专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备从燃料电池堆的排出气体中回收能量的膨胀机的燃料电池系统。
背景技术：
现有技术中，在燃料电池系统中采用了如下的构成在燃料电池堆的氧化剂提供路径以及氧化剂排出路径之间，具备使用从燃料电池堆排出到氧化剂排出路径的废气中的水分来对从氧化剂提供路径提供给燃料电池堆的空气(氧化剂气体)进行加湿的加湿器(例如，參照日本特开2005-158354号公报)。在专利文献I所记载的燃料电池系统中，在氧化剂提供路径或者氧化剂排出路径侦牝具备对加湿器设旁路的旁路路径以及调节旁路路径的开度的流量调节阀，来改变在旁路路径中从旁流过的气体的流量，由此，对应于燃料电池堆的发电量来控制从氧化剂提供 路径提供给燃料电池堆的空气的加湿的程度。另ー方面，在燃料电池系统中，提出了如下构成设置通过从燃料电池堆排出到氧化剂排出路径的废气而驱动的氧化剂提供路径侧的压缩机和同轴的膨胀机，来回收废气的能量。并且，在上述的专利文献I所记载的具备加湿器的燃料电池系统中，还考虑通过设置膨胀机来有效活用废气的能量。
发明内容
为此，本发明目的在于提供一种能效率良好地兼顾进行由加湿器基于废气的加湿、和膨胀机的来自废气的能量回收的燃料电池系统。本发明为了达成上述目的而提出，涉及对下述的燃料电池系统进行的改良，该电池系统具备燃料电池堆；氧化剂提供路径，其与燃料电池堆的阴极连接，并对阴极提供氧化剂气体；氧化剂排出路径，其与燃料电池堆的阴极连接，并从阴极排出废气；加湿器，其搭架在所述氧化剂提供路径以及所述氧化剂排出路径的途中进行连接，通过废气中的水分来对氧化剂气体进行加湿；以及压缩机，其将氧化剂气体送出到所述氧化剂提供路径。并且，该燃料电池系统特征在于还具备膨胀机，其被从所述氧化剂排出路径排出的废气所驱动，将动力传递到所述压缩机；旁路路径，其在所述氧化剂排出路径中，对所述加湿器设旁路；旁路比改变部，其改变旁路比，其中所述旁路比是在所述旁路路径流动的废气的流量相对于从阴极排出到所述氧化剂排出路径的废气的流量的大小的比例；燃料电池堆输出參数检测部，其检测对应于所述燃料电池堆的输出而变化的燃料电池堆输出參数；和旁路控制部，其对应于所述燃料电池堆输出參数的检测值，通过所述旁路比改变部来改变所述旁路比(第I发明)。根据第I发明，通过对应于所述燃料电池堆输出參数的检测值所示的所述燃料电池堆的输出来改变所述旁路比，能效率良好地兼顾所述加湿器对所述氧化剂气体的加湿程度、和所述膨胀机的来自废气的能量的回收量，来使所述燃料电池系统工作。另外，在第I发明中，特征在于，在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出位于从规定的下限等级起到上限等级为止的输出范围内时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为超过零的恒定值(第2发明)。根据第2发明，在所述燃料电池堆的输出在所述输出范围内时，通过使所述旁路比恒定地使废气在所述旁路路径中流通，能容易地将所述加湿器对氧化剂气体的加湿的程度、以及所述膨胀机的来自废气的能量的回收率确保在一定等级以上。另外，在第I发明中，在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出位于从规定的下限等级起到上限等级为止的输出范围内时，根据所述燃料电池堆输出參数的检测值而识别的所述燃料电池堆的输出越大，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设得越小(第3发明)。根据第3发明，在所述燃料电池堆的输出为所述低中输出范围内时，所述燃料电池堆的输出越大，由所述旁路比改变部将所述旁路比设定得越小，由此能使所述加湿器对氧化剂气体的加湿成为与所述燃料电池堆的发电量相应的程度，同时通过伴随所述燃料电池堆的输出増加的废气的流量増加，能抑制所述膨胀机的来自废气的能量的回收量的减少。另外，在第2发明或第3发明中，在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出不足所述下限等级时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为第I规定值以下(第4发明)。根据第4发明，在所述燃料电池堆的输出为所述下限等级以下、废气的流量少时，由所述膨胀机从废气回收的能量变小，由能量回收带来的好处減少。为此，在这种情况下，通过使所述旁路比为所述第I规定值以下来使所述旁路路径的废气的流通量成为微小值，能在使所述加湿器对氧化剂气体的加湿为优先的适当的平衡的基础上，兼顾所述膨胀机进行的能量回收和所述加湿器对氧化剂的加湿。