专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术：
以往，提出具备接受反应气体(燃料气体及氧化气体)的供给而 进行发电的燃料电池的燃料电池系统，并将其实用化。在该燃料电池 系统中设有配管，该配管形成用于使从氢罐等燃料供给源供给的燃料 气体流向燃料电池的燃料供给流路。而且，通常在该配管(燃料供给 流路)上设有使来自燃料供给源的燃料气体的供给压力降低至一定值 的调压阀(调节器)。
另外，现在提出通过将改变燃料气体的供给状态(供给量/供给压 力等)的开闭阔设置于配管(燃料供给流路)上，根据系统的运转状
态使燃料气体的供给状态变化的技术(例如参照日本特开2005 — 302563号公报)。
然而，可知在如日本特开2005 — 302563号公报所述的燃料电池系 统中，根据开闭阀的构造特征，开阀时及闭阀时会在配管上产生振动， 存在因开阀时产生的振动和闭阀时产生的振动重叠而放大，从而产生 噪音的问题。这种噪音特别是会在间歇运转时等显著化而令使用者产 生不适感。
发明内容
本发明鉴于该情况而发明，其目的在于，在具备形成燃料供给流 路的配管和设置在该配管上的开关阀的燃料电池系统中，抑制开闭阀 的开闭动作引起的振动的放大。
5为了实现所述目的，本发明的第一燃料电池系统具备燃料电池； 配管，形成用于使从燃料供给源供给的燃料气体向燃料电池流动的燃 料供给流路；开闭阀，调整燃料供给流路的上游侧的气体状态而向下 游侧供给；及控制单元，控制该开闭阀的开闭动作，其中，控制单元 设定从开闭阀打开时到关闭时的所需时间，以使开闭阀上游侧的配管 的振动水平在规定的基准水平以下。
另外，本发明的第二燃料电池系统具备燃料电池；配管，形成 有用于使从燃料供给源供给的燃料气体向燃料电池流动的燃料供给流 路；开闭阀，调整燃料供给流路的上游侧的气体状态而向下游侧供给； 及控制单元，控制该开闭阀的开闭动作，其中，控制单元设定从开闭 阀关闭时到打开时的所需时间，以使开闭阀上游侧的配管的振动水平 在规定的基准水平以下。
采用这样的构成时，可以设定从开闭阀打开时到关闭时(或从关 闭时到打开时)的所需时间，以使开闭阀上游侧的配管的振动水平在 规定的基准水平以下。例如，能够使从开闭阀打开时到关闭时(或从 关闭时到打开时)的所需时间比现有技术的所需时间长，以抑制开阀 时产生的振动和闭阀时产生的振动重合而导致开闭阀上游侧的配管的 振动放大。因此，可抑制间歇运转时等的噪音的产生。另外，所谓"气 体状态"是指以流量、压力、温度、摩尔浓度等表示的气体状态，特 别是包含气体流量及气体压力的至少一方。
在所述燃料电池系统中，也可以采用如下控制单元设定从开闭 阀打开时到关闭时(或从关闭时到打开时)的所需时间，以使开闭阀 下游侧的配管的振动水平在规定的基准水平以下。
采用该构成时，可以设定从开闭阀打开时到关闭时(或关闭时到 打开时)的所需时间，以使开闭阀下游侧的配管的振动水平在规定的基准水平以下。因此，可抑制间歇运转时等的噪音的产生。
另外，在所述燃料电池系统中，也可以采用如下控制单元设定 从开闭阔打开时到关闭时(或从关闭时到打开时)的所需的时间，以 使开闭阀自身的振动水平在规定的基准水平以下。
采用该构成时，能够设定从开闭阀打开时到关闭时(或从关闭时 到打开时)的所需时间，以使开闭阀自身的振动水平在规定的基准水 平以下。
另外，在所述燃料电池系统中，可以采用如下控制单元设定从 开闭阀打开时到关闭时(或从关闭时到打开时)的所需时间，以在开 闭阀关闭时产生与开闭阀打开时产生的振动相反的振动(或以在开闭 阀打开时产生与开闭阀关闭时产生的振动相反的振动)。
