CN109802157A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统。燃料电池系统包括燃料电池、氢气循环泵、加热部以及控制器。氢气循环泵被构造成向燃料电池循环氢气，并且包括筒体和被容纳在筒体中的转子。加热部被构造成加热筒体。控制器被构造成控制加热部的操作。控制器被构造成在氢气循环泵的驱动状态高于或等于标准驱动状态的情形中使加热部加热筒体。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
在燃料电池系统中，典型地，设置了用于向燃料电池系统的氢气循环路径循环氢气的氢气泵。作为氢气泵，日本未审专利申请特开第2017-089539号(JP 2017-089539 A)公开了一个示例，其中加热装置被设置在氢气泵的外罩中，以便抑制氢气泵的外罩和容纳在该外罩中的转子由于冻结而相互附着。
发明内容
对于在燃料电池系统中使用的氢气泵，期望进一步改进循环效率。为了改进氢气泵的循环效率，期望减小转子和外罩(在下文中，还简单地称作“筒体”)之间的间隙。然而，本发明人发现，在间隙减小的情形中，以下问题可能发生。即，根据转子驱动量的增加，转子的温度上升，并且在转子和筒体之间的温差增加的情形中，由于转子和筒体之间的干涉，故障可能发生。
本发明的一个方面涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池、氢气循环泵、加热部以及控制器。氢气循环泵被构造成向燃料电池循环氢气并且包括筒体和被容纳在筒体中的转子。加热部被构造成加热筒体。控制器被构造成控制加热部的操作。控制器被构造成：在氢气循环泵的驱动状态高于或等于标准驱动状态的情形中使加热部加热筒体。在氢气循环泵的驱动状态高于或等于标准驱动状态的情形中，根据转子的驱动量，转子的温度变得高于筒体的温度，转子和筒体之间的温差增加，并且因此由于转子和筒体之间的干涉，故障可能发生。根据本发明的方面，在氢气循环泵的驱动状态高于或等于标准驱动状态的情形中，筒体被加热部加热。作为结果，能够使得筒体的温度接近转子的温度，并且由转子和筒体之间的干涉引起的故障能够进一步受到抑制。
在根据本发明的方面的燃料电池系统中，在氢气循环泵中，转子和筒体之间的间隙可以是20μm或更小。根据本发明的方面，转子和筒体之间的间隙是20μm或更小。因此，由转子和筒体之间的干涉引起的故障能够进一步受到抑制，并且氢气能够被有效地循环到燃料电池。
在根据本发明的方面的燃料电池系统中，加热部可以包括加热介质通路和用于向加热介质通路循环加热介质的加热介质供给泵，加热介质通路包括第一通路和第二通路，第一通路被设置在燃料电池中，并且第二通路被设置在氢气循环泵的筒体中。根据本发明的方面，通过向筒体的加热介质通路循环加热介质，筒体被加热。作为结果，能够使得筒体的温度接近转子的温度，并且由转子和筒体之间的干涉引起的故障能够进一步受到抑制。
根据本发明的方面的燃料电池系统还可以包括驱动量传感器，所述驱动量传感器被构造成检测作为驱动状态的转子的旋转速度。控制器可以被构造成：在由驱动量传感器检测到的转子的旋转速度高于或等于作为标准驱动状态的预先确定的阈值的情形中，使加热部加热筒体。根据本发明的方面，在转子的旋转速度高于或等于阈值的情形中，筒体被加热。因此，能够易于在不获得转子和筒体之间的温差的情况下加热筒体，能够使筒体的温度接近转子的温度，并且由转子和筒体之间的干涉引起的故障能够进一步受到抑制。
根据本发明的方面的燃料电池系统还可以包括：驱动量传感器，所述驱动量传感器被构造成检测转子的旋转速度；以及温度传感器，所述温度传感器被构造成检测与筒体的温度对应的温度。控制器可以被构造成：基于转子的温度和筒体的温度获得作为驱动状态的转子和筒体之间的温差。转子的温度是基于筒体的初始温度和转子的上升温度确定出来的。筒体的初始温度是在氢气循环泵的操作启动时基于由温度传感器检测到的温度获得的。转子的上升温度是根据由驱动量传感器检测到的转子的旋转速度而获得的从氢气循环泵的操作启动开始上升的温度。筒体的温度是在氢气循环泵以转子的旋转速度操作的状态中从由温度传感器检测到的温度获得的。控制器可以被构造成：在转子和筒体之间的温差高于或等于作为标准驱动状态的预先确定的容许温差的情形中，使加热部加热筒体。根据本发明的方面，在实际上相互靠近的转子和筒体之间的温差很可能高于或等于预定容许温差的情形中，筒体能够被加热，转子和筒体之间的干涉能够进一步受到抑制，并且故障能够进一步受到抑制。
根据本发明的方面的燃料电池系统还可以包括：温度传感器，所述温度传感器被构造成检测与筒体的温度对应的温度；流量传感器，所述流量传感器被构造成检测流到氢气循环泵的气体流入量；输入侧压力传感器，所述输入侧压力传感器被构造成检测氢气循环泵的输入侧压力；输出侧压力传感器，所述输出侧压力传感器被构造成检测氢气循环泵的输出侧压力；以及气体温度传感器，所述气体温度传感器被构造成检测流动到氢气循环泵的气体的温度。控制器可以被构造成：基于转子的初始温度、筒体的初始温度、气体流入量、输入侧压力、输出侧压力以及气体的温度获得作为驱动状态的转子和筒体之间的温差，转子的初始温度和筒体的初始温度是在氢气循环泵的操作启动时基于由温度传感器检测到的温度获得的。控制器可以被构造成：在转子和筒体之间的温差高于或等于作为标准驱动状态预先确定的容许温差的情形中，使加热部加热筒体。根据本发明的方面，在实际上相互靠近的转子和筒体之间的温差很可能高于或等于预定容许温差的情形中，筒体能够被加热，转子和筒体之间的干涉能够进一步受到抑制，并且故障能够进一步受到抑制。
在根据本发明的方面的燃料电池系统中，转子和筒体可以由相同金属材料制成。根据本发明的方面，转子和筒体由相同金属材料制成。因此，能够使转子和筒体的热膨胀和收缩特性相互匹配，并且转子和筒体之间的干涉能够易于受到抑制。
根据本发明的方面的燃料电池系统还可以包括驱动量传感器，所述驱动量传感器被构造成检测作为驱动状态的转子的旋转速度。控制器可以被构造成：在由驱动量传感器检测到的转子的旋转速度高于或等于作为标准驱动状态的预先确定的阈值的情形中，使加热部加热筒体。
根据本发明的方面的燃料电池系统还可以包括：驱动量传感器，所述驱动量传感器被构造成检测转子的旋转速度；以及温度传感器，所述温度传感器被构造成检测与筒体的温度对应的温度。控制器可以被构造成基于转子的温度和筒体的温度获得作为驱动状态的转子和筒体之间的温差。转子的温度是基于筒体的初始温度和转子的上升温度判定的。筒体的初始温度是在氢气循环泵的操作启动时基于由温度传感器检测到的温度获得的。转子的上升温度是根据由驱动量传感器检测到的转子的旋转速度获得的从氢气循环泵的操作启动开始上升的温度。筒体的温度是在氢气循环泵以转子的旋转速度操作的状态中从由温度传感器检测到的温度获得的。控制器可以被构造成：在转子和筒体之间的温差高于或等于作为标准驱动状态的预先确定的容许温差的情形中，使加热部加热筒体。
根据本发明的方面的燃料电池系统还可以包括：温度传感器，所述温度传感器被构造成检测与筒体的温度对应的温度；流量传感器，所述流量传感器被构造成检测流到氢气循环泵的气体流入量；输入侧压力传感器，所述输入侧压力传感器被构造成检测氢气循环泵的输入侧压力；输出侧压力传感器，所述输出侧压力传感器被构造成检测氢气循环泵的输出侧压力；以及气体温度传感器，所述气体温度传感器被构造成检测流动到氢气循环泵的气体的温度。控制器可以被构造成：基于转子的初始温度、筒体的初始温度、气体流入量、输入侧压力、输出侧压力以及气体的温度获得作为驱动状态的转子和筒体之间的温差，转子的初始温度和筒体的初始温度是在氢气循环泵的操作启动时基于由温度传感器检测到的温度获得的。控制器可以被构造成：在转子和筒体之间的温差高于或等于作为标准驱动状态的预先确定的容许温差的情形中，使加热部加热筒体。
在根据本发明的方面的燃料电池系统中，转子和筒体可以由相同金属材料制成。
在根据本发明的方面的燃料电池系统中，控制器可以被构造成：在由加热介质供给泵供给的加热介质被循环到筒体的情形中，通过根据转子的旋转速度的增加而增加加热介质供给泵的驱动量来增加加热介质的流量。根据本发明的方面，能够根据转子的旋转速度的增加而增加将加热介质循环到加热介质通路的流量。因此，通过有效地供给加热介质，转子能够被有效地加热，并且由于转子和筒体之间的干涉而引起的故障的发生能够进一步有效地受到抑制。
