專利名稱：燃料電池車輛的加熱設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池車輛的加熱設(shè)備，更具體來說，涉及通過使用風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)來加熱車輛的車廂內(nèi)部的燃料電池車輛的加熱設(shè)備。
背景技術(shù)：
安裝在燃料電池車輛上的燃料電池系統(tǒng)通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，并且與該電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)而產(chǎn)生水。燃料電池系統(tǒng)的燃料電池(堆)通常通過堆疊許多個稱為電池的最小結(jié)構(gòu)單元來配置而成。在傳統(tǒng)的固態(tài)聚合物燃料電池中，如圖7中所示，每個電池201被配置為使得用于該反應(yīng)的活化的催化劑層206和207設(shè)置在擴(kuò)散層204和205之間，用于選擇性地允許氫離子透過的電解質(zhì)膜208夾在催化劑層206和207之間，并且使得擴(kuò)散層204和205夾在用于分別提供氫和空氣(氧)的陽極電極202和陰極電極203之間。提供給陽極電極202的氫分子在陽極電極202側(cè)的電解質(zhì)膜208的表面上設(shè)置的催化劑層206中轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚詺湓樱⑶疫M(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子以釋放出電子。圖7中的(I)表示的反應(yīng)由如下化學(xué)方程式I來表達(dá)。H2 — 2H++2e (方程 I)在化學(xué)方程式I中產(chǎn)生的氫離子與包含在電解質(zhì)膜208中的水汽一起穿過電解質(zhì)膜208從陽極電極202側(cè)移動到陰極電極203側(cè)，同時電子經(jīng)由外部電路209移動到陰極電極203側(cè)。通過電子的移動，電流穿過插在外部電路209中的負(fù)載(例如，車輛的行駛用電動機(jī))210而流動。另一方面，在催化劑層207中，提供給陰極電極203的空氣中的氧分子接收從外部電路209提供的電子，從而轉(zhuǎn)變?yōu)檠蹼x子，并且該氧離子與穿過電解質(zhì)膜208而移動的氫離子結(jié)合，從而形成水。圖7中的(2)表示的反應(yīng)由如下化學(xué)方程式2來表達(dá)。l/203+2H++2e — H20(方程 2)以這種方式形成的水的一部分通過濃度擴(kuò)散而從陰極電極203移動到陽極電極202。在上述化學(xué)反應(yīng)中，在電池201的內(nèi)部產(chǎn)生各種損耗，如由電解質(zhì)膜208和電極的電阻導(dǎo)致的電阻過電壓、引起氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)所需的活化過電壓、以及引起氫和氧穿過擴(kuò)散層204和205的移動所需的擴(kuò)散過電壓，并且由于這些損耗而產(chǎn)生的廢熱需要去除。圖8示出裝配有電池201并且用于傳統(tǒng)的燃料電池車輛的水冷式燃料電池系統(tǒng)的一般配置。在圖8中所示的燃料電池系統(tǒng)301中，設(shè)置有通過堆疊許多個上文所述的作為最小結(jié)構(gòu)單元的電池而配置的燃料電池302，并且在燃料電池302中堆疊的該許多電池以如下方式進(jìn)行發(fā)電存儲在高壓氫罐303中的壓縮氫氣從陽極進(jìn)氣通道304經(jīng)由減壓閥305引入到燃料電池302的陽極進(jìn)氣部306，另一方面，通過過濾器307吸入到陰極進(jìn)氣通道308中的外部空氣被壓縮機(jī)309壓縮，從而被引入到燃料電池302的陰極進(jìn)氣部310中。在從燃料電池302的陰極排氣部311排放到陰極排氣通道312中的陰極排氣中的一部分水汽被氣-液分離器313分離之后，該陰極排氣經(jīng)由用于對該陰極系統(tǒng)進(jìn)行壓力控制的背壓閥314而排放到外部空氣。類似地，從燃料電池302的陽極排氣部315排放到陽極排氣通道316中的陽極排氣穿過氣-液分離器317，并且經(jīng)由清洗閥318，通過連接在陰極排氣通道312中的陽極排氣通道316，而混入到陰極排氣中。與陰極排氣的量相比，來自陽極排氣部315的清洗的氫的排量(流量)足夠小。因此，在陽極的清洗的氫的濃度被陰極排氣減小到不高于可燃下限濃度4%之后，該陽極的清洗的氫可被排放到外部空氣。注意，還有一些系統(tǒng)，其中，為了提高氫的利用，通過使用在將陽極排氣通道316連接到陽極進(jìn)氣部306的陽極返回路徑319中插入的氫泵320，來將陽極排氣再循環(huán)到陽極進(jìn)氣部306。在此描述水冷式燃料電池系統(tǒng)301的冷卻系統(tǒng)321。