CN1781205A - 燃料电池系统和相关的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统和相关的方法，其中燃料电池系统(S)具有被供应以氢气和氧化气体的燃料电池(1)、给燃料电池供应氢气的气体供应线(5)、使从燃料电池中排出的废氢气(该废氢气能够包含氮气)通过的气体排放线(31)、使废氢气再循环到它的上游的燃料电池的气体再循环线(7)、适合于排放包含氮气的废氢气到外部的排气阀(8)以及在判断在排气阀打开状态中通过排气阀的废氢气的流率等于或大于预定的值时用于关闭排气阀的控制器(100)。

Description

燃料电池系统和相关的方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统和与它相关的方法，更具体地说，涉及这样的一种燃料电池系统和与它相关的方法：氮从其中使自燃料电池中排出的氢再循环以便重复使用的燃料电池的氢气再循环线中有效地排放。

背景技术

通过使用氢气作为燃料的聚合物电解质燃料电池，从燃料电池组中排出的过量的氢输送到燃料电池组的入口，通过那里以比在能够实现稳定的发电的燃料电池组中消耗的氢的速率更大的供应速率将氢输送到燃料电池组中。

日本专利申请公开No.2001-266922公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括其二次流导管输送通过单向阀从燃料电池组的燃料排放端口排出的废气燃料的喷射器，从燃料电池中排出的废气燃料通过喷射器再循环。通过使从燃料电池组中排出的过量的氢通过喷射器再循环到燃料电池组的入口，试图实现稳定的发电，同时以比在燃料电池组中消耗的氢的速率更大的供应速率给燃料电池组供应氢而不浪费过量的氢。

发明内容

然而，通过本发明人的研究，在其中氢如上文所述地再循环的燃料电池系统中，在使用气体作为氧化剂时，认为在空气中的包含的氮从阴极通过燃料电池组的隔膜扩散到阳极。这导致了在氢中的氮的浓度增加。

如果在氢中的氮的浓度以这种方式增加，则氢部分压力下降，导致了发电效率降低。此外，考虑使氢再循环的喷射器的再循环速率降低并且不能维持稳定的发电。

为解决这种问题，考虑设置排气阀以允许再循环的氢从氢再循环通道中排放到大气并周期性地打开排气阀以允许氮从氢线中排放。然而，可以设想，如果排气阀打开，使氢气与氮气一起排放，因此如果排气阀以超过需要的时间间隔连续地打开，则燃料电池系统的效率降低。

因此，通过本发明人实施的上述研究完成了本发明，本发明的一个目的是提供一种燃料电池系统和与其相关的方法，其中在使要与氮气一同排放的氢气量最小的同时排放在氢线中扩散的氮气以提供较高的操作效率。

为实现上述目的，本发明的一方面是燃料电池系统，包括被供应的氢气和氧化气体的燃料电池；给燃料电池供应氢气的气体供应线；使从燃料电池中排出的废氢气通过的气体排放线，该废氢气能够包含氮气；使废氢气再循环到它的上游的燃料电池的气体再循环线；适合于排放包含氮气的废氢气到外部的排气阀；以及在判断在排气阀打开状态中通过排气阀的废氢气的流率等于或大于预定的值时用于关闭排气阀的控制器。

本发明的另一方面是一种燃料电池系统，包括被供应以氢气和氧化气体的燃料电池；给燃料电池供应氢气的气体供应装置；用于排出从燃料电池中排出的废氢气到外部的气体排放装置，该废氢气能够包含氮气，并且气体排放装置包含用于将包含氮气的废氢气排放到外部的排气装置；使废氢气再循环到它的上游的燃料电池的气体再循环装置；以及在判断在排气装置打开状态中通过排气装置的废氢气的流率等于或大于预定的值时用于控制排气装置以关闭排气装置的控制装置。

同时，根据本发明的另一方面，提供一种控制燃料电池系统的方法，该燃料电池系统具有被供应以氢气和氧化气体的燃料电池、给燃料电池供应氢气的气体供应线、使从燃料电池中排出的废氢气通过同时该废氢气能够包含氮气的气体排放线、使废氢气再循环到它的上游的燃料电池的气体再循环线和适合于排放包含氮气的废氢气到外部的排气阀，该方法包括：在判断在排气阀打开状态中通过排气阀的废氢气的流率等于或大于预定的值时关闭排气阀。

