CN101641820A - 燃料电池系统及移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明以能够抑制在空气净化器中的冻结的燃料电池系统及移动体为课题。燃料电池系统具备对供给到燃料电池的空气进行净化的空气净化器和对空气净化器进行加热的加热器。也可以代替加热器，将冷却配管系的制冷剂供给到空气净化器，从而对空气净化器进行加热。

Description

燃料电池系统及移动体
技术领域
本发明涉及一种具备空气净化器的燃料电池系统以及具备该燃料电池系统的移动体。
背景技术
以往，公知搭载燃料电池系统的燃料电池车辆(例如参照特开2004-182220号公报)。该燃料电池车辆经由空气净化器由泵吸入外部空气，将吸入的外部空气作为氧化剂气体压送到燃料电池。空气净化器具备导入外部空气的壳体，在该壳体内分离外部空气中的异物。通过分离而过滤的外部空气向壳体外的供给通路排出，供给到燃料电池。
发明内容
然而，在燃料电池车辆在降雪地带行驶时，混有雪的外部空气可能会导入空气净化器。导入的雪与异物同样地在壳体内被分离，但是存在被分离的雪滞留在壳体内，未解冻完而残留的情况。另外，在冰点以下的环境中，也存在在壳体内分离或滞留的水分凝结而在壳体内冻结的情况。如果出现这样的雪的滞留或水分的冻结，则担心壳体内的流路或过滤器被堵塞。其结果，担心泵不能把充分的流量的氧化气体供给到燃料电池，燃料电池的输出不能满足牵引马达的要求驱动力。
对于这样的问题，在日本特开2004-182220号公报中没有任何研究，存在改良的余地。
本发明的目的在于，提供一种燃料电池系统及移动体，能够抑制在空气净化器中的冻结。
为了达成上述目的，本发明的燃料电池系统具备：燃料电池；空气净化器，净化向燃料电池供给的空气；及加热单元，对空气净化器进行加热。
根据该构成，例如即使向空气净化器导入雪，也能够通过加热使该雪熔化。由此，即使在冰点下等低温时，也能够抑制在空气净化器中的冻结。另外，通过上述抑制冻结，能够抑制对空气净化器中的空气流动产生障碍，能够确保向燃料电池的空气流量。
优选的是，加热单元由设置于空气净化器上的加热器构成。
这样，能够通过简单的构成对空气净化器加热。
更优选的是，空气净化器具备：壳体，具有空气入口及空气出口；及过滤器，在空气入口和空气出口之间且配置在壳体内。加热器设置在壳体的外表面侧。
根据该构成，能够利用现有的空气净化器，使壳体内升温。
在其他的优选方式中，燃料电池系统具有向燃料电池系统的构成设备循环供给制冷剂的冷却系统。加热单元由将流通于构成设备的制冷剂向空气净化器供给的冷却系统的一部分构成。
根据该构成，通过流通于燃料电池系统的构成设备的制冷剂的排热，能够使空气净化器升温。由此，能够有效地利用燃料电池系统的构成设备的排热，可以不另行设置加热器等热源。
优选的是，上述构成设备是燃料电池。
这样，利用通过电化学反应产生热量的燃料电池的排热，能够使空气净化器升温。
更优选的是，空气净化器具备：壳体，具有空气入口及空气出口；及过滤器，在空气入口和空气出口之间且配置在壳体内。在壳体上形成构成加热单元的冷却系统的一部分的流路。
优选的是，燃料电池系统具备：温度传感器，检测外部气温；及控制装置，基于温度传感器的检测结果，控制加热单元产生的对空气净化器的加热量。
根据该构成，例如在未产生空气净化器中的冻结的外部气温下，不进行空气净化器的加热也可以。另一方面，在空气净化器中能产生冻结的外部气温下，例如，在外部气温为冰点以下时、或空气中混有雪时，能够对空气净化器加热。由此，能够抑制热能量的消耗，同时抑制在空气净化器中的冻结。
在其他的优选方式中，燃料电池系统还具有：压缩机，经由空气净化器吸入空气而向燃料电池压送；及控制装置，基于向空气净化器的空气的吸气量及吸气温度，以及来自所述空气净化器的空气的压送量及压送温度的至少一个，控制加热单元产生的对空气净化器的加热量。
根据该构成，例如在空气吸气量或压送量降低的情况下，通过加热能够迅速解除认为是该降低的原因的空气净化器的冻结。另外，例如，能够在吸气温度接近外部气温或压送温度在冰点以下时，对空气净化器加热。这样，根据空气的吸气量、吸气温度、压送量及压送温度的至少一个控制加热量，从而能够抑制热能量的消耗，同时抑制在空气净化器中的冻结。