采用该构成时，由于可以使开阀时产生的振动和闭阀时产生的振 动重合而使振动减弱(乃至消除)，故而可以有效抑制噪音的产生。
另外，在所述燃料电池系统中，可以具备检测出配管或开闭阀的 振动水平的振动传感器。该情况下，可以采用根据由振动传感器检测 出的振动水平来设定从开闭阀打开时到关闭时(或从关闭时到打开时) 的所需时间的控制单元。
采用该构成时，能够实现开闭阀的开闭时间的反馈控制,以使由振 动传感器检测出的振动水平在规定的基准水平以下。
另外，在将所述燃料电池系统的配管固定于规定的移动体上的情 况下，优选在移动体的配管固定部附近配置振动传感器。
采用该构成时，在配管为圆筒状而难以安装振动传感器的情况及
7由于安装于配管上的振动传感器容易振动而难以检测出配管的振动的 情况下，可以恰当处理。
另外，在所述燃料电池系统中，也可以在开闭阀上游侧的配管上 设置缓冲罐(调压槽)。
采用该构成时，为了使开闭阀上游侧的配管的振动水平在规定的 基准水平以下，使从开闭阀打开时到关闭时(或从关闭时到打开时) 的所需时间加长，从而即使在开闭阔上游侧的配管内气体的波动变大 的情况下，也能够通过缓冲罐抑制该波动。因此，可以抑制由气体的 波动引起的振动。
另外，在所述燃料电池系统中，可以采用喷射器作为开闭阔。
所谓喷射器是电磁驱动式的开闭阀，可利用电磁驱动力直接以规 定的驱动周期驱动阀芯远离阀座，从而调整气体状态(气体流量及气 体压力)。规定的控制部驱动喷射器的阀芯来控制燃料气体的喷射时 期及喷射时间，从而可以控制燃料气体的流量及压力。
根据本发明，在具备形成燃料供给流路的配管和设置在该配管上 的开闭阀的燃料电池系统中，可以抑制由开闭阀的开闭动作引起的振 动的放大。
图1是本发明的实施方式的燃料电池系统的构成图2是表示将本发明的实施方式的燃料电池系统搭载于燃料电池
车辆上的状态的说明图3是表示图1所示的燃料电池系统的喷射器的内部构造的说明
图4A是表示现有技术的喷射器的开闭动作的时序图；图4B是表示现有技术的喷射器上游侧配管的振动水平的时间履 历的时序图5A是表示图1所示的燃料电池系统的喷射器的幵闭动作的时序
图5B是表示图l所示的燃料电池系统的喷射器上游侧配管的振动 水平的时间履历的时序图。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的实施方式的燃料电池系统1进行说明。
首先，使用图1 图5对本发明的实施方式的燃料电池系统1的构 成进行说明。如图1所示，本实施方式的燃料电池系统1具备接受反 应气体(氧化气体及燃料气体)的供给而产生电力的燃料电池10，并 且具备向燃料电池10供给作为氧化气体的空气的氧化气体配管系统2、 向燃料电池10供给作为燃料气体的氢气的氢气配管系统3、集中控制 系统整体的控制装置4等。如图2所示，本实施方式的燃料电池系统1 搭载于燃料电池车辆IOO上，作为车载发电系统起作用。
燃料电池IO具有将接受反应气体的供给而进行发电的单电池层积 所需数量而构成的堆叠构造。由燃料电池IO产生的电力被供给于PCU (Power Control Unit:功率控制单元)11。 PCU11具备配置在燃料电 池IO和牵引电动机12之间的变换器及DC — DC转换器等。
氧化气体配管系统2具备空气供给流路21，将通过加湿器20 加湿的氧化气体(空气)供给到燃料电池10;空气排出流路22，将从 燃料电池10排出的氧化废气导入加湿器20;及排气流路23，用于将 氧化废气从加湿器21导向外部。在空气供给流路21上设有将大气中 的氧化气体取入并压送至加湿器20的压縮机24。
氢气配管系统3具备氢罐30，作为贮存高压的氢气的燃料供给源；氢供给流路31，作为用于将氢罐30的氢气供给至燃料电池10的
