燃料电池系统的制作方法

1.本说明书公开的技术涉及燃料电池系统。


背景技术：

2.在日本特开2020-126729中公开有具备燃料电池、推出器以及供给装置的燃料电池系统。推出器抽吸从燃料电池排出的废气，使废气混合于从供给装置供给的燃料气体来向燃料电池供给。由此，能够将残留于废气内的燃料成分向燃料电池供给。
3.在废气中，燃料成分被部分消耗的结果是，例如氮气、水蒸气之类的杂质的浓度变高，燃料成分的浓度降低。由此，例如如进行燃料电池的预热运转时那样，在需要将包含高浓度的燃料成分的燃料气体向燃料电池供给的情况下，优选使向燃料电池供给的废气的量减少，主要从供给装置向燃料电池供给包含高浓度的燃料成分的燃料气体。
4.关于上述技术，日本特开2020-126729的燃料电池系统还具备不经由推出器而与燃料电池连接的旁通路径、和向该旁通路径供给燃料气体的第3供给装置。根据这样的结构，通过从第3供给装置经由旁通路径向燃料电池供给燃料气体，能够将不包含废气的燃料气体向燃料电池供给。
5.然而，日本特开2020-126729的燃料电池系统需要设置旁通路径和第3供给装置，因此燃料电池系统的构造和控制变得复杂。在本说明书中，提供一种不设置旁通路径和第3供给装置就能够抑制燃料成分的浓度的降低的技术。


技术实现要素：

6.本说明书公开的燃料电池系统的一个形态具备构成为使燃料气体所包含的燃料成分反应来发电的燃料电池、供给路、控制阀、推出器、回流路以及控制器。供给路与上述燃料电池的供给口连接，并向上述供给口供给上述燃料气体。控制阀构成为设置于上述供给路，并且控制阀的开度能够调整。推出器设置于上述供给路的上述控制阀与上述燃料电池之间的区间。回流路连接于上述燃料电池的排气口与上述推出器之间，并借助上述推出器产生的抽吸力使从上述排气口排出的废气向上述供给路回流。控制器控制上述控制阀。上述控制器构成为选择性地执行：通常运转，以与关于上述燃料气体的供给量的目标值对应的占空比将至少一个上述控制阀间断地开阀；和特定运转，用于将与上述通常运转相比包含更高浓度的上述燃料成分的燃料气体向上述燃料电池供给。在上述通常运转中，在以第1供给量向上述燃料电池供给上述燃料气体时，以第1开度将上述控制阀间断地开阀。在上述特定运转中，在以上述第1供给量向上述燃料电池供给上述燃料气体时，以比上述第1开度小的第2开度将上述控制阀连续地或者间断地开阀。
7.上述的燃料电池系统选择性地执行通常运转和特定运转。对通常运转和特定运转进行比较，在欲将相同的第1供给量的燃料气体向燃料电池供给的情况下，在通常运转中将控制阀的开度调整为第1开度，与之相对在特定运转中将控制阀调整为第2开度。如通常运转那样，在将控制阀的开度调整为第1开度的情况下，以充分的流量向推出器供给燃料气
体，由此推出器产生抽吸废气的抽吸力。由此，在通常运转中，将包含废气的燃料气体向燃料电池供给。另一方面，如特定运转那样，在将控制阀的开度调整为第2开度的情况下，向推出器供给被限制的流量的燃料气体，由此禁止或者抑制推出器中的抽吸力的产生。其结果是，向供给路回流的废气的量减少，燃料气体所包含的燃料成分的比例增加。由此，在特定运转中，能够将比通常运转执行时高的浓度的燃料气体向燃料电池供给。这样，本说明书公开的燃料电池系统不设置旁通路径和第3供给装置就能够抑制由废气引起的燃料气体的浓度降低。
8.也可以构成为：在上述形态的基础上，燃料电池系统还具备第2控制阀。在该情况下，也可以构成为上述推出器具备：第1喷嘴，构成为供给来自上述控制阀的上述燃料气体；和第2喷嘴，构成为供给来自上述第2控制阀的上述燃料气体。根据这样的结构，通过分别控制两个控制阀，从而能够适当地调整向燃料电池供给的燃料气体的供给量、向其回流的废气的回流量。
9.也可以构成为：在上述形态的基础上，上述第2喷嘴的直径小于上述第1喷嘴的直径。根据这样的结构，通过具有大小的直径的两个喷嘴，从而容易取得燃料气体的供给量与推出器的抽吸力的平衡。
10.也可以构成为：在上述形态的基础上，在上述通常运转中，在以上述第1供给量向上述燃料电池供给上述燃料气体时，代替上述控制阀而将上述第2控制阀间断地开阀。但是，在另一实施方式中，也可以构成为：当在通常运转中以第1供给量供给燃料气体时，将控制阀开阀。