通过下面结合附图的描述，本发明的其它特征、优越性和好处将更加清楚。

附图说明

附图1所示为根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的结构的视图；

附图2所示为第一实施例的燃料电池系统的控制操作的流程图；

附图3所示为在第一实施例中在氢线中的氢气温度和氢气压力保持恒定的情况下在氢线中的氮浓度和通过喷射器再循环的氢气的流率之间的关系的视图，横坐标表示在氢线中的氮浓度C，纵坐标表示通过喷射器再循环的氢气的流率FC；

附图4所示为在第一实施例中在氢线中的氢气温度和氢气压力保持恒定的情况下在氢线中的氮浓度和每单位时间排放的氢气的流率之间的关系的视图，横坐标表示在氢线中的氮浓度C，纵坐标表示每单位时间的氢气的流率FP；

附图5所示为在第一实施例中在氢线中的氮的浓度和氢气压力保持恒定的情况下在燃料电池组的出口处的氢气温度和排放的氢气的流率之间的关系的视图，横坐标表示在燃料电池组的出口处的氢气的温度T，纵坐标表示每单位时间排放的氢气的流率FP；

附图6所示为在第一实施例中在氢线中的氮气浓度和比如在排气阀的入口和燃料电池组的出口处的氢气温度保持恒定的情况下在燃料电池组的入口出的氢气压力和排放的氢气的流率之间的关系的视图，横坐标表示在燃料电池组的入口处的氢气的压力P，纵坐标表示每单位时间排放的氢气的流率FP；和

附图7所示为根据本发明的第二实施例的燃料电池系统的结构的视图。

具体实施方式

下文参考附图详细地描述根据本发明的每个实施例的燃料电池系统及其相关的方法。

(第一实施例)

首先，参考附图1至6，详细地描述本发明的第一实施例的燃料电池系统及其相关的方法。

附图1所示为当前提出的实施例的燃料电池系统的结构的视图。

如附图1所示，当前提出的实施例的燃料电池系统S包括使用氢作为燃料和空气作为氧化剂以产生电能的燃料电池组1、存储氢气的氢箱2、通过它使氢气再循环的喷射器6、设置在燃料电池组1的上游侧以检测在燃料电池组1的入口处的氢气的压力的压力传感器4和设置在燃料电池组1的下游侧以允许包含在从燃料电池组1中排出的废氢气中的氮与废氢气一起排放到大气的排气阀8。

更具体地说，燃料电池组1由多组燃料电池结构体BE构成，在相邻的部件之间插入分离器1d，每个部件包括燃料电极(也称为氢电极)1a和相对的氧化电极(也称为空气电极)1b，并在它们之间插入固态聚合物膜片1c。此外，虽然为了方便附图1示出了在一对分离器1d、1d之间仅夹着一个燃料电池结构体BE，但是注意并不希望对组件的数量构成限制。

存储在氢箱2中的氢通常以气体的形式，该气体通过氢输送管道5输送到燃料电池组1，氢箱2和燃料电池组1通过该氢输送管道5连接。在此，氢气的输送率通过设置在氢输送管道5中的氢压力调节阀3调节以实现可变地调节它们的限制速率，然后这种经调节的氢气输送到燃料电池组1中。

喷射器6设置在氢压力调节阀3和燃料电池组1之间的氢输送管道5中。从燃料电池组1中排出的过量的氢通过从废氢气管道30延伸的氢返回管道7返回到喷射器6的进气端口6a，该废氢气管道30设置在燃料电池组1的下游在排气阀8的上游侧，由此允许氢气通过喷射器6再循环到燃料电池组1。这允许燃料电池组1运行以维持稳定地发电同时实现反应效率增加。

压力传感器4设置在与燃料电池组1的入口连接的在喷射器6和燃料电池组1之间的氢输送管道5中，并检测要输送到燃料电池组1的氢气的压力。

排气阀8在燃料电池组1的正常操作的过程中维持关闭并在从燃料电池组1的空气电极1b扩散进氢线的氮气的浓度在氢线中增加时作为将氮气与过量的氢(即从燃料电池组1中排出的废氢气)一起排放到外部的阀。在此，在理论上，氢线包括从氢箱2开始并通过与部件元件比如喷射器6和压力传感器4、燃料电池组1和废氢气管道30一起设置的氢输送管道5延伸到排气阀8的供应线，以及进一步包括延伸到喷射器6并通过废氢气管道30和氢返回管道7连接到氢输送管道5的再循环线。然而，估计作为存在从燃料电池组1的空气电极1b扩散的氮的区域的目标区是包括喷射器6、从喷射器6延伸到燃料电池组1的氢输送管道5、燃料电池组1、从燃料电池组1沿伸到排气阀8的废氢气管道30、连接到废氢气管道30并延伸到喷射器6的氢返回管道7和排气阀8构成的线路，以及在当前提出的实施例中，这个线路特别指“氢线”。

