燃料电池系统及其液体排出方法

专利名称:燃料电池系统及其液体排出方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，特别涉及可以在燃料电池起动时使燃料电池组内残存的液体高效地排出的燃料电池系统以及其液体排出方法。
背景技术：
燃料电池作为环保型的清洁的电源而备受瞩目。燃料电池使用氢气等燃料气体和空气等氧化气体通过电化学反应而产生电力。由于通过燃料气体和氧化气体的电化学反应而产生生成水(水蒸气)，所以要在燃料电池的工作中将生成水适当排出。
但是，在燃料电池的工作停止后再起动时燃料电池组内残存有生成水、结露水，如果保持原样则难以平滑顺利地再起动。作为除去该生成水、结露水的方法，考虑以高转速使燃料气体循环系统的循环泵工作，但会有噪音恶化的问题。
特开2003-317766号公报公开了在燃料气体循环系统中设置清除阀，在产生水堵塞时打开清除阀，暂时提高燃料气体的流量，由此消除水堵塞。
专利文献1特开2003-317766号公报
发明内容
但是，仅提高燃料气体的流量，难以充分排出系统内的液体(生成水、结露水)。
本发明的课题在于提供一种解决上述以往技术的问题，在燃料电池组的起动时，可以可靠且迅速地排出燃料电池组内的液体的燃料电池系统。
为解决上述课题，本发明的燃料电池系统包括能够将燃料电池组内的至少液体排出的排出通路，其中，在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给比所述燃料电池组的通常工作时所供给的反应气体更高速度的反应气体。通过供给高速度的反应气体，可以将燃料电池组内的残留液体吹飞，并可靠且迅速地排出。此处，所谓反应气体意味着燃料气体(氢气)以及氧化气体(氧气或空气)中的至少任意一方。反应气体的速度的程度依赖于燃料电池组、泵、配管形状、氢气箱的压力、压力调整阀等系统的结构，例如进行1000升/分或以上，优选为5000升/分或以上，更优选为10000升/分或以上的高压·高速的反应气体的供给。
根据本发明的燃料电池系统的一个方式，优选的是，燃料电池组包括所述反应气体的供给口和排出口；所述反应气体，从所述供给口供给到所述燃料电池组内，并从所述排出口向所述排出通路排出。
根据本发明的燃料电池系统的一个方式，优选的是，在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给比所述通常工作时的反应气体的供给量大的供给量的反应气体。根据该结构，由于供给大量的反应气体，所以可以将燃料电池组内的残留液体吹飞，并可靠且迅速地排出。
根据本发明的燃料电池系统的一个方式，优选的是，在所述燃料电池组的起动时，将所述燃料电池组的内压设为负压状态从而向所述燃料电池组内供给所述反应气体。根据该结构，由于将燃料电池组的内压设为负压，所以可以供给高速的反应气体或更大的量的反应气体。
优选的是，负压状态是通过在供给所述反应气体前使所述燃料电池组发电而设定的。或者优选的是，在排出通路上设置有泵；所述负压状态是通过驱动所述泵而设定的。
根据本发明的燃料电池系统的一个方式，优选的是，在所述反应气体的供给源和所述燃料电池组之间具备可变调压阀；在所述燃料电池组的起动时，改变所述可变调压阀从而向所述燃料电池组内供给比所述通常工作时的反应气体的供给压高的高压反应气体。根据该结构，通过可变调压阀，可以供给高压、高速的反应气体。
根据本发明的燃料电池系统的一个方式，优选的是，还具备设置在所述反应气体的供给源和所述燃料电池组之间的调压阀，和使所述调压阀旁通的旁通通路。而且，在所述燃料电池组的起动时从所述旁通通路向所述燃料电池组内供给所述反应气体，在所述燃料电池组的通常工作时经由所述调压阀向所述燃料电池组内供给所述反应气体。
根据本发明的燃料电池系统的一个方式，优选的是，在所述燃料电池组的起动时，实施多次所述反应气体的供给。由此，可以更可靠地进行残留液体的除去。
根据本发明的燃料电池系统的一个方式，优选的是，在所述排出通路上具备储存部。由此，可以进行大量的反应气体的供给，或者可以不使其排出而暂时将其储存。
根据本发明的燃料电池系统的一个方式，优选的是，还具备用于向所述燃料电池组供给所述反应气体的供给通路，和连接在所述供给通路上，用于使从所述燃料电池组排出的所述反应气体返回到所述供给通路的循环通路。
优选的是，在所述循环通路上具备储存部。
更优选的是，循环通路是排出通路的一部分。
根据本发明的燃料电池系统的一个方式，优选的是，所述反应气体是燃料气体。
