CN101326666A - 燃料电池系统和移动体 - Google Patents

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Abstract

公开了一种燃料电池系统(1)，包括燃料电池(10)和蓄电装置(12)，燃料电池通过燃料气体与氧化气体的反应来产生电能，并且燃料电池系统构造成当所述燃料电池的操作停止时执行扫气操作，用于通过使用从所述蓄电装置(12)提供的电能将气体供给到所述燃料电池(10)，从而从所述燃料电池(10)排出水分。所述燃料电池系统还包括控制装置(4)，该控制装置用于设定所述燃料电池(10)的运行条件，使得所述燃料电池(10)在操作时的水分含量小于根据所述蓄电装置(12)的状态设定的目标水分含量。

Description

燃料电池系统和移动体
技术领域
本发明涉及燃料电池系统和移动体。
背景技术
目前，已经设计了包括燃料电池的燃料电池系统，并将其投入实际应用，其中该燃料电池用于通过接收反应气体(燃料气体和氧化气体)来产生电能。当通过这种燃料电池系统产生电能时，在燃料电池中通过电化学反应产生水分，并且该水分留在燃料电池的反应气体通道中，结果可能妨碍反应气体的流动。当在低温(例如，低于冰点的温度)的环境下运行燃料电池系统时，留在燃料电池的电极(催化剂层和扩散层)中的水分会冻结，并且在某些情形下极大地恶化了起动性能。
作为解决燃料电池中以这种方式产生的水分带来的各种问题的传统技术，提出了一种技术(扫气技术)，其中当停止燃料电池的运行时向反应气体通道供给干燥氧气或干燥氢气，从而从燃料电池去除水分。近年来，提出了以如下方式进行扫气操作的技术：估计电解质膜中含有的水分含量，驱动并控制相应的装置(压缩机、泵等)使得该估计的水分含量成为预定值(例如，参见日本专利申请公开No.2004-158274)。
发明内容
另外，当燃料电池的运行停止时，通过从蓄电装置(例如，二次电池)提供的电能驱动和控制压缩机或电机来执行扫气操作，但是在低温(例如，低于冰点的温度)的环境下，蓄电装置的供电能力恶化。因此，即使使用上面专利公开中所述的技术，在低温环境下也无法充分地进行扫气操作，所以水分残留在燃料电池中，并且在某些情形下燃料电池无法有效地起动。
鉴于这种情形，已经研制了本发明，并且其目的是提供一种燃料电池系统，其中即使在低温环境下也能够有效地起动燃料电池。
为实现上述目的，根据本发明的燃料电池系统包括燃料电池和蓄电装置，所述燃料电池用于通过燃料气体与氧化气体的反应来产生电能，并且所述燃料电池系统构造成当所述燃料电池的操作停止时执行扫气操作，用于通过使用从所述蓄电装置提供的电能将气体供给到所述燃料电池中，从而从所述燃料电池排出水分：其中所述燃料电池系统包括控制装置，该控制装置用于设定所述燃料电池的运行条件，使得所述燃料电池在操作时的水分含量小于根据所述蓄电装置的状态设定的目标水分含量。
根据该构造，可设定所述燃料电池的运行条件(温度、发电量等)，使得所述燃料电池在运行时的水分含量小于根据所述蓄电装置的状态设定的目标水分含量。例如，即使在假定由于所述蓄电装置的温度降低引起供电能力的恶化而使从所述燃料电池排出的水分量变低的情形下，当所述燃料电池的运行条件预先设定为较低水平时，所述燃料电池在运行时的水分含量也可设定为小于预定的目标水分含量(例如，根据所述蓄电装置的温度设定的量)。因此，即使在低温环境下停止所述燃料电池的运行的情况下，也能够有效地从燃料电池的运行停止状态起动燃料电池。
在上述燃料电池系统中，所述控制装置可根据所述蓄电装置的温度设定所述目标水分含量。在该情况下，通过当所述蓄电装置的温度越低，所述控制装置将所述燃料电池的运行条件设定为越低的水平，使得所述燃料电池在操作时的水分含量小于所述目标水分含量。
结果，即使在假定由于所述蓄电装置的温度降低引起供电能力的恶化而使从所述燃料电池排出的水分量变低的情形下，当所述燃料电池的运行条件预先设定为较低水平时，所述燃料电池在运行时的水分含量也可设定为小于目标水分含量。因此，即使在低温环境下停止所述燃料电池的运行的情况下，也能够有效地从燃料电池的运行停止状态起动该燃料电池。
