CN102959783A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆；氢气提供装置，其用于将填充在氢罐中的氢气通过减压提供给所述燃料电池堆；空气提供管，其用于将空气提供给所述燃料电池堆；以及空气排出管，其用于将剩余的空气从所述燃料电池堆排出。所述氢气提供装置设置在能够与所述空气提供管和所述空气排出管连通的热交换腔室内。当所述氢气提供装置的温度达到或低于预定温度(T3L)时，从所述燃料电池堆排出的空气被引入到所述热交换腔室中。当从所述燃料电池堆排出的空气的温度达到或超过预定温度(T2H)时，引入到所述热交换腔室中并且被所述氢气提供装置冷却的空气被提供给所述燃料电池堆。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，并且尤其涉及能够在氢气提供装置和燃料电池堆之间有效进行热交换以将该装置和该堆内的气氛保持在适当的温度内从而防止其过热或过冷的燃料电池系统。
背景技术
安装在燃料电池车辆上的燃料电池系统利用同时产生水的电化学反应发电。一般来说，这种燃料电池系统的燃料电池通过堆叠多个被称为单体电池的最小结构单元而获得的燃料电池堆。在一般的聚合物电解质燃料电池的情况下，如图6中所示，单体电池101包括分别提供氢和空气(氧)的阳极102和阴极103，在阳极102和阴极103之间设置有扩散层104和105以及用于激活该反应的催化剂层106和107，并且在中心设置有电解质膜108，电解质膜108选择性地透过氢离子。
提供给阳极102的氢分子在存在于阳极102侧的电解质膜108表面上的催化剂层106中转换为活性氢原子，并且进一步转换为氢离子，放出电子。图6中(1)所示的该反应被表达为下面的公式1。
H2→2H++2e-    (公式1)
由公式1产生的氢离子从阳极102侧穿过电解质膜108与包含在电解质膜108中的水汽一起迁移到阴极103侧，同时电子穿过外电路109迁移到阴极103。通过该电子迁移，电流流过设置在外电路109中的负载(例如，车辆的牵引电动机)110。
另一方面，提供给阴极103的空气中的氧分子在催化剂层107中通过接收从外电路109提供的电子转换为氧离子，然后通过与穿过电解质膜108迁移来的氢离子结合转换为水。图6中(2)所示的该反应被表达为下面的公式2。
1/2O2+2H++2e-→H2O    (公式2)
由此产生的水的一部分通过浓度扩散从阴极103迁移到阳极102。在上述化学反应中，在单体电池101内发生各种损耗，如由电解质膜108和电极的电阻导致的电阻过电压、由氢和氧之间的电化学反应导致的反应过电压和由氢和氧穿过扩散层104和105的迁移导致的扩散过电压。由此产生的废热需要被散去。
包括上述单体电池101的燃料电池系统的冷却方式有水冷式和空冷式。
首先，图7示出传统燃料电池车辆的一般水冷式燃料电池系统的配置。图7中所示的燃料电池系统201包括通过堆叠多个上述单体电池或最小结构单元获得的燃料电池堆202，并且还包括向燃料电池堆202提供氢气的氢气提供装置203。
氢气提供装置203将存储在高压氢罐204中的压缩氢气通过氢气提供管205经由减压阀206引入到燃料电池堆202的阳极进气部207。在该过程中，氢气的温度由于气体的绝热膨胀而下降，从而冷却包括氢罐204的与氢有关的部件和氢罐204与燃料电池堆202之间的，如氢提供管205以及在其中部提供的截止阀和减压阀206的与氢有关的部件。
另一方面，燃料电池系统201包括用于向燃料电池堆202提供空气的空气提供管208和用于从燃料电池堆202排出剩余空气的空气排出管209。在空气提供管208中，通过过滤器210吸入的环境空气被高压压缩器211压缩，然后被引入到燃料电池堆202的阴极进气部212中。结果，在燃料电池堆202中进行发电。
在燃料电池堆202中的发电中没有使用而留下的剩余空气通过燃料电池堆202的阴极排气部213作为阴极尾气排放到空气排出管209。排放到空气排出管209的阴极尾气被蒸汽分离器214分离出该尾气中的一部分水，然后经由背压阀215释放到大气中，以控制阴极系统的压力。