另外，在第2发明到第4发明的任一者中，在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出超过了所述上限等级时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为第2规定值以下(第5发明)。根据第5发明，在所述燃料电池堆的输出为所述上限等级以上、废气的流量多吋，从在所述加湿器内流通的废气中也能由所述膨胀机回收充分的能量。因此，在这种情况下，通过将所述旁路比设为所述第2规定值以下而使所述旁路的废气的流通量成为微小值，能在使所述加湿器对氧化剂气体的加湿为优先的适当的平衡的基础上，兼顾所述膨胀机进行的能量回收和所述加湿器对氧化剂的加湿。
图I是本发明的燃料电池系统的构成图。图2是对应于燃料电池堆的输出来设定旁路比的处理的流程图。图3是表示对加湿器设旁路来将废气提供给膨胀机从而提高能量的回收率的说明图。
具体实施例方式參照图I 图3来说明本发明的实施方式的一例。參照图1，本实施方式的燃料电、池系统例如是搭载于燃料电池堆汽车上的燃料电池系统，具备燃料电池堆10 ;与燃料电池堆10的阴极(空气极)连接并向阴极提供空气(氧化剂气体)的氧化剂提供路径11;与燃料电池堆10的阴极连接并用于排出反应后的废气的氧化剂排出路径12 ;与燃料电池堆10的阳极连接并用于提供氢(燃料气体)的燃料提供路径13 ;将来自未图示的氢气罐的氢送出到燃料提供路径13的喷射器50 ;以及与燃料电池堆10的阳极连接并将剩余氢返回给氢提高路径13的燃料气体排出路径14。另外，燃料电池系统具备对将空气送出到氧化剂提供路径11的压缩机40进行驱动的电动机41 ;与压缩机40同轴连结于电动机41，并通过在氧化剂排出路径12流通的废气使涡轮(未图示)旋转的膨胀机42 ;搭架在氧化剂提供路径11以及氧化剂排出路径12的途中进行连接的加湿器30 ;对加湿器30设旁路来将加湿器30的上游侧和下游侧的氧化剂排出路径12连通的旁路路径20 ;改变旁路路径20的开度的流量调节阀21 (在本发明中相当于旁路比改变部)；检测燃料电池堆10的输出电压的电压传感器15 ;以及检测燃料电池堆10的输出电流的电流传感器16。 加湿器30具备例如中空丝膜、平膜等仅使流体中的水分移动的构成，使用在氧化剂排出路径12中流通的废气中的水分，来对在氧化剂提供路径11中流通的空气进行加湿。膨胀机42的涡轮通过在氧化剂排出路径12流通的废气而转动，介由电动机41的驱动轴将驱动カ传递到压缩机40，由此回收废气的能量。进而，燃料电池系统具备对燃料电池系统的整体的动作进行控制的控制器60，电压传感器15的电压检测信号和电流传感器16的电流检测信号被输入到控制器60。另外，通过从控制器60输出的控制信号来控制流量调节阀21和电动机41的工作。控制器60是由CPU、存储器等构成的电子单元，通过由CPU执行保持在存储器中的燃料电池系统用的控制程序，来起到控制燃料电池系统的工作的功能。另外，控制器60作为控制燃料电池系统的工作的功能的一部分、即旁路控制部61发挥功能。旁路控制部61对应于燃料电池堆10的输出来控制旁路比，该旁路比是流通到旁路路径20侧的废气的流量Fb相对于从燃料电池堆10的阴极排出到氧化剂排出路径12的废气的总流量Fa的大小的比例BR (BR = Fb/Fa)。在此，若増大旁路比BR来使在加湿器30侧流通的废气的流量Fe減少，则加湿器30中的废气的能量损失(散热、压损)減少，因此，能増加膨胀机42中的来自废气的能量回收量，但加湿器30中的加湿量会減少。另ー方面，若減少旁路比BR来使在加湿器30侧流通的废气的流量増加，则加湿器30中的空气的加湿量增加，但由于加湿器30中的废气的能量损失増大，因此膨胀机42中的来自废气的能量回收量減少。另外，为了良好地进行燃料电池堆10的发电，要提高燃料电池堆10的固体电解质膜的导电性，从而需要进行与燃料电池堆10的输出相应的空气的加湿，但若加湿过剩，则滞留在氧化剂提供路径11中的水会妨碍到空气的提供，从而存在燃料电池堆10的输出会降低的风险。为此，旁路控制部61通过对应于燃料电池堆10的输出来由流量调节阀21控制旁路比BR，从而考虑加湿器30中的空气的加湿的程度、和膨胀机42中的来自废气的能量的回收量之间的平衡，来效率良好地进行兼顾了两者的处理。下面，依照图2所示的流程图来说明该处理。旁路控制部61在燃料电池堆10进行发电运转吋，反复执行图2所示的流程图来设定旁路比BR。在步骤I，旁路控制部61根据电压传感器15的电压检测信号以及电流传感器16的电流检测信号，检测出燃料电池堆10的输出电压Vfc和输出电流Ifc。