專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和裝有燃料電池系統(tǒng)的車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)和裝有燃料電池系統(tǒng)的車輛。
背景技術(shù)：
一種已提出的燃料電池系統(tǒng)包括通過包含在氧化氣體中的氧和包含在燃料氣體中的氫之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的燃料電池，該氧化氣體流過設(shè)置在各電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的氧化氣體通道，該燃料氣體流過設(shè)置在電解質(zhì)膜的陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體通道；位于氧化氣體通道中并且通過驅(qū)動(dòng)電壓移動(dòng)的壓電元件；以及同樣位于氧化氣體通道中并且隨壓電元件的移動(dòng)而振動(dòng)的振動(dòng)器(例如，見專利早期公開公報(bào)No-2002-184430)。在這種燃料電池系統(tǒng)中，通過電化學(xué)反應(yīng)在陰極側(cè)產(chǎn)生的水可能凝聚成水滴而防止氧化氣體的平穩(wěn)流動(dòng)。在這種情況下，使壓電元件移動(dòng)以觸發(fā)振動(dòng)器的振動(dòng)。該振動(dòng)使陰極表面上的水分霧化，從而去除水分。
但是，這種現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)需要將壓電元件和用作活動(dòng)件(可動(dòng)部件)的振動(dòng)器(振動(dòng)子)設(shè)置在氣體通道的有限空間內(nèi)。這使結(jié)構(gòu)不期望地復(fù)雜化。另一個(gè)問題是，凝聚在氣體通道中的水滴的霧化可能需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種能夠通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)有效地從氣體通道中去除水分的燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明的目的也在于提供一種將水滴完好地排出氣體通道的燃料電池系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還在于提供一種裝有這些燃料電池系統(tǒng)的車輛。
為實(shí)現(xiàn)至少部分上述目的，如下構(gòu)造燃料電池系統(tǒng)以及裝有燃料電池系統(tǒng)的車輛。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括通過包含在氧化氣體中的氧和包含在燃料氣體中的氫之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的燃料電池，所述氧化氣體流過設(shè)置在電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的氧化氣體通道，所述燃料氣體流過設(shè)置在電解質(zhì)膜的陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體通道；以及靜電輸送裝置，該靜電輸送裝置設(shè)置在燃料氣體通道與氧化氣體通道中的至少一個(gè)中，對(duì)凝聚在至少一個(gè)氣體通道中的水滴實(shí)施靜電輸送以將水滴排出該氣體通道。
該燃料電池系統(tǒng)對(duì)凝聚在氣體通道中的水滴實(shí)施靜電輸送從而使水滴排出該氣體通道。即，該技術(shù)利用靜電力去除氣體通道中的水分。這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)有效地去除氣體通道中的水分，無(wú)需在氣體通道中設(shè)置任何活動(dòng)件如振動(dòng)器，也無(wú)需使凝聚在氣體通道中的水滴霧化。通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水易于凝聚在氧化氣體通道中。因此，優(yōu)選將靜電輸送裝置設(shè)置在氧化氣體通道中。靜電輸送裝置可通過靜電將凝聚在氣體通道中的水滴向氣體通道的出口或其入口輸送。
本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括通過包含在氧化氣體中的氧和包含在燃料氣體中的氫之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的燃料電池，氧化氣體流過設(shè)置在電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的氧化氣體通道，燃料氣體流過設(shè)置在電解質(zhì)膜的陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體通道；設(shè)置在燃料氣體通道與氧化氣體通道中的至少一個(gè)中并覆蓋有絕緣層的多個(gè)電極；以及電壓施加裝置，該電壓施加裝置向該多個(gè)電極施加電壓以對(duì)凝聚在至少一個(gè)氣體通道中的水滴實(shí)施靜電輸送從而將水滴排出氣體通道。