11.也可以构成为：在上述形态的基础上，在上述特定运转中也将上述第2控制阀间断地开阀。在特定运转中，若推出器的抽吸力过度降低，则存在燃料气体从供给路向回流路侧逆流的情况。在这样的情况下，通过从第2控制阀向推出器补充性地供给燃料气体，从而能够使推出器产生用于抵消上述的逆流的抽吸力。
12.也可以构成为：在上述形态的基础上，还具备配置于上述供给路的第1压力传感器、和配置于上述回流路的第2压力传感器。根据这样的结构，控制器能够根据各压力传感器检测到的压力来控制推出器的抽吸力。
13.以下参考附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点、以及技术和工业意义进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
附图说明
14.图1表示第1实施例的燃料电池系统100的结构图。
15.图2表示通常运转执行时的第1实施例的推出器10周边的放大图。
16.图3表示通常运转执行时的第1控制阀21的开度的变化、和与其相伴的燃料成分气体供给量sf及废气导入量cf的关系。
17.图4表示通常运转执行时的燃料成分气体供给量sf与废气导入量cf的关系。
18.图5表示特定运转执行时的第1控制阀21的开度。
19.图6表示特定运转执行时的燃料成分气体供给量sf与废气导入量cf的关系。
20.图7表示特定运转执行时的第1实施例的推出器10周边的放大图。
21.图8表示第2实施例的推出器10a周边的放大图。
具体实施方式
22.(实施方式)
23.参照图1对第1实施方式的燃料电池系统100进行说明。燃料电池系统100具备燃料电池2、气液分离器4、排气排水阀6、燃料气体罐8、推出器10以及控制器20。燃料电池系统100是用于使收纳于燃料气体罐8内的燃料成分气体(例如氢气)、与空气所包含的氧化剂气体(例如氧气)在燃料电池2的内部反应来发电的系统。燃料电池系统100例如搭载于燃料电池车辆。
24.虽然省略了图示，但在燃料电池2的内部收纳有将固体高分子型的多个单电池层叠而成的层叠体。向燃料电池2经由燃料气体供给口2s供给包含燃料成分气体的燃料气体。向燃料电池2经由空气供给口2g供给空气。通过所供给的燃料气体中的氢气(即，燃料成分气体)与空气中的氧气在燃料电池2内进行化学反应，从而燃料电池2进行发电。燃料电池2还具备燃料气体排气口2e和空气排气口2r。经由燃料气体排气口2e将通过了燃料电池2的燃料气体(以下，有时称为废气)从燃料电池2排出。经由空气排气口2r将通过了燃料电池2的空气从燃料电池2排出。此外，虽然省略了图示，但在空气供给口2g连接有向燃料电池2供给空气的空气供给路，在空气排气口2r连接空气排出路。
25.燃料电池系统100还具备供给路3s和回流路3e。供给路3s是将燃料气体罐8与燃料电池2的燃料气体供给口2s连接的管。供给路3s在燃料气体罐8的下游侧(即，燃料电池2侧)分支为第1供给路31和第2供给路32。第1供给路31经由第1控制阀21与推出器10连接。第2供给路32经由第2控制阀22与推出器10连接。通过第1供给路31和第2供给路32将燃料气体罐8内的燃料成分气体向推出器10供给。第1供给路31和第2供给路32在推出器10合流。其结果是，在推出器10的下游侧，供给路3s作为一条流路与燃料电池2的燃料气体供给口2s连接。这样，供给路3s将燃料气体罐8内的燃料成分气体向燃料气体供给口2s供给。在供给路3s配置有检测其内部的压力的第1压力传感器5s。
26.回流路3e是将燃料气体排气口2e与推出器10连接的管。从燃料电池2经由燃料气体排气口2e向回流路3e排出废气。在回流路3e配置有气液分离器4。气液分离器4将回流路3e内的废气中的水分分离。若排气排水阀6打开，则将与废气分离并积存于气液分离器4的底部的水分从回流路3e排出。在回流路3e配置有检测内部的压力的第2压力传感器5e。
