專利名稱：燃料電池車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池車輛。
在使用氟型離子交換膜作為電解質(zhì)的PEFC中，已開發(fā)高性能的離子交換膜，此膜允許獲得的電流密度比現(xiàn)有技術(shù)中的高出許多倍。因而，有可能在車輛的有限安裝空間內(nèi)安裝具有足夠輸出的燃料電池。
由于在美國(guó)加利福尼亞州中限制尾氣排放，正考慮把PEFC應(yīng)用于電動(dòng)車輛，但在市場(chǎng)上還沒有燃料電池車輛(FCV)，現(xiàn)在僅推出實(shí)驗(yàn)車輛。
FCV包括使用氫氣燃料和空氣產(chǎn)生電力的燃料電池；向燃料電池供應(yīng)空氣的送氣機(jī)；向燃料電池供應(yīng)包含氫氣的燃料氣體的燃料供應(yīng)裝置；和把電力轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)。而且，除了燃料電池之外，一般還設(shè)置蓄電池。
正考慮供應(yīng)燃料的不同方法，如儲(chǔ)存氫氣并把它提供給燃料電池；或把諸如甲醇或汽油的燃料用重整爐轉(zhuǎn)化成含氫氣的重整氣體并把它提供給燃料電池。
如

圖1所示，隧道106內(nèi)是趨于充滿ICEV 105的尾氣的環(huán)境。如果FCV 103在此隧道106內(nèi)行駛，壓縮機(jī)101會(huì)通過過濾器102吸入所述尾氣，并把它供應(yīng)給燃料電池100。
在排放的物質(zhì)中，CO使燃料電池的電極催化劑中毒，并顯著降低其活性。NOx進(jìn)入水系統(tǒng)，燃料電池的硝酸和亞硝酸溶脹的聚合膜因其氧化性裂解(degrade)各種成分和聚合物膜，并且降低燃料電池的性能。隨著水系統(tǒng)的消電離過濾器的交換時(shí)間增長(zhǎng)，維修成本也增加。而且，粘附到燃料電池的電極催化劑的油成分裂解電極催化劑，并降低燃料電池的性能。
如果提高空氣過濾器的性能以處理此情況，制造成本和維修成本不僅提高，而且隨著空氣過濾器的壓力損失變大，壓縮機(jī)的電耗將增加，并且FCV的燃料成本-性能下降。
日本專利局1997年公開的JP-A-H9-63620提出在吸入空氣中進(jìn)行CO氧化處理的方法。然而，在此方法中，需要額外的燃料，以使用加熱爐來(lái)對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)加熱。而且，為了冷卻已加熱的空氣，必須由散熱器輻射的熱量增加。由于燃料電池本身釋放出大量的廢熱，必須由散熱器輻射熱量的上述增加是不合乎需要的。
難以通過氧化除去大氣中的油成分。
而且，由于理論上不可能通過氧化除去NOx，因此必須通過把NOx分解成氮?dú)夂脱鯕舛ィ诤罅垦鯕獾拇髿鈿夥罩羞M(jìn)行此分解反應(yīng)非常困難，此反應(yīng)為還原反應(yīng)。
在日本專利局1997年公開的JP-A-H9-180744中，提出檢測(cè)有毒物質(zhì)的方法，在此方法中，如果檢測(cè)到吸入有毒物質(zhì)，燃料電池就停止產(chǎn)生電力。然而，當(dāng)此方法不作修改應(yīng)用到FCV中時(shí)，提供的電力不足并且行駛性能下降。
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是，防止FCV的燃料電池性能因在吸入空氣中的諸如CO的有毒物質(zhì)而下降，同時(shí)防止降低FCV的行駛性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提供一種燃料電池車輛，其中包括使用包含氫氣的燃料氣體產(chǎn)生電力的燃料電池；向燃料電池提供空氣的送氣機(jī)；向燃料電池提供燃料氣體的燃料供應(yīng)裝置；用燃料電池產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)車輛的電動(dòng)機(jī)；儲(chǔ)存由燃料電池產(chǎn)生的電力和由電動(dòng)機(jī)再生的電力并向電動(dòng)機(jī)提供所儲(chǔ)存的電力的蓄電池；在送氣機(jī)所供應(yīng)的空氣中檢測(cè)所含有毒物質(zhì)的傳感器，所述有毒物質(zhì)使燃料電池的性能下降；檢測(cè)電池充電狀態(tài)的傳感器；以及被編程以基于有毒物質(zhì)和電池充電狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果控制燃料電池的操作和停止的微處理器。
本發(fā)明的詳細(xì)描述以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)在下文中提出并在附圖中示出。
圖2為示出根據(jù)本發(fā)明的FCV的示意結(jié)構(gòu)的方框圖。