用于达成上述目的的本发明的移动体，具备上述的本发明的燃料电池系统。
根据该构成，抑制了在空气净化器中的冻结，因此移动体即使例如在降雪地带、或寒冷地带行驶的情况下，或在低温环境下使用的情况下，也能够向燃料电池供给与移动体的要求驱动力对应的空气流量。由此，能够满足移动体的要求驱动力。
附图说明
图1是表示第一实施方式的燃料电池系统的构成图。
图2是表示第一实施方式的空气净化器及加热器的概略剖面图。
图3是表示第一实施方式的变形例的空气净化器及加热器的概略剖面图。
图4是表示第二实施方式的空气净化器及冷却回路的概略剖面图。
图5是表示第二实施方式的第一构造例的空气净化器及冷却回路的概略剖面图。
图6是表示第二实施方式的第二构造例的空气净化器及冷却回路的概略剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的优选实施方式的燃料电池系统及移动体。该燃料电池系统的特征在于，构成为能够对空气净化器加热。以下，作为搭载燃料电池系统的移动体，以车辆为例进行说明。
第一实施方式
如图1所示，燃料电池系统1具备：燃料电池2；氧化气体配管系3，将作为氧化气体的空气(氧)供给到燃料电池2；燃料气体配管系4，将作为燃料气体的氢气供给到燃料电池2；制冷剂配管系5，向燃料电池2供给制冷剂而冷却燃料电池2；电力系6，对系统1的电力进行充放电；及控制装置7，集中控制系统1整体。
燃料电池2例如由固体高分子电解质型构成，具备层积多个单体电池的堆叠构造。燃料电池2的单体电池在电解质膜的一侧的面上具有空气极，在另一侧的面上具有燃料极，还具有从两侧夹持空气极及燃料极的一对隔板。向一侧的隔板的氧化气体流路2a供给氧化气体，向另一侧的隔板的燃料气体流路2b供给燃料气体。通过所供给的燃料气体及氧化气体的电化学反应，燃料电池2产生电力。在燃料电池2中的电化学反应是放热反应，固体高分子电解质型的燃料电池2的温度变为大约60～80℃。
氧化气体配管系3具有：供给通路11，流过向燃料电池2供给的氧化气体；排出通路12，流过从燃料电池2排出的氧化废气。在供给通路11上设置有：压缩机14，经由空气净化器13取入氧化气体；及加湿器15，对由压缩机14压送的氧化气体进行加湿。流过排出通路12的氧化废气通过背压调整阀16而在加湿器15中供水分交换后，最终作为废气排出到系统外的大气中。
燃料气体配管系4具有：氢供给源21；供给通路22，流过从氢供给源21向燃料电池2供给的氢气；循环通路23，用于使从燃料电池2排出的氢废气返回到供给通路22的合流点A；泵24，将循环通路23内的氢废气压送到供给通路22；及净化通路25，与循环通路23分支连接。通过打开主阀26，从氢供给源21向供给通路22流出的氢气经由调压阀及其他减压阀、及截止阀28而向燃料电池2供给。在净化通路25上设有净化阀33用于使氢废气向外部的氢稀释器(省略图示)排出。
制冷剂配管系5(冷却系统)具有制冷剂流路41、冷却泵42、散热器43、旁通流路44及切换阀45。制冷剂流路41与燃料电池2内的冷却流路2c连通。制冷剂流路41具有设于燃料电池2的制冷剂入口附近的温度传感器46和设于燃料电池2的制冷剂出口附近的温度传感器47。温度传感器47检测出的制冷剂温度反映燃料电池2的内部温度(以下称为“燃料电池2的温度”)。冷却泵42设在制冷剂流路41上，通过马达驱动将制冷剂流路41内的制冷剂循环供给到燃料电池2。散热器43对从燃料电池2排出的制冷剂进行冷却。旁通流路44绕过散热器43。切换阀45设定冷却水向散热器43及旁通流路44的流通。
电力系6具备高压DC/DC转换器61、蓄电池62、牵引变换器63、牵引马达64及各种辅机变换器65、66、67。通过高压DC/DC转换器61实现蓄电池62的充放电，并且控制燃料电池2的输出电压。牵引变换器63将直流电流变换为三相交流，供给到牵引马达64。牵引马达64是构成搭载了燃料电池系统1的车辆90的主动力源的三相交流马达，连接车辆90的车轮91L、91R。辅机变换器65、66、67分别控制压缩机14、泵24、冷却泵42的马达的驱动。