27.控制器20控制第1控制阀21和第2控制阀22。燃料气体罐8内的压力高于供给路3s内的压力。若将第1控制阀21开阀，则将燃料气体罐8内的燃料成分气体经由第1供给路31向推出器10供给。同样，若将第2控制阀22开阀，则将燃料气体罐8内的燃料成分气体经由第2供给路32向推出器10供给。第1控制阀21典型地是线性电磁阀，其开度能够调整。另一方面，第2控制阀22典型地是开关阀，能够保持为全开状态和全闭状态。控制器20根据燃料气体的供给量的目标值将第1控制阀21、第2控制阀22开阀。控制器20从各压力传感器5s、5e取得检测到的压力。
28.如图2所示，推出器10具备第1喷嘴11、第2喷嘴12以及混合部18。第1喷嘴11经由第1供给路31与第1控制阀21连接，第2喷嘴12经由第2供给路32与第2控制阀22连接。在推出器10还连接回流路3e。各喷嘴11、12均具有中空形状，在图2中用剖面示出。各喷嘴11、12的直径均以越朝向下游侧(即，燃料电池2侧)越变小的方式逐渐变化。混合部18与各喷嘴11、12连通。例如，若燃料成分气体g1通过第1喷嘴11，则在逐渐变小的第1喷嘴11的出口燃料成分
气体g1的流速变快。通过流速较快的燃料成分气体g1，牵引混合部18的第1喷嘴11的出口周边的空气。其结果是，第1喷嘴11的出口周边的压力降低。因此，在推出器10的混合部18产生引入回流路3e的废气g2的抽吸力f1。推出器10借助抽吸力f1将废气g2导入于混合部18。推出器10将混合了废气g2和燃料成分气体g1的燃料气体经由供给路3s向燃料电池2供给。这样，推出器10使废气g2向供给路3s回流。
29.如之前叙述的那样，废气g2是从燃料电池2的燃料气体排气口2e排出的发电后(即，氢气与氧气反应后)的燃料气体。然而，在废气g2中，除了由发电产生的杂质(例如，氮气、水蒸气)之外，也包含保持未反应的状态不变地通过了燃料电池2的氢气(即，燃料成分气体)。推出器10除了从燃料气体罐8供给的燃料成分气体g1之外，还将废气g2向燃料电池2供给。由此，能够将保持未反应的状态不变地通过了燃料电池2的燃料成分气体用于发电。
30.如图2所示，第2喷嘴12的直径小于第1喷嘴11的直径。在将比较少量的燃料成分气体向燃料电池2供给的情况下使用第2喷嘴12。在经由第2喷嘴12供给燃料成分气体的情况下，也与经由第1喷嘴11供给燃料成分气体g1的情况相同，在推出器10产生引入废气g2的抽吸力。控制器20(参照图1)从上位控制器(省略图示)取得例如与燃料电池车辆的加速器的踏入量对应的应向燃料电池2供给的燃料气体的供给量的目标值。控制器20根据取得的目标值判定经由哪个喷嘴供给燃料气体。控制器20对与判定完毕的喷嘴连接的控制阀发送指示开阀的信号。由此，控制器20将目标值的供给量的燃料气体向燃料电池2供给。
31.参照图3，对第1控制阀21的开度、作为向推出器10供给的燃料成分气体的量的燃料成分气体供给量sf、以及作为推出器10向混合部18(参照图2)导入的废气的量的废气导入量cf的关系进行说明。在图3中，对控制器20执行通常运转的情况下的这些的关系进行说明。在图3中，用第1开度a1表示第1控制阀21完全开阀的开度，用全闭开度a0表示完全闭阀的开度。此外，以下，主要对控制器20在通常运转执行时将第1控制阀21间断地开阀的情况进行说明，但对于第2控制阀22也相同。
32.在通常运转执行时，控制器20基于取得的目标值s1来决定开关第1控制阀21的占空比。控制器20基于决定好的占空比，以第1开度a1将第1控制阀21间断地开阀。其结果是，如图3所示，将最大供给量sm的燃料成分气体g1向推出器10间断地供给。若以与目标值s1对应的占空比将第1控制阀21间断地开阀，则在规定时间t1的期间将通常时供给量sn的燃料成分气体向推出器10(参照图2)供给。
33.如之前叙述的那样，推出器10(参照图2)借助在燃料成分气体g1通过喷嘴时产生的抽吸力来导入废气g2。因此，如图3所示，将废气导入量cf以与燃料成分气体g1的间断的供给同步的方式向推出器10导入。若将第1控制阀21以与目标值s1对应的占空比间断地开阀，则在规定时间t1的期间将通常时导入量cn的废气向推出器10内导入。