圖3為示出燃料電池的操作和停止控制的流程圖。
圖4為用于確定燃料電池是操作或停止的圖。
圖5與圖2相似，但示出本發(fā)明的第二實(shí)施例。
圖6為示出第二實(shí)施例中燃料電池的操作和停止控制的流程圖。
數(shù)字207為蓄電池，此蓄電池儲(chǔ)存由燃料電池200產(chǎn)生的電力和由電動(dòng)機(jī)208減速時(shí)所再生的電力，或提供電力以運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)208。數(shù)字209為電力控制裝置，它控制燃料電池200、電池207和電動(dòng)機(jī)208之間的電力交換以及從燃料電池200輸出的電量。
電力控制裝置209計(jì)算電池207的充電狀態(tài)(SOC)。隨著電池207中儲(chǔ)存的電能增加，SOC變得越來(lái)越大，并且在電池207的最大容量時(shí)為100％。隨著電池207中儲(chǔ)存的電能減少，SOC變得越來(lái)越小，并且當(dāng)儲(chǔ)存在電池207中的電能接近于零時(shí)，SOC將為0％。電壓表206檢測(cè)電池207接線端之間的電壓，SOC例如通過查閱示出所述電壓和SOC之間關(guān)系的表來(lái)計(jì)算。
數(shù)字250為CO傳感器，它在壓縮機(jī)202的入口251處檢測(cè)壓縮機(jī)202所吸入的空氣中的CO濃度?；贑O傳感器250檢測(cè)到的CO濃度以及電力控制裝置209計(jì)算的電池207的充電狀態(tài)，控制器254控制重整爐201、壓縮機(jī)202、燃料供應(yīng)裝置205和燃料電池200的操作或停止。通過操作重整爐201來(lái)操作燃料電池200，并且通過停止重整爐201而停止燃料電池200。在日本專利局于2001年公開的JP-A-2001-23678中詳細(xì)描述此操作。
下面，參照?qǐng)D3中流程圖描述控制器254對(duì)燃料電池200進(jìn)行的操作/停止控制。
首先，在步驟S1中，讀取CO傳感器250檢測(cè)的CO濃度。在步驟S2中，使用儲(chǔ)存在控制器254內(nèi)存中的前一CO濃度值和在步驟S1中讀取的值，計(jì)算CO濃度的時(shí)間平均值。
在步驟S3中，讀取由電力控制裝置209計(jì)算的電池207的SOC。
在步驟S4中，通過查閱圖4所示的圖A而確定燃料電池是操作還是停止。
在步驟S5、S6中，確定重整爐201是否正在操作。如果重整爐201正在操作，就繼續(xù)操作，然而如果重整爐201已停止，就重新啟動(dòng)重整爐201。
在步驟S7、S8中，確定重整爐201是否正在操作。如果重整爐201已停止，就繼續(xù)此停止?fàn)顟B(tài)，然而如果重整爐201正在操作，就停止重整爐201。
通過操作燃料供應(yīng)裝置205和壓縮機(jī)202并供應(yīng)燃料和空氣來(lái)操作重整爐201。通過停止燃料供應(yīng)裝置205和壓縮機(jī)202并停止燃料和空氣供應(yīng)來(lái)停止重整爐201?；诳刂破?54是否向燃料供應(yīng)裝置205和壓縮機(jī)202輸出空氣供應(yīng)信號(hào)和燃料供應(yīng)信號(hào)，決定重整爐201是否操作。
如圖4所示的圖A使用CO濃度和SOC作為參數(shù)來(lái)設(shè)定燃料電池200的操作區(qū)域和停止區(qū)域。優(yōu)選抑制燃料電池的停止以防止電池過度放電并維持SOC在一定程度。另一方面，優(yōu)選停止燃料電池，以防止燃料電池降質(zhì)。因此，設(shè)定圖A使得燃料電池在CO濃度較低且SOC較大時(shí)停止工作。
根據(jù)圖4所示的圖A，如果充電狀態(tài)小于第一參考值SOC_L，為了防止電池207的過度放電，重整爐201的操作與在壓縮機(jī)202吸入的空氣中的CO濃度無(wú)關(guān)，并且使燃料電池200產(chǎn)生電力。另一方面，如果充電狀態(tài)高于第二參考值SOC_H，此第二參考值SOC_H設(shè)定得高于第一參考值SOC_L，只向電動(dòng)機(jī)208提供由電池207供應(yīng)的電力就可在一段時(shí)間(例如直到通過隧道)內(nèi)獲得足夠的驅(qū)動(dòng)力，因此重整爐201的停止與在壓縮機(jī)202吸入的空氣中的CO濃度無(wú)關(guān)。
在這，第一參考值SOC_L根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間(用于重啟燃料電池系統(tǒng)所需的時(shí)間)設(shè)定。例如，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間較短時(shí)，第一參考值SOC_L設(shè)定為20％，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，它就設(shè)定為60％。第二參考值SOC_H例如設(shè)定為80％。
