燃料气体供给装置及其控制方法

专利名称：燃料气体供给装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，特别是，涉及将燃料气体供给燃料电 池的燃料气体供给装置的技术。
背景技术：
燃料电池系统具有燃料电池组、将燃料气体扭给燃料电池组的燃 料气体供给系统、和将氧化气体供给燃料电池组的氧化气体供给系统。燃料气体供给系统具有例如以高压储存燃料气体的罐、及连接该罐与 燃料电池组的燃料气体通路。而且，燃料气体供给系统通常具有设置 在燃料气体通路上游侧的第一减压阀和设置在下游侧的第二减压阔。另外，各减压阀具有将其下游侧的压力调整到目标压力的功能。可是，在燃料电池组消耗的燃料气体量急剧减少的情况下，通常， 下游侧的第二减压阀先关闭，上游侧的第一减压阀之后关闭。也就是 说，当燃料电池组消耗的燃料气体量急剧减少时，第二减压阀下游侧 的压力上升，结果，第二减压阀关闭。而且，当第二减压阀开始关闭 时，第一减压阀下游侧的压力上升，结果，第一减压阀关闭。在如上 所述地将第二减压阀设定到先关闭状态、将第一减压阀设定到后关闭 状态的情况下，两个减压阀之间的压力会过度上升。因此，在现有技 术中，存在两个减压阀或两个减压阀之间的通路破损的担忧，有必要 使这些部位的耐压性提高。发明内容本发明就是为了解决现有技术的上述问题而提出的，其目的在于 抑制燃料电池消耗的燃料气体的消耗量减少时、两个减压阀之间的压 力过度上升。为了解决上述问题的至少一部分，本发明的第一装置为一种将燃 料气体供给燃料电池的燃料气体供给装置，其特征在于，具有供给 上述燃料电池的燃料气体通过的气体通路；设置在上述气体通路中的 第一减压阀；设置在上述气体通路中并配置在上述第一减压阀下游侧 的第二减压阀；设定部，其将上述第二减压阀下游侧的目标压力的值 设定为与上述燃料电池消耗的燃料气体的消耗量对应的值；及变更部， 其在上述燃料电池消耗的燃料气体的量减少规定量以上时，将上述第 二减压阀的目标压力的值变更为比上述设定部设定的、与上述燃料电 池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大的值。
在该装置中，由于当燃料气体的消耗量减少规定量以上时，将第 二减压阀的目标压力的值设定为比与减少后的消耗量对应的值大的 值，所以可以将第二减压阔设定为有效的开度。结果，由于两个减压 阀之间的燃料气体经第二减压阀流出到下游侧的燃料电池，所以能抑 制两个减压阀间的压力的过度上升。
在上述装置中，优选的是，还具有用于检测上述第一减压阀与上 述第二减压阀之间的压力的压力传感器，在上述变更部将上述第二减 压阀的目标压力的值变更为比上述设定部设定的、与上述燃料电池消 耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大的值之后，如果上述压力 传感器检测出的值为第一阈值以上，则上述变更部进一步增大上述第 二减压阀的目标压力的值。
这样，能可靠地抑制两个减压阀间的压力的过度上升。
在上述装置中，优选的是，还具有用于检测上述第一减压阀与上 述第二减压阀之间的压力的压力传感器，在上述变更部将上述第二减 压阀的目标压力的值变更为比上述设定部设定的、与上述燃料电池消 耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大的值之后，如果上述压力传感器检测出的值为第二阈值以下，则上述变更部减小上述第二减压 阀的目标压力的值。这样，在抑制两个减压阀间的压力的过度上升后，两个减压阀间 的燃料气体不会经第二减压阀流出到下游侧的燃料电池，因此能有效 地利用燃料气体。在上述装置中，优选的是，被上述变更部变更到比上述设定部设 定的、与上述燃料电池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大 的值时，其变更后的值设定成使得有效量的燃料气体流入所述燃料电 池，其中，所述有效量为经由所述燃料电池的电解质膜从阳极侧透到阴极侧的燃料气体的漏出量以下。这样，即使两个减压阀间的燃料气体流入下游侧的燃料电池，燃 料电池内部的燃料气体量也不会增大，所以能抑制燃料电池内部的压 力变高而使燃料电池破损的情况。本发明的第二装置为一种将燃料气体供给燃料电池的燃料气体供 给装置，其特征在于，具有供给上述燃料电池的燃料气体通过的气 体通路；设置在上述气体通路中的第一减压阀；设置在上述气体通路 中并配置在上述第一减压阀下游侧的第二减压阀；及流通路，其用于 在上述第二减压阀被最大程度节流的状态下，使上述第二减压阀上游 侧的燃料气体流到上述第二减压阀的下游侧。在该装置中，在燃料气体的消耗量减少、两个减压阀被设定到最 大程度节流的状态的情况下，两个减压阀间的燃料气体也会经流通路 流出到下游侧的燃料电池，所以能抑制两个减压阀间的压力的过度上 升。在上述装置中，上述流通路可以设置在上述第二减压阀的内部。例如，在上述装置中，上述第二减压阀可以包括具有大致锥状的 前端部的针阀和与上述针阀的上述前端部对应的阀座部。上述流通路 可以通过设置在上述前端部和上述阀座部中的至少一方上的凹部或凸 部在上述前端部与上述阀座部之间形成。
或者，在上述装置中，上述流通路可以设置在上述第二减压阀的 外部，并包含连接上述第二减压阀的上游侧与下游侧的连接通路。
在上述装置中，优选的是，上述流通路设置成在上述第二减压阀 被最大程度节流的状态下使得有效量的燃料气体流入上述燃料电池， 其中，上述有效量为经由上述燃料电池的电解质膜从阳极侧透到阴极 侧的燃料气体的漏出量以下。
这样，即使两个减压阀间的燃料气体流入下游侧的燃料电池，燃 料电池内部的燃料气体量也不会增大，因此，能抑制燃料电池内部的 压力变高而使燃料电池破损的情况。
