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)明涉及一種循環(huán)供給致冷劑來冷卻燃料電池的燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)。為了保持發(fā)電時的燃料電池的溫度為一定，在燃料電池系統(tǒng)中設(shè)置了燃料電池的冷卻裝置(例如參照專利文獻(xiàn)1)。
該冷卻裝置具有通過泵使致冷劑在燃料電池和散熱器之間循環(huán)的循環(huán)通路；繞過散熱器的旁通通路；進(jìn)行切換使致冷劑流入散熱器側(cè)或者旁通通路側(cè)的溫控閥。溫控閥根據(jù)在該溫控閥中流動的致冷劑的溫度進(jìn)行切換動作。此外，在該冷卻裝置中，為了抑制燃料電池預(yù)熱運轉(zhuǎn)時(起動時)致冷劑的放熱，將燃料電池、旁通通路以及溫控閥收容在單個殼體內(nèi)。
此外，還已知將燃料電池中流通的致冷劑作為熱源用于空調(diào)的燃料電池系統(tǒng)。例如專利文獻(xiàn)2中記載的燃料電池系統(tǒng)安裝在燃料電池汽車中，將流經(jīng)燃料電池后的致冷劑的廢熱用于車室內(nèi)的暖氣。該燃料電池系統(tǒng)，作為使致冷劑在燃料電池中循環(huán)的管線(致冷劑循環(huán)系統(tǒng))具有具有散熱器的冷卻管線；具有可以使致冷劑與空調(diào)氣體進(jìn)行熱交換的加熱器芯的廢熱利用管線。在車室內(nèi)需要暖氣時，致冷劑在冷卻管線以及廢熱利用管線中流動。由此，通過了散熱器的致冷劑與通過了加熱器芯的致冷劑匯合流入燃料電池。
專利文獻(xiàn)1 特開2004-158279號公報(第4頁以及第1圖)
專利文獻(xiàn)2 特開2001-315524號公報(第1圖)發(fā)明內(nèi)容在專利文獻(xiàn)1的燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池起動時是以致冷劑處于低溫為前提的。因此，在起動時，由于低溫的致冷劑，溫控閥切換動作至旁通通路側(cè)，另一方面，此時對泵進(jìn)行驅(qū)動。然后，隨著燃料電池的發(fā)電，當(dāng)致冷劑變?yōu)楸容^高的溫度時，溫控閥切換動作至散熱器側(cè)。
但是，即使在燃料電池起動時，也存在致冷劑的溫度較高的情況。具體地說，從燃料電池停止時起經(jīng)過較短的時間后，在殼體內(nèi)的燃料電池和殼體外的散熱器之間致冷劑的放熱量存在差異。因此，在燃料電池側(cè)存在溫度較高的致冷劑，在散熱器側(cè)存在溫度較低的致冷劑。
當(dāng)在兩者的溫度差較大的狀態(tài)下再次起動燃料電池時，燃料電池側(cè)的溫度較高的致冷劑流入溫控閥。于是，溫控閥切換動作至散熱器側(cè)，有可能成為與本來的標(biāo)準(zhǔn)相反的狀態(tài)。此外，當(dāng)溫控閥切換動作至散熱器側(cè)時，散熱器側(cè)的溫度較低的致冷劑流入燃料電池。因此，在燃料電池中產(chǎn)生急劇的溫度變化。結(jié)果，對燃料電池造成熱沖擊，有可能在燃料電池的隔膜中產(chǎn)生變形。
如此，在現(xiàn)有的燃料電池的冷卻裝置中，沒有考慮到燃料電池的再起動來進(jìn)行包括流體閥(溫控閥)切換在內(nèi)的開度設(shè)定。而且，由于在流體閥為標(biāo)準(zhǔn)以外的開度的狀態(tài)下進(jìn)行致冷劑的流動(泵的驅(qū)動)，由此可能會對燃料電池給予因溫度變化而產(chǎn)生的不良影響。
另一方面，在專利文獻(xiàn)2的燃料電池系統(tǒng)中，在不需要暖氣時，僅在冷卻管線中流動后的致冷劑在燃料電池中循環(huán)。此時，廢熱利用管線中的致冷劑的溫度不發(fā)生變化，所以一直低于冷卻管線中的致冷劑的溫度。在此，暫時停止燃料電池系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，之后在已經(jīng)再次起動的情況下需要暖氣時，廢熱利用管線中的溫度較低的致冷劑流入殘留有溫度較高的致冷劑的燃料電池中。因此，在燃料電池中產(chǎn)生急劇的溫度變化。結(jié)果，對燃料電池給予熱沖擊，可能會在燃料電池的隔膜中產(chǎn)生變形，或者產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)所導(dǎo)致的溢流等，對燃料電池給予溫度變化而產(chǎn)生的不良影響。
本發(fā)明的目的在于提供一種可以抑制由于致冷劑引起的燃料電池的溫度變化的燃料電池系統(tǒng)。
具體地說，本發(fā)明的目的在于提供可以抑制由于廢熱利用管線的致冷劑引起的燃料電池的溫度變化的燃料電池系統(tǒng)，以及提供在燃料電池起動時可以抑制燃料電池中的溫度變化的燃料電池系統(tǒng)(燃料電池的冷卻裝置)。
為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)是一種具有向燃料電池循環(huán)供給致冷劑的致冷劑循環(huán)系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)，致冷劑循環(huán)系統(tǒng)具有流動控制單元，其抑制與燃料電池具有規(guī)定溫度差的致冷劑流入燃料電池。
通過這樣的結(jié)構(gòu)，因為抑制與燃料電池具有規(guī)定溫度差的致冷劑流入燃料電池，所以可以抑制由于致冷劑引起的燃料電池的溫度變化。由此，不會對燃料電池造成熱沖擊。
為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的燃料電池，使向燃料電池流通的致冷劑循環(huán)來冷卻燃料電池，并且可以利用流經(jīng)燃料電池后的致冷劑的廢熱對空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行加熱，其中，具有冷卻管線，其具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的第一換熱器，并使致冷劑在燃料電池中循環(huán)；廢熱利用管線，其具有使致冷劑與空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行熱交換的第二換熱器，并使致冷劑在燃料電池中循環(huán)；以及流動控制單元，其控制致冷劑在冷卻管線以及廢熱利用管線中的流動，流動控制單元在開始了致冷劑在冷卻管線中的流動之后，開始致冷劑在廢熱利用管線中的流動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于致冷劑在廢熱利用管線中的流動晚于致冷劑在冷卻管線中的流動，所以開始向燃料電池中流通的致冷劑為冷卻管線中的致冷劑。由此，在冷卻管線(燃料電池)和廢熱利用管線之間即使致冷劑的溫度差較大，也可以抑制燃料電池的溫度變化。特別是如果在冷卻管線中的致冷劑的流量增大到足夠大之后，開始廢熱利用管線中的致冷劑的流動，則可以恰當(dāng)?shù)匾种迫剂想姵氐臏囟茸兓?。在開始該廢熱利用管線中的致冷劑的流動時，通過設(shè)定為使該流量緩緩地上升，可以更加恰當(dāng)?shù)匾种迫剂想姵氐臏囟茸兓?br> 優(yōu)選的是，還具有用戶可以輸入用于執(zhí)行空調(diào)管線中的空調(diào)氣體送風(fēng)的指示的輸入單元，流動控制單元根據(jù)輸入單元的輸入結(jié)果，控制冷卻管線以及廢熱利用管線中的致冷劑的流動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)是否具有用戶對于暖氣的需要，恰當(dāng)?shù)厥怪吕鋭┰诶鋮s管線以及廢熱利用管線中流動。
優(yōu)選的是，在存在向輸入單元的輸入時，流動控制單元在開始廢熱利用管線中的致冷劑的流動之前，優(yōu)先開始冷卻管線中的致冷劑的流動。此外，在不存在向輸入單元的輸入時，可以切斷致冷劑在廢熱利用管線中的流動，使致冷劑在冷卻管線中流動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在用戶為了使用暖氣對輸入單元進(jìn)行了輸入時，先于廢熱利用管線，致冷劑在冷卻管線中開始流動，所以如上，可以抑制燃料電池的溫度變化。此外，在用戶不使用暖氣而沒有對輸入單元進(jìn)行輸入時，致冷劑不在廢熱利用管線中流動，因此不對空調(diào)氣體進(jìn)行加熱，可以通過冷卻管線中流動的致冷劑對燃料電池進(jìn)行恰當(dāng)?shù)睦鋮s。
優(yōu)選的是，流動控制單元在燃料電池起動時，即使沒有向輸入單元的輸入時，也在開始致冷劑在冷卻管線中的流動之后，開始致冷劑在廢熱利用管線中的流動，使致冷劑在廢熱利用管線中僅流動規(guī)定時間。
例如，在夏天等使用暖氣的頻度較低的情況下，當(dāng)長時間不使用暖氣時，廢熱利用管線中的致冷劑可能在此滯留。因此，可能產(chǎn)生在廢熱利用管線中堆積異物，產(chǎn)生藻類等不良的情況。通過上述的結(jié)構(gòu)，在燃料電池起動時，使廢熱利用管線中的致冷劑暫時流動，因而不論是否需要暖氣，都可以恰當(dāng)?shù)乇苊馍鲜龅牟涣记闆r。此外，由于將致冷劑在廢熱利用管線中流動的定時設(shè)為燃料電池起動時，因此與在燃料電池運轉(zhuǎn)時進(jìn)行該控制的情況相比，可以使控制簡單化。
優(yōu)選的是，在燃料電池開始起動時，流動控制單元在開始致冷劑在冷卻管線中的流動之后，開始致冷劑在廢熱利用管線中的流動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以在冷卻管線(燃料電池)和廢熱利用管線之間致冷劑的溫度差容易變大的燃料電池的起動時(在上述課題中敘述的再起動時)，抑制由于廢熱利用管線中的致冷劑引起的燃料電池的溫度變化。此外，可以控制性良好地避免由于廢熱利用管線中的致冷劑的滯留引起的不良情況。
優(yōu)選的是，燃料電池系統(tǒng)還具有對從燃料電池停止到下一次起動為止的時間進(jìn)行計測的計時單元，流動控制單元可以根據(jù)計時單元的計測結(jié)果，改變在燃料電池起動時開始致冷劑在廢熱利用管線中的流動的開始時間。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)燃料電池的停止時間(停止時的放置時間)，改變使致冷劑在廢熱利用管線中開始流動的開始時間。由此，例如在該停止時間比較長的情況下，可以同時開始致冷劑在廢熱利用管線以及冷卻管線中的流動。此外，在停止時間比較短時，與冷卻管線相比，可以使致冷劑在廢熱利用管線中的開始流動延遲足夠長的時間。
根據(jù)優(yōu)選的一種方式，燃料電池系統(tǒng)還具有對致冷劑溫度進(jìn)行檢測的溫度傳感器，流動控制單元可以根據(jù)溫度傳感器的檢測結(jié)果，改變在燃料電池起動時開始致冷劑在廢熱利用管線中的流動的開始時間。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)致冷劑的溫度改變使致冷劑在廢熱利用管線中開始流動的開始時間。由此，可以恰當(dāng)?shù)匾种迫剂想姵刂械臏囟茸兓?。此外，?yōu)選在多個部位設(shè)置溫度傳感器，例如優(yōu)選在冷卻管線以及廢熱利用管線兩者中進(jìn)行設(shè)置。
優(yōu)選的是，在燃料電池間歇運轉(zhuǎn)時，流動控制單元使致冷劑在冷卻管線以及廢熱利用管線的至少一方中流動。
這里，所謂燃料電池的間歇運轉(zhuǎn)是指暫時停止由燃料電池向負(fù)載提供電力，而是由二次電池向負(fù)載提供電力。間歇運轉(zhuǎn)通過對燃料電池間歇性(斷續(xù)地)供給燃料氣體以及氧化劑氣體，將燃料電池的開放端電壓維持在規(guī)定范圍內(nèi)來進(jìn)行。
通過采用上述的結(jié)構(gòu)，可以在間歇運轉(zhuǎn)時使致冷劑向燃料電池流通。即，在間歇運轉(zhuǎn)時，可以連續(xù)地使致冷劑向燃料電池流通，所以可以恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行燃料電池的溫度管理。