此外，优选地，所述燃料电池系统包括用于加热所述蓄电装置的加热装置。
因此，由于能够在低温环境下快速地加热所述蓄电装置，所以能够快速地恢复所述蓄电装置的供电能力。
另外，根据本发明的移动体包括上述燃料电池系统。
根据该结构，由于所述移动体包括能够根据所述蓄电装置的状态设定所述燃料电池的运行条件的燃料电池系统，所以能够提供在低温环境下具有优秀的起动性能的移动体。
根据本发明，能够提供即使在低温环境下也能够有效地起动燃料电池的燃料电池系统。
附图说明
图1为根据本发明实施例的燃料电池系统的结构图；
图2为电池温度与图1中所示燃料电池系统排出的水分量之间的关系的图；以及
图3为示出图1中所示燃料电池系统的运行方法的流程图。
具体实施方式
下面参考附图描述根据本发明实施例的燃料电池系统1。在本实施例中，描述一个例子，其中本发明应用到燃料电池车辆S(移动体)的车载发电系统。
首先，参考图1和图2描述根据本发明实施例的燃料电池系统1的结构。如图1中所示，根据本实施例的燃料电池系统1包括燃料电池10，其通过接收反应气体(氧化气体和燃料气体)的供给来发出电能。此外，该系统包括：氧化气体管道系统2，其向燃料电池10供给作为氧化气体的空气；氢气管道系统3，其向燃料电池10供给作为燃料气体的氢气；控制器件4，其总地控制整个系统；二次电池12，当燃料电池10的运行停止时(当停止发电时)或出现类似情况时，该二次电池12向系统的相应器件提供电能；以及其他类似装置。
燃料电池10具有通过堆叠所需数量的层的单个电池而构成的堆结构，该单个电池接收反应气体的供给以产生电能。燃料电池10发出的电提供给电能控制单元(PCU)11。PCU11包括向燃料电池车辆S的牵引电机供电的逆变器、向各种辅机(例如，压缩机电机和氢泵电机)供电的逆变器、给二次电池12充电和从二次电池12给电机供电的DC-DC转换器、和类似装置。
二次电池12向牵引电机和各种辅机供电，从而提供电能辅助快速加速和间歇运行(在燃料电池10的发电的停止期间)。另外，当燃料电池10的运行停止时，二次电池12给压缩机电机等供电，从而实现扫气操作(通过向燃料电池10供应气体将水分从燃料电池10排出)。也就是说，二次电池12是根据本发明的蓄电装置的一个实施例。可使用镍氢电池或锂离子电池作为二次电池12。
在本实施例中，设有检测二次电池12的温度的温度传感器。将由温度传感器检测的二次电池12的温度信息发送至控制器件4，并用在燃料电池系统1的运行控制中。在本实施例中，设有用于加热二次电池12的加热器(加热装置)。加热器的运行由控制器件4控制。即，当温度传感器检测的二次电池12的温度不高于预定值(例如，20℃)时，控制器件4自动地运行加热器来加热二次电池12。
氧化气体管道系统2包括：空气供给通道21，其将通过增湿器20增湿的氧化气体(空气)供给到燃料电池10；空气排出通道22，其将从燃料电池10排出的氧化废气引入增湿器20；以及排气通道23，其将氧化废气从增湿器21导向外界。空气供给通道21设有压缩机24，其从大气中获取氧化气体，以将该气体在压力下送入增湿器20。压缩机24的运行由控制器件4控制。
氢气管道系统3包括：作为燃料供给源的氢罐30，其中存储高压氢气；氢供给通道31，其将氢罐30的氢气供给到燃料电池10；及循环通道32，其将从燃料电池10排出的氢废气返回到氢供给通道31。
氢供给通道31设有中断或允许从氢罐30供给氢气的截止阀33、及调节氢气压力的调节器34。在本实施例中，使用能够通过步进电机改变供给压力目标值的可变压力调节系统的调节器34。截止阀33和调节器34的运行由控制器件4控制。
循环通道32通过气液分离器35和排气排液阀36连接到排气通道37上。气液分离器35从氢废气获取水分。排气排液阀36向应于控制器件4的指令运行，从而将气液分离器35获取的水分和循环通道32的含有杂质的氢废气中排到外界。循环通道32设有氢泵38，其增压循环通道32的氢废气，以将气体朝氢供给通道31吹送。应当注意，排气通道37的气体由稀释单元(未示出)稀释，并与排气通道23的气体混合。
