专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用燃料气体和氧化气体来进行发电的燃料电池系统。
背景技术：
在燃料电池系统中，将燃料气体(氢)进行压缩并储存在高压罐中。当燃料电池系统运行时，燃料气体减压至所需的压力，然后供应给燃料电池。在高压燃料气体的减压中例如可使用调压阀(调节阀)，但用一个调压阀难以进行大范围的压力调节。因此，例如在日本专利文献特开平11-154528号公报中提出了下述燃料电池系统，即串联设置高低两个调压阀来对燃料气体的压力进行阶段性减压，经减压的燃料气体经由电磁阀来进行供应，由此可使用便宜的、低气压用的电磁阀(开关阀)。
专利文献日本专利文献特开平11-154528号公报。
发明内容
但是，若用这种调压阀(减压阀)和电磁阀(开关阀)的组合向燃料电池供应燃料气体，则燃料气体的供应压力的调节范围是有限的，从而难以根据燃料电池的运行状态将燃料气体的供应压力和供应流量调节到预期值(目标值)。
因此，本发明的目的在于供应一种在燃料气体的供应通路中使用了调压阀和电磁阀的燃料电池系统，其能够容易地将燃料气体的供应压力和供应流量调节至预期值(目标值)。
为了达到上述目的，本发明的燃料电池系统是一种利用燃料气体和氧化气体的电化学反应来发电的燃料电池系统，其包括燃料气体供应通路，从燃料气体供应源向燃料电池导出上述燃料气体；调压阀，设置在上述燃料气体供应通路中，对上述燃料气体的供气压力进行调节；开度调节阀，设置在上述调压阀下游侧的上述燃料气体供应通路中，根据开度调节信号来设定阀开度；以及控制单元，根据上述燃料电池系统的运行状态调节上述开度调节信号，从而将供应给上述燃料电池的燃料气体的状态量控制为目标量。
根据所述结构，被调压阀减压的燃料气体(例如氢气)的压力可通过配置在该调压阀下游的开度调节阀而被控制为与燃料电池系统运行状态相应的目标压力。
开度调节阀的阀开度例如可通过调节(设定)将电磁力作为驱动源的电磁式开关阀在时间轴上的开时间和闭时间的比率来进行设定(PWM控制)。另外，可通过旋转型马达或线性马达等将电磁力作为驱动源的致动器来连续移动设置在气体供应通路上的阀内部的开关闸，从而调节(设定)阀的开关度。另外，也可在开度调节阀的“全开”状态和“全闭”状态之间设定多阶阀开度。
上述调压阀可以是机械式调压阀。另外，可如上所述，由将电磁力作为驱动源的电磁驱动阀(电磁阀)构成开度调节阀。组合机械式调压阀和电磁式开度调节阀，可以精度更高地调节燃料气体的供应压力和供应流量，其中，所述机械式调压阀虽然能够使减压相对较大，但难以获得线性减压特性，而电磁式开度调节阀具有良好的线性减压特性和响应特性。
上述调压阀和上述开度调节阀可一体构成。
例如气体压力和气体流量可相当于燃料气体的状态量。能够将开度调节阀调节为任意阀开度，由此可进行适当的燃料气体控制(发电量控制、将剩余生成水排到外部、将杂质气体排到外部等)。
上述控制单元根据上述燃料电池的发电量(或氢消耗量)、氢排气量、电磁阀开度特性、调压阀特性、以及燃料电池的正极侧气压和负极侧气压的压力差(极间压差)中的至少某一个来调节上述开度调节信号，从而控制上述开度调节阀的阀开度。燃料电池系统的运行状态可通过燃料电池的发电量(或氢消耗量)、氢排气量、调压阀特性、以及燃料电池的极间压差等的运行参数来把握，控制部对应运行参数进行开度调节阀的控制。
优选的是，上述燃料电池系统在开度调节阀的下游设置压力传感器，根据其检测压力调节上述开度调节信号，从而控制上述开度调节阀的开度量。由此，能够正确设定燃料气体的供气压力和供气流量。
优选的是，上述燃料电池系统具有使从燃料电池出口排出的燃料气体回流到燃料气体供应通路的燃料气体回流通路，并在该燃料气体回流通路和燃料气体供应通路的汇流部上游侧的燃料气体供应通路中设有开度调节阀。由此，可再次利用燃料电池中没有使用的燃料气体(燃料废气)，从而提高燃率。
优选的是，上述燃料电池系统在燃料气体回流通路(例如氢气回流通路)中备有燃料气体回流泵(例如氢气回流泵)，根据该泵的负荷调节上述开度调节信号，从而控制上述开度调节阀的开度。
根据所述结构，可实现燃料气体回流泵的低容量/小型化。
优选的是，上述燃料电池系统具有检测开度调节阀的初始偏差的单元，当控制开度调节阀时，根据初始偏差调节开度。初始偏差例如为气体泄漏量。
由此，能够对应开度调节阀工作特性的个体差异，提高控制精度。例如，根据上述开度调节阀的上游和下游的压力来检测初始偏差。
上述燃料电池系统具有使从燃料电池出口排出的燃料废气回流到燃料气体供应通路的燃料气体回流通路，燃料气体回流通路和燃料气体供应通路的汇流部被设定在上述调压阀上游的燃料气体供应通路上。
根据所述结构，由于向调压阀的上游供应回流气体(燃料废气)，因此，能够用调压阀和开度调节阀调节包含了回流气体部分的供应给燃料电池入口的燃料气体供应量，从而提高了燃料气体的供应精度。
在上述燃料电池系统中，在燃料气体供应通路中设有多个上述开度调节阀，控制部调节上述开度调节信号，将各个开度调节阀的阀开度控制为与目标值相一致，或者将燃料气体的供应控制在目标状态。
根据所述结构，由于同时、分别或顺次使多个开度调节阀动作，并控制阀开度，使得供应燃料气体的状态变成目标状态，因此提高了响应性和供应量的精度。