該燃料電池系統(tǒng)向設(shè)置在氣體通道中的多個(gè)電極施加電壓，以對(duì)凝聚在氣體通道中的水滴實(shí)施靜電輸送從而去除氣體通道中的水分。即，該技術(shù)利用靜電力去除氣體通道中的水分。這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)有效地去除氣體通道中的水分，無(wú)需在氣體通道中設(shè)置任何活動(dòng)件如振動(dòng)器，也無(wú)需使凝聚在氣體通道中的水滴霧化。通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水易于凝聚在氧化氣體通道中。因此，優(yōu)選將靜電輸送裝置設(shè)置在氧化氣體通道中。電壓施加裝置可向多個(gè)電極施加電壓以對(duì)凝聚在氣體通道中的水滴向氣體通道的出口實(shí)施靜電輸送或?qū)δ墼跉怏w通道中的水滴向氣體通道的入口實(shí)施靜電輸送。
在本發(fā)明的該燃料電池系統(tǒng)中，優(yōu)選地，電壓施加裝置向多個(gè)電極施加電壓以進(jìn)行看上去(apparent，外觀上)是朝向氣體通道的出口或入口的電壓的正-負(fù)變化。這種設(shè)置有效地將凝聚在氣體通道中的水滴導(dǎo)向氣體通道的出口或入口。電壓施加裝置可向多個(gè)電極施加電壓，以進(jìn)行看上去是朝向氣體通道的出口和入口中位于下方的一個(gè)的電壓的正-負(fù)變化。這種結(jié)構(gòu)令人滿意地利用了作用在水滴上的重力。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，多個(gè)電極可放置在氣體通道中水滴凝聚可能性高的特定位置。所述多個(gè)電極可位于整個(gè)氧化氣體通道中或整個(gè)燃料氣體通道中。但是，由于燃料電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)選地將所述多個(gè)電極放置水滴凝聚可能性高的任何特定位置。這種設(shè)置不在水滴不太可能凝聚的位置放置電極，從而令人滿意地節(jié)約了電極資源。
在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，燃料電池具有包括設(shè)置在電解質(zhì)膜相對(duì)側(cè)的陽(yáng)極和陰極的膜電極組件，以及設(shè)置在該膜電極組件的相對(duì)側(cè)的一對(duì)導(dǎo)電隔板。氧化氣體通道由陰極和形成在一對(duì)導(dǎo)電隔板中的一個(gè)中的槽形成。燃料氣體通道由陽(yáng)極和形成在一對(duì)導(dǎo)電隔板中的另一個(gè)中的槽形成。多個(gè)電極放置在燃料氣體通道與氧化氣體通道中至少一個(gè)的槽內(nèi)。在這種結(jié)構(gòu)中，覆有絕緣層的多個(gè)電極設(shè)置在形成于導(dǎo)電隔板中不與陽(yáng)極或陰極接觸的槽內(nèi)。這些電極的這種定位不損害陽(yáng)極或陰極與導(dǎo)電隔板之間的導(dǎo)電性。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還包括檢測(cè)燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置；以及電壓施加控制裝置，該電壓施加控制裝置根據(jù)所檢測(cè)的燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)確定該電壓施加裝置的致動(dòng)或不致動(dòng)以向多個(gè)電極施加或不施加電壓?？煽刂圃撾妷菏┘友b置以在燃料電池工作期間持續(xù)向多個(gè)電極施加電壓從而實(shí)施水滴的靜電輸送。但是，根據(jù)燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)確定向多個(gè)電極施加或不施加電壓，可令人滿意地節(jié)約功率消耗。
該優(yōu)選實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)還可包括運(yùn)行狀態(tài)判定裝置，該運(yùn)行狀態(tài)判定裝置判斷由運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)的燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)是否達(dá)到在氧化氣體通道中水滴凝聚可能性高的預(yù)定運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)判定裝置判定檢測(cè)到的燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到預(yù)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電壓施加控制裝置致動(dòng)電壓施加裝置以向多個(gè)電極施加電壓。當(dāng)氣體通道處于水滴凝聚可能性高的狀態(tài)時(shí)，該設(shè)置開始向多個(gè)電極施加用于將水滴靜電排出氣體通道的電壓。這防止了不必要的功率消耗。此處，“燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)”可以是例如對(duì)燃料電池的電力需求和燃料電池的輸出電力、累計(jì)功率(瓦特小時(shí)，integral power)和輸出電壓中的任何一個(gè)。該優(yōu)選實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)還可包括運(yùn)行狀態(tài)判定裝置，該裝置判斷由運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)的燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)是否表示水分過多。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)判定裝置判定檢測(cè)到的燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)表示水分過多時(shí)，電壓施加控制裝置致動(dòng)電壓施加裝置以向多個(gè)電極施加電壓。