喷射器6的上游设置的是检测在喷射器6的上游的氢输送管道5中的氢气的压力的压力传感器20、检测在喷射器6的上游的氢输送管道5中的氢气的温度的温度传感器22。

为了检测在排气阀8的入口中的废氢气的温度，温度传感器21设置在排气阀8的入口处。通过温度传感器21要检测的在排气阀8的入口处的废氢气的温度用于确定流率阈值(将在下文中描述)以用于调节是否结束排气。此外，在一种变型中，温度传感器21可以位于氢返回管道7中，如附图1所示，对它没有限制，可以位于废氢气管道30中。

同时，关于空气线，空气从压缩机9通过空气输送管道10输送到燃料电池组1并通过废气管道31和作为设置在废气管道31的下游中的空气压力调节器用的可变限制阀11排放到大气。

此外，设置在冷却剂通道12中用于冷却燃料电池组1的是用于热量耗散的散热器13，通过冷却剂泵14使冷却剂循环。

此外，用于检测燃料电池组1的输出电流的电流表1A安装在燃料电池组1上。

此外，来自各种传感器比如电流表1A、压力传感器4、20和温度传感器21、22的检测信息输送给控制器100，通过使用这种检测的信息，控制器100根据需要控制上述的燃料电池组1的各种部件元件。

接着，主要参考附图2的流程图描述上文阐述的结构的燃料电池系统的控制操作的基本序列。此外，与这种控制操作相关的控制处理在燃料电池系统启动之后以适当的时序通过控制器100执行。

如附图2所示，首先在步骤S1中，进行判断以获知排气阀8当前是否打开，如果判断排气阀8处于打开，则处理进行到步骤S2。相反，如果在步骤S1中判断排气阀8仍然保持关闭，则处理进行到步骤S4。

在下一步骤S2中，判断以获知在排气阀8中的废氢气的通过流率是否等于或超过预定的值，如果判断在排气阀8中的废氢气的瞬时流率等于或超过预定的值，则处理进行到步骤S3，在步骤S3中排气阀8关闭以结束当前的处理。相反，在步骤S2中如果判断在排气阀8中的废氢气的瞬时流率仍然小于预定的值，则排气阀8继续打开。

相反，如果在步骤S1中判断排气阀8仍然保持关闭，则在步骤S4中进行判断以获知现在是否是打开排气阀8的时间，如果判断现在是打开的时间，则处理进行到步骤S5，在步骤S5中排气阀8打开以结束当前的处理。使用通过燃料电池组1检测的电池电压降实施打开这种排气阀8的时间的判断，但并不希望限制到此，也可以设置在打开排气阀8的过程中没有障碍发生的适当的时序。顺便指出，在步骤S4中，如果判断现在不是打开排气阀8的时间，则以关闭排气阀8来结束当前的处理。

在此顺便研究在氢线中的氮的浓度C和其中从燃料电池组1中排出的过量的氢通过废氢气管道30、氢返回管道7和喷射器6返回到氢输送管道5的再循环氢气的流率FC之间的关系。

附图3所示为在氢线中的氢气温度和氢气压力保持恒定的情况下在氢线中的氮浓度和通过喷射器废氢气形成的再循环氢气的流率之间的关系的视图，横坐标表示在氢线中的氮浓度C，而纵坐标表示通过喷射器的再循环的氢气的流率FC。

假设没有氢混合在氢线中，虽然可以估计通过喷射器6经氢线再循环的再循环气体基本等于氢气，如果在氢线中的氮的浓度上升，则氮增加更大的体积易于混合在这种再循环气体中，结果在再循环气体中的氢部分压力下降。如附图3所示，这使在氢线中的再循环气体中的氢气量(它是再循环氢气的流率FC)随着在氢线中氮的浓度C的增加而降低。因此，需要排气阀8打开以实现排放以降低在氢线中的氮的浓度，由此考虑实现所需的氢的量确保了再循环氢气的流率。即，在氢线中的可允许的氮的浓度的最大值C_amx相对于在氢线中所要求的再循环氢气的流率的最小值FC_min指定，并为了排除在氢线中的可允许的氮浓度C超过这种最大值C_max的目的，需要通过打开排气阀8将再循环气体从氢线中释放，简言之，用于排放氮。即，可以说通过保持在氢线中的氮浓度在C(≤C_max)的值可以从氢线中排放再循环气体。