同时，在燃料电池堆202中的发电中没有使用而留下的剩余氢气通过阳极排气部216作为阳极尾气排放到氢清除管217。氢清除管217连接到空气排出管209的中部。与阴极尾气一样，排放到氢清除管217的阳极尾气像阴极尾气的情况那样流过蒸汽分离器218，然后经由清除阀219混入到空气排出管209中的阴极尾气。
来自阳极排气部216的被清除的氢尾气或者阳极尾气的流量比阴极尾气的流量小很多。因此，在阴极尾气的帮助下，来自阳极排气部216的被清除的氢能够以4％的爆炸下限浓度以下的浓度释放到大气。注意，在一些燃料电池系统中，氢清除管217通过氢返回管220连接到阳极进气部207，并且使用提供给氢返回管220的氢泵221将阳极尾气再循环到阳极进气部207，以提高氢的使用效率。
现在描述水冷式燃料电池系统201的冷却系统222。冷却系统222包括冷却燃料电池堆202的冷却水的散热器223。在冷却系统222中，通过冷却水导入通道224将燃料电池堆202连接到散热器223并且通过冷却水导出通道225将散热器223连接到燃料电池堆202形成冷却回路。
冷却系统222在连接到燃料电池堆202的上游侧或下游侧(图7中是下游侧)的冷却水导入通道224中包括水泵226，从而将冷却水抽送到散热器223。冷却了燃料电池堆202的冷却水在散热器223中与大气交换其热量，然后通过冷却水导出通道225再次返回到燃料电池堆202。
冷却系统222设置有加热装置227。加热装置227包括连接冷却水导入通道224和冷却水导出通道225的加热通道228，并且还包括在冷却水导入通道224和冷却水导出通道225之间与散热器223并联的加热器芯230，用于利用调节阀229在加热通道228中加热车厢。当需要加热时，加热装置227通过打开调节阀229将热的冷却水提供给加热器芯228，并且驱动用于送风的风扇231，从而加热车厢。
如上所述，水冷式燃料电池系统201包括许多附件，如用于压缩引入到空气提供管208中的空气的压缩器211，以提高燃料电池堆202的输出密度。因而导致这种水冷式燃料电池系统201更复杂，更大，更重，并且更昂贵。相比较，存在通过消除压缩机等附件并且采用空冷以冷却燃料电池来实现系统简化的空冷式燃料电池系统。
图8和图9示出空冷式燃料电池系统301。如图8中所示，类似于上述水冷式燃料电池系统201，空冷式燃料电池系统301包括通过堆叠多个单体电池或最小结构单元获得的燃料电池堆302，并且还包括向燃料电池堆302提供氢气的氢气提供装置303。氢气提供装置303将存储在高压氢罐304中的压缩氢气通过氢提供管305经由减压阀306进入到燃料电池堆302的阳极进入部307中。在该过程中，由氢气的绝热膨胀导致的氢气温度下降使包括氢罐304、氢气提供管305、减压阀306等的与氢有关的部件冷却。
在此，一般来说，与水冷式燃料电池系统不同，空冷式燃料电池系统301在阴极进气侧不包括高压压缩机。如图9中所示，燃料电池系统301包括用于将空气提供给燃料电池堆302的空气提供管308和用于排放来自燃料电池堆302的剩余空气的空气排出管309。空气提供管308利用低压吹风风扇311将通过过滤器310吸入的环境空气提供给燃料电池堆302的阴极进气部312。
此外，提供给阴极进气部312的空气不仅在燃料电池堆302中堆叠的多个单体电池中作为用于发电反应的与氢的反应气体，而且还起到去除燃料电池堆302中的废热以冷却燃料电池堆302的冷却介质的作用。
如图9中所示，与氢反应后的剩余空气和冷却了燃料电池堆302的空气通过燃料电池堆302的阴极排气部313作为阴极尾气排放到空气排出管309，然后被释放到大气。在燃料电池堆302中的发电中没有使用而留下的剩余氢气通过阳极排气部314作为阳极尾气排放到氢清除管315。氢清除管315连接到空气排出管309的中部。排放到氢清除管315的阳极尾气经由清除阀316混入空气排出管309中的阴极尾气。当在阳极侧进行氢气清除时，排出的氢气在阴极尾气的帮助下被稀释到其爆炸下限以下，然后释放到大气。