在還有一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)還包括電壓施加控制裝置，該裝置控制電壓施加裝置以在燃料電池工作期間持續(xù)向多個(gè)電極施加電壓從而對(duì)水滴實(shí)施靜電輸送。
本發(fā)明的車輛裝有上述設(shè)置的任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)。上述任一設(shè)置的燃料電池系統(tǒng)有效地去除氣體通道中的水分，無(wú)需在氣體通道中放置任何活動(dòng)件如振動(dòng)器，也無(wú)需使凝聚在氣體通道中的水滴霧化。裝有這種燃料電池系統(tǒng)的車輛自然具有與上述燃料電池系統(tǒng)等效的功能和效用。


圖1示意性地示出在一個(gè)實(shí)施例中裝有燃料電池系統(tǒng)的車輛的構(gòu)造；圖2是示出單格燃料電池的分解透視圖；圖3是示出其上形成有氧化氣體通道的隔板的俯視圖；圖4是沿圖3的A-A線的截面視圖；圖5示出電壓施加模式；
圖6是示出靜電輸送例程的流程圖；及圖7是示出在另一實(shí)施例中其上形成有氧化氣體通道的隔板的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。圖1示意性地示出裝有燃料電池系統(tǒng)12的車輛10的構(gòu)造。圖2示出單格燃料電池(unit fuel cell)30的分解透視圖。圖3是示出其上形成有氧化氣體通道的隔板的俯視圖，圖4是沿圖3的A-A線的截面視圖。圖5示出電壓施加模式。
如圖1所示，本實(shí)施例的車輛10包括燃料電池系統(tǒng)12；將燃料電池系統(tǒng)12的電力供應(yīng)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)力并利用該驅(qū)動(dòng)力經(jīng)由減速機(jī)構(gòu)16使驅(qū)動(dòng)輪18、18轉(zhuǎn)動(dòng)的致動(dòng)機(jī)構(gòu)14；以及控制整個(gè)車輛10的電子控制單元80。燃料電池系統(tǒng)12具有燃料電池組20，該燃料電池組是多個(gè)單格燃料電池30的堆疊體，所述單格燃料電池能夠通過氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力；向各單格燃料電池30供應(yīng)氧化氣體和燃料氣體的供應(yīng)歧管M1和M2；以及引導(dǎo)已流經(jīng)各單格燃料電池30的氧化氣體和燃料氣體的排氣從燃料電池組20排出的排出歧管M3和M4。本實(shí)施例的車輛10還具有用以沿從氧化氣體通道36的入口到出口的方向靜電輸送水滴的多個(gè)靜電輸送電極37(見圖3)，以及向這些靜電輸送電極37施加電壓的電壓施加單元70。
燃料電池組20這樣制造堆疊多個(gè)作為基本單位的單格燃料電池30，然后在該單格燃料電池30的堆疊體的各端設(shè)置一對(duì)集電板21和22、一對(duì)絕緣板23和24以及一對(duì)端板25和26。集電板21和22由不透氣的導(dǎo)電材料例如致密的碳或銅構(gòu)成。絕緣板23和24由絕緣材料例如橡膠或樹脂構(gòu)成。端板25和26由具有剛性的金屬例如鋼構(gòu)成。集電板21和22分別具有用于輸出通過燃料電池組20產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的輸出端子21a和22a。一保持機(jī)構(gòu)(未示出)使得端板25和26在沿單格燃料電池30的堆疊方向施加的壓力的作用下保持各單格燃料電池。
如圖2所示，每個(gè)單格燃料電池30均具有包括設(shè)置在電解質(zhì)膜31相對(duì)側(cè)的陽(yáng)極32和陰極33的膜電極組件(MEA)34以及設(shè)置在MEA 34兩端的一對(duì)隔板40、40。電解質(zhì)膜31在其濕態(tài)具有很好的質(zhì)子傳導(dǎo)性。優(yōu)選使用由DuPont公司制造的Nafion膜作為電解質(zhì)膜31。每個(gè)陽(yáng)極32和陰極33均具有在其上帶有鉑或鉑與其它金屬的合金的催化電極以及為碳纖維織物的碳布的氣體擴(kuò)散電極。MEA 34通過利用熱壓縮將陽(yáng)極32、電解質(zhì)膜31以及陰極33形成為一體而獲得。每個(gè)隔板40由不透氣的導(dǎo)電材料例如通過將碳?jí)撼刹煌笟獾哪Ｖ铺?mold carbon)構(gòu)成。如圖2所示，在隔板40的左側(cè)和右側(cè)的大約中間位置形成貫穿隔板40的氧化氣體供應(yīng)口41和氧化氣體排出口43。在隔板40的上側(cè)和下側(cè)的大約中間位置還形成貫穿隔板40的氣體燃料供應(yīng)口42和氣體燃料排出口44。在隔板40的四個(gè)角還形成用于循環(huán)冷卻水的貫穿隔板40的圓形孔45至48。在隔板40的一個(gè)面上，從氧化氣體供應(yīng)口41延伸到氧化氣體排出口43的多個(gè)槽36b(見圖4)形成氧化氣體通道36。類似地，在隔板40的另一個(gè)面上，從氣體燃料供應(yīng)口42延伸到氣體燃料排出口44的多個(gè)槽形成氣體燃料通道38。如圖4所示，在形成氧化氣體通道36的槽36b的底部上的下絕緣層37a與上絕緣層37b之間插置有多個(gè)靜電輸送電極37，所述靜電輸送電極37沿從入口到出口的路徑排列。