在冷卻系統(tǒng)321的冷卻回路的冷卻水引入通道322中，在燃料電池302前級或后級設(shè)置有水泵323，從而將冷卻水加壓送入到散熱器324。在冷卻了燃料電池302之后，該冷卻水在散熱器324中經(jīng)過熱交換，然后通過該冷卻回路的冷卻水引出通道325再次返回到燃料電池302。在冷卻系統(tǒng)321中設(shè)置有加熱設(shè)備326。加熱設(shè)備326包括用于將冷卻水引入通道322連接到冷卻水引出通道325的加熱通道327，并且還包括用于加熱車輛的車廂內(nèi)部的加熱器芯329和調(diào)節(jié)閥328，它們通過加熱通道327相互串聯(lián)連接，并且與散熱器324并聯(lián)設(shè)置。當(dāng)車輛的車廂內(nèi)部需要被加熱時，加熱設(shè)備326通過打開調(diào)節(jié)閥328向加熱器芯329提供高溫冷卻水并且通過驅(qū)動用于吹風(fēng)的風(fēng)扇330來進(jìn)行加熱。然而，與由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量相比，燃料電池302的廢熱量非常小，因此除了加熱器芯329以外，通常還使用其它輔助熱源，如電加熱器。如上所述，水冷式燃料電池車輛系統(tǒng)301設(shè)置有各種輔助單元，包括用于壓縮引入的空氣的壓縮機(jī)309，以增加燃料電池302的輸出功率密度。因此，在水冷式燃料電池車輛系統(tǒng)301中，該系統(tǒng)是復(fù)雜的，并且該系統(tǒng)的尺寸、重量和成本增加。另一方面，存在風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)被簡化，使得盡可能多地去除諸如壓縮機(jī)等的輔助單元，并且采用空氣冷卻系統(tǒng)用于冷卻燃料電池。如圖9中所示，在裝配有通過堆疊許多個如上所述的作為最小結(jié)構(gòu)單元的電池而配置的燃料電池402的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)401中，存儲在高壓氫罐403中的壓縮氫氣的壓力通過插入在陽極進(jìn)氣通道404中的減壓閥405減小之后，該壓縮氫氣被引入到燃料電池402的陽極進(jìn)氣部406中。另一方面，在燃料電池系統(tǒng)401中，通常不提供在水冷式燃料電池車輛系統(tǒng)中提供的用于供應(yīng)陰極進(jìn)入空氣的高壓壓縮機(jī)，而是通過低壓供氣扇(鼓風(fēng)機(jī))409將通過過濾器407引入到陰極進(jìn)氣通道408中的外部空氣供應(yīng)給燃料電池402的陰極進(jìn)氣部410。提供給陰極進(jìn)氣部410的空氣不僅在燃料電池402中堆疊的許多電池中的發(fā)電反應(yīng)中用作與氫反應(yīng)的反應(yīng)氣體，而且還起到去除燃料電池402中的廢熱的作用，從而冷卻燃料電池402。與氫反應(yīng)之后的空氣和冷卻燃料電池402之后的空氣從燃料電池402的陰極排氣部411排出到陰極排氣通道412中，從而被排放到外部空氣。從燃料電池402的陽極排氣部413排放到陽極排氣通道414的陽極排氣經(jīng)由清洗閥415，穿過連接在陰極排氣通道412中的陽極排氣通道414，混入到陰極排氣中。當(dāng)陽極側(cè)的氫氣被清洗時，排出的氫氣被陰極側(cè)排氣稀釋到可燃下限濃度或更低，從而被排放到外部。風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)401沒有裝配如圖8中所示的水冷式燃料電池系統(tǒng)301中設(shè)置的冷卻系統(tǒng)321，因此不能實現(xiàn)與水冷式燃料電池系統(tǒng)301中的加熱設(shè)備326類似的加熱設(shè)備。作為傳統(tǒng)燃料電池車輛的加熱設(shè)備的例子，已經(jīng)提出了燃料電池的陰極排氣直接排放到車輛的車廂中的加熱設(shè)備(專利文獻(xiàn)I)、燃料電池的陰極排氣被直接排放到車輛的車廂中并且還被引導(dǎo)到用于加熱車輛的車廂的加熱設(shè)備的熱交換器的加熱設(shè)備(專利文獻(xiàn)2)、以及燃料電池的陰極排氣被引導(dǎo)到用于加熱車輛的車廂的加熱設(shè)備的熱交換器的加熱設(shè)備(專利文獻(xiàn)3)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)[專利文獻(xiàn)I]日本特開2008-108538號公報[專利文獻(xiàn)2]日本特開2002-5478號公報[專利文獻(xiàn)3]日本特開2001-30742號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題如上所述，作為傳統(tǒng)燃料電池車輛的燃料電池系統(tǒng)，通常使用水冷式燃料電池系統(tǒng)301，其中如圖8中所示，與當(dāng)車輛發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢熱被冷卻水冷卻時類似，通過堆疊多個電池而形成的燃料電池302產(chǎn)生的廢熱被冷卻水冷卻。