在该说明书中公开的技术能够以各种形式实施。例如，能够以诸如在其上安装燃料电池系统的移动体或用于燃料电池系统的控制方法的形式实现本发明。
附图说明
将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的数字表示相同的元件，并且其中：
图1是概略地示出根据第一实施例的燃料电池系统的图；
图2是示出阳极气体泵的构造的一个示例的概略透视图；
图3是沿着与在构成阳极气体泵的泵部中包括的转子的旋转轴垂直的方向截取的概略截面视图；
图4是在与在构成阳极气体泵的泵部中包括的转子的旋转轴平行的方向上的概略截面视图；
图5是示出由控制加热部的控制器执行的加热处理的流程图；
图6是示出阳极气体泵的转子的旋转速度和转子与筒体之间的温差Δ之间的关系的一个示例的曲线图；
图7是概略地示出根据第二实施例的燃料电池系统的图；
图8是示出阳极气体泵的转子的旋转速度和用于获得泵温差的转子的上升温度之间的关系的一个示例的曲线图；
图9是概略地示出根据第三实施例的燃料电池系统的图；
图10是示出在第四实施例中的加热介质供给泵的驱动量和阳极气体泵的驱动量之间的关系的曲线图；
图11是概略地示出根据第五实施例的燃料电池系统的图；
图12是示出由控制加热部的控制器执行的加热处理的流程图；并且
图13是概略地示出根据第六实施例的燃料电池系统的图。
具体实施方式
A.第一实施例
图1是概略地示出根据第一实施例的燃料电池系统10的图。燃料电池系统10被安装在例如车辆(燃料电池车辆)上，并且响应于来自驾驶员的请求作为用于车辆的电源输出电力。燃料电池系统10包括燃料电池(FC)100、阴极气体供给部200、阳极气体供给部300、FC冷却部400、加热部500以及控制器600。
燃料电池100具有作为发电单元的多个单电池(未示出)被堆叠的堆叠结构。在该实施例中，燃料电池100是固体聚合物电解质燃料电池，但是可以使用其它类型的燃料电池。作为燃料电池100的电极催化剂的支撑物，使用碳材料。
阳极气体供给部300包括阳极气体罐310、阳极气体供给管320、阳极气体循环管330、主截止阀340、压力调节阀350、注射器360、阳极气体泵370、气液分离器380、排气排水阀385以及排气排水管390。在该实施例中，示出了氢气被用作阳极气体的示例，并且阳极气体泵370能够被视为“氢气循环泵”。
阳极气体罐310例如存储高压氢气。阳极气体罐310通过阳极气体供给管320被连接到燃料电池100。在阳极气体供给管320中，主截止阀340、压力调节阀350和注射器360被从阳极气体罐310侧按照这个次序设置。主截止阀340开始或停止阳极气体从阳极气体罐310的供给。压力调节阀350调节供给到注射器360的阳极气体的压力。注射器360通过阳极气体供给管320朝向燃料电池100的阳极注射从压力调节阀350供给的阳极气体。
阳极气体循环管330被连接到燃料电池100和阳极气体供给管320，并且向阳极气体供给管320循环作为阳极气体的从燃料电池100排出的阳极废气。在阳极气体循环管330中，设置了气液分离器380和阳极气体泵370。气液分离器380从包括从燃料电池100排出的液体水的阳极废气分离液态水。在阳极废气中包括的杂质气体(诸如氮气)也被与液态水一起地分离。包括未反应的氢气的阳极废气被分离成液态水和杂质气体，并且由阳极气体泵370驱动以作为阳极气体通过阳极气体循环管330的部分330b被循环到阳极气体供给管320。分离的液态水和氮气通过被连接到气液分离器380的排气排水阀385和排气排水管390，并且被排出到系统的外部。阳极气体泵370由从驱动电路375供给的驱动电力驱动。主截止阀340、压力调节阀350、注射器360以及阳极气体泵370的驱动电路375由控制器600控制。
基于通过驱动电路375供给到阳极气体泵370的电力获得作为阳极气体泵370的驱动量的旋转速度或流量。通过检测从驱动电路375供给到阳极气体泵370的电压和电流或输入驱动电路375的电压和电流的电压/电流传感器378来获得驱动电力。电压/电流传感器378能够被视为“驱动量传感器”。
阴极气体供给部200包括阴极气体供给管210、旁通管230、阴极气体排出管220、空气压缩机250、分流阀260以及压力调节阀270。
在阴极气体供给管210中，设置环境温度传感器212、空气流量计214、空气压缩机250、分流阀260。环境温度传感器212检测(测量)在进气之前的阴极气体的温度作为环境温度。空气流量计214检测被吸入的阴极气体的量。分流阀260被连接到旁通管230并且被划分且向燃料电池100和旁通管230供给阴极气体。
在阴极气体排出管220中，设置压力调节阀270。旁通管230的下游部被连接到设置在压力调节阀270的下游的阴极气体排出管220。压力调节阀270调节供给到燃料电池100的阴极气体的压力。虽然在附图中未示出，但是在阳极气体供给部300中的排气排水管390的下游部被连接到阴极气体排出管220的下游侧。
阴极气体供给部200使用空气压缩机250将空气(阴极气体)吸入系统，向燃料电池100供给空气，并且然后向系统的外部排出未使用的空气(阴极废气)。空气压缩机250由从驱动电路255供给的电力驱动。空气压缩机250的驱动电路255、分流阀260以及压力调节阀270由控制器600控制。
FC冷却部400包括冷却剂供给管410、冷却剂排出管420、散热器430、旁通管440、三通阀450以及冷却剂泵460。冷却剂的示例包括非冷冻水(诸如水或乙二醇和空气)。在该实施例中，使用防冻溶液。冷却剂泵460被设置在冷却剂供给管410中，由从驱动电路465供给的电力驱动，并且向燃料电池100的冷却剂通路102供给在散热器430中被冷却的冷却剂。在冷却剂通路102中循环的冷却剂通过被燃料电池100的废热加热的冷却剂排出管420被循环到散热器430。散热器430被布置在其中容纳燃料电池系统10的车辆的前室的前端中，并且使用从前侧获取的被冷却的空气来冷却由燃料电池100的废热加热的冷却剂。三通阀450是用于调节供给到散热器430和旁通管440的冷却剂的流量的阀。在冷却剂排出管420中，用于检测冷却剂排出管420的冷却剂Lc的温度的冷却剂温度传感器422被设置在以下描述的加热介质供给管510的连接位置424的上游的位置处。由冷却剂温度传感器422检测到的冷却剂温度被输入控制器600并且被用于加热部500的控制。
加热部500包括加热介质供给管510、加热介质循环管520以及加热介质供给泵550。加热介质供给管510被连接到冷却剂排出管420的连接位置(在下文中，还简单地称作“分支位置”)424并且被连接到设置在阳极气体泵370的筒体中的筒体通路750的进口。加热介质循环管520被连接到阳极气体泵370中的筒体通路750的出口并且被连接到加热介质供给管510的冷却剂排出管420中的分支位置424的下游的连接位置(在下文中还简单地称作“结合位置”)426。
在加热介质供给管510中，加热介质供给泵550被设置在分支位置424和阳极气体泵370的筒体通路750之间。加热介质供给管510和加热介质循环管520填充有与FC冷却部400相同的冷却剂。即，在冷却剂排出管420的分支位置424处分支到加热介质供给管510的冷却剂Lc被用作在阳极气体泵370的筒体通路750中循环的“加热介质Lh”。
加热部500使用加热介质供给泵550向阳极气体泵370的筒体通路750循环在分支位置424处分支并且流动到加热介质供给管510的加热介质，以便通过加热介质循环管520将加热介质从冷却剂排出管420的结合位置426返回到冷却剂排出管420。通过向阳极气体泵370的筒体通路750循环加热介质，加热部500能够加热在设置有筒体通路750的阳极气体泵370的筒体(外罩)。加热介质供给泵550以与从驱动电路555供给的电力对应的恒定旋转速度驱动，并且以与旋转速度对应的流量向加热介质供给管510和加热介质循环管520循环加热介质。加热介质供给泵550的驱动电路555由控制器600控制。
如上所述，在加热部500中，在燃料电池100的冷却剂通路102中在循环期间由废热加热的冷却剂Lc被从冷却剂排出管420分支到加热介质供给管510并且被用作加热介质Lh。因此，燃料电池100的冷却剂通路102和冷却剂排出管420还在功能上用作构成加热部500的构件。燃料电池100的冷却剂通路102能够被视为“设置在燃料电池中的第一通路”，并且筒体通路750能够被视为“设置在氢气循环泵的筒体中的第二通路”。冷却剂通路102、冷却剂排出管420、加热介质供给管510、筒体通路750以及加热介质循环管520能够被视为“加热介质通路”。