如圖2所示，在MEA34與各隔板40之間插置有襯墊50。襯墊50設(shè)置在電解質(zhì)膜31的相對(duì)側(cè)(夾著電解質(zhì)膜31)以抑制氣體燃料和氧化氣體的泄漏并防止氧化氣體流在隔板40、40之間的空間內(nèi)與氣體燃料流混合。每個(gè)襯墊50都具有分別貫穿而面向隔板40的氧化氣體供應(yīng)口41、氣體燃料供應(yīng)口42、氧化氣體排出口43和氣體燃料排出口44的狹槽51至54，分別貫穿而面向圓形孔45至48的圓形孔55至58(圓形孔55在圖中省略不可見)，以及尺寸形成為在其中接納陽(yáng)極32或陰極33的方孔。
在供應(yīng)歧管中，氧化氣體供應(yīng)歧管M1是沿燃料電池組20的堆疊方向連接各單格燃料電池30中隔板40的氧化氣體供應(yīng)口41與襯墊50的狹槽51的中空空間。作為氧化氣體的空氣的供應(yīng)從空氣壓縮機(jī)60經(jīng)由流量控制閥62供給，通過未示出的加濕器加濕，然后流入氧化氣體供應(yīng)歧管M1。氣體燃料供應(yīng)歧管M2是沿燃料電池組20的堆疊方向連接各單格燃料電池30中隔板40的氣體燃料供應(yīng)口42與襯墊50的狹槽52的中空空間。作為氣體燃料的氫氣的供應(yīng)從氫容器64經(jīng)由流量控制閥66供給，通過未示出的加濕器加濕，然后流入氣體燃料供應(yīng)歧管M2。冷卻水流入歧管M5和M6分別是沿燃料電池組20的堆疊方向連接各單格燃料電池30中隔板40的圓形孔45和46與襯墊50的圓形孔55和56的中空空間。作為冷卻劑的冷卻水的流動(dòng)從未示出的泵供給并流入冷卻水流入歧管M5和M6。
在排出歧管中，氧化氣體排出歧管M3是沿燃料電池組20的堆疊方向連接各單格燃料電池30中隔板40的氧化氣體排出口43與襯墊50的狹槽53的中空空間。已經(jīng)過各單格燃料電池30的氧化氣體通道36的氧化氣體的排氣被集中導(dǎo)出燃料電池組20。氣體燃料排出歧管M4是沿燃料電池組20的堆疊方向連接各單格燃料電池30中隔板40的氣體燃料排出口44與襯墊50的狹槽54的中空空間。已經(jīng)過各單格燃料電池30的氣體燃料通道38的氣體燃料的排氣被集中導(dǎo)出燃料電池組20。氣體燃料的排氣仍包含未反應(yīng)的氫，因此可再循環(huán)進(jìn)入氣體燃料供應(yīng)歧管M2。冷卻水流出歧管M7和M8分別是沿燃料電池組20的堆疊方向連接各單格燃料電池30中隔板40的圓形孔47和48與襯墊50的圓形孔57和58的中空空間。已經(jīng)過形成在冷卻水隔板(未示出)中的冷卻水通道的冷卻水的熱流被集中地導(dǎo)出燃料電池組20，所述冷卻水隔板以多個(gè)單格燃料電池30的間隔設(shè)置在燃料電池組20中。冷卻水的熱流通過未示出的散熱器被冷卻并再循環(huán)進(jìn)入冷卻水流入歧管M5和M6。
如圖3和圖4所示，多個(gè)靜電輸送電極37沿從各氧化氣體通道36的入口到出口的路徑排列。靜電輸送電極37放置在覆蓋各氧化氣體通道36的槽36b的底面的下絕緣層37a上，并被上絕緣層37b覆蓋。這些靜電輸送電極37是寬度(該寬度表示沿通道的長(zhǎng)度)為0.2mm的線性電極，并以0.5-1mm的間距設(shè)置。靜電輸送電極37根據(jù)施加于其上的電壓模式而分為六個(gè)相，相“a”至“f”。位于各相的靜電輸送電極37的電線接合到一條配線，該配線連接到電壓施加單元70。例如，應(yīng)用已知的印刷配線板制造技術(shù)制備靜電輸送電極37及其配線圖形。
電壓施加單元70根據(jù)圖5中所示的電壓施加模式向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓。電壓施加單元70向?qū)儆谙唷癮”至“f”中相同的相的多個(gè)靜電輸送電極37施加相同的電壓。
盡管未明確地示出，致動(dòng)機(jī)構(gòu)14(見圖1)具有將由燃料電池組20產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的電力轉(zhuǎn)換器以及利用轉(zhuǎn)換成的交流電驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的牽引電動(dòng)機(jī)。
再次參照?qǐng)D1，電子控制單元80構(gòu)造為包括CPU 82、存儲(chǔ)處理程序的ROM 84、臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的RAM 86以及輸入-輸出端口(未示出)的微處理器。電子控制單元80經(jīng)由輸入端口接收作為輸入的以下信號(hào)來自加速踏板傳感器(未示出)的加速踏板開度信號(hào)AP；來自車速傳感器(未示出)的車速信號(hào)V；由功率表72檢測(cè)和輸送的燃料電池的累計(jì)功率的測(cè)量結(jié)果；以及包括在致動(dòng)機(jī)構(gòu)14中的電力轉(zhuǎn)換器的輸入-輸出電壓信號(hào)。電子控制單元80經(jīng)由輸出端口向電壓施加單元70以及包括在致動(dòng)機(jī)構(gòu)14中的電力轉(zhuǎn)換器和牽引電動(dòng)機(jī)輸出控制信號(hào)。