本发明的第三装置为一种将燃料气体供给燃料电池的燃料气体供 给装置，其特征在于，具有供给上述燃料电池的燃料气体通过的气 体通路；设置在上述气体通路中的第一减压阀；及设置在上述气体通 路中并配置在上述第一减压阀下游侧的第二减压阀，上述第二减压阀 构成为，在上述燃料电池消耗的燃料气体的消耗量减少的情况下，在 上述第一减压阀被设定为关闭状态之后，上述第二减压阀被设定为关 闭状态。
在该装置中，在将第二减压阀设定为关闭状态之前，两个减压阀 间的燃料气体流出到下游侧的燃料电池，因此，能抑制两个减压阀间 的压力的过度上升。另外，本发明的第一装置也可以以方法的形式实现。例如，本发 明的方法为一种将燃料气体供给燃料电池的燃料气体供给装置的控制 方法，上述燃料气体供给装置包括供给上述燃料电池的燃料气体通过 的气体通路、设置在上述气体通路中的第一减压阀、及设置在上述气 体通路中并配置在上述第一减压阀下游侧的第二减压阀，上述方法的 特征在于，具有下述工序(a)将上述第二减压阀下游侧的目标压力的值设定为与上述燃料电池消耗的燃料气体的消耗量对应的值；(b)当上述消耗量减少规定量以上时，将上述第二减压阀的上述目标压力 的值变更为比与上述减少后的消耗量对应的值大的值。另外，本发明可以以各种形式实现，例如，燃料气体供给装置能 以下述各种形式实现，g卩，具有该燃料气体供给装置与燃料电池的燃 料电池系统、搭载了该燃料电池系统的移动体等装置、及这些装置的 控制方法、用于实现这些方法或装置的功能的计算机程序、记录该计 算机程序的记录介质、包含该计算机程序并被体现在载波内的数据信 号等。


图1为表示第一实施例的燃料电池系统的大致结构的说明图。图2为表示比较例的燃料气体供给系统的动作的说明图。 图3为表示第一实施例的第二减压阀218的控制程序的流程图。 图4为表示第一实施例的燃料气体供给系统的动作的说明图。 图5为表示第一实施例的变型例的第二减压阀218的控制程序的 流程图。图6为表示第一实施例的变型例的燃料气体供给系统的动作的说 明图。图7为表示第二实施例的燃料电池系统的大致结构的说明图。 图8为示意性地表示第二实施例的第二减压阀218B的内部结构的 说明图。图9为表示第二实施例的燃料气体供给系统的动作的说明图。图10为表示第二实施例的第一变型例的第二减压阀218B1的说明图。图11为表示第二实施例的第二变型例的第二减压阀218B2的说明图。图12为表示第二实施例的第三变型例的第二减压阀218B3的说明图。图13为表示第二实施例的第四变型例的燃料气体供给系统200B4 的说明图。图14为示意性地表示第三实施例的第二减压阀218C的内部结构 的说明图。图15为表示第三实施例的燃料气体供给系统的动作的说明图。
具体实施方式
下面，基于实施例按下述顺序说明本发明的实施方式。A. 第一实施例A-l.燃料电池系统的整体结构 A-2.比较例的燃料气体供给系统的动作 A-3.第一实施例的燃料气体供给系统的动作 A-4.第一实施例的变型例B. 第二实施例B-l.第二实施例的第一变型例 B-2.第二实施例的第二变型例 B-3.第二实施例的第三变型例 B-4.第二实施例的第四变型例C. 第三实施例A.第一实施例A-l.燃料电池系统的整体结构图1为表示第一实施例的燃料电池系统的大致结构的说明图。该燃料电池系统搭载在车辆上。如图所示，燃料电池系统具有燃料电池组100、燃料气体供给系统200和氧化气体供给系统300。燃料电池组100，使用从燃料气体供给系统200供给的燃料气体 (氢气)和从氧化气体供给系统300供给的氧化气体(空气)发电。 而且，将电力供给与燃料电池组100连接的负载R。在本实施例中，在 燃料电池组100和负载R之间设置用于测定流经负载R的电流的电流 计102。燃料气体供给系统200具有以高压储存燃料气体(氢气)的罐210， 燃料气体经燃料气体通路121供给燃料电池组100。在罐210上设有第 一截止阀212，当将第一截止阀212设定为打开状态时，燃料气体被输 送到燃料气体通路121内。在燃料气体通路121上依次设置第一减压 阀214和第二减压阀218。第一及第二减压阀214、 218分别具有膜片， 为对应其下游侧的压力机械地调整开度的阀。第一减压阀214，以使其 下游侧的燃料气体通路121内的压力变得与较高的第一目标压力相等 的方式进行减压。第二减压阀218，以使其下游侧的燃料气体通路121 内的压力变得与较低的第二目标压力相等的方式进行减压。特别地， 在本实施例中，虽然第一减压阀214的第一目标压力设定为一定值， 而第二减压阀218的第二目标压力可调整。另外，以下将燃料气体通路121中、第一截止阀212和第一减压 阀214之间的部分称作第一部分通路121a，将第一减压阀214和第二 减压阀218之间的部分称作第二部分通路121b，将将二减压阀218和 燃料电池组100之间的部分称作第三部分通路121c。在第二部分通路121b上设置检测第二部分通路121b内的压力 (即，第一减压阀214下游侧的压力)Pb的第一压力传感器224。而 且，在第三部分通路121c上设置检测第三部分通路121c内的压力(即， 第二减压阀218下游侧的压力)Pc的第二压力传感器226。氧化气体供给系统300具有送出氧化气体(空气)的送风机310， 氧化气体经氧化气体通路131供给燃料电池组100。从燃料电池组100排出的使用完的燃料废气通过燃料废气通路 129。在燃料废气通路129上设置第二截止阀260。第二截止阀260间 歇地设定为打开状态，由此从燃料电池组100排出燃料废气。而且， 从燃料电池组100排出的使用完的氧化废气通过氧化废气通路139。