使用低压风扇311提供空气作为上述反应气体和冷却介质的空冷式燃料电池系统301可以实现电力消耗降低的并且更小、更轻、更简单的系统。然而，由于空气流量有限，所以冷却能力比上述水冷式燃料电池系统的冷却能力低。因此，在有些情况下，燃料电池堆302的工作温度范围窄，这可导致在夏天等高温时间段期间燃料电池堆302过热。
如上所述，在水冷式燃料电池系统和空冷式燃料电池系统中，当作为燃料的氢从以高压气体的形式存储氢的氢罐提供给燃料电池堆时，作为燃料的氢气因其绝热膨胀而冷却。由此降低到低温的氢气又过度地冷却包括氢罐本身的与氢有关的各种部件和设置在氢罐与燃料电池堆之间的与氢有关的各种部件，如减压阀和用于压力调节的调节器。已经有人指出，过度冷却可影响与氢有关的这些部件的寿命和可靠性。
为了避免这种不方便，例如日本实开平1-77267号公报和日本特开2007-161024号公报公开了将氢气管和用于冷却燃料电池的冷却水管彼此相邻设置或者将氢气管和来自燃料电池系统的尾气管彼此相邻设置的技术。另外，例如日本特开2005-44520号公报公开了将与氢有关的部件设置在能够接收从燃料电池堆的冷却系统中的散热器释放的热的位置处的技术。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]日本实开平1-77267号公报
[专利文献2]日本特开2007-161024号公报
[专利文献3]日本特开2005-44520号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述专利文献1和2中公开的技术中，低温的氢气管和高温的冷却水管或尾气管仅是彼此相邻设置。因此，它们之间的热交换的效率不能说很好。
此外，在上述专利文献3中公开的技术中，散热器通常安装在车辆的前部，而氢罐通常安装在车辆的中部和后部之间的车辆地板下。因此，采用该技术具有对结构有很大限制的问题。
本发明的目的是防止与氢有关的部件由于氢气的绝热膨胀而变冷，并且还提高燃料电池堆的冷却性能。
用于解决问题的方案
本发明是一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆；氢气提供装置，其用于将填充在氢罐中的氢气通过减压提供给所述燃料电池堆；空气提供管，其用于将空气提供给所述燃料电池堆；以及空气排出管，其用于将剩余的空气从所述燃料电池堆排出，在所述燃料电池系统中，所述氢气提供装置设置在能够与所述空气提供管和所述空气排出管连通的热交换腔室内，当所述氢气提供装置的温度达到或低于预定温度时，从所述燃料电池堆排出的空气被引入到所述热交换腔室中，并且当从所述燃料电池堆排出的空气的温度达到或超过预定温度时，引入到所述热交换腔室中并且被所述氢气提供装置冷却的空气被提供给所述燃料电池堆。
发明效果
利用氢气提供装置设置在能够与空气提供管和空气排出管连通的热交换腔室内的结构，当该氢气提供装置的温度达到或低于预定温度(下限温度)时，本发明的燃料电池系统利用从燃料电池堆排出的热空气加热该氢气提供装置。因此，可以防止氢气提供装置变冷。
此外，当从燃料电池堆排出的空气达到或超过预定温度(上限温度)时，本发明的燃料电池系统可以将引入到热交换腔室中并且被氢气提供装置冷却的空气提供给燃料电池堆。因此，可以提高燃料电池堆的冷却性能。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的燃料电池系统的框图。
图2是根据本发明该实施方式的热交换腔室的截面图。
图3是示出在低温时间段期间根据本发明该实施方式的燃料电池系统的操作的框图。
图4是示出在高温时间段期间根据本发明该实施方式的燃料电池系统的操作的框图。
图5根据本发明该实施方式的燃料电池系统的状态转换图。
图6是传统燃料电池的截面图。
图7是传统水冷式燃料电池系统的框图。
图8是传统空冷式燃料电池系统的框图。
图9是示出传统空冷式燃料电池系统中氢和空气的流动的框图。
具体实施方式
下面基于附图描述本发明的实施方式。
