專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，通過將氫供給陽極，將氧供給陰極，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)進行發(fā)電的固體高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel CellPEFC，下面稱作“燃料電池”)的開發(fā)十分盛行。燃料電池正在被廣泛應(yīng)用于通過其發(fā)電的電力來行駛的燃料電池汽車、家庭用電源等，且今后也期待其適用范圍的擴大。
當(dāng)這種燃料電池進行發(fā)電時，由于電化學(xué)反應(yīng)而自身散熱。因此，通常采用使制冷劑(冷卻水)經(jīng)由燃料電池循環(huán)，適宜地冷卻燃料電池的方法(參照專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1特開2004-234902號公報(段落序號0002～0025、圖1)另一方面，提出了如下技術(shù)，為實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，而將用于供給制冷劑的泵和用于向陰極供給空氣的壓縮機一體構(gòu)成，由一個驅(qū)動裝置(例如電動機)一體進行驅(qū)動。
但是，這樣，泵和壓縮機共有一個驅(qū)動裝置，當(dāng)一體進行驅(qū)動時，例如在燃料電池起動時，在送入空氣的同時送入制冷劑，由自身散熱產(chǎn)生的熱向制冷劑散熱，其結(jié)果存在燃料電池的預(yù)熱延遲的情況。另外，在冰點下使燃料電池起動時，由于制冷劑的作用，發(fā)電生成的水及冷凝而成的水也可能在燃料電池內(nèi)凍結(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的課題在于，提供小型化，同時可適當(dāng)預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)。
作為用于解決上述課題的機構(gòu)，本發(fā)明提供燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池，其具有反應(yīng)氣體流通的反應(yīng)氣體流路，通過向該反應(yīng)氣體流路供給反應(yīng)氣體來進行發(fā)電，且具有制冷劑流通的制冷劑流路，通過向該制冷劑流路供給制冷劑來進行冷卻；反應(yīng)氣體供給裝置，其向所述反應(yīng)氣體流路供給反應(yīng)氣體；制冷劑供給裝置，其向所述制冷劑流路供給制冷劑；制冷劑供給限制裝置，其限制向所述制冷劑流路的制冷劑的供給量；控制裝置，其控制所述制冷劑供給限制裝置，其中，所述反應(yīng)氣體供給裝置和所述制冷劑供給裝置共有一個驅(qū)動裝置，并一體地驅(qū)動，其特征在于，所述控制裝置在預(yù)熱所述燃料電池的情況下，控制所述制冷劑供給限制裝置，減少向所述制冷劑流路的所述制冷劑的供給量。
根據(jù)這樣的燃料電池系統(tǒng)，通過反應(yīng)氣體供給裝置和制冷劑供給裝置共有一個驅(qū)動裝置，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。而且，在預(yù)熱燃料電池時，由一個驅(qū)動裝置一體驅(qū)動反應(yīng)氣體供給裝置和制冷劑供給裝置，同時通過制冷劑供給限制裝置減少制冷劑向制冷劑流路的供給量，可適合地預(yù)熱燃料電池。
另外，本發(fā)明提供燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑供給限制裝置具有使所述制冷劑流路迂回的迂回流路。
根據(jù)這樣的燃料電池系統(tǒng)，通過將制冷劑送向迂回流路內(nèi)，可減少向燃料電池的制冷劑流路的制冷劑供給量。
另外，本發(fā)明提供燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑供給限制裝置具有對供給向所述制冷劑流路的制冷劑附加壓力損失壓力損失施加裝置。
根據(jù)這樣的燃料電池系統(tǒng)，通過由壓力損失施加裝置對制冷劑施加壓力損失，可減少制冷劑向制冷劑流路的供給量。
另外，本發(fā)明提供燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具有檢測所述燃料電池散熱量的散熱量檢測裝置，所述控制裝置基于所述散熱量檢測裝置檢測到的散熱量控制所述制冷劑供給限制裝置。
根據(jù)這樣的燃料電池系統(tǒng)，基于散熱量檢測裝置檢測到的散熱量，能夠控制制冷劑供給限制裝置。
根據(jù)本發(fā)明，可提供小型化，且可適合于預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)。


圖1是表示第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成的圖；圖2是表示第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)起動時的動作的流程圖；圖3是表示第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的一動作例子的流程圖；圖4是表示第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成的圖；圖5是表示第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)起動時的動作的流程圖；圖6是表示第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)的一動作例子的流程圖；圖7是表示變形例的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成的圖；圖8是表示變形例的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成的圖。