下面說明具有上述構(gòu)造的實(shí)施例的車輛10的操作。首先說明沿從氧化氣體通道36的入口到出口的方向靜電輸送凝聚在氧化氣體通道36中的水滴的過程。根據(jù)圖5中所示的電壓施加模式，電壓施加單元70首先分別向?qū)儆谙唷癮”、相“b”、相“c”、相“d”、相“e”和相“f”的靜電輸送電極37施加電壓(+，+，0，-，-，0)(圖5中的No.1)。然后電壓施加單元70相繼施加電壓(0，+，+，0，-，-)(圖5中的No.2)，電壓(-，0，+，+，0，-)(圖5中的No.3)，電壓(-，-，0，+，+，0)(圖5中的No.4)，電壓(0，-，-，0，+，+)(圖5中的No.5)，和電壓(+，0，-，-，0，+)(圖5中的No.6)。本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)重復(fù)No.1至No.6的這種循環(huán)多次，以向相“a”至相“f”施加電壓。即，電壓施加單元70施加6-相矩形波電壓。通過圖5的No.1至No.6的循環(huán)中電壓的正-負(fù)變化可以清楚地看出，隨著時(shí)間推移，電壓的正-負(fù)變化看上去是沿從氧化氣體通道36的入口到出口的方向行進(jìn)。凝聚在氧化氣體通道36中的水滴由于靜電感應(yīng)而帶電，并且在圖5所示的No.1至No.6的循環(huán)中電壓的正-負(fù)變化過程中，在被水滴附近的靜電輸送電極37排斥或吸引的同時(shí)沿從氧化氣體通道36的入口到出口的方向行進(jìn)。這樣，電壓施加單元70根據(jù)圖5的電壓施加模式向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓。這實(shí)現(xiàn)了凝聚在氧化氣體通道36中的水滴沿從氧化氣體通道入口到出口方向的靜電輸送。
如下所述，在車輛行駛過程中凝聚在氧化氣體通道36中的水滴被去除。圖6是示出由電子控制單元80的CPU 82執(zhí)行的靜電輸送例程的流程圖。該例程存儲(chǔ)在ROM 84中，并由CPU 82以預(yù)定的時(shí)間間隔(例如，每幾毫秒)重復(fù)地執(zhí)行。當(dāng)例程開始時(shí)，CPU 82首先將對(duì)燃料電池組20的電力需求與一預(yù)定閾值T1進(jìn)行比較，以判斷是否要求燃料電池組20輸出很高的電力(步驟S110)。對(duì)燃料電池組20的電力需求從對(duì)驅(qū)動(dòng)輪18、18的車輛動(dòng)力需求計(jì)算而得，而車輛動(dòng)力需求通過參照存儲(chǔ)于ROM 84中的未示出的圖(map)根據(jù)車速信號(hào)V和加速踏板開度信號(hào)AP的當(dāng)前輸入而確定。閾值T1預(yù)先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。燃料電池組20的輸出越高，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)越強(qiáng)烈，從而產(chǎn)生大量的水。該大量的水易于凝聚在氧化氣體通道36中，從而干擾氧化氣體的平穩(wěn)流動(dòng)。該過程實(shí)驗(yàn)性地確定在氧化氣體通道36中凝聚的水的量與燃料電池組20的輸出電力之間的關(guān)系，并將當(dāng)凝聚的水的量可能干擾氧化氣體平穩(wěn)流動(dòng)時(shí)的燃料電池組20的輸出電力設(shè)定為閾值T1。
當(dāng)在步驟S110判定對(duì)燃料電池組20的電力需求未超過預(yù)定閾值T1時(shí)，CPU 82將高輸出標(biāo)記F復(fù)位為“0”(步驟S120)并立即終止該例程。另一方面，當(dāng)在步驟S110判定對(duì)燃料電池組20的電力需求超過預(yù)定閾值T1時(shí)，CPU 82隨后判斷高輸出標(biāo)記F是否設(shè)定等于為“1”(步驟S130)。當(dāng)高輸出標(biāo)記F不等于“1”時(shí)，CPU 82設(shè)定高輸出標(biāo)記F為“1”以指示對(duì)燃料電池組20的高電力要求狀態(tài)(步驟S140)。然后CPU 82重新設(shè)定功率表72的累計(jì)功率并在終止該例程之前開始功率累計(jì)(步驟S150)。
當(dāng)在步驟S130判定高輸出標(biāo)記F等于“1”時(shí)，意味著在該例程的前一循環(huán)中燃料電池組20已被要求高電力輸出。在這種情況下，CPU 82輸入來自功率表72的累計(jì)功率的測(cè)量結(jié)果(步驟S160)并將該輸入的累計(jì)功率的測(cè)量結(jié)果與一預(yù)定閾值T2進(jìn)行比較(步驟S170)。即使當(dāng)在步驟S110判定電力需求超過閾值T1時(shí)，電力需求也可能很快變?yōu)榈陀陂撝礣1。這意味著當(dāng)電力需求超過閾值T1之后，累計(jì)功率的測(cè)量結(jié)果沒有達(dá)到特定值。在這種情況下，電化學(xué)反應(yīng)僅暫時(shí)變強(qiáng)烈，并沒有導(dǎo)致水的凝聚。在另一情況下，電力需求在一較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)持續(xù)超過閾值T1。這意味著累計(jì)功率的測(cè)量結(jié)果達(dá)到特定值，同時(shí)電力需求超過閾值T1。這種狀態(tài)通常導(dǎo)致水的凝聚。累計(jì)功率的這種特定值由此通過實(shí)驗(yàn)確定，并設(shè)定為閾值T2。
