CN105591131B - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种燃料电池系统(100)，其包括：燃料电池(10)，其包括用阳极(16)和阴极(18)夹住电解质膜(14)的膜电极组件(20)；燃料气体供给装置(48)，其根据对燃料电池的电力生成请求经由阳极气体供给通道(40)向阳极提供阳极气体；循环泵(54)，其将从阳极排出的废气循环至阳极气体供给通道；判定器(36)，其判定循环泵的温度以及与循环泵的温度关联的温度中的任一个是否等于或小于规定的温度；以及驱动控制器(38)，当判定器判定循环泵的温度以及与循环泵的温度关联的温度中的任一个等于或小于规定的温度，并且不存在对燃料电池的电力生成请求时，该驱动控制器(38)以规定的转数来驱动所述循环泵。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。
背景技术
以下燃料电池作为能源正在受到关注，该燃料电池具有用阳极和阴极夹住电解质膜的膜电极组件，并且通过提供至阳极的阳极气体和提供至阴极的阴极气体的电化学反应来生成电力。在具有这样的燃料电池的燃料电池系统中，从改进燃料消耗的角度来说(参见日本公开特许公报第2012-43677号)，建议利用循环泵使从阳极排出的废气循环，并且将其再次提供至阳极。
当燃料电池系统启动时以及在对燃料电池系统的驱动期间，使从阳极排出的废气循环的循环泵的温度较低时，循环泵与废气之间的温度差可能会使循环泵中出现冷凝水。当在循环泵中出现冷凝水的状态下驱动循环泵时，噪声振动(NV)可能会变得更严重。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以抑制噪声振动的燃料电池系统。
根据本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统(100)，该燃料电池(100)包括：燃料电池(10)，其包括用阳极(16)和阴极(18)夹住电解质膜(14)的膜电极组件(20)；燃料气体供给装置(48)，其根据对燃料电池的电力生成请求来经由阳极气体供给通道(40)向阳极提供阳极气体；循环泵(54)，其将从阳极排出的废气循环至阳极气体供给通道；判定器(36)，其判定循环泵的温度以及与循环泵的温度关联的温度中的任一个是否等于或小于规定的温度；以及驱动控制器(38)，当判定器判定循环泵的温度以及与循环泵的温度关联的温度中的任一个等于或小于规定的温度，并且不存在对燃料电池的电力生成请求时，驱动控制器(38)以规定的转数来驱动循环泵。
在以上提及的配置中，当不存在对燃料电池的电力生成请求时，驱动控制器可以以规定的转数来驱动循环泵，直到以规定的转数来驱动循环泵的总驱动时间超过规定的驱动时间为止。
在以上提及的配置中，与在判定器进行判定时循环泵的温度以及与循环泵的温度关联的温度中的任一个较高的情况下相比，当在判定器进行判定时循环泵的温度以及与循环泵的温度关联的温度中的任一个较低时，规定的驱动时间可以较长。
在以上提及的配置中，在燃料电池系统启动时，判定器可以判定循环泵的温度以及与循环泵的温度关联的温度中的任一个是否等于或小于规定的温度。
发明的效果
根据本发明，可以抑制噪声振动。
附图说明
图1是示出根据第一实施方式的燃料电池系统的示意性配置的图；
图2是示出燃料电池单元的示意性配置的图；
图3是示出用于抑制冷凝水的生成的处理的示例的流程图；
图4是解释了预热操作中以规定的转数来驱动循环泵的规定的驱动时间的图。
具体实施方式
将参照附图来描述根据本发明的实施方式。
(第一实施方式)图1是示出根据第一实施方式的燃料电池系统100的示意性配置的图。燃料电池系统100安装在燃料电池动力车辆或电动车辆上，作为提供驱动电源的系统。在燃料电池系统100中，燃料电池10是层压有多个燃料电池单元的层压体，其中多个燃料电池单元中的每一个通过燃料气体(阳极气体，例如氢气)与助燃剂气体(阴极气体，例如氧气)的电化学反应来生成电力。