控制器件4接收燃料电池车辆S的控制信息，如加速信号(所需负载)，以控制系统的各种器件的运行。应当注意，控制器件4由计算机系统(未示出)组成。这种计算机系统包括CPU、ROM、RAM、HDD、输入/输出接口、显示装置等。当CPU读取存储在ROM中的各种控制程序以执行该程序时，实现各种控制操作。
具体地，当燃料电池10的运行停止时(当停止发电时)，通过使用二次电池12提供的电能来驱动和控制压缩机24、截止阀33和调节器34以将气体(氧化气体和氢气)送入燃料电池10，控制器件4执行将水分从燃料电池10排出的“扫气”运行。应当注意，在扫气操作期间，控制器件4暂时禁止或停止增湿器20对氧化气体的增湿。
此外，控制器件4将燃料电池10的运行条件设定成，当燃料电池10在其运行时的水分含量小于根据二次电池20的温度设定的目标水分含量。换句话说，根据二次电池12的温度设定燃料电池10的运行条件，使得通过二次电池12进行扫气操作之后的燃料电池10的估计的水分含量小于燃料电池10的可起动水分含量。也就是说，控制器件4用作根据本发明的控制装置的一个实施例。这里，“估计的水分含量”为考虑了二次电池12的扫气能力而估计的扫气操作之后燃料电池10的水分含量，并且“可起动水分含量”为燃料电池10可起动的水分含量。
本实施例中的二次电池12具有一种趋势，即随着二次电池12温度变低，二次电池的扫气能力变低。例如，如图2的映射所示，在温度“T2”由二次电池12排出的水分量为“Q5”，而在温度“-T2”(低于冰点)通过二次电池12从各单个电池排出的水分量为“Q1(＜Q5)”。因此，考虑到二次电池12的扫气能力的这种差别，控制器件4根据二次电池12的温度预先设定运行条件，使得通过二次电池12的扫气操作之后的燃料电池10的估计的水分含量低于可起动水分含量。
例如，当二次电池12的温度为“T1”时，控制器件4使用图2的映射来计算与该温度相对应的排出的水分量(Q4)。此外，控制器件4设定燃料电池10的可起动水分含量(Q0)，并将二次电池12排出的水分量(Q4)加上该可起动水分含量(Q0)所得的值(Q0+Q4)设定为燃料电池运行时的目标水分含量。然后，控制器件4设定燃料电池10的运行条件(燃料电池10的温度、产生的电量和供给的反应气体量)，使得燃料电池10运行时的水分含量小于目标水分含量(Q0+Q4)。根据该控制，通过二次电池12的扫气运行之后燃料电池10的估计的水分含量可设定为小于可起动水分含量(Q0)。
此外，当二次电池12的温度为“-T1”时，控制器件4使用图2的映射来计算与二次电池温度相对应的排出的水分量(Q2(＜Q4))。此外，控制器件4将二次电池12排出的水分量(Q2)加上燃料电池10的可起动水分含量(Q0)所得的值(Q0+Q2)设定为燃料电池10运行时的目标水分含量。然后，控制器件4将燃料电池10的运行条件(燃料电池10的温度、产生的电量和供给的反应气体量)设定为较低水平，使得燃料电池10运行时的水分含量小于目标水分含量(Q0+Q2)。根据该控制，通过二次电池12的扫气运行之后燃料电池10的估计的水分含量能设定为小于可起动水分含量(Q0)。
下面，参考图3的流程图来描述根据本实施例的燃料电池系统1的运行方法。
在燃料电池1的通常运行期间，通过氢供给通道31从氢罐30向燃料电池10的燃料极供给氢气。此外，通过空气供给通道21向燃料电池10的氧化极供给增湿和调节的空气，从而产生电能。这样，由控制器件4计算从燃料电池10得到的电能(所需电能)，并根据产生的电量向燃料电池10供给相应量的氢气和空气。燃料电池10在其通常运行期间处于湿态。因此，当燃料电池10的运行停止时，水分留在燃料电池10中。在本实施例中，在燃料电池的这种通常运行停止之后，执行“扫气”运行，以将水分从燃料电池10排出。但是，在低温环境下，二次电池12的供电能力变低，所以无法充分地进行扫气操作，并且在某些情形下起动性能恶化。在本实施例中，执行下列运行控制以阻止起动性能的这种恶化。
即，首先，燃料电池系统1的控制器件4使用温度传感器检测二次电池12的温度(电池温度检测步骤：S1)。此外，控制器件4基于图2中的映射计算与电池温度检测步骤S1检测的温度相对应的排出的水分量(水分排出量计算步骤：S2)。例如，当二次电池12的温度为“-T2”时，排出的水分量计算为“Q1”。