然而，在打开排气阀8以从氢线中排放再循环气体时，不仅氮被排放掉，而且所需的氢气也可能排放到大气。因此，排气时间间隔需要适当地设定用于打开排气阀8并从氢气中排放再循环气体，即要求适当地关闭排气阀8，接着研究排气时间。

附图4所示为在氢线中的氢气温度和氢气压力两者都保持恒定的情况下在氢线中的氮浓度和每单位时间排放的废氢气的流率之间的关系的视图，横坐标表示在氢线中的氮浓度C，而纵坐标表示在每单位时间排放的废氢气的流率FP。

从附图4中可以看出，排放的废氢气的流率FP随着在氢线中的氮的浓度C的降低而增加。在考虑假设在氢线中的氮的当前浓度仍然保持在C1(＞C_max)的值时氮浓度从可允许的最大值C_max降低到具有更大的余量的C₂(≤C_max)的值的情况时，排放的废氢气的流率从点FP₁到点FP₂变化。这意味着排放的废氢气的流率从点FP₁增加ΔFP(＝FP₂-FP₁)以达到点FP₂的情况存在，实现了在氢线中的氮的浓度充分地降低的判断。

因此，在返回到在附图2中描述的流程图中的步骤S2中时，在判断在排气阀8中的废氢气的瞬时流率等于或超过预定值的情况下，即在参考附图4描述时，即如果判断排放的废氢气的流率等于或大于FP₂的值，则这个值用作阈值FP_TH并关闭排气阀8以结束排气操作，由此在理论上可以以合理的时序关闭排气阀8。

这允许在氢线中的氮浓度降低，同时实现防止氢浪费地排放。

此外，下文研究在燃料电池组1的出口处的废氢的温度和排放的废氢气的流率之间的关系。

附图5所示为在氢线中的氮的浓度和氢气压力保持恒定的情况下在燃料电池组的出口处的废氢气温度和排放的氢气的流率之间的关系的视图，横坐标表示在燃料电池组的出口处的废氢气的温度T，而纵坐标表示每单位时间排放的废氢气的流率FP。

燃料电池组1由聚合物电解质燃料电池构成，该聚合物电解质燃料电池利用由固体聚合物电解质构成的电解质膜片1c，在废氢气管道30中即在燃料电池组1的出口和在排气阀8的入口中，从燃料电池组1中排放的废氢气呈蒸汽饱和或接近饱和的状态。为此，随着通过温度传感器21检测的排气阀8的入口处的温度增加，饱和的蒸汽的压力形成并且在燃料电池组1的出口的气体流率增加，结果氢部分压力下降。此外，也考虑到排气阀8的入口处的温度和在燃料电池组1的出口处的温度彼此基本相等。即，如附图5所示，随着在排气阀8的入口处的温度T增加，即随着在燃料电池组1出口处的温度T增加，排放的废氢气的流率FP易于降低。假设排放的废氢气的流率设定在点FP₂上，在该点上在附图2的流程图中的步骤S2中排气阀8关闭，可以理解随着在排气阀8的入口处的温度T(即在燃料电池组1的出口处的温度T)增加排放的废氢气的流率FP₂足够被设定到更加低的值。

因此，随着在排气阀8的入口处和在燃料电池组1的出口处的废氢气温度增加，在关闭排气阀8时排放的废氢气的阈值FP₂(FP_TH)可以被设定到更低的值。

这可以实现在均等地降低在氢线中的氮浓度的同时关闭排气阀8，而与废氢气的温度无关。

此外，描述在燃料电池组1的入口处的氢气的压力和排放的废氢气的流率之间的关系。

附图6所示为在氮的浓度和在排气阀的入口处的废氢气温度或者在燃料电池组的出口处的废氢气温度保持恒定的情况下在燃料电池组的入口出的氢气压力和排放的废氢气的流率之间的关系的视图，横坐标表示在燃料电池组的入口处的氢气的压力P，纵坐标表示每单位时间排放的废氢气的流率FP。