图1至图5示出根据本发明的实施方式的燃料电池系统1。在图1中，燃料电池系统1是安装在燃料电池车辆上的燃料电池系统。如较早描述的(图6至图9)，燃料电池系统1包括通过堆叠多个被称为单体电池的最小结构单元获得的燃料电池堆2，并且利用同时产生水的电化学反应发电。燃料电池系统1包括向燃料电池堆2提供氢气的氢气提供装置3。氢气提供装置3将存储在高压氢罐4中的压缩氢气通过氢提供管5经由减压阀6引入到燃料电池堆2的阳极进气部7。
此外，与水冷式燃料电池系统不同，燃料电池系统1一般在阴极进气侧不包括高压压缩器。燃料电池系统1包括用于将空气提供给燃料电池堆2的空气提供管8和用于从燃料电池堆2排出剩余空气的空气排出管9。空气提供管8利用低压吹风风扇11将通过过滤器10引入的环境空气提供给燃料电池堆2的阴极进气部12。提供给阴极进气部12的空气不仅在燃料电池堆2中堆叠的多个单体电池中作为用于发电反应的与氢的反应气体，而且还起到去除燃料电池堆2中的废热以冷却燃料电池堆2的冷却介质的作用。
因此，燃料电池堆2是使用空气作为反应气体和冷却介质的空冷式燃料电池堆。因此，燃料电池系统1是空冷式燃料电池系统。
与氢反应后的剩余空气和冷却了燃料电池堆2的空气通过燃料电池堆2的阴极排气部13作为阴极尾气排放到空气排出管9，然后被释放到大气。在燃料电池堆2中的发电中没有使用而留下的剩余氢气通过阳极排气部14作为阳极尾气排放到氢清除管15。氢清除管15连接到空气排出管9的中部。排放到氢清除管15的阳极尾气经由清除阀16混入空气排出管9中的阴极尾气。当在阳极侧进行氢气清除时，排出的氢气在阴极尾气的帮助下被稀释到其爆炸下限以下，然后被释放到大气。
该燃料电池系统1具有氢气提供装置3，氢气提供装置3设置在能够与空气提供管8和空气排出管9连通的热交换腔室17内。热交换腔室17不必具有严密密封的腔室结构。如图2中所示，本实施方式的热交换腔室17包括截面形状为上侧敞开的下腔室部18和覆盖下腔室部18的开口19的上腔室部20。上腔室部20在燃料电池车辆的地板21中被形成为向上突起的形状。下腔室部18利用固定件22装配到上腔室部20，热交换腔室17可以利用上腔室20闭合下腔室部18上侧的开口19。
热交换腔室17包括：第一连通部23，其与空气提供管8连通；第二连通部24，其与空气排出管9连通；以及第三连通部25，其在氢提供管5内氢气流动方向上在热交换腔室17的上游部(氢罐4侧)与热交换腔室17的内部和外部连通。在第一连通部23和第二连通部24中分别设置有第一切换阀26和第二切换阀27，第一切换阀26和第二切换阀27分别打开和关闭连通部23和24。在第三连通部25中设置有吹风风扇28，吹风风扇28能够在朝向热交换室17内部的方向和朝向热交换室17外部的方向之间切换其吹动方向。
第一连通部23在空气提供管8中空气流动方向上的吹风风扇11的下游，但是是燃料电池堆2的阴极进气部12的紧上游的部分处与空气提供管8连通。第二连通部24在空气排出管9中空气流动分向上的燃料电池堆2的阴极排气部13的紧下游的部分处与空气排出管9连通。连接到燃料电池堆2的阳极排气部14的用于排放剩余氢气的氢清除管15的下游端部在空气排出管9中空气流动方向上的第二连通部24的下游部分处连接到空气排出管9。设置在第三连通部25中的吹风风扇28具有防爆结构，并且能够通过分别在向前和向后方向上转动电动机向热交换腔室17的内外吹风。
如上所述，在燃料电池系统1中，热交换腔室17被形成为连接到用于将空气提供给燃料电池堆2的空气提供管8并且连接到用于从燃料电池堆2排放空气的空气排出管9的形式。此外，包括氢气提供装置3的氢罐4、氢提供管5和减压阀6的与氢有关的部件设置在热交换腔室17内。这样，该燃料电池系统1能够在空气提供管8和空气排出管9与氢罐4和燃料电池堆2之间的与氢有关的每个部件如氢提供管5和减压阀6之间热交换。
该燃料电池系统1包括检测空气提供管8中在过滤器10和吹风风扇11之间提供的空气温度的供给空气温度传感器29，并且还包括在氢清除管15连接处的上游部分检测排放到空气排出管9的空气温度的排出空气温度传感器30。燃料电池系统1还包括在氢气提供装置3的氢罐4中检测氢罐温度的氢罐温度传感器31，还包括在热交换腔室17中检测热交换腔室17中的氢气浓度的氢气浓度传感器32。燃料电池系统1包括控制装置33，其基于供给空气温度传感器29、排出空气温度传感器30、氢罐温度传感器31和氢气浓度传感器32的检测信号控制第一切换阀26、第二切换阀27和吹风风扇28。
