CN101322271B - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够在抑制冲流的发生的同时加热燃料电池。控制设备(90)通过短路继电器(81)切换在燃料电池(40)和短路(80)之间的连接/断开。在低温下起动期间将短路继电器(81)从断开切换到连接之前，控制设备(90)通过驱动辅助设备来消耗在燃料电池(40)的阴极中残留的氧化气体，以产生氧化气体不足状态。然后，控制设备(90)将FC继电器(61)从开切换到关，并将短路继电器(81)从关切换到开，由此完成用于供给短路电流的准备。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
通常，与另一种电源相比，燃料电池在低温下具有不良起动性能。随着温度降低，这种燃料电池的发电效率降低。当温度较低时，不能供给期望的电压/电流，并且设备有时不能被起动。
鉴于这种情况，披露了一种技术，其中在连接到系统负载的燃料电池的输入端子和输出端子(输入/输出端子)之间构成短路，并且在低温起动期间，燃料电池通过使用继电器等被连接到短路，以向燃料电池主体供给短路电流，由此由燃料电池自身产生热以加热燃料电池(例如，见专利文献1)。
[专利文献1]日本专利申请特开2005-93143
发明内容
然而，在对发电作出贡献的气体(氧化气体和燃料气体；在下面统称为“反应气体”)即使在低温起动期间也残留在燃料电池中的情形中，当燃料电池被连接到短路时，冲流产生并流过燃料电池主体，由此出现燃料电池破损等的问题。
鉴于上述情形，已经研制出本发明，并且其目的在于提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够在抑制冲流的发生的同时加热燃料电池。
为了解决上述问题，根据本发明的燃料电池系统的特征在于包括：燃料电池；连接到所述燃料电池的负载；设置在从所述燃料电池到所述负载的输入端子和输出端子之间的短路；和控制装置，用于减少在所述燃料电池中残留的反应气体，然后将所述燃料电池连接到所述短路。
根据这种构造，在燃料电池中残留的反应气体减少，然后燃料电池被连接到短路，从而能够抑制在反应气体残留的燃料电池被连接的情形中产生的问题即发生冲流从而损坏燃料电池的问题。
这里，在以上的构造中，一种结构是优选的，其中所述控制装置允许所述燃料电池发电并消耗在所述燃料电池中残留的所述反应气体，由此减少所述反应气体。而且，一种结构是优选的，该结构还包括用于探测所述燃料电池的输出电压的传感器，其中所述控制装置基于所述传感器的探测结果停止所述燃料电池的发电，然后将所述燃料电池连接到所述短路。进而，一种结构是进一步优选的，其中所述反应气体包括被供给到所述燃料电池的阳极的燃料气体和被供给到阴极的氧化气体，并且所述控制装置至少减少所述氧化气体。
另外，在以上的构造中，一种结构是优选的，该结构还包括用于将非活性气体供给到所述燃料电池的非活性气体供给装置，其中所述控制装置将所述非活性气体供给到所述燃料电池以减少在所述燃料电池中残留的所述反应气体。而且，一种结构是优选的，该结构还包括用于探测所述燃料电池的输出电压的传感器，其中所述控制装置基于所述传感器的探测结果停止所述非活性气体的供给，然后将所述燃料电池连接到所述短路。
进而，在以上的构造中，一种结构是优选的，其中所述反应气体包括被供给到所述燃料电池的阳极的燃料气体和被供给到阴极的氧化气体，并且所述控制装置将所述燃料气体供给到所述阳极以引起所述燃料气体从所述阳极到所述阴极的交叉泄露，由此减少所述氧化气体。而且，一种结构是优选的，该结构还包括用于探测所述燃料电池的输出电压的传感器，其中所述控制装置基于所述传感器的探测结果停止所述燃料气体的供给，然后将所述燃料电池连接到所述短路。进而，一种结构是优选的，该结构还包括调节装置，所述调节装置用于将所述燃料电池连接到所述短路，然后根据目标短路电流调节所述氧化气体的供给。