如附图6所示，随着在燃料电池组1的入口处的氢气的压力P的降低排放的废氢气的流率FP降低。假设在附图2的流程图中的步骤S2中关闭排气阀时排放的废氢气的流率被设定到点FP₂，可以理解随着在燃料电池组1的入口处的氢气的压力P降低，在排气阀8被关闭时排放的废氢气的流率FP₂足够被设定到更加低的值。

因此，随着在燃料电池组1的入口处的氢气的压力P的降低，在关闭排气阀8时排放的废氢气的流率的阈值FP₂(FP_TH)可以设定到更低的值。

这可以实现关闭排气阀8，同时均等地降低在氢线中的氮浓度而不与氢气中的压力无关。

接着，描述如何获得排放的废氢气的流率即要排放的废氢气的流率。

具体地，获得了输送到燃料电池系统中的氢气和在燃料电池系统中消耗的氢气的流率和除了排气之外的目的消耗的氢气的流率，并从在它们之间所得的差中获得要排放的废氢气的流率。

首先，描述如何获得输送到在燃料电池系统内的燃料电池组1的氢气流率。

一般地，在喷射器6采用节流条件的形式的状态下，通过氢压力调节阀3并输送到燃料电池组1的氢气的流率可以从在喷射器6的上游区上的氢气的压力和温度中计算出来。相反，在喷射器6采取非节流条件的形式的状态下，通过氢压力调节阀3并输送到燃料电池组1的氢气的流率可以从喷射器6的上游的压力和下游的压力中计算并附加地考虑喷射器6的上游温度进行计算。

在当前提出的实施例中，由于喷射器6的喷嘴采取限制的形式以允许氢气的流率被确定并采取节流条件的形式，在理论上，输送到燃料电池组1的氢气的流率可以使用相对于喷射器6分别通过压力传感器20和压力传感器4所检测的喷射器6的氢气的上游压力(输送压力)和下游压力(排放压力)进行计算。此外，在输送到燃料电池组1的氢气的温度发生显著的变化的情况下，通过使用相对于喷射器6通过温度传感器22检测的氢气的上游温度校正氢气的流率以更加精确的方式可以计算输送到燃料电池组1的氢气的流率。

此外，下文描述如何获得除了排气之外的目的消耗的在燃料电池系统中消耗的氢气中的氢气的流率。

首先，考虑为除了这种排气之外的目的消耗的氢气的流率基本对应于在燃料电池组1中消耗的氢气的流率。在此，在燃料电池组1中消耗的氢气的流率与在燃料电池组1中的输出电流成比例。因此，一旦以安装在燃料电池组1上的电流表1A检测了燃料电池组1的输出电流，则可以计算在燃料电池组1中消耗的氢气的流率(即为除了排气之外的目的消耗氢气的流率)。

因此，通过从为除了排气之外的目的消耗的氢气的流率中减去输送到燃料电池系统的氢气的流率(这两者都以上文描述的方式获得)获得要排放的废氢气的流率，从这种排放的废氢气的结果流率中，可以设定在附图2的流程图中的步骤S2中要排放的废氢气的流率。

如上文所述，应用当前提出的实施例的结构，可以抑制由于过度排气而造成氢与氮一起被浪费地排放，同时排除了由于氮的不充分排放造成的发电不稳定。这可以实现稳定的操作，由此实现了较高的效率的燃料电池系统。

此外，温度传感器21用于检测通过排气阀8的气体的温度，设定实现排气阀8的关闭控制的阈值以使气体温度越高该阈值越小。这允许氢的排放量被适当地抑制而与气体温度无关，结果能够实现具有较高的效率的燃料电池系统。

此外，压力传感器4用于检测在氢供应通道中的氢气的压力，并且设定实现排气阀8的关闭控制的阈值以使气体压力越低该阈值越小。这允许氢的排放量被适当地抑制而与气体压力无关，结果能够实现具有较高的效率的燃料电池系统。

此外，基于在输送到燃料电池组的氢气的量和除了从排气阀8排放之外的目的消耗的氢气量之间的差值获得了通过排气阀8的废氢气的流率。这样，不再需要传感器来直接测量排气阀8的瞬时流率，使用甚至在正常控制模式中使用的各种传感器比如压力传感器4、20和温度传感器22，可以精确地实现通过排气阀8的气体的流率，由此抑制成本的增加。

