CN101421879A - 燃料电池用的温度控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种温度控制系统，即使在低温环境下起动的情况下也能抑制单体电池电压偏差。本发明的燃料电池用的温度控制系统，通过使热介质在燃料电池中流通来控制该燃料电池的温度，其特征在于，具有流通控制单元，其在低温运转时，使流量比通常运转时的流量大的热介质在上述燃料电池中流通。根据该构成，由于将低温起动时的热介质(冷却水等)的流量设定成大于通常起动时的热介质的流量，即使在低温起动时预热的情况下也能抑制单体电池间的温度偏差，结果能够抑制单体电池电压偏差。

Description

燃料电池用的温度控制系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用的温度控制系统。
背景技术
公知有利用含有氢的燃料气体和含有氧的氧化气体的电化学反应进行发电的燃料电池系统。所述燃料电池是高效清洁的发电单元，因此作为二轮车和汽车等的驱动动力源而备受期待。
但是，燃料电池与其他电源相比，起动性差，特别是在低温环境下起动时在燃料电池的端部和中央部之间产生单体电池电压偏差。一般地，在层叠多个单体电池而成的燃料电池的两端部设置端板(参照图9)。在低温起动时，有效利用伴随发电的自身发热使燃料电池1预热，但是由于端板3的热容量比单体电池2大，因而两端部的单体电池2的热量被端板3夺去。其结果，存在根据电池组内部的单体电池位置产生温度梯度，产生单体电池电压偏差的问题。
鉴于这种问题，例如提出有在燃料电池的端部单体电池上配置绝热板，抑制单体电池间的温度梯度的方法(例如专利文献1)
专利文献1  日本特开2004-152052号公报
但是，在低温环境下运转(起动等)时，由于在端部单体电池散热，因而具有在电池组内产生较大温度梯度的问题。并且，在配置上述绝热板的情况下，还存在系统大型化的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述所说明的问题而提出的，目的在于提供一种温度控制系统，即使在低温环境下起动的情况下，也能够抑制单体电池电压偏差。
为了解决上述问题，本发明的燃料电池用的温度控制系统，通过使热介质在燃料电池中流通来控制该燃料电池的温度，其特征在于，具有流通控制单元，其在低温运转时，使流量比通常运转时的流量大的热介质在上述燃料电池中流通。
在此，“低温”例如是指低于常温的温度，接近零度或者冰点以下的情况，“比通常时大的流量”除了绝对流量之外，还包括流速、压力。根据上述构成，由于将低温起动时的热介质(冷却水等)的流量设定成大于通常起动时的热介质的流量，因而即使在低温起动时预热的情况下也能抑制单体电池间的温度偏差，结果能够抑制单体电池电压偏差。
在此，在上述构成中优选构成为，还具有判断单元，其在起动该系统时，检测出与上述燃料电池相关的温度，根据检测结果判断应进行低温起动还是应进行通常起动，上述流通控制单元在低温起动时，使流量比通常起动时的流量大的热介质在上述燃料电池中流通。
并且，优选构成为，设有在上述低温运转时对燃料电池的端部进行加热的加热器，或设有在上述低温运转时对上述热介质进行加热的加热器(参照图6～图8)。进而，在上述低温运转时流通的上述热介质的流量可以是该系统允许的最大流量。
如上所说明，根据本发明，即使在低温环境下起动的情况下也能抑制单体电池电压偏差。
附图说明
图1是表示本实施方式的燃料电池系统的要部构成的图。
图2是表示该实施方式的燃料电池的温度分布的图。
图3是表示该实施方式的燃料电池的IV特性的温度依赖性的图。
图4是按时间描绘该实施方式中各温度下的单体电池电压的图。
图5是表示该实施方式的系统起动时的动作的流程图。
图6是表示变形例的加热器的设置例的图。
图7是表示变形例的加热器的设置例的图。
图8是表示变形例的加热器的设置例的图。
图9是表示燃料电池的概略构成的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
A.本实施方式
图1是表示本实施方式的燃料电池系统100的要部构成的图。在本实施方式中，设想燃料电池汽车(FCHV)、电动汽车、混合动力汽车等车辆上所搭载的燃料电池系统，但是不仅是车辆，还能够适用于各种移动体(例如船舶、飞机、机器人等)以及定置型电源。
燃料电池40是由供给的反应气体(燃料气体以及氧化气体)产生电力的单元，具有串联层叠具有MEA(膜/电极接合体)等多个单体电池400-k(1≤k≤n)而成的堆叠构造。具体而言，能够利用固体高分子型、磷酸型、熔融碳酸盐型等各种类型的燃料电池。