如上所述，根据本发明，能够在抑制冲流的发生的同时加热燃料电池。
附图说明
图1是示出根据第一实施例的燃料电池系统的主要部分的构造的图表；
图2A是示出用于连接传统的短路继电器的方法的图表；
图2B是示出用于连接传统的短路继电器的方法的图表；
图2C是示出用于连接传统的短路继电器的方法的图表；
图3A是示出用于连接根据本发明的短路继电器的方法的图表；
图3B是示出用于连接根据本发明的短路继电器的方法的图表；
图3C是示出用于连接根据本发明的短路继电器的方法的图表；
图4是示出根据第一实施例的预处理的流程图；
图5是示出根据第二实施例的燃料电池系统的主要部分的构造的图表；
图6是示出根据第二实施例的预处理的流程图；和
图7是示出根据第三实施例的预处理的流程图。
具体实施方式
在下面参考附图将描述根据本发明的实施例。
A.第一实施例
图1是示出根据第一实施例的燃料电池系统100的主要部分的构造的图表。在本实施例中，假设一种将被安装在车辆例如燃料电池混合动力车辆(FCHV)、电动车或者混合动力车辆的燃料电池系统，但是该系统可不仅被应用于车辆，而且可被用于任何类型的移动体(例如，船、飞机、机器人等)或者固定电源。
燃料电池40是用于利用供给的反应气体(燃料气体和氧化气体)发电的装置，并且可使用任何类型例如固体聚合物类型、磷酸盐类型或者溶解碳酸盐类型的燃料电池。燃料电池40具有层叠结构，其中包括MEA等的多个单体电池以串联方式被层压，并且燃料电池40设有用于探测每个电池电压的电池电压监视器(传感器)50。
燃料气体例如氢气从燃料气体供给源10被供给到燃料电池40的燃料极(阳极)，而氧化气体例如空气从氧化气体供给源70被供给到氧极(阴极)。
燃料气体供给源10由例如氢罐、各种阀门等构成，并且阀门开度、开/关时间等被调节以控制被供给到燃料电池40的燃料气体的量。
氧化气体供给源70由例如空气压缩机、用于驱动空气压缩机的马达、逆变器等构成，并且马达的旋转数目等被调节以调节被供给到燃料电池40的氧化气体的量。
系统负载60包括利用从燃料电池或者任何类型的二次电池(例如，镍氢电池等；未示出)供给的电力驱动的车辆辅助设备和FC辅助设备。经由FC继电器61在燃料电池40的输入端子41和输出端子42之间连接系统负载60。FC继电器61由控制设备90控制以切换在燃料电池40和系统负载60之间的连接/断开。注意到车辆辅助设备是用于运行车辆等的任何类型的动力设备(照明设备、空气调节设备、液压泵等)，并且FC辅助设备是用于操作燃料电池40的任何类型的动力设备(用于供给燃料气体或者氧化气体的泵等)。
短路80是一种用于向燃料电池40供给短路电流的电路，并且设于燃料电池40的输入端子41和输出端子42之间(在输入端子和输出端子之间)。通过串联连接短路继电器81、保险丝82和电流传感器83构成短路80。短路继电器81由控制设备90控制以切换在燃料电池40和短路80之间的连接/断开。保险丝82在短路继电器81发生故障期间实现故障安全。当由于发生冲流等电流(短路电流)过大地流过短路80时，保险丝自身熔化以阻电气断开流，由此保护燃料电池40。电流传感器83探测流过短路80的电流，并且将探测结果输出到控制设备90。
控制设备(控制装置)90由CPU、ROM、RAM等构成，并且基于每一输入传感器信号对系统的单元实施中央控制。而且，例如，在输入系统的起动指令并且利用温度传感器555测量的温度低于基准温度时，控制设备90执行如下所述的预处理，然后连接短路继电器81以向燃料电池40供给短路电流，由此执行控制从而升高燃料电池40中的温度。
图2A到2C是示出用于连接传统的短路继电器的方法的图表，并且图3A到3C是示出用于连接根据本发明的短路继电器的方法的图表。图2A和3A示出残留氧化气体的量，图2B和3B示出短路继电器的连接/断开的切换定时，并且图2C和3C是示出流过燃料电池40的电流(FC电流)的图表。