圖中1A、1B、1C、1D 燃料電池系統(tǒng)；2燃料電池；3陽極側(cè)流路(反應(yīng)氣體流路)；4陰極側(cè)流路(反應(yīng)氣體流路)；5壓縮機(反應(yīng)氣體供給裝置)；34電流計(散熱量檢測裝置)；35電壓計(散熱量檢測裝置)；41泵(制冷劑供給裝置)；50A、50B、50D制冷劑供給限制裝置；51分配閥；52節(jié)流孔(壓力損失附加裝置)；52a配管(迂回流路)；53可變節(jié)流孔(壓力損失附加裝置)；61 IG(起動開關(guān))；70A、70B、70C ECU；71運轉(zhuǎn)控制部(控制裝置)；72預(yù)熱判定部(預(yù)熱判定裝置)；73電力累計部(散熱量檢測裝置)；M電動機(驅(qū)動裝置)；A驅(qū)動軸。
具體實施例方式
下面，適宜參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。另外，在各實施方式的說明中，有關(guān)同一構(gòu)成要素使用同一符號，省略重復(fù)的說明。
(第一實施方式，燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成)參照圖1～圖3說明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)。
如圖1所示，第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)1A是搭載于燃料電池汽車上的系統(tǒng)，該燃料電池汽車是通過燃料電池2的發(fā)電電力來驅(qū)動電動行駛電動機31而行駛。燃料電池系統(tǒng)1A主要包括燃料電池2；對燃料電池2供給·排出氫(燃料氣體、反應(yīng)氣體)的陽極系統(tǒng)10；對燃料電池2供給·排出含氧的空氣(氧化劑氣體、反應(yīng)氣體)的陰極系統(tǒng)20；與燃料電池2的輸出端子連接，消耗電力的電力消耗系統(tǒng)30；適宜冷卻燃料電池2的冷卻系統(tǒng)40；適宜控制向燃料電池2的制冷劑供給量的制冷劑供給控制裝置50A；燃料電池1A的起動開關(guān)即IG61(觸發(fā))；電子控制以上部件的ECU70A(Electronic Control Unit，電子控制裝置)。
(燃料電池)燃料電池2(燃料電池組)是通過層疊多個單電池構(gòu)成的固體高分子型燃料電池。單電池通過由陽極(燃料極)及陰極(空氣極)夾著電解質(zhì)膜(固體高分子膜)兩面而成的MEA(Membrane Electrode Assembly膜電極接合體)、和夾著MEA的一對隔板構(gòu)成。在隔板上形成有用于對構(gòu)成各單電池的MEA的整個面供給反應(yīng)氣體的槽、及用于將氫、氧導(dǎo)向全部單電池的貫通孔等，這些槽等構(gòu)成陽極側(cè)流路3、陰極側(cè)流路4(反應(yīng)氣體流路)。即，在陽極側(cè)流路3，流通作為燃料氣體的氫，并將該流通的氫供給各陽極。另一方面，在陰極側(cè)流路4流通作為氧化劑氣體的含氧的空氣，將該流通的空氣供給各陰極。
然后，如果分別向燃料電池2的陽極供給氫，向陰極供給含氧的空氣，則在陽極、陰極中含有的催化劑(Pt等)上產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，其結(jié)果在各單電池產(chǎn)生電位差。而且，這樣對于在各單電池產(chǎn)生了電位差的燃料電池2來說，如果行駛電動機31等外部負(fù)載有發(fā)電要求，則燃料電池2發(fā)電。另外，當(dāng)這樣發(fā)電時，燃料電池2自身散熱。
另外，在上述的隔板上形成有制冷劑流通的制冷劑流路5，通過在該制冷劑流路5內(nèi)流通制冷劑，將燃料電池2適宜冷卻。
(陽極系統(tǒng))陽極系統(tǒng)10主要具有貯存有氫的氫氣罐11和斷流閥12。氫氣罐11經(jīng)由配管11a與斷流閥12連接，斷流閥12經(jīng)由配管12a與陽極側(cè)流路3連接。另外，斷流閥12與ECU70A的運行控制部71連接，由運行控制部71進行適宜地控制，當(dāng)斷流閥12打開時，氫從氫氣罐11供給向陽極側(cè)流路3。另外，在配管12a上設(shè)有減壓閥(未圖示)，將氫減壓到規(guī)定壓力。
另一方面，陽極側(cè)流路3的下游側(cè)經(jīng)由配管13a對外氣開放。而且，從燃料電池2排出的陽極廢氣(氫廢氣)通過配管13a被排出到外部。
(陰極系統(tǒng))陰極系統(tǒng)20主要具有作為反應(yīng)氣體供給裝置的壓縮機21(增壓器、反應(yīng)氣體供給裝置)。壓縮機21經(jīng)由配管21a與陰極側(cè)流路4連接，當(dāng)壓縮機21工作時，外部的空氣被取入，被送入陰極側(cè)流路4。此外，在配管21a上設(shè)有加濕器(未圖示)，該加濕器將供給向陰極側(cè)流路4的空氣加濕。
另一方面，陰極側(cè)流路4的下游側(cè)經(jīng)由配管22a對外氣開放。而且，在該配管22a內(nèi)流通從陰極側(cè)流路4排出的陰極廢氣(空氣廢氣)，并將其在其下游側(cè)排出。