在接下来的步骤2中，旁路控制部61判断燃料电池堆10的输出功率Pfc (Pfc =VfcX Ifc)是否处于从下限等级Pfc_Lo_lmt起到上限等级Pfc_Hi_lmt为止的输出范围内(Pfc_Lo_lmt ^ Pfc ^ Pfc_Hi_lmt)。另外，燃料电池堆10的输出功率Pfc相当于本发明的燃料电池堆输出參数。另外，由电压传感器15检测燃料电池堆10的输出电压Vfc，由电流传感器16检测燃料电池堆10的输出电流Ifc，从而检测出燃料电池堆10的输出功率Pfc这样的构成，相当于本发明的燃料电池堆输出參数检测部。 在步骤2，在燃料电池堆10的输出功率Pfc处于从下限等级Pfc_Lo_lmt起到上限等级Pfc_Hi_lmt为止的输出范围内吋，前进到步骤3，旁路控制部61控制流量调节阀21的开度以使旁路比BR成为0. 5，并前进到步骤4。另ー方面，在燃料电池堆10的输出功率Pfc处于从下限等级Pfc_Lo_lmt起到上限等级Pf为止的输出范围外吋，分支前进到步骤10，旁路控制部61使流量调节阀闭阀从而使旁路比BR为零(相当于本发明的第I规定值以及第2规定值)，由此，使在旁路路径20流通的废气的流量为零，并前进到步骤4。在此，图3是将纵轴设定为能量回收量的提高率、将横轴设定为燃料电池堆10的输出功率来表示在将旁路比BR从0改变到0. 5时的膨胀机42中的来自废气的能量回收量的提闻率。如图3所明确那样，在燃料电池堆10的输出功率超过Pl后，能量回收量的提高率急剧提高。推測其原因是，在燃料电池堆10的输出功率Pfc为Pl以下的范围时，废气的流量本身少，即使使废气的一部分在旁路路径20侧流通，提供给膨胀机42的能量的量也不怎么增加。另外，若燃料电池堆10的输出功率Pfc超过P2，则能量回收量逐渐減少。推測其原因是，若伴随着输出功率Pfc的増加而废气的流量増大，则即使在加湿器30中存在一定程度的能量损失，经由加湿器30而提供给膨胀机42的废气的能量也会被維持得较高，且即使使废气的一部分在旁路路径20侧流通，提供给压缩机42的能量的量也不怎么増加。为此，在燃料电池堆10的输出功率Pfc不足相当于图3的Pl的下限等级Pfc_Lo_Imt时，以及在超过相当于图3的P3的上限等级Pfc_Hi_lmt时,通过使旁路比为零,能在使加湿器30的加湿优先的同时效率良好地进行来自废气的能量的回收，从而能兼顾加湿和能量回收。另外，尽管在本实施方式中，在图2的流程图的步骤3中将旁路比设定为0.5，但在此设定的旁路比并不限定于0. 5，通过实验或仿真等来决定适当的值即可。另外，尽管在图2的流程图的步骤3中，将旁路比设定为固定值(0. 5)，但也可以随着燃料电池堆10的输出功率Pfc増大而减小旁路比。这种情况下的旁路比的减小既可以是线性的减小，也可以是阶梯性的减小。另外，尽管在图2的步骤2中，在燃料电池堆10的输出功率不足下限等级Pfc_Lo_Imt的情况、以及燃料电池堆10的输出功率超过上限等级Pfc_Hi_lmt的情况这两者中，将旁路比设定为零，但也可以仅在一者的情况下将旁路比设定为零。另外，尽管在图2的步骤10中，将燃料电池堆10的输出功率Pfc不足下限等级Pfc_Lo_lmt时的旁路比(相当于本发明的第I规定值)、以及燃料电池堆10的输出功率Pfc超过上限等级Pfc_Hi_lmt时的旁路比(相当于本发明的第2规定值)均设定为零，但也可以将旁路比设定为零以外的值，以使得在旁路路径20流通的废气的流量成为微量。进而，在这种情况下，也可以在燃料电池堆10的输出功率不足下限等级Pfc_Lo_lmt时、和燃料电池堆10的输出功率超过上限等级Pfc_Hi_lmt吋，将旁路比设定为不同的值。另外，尽管在本实施方式中，使用了燃料电池堆的输出功率来作为本发明的燃料电池堆输出參数，但也可以使用燃料电池堆的输出电流、燃料电池堆的温度、提供给燃料电池堆的燃料气体的流量等来作为燃料电池堆的输出參数。权利要求
1.ー种燃料电池系统，具备 燃料电池堆； 氧化剂提供路径，其与燃料电池堆的阴极连接，并对阴极提供氧化剂气体； 氧化剂排出路径，其与燃料电池堆的阴极连接，并从阴极排出废气； 加湿器，其搭架在所述氧化剂提供路径以及所述氧化剂排出路径的途中进行连接，通过废气中的水分来对氧化剂气体进行加湿；和 压缩机，其将氧化剂气体送出给所述氧化剂提供路径， 其特征在干，还具备 膨胀机，其被从所述氧化剂排出路径排出的废气所驱动，将动力传递到所述压缩机； 旁路路径，其在所述氧化剂排出路径中，对所述加湿器设旁路； 旁路比改变部，其改变旁路比，其中所述旁路比是在所述旁路路径流动的废气的流量相对于从阴极排出到所述氧化剂排出路径的废气的流量的大小的比例； 燃料电池堆输出參数检测部，其检测对应于所述燃料电池堆的输出而变化的燃料电池堆输出參数；和 旁路控制部，其对应于所述燃料电池堆输出參数的检测值，通过所述旁路比改变部来改变所述旁路比。
