专利名称：燃料电池系统及其运转方法
技术领域：
本发明涉及具有燃料电池的燃料电池系统及其运转方法。
背景技术：
在使用燃料电池进行发电时，向阳极供应含有氢的燃料气体，通常在 燃料气体的供应部会采取各种安全对策。尤其是当使用高压的含氢气体供 给源(例如，氢罐)向燃料电池供应压力非常高的燃料气体时，导入到燃 料电池内部的燃料气体的压力调节发生问题时的对策非常重要。如果将压 力过大的燃料气体供应给燃料电池，则燃料电池可能会受到损伤。作为对 策之一，公知有如下结构在向燃料电池供应氢气的供应路径上设置以规 定压力开阀的安全阀，当氢气的压力超过规定值时，将氢气从安全阀排出 到流路外。
然而，当设置上述安全阀以将含氢气体排出到外部时，需要设定包括 安全阀在内的氢气的排出部的整体形状，以尽可能地将作为可燃性气体的 氢排出到外部时的浓度抑制到最低。即，为了使排出到外部的氢容易扩 散，需要将与安全阀连接的流路的管道长度、安全阀和与安全阀连接的流 路的配设位置、将氢气排出到外部的排出口的朝向等的整体形状设定成会 促进排出氢的扩散的形状。另一方面，当将燃料电池系统用作车辆等移动 体的驱动用电源时，由于装载燃料电池系统的空间有限，因此存在着与氢 的排出相关的管道等的形状受到限制的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述现有问题而完成的，其目的在于不会对燃料 电池系统强加特别的设计上的限制，抑制或防止供应给燃料电池的燃料气 体压力的过度上升。
为了达成上述目的，本发明提供一种具有燃料电池的燃料电池系统。 本发明的燃料电池系统包括氢供应路径，向所述燃料电池供应含有氢的 燃料气体；第一压力传感器，检测所述氢供应路径内的压力；截止阀，通过变成关闭状态而闭塞所述氢供应路径；以及供应停止控制部，当所述第一压力传感器检测出的所述氢供应路径内的压力超过第一基准值时，使所 述截止阀处于关闭状态。根据本发明的燃料电池系统，由于当氢供应路径内的压力超过第一基 准值时关闭截止阀，因此可以抑制或防止因过大压力施加于燃料电池而引 起燃料电池的耐久性降低。另外，也不会为了应对燃料气体的压力过高而 对燃料电池系统强加设计上的限制。本发明可以通过上述以外的各种方式来实现，例如，可以通过燃料电 池系统的运转方法或者装载有作为驱动用电源的本发明的燃料电池系统的 移动体等方式来实现。
图1是表示实施例的燃料电池系统的简要构成的框图；图2是表示电动汽车的简要构成的框图；图3是表示氢压过高监视处理程序的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图并通过实施例来说明本发明的实施方式。 A.系统的整体构成图1是表示本发明实施例的燃料电池系统10中与燃料电池的发电相 关的部分的简要构成的框图。本实施例的燃料电池系统10装载在车辆上 并用作车辆的驱动用电源。燃料电池系统IO包括燃料电池22、贮藏供 应给燃料电池22的氢的氢罐23、以及向燃料电池22供应压縮空气的空气 压縮机24。作为燃料电池22，可以使用各种燃料电池，在本实施例中， 作为燃料电池22而使用固体高分子型燃料电池。该燃料电池22具有层积 多个单体电池的堆栈结构。