控制器600被构造成基于微型计算机的逻辑电路。具体地，控制器600包括：中央处理单元(CPU)，所述中央处理单元根据预设控制程序执行预定操作等；只读存储器(ROM)，所述只读存储器预先存储使用CPU执行各种操作需要的控制程序、控制数据等；随机访问存储器(RAM)，所述随机访问存储器临时读取和写入使用CPU执行各种操作需要的各种数据；以及输入和输出端口。通过所述输入和所述输出端口输入和输出各种信号。控制器600获得环境温度传感器212、空气流量计214、电压/电流传感器378和冷却剂温度传感器422的测量信号、与燃料电池100上的负载请求有关的信息，等。控制器600输出与燃料电池100的发电有关的各构件(例如在燃料电池系统10中包括的阀诸如主截止阀340、压力调节阀350、排气排水阀385、分流阀260、压力调节阀270，和三通阀450、空气压缩机250、阳极气体泵370和冷却剂泵460)的驱动信号。为了进一步抑制阳极气体泵370的故障，控制器600如在以下描述地控制加热介质供给泵550的驱动。
除了上述构造，燃料电池系统10还包括：转换器，所述转换器升高从燃料电池100输出的电压；以及电力控制单元，所述电力控制单元控制向产生车辆动力的马达等的负载的电力供给。然而，在该实施例的描述中，这些构件不是不可缺少的，并且因此在附图中没有示出并且未予描述。
图2是示出阳极气体泵370的构造的一个示例的概略透视图。阳极气体泵370是罗茨型泵(罗茨泵)，并且包括马达部710、包括一对转子的泵部730以及将马达部710和泵部730的转子相互连接的齿轮部720。
图3是沿着与在构成阳极气体泵370的泵部730中包括的转子的旋转轴垂直的方向截取的概略截面视图。图4是与在构成阳极气体泵370的泵部730中包括的转子的旋转轴平行的方向上的概略截面视图。
如在图3和图4中所示，泵部730包括筒体740和一对转子760。筒体740包括一对侧壁部744、746；以及周边壁部742，所述周边壁部742被设置成连接侧壁部744、746的周边部分。在筒体740中，由侧壁部744、746和周边壁部742包围的内部空间部分形成泵腔室747。如在图3中所示，筒体740在周边壁部742彼此面对的位置处包括进气端口748和排气端口749。进气端口748被连接到阳极气体循环管330的部分330a(图1)，气液分离器380和阳极气体泵370通过所述部分330a相互连接，并且排气端口749被连接到阳极气体循环管330的部分330b(图1)，所述部分330b结合到阳极气体供给管320。
如在图3和图4中所示，转子760被容纳在筒体740的泵腔室747中。在截面视图中，转子760被形成为芽形(葫芦形)并且在转子的中心处包括旋转轴770。旋转轴770可旋转地受到筒体740的侧壁部744、746支撑。在转子760相互啮合的状态中，转子760被容纳在泵腔室747中。与旋转轴770的转子760垂直的端表面764、766被布置成面对筒体740的侧壁部744、746。
如在图2中所示，在筒体740的侧壁部744中，设置用于循环加热介质的筒体通路750。加热介质供给管510被连接到筒体通路750的第一端752，并且加热介质循环管520被连接到筒体通路750的第二端754。通过在筒体通路750中循环加热介质，筒体740被加热。在筒体通路750中循环加热介质的处理将在下面详细地描述。
如图4中所示，齿轮部720被附接到筒体740的侧壁部746的外侧。齿轮部720包括一对齿轮722。在齿轮722相互啮合的状态中，齿轮722被固定到从泵部730的转子760延伸的旋转轴770。
马达部710被附接到齿轮部720的与泵部730相反的一侧。马达部710包括驱动轴712。驱动轴712被关联到泵部730的转子760中的一个的旋转轴770。利用从驱动电路375供给的电力，马达部710旋转驱动轴712(图1)。
在具有该结构的阳极气体泵370中，在马达部710被驱动以旋转驱动轴712的情形中，关联到驱动轴712的旋转轴770旋转。在此情形中，齿轮722中的一个齿轮722和设置在旋转轴770中的一个转轴770中的转子760中的一个转子760旋转。通过齿轮722中的该一个齿轮722旋转，齿轮722中的另一个齿轮722在与齿轮722中的该一个齿轮722的旋转方向相反的方向上旋转。作为结果，齿轮722中的另一个所固定到的旋转轴770中的另一个旋转轴770在与旋转轴770中的该一个旋转轴770的旋转方向相反的方向上旋转。因此，转子760中的另一个转子760在与转子760中的该一个转子760的旋转方向相反的方向上旋转。作为结果，由于泵腔室747中的转子760的旋转，作为阳极气体的氢气被从进气端口748吸入泵腔室747，并且被从排气端口749排出到泵腔室747的外侧。作为结果，在从燃料电池100排出的阳极废气中包括的氢气被输送到阳极气体循环管330，并且被再次作为阳极气体供给到燃料电池100。即，作为阳极气体的氢气被阳极气体泵370循环并且供给到燃料电池100。
如在“发明内容”中描述的那样，为了改进在阳极气体泵370中使用的泵中的循环效率，优选的是，筒体和转子之间的间隙尽可能小。因此，在阳极气体泵370中使用的罗茨泵中，优选的是在筒体740的周边壁部742和转子760的芽形周边壁表面762之间的间隙C1(图3)的规定值被设定为在例如正常温度(典型地，25℃)下大于0和20μm或更小。类似地，优选的是筒体740的侧壁部744和转子760的第一端表面764之间的间隙C2(图4)和筒体740的侧壁部746和转子760的第二端表面766之间的间隙C3(图4)的规定值也被设定为在例如正常温度(典型地，25℃)下大于0和20μm或更小。
在燃料电池系统的操作期间，阳极气体泵370的筒体740的温度依赖于其中设置阳极气体泵370的环境的温度。在该实施例中，如上所述，筒体740的温度依赖于车辆的前室中的温度(环境温度)。在另一方面，在转子760的操作启动时的初始温度能够被视为与筒体740的温度相同。在另一方面，关于在操作启动之后转子760的温度，阳极气体泵370的流入气体温度对筒体740的温度无任何影响，因为它低于通过冷却剂排出管420流动的冷却剂的温度并且典型地是10℃或更低。在开始之后转子760的温度根据转子760的驱动量(旋转速度或气体流量)，更加具体地，气体流量(气体流入量)、输入侧压力和输出侧压力之间的差异以及阳极气体泵370中的流入气体的温度而从初始温度改变。因此，随着气体流量根据转子760的旋转速度的增加而增加，转子760的温度和筒体740的温度之间的温差更加可能增加。如上所述，在转子760的温度高于筒体740的温度的情形中，筒体740和转子760之间热膨胀或收缩量的差异变得更加显著，并且转子760和筒体740之间的间隙降低。随着这个状态的发展，由于转子760和筒体740之间的干涉，转子760的旋转故障发生，并且转子760不能旋转的锁定状态最终可能发生。
在该实施例中，如在以下描述的那样，加热部500被控制成加热阳极气体泵370的筒体740，使得筒体740的温度接近转子760的温度。作为结果，转子760和筒体740之间的温差减小，并且转子760和筒体740被控制成不相互干涉。
图5是示出由控制加热部500的控制器600执行的加热处理的流程图。从当通过启动燃料电池系统10阳极气体泵370开始被驱动(启动)时的时刻到当阳极气体泵370的驱动结束时的时刻，加热处理由控制器600反复地执行。
在步骤S100中，控制器600判定冷却剂排出管420的冷却剂Lc(图1)的温度(冷却剂温度)Tcd是否高于环境温度Ta。
与阳极气体泵370的筒体740的温度(在下文中，还简单地称作“筒体温度”)对应的环境温度能够被视为与在操作启动时的环境温度相同。至少在冷却剂温度Tcd低于环境温度Ta(筒体温度)的情形中，即使当加热部500被操作使得作为加热介质Lh的冷却剂Lc被循环到阳极气体泵370的筒体通路750时，阳极气体泵370的筒体740仍然不能被加热。在冷却剂温度Tcd低于环境温度Ta的情形中(步骤S100：否)，在步骤S300b中，加热部500的加热介质供给泵550不被驱动(“加热泵#关闭”)，并且筒体740不被加热。