在使用水冷式燃料電池系統(tǒng)301的燃料電池車輛中，通過冷卻燃料電池302而溫度相對增加的冷卻水被引導(dǎo)到車輛的加熱設(shè)備326的加熱器芯329 (熱交換器)，從而燃料電池302的廢熱被用于加熱車輛的車廂內(nèi)部。另一方面，與水冷式燃料電池系統(tǒng)301不同，還已知如圖9中所示的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)401，其中該系統(tǒng)配置可以通過盡可能多地消除輔助單元而被顯著簡化。使用風(fēng)冷式燃料電池401的燃料電池車輛具有簡單的配置，并且具有許多優(yōu)點(diǎn)，如小尺寸、輕重量和低成本。然而，在風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)401中，燃料電池402的冷卻水的廢熱不能被用于加熱車輛的車廂內(nèi)部，并且目前還沒有與有效的加熱方法和設(shè)備有關(guān)的建議。本發(fā)明的目的是實現(xiàn)一種燃料電池車輛的加熱設(shè)備，其中燃料電池的陽極排氣中的排出的氫氣可以被稀釋到可燃下限濃度或更低，并且燃料電池系統(tǒng)的廢熱可以以通過原樣使用具有簡單系統(tǒng)配置的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)加熱車輛的車廂內(nèi)部的方式來用于加熱。用于解決問題的方案根據(jù)本發(fā)明，提供一種燃料電池車輛的加熱設(shè)備，該燃料電池車輛包括燃料電池，其用于通過氧和氫的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力；陰極排氣通道，通過該陰極排氣通道將引入的外部空氣提供給所述燃料電池的陰極電極用于發(fā)電反應(yīng)并排出從所述燃料電池排出的空氣；以及陽極排氣通道，通過該陽極排氣通道將氫從所述燃料電池排出，所述加熱設(shè)備的特征在于包括分支通道，其從所述陰極排氣通道的分支點(diǎn)分叉，從而將從所述燃料電池排出的空氣提供給所述車輛的車廂，并且特征在于所述陽極排氣通道在所述分支點(diǎn)的下游側(cè)接合到所述陰極排氣通道。發(fā)明效果
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池車輛的加熱設(shè)備中，所述陽極排氣中的排出的氫氣可以被稀釋到可燃下限濃度或更低，并且所述燃料電池系統(tǒng)的廢熱可被用于加熱車輛的車廂。此外，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池車輛的加熱設(shè)備中，可以原樣使用具有簡單配置的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)，因為在風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)中，陰極排氣被直接引入到需要被加熱的車輛的車廂中。此外，在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池車輛的加熱設(shè)備中，陰極排氣通道分叉為用于加熱的通道和用于稀釋清洗的氫的通道，因此，可以防止陽極排氣中的排出的氫氣進(jìn)入需要被加熱的車輛的車廂內(nèi)部。


圖I是燃料電池車輛的加熱設(shè)備的框圖。(實施例I)圖2是燃料電池車輛的加熱設(shè)備的流程圖。(實施例I)圖3是燃料電池車輛的加熱設(shè)備的框圖。(實施例2)圖4是調(diào)節(jié)燃料電池車輛的加熱設(shè)備的加熱空氣的流量的流程圖。(實施例2)圖5是調(diào)節(jié)燃料電池車輛的加熱設(shè)備的吹出空氣溫度的流程圖。(實施例2)圖6是燃料電池車輛的加熱設(shè)備的框圖。(變形例)圖7是燃料電池的電池的截面圖。圖8是水冷式燃料電池系統(tǒng)的框圖。(現(xiàn)有技術(shù))圖9是風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)的框圖。(現(xiàn)有技術(shù))