氢罐23例如为贮藏高压氢的氢瓶。或者，也可以是在内部具有贮氢合金并通过用贮氢合金吸藏氢来贮藏氢的罐。贮藏在氢罐23内的氢气排 放到与氢罐23连接的氢供应路径60内之后，被压力调整阀62调整(减 压)为规定的压力，并作为燃料气体供应给构成燃料电池22的各个单体 电池的阳极。从燃料电池22的阳极排出的阳极排气被导入到阳极排气路 径63内并再次流入到氢供应路径60内。这样，阳极排气中的残留的氢在 由氢供应路径60的一部分、阳极排气路径63、以及燃料电池22内的流路 构成的流路(以下，称为循环流路)内循环，并被再次供于电化学反应之 用。与电化学反应的消耗量相当的氢经由压力调整阀62从氢罐23补充到 循环流路中。为了使阳极排气在循环流路内循环，在阳极排气路径63上 设置有氢泵65。这里，在氢供应路径60上，在压力调整阀62的上游一侧设置有截止 阀61。该截止阀61在燃料电池停止发电时切换为关闭状态，从而切断从 氢罐23向燃料电池22供应的氢气。并且，在本实施例中，当供应给燃料 电池22的燃料气体压力过度上升时，也进行关闭截止阀61的控制。后面 将详细地说明基于燃料气体压力的控制。作为截止阀61，例如可以使用直 接作用式截止阀或先导式截止阀。另外，在氢供应路径60上，在截止阀 61的上游一侧设置有用于检测氢供应路径60内的压力的压力传感器50。 另外，在氢供应路径60上，在压力调整阀62的下游一侧也设置有压力传 感器52，在阳极排气路径63上也设置有压力传感器54。并且，在阳极排气路径63上设置有气液分离器27。随着电化学反应 的进行，在阴极生成水，生成的水经由燃料电池22的电解质膜也被导入 到供应给阳极一侧的燃料气体内。气液分离器27使包含在上述阳极排气 中的水蒸气凝结，从而将其从阳极排气中除去。在气液分离器27上设置有阀27a。通过使该阀27a处于打开状态，将 在气液分离器27内凝结的水通过与阀27a连接的排气排出路径64排出到 外部。而且，当阀27a处于打开状态时，流过阳极排气路径63内的阳极排 气的一部分也与上述凝结水一起排出到外部。当燃料电池22运转时，在 流过阳极一侧的气体中，如上所述经由电解质膜从阴极一侧导入水，并且
也导入供应给阴极的空气中的氮等。因此，当继续通过燃料电池进行发电 时，在循环流路内循环的含氢气体中，氮等杂质的浓度会上升。在本实施
例的燃料电池系统10中，通过以规定的定时使阀27a处于打开状态，将上 述循环的含氢气体的一部分排出到外部，从而抑制含氢气体中的杂质的浓 度的上升。
这里，排气排出路径64与稀释器26连接，该稀释器26是截面面积大 于排气排出路径64的容器。该稀释器26的作用在于当将阳极排气排出 到外部时，在排出之前通过后述的阴极排气来稀释阳极排气中的氢。
空气压縮机24将加压后的空气作为氧化气体经由氧化气体供应路径 67供应给燃料电池22的阴极。空气压縮机24在压縮空气时通过空气净化 器28从外部获取空气。从阴极排出的阴极排气被导入到阴极排气路径68 中之后被排出到外部。这里，氧化气体供应路径67和阴极排气路径68均 经由加湿组件25。在加湿组件25中，通过水蒸气透过性的膜来分隔开氧 化气体供应路径67和阴极排气路径68，并使用含有水蒸气的阴极排气对 供应给阴极的加压空气进行加湿。另外，阴极排气路径68在将阴极排气 导向外部之前经由所述稀释器26。因此，经由排气排出路径64流入稀释 器26的阳极排气在稀释器26中与阴极排气混合而被稀释之后排出到外 部。
并且，燃料电池IO具有控制燃料电池系统10的各个部分的动作的控 制部70。控制部构成为以微型计算机为中心的逻辑电路，具体地说，包 括CPU，根据预先设定的控制程序来执行规定的运算等；ROM，预先存 储CPU执行各种运算处理所需要的控制程序和控制数据等；RAM,同样 是CPU执行各种运算处理所需要的各种数据被暂时地读写在该RAM中； 以及输入输出各种信号的输入输出端口等。该控制部70取得所述压力传 感器50、 52、 54等各种传感器的检测信号和关于对燃料电池22的负载要 求的信息等。另外，向燃料电池系统10所具有的压力调整阀62、空气压 縮机24、氢泵65、阀61、 27a等与燃料电池22的发电相关的各个部分输 出驱动信号。
图2是表示装载有本实施例的燃料电池系统10的电动汽车15的简要
