CN101578731A - 燃料电池系统及搭载有燃料电池系统的移动体 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统(10)包括：冷却水泵(42)，设置在向燃料电池(12)输送冷却水的冷却水配管(36)上，压送冷却水；冷却水加热机构(48)，设置在冷却水配管(36)上，在燃料电池(12)停止运转时加热冷却水；以及二次电池(18)，与冷却水泵(42)和冷却水加热机构(48)连接，对冷却水泵(42)和冷却水加热机构(48)供电，在燃料电池(12)停止运转时，燃料电池系统(10)将加热后的冷却水输送至燃料电池(12)，对燃料电池(12)进行干燥处理。燃料电池系统(10)具有外部电源插头(60)，外部电源插头(60)与冷却水泵(42)和冷却水加热机构(48)连接，用于从外部电源(62)对冷却水泵(42)和冷却水加热机构(48)供电。

Description

燃料电池系统及搭载有燃料电池系统的移动体
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及搭载有燃料电池系统的移动体，特别涉及如下的燃料电池系统及搭载有燃料电池系统的移动体，包括：冷却水泵，设置在用于向燃料电池输送冷却水的冷却水配管上，压送冷却水；加热机构，设置在冷却水配管上，在燃料电池停止运转时加热冷却水；以及二次电池，与冷却水泵和加热机构连接，对冷却水泵和加热机构供电，在燃料电池停止运转时，燃料电池系统将加热后的冷却水输送至燃料电池，使燃料电池干燥。
背景技术
近年来，燃料电池作为高效和具有优良环境特性的电池而受到关注。一般而言，燃料电池通过使作为燃料气体的氢与作为氧化剂气体的空气中的氧发生电化学反应而产生电能。于是，作为氢和氧的电化学反应的结果，生成水。
燃料电池的种类有磷酸型、熔融碳酸盐型、固体电解质型、碱型、固体高分子型等。其中，使用具有常温下起动且起动时间短等优点的固体高分子型燃料电池的燃料电池系统受到了关注。这种燃料电池系统用作移动体例如车辆等的动力源。
燃料电池系统在例如寒冷地区的室外等低温环境下工作的情况下，燃料电池内的气体流路等有可能会因为所生成的水而冻结。因此，在燃料电池停止运转时，通过向燃料电池内流入氧化剂气体等进行扫气，将残留在燃料电池中的水排出，进行干燥处理。例如，日本特开2006-079864号公报中公开了下述内容，即在燃料电池停止发电时，通过向燃料电池流入燃料气体或氧化剂气体进行扫气，从燃料电池将残留的水排出。
然而，在燃料电池停止运转后，通过加热器加热冷却水，通过冷却水泵将加热后的冷却水输送至燃料电池，由此使燃料电池升温而进行干燥处理。在此，加热器或冷却水泵等与二次电池连接，由二次电池供电。但是，由于二次电池的放电容量有极限，因此例如存在干燥处理中途剩余容量不足而不能充分进行燃料电池的干燥处理的情况。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种燃料电池系统，即使在二次电池的剩余容量不足的情况下，也能够对燃料电池进行干燥处理。
本发明的一种燃料电池系统，包括：冷却水泵，设置在用于向燃料电池输送冷却水的冷却水配管上，压送冷却水；加热机构，设置在冷却水配管上，在燃料电池停止运转时加热冷却水；以及二次电池，与冷却水泵和加热机构连接，对冷却水泵和加热机构供电，在所述燃料电池系统中，在燃料电池停止运转时，将加热后的冷却水输送至燃料电池，使燃料电池干燥，其特征在于，具有外部电源连接机构，与冷却水泵和加热机构连接，用于从外部电源对冷却水泵和加热机构供电。