優(yōu)選的是，在燃料電池的間歇運轉(zhuǎn)時，流動控制單元在開始致冷劑在廢熱利用管線中的流動之前，優(yōu)先開始致冷劑在冷卻管線中的流動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，如果在間歇運轉(zhuǎn)時使廢熱利用管線中的致冷劑流動，則可以首先使冷卻管線中的致冷劑流動。由此，可以恰當(dāng)?shù)匾种崎g歇運轉(zhuǎn)時燃料電池的溫度變化。
優(yōu)選的是，在燃料電池停止時，流動控制單元在停止致冷劑在冷卻管線中的流動之前，優(yōu)先停止致冷劑在廢熱利用管線中的流動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，與上述相同，如果在燃料電池停止時，廢熱利用管線以及冷卻管線中的致冷劑流動，則可以首先停止廢熱利用管線中的致冷劑的流動。由此，可以恰當(dāng)?shù)匾种仆Ｖ箷r的燃料電池的溫度變化。
優(yōu)選的是，流動控制單元具有在冷卻管線中壓送致冷劑的冷卻側(cè)泵；在廢熱利用管線中壓送致冷劑的廢熱利用側(cè)泵；以及對冷卻側(cè)泵和廢熱利用側(cè)泵的驅(qū)動進(jìn)行控制的控制單元，控制單元在開始了冷卻側(cè)泵的驅(qū)動之后，開始廢熱利用側(cè)泵的驅(qū)動。
通過這樣的結(jié)構(gòu)，因為對冷卻管線以及廢熱利用管線設(shè)置了獨立的泵，所以可以恰當(dāng)?shù)乜刂聘鱾€管線中的致冷劑的流動。此外，通過協(xié)調(diào)兩個泵來控制驅(qū)動開始定時，可以在開始了上述冷卻管線中的致冷劑的流動之后開始廢熱利用管線中的致冷劑的流動。
優(yōu)選的是，控制單元進(jìn)行流量控制，使通過冷卻側(cè)泵壓送的致冷劑的流量大于通過廢熱利用側(cè)泵壓送的致冷劑的流量。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以在通過泵進(jìn)行流量控制，冷卻管線中的致冷劑的流量增大到足夠大之后，開始致冷劑在廢熱利用管線中的流動，可以恰當(dāng)?shù)乜刂迫剂想姵氐臏囟茸兓?。作為這種流量的控制，具有泵的轉(zhuǎn)速控制和占空比控制。
優(yōu)選的是，燃料電池系統(tǒng)還具有對致冷劑溫度進(jìn)行檢測的溫度傳感器，控制單元根據(jù)溫度傳感器的檢測結(jié)果，控制冷卻側(cè)泵以及廢熱利用側(cè)泵的驅(qū)動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)致冷劑的溫度改變各個泵的驅(qū)動條件。如此，例如在冷卻管線和廢熱利用管線之間沒有溫度差時，可以同時開始各個泵的驅(qū)動。此外，優(yōu)選在多個部位設(shè)置溫度傳感器，例如優(yōu)選對冷卻管線以及廢熱利用管線雙方設(shè)置傳感器。
優(yōu)選的是，廢熱利用管線在燃料電池的致冷劑出口側(cè)，連接在與冷卻管線的分支點和匯合點上，在該匯合點上游的冷卻管線上還設(shè)有止回閥，其阻止致冷劑從匯合點向燃料電池的致冷劑出口流動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以阻止在廢熱利用管線中流動的致冷劑流入燃料電池的致冷劑出口。由此，即使在廢熱利用管線的致冷劑的溫度低于燃料電池的溫度的情況下，也不會對燃料電池給予溫度變化。
根據(jù)優(yōu)選的一種方式，流動控制單元具有在冷卻管線以及廢熱利用管線中壓送致冷劑的單一的泵、和控制泵的驅(qū)動的控制單元，冷卻管線中的流路阻力設(shè)定為低于廢熱利用管線中的流路阻力，以使該冷卻管線中的致冷劑比廢熱利用管線中的致冷劑優(yōu)先開始向燃料電池流通。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，與上述的結(jié)構(gòu)相比可以削減一個泵，可以簡化通過控制單元的泵控制。因為使用一個泵在冷卻管線以及廢熱利用管線雙方中壓送致冷劑，所以通過上述那樣設(shè)定兩個管線的流路阻力，可以先于廢熱利用管線開始冷卻管線中的致冷劑的流動。
這里，作為設(shè)定流路阻力的壓損調(diào)整(tuning)，例如使廢熱利用管線的管徑與冷卻管線的管徑相比足夠小即可?；蛘?，可以在廢熱利用管線的中途，設(shè)置致冷劑流過困難的孔等節(jié)流部。
根據(jù)優(yōu)選的一種方式，流動控制單元具有在冷卻管線以及廢熱利用管線中壓送致冷劑的單一的泵；相對燃料電池切換冷卻管線以及廢熱利用管線中的致冷劑的流通的切換閥；以及對泵的驅(qū)動以及切換閥進(jìn)行控制的控制單元，控制單元在相對燃料電池開始廢熱利用管線中的致冷劑的流通時，將切換閥切換至冷卻管線側(cè)，相對燃料電池開始冷卻管線中的致冷劑的流通。
通過這樣的結(jié)構(gòu)，即使不通過冷卻管線以及廢熱利用管線的壓損調(diào)整，也可以通過切換閥的控制，先于廢熱利用管線使冷卻管線中的致冷劑開始向燃料電池流通。
優(yōu)選的是，在冷卻管線以及廢熱利用管線中，構(gòu)成有用于在燃料電池的致冷劑入口側(cè)使致冷劑匯合的匯合點，并且構(gòu)成有用于在燃料電池的致冷劑出口側(cè)使致冷劑分支的分支點。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，致冷劑在燃料電池的出口側(cè)分支而在冷卻管線以及廢熱利用管線中流動，并再次在燃料電池的入口側(cè)匯合而向燃料電池中流通。
為了達(dá)成上述的目的，本發(fā)明其他的燃料電池，使向燃料電池流通的致冷劑循環(huán)來冷卻燃料電池，并且可以利用流經(jīng)燃料電池后的致冷劑的廢熱對空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行加熱，其中，具有冷卻管線，其具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的第一換熱器，并使致冷劑在燃料電池中循環(huán)；廢熱利用管線，其具有使致冷劑與空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行熱交換的第二換熱器，并使致冷劑在燃料電池中循環(huán)；以及流動控制單元，其控制致冷劑在冷卻管線以及廢熱利用管線中的流動。在使冷卻管線以及廢熱利用管線中的致冷劑匯合而向燃料電池流通時，流動控制單元進(jìn)行流量控制，使冷卻管線中的致冷劑的流量大于廢熱利用管線中的致冷劑的流量。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，即使在冷卻管線(燃料電池)和廢熱利用管線之間致冷劑存在溫度差，但因為與廢熱利用管線相比冷卻管線的致冷劑的流量大，所以兩者匯合后的致冷劑的溫度為接近冷卻管線中的致冷劑的溫度。由此，即使致冷劑的溫度差較大，也可以抑制由于廢熱利用管線的致冷劑引起的燃料電池的溫度變化。
為了達(dá)成上述的目的，本發(fā)明另外的燃料電池，使向燃料電池流通的致冷劑循環(huán)來冷卻燃料電池，并且可以利用流經(jīng)燃料電池后的致冷劑的廢熱對空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行加熱，其中，具有冷卻管線，其具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的第一換熱器，并使致冷劑在燃料電池中循環(huán)；廢熱利用管線，其具有使致冷劑與空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行熱交換的第二換熱器，在燃料電池的致冷劑入口側(cè)與冷卻管線匯合，且在燃料電池的致冷劑出口側(cè)從冷卻管線分支；旁通管線，繞過燃料電池而使致冷劑流動；以及流動控制單元，其控制致冷劑在冷卻管線、廢熱利用管線以及旁通管線中的流動。流動控制單元，在使致冷劑在旁通管線中流動以使冷卻管線以及廢熱利用管線中的致冷劑混合之后，切斷致冷劑在旁通管線中的流動以使致冷劑在燃料電池中循環(huán)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，即使在冷卻管線(燃料電池)和廢熱利用管線之間致冷劑存在溫度差，首先使致冷劑在旁通管線中流動，由此混合冷卻管線以及廢熱利用管線中的致冷劑。由此，在冷卻管線以及廢熱利用管線中，即使致冷劑的溫度部分存在差異，也可以使致冷劑的溫度平均化。因此，與上述相同，可以抑制由于廢熱利用管線的致冷劑引起的燃料電池的溫度變化。
為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的換熱器；在換熱器和燃料電池之間通過泵使致冷劑循環(huán)的循環(huán)通路；繞過換熱器而將循環(huán)通路中的致冷劑供給燃料電池的旁通通路；對致冷劑向換熱器以及旁通通路的流通進(jìn)行設(shè)定的流體閥；以及對流體閥以及泵進(jìn)行控制的控制單元?？刂茊卧谌剂想姵仄饎訒r，在將流體閥的開度從該起動前的初始開度改變?yōu)橐?guī)定開度之后，開始泵的驅(qū)動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在燃料電池起動時，將流體閥從初始開度設(shè)定為規(guī)定開度，之后泵開始進(jìn)行驅(qū)動。因此，流體閥成為與標(biāo)準(zhǔn)相適合的開度時，可以將循環(huán)的致冷劑供給燃料電池，可以抑制燃料電池中的溫度變化。
這里，“改變?yōu)橐?guī)定開度之后”，除了晚于該改變而開始泵驅(qū)動的情況之外，還包括與該改變同時開始泵驅(qū)動的情況。
優(yōu)選的是，燃料電池系統(tǒng)還具有對致冷劑的溫度進(jìn)行檢測的溫度傳感器，在燃料電池起動時，控制單元根據(jù)該溫度傳感器的檢測結(jié)果將流體閥設(shè)定為規(guī)定開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)致冷劑的溫度將流體閥設(shè)定為規(guī)定開度，可以恰當(dāng)?shù)匾种迫剂想姵刂械臏囟茸兓?br> 優(yōu)選的是，在循環(huán)通路以及旁通通路的全長上設(shè)置多個溫度傳感器，在燃料電池起動時，控制單元根據(jù)多個溫度傳感器的檢測結(jié)果將流體閥設(shè)定為規(guī)定開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以使用多個溫度傳感器在多個位置檢測致冷劑的溫度。由此，可以參考多個檢測結(jié)果將流體閥設(shè)定為規(guī)定開度，可以提高冷卻裝置的控制性以及可靠性。
在此，將多個溫度傳感器設(shè)置在燃料電池的致冷劑流入口側(cè)以及其致冷劑流出口側(cè)，并且還設(shè)置在換熱器的上游側(cè)以及其下游側(cè)等處即可。通過燃料電池的致冷劑流出口側(cè)的溫度傳感器可以良好地反映燃料電池內(nèi)的致冷劑的溫度。此外，通過換熱器的下游側(cè)的溫度傳感器可以良好地反映換熱器內(nèi)的致冷劑的溫度。
優(yōu)選的是，燃料電池還具有對燃料電池中的致冷劑的溫度進(jìn)行檢測的第一溫度傳感器、以及對換熱器中的致冷劑的溫度進(jìn)行檢測的第二溫度傳感器，控制單元在燃料電池起動時，根據(jù)第一溫度傳感器以及第二溫度傳感器的檢測結(jié)果的溫度差，將流體閥設(shè)定為規(guī)定開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)燃料電池側(cè)的致冷劑和換熱器側(cè)的致冷劑的溫度差，將流體閥設(shè)定為規(guī)定開度。
在此，第一溫度傳感器只要可以檢測出反映燃料電池中的致冷劑溫度的溫度即可。因此，可以不把第一溫度傳感器設(shè)置在燃料電池內(nèi)，而是設(shè)置在燃料電池的致冷劑流出口側(cè)的循環(huán)通路上。同樣地，第二溫度傳感器只要可以檢測出反映換熱器中的致冷劑溫度的溫度即可。因此，可以不把第二溫度傳感器設(shè)置在換熱器內(nèi)，而是設(shè)置在換熱器下游側(cè)的循環(huán)通路上。
