CN1177711C - 燃料电池车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池车辆，其中设置由检测压缩机(202)向燃料电池(200)供应的空气中所含的CO的CO传感器(250)以及检测电池(207)充电状态(SOC)的传感器(206)。控制器(254)基于CO浓度和电池(207)的充电状态而控制燃料电池的操作和停止，并在CO浓度更较和电池(207)充电状态较高时停止燃料电池(200)的操作。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池车辆。
背景技术
根据使用的电解质成分，现有的燃料电池包括各种类型：固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、聚合物电解质燃料电池(PEFC)和碱性燃料电池(AFC)。
在使用氟型离子交换膜作为电解质的PEFC中，已开发高性能的离子交换膜，此膜允许获得的电流密度比现有技术中的高出许多倍。因而，有可能在车辆的有限安装空间内安装具有足够输出的燃料电池。
由于在美国加利福尼亚州中限制尾气排放，正考虑把PEFC应用于电动车辆，但在市场上还没有燃料电池车辆(FCV)，现在仅推出实验车辆。
FCV包括使用氢气燃料和空气产生电力的燃料电池；向燃料电池供应空气的送气机；向燃料电池供应包含氢气的燃料气体的燃料供应装置；和把电力转换成驱动力的电动机。而且，除了燃料电池之外，一般还设置蓄电池。
正考虑供应燃料的不同方法，如：储存氢气并把它提供给燃料电池；或把诸如甲醇或汽油的燃料用重整炉转化成含氢气的重整气体并把它提供给燃料电池。
发明内容
当使用PEFC作为电力源的车辆(FCV)在隧道中行驶时，压缩机吸入一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)以及从使用常规燃烧引擎作为动力源的车辆(ICEV)排放出的油成分，并供应给燃料电池。
如图1所示，隧道106内是趋于充满ICEV 105的尾气的环境。如果FCV 103在此隧道106内行驶，压缩机101会通过过滤器102吸入所述尾气，并把它供应给燃料电池100。
在排放的物质中，CO使燃料电池的电极催化剂中毒，并显著降低其活性。NOx进入水系统，燃料电池的硝酸和亚硝酸溶胀的聚合膜因其氧化性裂解(degrade)各种成分和聚合物膜，并且降低燃料电池的性能。随着水系统的消电离过滤器的交换时间增长，维修成本也增加。而且，粘附到燃料电池的电极催化剂的油成分裂解电极催化剂，并降低燃料电池的性能。
如果提高空气过滤器的性能以处理此情况，制造成本和维修成本不仅提高，而且随着空气过滤器的压力损失变大，压缩机的电耗将增加，并且FCV的燃料成本-性能下降。
日本专利局1997年公开的JP-A-H9-63620提出在吸入空气中进行CO氧化处理的方法。然而，在此方法中，需要额外的燃料，以使用加热炉来对空气进行预加热。而且，为了冷却已加热的空气，必须由散热器辐射的热量增加。由于燃料电池本身释放出大量的废热，必须由散热器辐射热量的上述增加是不合乎需要的。
难以通过氧化除去大气中的油成分。
而且，由于理论上不可能通过氧化除去NOx，因此必须通过把NOx分解成氮气和氧气而除去，但在含大量氧气的大气气氛中进行此分解反应非常困难，此反应为还原反应。
在日本专利局1997年公开的JP-A-H9-180744中，提出检测有毒物质的方法，在此方法中，如果检测到吸入有毒物质，燃料电池就停止产生电力。然而，当此方法不作修改应用到FCV中时，提供的电力不足并且行驶性能下降。
因此，本发明的目标是，防止FCV的燃料电池性能因在吸入空气中的诸如CO的有毒物质而下降，同时防止降低FCV的行驶性能。
为了实现上述目标，本发明提供一种燃料电池车辆，其中包括：使用包含氢气的燃料气体产生电力的燃料电池；向燃料电池提供空气的送气机；向燃料电池提供燃料气体的燃料供应装置；用燃料电池产生的电力驱动车辆的电动机；储存由燃料电池产生的电力和由电动机再生的电力并向电动机提供所储存的电力的蓄电池；在送气机所供应的空气中检测所含有毒物质的传感器，所述有毒物质使燃料电池的性能下降；检测电池充电状态的传感器；以及被编程以基于有毒物质和电池充电状态的检测结果控制燃料电池的操作和停止的微处理器。
本发明的详细描述以及其它特征和优点在下文中提出并在附图中示出。
附图说明
图1示出燃料电池车辆(FCV)和常规内燃机车辆(ICEV)都在隧道中行驶时的环境。
图2为示出根据本发明的FCV的示意结构的方框图。
图3为示出燃料电池的操作和停止控制的流程图。
图4为用于确定燃料电池是操作或停止的图。
图5与图2相似，但示出本发明的第二实施例。
图6为示出第二实施例中燃料电池的操作和停止控制的流程图。
具体实施方式