燃料供给流路；及循环流路32，用于使从燃料电池IO排出的氢废气返 回至氢供给流路31。作为燃料供给源也可以代替氢罐30，使用从烃类 的燃料生成富氢的改性气体的改性器和使由该改性器生成的改性气体 为高压状态而蓄压的高压气体罐。另外，也可以采用具有贮氢合金的 罐作为燃料供给源。
在氢供给流路31上设有截止或允许来自氢罐30的氢气的供给的 截止阀33、调整氢气的压力的调节器34、喷射器35。另外，在喷射器 35的下游侧、氢供给流路31和循环流路32的合流部Al的上游侧设 有检测氢供给流路31内的氢气的压力的二次侧压力传感器41。另外， 在形成氢供给流路31的配管31a (图2及图3)的喷射器35的上游侧 附近设有检测配管31a的振动水平(加速度)的振动传感器42。由振 动传感器42检测出的配管31a的振动水平传送至控制装置4，用于后 述的振动抑制控制。
在本实施方式中，如图2所示，分别在燃料电池车辆100的前方 配置燃料电池IO，在燃料电池100的后方配置氢罐30，并且在燃料电 池车辆100的车架110的下部固定有形成氢供给流路31的配管31a。 配管31a固定在车架110的两处配管固定部111、 112上，在配管31a 的喷射器35上游侧附近安装有振动传感器42。
调节器34是将其上游侧压力(一次压力)调压为预先设定的二次 压力的装置。在本实施方式中，采用将一次压力减压的机械式的减压 阀作为调节器34。作为机械式减压阀的构成可以采用公知的构成，艮口， 具有隔着隔膜形成背压室和调压室的壳体，通过背压室内的背压在调
压室内将一次压力减压至规定的压力作为二次压力。在本实施方式中， 如图1所示，通过在喷射器35的上游侧配置两个调节器34，可以有效 降低喷射器35的上游侧压力。因此，可以提高喷射器35的机械构造 (阀芯、壳体、流路、驱动装置等)的设计自由度。另外，由于可以降低喷射器35的上游侧压力，因此能够抑制因喷射器35的上游侧压
力和下游侧压力之间的压差放大而使喷射器35的阀芯难以移动。因此， 可以扩大喷射器35的下游侧压力的可变调压宽度，并且可以抑制喷射 器35的响应性降低。
如图3所示，喷射器35是电磁驱动式的开闭阀，通过电磁驱动力 直接以规定的驱动周期驱动阀芯52远离阀座50，从而可以调整气体流 量、气体压力。在本实施方式中，如图1所示，在氢供给流路31和循 环流路32的合流部A1的上游侧配置有喷射器35。另外，如图l中虚 线所示，在采用多个氢罐30作为燃料供给源的情况下，将喷射器35 配置在从各氢罐30供给的氢气合流的部分(氢气合流部A2)的下游
如图3所示，喷射器35具备阀座50，该阀座50具有喷射氢气等 气体燃料的喷射孔，并且具备喷嘴体51，将该气体燃料供给引导至喷 射孔；及阀芯52，相对于喷嘴体51可以沿轴线方向(气体流动方向) 移动地被收容保持且开闭喷射孔。在本实施方式中，喷射器35的阀芯 52通过作为电磁驱动装置的螺线管53驱动，通过接通/断开向该螺线 管53供电的脉冲状励磁电流，可以两级或多级地切换喷射孔的开口面 积。由从控制装置4输出的控制信号控制喷射器35的气体喷射时间及 气体喷射时期，从而高精度地控制氢气的流量及压力。喷射器35是以 电磁驱动力直接开闭驱动阀(阔座50及阀芯52)的装置，由于该驱动 周期可以控制在高响应区域，因此具有较高的响应性。
在喷射器35上设有限制阀芯52向后方移动的制动器54。因此， 在打开喷射器35的喷射孔的开阀时，从阀座50离开的阀芯52与制动 器54抵接，因此在喷射器35自身及喷射器35上游侧/下游侧的配管 31a产生振动。另外，即使在关闭喷射器35的喷射孔的闭阀时，阀芯 52也与阀座50抵接，因此在喷射器35自身及喷射器35的上游侧/下 游侧的配管31a产生振动。在本实施方式中，为抑制这种喷射器的开闭动作引起的振动的放大，调整喷射器从打开时到关闭时(或从关闭时 到打开时)所需的时间。后面将对振动抑制控制进行详细叙述。