具體實施例方式下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施方式的實施例。實施例I圖I和圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例I。在圖I中，附圖標(biāo)記I表示安裝在燃料電池車輛上的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)。在包括上文所述的通過堆疊許多個被稱為電池的最小結(jié)構(gòu)單元而形成的燃料電池2的燃料電池系統(tǒng)I中，通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，并且與該電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)地產(chǎn)生水。在燃料電池系統(tǒng)I中，存儲在高壓氫罐3中的壓縮氫氣的壓力通過插入在陽極進(jìn)氣通道4中的減壓閥5減小之后，該壓縮氫氣被引入到燃料電池2的陽極進(jìn)氣部6中。另一方面，在燃料電池系統(tǒng)I中，通常不設(shè)置在水冷式燃料電池系統(tǒng)中設(shè)置的用于提供陰極進(jìn)入空氣的高壓壓縮機(jī)，并且穿過過濾器7引入到陰極進(jìn)氣通道8中的外部空氣通過低壓供氣扇(鼓風(fēng)機(jī))9提供給燃料電池2的陰極進(jìn)氣部10。提供給陰極進(jìn)氣部10的空氣不僅在燃料電池2中堆疊的許多電池中的發(fā)電反應(yīng)中被用作與氫反應(yīng)的反應(yīng)氣體，而且還起到去除燃料電池2中的廢熱的作用，從而冷卻燃料電池2。與氫反應(yīng)之后的空氣和冷卻燃料電池2之后的空氣從燃料電池2的陰極排氣部11排出到陰極排氣通道12中，從而被排放到外部空氣。從燃料電池2的陽極排氣部13排出的陽極排氣被引入到陽極排氣通道14中。中間插入有清洗閥15的陽極排氣通道14連接到陰極排氣通道12。陽極排氣通道14的陽極排氣經(jīng)由清洗閥15混入到陰極排氣通道12的陰極排氣中。當(dāng)陽極側(cè)的氫氣被清洗時，排出的氫氣被陰極側(cè)排氣稀釋到可燃下限濃度或更低，從而被排放到外部空氣。
該燃料電池車輛包括使用燃料電池系統(tǒng)I的廢熱的加熱設(shè)備16。在加熱設(shè)備16中，設(shè)置有在陰極排氣通道12的分支點(diǎn)17處分叉的分支通道18，并且在分支通道18中插入有調(diào)節(jié)閥19。分支通道18允許陰極排氣通道12經(jīng)由調(diào)節(jié)閥19與車輛的車廂內(nèi)部連通。在加熱設(shè)備16中，陰極排氣通道12的陰極排氣經(jīng)由分支通道18引導(dǎo)到車輛的車廂，從而被用于加熱車廂內(nèi)部。陽極排氣通道14在分支點(diǎn)17的下游側(cè)連接到陰極排氣通道12，并且用于稀釋陽極排氣中的排出的氫氣。調(diào)節(jié)閥19連接到加熱設(shè)備16的控制部20。加熱請求輸入裝置21連接到控制部20，在加熱請求輸入裝置21中通過操作者的操作來輸入加熱請求的存在或不存在以及所需的熱量?；诩訜嵴埱筝斎胙b置21中的輸入，控制部20對插入在分支通道18中的調(diào)節(jié)閥19進(jìn)行無級打開和關(guān)閉控制。如圖2中所示，在該燃料電池車輛的加熱設(shè)備16中，當(dāng)控制部20開始控制時(AOl)，控制部20確定在加熱請求輸入裝置21中是否輸入有加熱請求(A02)。當(dāng)確定(A02)為“是(YES)”時，控制部20根據(jù)加熱請求(A03)無級調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥19的開度，并且返回到“開始(START)”(AOl)。當(dāng)確定(A02)為“否(NO) ”時，控制部20關(guān)閉調(diào)節(jié)閥19(A04)，并且返回到“開始(START) ”(A01)。注意，當(dāng)在加熱請求輸入裝置21中取消了加熱請求時，控制部20關(guān)閉調(diào)節(jié)閥19，從而結(jié)束該控制。這樣，在該燃料電池車輛的加熱設(shè)備16中，設(shè)置有分支通道18，其從陰極排氣通道12的分支點(diǎn)17分叉，并且將從燃料電池2排出的空氣提供給車輛的車廂，并且陽極排氣通道14在分支點(diǎn)17的下游側(cè)連接到陰極排氣通道12。從而，在加熱設(shè)備16中，陽極排氣中的排出的氫氣被稀釋到至多為可燃下限濃度，并且燃料電池系統(tǒng)I的廢熱可被用于加熱車輛的車廂。此外，在加熱設(shè)備16中，可以原樣使用具有簡單配置的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)1，因為在風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)I中，陰極排氣被直接引入到需要被加熱的車輛的車廂中。此外，在加熱設(shè)備16中，陰極排氣通道分叉為用于加熱的通道和用于稀釋清洗的氫的通道，因此可以防止陽極排氣中的排出的氫氣被引入到需要被加熱的車輛的車廂中。此外，在加熱設(shè)備16中，在分支通道18中插入有調(diào)節(jié)閥19，并且調(diào)節(jié)閥19的開度可以根據(jù)請求的加熱量而改變，從而改變陰極排氣的流量。因此，可以根據(jù)需求的加熱量而獲得陰極排氣的流量。注意，在加熱設(shè)備16中，用于檢測氫濃度的氫傳感器22設(shè)置在車輛的車廂中，從而連接到控制部20。