專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和移動體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)和移動體。
背景技術(shù)：
目前，已經(jīng)設(shè)計了包括燃料電池的燃料電池系統(tǒng)，并將其投入實 際應(yīng)用，其中該燃料電池用于通過接收反應(yīng)氣體(燃料氣體和氧化氣體) 來產(chǎn)生電能。當通過這種燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電能時，在燃料電池中通 過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水分，并且該水分留在燃料電池的反應(yīng)氣體通道中， 結(jié)果可能妨礙反應(yīng)氣體的流動。當在低溫(例如，低于冰點的溫度)的環(huán) 境下運行燃料電池系統(tǒng)時，留在燃料電池的電極(催化劑層和擴散層) 中的水分會凍結(jié)，并且在某些情形下極大地惡化了起動性能。作為解決燃料電池中以這種方式產(chǎn)生的水分帶來的各種問題的傳 統(tǒng)技術(shù)，提出了一種技術(shù)(掃氣技術(shù))，其中當停止燃料電池的運行時向 反應(yīng)氣體通道供給干燥氧氣或干燥氫氣，從而從燃料電池去除水分。 近年來，提出了以如下方式進行掃氣操作的技術(shù)估計電解質(zhì)膜中含 有的水分含量，驅(qū)動并控制相應(yīng)的裝置(壓縮機、泵等)使得該估計的水 分含量成為預(yù)定值(例如，參見日本專利申請公開No.2004-158274)。發(fā)明內(nèi)容另外，當燃料電池的運行停止時，通過從蓄電裝置(例如，二次電 池)提供的電能驅(qū)動和控制壓縮機或電機來執(zhí)行掃氣操作，但是在低溫 (例如，低于冰點的溫度)的環(huán)境下，蓄電裝置的供電能力惡化。因此， 即使使用上面專利公開中所述的技術(shù)，在低溫環(huán)境下也無法充分地進 行掃氣操作，所以水分殘留在燃料電池中，并且在某些情形下燃料電 池無法有效地起動。了本發(fā)明，并且其目的是提供一種燃料 電池系統(tǒng)，其中即使在低溫環(huán)境下也能夠有效地起動燃料電池。為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池和蓄 電裝置，所述燃料電池用于通過燃料氣體與氧化氣體的反應(yīng)來產(chǎn)生電 能，并且所述燃料電池系統(tǒng)構(gòu)造成當所述燃料電池的操作停止時執(zhí)行 掃氣操作，用于通過使用從所述蓄電裝置提供的電能將氣體供給到所 述燃料電池中，從而從所述燃料電池排出水分其中所述燃料電池系 統(tǒng)包括控制裝置，該控制裝置用于設(shè)定所述燃料電池的運行條件，使 得所述燃料電池在操作時的水分含量小于根據(jù)所述蓄電裝置的狀態(tài)設(shè) 定的目標水分含量。根據(jù)該構(gòu)造，可設(shè)定所述燃料電池的運行條件(溫度、發(fā)電量等)， 使得所述燃料電池在運行時的水分含量小于根據(jù)所述蓄電裝置的狀態(tài) 設(shè)定的目標水分含量。例如，即使在假定由于所述蓄電裝置的溫度降 低引起供電能力的惡化而使從所述燃料電池排出的水分量變低的情形 下，當所述燃料電池的運行條件預(yù)先設(shè)定為較低水平時，所述燃料電 池在運行時的水分含量也可設(shè)定為小于預(yù)定的目標水分含量(例如，根 據(jù)所述蓄電裝置的溫度設(shè)定的量)。因此，即使在低溫環(huán)境下停止所述 燃料電池的運行的情況下，也能夠有效地從燃料電池的運行停止狀態(tài) 起動燃料電池。在上述燃料電池系統(tǒng)中，所述控制裝置可根據(jù)所述蓄電裝置的溫 度設(shè)定所述目標水分含量。在該情況下，通過當所述蓄電裝置的溫度 越低，所述控制裝置將所述燃料電池的運行條件設(shè)定為越低的水平， 使得所述燃料電池在操作時的水分含量小于所述目標水分含量。