优选的是，本发明的燃料电池系统包括：剩余容量推测机构，推测二次电池的剩余容量；判断机构，对由剩余容量推测机构推测出的二次电池的剩余容量进行判断；以及通知机构，在由判断机构判断为二次电池的剩余容量为预定容量以下的情况下，通知将外部电源连接机构连接到外部电源。
本发明的一种搭载有燃料电池系统的移动体，其特征在于，搭载有如下的燃料电池系统，包括：冷却水泵，设置在用于向燃料电池输送冷却水的冷却水配管上，压送冷却水；加热机构，设置在冷却水配管上，在燃料电池停止运转时加热冷却水；以及二次电池，与冷却水泵和加热机构连接，对冷却水泵和加热机构供电，在燃料电池停止运转时，所述燃料电池系统将加热后的冷却水输送至燃料电池，使燃料电池干燥，所述燃料电池系统具有外部电源连接机构，该外部电源连接机构与冷却水泵和加热机构连接，用于从外部电源对冷却水泵和加热机构供电。
优选的是，本发明的搭载有燃料电池系统的移动体搭载有如下的燃料电池系统，包括：剩余容量推测机构，推测二次电池的剩余容量；判断机构，对由剩余容量推测机构推测的二次电池的剩余容量进行判断；以及通知机构，在由判断机构判断为二次电池的剩余容量为预定容量以下的情况下，通知将外部电源连接机构连接到外部电源。
这样，根据上述的本发明的燃料电池系统，由于能够从外部电源供电，因此即使在二次电池的剩余容量不足的情况下，也能够对燃料电池进行干燥处理。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中燃料电池系统的结构的图。
具体实施方式
以下利用附图详细说明本发明的实施方式。
图1是表示燃料电池系统10的结构的图。燃料电池系统10包括：燃料电池12、对燃料电池12供给燃料气体的燃料气体供给装置14、对燃料电池12供给氧化剂气体的氧化剂气体供给装置16、二次电池18以及控制装置20。
燃料电池12具有通过氢等燃料气体和氧等氧化剂气体的电化学反应进行发电的功能。燃料电池12例如是固体高分子型的燃料电池12，包括将多个单电池层叠而成的电池堆。在此，在电解质膜的两侧分别层叠催化剂层，在各个催化剂层上层叠了气体扩散层的膜电极接合体上进一步层叠隔板，从而组成单电池。并且，通过在这样的电池堆的两侧设置集电板，能够从集电板取出电流。
电解质膜具有使在阳极侧产生的氢离子移动至阴极侧的功能。电解质膜的材料使用化学性能稳定的氟类树脂，例如氟化磺酸的离子交换膜。作为氟化磺酸的离子交换膜，可以使用Nafion膜(杜邦公司的注册商标)等。
催化剂层具有促进阳极侧的氢的氧化反应及阴极侧的氧的还原反应的功能。并且，催化剂层包括催化剂和催化剂的载体。催化剂为了增大发生反应的电极面积，一般形成为颗粒状，附着在催化剂的载体上而使用。催化剂使用对氢的氧化反应、氧的还原反应具有小的活化过电压的铂族元素即白金等。作为催化剂的载体，使用碳元素材料，例如炭黑等。
气体扩散层具有将作为燃料的氢及作为氧化剂的氧扩散到催化剂层的功能，以及使电子移动的功能等。并且，气体扩散层能够使用具有导电性的材料，即碳纤维布、炭纸等。并且，通过将电解质膜、催化剂层和气体扩散层层叠，并进行热冲压(heat press)等，来制造膜电极接合体。
隔板层叠在膜电极接合体的气体扩散层上，具有将相邻设置的单电池中的作为燃料气体的氢和作为氧化剂的空气分离的功能。此外，隔板具有将一方的单电池和另一方的单电池电连接的功能。隔板能够通过例如对钛板或不锈钢板等进行冲压加工而成型。
电阻测定装置22具有测定燃料电池12的内部电阻(阻抗)的功能，例如设置于燃料电池12。若燃料电池12中残留的水多，则电阻值变得更小，若燃料电池12中残留的水少，则电阻值变得更大，因此通过测定燃料电池12的电阻值，能够推测燃料电池12的干燥状态。并且，由电阻测定装置22测定的电阻值数据被发送给控制装置20。