另外，壓縮機21與冷卻系統(tǒng)40的泵41(制冷劑供給裝置)共有一個電動機M(驅(qū)動裝置)。即，繞電動機M的驅(qū)動軸A，固定有例如壓縮機21的葉輪(未圖示)和泵41的葉輪(未圖示)，當(dāng)驅(qū)動電動機M時，兩個葉輪一體旋轉(zhuǎn)。即，壓縮機21和泵41共有電動機M，設(shè)計為被一體驅(qū)動。而且，由于這樣共有電動機M，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)小型化、部件數(shù)量消減、成本降低。
(電力消耗系統(tǒng))電力消耗系統(tǒng)30與燃料電池2的輸出端子(未圖示)連接，是消耗由燃料電池2產(chǎn)生的電力的系統(tǒng)。電力消耗系統(tǒng)30主要具有使燃料電池汽車行駛的行駛電動機31(外部負(fù)載)、VCU32(Voltage Control Unit)、蓄電裝置33、電流計34(散熱量檢測裝置)、電壓計35(散熱量檢測裝置)。
行駛電動機31經(jīng)由VCU32與燃料電池2的輸出端子連接。蓄電裝置33在VCU32和行駛電動機31之間與行駛電動機31并聯(lián)連接，將蓄積的電力供給行駛電動機31，輔助燃料電池2，或蓄積燃料電池2的剩余電力。作為這種蓄電裝置33，列舉例如電容器(雙電荷層電容器)、電池等。
VCU32是控制燃料電池2的輸出電流及輸出電壓的電流電壓設(shè)備。換言之，VCU32是通過適宜取出電流，使燃料電池2發(fā)電的設(shè)備。這種VCU32例如具有接觸器(繼電器)、DC-DC換流器等。而且，VCU32與運行控制部71連接，通過運行控制部71控制輸出電流及輸出電壓。即，例如如果運行控制部71將輸出電流設(shè)為0，則燃料電池2不發(fā)電。
電流計34在燃料電池2和VCU32之間適當(dāng)?shù)卦O(shè)置，使得能夠檢測到燃料電池2(全部堆棧)的輸出電流。而且，電流計34與ECU70A的電力累計部73A連接，電力累計部73A監(jiān)視燃料電池2的實際輸出電流。
電壓計35在燃料電池2和VCU32之間適當(dāng)?shù)卦O(shè)置，使得能夠感應(yīng)燃料電池2(全部堆棧)的輸出電壓。而且，電壓計35與ECU70A的電力累計部73A連接，電力累計部73A監(jiān)視實際的輸出電壓。另外，也可以對構(gòu)成燃料電池2的每個單電池設(shè)置電流計34及電壓計35。
(冷卻系統(tǒng))冷卻系統(tǒng)40是適宜冷卻燃料電池2使其不會過度升溫的系統(tǒng)，其主要具有作為制冷劑供給裝置的泵41(制冷劑供給裝置)、散熱器42(散熱器)、溫度傳感器43。而且，從泵41向下游側(cè)按順序連接有配管41a、燃料電池2的制冷劑流路5、配管42a、散熱器42、配管42b、泵41，使制冷劑在其中循環(huán)。另外，制冷劑由以例如乙二醇等為主成分的散熱液構(gòu)成。另外，如上所述，泵41和陰極系統(tǒng)20的壓縮機21共有電動機M，一體被驅(qū)動。
溫度傳感器43設(shè)于比后述的配管51a的合流點靠燃料電池2(上游側(cè))的配管42a處，將從燃料電池2排出的制冷劑的溫度作為燃料電池系統(tǒng)1A的系統(tǒng)溫度進行檢測。而且，溫度傳感器43與ECU70A的預(yù)熱判定部72連接，預(yù)熱判定部72監(jiān)視系統(tǒng)溫度。
(制冷劑供給限制裝置)制冷劑供給限制裝置50A具有分配閥51(三通閥等)、配管51a(迂回流路)。
分配閥51設(shè)于配管41a上。另外，分配閥51與運行控制部71連接，由運行控制部71適宜控制。配管51a將分配閥51和溫度傳感器43下游側(cè)的配管42a連接。而且，運行控制部71通過適宜控制分配閥51，將從泵41送出的制冷劑也包括無制冷劑適宜分配給燃料電池2側(cè)和配管51a側(cè)。即，如果控制分配閥51，將制冷劑送向配管51a側(cè)，則制冷劑在燃料電池2的制冷劑流路5內(nèi)迂回，減少并控制對制冷劑流路5的制冷劑供給量。在此，配管51a內(nèi)相當(dāng)于權(quán)利要求范圍中的迂回流路。
(IG)IG61是燃料電池系統(tǒng)1A(燃料電池汽車)的起動開關(guān)，其配置在駕駛座位周圍。而且，IG61與ECU70的運行控制部71連接，運行控制部71檢測IG63的ON/OFF信號。
(ECU)
ECU70A由CPU、ROM、RAM、各種接口、電子電路等構(gòu)成。這樣的ECU70A具有運行控制部71(控制裝置)、預(yù)熱判定部72(預(yù)熱判斷裝置)、電力累計部73A(散熱量檢測裝置)、制冷劑供給量累計部74。
(運行控制部)運行控制部71與壓縮機21及泵41的驅(qū)動裝置即電動機M連接，適宜地驅(qū)動電動機M。另外，運行控制部71基于來自預(yù)熱判定部72、電力累計部73A或制冷劑供給量累計部74的判定結(jié)果，用“控制模式”或“常規(guī)模式”控制分配閥51，并且其具有對應(yīng)模式的FlagA(控制模式FlagA＝0，常規(guī)模式FlagA＝1)，進而還具有其判定功能(圖2，S102)。在此，“常規(guī)模式”是指不限制制冷劑向制冷劑流路5供給的模式。另一方面，“限制模式”是指通過將制冷劑的一部分向配管51a側(cè)供給，從而在制冷劑流路5內(nèi)迂回，減少并限制制冷劑供給量的模式。
另外，運行控制部71還與其它斷流閥12及VCU32連接，對它們進行適宜控制。
(預(yù)熱判定部)預(yù)熱判定部72與溫度傳感器43連接，監(jiān)視溫度傳感器43檢測到的系統(tǒng)溫度。而且，預(yù)熱判定部72將存儲于其內(nèi)部的預(yù)熱終了溫度和系統(tǒng)溫度相比較，在燃料電池系統(tǒng)1A起動時判定是否需要預(yù)熱燃料電池2，并將其判定結(jié)果送向運行控制部71。