燃 料废气通路129和氧化废气通路139在下游侧汇合，燃料废气和氧化 废气在汇合通路141内混合后排放到大气中。燃料电池系统还具有控制系统整体的动作的控制电路600。控制 电路600获取电流计102的检测结果以及两个压力传感器224、 226的 检测结果。而且，控制电路600控制两个截止阀212、 260的开闭和送 风机310的动作。特别地，本实施例的控制电路600对应燃料电池组100消耗的燃 料气体量来设定第二减压阀218的目标压力。具体地说，控制电路600 对应电流计102的检测结果来设定第二减压阀218的目标压力。例如， 在电流计102检测出的输出电流较小的情况下，由于燃料电池组100 内部的燃料气体的消耗量比较小，所以控制电路600将第二减压阀218 的目标压力设定为较小的值。另外，例如在车辆以较低速度行驶的情 况下，燃料电池组100的输出电流较小。而且，在燃料电池组100消耗的燃料气体量急剧减少的情况下， 控制电路600通过调整第二减压阀218的目标压力来抑制第二部分通 路121b内的压力Pb的过度上升。具体地说，在电流计102检测出的 输出电流急剧减小的情况下，控制电路600使第二减压阀218的目标 压力增大。另外，例如在车辆急剧减速的情况下，燃料电池组100的 输出电流急剧减小。而且，控制电路600，可以参考第一压力传感器224检测出的第二部分通路121b内的压力Pb的检测结果而使第二减压 阀218的目标压力进一步增大。另外，本实施例中的控制电路600同时相当于本发明的设定部和 变更部。而且，本实施例的第一压力传感器224相当于本发明的压力 传感器。在本实施例中，为了便于说明，设置了第二压力传感器226， 但是也可以省略第二压力传感器226。A-2.比较例的燃料气体供给系统的动作在说明本实施例的燃料气体供给系统200的动作之前，在下面对 比较例的燃料气体供给系统200'(图中未示出)的动作进行说明。另 外，虽然比较例的燃料气体供给系统200'与图1的燃料气体供给系统 200基本相同，但是第二减压阀218，(图中未示出)有变化。具体地说， 在第一实施例中，第二减压阀218的目标压力可由控制电路600调整， 而在比较例中，第二减压阔218'(图中未示出)的目标压力设定为一 定值，不能由控制电路600调整。图2为表示比较例的燃料气体供给系统的动作的说明图。图2 (a) 图2 (e)分别表示燃料电池组100的输出电流、第二减压阀218' 的开度、第一减压阀214的开度、由第二压力传感器226检测出的第 三部分通路121c内的压力Pc、由第一压力传感器224检测出的第二部 分通路121b内的压力Pb随时间的变化。当车辆急剧减速时，燃料电池组100的输出电流急剧减小(图2 (a))。这时，由于在燃料电池组100内部不消耗燃料气体，所以第 三部分通路121c内的压力Pc上升(图2 (d))。因此，第二减压阀 218，逐渐关闭，最终被设定到关闭状态(图2 (b))。而且，这时， 第二部分通路121b内的压力Pb上升(图2 (e))。因此，第一减压 阀214逐渐关闭，最终被设定到关闭状态(图2 (c))。在燃料电池组100内部设有图中未示出的电解质膜，在燃料电池组100的内部，燃料气体经电解质膜从燃料气体侧(阳极侧)漏出到 氧化气体侧(阴极侧)。因此，在第二减压阀218'被设定到关闭状态 之后，第三部分通路121c内的压力Pc逐渐减少(图2(d))。而且，当第一及第二减压阀214、 218，被设定到关闭状态时，第二 部分通路121b变成封闭空间，所以，第二部分通路121b内的压力Pb (图2 (e))保持基本一定的值。如图2所示，。在比较例中，在第二减压阀218'被设定到关闭状态 之后，第一减压阀214被设定到关闭状态。因此，第二部分通路121b 内的压力Pb会变得过大，存在第二部分通路121b的通路壁、第一减 压阀214下游侧的机构、第二减压阀218'上游侧的机构等发生破损的 担忧。因此，在本实施例中，通过控制第二减压阀218的目标压力来抑 制第二部分通路121b内的压力Pb的过度上升。A-3.第一实施例的燃料气体供给系统的动作图3为表示第一实施例的第二减压阀218的控制程序的流程图。 图3的处理例如在车辆急剧减速时实行。另外，在实行图3的处理的 期间，第一截止阀212维持打开状态。而且，在本实施例中，假定这 样一种情况，即，在实行图3的处理的期间，第二截止阀260被设定 到关闭状态。在步骤S102中，控制电路600取得电流计102的检测值，判断规 定期间内燃料电池组100的输出电流是否减少了规定量以上，换句话 说，判断规定期间内由燃料电池组100消耗的燃料气体的消耗量是否 减少了规定量以上。而且，当车辆减速时，燃料电池组100的负载R 减少，燃料电池组100的输出电流减少。这时，在燃料电池组100内部，燃料气体的消耗量减少。从上述说明可知，在本实施例中，利用 燃料电池组100的输出电流来检测车辆的急剧减速，换句话说，利用 燃料电池组100的输出电流来检测燃料气体消耗量的急剧减少。在步骤S102中，当判断出燃料电池组100的输出电流减少了规定 量以上时，前进到步骤S104，当判断出未减少时，结束图3的处理。在步骤S104中，控制电路600使第二减压阀218的目标压力Pt 增大。具体地说，控制电路600将第二减压阀218的目标压力Pt的值 设定为Pt+APtl，并将该设定值给予第二减压阀218。'在本实施例中， 设定值设定为不足规定值Pc—max的值。另外，规定值Pc—max为参考第二减压阀218的下游侧、耐压性最 低的部位而确定的值。在本实施例中，由于燃料电池组100的耐压性 最低，所以参考该耐压性来预先设定规定值Pc—max。