CN102473940A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够抑制运转停止后在低温环境下的燃料电池的温度变化、抑制由于凝结导致的冻结、确保其后的良好起动的燃料电池系统。燃料电池系统包括：燃料电池(20)，其利用空气和氢气的电化学反应而发电；气体供给部，其利用压缩机(A3)和氢泵(H50)向与燃料电池(20)相连的空气流路(71)、燃料供给路(74)及氢循环路(75)供给空气和氢气；冷却部，其用泵(C1)使由散热器(C3)冷却的冷却水在与燃料电池(20)相连的气体路(73)循环而将燃料电池(20)冷却；控制部(50)，在判定为燃料电池(20)的发电停止后燃料电池(20)成为冰点以下时，进行利用气体供给部对空气供给路(71)、燃料供给路(74)和氢循环路(75)内扫气的扫气处理，并进行利用冷却部将燃料电池(20)冷却的冷却处理。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及具有燃料电池的燃料电池系统。
背景技术
近年来，将利用反应气体(燃料气体及氧化气体)的电化学反应发电的燃料电池作为能源的燃料电池系统备受瞩目。
这种燃料电池系统中，有如下技术：在停止运转时使燃料电池比通常运转时快速冷却，使由于残留于燃料电池的气体带来的碳氧化而导致的燃料电池的劣化反应延迟(例如，参照专利文献1)。
此外，有如下技术：发电停止后，使冷却水在燃料电池循环，直到燃料电池的温度低于成为冷却水的循环停止判断基准的冷却水循环停止温度(例如，参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开2007-328972号公报
专利文献2：日本特开2007-164998号公报
发明内容
在冰点以下，若运转停止时间达到长时间，则燃料电池被外部大气从外周侧冷却。于是，燃料电池的中心侧与外周侧的温度差变大，即使在运转停止后对气体流路内进行扫气，也会有时在燃料电池的气体流路内残留的水蒸气凝结而冻结。尤其是，在配置在燃料电池的外周侧的共轨等狭窄的气体流路部分，由于冻结而气体的流动降低，可能引起其后的起动性降低。
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，提供一种抑制运转停止后在冰点以下的燃料电池的部位之间的温度差扩大、抑制由凝结引起的冻结，能够确保其后的良好起动的燃料电池系统。
为了达到上述目的，本发明的燃料电池系统，包括：燃料电池，其通过燃料气体和氧化气体的电化学反应而发电；气体供给部，其向与所述燃料电池相连的气体流路供给燃料气体及氧化气体；冷却部，其将所述燃料电池冷却；和控制部，其在判定为所述燃料电池进行的发电停止后所述燃料电池成为冰点以下的情况下，进行通过所述气体供给部向所述气体流路送入燃料气体及氧化气体而进行扫气的扫气处理，并进行通过所述冷却部将所述燃料电池冷却的冷却处理。
根据该结构的燃料电池系统，控制部在判定为燃料电池的发电停止后燃料电池成为冰点以下时，将燃料气体及氧化气体送入气体流路进行扫气，并冷却燃料电池，因此能够将燃料电池迅速冷却而使气体流路内的水蒸气液化将其排出。
由此，能够抑制以下不良情况：在冰点以下，由于运转停止时间达到较长时间，因此燃料电池被外部大气从外周侧冷却而中心侧与外周侧的温度差变大，在燃料电池的气体流路内残留的水蒸气凝结而冻结。因此，即使在配置于燃料电池的外周侧的共轨等狭窄的气体流路部分也能抑制冻结，确保其后起动时的气体流动，能够良好起动。
此外，在本发明的燃料电池系统中可以是，所述控制部在所述燃料电池成为了预先设定的冷却完成温度的时间点使所述冷却处理停止。
此外，在本发明的燃料电池系统中可以是，所述控制部在所述冷却处理停止后经过了预定时间的时间点使所述扫气处理停止。