在燃料电池系统10的操作启动之后，被燃料电池100的废热加热的冷却剂Lc流动通过冷却剂排出管420。由于由燃料电池100的废热引起的冷却剂的温度上升和散热器430的冷却性能之间的关系，冷却剂Lc的温度是40℃到70℃，并且典型地是大约60℃。因此，在操作启动之后，冷却剂温度Tcd典型地高于环境温度Ta。在冷却剂温度Tcd高于环境温度Ta的情形中(步骤S100：是)，在步骤S200中，控制器600判定转子760和筒体740之间的温差(在下文中，还简单地称作“泵温差”)ΔTp是否可能高于或等于容许温差Tcr。如在以下描述地执行关于泵温差ΔTp是否可能高于或等于容许温差Tcr的判定(步骤S200)。
图6是示出阳极气体泵370的转子760的旋转速度Np和转子760和筒体740之间的温差ΔTp之间的关系的一个示例的曲线图。水平轴线表示作为阳极气体泵370的驱动量的旋转速度Np[rpm]，并且旋转速度Np与阳极气体的流量[L/min]对应。竖直轴线表示转子760和筒体740之间的温差(泵温差)ΔTp[℃]。在操作启动(初始操作)的时刻，即，当旋转速度Np为0rpm时，转子760和筒体740的温度(初始温度)彼此相同。筒体740的温度(筒体温度)恒定在操作启动时的温度(初始温度)。在此情形中，竖直轴线的泵温差ΔTp能够被视为与从等于在操作启动时筒体740的温度的转子760的温度对应的、转子760的上升温度。在旋转速度Np下的泵温差ΔTp是当转子760的温度上升在转子760在旋转速度Np下的驱动开始上升转子760的温度并且继续的状态中收敛并且变得稳定时的转子760的上升温度。泵温差ΔTp是在设定旋转速度Np下的上升温度的估计值。
如在图6中所示，在阳极气体泵370的筒体740不被加热部500加热的状态(加热介质不被循环的状态)中，转子760的温度根据旋转速度Np的增加而上升，并且泵温差ΔTp根据转子760的温度上升而增加。容许温差Tcr是容许作为泵温差ΔTp使得由于由转子760和筒体740之间的温差产生的膨胀或收缩量差异引起的转子760和筒体740之间的干涉不发生的温差。
能够如以下在“<判定方法1>”中描述地执行关于泵温差ΔTp是否高于或等于容许温差Tcr的判定。可以如以下在“<判定方法2>”中描述地执行该判定。
判定方法1
在当操作启动时筒体740和转子760的温度相同并且筒体740的温度恒定的状态中，预先获得阳极气体泵370的旋转速度Np和转子760的上升温度之间的关系作为旋转速度Np和泵温差ΔTp之间的关系(参考图6)。基于所获得的关系获得与泵温差ΔTp是容许温差Tcr的情形对应的作为旋转速度阈值Ncr的旋转速度Np，并且旋转速度阈值Np被存储在控制器600的存储单元602中。在图5的步骤S200中，控制器600通过判定转子760的旋转速度Np是否可能高于或等于与容许温差Tcr对应的旋转速度阈值Ncr来判定泵温差ΔTp是否可能高于或等于容许温差Tcr。在此情形中，转子760的旋转速度Np能够被视为氢气循环泵的“驱动状态”，并且旋转速度阈值Ncr能够被视为“标准驱动状态”。
判定方法2
在当操作启动时筒体740和转子760的温度相同并且筒体740的温度恒定的状态中，预先获得阳极气体泵370的旋转速度Np和转子760的上升温度之间的关系作为旋转速度Np和泵温差ΔTp之间的关系(参考图6)。这个关系被存储在控制器600的存储单元602中。在图5的步骤S200中，基于所获得的旋转速度Np和泵温差ΔTp之间的关系获得与转子760的旋转速度Np对应的泵温差ΔTp，并且控制器600判定泵温差ΔTp是否可能是容许温差Tcr。在此情形中，泵温差ΔTp能够被视为“氢气循环泵的驱动状态”，并且容许温差Tcr能够被视为“标准驱动状态”。
在判定方法1中，控制器600判定转子760的旋转速度Np是否高于或等于旋转速度阈值Ncr。因此，如与判定方法2相比，控制器600能够简单地判定泵温差ΔTp是否可能高于或等于容许温差Tcr。
在该判定方法中，在筒体740的温度恒定在操作启动时的初始温度的状态中，与转子的旋转速度Np对应的转子的上升温度能够简单地被视为泵温差ΔTp。原因如下。其上安装燃料电池系统的前室的环境温度在操作启动时能够被视为与环境温度相同，并且在操作启动之后能够被视为高于环境温度。因此，假设筒体740的温度恒定在操作启动时的温度，认为转子760和筒体740之间的温差(泵温差)就转子760的任何驱动量而言均是最大值。其原因如下。通过将根据转子760的驱动量获得的、转子760从阳极气体泵370的操作启动的上升温度视为泵温差，在一个最严重的条件下，在泵温差高于或等于预定容许温差的情形中，加热介质能够被循环到筒体通路750以加热筒体740。
在图5的步骤S200中，在泵温差ΔTp低于容许温差Tcr的情形中，在步骤S300b中，加热部500的加热介质供给泵550不被驱动(“加热泵关闭”)，并且阳极气体泵370的筒体740不被加热。在另一方面，在泵温差ΔTp高于或等于容许温差Tcr的情形中，预期泵温差ΔTp高于或等于容许温差Tcr，在步骤S300a中，加热部500的加热介质供给泵550被驱动(“加热泵打开”)，并且阳极气体泵370的筒体740被加热。
如在图6中所示，在阳极气体泵370的筒体740被加热部500加热的状态(加热介质被循环的状态)中，筒体740的温度根据加热介质Lh的温度上升。因此，在加热介质被循环的状态中，如与加热介质不被循环的情形相比，泵温差ΔTp能够减小，并且使得泵温差ΔTp高于或等于容许温差Tcr的旋转速度Np能够增加到高于旋转速度阈值Ncr的值Ncr(h1)。作为结果，在阳极气体泵370的操作范围被设定为使得旋转速度Np为0或更高并且低于Ncr(h1)的情形中，阳极气体泵370能够被操作使得由阳极气体泵370中的筒体740和转子760之间的泵温差引起的转子760和筒体740之间的干涉不发生。
在加热介质被循环的状态中与容许温差Tcr对应的旋转速度Np的值Ncr(h1)依赖于加热介质Lh，即，冷却剂Lc的温度。因此，优选的是燃料电池系统10的输出(所产生的电力)受到限制以限制旋转速度Np直至在操作启动之后冷却剂Lc的温度上升到作为加热介质Lh的温度足够高的温度。随着加热介质Lh的温度上升并且接近转子760的温度，筒体740能够被加热使得泵温差ΔTp接近0。因此，加热效果能够得到改进，并且抑制筒体740和转子760之间的干涉的效果能够得到改进。在加热介质Lh的温度高于转子760的温度的情形中，加热介质供给泵550的(开/关)被间歇地控制，并且筒体740的加热被间歇地控制。作为结果，泵温差ΔTp接近0的状态能够得到维持，并且还能够改进抑制筒体740和转子760之间的干涉的效果。
基于设计泵温差ΔTp(D)和其中转子760和筒体740之间的干涉由于由转子760和筒体740之间的温差产生的膨胀或收缩量的差异而发生的安全系数来判定容许温差Tcr。例如，在设计泵温差ΔTp(D)为20℃并且安全系数S为2的情形中，容许温差Tcr被设定为Tcr＝ΔTp(D)/S＝10℃。
如上所述，通过将设计泵温差ΔTp(D)除以安全系数S以获得容许温差Tcr并且获得与所获得的容许温差Tcr对应的旋转速度Np的值来获得在用于判定泵温差ΔTp是否高于或等于容许温差Tcr的描述中使用的旋转速度阈值Ncr。然而，旋转速度阈值Ncr不限于这个值。例如，与设计泵温差ΔTp(D)对应的旋转速度Np的值可以被除以安全系数S以获得旋转速度阈值Ncr，并且可以作为容许温差Tcr获得与所获得的旋转速度阈值Ncr对应的泵温差ΔTp。
设计泵温差ΔTp(D)是基于用于转子760和筒体740的材料的特性(特别地，线性膨胀系数)和转子760和筒体740之间的间隙而设定的温度。典型地，设计泵温差ΔTp(D)被设定为优选地在10℃到30℃的范围中。安全系数S被设定为优选地在1到2的范围中并且更加优选地在1.5到2的范围中。容许温差Tcr还被设定为优选地在10℃到30℃的范围中，并且旋转速度阈值Ncr被设定为优选地在2000rpm到5500rpm的范围中(气体流量被设定为优选地在160L/min到450L/min的范围中)。
对于阳极气体泵370，使用各种金属材料诸如不锈钢或铝。转子760和筒体740可以由相同金属材料或不同金属材料制成。然而，其中转子760和筒体740由相同金属材料制成的构造有利之处在于能够使得线性膨胀系数是相同的，能够使得转子760和筒体740的热膨胀或收缩量相互接近，并且转子760和筒体740之间的干涉能够进一步受到抑制。很多种不锈钢具有比铝更低的线性膨胀系数，但是根据减轻重量的观点，铝优于不锈钢。