这样，如果将第 二减压阀218的目标压力Pt设定为不足规定值Pcjmax的值，则能抑 制第三部分通路121c内的压力Pc过度增大，从而能抑制燃料电池组 IOO发生破损的情况。在步骤S106中，控制电路600取得由第一压力传感器224检测出 的第二部分通路121b内的压力Pb，判断该压力Pb是否为第一阈值 Pb_max以上。在压力Pb不足第一阈值Pb一max的情况下，重复执行步 骤S106的处理。另一方面，在压力Pb为第一阈值Pb—max以上的情况 下，前进到步骤S10S。而且，第一阈值Pb_max是参考第二部分通路 121b的通路壁、第一减压阀214下游侧的机构、第二减压阀218上游 侧的机构等的耐压性确定的值。在步骤S108中，控制电路600判断能否进一步增大第二减压阀 218的目标压力Pt。具体地说，控制电路600判断值Pt+APt2是否为 不足规定值Pc max的值。在判断为能进一步增大目标压力Pt的情况(即，Pt+APt2<Pc—max的情况)下，前进到步骤S110;在判断为不 能进一步增大目标压力Pt的情况(即，Pt+APt22Pc—max的情况)下， 结束图3的处理。在步骤S110中，控制电路600使第二减压阀218的目标压力Pt 进一步增大。具体地说，控制电路600将目标压力Pt的值设定为Pt十 △Pt2，并将该设定值给予第二减压阀218。之后，返回到步骤S106，再次实行步骤S106的处理。当车辆加速时，换句话说，当燃料电池组的输出电流增大时，中 止图3的处理。另外，在本实施例中，预先确定步骤S104、 S110中的第二减压阀 218的目标压力的增加量APtl、 APt2。但是，代替这种情况，也可以对 应燃料电池组100的输出电流的减少量改变增加量APtl、 APt2。例如， 在输出电流的减少量(绝对值)较大的情况下，可以较大地设定增加 量APtl、 APt2。而且，增加量APt2的值通常设定成比增加量APtl的值 小的值，但是也可以设定成与增加量APtl的值相等的值。图4为表示第一实施例的燃料气体供给系统的动作的说明图。图 4示出实行图3的处理时的动作。图4 (a) (f)分别表示燃料电池 组100的输出电流、第二减压阀218的目标压力Pt、第二减压阀218 的开度、第一减压阀214的开度、第三部分通路121c内的压力Pc、第 二部分通路121b内的压力Pb随时间的变化。另外，图4 (a) 、 (c) (f)分别与图2 (a) (e)对应，增 加了图4 (b)。图4 (a) 、 (d)与图2 (a) 、 (c)相同。而且，在 图4 (c) 、 (e) 、 (f)中，与图2 (b) 、 (d) 、 (e)相同的曲线 由虚线表示。当车辆急剧减速时，燃料电池组100的输出电流减少规定量AI以上(图4(a))。当输出电流减少时，在燃料电池组100的内部不消 耗燃料气体，所以第三部分通路121c内的压力Pc上升(图4 (e))。 而且，当输出电流减少时，降低第二减压阀218的目标压力Pt (图4 (b))。这样，第二减压阔218的开度被设定得逐渐减小(图4(c))。 而且，这时，第二部分通路121b内的压力Pb逐渐上升(图4(f))。 这样，第一减压阔214逐渐关闭，并最终被设定为关闭状态(图4(d))。在本实施例中，当输出电流减少时，第二减压阀218的开度被设 定得逐渐减小，但是，也可以不将第二减压阀218设定到关闭状态。 这是由于在本实施例中，当判断为燃料电池组100的输出电流减少 规定量AI以上时，控制电路600在图3的步骤S104中使第二减压阀 218的目标压力Pt增大APtl (图4(b))。这样，在本实施例中，不 将第二减压阀218设定为关闭状态，而是设定为略微打开的状态。因 此，第二部分通路121b内的燃料气体流入第三部分通路121c中。结果， 在第一实施例中，与比较例相比，第三部分通路121c内的压力Pc的变 化小，压力Pc维持基本一定的值(图4 (e))。而且，与比较例相比， 抑制第二部分通路121b内的压力Pb的上升(图4 (f))。在图4(e)中，在第二减压阀218的目标压力Pt增加APtl之后， 第三部分通路121c内的压力Pc为基本一定的值。这是由于每单位时 间流入燃料电池组100内的燃料气体的量(流入量)与每单位时间从 燃料气体侧(阳极侧)经燃料电池组100内部的电解质膜漏到氧化气 体侧(阴极侧)的燃料气体的量(漏出量)基本相等。上述流入量最 好为漏出量以下的有效量。如果这样，则燃料电池组100内部的燃料 气体量不增大，所以能抑制燃料电池组内部的压力变高而使燃料电池 破损的情况。特别是，流入量最好为漏出量以下的、尽可能大的量。 如果这样，则能充分抑制第二部分通路121b内的压力Pb的上升。如以上说明的那样，在本实施例中，当燃料气体的消耗量减少规 定量以上时，将第二减压阀218的目标压力Pt的值设定为比与减少后的消耗量对应的值大的值。这样，第二减压阀218未被设定到关闭状 态，而是设定到有效的开度。因此，第二部分通路121b内的燃料气体 流出到下游侧的燃料电池组100，结果，能抑制第二部分通路121b内 的压力Pb的过度上升。特别是，在本实施例中，如在图3中说明的那样，当第二部分通 路121b内的压力Pb达到第一阈值Pb—max以上时，能进一步使第二减 压阀218的目标压力Pt增大，并能将第二减压阀218的开度设定得更 大。因此，能可靠地抑制第二部分通路121b内的压力Pb的过度上升。A-4.第一实施例的变型例图5为表示第一实施例的变型例的第二减压阀218的控制程序的 流程图。图5和图3基本相同，但是，增加了步骤S112、 S114。而且， 与此相伴，改变了步骤S106a、 S108a。在变型例中，在步骤S106a中，当判断出第二部分通路121b内的 压力Pb不足第一阈值Pb—max时，前进到步骤S112。