燃料气体供给源30是向燃料电池40供给氢气等燃料气体的单元，例如由高压氢罐、贮氢罐等构成。燃料气体供给路21是用于将由燃料气体供给源30放出的燃料气体向燃料电池40的阳极(anode)引导的气体流路，在该气体流路上从上游至下游设置有罐阀(tank valve)H1、供氢阀H2、FC入口阀H3等的阀。罐阀H1、供氢阀H2、FC入口阀H3是用于向燃料气体供给路21或燃料电池40进行供给(或者截止)的截止阀(shut valve)，例如由电磁阀构成。
空气压缩器60将经由空气滤清器(省略图示)从外部气体取入的氧(氧化气体)向燃料电池40的阴极(cathode)供给。从燃料电池40的阴极排出阴极废气。在阴极废气中含有供于燃料电池40的电池反应后的氧废气。该阴极废气由于含有由燃料电池40的电池反应而生成的水分而为高湿润状态。
加湿模块70在流过氧化气体供给路11的低湿润状态的氧化气体和流过阴极废气流路12的高湿润状态的阴极废气之间进行水分交换，适度地对供于燃料电池40的氧化气体进行加湿。供给燃料电池40的氧化气体的背压由设于阴极废气流路12的阴极入口附近的压力调整阀A1调整。
由燃料电池40发出的直流电力一部分被DC/DC转换器130降压，并充电于蓄电池140中。
蓄电池140是可充放电的二次电池，由各种类型的二次电池(例如镍氢蓄电池)等构成。当然，也可以代替蓄电池140使用二次电池之外的可充放电的蓄电器例如电容器。
牵引变换器(traction inverter)110和辅机变换器120是脉冲幅度调制方好似的PWM变换器，根据给予的控制指令将从燃料电池40或蓄电池140输出的直流电力转变成三相交流电力，并供给牵引电动机M3以及辅机电动机M4。
牵引电动机M3是用于驱动车轮150L、150R的电动机，辅机电动机M4是用于驱动各种辅机类的电动机。其中，辅机电动机M4是驱动空气压缩器60的电动机M2、驱动冷却水泵220的电动机M1等的总称。
冷却系统200使不冻液冷却水(热介质)等在燃料电池40中循环而控制各单体电池400-k的温度，具有使冷却水在燃料电池40中循环的冷却水循环路210、用于调整冷却水的流量的冷却水泵220、和用于冷却冷却水的散热器230。在各单体电池400-k中循环的冷却水由散热器230与外部气体进行热交换而被冷却。并且，在冷却系统200中设有使冷却水绕过散热器230的旁通流路240。通过散热器230的冷却水的流量与绕过散热器230的冷却水的旁通流量的流量比，通过调整旋转阀250的开度来控制为期望的值。
控制装置160由CPU、ROM、RAM等构成，根据输入的各传感器信号作为中枢控制该系统的各部分。具体而言，根据从检测油门开度的油门踏板传感器s1、检测蓄电池140的充电状态SOC(state ofcharge)的SOC传感器s2、检测牵引电动机M3的转速的T/C电动机转速检测传感器s3、分别检测燃料电池40的输出电压、输出电流、内部温度的电压传感器s4、电流传感器s5、温度传感器s6等输入的各传感器信号，控制变换器110、120的输出脉冲幅度等。
此外，控制装置(流通控制单元)160根据温度传感器s6检测出的系统起动时的燃料电池40的温度，对冷却水循环路210中流动的冷却水的流量进行调整(在下详述)。
图2是表示燃料电池的温度分布的图，以实线表示低温起动时的单体电池的温度梯度，以虚线表示预热结束后的通常运转时的单体电池的温度梯度。并且，横轴表示单体电池编号(n＝200)，纵轴表示温度。
如图2所示，在预热结束后的通常运转状态下，各单体电池的温度大致均匀，与此相对，在低温起动时的预热运转状态下，端部单体电池的升温与中央单体电池的升温相比延迟(参照本发明的发明目的部分)。
图3是表示燃料电池的电流、电压特性(以下称为IV特性)的温度依赖性的图。分别表示60℃、40℃、20℃、-10℃的IV特性。
如图3所示，燃料电池40的IV特性存在温度依赖性，温度越低IV特性越差。在此，由于构成燃料电池40的各单体电池串联连接，因而在所有的单体电池中都流过同一电流(例如图3所示的电流It)。图4是按时间描绘电流It流动时各温度下的单体电池电压的图。如图4所示，温度越低(IV特性越差)，单体电池电压越低。作为极端的例子，在图3和图4中表示了-10℃的IV特性、单体电池电压，但是具有所述特性的单体电池如果存在于燃料电池40中，则其单体电池电压变为逆电位，需要进行电流限制或系统停止等的处置。鉴于该情况，在本实施方式中，通过抑制低温起动时的单体电池间温度偏差来实现单体电池电压偏差的抑制。以下，对用于抑制单体电池间温度偏差的具体方法进行说明。
图5是表示系统起动时由控制装置160执行的处理的图。