优选的是，上述多个开度调节阀以相互并联或串联，或者并联和串联相混合的串并联的方式来设置。由此，可实现更为复杂的控制方式。
优选的是，上述多个开度调节阀的流量特性(例如阀开度、孔径等)互不相同。由此，可通过使用具有基于运行条件的预期流量特性的开度调节阀来进行高精度的燃料气体供应控制。
优选的是，上述燃料电池系统的运行状态是指燃料电池运行中(没有停止时)的运行状态。
根据本发明，由于组合调压阀和开度调节阀，并用开度调节阀将以调压阀进行了减压的燃料气体调节为基于燃料电池系统的运行状态的目标压力，因此，可获得单凭调压阀难以实现的控制特性，即宽范围的气体供应状态(气压、气体流量)。
另外，本发明适用于对燃料电池系统要求的发电量有变化的系统(例如将燃料电池作为动力源的车辆)。
图1是说明本发明第一实施例的燃料电池系统的框图；图2是说明实施例中的燃料电池的启动的流程图；图3是说明实施例中的燃料电池的氢泄漏判断的流程图；图4是说明实施例中的燃料电池的第二氢泄漏判断的流程图；图5是说明实施例中的燃料气体供应量的设定的流程图；图6是说明实施例中的电极间压差的调节的流程图；图7是说明实施例中的开度调节阀的异常判别的流程图；图8是说明实施例中的脉动运行的流程图；图9是说明实施例中的间歇运行的流程图；图10是说明实施例中的燃料电池的停止处理的流程图；图11是说明本发明第二实施例的燃料电池系统(在调压阀上游进行氢气循环)的框图；图12是说明本发明第三实施例的燃料电池系统(使用背压阀)的框图；
图13是说明本发明第四实施例的燃料电池系统(使用背压阀，并在背压阀上游进行氢气循环)的框图；图14是说明本发明第五实施例的燃料电池系统(多个开度调节阀)的框图；图15是说明本发明第六实施例的燃料电池系统(多个开度调节阀，并在调压阀上游进行氢气循环)的框图。
具体实施例方式
在本发明的实施例中，在对作为燃料气体的氢气的供应压力进行减压的调压阀的下游配置可调节阀开度的电磁阀，通过根据燃料电池的运行参数等控制该电磁阀，可将供应给燃料电池的氢气的供应压力设定为预期压力。作为运行参数，有发电量(或者氢消耗量、车辆的油门开度)、氢排气量、电磁阀开度特性、调压阀特性、以及燃料电池的正极侧气压和负极侧气压的压力差(极间压差)等。例如，通过设定开关阀在时间轴规定区间中的开时间和闭时间的比(驱动脉宽调制(PWM))来设定电磁阀的阀开度。另外，电磁阀的阀开度被设定为可通过脉冲马达等驱动单元连续移动阀体、节流部等。
(第一实施例)图1示出了应用本发明第一实施例的燃料电池系统的示例。
如该图所示，作为氧化气体的空气(外部气体)经由空气供应通路71被供应给燃料电池20的空气供应口。空气供应通路71中设有从空气中去除微粒的空气过滤器A1、对空气进行加压的压缩机A3、检测供应空气压力的压力传感器P4、以及给空气施加规定水分的加湿器A21。压缩机A3由后述的辅助马达驱动，并与后述的控制部50的控制程序共同构成净化单元。另外，在空气过滤器A1中设有检测空气流量的空气流量计(流量计)。
从燃料电池20排出的空气废气经由排气通路72被排放到外部。排气通路72中设有检测排气压力的压力传感器P1、压力调节阀A4、以及加湿器A21的热交换器。压力传感器P1被设置在燃料电池20的空气排气口附近。压力调节阀(减压阀)A4作为设定对燃料电池20的供气压力(空气压力)的调压器来发挥作用。压力传感器P4和P1的图中未示出的检测信号被发送给控制部50。控制部50通过调节压缩机A3和压力调节阀A4来设定对燃料电池20的供气压力和供气流量。
作为燃料气体的氢气从氢供应源30经由燃料供应通路74被供应给燃料电池20的氢供应口。氢供应源30例如为高压氢罐，也可以是所谓的燃料改质器或储氢合金等。燃料供应通路74中设有使得从氢供应源30供应氢或停止供应的截止阀(氢供应阀)H201；检测来自氢供应源30的氢气的供应压力的压力传感器P6；对供应给燃料电池20的氢气的供应压力进行减压调节的氢调压阀H9；根据控制部50提供的开度调节信号进行操作，且阀的开关度可变的开关阀(开度调节阀)H200；检测开度调节阀H200下游的氢气压力的压力传感器P61；对燃料电池20的氢供应口和燃料供应通路74之间进行开关的截止阀(FC入口阀)H21；以及检测燃料电池20的氢气入口压力的压力传感器P5。例如，可将进行机械式减压的调压阀用作调压阀H9。作为调压阀H9的一个示例，有隔膜(diaphragm)式调压阀。另外，例如可将以PWM(脉宽调制)驱动信号(开度调节信号)进行开关控制的电磁开关阀用作开度调节阀H200。另外，也可以是用脉冲马达来线性(或连续)调节阀的开度的阀。控制压力传感器P5相当于气压检测单元。压力传感器P5和P6的图中未示出的检测信号被提供给控制部50。并且，压力调节阀A4、截止阀H201、FC入口阀H21、后述的FC出口阀H22、排水阀H41、以及放气阀H51优选为电磁阀。