参照图2，数字200为使用包含氢气和空气的燃料气体产生电力的燃料电池。数字201为重整炉，它把燃料(如液体燃料甲醇或汽油)重整为含氢气的重整气体，把重整气体供应给燃料电池200作为燃料气体。数字202是作为送气机的压缩机，它提供空气给燃料电池200。数字205是如果需要就提供重整燃料所需的燃料和水的燃料供应装置。数字208为驱动车辆的电动机。
数字207为蓄电池，此蓄电池储存由燃料电池200产生的电力和由电动机208减速时所再生的电力，或提供电力以运转电动机208。数字209为电力控制装置，它控制燃料电池200、电池207和电动机208之间的电力交换以及从燃料电池200输出的电量。
电力控制装置209计算电池207的充电状态(SOC)。随着电池207中储存的电能增加，SOC变得越来越大，并且在电池207的最大容量时为100％。随着电池207中储存的电能减少，SOC变得越来越小，并且当储存在电池207中的电能接近于零时，SOC将为0％。电压表206检测电池207接线端之间的电压，SOC例如通过查阅示出所述电压和SOC之间关系的表来计算。
数字250为CO传感器，它在压缩机202的入口251处检测压缩机202所吸入的空气中的CO浓度。基于CO传感器250检测到的CO浓度以及电力控制装置209计算的电池207的充电状态，控制器254控制重整炉201、压缩机202、燃料供应装置205和燃料电池200的操作或停止。通过操作重整炉201来操作燃料电池200，并且通过停止重整炉201而停止燃料电池200。在日本专利局于2001年公开的JP-A-2001-23678中详细描述此操作。
下面，参照图3中流程图描述控制器254对燃料电池200进行的操作/停止控制。
首先，在步骤S1中，读取CO传感器250检测的CO浓度。在步骤S2中，使用储存在控制器254内存中的前一CO浓度值和在步骤S1中读取的值，计算CO浓度的时间平均值。
在步骤S3中，读取由电力控制装置209计算的电池207的SOC。
在步骤S4中，通过查阅图4所示的图A而确定燃料电池是操作还是停止。
在步骤S5、S6中，确定重整炉201是否正在操作。如果重整炉201正在操作，就继续操作，然而如果重整炉201已停止，就重新启动重整炉201。
在步骤S7、S8中，确定重整炉201是否正在操作。如果重整炉201已停止，就继续此停止状态，然而如果重整炉201正在操作，就停止重整炉201。
通过操作燃料供应装置205和压缩机202并供应燃料和空气来操作重整炉201。通过停止燃料供应装置205和压缩机202并停止燃料和空气供应来停止重整炉201。基于控制器254是否向燃料供应装置205和压缩机202输出空气供应信号和燃料供应信号，决定重整炉201是否操作。
如图4所示的图A使用CO浓度和SOC作为参数来设定燃料电池200的操作区域和停止区域。优选抑制燃料电池的停止以防止电池过度放电并维持SOC在一定程度。另一方面，优选停止燃料电池，以防止燃料电池降质。因此，设定图A使得燃料电池在CO浓度较低且SOC较大时停止工作。
根据图4所示的图A，如果充电状态小于第一参考值SOC_L，为了防止电池207的过度放电，重整炉201的操作与在压缩机202吸入的空气中的CO浓度无关，并且使燃料电池200产生电力。另一方面，如果充电状态高于第二参考值SOC_H，此第二参考值SOC_H设定得高于第一参考值SOC_L，只向电动机208提供由电池207供应的电力就可在一段时间(例如直到通过隧道)内获得足够的驱动力，因此重整炉201的停止与在压缩机202吸入的空气中的CO浓度无关。
在这，第一参考值SOC_L根据燃料电池系统的启动时间(用于重启燃料电池系统所需的时间)设定。例如，当启动时间较短时，第一参考值SOC_L设定为20％，当启动时间较长时，它就设定为60％。第二参考值SOC_H例如设定为80％。
由于燃料电池200的上述操作/停止控制，当车辆在使燃料电池200降质的环境中行驶时，如果SOC足够时燃料电池200就停止工作。因此，防止燃料电池200的降质，同时不降低车辆的行驶性能。通过参照图A决定是否操作或停止燃料电池，从而可易于执行此控制。
如果因CO浓度的瞬时变化，如当通过柴油机车时，重整炉201停止工作并频繁重启，那么能量效率就会下降，但是，通过与本实施例一样地使用CO浓度的时间平均值执行控制，此频率切换可被抑制并且可维持高的效率。
通过使用CO传感器在吸入空气中检测有毒物质，可防止燃料电池因CO而降质，CO极大地损害燃料电池。
如果提供在吸入空气中检测除CO以外的有毒物质如NOx和油成分的传感器，那么就可根据这些物质的浓度执行与上述相同的控制。
而且，本发明不仅可应用于通过重整燃料而产生供应燃料电池的氢气的燃料电池车辆，而且可应用于包括用于储存氢气的氢气存储装置(氢气存储罐、金属氢化物合金等)的燃料电池车辆，储存在此装置中的氢气直接提供给燃料电池，如图5所示(第二实施例)。在此情况下，通过控制氢气的供应而控制燃料电池的操作和停止。
图6示出通过控制器254对图5所示的具有氢气存储罐的燃料电池200进行操作/停止控制。
步骤S1-S4与图3相同。在步骤S1-S4中，基于CO浓度和SOC确定操作还是停止燃料电池200。