燃料电池系统10的燃料气体供给系统包括：燃料气体供给装置14，用于向燃料电池12供给氢等燃料气体；燃料气体供给配管24，用于向燃料电池12的阳极输送燃料气体；燃料气体循环配管26，用于使从燃料电池12的阳极排出的燃料气体在燃料气体供给配管24中循环。
燃料气体供给装置14例如由高压罐、储氢合金、改性器等构成。并且，燃料气体供给配管24中设有控制来自燃料气体供给装置14的燃料气体的供给/停止的截止阀、检测燃料气体的压力的压力传感器、进行燃料气体的压力调整的压力调整阀以及对燃料电池12的燃料气体供给口进行开闭的截止阀等。
燃料气体循环配管26中设置有排出燃料气体的截止阀、检测燃料气体的压力的压力传感器、由电机驱动的循环泵、防止燃料气体供给配管24的燃料气体逆流至燃料气体循环配管26一侧的止回阀等。循环泵根据控制部的控制，将通过燃料电池12的阳极时受到了压力损失的燃料气体压缩，并升压至适当的气压，然后回流至燃料气体供给配管24。燃料气体在燃料气体供给配管24中与从燃料气体供给装置14供给的燃料气体汇流，供给至燃料电池12，被再利用。此外，燃料电池12内的反复循环而杂质浓度增加了的燃料气体从燃料气体排气配管28排出。
燃料电池系统10的氧化剂气体供给系统包括：将压缩空气作为氧化剂气体而供给的氧化剂气体供给装置16、具有向燃料电池12的阴极输送氧化剂气体的功能的氧化剂气体供给配管30以及具有将从燃料电池12的阴极排出的氧化剂气体排出的功能的氧化剂气体排气配管32。
氧化剂气体供给装置16由电机驱动，具有作为压送氧化剂气体的压送机构而发挥功能的空气泵或空气压缩机。并且，空气泵或空气压缩机中设置有除去在从大气取入的空气中含有的粉尘等的空气过滤器等。氧化剂气体供给配管30或氧化剂气体排气配管32中配置有检测氧化剂气体的压力的压力传感器、具有对阴极的氧化剂气体压力进行调压的功能的压力调整阀等。
加湿器34配置在燃料电池12和氧化剂气体供给装置16之间，具有在燃料电池12中的由于电化学反应生成的水而呈高湿润状态的氧化剂气体和从大气取入的低湿润状态的氧化剂气体之间进行水分交换的功能。并且，能够通过加湿器34加湿从大气取入低湿润状态的氧化剂气体。
燃料电池系统10的冷却系统中设置有向燃料电池12输送冷却水并使冷却水循环的冷却水配管36、将冷却水的热散热至外部的散热器38、调整流入散热器38的冷却水量的冷却水量调整阀40以及对冷却水加压并进行压送的冷却水泵42等。此外，为了减少流入散热器38的冷却水量，在冷却水配管36上，与散热器38并列地设有旁通配管44。
冷却水量调整阀40具有调整向散热器38流入的冷却水量的功能，设置在冷却水配管36上。在冷却燃料电池12时，能够根据控制装置20的控制，增加流入散热器38的冷却水量，将由散热器38冷却后的冷却水供给至燃料电池12。另一方面，在使燃料电池12升温时，能够根据控制装置20的控制，切换冷却水量调整阀40，使冷却水流入与散热器38并列设置的旁通配管44中，减少流入散热器38的冷却水量。冷却水量调整阀40能够使用例如三通阀等。
冷却水温度传感器46设置在冷却水排出侧的冷却水配管36上，具有测定从燃料电池12排出的冷却水的温度的功能。并且，通过测定从燃料电池12排出的冷却水的温度，能够推测燃料电池12内的温度。冷却水温度传感器46能够使用一般的温度计或热电偶等。并且，由冷却水温度传感器46测定的冷却水温度数据被发送给控制装置20。
冷却水加热装置48作为在燃料电池12运转停止时加热冷却水的加热机构而发挥功能，设置在旁通配管44等的冷却水配管36上。通过冷却水泵42向燃料电池12压送由冷却水加热装置48加热后的冷却水，从而能够使燃料电池12升温。冷却水加热装置48能够使用例如电阻加热式加热器等。
