力损失大的通路，例如可以如下构成，即，使其与另一条通路相比小径化、在通路途中设置弯曲部、曲折部、或者在通路途中设置如节流孔或过滤器等使流体阻力增加的元件。
所述控制装置可以在所述燃料电池起动时以连续或断续地增加开度面积的方式控制所述阀装置的开度。由于在燃料电池起动时、例如长时间停止后的起动时或从间歇运转开始的再起动时，存在压力降低到与大气压相当或规定压力的气体通路(例如，气体供给通路及燃料电池内的气体通路)接受高压或加压后的反应气体或反应废气的供给而被急剧加压的担忧，所以所述控制可以有效地抑制这种急剧加压。
作为所述燃料电池系统的一种起动方法，可以在所述阀装置的下游压力为目标压力以下时，以使所述下游压力和目标压力之间的压差逐渐减小的方式将所述反应气体供给燃料电池。根据这种结构，可以抑制急剧加压。
而且，作为其它起动方法，也可以在所述阀装置的上下游间的压差为规定值以上时，以使该压差逐渐减小的方式将所述反应气体供给燃料电池。根据这种结构，可以抑制急剧加压。
在这些燃料电池系统的起动方法中，作为使阀装置的下游压力与目标压力的压差逐渐减少、或者使阀装置的上下游间的压差逐渐减少的具体方法，例如有使加压时的阀装置的开度比通常运转时的开度小(例如，通常运转时的1/3)、使单位时间内的压力上升量保持在一定值(例如，10kPa/100毫秒)以下、使单位时间内的气体供给量(流速)保持在一定值(例如，1L/100毫秒)以下等。
除了这些方法之外，还可以使单位时间内的阀开度可变、在加压初期慢慢地(例如，5step/秒)打开阀，从加压开始伴随时间经过而快速(例如，20step/秒)打开阀，由此使所述压差逐渐减小。
另外，在使用仅对开闭(ON-OFF)两状态的阀开度能进行电子控制的电磁阀(开闭式电磁阀)的情况下，代替控制阀开度，可以通过控制开闭的负载比(ON-OFF比)来使所述压差逐渐减小。例如以下述方式进行控制，即，加压初期使ON时间比率变小，经过规定时间后使ON时间比率变大。
图1为表示根据本发明的燃料电池系统的第一实施方式的概略结构图。
图2为说明图1所示的燃料电池系统起动时FC入口阀的控制流程的流程图。
图3为表示FC入口阀为开闭式电磁阀时的一控制例的时间图。
图4为表示图3所示的一控制例的压力变动的时间图。
图5为表示FC入口阀为开闭式电磁阀时的其它控制例的时间图。
图6为表示FC入口阀为开度可变式电磁阀时的一控制例的时间图。
图7为说明第二实施方式的燃料电池系统起动时FC入口阀的控制流程的流程图。
图8为说明第三实施方式的燃料电池系统起动时FC入口阀的控制流程的流程图。
图9为说明第四实施方式的燃料电池系统起动时FC入口阀的控制流程的流程图。
图10为表示第五实施方式的燃料电池系统的概略结构图。
图11为表示第六实施方式的燃料电池系统的概略结构图。
具体实施例方式
<第一实施方式>
图1为表示根据本发明的燃料电池系统的第一实施方式的概略结构图。该燃料电池系统1除了可以适用到燃料电池车辆的车载发电系统之外，还可以适用到如定置使用的发电系统。
燃料电池10为通过燃料气体(反应气体)和氧化气体(反应气体)的电化学反应来发电的单电池的层叠体。各单电池为将阳极电极和阴极电极配置在电解质膜的两侧的结构。
作为氧化气体的空气被供给燃料电池10的阴极侧。空气从过滤器40吸入、由压缩机41压缩后、由加湿器42加湿、并从配管(气体通路)35供给燃料电池10。来自阴极的排气(下面，称作阴极废气(反应废气))通过配管36、消声器43排到外部。空气的供给压力由调压阀44的开度控制。
储存在氢罐(高压储气罐)20中的氢作为燃料气体通过配管(气体通路)32供给燃料电池阳极侧。也可以代替该氢罐20，使用通过以醇、烃、醛等为原料的改性反应产生氢并将其供给阳极侧的燃料改性器、氢吸附合金等。
在配管32上从其上游顺次设置氢罐20的截止阀(主阀)21、将一次压力减压到规定的二次压力的调节阀(调压阀)23、开闭阀24、及燃料电池入口阀(阀装置)25。
该燃料电池入口阀(以下，称作FC入口阀)25为开闭式电磁阀或开度可变式电磁阀，对于前一种电磁阀，在阀本体内滑动并可着座在阀座上的阀体的开度(以下，称作阀开度)只能选择全开、全闭中的一种；对于后一种电磁阀，能在全开-全闭间例如线性地可变控制阀开度，对于任一种结构都能采用控制装置50控制阀开度。
