專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，并且尤其涉及能夠在氫氣提供裝置和燃料電池堆之間有效進行熱交換以將該裝置和該堆內(nèi)的氣氛保持在適當(dāng)?shù)臏囟葍?nèi)從而防止其過熱或過冷的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
安裝在燃料電池車輛上的燃料電池系統(tǒng)利用同時產(chǎn)生水的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。一般來說，這種燃料電池系統(tǒng)的燃料電池通過堆疊多個被稱為單體電池的最小結(jié)構(gòu)單元而獲得的燃料電池堆。在一般的聚合物電解質(zhì)燃料電池的情況下，如圖6中所示，單體電池101包括分別提供氫和空氣(氧)的陽極102和陰極103，在陽極102和陰極103之間設(shè)置有擴散層104和105以及用于激活該反應(yīng)的催化劑層106和107，并且在中心設(shè)置有電解質(zhì)膜
108，電解質(zhì)膜108選擇性地透過氫離子。提供給陽極102的氫分子在存在于陽極102側(cè)的電解質(zhì)膜108表面上的催化劑層106中轉(zhuǎn)換為活性氫原子，并且進一步轉(zhuǎn)換為氫離子，放出電子。圖6中(I)所示的該反應(yīng)被表達為下面的公式I。H2 — 2H++2e (公式 I)由公式I產(chǎn)生的氫離子從陽極102側(cè)穿過電解質(zhì)膜108與包含在電解質(zhì)膜108中的水汽一起遷移到陰極103側(cè)，同時電子穿過外電路109遷移到陰極103。通過該電子遷移，電流流過設(shè)置在外電路109中的負載(例如，車輛的牽引電動機)110。另一方面，提供給陰極103的空氣中的氧分子在催化劑層107中通過接收從外電路109提供的電子轉(zhuǎn)換為氧離子，然后通過與穿過電解質(zhì)膜108遷移來的氫離子結(jié)合轉(zhuǎn)換為水。圖6中(2)所示的該反應(yīng)被表達為下面的公式2。l/203+2H++2e — H2O (公式 2)由此產(chǎn)生的水的一部分通過濃度擴散從陰極103遷移到陽極102。在上述化學(xué)反應(yīng)中，在單體電池101內(nèi)發(fā)生各種損耗,如由電解質(zhì)膜108和電極的電阻導(dǎo)致的電阻過電壓、由氫和氧之間的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的反應(yīng)過電壓和由氫和氧穿過擴散層104和105的遷移導(dǎo)致的擴散過電壓。由此產(chǎn)生的廢熱需要被散去。包括上述單體電池101的燃料電池系統(tǒng)的冷卻方式有水冷式和空冷式。首先，圖7示出傳統(tǒng)燃料電池車輛的一般水冷式燃料電池系統(tǒng)的配置。圖7中所示的燃料電池系統(tǒng)201包括通過堆疊多個上述單體電池或最小結(jié)構(gòu)單元獲得的燃料電池堆202，并且還包括向燃料電池堆202提供氫氣的氫氣提供裝置203。氫氣提供裝置203將存儲在高壓氫罐204中的壓縮氫氣通過氫氣提供管205經(jīng)由減壓閥206引入到燃料電池堆202的陽極進氣部207。在該過程中，氫氣的溫度由于氣體的絕熱膨脹而下降，從而冷卻包括氫罐204的與氫有關(guān)的部件和氫罐204與燃料電池堆202之間的，如氫提供管205以及在其中部提供的截止閥和減壓閥206的與氫有關(guān)的部件。另一方面，燃料電池系統(tǒng)201包括用于向燃料電池堆202提供空氣的空氣提供管208和用于從燃料電池堆202排出剩余空氣的空氣排出管209。在空氣提供管208中，通過過濾器210吸入的環(huán)境空氣被高壓壓縮器211壓縮，然后被引入到燃料電池堆202的陰極進氣部212中。結(jié)果，在燃料電池堆202中進行發(fā)電。在燃料電池堆202中的發(fā)電中沒有使用而留下的剩余空氣通過燃料電池堆202的陰極排氣部213作為陰極尾氣排放到空氣排出管209。排放到空氣排出管209的陰極尾氣被蒸汽分離器214分離出該尾氣中的一部分水，然后經(jīng)由背壓閥215釋放到大氣中，以控制陰極系統(tǒng)的壓力。同時，在燃料電池堆202中的發(fā)電中沒有使用而留下的剩余氫氣通過陽極排氣部216作為陽極尾氣排放到氫清除管217。氫清除管217連接到空氣排出管209的中部。與陰極尾氣一樣，排放到氫清除管217的陽極尾氣像陰極尾氣的情況那樣流過 蒸汽分離器218，然后經(jīng)由清除閥219混入到空氣排出管209中的陰極尾氣。來自陽極排氣部216的被清除的氫尾氣或者陽極尾氣的流量比陰極尾氣的流量小很多。因此，在陰極尾氣的幫助下，來自陽極排氣部216的被清除的氫能夠以4%的爆炸下限濃度以下的濃度釋放到大氣。注意，在一些燃料電池系統(tǒng)中，氫清除管217通過氫返回管220連接到陽極進氣部207，并且使用提供給氫返回管220的氫泵221將陽極尾氣再循環(huán)到陽極進氣部207，以提高氫的使用效率?