在燃料电池20中没有被消耗的氢气作为氢废气被排到氢循环通路75中，然后返回燃料供应通路74的开度调节阀H200的下游侧。氢循环通路75中设有检测氢废气温度的温度传感器T31；排出氢废气的截止阀(FC出口阀)H22；从氢废气中回收水分的气液分离器H42；将回收的水回收到图中未示出的罐中的排水阀H41；对氢废气进行加压的氢泵H50；以及止回阀H52。截止阀H21和H22相当于对燃料电池阳极一侧进行关闭的闭合单元。温度传感器T31的图中未示出的检测信号被提供给控制部50。氢泵H50由控制部50来控制操作。氢废气在燃料供应通路74中与氢气混合，然后被供应给燃料电池20进行再利用。止回阀H52防止燃料供应通路74的氢气逆流到氢循环通路75侧。
氢循环通路75通过放气阀H51和放气流道76而与排气通路72相连。放气阀H51是电磁式截止阀，其根据来自控制部50的指令进行动作，并由此将氢废气排到外部(放气)。通过间歇进行该放气动作，可防止由于重复循环氢废气而导致燃料极一侧氢气的杂质浓度增加，防止了电池电压的下降。
另外，燃料电池20的冷却水出入口处设有使冷却水循环的冷却通路73。冷却通路73中设有检测从燃料电池20排出的冷却水温度的温度检测器T1；使冷却水的热量散到外部的散热器(热交换器)C2；对冷却水加压使之循环的泵C1；以及检测供应给燃料电池20的冷却水温度的温度传感器T2。在散热器C2中设有旋转驱动冷却风扇的辅助马达C13。
燃料电池20被构成为以所需数量层积燃料电池单元的燃料电池堆栈。各个燃料电池单元或者单元组的输出电压由电压传感器Vs来检测，然后发送给控制部50。燃料电池20产生的电能被供应给电力控制单元40。电力控制单元40具有图中未示出的、用于驱动车辆驱动马达的逆变器；驱动压缩机马达等各种辅机类的逆变器；以及给二次电池B充电或从二次电池向马达之类进行电力供应的DC-DC变流器等。
控制部50接收图中未示出的车辆的加速信号等请求负荷，或从燃料电池系统各个部分的传感器等接收控制信息，对各种阀和马达的运行进行控制。控制部50由图中未示出的控制计算机系统构成。控制计算机系统可由公知的可获得的系统构成。
下面说明控制部50的工作示例。在本实施例中，通过调压阀H9和位于其下游的开度调节阀H200来控制供应给燃料电池20的氢气压力(或供应流量)。通过调压阀H9，将来自作为氢供应源的高压氢罐的高压氢气减压至规定的压力水平，然后，考虑燃料电池的发电量、氢消耗量、放气量、调压特性(H9)，通过开度调节阀H200来控制开时间(或占空比)，使得高压氢气达到此时的控制目标压力。另外，为了检测不良调压特性，在无负荷、没有放气的状态下短时间开放开度调节阀H200，监视压力上升，并检测开度调节阀H200和调压阀H9间的密封故障。考虑密封故障量来修正开度调节阀的开时间。另外，当密封故障量超过规定值时，停止燃料电池系统的运行(发电)。
此外，控制部50优选考虑每个开度调节阀H200的个体差异来进行控制，所述个体差异有由于开度调节阀H200的制造或长时间老化所出现的偏差而导致的初始偏差，例如在开度调节阀H200闭状态的容许范围内的轻微泄漏、开度调节信号的阀开度的指令值和实际阀开度的偏差(阀开度指令值-阀开度特性)等。因此，当制造出货或定期检查时，或者当燃料电池系统运行时等，检测开度调节阀H200的各种特性，并将该初始偏差(与设计值的偏差)存储在非易失性存储器中。如后述的图12和图13所示，该检测例如可通过在开度调节阀H200的上游侧和下游侧分别配置了压力传感器P9和P16的结构来进行。通过使用修正该初始偏差的控制参数(修正值)或通过使用阀开度的指令值来修正初始偏差量，可应付开度调节阀H200的个体差异(偏差)，从而提高控制精度。并可相对地提高开度调节阀H200的良品率。当燃料电池系统或安装有燃料电池的车辆在运行时或在定期检查时，进行开度调节器H200的测量以检测各种偏差。这样来更新存储的初始偏差值，从而可对应开度调节阀H200特性随时间的变化。
在图1所示的第一实施例中，由于能够在制造出品时或定期维护时测量开度调节阀H200的各个特性，因而没有在调压阀H9和开度调节阀H200之间设置压力传感器P9，但显然也可如图12和图13所示，配置压力传感器P9。例如，在燃料电池系统的运行中，可在将开度调节阀H200组装到燃料电池系统中的状态下，在适宜的条件下测量开度调节阀H200的特性，检测其与设计值(或基准值)之间的偏差，与上述相同，该偏差可被用于运行控制的修正中。
如上所述，控制部50由控制用计算机构成，并按照控制程序来执行燃料电池系统各个部分操作的控制。
首先，参照图2所示的流程说明燃料电池系统的启动。控制部50通过向图中未示出的控制系统供应电源来开始动作，并监视是否通过车辆启动钥匙等的操作发出了启动指令。例如，当通过启动钥匙等的操作发出启动指令时，预先在存储器内定义的区域中设定启动标志(事件标志)(S102)。
当发出启动指令时(S102；是)，打开燃料供应通路74和氢循环通路75的截止阀H201、H21和H22，并使开度调节阀H200完全打开。通过完全打开开度调节阀H200，可向供应通路(配管)和燃料电池堆栈供应启动时所必需的氢，并能够缩短加压时间(S104)。
周期性监视燃料供应通路和氢气循环通路的压力传感器P5、P10和P11，判断各个流道的氢气压力是否超过加压结束基准值Pk1(S106)。当没有超出时，继续监视(S106；否)。当超出时(S106；是)，设定进行判断有无发生氢泄漏的氢泄漏判断处理的标志(S108)。
