CN110943241A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明获得一种即使使冷却燃料电池的制冷剂循环的泵的停止状态长期持续，也能抑制燃料电池启动时被判断为漏电的燃料电池系统。燃料电池系统具备：燃料电池；循环路径，其中循环有冷却燃料电池的制冷剂；泵，其被设置在循环路径上，并使制冷剂循环；散热器，其被设置在循环路径上，并将制冷剂的热散热；离子交换器，其被设置在循环路径上，并使制冷剂的绝缘电阻恢复；检测器，其被设置在循环路径上，并检测制冷剂的电导率；控制部，其与检测器及泵电连接，并至少控制泵的驱动，控制部在泵处于停止的状态下、且在根据由检测器检测出的电导率而求出的绝缘电阻成为特定值以下时，以使制冷剂穿过离子交换器的方式开始泵的驱动。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及一种燃料电池系统。
背景技术
提出有一种以如下方式构成的燃料电池发电系统，即，在从启动燃料电池发电系统起至达到预定时间为止，将切换单元切换至第一支线侧，从而将离开燃料电池的电池冷却水输向水质净化装置，并在经过预定时间之后，将切换单元切换至第二支线侧，从而使离开燃料电池的电池冷却水返回到水罐中(例如，参照日本特开2009-104814号公报)。
发明内容
发明所要解决的课题
根据这种结构，在燃料电池发电系统的启动时，能够迅速地对电池冷却水的水质进行净化。然而，在长期地处于不启动燃料电池发电系统的状态、即长期地处于使电池冷却水循环的泵的停止状态的情况下，存在如下可能性，即，由于离子性物质的溶出而使电池冷却水的电导率增大(绝缘电阻减小)，从而在欲使燃料电池发电系统启动时，被判断为“漏电”进而无法进行启动。
因此，本公开的目的在于，获得一种即使长期地处于使对燃料电池进行冷却的制冷剂循环的泵的停止状态，也能够抑制在燃料电池的启动时被判断为“漏电”的燃料电池系统。
用于解决课题的方法
为了实现上述的目的，本发明所涉及的技术方案1所记载的燃料电池系统具备：燃料电池；循环路径，其中循环有对所述燃料电池进行冷却的制冷剂；泵，其被设置在所述循环路径上，并使所述制冷剂循环；散热器，其被设置在所述循环路径上，并对所述制冷剂的热进行散热；离子交换器，其被设置在所述循环路径上，并使所述制冷剂的绝缘电阻恢复；检测器，其被设置在与所述散热器相比靠所述制冷剂的循环方向下游侧的所述循环路径上，并对所述制冷剂的电导率进行检测；控制部，其与所述检测器以及所述泵电连接，并至少对所述泵的驱动进行控制，所述控制部在所述泵处于停止的状态下、且在根据由所述检测器所检测出的所述制冷剂的电导率而求出的所述制冷剂的绝缘电阻成为特定值以下时，以使所述制冷剂穿过所述离子交换器的方式开始进行所述泵的驱动。
根据技术方案1所记载的发明，在使对燃料电池进行冷却的制冷剂循环的泵处于停止的状态下、且在根据由检测器所检测出的制冷剂的电导率而求出的制冷剂的绝缘电阻成为特定值以下时，控制部开始进行泵的驱动，从而使制冷剂流向离子交换器。因此，即使泵的停止状态长期持续，制冷剂的绝缘电阻也可迅速地被恢复，从而抑制了在燃料电池的启动时被判断为“漏电”的情况。
此外，技术方案2所记载的燃料电池系统为，在技术方案1所记载的燃料电池系统中，所述控制部通过与所述燃料电池分开设置的蓄电池的电力，而开始进行所述泵的驱动。
根据技术方案2所记载的发明，控制部通过与燃料电池分开设置的蓄电池的电力，而开始进行泵的驱动。因此，即使燃料电池未启动，制冷剂的绝缘电阻也可迅速被恢复。
此外，技术方案3所记载的燃料电池系统为，在技术方案1或技术方案2所记载的燃料电池系统中，所述控制部从所述泵停止起以预定的时间间隔，通过所述检测器而对所述制冷剂的电导率进行检测。
根据技术方案3所记载的发明，控制部从泵停止起以预定的时间间隔，通过检测器而对制冷剂的电导率进行检测。因此，即使泵的停止状态长期持续，也能够迅速地检测出根据该电导率而求出的制冷剂的绝缘电阻成为了特定值以下的情况。因此，可抑制在燃料电池的启动时被判断为“漏电”的情况。