高压储存在氢罐20中的氢由调节阀23调压(减压)后供给燃料电池10的阳极。而且，来自该阳极的排气(下面，称作阳极废气(反应废气))流到配管33。在该配管33的阳极出口侧设置燃料电池出口阀(以下，称作FC出口阀)26。
配管33在其途中分支为两路，一路连接到将阳极废气排到外部用的排出管34，另一路通过单向阀28连接到配管32。在由连接到燃料电池10的阳极出口的配管33与从其分支后连接到配管32的配管构成的燃料气体循环通路上设置使阳极废气升压而回流到配管32的氢泵45。
在设置在排出管34上的排出阀(排气阀)27关闭期间，阳极废气通过配管32再次循环到燃料电池10。由于在阳极废气中残留未由发电消耗掉的氢，所以通过如此循环，能有效利用氢。
在阳极废气的循环中，氢用在发电中，另一方面，氢以外的杂质，例如，从阴极透过电解质膜的氮等未被消耗而残留下来，因此，杂质的浓度逐渐增大。在这种状态下，当排出阀27打开时，阳极废气通过排出管34排到外部(排气)，杂质的循环量降低。
除氢及空气之外，冷却水也被供给燃料电池10。冷却水通过冷却水泵46流经冷却用的配管37，由散热器38冷却后供给燃料电池10。配管37在散热器38的上游分支为两路，一路绕过散热器38，通过设置在该散热器38下游的旁通阀39与散热器配管汇合。
控制装置50由CPU、ROM、RAM、HDD、输入/输出接口及显示器等的控制计算机系统构成，该控制装置接收图中未示出的车辆的加速器开度信号等需求负荷、以及来自设置在燃料电池系统1的各部分上的传感器(压力传感器、温度传感器、流量传感器、电流计、电压计等)和各机器(压缩机41、氢泵45等)的控制信息，控制系统各部分的阀类或马达类部件的运转。
而且，控制装置50在配管32、燃料电池10内的气体通路、配管33或配管34(以下，有时将这些统称为“气体通路”)内的气体压力增加时，对应FC入口阀25的上游和下游的压差的大小、以连续或断续增加开度面积的方式控制该FC入口阀25的开度。以下为方便起见，将控制开度面积的动作简单地称作“控制阀开度”。
例如，在燃料电池10的起动时或从间歇运转开始的再起动等的初期加压时，当FC入口阀25的下游压力、即，该FC入口阀25至燃料电池10间的配管32及燃料电池10内的气体通路的压力为规定压力(目标压力)以下时，或者FC入口阀25的上下游间的压差为规定值以上时，以使上述下游压力和规定压力之间的压差或上下游间的压差逐渐减少的方式控制燃料电池入口阀25的阀开度。
也就是说，在长时间停止后的起动时或从间歇运转开始的再起动时，气体通路降低到与大气压相当或降低到规定压力。在这种状态下，当将来自氢罐20的高压氢供给气体通路时，该气体通路被急剧地加压，结果，可能产生冲击引起的异常噪音，出现机械部件应力。
在本实施方式的FC入口阀25为开闭式电磁阀的情况下，通过实施以规定周期重复全开和全闭的负载控制，可以使上述压差逐渐减小，从而可以抑制急剧加压。这时，可以使负载比(ON-OFF重复时的ON-OFF时间比率)一定，也可以使负载比伴随时间逐渐减少或增加。
另一方面，在本实施方式的FC入口阀25为开度可变式电磁阀的情况下，例如通过逐渐增加等方式连续地使阀开度变化，可以使上述压差逐渐减小，从而可以抑制急剧加压。
由于在该FC入口阀25的下游的封闭空间中包含燃料电池10内的气体通路，该封闭空间体积较大，所以优选的是，以单位时间内的开度面积变化量减小的方式控制FC入口阀25的开闭动作。另外，所谓FC入口阀25下游的封闭空间体积是指包含燃料电池10内的气体通路的、从FC入口阀25到FC出口阀26的气体通路体积。
而且，对于FC入口阀25，上述压差越大，越减小单位时间内的开度面积变化量，或者可以根据FC入口阀25的下游压力，设定单位时间内的开度面积变化量。
对于截止阀21至FC入口阀25间的配管32，从关闭各阀21、23、25、26等的状态开始，首先，打开截止阀21、给该截止阀21至开闭阀24之间加压，接着，打开开闭阀24、给该开闭阀24至FC入口阀25间加压，之后，打开FC入口阀25、给该FC入口阀25至FC出口阀26间加压。
也就是从位于配管32上游侧的阀开始顺次打开，由此使从该打开的阀至紧位于其下游的阀之间的封闭空间作为缓冲器而起作用，并能使配管32内部及燃料电池10内部逐渐加压。