，F(xiàn)在描述水冷式燃料電池系統(tǒng)201的冷卻系統(tǒng)222。冷卻系統(tǒng)222包括冷卻燃料電池堆202的冷卻水的散熱器223。在冷卻系統(tǒng)222中，通過冷卻水導(dǎo)入通道224將燃料電池堆202連接到散熱器223并且通過冷卻水導(dǎo)出通道225將散熱器223連接到燃料電池堆202形成冷卻回路。冷卻系統(tǒng)222在連接到燃料電池堆202的上游側(cè)或下游側(cè)(圖7中是下游側(cè))的冷卻水導(dǎo)入通道224中包括水泵226，從而將冷卻水抽送到散熱器223。冷卻了燃料電池堆202的冷卻水在散熱器223中與大氣交換其熱量，然后通過冷卻水導(dǎo)出通道225再次返回到燃料電池堆202。冷卻系統(tǒng)222設(shè)置有加熱裝置227。加熱裝置227包括連接冷卻水導(dǎo)入通道224和冷卻水導(dǎo)出通道225的加熱通道228，并且還包括在冷卻水導(dǎo)入通道224和冷卻水導(dǎo)出通道225之間與散熱器223并聯(lián)的加熱器芯230，用于利用調(diào)節(jié)閥229在加熱通道228中加熱車廂。當(dāng)需要加熱時，加熱裝置227通過打開調(diào)節(jié)閥229將熱的冷卻水提供給加熱器芯228，并且驅(qū)動用于送風(fēng)的風(fēng)扇231，從而加熱車廂。如上所述，水冷式燃料電池系統(tǒng)201包括許多附件，如用于壓縮引入到空氣提供管208中的空氣的壓縮器211，以提高燃料電池堆202的輸出密度。因而導(dǎo)致這種水冷式燃料電池系統(tǒng)201更復(fù)雜，更大，更重，并且更昂貴。相比較，存在通過消除壓縮機等附件并且采用空冷以冷卻燃料電池來實現(xiàn)系統(tǒng)簡化的空冷式燃料電池系統(tǒng)。圖8和圖9示出空冷式燃料電池系統(tǒng)301。如圖8中所示，類似于上述水冷式燃料電池系統(tǒng)201，空冷式燃料電池系統(tǒng)301包括通過堆疊多個單體電池或最小結(jié)構(gòu)單元獲得的燃料電池堆302，并且還包括向燃料電池堆302提供氫氣的氫氣提供裝置303。氫氣提供裝置303將存儲在高壓氫罐304中的壓縮氫氣通過氫提供管305經(jīng)由減壓閥306進入到燃料電池堆302的陽極進入部307中。在該過程中，由氫氣的絕熱膨脹導(dǎo)致的氫氣溫度下降使包括氫罐304、氫氣提供管305、減壓閥306等的與氫有關(guān)的部件冷卻。
在此，一般來說，與水冷式燃料電池系統(tǒng)不同，空冷式燃料電池系統(tǒng)301在陰極進氣側(cè)不包括高壓壓縮機。如圖9中所示，燃料電池系統(tǒng)301包括用于將空氣提供給燃料電池堆302的空氣提供管308和用于排放來自燃料電池堆302的剩余空氣的空氣排出管309。空氣提供管308利用低壓吹風(fēng)風(fēng)扇311將通過過濾器310吸入的環(huán)境空氣提供給燃料電池堆302的陰極進氣部312。 此外，提供給陰極進氣部312的空氣不僅在燃料電池堆302中堆疊的多個單體電池中作為用于發(fā)電反應(yīng)的與氫的反應(yīng)氣體，而且還起到去除燃料電池堆302中的廢熱以冷卻燃料電池堆302的冷卻介質(zhì)的作用。如圖9中所示，與氫反應(yīng)后的剩余空氣和冷卻了燃料電池堆302的空氣通過燃料電池堆302的陰極排氣部313作為陰極尾氣排放到空氣排出管309，然后被釋放到大氣。在燃料電池堆302中的發(fā)電中沒有使用而留下的剩余氫氣通過陽極排氣部314作為陽極尾氣排放到氫清除管315。氫清除管315連接到空氣排出管309的中部。排放到氫清除管315的陽極尾氣經(jīng)由清除閥316混入空氣排出管309中的陰極尾氣。當(dāng)在陽極側(cè)進行氫氣清除時，排出的氫氣在陰極尾氣的幫助下被稀釋到其爆炸下限以下，然后釋放到大氣。使用低壓風(fēng)扇311提供空氣作為上述反應(yīng)氣體和冷卻介質(zhì)的空冷式燃料電池系統(tǒng)301可以實現(xiàn)電力消耗降低的并且更小、更輕、更簡單的系統(tǒng)。然而，由于空氣流量有限，所以冷卻能力比上述水冷式燃料電池系統(tǒng)的冷卻能力低。因此，在有些情況下，燃料電池堆302的工作溫度范圍窄，這可導(dǎo)致在夏天等高溫時間段期間燃料電池堆302過熱。如上所述，在水冷式燃料電池系統(tǒng)和空冷式燃料電池系統(tǒng)中，當(dāng)作為燃料的氫從以高壓氣體的形式存儲氫的氫罐提供給燃料電池堆時，作為燃料的氫氣因其絕熱膨脹而冷卻。由此降低到低溫的氫氣又過度地冷卻包括氫罐本身的與氫有關(guān)的各種部件和設(shè)置在氫罐與燃料電池堆之間的與氫有關(guān)的各種部件，如減壓閥和用于壓力調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器。已經(jīng)有人指出，過度冷卻可影響與氫有關(guān)的這些部件的壽命和可靠性。為了避免這種不方便，例如日本實開平1-77267號公報和日本特開2007-161024號公報公開了將氫氣管和用于冷卻燃料電池的冷卻水管彼此相鄰設(shè)置或者將氫氣管和來自燃料電池系統(tǒng)的尾氣管彼此相鄰設(shè)置的技術(shù)。