此外，在本发明的燃料电池系统中可以是，所述控制部在所述冷却处理停止后燃料电池的阻抗值成为了预定值以上的时间点，使所述扫气处理停止。
此外，在本发明的燃料电池系统中可以是，所述冷却部包括：使冷却介质在与所述燃料电池相连的冷却路循环的泵、和具有使所述冷却介质与外部大气进行热交换的冷却扇的散热器。
此外，在本发明的燃料电池系统中可以是，所述控制部根据所述燃料电池的内部温度及预先存储的所述燃料电池的温度变化的映射推定所述燃料电池成为所述冷却完成温度的冷却完成定时，用所述冷却完成定时控制所述泵及冷却扇，以使所述泵及所述冷却扇完全停止的完全停止定时与所述冷却完成定时一致。
此外，在本发明的燃料电池系统中可以是，在所述冷却路连接有储存有所述冷却介质的冷却介质容器，通过在所述冷却处理时驱动所述泵，所述冷却介质容器内的所述冷却介质被向所述冷却路内循环。
根据本发明的燃料电池系统，能够抑制运转停止后在低温环境下的燃料电池的温度变化，抑制由于凝结导致的冻结，确保其后的良好起动。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池系统的概略结构图。
图2是说明由控制部进行的燃料电池系统的停止时的控制的流程图。
图3是表示冰点以下时停止控制的温度变化、控制的定时及气体流路内的残余水量的曲线图。
图4是表示冰点以下时停止控制的其他例子的曲线图。
图5是表示燃料电池系统的变形例的概略结构图。
附图标记的说明
1 燃料电池系统
20 燃料电池
50 控制部
71 空气供给路(气体流路)
73 冷却路
74 燃料供给路(气体流路)
75 氢循环路(气体流路)
A3 压缩机(气体供给部)
C1 泵(冷却部)
C2 散热器(冷却部)
C13 冷却扇(冷却部)
C16 冷却介质容器(冷却部)
H50 氢泵(气体供给部)
具体实施方式
首先，说明燃料电池系统1的整体结构。该燃料电池系统1是燃料电池车辆的车载发电系统，但除了车载用燃料电池系统以外，还可以应用于船舶、航空器、电车、步行机器人等所有移动体用燃料电池系统、例如燃料电池用作建筑物(住宅、大厦等)用的发电设备的固定用燃料电池系统。
如图1所示，作为氧化气体(反应气体)的空气经由空气供给路71供给到燃料电池20的空气供给口。在空气供给路71设有从空气除去微粒的空气过滤器A1、对空气加压的压缩机A3、检测供给空气压的压力传感器P4及对空气施加所需水分的加湿装置A21。压缩机A3被电动机M驱动。该电动机M被控制部50驱动控制。
从燃料电池20排出的空气废气经由排气路72被放出到外部。在排气路72设有检测排气压的压力传感器P1及压力调整阀A4。压力传感器P1设于燃料电池20的空气排气口近旁。压力调整阀A4作为设定向燃料电池20供给的供给空气压的调压器而发挥作用。
压力传感器P4、P1的检测信号发送至控制部50。控制部50通过调整压缩机A3的电动机转速及压力调整阀A4的开度面积，来设定向燃料电池20供给的供给空气压、供给空气流量。
作为燃料气体(反应气体)的氢气被从氢供给源30经由燃料供给路74供给到燃料电池20的氢供给口。在燃料供给路74设有从氢供给源30供给氢或停止供给的断流阀H100、检测来自氢供给源30的氢气的供给压力的压力传感器P6、减压并调整向燃料电池20供给的氢气的供给压力的氢调压阀H9、检测氢调压阀H9的下游的氢气压力的压力传感器P9、对燃料电池20的氢供给口与燃料供给路74之间进行开闭的断流阀H21及检测氢气的燃料电池20的入口压力的压力传感器P5。压力传感器P5、P6、P9的检测信号也被供给到控制部50。
在燃料电池20未消耗的氢气作为氢废气排出到氢循环路75，返回燃料供给路74的氢调压阀H9的下游侧。在氢循环路75设有检测氢废气温度的温度传感器T31、将燃料电池20和氢循环路75连通/切断的断流阀H22、从氢废气回收水分的气液分离器H42、将回收的生成水回收到氢循环路75外的未图示的容器等的排水阀H41及对氢废气加压的氢泵H50。