喷射器35为了对其下游供给所要求的气体流量，通过改变设在喷
射器35的气体流路上的阀的开口面积(开度)及打开时间的至少一方， 调整向下游侧(燃料电池10侧)供给的气体流量(或氢摩尔浓度)。 另外，通过喷射器35的阀的开闭调整气体流量，并且向喷射器35下 游供给的气体压力比喷射器35上游的气体压力低，因此也可将喷射器 35解释为调压阀(减压阀、调节器)。另外，在本实施方式中，也可 以解释为可变调压阀，该可变调压阔能够以根据气体要求在规定压力 范围中与要求压力一致的方式，改变喷射器35的上游气体压力的调压 量(减压量)。
在循环流路32上，经由气液分离器36及排气排水阀37连接有排 出流路38。气液分离器36是从氢废气回收水分的装置。排气排水阀 37根据来自控制装置4的指令进行动作，从而将由气液分离器36回收 的水分和循环流路32内包含杂质的氢废气(燃料废气)向外部排出(清 洁)的装置。另外，在循环流路32上设有对循环流路32内的氢废气 加压而向氢供给流路31侧送出的氢泵39。另外，经由排气排水阀37 及排出流路38排出的氢废气在稀释器40内与排气流路23内的氧化废 气合流而被稀释。
控制装置4检测设于车辆上的加速操作部件(加速器等)的操作 量，并接受加速要求值(例如来自牵引电动机12等的载荷装置的要求 发电量)等控制信息来控制系统内各种设备的动作。另外，所谓载荷 装置是除了牵引电动机12之外如下装置的总称使燃料电池10动作 所需的辅机装置(例如压縮机24、氢泵39、冷却泵的电动机等)；在 参与车辆的行驶的各种装置(变速机、车轮控制装置、转向装置、悬
架装置等)中使用的促动器；和包含驾驶员空间的空调装置(空调)、 照明、音响等的电力消耗装置。控制装置4由未图示的计算机系统构成。该计算机系统具备CPU、
ROM、 RAM、 HDD、输入输出接口及显示器等，CPU读入记录在ROM中的各种控制程序而执行，从而实现各种控制动作。
具体来说，控制装置4根据燃料电池10的运转状态算出在燃料电池10所消耗的氢气的量(以下称为"氢消耗量")，并且算出喷射器35下游位置的氢气的目标压力值(向燃料电池10的目标气体供给压力)。另外，控制装置4根据算出的目标压力值和由二次侧压力传感器41检测出的喷射器35下游位置的检测压力值之间的偏差，算出反馈校正流量，通过将氢消耗量和反馈校正流量相加，从而算出喷射器35的喷射流量。而且，控制装置4通过发送用于实现喷射器35的喷射流量的控制信号，从而控制喷射器35的气体喷射时间及气体喷射时期，调整向燃料电池IO供给的氢气的流量及压力。这样，控制装置4参照由二次侧压力传感器41检测出的喷射器35下游位置的检测压力值来控制喷射器35。
另外，控制装置4使用振动传感器42检测喷射器35上游侧的配管31a的振动水平(加速度)，设定从喷射器35打开时到关闭时所需的时间t及从喷射器35关闭时到打开时所需时间t rest，以使检测出的振动水平在规定的基准水平以下。即，控制装置4根据检测出的配管31a的振动水平进行喷射器35的开闭动作的反馈控制。
图4A是表示现有技术的喷射器的开闭动作的时序图，图4B是表示由现有技术的喷射器的开闭动作引起的喷射器上游侧配管的振动水平(加速度G)的时序图。另一方面，图5A是表示本实施方式的喷射器35的开闭动作的时序图，图5B是表示由本实施方式的喷射器35的开闭动作引起的喷射器35上游侧配管31a的振动水平(加速度G)的时序图。如图4A所示，在现有技术的系统中，由于从喷射器打开时到关闭时所需的时间t比较短，因此喷射器开阀时产生的振动和喷射器闭阀