另外，例如日本特開2005-44520號公報公開了將與氫有關(guān)的部件設(shè)置在能夠接收從燃料電池堆的冷卻系統(tǒng)中的散熱器釋放的熱的位置處的技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻[專利文獻I]日本實開平1-77267號公報[專利文獻2]日本特開2007-161024號公報[專利文獻3]日本特開2005-44520號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題然而，在上述專利文獻I和2中公開的技術(shù)中，低溫的氫氣管和高溫的冷卻水管或尾氣管僅是彼此相鄰設(shè)置。因此，它們之間的熱交換的效率不能說很好。此外，在上述專利文獻3中公開的技術(shù)中，散熱器通常安裝在車輛的前部，而氫罐通常安裝在車輛的中部和后部之間的車輛地板下。因此，采用該技術(shù)具有對結(jié)構(gòu)有很大限制的問題。本發(fā)明的目的是防止與氫有關(guān)的部件由于氫氣的絕熱膨脹而變冷，并且還提高燃料電池堆的冷卻性能。用于解決問題的方案本發(fā)明是一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆；氫氣提供裝置，其用于將填充在氫罐中的氫氣通過減壓提供給所述燃料電池堆；空氣提供管，其用于將空氣提供給所述燃料電池堆；以及空氣排出管，其用于將剩余的空氣從所述燃料電池堆排出，在所述燃料電池系統(tǒng)中，所述氫氣提供裝置設(shè)置在能夠與所述空氣提供管和所述空氣排出管連通的熱交換腔室內(nèi)，當(dāng)所述氫氣提供裝置的溫度達到或低于預(yù)定溫度時，從所述燃料電池堆排出的空氣被引入到所述熱交換腔室中，并且當(dāng)從所述燃料電池堆排出的空氣的溫度達到或超過預(yù)定溫度時，引入到所述熱交換腔室中并且被所述氫氣提供裝置冷卻的空氣被提供給所述燃料電池堆。發(fā)明效果利用氫氣提供裝置設(shè)置在能夠與空氣提供管和空氣排出管連通的熱交換腔室內(nèi)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)該氫氣提供裝置的溫度達到或低于預(yù)定溫度(下限溫度)時，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)利用從燃料電池堆排出的熱空氣加熱該氫氣提供裝置。因此，可以防止氫氣提供裝置變冷。此外，當(dāng)從燃料電池堆排出的空氣達到或超過預(yù)定溫度(上限溫度)時，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以將引入到熱交換腔室中并且被氫氣提供裝置冷卻的空氣提供給燃料電池堆。因此，可以提高燃料電池堆的冷卻性能。


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圖框圖。
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圖4是示出在高溫時間段期間根據(jù)本發(fā)明該實施方式的燃料電池系統(tǒng)的操作的
具體實施例方式下面基于附圖描述本發(fā)明的實施方式。圖I至圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的燃料電池系統(tǒng)I。在圖I中，燃料電池系統(tǒng)I是安裝在燃料電池車輛上的燃料電池系統(tǒng)。如較早描述的(圖6至圖9)，燃料電池系
6統(tǒng)I包括通過堆疊多個被稱為單體電池的最小結(jié)構(gòu)單元獲得的燃料電池堆2，并且利用同時產(chǎn)生水的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。燃料電池系統(tǒng)I包括向燃料電池堆2提供氫氣的氫氣提供裝置3。氫氣提供裝置3將存儲在高壓氫罐4中的壓縮氫氣通過氫提供管5經(jīng)由減壓閥6引入到燃料電池堆2的陽極進氣部7。此外，與水冷式燃料電池系統(tǒng)不同，燃料電池系統(tǒng)I 一般在陰極進氣側(cè)不包括高壓壓縮器。燃料電池系統(tǒng)I包括用于將空氣提供給燃料電池堆2的空氣提供管8和用于從燃料電池堆2排出剩余空氣的空氣排出管9?？諝馓峁┕?利用低壓吹風(fēng)風(fēng)扇11將通過過濾器10引入的環(huán)境空氣提供給燃料電池堆2的陰極進氣部12。提供給陰極進氣部12的空氣不僅在燃料電池堆2中堆疊的多個單體電池中作為用于發(fā)電反應(yīng)的與氫的反應(yīng)氣體，而且還起到去除燃料電池堆2中的廢熱以冷卻燃料電池堆2的冷卻介質(zhì)的作用。因此，燃料電池堆2是使用空氣作為反應(yīng)氣體和冷卻介質(zhì)的空冷式燃料電池堆。因此，燃料電池系統(tǒng)I是空冷式燃料電池系統(tǒng)。與氫反應(yīng)后的剩余空氣和冷卻了燃料電池堆2的空氣通過燃料電池堆2的陰極排氣部13作為陰極尾氣排放到空氣排出管9，然后被釋放到大氣。