这样，对于在配管32、燃料电池10内的气体通路及配管33上串联地设有多个阀21，...，26的燃料电池系统1，通过对应上游侧的阀的开闭状态控制下游侧的阀的开度，可以主要控制串联地设置的阀21，...，26中相对位于上游侧的阀(以下，称作上游侧阀)的开度，从属地控制相对位于下游侧的阀(以下，称作下游侧阀)的开度。
这样，例如当系统起动时(包含从间歇运转开始的再起动时)保持下游侧阀关闭、仅打开上游侧阀时，上游侧阀至下游侧阀间的封闭空间作为控制与燃料电池10相连的配管21、33或燃料电池10内的气体通路被急剧加压的缓冲器而起作用。
接着，参照图2～图5，相对于控制装置50所进行的燃料电池起动时的FC入口阀25的控制流程，对开闭式电磁阀用作该FC入口阀25的情况进行说明。另外，图2中的阀装置在本实施方式中为FC入口阀25。
首先，在图2的步骤S1中，判断是否应该对FC入口阀25至FC出口阀26间的封闭空间加压，例如进行FC入口阀25上游侧的配管32是否被加压到规定压力的判断，当该判断结果为“否”时，重复该步骤S1的判断，等待FC入口阀25上游侧的配管32被加压到规定压力。
另一方面，当步骤S1的判断结果为“是”时，取得FC入口阀25的下游压力(步骤S3)。例如使用设置在燃料电池10内的压力传感器测定该下游压力。接着，在步骤S5中，判断下游压力是否为加压终了压力(目标压力)以下，当判断结果为“否”时，即，当下游压力已经超过加压终了压力时，跳过下面的处理并结束本控制流程。
另一方面，当步骤S5的判断结果为“是”时，即，在下游压力尚未达到加压终了压力的情况下，对FC入口阀25发出仅在规定时间(例如，100毫秒以下)保持阀开度为全开(ON)的开度指令(步骤S7)，接着，对FC入口阀25发出仅在规定时间(例如，100毫秒以下)保持阀开度为全闭(OFF)的开度指令(步骤S8)，之后返回步骤S5。
在本实施方式中，由于在FC入口阀25的下游压力超过加压终了压力之前的期间内，重复进行步骤S7和S9的处理，所以，例如以同一周期重复步骤S7的全开指令和步骤S9的全闭指令。即，以规定的负载比对FC入口阀25的阀开度进行负载控制，结果，如图3所示，驱动FC入口阀。
如此对FC入口阀25进行阀驱动的结果是，在从加压开始时的初期压力至达到加压终了压力(目标压力)期间，FC入口阀25的下游压力进行如图4所示的阶梯状地变化的压力变动。由此，根据本实施方式，由于使FC入口阀25的下游压力与加压终了压力的压差逐渐减少，以抑制急剧加压，所以能抑制共鸣的产生以及机械部件的应力产生。
而且，在本实施方式中，由调压阀23减压后的气体压力由设置在其下游的FC入口阀25进行开度控制，所以能以简单的方式实现FC入口阀25的耐久性、密封性，并能抑制高压氢气的影响所导致的FC入口阀25的控制恶化。
另外，在由负载控制改变FC入口阀25的阀开度的情况下，可以如上述图3所示，将负载比(ON-OFF重复时的ON-OFF时间比率)设定为一定，也可以如图5所示，使负载比随时间逐渐减少，或者也可以和图5所示的阀驱动模式相反，使负载比随时间逐渐增加。
<第二实施方式>
接着，参照图6及图7，对于控制装置50所进行的燃料电池起动时的FC入口阀25的其它实施方式的控制流程，对开度可变式电磁阀用作该FC入口阀25的情况进行说明。另外，图7中的阀装置在本实施方式中为FC入口阀25。
本实施方式和上述第一实施方式的主要不同点在于，在上述第一实施方式中，断续地使由开闭式电磁阀构成的FC入口阀25的阀开度变化以进行控制(负载控制)，与此相对，在本实施方式中，连续地使由开度可变式电磁阀构成的FC入口阀25的阀开度变化以进行控制。
首先，在图7的步骤S11中，判断是否应该对FC入口阀25至FC出口阀26间的封闭空间加压，例如进行FC入口阀25上游侧的配管32是否被加压到规定压力的判断，当该判断结果为“否”时，重复该步骤S11的判断，等待FC入口阀25上游侧的配管32被加压到规定压力。
另一方面，当步骤S11的判断结果为“是”时，取得FC入口阀25的下游压力(步骤S13)。例如使用设置在燃料电池10内的压力传感器测定该下游压力。接着，在步骤S15中，判断下游压力是否为加压终了压力(目标压力)以下，当判断结果为“否”时，即，当下游压力已经超过加压终了压力时，跳过下面的处理并结束本控制程序。