在此，預(yù)熱終了溫度是指不阻礙燃料電池2預(yù)熱的溫度。進一步說明，預(yù)熱終了溫度被設(shè)定為如下程度溫度，如果制冷劑溫度到達(dá)該終了溫度，則燃料電池2及制冷劑適合取暖，制冷劑不會過度奪取通過發(fā)電而產(chǎn)生的燃料電池2的本身的散熱，即燃料電池2不會因制冷劑而過度冷卻。即，預(yù)熱終了溫度被設(shè)定為確保燃料電池系統(tǒng)1A穩(wěn)定動作的溫度。
(電力累計部)電力累計部73A與電流計34連接，監(jiān)視燃料電池2的輸出電流。另外，電流累計部73A與電壓計35連接，監(jiān)視燃料電池2的輸出電壓。而且，電流累計部73A基于輸出電流和輸出電壓算出燃料電池2的電力，并對其進行累計(圖2，S103)。
另外，在電力累計部73A中存儲有累計的電力(下面稱作累計電力)和燃料電池2累計的散熱量(下面稱作累計散熱量)相關(guān)聯(lián)的散熱量映象，電力累計部73A基于累計電力和散熱量映象算出燃料電池2的累計散熱量(圖2，S103)。
進而，在電力累計部73A中還存儲有在控制模式下的控制中是否移動到常規(guī)模式的構(gòu)成判定基準(zhǔn)的規(guī)定累計散熱量，電力累計部73A通過將累計散熱量和規(guī)定累計散熱量進行比較而作出判定(圖2，S104)，將判定結(jié)果送向映象控制部。另外，規(guī)定累計散熱量，是通過限制制冷劑供給而在燃料電池2上產(chǎn)生溫度分布，判定了燃料電池2內(nèi)的熱點溫度(局部溫度)到達(dá)了燃料電池2的可耐受的界限溫度的散熱量。即，這樣在熱點溫度升高的情況下，燃料電池2自身不能均勻地散熱，因自身散熱而產(chǎn)生熱點(局部形成高溫度的部分)的情況。
(制冷劑供給量累計部)制冷劑供給量累計部74具有以下功能，如果檢測到運行控制部71選擇常規(guī)模式，則基于分配閥51的燃料電池2側(cè)的開度及電動機M的旋轉(zhuǎn)速度和內(nèi)裝的時鐘，在常規(guī)模式時累計被送入燃料電池2的制冷劑供給量(圖2，S108)。另外，與常規(guī)模式中目標(biāo)制冷劑供給量對應(yīng)的分配閥51的開度及電動機M的旋轉(zhuǎn)速度被預(yù)先存儲在制冷劑供給量累計部74內(nèi)。
而且，制冷劑供給量累計部74具有將累計的制冷劑供給量(下面稱作累計制冷劑供給量)和存儲于其內(nèi)部的規(guī)定累計制冷劑供給量相比較，判定是否從常規(guī)模式轉(zhuǎn)移到限制模式的功能(圖2，S109)。規(guī)定累計制冷劑供給量具有以下功能，通過在常規(guī)模式下將制冷劑供給燃料電池2，將所述的熱點溫度降低到由限制模式限制的制冷劑供給所能夠耐受的程度，即是否解除熱點(圖2，S109)。
(燃料電池系統(tǒng)的動作)其次，主要參照圖2說明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)1A的動作。
如圖2所示，例如當(dāng)為了使燃料電池汽車(燃料電池系統(tǒng)1A)始動(起動)而使IG61為ON(起動)時，運行控制部71接收到IG61的ON信號之后，將斷流閥12打開，向陰極側(cè)流路3供給氫。與此同時，運行控制部71使電動機M旋轉(zhuǎn)，一體驅(qū)動壓縮機21和泵41，將空氣向陰極側(cè)流路供給，將制冷劑向制冷劑流路5供給。然后，運行控制部71控制VCU32，從燃料電池2提取電流，使燃料電池2發(fā)電。
另外，在燃料電池系統(tǒng)1A起動時，F(xiàn)lagA被重置(FlagA＝0)。
(預(yù)熱判定)在步驟S101中，預(yù)熱判定部72將經(jīng)由溫度傳感器43檢測到的系統(tǒng)溫度和存儲于其內(nèi)部的預(yù)熱終了溫度相比較，判定是否需要燃料電池2預(yù)熱。而且，在“系統(tǒng)溫度＜預(yù)熱終了溫度”的情況下，判定為必須預(yù)熱(S101·Yes)，并前進到步驟S102。另一方面，在“系統(tǒng)溫度≥預(yù)熱終了溫度”時，判定為不必預(yù)熱(S101，No)，前進到步驟S113。
(模式判定)在步驟S102中，運行控制部71判定向燃料電池2的制冷劑供給是否為限制模式。在FlagA為0時，判定為是限制模式(S102·Yes)，并前進到步驟S103。在FlagA不為0時，判定為不是限制模式(S102·No)，并前進到步驟S108。
(限制模式)首先，對限制向燃料電池2的制冷劑供給量的限制模式進行說明。另外，如果進入限制模式，則由于向燃料電池2的制冷劑供給變少，因而促進了其自身散熱得到的燃料電池2的預(yù)熱。
在步驟S103中，電力累計部73A經(jīng)由電流計34及電壓計35檢測輸出電流及輸出電壓，并基于輸出電流及輸出電壓算出電力，進而累計電力，開始累計電力的算出。另外，在已經(jīng)進行了累計電力的算出的情況下，繼續(xù)進行累計電力的算出。然后，電力累計部73A基于累計電力和存儲于其內(nèi)部的散熱量映象算出燃料電池2的累計散熱量。
在步驟S104中，電力累計部73A判定是否轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式。具體地說，電力累計部73A將累計散熱量和存儲于其內(nèi)部的規(guī)定累計散熱量相比較而進行判定。
在“累計散熱量≥規(guī)定累計散熱量”的情況下，電力累計部73A判定轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式(S104，Yes)，將判定結(jié)果送到運行控制部71。運行控制部71對應(yīng)常規(guī)模式控制分配閥51，將向制冷劑流路5側(cè)的制冷劑流量增量，解除制冷劑供給限制(S106)。與此同時，運行控制部71確立FlagA(FlagA←1)。由此，熱點溫度逐漸降低，保護燃料電池2。然后，電力累計部73A將累計電力重置(S107)。然后，返程前進，返回到起動。