在燃料電池堆2中的發(fā)電中沒有使用而留下的剩余氫氣通過陽極排氣部14作為陽極尾氣排放到氫清除管15。氫清除管15連接到空氣排出管9的中部。排放到氫清除管15的陽極尾氣經(jīng)由清除閥16混入空氣排出管9中的陰極尾氣。當(dāng)在陽極側(cè)進行氫氣清除時，排出的氫氣在陰極尾氣的幫助下被稀釋到其爆炸下限以下，然后被釋放到大氣。該燃料電池系統(tǒng)I具有氫氣提供裝置3，氫氣提供裝置3設(shè)置在能夠與空氣提供管8和空氣排出管9連通的熱交換腔室17內(nèi)。熱交換腔室17不必具有嚴密密封的腔室結(jié)構(gòu)。如圖2中所示，本實施方式的熱交換腔室17包括截面形狀為上側(cè)敞開的下腔室部18和覆蓋下腔室部18的開口 19的上腔室部20。上腔室部20在燃料電池車輛的地板21中被形成為向上突起的形狀。下腔室部18利用固定件22裝配到上腔室部20，熱交換腔室17可以利用上腔室20閉合下腔室部18上側(cè)的開口 19。熱交換腔室17包括第一連通部23，其與空氣提供管8連通；第二連通部24，其與空氣排出管9連通；以及第三連通部25，其在氫提供管5內(nèi)氫氣流動方向上在熱交換腔室17的上游部(氫罐4側(cè))與熱交換腔室17的內(nèi)部和外部連通。在第一連通部23和第二連通部24中分別設(shè)置有第一切換閥26和第二切換閥27，第一切換閥26和第二切換閥27分別打開和關(guān)閉連通部23和24。在第三連通部25中設(shè)置有吹風(fēng)風(fēng)扇28，吹風(fēng)風(fēng)扇28能夠在朝向熱交換室17內(nèi)部的方向和朝向熱交換室17外部的方向之間切換其吹動方向。第一連通部23在空氣提供管8中空氣流動方向上的吹風(fēng)風(fēng)扇11的下游，但是是燃料電池堆2的陰極進氣部12的緊上游的部分處與空氣提供管8連通。第二連通部24在空氣排出管9中空氣流動分向上的燃料電池堆2的陰極排氣部13的緊下游的部分處與空氣排出管9連通。連接到燃料電池堆2的陽極排氣部14的用于排放剩余氫氣的氫清除管15的下游端部在空氣排出管9中空氣流動方向上的第二連通部24的下游部分處連接到空氣排出管9。設(shè)置在第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28具有防爆結(jié)構(gòu)，并且能夠通過分別在向前和向后方向上轉(zhuǎn)動電動機向熱交換腔室17的內(nèi)外吹風(fēng)。如上所述，在燃料電池系統(tǒng)I中，熱交換腔室17被形成為連接到用于將空氣提供給燃料電池堆2的空氣提供管8并且連接到用于從燃料電池堆2排放空氣的空氣排出管9的形式。此外，包括氫氣提供裝置3的氫罐4、氫提供管5和減壓閥6的與氫有關(guān)的部件設(shè)置在熱交換腔室17內(nèi)。這樣，該燃料電池系統(tǒng)I能夠在空氣提供管8和空氣排出管9與氫罐4和燃料電池堆2之間的與氫有關(guān)的每個部件如氫提供管5和減壓閥6之間熱交換。該燃料電池系統(tǒng)I包括檢測空氣提供管8中在過濾器10和吹風(fēng)風(fēng)扇11之間提供的空氣溫度的供給空氣溫度傳感器29，并且還包括在氫清除管15連接處的上游部分檢測排放到空氣排出管9的空氣溫度的排出空氣溫度傳感器30。燃料電池系統(tǒng)I還包括在氫氣提供裝置3的氫罐4中檢測氫罐溫度的氫罐溫度傳感器31，還包括在熱交換腔室17中檢測熱交換腔室17中的氫氣濃度的氫氣濃度傳感器32。燃料電池系統(tǒng)I包括控制裝置33，其基于供給空氣溫度傳感器29、排出空氣溫度傳感器30、氫罐溫度傳感器31和氫氣濃度傳感器32的檢測信號控制第一切換閥26、第二切換閥27和吹風(fēng)風(fēng)扇28。燃料電池系統(tǒng)I基于供給空氣溫度傳感器29、排出空氣溫度傳感器30和氫罐溫度傳感器31檢測到的溫度利用控制裝置33操作第一切換閥26、第二切換閥27和吹風(fēng)風(fēng)扇28。該燃料電池系統(tǒng)I利用控制裝置33控制第一切換閥26、第二切換閥27和吹風(fēng)風(fēng)扇28，使得當(dāng)氫罐溫度傳感器31檢測到的氫氣提供裝置3的氫罐4的溫度達到或低于預(yù)定溫度時，將從燃料電池堆2排出的空氣引入到熱交換腔室17中，以加熱氫氣提供裝置3，而當(dāng)從燃料電池堆2排出的空氣的溫度達到或超過預(yù)定溫度時將引入到熱交換腔室17并且被氫氣提供裝置3冷卻的空氣提供給燃料電池堆2。此外，燃料電池系統(tǒng)I利用控制裝置33操作第一切換閥26、第二切換閥27和吹風(fēng)風(fēng)扇28，使得當(dāng)氫氣濃度傳感器32檢測到的氫氣濃度達到或超過預(yù)定濃度時，將環(huán)境空氣引入熱交換腔室17并且流入空氣排出管9。此外，在將氫氣填充到氫罐4中的情況下，當(dāng)氫罐4的溫度超過預(yù)定值時，燃料電池系統(tǒng)I利用控制裝置33打開第一切換閥26和第二切換閥27中的至少一個，并且通過吹風(fēng)風(fēng)扇28將環(huán)境空氣引入到熱交換腔室17中。