断流阀H21、H22封闭燃料电池20的阳极侧。温度传感器T31的未图示的检测信号被供给到控制部50。氢泵H50被控制部50控制动作。
氢废气在燃料供给路74与氢气合流，被供给到燃料电池20而再利用。断流阀H100、H21、H22被来自控制部50的信号驱动。
氢循环路75经由排出控制阀H51借助清除流路76与排气路72连接。排出控制阀H51是电磁式的断流阀，根据来自控制部50的指令而工作，从而将氢废气排出(清除)到外部。通过间断进行该清除动作，从而能够防止由于反复进行氢废气的循环、燃料极侧的氢气的杂质浓度增加而导致单电池电压降低。
在燃料电池20的冷却水出入口设有用于使冷却水(冷却介质)循环的冷却路73。在冷却路73设有检测从燃料电池20排出的冷却水的温度(出口温度)的温度传感器T1、将冷却水的热散热到外部的散热器(换热器)C2、对冷却水加压使其循环的泵C1及检测供给到燃料电池20的冷却水的温度(入口温度)的温度传感器T2。在散热器C2设有被电动机驱动旋转的冷却扇C13。
此外，在冷却路73，与散热器C2并联地设有旁通路G14。在该旁通路C14的一端与冷却路73的连接部位设有由控制部50控制的三通阀C15，通过该三通阀C15的切换，冷却路73的流路与散热器C2或旁通路C14连通。
燃料电池20构成为将接受燃料气体和氧化气体的供给而发电的单电池层叠所需层数而成的燃料电池堆叠体。燃料电池20产生的电力被供给到未图示的电力控制单元。电力控制单元包括驱动车辆的驱动电动机的变换器(inverter)、驱动压缩机用电动机、氢泵用电动机等各种辅机类的变换器、和向二次电池等蓄电机构充电、从该蓄电机构向电动机类供电的DC-DC转换器等。
控制部50从未图示的车辆的加速信号等要求负载、燃料电池系统1的各部分的传感器(压力传感器、温度传感器、流量传感器、输出电流计、输出电压计等)接收控制信息，控制系统各部分的阀类、电动机类的运转。
接着，说明燃料电池系统1的运转停止(发电停止)时的控制部50的控制。
图2是表示由控制部50进行的燃料电池系统1的停止时的控制的流程图。
当点火开关被关闭而发出系统的停止命令时(步骤S01)，进行冰点以下判定处理(步骤S02)。
在该冰点以下判定处理中，基于外部大气温度、用户按下冰点以下开关、GPS的位置信息、季节信息、或日期信息等，判定是否有燃料电池20成为冰点以下的可能性。例如，在外部大气温度为10℃以下时等。
结果，若没有判定为有成为冰点以下的可能性(在步骤S02为“否”)，则控制部50如通常那样使燃料电池系统1停止。即，若燃料电池20不会成为冰点以下，则即使燃料电池20的气体流路内的水蒸气凝结，凝结水也不会冻结。因此，此时，不进行步骤S03以后的冰点以下时停止控制，如通常那样停止。
与此相对，若判定为有成为冰点以下的可能性(在步骤S02为“是”)，则控制部50进行步骤S03以后的冰点以下时停止控制。
图3是表示冰点以下时停止控制中的温度变化、控制的定时及气体流路内的残余水量的曲线图。
在判定为有成为冰点以下的可能性而进行冰点以下时停止控制时(图3中t1时)，开始扫气处理(步骤S03)，进而进行冷却处理(步骤S04)。
在扫气处理中，将压力调整阀A4全开、以最大转速驱动压缩机A3(参照图3(E))，而且，在使气液分离器H42的排水阀H41为常时(一直)开放或提高了开闭频率的状态，以最大转速驱动氢泵H50(参照图3(E))。
由此，进行与燃料电池20相连的空气及氢气的气体流路的扫气。另外，通过打开排水阀H41，从而氢循环路75内的氢也与水一起从气液分离器H42放出、压力减少，扫气的效果降低。因此，在控制部50中，基于压力传感器P5、P9、P21的压力值，控制氢调压阀H9而从氢供给源30向氢循环路75内供给氢气，以使氢循环路75内成为预定压力以上。