優(yōu)選的是，在溫度差為閾值以上時，作為流體閥規(guī)定開度，控制單元將流體閥設(shè)定為切斷致冷劑向換熱器的流通，并且致冷劑可以向旁通通路流通的開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在溫度差大時，使換熱器側(cè)溫度較低的致冷劑與燃料電池側(cè)溫度較高的致冷劑匯合，因此可以良好地抑制燃料電池中的溫度變化。
在此，“致冷劑可以向旁通通路流通的開度”不僅包括流體閥相對旁通通路側(cè)為全開狀態(tài)的開度，還包括為部分打開的狀態(tài)的開度。
優(yōu)選的是，規(guī)定開度是流體閥相對旁通通路側(cè)為全開狀態(tài)的開度，控制單元在燃料電池起動時，在使流體閥為全開狀態(tài)的零點調(diào)整后，開始泵的驅(qū)動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在泵的驅(qū)動開始之前，流體閥相對旁通通路側(cè)成為全開狀態(tài)，此時進(jìn)行流體閥的零點調(diào)整。即，在上述溫度差為閾值以上時，可以兼顧流體閥的零點調(diào)整，設(shè)成致冷劑僅能向旁通通路側(cè)流通的狀態(tài)。通過零點調(diào)整，在燃料電池發(fā)電時可以高精度地控制流體閥的開度。
限據(jù)優(yōu)選的一種方式，規(guī)定開度可以是流體閥至少能夠使致冷劑向旁通通路流通的開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在燃料電池起動時，可以將至少流入旁通通路側(cè)的致冷劑供給燃料電池。由此，可以良好地抑制燃料電池中的溫度變化。
此外，在設(shè)定為“至少能夠使致冷劑向旁通通路流通”時，意味著使致冷劑僅向旁通通路側(cè)流通的情況，或者使致冷劑向旁通通路側(cè)以及換熱器側(cè)兩者流通的情況。后一種情況的比例(流通比)例如可以根據(jù)上述致冷劑溫度恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行設(shè)定。
優(yōu)選的是，規(guī)定開度為流體閥相對換熱器側(cè)為全閉狀態(tài)的開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在燃料電池起動時，可以可靠地不向燃料電池提供換熱器中的致冷劑。因此，可以可靠地抑制燃料電池中的溫度變化。
根據(jù)優(yōu)選的一種方式，規(guī)定開度為流體閥相對旁通通路為全開狀態(tài)的開度，在燃料電池起動時，控制單元可以在將流體閥置為全開狀態(tài)的零點調(diào)整之后，開始泵的驅(qū)動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，當(dāng)在泵的驅(qū)動開始之前，優(yōu)先進(jìn)行使致冷劑僅向旁通通路流通的流體閥的設(shè)定時，可以兼顧流體閥的零點調(diào)整。此外，通過零點調(diào)整，可以在燃料電池發(fā)電時高精度地控制流體閥的開度。
根據(jù)優(yōu)選的一種方式，在燃料電池起動時，控制單元可以在初始開度的流體閥進(jìn)行了零點調(diào)整之后，將流體閥改變?yōu)橐?guī)定開度(即，流體閥使致冷劑至少能夠向旁通通路流通的開度)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在燃料電池起動時，可以將至少流入旁通通路側(cè)的致冷劑供給燃料電池。由此，可以良好地抑制燃料電池中的溫度變化。此外，因為在此之前進(jìn)行流體閥的零點調(diào)整，所以在燃料電池發(fā)電時可以高精度地進(jìn)行流體閥的開度控制。
優(yōu)選的是，作為流體閥的零點調(diào)整，控制單元將流體閥相對旁通通路側(cè)置為全開狀態(tài)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在零點調(diào)整之后，可以迅速地將流體閥設(shè)定為向旁通通路側(cè)的上述規(guī)定開度。
根據(jù)優(yōu)選的一種方式，作為流體閥的零點調(diào)整，控制單元將流體閥相對換熱器側(cè)置為全開狀態(tài)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，例如即使在零點調(diào)整之后，流體閥由于故障而無法進(jìn)行開度設(shè)定，也可以在燃料電池發(fā)電時，將換熱器冷卻后的致冷劑供給燃料電池。由此，可以防止燃料電池的過熱。即，可以實現(xiàn)故障保險。
優(yōu)選的是，初始開度為流體閥可以使致冷劑向換熱器流通的開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在燃料電池停止時，可以促進(jìn)燃料電池側(cè)致冷劑的自然放熱。此外，例如可以迅速地進(jìn)行向換熱器側(cè)的零點調(diào)整。在發(fā)生流體閥緊固等故障時，可以防止燃料電池的過熱。
根據(jù)優(yōu)選的一種方式，初始開度可以為流體閥可以使致冷劑向旁通通路流通的開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，例如可以迅速地進(jìn)行向旁通通路側(cè)的零點調(diào)整。
根據(jù)優(yōu)選的一種方式，初始開度為流體閥可以使致冷劑向換熱器以及旁通通路雙方流通的開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在流體閥發(fā)生故障時，可以抑制正在發(fā)電的燃料電池的過冷卻以及過熱，可以良好地實現(xiàn)故障保險。此外，例如可以迅速地對換熱器側(cè)以及旁通通路側(cè)中的某側(cè)也進(jìn)行零點調(diào)整。
優(yōu)選的是，控制單元在燃料電池停止時，將流體閥設(shè)定為初始開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以在燃料電池起動時將流體閥恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定為希望的初始開度。此外，優(yōu)選在燃料電池停止時，在停止了泵的驅(qū)動之后將流體閥設(shè)定為初始開度。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明其他的燃料電池系統(tǒng)具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的換熱器；在換熱器和燃料電池之間通過泵使致冷劑循環(huán)的循環(huán)通路；繞過換熱器而將循環(huán)通路的致冷劑供給燃料電池的旁通通路；對致冷劑向換熱器以及旁通通路的流通進(jìn)行設(shè)定的流體閥；以及對流體閥以及泵進(jìn)行控制的控制單元。控制單元在燃料電池停止時，在停止了泵的驅(qū)動之后將流體閥設(shè)定為規(guī)定的初始開度。此時，優(yōu)選初始開度為流體閥使致冷劑可以向換熱器流通的開度。
根據(jù)這些結(jié)構(gòu)，在燃料電池停止時停止泵的驅(qū)動來停止致冷劑的循環(huán)，之后將流體閥設(shè)定為規(guī)定的初始開度。在燃料電池停止時，即使流體閥由于故障而無法進(jìn)行開度設(shè)定，但在燃料電池發(fā)電時，由于將換熱器冷卻的致冷劑供給燃料電池，所以可以防止燃料電池的過熱。即，可以抑制燃料電池中的溫度變化來實現(xiàn)故障保險。
優(yōu)選的是，在燃料電池起動時，控制單元在將流體閥從初始開度改變?yōu)橐?guī)定開度之后，開始泵的驅(qū)動。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在燃料電池起動時，流體閥從初始開度被開度設(shè)定為規(guī)定開度，之后泵開始驅(qū)動。因此，流體閥成為與標(biāo)準(zhǔn)相適合的開度時，可以將致冷劑供給燃料電池。由此，在燃料電池起動時可以抑制其溫度變化。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明另外的燃料電池系統(tǒng)具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的換熱器；在換熱器和燃料電池之間通過泵使致冷劑循環(huán)的循環(huán)通路；繞過換熱器而將循環(huán)通路的致冷劑供給燃料電池的旁通通路；對致冷劑向換熱器以及旁通通路的流通進(jìn)行設(shè)定的流體閥；以及對流體閥以及泵進(jìn)行控制的控制單元。控制單元在燃料電池起動時，在泵的驅(qū)動開始之前優(yōu)先對流體閥進(jìn)行零點調(diào)整，并且將該零點調(diào)整后的開度改變?yōu)橐?guī)定開度。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在燃料電池起動時，對流體閥進(jìn)行零點調(diào)整，并且將其開度設(shè)定為規(guī)定開度，之后開始泵的驅(qū)動。因此，在燃料電池起動時，流體閥成為與標(biāo)準(zhǔn)相適合的開度時，可以將致冷劑供給燃料電池，可以抑制燃料電池中的溫度變化。此外，通過零點調(diào)整，可以在燃料電池發(fā)電時高精度地進(jìn)行流體閥的開度控制。
優(yōu)選的是，流體閥為旋轉(zhuǎn)閥。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以恰當(dāng)并且精度良好地應(yīng)對溫度控制敏感的燃料電池。


圖1是表示第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的框圖。
圖3是表示第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖4是表示第三實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是表示第四實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是表示第五實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖7是表示第六實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是表示第七實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖9是表示在第八實施方式的燃料電池系統(tǒng)中設(shè)置的燃料電池的冷卻裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖10表示第八實施方式的燃料電池的冷卻裝置的處理流程，是燃料電池起動時的流程圖。
圖11表示第九實施方式的燃料電池的冷卻裝置的處理流程，是燃料電池停止時的流程圖。
圖12是示意地表示作為第十實施方式的流體閥的旋轉(zhuǎn)閥的立體圖。
圖13(A)～(C)是關(guān)于圖12所示的旋轉(zhuǎn)閥的開度示意地進(jìn)行說明的剖面圖。
圖14是第十一實施方式的燃料電池的冷卻裝置的時間圖。
圖15是第十二實施方式的燃料電池的冷卻裝置的時間圖。
圖16是第十三實施方式的燃料電池的冷卻裝置的時間圖。
圖17是第十四實施方式的燃料電池的冷卻裝置的時間圖。
圖18是第十五實施方式的燃料電池的冷卻裝置的時間圖。
圖19是表示在第十六實施方式的燃料電池系統(tǒng)中設(shè)置的燃料電池的冷卻裝置的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明最佳實施方式的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行說明。該燃料電池系統(tǒng)具有對燃料電池循環(huán)供給致冷劑的致冷劑循環(huán)系統(tǒng)，致冷劑循環(huán)系統(tǒng)抑制與燃料電池具有規(guī)定溫度差的致冷劑流入燃料電池。以下，對具有考慮了廢熱利用的結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)以及具有考慮了與廢熱利用不同觀點的結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行說明。