接下來，描述燃料電池系統(tǒng)I的操作。如圖3中所示，在低溫時間段期間，燃料電池系統(tǒng)I利用第一切換閥26關(guān)閉第一連通部23，同時利用第二切換閥27打開第二連通部24，并且還在熱交換腔室17的從內(nèi)到外的空氣排出方向上轉(zhuǎn)動第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28，從而將熱的排出空氣從燃料電池堆2引導(dǎo)到熱交換腔室17，使得可以防止與氫有關(guān)的部件過度冷卻。在燃料電池堆2中消耗的氫氣量大，引起氫罐4的壓力快速下降的條件I的情況下，發(fā)生氫罐4等與氫有關(guān)的部件過度冷卻。在該條件下，來自燃料電池堆2的廢熱量也大。因此，通過將排出空氣從燃料電池堆2引導(dǎo)到容納與氫有關(guān)的部件的熱交換腔室17中，可以防止與氫有關(guān)的部件過度冷卻。另一方面，如圖4中所示，在高溫時間段期間，燃料電池系統(tǒng)I利用第一切換閥26打開第一連通部23，同時利用第二切換閥27關(guān)閉第二連通部24，并且還在熱交換腔室17的從外到內(nèi)的空氣提供方向上轉(zhuǎn)動第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28，從而將熱交換腔室17內(nèi)的冷卻空氣引導(dǎo)到連接到燃料電池堆2的空氣提供管8中，使得可以防止燃料電池堆2的過度發(fā)熱。當(dāng)燃料電池堆2在高溫、高負載條件下發(fā)電時燃料電池堆2可能過度發(fā)熱。在該條件下，氫罐4的壓力快速下降，并且包括氫罐4的與氫有關(guān)的部件的溫度也相應(yīng)地下降很大。因此，通過將熱交換腔室17內(nèi)的空氣引導(dǎo)到燃料電池堆2，可以防止燃料電池堆2過度發(fā)熱。當(dāng)所述溫度在不可能存在與氫有關(guān)的部件過度冷卻或者燃料電池堆2過度發(fā)熱的范圍內(nèi)時，第一切換閥26和第二切換閥27 二者關(guān)閉它們各自的第一連通部23和第二連通部24，并且第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28被停止。接下來，根據(jù)圖5中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖詳細描述在每個條件下對燃料電池系統(tǒng)I的第一切換閥26、第二切換閥27和吹風(fēng)風(fēng)扇28的控制。燃料電池系統(tǒng)I將分別由供給空氣溫度傳感器29、排出空氣溫度傳感器30、氫罐溫度傳感器31和氫氣濃度傳感器32檢測到的信號T1、T2、T3和Hl輸入到控制裝置33中，以使控制裝置33以如下方式控制第一切換閥26、第二切換閥27和吹風(fēng)風(fēng)扇28。首先，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)I被啟動時，控制裝置33以正常模式(I)運行燃料電池系統(tǒng)I。在正常模式(I)中，第一切換閥26和第二切換閥27 二者關(guān)閉第一連通部23和第二連通部24，并且第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28被設(shè)定到停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)安裝有燃料電池系統(tǒng)I的燃料電池汽車發(fā)生負載增加時，這增加在燃料電池堆2中產(chǎn)生的電流，并因此增加燃料電池堆2中消耗的氫的量，氫罐4的壓力快速下降，從而降低氫罐4和減壓閥5等與氫有關(guān)的部件的溫度。當(dāng)氫罐溫度傳感器31檢測到的溫度Τ3達到或低于預(yù)先設(shè)定的預(yù)定溫度T3L(下限溫度)時(Τ3 < T3L)，控制裝置33以與氫有關(guān)的部件加熱模式(2)運行燃料電池系統(tǒng)I。在與氫有關(guān)的部件加熱模式(2)下，控制裝置33利用第一切換閥26關(guān)閉第一連通部23，同時利用第二切換閥27打開第二連通部24，并且還在空氣排出方向上轉(zhuǎn)動第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28，從而將熱的排出空氣從燃料電池堆2引導(dǎo)到熱交換腔室17中。來自燃料電池堆2的廢熱升高了氫罐4和與氫有關(guān)的部件的溫度。當(dāng)氫罐4和與氫有關(guān)的部件的溫度由于來自燃料電池堆2的廢熱而升高，并且氫罐溫度傳感器31檢測到的溫度Τ3達到或超過比預(yù)定溫度T3L高的預(yù)定溫度Τ3Η時(Τ3 ^ Τ3Η)，燃料電池系統(tǒng)I切換回到正常模式⑴。當(dāng)切換到正常模式⑴時，控制裝置33利用第二切換閥27關(guān)閉第二連通部24并且停止第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28的轉(zhuǎn)動。