此外，技术方案4所记载的燃料电池系统为，在技术方案1至技术方案3中的任意一项所记载的燃料电池系统中，所述检测器被配置在所述散热器的附近。
根据技术方案4所记载的发明，检测器被配置在散热器的附近。在此，散热器的离子性物质的溶出性与其他部位相比较高。因此，可通过该检测器，而对制冷剂的最高的电导率进行检测。也就是说，以根据该电导率而求出的制冷剂的最低绝缘电阻来判断是否为特定值以下。因此，可更进一步抑制在燃料电池的启动时被判断为“漏电”的情况。
此外，技术方案5所记载的燃料电池系统为，在技术方案1至技术方案4中的任意一项所记载的燃料电池系统中，所述特定值为，与被设置于车辆上的漏电监视单元所监视的高电压系统的合成绝缘电阻的临界值相比较高的值。
根据技术方案5所记载的发明，特定值被设为，与被设置于车辆上的漏电监视单元所监视的高电压系统的合成绝缘电阻的临界值相比较高的值。因此，与在成为该临界值以下时，开始进行泵的驱动，从而使制冷剂流向离子交换器的情况相比，可使制冷剂的绝缘电阻更迅速地(以更短时间)被恢复。
发明效果
根据本公开，即使使对燃料电池进行冷却的制冷剂循环的泵的停止状态长期持续，也能够抑制在燃料电池的启动时被判断为“漏电”的情况。
附图说明
图1为表示本实施方式所涉及的燃料电池系统的示意图。
图2为表示对包含本实施方式所涉及的燃料电池系统的高电压系统的合成绝缘电阻进行监视的漏电监视单元的框图。
图3(A)为表示将相关技术的燃料电池系统长期放置后的绝缘电阻(电导率)的说明图。(B)为表示将本实施方式所涉及的燃料电池系统长期放置后的绝缘电阻(电导率)的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图来对本公开所涉及的实施方式进行详细说明。另外，本实施方式所涉及的燃料电池系统10主要被搭载于车辆上。此外，在下文中，存在将制冷剂的循环方向上游侧仅称为“上游侧”，将循环方向下游侧仅称为“下游侧”的情况。而且，本实施方式中的“长期”，例如是指两周以上。
如图1所示那样，本实施方式所涉及的燃料电池系统10具备通过氢与氧的化学反应而进行发电的燃料电池(FC堆)20、和循环有对燃料电池20的内部进行冷却的制冷剂(冷却水)的作为循环路径的流道12。在流道12中，设置有使制冷剂进行循环的泵(水泵)26。
泵26以能够在无论任何时候(即使是在例如像车辆的驻车时这样的、燃料电池20未启动时)均能够驱动的方式，成为能够在低电压下使用的结构。也就是说，泵26能够通过以与燃料电池20分开的方式被设置于车辆上的蓄电池42而进行驱动。这是因为，如果泵26成为仅能够在高电压下使用的结构，则就需要燃料电池20的启动。
详细而言，是因为，当例如由于由车辆的长期放置所导致的向制冷剂的离子性物质溶出，从而使该制冷剂的绝缘电阻减小至无法启动车辆中的高电压系统的程度时，将无法启动燃料电池20，并且无法对泵26进行驱动(是因为，在燃料电池20被启动了的情况下，由于下文叙述的控制部40，泵26的驱动会被电气性地即时切断)。
此外，在与泵26相比靠上游侧处的流道12上，设置有将制冷剂的热量向
大气进行释放的作为散热器的散热体22。在散热体22中，对置配置有用于向散热体22引入冷却风的风扇21。而且，在与散热体22相比靠上游侧以及下游侧的流道12上，分别连接着串联地设置有进一步向大气释放制冷剂的热量的两台副散热体24的流道14的上游侧端部以及下游侧端部。由此，成为副散热体24与散热体22并联地设置。
此外，在与散热体22相比靠下游侧且与泵26相比靠上游侧处的散热体22附近的流道12上，设置有对制冷剂的电导率进行检测的检测器(电导率计)30。而且，在与检测器30相比靠下游侧且与泵26相比靠上游侧的流道12上，设置有对制冷剂的温度进行检测的温度传感器28。