优选的是，在所述燃料电池组的起动时，以比所述通常工作时更高的速度向所述燃料电池组内供给所述燃料气体；同时以比所述通常工作时更高的速度向所述燃料电池组内供给氧化气体。
本发明的燃料电池系统的液体排出方法，是将燃料电池组内的至少液体排出的燃料电池系统的液体排出方法，其中，在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给比所述燃料电池组的通常工作时所供给的反应气体更高速的反应气体。
另外，鉴于达成本发明的经过，如果从另外的多个观点捕捉本发明的要点，如下所述。
即，本发明的其他的燃料电池系统包括能够将燃料电池组内的液体排出的排出通路，其中，在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给比燃料电池的通常工作时所供给的反应气体更高速度的反应气体。通过供给高速度的反应气体，可以将燃料电池组内的残留液体吹飞，并可靠且迅速地排出。
另外，本发明的另外的燃料电池系统包括能够将燃料电池组内的液体排出的排出通路，其中，在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给比燃料电池的通常工作时的反应气体的供给量大的供给量的反应气体。通过供给大量的反应气体，可以将燃料电池组内的残留液体吹飞，并可靠且迅速地排出。
另外，本发明的其他的燃料电池系统包括能够将燃料电池组内的液体排出的排出通路，其中，在燃料电池组的起动时，将所述燃料电池组的内压设为负压状态，从而向所述燃料电池组内供给所述反应气体。通过将燃料电池组的内压设为负压，可以供给高压、高速的反应气体或更大的量的反应气体。
优选的是，上述负压状态是通过在供给所述反应气体前使所述燃料电池发电而设定的。
另外，本发明的另外的燃料电池系统包括能够将燃料电池组内的液体排出的排出通路，其中，在所述反应气体的供给源和所述燃料电池组之间具备可变调压阀；在所述燃料电池的起动时，改变所述可变调压阀从而向所述燃料电池组内供给比通常工作时的反应气体的供给压高的高压反应气体。通过可变调压阀，可以供给高压、高速的反应气体。
优选的是，所述燃料电池系统在所述排出通路上具备储存部。
优选的是，在所述各燃料电池系统中，在所述燃料电池组的起动时，实施多次所述反应气体的供给。
根据以上所说明的本发明，可以提供可以可靠且迅速地排出燃料电池组内的液体的燃料电池系统以及其液体排出方法。
图1是概略性地表示本发明所使用的燃料电池系统的结构图；图2是表示第1实施方式的燃料电池系统的起动时的液体排出处理顺序的流程图；图3是表示第2实施方式的燃料电池系统的起动时的液体排出处理顺序的流程图；图4是概略性地表示第3实施方式的燃料电池系统的结构图。
具体实施方式接下来，以将本发明使用于车辆的情况为例参照附图对本发明的实施方式进行说明。
<1.第1实施方式的结构>
图1是概略性地表示本发明的第1实施方式的燃料电池系统的结构图。
如该图所示，作为氧化气体的空气(大气)经由空气供给通路71而被供给燃料电池组20的空气供给口3。在空气供给通路71上，设置有从空气中除去微粒子的空气滤清器11、对空气加压的压缩机12、检测供给空气压力的压力传感器51以及向空气添加所需的水分的加湿器13。另外，在空气滤清器11上设有检测空气流量的图示省略的空气流量计。
从燃料电池组20的空气排出口4排出的空气排气，经过排气通路72而被放出到外部。在排出通路72上，设有检测排气压力的压力传感器52、压力调整阀14以及加湿器13的热交换器。压力调整阀(减压阀)14，作为对向燃料电池组20供给的空气的压力(空气压力)进行设定的调压器而起作用。压力传感器51以及52的图未示的检测信号被传送给控制部50。控制部50通过调整压缩机12以及压力调整阀14从而设定供给空气压力、供给流量。
作为燃料气体的氢气，从氢气供给源31经由燃料供给通路75而被供给燃料电池组20的氢气供给口5。氢气供给源31由例如高压氢气箱、燃料改性器、氢气吸藏箱等构成。在燃料供给通路75上，设置有检测氢气供给源的压力的压力传感器54、调整向燃料电池组20的氢气的供给压力的氢气调压阀32、截流阀41、在燃料供给通路75的异常压力时开放的减压阀39、截流阀33以及检测氢气的入口压力的压力传感器55。压力传感器54以及55的图未示的检测信号被供给控制部50。优选的是，氢气调压阀32是可以改变调压值的可变调压阀。通过可变调压阀，可以进行高压·高速的燃料气体供给以及通常压力·通常流速下的供给。特别是，可以在燃料电池组20的起动时供给比通常工作时更高压·高速的燃料气体。例如可以进行1000升/分或以上，优选为5000升/分或以上，更优选为10000升/分或以上的高压·高速的燃料气体的供给。此处，所谓通常工作时，意思是燃料电池组20的起动结束，燃料电池系统不存在异常的状态，而且是燃料电池组20进行与要求电力相对应的发电的状态。对于要求电力，根据负载(例如车辆情况下的驱动电机、或者驾驶者的加速要求)，从低电力到高电力要求大范围的电力，也可以将这些要求电力的范围解释为通常工作时。另外，也可以将与从低电力到高电力的要求电力的范围相对应的燃料电池组20的工作时的燃料气体、氧化气体的供给状态(压力、流速、流量)解释为通常工作时的反应气体的供给状态。