然后，控制器件4设定燃料电池10的可起动水分含量(Q0)，并将水分排出量计算步骤S2计算的水分排出量(Q1)加上该可起动水分含量(Q0)所得的值(Q0+Q1)设定为燃料电池在其运行时的目标水分含量(目标水分含量设定步骤：S3)。此外，控制器件4设定燃料电池10的运行条件(燃料电池10的温度、产生的电量和供给的反应气体量)，使得燃料电池10在其运行时的水分含量小于目标水分含量设定步骤S3设定的目标水分含量(Q0+Q1)(运行条件设定步骤：S4)。然后，控制器件4根据运行条件设定步骤S4设定的运行条件控制燃料电池10的运行(运行控制步骤：S5)。
在根据上述实施例的燃料电池系统1中，燃料电池10的运行条件可设定成，燃料电池10在其运行时的水分含量小于根据二次电池12的温度设定的目标水分含量。即，即使在假定由于二次电池12的温度降低引起供电能力的恶化而使从燃料电池10排出的水分量变低的情形下，当燃料电池10的运行条件预先设定为较低水平时，燃料电池10在其运行时的水分含量也可设定为小于预定的目标水分含量。因此，即使当在低温环境下停止燃料电池10的运行时，燃料电池10也可有效地从燃料电池的运行停止状态起动。
此外，根据上述实施例的燃料电池系统1包括加热二次电池12的加热器，因此，在低温环境下它能够快速地加热二次电池12。结果，可快速恢复二次电池12的供电能力。
此外，根据上述实施例的燃料电池车辆S(移动体)包括能够根据二次电池12的温度设定燃料电池10的运行条件的燃料电池系统1。因此，该车辆在低温环境下具有优秀的起动性能。
应当注意，在上述实施例中，描述了使用二次电池12作为蓄电装置的例子，但是也可使用电容器作为蓄电装置。在上述实施例中，描述了根据二次电池12的“温度”设定燃料电池10的运行条件的例子，但也可根据表示二次电池12的状态的其它物理量(例如，荷电状态：“SOC”)来设定燃料电池10的运行条件。
此外，在上述实施例中，描述了循环通道32设有氢泵38的例子，但是也可使用喷射器替代氢泵38。在上述实施例中，循环通道32设有排气排液阀36，以实现排气运行和排液运行，但也可单独地设置将气液分离器35回收的水分排出到外界的排液阀和将气体从循环通道32排出的排气阀，使得控制装置4单独地控制排液阀和排气阀。
工业实用性
如实施例中所述，根据本发明的燃料电池系统可安装在燃料电池车辆上，并且除燃料电池车辆之外还可安装在各种移动体上(机器人、轮船、飞机等)。根据本发明的燃料电池系统可应用于安装为结构(居宅、建筑物等)的发电设备的发电系统。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池和蓄电装置，所述燃料电池用于通过燃料气体与氧化气体的反应来产生电能，并且所述燃料电池系统构造成当所述燃料电池的操作停止时执行扫气操作，用于通过使用从所述蓄电装置提供的电能将气体供给到所述燃料电池中，从而从所述燃料电池排出水分：
其中所述燃料电池系统包括控制装置，该控制装置用于设定所述燃料电池的运行条件，使得所述燃料电池在操作时的水分含量小于根据所述蓄电装置的状态设定的目标水分含量。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述控制装置根据所述蓄电装置的温度设定所述目标水分含量。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中通过当所述蓄电装置的温度越低，所述控制装置将所述燃料电池的运行条件设定为越低的水平，使得所述燃料电池在操作时的水分含量小于所述目标水分含量。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池系统，还包括：
用于加热所述蓄电装置的加热装置。
5.包括如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统的移动体。
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