具體地說，在第一實施方式～第七實施方式(圖1～圖8)中，對利用冷卻燃料電池后的致冷劑的廢熱的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行說明。對其概要進(jìn)行簡單的說明，該燃料電池系統(tǒng)安裝在汽車等燃料電池車輛上。而且，燃料電池系統(tǒng)通過主要的冷卻管線中的致冷劑對燃料電池進(jìn)行冷卻，并且例如把冷卻燃料電池后的致冷劑的廢熱用于車室內(nèi)的暖氣。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的特征部分為通過控制冷卻管線以及廢熱利用管線中的致冷劑的流動，不會使廢熱利用管線中的低溫致冷劑對燃料電池給予熱沖擊。
此外，在第八實施方式～第十六方式(圖9～圖19)中，對考慮了與廢熱利用不同觀點的其他燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行說明。對其概要進(jìn)行簡單的說明，燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池的冷卻裝置，該冷卻裝置降低發(fā)電過程中燃料電池的溫度，在發(fā)電時進(jìn)行燃料電池的溫度管理。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的主要特征部分為燃料電池的冷卻裝置對流體閥以及泵進(jìn)行規(guī)定的控制，由此，不僅在發(fā)電時，在燃料電池起動時(預(yù)熱時)也會良好地抑制燃料電池的溫度變化。
(第一實施方式)圖1是表示燃料電池系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)圖。
燃料電池系統(tǒng)1具有層疊了作為基本單位的多個單電池的堆疊構(gòu)造的燃料電池2；以及統(tǒng)一控制整個系統(tǒng)的控制裝置3(參照圖2)。燃料電池2與其周邊的檢測設(shè)備等一起被收容在層疊殼體5中。層疊殼體5由金屬或硬質(zhì)樹脂形成，通過支架等固定在車室的底板下等位置。在燃料電池2中，通過未圖示的配管線路來提供作為燃料氣體的氫氣以及作為氧化劑氣體的空氣。燃料電池2通過這兩種氣體的電化學(xué)反反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，并且產(chǎn)生熱量。
作為燃料電池2，具有磷酸型等多個種類的燃料電池，在此，由適合于車載的固體高分子電解質(zhì)型構(gòu)成。雖然省略了圖示，但燃料電池2的單電池由金屬等材料的一對隔膜夾持MEA(膜電極MembraneElectrode Assembly)來構(gòu)成。作為堆疊構(gòu)造的燃料電池2的內(nèi)部流路，設(shè)置有燃料氣體的流路、氧化劑氣體的流路以及冷卻水的流路。這些流路主要形成在隔膜的平面內(nèi)(in plane)。燃料電池2使作為致冷劑的冷卻水在燃料電池2的冷卻水內(nèi)部流路中流通來進(jìn)行冷卻。
作為使冷卻水在燃料電池2中循環(huán)的管線(致冷劑循環(huán)系統(tǒng))，燃料電池系統(tǒng)1具有圖左側(cè)的冷卻管線10和圖右側(cè)的廢熱利用管線11。在冷卻管線10和廢熱利用管線11中構(gòu)成有用于使冷卻水在燃料電池2的冷卻水入口2a側(cè)匯合的匯合點13，并且構(gòu)成有用于使冷卻水在燃料電池2的冷卻水出口2b側(cè)分支的分支點14。此外，在匯合點13以及分支點14處設(shè)置三通閥等閥門，可以切斷冷卻水在匯合點13的匯合，或者進(jìn)行冷卻水在分支點14僅向一方的分支等。
在冷卻管線10中設(shè)置了對從燃料電池2排出的冷卻水進(jìn)行冷卻的散熱器21；繞過散熱器21的旁通通路22；壓送冷卻管線10的冷卻水的冷卻側(cè)泵23；對冷卻水向散熱器21以及旁通通路22的流通進(jìn)行設(shè)定的切換閥24。冷卻管線10主要由從燃料電池2的冷卻水出口2b到散熱器21的入口為止的第一通路31、從散熱器21的出口到切換閥24的第一端口24a為止的第二通路32、以及從切換閥24的第二端口24b到燃料電池2的冷卻水入口2a為止的第三通路33構(gòu)成。
散熱器21(第一換熱器)在內(nèi)部具有對由于燃料電池2的發(fā)電反應(yīng)而溫度升高的冷卻水進(jìn)行引導(dǎo)的通路，冷卻水通過散熱器21內(nèi)的通路，由此與外部氣體進(jìn)行熱交換(放熱)。散熱器21例如被設(shè)置在車輛的前部。在散熱器21中并設(shè)有用于向該內(nèi)部通路吹送外部氣體的風(fēng)扇26。風(fēng)扇26促進(jìn)冷卻水在散熱器21中的冷卻。風(fēng)扇26與控制裝置3連接，由控制裝置3對其驅(qū)動進(jìn)行控制。
旁通通路22的上游端與第一通路31的冷卻側(cè)泵23的下游側(cè)連接，下游端與切換閥24的第三端口24c連接。在旁通通路22上沒有設(shè)置具有冷卻作用的輔助設(shè)備。
冷卻側(cè)泵23與控制裝置3連接，由控制裝置3控制其驅(qū)動。通過開始冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動，冷卻管線10的冷卻水流動，將燃料電池2的溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)。而且，通過停止冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動，冷卻管線10的冷卻水停止流動。此外，雖然將冷卻側(cè)泵23的位置設(shè)為散熱器21的上游側(cè)，但也可以設(shè)為散熱器21或切換閥24的下游側(cè)。
切換閥24具有具有上述的第一端口24a、第二端口24b以及第三端口24c的三通閥構(gòu)造。切換閥24例如由旋轉(zhuǎn)閥構(gòu)成，可以將冷卻水切換給散熱器21以及旁通通路22中的一方，或者切換給該雙方。
例如在切換閥24切換至散熱器21側(cè)時，冷卻管線10作為使冷卻水在散熱器21和燃料電池2之間循環(huán)的循環(huán)通路而起作用。另一方面，在切換閥24切換至旁通通路22側(cè)時，冷卻管線10作為繞過散熱器21將冷卻水循環(huán)供給燃料電池2的循環(huán)通路而起作用。此時，沒有接受到散熱器21的放熱效果的冷卻水流入燃料電池2。
切換閥24可以調(diào)整閥的開度，可以調(diào)整冷卻水向散熱器21以及旁通通路22的流入量。切換閥24與控制裝置3連接，根據(jù)來自控制裝置3的輸出信號對包含切換動作在內(nèi)的閥的開度進(jìn)行控制。該種類的切換閥24例如可以由使用螺線管驅(qū)動的電磁閥型、使用電動機(jī)驅(qū)動的電動閥型、由壓電元件或磁致伸縮元件等的電力、磁力進(jìn)行驅(qū)動的類型構(gòu)成。
在廢熱利用管線11中設(shè)置了使燃料電池2排出的冷卻水與空調(diào)氣體進(jìn)行熱交換的加熱器芯41(第二換熱器)、和壓送廢熱利用管線11的冷卻水的廢熱利用側(cè)泵42。廢熱利用管線11是使用從燃料電池2排出的冷卻水的廢熱，對空調(diào)氣體進(jìn)行加熱來冷卻冷卻水的管線，具有使冷卻水在加熱器芯41和燃料電池2之間循環(huán)的循環(huán)通路的功能。
廢熱利用側(cè)泵42與控制裝置3連接，由控制裝置3控制其驅(qū)動。如后所述，與冷卻側(cè)泵23相協(xié)調(diào)地控制廢熱利用側(cè)泵42。通過開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動，廢熱利用管線11的冷卻水流動，在加熱器芯41進(jìn)行了熱交換的冷卻水流入燃料電池2。而且，通過停止廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動，廢熱利用管線11的冷卻水停止流動。此外，雖然將廢熱利用側(cè)泵42的位置設(shè)為加熱器芯41的上游側(cè)，但也可以設(shè)為加熱器芯41的下游側(cè)。
加熱器芯41與散熱器21相同，例如被設(shè)置在車輛的前部。加熱器芯41在內(nèi)部具有對由于燃料電池2的發(fā)電反應(yīng)而升溫的冷卻水進(jìn)行引導(dǎo)的通路，冷卻水通過加熱器芯41內(nèi)的通路，由此與空調(diào)氣體進(jìn)行熱交換(放熱)。因此，加熱器芯41配置在成為空調(diào)氣體通路的空調(diào)裝置50的空調(diào)管線51(風(fēng)管)內(nèi)。
空調(diào)裝置50例如吸入車室內(nèi)的空氣(內(nèi)部氣體)或車室外的空氣(外部氣體)，在對其進(jìn)行調(diào)整之后吹入車室內(nèi)。雖然省略了全部的圖示，但空調(diào)裝置50具有設(shè)置在空調(diào)管線51中的加熱器芯41上游側(cè)的蒸發(fā)器、以及設(shè)置在蒸發(fā)器上游側(cè)并向加熱器芯41壓送空調(diào)氣體的鼓風(fēng)機(jī)。而且，在空調(diào)管線51的最下游例如設(shè)置有向車室內(nèi)供給空調(diào)氣體的吹出口。
此外，空調(diào)裝置50具有開關(guān)等用戶可以進(jìn)行輸入操作的輸入單元52(參照圖2)。用戶可以通過輸入單元52對執(zhí)行空調(diào)管線51的空調(diào)氣體送風(fēng)進(jìn)行指示。即，存在向輸入單元52的輸入時，空調(diào)裝置50進(jìn)行暖氣運轉(zhuǎn)。此時，冷卻水在冷卻管線10以及廢熱利用管線11雙方中流動，把由加熱器芯41加熱后的空調(diào)氣體供給車室內(nèi)。另一方面，不存在向輸入單元52的輸入時，空調(diào)裝置50不運轉(zhuǎn)，切斷空調(diào)氣體向車室內(nèi)的供給，并且冷卻水僅在冷卻管線10中流動。此外，還可以通過輸入單元52將空調(diào)裝置50切換為冷氣運轉(zhuǎn)。
在冷卻管線10以及廢熱利用管線11中，在它們?nèi)L上分散設(shè)置了多個溫度傳感器61～65。具體地說，在散熱器21的下游側(cè)配置了溫度傳感器61；在旁通通路22上配置了溫度傳感器62；在燃料電池2的冷卻水入口2a側(cè)配置了溫度傳感器63；在其冷卻水出口2b側(cè)配置了溫度傳感器64；在加熱器芯41的下游側(cè)配置了溫度傳感器65。燃料電池2的冷卻水入口2a以及冷卻水出口2b附近的各個溫度傳感器63、64被收容在堆疊殼體5內(nèi)。當(dāng)然還可以將這些溫度傳感器63、64設(shè)置在堆疊殼體5之外。
散熱器21下游側(cè)的溫度傳感器61檢測可以反映出散熱器21出口的冷卻水溫的溫度。此外，冷卻水出口2b側(cè)的溫度傳感器64檢測可以反映出燃料電池2內(nèi)的冷卻水溫的溫度。加熱器芯41下游側(cè)的溫度傳感器65檢測可以反映出經(jīng)過加熱器芯41后的冷卻水溫的溫度。這些多個溫度傳感器61～65與控制裝置3連接，將其檢測結(jié)果輸入控制裝置3。
圖2是表示燃料電池系統(tǒng)1的控制構(gòu)成的框圖。雖然沒有任何圖示，但控制裝置3(ECU)具有CPU、存儲有由CPU處理的控制程序或控制數(shù)據(jù)的ROM、主要用于控制處理的作為各種操作區(qū)域使用的RAM、以及輸入輸出接口，它們經(jīng)由總線相互連接。
在輸入輸出接口上，除了對冷卻側(cè)泵23、切換閥24以及廢熱利用側(cè)泵42等進(jìn)行驅(qū)動的各種驅(qū)動器之外，還連接有多個溫度傳感器61～65等各種傳感器、空調(diào)裝置50的輸入單元52?？刂蒲b置3具有與冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42協(xié)同動作以控制冷卻水在冷卻管線10以及廢熱利用管線11中的流動的流動控制單元的功能。如后所述，該流動控制單元抑制與燃料電池2具有規(guī)定溫度差的冷卻水流入燃料電池2。