图3是说明第一氢泄漏判断(S150)的流程图。氢泄漏判断可根据密封配管内的氢气压力在规定时间内下降的变化程度(变化量)来进行。
控制部根据规定周期或事件发生来确认氢泄漏判断的标志状态。当该判断标志没有被设定为开(ON)时，返回主程序(S152；否)。当该判断标志被设定为开时(S150；是)，进行第一氢泄漏判断处理。
首先，通过上述步骤S104的处理，向燃料供应通路74、燃料电池20、氢气循环通路75供应氢气。控制部50阻断截止阀H201、开度调节阀H200、截止阀H21、截止阀H22、以及放气阀H51，并在燃料供应通路和氢气循环通路中形成因阻断各个阀而划分的封闭区域(S154)。控制部50监视各个区域的氢气压力。即，通过压力传感器P6检测截止阀H201和调压阀H9之间封闭区域(配管)的气体压力P61。通过压力传感器P61检测开度调节阀H200和截止阀H21之间封闭区域的气体压力P611。通过压力传感器P5检测截止阀H21和截止阀H22之间的燃料电池(堆栈部分)的气体压力P51。通过压力传感器P10和P11检测截止阀H22和止回阀H52之间封闭区域的气体压力P101和P111。另外，放气阀H51被关闭。控制部50读取并存储各个传感器的气体压力值P61、P611、P51、P101以及P111(P61～P111)。控制部50等待预先确定的规定时间(S158；否)。当经过了规定时间时(S158；是)，控制部50再次读取所监视的各个区域的氢气压力。即，通过压力传感器P6检测截止阀H201和调压阀H9之间封闭区域(配管)的气体压力P62。通过压力传感器P61检测开度调节阀H200和截止阀H21之间封闭区域的气体压力P612。通过压力传感器P5检测截止阀H21和截止阀H22之间的燃料电池(堆栈部分)的气体压力P52。通过压力传感器P10和P11检测截止阀H22和止回阀H52之间封闭区域的气体压力P102和P112。控制部50读取并存储各个传感器的气体压力值P62、P612、P52、P102以及P112(P62～P112)(S160)。针对各个封闭区域，求其氢气压力的上次值Pn1(＝P61～P111)和这次值Pn2(＝P62～P112)的差ΔPn(＝ΔP61～AP111)，然后求各个区间的气体压力变化部分(ΔP6～ΔP11)。然后分别判断这些各个压力变化部分是否超过预先对各个区间分别确定的基准值Pcn(＝Pcn1、Pcn2、…、Pcn5)(S162)。
当所有封闭区域的压力变化部分均没有超过对每个封闭区域确定的基准值时(S162；否)，判断为没有氢泄漏，将可运行标志设定为开(S164)，然后返回主程序(S168)。
另一方面，当某一封闭区域的压力变化部分超过对该封闭区域确定的基准值时(S162；是)，判断为可能有氢泄漏，从而进一步进行第二氢泄漏判断(S166)。例如，将氢泄漏判断用阈值(基准值)设定为高/低两个阶段，在以小的判断值进行检测的情况下，可以再次提高压力重新进行判断。由此可检测微小的泄漏。
图4是说明第二氢泄漏判断处理的流程图。
控制部50开放截止阀H201、截止阀H21和H22，阻断放气阀H51(S182)。由此，可通过调压阀H9对氢气进行减压，并施加给开度调节阀H200。
将从开度调节阀H200到开关阀H21的区间的气体压力(压力传感器P61)的目标值设定为Phc，并设定将对应该目标压力Phc的开度供应给开度调节阀H200的指令值D100，然后使开度调节阀H200动作。监视压力传感器P61的值，并控制开度调节阀H200，使得该区域的气体压力变成Phc(S184)。由此可提高燃料供应通路74、燃料电池20的堆栈、以及氢循环通路75内部的氢气压力。监视燃料供应通路和氢气循环通路的压力传感器P5、P10和P11，判断各个流道的氢气压力是否大于等于对各个区域分别确定的加压结束基准值Pkn(＝Pkn1、Pkn2、Pkn3)。当没有达到基准值时，等待流道的气体压力增加至超出基准值(S186；否)。当各个流道的气体压力等于或超出各个规定值Pkn时(S186；是)，控制部50阻断氢供应阀H201、开度调节阀H200、燃料电池20的入口侧截止阀H21、燃料电池20的出口侧截止阀H22、以及放气阀H51(S188)。
接着，控制部50读取并存储各个压力传感器P6、P61、P5、P10以及P11的气体压力值P63、P613、P53、P103以及P113(P63～P113)。控制部50等待预先确定的规定时间(S192；否)。当经过了规定时间时(S192；是)，控制部50再次读取所监视的各个区域的氢气压力。即，通过压力传感器P6检测截止阀H201和调压阀H9之间封闭区域(配管)的气体压力P64。通过压力传感器P61检测开度调节阀H200和截止阀H21之间封闭区域的气体压力P614。通过压力传感器P5检测截止阀H21和截止阀H22之间的燃料电池(堆栈部分)的气体压力P54。通过压力传感器P10和P11检测截止阀H22和止回阀H52之间封闭区域的气体压力P104和P114。控制部50读取并存储各个传感器的气体压力值P64、P614、P54、P104以及P114(P64～P114)(S194)。针对各个闭区域，求其氢气压力的上次值Pn3(＝P63～P113)和这次值Pn4(＝P64～P114)的差ΔPn(＝ΔP6～ΔP11)，然后求各个区间的气体压力变化部分(ΔP6～ΔP11)。然后分别判断这些各个压力变化部分是否超过预先对各个区间分别确定的基准值Pcn(＝Pcn1、Pcn2、…、Pcn5)(S196)。