在任一情形中，均预先获得阳极气体泵370的旋转速度Np和转子760和筒体740之间的温差ΔTp之间的图6所示关系，并且如上所述获得容许温差Tcr和旋转速度阈值Ncr。作为结果，通过根据图5所示流程执行加热处理，转子760和筒体740之间的干涉能够受到抑制。
如上所述，根据第一实施例，由于阳极气体泵370中的筒体740和转子760之间的干涉而发生的阳极气体泵370的故障能够受到抑制。
B.第二实施例
图7是概略地示出根据第二实施例的燃料电池系统10B的图。燃料电池系统10B不同于根据第一实施例的燃料电池系统10之处在于：设置了作为与阳极气体泵370的筒体740的温度对应的温度检测阳极气体泵370的环境温度的环境温度传感器379；并且在控制器600的加热处理中判定泵温差ΔTp是否可能高于或等于容许温差Tcr的方法如在以下描述地是不同的。燃料电池系统10B的其它构造与根据第一实施例的燃料电池系统10(图1)的构造相同。
在第二实施例中，与第一实施例不同，替代作为泵温差ΔTp获得转子760的上升温度，基于转子760的上升温度和筒体740的温度获得泵温差ΔTp，并且控制器600判定所获得的泵温差ΔTp是否可能高于或等于容许温差Tcr。在此情形中，泵温差ΔTp能够被视为“氢气循环泵的驱动状态”，并且容许温差Tcr能够被视为“标准驱动状态”。
图8是示出阳极气体泵370的转子760的旋转速度Np和用于获得泵温差ΔTp的转子760的上升温度ΔTr之间的关系的一个示例的曲线图。如在图6的情形中，水平轴线表示作为阳极气体泵370的驱动量的转子760的旋转速度Np[rpm]，并且旋转速度Np与气体的流量[L/min]对应。竖直轴线作为从操作启动时转子760的温度的上升温度ΔTr表示在图6的竖直轴线中示出的泵温差ΔTp。在旋转速度Np下上升温度ΔTr是当转子760的温度上升在转子760在旋转速度Np下的驱动开始增加转子760的温度并且继续的状态中收敛并且变得稳定时转子760的上升温度。泵温差ΔTp是在设定旋转速度Np下上升温度的估计值。图8等价于示出在加热介质不被循环的状态中转子760的旋转速度Np和泵温差ΔTp之间的关系的图6。图8所示关系被预先测量并且存储在控制器600的存储单元602中。
如下基于图8所示关系获得转子760的旋转速度Np下的泵温差ΔTp(Np)。首先，基于图8所示关系，获得在旋转速度Np下的转子上升温度ΔTr(Np)，并且获得筒体740的温度(筒体温度)Ts(Np)。筒体温度是与其中设置阳极气体泵370的环境的温度对应的温度。简单地，可以替代地照原样使用由环境温度传感器379检测到的阳极气体泵370的环境温度。在该实施例中，由环境温度传感器379检测到的阳极气体泵370的环境温度被用作在旋转速度Np下的筒体温度Ts(Np)。类似地，作为在操作启动时筒体740的初始温度(在下文中，还简单地称作“筒体初始温度”)Ts0，在操作启动时(Np＝0)使用由环境温度传感器379检测到的阳极气体泵370的环境温度。在操作启动时，由环境温度传感器379检测到的温度和由环境温度传感器212检测到的温度是相同的。因此，由环境温度传感器212检测的环境温度可以被用作筒体初始温度Ts0。
转子温度Tr(Np)(＝Ts0+ΔTr(Np))是基于如上所述获得的转子上升温度ΔTr(Np)和作为转子初始温度的筒体初始温度Ts0而获得的。泵温差ΔTp(Np)(＝Tr(Np)-Ts(Np))是基于所获得的转子温度Tr(Np)和筒体温度Ts(Np)而获得的。在步骤S200中(图5)，控制器600判定如上所述获得的泵温差ΔTp(Np)是否可能高于或等于容许温差Tcr。
在第二实施例中，如在第一实施例的情形中那样，由于筒体740和转子760之间的干涉而发生的阳极气体泵370的故障能够受到抑制。在第一实施例中，在筒体740的温度恒定的状态中，获得作为泵温差的从操作启动开始的转子上升温度。在另一方面，在第二实施例中，考虑到从操作启动开始在以旋转速度Np操作期间筒体温度的变化地获得泵温差。因此，关于泵温差是否可能高于或等于预定容许温差的判定能够被以更高的准确度执行，转子和筒体之间的干涉能够进一步受到抑制，并且故障能够进一步受到抑制。
C.第三实施例
图9是概略地示出根据第三实施例的燃料电池系统10C的图。燃料电池系统10C不同于根据第一实施例的燃料电池系统10之处在于：替代根据第一实施例的燃料电池系统10(图1)的阳极气体供给部300设置阳极气体供给部300C；并且在控制器600的加热处理中判定泵温差ΔTp是否高于或等于容许温差Tcr的方法如在以下描述地是不同的。燃料电池系统10C的其它构造与燃料电池系统10的构造相同。
在阳极气体供给部300C中，检测流入阳极气体泵370中的阳极气体的温度的气体温度传感器371、检测阳极气体的流入量的流量传感器372以及检测阳极气体的压力的流入气体压力传感器373被设置阳极气体循环管330的部分330a中，所述部分330在气液分离器380和阳极气体泵370之间。检测从阳极气体泵370流出的阳极气体的压力的流出气体压力传感器374被设置在阳极气体循环管330的部分330a中，阳极气体泵370和阳极气体供给管320通过所述部分330a被相互连接。流入气体压力传感器373能够被视为“输入侧压力传感器”，并且流出气体压力传感器374能够被视为“输出侧压力传感器”。
能够从以下描述的计算获得阳极气体泵370的转子760的转子温度Tr的估计值(在下文中，还简单地称作“转子温度Tr”)和筒体740的筒体温度Ts的估计值(在下文中，还简单地称作“筒体温度Ts”)。
在热量Q[J/sec]在时间Δt[sec]中被施加到具有热容量C[J/K]的物体的情形中，根据能量守恒定律，上升温度ΔT[K]由以下表达式(1)表达。
ΔT＝Q×Δt/C...(1)
在表达式(1)被应用于转子760和筒体740的情形中，转子760的转子温度Tr和筒体740的筒体温度Ts由以下表达式(2)和以下表达式(3)表达，并且泵温差ΔTp由以下表达式(4)表达。
Tr＝Tr0+{[αr×(Tg-Tr0)×Ar]×Δt/Cr}...(2)
Ts＝Ts0+{[αs×(Tg-Ts0)×As]×Δt/Cs}-{[αa×(Tg-Ts0)×As]×Δt/Cs}...(3)
ΔTp＝Tr-T0...(4)
Tr0表示转子的初始温度[K]，αr表示转子的热传递系数[W/(m2·K)]，Tg表示筒体中的气体温度[K]，Ar表示转子的表面面积[m2]，并且Cr表示转子的热容量[J/K]。Ts0表示筒体的初始温度[K]，αs表示筒体中的热传递系数[W/(m2·K)]，As表示筒体的内表面面积[m2]，Cs表示筒体的热容量[J/K]，并且αa表示与筒体的热辐射有关的热传递系数[W/(m2·K)]，并且Ta表示环境温度[K]。
表达式(2)的第二项表示与转子760的工作量对应的上升温度分量。在表达式(3)中，第二项表示与转子760的工作量对应的筒体740的上升温度分量，并且第三项表示从筒体740的外表面的热辐射温度分量。
作为转子的初始温度Tr0和筒体的初始温度Ts0，例如，能够使用在操作启动时由环境温度传感器212检测到的温度。转子的表面面积Ar、筒体的内表面面积As、转子的热容量Cr以及筒体的热容量Cs是已知常数。如下获得筒体中的气体温度Tg、转子的热传递系数αr、筒体的热传递系数αs以及与筒体的热辐射有关的热传递系数αa。
能够基于由气体温度传感器371检测到的输入侧压力Pi、由流出气体压力传感器374检测到的输出侧压力Po以及由气体温度传感器371检测到的流入气体温度Ti根据以下表达式(5)获得筒体中的气体温度Tg。
Tg＝Ti×(Po/Pi)(γ-1)/γ...(5)
γ表示比热的比率，并且因为目标气体是双原子分子，所以γ＝7/5得以满足。
热传递系数αr和αs与气体流入量Vi成比例，并且能够根据以下表达(6)和(7)获得。
αr＝kr×Vi...(6)
αs＝ks×Vi...(7)
kr和ks是根据所要使用的材料判定的常数，并且在转子760和筒体740由相同金属材料制成的情形中是相同的。
能够根据以下表达式(8)获得热传递系数αs。
αa＝0.037×(λ/L)×Re4/3×Pr1/3...(8)
λ表示筒体的附近的流体的导热率[W/m·K]，L表示筒体的代表性长度(m)，Re表示雷诺数，并且Pr表示普朗特数。
能够根据以下表达式(9)获得雷诺数，并且能够根据以下表达式(10)获得普朗特数。