CPU按照ROM內(nèi)的控制程序，經(jīng)由輸入輸出接口輸入溫度傳感器61～65等的檢測信號和輸入單元52的輸入信號，在對RAM內(nèi)的各種數(shù)據(jù)等進(jìn)行了處理后，經(jīng)由輸入輸出接口對各種驅(qū)動器輸出控制信號，由此對冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42進(jìn)行協(xié)調(diào)控制等，統(tǒng)一控制整個燃料電池系統(tǒng)1。
如上所述，當(dāng)在燃料電池系統(tǒng)1運轉(zhuǎn)的過程中不需要車室內(nèi)的暖氣時，冷卻水僅在冷卻管線10流動。因此，在廢熱利用管線11中滯留的冷卻水比冷卻管線10或燃料電池2內(nèi)的冷卻水溫度低。在此，在暫時停止燃料電池系統(tǒng)1的運轉(zhuǎn)，并在短時間后再起動時需要暖氣的情況下，廢熱利用管線11的冷卻水在冷卻管線10的冷卻水之前流通到燃料電池2時，由于冷卻水的溫度差而對燃料電池2給予熱沖擊。因此，在本實施方式中，控制成在冷卻管線10的冷卻水開始流動之后使廢熱利用管線11中的冷卻水開始流動。
1.起動時具體地說，在燃料電池2起動時(預(yù)熱時)向輸入單元52輸入有需要暖氣的指示時，控制裝置3在開始了冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動之后，開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動。由此，廢熱利用管線11的冷卻水的流動比冷卻管線10的冷卻水的流動晚，所以可以使冷卻管線10的冷卻水先向燃料電池2流通。因此，即使冷卻管線10和廢熱利用管線11之間的冷卻水的溫度差大，也可以抑制燃料電池2的溫度變化。
此時，控制裝置3如果在冷卻側(cè)泵23供給的冷卻水的流量上升到足夠大之后，開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動，則可以進(jìn)一步抑制燃料電池2的溫度變化。即，優(yōu)選的是，控制裝置3在協(xié)調(diào)控制兩個泵23、42的驅(qū)動初期進(jìn)行流量控制，使冷卻側(cè)泵23供給的冷卻水的流量大于廢熱利用側(cè)泵42供給的冷卻水的流量。此外，優(yōu)選的是，控制廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動，使廢熱利用管線11中的冷卻水的流量緩緩上升。
開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動的定時可以是在開始了冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動之后，例如經(jīng)過了ROM中預(yù)先存儲的規(guī)定時間后的定時，也可以是基于冷卻管線10中的例如設(shè)置在燃料電池2的冷卻水入口2a側(cè)的未圖示的流量傳感器的檢測結(jié)果的定時。此外，在其他的方式中，可以在冷卻側(cè)泵23的轉(zhuǎn)速達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速以上時，例如冷卻側(cè)泵23完全開動時開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動。此外，冷卻側(cè)泵23的轉(zhuǎn)速由與冷卻側(cè)泵23連接的轉(zhuǎn)速傳感器來檢測即可。
此外，與流量傳感器協(xié)作或者獨立地通過組裝在控制裝置3中的計時器來計測從燃料電池停止到下一次起動為止的時間，可以根據(jù)該計測時間的長短改變開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動的開始時間。由此，在燃料電池2的停止時間比較長的情況下，對于冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動開始，延遲廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動開始即可。此外，在燃料電池2的停止時間比較短的情況下，直到冷卻管線10的冷卻水的流量增大到足夠大為止，使廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動開始延遲足夠長的時間。
而且，優(yōu)選的是，與流量傳感器、計時器協(xié)作或者獨立地，根據(jù)上述溫度傳感器61～65的檢測結(jié)果，改變開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動的開始時間。例如，由于放置燃料電池車輛的環(huán)境不同，冷卻水各部分的放熱條件產(chǎn)生變動，所以與只使用計時器來設(shè)定廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動開始時間相比，根據(jù)對冷卻水的溫度進(jìn)行檢測的多個溫度傳感器61～65的檢測結(jié)果可以進(jìn)一步抑制燃料電池2的溫度變化。
例如，在多個溫度傳感器61～65中，特別是根據(jù)燃料電池2的冷卻水出口2b側(cè)的溫度傳感器64和廢熱利用管線11的溫度傳感器65的檢測結(jié)果，基于燃料電池2內(nèi)的冷卻水和廢熱利用管線11內(nèi)的冷卻水的溫度差，來設(shè)定廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動開始時間?；蛘吒鶕?jù)溫度傳感器61和溫度傳感器65的檢測結(jié)果，基于冷卻管線10和廢熱利用管線11的冷卻水的溫度差，來設(shè)定廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動開始時間。此時，在沒有溫度差的情況下，可以使冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42同時開始驅(qū)動。如此，可以根據(jù)冷卻水的溫度來改變冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動條件。
此外，取代上述的控制構(gòu)成，在燃料電池2起動時向輸入單元52輸入有需要暖氣的指示時，控制裝置3可以同時開始冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動。當(dāng)然，為了避免向燃料電池2流通的冷卻水的溫度變化，需要進(jìn)行流量控制以使冷卻側(cè)泵23供給的冷卻水的流量大于廢熱利用側(cè)泵42供給的冷卻水的流量。通過進(jìn)行這樣的流量控制，可以使冷卻管線10以及廢熱利用管線11匯合后的冷卻水的溫度成為與冷卻管線10的冷卻水相接近的溫度。這種流量控制可以通過冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42的轉(zhuǎn)速控制、占空比控制來執(zhí)行。
取代上述的控制構(gòu)成，即使在燃料電池2起動時沒有向輸入單元52輸入需要暖氣的指示時，控制裝置3也可以在該起動時，始終在開始了冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動之后才開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動，進(jìn)行規(guī)定時間的廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動。當(dāng)然，此時也可以同時開始冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動，并進(jìn)行流量控制使來自冷卻側(cè)泵23的流量大。
通過采取這樣的控制構(gòu)成，與沒有向輸入單元52進(jìn)行輸入時一律不使廢熱利用管線11的冷卻水流動的結(jié)構(gòu)相比，具有可用之處。具體地說，當(dāng)在夏天等長時間不使用暖氣時，廢熱利用管線11的冷卻水可能滯留在此處，所以可能產(chǎn)生在廢熱利用管線11中堆積異物，產(chǎn)生藻類等不良的情況。如上述控制構(gòu)成那樣，在燃料電池2起動時，不論是否需要暖氣(與是否存在輸入單元52的輸入無關(guān))，暫時驅(qū)動廢熱利用側(cè)泵42，由此使廢熱利用管線11的冷卻水流動，因此可以恰當(dāng)?shù)乇苊馍鲜龅牟涣记闆r。
如上所述，通過進(jìn)行各種流量控制，可以避免在燃料電池2起動時，由于廢熱利用管線11的冷卻水而對燃料電池2給予熱沖擊。此外，在燃料電池2停止時，在正在驅(qū)動冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42雙方的情況下，應(yīng)首先停止廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動，然后停止冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動。由此，可以在停止冷卻管線10中的冷卻水流動之前，優(yōu)先停止廢熱利用管線11中的冷卻水的流動，可以恰當(dāng)?shù)匾种迫剂想姵?的溫度變化。
2.間歇運轉(zhuǎn)時然后，對燃料電池2間歇運轉(zhuǎn)時冷卻水的流動控制進(jìn)行簡單的說明。所謂燃料電池2的間歇運轉(zhuǎn)是指暫時停止由燃料電池2向負(fù)載提供電力，并由二次電池向負(fù)載提供電力。間歇運轉(zhuǎn)通過對燃料電池2間歇性地供給燃料氣體以及氧化劑氣體，將燃料電池2的開放端電壓維持在規(guī)定范圍內(nèi)來進(jìn)行。在間歇運轉(zhuǎn)時，還具有停止泵的驅(qū)動，使向燃料電池2流通的冷卻水停止流動的情況。
在本實施方式的燃料電池系統(tǒng)1中，控制裝置3在燃料電池2的間歇運轉(zhuǎn)時，通過來自二次電池的電力供給繼續(xù)進(jìn)行冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動，繼續(xù)進(jìn)行冷卻水向燃料電池2的流通。由此，在間歇運轉(zhuǎn)時也可以恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行燃料電池2的溫度管理。
當(dāng)然，在間歇運轉(zhuǎn)時也可以不驅(qū)動冷卻側(cè)泵23而是驅(qū)動廢熱利用側(cè)泵42，由此使廢熱利用管線11的冷卻水向燃料電池2流通。但是，在間歇運轉(zhuǎn)時，在驅(qū)動廢熱利用側(cè)泵42的情況下，優(yōu)選在冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動開始之后開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動。當(dāng)然，此時也可以同時開始冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動，并進(jìn)行流量控制使冷卻側(cè)泵23的流量大。在間歇運轉(zhuǎn)時也與上述的情況相同，可以避免由于廢熱利用管線11的冷卻水而對燃料電池2給予熱沖擊。
以下對第二實施方式～第七實施方式進(jìn)行說明，但在第一實施方式中說明的控制例可以應(yīng)用于這些實施方式。在以下的說明中，為了避免重復(fù)的記載，對于與第一實施方式相同的部分給予相同的符號并省略其說明，主要對與第一實施方式的不同點進(jìn)行說明。
(第二實施方式)參照圖3對本發(fā)明第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)1進(jìn)行說明。與第一實施方式的不同點在于具有一個使冷卻水循環(huán)的泵71，并與此相伴對冷卻管線10以及廢熱利用管線11進(jìn)行了壓損調(diào)整。