34.如图4的虚线箭头所示，在控制器20(参照图1)开关控制第1控制阀21的情况下，燃料成分气体供给量sf和废气导入量cf在第1控制阀21的开度是第1开度a1的情况下都为最大，在是全闭开度a0的情况下都为零。若将第1控制阀21间断地开阀，则除了通常时供给量sn的燃料成分气体之外，也将通常时导入量cn的废气向燃料电池2供给。燃料气体的供给量的目标值s1是通常时供给量sn与通常时导入量cn的合计值。在正执行通常运转的情况下，控制器20通过将第1控制阀21以第1开度a1间断地开阀，从而将包含废气g2的目标值s1的燃料气体向燃料电池2供给。
35.如之前叙述的那样，废气g2除了燃料成分气体(即，氢气)之外也包括反应后的杂质(例如，氮气、水蒸气)。因此，当在从燃料气体罐8供给的燃料成分气体g1中加入了废气g2的情况下，向燃料电池2供给的氢气的浓度降低。即，包含废气g2的燃料气体的氢气的浓度较低。这里，例如在外部空气温度较低的条件下，有时在燃料电池2(参照图1)的内部产生冻结。在该情况下，期望通过燃料电池2发电的热来快速地消除冻结。然而，若产生冻结，则在该部位，存在反应后的杂质未向回流路3e(参照图1)适当地排出而残留于燃料电池2的内部的情况。其结果是，在产生冻结的部位，氢的浓度降低。在这样的状态下，若将氢浓度较低的燃料气体向燃料电池2供给，则产生了冻结的部分的氢浓度进一步降低，存在不能适当地进行燃料电池2的发电的风险。其结果是，难以消除燃料电池2的冻结。
36.这里，若在燃料电池2(参照图1)产生冻结，则杂质残留于燃料电池2内，因此相对于供给路3s(参照图1)内的燃料气体的量的回流路3e内的废气的量降低。其结果是，相对于向燃料电池2供给的供给路3s内的燃料气体的量，从燃料电池2排出的回流路3e内的废气的量变小。因此，若在燃料电池2产生冻结，则回流路3e内的压力相对于供给路3s内的压力变小。控制器20比较从第1压力传感器5s取得的供给路3s内的压力、与从第2压力传感器5e取得的回流路3e内的压力，在其差值变大而超过规定的阈值的情况下，判定为在燃料电池2内产生了冻结。在该情况下，控制器20代替在图3中说明的通常运转而执行以下说明的特定运转。
37.当在特定运转执行时取得了目标值s1的情况下，如图5所示，控制器20在规定时间t1的期间将第1控制阀21保持于第2开度a2。在本实施方式中，第2开度a2是用于供给目标值s1的燃料成分气体g1(参照图2)的第1控制阀21的开度，小于第1开度a1。控制器20以第2开度a2将第1控制阀21连续地开阀。其结果是，将目标值s1的燃料成分气体g1向燃料电池2供给。
38.如之前叙述的那样，推出器10(参照图2)借助与通过各喷嘴11、12的燃料成分气体g1的量对应的抽吸力来将废气g2向混合部18导入。因此，如图6所示，若燃料成分气体供给量sf变小，则推出器10的抽吸力也变弱，废气导入量cf也变小。若燃料成分气体供给量sf进一步变小并且第1喷嘴11(参照图2)的出口处的压力不再下降，则废气导入量cf变为零。即，在该情况下，推出器10不导入废气g2。
39.在实施例的推出器10中，在燃料成分气体供给量sf为目标值s1的情况下，废气导入量cf变为零。若控制器20以与目标值s1对应的第2开度a2将第1控制阀21连续地开阀，则推出器10的第1喷嘴11不产生抽吸力f1(参照图2)。推出器10不导入回流路3e内的废气g2。这样，控制器20通过以第2开度a2将第1控制阀21连续地开阀，从而使导入推出器10的废气g2的功能暂时停止。由此，废气g2向供给路3s(参照图2)的回流停止。其结果是，仅将目标值s1的燃料成分气体g1作为燃料气体向燃料电池2供给。即，即使是相同的目标值s1的燃料气体，特定运转执行时的燃料气体与通常运转执行时的燃料气体相比也包含高浓度的氢气(即，燃料成分气体)。
40.另外，废气导入量cf变为零的燃料成分气体供给量sf的值(以下称为抽吸力未产生供给值)能够根据第1喷嘴11的形状、燃料气体罐8(参照图1)内的压力、第1供给路31的直径等而改变。例如，在特定运转执行时的目标值s2小于目标值s1(即，抽吸力未产生供给值)的情况下，如图6所示，废气导入量cf变为负。因此，在目标值s2小于抽吸力未产生供给值的