另一方面，当步骤S15的判断结果为“是”时，即，在下游压力尚未达到加压终了压力的情况下，参照规定下游压力和阀开度之间关系的映射确定阀开度(步骤S17)，将与此对应的开度指令发给FC入口阀25，之后返回步骤S13。另外，规定下游压力和阀开度之间关系的映射可以如此确定，即，下游压力越低，或下游压力和上游压力之间的压差越大，阀开度越小。
在本实施方式中，由于在FC入口阀25的下游压力超过加压终了压力之前的期间内，重复进行步骤S17和步骤S19的处理，所以例如如图6所示，FC入口阀25的阀开度以连续地变化的方式被驱动。
如此对FC入口阀25进行阀驱动的结果是，在本实施方式中，在从加压开始时的初期压力达到加压终了压力(目标压力)期间，FC入口阀25的下游压力以该下游压力和加压终了压力的压差逐渐减少的方式慢慢加压，由此也能抑制共鸣的产生以及机械部件的应力产生。
另外，该FC入口阀25的下游压力和加压终了压力之间的压差越大，或者，该FC入口阀25的下游压力和上游压力的压差越大，该FC入口阀25的单位时间内的开度面积变化量越减小。由于对于上述压差较大的这种情况，存在FC入口阀25至FC出口阀26间的气体通路被急剧加压的担忧，所以，根据这种结构，能更有效地抑制急剧加压时的共鸣的产生以及机械部件的应力产生。
<第三实施方式>
接着，参照图8，对于控制装置50所进行的燃料电池起动时的FC入口阀25的其它实施方式的控制流程，和上述第二实施方式相同，对开度可变式电磁阀用作该FC入口阀25的情况进行说明。另外，图8中的阀装置在本实施方式中为FC入口阀25。
本实施方式和上述第二实施方式的主要不同点在于，在上述第二实施方式中，使用FC入口阀25的下游压力对该FC入口阀25的阀开度进行前馈控制，与此相对，在本实施方式中，以单位时间内的压力上升量一定、即压力上升率一定的方式对FC入口阀25的阀开度进行反馈控制。
首先，在图8的步骤S21中，判断是否应该对FC入口阀25至FC出口阀26间的封闭空间加压，例如进行FC入口阀25上游侧的配管32是否被加压到规定压力的判断，当该判断结果为“否”时，重复该步骤S21的判断，等待FC入口阀25上游侧的配管32被加压到规定压力。
另一方面，当步骤S21的判断结果为“是”时，取得FC入口阀25的下游压力(步骤S23)。例如使用设置在燃料电池10内的压力传感器测定该下游压力。接着，在步骤S25中，判断下游压力是否为加压终了压力(目标压力)以下，当判断结果为“否”时，即，当下游压力已经超过加压终了压力时，跳过下面的处理并结束本控制程序。
另一方面，当步骤S25的判断结果为“是”时，即，在本次控制周期内取得的下游压力尚未达到加压终了压力的情况下，根据相对在上次的控制周期内取得的下游压力的压力上升ΔP、及从在上次的控制周期内取得下游压力开始至在本次的控制周期内取得下游压力为止的经过时间、即本流程的控制周期ΔT，计算压力上升率ΔP/ΔT(步骤S27)。
在该压力上升率ΔP/ΔT和规定的适当值相等的情况下(步骤S29是)，在仍旧维持FC入口阀25的阀开度的基础上(步骤S31)，将与此对应的开度指令发给FC入口阀25(步骤S33)，之后返回步骤S23。
在步骤S29的判断结果为“否”的情况下，判断压力上升率ΔP/ΔT是否比上述规定的适当值大(步骤S41)，当该判断结果为“是”时，在使FC入口阀25的阀开度减少规定量的基础上(步骤S43)，将与此对应的开度指令发给FC入口阀25(步骤S33)，之后返回步骤S23。
当步骤S41的判断结果为“否”时，即，在压力上升率ΔP/ΔT比上述规定的适当值小的情况下，在使FC入口阀25的阀开度增加规定量的基础上(步骤S45)，将与此对应的开度指令发给FC入口阀25(步骤S33)，之后返回步骤S23。
在本实施方式中，由于在FC入口阀25的下游压力超过加压终了压力之前的期间内，重复进行步骤S27以后的处理，即，重复进行对应该下游压力的上升率设定阀开度的处理，所以可以使该FC入口阀25的下游压力反馈到FC入口阀25的阀开度设定。
在本实施方式中，如此对FC入口阀25进行阀驱动的结果是，在以FC入口阀25的下游压力和加压终了压力之间的压差逐渐减少的方式慢慢进行加压时，向使该下游压力的压力上升率ΔP/ΔT与规定的适当值一致的方向校正阀开度，所以能更有效地抑制加压时共鸣的产生以及机械部件的应力产生。