二次电池18与冷却水泵42和冷却水加热装置48连接，具有对冷却水泵42和冷却水加热装置48供电的功能。二次电池18能够使用例如铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。当然，二次电池18不限于上述种类的二次电池。在二次电池18和冷却水泵42之间，以及二次电池18和冷却水加热装置48之间，设有逆变器50及斩波控制回路52等。
此外，二次电池18也可以与氧化剂气体供给装置16连接，对氧化剂气体供给装置16供电。并且，在二次电池18和氧化剂气体供给装置16之间设置有逆变器54等。在用加热后的冷却水对燃料电池12进行暖机时，通过使氧化剂气体流向燃料电池12，能够进一步将残留在燃料电池12中的水排出，进行干燥处理。另外，二次电池18经由逆变器与电机连接，能够作为燃料电池12的辅助电源来使用。
电池剩余容量计56作为推测二次电池18的剩余容量的剩余容量推测机构而发挥作用，例如配置于二次电池18。电池剩余容量计56例如能够使用如下的电池剩余容量计：通过测定二次电池18中使用的电解液的比重或二次电池18的电压，来推测二次电池18的剩余容量。并且，所推测的二次电池18的剩余容量数据被发送至控制装置20。
外部气温传感器58作为测定外部气温的温度测定机构而发挥功能。外部气温传感器58能够使用一般的温度計或热电偶等。并且，由外部气温传感器58测定的外部气温数据被发送至控制装置20。
外部电源插头60与冷却水泵42和冷却水加热装置48连接，作为能够从外部电源62对冷却水泵42和冷却水加热装置48供电的外部电源连接机构而发挥功能。通过将外部电源插头60连接在外部电源62上，能够从外部电源62对冷却水泵42和冷却水加热装置48供电。外部电源连接机构不限于插头，也可以是连接器等。此外，在作为外部电源62使用家庭用电源等交流电源的情况下，在外部电源插头60与冷却水泵42及冷却水加热装置48之间设置转换器64。当然，外部电源62不限于交流电源，也可以使用直流电源。
此外，外部电源插头60也可以与氧化剂气体供给装置16连接，从外部电源62对氧化剂气体供给装置16供电。通过将外部电源插头60连接在外部电源62上，能够从外部电源62向氧化剂气体供给装置16供电。由此，由于能够从外部电源62将电力供给至冷却水泵42、冷却水加热装置48和氧化剂气体供给装置16，因此在使用加热后的冷却水对燃料电池12进行暖机时，通过使氧化剂气体流向燃料电池12，能够进一步将残留在燃料电池12中的水排出，进行干燥处理。
控制装置20构成为在内部具有CPU、RAM、ROM的微型计算机，按照存储在ROM中的程序，执行燃料电池系统10的各部动作的控制。控制装置20接收来自各配管上所配置的温度传感器、压力传感器的传感器信号，根据电池运转的状态(例如电力负载)，驱动各电机，调整冷却水泵42等的转速，进而进行各种阀的开闭控制或阀开度的调整等。控制装置20通过未图示的电缆等与各泵、各传感器及各阀连接。
判断部66作为对由电池剩余容量计56推测的二次电池18的剩余容量进行判断的判断机构而发挥功能，设置于控制装置20。判断部66将由电池剩余容量计56推测的二次电池18的剩余容量与设定的预定容量进行比较，能够判断出二次电池18的剩余容量是否在预定容量以下。此外，判断部66也可以具有判断由电阻测定装置22测定的燃料电池12的电阻值的功能。判断部66将从电阻测定装置22发送的电阻值数据与设定的预定电阻值进行比较，能够比较所测定的电阻值是否在预定电阻值以下。并且，判断部66也可以具有判定由外部气温传感器58测定的外部气温的功能。判断部66将从外部气温传感器58发送的外部气温数据与所设定的预定温度进行比较，能够判断外部气温是否在预定温度以下。进而，判断部66也可以具有判断由冷却水温度传感器46测定的从燃料电池12排出的冷却水温度的功能。将从冷却水温度传感器46发送的冷却水温度数据与所设定的预定温度进行比较，能够判断冷却水温度是否在预定温度以下。控制装置20能够将二次电池18的剩余容量、燃料电池12的电阻值、外部气温、冷却水温度的判断结果发送至后述的通信装置68。