构成的框图。如图2所示，作为车辆的驱动用电源的燃料电池系统10除
了作为发电主体的燃料电池22以外还具有二次电池40。在图2中，以与 燃料电池22相关的电连接状态为中心进行了图示，省略了与燃料电池22 中的气体的供应排放相关的流路等。
作为由燃料电池系统IO供应电力的负载，电动汽车15具有驱动电 动机32，经由驱动逆变器30与燃料电池系统10连接；以及辅机类44。 在上述负载与燃料电池系统10之间设置有布线48，通过这些布线48在燃 料电池系统10与负载之间交换电力。这里，二次电池40经由DC/DC变 换器42与上述布线48连接，DC/DC变换器42和燃料电池22相对于上述 布线48并列连接。
作为二次电池40，可以使用铅蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂 二次电池等各种二次电池。该二次电池40在燃料电池系统10起动时供应 用于驱动燃料电池系统10的各个部分的电力，或者在燃料电池系统10的 暖机运转完成之前向各个负载供应电力。另外，当燃料电池22以稳定状 态进行发电时，在负载大于规定值的情况下，也可以通过二次电池40来 补充电力。
DC/DC变换器42通过设定输出一侧的目标电压值来调节布线48的电 压，由此调节燃料电池22的输出电压，从而控制燃料电池22的发电量。 另夕卜，DC/DC变换器42也作为控制二次电池40与布线48的连接状态的 开关而发挥作用，在不需要二次电池40进行充放电时，切断二次电池40 与布线48的连接。
作为负载之一的驱动电动机32为同步电动机，其具有用于形成旋转 磁场的三相线圈，经由驱动逆变器30接受来自燃料电池系统10的电力供 应。驱动逆变器30是与上述驱动电动机32的各相对应而具有作为开关元 件的晶体管的晶体管逆变器。驱动电动机32的输出轴36经由减速齿轮34 与车辆驱动轴38连接。
作为其他负载的辅机类44包括需要在燃料电池22进行发电时驱动的 燃料电池辅机，例如上述的空气压縮机24、氢泵65等。在辅机类44之 中，向驱动电压较低的阀类供应由未图示的降压DC/DC变换器降压后的
电力。另外，作为辅机类44，除了燃料电池辅机所包含的部件以外，例如还包括电动汽车15所具有的空调装置(空调器)等车辆辅机。、另外，将控制部70作为燃料电池系统IO所具有的部件进行了说明，但是在本实施例的电动汽车15中，通过控制部70进行车辆整体的控制。因此，除了辅机类44或DC/DC变换器42以外，控制部70也向驱动逆变器30输出驱动信号。B.防止氢气压过度上升的动作图3是表示控制部70所执行的氢压过高监视处理程序的流程图。本 程序是在燃料电池系统10的运转过程中执行的处理。当本程序起动时， 首先控制部70取得氢供应路径60内的气压(步骤S100)。在本实施例 中，取得设置在压力调整阀62的下游的压力传感器52的检测信号。然后，控制部70判断在步骤S100中取得的气压是否超过了第一基准 值(步骤SllO)。这里，第一基准值是作为超过下述范围的值而预先设定 的值，所述范围是指作为在燃料电池22的发电过程中的循环流路内的压 力而可以允许的范围。当在步骤S100中取得的气压未超过第一基准值 时，判断循环流路内的压力保持在允许范围之内，控制部70重复执行上 述步骤S100和S110的程序。当在步骤S110中判断取得的气压超过了第一基准值时，控制部70关 闭截止阀61，同时使燃料电池22以规定的低电流值继续进行发电，并且 驱动规定的通知部(步骤S120) 。 g卩，控制部70作为进行以下控制的供 给停止控制部而发挥作用，所述控制是指根据取得的气压而关闭截止阀 61。另外，控制部70还作为进行使燃料电池22继续发电的控制的氢消耗 控制部而发挥作用。另外，在步骤S120中，当使燃料电池22继续进行发 电时，由于关闭截止阀61，所以可以用于发电的氢被限制为有限的少 量，因此通过如上所述使其以规定的低电流值进行发电，可以实现发电状 态的稳定化。这里，例如当作为截止阀61而使用非通电时会处于关闭状态的类型 的阀时，切断对截止阀61的电力供应即可关闭截止阀61。另外，继续驱动空气压縮机24以继续向燃料电池22供应氧化气体即