2.根据权利要求I所述的燃料电池系统，其特征在干， 在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出处于从规定的下限等级起到上限等级为止的输出范围内时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为超过零的恒定值。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在干， 在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出不足所述下限等级时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为第I规定值以下。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在干， 在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出超过了所述上限等级时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为第2规定值以下。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在干， 在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出超过了所述上限等级时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为第2规定值以下。
6.根据权利要求I所述的燃料电池系统，其特征在干， 在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出处于从规定的下限等级起到上限等级为止的输出范围内时，根据所述燃料电池堆输出參数的检测值而识别的所述燃料电池堆的输出越大，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设得越小。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在干， 在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出不足所述下限等级时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为第I规定值以下。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在干， 在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出超过了所述上限等级时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为第2规定值以下。
9.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在干， 在所述燃料电池堆输出參数的检测值表现为所述燃料电池堆的输出超过了所述上限等级时，所述旁路控制部通过所述旁路比改变部将所述旁路比设为第2规定值以下。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统，具备膨胀机(42)，其被从氧化剂排出路径(12)排出的废气所驱动，将动力传递给压缩机(40)；旁路路径(20)，其在氧化剂排出路径(12)中对加湿器(30)设旁路；流量调节阀(21)，其改变旁路路径(20)的开度；电压传感器(15)，其检测燃料电池堆(10)的输出电压；电流传感器(16)，其检测燃料电池堆(10)的输出电流；以及旁路控制部(61)，其对应于燃料电池堆(10)的输出功率，通过流量调节阀(21)改变旁路比，其中，该旁路比是在旁路路径流通的废气的流量相对于从燃料电池堆(10)排出到氧化剂排出路径(12)的废气的总流量的大小的比例。
文档编号H01M8/02GK102738486SQ20121007510
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月21日 优先权日2011年3月31日
发明者加地勇人, 小林知树, 若林拓也, 菅原龙也, 金泽卓磨, 铃木干浩 申请人:本田技研工业株式会社