在步骤S112中，控制电路600判断在步骤S106a中取得的压力 Pb是否为第二阈值Pb 一min以下。而且，第二阈值Pb —min为比第一 阈值Pb一max小的值。在压力Pb为第二阈值Pb—min以下的情况下，. 前进到步骤S114。另一方面，在压力Pb比第二阈值Pb—min大的情况 下，返回步骤S106a。在步骤S114中，控制电路600降低第二减压阀218的目标压力 Pt。另外，这时，第二减压阀218的开度变小。在本实施例中，将第二 减压阀218的目标压力Pt降低到与燃料电池组100的输出电流对应的 值。但是，代替这种情况，也可以以减少规定值APt3的方式设定第二减压阀218的目标压力Pt。 一般地，如果第二部分通路121b内的压力 Pb达到第二阈值Pb—miii以下，降低第二减压阀218的目标压力Pb即 可。而且，在变型例中，当在步骤S108a中判断出不能进一步增大第 二减压阀218的目标压力Pt(即，Pt+APt22Pc^max)时，返回步骤S106a。图6为表示第一实施例的变型例的燃料气体供给系统的动作的说 明图。图6示出实行图5的处理时的动作。图6(a) (f)分别与图 4 (a) (f)对应。图6 (a) 、 (d)与图2 (a) 、 (c)相同。而且， 在图6 (c) 、 (e) 、 (f)中，与图2 (b) 、 (d) 、 (e)相同的曲 线由虚线表示。另外，图中的时刻ta之前的动作与第一实施例相同。如第一实施例(图4 (f))说明的那样，在第二减压阀218的目 标压力Pt增大APtl之后，第二部分通路121b内的燃料气体流出到第 三部分通路121c中，因而第二部分通路121b内的压力Pb逐渐减少(图 6 (f))。而且，当压力Pb在时刻ta达到第二阈值Pb—min以下时， 在图5的步骤S114中，控制电路600使第二减压阀218的目标压力Pt 降低到与燃料电池组100的输出电流对应的值(图6 (b))。这时， 第二减压阀218的开度被设定得逐渐减少，并且最终第二减压阀218 被设定为关闭状态(图6 (c))。当第二减压阀218被设定为关闭状态时，第三部分通路121c内的 压力Pc逐渐降低(图6 (e))。这是由于上述流入量基本为零。而且，当第二减压阀218被设定为关闭状态时，第二部分通路121b 内的燃料气体不会流出。因此，第二部分通路121b内的压力Pb维持 在基本一定的值。另外，虽然在图6中最终将第二减压阀218设定为关闭状态，但是，代替这种情形，也可以将其设定到微小的开度。如以上说明的那样，在第一实施例的变型例中，当第二部分通路121b内的压力Pb达到第二阈值Pb _min以下时，降低第二减压阀218 的目标压力Pt。因此，第二减压阀218的开度变小。这样，由于能抑 制第二部分通路121b内的燃料气体流入燃料电池组100，所以能降低 经燃料电池组内部的电解质膜漏出的燃料气体的量，结果可以有效地 利用燃料气体。B.第二实施例图7为表示第二实施例的燃料电池系统的示意结构的说明图。图 7和图1基本相同，但是省略了电流计102。而且，燃料气体供给系统 200B的第二减压阀218B改变。具体地说，第二减压阀218B的目标压 力被设定为一定值，不能由控制电路600调整。图8为示意性地表示第二实施例的第二减压阀218B的内部结构的 说明图。图8(A)表示设定为打开状态时的第二减压阀218B，图8(B) 表示设定为关闭状态时的第二减压阀218B。如图所示，第二减压阀218B具有上部壳体410、下部壳体420、 膜片430、针阀440、阀座部450、上部弹簧461和下部弹簧462。膜片430夹持在上部壳体410和下部壳体420之间。上部弹簧461 的一端固定到膜片430的上表面上，上部弹簧461的另一端固定到上 部壳体410的内侧面上。而且，大致圆柱状的圆柱部件432的一端固 定到膜片430的下表面上。圆柱部件432的另一端以和针阀440接触 的方式设置，但是未固定在针阀440上。另外，由上部壳体410与膜 片430包围的空间Sa内的压力与大气压相等。在下部壳体420上设置燃料气体流入的流入口 421和燃料气体流出的流出口 422。而且，在流入口 421和流出口 422之间形成燃料气体 通过的内部通路。下部弹簧462的一端固定到针阀440上，下部弹簧 462的另一端固定到下部壳体420的内侧面上。而且，环状的阀座部 450固定到下部壳体420上，针阀440的大致锥状的前端部与环状的阀 座部450接触。上部弹簧461向图中的下方推压膜片430。膜片430的下方的空 间Sf内的压力通常比空间Sa内的压力(大气压)高，从而向图中的上 方推压膜片430。另外，空间Sf内的压力与第二减压阀218B下游侧的 压力相等。而且，下部弹簧462向图中的上方推压针阀440，针阀440 通过圆柱部件432向图中的上方推压膜片430。第二减压阀218B下游 侧的目标压力主要由上部弹簧461的推压力决定。在空间Sf内的压力比第二减压阀218B的目标压力低的情况下， 如图8(A)所示，针阀440的前端部与阀座部450不接触，而是分离。 这时，燃料气体通过在针阀440与阀座部450之间形成的间隙进行流 通。而且，在空间Sf内的压力为第二减压阔218B的目标压力以上的 情况下，如图8(B)所示，针阀440的大致锥状的前端部与阀座部450 接触。这时，通常禁止燃料气体的流通。但是，在本实施例中，即使 在针阀440的前端部与阀座部450接触的情况下，也容许少许燃料气 体流通。具体地说，在本实施例中，在针阀440的大致锥状的前端部形成 一条直线状的槽442。而且，槽442沿着前端部所具有的圆锥台状的母 线形成。