控制装置7作为内部具有CPU、ROM、RAM的微型计算机而构成。CPU根据控制程序执行期望的运算，进行后述加热量的控制等各种处理或控制。ROM存储由CPU处理的控制程序或控制数据。RAM主要作为用于控制处理的各种作业区域使用。控制装置7输入来自气体系统(3、4)或制冷剂系统5所使用的压力传感器及温度传感器(46、47)、检测车辆90的油门开度的油门开度传感器、及检测外部气温的外部气温传感器71等各种传感器的检测信号。并且，控制装置7向各构成要素输出控制信号。
图2是示意地表示空气净化器13的构成的剖面图。
如图2所示，空气净化器13具有箱形的壳体81。在壳体81的内部设置有例如吸附通过的气体(空气)中的尘埃的纸型空气净化器82。由该空气净化器82将壳体81内划分为吸入侧空间部81a和排出侧空间部81b。
壳体81中，在吸入侧空间部81a中设有空气入口83，在排出侧空间部81b中设有空气出口84。空气入口83向下方开口，向大气开放。空气出口84与连接于压缩机14的供给通路11相连接。在壳体81的底部81c连接排水阀86。排水阀86的位置优选位于空气净化器82的上游侧的空间即吸入侧空间部81a一侧，但是没有特别的限定。
通过这样的构成，压缩机14驱动时，在空气净化器13中，从空气入口83向吸入侧空间部81a内导入外部空气，该外部空气通过空气净化器82。并且，由该通过除去尘埃而被净化的外部空气被送入到排出侧空间部81b，从空气出口84向压缩机14引入，供给到燃料电池2。另外，通过打开排水阀86，将可滞留在壳体81的底部的水分向外部排出。
在此，在车辆90例如在降雪地带、或寒冷地带行驶的情况下，或在低温环境下使用的情况下，向空气净化器13内一起取入外部空气和雪。该取入的雪与其他的异物同样地在空气净化器82处被捕获，直接附着并残留于空气净化器82，成为阻碍空气的流动的要素。因此，在本实施方式中，设置作为对空气净化器13加热的加热单元的加热器100，抑制空气净化器13的冻结。
加热器100以与壳体81的外表面接触的状态或非接触的状态而设置。在此，加热器100遍及壳体81的外周面以接触状态设置。这样，能够宽幅地对壳体81内进行加热，因此能够使壳体81内迅速地升温。
但是，加热器100如果是能够使壳体81内升温的构成，则对于其位置等没有限定，例如也可以设置在壳体81的内部。另外，在其他的方式中，优选将加热器100设置在空气净化器82的附近。如果设置在这样的位置，则能够集中地加热空气净化器82。由此，在空气净化器82冻结的情况下，能够迅速将其解冻。此外，在壳体81外设置加热器100的情况下，考虑向壳体81内的热传导性，优选由热传导率高的材料构成壳体81。
加热器100与控制装置7电连接，通过控制装置7控制加热温度、加热时间、加热开始时刻及加热量等。如果驱动加热器100直到不需要对空气净化器13进行加热时为止，则系统效率反而降低，因此不优选。因此，优选的是，加热器100只有在空气净化器13可能会冻结时或判断为正在冻结的情况下被驱动。该冻结的判断例如能够通过以下的四种方法进行。
第一方法利用外部气温传感器71。具体而言，控制装置7在外部气温传感器71的检测温度例如在冰点以下(0℃)的情况下，驱动加热器100，控制加热器100的加热量，以使壳体81内不发生冻结。另一方面，在外部气温传感器71的检测温度超过冰点以下(0℃)的情况下，控制装置7停止加热器100即可。
第二方法利用设置在压缩机14的下游侧的流量计72。在流量计72检测出的空气流量低于燃料电池2的要求值的情况下，判断为空气净化器82被雪堵塞而空气净化器13发生冻结。因此，在该情况下，控制装置7可以驱动加热器100以解除在壳体81内的冻结。另一方面，在流量计72检测出的空气流量为燃料电池2的要求值的情况下，加热器100可以一直停止。
第三方法没有特别地图示，利用牵引马达64的要求驱动力和实际驱动力之间的比较。在未达到牵引马达64要求的驱动力的情况下，认为是如同第二方法所记载的空气净化器84因冻结而堵塞，与要求驱动力对应的空气流量没有供给到燃料电池2。因此，在该情况下，控制装置7可以驱动加热器100以解除在壳体81内的冻结。另一方面，在达到牵引马达64要求的驱动力的情况下，加热器100可以一直停止。