其结果是，当某一压力变化部分超过基准时(S196；是)，判断为可能有氢泄漏，并进行氢泄漏处理。在氢泄漏处理中，例如可举出向车辆驾驶者报警、通过在显示画面上显示警告等来引起注意、自动向服务站通报、停止车辆的启动、以及停止从氢供应源360供应氢气等(S198)。
当压力变化部分没有超过基准时(S196；否)，判断为没有氢气泄漏，车辆可行驶，并将可行驶标志设定为开(S200)。
如图5所示，控制部50判断上述氢气无泄漏或其它允许行驶条件的标志是否被设成开(S300)。当判断为可行驶时(S300；是)，控制部50进行以下操作以供应所需氢气。首先，打开燃料供应通路和氢气循环通路的截止阀201、H21以及H22，从而可从氢供应源30向燃料电池20供应氢气(S302)。为了确定氢气供应量，控制部50根据预先确定的计算式或映射数据来计算例如对应车辆的油门踩踏量或所需的负荷驱动而向燃料电池要求的发电功率P(＝VI)(S304)。根据预先确定的燃料电池20的I(输出电流)-V(输出电流)特性来计算对燃料电池20要求的输出电流I(S306)。当计算对燃料电池20的要求电流时，考虑氢化学计量(stoiciometry of hydrogen)来设定相对应的空气压缩机A1的转数(S308)，并设定对应的氢泵H50的转数(S310)。除了氢泵H50的转数，氢气流量还会因氢泵H50的入口压力而不同，因此，例如可根据压力传感器P61的输出和输入电流I的二维映射来确定氢泵的转数。
控制部50设定开度调节阀H200和截止阀H21之间的供应通路的氢气压力的目标压力(S312)。通过压力传感器P61的输出来读取该供应通路的实际氢气压力，并与目标压力相比较(S314)。当压力传感器P61的输出超出目标压力时(S314；是)，产生减少开度调节阀H200的阀开度的指令，并将该压力调节至目标压力(S316)。调节该阀开度后，或者当压力传感器P61的输出没有超出目标压力时(S314；否)，判断压力传感器P61的输出是否在目标压力以下(S318)。当压力传感器P61的输出在目标压力以下时(S318；是)，执行增加开度调节阀H200的阀开度的指令，并将该压力调节至目标压力(S320)。这样，压力传感器P61的输出被调节为与目标值相等。
接着，根据需要，或者当满足规定的条件时，调节放气阀H51的开闭以对氢气进行换气，从而防止因氮气等杂质的增加而导致燃料电池20的电池电压下降。例如，为了控制放气阀H51，对对应燃料电池20的运行时间的定时器的每一规定时间的间隔输出(增值)进行加法计算，当该总和值超过规定数值时，打开放气阀H51。同时，对该总和值进行清零，然后重新开始加法计算。预先映射并存储燃料电池20的输出电流-开阀时间，从而可通过读出该映射来设定放气阀H51的开阀时间。上述增值例如可通过从预先映射的燃料电池20的温度和输出电流的二维表格获得来进行温度补偿。例如，在低温下，向关闭时间相对减少的方向调节放气阀H51，从而增加排气频率。由此来进行低温时燃料电池20的输出降低的补偿(S400)。
接着，控制部50将燃料电池单元的电极间压差调节至规定范围。首先，根据空气导入部的空气流量计A1的输出，除去预先得知的流道71等的损失部分来计算燃料电池20的空气供应口的空气压力，并推测入口压力PA(S402)。控制部50从压力传感器P5的输出中读取氢供应口的压力P5，并根据与上述空气供应口的压力PA之差来计算电极间压差ΔPe(S404)。在这里，电极间压差ΔPe根据空气压力和氢气压力的大小关系取正值或负值。当电极间压差ΔPe大于预先确定的上限基准值PQ1时(S406；是)，则对应偏差，使开度调节阀H200的阀开度仅减小ΔD1。由此，供应给燃料电池20的入口的氢气压力下降(S408)。当电极间压差ΔPe小于基准值PQ1(S406；否)，且调节供应氢气压力之后(S408)，再次根据氢气供应口的压力P5和空气供应口的压力PA之差来计算电极间压差ΔPe，然后判断压差ΔPe是否小于预先确定的下限基准值PQ2(S410)。当电极间压差ΔPe小于下限值PQ2时，根据偏差，使开度调节阀H200的阀开度仅增加ΔD2(S412)。当压差ΔPe小于预先确定的下限基准值PQ2(S410；否)，或者在调节了开度调节阀H200的阀开度之后(S412)，存储使电极间压差ΔPe处于规定范围时开度调节阀H200的阀开度调节值(基于阀特性的修正值)(S414)。
这样，若电极间压差ΔPe大，则当供应氢气压力相对于供应空气压力高时，控制部50对供应氢气压力进行减压，而当供应氢气压力相对于供应空气压力低时，控制部50对供应氢气压力进行加压，从而使电极间压差ΔPe减小(规定范围内的压差)。之所以在氢气一侧调节气压，是因为若减小空气极(阴极)一侧的供应空气压力，则燃料电池20的输出电流值-输出电压特性有恶化的趋势。
接着，控制部50进行开度调节阀H200的异常判断(S420)。如上所述，开度调节阀H200的开度是对应供应给燃料电池20的供应氢气压力(目标压力)和上述的压差调节(修正)来设定的，但当这种阀开度设定不在通常使用的第一规定范围内(上限值DU、下限值DL)时(S420；是)，则在车辆仪表板等使用者易于看到的地方显示警告。警告可以是亮灯、显示警告图像、或由声音引起注意等(S422)。