本實施方式的泵71被設(shè)置在冷卻管線10以及廢熱利用管線11的分支點14的上游側(cè)。當(dāng)然，也可以將泵71設(shè)置在匯合點13的下游側(cè)。泵71由控制裝置3對其驅(qū)動進(jìn)行控制，在冷卻管線10以及廢熱利用管線11中壓送冷卻水。泵71具有與控制裝置3協(xié)同動作以對冷卻水在冷卻管線10以及廢熱利用管線11中的流動進(jìn)行控制的流動控制單元的功能。該流動控制單元與第一實施方式相同，抑制與燃料電池2具有溫度差的冷卻水流入燃料電池2。
將冷卻管線10中的冷卻水的流路阻力設(shè)定得低于廢熱利用管線11中的冷卻水的流路阻力。作為設(shè)定該流路阻力的壓損調(diào)整，將廢熱利用管線11的管徑設(shè)定為冷卻管線10的管徑的約1/10。當(dāng)然，還可以通過在廢熱利用管線11的中途設(shè)置妨礙冷卻水流動的小孔等節(jié)流部，來取代上述的結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓損調(diào)整。
根據(jù)本實施方式，即使在燃料電池2起動時或間歇運轉(zhuǎn)時驅(qū)動泵71，由于進(jìn)行了上述的壓損調(diào)整，所以冷卻管線10的冷卻水比廢熱利用管線11的冷卻水優(yōu)先開始向燃料電池2流通。由此，即使削減了一個泵，但仍然可以抑制燃料電池2起動時的溫度變化。此外，因為通過一個泵71控制冷卻水的流動，所以可以使該控制變得簡單。
此外，可以在廢熱利用管線11中設(shè)置截止閥(shut valve)，在需要暖氣時打開截止閥，在不需要暖氣時關(guān)閉截止閥。而且，可以根據(jù)上述計時器的計測結(jié)果或流量傳感器、溫度傳感器61～65的檢測結(jié)果進(jìn)行截止閥的開閉動作。例如，在燃料電池2起動時向輸入單元52輸入了需要暖氣的指示時，可以根據(jù)計時器或各種傳感器的檢測結(jié)果設(shè)定打開已關(guān)閉的截止閥的定時。
此外，作為第二實施方式的變形，例如還可以在冷卻管線10以及廢熱利用管線11的匯合點13或分支點14設(shè)置對冷卻管線10以及廢熱利用管線11的冷卻水的流通進(jìn)行切換的切換閥73(在圖3中僅表示了從自控制裝置3開始的信號線。)。切換閥73可以與上述的散熱器21側(cè)的切換閥24同樣構(gòu)成，與控制裝置3連接。切換閥73與泵71以及控制裝置3一起構(gòu)成對冷卻管線10以及廢熱利用管線11中的冷卻水的流動進(jìn)行控制的流動控制單元。
而且，在相對燃料電池2開始廢熱利用管線11的冷卻水的流通時，控制裝置3將切換閥73切換至冷卻管線10側(cè)，相對燃料電池2首先開始冷卻管線10的冷卻水的流通。之后，將切換閥73向冷卻管線10以及廢熱利用管線11雙方切換，相對燃料電池2使冷卻管線10以及廢熱利用管線11的冷卻水流通。通過這樣的切換閥73的控制，也可以相對燃料電池2在廢熱利用管線11之前優(yōu)先開始冷卻管線10的冷卻水的流通，可以抑制燃料電池2的溫度變化。此外，不需要冷卻管線10以及廢熱利用管線11的復(fù)雜的壓損調(diào)整。
(第三實施方式)參照圖4對第三實施方式的燃料電池系統(tǒng)1進(jìn)行說明。與第一實施方式的不同點在于，改變冷卻管線10以及廢熱利用管線11的匯合點13以及分支點14的位置。具體地說，匯合點13以及分支點14被設(shè)置在燃料電池2的冷卻水出口2b側(cè)，并且匯合點13被設(shè)置在分支點14的下游側(cè)、冷卻側(cè)泵23的上游側(cè)。在這樣的管線系統(tǒng)中，通過與第一實施方式相同地協(xié)調(diào)控制冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42，也可以起到與第一實施方式相同的效果。
特別是在本實施方式中，優(yōu)選的是，在燃料電池2起動時，首先將切換閥24切換至旁通通路22側(cè)來開始冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動，之后，開始廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動，同時將切換閥24切換至散熱器21側(cè)。此外，可以將冷卻側(cè)泵23的位置設(shè)為散熱器21的下游側(cè)，將廢熱利用側(cè)泵42的位置設(shè)為加熱器芯41的下游側(cè)。
(第四實施方式)參照圖5，對實施方式4的燃料電池系統(tǒng)1進(jìn)行說明。與第一實施方式的不同點在于，設(shè)置了繞過燃料電池2而使冷卻水流動的旁通管線81；在匯合點13的下游側(cè)和燃料電池2的冷卻水入口2a側(cè)之間設(shè)置了截止閥82；以及在分支點14的上游側(cè)和燃料電池2的冷卻水出口2b側(cè)之間設(shè)置了截止閥83。
旁通管線81將作為上游端的一端與冷卻管線10中的切換閥24的下游側(cè)連接，將作為下游端的另一端與冷卻管線10中的冷卻側(cè)泵23的上游側(cè)連接。在旁通管線81中設(shè)置了對其進(jìn)行開閉的截止閥84。燃料電池2附近的兩個截止閥82、83例如分別由電磁閥構(gòu)成，由控制裝置3對它們的開閉動作進(jìn)行控制。旁通管線81以及三個截止閥82、83、84用于避免廢熱利用管線11的冷卻水導(dǎo)致對燃料電池2給予熱沖擊。
例如，在燃料電池2起動時，在向輸入單元52輸入了需要暖氣的指示時或者沒有輸入時，控制裝置3首先使燃料電池2附近的兩個截止閥82、83關(guān)閉，而且使旁通管線81的截止閥84打開。之后，控制裝置3開始冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42雙方的驅(qū)動。于是，冷卻管線10以及廢熱利用管線11的冷卻水在旁通管線81的上游端匯合，在旁通管線81中流動的期間混合。然后，旁通管線81的冷卻水在旁通管線81的下游端分支，繞過燃料電池2而再次在冷卻管線10以及廢熱利用管線11中流動。
由此，即使在冷卻管線10以及廢熱利用管線11之間冷卻水存在溫度差，或者在冷卻管線10以及廢熱利用管線11中冷卻水的溫度局部差異，也可以使冷卻水的溫度平均化。并且，在冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動開始且經(jīng)過了規(guī)定時間之后，在開始冷卻水向燃料電池2的流通時，使燃料電池2附近的兩個截止閥82、83打開，并且使旁通管線81的截止閥84關(guān)閉。通過進(jìn)行這樣的控制，可以抑制由于廢熱利用管線11的冷卻水引起的燃料電池2的溫度變化。
此外，在燃料電池2起動時的流動控制時，與第一實施方式相同，可以根據(jù)計時器的計測結(jié)果或溫度傳感器61～65等各種傳感器的檢測結(jié)果，控制使冷卻水向旁通管線81中流動的時間、冷卻側(cè)閥23和廢熱利用側(cè)閥42的旋轉(zhuǎn)量。此外，在燃料電池2間歇運轉(zhuǎn)時或停止時，進(jìn)行與第一實施方式相同的控制即可。此外，旁通管線81的位置設(shè)置在冷卻管線10側(cè)，但也可以設(shè)置在廢熱利用管線11側(cè)。
而且，設(shè)置了三個截止閥82～84，當(dāng)然并不限定于該個數(shù)。例如可以省略燃料電池2附近的兩個截止閥82、83中的一個。此外，雖然在旁通管線81中設(shè)置了截止閥84，但也可以不是截止閥，例如可以在旁通管線81和冷卻管線10的連接部處設(shè)置與上述的切換閥24具有相同結(jié)構(gòu)的切換閥。
(第五實施方式)然后，參照圖6對第五實施方式的燃料電池系統(tǒng)1進(jìn)行說明。在本實施方式中，在圖4所示的第三實施方式的燃料電池系統(tǒng)1中追加了止回閥91。止回閥91設(shè)置在匯合點13和分支點14之間的冷卻管線10上。止回閥91阻止冷卻水從匯合點13向分支點14的流動。
對本實施方式的作用進(jìn)行敘述。在冷卻側(cè)泵23沒有驅(qū)動時，如果廢熱利用側(cè)泵42進(jìn)行驅(qū)動，則在廢熱利用管線11中流動的冷卻水的一部分能夠從匯合點13向分支點14流動。在本實施方式中，因為設(shè)置了止回閥91，所以可以阻止冷卻水從匯合點13向分支點14的流動，可以阻止冷卻水向燃料電池2的冷卻水出口2b流動。由此，即使在廢熱利用管線10的冷卻水的溫度低于燃料電池2的溫度時，也不會對燃料電池2給予熱沖擊。
此外，通過在本實施方式中也進(jìn)行第三實施方式或第一實施方式中敘述的冷卻側(cè)泵23以及廢熱利用側(cè)泵42的協(xié)調(diào)控制，可以得到與上述實施方式相同的效果。此外，也可以在分支點14和燃料電池2的冷卻水出口2b之間設(shè)置止回閥91。
(第六實施方式)然后，參照圖7對第六實施方式的燃料電池系統(tǒng)1進(jìn)行說明。在本實施方式中，配管系統(tǒng)與圖4所示的第三實施方式的燃料電池系統(tǒng)1相同，但控制系統(tǒng)不同。具體地說，第三實施方式作為控制系統(tǒng)的一例設(shè)置了一個控制裝置3，與此相對，本實施方式設(shè)置了兩個控制裝置3、3’。此外，兩個控制裝置3、3’相當(dāng)于權(quán)利要求中記述的“流動控制單元”的一部分或者“控制單元”。
其中一方的控制裝置3(ECU)用于控制冷卻側(cè)泵23的驅(qū)動，連接有冷卻側(cè)泵23的轉(zhuǎn)速傳感器92。此外，控制裝置3具有還對切換閥24進(jìn)行控制的主控制裝置的功能，連接有溫度傳感器61～65等各種傳感器。另一方的控制裝置(ECU)3’用于控制廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動。在控制裝置3’和廢熱利用側(cè)泵42之間的控制電路上設(shè)置了兩個繼電器93、94?？刂蒲b置3’開閉繼電器93’，控制裝置3開閉繼電器94。
通過本實施方式的控制系統(tǒng)，也可以起到與上述實施方式相同的作用效果。例如，在燃料電池2起動時，在轉(zhuǎn)速傳感器92檢測出冷卻側(cè)泵23的轉(zhuǎn)速為規(guī)定轉(zhuǎn)速以上時，控制裝置3可以關(guān)閉繼電器94，允許廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動。然后，控制裝置3’關(guān)閉繼電器93來控制廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動即可。如此，可以抑制廢熱利用管線11的冷卻水向燃料電池2的冷卻水出口2b側(cè)逆流的情況，可以抑制燃料電池2的溫度變化。
(第七實施方式)然后，參照圖8對第七實施方式的燃料電池系統(tǒng)1進(jìn)行說明。與第六實施方式的不同點在于，控制裝置3與控制裝置3’進(jìn)行通信。例如，在燃料電池2起動時，控制裝置3向控制裝置3’傳達(dá)允許廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動的信息，由此，控制裝置3’關(guān)閉繼電器93以控制廢熱利用側(cè)泵42的驅(qū)動。由此，可以起到與第六實施方式相同的作用效果。與第六實施方式相比優(yōu)點在于不需要繼電器94，可以降低成本。
此外，在上述各個實施方式中，將燃料電池2的廢熱的熱能用于暖氣，但是，例如在燃料電池系統(tǒng)1為定置使用的情況下，可以將燃料電池2的廢熱的熱能用于供給熱水或者用于浴室。在這種情況下，廢熱利用管線11的加熱用換熱器(加熱器芯41)與空調(diào)氣體以外的其他介質(zhì)進(jìn)行熱交換，但與上述的內(nèi)容相同，對冷卻水的流動進(jìn)行控制有利于燃料電池2。
(第八實施方式)圖9是表示作為燃料電池系統(tǒng)1的一部分的燃料電池的冷卻裝置的系統(tǒng)圖。供給燃料氣體以及氧化劑氣體的燃料電池100具有層疊了作為基本單位的多個單電池的堆疊構(gòu)造。燃料電池100和其周邊的檢測裝置等一起被收容在堆疊殼體200中。堆疊殼體200由金屬或硬質(zhì)樹脂形成，并通過支架等固定在車室的底板下等位置。