因此，當(dāng)氫傳感器22檢測到氫泄漏時，控制部20進(jìn)行控制以完全關(guān)閉調(diào)節(jié)閥19，以這種方式可以防止氫氣泄漏到需要被加熱的車輛的車廂中。實施例2圖3至圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施例2。與冷卻了水冷式燃料電池系統(tǒng)的燃料電池之后冷卻水的熱量相比，冷卻了上述實施例I的燃料電池系統(tǒng)I的燃料電池2之后排氣的熱量小，因此，在許多情況下，不足以作為用于加熱車輛的車廂內(nèi)部的熱源。因此，在上述實施例I中，排氣的熱量可能變得不足以加熱車輛的車廂內(nèi)部。在實施例2中，在實施例I中加熱不足的情況下的加熱性能被改進(jìn)。在圖3中，附圖標(biāo)記101表示安裝在燃料電池車輛上的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)。實施例2的燃料電池系統(tǒng)101包括通過堆疊許多個稱為電池的最小結(jié)構(gòu)單元而形成的燃料電池102。在燃料電池系統(tǒng)101中，存儲在高壓氫罐103中的壓縮氫氣的壓力被插入在陽極進(jìn)氣通道104中的減壓閥105減小之后，該壓縮氫氣被引入到燃料電池102的陽極進(jìn)氣部106中。另一方面，在燃料電池系統(tǒng)101中，通常不設(shè)置在水冷式燃料電池系統(tǒng)中設(shè)置的用于提供陰極進(jìn)入空氣的高壓壓縮機(jī)，并且穿過過濾器107而引入到陰極進(jìn)氣通道108中的外部空氣通過低壓供氣扇(鼓風(fēng)機(jī))109提供給燃料電池102的陰極進(jìn)氣部110。提供給陰極進(jìn)氣部110的空氣不僅在燃料電池102中堆疊的許多電池中的發(fā)電反應(yīng)中被用作與氫反應(yīng)的反應(yīng)氣體，而且還起到去除燃料電池102中的廢熱的作用，從而冷卻燃料電池102。與氫反應(yīng)之后的空氣和冷卻燃料電池102之后的空氣從燃料電池102的陰極排氣部111排出到陰極排氣通道112中，從而被排放到外部空氣。從燃料電池102的陽極排氣部113排出的陽極排氣被引入到陽極排氣通道114中。其中插入有清洗閥115的陽極排氣通道114連接到陰極排氣通道112。陽極排氣通道114的陽極排氣經(jīng)由清洗閥115混入到陰極排氣通道112的陰極排氣中。當(dāng)陽極側(cè)的氫氣被清洗時，排出的氫氣被陰極側(cè)排氣稀釋到可燃下限濃度或更低，從而被排放到外部空氣。該燃料電池車輛包括使用燃料電池系統(tǒng)101的廢熱的加熱設(shè)備116。在實施例2的加熱設(shè)備116中，設(shè)置有在陰極排氣通道112的分支點(diǎn)117處分叉的分支通道118，并且在分支通道118中插入有調(diào)節(jié)閥119。分支通道118使陰極排氣通道112經(jīng)由調(diào)節(jié)閥119與車輛的車廂內(nèi)部連通。在加熱設(shè)備116中，陰極排氣通道112的陰極排氣經(jīng)由分支通道118被引導(dǎo)到車輛的車廂，從而被用于加熱車廂內(nèi)部。陽極排氣通道114在分支點(diǎn)117的下游側(cè)連接到陰極排氣通道112，并且被用于稀釋陽極排氣中的排出的氫氣。此外，在加熱設(shè)備116中，向外部空氣打開的外部空氣通道121在調(diào)節(jié)閥119的下游側(cè)連接到分支通道118的接合部120。在外部空氣通道121上設(shè)置有用于引入外部空氣的壓入風(fēng)扇122。外部空氣通道121允許風(fēng)扇122引入的外部空氣經(jīng)由接合部120而引入到分支通道118中，使得引入的外部空氣與已經(jīng)穿過調(diào)節(jié)閥119的陰極排氣混合，從而被引入到車輛的車廂內(nèi)。此外，在加熱設(shè)備116中，在接合部120的下游側(cè)的分支通道118設(shè)置有電加熱器123，如PTC加熱器，其被用作輔助熱源。調(diào)節(jié)閥119、風(fēng)扇122和電加熱器123連接到加熱設(shè)備116的控制部124?？刂撇?24連接到用于檢測從分支通道118吹出到車輛的車廂內(nèi)部的空氣流量的空氣流量檢測裝置125、用于檢測從分支通道118吹出到車輛的車廂內(nèi)部的空氣溫度的空氣溫度檢測裝置126和用于根據(jù)操作者的操作而輸入加熱請求的存在或不存在以及所需熱量的加熱請求輸入裝置127?？諝饬髁繖z測裝置125和空氣溫度檢測裝置126設(shè)置在車輛的車廂中的分支通道118的加熱吹出部128?？刂撇?24比較由空氣流量檢測裝置125檢測到的實際空氣流量與基于加熱請求輸入裝置127設(shè)定的所需加熱量的目標(biāo)空氣流量?？刂撇?24根據(jù)比較結(jié)果改變調(diào)節(jié)閥119的開度和風(fēng)扇122的轉(zhuǎn)數(shù)。此外，控制部124比較由空氣溫度檢測裝置126檢測到的實際空氣溫度與基于加熱請求輸入裝置127設(shè)定的所需加熱量的目標(biāo)空氣溫度。