在冷却处理中，控制三通阀C15来使旁通路C14侧全闭并使散热器C2侧全开，使冷却路73与散热器C2连通(参照图3(C))，以最大转速驱动泵C1及冷却扇C13(参照图3(B)(D))。由此，使冷却水在燃料电池20循环来冷却燃料电池20。
随着上述的扫气处理，燃料电池20的气体流路内的液体状及蒸气状的水被排出，整体的残余水量减少(参照图3(F))。此时，通过冷却处理，燃料电池20的温度逐渐降低，燃料电池20的冷却水的入口温度及出口温度也降低(参照图3(A))。由此，在燃料电池20内，作为水蒸气存在的水逐渐成为液体，整体的残余水量中的水蒸气的比例减少(参照图3(F))。
接着，控制部50进行冷却处理的完成判定(步骤S05)。在冷却处理的完成判定中，控制部50基于温度传感器T1、T2的检测结果推定燃料电池20的内部温度，判定燃料电池20是否成为了冷却完成温度。作为该冷却完成温度，是不会将燃料电池20过于冷却而使其冻结的温度，例如，设定为外部大气温度+5～10℃左右这样的比外部大气温度稍高的预定温度。
当冷却处理的完成判定的结果是判定为冷却处理已完成时(图3中t2时)，控制三通阀C15使散热器C2侧全闭并使旁通路C14侧全开，而使冷却路73与旁通路C14连通(参照图3(C))，使泵C1及冷却扇C13的驱动停止(参照图3(B)(D))，停止利用冷却水的燃料电池20的冷却处理(步骤S06)。
接着，控制部50在冷却处理的停止后进行扫气处理的完成判定(步骤S07)。在扫气处理的完成判定中，判定燃料电池20自冷却处理的停止后是否达到扫气处理的停止定时。作为该停止定时，是指燃料电池20的气体流路中成为液体的水的残量大致消除(消失)的时间点，例如，设定为在冷却处理停止后经过了预定时间(例如10秒左右)的时间点、或由于燃料电池20内的残余水量而增加的燃料电池20的阻抗值成为预定值以上的时间点。
当扫气处理的完成判定的结果是判定为扫气处理已完成时(图3的t3时)，关闭压力调整阀A4、停止压缩机A3的驱动(参照图3(E))，并且关闭气液分离器H42的排水阀H41、停止氢泵H50的驱动(参照图3(E))，停止燃料电池20的气体流路的扫气(步骤S08)。由此，成为燃料电池20的气体流路中成为液体的水大致被完全排出的状态(参照图3(F))。
如以上所说明的那样，根据上述实施方式的燃料电池系统1，控制部50在判定为燃料电池20的发电停止后、燃料电池20会成为冰点以下时，对与燃料电池20相连的空气及氢气的气体流路进行扫气，并冷却燃料电池20，因此能迅速冷却燃料电池20、将气体流路内的水蒸气液化并排出。
即，通过将燃料电池20强制冷却使其接近外部大气温度，从而能够抑制以下不良情况：在冰点以下，运转停止时间达到较长时间，因此燃料电池20被外部大气从外周侧冷却而中心侧与外周侧的温度差变大，在燃料电池20的气体流路内残留的水蒸气凝结而冻结。
因此，即使在配置于燃料电池20的外周侧的共轨(コモンレ一ル)等狭窄的气体流路部分也能抑制冻结，确保其后起动时的气体流动，能够良好起动。
此外，控制部50在燃料电池20成为冷却完成温度的时间点停止冷却处理，所以如果作为冷却完成温度，例如设定为外部大气温度+5～10℃左右的比外部大气温度稍高的预定温度，则能够消除将燃料电池20过于冷却而使其冻结这样的不良情况。
此外，控制部50在冷却处理的停止后经过了预定时间的时间点或燃料电池的阻抗值成为预定值以上的时间点停止扫气处理，因此能够将冷却处理后残留于燃料电池20内的水良好地排出。
此外，在上述实施方式中，控制部50在判定为成为冷却完成温度的时间点(图3中t2时)控制三通阀C15(参照图3(C))，使泵C1及冷却扇C13的驱动停止(参照图3(B)(D))，停止利用冷却水的燃料电池20的冷却处理，但燃料电池20会被冷却直到在冷却处理完成判定后三通阀C15驱动而切换流路及在冷却处理完成判定后泵C1及冷却扇C13完全停止。
图4是表示为了抑制由于上述的三通阀C15、泵C1及冷却扇C13的响应延迟而导致的燃料电池20的过度冷却的冷却处理停止控制的图。