在此，控制裝置33在對第一切換閥26、第二切換閥27和吹風(fēng)風(fēng)扇28的控制中存在滯后。因此，第一預(yù)定溫度Τ3Η被設(shè)定為大于第二預(yù)定溫度T3L的值(Τ3Η > T3L)。接下來，在高溫時間段期間，當(dāng)燃料電池堆2的排出空氣溫度傳感器30檢測到的溫度Τ2達到或超過預(yù)先設(shè)定的預(yù)定溫度Τ2Η(上限溫度)時(Τ2 > Τ2Η)，控制裝置33以燃料電池堆冷卻模式(3)運行燃料電池系統(tǒng)I。在燃料電池堆冷卻模式(3)中，控制裝置33利用第一切換閥26打開第一連通部23，同時利用第二切換閥27關(guān)閉第二連通部24，并且還在空氣提供方向上轉(zhuǎn)動第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28，從而將熱交換腔室17內(nèi)的冷卻空氣引導(dǎo)到燃料電池堆2的空氣提供管8中。熱交換腔室17內(nèi)的冷卻空氣降低燃料電池堆2的溫度。當(dāng)通過接受熱交換腔室17內(nèi)的比環(huán)境空氣冷的空氣，燃料電池堆2的溫度下降，并且排出空氣溫度傳感器30檢測到的溫度Τ2達到或低于比預(yù)定溫度Τ2Η低的預(yù)定溫度T2L時(Τ2 ^ T2L)，燃料電池系統(tǒng)I切換回到正常模式(I)。當(dāng)切換到正常模式(I)時，控制裝置33利用第一切換閥26關(guān)閉第一連通部23，并且停止第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28的轉(zhuǎn)動。在此，控制裝置33在對第一切換閥26、第二切換閥27和吹風(fēng)風(fēng)扇28的控制中存在滯后。因此，第一預(yù)定溫度T2L被設(shè)定為小于第二預(yù)定溫度T2H的值(T2L < T2H)。此外，除了上述控制以外，燃料電池系統(tǒng)I還進行以下兩種控制。第一種控制是在氫泄漏狀態(tài)下燃料電池系統(tǒng)I的控制。在氫氣從諸如氫罐4和氫罐4與燃料電池堆2之間的包括氫提供管5和減壓閥6的與氫有關(guān)的部件中的任一個泄漏的情況下，氫氣濃度傳感器32檢測到的熱交換腔室17內(nèi)的氫氣濃度Hl上升。當(dāng)檢測到的氫氣濃度Hl達到或超過預(yù)先設(shè)定的預(yù)定濃度HlL時(HI ^ HlL)，控制裝置33以泄漏的氫排出模式⑷運行燃料電池系統(tǒng)I。在泄漏的氫排出模式(4)中，控制裝置33利用第一切換閥26關(guān)閉第一連通部23，同時利用第二切換閥27打開第二連通部24，并且還在空氣排出方向上轉(zhuǎn)動第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28,從而將熱交換腔室17內(nèi)泄漏的氫氣排放到大氣。這樣，可以防止該氫氣停留在熱交換腔室17內(nèi)。當(dāng)氫氣濃度傳感器32檢測到的氫氣濃度Hl達到或超過預(yù)定溫度HlL時，燃料電池系統(tǒng)I立刻切換到泄漏的氫排出模式(4)，而不管燃料電池系統(tǒng)I是否以上述模式(I)、(2)和(3)或者下面描述的模式(5)中任一個模式運行。第二種控制是在將氫氣填充到氫罐4中時進行的控制。在用于填充氫氣的氫站中，氫氣從氫站側(cè)填充到燃料電池車輛的氫罐4中。在該過程中，由于氫氣被絕熱壓縮，罐溫度上升。氫罐4不僅在低溫側(cè)具有可允許溫度，而且在高溫側(cè)也具有可允許溫度，并且不能在之上的溫度范圍內(nèi)使用。在這方面，已知一種預(yù)冷卻技術(shù)，在該技術(shù)中填充預(yù)先降低到低溫的氫氣。還知道一些其它方法，其中燃料電池汽車側(cè)和氫站側(cè)彼此通信，使得氫站側(cè)可以得到安裝在該車輛上的氫罐4的罐溫度，并且以防止該溫度達到所述可允許的溫度的方式控制填充速度。在此情況下，就加快填充速度而言，抑制氫罐4的溫度增加也是有效的。在該燃料電池系統(tǒng)I中，在將氫氣填充到氫罐4中期間，當(dāng)氫罐溫度傳感器31檢測到的罐溫度T3達到或超過預(yù)先設(shè)定的預(yù)定值Τ3 時(T3彡T3FH)，控制裝置33以氫罐冷卻模式(5)運行燃料電池系統(tǒng)I。在氫罐冷卻模式(5)中，控制裝置33利用第一切換閥26和第二切換閥27打開第一連通部23和第二連通部24，并且還在空氣提供方向上轉(zhuǎn)動第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28，以清掃熱交換腔室17內(nèi)部。結(jié)果，氫罐4被冷卻。當(dāng)氫罐4的溫度下降并且氫罐溫度傳感器31檢測到的罐溫度T3達到或低于比預(yù)定值Τ3 低的另一個預(yù)定值T3FL時(T3彡T3FL)，燃料電池系統(tǒng)I切換回到正常模式(I)。當(dāng)切換到正常模式(I)時，控制裝置33利用第一切換閥26和第二切換閥27關(guān)閉第一連通部23和第二連通部24，并且停止第三連通部25中的吹風(fēng)風(fēng)扇28的轉(zhuǎn)動。