在“累計散熱量＜規(guī)定累計散熱量”的情況下，電力累計部73A判定不轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式，即判定為繼續(xù)限制模式(S104，No)，將判定結(jié)果送到運行控制部71。運行控制部71維持限制模式下的分配閥51的控制，繼續(xù)制冷劑供給限制(S105)，然后，進行返程，返回到起動。
(常規(guī)模式)其次，對常規(guī)向燃料電池2供給制冷劑的常規(guī)模式進行說明。
在步驟S108中，制冷劑供給量累計部74根據(jù)分配閥51在燃料電池2側(cè)的開度及電動機M的旋轉(zhuǎn)速度和內(nèi)裝的時鐘開始進行被送到了燃料電池2的累計制冷劑供給量的算出。另外，在已經(jīng)進行了累計制冷劑供給量的算出的情況下，繼續(xù)進行累計制冷劑供給量的算出。
在步驟S109中，制冷劑供給量累計部74判定是否轉(zhuǎn)移到限制模式。具體地說，制冷劑供給量累計部74將累計制冷劑供給量和規(guī)定累計制冷劑供給量相比較進行判定。
在“累計制冷劑供給量≥規(guī)定累計制冷劑供給量”的情況下，制冷劑供給量累計部74判定為轉(zhuǎn)移到限制模式(S109，Yes)，將判定結(jié)果送到運行控制部71，并重置累計制冷劑供給量(S111)。然后，運行控制部71對應(yīng)限制模式控制分配閥51，限制向燃料電池2側(cè)的制冷劑供給量，開始制冷劑供給限制(S112)。與此同時，運行控制部71重置FlagA(FlagA←0)。由此防止常規(guī)模式的燃料電池2的過冷卻，即預(yù)熱延遲，然后，進行返程，返回到起動。
在“累計制冷劑供給量量＜規(guī)定累計制冷劑供給量”的情況下，制冷劑供給量累計部74判定為不轉(zhuǎn)移到限制模式，即繼續(xù)常規(guī)模式(S109，No)，將判定結(jié)果送到運行控制部71，并持續(xù)制冷劑供給(S110)。然后，進行返程，返回到起動。
(預(yù)熱終了)其次，對不需要燃料電池2的預(yù)熱，即預(yù)熱終了(S101·No)，前進到步驟S113的情況進行說明。
在步驟S113中，電力累計部73A重置累計電力，制冷劑供給量累計部74重置累計制冷劑供給量，運行控制部71重置FlagA(FlagA←0)。由此，可在下次起動時完備。然后，前進至結(jié)束，將燃料電池系統(tǒng)1A起動時的制冷劑供給的控制終止。
這樣，根據(jù)第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)1A，壓縮機21和泵41共有電動機M，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，并且運行控制部71控制分配閥51，由此適宜限制向制冷劑流路5的制冷劑供給量，保護燃料電池2，同時可促進其預(yù)熱。
(燃料電池系統(tǒng)的一動作例)其次，主要參照圖3說明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)1A的一動作例。另外，在初期狀態(tài)下，F(xiàn)lagA被重置(FlagA＝0)，累計電力及累計制冷劑供給量也都被重置。
如圖3所示，由于在時間t1使燃料電池汽車(燃料電池系統(tǒng)1A)始動(起動)，故當(dāng)設(shè)IG61為ON時，供給氫，同時電動機M旋轉(zhuǎn)，由此一體驅(qū)動壓縮機21和泵41，分別供給空氣和制冷劑。而且，控制VCU32，且燃料電池2發(fā)電。
(限制模式和常規(guī)模式的重復(fù))在此，由于為“系統(tǒng)溫度＜預(yù)熱終了溫度”(S101·Yes)，F(xiàn)lagA為0，故進入限制制冷劑的限制模式(S102·Yes)，進入步驟S103、S104·No、S105、S101·Yes、S102·Yes的模式。然后，對應(yīng)累計電力增加，累計散熱量增加，在時間t2內(nèi)，當(dāng)“累計散熱量≥規(guī)定累計散熱量”(S104·Yes)時，轉(zhuǎn)移到不限制制冷劑供給的常規(guī)模式(S106)，確立FlagA(FlagA←1)，重置累計電力(S107)。
在轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式后(S102·No)，開始向燃料電池2的制冷劑供給量的累計(S108)。然后，進入步驟S109·No、S110、S101·Yes、S102·No、S108的模式，并逐漸降低熱點溫度。而且，在時間t3內(nèi)，當(dāng)“累計制冷劑供給量≥規(guī)定累計制冷劑供給量”(S109·Yes)時，重置累計制冷劑供給量(S111)，轉(zhuǎn)移到限制模式(S112)，重置FlagA(FlagA←0)。
然后，構(gòu)成限制模式的控制，進入步驟S101·Yes、S102·Yes、S103、S104·No、S105的模式。而且，在時間t4內(nèi)，當(dāng)“累計散熱量≥規(guī)定累計散熱量”(S104·Yes)時，轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式(S106)，重置累計電力(S107)。
其次，構(gòu)成常規(guī)模式的控制，進入步驟S102·No、S108、S109·No、S110的模式。而且，在時間t5內(nèi)，當(dāng)“累計制冷劑供給量≥規(guī)定累計制冷劑供給量”(S109·Yes)時，重置累計制冷劑供給量(S111)，轉(zhuǎn)移到限制模式(S112)。