燃料电池系统1基于供给空气温度传感器29、排出空气温度传感器30和氢罐温度传感器31检测到的温度利用控制装置33操作第一切换阀26、第二切换阀27和吹风风扇28。
该燃料电池系统1利用控制装置33控制第一切换阀26、第二切换阀27和吹风风扇28，使得当氢罐温度传感器31检测到的氢气提供装置3的氢罐4的温度达到或低于预定温度时，将从燃料电池堆2排出的空气引入到热交换腔室17中，以加热氢气提供装置3，而当从燃料电池堆2排出的空气的温度达到或超过预定温度时将引入到热交换腔室17并且被氢气提供装置3冷却的空气提供给燃料电池堆2。
此外，燃料电池系统1利用控制装置33操作第一切换阀26、第二切换阀27和吹风风扇28，使得当氢气浓度传感器32检测到的氢气浓度达到或超过预定浓度时，将环境空气引入热交换腔室17并且流入空气排出管9。
此外，在将氢气填充到氢罐4中的情况下，当氢罐4的温度超过预定值时，燃料电池系统1利用控制装置33打开第一切换阀26和第二切换阀27中的至少一个，并且通过吹风风扇28将环境空气引入到热交换腔室17中。
接下来，描述燃料电池系统1的操作。
如图3中所示，在低温时间段期间，燃料电池系统1利用第一切换阀26关闭第一连通部23，同时利用第二切换阀27打开第二连通部24，并且还在热交换腔室17的从内到外的空气排出方向上转动第三连通部25中的吹风风扇28，从而将热的排出空气从燃料电池堆2引导到热交换腔室17，使得可以防止与氢有关的部件过度冷却。
在燃料电池堆2中消耗的氢气量大，引起氢罐4的压力快速下降的条件I的情况下，发生氢罐4等与氢有关的部件过度冷却。在该条件下，来自燃料电池堆2的废热量也大。因此，通过将排出空气从燃料电池堆2引导到容纳与氢有关的部件的热交换腔室17中，可以防止与氢有关的部件过度冷却。
另一方面，如图4中所示，在高温时间段期间，燃料电池系统1利用第一切换阀26打开第一连通部23，同时利用第二切换阀27关闭第二连通部24，并且还在热交换腔室17的从外到内的空气提供方向上转动第三连通部25中的吹风风扇28，从而将热交换腔室17内的冷却空气引导到连接到燃料电池堆2的空气提供管8中，使得可以防止燃料电池堆2的过度发热。
当燃料电池堆2在高温、高负载条件下发电时燃料电池堆2可能过度发热。在该条件下，氢罐4的压力快速下降，并且包括氢罐4的与氢有关的部件的温度也相应地下降很大。因此，通过将热交换腔室17内的空气引导到燃料电池堆2，可以防止燃料电池堆2过度发热。
当所述温度在不可能存在与氢有关的部件过度冷却或者燃料电池堆2过度发热的范围内时，第一切换阀26和第二切换阀27二者关闭它们各自的第一连通部23和第二连通部24，并且第三连通部25中的吹风风扇28被停止。
接下来，根据图5中的状态转换图详细描述在每个条件下对燃料电池系统1的第一切换阀26、第二切换阀27和吹风风扇28的控制。
燃料电池系统1将分别由供给空气温度传感器29、排出空气温度传感器30、氢罐温度传感器31和氢气浓度传感器32检测到的信号T1、T2、T3和H1输入到控制装置33中，以使控制装置33以如下方式控制第一切换阀26、第二切换阀27和吹风风扇28。
首先，当燃料电池系统1被启动时，控制装置33以正常模式(1)运行燃料电池系统1。在正常模式(1)中，第一切换阀26和第二切换阀27二者关闭第一连通部23和第二连通部24，并且第三连通部25中的吹风风扇28被设定到停止状态。
当安装有燃料电池系统1的燃料电池汽车发生负载增加时，这增加在燃料电池堆2中产生的电流，并因此增加燃料电池堆2中消耗的氢的量，氢罐4的压力快速下降，从而降低氢罐4和减压阀5等与氢有关的部件的温度。当氢罐温度传感器31检测到的温度T3达到或低于预先设定的预定温度T3L(下限温度)时(T3≤T3L)，控制装置33以与氢有关的部件加热模式(2)运行燃料电池系统1。