在此，控制裝置33在對第一切換閥26、第二切換閥27和吹風(fēng)風(fēng)扇28的控制中存在滯后。因此，第二預(yù)定值T3FL被設(shè)定為小于第一預(yù)定值Τ3 的值(Τ3 > T3FL)。如上所述，利用氫氣提供裝置3設(shè)置在能夠與空氣提供管8和空氣排出管9連通的熱交換腔室17內(nèi)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)氫罐4的罐溫度T3達到或低于預(yù)定溫度T3L時，燃料電池系統(tǒng)I利用從燃料電池堆2排出的熱空氣加熱氫氣提供裝置3。因此，可以防止氫氣提供裝置3變冷。此外，當(dāng)從燃料電池堆2排出的空氣的溫度T2達到或超過預(yù)定溫度T2H時，燃料電池系統(tǒng)I可以將引入到熱交換腔室17中并且被氫氣提供裝置3冷卻的空氣提供給燃料電池堆2。因此，可以提高燃料電池堆2的冷卻性能。在燃料電池堆2是使用空氣作為反應(yīng)氣體和冷卻介質(zhì)的空冷式燃料電池堆的情況下，燃料電池系統(tǒng)I通過采用上述結(jié)構(gòu)可以進一步提高燃料電池堆2的冷卻性能。此外，利用第一切換閥26設(shè)置在與空氣提供管8連通的第一連通部23中，第二切換閥27設(shè)置在與空氣排出管9連通的第二連通部24中，并且能夠切換其吹風(fēng)方向的吹風(fēng)風(fēng)扇28設(shè)置在氫氣流動方向的上游部的第三連通部25中的結(jié)構(gòu)，燃料電池系統(tǒng)I可以切換熱交換腔室17的連通方向和空氣流動方向。因此，可以在用于防止氫氣提供裝置3變冷的狀態(tài)和用于提高燃料電池堆2的冷卻性能的狀態(tài)之間切換。該燃料電池系統(tǒng)可以基于由供給空氣溫度傳感器29檢測到的在空氣提供管8中流動的空氣的溫度、由排出空氣溫度傳感器30檢測到的流入空氣排出管9中的空氣的溫度和由氫罐溫度傳感器31檢測到的氫罐4的罐溫度，將狀態(tài)切換到用于防止氫氣提供裝置3變冷的狀態(tài)和用于提高燃料電池堆2的冷卻性能的狀態(tài)中更適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。此外，在該燃料電池系統(tǒng)中，連接到燃料電池堆2的用于排出剩余氫氣的氫清除管15的下游端部在空氣排出管9中空氣流動方向上的第二連通部24的下游部分處連接到空氣排出管9。因此，可以防止通過氫清除管15排出的剩余氫氣流入熱交換腔室17中。當(dāng)由氫氣濃度傳感器32檢測到的熱交換腔室17內(nèi)的氫氣濃度達到或超過預(yù)定濃度時，燃料電池系統(tǒng)I將環(huán)境空氣引入到熱交換腔室17中，并且使其流入到空氣排出管9中。因此，可以防止氫氣停留在熱交換腔室17內(nèi)，并且由此提高燃料電池系統(tǒng)I的安全性。由于吹風(fēng)風(fēng)扇28具有防爆結(jié)構(gòu)，所以即使當(dāng)氫氣泄漏到熱交換腔室17中時，燃料電池系統(tǒng)I也可以安全地驅(qū)動吹風(fēng)風(fēng)扇28。此外，在將氫氣填充到氫罐4中的情況下，當(dāng)氫罐4的溫度達到或超過預(yù)定值時，燃料電池系統(tǒng)I打開第一切換閥26和第二切換閥27中的至少一個(在本實施方式中是打開這兩個閥)，并且利用吹風(fēng)風(fēng)扇28將環(huán)境空氣引入熱交換腔室17。因此，當(dāng)氫氣被填充到氫罐4中時，環(huán)境空氣冷卻氫罐4，從而可以抑制由氫氣的絕熱壓縮導(dǎo)致的氫罐內(nèi)的溫度升高。因此，可以縮短將氫氣填充到氫罐4中所需的時間。在燃料電池系統(tǒng)I中，熱交換腔室17具有下腔室部18的截面形狀為上側(cè)敞開并且在車輛的地板21中形成的上腔室部20閉合下腔室部18上側(cè)的開口 19的結(jié)構(gòu)。因此，使得熱交換腔室17的結(jié)構(gòu)簡單。因此，可以提高其在車輛上的可安裝性。盡管在上述實施方式中熱交換腔室17設(shè)置在空冷式燃料電池系統(tǒng)I中，但是冷卻燃料電池系統(tǒng)的該方法不局限于空冷式燃料電池系統(tǒng)，并且可應(yīng)用于水冷式燃料電池系統(tǒng)。特別地，由于水冷式燃料電池系統(tǒng)中尾氣的溫度比空冷式燃料電池系統(tǒng)中的高，所以在低溫時間段防止與氫有關(guān)的部件過冷的效果更大。此外，盡管在上述實施方式中強力吹風(fēng)風(fēng)扇11設(shè)置在空氣提供管8中以將空氣提供到燃料電池堆2中，但是也可以將感應(yīng)吹風(fēng)風(fēng)扇設(shè)置在燃料電池堆2的出口側(cè)的空氣排出管9中。此外，盡管在上述實施方式中設(shè)置一個能夠前后轉(zhuǎn)動的吹風(fēng)風(fēng)扇28，以將空氣吹入和吹出熱交換腔室17，但是也可以設(shè)置用于吹入空氣的風(fēng)扇和用于吹出空氣的風(fēng)扇二者。
工業(yè)上的可利用性
本發(fā)明防止與氫有關(guān)的部件由于氫氣的絕熱膨脹而變冷，還提高了燃料電池堆的冷卻性能，并且不僅可以應(yīng)用于空冷式燃料電池系統(tǒng)，而且還可以應(yīng)用于水冷式燃料電池系統(tǒng)。