因此，在本实施例中，如图8 (B)所示，即使在针阀440的 前端部与阀座部450接触的情况下，也容许少许燃料气体流通。另外，在本实施例中，虽然在针阀440的前端部设置一条槽442，但是也可以代替它，设置多个槽。图9为表示第二实施例的燃料气体供给系统的动作的说明图。图6 (a) (e)分别与图2 (a) (e)对应。图9 (a) 、 (c)与图2 (a) 、 (c)相同。而且，在图9 (b) 、 (d) 、 (e)中，与图2(b)、 (d) 、 (e)相同的曲线由虚线表示。如上所述，当车辆减速时，燃料电池组100的输出电流减小(图 9 (a))。这时，由于在燃料电池组100内部不消耗燃料气体，所以第 三部分通路121c内的压力Pc上升(图9 (d))。这样，第二减压阀 218B逐渐关闭，最终被设定为关闭状态(图9 (b))。而且，这时， 第二部分通路121b内的压力Pb上升(图9 (e))。这样，第一减压 阀214逐渐关闭，最终被设定为关闭状态(图9 (c))。不过，在本实施例中，即使在第二减压阀218B被设定为关闭状态 的状态下，少许燃料气体也可通过设置在针阀440的前端部的槽442 流通。即，在本实施例中，对于第二减压阀218B，即使在其被设定到 结构上最节流的状态的情况下，也可以说其具有实质有效的开度。因 此，在图9 (b)中，第二减压阀218B被如此描述，g卩，在最节流的状 态下具有有效的开度。如上所述，第二减压阀218B，即使在最节流的状态下，也容许燃 料气体的流通。因此，第二部分通路121b内的燃料气体流入第三部分 通路121c。结果，在第二实施例中，第三部分通路121c内的压力Pc 的变化小于比较例，而且，与比较例相比，压力Pc缓慢地减少(图9 (d))。另外，与比较例相比，抑制了第二部分通路121b内的压力 Pb的上升(图9 (e))。另外，在图9 (d)中，如上所述，第三部分通路121c内的压力 Pc缓慢地减少。这是由于每单位时间流入燃料电池组100内的燃料气体的量(流入量)比每单位时间从燃料气体侧经燃料电池组100内 部的电解质膜漏到氧化气体侧的燃料气体的量(漏出量)小。如以上说明的那样，在本实施例中，在第二减压阀218B上设置槽442 (流通路)，即使在第二减压阀218B的针阀440与阀座部450之 间的间隙在结构上达到最大程度节流的状态下，该槽也容许燃料气体 的流通。这样，第二部分通路121b内的燃料气体经第二减压阀218B 内部的槽442流出到下游侧的燃料电池组，结果，能抑制第二部分通 路121b内的压力Pb的过度上升。另外，在本实施例中，槽442如此设置，使得在第二减压阀218B 达到最大程度节流的状态下上述流入量比漏出量小。流入量最好为漏 出量以下的有效量。如果这样，则燃料电池组100内部的燃料气体量 不会增大，因此能抑制燃料电池组内部的压力升高而使燃料电池组破 损的情况。特别地，流入量最好为漏出量以下的、尽可能大的量。如 果这样，则能充分地抑制第二部分通路121b内的压力Pb的上升。B-l.第二实施例的第一变型例图10为表示第二实施例的第一变型例的第二减压阀218B1的说明 图。如图所示，在第一变型例中，针阀440B1改变。具体地说，在针 阀440B1的前端部形成三个半球状的凸部444。凸部444例如可以通过 焊接固定到针阀440B1上。在采用第一变型例的情况下，在第二减压阀218B1达到最大程度 节流的状态下，也可使燃料气体通过由凸部444形成的流通路使燃料 气体流通。B-2.第二实施例的第二变型例图11为表示第二实施例的第二变型例的第二减压阀218B2的说明 图。如图所示，在第二变型例中，针阀440B2和阀座部450B2改变。具体地说，不是在针阀440B2上设置槽，而是在阀座部450B2的内表 面(即，与针阀440接触的面)上设置直线状的一条槽452。另外，在 阀座部450B2上也可以设置多条槽。在采用第二变型例的情况下，在第二减压阀218B2达到最大程度 节流的状态下，也可以使燃料气体通过槽452 (流通路)进行流通。B-3.第二实施例的第三变型例图12为表示第二实施例的第三变型例的第二减压阀218B3的说明 图。如图所示，在第三变型例中，针阀440B3和阀座部450B3改变。 针阀440B3与图11的针阀440B2相同。而且，在环状的阀座部450B3 的侧面及一侧底面上(即与下部壳体420接触的两个面)形成多个凸 部454。在采用第三变型例的情况下，在第二减压阀218B3达到最大程度 节流的状态下，也可使燃料气体通过多个凸部454形成的流通路进行 流通。B-4.第二实施例的第四变型例在图8及图10 图12中，在第二减压阀达到最大程度节流的状 态下容许燃料气体流通的流通路设置在第二减压阀的内部，但是，也 可以代替这种情况，将其设置在第二减压阀的外部。图13为表示第二实施例的第四变型例的燃料气体供给系统200B4 的说明图。该燃料气体供给系统200B4与图7的燃料气体供给系统200 基本相同，但是第二减压阀218B4改变，而且增加了旁通通路125。第二减压阀218B4与图8的第二减压阀218B基本相同，但在针 阀上未设置槽442。因此，在第四变型例中，在第二减压阀218B4的外 部设置旁通通路125。旁通通路125连接第二减压阔218B4上游侧的第二部分通路121b与第二减压阀218B4下游侧的第三部分通路121c。在采用第四变型例的情况下，在第二减压阀218B4达到最大程度 节流的状态(即，关闭状态)下，旁通通路125 (流通路)也能使燃料 气体流通。另外，虽然在本例中，设置了旁通通路125,但是，还可以进一 步在旁通通路125上设置截止阀。如果这样，则能控制旁通通路125 内的燃料气体的是否流通。