由于燃料電池200的上述操作/停止控制，當(dāng)車輛在使燃料電池200降質(zhì)的環(huán)境中行駛時(shí)，如果SOC足夠時(shí)燃料電池200就停止工作。因此，防止燃料電池200的降質(zhì)，同時(shí)不降低車輛的行駛性能。通過參照?qǐng)DA決定是否操作或停止燃料電池，從而可易于執(zhí)行此控制。
如果因CO濃度的瞬時(shí)變化，如當(dāng)通過柴油機(jī)車時(shí)，重整爐201停止工作并頻繁重啟，那么能量效率就會(huì)下降，但是，通過與本實(shí)施例一樣地使用CO濃度的時(shí)間平均值執(zhí)行控制，此頻率切換可被抑制并且可維持高的效率。
通過使用CO傳感器在吸入空氣中檢測(cè)有毒物質(zhì)，可防止燃料電池因CO而降質(zhì)，CO極大地?fù)p害燃料電池。
如果提供在吸入空氣中檢測(cè)除CO以外的有毒物質(zhì)如NOx和油成分的傳感器，那么就可根據(jù)這些物質(zhì)的濃度執(zhí)行與上述相同的控制。
而且，本發(fā)明不僅可應(yīng)用于通過重整燃料而產(chǎn)生供應(yīng)燃料電池的氫氣的燃料電池車輛，而且可應(yīng)用于包括用于儲(chǔ)存氫氣的氫氣存儲(chǔ)裝置(氫氣存儲(chǔ)罐、金屬氫化物合金等)的燃料電池車輛，儲(chǔ)存在此裝置中的氫氣直接提供給燃料電池，如圖5所示(第二實(shí)施例)。在此情況下，通過控制氫氣的供應(yīng)而控制燃料電池的操作和停止。
圖6示出通過控制器254對(duì)圖5所示的具有氫氣存儲(chǔ)罐的燃料電池200進(jìn)行操作/停止控制。
步驟S1-S4與圖3相同。在步驟S1-S4中，基于CO濃度和SOC確定操作還是停止燃料電池200。
在步驟S15、S16中，確定燃料電池200是否正在操作。如果燃料電池200正在操作，就繼續(xù)進(jìn)行操作，然而如果燃料電池200已停止，燃料電池200就重啟。
在步驟S17、S18中，確定燃料電池200是否正在操作。如果燃料電池200已停止，就繼續(xù)此停止?fàn)顟B(tài)，然而如果燃料電池200正在操作，燃料電池200就停止。
當(dāng)控制器254向燃料供應(yīng)裝置(氫氣存儲(chǔ)罐)260輸出燃料供應(yīng)信號(hào)并向壓縮機(jī)202輸出操作信號(hào)而且電力控制裝置209正接收電力供應(yīng)信號(hào)時(shí)，控制器254就判定燃料電池200正在操作。當(dāng)控制器254不向燃料供應(yīng)裝置(氫氣存儲(chǔ)罐)260輸出燃料供應(yīng)信號(hào)和不向壓縮機(jī)202輸出操作信號(hào)而且電力控制裝置209不接收電力供應(yīng)信號(hào)時(shí)，控制器254就判定燃料電池200處于停止?fàn)顟B(tài)。
燃料電池200通過操作燃料供應(yīng)裝置260和壓縮機(jī)202并供應(yīng)燃料和空氣而操作。燃料電池200通過停止燃料供應(yīng)裝置260和壓縮機(jī)202并停止燃料和空氣供應(yīng)而停止。
如果燃料電池具有產(chǎn)生氫氣的重整爐，由于重整爐的操作可通過控制燃料供應(yīng)裝置的燃料供應(yīng)而控制，因此燃料電池的操作/停止控制就可以與具有氫氣存儲(chǔ)裝置的燃料電池相同的方式進(jìn)行。
通過執(zhí)行上述控制，即使吸入空氣中的有毒物質(zhì)濃度高時(shí)也可防止燃料電池的降質(zhì)。
日本專利申請(qǐng)P2000-266857(2000年9月4日申請(qǐng))的全部?jī)?nèi)容在此引入作為參考。
盡管以上已參照本發(fā)明的一些實(shí)施例描述本發(fā)明，但本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制。根據(jù)以上敘述，本領(lǐng)域中技術(shù)人員可對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改和變更。本發(fā)明的范圍根據(jù)以下權(quán)利要求而定義。工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域本發(fā)明可用于配置有燃料電池的車輛，并且有效地防止燃料電池的性能因吸入空氣中所含的CO、NOx和油成分而下降。