另外，在本实施方式中，由于能根据压力上升ΔP、控制周期ΔT及FC入口阀25至FC出口阀26间的所有气体通路容积计算气体供给速度，所以也可以代替使用上述压力上升率ΔP/ΔT控制FC入口阀25的阀开度，以该气体供给速度保持一定(适当值)的方式控制FC入口阀25的阀开度。
另外，在步骤S43中的FC入口阀25的开度减少处理(开度面积减少处理)及/或步骤S45中的FC入口阀25的开度增加处理(开度面积增加处理)中，可以通过例如PID控制等确定开度增加。
<第四实施方式>
接着，参照图9，对于控制装置50所进行的燃料电池起动时的FC入口阀25的其它实施方式的控制流程，和上述第二实施方式及第三实施方式相同地，对开度可变式电磁阀用作该FC入口阀25的情况进行说明。另外，图9中的阀装置在本实施方式中为FC入口阀25。
本实施方式和上述第三实施方式的主要不同点在于，在上述第三实施方式中，以单位时间内的压力上升量一定、即压力上升率一定的方式对FC入口阀25的阀开度进行反馈控制，与此相对，在本实施方式中，以单位时间内的气体供给量一定、即流速一定的方式对FC入口阀25的阀开度进行反馈控制。
首先，在图9的步骤S51中，判断是否应该对FC入口阀25至FC出口阀26间的封闭空间加压，例如进行FC入口阀25上游侧的配管32是否被加压到规定压力的判断，当该判断结果为“否”时，重复该步骤S51的判断，等待FC入口阀25上游侧的配管32被加压到规定压力。
另一方面，当步骤S51的判断结果为“是”时，取得FC入口阀25的上游压力和下游压力(步骤S53)。例如使用设置在配管32的FC入口阀25至开闭阀24间的压力传感器测定FC入口阀25的上游压力。而且，例如使用设置在燃料电池10内的压力传感器测定FC入口阀25的下游压力。
接着，在步骤S55中，判断下游压力是否为加压终了压力(目标压力)以下，当判断结果为“否”时，即，当下游压力已经超过加压终了压力时，跳过下面的处理并结束本控制程序。
另一方面，当步骤S55的判断结果为“是”时，即，在下游压力尚未达到加压终了压力的情况下，参照对步骤S53取得的上游压力和下游压力的压差与FC入口阀25的流量压力损失特性之间得关系进行规定的映射，推测通过FC入口阀25的单位时间内的气体供给量，即，推测流速(步骤S57)。
在该流速和规定的适当值相等的情况下(步骤S59是)，在仍旧维持FC入口阀25的阀开度的基础上(步骤S61)，将与此对应的开度指令发给FC入口阀25(步骤S63)，之后返回步骤S53。
在步骤S59的判断结果为“否”的情况下，判断上述流速是否比上述规定的适当值大(步骤S71)，当该判断结果为“是”时，在使FC入口阀25的阀开度减少规定量的基础上(步骤S73)，将与此对应的开度指令发给FC入口阀25(步骤S63)，之后返回步骤S53。
当步骤S71的判断结果为“否”时，即，在上述流速比上述规定的适当值小的情况下，在使FC入口阀25的阀开度增加规定量的基础上(步骤S75)，将与此对应的开度指令发给FC入口阀25(步骤S63)，之后返回步骤S53。
在本实施方式中，由于在FC入口阀25的下游压力超过加压终了压力之前的期间内，重复进行步骤S57以后的处理，即，重复进行如下的处理对应根据FC入口阀25的上下游间的压差及该FC入口阀25的流量压力损失特性求出的流速而设定阀开度，所以可以使该FC入口阀25的下游压力反馈到FC入口阀25的阀开度设定。
如此对FC入口阀25进行阀驱动的结果是，在本实施方式中，在以FC入口阀25的下游压力和加压终了压力之间的压差逐渐减少的方式慢慢进行加压时，向使与FC入口阀25的下游压力存在相关的某流速与规定的适当值一致的方向校正阀开度，所以能更有效地抑制加压时共鸣的产生以及机械部件的应力产生。
<第五实施方式>
图10为表示根据本发明的燃料电池系统的第五实施方式的概略结构图。下面，对与图1所示的上述第一实施方式～第四实施方式相同的构成元件使用相同的标号并省略其说明，仅以相对上述第一实施方式的结构及效果的不同点为中心进行说明。
本实施方式和上述各实施方式的主要不同点如下，首先，第一，在上述第一实施方式中，在连通氢罐20和燃料电池10的配管32上不存在任何相互并列的通路，与此相对，在本实施方式中，配管32的一部分形成相互并列的通路32a、32b。这些通路32a、32b具有相同的直径。