此外，基于输送到喷射器6的氢气的压力或者喷射器6的这种供应压力和排放压力计算在输送到燃料电池组1的氢气的流率。这样，可以使用没有用于检测氢气的流率的流率传感器的系统，因此可以抑制成本的增加。

此外，基于输送到喷射器6的氢气的压力或者这种供应压力和排放压力以及进一步在喷射器6的上游的氢气的温度计算在输送到燃料电池组1的氢气的流率。这样，可以精确地计算氢气的流率而不使用检测氢气的流率的流率传感器。

此外，根据通过电流表检测的燃料电池组1的输出电流，计算消耗的氢的量。这能够实现通过使用在正常的控制中使用的电流表精确地计算消耗的氢的量，由此抑制了成本的增加。

顺便指出，虽然结合在使用再循环氢气的喷射器6的情况已经描述了当前提出的实施例，但是当前提出的实施例并不限于此，使用泵或送风机可以使氢气再循环，其中即使在使用泵或送风机时，由于与在使用喷射器6的情况下一样氢部分压力随着氮浓度增加而降低，因此发生了这样的现象：其中输送到燃料电池组1的氢气的量短缺，因此，可以以类似的结构控制氮浓度。然而，可能的是，分别设置流率传感器以用于检测输送到燃料电池组1的氢气的流率。

此外，虽然上文结合燃料电池组1的入口已经描述了为获得关闭排气阀8的废氢气的流率的阈值而检测的氢气的压力的位置，但是毋庸置疑，检测在燃料电池组1的出口处的氢气的压力不是不能使用。此外，在燃料电池组1中发生了显著的氢压力损失的情况下，在出口侧上的压力的使用可以增加精度。

此外，虽然在氢箱2中的氢气已经用作燃料，当然当前提交的实施例并不限于此，也可以可替换地运用另一结构，应用改良器对包含氢的燃料根据需要进行改良以获得氢气。

此外，虽然参考利用固态聚合物电解质作为燃料电池组1的电解质膜片1c的聚合物电解质燃料电池已经描述了当前提出的实施例，当然也可以利用另一结构，其中在排气阀8的入口或者燃料电池组1的出口上从燃料电池组1排放的废氢气仍然保持在蒸汽饱和的状态或者蒸汽接近饱和的状态。

(第二实施例)

接着，主要参考附图7描述本发明的第二实施例的燃料电池系统和它的相关的方法。

附图7所示为当前提出的实施例的燃料电池系统的结构。

如附图7所示，当前提出的实施例的燃料电池系统与第一实施例的燃料电池系统的区别主要在于压力传感器24设置在氢压力调节阀3的上游以检测氢气的压力以允许基于分别通过压力传感器24和压力传感器20检测的氢压力调节阀3的上游和下游的压力计算输送的氢气的流率，因此，重点描述这种区别点，类似的部件以相同的参考标号表示，同时以简化的方式进行适当描述或者省去描述。

具体地，通过安装在氢压力调节阀3上的开度传感器3a检测氢压力调节阀3的开度，所得的开度信息输送到控制氢压力调节阀3的关闭的控制器100。此外，控制器100与第一实施例相同地获得了氢气的流率，其中在第一实施例中使用喷射器6的上游压力和下游压力获得了输送到燃料电池组1的氢气的流率。即，基于氢压力调节阀3的开度和与氢压力调节阀3相关的氢气的上游压力和氢气的下游压力可以计算要输送的氢气的流率。

更具体地说，在氢压力调节阀3的开度仍然保持在较小的节流状态的情况下，仅基于通过压力传感器24检测的比氢压力调节阀3更远的上游的氢气的压力计算要输送的氢气的流率。相反，在氢压力调节阀3仍然保持非节流状态的情况下，基于通过压力传感器24检测的氢压力调节阀3的上游的氢气的压力和以压力传感器20检测的氢压力调节阀3的下游的氢气的压力计算要输送的氢气的流率。此外，在当前提出的实施例中，在第一实施例中使用的温度传感器22不是关键性的并可以省去。

此外，在当前提出的实施例中，作为要输送到燃料电池组1的氢气的温度，替代在第一实施例中使用的温度传感器21的设置在燃料电池组1的冷却剂通道12中的温度传感器23检测的冷却剂的温度。即，可以基于冷却剂的温度预测氢气的温度，因为在氢气和在燃料电池组1内的冷却剂之间进行热交换。此外，在燃料电池系统的负载发生显著的变化和温度高速地变化的情况下，由于冷却剂的温度可以比氢气的温度更加精确地检测，因此有利的是能够比氢气的温度更加精确地检测冷却剂的温度。