在这种情况下，例如，可以仅在燃料电池 组的输出电流减少规定量以上的情况下，将截止阀设定为打开状态。如图8及图10 图13所示， 一般地，设置这样一种流通路，其 用于在第二减压阀达到最大程度节流的状态下、使第二减压阀上游侧 的燃料气体流通到第二减压阀的下游侧。C.第三实施例第三实施例的燃料电池系统与第二实施例的燃料电池系统(图7) 基本相同，但是第二减压阀改变。图14为示意性地表示第三实施例的第二减压阔218C的内部结构 的说明图。图14 (A)表示设定到打开状态时的第二减压阀218C，图 14 (B)表示设定到关闭状态时的第二减压阀218C。本实施例的第二减压阀218C与图8所示的减压阀218B基本相同， 但是，在针阀440C上未设置槽。而且，作为第二减压阀218C的下部 弹簧462C，采用具有弹簧常数小于比较例中的弹簧常数的弹簧。如果利用该第二减压阀218C，则在第二减压阀218C下游侧的压 力急剧增大的情况下，针阀440不能追随膜片430的急剧移动(上升)， 而是缓慢地上升。这样，第二减压阀218C缓慢地关闭。图15为表示第三实施例的燃料气体供给系统的动作的说明图。图15 (a) (e)分别与图2 (a) (e)对应。图15 (a) 、 (c)与图 2 (a) 、 (c)相同。而且，在图15 (b) 、 (d) 、 (e)中，与图2 (b) 、 (d) 、 (e)相同的曲线由虚线表示。如图所示，在本实施例中，与比较例相比，第二减压阀218C缓慢 地关闭(图15 (b))。具体地说，在第一减压阀214被设定到关闭状 态之后，第二减压阀218C被设定到关闭状态。因此，在本实施例中， 与比较例相比，第三部分通路121c内的压力Pc急剧增大(图15(d))。 而且，与比较例相比，第二部分通路121b内的压力Pb缓慢地上升(图 15 (e))。如上所述，在本实施例中，在第一减压阀214被设定到关闭状态 之后，第二减压阀218C被设定到关闭状态。因此，在第二减压阀218C 被设定到关闭状态之前，第二部分通路121b.内的燃料气体流出到下游 侧的燃料电池组100，结果，能抑制第二部分通路121b内的压力Pb的 过度上升。另外，第二减压阀218C的下部弹簧462的弹簧常数通过实 验如此确定，使得在第一减压阀214被设定到关闭状态之后、第二减 压阀218C被设定到关闭状态。另外，在本实施例中，通过改变下部弹簧462的弹簧常数，可以 调整第二减压阀218C的响应速度。但是，也可以代替这种情况，通过 改变用于使针阀沿其中心轴线移动的环状导引部件(图中未示出)来 调整第二减压阀的响应速度。具体地说，可以通过在针阀与导引部件 之间设置O形圈等来增大针阀移动时受到的摩擦力。另外，本发明不限于上述实施例或实施形式，可以在不脱离其要 旨的范围内以各种形式实施，例如可以有如下的变形。在第一实施例中，通过调整第二减压阀的目标压力来抑制第二部 分通路121b内的压力Pb的过度上升，但是，除此之外，还可以与第 三实施例一样地调整第二减压阀的响应速度。而且，在第二实施例中， 通过设置在第二减压阀达到最大程度节流的状态下容许燃料气体流通 的流通路，来抑制第二部分通路121b内的压力Pb的过度上升，但是， 除此之外，还可以与第三实施例一样地调整第二减压阀的响应速度。 如果这样，则能进一步抑制第二部分通路121b内的压力Pb的过度上 升。工业实用性本发明可以用于将燃料气体供给燃料电池的燃料电池供给装置。
权利要求
1.一种将燃料气体供给燃料电池的燃料气体供给装置，其特征在于，具有供给所述燃料电池的燃料气体通过的气体通路；设置在所述气体通路中的第一减压阀；设置在所述气体通路中并配置在所述第一减压阀下游侧的第二减压阀；设定部，其将所述第二减压阀下游侧的目标压力的值设定为与所述燃料电池消耗的燃料气体的消耗量对应的值；及变更部，其在所述燃料电池消耗的燃料气体的量减少规定量以上时，将所述第二减压阀的目标压力的值变更为比所述设定部设定的、与所述燃料电池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大的值。
2. 如权利要求l所述的燃料气体供给装置，还具有用于检测所述第一减压阀与所述第二减压阀之间的压力的 压力传感器，所述变更部，在将所述第二减压阀的目标压力的值变更为比所述 设定部设定的、与所述燃料电池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对 应的值大的值之后，如果所述压力传感器检测出的值变为第一阈值以 上，则进一步增大所述第二减压阀的目标压力的值。
3. 如权利要求l所述的燃料气体供给装置，还具有用于检测所述第一减压阀与所述第二减压阀之间的压力的 压力传感器，所述变更部，在将所述第二减压阀的目标压力的值变更为比所述 设定部设定的、与所述燃料电池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对 应的值大的值之后，如果所述压力传感器检测出的值变为第二阈值以 下，则减小所述第二减压阀的目标压力的值。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的燃料气体供给装置， 在被所述变更部变更为比所述设定部设定的、与所述燃料电池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大的值时，其变更后的值设 定成使得有效量的燃料气体流入所述燃料电池，其中，所述有效量为 经由所述燃料电池的电解质膜从阳极侧透到阴极侧的燃料气体的漏出 量以下。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的燃料气体供给装置， 还具有电流计，其用于检测与所述燃料电池消耗的燃料气体的量相关的、所述燃料电池的输出电流。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的燃料气体供给装置， 所述第一减压阀下游侧的目标压力的值被设定为定值。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的燃料气体供给装置， 所述第二减压阀为可调整所述第二减压阀的目标压力的可变调压阀。