如图2A到2C所示，当在其中氧化气体残留于燃料电池40的阴极中的状态中，短路继电器从断开切换到连接(从关到开)时，在继电器连接期间产生冲流Cr，并且电流流过燃料电池40从而引起断路等。
为了解决该问题，在本发明中，如图3A到3C所示，在将短路继电器从断开切换到连接之前，驱动辅助设备，由此残留在燃料电池40的阴极中的氧化气体被消耗以形成氧化气体不足状态(在下面被称为预处理)。因此，形成氧化气体不足状态，然后短路继电器被连接以供给通过燃料电池40的短路电流，由此燃料电池可被加热同时抑制冲流的发生。
在下面参考附图将详细描述根据本发明的预处理。
图4是示出预处理的流程图。
在从操作开关(未示出)接收到系统的起动指令时，控制设备90判定温度传感器55测量的燃料电池40的温度(在下面被称为FC温度)是否低于设定的基准温度(步骤S1→步骤S2)。当FC温度超过基准温度时(步骤S2；NO)，控制设备90结束处理而不执行多个步骤。在另一方面，当FC温度低于基准温度时(步骤S2；YES)，控制设备90允许燃料电池40发电，并且开始驱动辅助设备从而消耗(减少)在燃料电池40的阴极中残留的氧化气体。具体地，停止向燃料电池40的阴极的氧化气体的供给，而足量的燃料气体被供给到燃料电池40的阳极，由此燃料电池40发电，并且开始辅助设备的驱动。当然，并非驱动辅助设备，可在二次电池例如蓄电池或者电容器(均未示出)中积累所产生的电力。
控制设备90前进到步骤S4以判定氧化气体不足状态是否已经形成。特别地，探测由电池电压监视器(传感器)50探测到的每一电池电压是否降低到预定值(例如，大约0V)。在其中每一电池电压降低到预定值的情形中，判定氧化气体不足状态已经形成。在另一方面，当每一电池电压未降低到预定值时，判定氧化气体不足状态并未形成。
在判定氧化气体不足状态未形成的情形中(步骤S4；NO)，控制设备90返回到步骤S3以继续驱动辅助设备。在另一方面，在判定氧化气体不足状态已经形成的情形中(步骤S4；YES)，控制设备90停止辅助设备的驱动，并且将FC继电器61从开切换到关，由此燃料电池40从系统负载60电气断开(步骤S5→步骤S6)。进而，控制设备90将短路继电器81从关切换到开以将燃料电池40电连接到短路80(步骤S7)，并且准备短路电流的供给，由此结束处理。
当执行这种预处理时，控制设备90供给燃料气体和氧化气体，并且允许燃料电池40开始发电。结果，短路电流流过从自身发热的燃料电池40，并且加热燃料电池40。注意到可根据燃料电池40的加热温度适当地设定短路电流的电流值，供给短路电流的时间等。而且，短路电流的电流值可被控制从而由电流传感器83探测的电流值为预定值(目标电流值等；在下面被称为目标短路电流值)。特别地，控制设备(调节装置)90从电流传感器83探测的电流值和目标短路电流值获得所需的氧化气体的量，并且可控制空气压缩机等的驱动从而所得量的氧化气体被供给到燃料电池40。
进而，短路80设有保险丝82，从而即使当在电流传感器83等中发生异常并且过大电流流过短路80时，也可防止电流流过燃料电池40。
如上所述，根据本实施例，在燃料电池的阴极中残留的氧化气体被消耗以形成氧化气体不足状态，然后短路继电器被连接以向燃料电池供给短路电流，由此燃料电池可被加热同时抑制冲流的发生。
在以上的实例中，已经描述了其中形成氧化气体不足状态，然后短路电流被供给到燃料电池的情形，但是相反(或者另外)，氧化气体不足状态形成，然后短路电流可被供给到燃料电池。然而，当燃料电池40在燃料气体不足状态中发电时，燃料电池40的MEA等被损坏。在另一方面，通过实验确认当燃料电池40在氧化气体不足状态中发电时，MEA等不被损坏。因此，优选的是形成氧化气体不足状态并且然后短路电流被供给到燃料电池。
B.第二实施例
在以上的第一实施例中，已经描述了其中在阴极中残留的氧化气体被消耗以形成氧化气体不足状态的情形。在第二实施例中，将描述这样一种情形，其中供给非活性气体并且在阴极中残留的氧化气体被推出以形成氧化气体不足状态。