如上文所述，应用当前提出的实施例，输送到燃料电池组1的氢气的流率基于设置在氢输送管道5中的氢压力调节阀3的开度、氢压力调节阀3的上游压力和下游压力计算，通过该氢输送管道5将氢气输送到燃料电池系统。这可以抑制废氢的排放，结果使该燃料电池系统实现了较高的效率。

此外，虽然结合喷射器6用于使废氢气再循环的情况已经描述了当前提出的实施例，但是本发明并不限于此，使用泵或送风机也可以使废氢气再循环，可以类似地基于氢压力调节阀3的开度和氢气的上游和下游压力控制输送的氢气的流率以实现关闭排气阀8的适当的时间。

此外，虽然在第一实施例中使用的温度传感器22已经省去，但是在输送到氢压力调节阀3中的氢气的温度发生变化时，通过分别设置用于检测在氢压力调节阀3的上游的氢气的温度的温度传感器和基于这个温度传感器检测的氢气的温度校正输送的氢气的流率，当然可以以更加精确的方式计算氢供应的流率。

(第三实施例)

接着，详细地描述本发明的第三实施例的燃料电池系统和它的相关的方法。

当前提出的实施例的燃料电池系统与第一和第二实施例的燃料电池系统的区别主要在于以比在第一和第二实施例中实现的方式更加严格的方式计算除了排放的目的之外消耗的氢气的流率，这种流率代表实质上输送给燃料电池系统的氢气的流率，并且作为当前提出的实施例的结构，第一和第二实施例的任何结构在理论上都可以运用。因此，重点描述这种区别点，类似的部件以相同的参考标号表示，同时适当地简化描述或者省去描述。

具体地，在燃料电池系统安装在机车中的情况下，由于随着速度的变化负载显著地变化，因此存在这种可能性，其中要输送到燃料电池组1的氢气的压力需要变化。

例如，在要输送到燃料电池组1的氢气的压力上升的情况下，氢气以比在燃料电池组1中发电所需的氢气的流率更大的流率输送到燃料电池组1，相反，在输送到燃料电池组1的氢气的压力降低的情况下，氢气以更小的流率输送到燃料电池组1。即，这意味着在不考虑为增加或降低氢气的压力附加地增加或降低要输送到氢线的氢气的流率的所需的氢气的流率的情况下，发生这种可能性：其中在氢气的压力变化的所谓过渡周期中可以完成要排放的废氢气的流率的不精确的计算。

在此，为增加或降低在氢线中的氢气的压力需要输送到氢线的氢气的本身流率与压力的变化量成比例，它的比例系数根据氢线的体积的确定。结果，甚至考虑这种压力的变化量ΔP乘以基于氢线的体积确定的系数c得出的值c×ΔP，需要得出输送到在燃料电池系统内的燃料电池组1的氢气的流率。具体地，要排放的废氢气的流率使用考虑压力的这种方式的变化获得的氢气的流率获得，即通过将从压力的变化量ΔP乘以基于氢线的体积确定的系数c得到的值c×ΔP加入到由于发电需要消耗的氢气的流率中获得的氢气的流率。

因此，基于从以在附图1至附图7中所示的压力传感器4检测的氢气的压力的变化量得到的氢气的压力的变化量可以计算要排放的废氢气的流率。即使在包含氢气的压力变化的过渡周期的时间周期中这仍然可以实现废氢气的流率的计算。

如上文所阐述，应用当前提出的实施例，即使氢气的压力的变化，它变得可以精确地计算除了排气之外的目的消耗的废氢气的流率。这可以实现更精确地计算除了排气之外的目的消耗的废氢气的流率，因此可以更精确地控制在排气阀8关闭的阶段中在氢线中的氮浓度。

根据上文阐述的本发明，由于本发明被设置成在气体通过排气阀的瞬时流率等于或超过在排气阀打开时的预定值时关闭排气阀，因此在氢气中包含的氮均等地从氢气供应线中充分地排放同时实现抑制排出的氢量。这实现了燃料电池系统的效率的增加。