附圖標(biāo)記說明
I燃料電池系統(tǒng)
2燃料電池堆
3氫氣提供裝置
4氫罐
5氫提供管
6減壓閥
8空氣提供管
9空氣排出管
10過濾器
11吹風(fēng)風(fēng)扇
15氫清除管
16清除閥
17熱交換腔室
23第一通信部
24第二通信部
25第三通信部
26第一切換閥
27第二切換閥
28吹風(fēng)風(fēng)扇
29供給空氣溫度傳感器
30排出空氣溫度傳感器
31氫罐溫度傳感器
32氫氣濃度傳感器
33控制裝置
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆；氫氣提供裝置，其用于將填充在氫罐中的氫氣通過減壓提供給所述燃料電池堆；空氣提供管，其用于將空氣提供給所述燃料電池堆；以及空氣排出管，其用于將剩余的空氣從所述燃料電池堆排出，在所述燃料電池系統(tǒng)中 所述氫氣提供裝置設(shè)置在能夠與所述空氣提供管和所述空氣排出管連通的熱交換腔室內(nèi)， 當(dāng)所述氫氣提供裝置的溫度達到或低于預(yù)定溫度時，從所述燃料電池堆排出的空氣被弓I入到所述熱交換腔室中，并且 當(dāng)從所述燃料電池堆排出的空氣的溫度達到或超過預(yù)定溫度時，引入到所述熱交換腔室中并且被所述氫氣提供裝置冷卻的空氣被提供給所述燃料電池堆。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述燃料電池堆是使用空氣作為反應(yīng)氣體和冷卻介質(zhì)的空冷式燃料電池堆。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述熱交換腔室包括第一切換閥，其用于打開和關(guān)閉與所述空氣提供管連通的第一連通部；第二切換閥，其用于打開和關(guān)閉與所述空氣排出管連通的第二連通部；以及第三連通部，其在氫氣流動方向上在所述熱交換腔室的上游部與外部連通，并且 在所述第三連通部中設(shè)置有能夠切換空氣流動方向的吹風(fēng)風(fēng)扇。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 在所述空氣提供管和所述空氣排出管中分別設(shè)置有檢測空氣的溫度的溫度傳感器， 在所述氫氣提供裝置中設(shè)置有檢測所述氫罐的溫度的溫度傳感器，并且 基于所述溫度傳感器檢測到的溫度選擇性地操作所述第一切換閥、所述第二切換閥和所述吹風(fēng)風(fēng)扇。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 用于排出剩余氫氣的氫清除管連接到所述燃料電池堆，并且 所述氫清除管的下游端部在所述空氣排出管中的空氣流動方向上在所述第二連通部的下游部連接到所述空氣排出管。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述熱交換腔室包括檢測所述熱交換腔室中的氫氣濃度的氫氣濃度傳感器，并且 當(dāng)所述氫氣濃度傳感器檢測到的氫氣濃度達到或超過預(yù)定濃度時，環(huán)境空氣被引入到所述熱交換腔室中并且流入所述空氣排出管中。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述吹風(fēng)風(fēng)扇具有防爆結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在將氫氣填充到所述氫罐中的情況下，當(dāng)所述氫罐的溫度達到或超過預(yù)定值時，所述第一切換閥和所述第二切換閥中的至少一個被打開，并且所述環(huán)境空氣通過所述吹風(fēng)風(fēng)扇被引入到所述熱交換腔室中。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述熱交換腔室包括截面形狀為上側(cè)敞開的下腔室部和用于閉合所述下腔室部中的開口的上腔室部，并且 所述上腔室部由車輛的地板形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池堆；氫氣提供裝置，其用于將填充在氫罐中的氫氣通過減壓提供給所述燃料電池堆；空氣提供管，其用于將空氣提供給所述燃料電池堆；以及空氣排出管，其用于將剩余的空氣從所述燃料電池堆排出。所述氫氣提供裝置設(shè)置在能夠與所述空氣提供管和所述空氣排出管連通的熱交換腔室內(nèi)。當(dāng)所述氫氣提供裝置的溫度達到或低于預(yù)定溫度(T3L)時，從所述燃料電池堆排出的空氣被引入到所述熱交換腔室中。當(dāng)從所述燃料電池堆排出的空氣的溫度達到或超過預(yù)定溫度(T2H)時，引入到所述熱交換腔室中并且被所述氫氣提供裝置冷卻的空氣被提供給所述燃料電池堆。
文檔編號B60K15/03GK102959783SQ20118003159
公開日2013年3月6日 申請日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者池谷謙吾 申請人:鈴木株式會社