(限制模式—預(yù)熱終了)然后，構(gòu)成限制模式的控制，進入步驟S101·Yes、S102·Yes、S103、S104·No、S105的模式，而且，在時間t6內(nèi)，當(dāng)“累計散熱量≥規(guī)定累計散熱量”(S104·Yes)時，轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式(S106)，重置累計電力(S107)。
在此，在第一實施方式中，假設(shè)與向該常規(guī)模式轉(zhuǎn)移的同時，系統(tǒng)溫度到達(dá)預(yù)熱終了溫度的情況。由此，判定為不需要燃料電池2的預(yù)熱(即預(yù)熱終了)(S101·No)。而且，運行控制部71在常規(guī)模式控制分配閥51。然后，預(yù)熱終了的燃料電池2適合地繼續(xù)進行發(fā)電。
(第二實施方式，燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成)其次，參照圖4～圖6說明第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)。另外，第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)由于將第一實施方式中的燃料電池系統(tǒng)的一部分進行了變更，所以僅對變更了的部分進行說明。
如圖4所示，第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)1B具有制冷劑供給限制裝置50B來取代制冷劑供給限制裝置50A(參照圖1)，具有ECU70B來取代ECU70A(參照圖1)。
(制冷劑供給限制裝置)制冷劑供給限制裝置50B具有分配閥51、節(jié)流孔(壓力損失附加裝置)、配管52a。配管52a將分配閥51、分配閥51和燃料電池2之間的配管41a連接。而且，節(jié)流孔52設(shè)于配管41a上。另外，節(jié)流孔52的流路截面積被設(shè)定為小于分配閥51和燃料電池2之間的配管41a的流路截面積。由此，對從分配閥51送向制冷劑52a的制冷劑，通過節(jié)流孔51附加比在配管41a內(nèi)流動的制冷劑高的壓力損失。因此，若通過分配閥51提高向配管52a的分配量，則減少并限制向制冷劑流路5的制冷劑供給量。
(ECU)ECU70B具有運行控制部71、預(yù)熱判定部72、電力累計部73B(散熱量檢測裝置)、運行映象存儲部75(散熱量檢測裝置)。
(電力累計部)
電力累計部73B與第一實施方式的電力累計部73A相同，具有算出燃料電池2的累計電力的功能(圖5，S202)。除此之外，電力累計部73B還具有基于該算出的累計電力和存儲于運行映象存儲部75內(nèi)的運行映象，決定分配閥51的運行條件的功能(圖5，S203)。而且，電力累計部73B將決定了的運行條件送向運行控制部71，運行控制部71根據(jù)決定了的運行條件控制分配閥51(圖5，S204)。
(運行映象存儲部)在運行映象存儲部75中存儲有例如表1所示的映象。運行映象是燃料電池2的累計電力和分配閥51的運行條件相關(guān)聯(lián)的映象，向各累計電力范圍分配分配閥51的運行條件(有制冷劑供給限制/無制冷劑供給限制)。考慮基于累計電力值的燃料電池2的散熱量進行求取。另外，如表1所示，當(dāng)累計電力(散熱量)增大時，即，當(dāng)燃料電池2發(fā)電時，限制的時間縮短，未限制的時間變長。
表1

(燃料電池相同的動作)其次，以圖5為主說明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)1B的動作。與第一實施方式相同，如果設(shè)IG61為ON(起動)，則運行控制部71使燃料電池2發(fā)電。然后，預(yù)熱判定部72判定是否需要燃料電池2的預(yù)熱(S101)。而且，在需要預(yù)熱的情況(S101·Yes)下，前進到步驟S202，在不需要預(yù)熱的情況(S101·No)下，前進到步驟S205。
在步驟S202中，電力累計部73B算出IG61的ON后的燃料電池2的累計電力。其次，電力累計部73B基于該算出的累計電力和運行映象決定分配閥51的運行條件(S203)，將決定了的運行條件送向運行控制部71。
在步驟S204中，運行控制部71根據(jù)從電力累計部73B送出的運行條件(有制冷劑根據(jù)限制/無制冷劑供給限制)，切換分配閥51進行控制。由此，可防止燃料電池2的過升溫，且可迅速預(yù)熱燃料電池2。然后，進行返程，返回到起動。
在步驟S205中，電力累計部73B重置累計電力。另外，在這樣判定為不需要燃料電池2預(yù)熱的情況下，運行控制部71不執(zhí)行分配閥51的制冷劑供給限制。然后，進行返程，返回到起動。
(燃料電池相同的一動作例)其次，以圖6為主說明燃料電池系統(tǒng)1B的一動作例。
如圖6所示，由于在時間t1使燃料電池汽車(燃料電池系統(tǒng)1B)始動(起動)，故當(dāng)設(shè)IG61為ON時，燃料電池2發(fā)電。而且，在判定為需要燃料電池2的預(yù)熱后(S101·Yes)，電力累計部73B累計燃料電池2的電力(S202)，基于累計電力和運行映象決定分配閥51的運行條件(S203)。然后，運行控制部71根據(jù)決定了的運行條件控制分配閥51(S204)。
然后，重復(fù)步驟S101·Yes、S202、S203、S204的處理。在這樣重復(fù)時，由于累計電力逐漸增大，所以不限制制冷劑供給的時間逐漸加長(時間t2-t3時＜t4、t5時＜t6、t7時＜t8-t9時)。
而且，在時間t10內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到預(yù)熱終了溫度以上(S101·No)時，重置累計電力(S205)，制冷劑無限制地被常規(guī)供給。然后，燃料電池2繼續(xù)發(fā)電。