时产生的振动重合，如图4B所示，配管的振动水平(加速度G)超过规定的基准水平(基准值GQ)，产生了噪音。与此相对，在本实施方式中，如图5所示，由于设定的从喷射器35打开时到关闭时所需的时间t比较长，故而可以抑制喷射器35开阀时产生的振动和喷射器35闭阀时产生的振动重合。另外，在本实施方式中，如图5A所示，由于也将从喷射器35关闭时到打开时所需的时间t^设定得比较长，因此
也可以抑制喷射器35闭阀时产生的振动和喷射器35开阀时产生的振动的重合。由此，如图5B所示，可以将配管31a的振动水平(加速度G)抑制在规定的基准水平(基准值GQ)以下，可以有效抑制噪音的
产生。
在以上说明的实施方式的燃料电池系统1中，可以设定从喷射器35打开时到关闭时所需的时间t (及从喷射器35关闭时到打开时所需时间t^t)，以使喷射器35上游侧的配管31a的振动水平为规定的基准水平以下。具体来说，可以使从喷射器35打开时到关闭时所需的时间t (及从喷射器关闭时到打开时的所需时间trest)比现有技术的所需时间长，以抑制喷射器35开阀时产生的振动和闭阀时产生的振动重合而喷射器35上游侧的配管31a的振动放大。因此，可以抑制间歇运转时等的噪音的产生。
另外，在以上的实施方式中，表示了将振动传感器42安装在形成有氢供给流路31的配管31a上的例子，但也可以将振动传感器42固定在图2所示的燃料电池车辆lOO的配管固定部lll (112)的附近。这样，在配管31a成为圆筒状而难以安装振动传感器42的情况下及由于安装于配管31a上的振动传感器42容易振动而难以检测出配管31a的振动的情况下，可以恰当地应对。
另外，在以上的实施方式之中，为了使喷射器35上游侧的配管3Ia的振动水平在规定的基准水平以下，将喷射器35从打开时到关闭时的
所需时间t设定得较长，但这样存在喷射器35上游侧的配管31a内的气体波动放大的情况。为了抑制这样的气体的波动，可以在喷射器35上游侧的配管31a上设置缓冲罐(调压槽)。这样，由于可以通过缓冲罐抑制配管31a内气体的波动，故而可以抑制气体波动引起的振动。另外，由于缓冲罐自身具有振动抑制功能，因此如在图5B的时序图中虚线所示，也可以降低喷射器35上游侧的配管31a的振动水平。
另外，在以上的实施方式中，表示了将振动传感器42安装在喷射器35 "上游侧"的配管31a上，控制喷射器35的开闭时间，以使喷射器35 "上游侧"的配管31a的振动水平在规定的基准水平以下，但也可以在喷射器"下游侧"的配管31a上安装振动传感器，控制喷射器35的开闭时间，以使喷射器"下游侧"的配管31a的振动水平在规定的基准水平以下。另外，也可以在喷射器35自身安装振动传感器，控制喷射器35的开闭时间，以使喷射器35自身的振动水平在基准水平以下。
另外，在以上的实施方式中，示例了控制喷射器35的开闭时间，以抑制喷射器35开阀时产生的振动和闭阀时产生的振动重合，但也可以控制喷射器的开闭时间，以在喷射器35闭阀时产生与喷射器35开阀时产生的振动相反的振动(或在喷射器35开阀时产生与喷射器35闭阀时产生的振动相反的振动)。这样，由于可使开阀时产生的振动和闭阀时产生的振动重合来减弱(乃至消除)振动，故而可以有效抑制噪音的产生。
工业上的可利用性
本发明的燃料电池系统如以上的实施方式所示，可以搭载于燃料电池车辆上，另外，也可以搭载于燃料电池车辆以外的各种移动体(机
器人、船舶、飞机等)上。另外，也可以将本发明的燃料电池系统适用于作为建筑物(住宅、大厦等)用的发电设备的 置用发电系统中。
权利要求