作為燃料電池2，具有磷酸型等多個種類的燃料電池，在此，由適合于車載的固體高分子電解質(zhì)型構(gòu)成。雖然省略了圖示，但燃料電池100的單電池由金屬等材料的一對隔膜夾持MEA(膜電極MembraneElectrode Assembly)來構(gòu)成。作為堆疊構(gòu)造的燃料電池100的內(nèi)部流路，設(shè)置有燃料氣體的流路、氧化劑氣體的流路以及冷卻水的流路。這些流路主要形成在隔膜的平面內(nèi)。燃料電池100使作為致冷劑的冷卻水在其冷卻水內(nèi)部流路中流通來進(jìn)行冷卻。
冷卻裝置101具有對從燃料電池100排出的冷卻水進(jìn)行冷卻的散熱器110；用于使冷卻水在散熱器110和燃料電池100之間循環(huán)的循環(huán)通路120；繞過散熱器110的旁通通路130；位于燃料電池100下游側(cè)的循環(huán)通路120上，對冷卻水進(jìn)行壓送的泵140；對冷卻水向散熱器110以及旁通通路130的流通進(jìn)行設(shè)定的流體閥150；以及統(tǒng)一控制整個冷卻裝置101的控制裝置160。循環(huán)通路120以及旁通通路130具有對燃料電池循環(huán)供給致冷劑的致冷劑循環(huán)系統(tǒng)的功能。
散熱器110(換熱器)在內(nèi)部具有對由于燃料電池100的發(fā)電反應(yīng)而溫度升高的冷卻水進(jìn)行引導(dǎo)的通路，冷卻水通過該通路，由此向外部釋放冷卻水的熱量。散熱器110例如被設(shè)置在車輛的前部。在散熱器110中并行設(shè)置了用于向散熱器110內(nèi)的通路吹送外部氣體的風(fēng)扇180。風(fēng)扇180促進(jìn)冷卻水在散熱器110中的冷卻。風(fēng)扇180與控制裝置160連接，由控制裝置160對其驅(qū)動進(jìn)行控制。
循環(huán)通路120主要由從燃料電池100的冷卻水出口100b到散熱器110的入口為止的第一通路210；從散熱器110的出口到流體閥150的第一端口150a為止的第二通路220；以及從流體閥150的第二端口150b到燃料電池100的冷卻水入口100a為止的第三通路230構(gòu)成。
旁通通路130的上游端與第一通路210的泵140的下游側(cè)連接，下游端與流體閥150的第三端口150c連接。旁通通路130由小于或等于循環(huán)通路120的內(nèi)徑的管構(gòu)成。在旁通通路130上沒有設(shè)置具有冷卻作用的輔助設(shè)備。向旁通通路130流動的冷卻水從循環(huán)通路120的第一通路210繞過散熱器110，從而流入。而且，流過旁通通路130的冷卻水經(jīng)由流體閥150流過第三通路230，流入燃料電池100。
在循環(huán)通路120以及旁通通路130上，在它們?nèi)L上分散設(shè)置了多個溫度傳感器310、320、330以及340。具體地說，在旁通通路130上，在流體閥150的附近配置了一個溫度傳感器310。循環(huán)通路120上的多個溫度傳感器320、330以及340設(shè)置在燃料電池100的冷卻水入口100a側(cè)、其冷卻水出口100b側(cè)、以及散熱器100的下游側(cè)。燃料電池100的冷卻水入口100a以及冷卻水出口100b附近的各個溫度傳感器320、330被收容在堆疊殼體200內(nèi)。當(dāng)然還可以將這些溫度傳感器320、330設(shè)置在堆疊殼體200之外。
冷卻水出口100b側(cè)的溫度傳感器330(第一溫度傳感器)檢測可以反映出燃料電池100內(nèi)的冷卻水溫的溫度。此外，散熱器110下游側(cè)的溫度傳感器340(第二溫度傳感器)檢測可以反映出散熱器110出口的冷卻水溫的溫度。這些多個溫度傳感器310～340與控制裝置160連接，將其檢測結(jié)果輸入控制裝置160。
泵140與控制裝置160連接，由控制裝置160控制其驅(qū)動。當(dāng)開始泵140的驅(qū)動時，循環(huán)通路120的冷卻水在散熱器110和/或旁通通路130中流動而循環(huán)。由此，進(jìn)行溫度管理，以將燃料電池100的溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，燃料電池100的發(fā)電反應(yīng)高效地進(jìn)行。當(dāng)停止泵140的驅(qū)動時，循環(huán)通路120的冷卻水的流動停止。雖然將泵140的位置設(shè)為散熱器110以及流體閥150的上游側(cè)，但也可以設(shè)為散熱器110以及流體閥150的下游側(cè)。
流體閥150具有具有上述的第一端口150a、第二端口150b以及第三端口150c的三通閥構(gòu)造。流體閥150可以將冷卻水切換給散熱器110以及旁通通路130中的一方，或者切換給該雙方。例如在流體閥150完全切換至旁通通路130側(cè)時，沒有接受到散熱器110的放熱效果的冷卻水流入燃料電池100。
此外，流體閥150可以調(diào)整閥門的開度，可以對冷卻水向散熱器110以及旁通通路130的流入量進(jìn)行調(diào)整。例如作為流體閥150的開度，可以使向散熱器110側(cè)的開度為10％，使向旁通通路130側(cè)的開度為90％。如此，流體閥150具有切換冷卻水向散熱器110以及旁通通路130中的某一方流通的切換單元的功能，并且可以改變該流通時的開度。
在此，如后面所述，經(jīng)常簡記作“散熱全開(散熱器全開)”和“旁通全開”進(jìn)行簡要地說明。所謂“散熱全開”是流體閥150相對散熱器110側(cè)為全開狀態(tài)，并且相對旁通通路130側(cè)為全閉狀態(tài)。在“散熱全開”的狀態(tài)下，將通過散熱器110的冷卻水供給燃料電池100，并切斷向燃料電池100供給旁通通路130的冷卻水。同樣地，所謂“旁通全開”是流體閥150相對旁通通路130側(cè)為全開狀態(tài)，并且相對散熱器110側(cè)為全閉狀態(tài)。在“旁通全開”的狀態(tài)下，流過旁通通路130的冷卻水被供給燃料電池100，并切斷向燃料電池100供給通過散熱器110的冷卻水。
流體閥150與控制裝置160連接，根據(jù)來自控制裝置160的輸出信號對包含切換動作在內(nèi)的閥的開度進(jìn)行控制。該種類的流體閥150例如可以由使用螺線管驅(qū)動的電磁閥型、使用電動機(jī)驅(qū)動的電動閥型、由壓電元件或磁致伸縮元件等的電、磁力進(jìn)行驅(qū)動的類型構(gòu)成。此外，如作為其他實施方式在后面記述的那樣，優(yōu)選使用旋轉(zhuǎn)閥來構(gòu)成流體閥150。
圖中的符號410是組裝在流體閥150中的位置傳感器。位置傳感器410對流體閥150的閥體位置，即閥的開度進(jìn)行檢測。位置傳感器410的檢測結(jié)果被輸入控制裝置160。
一般地，由于位置傳感器410的漂移等，其精度可能會降低，因此進(jìn)行對位置傳感器410進(jìn)行復(fù)位的流體閥150的零點調(diào)整。零點調(diào)整通常在燃料電池100起動時(燃料電池系統(tǒng)1起動時)進(jìn)行。通過進(jìn)行零點調(diào)整，在燃料電池100實際運轉(zhuǎn)之前，流體閥150消除基于控制裝置160的指令值的開度與根據(jù)該指令設(shè)定的實際開度之間的偏差。由此，在燃料電池100發(fā)電時，可以高精度地控制流體閥150的開度。
控制裝置160(ECU)具有未圖示的CPU、存儲有由CPU處理的控制程序或控制數(shù)據(jù)的ROM、主要用于控制處理的作為各種操作區(qū)域使用的RAM等?？刂蒲b置160輸入來自多個溫度傳感器310～340、位置傳感器410等各種傳感器的檢測信號。此外，控制裝置160通過對各種驅(qū)動器輸出控制信號來對泵140、流體閥150等進(jìn)行控制等，統(tǒng)一控制整個冷卻裝置101。從其他的觀點來說，控制裝置160具有與泵140、流體閥150協(xié)同動作，以抑制與燃料電池2具有規(guī)定溫度差的冷卻水流入燃料電池2的流動控制單元的功能。
圖10是表示燃料電池100起動時冷卻裝置101的處理流程的流程圖。在燃料電池100起動時，首先進(jìn)行流體閥150的零點調(diào)整(S1)。零點調(diào)整是通過控制裝置160使流體閥150的閥體移動，直到該閥體的移動在移動終端位置被限制為止，使流體閥150的電動機(jī)等驅(qū)動源驅(qū)動規(guī)定時間。因為本實施方式的流體閥150為切換閥，所以通過控制裝置160對流體閥150進(jìn)行控制，直到將流體閥150完全切換至散熱器110側(cè)以及旁通通路130側(cè)的某一方。
例如，進(jìn)行零點調(diào)整，直到作為流體閥150的狀態(tài)的“散熱全開”維持規(guī)定時間為止(S2NO)。通過在散熱全開側(cè)進(jìn)行零點調(diào)整，即使在零點調(diào)整中流體閥150緊固而產(chǎn)生故障，也可以在燃料電池100發(fā)電時，把通過散熱器110降溫后的冷卻水供給燃料電池100。由此，可以防止燃料電池100的過熱，可以實現(xiàn)故障保險。
當(dāng)然，也可以不在“散熱全開”下，而是在“旁通全開”下進(jìn)行零點調(diào)整。此時，也進(jìn)行零點調(diào)整直到作為流體閥150狀態(tài)的旁通全開維持規(guī)定的時間為止(S2NO)。如此，在零點調(diào)整后，在流體閥150的開度希望置為旁通全開時，或者置為與旁通全開接近的開度時，可以迅速地設(shè)定流體閥150的開度。實際上，如后面所述，優(yōu)選在散熱器110側(cè)和燃料電池100側(cè)的冷卻水的溫度差較大時，將流體閥150置為旁通全開，在旁通全開狀態(tài)下進(jìn)行零點調(diào)整。
在零點調(diào)整結(jié)束后(S2；Yes)，開始流體閥150的控制(S3)。通過根據(jù)控制裝置160的指令將流體閥150的開度從零點調(diào)整后的開度(散熱全開或旁通全開)改變?yōu)橐?guī)定開度來進(jìn)行流體閥150的控制。當(dāng)然，在不進(jìn)行零點調(diào)整時，將流體閥150從起動燃料電池100之前的初始開度改變?yōu)橐?guī)定開度。
即，本說明書中所謂的“初始開度”是執(zhí)行用于起動燃料電池100的處理流程之前的流體閥150的開度，在步驟S3～S4中，將流體閥150的開度從初始開度經(jīng)過零點調(diào)整后的開度改變?yōu)橐?guī)定開度。此外，在后面的第九實施方式中對“初始開度”的具體例子進(jìn)行說明。
此外，“規(guī)定開度”是與不會由于后面步驟中開始流入燃料電池100的冷卻水，使燃料電池100產(chǎn)生急劇的溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的開度?！耙?guī)定開度”可以是預(yù)先存儲在控制裝置160的ROM中的開度，也可以是根據(jù)燃料電池系統(tǒng)1的浸泡時間(燃料電池100停止時的放置時間)設(shè)定的開度。關(guān)于后者，例如通過組裝在控制裝置160中的計時器對從燃料電池100停止時到下一次起動為止的時間進(jìn)行計測，對應(yīng)該浸泡時間的長短來設(shè)定規(guī)定開度。
對其進(jìn)行詳細(xì)地敘述，在浸泡時間為比較長的時間的情況下，冷卻水放熱經(jīng)過足夠長的時間。因此，散熱器110內(nèi)的冷卻水和燃料電池100內(nèi)的冷卻水的溫度變得相等。此時，在燃料電池100中的溫度變化的關(guān)系方面，燃料電池100起動時流體閥150的開度為何種程度不會成為問題。因此，可以任意地設(shè)定流體閥150的規(guī)定開度。此外，優(yōu)選的是，通過將流體閥150的規(guī)定開度置為旁通通路130側(cè)，例如置為“旁通全開”等，可以縮短燃料電池100的預(yù)熱時間。
另一方面，在浸泡時間為比較短的時間情況下，在堆疊殼體200內(nèi)的燃料電池100和堆疊殼體200外的散熱器110之間，冷卻水的放熱量存在差異，散熱器110內(nèi)的冷卻水的溫度低于燃料電池100。因此，此時，通過將流體閥150的規(guī)定開度置為旁通通路130側(cè)，例如置為“旁通全開”等可以防止散熱器110內(nèi)的冷卻水流入燃料電池100。由此，可以抑制燃料電池100中的溫度變化。