在与氢有关的部件加热模式(2)下，控制装置33利用第一切换阀26关闭第一连通部23，同时利用第二切换阀27打开第二连通部24，并且还在空气排出方向上转动第三连通部25中的吹风风扇28，从而将热的排出空气从燃料电池堆2引导到热交换腔室17中。来自燃料电池堆2的废热升高了氢罐4和与氢有关的部件的温度。
当氢罐4和与氢有关的部件的温度由于来自燃料电池堆2的废热而升高，并且氢罐温度传感器31检测到的温度T3达到或超过比预定温度T3L高的预定温度T3H时(T3≥T3H)，燃料电池系统1切换回到正常模式(1)。当切换到正常模式(1)时，控制装置33利用第二切换阀27关闭第二连通部24并且停止第三连通部25中的吹风风扇28的转动。在此，控制装置33在对第一切换阀26、第二切换阀27和吹风风扇28的控制中存在滞后。因此，第一预定温度T3H被设定为大于第二预定温度T3L的值(T3H＞T3L)。
接下来，在高温时间段期间，当燃料电池堆2的排出空气温度传感器30检测到的温度T2达到或超过预先设定的预定温度T2H(上限温度)时(T2≥T2H)，控制装置33以燃料电池堆冷却模式(3)运行燃料电池系统1。在燃料电池堆冷却模式(3)中，控制装置33利用第一切换阀26打开第一连通部23，同时利用第二切换阀27关闭第二连通部24，并且还在空气提供方向上转动第三连通部25中的吹风风扇28，从而将热交换腔室17内的冷却空气引导到燃料电池堆2的空气提供管8中。热交换腔室17内的冷却空气降低燃料电池堆2的温度。
当通过接受热交换腔室17内的比环境空气冷的空气，燃料电池堆2的温度下降，并且排出空气温度传感器30检测到的温度T2达到或低于比预定温度T2H低的预定温度T2L时(T2≤T2L)，燃料电池系统1切换回到正常模式(1)。当切换到正常模式(1)时，控制装置33利用第一切换阀26关闭第一连通部23，并且停止第三连通部25中的吹风风扇28的转动。在此，控制装置33在对第一切换阀26、第二切换阀27和吹风风扇28的控制中存在滞后。因此，第一预定温度T2L被设定为小于第二预定温度T2H的值(T2L＜T2H)。
此外，除了上述控制以外，燃料电池系统1还进行以下两种控制。
第一种控制是在氢泄漏状态下燃料电池系统1的控制。在氢气从诸如氢罐4和氢罐4与燃料电池堆2之间的包括氢提供管5和减压阀6的与氢有关的部件中的任一个泄漏的情况下，氢气浓度传感器32检测到的热交换腔室17内的氢气浓度H1上升。当检测到的氢气浓度H1达到或超过预先设定的预定浓度H1L时(H1≥H1L)，控制装置33以泄漏的氢排出模式(4)运行燃料电池系统1。
在泄漏的氢排出模式(4)中，控制装置33利用第一切换阀26关闭第一连通部23，同时利用第二切换阀27打开第二连通部24，并且还在空气排出方向上转动第三连通部25中的吹风风扇28，从而将热交换腔室17内泄漏的氢气排放到大气。这样，可以防止该氢气停留在热交换腔室17内。当氢气浓度传感器32检测到的氢气浓度H1达到或超过预定温度H1L时，燃料电池系统1立刻切换到泄漏的氢排出模式(4)，而不管燃料电池系统1是否以上述模式(1)、(2)和(3)或者下面描述的模式(5)中任一个模式运行。
第二种控制是在将氢气填充到氢罐4中时进行的控制。在用于填充氢气的氢站中，氢气从氢站侧填充到燃料电池车辆的氢罐4中。在该过程中，由于氢气被绝热压缩，罐温度上升。氢罐4不仅在低温侧具有可允许温度，而且在高温侧也具有可允许温度，并且不能在之上的温度范围内使用。
在这方面，已知一种预冷却技术，在该技术中填充预先降低到低温的氢气。还知道一些其它方法，其中燃料电池汽车侧和氢站侧彼此通信，使得氢站侧可以得到安装在该车辆上的氢罐4的罐温度，并且以防止该温度达到所述可允许的温度的方式控制填充速度。在此情况下，就加快填充速度而言，抑制氢罐4的温度增加也是有效的。
在该燃料电池系统1中，在将氢气填充到氢罐4中期间，当氢罐温度传感器31检测到的罐温度T3达到或超过预先设定的预定值T3FH时(T3≥T3FH)，控制装置33以氢罐冷却模式(5)运行燃料电池系统1。在氢罐冷却模式(5)中，控制装置33利用第一切换阀26和第二切换阀27打开第一连通部23和第二连通部24，并且还在空气提供方向上转动第三连通部25中的吹风风扇28，以清扫热交换腔室17内部。结果，氢罐4被冷却。