此处，将给出对燃料电池单元的描述。图2是示出燃料电池单元的示意性配置的图。燃料电池单元12包括膜电极组件20，在膜电极组件20中，作为催化剂电极层的阳极16和阴极18形成在电解质膜14的两侧。燃料电池单元12包括：电力生成主体26，该电力生成主体26将成对的气体扩散层(阳极气体扩散层22和阴极气体扩散层24)分别布置在膜电极组件20的两侧；以及成对的隔板(阳极侧隔板28和阴极侧隔板30)，该成对的隔板夹住电力生成主体26。
电解质膜14是由氟基树脂材料或烃基树脂材料制成的固体聚合物膜，并且电解质膜14在湿的状态下具有良好的质子导电性。阳极16和阴极18中的每一个例如包括：携带催化金属(例如铂)的碳颗粒(催化剂载体)，该催化金属促进电化学反应；以及具有质子导电性的聚合物电解质(例如氟树脂)。阳极气体扩散层22和阴极气体扩散层24中的每一个由具有气体渗透性和电子导电性的材料构成。例如，阳极气体扩散层22和阴极气体扩散层24中的每一个由诸如碳布或碳纸之类的多孔碳材料构成。阳极气体扩散层22和阴极气体扩散层24中的每一个可以在其接触膜电极组件20的表面上设置有防水层。
阳极侧隔板28和阴极侧隔板30中的每一个由具有气体渗透性和电子导电性的材料构成。例如，阳极侧隔板28和阴极侧隔板30中的每一个由诸如通过压缩碳而不使气体渗透的致密碳之类的碳部件构成，或由诸如模具压制的不锈钢之类的金属部件构成。阳极侧隔板28和阴极侧隔板30中的每一个在其表面上包括用于形成通道的凹面和凸面，其中，气体和液体通过该通道流动。在阳极侧隔板28与阳极气体扩散层22之间形成有阳极气体通道AGC，其中，气体和液体可以流动通过该阳极气体通道AGC。在阴极侧隔板30与阴极气体扩散层24之间形成有阴极气体通道CGC，其中，气体和流体可以流动通过该阴极气体通道CGC。
如图1所示，作为燃料气体的氢气经由阳极气体供给通道40从存储高压氢气的氢气罐42被提供至燃料电池10的阳极。阳极气体供给通道40例如是管。此处，例如，可以使用氢气生成设备来代替氢气罐42，其中，该氢气生成设备使用酒精、烃或乙醛作为原材料通过重整反应来生成氢气。
通过截止阀44、布置在阳极气体供给通道40上的注入器48和调节器46来调整存储在氢气罐42中的高压氢气的压力和供给量，其中，截止阀44设置在氢气罐42的出口处。经调整的高压氢气被提供至燃料电池10的阳极。在阳极氢气供给通道40上布置有压力传感器40P，用于检测阳极气体供给通道40内部的压力。注入器48相当于燃料气体供给装置。
来自阳极的排出气体(在下文中被称为“阳极排出气体”)被排出至阳极气体排气通道50。阳极气体排气通道50例如是管。阳极排出气体可以经由循环通道52被重新循环至阳极气体供给通道40，其中阳极排出气体包括未被电力生成消耗并且被排出至阳极排气通道50的氢气。循环通道52例如是管。此处，由于在燃料电池10中通过电力生成消耗了氢气，所以阳极排出气体的压力处于相对较低的状态。为此，在循环通道52上布置循环泵54，用于在阳极排出气体重新循环时给阳极排出气体增压。在循环泵54上设置有流量传感器54F，用于检测阳极排出气体的循环流量。
通道56(例如管)连接至阳极气体排气通道50。在通道56上设置有放气阀58。当放气阀58被关闭时，阳极排出气体经由循环通道52再次被提供至燃料电池10，其中，阳极排出气体包括未被电力生成消耗的氢气。因此，可以高效地使用氢气。
在阳极排出气体的重新循环期间，氢气被电力生成消耗。另一方面，除了氢气以外的杂质(例如，经由电解质膜从阴极侧传送至阳极侧的氮气)被保留，而未被消耗。为此，阳极排出气体中杂质的浓度逐渐增加。此时，当放气阀58被打开时，阳极排出气体连同随后描述的阴极排出气体经由通道56和通道76被排出至燃料电池系统100的外部。因此，可以减小阳极排出气体中的杂质的浓度。
经压缩的空气被提供至燃料电池10的阴极，作为包含氧气的助燃剂气体。从空气过滤器60吸入空气，其被空气压缩机62压缩，然后经由通道64(例如管)被引入到加湿设备66中。被引入到加湿设备66中的经压缩的空气由加湿设备66进行加湿，然后从阴极气体供给通道68被提供至燃料电池10的阴极。在气体压缩机62上设置有用于检测空气的供给流量的流量传感器67F。此处，不一定要安装加湿设备66。