可使燃料电池22继续进行发电。这里，如上所述，当关闭截止阀61以切 断氢罐23的氢供应时，燃料电池22变得只能利用残留在循环流路内的 氢。关闭截止阀61之后进行的发电用于消耗掉残留在该循环流路内的 氢，因此获得的电力有限。在步骤S120中通过燃料电池22的发电而获得 的电力也可以与某些负载连接而被消耗掉，但在本实施例中用于对二次电 池40进行充电。当对二次电池40进行充电时，例如在图2所示的DC/DC 变换器42中将布线48的电压设定得足够高即可。由于关闭截止阀61之后 的发电量极少，因此只要如上所述设定足够高的电压，就可以不用特意考 虑二次电池40的残余容量而容易地对二次电池40进行充电。如上所述， 控制DC/DC变换器42等以通过从燃料电池22获得的电力对二次电池40 进行充电，由此控制部70作为充电控制部而发挥作用。另外，由于关闭 截止阀61之后可以发电的时间较短，因此在步骤S120中当燃料电池22 进行发电时，也可以不驱动氢泵65。另外，本实施例的车辆具有将氢压过高而切断氢供应的情况通知给使 用者的通知部72 (参照图l)，在步骤S120中，该通知部72由控制部70 进一步驱动。通知部72例如可以是设置在电动汽车15的驾驶席附近(例 如，仪表板)的显示部。在步骤S120中，使该显示部中规定形状的部分 点亮进行显示即可。或者，也可以由通知部72发出告知氢供应压过高的 声音或规定的警报音。当执行步骤S120时，控制部70取得截止阀61的下游一侧的循环流 路内的压力(步骤S130)。在本实施例中，取得压力传感器52的检测信 号。或者，也可以取得设置在燃料电池22的下游一侧的压力传感器54的 检测信号。然后，控制部70判断在步骤130中取得的气压是否处于第二基准值 以下(步骤S140)。这里，第二基准值是预先设定为成为基准的压力的 值，所述基准表示循环流路内的气压处于足够低的状态。当在步骤S130 中取得的气压未处于第二基准值以下时，判断循环流路内的压力未降至可 以允许的程度，控制部70重复执行上述步骤S130和S140的程序。此 时，由于燃料电池22继续进行发电，因此循环流路内的氢继续被消耗，
从而通过步骤S130检测出的压力很快就会变为第二基准值以下。
当在步骤S140中判断循环流路内的压力处于第二基准值以下时，控 制部70停止燃料电池22的发电(步骤S150)，结束本程序。具体地说， 使燃料电池22停止发电的动作是指停止空气压縮机24等燃料电池辅 机，并切断燃料电池22与至此由燃料电池22供应电力的二次电池40之间 的连接。
另外，当如上所述检测出氢供应路径60中的压力过高而停止向燃料 电池22供应氢时，电动汽车15的驱动电动机32可以从二次电池40获得 电力而使车辆继续行驶。由此，例如可以采取适当的避让行动。
根据具有如上构成的本实施例的燃料电池系统10的电动汽车15，当 氢供应路径60中的压力超过了第一基准值时关闭截止阀61，因此可以防 止因过大压力施加于燃料电池22而引起燃料电池22的耐久性降低。这 里，在本实施例中，为了应对氢供应路径60中的压力过高而使用了设置 在氢供应路径60上的截止阀61，因此不会使燃料电池系统10的形状变得 复杂而导致设计的自由度降低。特别是在本实施例中使用了在燃料电池22 的通常的停止发电时用于切断氢气的流通的截止阀，因此不会新增加零件 数量。