2002年11月27日在日本申请的专利申请No.TOKUGAN2002-344380的全部内容以引用参考的方式结合在本申请中。

虽然上文参考本发明的某些实施例已经描述了本发明，但是本发明并不限于上述的实施例。本领域普通技术人员根据本发明的教导可以做出上文描述的实施例的改进和变型。因此，本发明的范围以下面的权利要求界定。

工业实用性

根据上文阐述的本发明，在通过排气阀的气体的瞬时流率等于或超过在排气阀打开时的预定值的情况下，排气阀关闭，因此在氢气中包含的氮充分，实现了燃料电池系统的效率的增加。因此，这种燃料电池系统可以应用到其中不希望的物质比如除了氢之外的氮被排放掉的各种燃料电池系统，并可应用到各种装置比如燃料电池供电的汽车和用于工业使用和家用的发电机，预计具有非常广阔的应用。

Claims (16)

1.一种燃料电池系统，包括：

被供应有氢气和氧化气体的燃料电池；

给燃料电池供应氢气的气体供应线；

使从燃料电池中排出的废氢气通过的气体排放线，该废氢气能够包含氮气；

使废氢气再循环到它的上游的燃料电池的气体再循环线；

适合于排放包含氮气的废氢气到外部的排气阀；以及

在判断在排气阀打开状态中通过排气阀的废氢气的流率等于大于预定的值时用于关闭排气阀的控制器。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中燃料电池包括燃料电极和氧化电极，在该燃料电极和氧化电极之间插入电解质膜片。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中电解质膜片的电解质包括固体聚合物电解质。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中预定值设定为反映在通过气体再循环线返回到燃料电池的上游的气体输送线中并包含在废氢气中的氮的浓度的值。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括检测通过排气阀的废氢气的温度的温度传感器，

其中随着通过温度传感器检测的废氢气的温度的增加而降低设定在关闭排气阀中使用的预定值。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括检测在气体供应线中的氢气的压力的压力传感器。

其中随着通过压力传感器检测的废氢气的压力的增加而降低设定在关闭排气阀中使用的预定值。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中基于输送到燃料电池的氢气的输送率和在燃料电池中消耗的氢气中除了从排气阀中排放的废氢气之外的氢气的消耗率之间的差值获得通过排气阀的废氢气的流率。

8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中气体再循环线包括喷射器，以及基于输送到喷射器的氢气的输送压力或者从喷射器中排放的氢气的排放压力和输送压力获得输送到燃料电池的氢气的输送率。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中输送到燃料电池的氢气的输送率进一步基于在喷射器的上游的氢气的温度获得。

10.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中气体再循环线包括调节输送到燃料电池的氢气的压力的氢压力调节阀，基于氢压力调节阀的开度和在氢压力调节阀的上游的氢气的压力或在氢压力调节阀的上游的氢气的压力和在氢压力调节阀的下游的氢气的压力获得输送到燃料电池的氢气的输送率。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中输送到燃料电池的氢气的输送率进一步基于在氢压力调节阀的上游的氢气的温度获得。

12.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中获得除了从排气阀排放的废氢气之外的氢气的消耗率，作为对应于用于燃料电池以产生电能的氢气的流率。

13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中除了从排气阀中排放的废氢气之外的氢气的消耗率基于燃料电池输出电流获得。

14.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中除了从排气阀中排放的废氢气之外的氢气的消耗率基于在燃料电池的入口的氢气的压力和在燃料电池的出口的氢气的压力中至少一个压力获得。

15.一种燃料电池系统，包括：

被供应有氢气和氧化气体的燃料电池；

给燃料电池供应氢气的气体供应装置；

用于排出从燃料电池中排出的废氢气的气体排放装置，该废氢气能够包含氮气，并且气体排放装置包含用于将包含氮气的废氢气排放到外部的排气装置；

使废氢气再循环到它的上游的燃料电池的气体再循环装置；以及

在判断在排气装置打开状态中通过排气装置的废氢气的流率等于或大于预定的值时用于控制排气装置以关闭排气装置的控制装置。

16.一种控制燃料电池系统的方法，该燃料电池系统具有被供应以氢气和氧化气体的燃料电池、给燃料电池供应氢气的气体供应线、使从燃料电池中排出的废氢气通过同时该废氢气能够包含氮气的气体排放线、使废氢气再循环到它的上游的燃料电池的气体再循环线和适合于排放包含氮气的废氢气到外部的排气阀，该方法包括：

在判断在排气阀打开状态中通过排气阀的废氢气的流率等于或大于预定的值时关闭排气阀。

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