通信装置68作为通知机构而发挥功能，在由控制装置20判断为二次电池18的剩余容量在预定容量以下的情况下，通知车辆使用者将外部电源插头60连接在外部电源62上。通信装置68能够在终端70例如无钥匙装置(keyless)或导航装置等的显示画面上显示“为了防止燃料电池系统冻结，请将外部电源插头连接在外部电源上”等，通知车辆使用者等将外部电源插头60连接在外部电源62上。
接着，说明上述的燃料电池系统10的动作。
在车辆停止，燃料电池12的运转停止之后，在控制装置20上设置的判断部66判断从电阻测定装置22发送来的燃料电池12的电阻值是否在预定电阻值以下。此外，判断部66判断从外部气温传感器58发送的外部气温数据是否在预定温度以下。在燃料电池12的电阻值在预定电阻值以下，且外部气温在预定温度以下的情况下，由于残留在燃料电池12中的水有可能会冻结，因此燃料电池系统10执行燃料电池12的干燥处理。在此，判断部66也可以判断从冷却水温度传感器46发送的冷却水温度是否在预定温度以下，来代替判断外部气温。并且，在冷却水温度为预定温度以下的情况下，由于残留在燃料电池12中的水有冻结的可能性，因此燃料电池系统10执行燃料电池12的干燥处理。
判断部66将由电池剩余容量计56推测的二次电池18的剩余容量与所设定的预定容量进行比较，判断二次电池18的剩余容量是否在预定容量以下。在二次电池18的剩余容量大于预定容量的情况下，从二次电池18向冷却水泵42和冷却水加热装置48供电。并且，由冷却水加热装置48加热的冷却水被冷却水泵42压送，通过冷却水配管36向燃料电池12输送。燃料电池12被加热后的冷却水加热而干燥。此外，在将二次电池18和氧化剂气体供给装置16连接的情况下，从二次电池18向氧化剂气体供给装置16供电。并且，氧化剂气体向燃料电池12输送，通过氧化剂气体将残留在燃料电池12中的水排出，由此进一步提高燃料电池12的干燥处理。
在由判断部66判断为二次电池18的剩余容量为预定容量以下的情况下，控制装置20向通信装置68发送判断结果。从控制装置20接收了判断结果的通信装置68，向车辆使用者的无钥匙装置等通知将外部电源插头60连接在外部电源62上。通信装置68在遥控无钥匙装置等的显示画面上显示例如“为了防止冻结，请将外部电源插头连接在外部电源上”。据此，车辆使用者将外部电源插头60连接在外部电源62上。
在外部电源插头60连接在外部电源62上时，从外部电源62向冷却水泵42和冷却水加热装置48供电。并且，由冷却水加热装置48加热的冷却水被冷却水泵42压送，通过冷却水配管36向燃料电池12输送。燃料电池12被加热后的冷却水加热而干燥。此外，在外部电源插头60和氧化剂气体供给装置16连接的情况下，从外部电源62向氧化剂气体供给装置16供电。氧化剂气体向燃料电池12输送，通过氧化剂气体将残留在燃料电池12中的水排出，由此进一步提高燃料电池12的干燥处理。
判断部66判断从电阻测定装置22发送的电阻值是否大于预定电阻值。在电阻值为预定电阻值以下的情况下，燃料电池系统10认为燃料电池12的干燥不充分，继续进行干燥处理。在电阻值大于预定电阻值的情况下，燃料电池系统10认为燃料电池12已充分干燥，结束干燥处理。