因此，本实施方式的燃料电池组20的起动时所供给的燃料气体(反应气体)的供给状态，为比通常工作时的反应气体的供给状态更大的值。另外，作为其他的实施方式，也可以将与通常工作时要求高电力的一部分较高要求电力的范围相对应的反应气体的供给状态解释为起动时的供给状态。总之，可以在燃料电池组20的通常工作时的上限电力附近的反应气体的供给状态下供给。这样，起动时的反应气体的供给状态和通常工作时的反应气体的供给状态，可以根据燃料电池系统的额定值适当设定。
另外，如后所述，也可以采用没有使用可变调压阀的例子。
在燃料电池组20中没有被消耗的氢气作为氢气排气而从氢气循环通路76排出，返回到燃料供给通路75的截流阀41的下游侧。在氢气循环通路76上，设置有检测氢气排气温度的温度传感器63、控制氢气排气的排出的截流阀34、从氢气排气回收水分的气液分离器35、将回收的水回收到图未示的箱内的排水阀36、对氢气排气加压的氢气泵37以及逆流阻止阀40。温度传感器63的图未示的检测信号被供给控制部50。氢气泵37由控制部50控制动作。氢气排气在燃料供给通路75内与氢气合流，被供给燃料电池组20然后再利用。逆流阻止阀40防止燃料供给通路75的氢气排气逆流回氢气循环通路76侧。
氢气循环通路76(排出通路)，经由清除阀38通过清除流道77而连接在排气通路72上。清除阀38为电磁式的截流阀，通过来自控制部50的指令工作，由此向外部放出(清除)氢气排气。通过间歇地进行该清除动作，可防止由于氢气排气的循环重复进行而增加燃料极侧的氢气排气的异物浓度并从而降低电池电压。优选的是，在从燃料电池组20的出口6(排出口)附近，设置有暂时储存氢气排气的储存部30。通过该储存部30，即使在燃料电池组20的起动时导入大量的氢气也可以将其回收。在没有设置储存部30时，可以考虑使在高压下被供给燃料电池组20的氢气流入氢气循环通路76，并根据需要通过清除阀38等排出。
进而，在燃料电池组20的冷却水出入口上，设有使冷却水循环的冷却通路74。在冷却通路74上，设有检测从燃料电池组20排出的冷却水的温度的温度传感器61、将冷却水的热量向外部散热的散热器(热交换器)21、对冷却水加压从而使其循环的泵22以及检测向燃料电池组20供给的冷却水的温度的温度传感器62。
控制部50，接受图未示的车辆的加速信号等要求负载、来自燃料电池系统的各部分的传感器等的控制信息，控制各种阀类、电机类的运转。控制部50由图未示的控制计算机系统构成。控制计算机系统可以由公知的可以得到的系统构成。
<2.控制流程>
接下来，参照图2所示的流程，对第1实施方式的燃料电池系统的控制部50的起动时的液体排出动作进行说明。控制部50，如上所述由控制用计算机构成，根据图未示的控制程序执行燃料电池系统的各部分动作的控制。
在第1实施方式中，在燃料电池组20的起动之后使用系统内的残留氢气进行燃料电池组20的发电，使电池组20内为负压状态，之后从氢气供给源31供给氢气。
首先，在起动燃料电池组20之后(步骤11)，不供给氢气而进行发电(步骤12)。具体地说，在关闭截止阀33的状态下进行发电。由此消耗系统内的残留氢气，从而使电池组20内为负压状态。通过发电而得到的电力可以向图未示的蓄电池充电，或者用于辅机类的驱动。接下来，检测电池电压的降低或者燃料电池组20内的负压(步骤13)。所谓电池电压的降低，意味着将要消耗的氢气量较少，所以即使电池组20内没有变为负压也进入下面的步骤。在没有检测到电池电压的降低或者燃料电池组20内的负压的任何一种时(步骤13否)，返回步骤12继续发电动作。
在电池电压降低或者燃料电池组内变为负压时(步骤13是)，从氢气供给源31供给氢气(步骤14)。在燃料电池组20内变为负压时，导入燃料电池组20内的氢气高速地流动，可以除去生成水、结露水等残留液体。另外，氢气只要可以通过高压供给，其方法没有限定，可以通过使用上述的可变调压阀的方法、使用不经由后述的氢气调压阀32的图未示的旁通通路的方法、通过图未示的泵加压的方法，也可以利用循环泵37而形成为负压状态。另外，也可以反复多次上述步骤12～14的处理。另外，可以设置燃料电池组20的下游的储存部30，也可以不设置储存部30。