結(jié)果，即使在假定由于所述蓄電裝置的溫度降低引起供電能力的 惡化而使從所述燃料電池排出的水分量變低的情形下，當所述燃料電4池的運行條件預(yù)先設(shè)定為較低水平時，所述燃料電池在運行時的水分 含量也可設(shè)定為小于目標水分含量。因此，即使在低溫環(huán)境下停止所 述燃料電池的運行的情況下，也能夠有效地從燃料電池的運行停止狀 態(tài)起動該燃料電池。此外，優(yōu)選地，所述燃料電池系統(tǒng)包括用于加熱所述蓄電裝置的 加熱裝置。因此，由于能夠在低溫環(huán)境下快速地加熱所述蓄電裝置，所以能 夠快速地恢復(fù)所述蓄電裝置的供電能力。另外，根據(jù)本發(fā)明的移動體包括上述燃料電池系統(tǒng)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于所述移動體包括能夠根據(jù)所述蓄電裝置的狀態(tài)設(shè)定所述燃料電池的運行條件的燃料電池系統(tǒng)，所以能夠提供在低溫 環(huán)境下具有優(yōu)秀的起動性能的移動體。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供即使在低溫環(huán)境下也能夠有效地起動燃料 電池的燃料電池系統(tǒng)。
圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為電池溫度與圖1中所示燃料電池系統(tǒng)排出的水分量之間的 關(guān)系的圖；以及圖3為示出圖1中所示燃料電池系統(tǒng)的運行方法的流程圖。
具體實施方式
下面參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)1。在本實 施例中，描述一個例子，其中本發(fā)明應(yīng)用到燃料電池車輛S(移動體)的 車載發(fā)電系統(tǒng)。首先，參考圖1和圖2描述根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)1 的結(jié)構(gòu)。如圖1中所示，根據(jù)本實施例的燃料電池系統(tǒng)1包括燃料電 池10，其通過接收反應(yīng)氣體(氧化氣體和燃料氣體)的供給來發(fā)出電能。 此外，該系統(tǒng)包括氧化氣體管道系統(tǒng)2，其向燃料電池10供給作為 氧化氣體的空氣；氫氣管道系統(tǒng)3，其向燃料電池10供給作為燃料氣 體的氫氣；控制器件4，其總地控制整個系統(tǒng)；二次電池12，當燃料 電池10的運行停止時(當停止發(fā)電時)或出現(xiàn)類似情況時，該二次電池12向系統(tǒng)的相應(yīng)器件提供電能；以及其他類似裝置。燃料電池10具有通過堆疊所需數(shù)量的層的單個電池而構(gòu)成的堆 結(jié)構(gòu)，該單個電池接收反應(yīng)氣體的供給以產(chǎn)生電能。燃料電池10發(fā)出 的電提供給電能控制單元(PCU)11。PCU11包括向燃料電池車輛S的牽 引電機供電的逆變器、向各種輔機(例如，壓縮機電機和氫泵電機)供電 的逆變器、給二次電池12充電和從二次電池12給電機供電的DC-DC 轉(zhuǎn)換器、和類似裝置。二次電池12向牽引電機和各種輔機供電，從而提供電能輔助快速 加速和間歇運行(在燃料電池10的發(fā)電的停止期間)。另外，當燃料電 池10的運行停止時，二次電池12給壓縮機電機等供電，從而實現(xiàn)掃 氣操作(通過向燃料電池IO供應(yīng)氣體將水分從燃料電池IO排出)。也就 是說，二次電池12是根據(jù)本發(fā)明的蓄電裝置的一個實施例?？墒褂面?氫電池或鋰離子電池作為二次電池12。在本實施例中，設(shè)有檢測二次電池12的溫度的溫度傳感器。將由 溫度傳感器檢測的二次電池12的溫度信息發(fā)送至控制器件4，并用在 燃料電池系統(tǒng)1的運行控制中。在本實施例中，設(shè)有用于加熱二次電 池12的加熱器(加熱裝置)。加熱器的運行由控制器件4控制。即，當 溫度傳感器檢測的二次電池12的溫度不高于預(yù)定值(例如，20'C)時， 控制器件4自動地運行加熱器來加熱二次電池12。