當(dāng)在步驟S170判定累計(jì)功率的測(cè)量結(jié)果沒有超過預(yù)定閾值T2時(shí)，CPU 82立即退出例程。另一方面，當(dāng)在步驟S170判定累計(jì)功率的測(cè)量結(jié)果超過預(yù)定閾值T2時(shí)，可能存在水的凝聚。因此，CPU 82在退出例程之前向電壓施加單元70輸出電壓施加開始信號(hào)(步驟S180)。電壓施加單元70接收該電壓施加開始信號(hào)并根據(jù)圖5所示的電壓施加模式在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓。這種電壓施加引起在氧化氣體通道36中凝聚的水通過上述機(jī)理沿從氧化氣體通道的入口到出口的方向的靜電輸送。
如上所述，該實(shí)施例的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)使用靜電力有效地從氧化氣體通道36中去除凝聚的水，而無(wú)需在氧化氣體通道36中設(shè)置任何活動(dòng)件如振動(dòng)器，也無(wú)需霧化凝聚在氧化氣體通道36中的水。電壓施加單元70向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓以進(jìn)行看上去是朝向氧化氣體通道36的出口的電壓的正-負(fù)變化。這種設(shè)置有效地將氧化氣體通道36中凝聚的水導(dǎo)向氧化氣體排出歧管M3。多個(gè)靜電輸送電極37排列在形成在隔板40上不與陰極33接觸的氧化氣體通道36的槽36b的底部，并由下絕緣層37a和上絕緣層37b覆蓋。這些靜電輸送電極37的存在沒有減小隔板40與陰極33的接觸面積(即，隔板40的凸面36a的面積)，從而保持足夠的導(dǎo)電性。僅在氧化氣體通道36中產(chǎn)生凝聚水的可能性高時(shí)(即，僅在電力需求超過閾值T1且累計(jì)功率測(cè)量結(jié)果達(dá)到特定值時(shí))控制電壓施加單元70以向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓。與即使不需要靜電輸送時(shí)也無(wú)條件施加電壓的結(jié)構(gòu)相比，這種設(shè)置令人滿意地節(jié)約了電力消耗。另一種可能的技術(shù)提高供應(yīng)到氧化氣體供應(yīng)歧管M1的氧化氣體的壓力而吹散凝聚的水。但是這種方法要求空氣壓縮機(jī)60的容量很大，從而空氣壓縮機(jī)60占據(jù)很大的空間。另一方面，本實(shí)施例的設(shè)置不需要通過增加氧化氣體供應(yīng)壓力來吹散凝聚的水，從而令人滿意地減小了空氣壓縮機(jī)60需要的尺寸和容量。然而，本發(fā)明的技術(shù)可根據(jù)需要與吹散凝聚的水的結(jié)構(gòu)結(jié)合使用。
應(yīng)注意，上述實(shí)施例在所有方面是示意性的而非限制性的。在不脫離本發(fā)明的主要特征的范圍或精神下，可能存在很多其它改變、變化和變型。因此，在權(quán)利要求的含義和等效范圍內(nèi)的所有變化都將包括在權(quán)利要求中。
例如，在該實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，僅在電力需求超過閾值T1且累計(jì)功率測(cè)量結(jié)果達(dá)到特定值時(shí)控制電壓施加單元70以向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓。在一個(gè)可能的變型中，可在電力需求超過閾值T1時(shí)控制電壓施加單元70以向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓。在另一個(gè)可能的變型中，可在每次累計(jì)功率測(cè)量結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)值(該值試驗(yàn)性地確定為當(dāng)發(fā)生水的凝聚時(shí)的累計(jì)功率值)時(shí)控制電壓施加單元70以向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓。靜電輸送消耗非常小的功率，從而可控制電壓施加單元70以連續(xù)地向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓。另一改變的結(jié)構(gòu)判斷氧化氣體通道36中水的含量是否過量，并在水分過多的狀態(tài)下控制電壓施加單元70以向多個(gè)靜電輸送電極37施加電壓。氧化氣體通道36中水的含量可通過以下方法確定。將一電壓傳感器連接到各單格燃料電池30以測(cè)量其輸出電壓。在氧化氣體通道36中水分過多的狀態(tài)下輸出電壓的特性通過實(shí)驗(yàn)確定并事先設(shè)定。該方法比較預(yù)設(shè)的輸出電壓特性與當(dāng)前各單格燃料電池30的輸出電壓特性，以確定水的含量。
在上述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，靜電輸送電極37設(shè)置在所有的氧化氣體通道36中。在一個(gè)改變的結(jié)構(gòu)中，靜電輸送電極37可僅設(shè)置在部分水凝聚可能性高的氧化氣體通道36中。在圖7所示的示例中，氧化氣體通道36沿水平方向延伸。由于重力的作用，水易于凝聚在下部的氧化氣體通道36中。靜電輸送電極37可僅放置在這種位置。這令人滿意地節(jié)約了電極資源。