控制部124根據(jù)比較結(jié)果改變提供給電加熱器123的電流。該燃料電池車輛的加熱設(shè)備116如圖4中所示調(diào)節(jié)用于加熱的空氣流量，并且如圖5中所示調(diào)節(jié)加熱的吹出空氣溫度。這些類型的控制由控制部124并行處理如下。如圖4中所示，在調(diào)節(jié)用于加熱的空氣流量時，當(dāng)控制部124開始控制以調(diào)節(jié)用于加熱的空氣流量時(BOl)，控制部124確定是否通過加熱請求輸入裝置127輸入加熱請求(B02)。當(dāng)確定(B02)為“是(YES)”時，控制部124確定實際空氣流量是否小于目標(biāo)空氣流量(B03)。當(dāng)確定(B03)為“是(YES) ”時，控制部124確定調(diào)節(jié)閥119是否完全打開(B04)。當(dāng)確定(B04)為“否(NO)”時，控制部124逐漸打開調(diào)節(jié)閥119(B05)，并且返回到“開始(START) ” (BOl) (B06)。當(dāng)確定(B04)為“是(YES) ”時，控制部124逐漸增加風(fēng)扇122的轉(zhuǎn)數(shù)(B07)，并且返回至IJ “開始(START) ” (BOl) (B08)。另一方面，當(dāng)確定(B03)為“否(NO)”時，控制部124確定風(fēng)扇122是否停止(B09)。當(dāng)確定(B09)為“是(YES)”時，控制部124逐漸關(guān)閉調(diào)節(jié)閥119 (BlO)，并且返回到“開始(START) ” (BOl) (Bll)。當(dāng)確定(B09)為“否(NO) ”時，控制部124逐漸減小風(fēng)扇122的轉(zhuǎn)數(shù)(B12)，并且返回至IJ “開始(START) ” (BOl) (B13)。另一方面，當(dāng)確定(B02)為“否(NO)”時，控制部124停止電加熱器123 (B14)，停止風(fēng)扇122(B15)，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥119 (B16)，并且返回到“開始(START)” (BOl) (B17)。這樣，當(dāng)檢測到加熱請求時，加熱設(shè)備116的控制部124比較由設(shè)置在車輛的車廂中的分支通道118的加熱吹出部128處的空氣流量檢測裝置125測得的實際空氣流量與基于操作者的請求由加熱請求輸入裝置127輸入的目標(biāo)空氣流量。在測得的空氣流量小于目標(biāo)空氣流量的情況下，當(dāng)調(diào)節(jié)閥119沒有完全打開時，控制部124通過逐漸打開調(diào)節(jié)閥119增加供應(yīng)空氣的流量。即使在調(diào)節(jié)閥119被完全打開的情況下，當(dāng)空氣流量仍不足時，控制部124通過逐漸增加風(fēng)扇122的轉(zhuǎn)數(shù)來增加空氣流量。與之相比，在實際空氣流量大于目標(biāo)空氣流量的情況下，當(dāng)風(fēng)扇122旋轉(zhuǎn)時，控制部124進(jìn)行控制以逐漸減小風(fēng)扇122的轉(zhuǎn)數(shù)，并且當(dāng)風(fēng)扇122停止時，控制部124進(jìn)行控制以通過逐漸關(guān)閉調(diào)節(jié)閥119來使實際空氣流量符合目標(biāo)空氣流量。當(dāng)加熱請求輸入裝置127沒有輸入加熱請求時，控制部124進(jìn)行控制以停止電加熱器123和風(fēng)扇122，并且關(guān)閉調(diào)節(jié)閥119。因此，該燃料電池車輛的加熱設(shè)備116可以根據(jù)提供到需要被加熱的車輛的車廂內(nèi)的目標(biāo)空氣流量而改變提供到該車輛的車廂內(nèi)的空氣流量。注意，空氣流量檢測裝置125設(shè)置在加熱吹出部128處，但是當(dāng)可以從風(fēng)扇122的轉(zhuǎn)數(shù)或者從燃料電池系統(tǒng)101的操作狀態(tài)估計出提供到車輛的車廂內(nèi)的空氣流量時，可以省略空氣流量檢測裝置125。此外，在調(diào)節(jié)用于加熱的吹出空氣溫度時，如圖5中所示，當(dāng)控制部124開始控制以調(diào)節(jié)加熱的吹出空氣溫度時(COl)，控制部124確定加熱請求輸入裝置127是否輸入加熱請求(C02)。當(dāng)確定(C02)為“是(YES)”時，控制部124確定實際空氣溫度是否低于目標(biāo)空氣溫度(C03)。當(dāng)確定(C03)為“是(YES) ”時，控制部124逐漸增加提供給電加熱器123的電流(C04)，并且返回到“開始(START) ” (COl) (C05)。當(dāng)確定(C03)為“否(NO) ”時，控制部124逐漸減小提供給電加熱器123的電流(C06)，并且返回到“開始(START) ” (COl) (C07)。