氧化氣體管道系統(tǒng)2包括空氣供給通道21，其將通過增濕器20 增濕的氧化氣體(空氣)供給到燃料電池10;空氣排出通道22，其將從 燃料電池10排出的氧化廢氣引入增濕器20;以及排氣通道23，其將 氧化廢氣從增濕器21導(dǎo)向外界。空氣供給通道21設(shè)有壓縮機24，其 從大氣中獲取氧化氣體，以將該氣體在壓力下送入增濕器20。壓縮機 24的運行由控制器件4控制。氫氣管道系統(tǒng)3包括作為燃料供給源的氫罐30,其中存儲高壓 氫氣；氫供給通道31，其將氫罐30的氫氣供給到燃料電池10;及循 環(huán)通道32，其將從燃料電池10排出的氫廢氣返回到氫供給通道31。氫供給通道31設(shè)有中斷或允許從氫罐30供給氫氣的截止閥33、 及調(diào)節(jié)氫氣壓力的調(diào)節(jié)器34。在本實施例中，使用能夠通過步進電機 改變供給壓力目標值的可變壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器34。截止閥33和調(diào) 節(jié)器34的運行由控制器件4控制。循環(huán)通道32通過氣液分離器35和排氣排液閥36連接到排氣通道 37上。氣液分離器35從氫廢氣獲取水分。排氣排液閥36響應(yīng)于控制 器件4的指令運行，從而將氣液分離器35獲取的水分和循環(huán)通道32 的含有雜質(zhì)的氫廢氣中排到外界。循環(huán)通道32設(shè)有氫泵38，其增壓循 環(huán)通道32的氫廢氣，以將氣體朝氫供給通道31吹送。應(yīng)當注意，排 氣通道37的氣體由稀釋單元(未示出)稀釋，并與排氣通道23的氣體混控制器件4接收燃料電池車輛S的控制信息，如加速信號(所需負 載)，以控制系統(tǒng)的各種器件的運行。應(yīng)當注意，控制器件4由計算機 系統(tǒng)(未示出)組成。這種計算機系統(tǒng)包括CPU、 ROM、 RAM、 HDD、 輸入/輸出接口、顯示裝置等。當CPU讀取存儲在ROM中的各種控制 程序以執(zhí)行該程序時，實現(xiàn)各種控制操作。具體地，當燃料電池10的運行停止時(當停止發(fā)電時)，通過使用二次電池12提供的電能來驅(qū)動和控制壓縮機24、截止閥33和調(diào)節(jié)器 34以將氣體(氧化氣體和氫氣)送入燃料電池10，控制器件4執(zhí)行將水 分從燃料電池IO排出的"掃氣"運行。應(yīng)當注意，在掃氣操作期間， 控制器件4暫時禁止或停止增濕器20對氧化氣體的增濕。此外，控制器件4將燃料電池IO的運行條件設(shè)定成，當燃料電池 10在其運行時的水分含量小于根據(jù)二次電池20的溫度設(shè)定的目標水分 含量。換句話說，根據(jù)二次電池12的溫度設(shè)定燃料電池10的運行條 件，使得通過二次電池12進行掃氣操作之后的燃料電池10的估計的 水分含量小于燃料電池10的可起動水分含量。也就是說，控制器件4 用作根據(jù)本發(fā)明的控制裝置的一個實施例。這里，"估計的水分含量"為考慮了二次電池12的掃氣能力而估計的掃氣操作之后燃料電池10 的水分含量，并且"可起動水分含量"為燃料電池IO可起動的水分含本實施例中的二次電池12具有一種趨勢，即隨著二次電池12溫 度變低，二次電池的掃氣能力變低。例如，如圖2的映射所示，在溫 度"T2"由二次電池12排出的水分量為"Q5",而在溫度"-T2"(低 于冰點)通過二次電池12從各單個電池排出的水分量為"Q,(<Q5)"。 因此，考慮到二次電池12的掃氣能力的這種差別，控制器件4根據(jù)二 次電池12的溫度預(yù)先設(shè)定運行條件，使得通過二次電池12的掃氣操 作之后的燃料電池10的估計的水分含量低于可起動水分含量。例如，當二次電池12的溫度為"T,"時，控制器件4使用圖2的映射來計算與該溫度相對應(yīng)的排出的水分量(Q4)。此外，控制器件4設(shè)定燃料電池lO的可起動水分含量(Qo)，并將二次電池12排出的水分量 (Q4)加上該可起動水分含量(Qo)所得的值(Qo + Q4)設(shè)定為燃料電池運行 時的目標水分含量。