在步骤S15、S16中，确定燃料电池200是否正在操作。如果燃料电池200正在操作，就继续进行操作，然而如果燃料电池200已停止，燃料电池200就重启。
在步骤S17、S18中，确定燃料电池200是否正在操作。如果燃料电池200已停止，就继续此停止状态，然而如果燃料电池200正在操作，燃料电池200就停止。
当控制器254向燃料供应装置(氢气存储罐)260输出燃料供应信号并向压缩机202输出操作信号而且电力控制装置209正接收电力供应信号时，控制器254就判定燃料电池200正在操作。当控制器254不向燃料供应装置(氢气存储罐)260输出燃料供应信号和不向压缩机202输出操作信号而且电力控制装置209不接收电力供应信号时，控制器254就判定燃料电池200处于停止状态。
燃料电池200通过操作燃料供应装置260和压缩机202并供应燃料和空气而操作。燃料电池200通过停止燃料供应装置260和压缩机202并停止燃料和空气供应而停止。
如果燃料电池具有产生氢气的重整炉，由于重整炉的操作可通过控制燃料供应装置的燃料供应而控制，因此燃料电池的操作/停止控制就可以与具有氢气存储装置的燃料电池相同的方式进行。
通过执行上述控制，即使吸入空气中的有毒物质浓度高时也可防止燃料电池的降质。
日本专利申请P2000-266857(2000年9月4日申请)的全部内容在此引入作为参考。
尽管以上已参照本发明的一些实施例描述本发明，但本发明不受上述实施例的限制。根据以上叙述，本领域中技术人员可对上述实施例进行修改和变更。本发明的范围根据以下权利要求而定义。
工业应用领域
本发明可用于配置有燃料电池的车辆，并且有效地防止燃料电池的性能因吸入空气中所含的CO、NOx和油成分而下降。
Claims (8)
1.一种燃料电池车辆，其中包括：
燃料电池(200)，使用包含氢气的燃料气体产生电力；
送气机(202)，向燃料电池(200)提供空气；
燃料供应装置(201、205、260)，向燃料电池(200)供应燃料气体；
电动机(208)，用燃料电池(200)产生的电力驱动车辆；
蓄电池(207)，储存由燃料电池(200)产生的电力和由电动机(208)再生的电力，并向电动机(208)提供所储存的电力；
传感器(250)，在送气机(202)所供应的空气中检测所含的有毒物质，所述有毒物质使燃料电池的性能下降；
传感器(206)，检测电池(207)的充电状态；以及
微处理器(209、254)，被编程以基于有毒物质和电池(207)充电状态的检测结果控制燃料电池(200)的操作和停止。
2.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其中，对微处理器(209、254)进一步编程，使得在有毒物质浓度较低和电池(207)充电状态较高时停止燃料电池(200)的操作。
3.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其中，对微处理器(209、254)进一步编程，使得在电池(207)的充电状态小于第一参考值时操作燃料电池(200)，并在电池(207)的充电状态大于第二参考值时停止燃料电池(200)的操作，而与有毒物质的检测结果无关，所述第二参考值大于所述第一参考值。
4.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其中，对微处理器(209、254)进一步编程，使得基于有毒物质浓度的时间平均值和电池(207)的充电状态来操作或停止燃料电池(200)。
5.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其中，检测有毒物质浓度的传感器(250)是检测一氧化碳的传感器。
6.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其中，对微处理器(209、254)进一步编程，通过查阅设定燃料电池(200)的操作区域和停止区域的图而确定操作或停止燃料电池(200)，在所述图中有毒物质浓度和电池(207)的充电状态用作参数。
7.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其中，燃料供应装置(201、205、260)包括产生氢气的重整炉(201)，并且对微处理器(209、254)进一步编程，以通过控制重整炉(201)的操作而控制燃料电池(200)的操作或停止。
8.如权利要求1所述的燃料电池车辆，其中，燃料供应装置(201、205、260)向燃料电池(200)供应所储存的氢气，并且对微处理器(209、254)进一步编程，以通过控制燃料供应装置(201、205、260)到燃料电池(200)的氢气供应而操作或停止燃料电池(200)。
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