并且，在与泵26相比靠下游侧、且与燃料电池20相比靠上游侧的流道12和与燃料电池20相比靠下游侧的流道12上，分别连接着设置有离子交换器32的流道16的上游侧端部和下游侧端部。即，离子交换器32与燃料电池20以及散热体22并联地设置。
而且，离子交换器32被构成为，通过使制冷剂穿过其内部，从而使制冷剂的绝缘电阻恢复(使制冷剂的电导率降低)。另外，流道16被设为与流道12相比为小径，并且当泵26进行驱动时，在流道12内流动的制冷剂的一部分会流向流道16，并穿过离子交换器32的内部。
此外，在与连接有流道16的上游侧端部的部位相比靠下游侧的流道12、和与连接有流道16的下游侧端部的部位相比靠上游侧的流道12上，分别连接着设置有中间冷却器34的流道18的上游侧端部和下游侧端部。也就是说，中间冷却器34也与燃料电池20以及散热体22并联地设置。
中间冷却器34为，与通过增压器的压缩而升温了的空气进行热交换，从而对该空气进行冷却的热交换器。另外，与流道16同样地，流道18被设为与流道12相比为小径，并且当泵26进行驱动时，在流道12内流动的制冷剂的一部分会流向流道18，并穿过中间冷却器34的内部。
此外，在与散热体22相比靠上游侧的流道12上，经由电磁切换阀38而连接有旁通流道13的上游侧端部，旁通流道13的下游侧端部则被连接在与温度传感器28相比靠下游侧且与泵26相比靠上游侧的流道12上。
而且，与连接有旁通流道13的下游侧端部的部位相比靠下游侧的流道12和储存罐36通过第一分支流道15而被连接在一起，与电磁切换阀38相比靠上游侧的流道12和储存罐36通过第二分支流道17而被连接在一起。而且，进一步地，散热体22和储存罐36通过第三分支流道19而被连接在一起。
此外，在该燃料电池系统10中具备控制部40，所述控制部40与检测器30以及泵26电连接，并且至少对泵26的驱动进行控制。而且，如图2所示那样，包括辅助燃料电池20的输出的高电压蓄电池44、将燃料电池20所发出的直流电转换为交流电的电力调节器46、对燃料电池20的输出进行控制的电力控制单元48、燃料电池系统10(制冷剂的绝缘电阻)等在内的车辆整体上的高电压系统的合成绝缘电阻通过漏电监视单元50而被监视。
在此，依据高电压安全法规，车辆具有作为车辆整体必须确保每1V(伏特)100Ω以上的绝缘电阻的义务。因此，在燃料电池系统10中，会在燃料电池20的最大电压被设为例如750V时，通过漏电监视单元50而对其制冷剂的绝缘电阻是否低于750V×100Ω/V＝75kΩ进行监视。
也就是说，在制冷剂的绝缘电阻低于75kΩ的情况下，会通过漏电监视单元50而向用户告知“漏电”，并且使燃料电池20无法启动。另外，实际上，由于因车辆的带电容量的影响而具有公差，因此由漏电监视单元50进行监视的高电压系统的合成绝缘电阻会在例如75kΩ～140kΩ的范围内被实施监视。因此，在下文中，将由漏电监视单元50进行监视的高电压系统的合成绝缘电阻的临界值设为140kΩ。
在采用了以上这种结构的本实施方式所涉及的燃料电池系统10中，接下来，对其作用进行说明。
在流道12、14、16、18中，通过泵26的驱动而使制冷剂进行循环。制冷剂通过穿过燃料电池20，从而与该燃料电池20进行热交换(被燃料电池20加热)。然后，与燃料电池20进行了热交换的(被燃料电池20加热了的)制冷剂通过穿过散热体22以及副散热体24，从而与被吹向散热体22以及副散热体24的行驶风或通过风扇21而被引入向散热体22的冷却风进行热交换。
即，制冷剂的热通过散热体22以及副散热体24而向大气散热，从而该制冷剂被冷却。然后，被冷却了的制冷剂再次穿过燃料电池20，并与该燃料电池20进行热交换(被燃料电池20加热)。以下，通过重复进行该操作，从而使燃料电池20持续被冷却。
另外，在制冷剂中，从散热体22等中溶出离子性物质(特别是，散热体22的离子溶出性较高)。因此，制冷剂的电导率增加。即，制冷剂的绝缘电阻减小。在此，如上文所述，依据高电压安全法规，车辆具有作为车辆整体必须确保每1V(伏特)100Ω以上的绝缘电阻的义务。