控制装置160在点火开关开启(置为ON)等而从操作部接受系统的起动命令时，掌握由温度传感器s6检测的燃料电池40的温度Ts(步骤S1)。但是代替利用燃料电池40的温度Ts，也可以利用外部气体的温度或者冷却水的温度(与燃料电池相关的温度)。
控制装置160根据燃料电池40的温度Ts的检测结果判断应进行低温起动还是应进行通常起动。具体而言，控制装置160在系统起动时的燃料电池40的温度Ts超过预先设定的基准温度Tth的情况下，(步骤S2；否(NO))，前进至步骤S6，进行通常起动处理，另一方面，在系统起动时的燃料电池40的温度Ts为预先设定的基准温度Tth以下的情况下(步骤S2；是(YES))，判断为应该进行低温起动，前进至步骤S3。作为基准温度Tth，例如为低于常温的温度、零度附近或冰点下的温度等，但可以任意设定为任何一个温度。
控制装置160在步骤S3中参照存储在存储器中的低温起动用的通水控制映射MP，调整在冷却系统中循环的冷却水的流量。在该低温起动用的通水控制映射MP中，将冷却水的通水量与冷却水泵220的转速建立对应而记录。低温起动时的通水量W1设定为大于通常起动时的通水量Wh(<W1)的值。作为低温起动时的通水量可以设定系统允许的最大通水量，但只要是能够抑制单体电池间温度偏差的通水量，任何值都可以。当然，不仅是通水量，也可以控制流速、压力。进而，通水量不限于一定，也可以根据燃料电池40的温度、输出电压等适当改变。
控制装置160利用低温起动用的通水控制映射MP1开始冷却水的通水控制时，有效利用伴随发电的自身发热开始燃料电池40的预热(步骤S4)。具体而言，通过在缺乏氧化气体的状态下使燃料电池40运转(低效率运转)，来有效地对燃料电池40进行预热。控制装置160在前进至步骤S5时，把握由温度传感器s6检测出的燃料电池40的温度Ts，判断是否已经到达设定的目标温度To。在判断为还没有到达目标温度To的情况下，返回步骤S3，重复执行上述一系列的处理，另一方面，在判断为到达目标温度To的情况下，结束预热运转，开始通常运转。
如上所说明，根据本实施方式，由于将低温起动时的冷却水的通水量设定得大于通常起动时的冷却水的通水量，因而即使在进行预热运转的情况下也能够抑制单体电池间温度偏差，作为燃料电池整体能够得到均匀的升温特性。当然，只要是低温下运转(低温运转)就不限于起动时。
B.变形例
(1)在上述实施方式中，设置了使冷却水绕过散热器230的旁通流路240，通过控制经过散热器230的冷却水的流量与绕过散热器230的冷却水的旁通流量的流量比来进行散热器230的散热限制，但是也可以通过控制冷却风扇的驱动来进行散热器230的散热限制。
(2)在上述本实施方式中，通过控制通水量来抑制单体电池间温度偏差，但是在此之上(或者代替该方式)还可以通过控制冷却水的温度等在短时间内实现均匀的升温。具体而言，可以如图6所示在燃料电池40的端部设置加热用的加热器190，通过控制端部单体电池的温度来防止端部单体电池的升温延迟。并且，也可以在旁通流路240(参照图7)、冷却水循环路210上设置加热器190(参照图8)通过控制冷却水的温度来抑制单体电池间温度偏差。其中，在将加热器190设置与旁通流路240上的情况下，能够降低通常冷却时(不进行冷却水的温度控制时)的压力损失。

Claims (6)

1.一种燃料电池用的温度控制系统，通过使热介质在燃料电池中流通来控制该燃料电池的温度，其特征在于，
具有流通控制单元，其在低温运转时，使流量比通常运转时的流量大的热介质在上述燃料电池中流通。
2.如权利要求1所述的燃料电池用的温度控制系统，其特征在于，
还具有判断单元，其在起动该系统时，检测出与上述燃料电池相关的温度，根据检测结果判断应进行低温起动还是应进行通常起动，
上述流通控制单元在低温起动时，使流量比通常起动时的流量大的热介质在上述燃料电池中流通。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池用的温度控制系统，其特征在于，
在上述燃料电池的端部设有在上述低温运转时对该端部进行加热的加热器。
4.如权利要求1或2所述的燃料电池用的温度控制系统，其特征在于，
在上述热介质的流路上设有在上述低温运转时对上述热介质进行加热的加热器。
5.如权利要求1或2所述的燃料电池用的温度控制系统，其特征在于，还具有：
散热器，在上述热介质和外部气体之间进行热交换；和
控制单元，在上述低温运转时限制上述散热器的散热。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的燃料电池用的温度控制系统，其特征在于，
在上述低温运转时流通的上述热介质的流量是该系统允许的最大流量。
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