Re＝(ρ×v×L)/μ...(9)
Pr＝(μ×cp)/λ...(10)
ρ表示筒体的附近的流体的密度[Kg/m3]，μ表示流体的粘度系数[Pa·s]，v表示流体的速率[m/s]，并且cp表示流体的比热[J/(kg·K)]。
密度ρ、粘度系数μ、速率v、比热cp、代表性长度L、导热率λ能够被预先确定。因此，能够使用表达(8)、(9)和(10)预先获得热传递系数αr。
因此，能够通过使用表达式(2)和表达式(3)的时间Δt作为预定时间Te而获得在预定时间Te逝去之后转子温度Tr和筒体温度Ts的估计值。能够根据表达式(4)获得在预定时间Te逝去之后泵温差ΔTp的估计值。
如上所述，基于输入侧压力Pi、输出侧压力Po以及流入气体温度Ti根据表达式(5)获得筒体中的气体温度Tg，并且基于气体流入量Vi根据表达(6)和(7)获得转子的热传递系数αr和筒体的热传递系数αs。根据表达式(2)和表达式(3)获得在ΔT＝te中的转子温度Tr和估计筒体温度Ts的估计值。因此，能够根据表达式(4)获得泵温差ΔTp的估计值。在步骤S200中(图5)，控制器600判定如上所述获得的泵温差ΔTp是否可能高于或等于容许温差Tcr。在此情形中，泵温差ΔTp能够被视为“氢气循环泵的驱动状态”，并且容许温差Tcr能够被视为“标准驱动状态”。
在第三实施例中，如在第一实施例的情形中那样，由于筒体740和转子760之间的干涉而发生的阳极气体泵370的故障能够受到抑制。在第三实施例中，基于实际上流入阳极气体泵370中的阳极气体的气体温度、阳极气体的气体流入量和阳极气体泵370的输入侧压力和输出侧压力获得转子温度Tr和筒体温度Ts的估计值，并且然后获得泵温差ΔTp的估计值。作为结果，控制器600能够判定所获得的泵温差ΔTp是否可能高于或等于容许温差Tcr。
在以上说明中，作为转子的初始温度Tr0和筒体的初始温度Ts0，使用在操作启动时由环境温度传感器212检测到的温度。在如在第二实施例的情形中设置环境温度传感器379的情形中，在操作启动时由环境温度传感器379检测到的温度可以被用作转子的初始温度Tr0和筒体的初始温度Ts0。
在由表达式(3)表示的筒体温度Ts中，在第二项中示出的上升温度典型地被第三项的热辐射温度抵消。因此，替代根据表达式(3)获得筒体温度Ts，由环境温度传感器212检测到的、在操作启动时的温度可以被用作筒体温度的初始温度。在如在第二实施例的情形中设置环境温度传感器379的情形中，由环境温度传感器379检测到的、在操作启动时的温度可以被用作筒体温度的初始温度。
D.第四实施例
图10是示出在第四实施例中加热介质供给泵550的驱动量和阳极气体泵370的驱动量之间的关系的曲线图。水平轴线表示作为阳极气体泵370的驱动量的转子760的旋转速度Np，并且竖直轴线表示作为加热介质供给泵550的驱动量的转子的旋转速度Ns。根据第四实施例的燃料电池系统的构造与根据第一实施例的燃料电池系统10的构造相同。
如由虚线示意的，在第一实施例中，在加热介质供给泵550被驱动(“加热泵打开”)的情形中，作为加热介质供给泵550的驱动量的旋转速度Ns被设定为恒定旋转速度(Ns＝Ns0)。在另一方面，在第四实施例中，如由实线示意的，通过根据阳极气体泵370的旋转速度Np的增加而增加加热介质供给泵550的旋转速度Ns，被循环到阳极气体泵370的筒体通路750(参考图1和2)的加热介质的流量增加。作为结果，关于根据阳极气体泵370的旋转速度的增加而增加的转子760的温度，通过有效地供给加热介质，转子760能够被有效地加热，并且能够进一步有效地抑制由于转子和筒体之间的干涉而发生故障。
在以上说明中，在阳极气体泵370的旋转速度Np低于旋转速度阈值Ncr的情形中，即，在泵温差ΔTp低于容许温差Tcr的情形中，加热介质供给泵550不被驱动(加热泵关闭)。然而，实施例不限于此构造。即使在阳极气体泵370的旋转速度Np低于旋转速度阈值Ncr的情形中，通过根据旋转速度Np的增加而增加加热介质供给泵550的旋转速度Ns(参考图11的双点链线)，被循环到阳极气体泵370的筒体通路750(参考图1和2)的加热介质的流量可以增加。
E.第五实施例
图11是概略地示出根据第五实施例的燃料电池系统10E的图。燃料电池系统10E不同于燃料电池系统10之处在于：替代根据第一实施例的燃料电池系统10(图1)的加热部500设置加热部500E；并且使用控制器600的筒体740的加热处理如在以下描述地是不同的。燃料电池系统10E的其它构造与燃料电池系统10的构造相同。
加热部500E包括加热介质供给管510E、加热介质循环管520E、旁通管530、三通阀540以及加热介质供给泵550。如在加热介质供给管510(图1)的情形中，加热介质供给管510E被连接到冷却剂排出管420的分支位置424并且被连接到阳极气体泵370的筒体通路750的进口。加热介质供给管510E被连接到加热介质通路的、位于加热介质供给泵550和筒体通路750之间并且在此处设置排气排水阀385和气液分离器380(在下文中，还简单地称作“排气排水阀385等”)的部分(未示出)。
如在加热介质循环管520(图1)的情形中，加热介质循环管520E被连接到阳极气体泵370中的筒体通路750的出口并且被连接到冷却剂排出管420的结合位置426。在加热介质循环管520E中，不象加热介质循环管520，设置加热在加热介质循环管520E中循环的加热介质的加热单元560。加热单元560典型地用于车辆的空调。如在以下描述地，加热单元560还能够用于加热排气排水阀385等和阳极气体泵370的筒体740。
在加热介质供给管510E中，三通阀540和加热介质供给泵550按照这个次序被设置在分支位置424侧上的端部中。用于检测加热介质的温度的加热介质温度传感器512被设置在加热介质供给管510E的三通阀540和加热介质供给泵550之间。由加热介质温度传感器512检测到的加热介质的温度被输入控制器600并且用于使用加热单元560控制加热介质的温度。
三通阀540被连接到在加热单元560的下游侧上从加热介质循环管520E分支的旁通管530。三通阀540驱动加热介质供给泵550以调节从分支位置424流入的、作为加热介质的冷却剂的流量和从加热介质循环管520通过旁通管530流入并且循环的加热介质的流量。通过阻挡从分支位置424的流入，三通阀540能够向排气排水阀385等和阳极气体泵370循环并且供给循环到旁通管530的加热介质Lhc。在此情形中，通过使用加热单元560加热加热介质，被加热单元560加热的加热介质能够被循环并且供给到排气排水阀385等和阳极气体泵370。在此情形中，能够在短时间内加热排气排水阀385等和阳极气体泵370的筒体740。
在另一方面，通过阻挡从旁通管530的流入，三通阀540能够向排气排水阀385等和阳极气体泵370循环并且供给从冷却剂排出管420流入的、作为加热介质Lh的冷却剂Lc。在此情形中，通过使用被燃料电池100的废热加热的冷却剂Lc作为加热介质Lh，排气排水阀385等和阳极气体泵370的筒体740能够被加热。例如，能够使用通过以低效率从燃料电池100产生电力而从燃料电池100产生的热来使加冷却剂Lc的温度上升。
图12是示出由控制加热部500E的控制器600执行的加热处理的流程图。在该加热处理中，在第一实施例的加热处理(图5)的步骤S100和步骤S200之间添加以下描述的加热处理的部分。包括步骤S200与步骤S300a和S300b的加热处理的该部分与第一实施例的相同，并且在泵温差ΔTp高于或等于容许温差Tcr的情形中(步骤S200：是)，加热介质供给泵550被驱动(“加热泵打开”)，并且阳极气体泵370的筒体740被加热(步骤S300a)。在泵温差ΔTp低于容许温差Tcr的情形中(步骤S200：否)，加热介质供给泵550不被驱动(“加热泵关闭”)，并且阳极气体泵370的筒体740不被加热(步骤S300b)。作为结果，如在第一实施例中描述的，由于由阳极气体泵370中的转子760和筒体740之间的温差(泵温差)引起的阳极气体泵370中的筒体740和转子760之间的干涉而发生的阳极气体泵370的故障能够受到抑制。
在第五实施例的加热处理中，不仅包括步骤S200与步骤S300a和S300b的加热处理的该部分与第一实施例中的相同，而且包括步骤S150到步骤S180a或步骤S180b的加热处理的部分也被执行。