1.一种燃料电池系统，具备燃料电池；配管，形成用于使从燃料供给源供给的燃料气体向所述燃料电池流动的燃料供给流路；开闭阀，调整所述燃料供给流路的上游侧的气体状态而向下游侧供给；及控制单元，控制该开闭阀的开闭动作，所述控制单元设定从所述开闭阀打开时到关闭时的所需时间，以使所述开闭阀上游侧的所述配管的振动水平在规定的基准水平以下。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，所述控制单元设定从所述开闭阀打开时到关闭时的所需时间，以使所述开闭阀下游侧的所述配管的振动水平在规定的基准水平以下。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，所述控制单元设定从所述开闭阀打开时到关闭时的所需时间，以使所述开闭阔自身的振动水平在规定的基准水平以下。
4. 如权利要求1 3中任一项所述的燃料电池系统，所述控制单元设定从所述开闭阀打开时到关闭时的所需时间，以在所述开闭阀关闭时产生与在所述开闭阀打开时产生的振动相反的振动。
5. 如权利要求1 4中任一项所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统具备检测所述配管或所述开闭阀的振动水平的振动传感器，所述控制单元根据由所述振动传感器检测出的振动水平来设定从所述开闭阀打开时到关闭时的所需时间。
6. 如权利要求5所述的燃料电池系统，所述配管固定于规定的移动体上，所述振动传感器配置在所述移动体的配管固定部附近。
7. —种燃料电池系统，具备燃料电池；配管，形成用于使从燃料供给源供给的燃料气体向所述燃料电池流动的燃料供给流路；开闭阀，调整所述燃料供给流路的上游侧的气体状态而向下游侧供给；及控制单元，控制该开闭阀的开闭动作，所述控制单元设定从所述开闭阀关闭时到打开时的所需时间，以使所述开闭阀上游侧的所述配管的振动水平在规定的基准水平以下。
8. 如权利要求7所述的燃料电池系统，所述控制单元设定从所述开闭阔关闭时到打开时的所需时间，以使所述开闭阀下游侧的所述配管的振动水平在规定的基准水平以下。
9. 如权利要求7或8所述的燃料电池系统，所述控制单元设定从所述开闭阀关闭时到打开时的所需时间，以使所述开闭阀自身的振动水平在规定的基准水平以下。
10. 如权利要求7 9中任一项所述的燃料电池系统，所述控制单元设定从所述开闭阀关闭时到打开时的所需时间，以在所述开闭阀打开时产生与在所述开闭阀关闭时产生的振动相反的振动。
11. 如权利要求7 10中任一项所述的燃料电池系统，所述燃料电池系统具备检测所述配管或所述开闭阀的振动水平的振动传感器，所述控制单元根据由所述振动传感器检测出的振动水平来设定从所述开闭阀关闭时到打开时的所需时间。
12. 如权利要求ll所述的燃料电池系统，所述配管固定于所述的移动体上，所述振动传感器配置在所述移动体的配管固定部附近。
13. 如权利要求1 12中任一项所述的燃料电池系统，在所述开闭阀上游侧的配管上设置有缓冲罐。
14. 如权利要求1 13中任一项所述的燃料电池系统，所述开闭阀为喷射器。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统，具备燃料电池；配管，形成用于使从燃料供给源供给的燃料气体向燃料电池流动的燃料供给流路；开闭阀，调整燃料供给流路的上游侧的气体状态而向下游侧供给；及控制单元，控制该开闭阀的开闭动作。控制装置设定开闭阀从打开时到关闭时的所需时间，以使开闭阀上游侧的配管的振动水平在规定的基准水平以下。
文档编号H01M8/04GK101675551SQ200880014229
公开日2010年3月17日 申请日期2008年7月2日 优先权日2007年7月2日
发明者片野刚司 申请人:丰田自动车株式会社