来自阴极的废气(在下文中被称为“阴极排出气体”)被排出至阴极气体排气通道70(例如管)。在阴极气体排气通道70上设置有压力传感器70P和压力调节阀72，其中，压力传感器70P用于检测阴极排出气体的回压，压力调节阀72用于调节阴极排出气体的回压。从燃料电池10排出至阴极气体排气通道70的具有高湿度的阴极排出气体被引入到加湿设备66中，被空气加湿使用；然后经由通道74和通道76(例如管)被排出至燃料电池系统100的外部。
燃料电池10由于以上提及的电化学反应而产生热。为此，为了使燃料电池10的温度处于适于电力生成的温度，向燃料电池10提供冷却水。冷却水通过水泵80流经用于冷却水的通道82(例如管)，由散热器84进行冷却，然后被提供至燃料电池10。用于使冷却水在不通过散热器84的情况下循环的旁路通道86(例如管)连接至通道82。在通道82与旁路通道86之间的连接部中的一个连接部处设置有旋转阀88。通过切换旋转阀88，冷却水可以在不通过散热器84的情况下经由通道82和旁路通道86进行循环。在通道82上靠近燃料电池10从中排出冷却水的排出部处设置有温度传感器90，用于检测从燃料电池10排出的冷却水的温度。在通道82上靠近燃料电池10的向其中提供冷却水的供给部处设置有温度传感器92，用于检测要提供至燃料电池10的冷却水的温度。
此外，电池监视器32被连接至燃料电池10。电池监视器32检测关于燃料电池10中的每个燃料电池单元的电池电压、电流和阻抗。
燃料电池系统100的驱动由控制设备34来控制。控制设备34包括具有CPU(中央处理单元)、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)等的微型计算机。控制设备34根据存储在ROM中的程序来控制对系统的驱动。除了以上提及的程序以外，ROM还存储要用于控制燃料电池100的各种映射和阈值。基于针对燃料电池10的请求输出和各种传感器的输出，控制设备34对各种阀、循环泵54、水泵80、空气压缩机62等进行驱动，并且控制对系统的驱动，其包括随后描述的抑制冷凝水的生成的处理。控制设备34在用于抑制冷凝水的生成的处理中起到判定器36和驱动控制器38的作用。
图3是示出用于抑制冷凝水的生成的处理的示例的流程图。如图3所示，控制设备34等待，直到燃料电池系统100启动为止(步骤S10)。当燃料电池系统100启动时，控制设备34获取冷却水的水温(步骤S12)。在燃料电池系统100启动时冷却水的水温与循环泵54的温度关联。为此，控制设备34可以通过获取在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温来间接地获取循环泵54的温度。此处，冷却水的水温可以由温度传感器90和温度传感器92中的任一个来检测。
接下来，在控制设备34获取了冷却水的水温之后，控制设备34判定水温是否等于或小于预先存储在ROM中的规定温度(步骤S14)。此处，由于如上所述在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温与循环泵54的温度关联，所以对在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温的判定与对循环泵54的温度的判定相同。判定冷却水的水温是否等于或小于规定温度的原因在于：当水温等于或小于规定温度时，循环泵54中可能会产生冷凝水。也就是说，当在冷凝水的水温等于或小于规定温度的条件下启动对燃料电池系统100的驱动时，由于电力生成而使燃料电池10的温度比循环泵54的温度更快速地升高。由于燃料电池10的温度与从燃料电池10排出的阳极排出气体的温度几乎一样，所以阳极排出气体的温度与循环泵54的温度之间的差值变大。因此，循环泵54中可能会产生冷凝水。因此，规定温度是指示循环泵54中是否可能会产生冷凝水的阈值的温度，并且它例如可以是20度。
当冷却水的水温大于规定温度时(步骤S14中的否)，循环泵54中很难产生冷凝水，并且因此控制设备34完成用于抑制冷凝水的生成的处理。