图5是示出根据第二实施例的燃料电池系统100′的构造的图表。
在燃料电池系统100′中，示于图1中的燃料电池系统100设有非活性气体供给源110和三通阀120。因此，相应于图1的部分利用相同的附图标记标注，并且省却其详细说明。
非活性气体供给源(非活性气体供给装置)110是用于供给非活性气体例如N2气体的装置，并且由充有非活性气体的高压罐、泵等构成。
三通阀120设于氧化气体供给路径中，并且被控制设备90控制以切换被供给到燃料电池40的气体。特别地，三通阀120被控制以切换向燃料电池40的阳极的氧化气体或者非活性气体的供给。
图6是示出根据第二实施例的预处理的流程图。注意在示于图6中的流程中，不同于示于图4中的步骤S3，S5，提供步骤S13，S15。因此，其它步骤利用相同的附图标记标注，并且省却其详细说明。
在控制设备90判定FC温度低于基准温度时(步骤S2；YES)，三通阀120被切换为开始向燃料电池40的阴极供给非活性气体从而推出(减少)在燃料电池40的阴极中残留的氧化气体(步骤S13)。
当控制设备90前进到步骤S4时，判定是否已经通过利用供给的非活性气体推出在燃料电池40的阴极中残留的氧化气体而形成氧化气体不足状态。特别地，判定由电池电压监视器50探测到的每一电池电压是否降低到预定值(例如，大约0V)。当每一电池电压降低到预定值时，判定已经形成氧化气体不足状态。在另一方面，当每一电池电压未适当降低时，判定未形成氧化气体不足状态。
在控制设备90判定氧化气体不足状态未形成的情形中(步骤S4；NO)，设备返回到步骤S13以继续非活性气体的供给。在另一方面，在判定已经形成氧化气体不足状态的情形中(步骤S4；YES)，控制设备90停止非活性气体的供给，并且将FC继电器61从开切换到关以将燃料电池40从系统负载60电气断开(步骤S15→步骤S6)。注意随后的操作类似于第一实施例的操作，因此省略进一步的说明。
因此，非活性气体可被供给到燃料电池的阴极以减少氧化气体并且形成氧化气体不足状态。
注意在以上的实例中，非活性气体被供给到燃料电池的阴极以形成氧化气体不足状态，但是相反(或者另外)，非活性气体可被供给到燃料电池的阳极以形成燃料气体不足状态。
因此，在其中在阳极中残留的燃料气体减少而不从燃料电池产生任何电力的情形中，不发生燃料电池的MEA等被损坏的问题(见第一实施例)，从而非活性气体可被供给到阳极或者阴极。
C.第三实施例
在以上的第一实施例中，在阴极中残留的氧化气体被消耗以形成氧化气体不足状态，但是在第三实施例中，通过燃料气体从阳极到阴极的交叉泄露而形成氧化气体不足状态。
图7是示出根据第三实施例的预处理的流程图。注意在示于图7中的流程中，不同于示于图4中的步骤S3，S5，提供步骤S23，S25。因此，其它步骤利用相同的附图标记标注，并且省却其详细说明。
在其中控制设备90判定FC温度低于基准温度的情形中(步骤S2；YES)，停止向阴极供给氧化气体，而足量的燃料气体被供给到燃料电池40的阳极。如熟知的那样，供给到阳极的燃料气体(例如，氢气)的分子直径小于供给到阴极的氧化气体的分子直径，从而燃料气体从阳极到阴极的交叉泄露开始(步骤S23)。
当控制设备90前进到步骤S4时，判定是否已经通过利用通过交叉泄露产生的燃料气体推出在燃料电池40的阴极中残留的氧化气体而形成氧化气体不足状态。特别地，判定由电池电压监视器50探测的每一电池电压是否降低到预定值(例如，大约0V)。当每一电池电压降低到预定值时，判定氧化气体不足状态已经形成。在另一方面，当每一电池电压未适当降低时，判定氧化气体不足状态未形成。