其次，在上述各实施方式中，在配管32上从上游侧顺次设置截止阀21、调节阀23、开闭阀24及FC入口阀25，与此相对，在本实施方式中，在包含通路32a、32b的配管32上从上游侧顺次设置截止阀21、切换阀61、通路32a上的节流装置62、调节阀23及FC入口阀25。
而且，在上述各实施方式中，当FC入口阀25的下游压力为加压终了压力以下时，通过控制燃料电池入口阀25的阀开度来抑制急剧加压，与此相对，在本实施方式中，代替控制燃料电池入口阀25的阀开度，可以通过选择地使用通路32a、32b的任何一方来抑制急剧加压。
本实施方式的切换阀61为可选择下述任一种情况的流路切换部一种情况为来自氢罐20的氢气通过设置节流装置62的通路32a侧供给燃料电池10，一种情况为来自氢罐20的氢气通过绕过节流装置62的通路32b侧供给燃料电池，该切换阀61由控制装置50控制切换方向。
节流装置62为可以使一条通路32a的流体压力损失比另一条通路32b的压力损失相对大的压力损失产生部，并以使通路32a的气体流路截面局部变窄的方式构成。本实施方式的节流装置62例如为将上下游间的节流量设定到规定的固定值的节流装置。
根据这种结构，例如在如燃料电池10起动时等那样的初期加压时，在FC入口阀25的下游压力与加压终了压力(目标压力)的压差或FC入口阀25的上下游间的压差为规定值以上的情况下，对切换阀61进行切换，使来自氢罐20的氢气通过压力损失大的通路32a侧供给燃料电池10，由此抑制加压速度，从而可以使上述压差逐渐减少。
另一方面，在如通常运转时等那样、上述压差未满规定值的情况下，对切换阀61进行切换，使来自氢罐20的氢气通过压力损失小的通路32b侧供给燃料电池10，由此绕过节流装置62，从而可以避免由于该节流装置62的存在而引起的压力损失。
如上所述，根据本实施方式的燃料电池系统11，可以不进行如上述第一实施方式～第四实施方式那样、使FC入口阀25的阀开度连续或断续地变化的复杂控制，而是通过由切换阀61进行的单纯流路切换来抑制急剧加压时共鸣的产生以及机械部件的应力产生。
另外，在使相互并列的一条通路32a成为比另一条通路32b压力损失大的通路时，除了如上所述那样在通路32a中设置节流装置62之外，还可以例如使通路32a比另一条通路32b直径小、在通路32a的途中设置弯曲部、曲折部、或者在通路32a的途中设置如过滤器等使流体阻力增加的元件来实现。
另外，切换阀61不仅可以断开或连通通路32a、32b中的一个，而且可以同时断开或连通通路32a、32b两者。
<第六实施方式>
如图11所示，也可以代替图10中的切换阀61、通路32a、32b、节流装置62，在配管32的截止阀21至调节阀23之间设置可由控制装置50对上下游间的节流进行可变控制的可变节流装置71。
根据如此构成的燃料电池系统12，例如在如燃料电池10起动时等那样的初期加压时、在上述压差为规定值以上的情况下，通过将可变节流装置71控制到节流侧，能使来自氢罐20的氢气中产生压力损失，从而能抑制加压速度，所以，可以使上述压差逐渐减少。
另一方面，在如通常运转时等那样、上述压差未满规定值的情况下，通过将可变节流装置71控制到开放侧，能不使来自氢罐20的氢气中产生压力损失，所以可以避免由于可变节流装置71的存在而引起的压力损失。
<第七实施方式>
本实施方式与上述第一实施方式～第四实施方式的主要不同点在于，在上述各实施方式中，当FC入口阀25的下游压力为加压终了压力以下时，通过控制燃料电池入口阀25的开度来抑制急剧加压，与此相对，在本实施方式中，代替控制燃料电池入口阀25的开度，通过控制氢罐20的主阀、即截止阀21的开度来抑制急剧加压。
根据这种结构，即使在下述燃料电池系统中，即，在作为燃料气体供给通路的配管32上未设置容许/禁止向燃料电池10的氢气供给的阀装置中、除截止阀21之外的开闭阀24及FC入口阀25、对供给燃料电池10的氢气的供给压力进行调压(减压)的调节阀23，也可以通过控制截止阀21来抑制急剧加压。
<第八实施方式>