因此，在相关技术中，如图3的(A)所示那样，使用清洗水(例如，温水)来对组装作为车辆前的包括散热体22在内的各部件进行清洗，从而改善各部件的离子溶出性，以免在对各部件进行组装而作为车辆发货后的长期放置后，被漏电监视单元50判断为“漏电”。
即，使用清洗水来对包括散热体22在内的各部件进行清洗，从而以使离子性物质预先溶出的方式将其去除，以使得即使在将车辆长期放置之后，也可确保高于漏电监视单元50所监视的包括高电压系统的合成绝缘电阻的公差在内的临界值即140kΩ的绝缘电阻。因此，会耗费清洗时间(直至做到可确保高于140kΩ的绝缘电阻为止的清洗时间)，并增加用于清洗的成本。
因此，在本实施方式所涉及的燃料电池系统10中，在离子溶出性较高的散热体22附近的流道12上设置了用于对制冷剂的电导率进行直接检测的检测器30。以下，对其作用进行详细说明。
由于在车辆被长期放置的情况下，泵26显然不会被驱动，因此制冷剂不会穿过离子交换器32(没有被离子清洗)。因此，由于离子性物质逐渐从散热体22中溶出，因此存在于该散热体22附近的流道12中的制冷剂的电导率会逐渐增加。即，存在于散热体22附近的流道12中的制冷剂的绝缘电阻会逐渐减小。
因此，在车辆被长期放置的情况(泵26长期持续没有进行驱动的情况)下，在欲使燃料电池20启动时，会出现被漏电监视单元50判断为“漏电”，从而无法对燃料电池20进行启动的可能性。因此，通过检测器30对存在于该散热体22附近的流道12中的制冷剂的电导率(最大电导率)进行检测，并对根据该被检测出的电导率而求出的制冷剂的绝缘电阻(最小绝缘电阻)是否在特定值(例如200kΩ)以下进行检测。
而且，如图3的(B)所示那样，控制部40在泵26长期持续处于停止状态下，并且在检测到了根据由检测器30检测出的制冷剂的电导率而求出的制冷剂的绝缘电阻成为特定值(例如200kΩ)以下时，即使燃料电池20未启动，也将通过与燃料电池20分开地设置在车辆上的蓄电池42的电力而自动地开始进行泵26的驱动。
由此，由于制冷剂穿过离子交换器32(由于被离子清洗)，因此该制冷剂中的离子被去除(电导率被降低)，从而使得制冷剂的绝缘电阻迅速被恢复。也就是说，由此，能够使在燃料电池20的启动时(欲使燃料电池20启动时)被漏电监视单元50判断为“漏电”(被告知给用户)的频率大幅地降低(至少能够更进一步抑制或防止因制冷剂而引起被判断为“漏电”的情况)。
此外，由此，即使在长期放置后，也无需将组装作为车辆前的包括散热体22在内的各个部件清洗到不被漏电监视单元50判断为“漏电”的程度为止(至确保高于140kΩ的绝缘电阻为止)。因此，能够缩短其清洗时间，从而能够减少用于清洗的成本。
此外，控制部40以预定的时间间隔(例如，每几个小时)且通过蓄电池42的电力，从而由检测器30来对制冷剂的电导率进行检测，以免在泵26停止之后(从燃料电池20不启动起)，漏电监视单元50率先检测出“漏电”的情况。
因此，即使泵26的停止状态长期持续，也能够迅速地检测出根据其电导率而求出的制冷剂的绝缘电阻成为特定值(例如200kΩ)以下的情况。因此，能够更进一步抑制或防止在燃料电池20的启动时(在欲使燃料电池20启动时)，被漏电监视单元50判断为“漏电”的情况。另外，控制部40被构成为，在燃料电池20的启动后，通过该燃料电池20的电力而对各部进行控制。
此外，成为用于开始进行泵26的驱动的基准的绝缘电阻的特定值被设定为，与包括漏电监视单元50所监视的高电压系统的合成绝缘电阻的公差在内的临界值即140kΩ相比较高的值。因此，在成为该临界值(140kΩ)以下时，开始进行泵26的驱动，从而与使制冷剂流向离子交换器32的情况相比，使制冷剂的绝缘电阻更迅速地(以更短时间)被恢复。