接着，控制部50对为使开度调节阀H200的开度返回到规定范围内而施加给开度调节阀H200的信号开度的指示值进行修正(S424)。
然后，控制部50判断开度调节阀H200的开度是否在比上述第一规定范围(上限值DU、下限值DL)宽的第二规定范围内(上限值DUF、下限值DLF)。在这里，范围判断值的次序为DLF＜DL＜DU＜DUF。当开度调节阀H200的开度也没有在第二范围内时(S426；是)，则判断为开度调节阀H200异常。然后，控制部50在图中未示出的内部寄存器中设定开度调节阀H200的异常标志，显示异常警告、发出警报等(S428)，并进行燃料电池系统的停止处理以停止向燃料电池20供应氢气和空气，从而停止运行(S430)，然后返回主控制程序。
当开度调节阀H200的阀开度在第一范围内(S420；否)或通过开度修正(S424)而在第二范围内时(S426；否)，判断开度调节阀正常，并在图示的内部寄存器中设定开度调节阀H200的正常标志(S450)。控制返回主控制程序，进行燃料电池20的运行。
下面说明燃料电池20的脉动运行。在燃料电池20中进行发电而产生水，若这些水滞留在燃料电池堆栈中，则会妨碍供气，从而降低燃料电池单元的发电能力。因此，为了将燃料电池内部的生成水排到外部而使供应气压发生脉动，从而改变气体流速来进行堆栈部的排水。
如图8的脉动运行例程(S500)所示，在燃料电池系统中，通过图中未示出的累积单元(或累积程序)对每一单位时间的燃料电池20的输出电流进行累积运算来计算发电量。上述生成水是伴随电化学反应而产生的，生成水量和发电量成比例。控制部50读取输出电流的累积值IT(S502)。判断该值IT是否大于等于基准值I100，或者作为电压传感器Vs的输出而得到的燃料电池的电池电压是否在基准值V1以下(S504)。当电流累积值IT超过基准值I100，或者电池电压下降到基准值V1以下时(S504；是)，认为有生成水滞留在电池中(溢流)。因此，形成强气流以将生成水排到燃料电池20的外部。
控制部50监视压力传感器P61的检测压力，同时向开度调节阀H200提供开度指令值D50的信号，并设定为以高气压Phr1供应氢气(S506)。接着，为下次动作作准备而将电流累积值IT复位为“0”(S508)。压力相对较高的氢气供应持续规定时间(S510)，当燃料电池20的电池电压超过规定的基准电压V2时(S512)，控制部50完全关闭开度调节阀H200，使得压力传感器P61的输出变为比较低的气压Phr2(S514)，增加发电量来消耗燃料电池20和循环通路的氢气，从而积极地降低气压。所发出的电例如用于二次电池的充电(S516)。接着，放气阀H51开放规定时间t1，从而使氢气流道75的压力下降。此时，将空气泵A3的转数增至规定转数，从而抑制排气通路72的排氢浓度的上升(S518)。
如果控制部50根据压力传感器P5的输出判断燃料电池入口的氢气压力低于低压规定值Pk3(S520)，则将开度调节阀H200的阀开度设定为通常运行值(S522)。另外，空气泵A3的转数也返回到通常转数(S524)。
这样，通过开度调节阀H200而在氢气循环通路中形成氢气压力高低变化的脉动，从而通过高压和流速的变化而将燃料电池内的生成水排到外部。
图9示出的是通过开度调节阀H200进行间歇运行的示例。在间歇运行中，当燃料电池20的负荷为低负荷状态时，停止燃料电池20的运行，并通过二次电池向负荷和辅机等供电，由此避免运行效率(耗油率)的降低。
如果通过设定图中未示出的状态标志而将间歇运行标志设定为开，则控制部50执行本程序(S550；是)。
首先，控制部50关闭开度调节阀H200、氢供应阀H201、燃料电池入口阀H21以及出口阀H22，从而截止氢供应通路74和燃料电池20(S552)。由此，发电运行停止。
控制部50监视压力传感器P51的输出，并观察基于来自开度调节阀H200的氢气泄漏的压力变化(上升)(S554)。如果观察到压力变化，则根据该泄漏的增减来修正开度调节阀H200的指示值(增减值)(S556)。
修正开度调节阀H200，或判断间歇运行之后(S550；否)，开放开度调节阀H200、截止阀H201、燃料电池20的入口阀H21以及出口阀H22，从而从氢供应源30供应氢气。当间歇运行解除时，由于因交差泄漏而使氢气减压，因此，将开度调节阀H200打开得比通常要大，从而立即供应氢气(S560)。另外，使氢泵H50以最大转数动作来提高氢气压力，从而使发电稳定(S562)。
当控制部50判断压力传感器P5、P10以及P11的各个输出超出了基准值Pk4，且氢气循环通路75和74中充满氢气时(S564)，使开度调节阀返回通常运行的控制状态。另外，使氢泵H50的转数返回通常转数。由此，回复到燃料电池20的通常的发电运行状态(S566)。
这样，通过控制开度调节阀H200来进行间歇运行。
接着，参照图10的流程图说明停止燃料电池20的运行时对开度调节阀H200的控制。