然后，控制器件4設(shè)定燃料電池IO的運行條件(燃料電池10的溫度、產(chǎn)生的電量和供給的反應(yīng)氣體量)，使得燃料電池IO運行時的水分含量小于目標水分含量(Q。 + Q4)。根據(jù)該控制，通過 二次電池12的掃氣運行之后燃料電池10的估計的水分含量可設(shè)定為 小于可起動水分含量(Qo)。此外，當二次電池12的溫度為"-T1"時，控制器件4使用圖2 的映射來計算與二次電池溫度相對應(yīng)的排出的水分量(Q2(〈Q4:0。此外， 控制器件4將二次電池12排出的水分量(Q2)加上燃料電池IO的可起動 水分含量(Qo)所得的值(Qo + Q2)設(shè)定為燃料電池IO運行時的目標水分 含量。然后，控制器件4將燃料電池IO的運行條件(燃料電池IO的溫 度、產(chǎn)生的電量和供給的反應(yīng)氣體量)設(shè)定為較低水平，使得燃料電池 lO運行時的水分含量小于目標水分含量(Qo + Q2)。根據(jù)該控制，通過 二次電池12的掃氣運行之后燃料電池10的估計的水分含量能設(shè)定為 小于可起動水分含量(Qo)。下面，參考圖3的流程圖來描述根據(jù)本實施例的燃料電池系統(tǒng)1 的運行方法。在燃料電池1的通常運行期間，通過氫供給通道31從氫罐30向 燃料電池10的燃料極供給氫氣。此外，通過空氣供給通道21向燃料 電池IO的氧化極供給增濕和調(diào)節(jié)的空氣，從而產(chǎn)生電能。這樣，由控 制器件4計算從燃料電池10得到的電能(所需電能)，并根據(jù)產(chǎn)生的電 量向燃料電池10供給相應(yīng)量的氫氣和空氣。燃料電池10在其通常運 行期間處于濕態(tài)。因此，當燃料電池IO的運行停止時，水分留在燃料 電池10中。在本實施例中，在燃料電池的這種通常運行停止之后，執(zhí) 行"掃氣"運行，以將水分從燃料電池IO排出。但是，在低溫環(huán)境下， 二次電池12的供電能力變低，所以無法充分地進行掃氣操作，并且在 某些情形下起動性能惡化。在本實施例中，執(zhí)行下列運行控制以阻止 起動性能的這種惡化。艮P，首先，燃料電池系統(tǒng)1的控制器件4使用溫度傳感器檢測二 次電池12的溫度(電池溫度檢測步驟Sl)。此外，控制器件4基于圖 2中的映射計算與電池溫度檢測步驟Sl檢測的溫度相對應(yīng)的排出的水 分量(水分排出量計算步驟S2)。例如，當二次電池12的溫度為"-丁2"時，排出的水分量計算為"Q,"。然后，控制器件4設(shè)定燃料電池10的可起動水分含量(Qo)，并將 水分排出量計算步驟S2計算的水分排出量(Q,)加上該可起動水分含量 (Qo)所得的值(Q。 + Q,)設(shè)定為燃料電池在其運行時的目標水分含量(目 標水分含量設(shè)定步驟S3)。此外，控制器件4設(shè)定燃料電池IO的運行 條件(燃料電池10的溫度、產(chǎn)生的電量和供給的反應(yīng)氣體量)，使得燃 料電池10在其運行時的水分含量小于目標水分含量設(shè)定步驟S3設(shè)定 的目標水分含量(Q。 + QO(運行條件設(shè)定步驟S4)。然后，控制器件4 根據(jù)運行條件設(shè)定步驟S4設(shè)定的運行條件控制燃料電池10的運行(運 行控制步驟S5)。在根據(jù)上述實施例的燃料電池系統(tǒng)1中，燃料電池10的運行條件 可設(shè)定成，燃料電池10在其運行時的水分含量小于根據(jù)二次電池12 的溫度設(shè)定的目標水分含量。即，即使在假定由于二次電池12的溫度 降低引起供電能力的惡化而使從燃料電池IO排出的水分量變低的情形 下，當燃料電池10的運行條件預(yù)先設(shè)定為較低水平時，燃料電池10 在其運行時的水分含量也可設(shè)定為小于預(yù)定的目標水分含量。因此，即使當在低溫環(huán)境下停止燃料電池10的運行時，燃料電池10也可有 效地從燃料電池的運行停止狀態(tài)起動。此外，根據(jù)上述實施例的燃料電池系統(tǒng)1包括加熱二次電池12的 加熱器，因此，在低溫環(huán)境下它能夠快速地加熱二次電池12。結(jié)果， 可快速恢復(fù)二次電池12的供電能力。