作为应对氢供应路径60内的压力过高的其他方法，例如也可以以下 构成在氢供应路径60上设置以规定压力开阀的安全阀，当压力过高时 从安全阀排出氢气。然而，在该情况下，为了促进排出氢的扩散，电动汽 车内的各个部分的配置或管道设计的自由度会受到限制，从而有可能导致 系统整体的构造变得复杂。在本实施例中，由于仅使用设置在氢供应路径 60上的阀，因此不会产生上述问题。而且，当上述安全阀与外部连通时， 可能会产生异物卡入在安全阀中等不良情况，从而导致防止氢压过度上升 的效果不充分。根据本实施例，由于仅使用设置在不向外部开放的氢供应 路径60上的阀，因此不会产生上述问题，从而可以进一步提高应对氢供 应路径60内的压力过高的动作的可靠性。
另外，根据本实施例的燃料电池系统10，当氢供应路径60内的压力 超过了第一基准值时，在关闭截止阀61之后通过发电来消耗掉循环流路
内的氢，在降低了循环流路内的压力之后停止燃料电池22。因此，在停止发电之后，在燃料电池22的内部，不会对阳极一侧施加过大的压力。 即，在燃料电池22的内部，可以降低阳极一侧与阴极一侧之间的、间隔 着电解质膜而形成的压力差，从而可以防止由压力差引起的燃料电池22 的损伤。另外，在本实施例中，如果在燃料电池22停止发电时停止空气 压縮机24，则燃料电池22内的阴极一侧流路大致变成大气压。而且，在检测出氢供应路径60的压力过高而关闭截止阀61之后，当 使用从燃料电池22获得的电力对二次电池40进行充电时，能够取得提高 燃料电池系统10的整体的系统效率的效果。另外，根据本实施例的燃料电池系统10，由于当检测出氢供应路径 60中的压力过高而关闭截止阀61时驱动通知部72，因此使用者可以准确 地识别是由于哪些不良情况导致了系统停止，从而可以采取恰当的处置。 在本实施例中，由于根据压力调整阀62的下游一侧的压力来判断不良情 况的发生，因此可以做出不良情况发生部为压力调整阀62的可能性较大 的判断。C.变形例本发明不限于上述实施例或实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内 以各种方式来实施，例如可以进行下述变形。(1) 氢供应路径60中的阀的配置或压力传感器的配置不限于图1所 示的配置。例如，也可以将截止阀61设置在压力调整阀62的下游而非上 游。另外，用于在步骤S100中取得气压的压力传感器既可以配置在截止 阀61的上游一侧，也可以配置在下游一侧。这是因为，在关闭截止阀61 之前，不管是截止阀61的上游还是下游，在氢供应路径60内的不同地点 检测出的压力彼此相关。无论在何种情况下，如果使用配设在压力调整阀 62的下游的压力传感器来作为用于在步骤S130中取得气压的压力传感 器，则可以在压力调整阀62的压力调整发生不良情况时将其检测出来。(2) 本发明也可以用于构成与实施例不同的燃料电池系统。例如， 在实施例的燃料电池系统10中，供应给燃料电池22的氢气在循环流路内 循环，但也可以不设置阳极排气路径并且不从燃料电池排出阳极排气(所
谓的终端(deadend)型)。在该构成中，氢不进行循环，将与发电所消 耗的氢量相对应的量的氢新供应到燃料电池内。因此，当新供应给燃料电 池的氢量的调节发生了不良情况而引起压力过高时可以应用本发明。
或者，也可以代替配备贮藏高纯度的氢的氢罐的构成而设置重整器， 将通过重整碳氢化合物系燃料而得到的重整气体作为燃料气体供应给燃料 电池。此时，对供应给燃料电池的燃料气体压进行检测，当燃料气体压变 得过大时，关闭设置在燃料气体流路上的截止阀以切断向燃料电池供应燃 料气体即可。
此外，除了如实施例那样将燃料电池系统用作移动体的驱动用电源以 外，当用作固定式发电装置时也可以应用本发明。