8. —种将燃料气体供给燃料电池的燃料气体供给装置的控制方 法，其特征在于，所述燃料气体供给装置包括供给所述燃料电池的燃料气体通过的气体通路； 设置在所述气体通路中的第一减压阀；及设置在所述气体通路中并配置在所述第一减压阀下游侧的第二减 压阀，所述方法具有下述工序(a) 将所述第二减压阀下游侧的目标压力的值设定为与所述燃料 电池消耗的燃料气体的消耗量对应的值；(b) 当所述燃料电池消耗的燃料气体的量减少规定量以上时，将 所述第二减压阀的目标压力的值变更为比在所述工序(a)中设定的、 与所述燃料电池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大的值。
9. 如权利要求8所述的控制方法，所述燃料气体供给装置还具有用于检测所述第一减压阀与所述第 二减压阀之间的压力的压力传感器，所述工序(b)还包括下述工序在所述第二减压阀的目标压力的值变更为比在所述工序(a)中设 定的、与所述燃料电池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大 的值之后，如果所述压力传感器检测出的值变为第一阈值以上，则进 一步增大所述第二减压阀的目标压力的值。
10. 如权利要求8所述的控制方法，所述燃料气体供给装置还具有用于检测所述第一减压阀与所述第 二减压阀之间的压力的压力传感器， 所述工序(b)还包括下述工序在所述第二减压阀的目标压力的值变更为比在所述工序(a)中设 定的、与所述燃料电池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大. 的值之后，如果所述压力传感器检测出的值变为第二阈值以下，则减 小所述第二减压阀的目标压力的值。
11. 如权利要求8至10中任一项所述的控制方法， 在所述工序(b)中，当变更为比在所述工序(a)中设定的、与所述燃料电池消耗的燃料气体的减少后的消耗量对应的值大的值时， 其变更后的值设定成使得有效量的燃料气体流入所述燃料电池，其中， 所述有效量为经由所述燃料电池的电解质膜从阳极侧透到阴极侧的燃 料气体的漏出量以下。
12. —种将燃料气体供给燃料电池的燃料气体供给装置，其特征 在于，具有供给所述燃料电池的燃料气体通过的气体通路； 设置在所述气体通路中的第一减压阀；设置在所述气体通路中并配置在所述第一减压阀下游侧的第二减 压阀；及流通路，其用于在所述第二减压阀被最大程度节流的状态下，使 所述第二减压阀上游侧的燃料气体流到所述第二减压阀的下游侧。
13. 如权利要求12所述的燃料气体供给装置， 所述流通路设置在所述第二减压阀的内部。
14. 如权利要求13所述的燃料气体供给装置， 所述第二减压阀包括 具有大致锥状的前端部的针阀；和与所述针阀的所述前端部对应的阀座部，所述流通路由设置在所述前端部上的凹部或凸部在所述前端部与 所述阀座部之间形成。
15. 如权利要求13所述的燃料气体供给装置， 所述第二减压阀包括 具有大致锥状的前端部的针阀；和 与所述针阀的所述前端部对应的阀座部，所述流通路由设置在所述阀座部上的凹部或凸部在所述前端部与 所述阀座部之间形成。
16. 如权利要求12所述的燃料气体供给装置， 所述流通路设置在所述第二减压阀的外部，并包含连接所述第二减压阀的上游侧与下游侧的连接通路。
17. 如权利要求12至16中任一项所述的燃料气体供给装置， 所述流通路设置成在所述第二减压阀被最大程度节流的状态下使得有效量的燃料气体流入所述燃料电池，其中，所述有效量为经由所 述燃料电池的电解质膜从阳极侧透到阴极侧的燃料气体的漏出量以下。
18.如权利要求12至17中任一项所述的燃料气体供给装置， 所述第一减压阀下游侧的目标压力的值被设定为定值，并且 所述第二减压阀下游侧的目标压力的值被设定为定值。
19. 一种将燃料气体供给燃料电池的燃料气体供给装置，其特征 在于，具有供给所述燃料电池的燃料气体通过的气体通路； 设置在所述气体通路中的第一减压阀；及设置在所述气体通路中并配置在所述第一减压阀下游侧的第二减 压阀，所述第二减压阀构成为，在所述燃料电池消耗的燃料气体的消耗 量减少时，在所述第一减压阀被设定为关闭状态之后，所述第二减压 阀被设定为关闭状态。
20. 如权利要求19所述的燃料气体供给装置，所述第一减压阀下游侧的目标压力的值被设定为定值，并且 所述第二减压阀下游侧的目标压力的值被设定为定值。
全文摘要
本发明提供了一种能抑制燃料电池消耗的燃料气体的消耗量减少时两个减压阀之间的压力过度上升的技术。燃料气体供给装置具有供给燃料电池组的燃料气体通过的气体通路；设置在气体通路中的第一减压阀；设置在气体通路中并配置在所述第一减压阀下游侧的第二减压阀；设定部，其将第二减压阀下游侧的目标压力的值设定为与燃料电池组消耗的燃料气体的消耗量对应的值；及变更部，其在消耗量减少规定量以上时，将第二减压阀的目标压力的值变更为比与减少后的消耗量对应的值大的值。
文档编号H01M8/04GK101238607SQ20068002916
公开日2008年8月6日 申请日期2006年8月10日 优先权日2005年8月12日
发明者片野刚司 申请人:丰田自动车株式会社