此外，根據(jù)上述實施例的燃料電池車輛S(移動體)包括能夠根據(jù)二次電池12的溫度設(shè)定燃料電池10的運行條件的燃料電池系統(tǒng)1。因此， 該車輛在低溫環(huán)境下具有優(yōu)秀的起動性能。應(yīng)當注意，在上述實施例中，描述了使用二次電池12作為蓄電裝 置的例子，但是也可使用電容器作為蓄電裝置。在上述實施例中，描述了根據(jù)二次電池12的"溫度"設(shè)定燃料電池10的運行條件的例子，但也可根據(jù)表示二次電池12的狀態(tài)的其它物理量(例如，荷電狀態(tài)"SOC")來設(shè)定燃料電池10的運行條件。此外，在上述實施例中，描述了循環(huán)通道32設(shè)有氫泵38的例子， 但是也可使用噴射器替代氫泵38。在上述實施例中，循環(huán)通道32設(shè)有 排氣排液閥36，以實現(xiàn)排氣運行和排液運行，但也可單獨地設(shè)置將氣 液分離器35回收的水分排出到外界的排液閥和將氣體從循環(huán)通道32 排出的排氣闊，使得控制裝置4單獨地控制排液閥和排氣閥。工業(yè)實用性如實施例中所述，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可安裝在燃料電池 車輛上，并且除燃料電池車輛之外還可安裝在各種移動體上(機器人、 輪船、飛機等)。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可應(yīng)用于安裝為結(jié)構(gòu)(居宅、 建筑物等)的發(fā)電設(shè)備的發(fā)電系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池和蓄電裝置，所述燃料電池用于通過燃料氣體與氧化氣體的反應(yīng)來產(chǎn)生電能，并且所述燃料電池系統(tǒng)構(gòu)造成當所述燃料電池的操作停止時執(zhí)行掃氣操作，用于通過使用從所述蓄電裝置提供的電能將氣體供給到所述燃料電池中，從而從所述燃料電池排出水分其中所述燃料電池系統(tǒng)包括控制裝置，該控制裝置用于設(shè)定所述燃料電池的運行條件，使得所述燃料電池在操作時的水分含量小于根據(jù)所述蓄電裝置的狀態(tài)設(shè)定的目標水分含量。
2. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制裝置根據(jù)所 述蓄電裝置的溫度設(shè)定所述目標水分含量。
3. 如權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中通過當所述蓄電裝置的溫度越低，所述控制裝置將所述燃料電池的運行條件設(shè)定為越低的 水平，使得所述燃料電池在操作時的水分含量小于所述目標水分含量。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括用于加熱所述蓄電裝置的加熱裝置。
5. 包括如權(quán)利要求1至4中任一項所述的燃料電池系統(tǒng)的移動體。
全文摘要
公開了一種燃料電池系統(tǒng)(1)，包括燃料電池(10)和蓄電裝置(12)，燃料電池通過燃料氣體與氧化氣體的反應(yīng)來產(chǎn)生電能，并且燃料電池系統(tǒng)構(gòu)造成當所述燃料電池的操作停止時執(zhí)行掃氣操作，用于通過使用從所述蓄電裝置(12)提供的電能將氣體供給到所述燃料電池(10)，從而從所述燃料電池(10)排出水分。所述燃料電池系統(tǒng)還包括控制裝置(4)，該控制裝置用于設(shè)定所述燃料電池(10)的運行條件，使得所述燃料電池(10)在操作時的水分含量小于根據(jù)所述蓄電裝置(12)的狀態(tài)設(shè)定的目標水分含量。
文檔編號H01M8/04GK101326666SQ200680045980
公開日2008年12月17日 申請日期2006年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者木崎幹士 申請人:豐田自動車株式會社