在本实施例的停止处理中，关闭调压阀H9下游的开度调节阀H200，旋转氢泵H50，并通过发电来消耗燃料电池20和氢循环通路的氢气而使之减压。当燃料电池的入口压力(阳极压力)低于规定值时，中止发电，并进而通过排气阀来减压。由此，可缩短从燃料电池的停止开始到停止结束的时间，并可防止在此期间内电池电压降低。另外，当燃料电池的运行停止时，可抑制正在排气的氢气浓度的上升。
当向控制部50指示旋转启动钥匙来停止车辆的运行时，在控制部50内部的图中未示出的标志内存器中设定停止标志。控制部50判断是否通过规定周期或中断处理来设定运行停止的标志(S600)。控制部50例如在两个阶段进行氢气的减压，以引导运行停止。首先，关闭截止阀H201，将开度调节阀H200置于全闭状态，停止氢气的供应(S602)。以规定电流If进行发电，消耗燃料电池20和循环通路的氢气(S604)。分别以规定的转数使空气压缩机A3和氢泵H50动作，使放气阀H51间歇动作来向外部释放氢气，排除氢循环通路75和74中的氢气(S606)。当控制部50判断通过压力传感器P5的输出而得到的燃料电池20的入口压力P5降低至低于基准值Pk4时(S608)，截止电力控制单元40的电力变换电路，从而停止发电状态(S610)。另外，停止氢泵H50，使放气阀间断性地向外部放出氢气(S614)。
当控制部50判断通过压力传感器P5的输出而得到的燃料电池20的入口压力P5降低至比基准值Pk4还要低的Pk5以下时(S616)，关闭入口截止阀H21、出口截止阀H22、以及放气阀H51。由此可防止外部气体进入阳极一侧(S618)。当之后经过了规定时间t2时(S620)，停止为了使正在排气的氢气浓度下降而进行动作的空气压缩机A3(S622)，结束停止处理。控制部50返回主控制程序以应对下一个事件。
这样，可通过控制开度调节阀H200来停止运行。
(第二实施例)下面参照图11说明本发明的第二实施例。在该图中，对与图1相对应的部分标以相同的标号，并省略其相关部分的说明。
在本实施例中，将来自氢循环通路75的氢气的回流点设在调压阀H9的上游侧。氢泵H50的输出由调压阀H9来进行调压。由此，不容易受氢泵H50的喷出压力及其压力变动的影响。另外，和第一实施例相同，通过调压阀H9和开度调节阀H200的组合来调节供应阳极的氢气压力。可继续进行基于如前所述的开度调节阀H200的多种控制方式的氢气压力调节。
(第三实施例)图12示出的是本发明的第三实施例。在该图中，对与图1相对应的部分标以相同的标号，并省略其相关部分的说明。
在本实施例中，用背压阀(背压调节阀)H10来代替调压阀H9。图中的H8为减压阀。调节背压阀H10的阀开度，使得背压阀H10的下游侧变成规定压力，并通过对设置在该下游的开度调节阀H200的开阀调节来控制燃料电池20的发电量、排气量等。并且，可通过与在第一实施例中对开度调节阀H200所说明的相同手法，根据背压阀H10的开度和二次压力来对背压阀H10实施阀的开度修正和异常判断。
通过使用背压阀H10，可将施加给开度调节阀H200的氢气压力保持为更为稳定的压力。由于背压阀H10难以完全密封，因此，即使在截止背压阀H10的状态下，背压阀H10下游侧的压力也会以与背压阀H10的上游侧相同的压力上升。因此，可通过组合背压阀H10和开度调节阀H200，并在发电停止时闭合开度调节阀H200来抑制由背压阀H10引起的压力上升(泄漏)。
(第四实施例)图13示出的是本发明的第四实施例。在该图中，对与图1相对应的部分标以相同的标号，并省略其相关部分的说明。
在本实施例中，虽然与第三实施例相同，用背压阀H10代替调压阀H9，但来自氢气循环通路75的氢气的返回位置被设在背压阀H10的上游侧。因此，与图11所示的第二实施例相同，氢泵H50的喷出压力及其压力变动被背压阀H10所吸收，从而不容易受到氢泵H50的影响。另外，和第一实施例相同，通过背压阀H10和开度调节阀H200的组合来调节供应阳极的氢气压力。如前所述的对开度调节阀H200的各种控制方式也可适用于本实施例。
(第五实施例)图14示出的是本发明的第五实施例。在该图中，对与图1相对应的部分标以相同的标号，并省略其相关部分的说明。
在本实施例中，在调压阀的下游串联或并联连接流量特性不同的多个开度调节阀，从而可对应所需的压力响应特性灵活运用开度调节阀。
具体来说，在图14所示的实施例中，在调压阀H9和燃料电池20的入口之间的供应通路74中配置有互相并联的开度调节阀H200和H202。各个开度调节阀根据作为对象的流量范围、调压(开度)范围、耐压、速度响应、阀开度-流量(或减压(压力))特性、闭合保持力、密封性、阀驱动力、阀型式等方面来进行选择。其它结构和图1的实施例相同。
可任意选择调压阀H9和流量特性不同的开度调节阀H200或H202的组合，由此可使具有基于燃料电池20的氢气供应控制情况的更佳特性的开度调节阀H200或H202动作(灵活运用)，从而提高控制精度和压力响应特性。
并且，也可以在图14所示的结构中将调节阀H9置换为背压阀H10。
(第六实施例)图15示出的是本发明的第六实施例。在该图中，对与图1相对应的部分标以相同的标号，并省略其相关部分的说明。
在该实施例中，将第五实施例结构中的来自氢气循环通路75的氢气的返回位置改变到调压阀H9的上游侧。根据这种结构，除了可适当选择与上述调节阀最适合的开度调节阀进行组合使用的优点外，还有下述优点，即氢泵H50的喷出压力及其压力变动被调节阀H9吸收，从而不容易受到氢泵H50的影响。