以上說明了本發(fā)明的適合的實施方式，但本發(fā)明不限于上述各實施方式，在不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)，也可以將各實施方式的結(jié)構(gòu)組合，例如也可以進行如下改變。
也可以是具有圖7所示的ECU70C代替上述的第一實施方式的ECU70A的燃料電池系統(tǒng)1C。ECU70在ECU70A的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，具有在限制模式算出向制冷劑流路5供給的制冷劑限制供給量的制冷劑限制供給量算出部76。制冷劑限制供給量算出部76與溫度傳感器43連接，監(jiān)視系統(tǒng)溫度。另外，制冷劑限制供給量算出部76具有制冷劑溫度和制冷劑限制供給量(分配閥51的運行條件)相關(guān)聯(lián)的制冷劑供給量映象。另外，制冷劑供給量映象，具有當(dāng)系統(tǒng)溫度高時，向制冷劑回路5的制冷劑限制供給量增多(減少制冷劑流路5的制冷劑的量變少)的關(guān)系。
而且，制冷劑限制供給量算出部76，在從常規(guī)模式轉(zhuǎn)移相限制模式時，例如在圖2的步驟S111和S112之間，基于系統(tǒng)溫度和制冷劑限制供給量映象算出與預(yù)熱狀態(tài)對應(yīng)的制冷劑限制供給量，將其送向運行控制部71。其次，運行控制部71根據(jù)與該制冷劑限制供給量對應(yīng)的運行條件控制分配閥51。由此，可以以與燃料電池系統(tǒng)1C的預(yù)熱狀態(tài)對應(yīng)的制冷劑限制供給量，向制冷劑流路5供給制冷劑，且可更快速地進行預(yù)熱。
另外，也可以為將制冷劑限制供給量算出部76和電流計34及電壓計35連接，使制冷劑限制供給量算出部76與燃料電池2的發(fā)電電力對應(yīng)，在限制模式算出供給向制冷劑流路的制冷劑限制供給量的結(jié)構(gòu)。在該情況下，當(dāng)發(fā)電電變力邊高時，進行向制冷劑流路5的制冷劑限制供給量增多(減少向制冷劑流路5的制冷劑的量變小)的設(shè)定。
燃料電池系統(tǒng)1D也可以取代第二實施方式的制冷劑供給限制裝置50B，具有圖8所示的制冷劑供給限制裝置50D。制冷劑供給限制裝置50D具有可變節(jié)流孔53(壓力損失附加裝置)，該可變節(jié)流孔53設(shè)于配管41a上。而且，可變節(jié)流孔53與ECU70B的運行控制部71連接，運行控制部71對應(yīng)有制冷劑供給限制/無制冷劑供給限制控制可變節(jié)流孔53的節(jié)流、即附加在從泵41送除的制冷劑的壓力損失。即，在有制冷劑供給限制的情況下，縮小可變節(jié)流孔53，對制冷劑附加高的壓力損失，減少向制冷劑流路5的制冷劑供給量。
在上述的各實施方式中，對在燃料電池汽車上搭載了燃料電池系統(tǒng)1A、1B的情況進行了說明，但燃料電池系統(tǒng)的使用狀態(tài)不限于此，也可以是其它的移動體(船等)或家庭用座式的燃料電池系統(tǒng)。
在上述的各實施方式中，為進行燃料電池2的預(yù)熱判定，作為檢測燃料電池系統(tǒng)1A、1B的系統(tǒng)溫度的溫度檢測裝置，采用了檢測從燃料電池2排出的制冷劑的溫度的溫度傳感器43，但溫度檢測裝置不限于此，也可以為其它的例如安裝于燃料電池2的框體上的溫度傳感器、及設(shè)于陽極系統(tǒng)10的配管13a或陰極系統(tǒng)20的配管22a上的溫度傳感器、及檢測外氣的溫度傳感器，基于從它們檢測到的溫度，也可以預(yù)測燃料電池系統(tǒng)1A的系統(tǒng)溫度。
另外，也可以使用多個這樣的溫度傳感器，在使用了多個溫度傳感器的情況下，例如在檢測到的至少兩個溫度達(dá)到預(yù)熱終了溫度以上的情況下，若以判定為預(yù)熱終了的方式設(shè)定，則可防止誤判定。
在上述的各實施方式中，對送出空氣(反應(yīng)氣體)的壓縮機21和送出制冷劑的泵41共有電動機M，并一體驅(qū)動的燃料電池系統(tǒng)1A、1B中應(yīng)用了本發(fā)明的情況進行了說明，但不限于此，也可以適用于送出氫(反應(yīng)氣體)的壓縮機(例如設(shè)于氫循環(huán)扇上的壓縮機)和泵41共有電動機M，并一體驅(qū)動的燃料電池系統(tǒng)。
在上述的各實施方式中，對在設(shè)IG61為ON后，以一定的旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動電動機M，在預(yù)熱終了后，達(dá)到上述一定旋轉(zhuǎn)速度的情況進行了說明，但例如也可以在以下這樣的系統(tǒng)中應(yīng)用本發(fā)明，即在停止時經(jīng)歷了低溫(例如5℃以下)的情況下再次起動時，電動機M的旋轉(zhuǎn)速度高于常規(guī)速度，通過大量供給空氣，由此提高燃料電池2的自身散熱量，促進預(yù)熱。這樣，通過在起動時提高反應(yīng)氣體的供給量，在促進預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)的情況中，燃料電池2內(nèi)的溫度分布容易產(chǎn)生偏差，且容易產(chǎn)生熱點，但通過應(yīng)用本發(fā)明，可抑制熱點的產(chǎn)生，且可促進燃料電池2的預(yù)熱。