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池車輛，其中包括燃料電池(200)，使用包含氫氣的燃料氣體產(chǎn)生電力；送氣機(jī)(202)，向燃料電池(200)提供空氣；燃料供應(yīng)裝置(201、205、260)，向燃料電池(200)供應(yīng)燃料氣體；電動(dòng)機(jī)(208)，用燃料電池(200)產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)車輛；蓄電池(207)，儲(chǔ)存由燃料電池(200)產(chǎn)生的電力和由電動(dòng)機(jī)(208)再生的電力，并向電動(dòng)機(jī)(208)提供所儲(chǔ)存的電力；傳感器(250)，在送氣機(jī)(202)所供應(yīng)的空氣中檢測(cè)所含的有毒物質(zhì)，所述有毒物質(zhì)使燃料電池的性能下降；傳感器(206)，檢測(cè)電池(207)的充電狀態(tài)；以及微處理器(209、254)，被編程以基于有毒物質(zhì)和電池(207)充電狀態(tài)的檢測(cè)結(jié)果控制燃料電池(200)的操作和停止。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車輛，其中，對(duì)微處理器(209、254)進(jìn)一步編程，使得在有毒物質(zhì)濃度較低和電池(207)充電狀態(tài)較高時(shí)停止燃料電池(200)的操作。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車輛，其中，對(duì)微處理器(209、254)進(jìn)一步編程，使得在電池(207)的充電狀態(tài)小于第一參考值時(shí)操作燃料電池(200)，并在電池(207)的充電狀態(tài)大于第二參考值時(shí)停止燃料電池(200)的操作，而與有毒物質(zhì)的檢測(cè)結(jié)果無(wú)關(guān)，所述第二參考值大于所述第一參考值。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車輛，其中，對(duì)微處理器(209、254)進(jìn)一步編程，使得基于有毒物質(zhì)濃度的時(shí)間平均值和電池(207)的充電狀態(tài)來(lái)操作或停止燃料電池(200)。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車輛，其中，檢測(cè)有毒物質(zhì)濃度的傳感器(250)是檢測(cè)一氧化碳的傳感器。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車輛，其中，對(duì)微處理器(209、254)進(jìn)一步編程，通過查閱設(shè)定燃料電池(200)的操作區(qū)域和停止區(qū)域的圖而確定操作或停止燃料電池(200)，在所述圖中有毒物質(zhì)濃度和電池(207)的充電狀態(tài)用作參數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車輛，其中，燃料供應(yīng)裝置(201、205、260)包括產(chǎn)生氫氣的重整爐(201)，并且對(duì)微處理器(209、254)進(jìn)一步編程，以通過控制重整爐(201)的操作而控制燃料電池(200)的操作或停止。
8.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車輛，其中，燃料供應(yīng)裝置(201、205、260)向燃料電池(200)供應(yīng)所儲(chǔ)存的氫氣，并且對(duì)微處理器(209、254)進(jìn)一步編程，以通過控制燃料供應(yīng)裝置(201、205、260)到燃料電池(200)的氫氣供應(yīng)而操作或停止燃料電池(200)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池車輛,其中設(shè)置由檢測(cè)壓縮機(jī)(202)向燃料電池(200)供應(yīng)的空氣中所含的CO的CO傳感器(250)以及檢測(cè)電池(207)充電狀態(tài)(SOC)的傳感器(206)?？刂破?254)基于CO濃度和電池(207)的充電狀態(tài)而控制燃料電池的操作和停止,并在CO濃度較大和電池(207)充電狀態(tài)較高時(shí)停止燃料電池(200)的操作。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1388782SQ01802439
公開日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2001年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月4日
發(fā)明者巖崎靖和 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社