第四方法利用与空气净化器13相关连的各种状态量的检测结果。如图3所示，在空气入口83侧设置温度传感器121及流量计122，在空气出口84侧设置温度传感器131及流量计132，这些与控制装置7电连接。温度传感器121及流量计122分别检测吸入壳体81内的外部空气的吸气温度及吸气量。同样地，温度传感器131及流量计132分别检测向壳体81外压送的外部空气的压送温度及压送量。
在未驱动加热器100的情况下，温度传感器121、131检测出的吸气温度及压送温度实质上与外部气温相同。因此，也可以代替外部气温传感器71而使用温度传感器121或131，与第一方法同样地控制加热器100。另外，在驱动加热器100的情况下，可以通过温度传感器121对壳体81内的冻结的可能性继续进行判断，并且通过温度传感器131把握壳体81内的温度上升，决定加热器100的加热量。
另外，在流量计122、132检测出的吸气量和压送量低于燃料电池2的要求值的情况下，认为如第二方法所记载的，空气净化器82因冻结而堵塞。因此，在该情况下，控制装置7可以驱动加热器100以解除壳体81内的冻结。并且，在驱动加热器100的情况下，可以通过流量计132把握冻结的解除程度，决定加热器100的加热量。
此外，在第四方法中控制加热器100的情况下，也可以将吸气温度、吸气量、压送温度及压送量全部检测出，但是也可以检测出其中之一。当然，第一～第四方法可以并用。
如以上说明，根据本实施方式，能够通过加热器100抑制在空气净化器13中的冻结。因此，即使在低温环境下等，也能够确保相对于燃料电池2所期望的空气流量。即，能够将燃料电池2的输出所要求的流量的空气供给到燃料电池2，因此能够满足牵引马达64要求的驱动力。另外，通过加热器100解冻的雪作为液体滞留在壳体81的底部，但是由于在此处设置有排水阀86，因此能够向外部排水。因此，也可以抑制壳体81的底部的冻结。
此外，加热器100也可以在车辆90刚刚开始起动后开始驱动，但是刚刚起动后并不那样要求燃料电池2的输出，因此也可以仅在要求输出的车辆90的行驶中驱动加热器100。
第二实施方式
接着，参照图4至图6，对第二实施方式的燃料电池系统1以不同点为中心进行说明。与第一实施方式的不同点是，代替加热器100而使用制冷剂配管系5作为对空气净化器13进行加热的加热单元。其他方面均相同，因此标注相同的标号并省略其详细的说明。
如图4所示，制冷剂配管系5的一部分构成为将流通于燃料电池2的制冷剂供给到空气净化器13，构成加热单元。在一个例子中，构成加热单元的制冷剂配管系5的一部分主要是旁通流路44。旁通流路44内的制冷剂的温度通过燃料电池2的发电反应而上升到规定的温度(燃料电池2的温度)，因此如果使用该制冷剂则可以对空气净化器13进行加热。
当然不限于旁通流路44，而用于对空气净化器13进行加热的制冷剂优选是从燃料电池2排出的、且没有被散热器43冷却的制冷剂。另外，用于对空气净化器13进行加热的制冷剂也可以流过从旁通流路44分支而与制冷剂流路41合流的分支流路。
作为对空气净化器13进行加热的制冷剂配管系5的构造，例如考虑两种。
第一构造如图5所示，使作为旁通流路44的一部分的制冷剂流路200形成于壳体81自身。该情况下，可以将制冷剂流路200的配管埋入壳体81的周壁，而能够从周方向对壳体81进行加热。例如，也可以将制冷剂流路200的配管螺旋状地埋入壳体81，而能够在宽广的区域对壳体81加热。但是，更优选的是，可以将制冷剂流路200的配管设置在空气净化器82的附近。
第二构造如图6所示，将作为旁通流路44的一部分的配管210的外周面以接触状态设置在壳体81的外表面。该情况下也优选使配管210以宽广的面积与壳体81接触，可以在空气净化器82的附近与壳体81的外表面螺旋状地接触。
根据本实施方式，能够通过流过制冷剂流路200或配管210的制冷剂对空气净化器13进行加热。因此，即使不另行设置第一实施方式的加热器100这样的热源，也能够与第一实施方式同样地抑制在空气净化器13中的冻结，能够满足牵引马达64要求的驱动力。