接下来，参照图3所示的流程图，对第2实施方式的燃料电池系统的控制部50的起动时的液体排出动作进行说明。
在第2实施方式中，使用上述的可变调压阀32，在燃料电池组20的起动之后向燃料电池组20内供给比通常工作时更高压的氢气。
首先，在起动燃料电池组20之后(步骤21)，将氢气调压阀的调压值设定得较高(步骤22)。该设定通过控制部50进行。然后，开始从氢气供给源31的氢气供给(步骤23)。使氢气的供给持续预先确定的规定时间(S24)，除去了残留液体后使氢气调压值返回到通常时的值(步骤25)。由此，可以向燃料电池组20内导入高压的氢气，除去生成水、结露水等残留液体。
接下来，以不同点为中心对图4所示的第3实施方式的燃料电池系统的液体排出动作进行说明。
与第1实施方式的不同点是，不将氢气调压阀32构成为可变调压阀，而构成为机械式调压阀，进而设置使氢气调压阀32旁通的旁通通路80，同时设置进行向旁通通路80的切换用的开闭阀81。
机械式氢气调压阀32，例如以隔膜式构成，通过作用在隔膜的两面上的推力的平衡调整氢气向燃料电池组20的供给压。这种机械式调压阀，可以是利用大气压力的调压阀，也可以是利用弹簧等的调压阀。
旁通通路80与燃料供给通路75平行地设置而不经由氢气调压阀32。旁通通路80的上游侧与燃料供给通路75的连接点，位于在氢气调压阀32与氢气供给源31之间的开闭阀81的第1端口。另外，旁通通路80的下游侧与燃料供给通路75的连接点，位于氢气调压阀32与减压阀39之间。但是，这些上游侧以及下游侧连接点的位置并不限定于此。
开闭阀81由例如电磁式的三通阀构成，由控制部50进行开闭控制。开闭阀81的流入侧的第2端口，被连接在燃料供给通路75的氢气供给源31侧，开闭阀81的第3端口，被连接在燃料供给通路75的氢气调压阀32侧。通过使开闭阀81开闭，可以将氢气的向燃料电池组2的供给通路在氢气调压阀32和旁通通路80之间切换。另外，除了上述结构，也可以将开闭阀81的端口数设为两个，并将开闭阀81设置在旁通通路80上。
为了除去燃料电池组20内的生成水、结露水等残留液体而向燃料电池组20供给高速的氢气，可以通过控制部50进行以下的控制。即，在燃料电池组20的起动时，将开闭阀81切换到旁通通路80侧，不经由氢气调压阀32而从旁通通路80向燃料电池组20内供给氢气。另一方面，在燃料电池组20的通常工作时，将开闭阀81切换到通常的设定，不经由旁通通路80而经由氢气调压阀32向燃料电池组20内供给氢气。另外，在为将端口数为两个的开闭阀81设置在旁通通路80上的结构时，关闭开闭阀81时(通常工作时)，通过氢气调压阀32将进口压力(一次压)减压成预定的出口压力(二次压)然后输出。另一方面，例如当在燃料电池组20的起动时，打开旁通通路80上的开闭阀81时，不通过旁通通路81对进口压力调压(减压)地向下游流出。此时，氢气调压阀32成为流道阻力，所以经由氢气调压阀32的氢气与流过旁通通路80的氢气相比变为少量。
在上述的各实施方式中，以阳极侧的燃料气体(反应气体)为例进行了说明，但对于阴极侧，也可以在燃料电池组20的起动时向燃料电池组内供给比通常工作时的氧化气体(反应气体)供给量更高速的氧化气体。其结果，可以将阴极侧的生成水·结露水向外部排出。优选的是，在燃料电池组20的起动时，对阳极侧和阴极侧双方同时地向燃料电池组20内供给比通常工作时的气体供给量更高速的氧化气体，由此可以降低阳极侧和阴极侧的膜压差。由此，可以抑制电池组20内的单格电池的电解质膜的损伤，同时可向外部排出生成水·结露水。
另外，高压氢气的供给停止，也可以通过检测燃料电池组20内的压力、排出气体的压力、流量等而进行。
另外，也可以反复多次上述高压的氢气的导入。
另外，在本实施方式中设置了燃料电池组20下游的储存部30，但也可以不设置储存部。
以上所说明的各实施方式，可以单独使用，也可以组合使用。另外，也可以执行多次高压氢气的导入。
权利要求
1.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括能够将燃料电池组内的至少液体排出的排出通路，其特征在于在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给比所述燃料电池组的通常工作时所供给的反应气体更高速度的反应气体。
2.如权利要求
1所述的燃料电池系统，其特征在于所述燃料电池组包括所述反应气体的供给口和排出口；所述反应气体，从所述供给口供给到所述燃料电池组内，并从所述排出口向所述排出通路排出。