在该控制中，根据从燃料电池20的冷却水的温度传感器T1、T2推定的燃料电池20的内部温度及预先存储的燃料电池20的温度变化的映射，计算(推定)成为作为目标温度的冷却完成温度(优选0～5℃左右)的冷却完成定时(图4中t2时)。
然后，控制三通阀C15、泵C1及冷却扇C13，以使三通阀C15、泵C1及冷却扇C13完全停止的完全停止定时与计算出的冷却完成定时一致(参照图4(B)(C))。
此外，在该控制中，向冷却完成定时逐渐地进行三通阀C15的切换，并逐渐停止泵C1及冷却扇C13，从而使三通阀C15、泵C1及冷却扇C13完全停止的完全停止定时与计算出的冷却完成定时高精度地一致，使燃料电池20更高精度地成为作为目标温度的冷却完成温度。
因此，通过该控制，能够抑制由于三通阀C15、泵C1及冷却扇C13的响应延迟而导致的前述的燃料电池20的过度冷却，抑制冻结。
此外，图5所示的是与散热器C2并列的设置有储存冷却水的冷却水容器(冷却介质容器)C16的燃料电池系统1，该冷却水容器C16的热容量比散热器C2大。
并且，在该燃料电池系统1中，在冷却处理时，利用泵C1不仅使散热器C2中储存的冷却水、还能使冷却水容器C16中储存的冷却水，大量地向燃料电池20循环，因此，能够缩短燃料电池20的冷却处理时间，大幅度缩短冰点以下时停止控制的控制时间。
另外，在扫气处理时及冷却处理时，从缩短处理时间方面考虑，优选是使压缩机A3、氢泵H50、泵C1及冷却扇C13以最大转速驱动，但关于扫气处理时及冷却处理时的压缩机A3、氢泵H50、泵C1及冷却扇C13的驱动，以可适当进行扫气处理及冷却处理为条件，也可不必是最大转速。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，其通过燃料气体和氧化气体的电化学反应而发电；
气体供给部，其对所述燃料电池向与燃料气体及氧化气体相连的气体流路供给气体；
冷却部，其将所述燃料电池冷却；和
控制部，其在判定为所述燃料电池进行的发电停止后所述燃料电池成为冰点以下的情况下，进行向所述气体流路送入燃料气体及氧化气体而进行扫气的扫气处理，并进行通过所述冷却部将所述燃料电池冷却的冷却处理。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述控制部在所述燃料电池成为了预先设定的冷却完成温度的时间点使所述冷却处理停止。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述控制部在所述冷却处理停止后经过了预定时间的时间点使所述扫气处理停止。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
所述控制部在所述冷却处理停止后燃料电池的阻抗值成为了预定值以上的时间点，使所述扫气处理停止。
5.根据权利要求2～4中的任一项所述的燃料电池系统，其中，
所述冷却部包括：使冷却介质在与所述燃料电池相连的冷却路循环的泵、和具有使所述冷却介质与外部大气进行热交换的冷却扇的散热器。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，
所述控制部根据所述燃料电池的内部温度及预先存储的所述燃料电池的温度变化的映射推定所述燃料电池成为所述冷却完成温度的冷却完成定时，用所述冷却完成定时控制所述泵及冷却扇，以使所述泵及所述冷却扇完全停止的完全停止定时与所述冷却完成定时一致。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池系统，其中，
在所述冷却路连接有储存有所述冷却介质的冷却介质容器，通过在所述冷却处理时驱动所述泵，所述冷却介质容器内的所述冷却介质被向所述冷却路内循环。
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