情况下，推出器10的混合部18内的压力相对于回流路3e变为正压，如图7所示，在混合部18产生排出力f2。其结果是，存在混合部18内的燃料成分气体g1借助排出力f2向回流路3e逆流的风险。
41.在目标值s2小于抽吸力未产生供给值的情况下，控制器20以与目标值s2对应并且还小于第2开度a2的开度将第1控制阀21连续地开阀。并且，控制器20以比较小的占空比将第2控制阀22间断地开阀。由此，少量的燃料成分气体g3通过第2喷嘴12，第2喷嘴12的出口周边变为负压。其结果是，在第2喷嘴12的出口周边产生抽吸力f3。该抽吸力f3与排出力f2抵消，防止燃料成分气体g1从混合部18向回流路3e逆流。另外，如之前叙述的那样，第2喷嘴12的直径小于第1喷嘴11的直径。因此，在燃料成分气体g3通过第2喷嘴12的情况下，其出口处的燃料成分气体g3的流速与燃料成分气体g1通过第1喷嘴11的情况下的流速相比变快。其结果是，在比较早的时机在混合部18产生抽吸力f3。通过使用直径不同的两个喷嘴，能够控制产生抽吸力的时机。
42.参照图8对第2实施例的燃料电池系统100a进行说明。燃料电池系统100a将图1的燃料电池系统100的推出器10变更为推出器10a。如图8所示，第2实施例的推出器10a仅具备第1喷嘴11a，而不具备第2喷嘴12(参照图2)。因此，燃料电池系统100a不具备第2供给路32(参照图1)和第2控制阀22。
43.在燃料电池系统100a中，控制器20(参照图2)也在通常运转执行时以与目标值s1对应的占空比将第1控制阀21以第1开度a1(参照图5)间断地开阀。由此，在推出器10a产生导入废气的抽吸力，从而能够将包含废气的燃料气体向燃料电池2(参照图1)供给。另一方面，在特定运转执行时，控制器20以比第1开度a1小的第2开度a2连续地开阀。另外，在取得比抽吸力未产生供给值小的目标值s2的情况下，控制器20也可以以与目标值s2对应的占空比将第1控制阀21间断地开阀。通过使第1控制阀21的开度小于第1开度a1，能够减少从回流路3e导入的废气的量。由此，能够使燃料气体的氢浓度提高。
44.以上，对实施方式详细地进行了说明，但这些只不过是例示，并不限定权利要求书。权利要求书所记载的技术包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更后的技术。以下列举上述的实施方式的变形例。
45.(变形例1)在上述的实施方式中，为了在通常运转执行时将与目标值s1对应的通常时供给量sn的燃料成分气体g1向燃料电池2供给，将第1控制阀21间断地开阀。在变形例中，控制器20也可以代替第1控制阀21而将第2控制阀22间断地开阀。
46.(变形例2)第2喷嘴12的直径也可以与第1喷嘴11的直径相同。
47.(变形例3)控制器20也可以在特定运转时以与目标值s1对应的开度将第2控制阀22连续地开阀。
48.(变形例4)第2控制阀22也可以是能够调整角度的线性电磁阀。
49.(变形例5)在上述的实施方式中，在各压力传感器5s、5e的压力差超过阈值的情况下，控制器20判定为在燃料电池2产生冻结而执行了特定运转。在变形例中，也可以代替该情况而在外部空气温度变为了阈值以下的情况下，控制器20判定为在燃料电池2产生了冻结而执行特定运转。另外，即使是燃料电池2的冻结以外的情况，在需要包含高浓度的燃料成分的燃料气体的供给的情况下，控制器20也可以执行特定运转。
50.以上，对本发明的具体例详细地进行了说明，但这些只不过是例示，并不限定权利
要求书。权利要求书所记载的技术包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更后的技术。在本说明书或者附图中说明的技术元件单独地或者通过各种组合而发挥技术有用性，并不限定于申请时权利要求记载的组合。另外，在本说明书或者附图中例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中一个目的本身具有技术有用性。