当冷却水的水温等于或小于规定温度时(步骤S14中的是)，控制设备34判定是否不存在对燃料电池10的电力生成请求(步骤S16)。当存在对燃料电池10的电力生成请求时(步骤S16中的否)，控制设备34以根据该电力生成请求的转数来驱动循环泵54(步骤S18)。
另一方面，当不存在对燃料电池10的电力生成请求时(步骤S16中的是)，控制设备34以考虑到预热效果和驱动声音而确定的规定转数(例如，1800rpm的恒定转数)来驱动循环泵54(步骤S20)。以考虑到温度效果和驱动声音而确定的规定转数(在下文中被称为“预热转数”)来驱动循环泵54，使得可以抑制循环泵54的驱动声音，并且可以加速对循环泵54的预热。因此，可以立即减小阳极排出气体的温度与循环泵54的温度之间的差。
接下来，控制设备34判定循环泵54的以预热转数的总驱动时间是否超过规定的驱动时间(步骤S22)。此处，将给出对总驱动时间的描述。图4是解释了循环泵54的以预热转数的规定的驱动时间的图。图4的水平轴是在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温，而垂直轴是规定的驱动时间。此处，图4的映射被存储在控制设备34的ROM中。
如图4所示出，与冷却水的水温较高的情况相比，当在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温较低时，规定的驱动时间被设置，以便变得较长。因此，取决于在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温来改变规定的驱动时间，因为必需满足下面要求中的所有要求。第一要求是以预热转数来驱动循环泵54，直到循环泵54的温度与阳极排出气体的温度之间的差值变小并且循环泵54中很难产生冷凝水为止。第二要求是使尽可能短地以预热转数来驱动循环泵54，因为以相对高的预热转数对循环泵54的驱动增加了驱动声音和电力消耗。
因此，在步骤S22中，基于在步骤S12中所获取的在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温、以及图4中的规定的驱动时间与在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温之间的映射，控制设备确定规定的驱动时间，并且判定循环泵54的以预热转数的总驱动时间是否超过规定的驱动时间。
如图4所示，当在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温等于或小于规定的温度T1时，可以使规定的驱动时间恒定。可以使规定的驱动时间恒定的原因如下。通过以预热转数来驱动循环泵54以提高循环泵54的温度具有限度。因此，即使以预热转数来驱动循环泵54超过了恒定驱动时间，循环泵54的温度升高的效果也较小。此外，从驱动声音和电力消耗的角度来看，优选地缩短对循环泵54的驱动时间。
当循环泵54的以预热转数的总驱动时间不超过规定的驱动时间时(步骤S22中的否)，控制设备34返回至步骤S16。当循环泵54的以预热转数的总驱动时间超过规定的驱动时间时(步骤S22中的是)，控制设备34完成用于抑制冷凝水的生成的处理。
如上所述，根据第一实施方式，控制设备34判定与循环泵54的温度关联的冷却水的水温是否等于或小于规定的温度，并且当冷却水的水温等于或小于规定的温度并且不存在对燃料电池10的电力生成请求时，以预热转数来驱动循环泵54。因此，可以加速循环泵54的温度升高，并且可以通过循环泵54的温度与阳极排出气体的温度之间的差值来抑制循环泵54中冷凝水的生成。因此，可以抑制由于冷凝水而引起的循环泵54的噪声振动。
此外，根据第一实施方式，当不存在对燃料电池10的电力生成请求，直到循环泵54的以预热转数的总驱动时间超过规定的驱动时间为止时，控制设备34以预热转数来驱动循环泵54。这使得可以将循环泵54的温度提高至抑制冷凝水的生成的温度。此外，如图4所示，与在冷凝水的水温较高的情况下相比，当在燃料电池系统100启动时的冷凝水的水温较低时，规定的驱动时间被设置，以便变得较长。这使得可以抑制驱动声音和循环泵54的电力消耗的增加，并且可以将循环泵54的温度提高至抑制冷凝水的生成的温度。