在步骤S150中，控制器600判定环境温度Ta是否低于或等于低温判定温度TL(例如，0℃)。在环境温度Ta低于或等于低温判定温度TL的情形中，根据环境温度Ta，阳极气体泵370的环境温度也是低的。在操作启动时，阳极气体泵370的环境温度能够被视为与环境温度Ta相同。在操作启动之后，阳极气体泵370的环境温度根据环境温度Ta改变，并且高于环境温度Ta。因此，假设环境温度Ta被视为与阳极气体泵370的筒体740的温度对应的温度，在最严重的条件下，环境温度Ta能够被视为筒体温度。在步骤S150中，环境温度Ta能够被视为与筒体温度对应的温度。
随着作为与阳极气体泵370的筒体740的温度(筒体温度)对应的温度的环境温度Ta变得更低，筒体740的温度相对于转子760的温度降低，并且转子760和筒体740之间的温差(泵温差)更加可能增加。因此，由转子760和筒体740之间的干涉引起的故障更加可能发生。在环境温度Ta低于冰点(低于或等于0℃)的情形中，保留于阳极气体循环管330、阳极气体泵370、气液分离器380，或排气排水阀385中的水冻结，并且因此由于排气排水阀385或转子760的冻结等，排气排水阀385或阳极气体泵370也可能发生故障。
在环境温度Ta低于或等于低温判定温度TL的情形中(步骤S150：是)，在步骤S180a中，加热介质供给泵550被驱动(“加热泵打开”)，并且排气排水阀385等和阳极气体泵370的筒体740被加热。在步骤S180a中其中加热介质供给泵550被驱动的时间段可以被设定为长于或等于至少基于将作为等于在操作启动时的环境温度Ta的温度的筒体740的温度上升至低温判定温度TL(0℃)所需要的热量、加热介质的温度和筒体740的热容量而预先获得的时间段。
在另一方面，在环境温度Ta高于低温判定温度TL的情形中(步骤S150：否)，在步骤S180b中，加热介质供给泵550不被驱动(“加热泵关闭”)，并且在步骤S200之后的处理与第一实施例的处理相同。
在环境温度Ta由于步骤S150到步骤S180a或步骤S180b的处理而低于或等于低温判定温度TL(0℃)的情形中，加热介质供给泵550被驱动(“加热泵打开”)，并且排气排水阀385等和阳极气体泵370的筒体740能够被加热介质加热。作为结果，例如，在操作启动时的环境温度Ta低于冰点(低于或等于0℃)的情形中，排气排水阀385等和阳极气体泵370的筒体740能够被从冻结状态恢复。在环境温度Ta低于或等于低温判定温度TL(0℃)的情形中，阳极气体泵370的筒体740被加热，并且因此由于由转子760和筒体740之间的温差(泵温差)引起的筒体740和转子760之间的干涉而发生的阳极气体泵370的故障能够受到抑制。
例如，在操作启动时的环境温度Ta低于冰点(低于或等于0℃)的情形中，在加热部500E中，三通阀540阻挡来自FC冷却部400的冷却剂并且仅通过旁通管530循环加热介质，并且加热单元560加热加热介质。作为结果，排气排水阀385等也能够被加热，并且阳极气体泵370的筒体740也能够被快速地加热。
F.第六实施例
图13是概略地示出根据第六实施例的燃料电池系统10F的图。燃料电池系统10F不同于燃料电池系统10之处在于替代根据第一实施例的燃料电池系统10(图1)的加热部500设置加热部500F。燃料电池系统10F的其它构造与燃料电池系统10的构造相同。
加热部500F是附接到筒体740的加热装置，并且由控制器600控制。作为加热装置，能够应用各种一般的装置诸如加热器。
在根据第一实施例的加热部500的构造中，在阳极气体泵370中的转子760和筒体740之间的温差(泵温差)ΔTp可能高于或等于容许温差Tcr的情形中，通过使用加热介质供给泵550在筒体740的筒体通路750中循环加热介质，筒体740被加热。在另一方面，在第六实施例中，在泵温差ΔTp可能高于或等于容许温差Tcr的情形中，使用加热装置(加热器)作为附接到筒体740的加热部500F加热筒体740。
在第六实施例中，如在第一实施例的情形中那样，由于阳极气体泵370中的筒体740和转子760之间的干涉而发生的阳极气体泵370的故障能够受到抑制。
在以上说明中，已经描述了其中替代根据第一实施例的加热部500使用加热部500F的示例，并且这个示例能够应用于第二和第三实施例。该示例还能够应用于第四实施例。在加热部500F被应用于第四实施例的情形中，能够通过根据阳极气体泵370的旋转速度Np的增加而增加使用加热装置的加热量执行使用加热装置(加热器)作为附接到筒体740的加热部500F对筒体740的加热。
G.其它实施例
本发明不限于上述实施例，并且能够在不偏离本发明范围的范围内采用各种实施例。例如，还能够在以下实施例中实施本发明。
(1)在第一和第二实施例的说明中，作为氢气循环泵的阳极气体泵370的转子760的旋转速度被用作驱动量。然而，通过使用由流量传感器检测到的气体流量作为驱动量并且判定气体流量是否高于或等于与容许温差对应的流量阈值，转子和筒体之间的温差是否高于或等于预定容许温差可以得到判定。
(2)在第一实施例中，替代由环境温度传感器212检测到的环境温度Ta，由环境温度传感器检测到的阳极气体泵370的环境温度可以被用作与筒体温度对应的温度。也可以使用由附接到阳极气体泵370的筒体740的温度传感器检测到的筒体温度。这同样应当适用于其它实施例。
(3)在第二实施例的说明中，在设置环境温度传感器379的情形中，由环境温度传感器379检测到的环境温度被用作筒体温度。然而，本发明不限于此构造。例如，通过预先获得环境温度和筒体温度之间的关联，可以基于由环境温度传感器379检测到的阳极气体泵370的环境温度获得筒体温度。
筒体温度可以由直接地附接到筒体740的温度传感器直接地检测到。
可以在不使用温度传感器的情况下获得筒体温度。如上面在第一实施例中所述，散热器430被布置在车辆的前室的前端中，并且使用从前侧吸取的被冷却的空气冷却被燃料电池100的废热加热的冷却剂。因此，流动到前室内侧的空气被空气加热以冷却冷却剂。前室的内部温度依赖于流动到前室内侧的空气的温度。通过散热器430流动到前室的内部的空气的温度是由于当散热器430冷却冷却剂时产生的废热而从环境温度上升的温度。因此，能够基于车辆速度、环境温度和在被散热器冷却之前和之后冷却剂的温度估计通过散热器430流动到前室的内部的空气的温度。通过基于由速度传感器检测到的车辆速度、由环境温度传感器检测到的环境温度以及由冷却剂温度传感器检测到的、在被散热器冷却之前和之后冷却剂的温度作为阳极气体泵370的环境温度获得前室的内部温度，可以获得筒体温度。
(4)如上面在第四实施例中所述，在根据第一实施例的燃料电池系统10中根据作为阳极气体泵370的驱动量的旋转速度的增加而增加作为加热介质供给泵550的驱动量的旋转速度的控制能够应用于根据其它实施例的燃料电池系统。
(5)如上面在第五实施例中所述，在环境温度Ta低于或等于低温确定温度TL的情形中，通过替代根据第一实施例的加热部500使用加热部500E驱动(“加热泵打开”)加热介质供给泵550的处理能够应用于根据第二到第五实施例的燃料电池系统。
(6)在根据第一到第五实施例的加热部500中，不设置在根据第六实施例的加热部500E中包括的三通阀540、旁通管530以及加热单元560。然而，也可以在加热部500中设置三通阀540、旁通管530以及加热单元560。能够在第六实施例中执行的处理，例如，在环境温度Ta低于或等于低温判定温度TL的情形中驱动(“加热泵打开”)加热介质供给泵550的处理或通过旁通管530向阳极气体泵370的筒体通路750循环并且供给加热介质的处理可以被应用于根据第一到第五实施例的燃料电池系统。
(7)在第三实施例中，已经描述了其中通过基于流到阳极气体泵370的气体流入量Vi、输入侧压力Pi、输出侧压力Po以及流入气体温度Ti的计算获得与转子760的工作量对应的转子760的上升温度和筒体的上升温度的示例。然而，本发明不限于此构造，可以使用其中使用与转子的驱动量对应的各种参数的计算表达式获得与转子的工作量对应的转子760的上升温度和筒体的上升温度。只要能够获得与转子的工作量对应的转子760的上升温度和筒体的上升温度，便可以使用其中使用与转子的工作量对应的参数的任何计算表达式来获得上升温度。