在根据上述第一实施方式～第七实施方式的燃料电池系统中，可以对设置在配管32、36上的各阀装置(截止阀21、开闭阀24、FC入口阀25、调压阀44等)的开度、设置在配管36上的压缩机41的动作量进行协调控制。
根据这种结构，以设置在高压气体流经的配管32上的截止阀21、开闭阀24及FC入口阀25中的至少一个为主，控制供给燃料电池10的氢气的供给压力(气压)，并与此对应，控制设置在配管36上的调压阀44的阀开度与设置在配管35上的压缩机41的动作量(送气量)中的至少一方，由此可以对供给燃料电池10的空气的供给压力(气压)进行调压。这样，可以将从配管32到燃料电池10的氢气供给压力与从配管35到燃料电池10的空气供给压力的压差控制到适当范围内。
特别是，如上述各实施方式所述，在用阳极电极和阴极电极从电解质膜两侧夹持电解质膜而构成燃料电池10的燃料电池系统中，能抑制极间压差(氢气供给压力与空气供给压力的压差)的过度增大，从而能防止电解质膜的破损等。
下面，对根据本实施方式的协调控制的具体内容进行说明。
(1)使用例如设置在燃料电池10内或燃料电池10至调压阀44间的压力传感器检测阴极压力，以该阴极压力为目标值实施阳极侧的加压。更具体地说，伴随阴极侧的压力上升实施阳极侧的加压。也可以与此相反，以该阳极压力为目标值实施阴极侧的调压。
(2)在阳极侧及阴极侧的加压时，可以用设置在燃料电池10内的压力传感器检测极间压差，将阳极和阴极中高压侧的加压或调压控制到加压或调压延迟的方向，以使该压差为容许压力(设计耐压)以下。例如，可以通过减少压缩机41的送气量，降低调压阀44的关闭速度、或降低阳极侧的阀装置(例如，FC入口阀25)的打开速度等，延迟高压侧的加压或调压。
(3)也可以和上述(2)相反，将阳极和阴极中低压侧的加压或调压控制到加压或调压加速的方向。例如，可以通过增加压缩机41的送气量，增大调压阀44的关闭速度、或增大阳极侧的阀装置(例如，FC入口阀25)的打开速度等，加速低压侧的加压或调压。
(4)在阳极侧及阴极侧的加压时，可以用设置在燃料电池10内的压力传感器检测极间压差，对高压侧进行减压，以使该压差为容许压力(设计耐压)以下。例如，通过将调压阀44控制到打开侧、减少压缩机41的送气量、或打开排出阀27以降低阳极侧的压力等，可以给高压侧减压。
(5)也可以和上述(4)相反，对低压侧进行加压，以使极间压差为容许压力(设计耐压)以下。例如，通过将调压阀44控制到关闭侧、增加压缩机41的送气量、或增大阴极侧的阀装置(例如，FC入口阀25)的打开速度等，可以给低压侧加压。
另外，尽管上述(1)～(5)的控制中，将阀装置设想为可实现开度指令的开度可变式电磁阀，但是在阀装置为开闭式电磁阀的情况下，通过实施负载控制，可以实施和上述(1)～(5)基本相同的控制。
<其它实施方式>
上面虽然参照附图对本发明的实施方式进行了详细描述，但是具体的结构不限于上述实施方式，即使存在不脱离本发明的宗旨范围内的设计变化等，也包含在本发明的范围内。
例如，在上述各实施方式中，虽然在配管32上设置了截止阀21、调节阀23、开闭阀24、FC入口阀25等，但是如果在配管32的任一处设置开闭式的阀装置(例如，氢罐20的截止阀21)，则也可以不设置其它阀(例如，调节阀23、开闭阀24、FC入口阀25)。
而且，控制开度面积的阀装置不限于设置在氢供给系统的通路(配管32)上的阀21、23～25，除了设置在使从燃料电池10排出的阳极废气返回氢供给系统的氢循环系统的通路(配管33中连接到配管32的一方)中的阀26、28，或设置在将阳极废气排到外部的氢排出系统的通路(配管34)中的排出阀27之外，还可以是设置在将来自燃料电池10的阴极废气排出的空气排出系统的通路(配管36)中的调压阀44。
另外，也可以代替调节阀23，在配管32上设置喷射器。
工业实用性根据本发明，即使像在例如燃料电池起动时或从间歇运转开始的再起动时等那样，存在气体通路接受高压或加压后的反应气体、反应废气的供给而被急剧加压的担忧，也可以根据阀装置的上游和下游的压差的大小、以连续或断续地增加开度面积的方式控制该阀装置的开度，所以能抑制异常噪音的产生以及机械部件的应力产生。
由此，本发明能广泛地应用在存在这种要求的燃料电池系统中。
权利要求