此外，根据第一实施方式，控制设备34基于在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温是否等于或小于规定的温度来判定是否执行对循环泵54的预热操作。假设在燃料电池系统100启动时，循环泵54的温度较低，并且循环泵54中可能会生成冷凝水。然而，根据第一实施方式，在这样的情况下，循环泵54中冷凝水的生成被抑制。
在第一实施方式中，控制设备34基于冷却水的水温来判定是否执行对循环泵54的预热操作。然而，控制设备34可以基于与循环泵54的温度关联的除了冷却水的水温以外的温度来判定是否执行对循环泵54的预热操作。另外，可以在循环泵54上设置用于检测循环泵54的温度的温度传感器，并且控制设备34可以基于温度传感器检测到的循环泵54的温度来判定是否执行对循环泵54的预热操作。
在第一实施方式中，作为示例，对循环泵54的预热转数是1800rpm进行了说明。然而，预热转数不限于此，并且可以是考虑到预热效果和驱动声音而确定的另一转数。当循环泵54的转数大于2000rmp时，循环泵54的驱动声音可以与周围环境相呼应。另一方面，当循环泵54的转数小于1800时，循环泵54预热的效果减小。此处，优选地使预热转数保持恒定。这是因为当预热转数波动时驱动声音波动，这可能会使用户不舒服。
在第一实施方式中，控制设备34基于在燃料电池系统100启动时的冷却水的水温来判定是否执行对循环泵54的预热操作。然而，控制设备34可以基于在燃料电池系统100启动之后的对燃料电池系统100的驱动期间冷却水的水温来判定是否执行对循环泵54的预热操作。此外，在第一实施方式中，作为示例，对燃料气体供给装置是注入器48进行了说明。然而，燃料气体供给装置可以是除了注入器48以外的部件。
尽管已经详细说明了本发明的示例性实施方式，但本发明不限于以上提及的实施方式，并且在不背离本发明的范围的情况下可以做出其它实施方式、变型和修改方案。
Claims (3)
1.一种燃料电池系统(100)，其特征在于包括：
燃料电池(10)，其包括用阳极(16)和阴极(18)夹住电解质膜(14)的膜电极组件(20)；
燃料气体供给装置(48)，其根据对所述燃料电池的电力生成请求经由阳极气体供给通道(40)向所述阳极提供阳极气体；
循环泵(54)，其使从所述阳极排出的废气循环至所述阳极气体供给通道；
判定器(36)，其在所述燃料电池系统启动时判定所述循环泵的温度以及与所述循环泵的温度关联的温度中的任一个是否等于或小于规定的温度；以及
驱动控制器(38)，当所述判定器判定所述循环泵的温度以及与所述循环泵的温度关联的温度中的任一个等于或小于所述规定的温度，并且在所述燃料电池系统启动后存在对所述燃料电池的电力生成请求时，所述驱动控制器(38)在所述燃料电池系统启动后以根据所述电力生成请求的转数来驱动所述循环泵，并且当所述判定器判定所述循环泵的温度以及与所述循环泵的温度关联的温度中的任一个等于或小于所述规定的温度，并且在对所述燃料电池的电力生成请求后不存在对所述燃料电池的电力生成请求时，所述驱动控制器(38)以规定的转数来驱动所述循环泵，所述规定的转数不同于根据所述电力生成请求的转数。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于
当不存在对所述燃料电池的电力生成请求时，所述驱动控制器以所述规定的转数来驱动所述循环泵，直到所述循环泵的以所述规定的转数驱动的总驱动时间超过规定的驱动时间为止。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于
与在所述判定器进行判定时所述循环泵的温度以及与所述循环泵的温度关联的温度中的任一个较高的情况下相比，当在所述判定器进行判定时所述循环泵的温度以及与所述循环泵的温度关联的温度中的任一个较低时，所述规定的驱动时间较长。
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