(8)在上述实施例中，加热部500或500E驱动加热介质供给泵550以向筒体通路750循环加热介质并且加热筒体740。在另一方面，可以在不设置加热介质供给泵550的情况下设置将三通阀等的介质的流动切换到冷却剂排出管420的分支位置424的阀。在此情形中，该阀可以被设定成使得在加热介质不被循环到筒体通路750的情形中，从燃料电池100排出的全部冷却剂均流动到结合位置426，并且该阀可以被如此设定，使得在加热介质被循环到筒体通路750的情形中，从燃料电池100排出的全部冷却剂均作为加热介质流动到加热介质供给管510。
(9)在上述实施例的说明中，在阳极气体泵370的旋转速度Np低于旋转速度阈值Ncr的情形中，即，在泵温差ΔTp低于容许温差Tcr的情形中，加热介质供给泵550不被驱动(加热泵关闭)。加热介质供给泵550不被驱动的状态可以是虽然加热介质供给泵550被驱动(加热泵打开)，但是加热介质供给泵550的旋转速度Ns为零或被设定为使得加热介质的流量极小或基本为零的状态。
(10)在上述实施例中，已经描述了其中燃料电池系统被安装在车辆上的示例。然而，本发明不限于此示例。本发明能够应用于安装在其中使用电力作为动力发生装置(驱动马达)的驱动源的各种移动体(诸如轮船或飞机)上的燃料电池系统。本发明还能够不仅应用于安装在移动体上的燃料电池系统而且还应用于静止燃料电池系统。
本发明不限于上述实施例或变型示例，并且能够在不偏离本发明范围的范围内实现各种构造。例如，为了解决一些或所有的上述问题，或为了实现一些或所有的上述效果，与在“发明内容”中描述的相应的方面中的技术特征对应的在实施例、示例和变型示例中的技术特征能够被适当地相互取代或组合。除非在该说明书中被规定为不可缺少的特征，否则技术特征能够被适当地消除。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，其特征在于包括：
燃料电池；
氢气循环泵，所述氢气循环泵被构造成向所述燃料电池循环氢气，所述氢气循环泵包括筒体和被容纳在所述筒体中的转子；
加热部，所述加热部被构造成加热所述筒体；以及
控制器，所述控制器被构造成控制所述加热部的操作，
其中，所述控制器被构造成在所述氢气循环泵的驱动状态高于或等于标准驱动状态的情形中使所述加热部加热所述筒体。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述氢气循环泵中，所述转子和所述筒体之间的间隙是20μm或更小。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热部包括：
加热介质通路，所述加热介质通路包括第一通路和第二通路，所述第一通路被设置在所述燃料电池中，并且所述第二通路被设置在所述氢气循环泵的所述筒体中，以及
加热介质供给泵，所述加热介质供给泵被构造成向所述加热介质通路循环加热介质。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于还包括驱动量传感器，所述驱动量传感器被构造成检测作为所述驱动状态的所述转子的旋转速度，
其中，所述控制器被构造成：在由所述驱动量传感器检测到的所述转子的旋转速度高于或等于作为所述标准驱动状态被预先确定的阈值的情形中，使所述加热部加热所述筒体。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于还包括：
驱动量传感器，所述驱动量传感器被构造成检测所述转子的旋转速度；以及
温度传感器，所述温度传感器被构造成检测与所述筒体的温度对应的温度，
其中，所述控制器被构造成：
基于所述转子的温度和所述筒体的温度获得作为所述驱动状态的所述转子和所述筒体之间的温差，所述转子的温度是基于所述筒体的初始温度和所述转子的上升温度确定出来的，所述筒体的初始温度是基于在所述氢气循环泵的操作启动时由所述温度传感器检测到的温度获得的，所述转子的上升温度是根据由所述驱动量传感器检测到的所述转子的旋转速度获得的从所述氢气循环泵的操作启动开始上升的温度，并且所述筒体的温度是在所述氢气循环泵以所述转子的旋转速度操作的状态中由所述温度传感器检测到的温度获得的，并且
在所述转子和所述筒体之间的温差高于或等于作为所述标准驱动状态被预先确定的容许温差的情形中，使所述加热部加热所述筒体。
6.根据权利要求1、2或4所述的燃料电池系统，其特征在于还包括：
温度传感器，所述温度传感器被构造成检测与所述筒体的温度对应的温度；
流量传感器，所述流量传感器被构造成检测流向所述氢气循环泵的气体流入量；
输入侧压力传感器，所述输入侧压力传感器被构造成检测所述氢气循环泵的输入侧压力；
输出侧压力传感器，所述输出侧压力传感器被构造成检测所述氢气循环泵的输出侧压力；以及
气体温度传感器，所述气体温度传感器被构造成检测流到所述氢气循环泵的气体的温度，
其中，所述控制器被构造成：
基于所述转子的初始温度、所述筒体的初始温度、所述气体流入量、所述输入侧压力、所述输出侧压力以及所述气体的温度获得作为所述驱动状态的所述转子和所述筒体之间的温差，所述转子的初始温度和所述筒体的初始温度是基于在所述氢气循环泵的操作启动时由所述温度传感器检测到的温度获得的，并且
在所述转子和所述筒体之间的温差高于或等于作为所述标准驱动状态被预先确定的容许温差的情形中，使所述加热部加热所述筒体。
7.根据权利要求1、2或4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述转子和所述筒体由相同金属材料制成。
8.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于还包括驱动量传感器，所述驱动量传感器被构造成检测作为所述驱动状态的所述转子的旋转速度，
其中，所述控制器被构造成：在由所述驱动量传感器检测到的所述转子的旋转速度高于或等于作为所述标准驱动状态被预先确定的阈值的情形中，使所述加热部加热所述筒体。
9.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于还包括：
驱动量传感器，所述驱动量传感器被构造成检测所述转子的旋转速度；以及
温度传感器，所述温度传感器被构造成检测与所述筒体的温度对应的温度，
其中，所述控制器被构造成：
基于所述转子的温度和所述筒体的温度获得作为所述驱动状态的所述转子和所述筒体之间的温差，所述转子的温度是基于所述筒体的初始温度和所述转子的上升温度确定出来的，所述筒体的初始温度是基于在所述氢气循环泵的操作启动时由所述温度传感器检测到的温度获得的，所述转子的上升温度是根据由所述驱动量传感器检测到的所述转子的旋转速度而获得的从所述氢气循环泵的操作启动开始上升的温度，并且所述筒体的温度是在所述氢气循环泵以所述转子的旋转速度操作的状态中由所述温度传感器检测到的温度获得的，并且
在所述转子和所述筒体之间的温差高于或等于作为所述标准驱动状态被预先确定的容许温差的情形中，使所述加热部加热所述筒体。
10.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于还包括：
温度传感器，所述温度传感器被构造成检测与所述筒体的温度对应的温度；
流量传感器，所述流量传感器被构造成检测流向所述氢气循环泵的气体流入量；
输入侧压力传感器，所述输入侧压力传感器被构造成检测所述氢气循环泵的输入侧压力；
输出侧压力传感器，所述输出侧压力传感器被构造成检测所述氢气循环泵的输出侧压力；以及
气体温度传感器，所述气体温度传感器被构造成检测流到所述氢气循环泵的气体的温度，
其中，所述控制器被构造成：
基于所述转子的初始温度、所述筒体的初始温度、所述气体流入量、所述输入侧压力、所述输出侧压力以及所述气体的温度获得作为所述驱动状态的所述转子和所述筒体之间的温差，所述转子的初始温度和所述筒体的初始温度是基于在所述氢气循环泵的操作启动时由所述温度传感器检测到的温度获得的，并且
在所述转子和所述筒体之间的温差高于或等于作为所述标准驱动状态被预先确定的容许温差的情形中，使所述加热部加热所述筒体。
11.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述转子和所述筒体由相同金属材料制成。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器被构造成：在由所述加热介质供给泵供给的加热介质被循环到所述筒体的情形中，通过根据所述转子的旋转速度的增加而增加所述加热介质供给泵的驱动量来增加所述加热介质的流量。
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