在上述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，空氣壓縮機(jī)60用作氧化氣體供給裝置。由于不需要很高的氧化氣體供應(yīng)入口壓力(供應(yīng)壓力)來通過氧化氣體供應(yīng)的增高的壓力吹散凝聚的水，所以可用吹風(fēng)機(jī)代替空氣壓縮機(jī)60。然而，用于去除凝聚的水的靜電輸送技術(shù)可與增高氧化氣體供應(yīng)的入口壓力的技術(shù)結(jié)合以吹散和去除凝聚的水。在這種情況下，要求空氣壓縮機(jī)60具有能夠充分地增高氧化氣體供應(yīng)的壓力以吹散凝聚的水的能力。
上述實(shí)施例的程序采用圖5所示的電壓施加模式。也可改用任何其它電壓施加模式，以實(shí)現(xiàn)將在氧化氣體通道36中凝聚的水靜電輸送到氧化氣體通道的出口。
在上述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，氧化氣體通道36形成為從氧化氣體供應(yīng)口41向氧化氣體排出口43延伸的線性槽。氧化氣體通道36可形成為彎曲的槽或蛇形槽。另一種可能的結(jié)構(gòu)可在隔板40的表面以預(yù)設(shè)間隔安裝小立方體或小長(zhǎng)方體并將由該立方體或長(zhǎng)方體限定的間隙設(shè)置為氧化氣體通道36。
上述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)使用靜電輸送技術(shù)將凝聚在氧化氣體通道36中的水滴輸送到氧化氣體通道的出口或氧化氣體排出歧管M3?？蛇x擇地，一個(gè)改變的結(jié)構(gòu)可通過靜電輸送將凝聚在氧化氣體通道36中的水滴輸送到氧化氣體通道的入口或氧化氣體供應(yīng)歧管M1。例如，當(dāng)氧化氣體通道36的入口位于其出口下方時(shí)，優(yōu)選利用施加在凝聚在氧化氣體通道36中的水滴上的重力，將水滴導(dǎo)向氧化氣體通道的入口而不是其出口。
在上述實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，靜電輸送電極37位于氧化氣體通道36中。另一個(gè)可能的變型可在上述結(jié)構(gòu)之外或取代上述結(jié)構(gòu)在燃料氣體通道38中設(shè)置類似的靜電輸送電極，以對(duì)凝聚在燃料氣體通道38中的水滴實(shí)施靜電輸送。
在上述實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)12安裝在車輛10上。燃料電池系統(tǒng)12可安裝在任何其它車輛以及運(yùn)輸機(jī)械如火車和飛機(jī)上，并可結(jié)合到任何為室內(nèi)應(yīng)用和工業(yè)應(yīng)用而安裝的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中。在任一情況下，燃料電池系統(tǒng)12及其應(yīng)用具有與上述實(shí)施例中等效的功能和效用。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的技術(shù)可應(yīng)用于各種運(yùn)輸工具，包括汽車、火車和飛機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括通過包含在氧化氣體中的氧和包含在燃料氣體中的氫之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的燃料電池，所述氧化氣體流過設(shè)置在電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的氧化氣體通道，所述燃料氣體流過設(shè)置在電解質(zhì)膜的陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體通道；以及靜電輸送裝置，該靜電輸送裝置設(shè)置在所述燃料氣體通道與所述氧化氣體通道中的至少一個(gè)中，對(duì)凝聚在所述至少一個(gè)氣體通道中的水滴實(shí)施靜電輸送以將水滴排出所述氣體通道。
2.一種燃料電池系統(tǒng)，包括通過包含在氧化氣體中的氧和包含在燃料氣體中的氫之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的燃料電池，所述氧化氣體流過設(shè)置在電解質(zhì)膜的陰極側(cè)的氧化氣體通道，所述燃料氣體流過設(shè)置在電解質(zhì)膜的陽(yáng)極側(cè)的燃料氣體通道；設(shè)置在所述燃料氣體通道與所述氧化氣體通道中的至少一個(gè)中并覆蓋有絕緣層的多個(gè)電極；以及電壓施加裝置，該電壓施加裝置向所述多個(gè)電極施加電壓以對(duì)凝聚在所述至少一個(gè)氣體通道中的水滴實(shí)施靜電輸送從而將水滴排出所述氣體通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓施加裝置向所述多個(gè)電極施加電壓，以進(jìn)行看上去是朝向所述至少一個(gè)氣體通道的出口或入口的電壓的正-負(fù)變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓施加裝置