无论在何种情况下，当供应给燃料电池的燃料气体的压力过高时，均 可以取得防止向燃料电池施加过大压力的相同效果。特别是在对压力调整 部(在具有多个压力调整阀的系统中，最接近燃料电池的压力调整阀)的 下游的压力进行检测并进行关闭截止阀的控制的情况下，可以应对因上述 压力调整部发生不良情况而引起的压力过高，所述压力调整部对供应给燃 料电池的燃料气体的压力进行调整。
权利要求
1.一种燃料电池系统，具有燃料电池，其特征在于，包括氢供应路径，连通供应含有氢的燃料气体的燃料气体源和所述燃料电池；第一压力传感器，检测所述氢供应路径内的压力；截止阀，将所述氢供应路径切换为连通状态或非连通状态；以及供应停止控制部，当所述第一压力传感器检测出的所述氢供应路径内的压力超过了第一基准值时，通过所述截止阀使所述氢供应路径处于非连通状态。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于， 还包括压力调整部，该压力调整部配置在所述氢供应路径上，调整供应给所述燃料电池的所述燃料气体的压力，所述第一压力传感器检测比所述压力调整部的配置位置靠近所述燃料 电池一侧的所述氢供应路径内的压力。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于， 还包括氢消耗控制部，该氢消耗控制部在通过所述截止阀使所述氢供应路径处于非连通状态之后进行控制，以消耗所述截止阀与所述燃料电池 之间的所述氢供应路径内的氢。
4. 如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述第一压力传感器检测比所述截止阀的配置位置靠近所述燃料电池一侧的所述氢供应路径内的压力，当所述第一压力传感器检测出的所述氢供应路径内的压力变为小于所 述第一基准值的第二基准值以下时，所述氢消耗控制部停止消耗所述氢供 应路径内的氢的控制。
5. 如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于， 所述第一压力传感器检测比所述截止阀的配置位置靠近所述燃料气体源一侧的所述氢供应路径内的压力，所述燃料电池系统还包括第二压力传感器，该第二压力传感器检测比所述截止阀的配置位置靠近所述燃料电池一侧的所述氢供应路径内的压 力，当所述第二压力传感器检测出的所述氢供应路径内的压力变为小于所 述第一基准值的第二基准值以下时，所述氢消耗控制部停止消耗所述氢供 应路径内的氢的控制。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于， 还包括通知部，当通过所述截止阀使所述氢供应路径处于非连通状态时，所述通知部通知在所述氢供应路径内发生了压力过高的情况。
7. —种燃料电池系统的运转方法，所述燃料电池系统具有燃料电池， 所述燃料电池系统的运转方法的特征在于，检测向所述燃料电池供应含有氢的燃料气体的氢供应路径内的压力， 当所述检测出的压力超过了规定的基准值时，通过设置在所述氢供应路径上的截止阀使所述氢供应路径处于非连通状态，从而切断向所述燃料电池供应所述燃料气体。
全文摘要
本发明提供一种具有燃料电池(22)的燃料电池系统(10)，其包括氢供应路径(60)，向燃料电池(22)供应含有氢的燃料气体；第一压力传感器(52)，检测氢供应路径(60)内的压力；截止阀(61)，通过变为关闭状态而闭塞氢供应路径(60)；以及供应停止控制部，当压力传感器(52)检测出的所述氢供应路径(60)内的压力超过了第一基准值时，使截止阀(61)处于关闭状态。
文档编号H01M8/10GK101120477SQ20068000515
公开日2008年2月6日 申请日期2006年2月1日 优先权日2005年2月25日
发明者松永健司 申请人:丰田自动车株式会社