此外，漏电监视单元50所监视的高电压系统的合成绝缘电阻的公差，由于受到车辆带电等的干扰，因此每台车辆有所不同。然而，在本实施方式所涉及的燃料电池系统10中，由于是以高于包括该公差的临界值(140kΩ)的特定值(例如200kΩ)为基准而开始进行泵26的驱动的，因此具有如下优点，即，无需考虑包括那样的干扰的车辆的带电容量的影响、即无需考虑上述公差。
以上，虽然参照附图而对本实施方式所涉及的燃料电池系统10进行了说明，但本实施方式所涉及的燃料电池系统10并不限定于图示的系统，其能够进行适当的设计变更。例如，本实施方式所涉及的燃料电池系统10并不限定于被应用于车辆中的结构。
此外，控制部40并不限定于仅以预定的时间间隔通过检测器30而对制冷剂的电导率进行检测的结构，除此之外，例如也可以被构成为，在每次燃料电池20的启动时，通过检测器30而对制冷剂的电导率进行检测。
此外，漏电监视单元50所监视的高电压系统的合成绝缘电阻的临界值并不限定于140kΩ，并且成为用于开始进行泵26的驱动的基准的绝缘电阻的特定值也并不限定于200kΩ。
此外，离子交换器32并不限定于与燃料电池20以及散热体22并联地设置的结构，也可以与燃料电池20以及散热体22串联地设置。但是，当离子交换器32与燃料电池20以及散热体22串联地设置时，使制冷剂流动的泵26的压力损失会变高。因此，优选为，离子交换器32与燃料电池20以及散热体22并联地设置。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统(10)，具备：
燃料电池(20)；
循环路径(12)，其中循环有对所述燃料电池(20)进行冷却的制冷剂；
泵(26)，其被设置在所述循环路径(12)上，并使所述制冷剂循环；
散热器(22)，其被设置在所述循环路径(12)上，并对所述制冷剂的热进行散热；
离子交换器(32)，其被设置在所述循环路径(12)上，并使所述制冷剂的绝缘电阻恢复；
检测器(30)，其被设置在与所述散热器(22)相比靠所述制冷剂的循环方向下游侧的所述循环路径(12)上，并对所述制冷剂的电导率进行检测；
控制部(40)，其与所述检测器(30)以及所述泵(26)电连接，并至少对所述泵(26)的驱动进行控制，
所述控制部(40)在所述泵(26)处于停止的状态下、且在根据由所述检测器(30)所检测出的所述制冷剂的电导率而求出的所述制冷剂的绝缘电阻成为特定值以下时，以使所述制冷剂穿过所述离子交换器(32)的方式开始进行所述泵(26)的驱动。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统(10)，其中，
所述控制部(40)通过与所述燃料电池(20)分开设置的蓄电池(42)的电力，而开始进行所述泵(26)的驱动。
3.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池系统(10)，其中，
所述控制部(40)从所述泵停止起以预定的时间间隔，通过所述检测器(30)而对所述制冷剂的电导率进行检测。
4.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池系统(10)，其中，
每当所述燃料电池(20)启动时，所述控制部(40)就通过所述检测器(30)而对所述制冷剂的电导率进行检测。
5.如权利要求1至权利要求4中的任意一项所述的燃料电池系统(10)，其中，
所述检测器(30)被配置在所述散热器(22)的附近。
6.如权利要求1至权利要求5中的任意一项所述的燃料电池系统(10)，其中，
所述特定值为，与被设置于车辆上的漏电监视单元(50)所监视的高电压系统的合成绝缘电阻的临界值相比较高的值。
7.如权利要求1至权利要求6中的任意一项所述的燃料电池系统(10)，其中，
所述离子交换器(32)与所述燃料电池(20)以及散热器(22)并联地设置。
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