向所述多個(gè)電極施加電壓，以進(jìn)行看上去是朝向所述至少一個(gè)氣體通道的出口和入口中位于下方的一個(gè)的電壓的正-負(fù)變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)電極放置在所述至少一個(gè)氣體通道中水滴凝聚可能性高的特定位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池具有包括設(shè)置在電解質(zhì)膜相對(duì)側(cè)的陽(yáng)極和陰極的膜電極組件，以及設(shè)置在所述膜電極組件的相對(duì)側(cè)的一對(duì)導(dǎo)電隔板，所述氧化氣體通道由陰極和形成在所述一對(duì)導(dǎo)電隔板中的一個(gè)中的槽形成，所述燃料氣體通道由陽(yáng)極和形成在所述一對(duì)導(dǎo)電隔板中的另一個(gè)中的槽形成，以及所述多個(gè)電極放置在所述燃料氣體通道與所述氧化氣體通道中至少一個(gè)的槽內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-6中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)還包括檢測(cè)所述燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置；以及電壓施加控制裝置，該電壓施加控制裝置根據(jù)所檢測(cè)的所述燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)確定所述電壓施加裝置的致動(dòng)或不致動(dòng)以向所述多個(gè)電極施加或不施加電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)還包括運(yùn)行狀態(tài)判定裝置，該運(yùn)行狀態(tài)判定裝置判斷由所述運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)的所述燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)是否達(dá)到在所述氧化氣體通道中水滴凝聚可能性高的預(yù)定運(yùn)行狀態(tài)，其中，當(dāng)所述運(yùn)行狀態(tài)判定裝置判定檢測(cè)到的所述燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到預(yù)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，所述電壓施加控制裝置致動(dòng)所述電壓施加裝置以向所述多個(gè)電極施加電壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)還包括運(yùn)行狀態(tài)判定裝置，該運(yùn)行狀態(tài)判定裝置判斷由所述運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)裝置檢測(cè)的所述燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)是否表示水分過多，其中，當(dāng)所述運(yùn)行狀態(tài)判定裝置判定檢測(cè)到的所述燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)表示水分過多時(shí)，所述電壓施加控制裝置致動(dòng)所述電壓施加裝置以向所述多個(gè)電極施加電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求2-6中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池系統(tǒng)還包括電壓施加控制裝置，該電壓施加控制裝置控制所述電壓施加裝置以在所述燃料電池操作期間持續(xù)向所述多個(gè)電極施加電壓從而實(shí)施水滴的靜電輸送。
11.一種裝有根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的燃料電池系統(tǒng)的車輛。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)和裝有燃料電池系統(tǒng)的車輛。電壓施加單元首先分別向?qū)儆谙唷癮”、相“b”、相“c”、相“d”、相“e”和相“f”的靜電輸送電極(37)施加電壓(+，+，0，－，－，0)，然后相繼施加電壓(0，+，+，0，－，－)，電壓(－，0，+，+，0，－)，電壓(－，－，0，+，+，0)，電壓(0，－，－，0，+，+)和電壓(+，0，－，－，0，+)。電壓施加單元重復(fù)該循環(huán)多次以向相“a”至相“f”施加電壓。凝聚在氧化氣體通道(36)中的水滴由于靜電感應(yīng)而帶電，并在該循環(huán)的電壓的正－負(fù)變化過程中，在被水滴附近的靜電輸送電極(37)排斥或吸引的同時(shí)沿從氧化氣體通道(36)的入口到出口的方向行進(jìn)。
文檔編號(hào)B60L11/18GK1791997SQ200480013668
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月19日
發(fā)明者中西治通, 中田圭一, 小林雅史 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社