另一方面，當(dāng)確定(C02)為“否(NO)”時，控制部124停止電加熱器123(C08)，停止風(fēng)扇122(C09)，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥119 (ClO)，并且返回到“開始(START)” (COl) (Cll)0這樣，當(dāng)檢測到加熱請求時，加熱設(shè)備116的控制部124比較由設(shè)置在加熱吹出部128處的空氣溫度檢測裝置126測得的實際空氣溫度與基于操作者的請求由加熱請求輸入裝置127輸入的目標(biāo)空氣溫度。當(dāng)實際空氣溫度低于目標(biāo)空氣溫度時，控制部124通過逐漸增加提供給電加熱器123的電流來增加吹出空氣的溫度。與之相比，當(dāng)實際空氣溫度高于目標(biāo)空氣溫度時，控制部124通過逐漸減小提供給電加熱器123的電流來減小吹出空氣的溫度。當(dāng)加熱請求輸入裝置127沒有輸入加熱請求時，控制部124進(jìn)行控制以停止電加熱器123和風(fēng)扇122，并且關(guān)閉調(diào)節(jié)閥119。從而，燃料電池車輛的加熱設(shè)備116可以根據(jù)提供到需要被加熱的車輛的車廂中的空氣的目標(biāo)溫度來改變吹出空氣的溫度。在此描述燃料電池系統(tǒng)101的陰極排氣。如上文所述，燃料電池系統(tǒng)101的陰極排氣包含與氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)聯(lián)而產(chǎn)生的水汽，并因此具有比進(jìn)入的空氣的濕度相對高的濕度。因此，當(dāng)在冬天或者在陰雨天氣期間進(jìn)行加熱時，有可能在車輛的車廂中發(fā)生車窗諸如前車窗起霧。為了解決該問題，在實施例2的燃料電池車輛的加熱設(shè)備116中，控制部124進(jìn)行如下控制。即，在加熱設(shè)備116中，設(shè)置有用于檢測車輛的車廂的前車窗的起霧的車窗起霧檢測裝置129，并且該車窗起霧檢測裝置129連接到控制部124。當(dāng)車窗起霧檢測裝置129檢測到前車窗起霧時，控制部124通過使調(diào)節(jié)閥119的開度小于預(yù)先設(shè)定的開度來減小陰極排氣的量，從而增加由風(fēng)扇122引入的外部空氣的量。這樣，在加熱設(shè)備116中，當(dāng)車窗起霧檢測裝置129檢測到前車窗起霧時，并且當(dāng)起霧檢測信號被發(fā)送到控制部124時，控制部124將調(diào)節(jié)閥119的最大開度限制到某特定閾值。當(dāng)調(diào)節(jié)閥119的最大開度被設(shè)定為基于加熱設(shè)備116的管徑、燃料電池102中排氣的流量與由風(fēng)扇122提供的進(jìn)入空氣的流量之間的關(guān)系等而定義的閾值時，燃料電池102中陰極排氣流量的最大值被減小。因此，作為具有低溫度并且由風(fēng)扇122提供的外部空氣的進(jìn)入空氣的流量相對增加，從而可以消除前車窗的起霧。注意，還可以配置為使得當(dāng)乘員視覺上確認(rèn)了前車窗的起霧時，根據(jù)乘員對開關(guān)等進(jìn)行的操作，要被輸入到控制部124的起霧檢測信號被發(fā)送到控制部124。此外，在實施例2的加熱設(shè)備116中，用于檢測氫濃度的氫傳感器130設(shè)置在車輛的車廂中，從而連接到控制部124，并且當(dāng)氫傳感器130檢測到氫泄漏時，控制部124進(jìn)行控制以完全關(guān)閉調(diào)節(jié)閥119，以這種方式可以防止氫氣泄漏到需要被加熱的車輛的車廂中。注意，在實施例2的燃料電池車輛的加熱設(shè)備116中，用于引入外部空氣的壓入風(fēng)扇122設(shè)置在電加熱器123的前級的外部空氣通道121處，但是如圖6中所示，還可以設(shè)置進(jìn)氣風(fēng)扇131在電加熱器123的后級的分支通道118處。此外，在實施例2的燃料電池車輛的加熱設(shè)備116中，與上文所述的實施例I類似，設(shè)置有分支通道118，分支通道118從陰極排氣通道112的分支點(diǎn)117分叉，并且將從燃料電池102排出的空氣提供給車輛的車廂，并且陽極排氣通道114在分支點(diǎn)117的下游側(cè)接合到陰極排氣通道112。因此，陽極排氣中的排出的氫氣可被稀釋到可燃下限濃度或更低，并且燃料電池系統(tǒng)I的廢熱可被用于加熱車輛的車廂。此外，在實施例2的加熱設(shè)備116中，與上文所述的實施例I類似，可以原樣使用具有簡單配置的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)101，因為在風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)101中，陰極排氣被直接引入到需要被加熱的車輛的車廂中。此外，在實施例2的加熱設(shè)備116中，陰極排氣通道被分叉為用于加熱的通道和用于稀釋清洗的氫的通道，因此可以防止陽極排氣中的排出的氫氣進(jìn)入到需要被加熱的車輛的車廂內(nèi)部。