当氢罐4的温度下降并且氢罐温度传感器31检测到的罐温度T3达到或低于比预定值T3FH低的另一个预定值T3FL时(T3≤T3FL)，燃料电池系统1切换回到正常模式(1)。当切换到正常模式(1)时，控制装置33利用第一切换阀26和第二切换阀27关闭第一连通部23和第二连通部24，并且停止第三连通部25中的吹风风扇28的转动。在此，控制装置33在对第一切换阀26、第二切换阀27和吹风风扇28的控制中存在滞后。因此，第二预定值T3FL被设定为小于第一预定值T3FH的值(T3FH＞T3FL)。
如上所述，利用氢气提供装置3设置在能够与空气提供管8和空气排出管9连通的热交换腔室17内的结构，当氢罐4的罐温度T3达到或低于预定温度T3L时，燃料电池系统1利用从燃料电池堆2排出的热空气加热氢气提供装置3。因此，可以防止氢气提供装置3变冷。
此外，当从燃料电池堆2排出的空气的温度T2达到或超过预定温度T2H时，燃料电池系统1可以将引入到热交换腔室17中并且被氢气提供装置3冷却的空气提供给燃料电池堆2。因此，可以提高燃料电池堆2的冷却性能。
在燃料电池堆2是使用空气作为反应气体和冷却介质的空冷式燃料电池堆的情况下，燃料电池系统1通过采用上述结构可以进一步提高燃料电池堆2的冷却性能。
此外，利用第一切换阀26设置在与空气提供管8连通的第一连通部23中，第二切换阀27设置在与空气排出管9连通的第二连通部24中，并且能够切换其吹风方向的吹风风扇28设置在氢气流动方向的上游部的第三连通部25中的结构，燃料电池系统1可以切换热交换腔室17的连通方向和空气流动方向。因此，可以在用于防止氢气提供装置3变冷的状态和用于提高燃料电池堆2的冷却性能的状态之间切换。
该燃料电池系统可以基于由供给空气温度传感器29检测到的在空气提供管8中流动的空气的温度、由排出空气温度传感器30检测到的流入空气排出管9中的空气的温度和由氢罐温度传感器31检测到的氢罐4的罐温度，将状态切换到用于防止氢气提供装置3变冷的状态和用于提高燃料电池堆2的冷却性能的状态中更适当的状态。
此外，在该燃料电池系统中，连接到燃料电池堆2的用于排出剩余氢气的氢清除管15的下游端部在空气排出管9中空气流动方向上的第二连通部24的下游部分处连接到空气排出管9。因此，可以防止通过氢清除管15排出的剩余氢气流入热交换腔室17中。
当由氢气浓度传感器32检测到的热交换腔室17内的氢气浓度达到或超过预定浓度时，燃料电池系统1将环境空气引入到热交换腔室17中，并且使其流入到空气排出管9中。因此，可以防止氢气停留在热交换腔室17内，并且由此提高燃料电池系统1的安全性。
由于吹风风扇28具有防爆结构，所以即使当氢气泄漏到热交换腔室17中时，燃料电池系统1也可以安全地驱动吹风风扇28。
此外，在将氢气填充到氢罐4中的情况下，当氢罐4的温度达到或超过预定值时，燃料电池系统1打开第一切换阀26和第二切换阀27中的至少一个(在本实施方式中是打开这两个阀)，并且利用吹风风扇28将环境空气引入热交换腔室17。因此，当氢气被填充到氢罐4中时，环境空气冷却氢罐4，从而可以抑制由氢气的绝热压缩导致的氢罐内的温度升高。因此，可以缩短将氢气填充到氢罐4中所需的时间。
在燃料电池系统1中，热交换腔室17具有下腔室部18的截面形状为上侧敞开并且在车辆的地板21中形成的上腔室部20闭合下腔室部18上侧的开口19的结构。因此，使得热交换腔室17的结构简单。因此，可以提高其在车辆上的可安装性。
尽管在上述实施方式中热交换腔室17设置在空冷式燃料电池系统1中，但是冷却燃料电池系统的该方法不局限于空冷式燃料电池系统，并且可应用于水冷式燃料电池系统。特别地，由于水冷式燃料电池系统中尾气的温度比空冷式燃料电池系统中的高，所以在低温时间段防止与氢有关的部件过冷的效果更大。
此外，尽管在上述实施方式中强力吹风风扇11设置在空气提供管8中以将空气提供到燃料电池堆2中，但是也可以将感应吹风风扇设置在燃料电池堆2的出口侧的空气排出管9中。