在上述的第一實施方式中，在圖1所示的步驟S104中，對于是否從限制模式轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式，通過將累計散熱量和規(guī)定累計散熱量比較來進行判定，但除此之外，也可以為如下結(jié)構(gòu)，例如，(1)將累計電力與規(guī)定累計電力相比較，在累計電力為規(guī)定累計電力以上的情況下，轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式；(2)使用定時器，在限制模式的時間達(dá)到了預(yù)先存儲的規(guī)定時間以上的情況下，轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式；(3)若燃料電池2的I-V特性一定，則累計電流值，在累計電流值達(dá)到規(guī)定累計電流值以上的情況下，轉(zhuǎn)移到常規(guī)模式。
在上述的第一實施方式中，示例了在圖1所示的步驟S108中，是否從常規(guī)模式轉(zhuǎn)移到限制模式的作為判定基準(zhǔn)的規(guī)定累計制冷劑供給量為固定值的情況，但除此以外，例如也可以為基于系統(tǒng)溫度和存儲于內(nèi)部的映象適宜算出規(guī)定累計制冷劑供給量的結(jié)構(gòu)。在該情況下，當(dāng)系統(tǒng)溫度升高時，增大設(shè)定規(guī)定累計制冷劑供給量。
另外，也可以為基于燃料電池2的發(fā)電電力和存儲于內(nèi)部的映象適宜算出規(guī)定累計制冷劑供給量的結(jié)構(gòu)。在該情況下，當(dāng)發(fā)電電力增大時，增大設(shè)定規(guī)定累計制冷劑供給量。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具有燃料電池，其具有反應(yīng)氣體流通的反應(yīng)氣體流路，通過向該反應(yīng)氣體流路供給反應(yīng)氣體來進行發(fā)電，且具有制冷劑流通的制冷劑流路，通過向該制冷劑流路供給制冷劑來進行冷卻；反應(yīng)氣體供給裝置，其向所述反應(yīng)氣體流路供給反應(yīng)氣體；制冷劑供給裝置，其向所述制冷劑流路供給制冷劑；制冷劑供給限制裝置，其限制向所述制冷劑流路的制冷劑供給量；控制裝置，其控制所述制冷劑供給限制裝置，并且，所述反應(yīng)氣體供給裝置和所述制冷劑供給裝置共有一個驅(qū)動裝置，一體地驅(qū)動，其特征在于，所述控制裝置在預(yù)熱所述燃料電池時，控制所述制冷劑供給限制裝置，減少所述制冷劑向所述制冷劑流路的供給量。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑供給限制裝置具有所述制冷劑流路。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述制冷劑供給限制裝置具有對供給于所述制冷劑流路的制冷劑附加壓力損失的壓力損失施加裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，還具有檢測所述燃料電池散熱量的散熱量檢測裝置，所述控制裝置根據(jù)所述散熱量檢測裝置檢測到的散熱量，控制所述制冷劑供給限制裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述散熱量檢測裝置通過所述燃料電池的發(fā)電電力的累計來算出所述散熱量。
6.如權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，使所述制冷劑供給限制裝置動作的時間是所述散熱量越大其越短。
7.一種燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括向反應(yīng)氣體流路供給反應(yīng)氣體的步驟；向制冷劑流路供給制冷劑的步驟；限制向所述制冷劑流路的制冷劑供給量的步驟；控制制冷劑供給限制裝置的步驟；和在預(yù)熱燃料電池時，控制所述制冷劑供給限制裝置，且減少向所述制冷劑流路的所述制冷劑供給量的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，還包括對供給于所述制冷劑流路的所述制冷劑附加壓力損失的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，還包括檢測所述燃料電池的散熱量的步驟；基于檢測出的所述散熱量控制所述制冷劑供給限制裝置的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，還包括累計所述燃料電池的發(fā)電電力的步驟；算出所述散熱量的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，還包括隨著所述散熱量增加，縮短使所述制冷劑供給限制裝置動作的時間的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種實現(xiàn)小型化，且可適合于預(yù)熱的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)(1A)具有通過供給反應(yīng)氣體來進行發(fā)電，通過供給制冷劑來進行冷卻的燃料電池(2)；供給反應(yīng)氣體的壓縮機(21)；供給制冷劑的泵(41)；限制制冷劑供給量的分配閥(51)；控制分配閥(51)的運行控制部(17)，其中，壓縮機(21)和泵(41)共有一個電動機M，被一體地驅(qū)動，其中，運行控制部(71)在預(yù)熱燃料電池(2)時，控制分配閥(51)，減少制冷劑供給量。
文檔編號H01M8/04GK1929175SQ20061012814
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月7日
發(fā)明者宮田幸一郎, 和氣千大, 小河純平 申請人:本田技研工業(yè)株式會社