3.如权利要求
1或2所述的燃料电池系统，其特征在于在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给1000升/分或以上的所述反应气体。
4.如权利要求
3所述的燃料电池系统，其特征在于在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给5000升/分或以上的所述反应气体。
5.如权利要求
1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给比所述通常工作时的反应气体的供给量大的供给量的反应气体。
6.如权利要求
1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于在所述燃料电池组的起动时，将所述燃料电池组的内压设为负压状态从而向所述燃料电池组内供给所述反应气体。
7.如权利要求
6所述的燃料电池系统，其特征在于所述负压状态是通过在供给所述反应气体前使所述燃料电池组发电而设定的。
8.如权利要求
6所述的燃料电池系统，其特征在于在所述排出通路上设置有泵；所述负压状态是通过驱动所述泵而设定的。
9.如权利要求
1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于在所述反应气体的供给源和所述燃料电池组之间具备可变调压阀；在所述燃料电池组的起动时，改变所述可变调压阀从而向所述燃料电池组内供给比所述通常工作时的反应气体的供给压高的高压反应气体。
10.如权利要求
1～4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于还具备设置在所述反应气体的供给源和所述燃料电池组之间的调压阀；和使所述调压阀旁通的旁通通路；其中，在所述燃料电池组的起动时从所述旁通通路向所述燃料电池组内供给所述反应气体；在所述燃料电池组的通常工作时经由所述调压阀向所述燃料电池组内供给所述反应气体。
11.如权利要求
1～10中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于在所述燃料电池组的起动时，实施多次所述反应气体的供给。
12.如权利要求
1～11中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于在所述排出通路上具备储存部。
13.如权利要求
1～11中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备用于向所述燃料电池组供给所述反应气体的供给通路；和连接在所述供给通路上，用于使从所述燃料电池组排出的所述反应气体返回到所述供给通路的循环通路。
14.如权利要求
13所述的燃料电池系统，其特征在于在所述循环通路上具备储存部。
15.如权利要求
13或14所述的燃料电池系统，其特征在于所述循环通路是所述排出通路的一部分。
16.如权利要求
1～15中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于所述反应气体是燃料气体。
17.如权利要求
16所述的燃料电池系统，其特征在于在所述燃料电池组的起动时，以比所述通常工作时更高的速度向所述燃料电池组内供给所述燃料气体；同时以比所述通常工作时更高的速度向所述燃料电池组内供给氧化气体。
18.一种燃料电池系统的液体排出方法，该燃料电池系统的液体排出方法将燃料电池组内的至少液体排出，其特征在于在所述燃料电池组的起动时，向所述燃料电池组内供给比所述燃料电池组的通常工作时所供给的反应气体更高速的反应气体。
专利摘要
提供一种可以可靠且迅速地向外部排出燃料电池组内的液体的燃料电池系统。该燃料电池系统包括能够将燃料电池组(20)内的至少液体排出的排出通路(76)，其特征在于在燃料电池组(20)的起动时，向燃料电池组(20)内供给比燃料电池组(20)的通常工作时所供给的反应气体更高速度或大量的反应气体。通过在起动前供给高速度或大量的反应气体，可以将燃料电池组20内的残留液体吹飞，并可靠且迅速地向外部排出。另外，通过在排出通路(76)上设置储存部(30)，或者在燃料电池组(20)的起动时，将燃料电池组的内压设为负压状态，可以使排出更容易。
文档编号H01M8/04GK1993853SQ200580026807
公开日2007年7月4日 申请日期2005年8月4日
发明者木崎干士 申请人:丰田自动车株式会社