并且，也可以在图15所示的结构中将调节阀H9置换为背压阀H10。
另外，在上述各个实施例中，开度调节阀H200不限于线性开度调节的电磁阀。也可以进行下述方式的控制在选择并切换开阀状态和闭阀状态的开关截止阀中，通过占空控制等来适当调节阀开度。
另外，由于开度调节阀H200具有截止功能(开度0)，因此也可用作燃料电池20的氢供应口的截止阀(入口阀)H21。此时，能够削减截止阀的数量。
权利要求
1.一种燃料电池系统，利用燃料气体和氧化气体的电化学反应来发电，所述燃料电池系统包括燃料气体供应通路，从燃料气体供应源向燃料电池导出所述燃料气体；调压阀，设置在所述燃料气体供应通路中，对所述燃料气体的供气压力进行调节；开度调节阀，设置在所述调压阀下游侧的所述燃料气体供应通路中，根据开度调节信号来设定阀开度；以及控制单元，根据所述燃料电池系统的运行状态调节所述开度调节信号，将供应给所述燃料电池的燃料气体的状态量控制为目标量。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制单元根据所述燃料电池的发电量、氢消耗量、氢排气量、开度调节阀的开度特性、调压阀特性、以及燃料电池的正极侧气压和负极侧气压的压力差中的至少某一个来调节所述开度调节信号，从而控制所述开度调节阀的阀开度。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述开度调节阀的下游设置压力传感器，所述控制单元根据其检测压力来调节所述开度调节信号，从而控制所述开度调节阀的阀开度。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括使从所述燃料电池出口排出的燃料气体回流到所述燃料气体供应通路的燃料气体回流通路，所述开度调节阀被设置在该燃料气体回流通路和所述燃料气体供应通路的汇流部上游侧的所述燃料气体供应通路中。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中，在所述燃料气体回流通路中配有燃料气体回流泵，所述控制单元根据该泵的负荷来调节所述开度调节信号，从而控制所述开度调节阀的阀开度。
6.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，还包括检测所述开度调节阀的初始偏差的单元，所述控制单元根据所述初始偏差调节所述开度调节信号。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其中，根据所述开度调节阀的上游和下游的压力来检测所述初始偏差。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，还包括使从所述燃料电池出口排出的燃料废气回流到所述燃料气体供应通路的燃料气体回流通路，该燃料气体回流通路和所述燃料气体供应通路的汇流部被设定在所述调压阀的上游侧。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在所述燃料气体供应通路中设有多个所述开度调节阀，所述控制单元调节所述开度调节信号，从而控制各个开度调节阀的阀开度以使其与目标值相一致。
10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中，所述开度调节阀并联或串联地设置多个。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，各个开度调节阀的流量特性互不相同。
12.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统的运行状态是指燃料电池运行中的运行状态。
13.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述开度调节阀的阀开度的设定可以阶梯性或连续性地进行。
14.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述调压阀是机械式调压阀。
15.如权利要求1或14所述的燃料电池系统，其中，所述开度调节阀是将电磁力作为驱动源的电磁驱动阀。
全文摘要
一种利用燃料气体和氧化气体的电化学反应来发电的燃料电池系统，包括调压阀，其设置在从燃料气体供应源向燃料电池导出燃料气体的燃料气体供应通路中，对燃料气体的供气压力进行调节；开度调节阀，设置在调压阀下游侧的燃料气体供应通路中，根据开度调节信号阶梯性或连续性地设定阀开度；以及控制单元，根据燃料电池系统的运行状态调节开度调节信号，从而将供应给燃料电池的燃料气体的状态量控制为目标量。由此，可用设置在调压阀下游的开度调节阀将用该调压阀进行了减压的燃料气体(例如氢气)进一步调节为基于燃料电池系统运行状态的目标压力。
文档编号H01M8/04GK1930721SQ20058000828
公开日2007年3月14日 申请日期2005年3月16日 优先权日2004年3月17日
发明者吉田尚弘 申请人:丰田自动车株式会社