此外，在實施例2的加熱設(shè)備116中，在分支通道118中插入有調(diào)節(jié)閥119，并且調(diào)節(jié)閥119的開度可以根據(jù)所需的加熱量而改變，從而改變陰極排氣的流量。因此，可以根據(jù)所需的加熱量獲得陰極排氣的流量。工業(yè)h的可利用件本發(fā)明涉及安裝在燃料電池車輛上的燃料電池系統(tǒng)的加熱設(shè)備，但是本發(fā)明還可以應(yīng)用于使用固定類型的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)，諸如住宅用的風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)的室內(nèi)加熱。附圖標(biāo)記說明I燃料電池系統(tǒng)2燃料電池3高壓氫罐4陽極進(jìn)氣通道5減壓閥6陽極進(jìn)氣部7過濾器8陰極進(jìn)氣通道9供氣扇10陰極進(jìn)氣部11陰極排氣部12陰極排氣通道13陽極排氣部14陽極排氣通道15清洗閥16加熱設(shè)備17分支點(diǎn)18分支通道19調(diào)節(jié)閥20控制部21加熱請求輸入裝置
權(quán)利要求
1.一種燃料電池車輛的加熱設(shè)備，該燃料電池車輛包括燃料電池，其用于通過氧和氫的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力；陰極排氣通道，通過該陰極排氣通道將引入的外部空氣提供給所述燃料電池的陰極電極用于發(fā)電反應(yīng)并排出從所述燃料電池排出的空氣；以及陽極排氣通道，通過該陽極排氣通道將所述氫從所述燃料電池排出， 所述加熱設(shè)備包括 分支通道，其從所述陰極排氣通道的分支點(diǎn)分叉，并且將從所述燃料電池排出的空氣提供給車輛的車廂， 其中所述陽極排氣通道在所述分支點(diǎn)的下游側(cè)接合到所述陰極排氣通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池車輛的加熱設(shè)備，進(jìn)一步包括 調(diào)節(jié)閥，其插入在所述分支通道中， 其中所述調(diào)節(jié)閥的開度根據(jù)需要的加熱量改變，以改變陰極排氣的流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池車輛的加熱設(shè)備，進(jìn)一步包括 氫傳感器，其用于測量所述車輛的車廂中提供的氫濃度， 其中當(dāng)所述氫傳感器檢測到氫泄漏時，所述調(diào)節(jié)閥被完全關(guān)閉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃料電池車輛的加熱設(shè)備，進(jìn)一步包括 風(fēng)扇，其用于引入外部空氣； 通道，其用于將所述風(fēng)扇引入的外部空氣與已經(jīng)穿過所述調(diào)節(jié)閥的陰極排氣混合，并且將所混合的氣體引入到所述車輛的車廂中；以及 空氣流量檢測裝置，其用于檢測引入到所述車輛的車廂中的空氣的流量， 其中將所述空氣流量檢測裝置檢測到的實際空氣流量與基于所需加熱量的目標(biāo)空氣流量進(jìn)行比較，并且根據(jù)該比較結(jié)果改變所述調(diào)節(jié)閥的開度和所述風(fēng)扇的轉(zhuǎn)數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池車輛的加熱設(shè)備，進(jìn)一步包括 車窗起霧檢測裝置，其用于檢測前車窗的起霧， 其中當(dāng)所述車窗起霧檢測裝置檢測到所述前車窗的起霧時，所述調(diào)節(jié)閥的開度被設(shè)定為小于預(yù)先設(shè)定的開度，從而增加所述風(fēng)扇引入的外部空氣量。
全文摘要
本發(fā)明公開一種燃料電池車輛的加熱設(shè)備，該燃料電池車輛包括燃料電池，其用于通過氧和氫的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力；陰極排氣通道，通過該陰極排氣通道將引入的外部空氣提供給所述燃料電池的陰極電極用于發(fā)電反應(yīng)并排出從所述燃料電池排出的空氣；以及陽極排氣通道，通過其將氫從所述燃料電池排出，所述加熱設(shè)備的特征在于包括分支通道，其從所述陰極排氣通道的分支點(diǎn)分叉，并且將從所述燃料電池排出的空氣提供給車輛的車廂，并且所述陽極排氣通道在所述分支點(diǎn)的下游側(cè)接合到所述陰極排氣通道。因此，燃料電池的陽極排氣中的排氣氫氣稀釋到不高于可燃下限的濃度，所述燃料電池系統(tǒng)的廢熱被使用，風(fēng)冷式燃料電池系統(tǒng)可以按原樣使用來加熱車輛的車廂內(nèi)部。
文檔編號H01M8/06GK102985270SQ201180031018
公開日2013年3月20日 申請日期2011年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者池谷謙吾 申請人:鈴木株式會社