另外，即使在判断为二次电池18的剩余容量大于预定容量的情况下，车辆使用者也可以将外部电源插头60连接在外部电源62上，从外部电源62向冷却水泵42、冷却水加热装置48和氧化剂气体供给装置16供电。此外，搭载有上述燃料电池系统10的移动体不限于车辆，也可以是船舶及飞机等。
根据上述结构，通过将外部电源插头连接在外部电源上，能够从外部电源对冷却水泵、冷却水加热装置和氧化剂气体供给装置供电，因此即使在二次电池的剩余容量不足的情况下也能够对燃料电池进行干燥处理。
根据上述结构，由于包括推测二次电池的剩余容量的电池剩余容量计、具有判断由电池剩余容量计推测的二次电池的剩余容量的功能的判断部、在由判断部判断为二次电池的剩余容量为预定容量以下的情况下通知将外部电源插头连接在外部电源上的通信装置，因此车辆的使用者能够知晓二次电池的剩余容量已不足的情况，而将外部电源插头连接在外部电源上对燃料电池进行干燥处理。
产业实用性
只要是使用燃料电池的情况，本发明的燃料电池系统对任何情况均有效，特别适用于车辆用的燃料电池。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，
包括：冷却水泵，设置在用于向燃料电池输送冷却水的冷却水配管上，压送冷却水；
加热机构，设置在冷却水配管上，在燃料电池停止运转时加热冷却水；以及
二次电池，与冷却水泵和加热机构连接，对冷却水泵和加热机构供电，
在所述燃料电池系统中，在燃料电池停止运转时，将加热后的冷却水输送至燃料电池，使燃料电池干燥，其特征在于，
包括外部电源连接机构，与冷却水泵和加热机构连接，用于从外部电源对冷却水泵和加热机构供电。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，包括：
剩余容量推测机构，推测二次电池的剩余容量；
判断机构，对由剩余容量推测机构推测出的二次电池的剩余容量进行判断；以及
通知机构，在由判断机构判断为二次电池的剩余容量为预定容量以下的情况下，通知将外部电源连接机构连接到外部电源。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
包括：内部电阻测定机构，测定燃料电池的内部电阻；和
外部气温测定机构，测定外部气温，
所述判断机构还能够对由内部电阻测定机构测定到的燃料电池的内部电阻值进行判断，并对由外部气温测定机构测定的外部气温进行判断，
在由所述判断机构判断为燃料电池的内部电阻为预定电阻值以下，且外部气温为预定温度以下的情况下，将加热后的冷却水输送至燃料电池，干燥燃料电池。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
包括：内部电阻测定机构，测定燃料电池的内部电阻；和
冷却水测定机构，测定从燃料电池排出的冷却水温度，
所述判断机构还能够对由内部电阻测定机构测定到的燃料电池的内部电阻值进行判断，并对由冷却水测定机构测定的冷却水温度进行判断，
在由所述判断机构判断为燃料电池的内部电阻为预定电阻值以下，且冷却水温度为预定温度以下的情况下，将加热后的冷却水输送至燃料电池，使燃料电池干燥。
5.一种搭载有燃料电池系统的移动体，其搭载有权利要求1所述的燃料电池系统。
6.一种搭载有燃料电池系统的移动体，其搭载有权利要求2所述的燃料电池系统。
7.一种搭载有燃料电池系统的移动体，其搭载有权利要求3所述的燃料电池系统。
8.一种搭载有燃料电池系统的移动体，其搭载有权利要求4所述的燃料电池系统。
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