虽然未详述，但是在本实施方式中，也可以通过在第一实施方式中说明的第一～第四方法，判断空气净化器13的冻结的可能性或有无冻结，从而决定是否对空气净化器13进行加热。并且，可以通过控制装置7控制切换阀45的设定位置或散热器43产生的冷却量(例如，附设在散热器43上的叶片的转速)，来实行空气净化器13的加热量的控制。
在其他的实施方式中，也可以使流通于燃料电池2以外的构成设备的制冷剂导入空气净化器13而对其进行加热。例如，也可以将流通于泵24等设备的制冷剂，或流通于电力系6的设备、例如高压DC/DC转换器61、牵引变换器63及辅机变换器65、66、67的任意一个的制冷剂，导入到空气净化器13。
本发明的燃料电池系统1能够搭载于两轮或四轮的机动车以外的电车、飞机、船舶、机器人及其他的移动体上。另外，燃料电池系统1也能够固定使用，能够组装入热电联供系统。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，具备燃料电池及对向该燃料电池供给的空气进行净化的空气净化器，
所述燃料电池系统具备对所述空气净化器进行加热的加热单元。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，
所述加热单元由设置于所述空气净化器的加热器构成。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，
所述空气净化器具备：壳体，具有空气入口及空气出口；及过滤器，在所述空气入口和所述空气出口之间且配置在所述壳体内，
所述加热器设置在所述壳体的外表面侧。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，
所述燃料电池系统具有向该燃料电池系统的构成设备循环供给制冷剂的冷却系统，
所述加热单元由将流通于所述构成设备的制冷剂向所述空气净化器供给的所述冷却系统的一部分构成。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，
所述构成设备是所述燃料电池。
6.如权利要求4或5所述的燃料电池系统，
所述空气净化器具备：壳体，具有空气入口及空气出口；及过滤器，在所述空气入口和所述空气出口之间且配置在所述壳体内，
在所述壳体中形成有构成所述加热单元的所述冷却系统的一部分的流路。
7.如权利要求4或5所述的燃料电池系统，
所述空气净化器具备：壳体，具有空气入口及空气出口；及过滤器，在所述空气入口和所述空气出口之间且配置在所述壳体内，
构成所述加热单元的所述冷却系统的一部分的配管与所述壳体接触。
8.如权利要求4至7的任意一项所述的燃料电池系统，
所述冷却系统的一部分是绕过散热器的旁通流路。
9.如权利要求1至8的任意一项所述的燃料电池系统，还具备：
温度传感器，检测外部气温；及
控制装置，基于所述温度传感器的检测结果，控制所述加热单元产生的对所述空气净化器的加热量。
10.如权利要求1至8的任意一项所述的燃料电池系统，还具备：
压缩机，经由所述空气净化器吸入空气而向所述燃料电池压送；及
控制装置，基于向所述空气净化器的空气的吸气量和吸气温度、以及来自所述空气净化器的空气的压送量和压送温度的至少一个，控制所述加热单元产生的对所述空气净化器的加热量。
11.如权利要求1至8的任意一项所述的燃料电池系统，
还具备判断所述空气净化器的冻结的可能性或有无冻结的控制装置。
12.如权利要求11所述的燃料电池系统，
所述控制装置在判断为所述空气净化器可能会冻结或正处于冻结的情况下，控制所述加热单元以对所述空气净化器进行加热。
13.如权利要求12所述的燃料电池系统，
所述控制装置在判断为所述空气净化器不会冻结或没有正处于冻结的情况下，控制所述加热单元以不对所述空气净化器进行加热。
14.一种移动体，具备权利要求1至13的任意一项所述的燃料电池系统。
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