在其中控制设备90判定氧化气体不足状态未形成的情形中(步骤S4；NO)，设备返回到步骤S23以继续燃料气体的交叉泄露(例如，30秒)。在另一方面，在其中判定氧化气体不足状态已经形成的情形中(步骤S4；YES)，控制设备90停止向阳极供给燃料气体，并且将FC继电器61从开切换到关以将燃料电池40从系统负载60电气断开(步骤S25→步骤S6)。注意随后的操作类似于第一实施例的操作，因此省略进一步的说明。
因此，可发生燃料气体从阳极到阴极的交叉泄露以利用交叉泄露产生的燃料气体推出在阴极中残留的氧化气体，由此氧化气体被减少以形成氧化气体不足状态。
D.变型
在以上的实施例中，假定在低温起动期间加热，但是本发明可用于其中需要加热的任何情形，例如，其中在停止系统运行之前执行快速加热的情形。
而且，在以上的实施例中，作为用于在燃料电池40和短路80之间切换连接/断开的装置，示意出短路继电器81，但是可以使用由IGBT、FET等构成的半导体开关。注意短路80可设有用于在短路期间限制电流的LCR负载。短路80可以不设有保险丝82或者电流传感器83。
Claims (9)
1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
连接到所述燃料电池的负载；
设置在从所述燃料电池到所述负载的所述燃料电池的输入端子和输出端子之间的短路；和
控制装置，用于在低温下起动期间减少在所述燃料电池中残留的反应气体，然后将所述燃料电池连接到所述短路。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述控制装置允许所述燃料电池发电并消耗在所述燃料电池中残留的所述反应气体，由此减少所述反应气体。
3.根据权利要求2的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括用于探测所述燃料电池的输出电压的传感器，
其中如果所述传感器探测到的电压低于预定值，则所述控制装置停止所述燃料电池的发电，然后将所述燃料电池连接到所述短路。
4.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述反应气体包括被供给到所述燃料电池的阳极的燃料气体和被供给到阴极的氧化气体，并且
所述控制装置至少减少所述氧化气体。
5.根据权利要求1的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括用于将非活性气体供给到所述燃料电池的非活性气体供给装置，
其中所述控制装置将所述非活性气体供给到所述燃料电池以减少在所述燃料电池中残留的所述反应气体。
6.根据权利要求5的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括用于探测所述燃料电池的输出电压的传感器，
其中如果所述传感器探测到的电压低于预定值，则所述控制装置停止所述非活性气体的供给，然后将所述燃料电池连接到所述短路。
7.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述反应气体包括被供给到所述燃料电池的阳极的燃料气体和被供给到阴极的氧化气体，并且
所述控制装置将所述燃料气体供给到所述阳极以引起所述燃料气体从所述阳极到所述阴极的交叉泄露，由此减少所述氧化气体。
8.根据权利要求7的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括用于探测所述燃料电池的输出电压的传感器，
其中如果所述传感器探测到的电压低于预定值，则所述控制装置停止所述燃料气体的供给，然后将所述燃料电池连接到所述短路。
9.根据权利要求4、7和8中任一项的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括调节装置，所述调节装置用于将所述燃料电池连接到所述短路，然后根据所述短路的目标电流调节所述氧化气体的供给。
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