1.一种燃料电池系统，具有接受反应气体的供给而发电并排出反应废气的燃料电池；所述反应气体或所述反应废气流通的气体通路；设置在该气体通路上的阀装置；及控制该阀装置的开度的控制装置，其中，所述控制装置在所述气体通路内的气体压力增加时，根据所述阀装置的上游和下游的压差的大小，以连续或断续地增加开度面积的方式控制该阀装置的开度。
2.一种燃料电池系统，具有接受反应气体的供给而发电并排出反应废气的燃料电池；所述反应气体或所述反应废气流通的气体通路；设置在该气体通路上的阀装置；及控制该阀装置的开度的控制装置，其中，所述控制装置在所述阀装置的上下游间的压差为规定值以上时，根据该压差的大小，以连续或断续地增加开度面积的方式控制该阀装置的开度。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制装置在所述阀装置的下游压力为目标压力以下时，根据所述下游压力与目标压力的压差的大小控制该阀装置的开度。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述压差越大，所述阀装置的单位时间内的开度面积变化量越小。
5.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述阀装置的下游的封闭空间体积越大，该阀装置的单位时间内的开度面积变化量越小。
6.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述阀装置为开闭式电磁阀或开度可变式电磁阀中的至少一种。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，在所述阀装置为开闭式电磁阀的情况下，由负载控制改变该阀装置的开度面积。
8.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述阀装置为位于设置在所述气体通路上的调压阀的下游的电磁阀。
9.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，根据所述阀装置的下游压力设定该阀装置的单位时间内的开度面积变化量。
10.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述阀装置为连接到所述气体通路上的高压储气罐的主阀。
11.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，在所述气体通路上串联地设置多个所述阀装置，与上游侧阀装置的开闭状态对应地控制下游侧阀装置的开度面积。
12.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，协调控制供给所述燃料电池阳极侧的气体压力与供给阴极侧的气体压力。
13.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述气体通路的一部分为相互并列的通路，其中一条通路与另一条通路相比为压力损失大的通路，当所述压差为规定值以上时，代替连续或断续地增加所述阀装置的开度面积的方式，使用所述压力损失大的通路。
14.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池由阳极电极和阴极电极从电解质膜的两侧夹持电解质膜。
15.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，所述控制装置在所述燃料电池起动时，以连续或断续地增加开度面积的方式控制所述阀装置的开度。
全文摘要
一种燃料电池系统，具有接受反应气体的供给而发电并排出反应废气的燃料电池；所述反应气体或所述反应废气流通的气体通路；设置在该气体通路上的阀装置；及控制该阀装置的开度的控制装置。在该燃料电池系统的起动时，首先，取得阀装置的下游压力(步骤S3)，在该下游压力为规定的加压终了压力以下的情况下(步骤S5是)，对阀装置以规定的负载比进行负载控制(步骤S7、S9)。这样，能抑制急剧加压导致异常噪音的产生以及机械部件的应力发生。
文档编号H01M8/04GK101069317SQ200680001300
公开日2007年11月7日 申请日期2006年5月24日 优先权日2005年5月26日
发明者坊农哲也 申请人:丰田自动车株式会社