此外，尽管在上述实施方式中设置一个能够前后转动的吹风风扇28，以将空气吹入和吹出热交换腔室17，但是也可以设置用于吹入空气的风扇和用于吹出空气的风扇二者。
工业上的可利用性
本发明防止与氢有关的部件由于氢气的绝热膨胀而变冷，还提高了燃料电池堆的冷却性能，并且不仅可以应用于空冷式燃料电池系统，而且还可以应用于水冷式燃料电池系统。
附图标记说明
1燃料电池系统
2燃料电池堆
3氢气提供装置
4氢罐
5氢提供管
6减压阀
8空气提供管
9空气排出管
10过滤器
11吹风风扇
15氢清除管
16清除阀
17热交换腔室
23第一通信部
24第二通信部
25第三通信部
26第一切换阀
27第二切换阀
28吹风风扇
29供给空气温度传感器
30排出空气温度传感器
31氢罐温度传感器
32氢气浓度传感器
33控制装置

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，包括：燃料电池堆；氢气提供装置，其用于将填充在氢罐中的氢气通过减压提供给所述燃料电池堆；空气提供管，其用于将空气提供给所述燃料电池堆；以及空气排出管，其用于将剩余的空气从所述燃料电池堆排出，在所述燃料电池系统中
所述氢气提供装置设置在能够与所述空气提供管和所述空气排出管连通的热交换腔室内，
当所述氢气提供装置的温度达到或低于预定温度时，从所述燃料电池堆排出的空气被引入到所述热交换腔室中，并且
当从所述燃料电池堆排出的空气的温度达到或超过预定温度时，引入到所述热交换腔室中并且被所述氢气提供装置冷却的空气被提供给所述燃料电池堆。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池堆是使用空气作为反应气体和冷却介质的空冷式燃料电池堆。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中
所述热交换腔室包括：第一切换阀，其用于打开和关闭与所述空气提供管连通的第一连通部；第二切换阀，其用于打开和关闭与所述空气排出管连通的第二连通部；以及第三连通部，其在氢气流动方向上在所述热交换腔室的上游部与外部连通，并且
在所述第三连通部中设置有能够切换空气流动方向的吹风风扇。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中
在所述空气提供管和所述空气排出管中分别设置有检测空气的温度的温度传感器，
在所述氢气提供装置中设置有检测所述氢罐的温度的温度传感器，并且
基于所述温度传感器检测到的温度选择性地操作所述第一切换阀、所述第二切换阀和所述吹风风扇。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中
用于排出剩余氢气的氢清除管连接到所述燃料电池堆，并且
所述氢清除管的下游端部在所述空气排出管中的空气流动方向上在所述第二连通部的下游部连接到所述空气排出管。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中
所述热交换腔室包括检测所述热交换腔室中的氢气浓度的氢气浓度传感器，并且
当所述氢气浓度传感器检测到的氢气浓度达到或超过预定浓度时，环境空气被引入到所述热交换腔室中并且流入所述空气排出管中。
7.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述吹风风扇具有防爆结构。
8.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中在将氢气填充到所述氢罐中的情况下，当所述氢罐的温度达到或超过预定值时，所述第一切换阀和所述第二切换阀中的至少一个被打开，并且所述环境空气通过所述吹风风扇被引入到所述热交换腔室中。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中
所述热交换腔室包括截面形状为上侧敞开的下腔室部和用于闭合所述下腔室部中的开口的上腔室部，并且
所述上腔室部由车辆的地板形成。
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