而且，優(yōu)選的是，與計時器協(xié)作或者獨立地根據(jù)上述溫度傳感器310、320、330、340的檢測結(jié)果，設(shè)定流體閥150的規(guī)定開度。例如由于放置燃料電池車輛的環(huán)境不同，冷卻水的各部分的放熱條件發(fā)生變動，所以不通過計時器唯一地將流體閥150設(shè)定為規(guī)定開度，而是根據(jù)對冷卻水的溫度進(jìn)行檢測的多個溫度傳感器310、320、330、340的檢測結(jié)果設(shè)定為規(guī)定開度。如此，可以進(jìn)一步抑制燃料電池100中的溫度變化。
具體地說，在多個溫度傳感器310～340中，特別是根據(jù)燃料電池100的溫度傳感器330和溫度傳感器340的檢測結(jié)果，基于燃料電池100內(nèi)的冷卻水和散熱器110內(nèi)的冷卻水的溫度差，將流體閥150設(shè)定為規(guī)定開度。例如，在該溫度差超過第一規(guī)定閾值時，置為“旁通全開”作為規(guī)定開度。此外，在該溫度差為低于第一規(guī)定閾值的第二規(guī)定閾值以下時，可以設(shè)定為“散熱全開”等任意的開度作為規(guī)定開度。
當(dāng)然，在上述溫度差為第一規(guī)定閾值以上，或者為第二規(guī)定閾值以下時，冷卻水也都可以在旁通通路130以及散熱器110雙方中流通。此時，可以恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定兩者的流通比(流量比)。此外，不僅是檢測結(jié)果的溫度差，還可以根據(jù)一個溫度傳感器(310～340中的某一個)的檢測結(jié)果將流體閥150設(shè)定為規(guī)定開度。
在將流體閥150改變?yōu)橐?guī)定開度之后(S4；Yes)，根據(jù)控制裝置160的指令，泵140開始驅(qū)動(S5)。泵140開始驅(qū)動的定時可以是將流體閥150改變?yōu)橐?guī)定開度之后，或者與該改變同時。即，流體閥150的開度改變處理在執(zhí)行泵140的驅(qū)動開始處理執(zhí)行之前結(jié)束即可。通過泵140開始驅(qū)動，在規(guī)定開度的流體閥150之下將冷卻水供給燃料電池100，開始燃料電池100的運轉(zhuǎn)(發(fā)電)(S6)。
如上所述，通過本實施方式的燃料電池系統(tǒng)1中設(shè)置的冷卻裝置101，在燃料電池100起動時，在泵140的驅(qū)動開始之前優(yōu)先將流體閥150設(shè)定為規(guī)定開度。因此，可以恰當(dāng)?shù)匾种迫剂想姵?00的溫度變化。因此，可以避免由于熱沖擊導(dǎo)致的隔膜變形等、在燃料電池100起動時給予的熱影響，可以提高燃料電池100的可靠性。此外，因為進(jìn)行流體閥150的零點調(diào)整，所以在燃料電池100發(fā)電過程中，可以高精度地將流體閥150的開度恰當(dāng)?shù)乜刂茷榕酝ㄍ?30側(cè)和散熱器110側(cè)。
此外，雖然在本實施方式中進(jìn)行了流體閥150的零點調(diào)整，但在流體閥150為高精度的閥門等情況下也可以不進(jìn)行零點調(diào)整。此外，雖然將流體閥150設(shè)置在散熱器110的下游側(cè)，但也可以設(shè)置在散熱器110的上游側(cè)。
(第九實施方式)
接著，對第九實施方式的燃料電池系統(tǒng)1的冷卻裝置10進(jìn)行說明。圖11是表示燃料電池100停止時的冷卻裝置101的處理流程的流程圖。如該圖所示，當(dāng)停止燃料電池100的運轉(zhuǎn)時(S11)，首先通過控制裝置160停止泵140的驅(qū)動(S12)。然后，開始流體閥150的控制(S13)。通過根據(jù)控制裝置160的指令，將流體閥150的開度從停止前的開度改變?yōu)樯鲜龅摹俺跏奸_度”，由此來進(jìn)行流體閥150的控制。
在此，在作為初始開度將流體閥150置為冷卻水可以向散熱器110流通的包括“散熱全開”在內(nèi)的開度時，在燃料電池100停止時，可以促進(jìn)燃料電池100內(nèi)的冷卻水的自然放熱。此外，在“散熱全開”側(cè)進(jìn)行上述的零點調(diào)整時，可以迅速地進(jìn)行。也可以取而代之，作為初始開度，將流體閥150置為冷卻水可以向旁通通路130流通的包括“旁通全開”在內(nèi)的開度。通過這樣，在“旁通全開”側(cè)進(jìn)行零點調(diào)整時，可以迅速地進(jìn)行。
或者，可以取代這些開度，作為初始開度，將流體閥150置為致冷劑可以向散熱器110以及旁通通路130雙方流通的開度。可以恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定此時兩者的比率。通過置為該開度，在流體閥150發(fā)生故障時，可以抑制發(fā)電中的燃料電池100的過冷卻以及過熱，可以良好地實現(xiàn)故障保險。此外，無論在“散熱全開”以及“旁通全開”的哪一方，都可以迅速地進(jìn)行零點調(diào)整。當(dāng)設(shè)定了流體閥150的初始開度后，該處理流程結(jié)束(S14；Yes)。
然后，在燃料電池100停止了規(guī)定的時間后，當(dāng)燃料電池100再次起動時，按照圖10所示的流程驅(qū)動冷卻裝置101。即，當(dāng)著眼于流體閥150時，流體閥150從在燃料電池100停止時設(shè)定的“初始開度”變?yōu)榱泓c調(diào)整的開度，之后向“規(guī)定開度”改變。
(第十實施方式)然后，參照圖12以及圖13，作為本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)1的冷卻裝置101的第十實施方式，對流體閥150的構(gòu)成例進(jìn)行說明。本實施方式的流體閥150由可以電控地調(diào)整閥開度的旋轉(zhuǎn)閥500構(gòu)成。通過使用旋轉(zhuǎn)閥500來構(gòu)成流體閥150，可以恰當(dāng)且精度良好地應(yīng)對溫度控制敏感的燃料電池100。
圖12表示旋轉(zhuǎn)閥500的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要部分。旋轉(zhuǎn)閥500的閥部510位于從散熱器110開始的第二通路220、旁通通路130以及與燃料電池100相通的第三通路230的匯合點。旋轉(zhuǎn)閥500具有作為使閥部510旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動源的步進(jìn)電動機(jī)520；把來自步進(jìn)電動機(jī)520的動力傳遞給閥部510的齒輪組530、540；對閥部510旋轉(zhuǎn)的終端位置進(jìn)行限制的位置限制機(jī)構(gòu)550。
閥部510在圓周方向上具有開口部570，開口部570可變地連通第二通路220和第三通路230之間，或者旁通通路130和第三通路230之間。閥部510的上部中心部經(jīng)由桿580與齒輪組530、540的后傳齒輪540的下面的中心部同軸連結(jié)。通過閥部510的旋轉(zhuǎn)，開口部570的位置變動，設(shè)定成與閥部510的旋轉(zhuǎn)停止后的開口部570的位置對應(yīng)的開度。
圖13(A)表示“旁通全開”的旋轉(zhuǎn)閥500的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，閥部510的開口部570面向旁通通路130，連通了旁通通路130與第三通路230。圖13(B)表示“散熱全開”的旋轉(zhuǎn)閥500的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，閥部510的開口部570面向散熱器110側(cè)的第二通路220，連通了第二通路220與第三通路230。圖13(C)表示閥部510的開口部570的一半面向旁通通路130，并且開口部570余下的另一半面向第二通路220的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，旁通通路130以及第二通路220雙方都與第三通路230相連通。
步進(jìn)電動機(jī)520與控制裝置160連接，可以向正反方向驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。例如，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)520向正方向驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，使閥部510向正方向旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)閥500的開度移動到“旁通全開”側(cè)。另一方面，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)520向逆方向驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，使閥部510向負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)閥500的開度移動到“散熱全開”側(cè)。通過步進(jìn)電動機(jī)520的步進(jìn)數(shù)的控制，可以使閥部510的開口部570移動到目標(biāo)位置(開度)。
位置限制機(jī)構(gòu)550由底座710、在底座710上豎立設(shè)置的兩個阻擋塊720、730以及在后傳齒輪540上貫通形成的兩個限制溝槽740、750構(gòu)成。在底座710上形成了用于穿過桿580的貫通孔。兩個限制溝槽740、750由隔著后傳齒輪540的中心相向設(shè)置，且以該中心為曲率中心的圓弧形的溝槽形成。在兩個限制溝槽740、750中分別穿過阻擋塊720、730，各個阻擋塊720、730可以在各個限制溝槽740、750內(nèi)滑動。通過阻擋塊720、730與限制溝槽740、750內(nèi)的端部相接觸，來限制閥部510旋轉(zhuǎn)的終端位置。位置限制機(jī)構(gòu)550在旋轉(zhuǎn)閥500的零點調(diào)整時發(fā)揮作用。
具體地說，當(dāng)在“旁通全開”側(cè)進(jìn)行零點調(diào)整時，使步進(jìn)電動機(jī)520向正方向驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，穿過其中一方的限制溝槽740的阻擋塊720與該限制溝槽740的端部抵接。通過維持該狀態(tài)規(guī)定的時間，零點調(diào)整結(jié)束(參照圖10的S2)。同樣地，當(dāng)在“散熱全開”側(cè)進(jìn)行零點調(diào)整時，使步進(jìn)電動機(jī)520向逆方向驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，穿過另一方的限制溝槽750的阻擋塊730與該限制溝槽750的端部抵接。通過維持該狀態(tài)規(guī)定的時間，零點調(diào)整結(jié)束(同樣參照圖10的S2)。
此外，雖然省略了在零點調(diào)整中被復(fù)位的位置傳感器(第八實施方式中的位置傳感器410)的圖示，但位置傳感器例如可以由光學(xué)式的旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成。此時，與后傳齒輪540同軸地設(shè)置旋轉(zhuǎn)編碼器的帶有縫隙的旋轉(zhuǎn)板，與旋轉(zhuǎn)板的縫隙面對地設(shè)置受光元件以及發(fā)光元件，并將這兩個元件與控制裝置160連接即可。
(第十一實施方式)
然后，參照圖14對第十一實施方式的燃料電池系統(tǒng)1的冷卻裝置101進(jìn)行說明。圖14表示了燃料電池100起動時的冷卻裝置101的時間圖的一個例子。
圖14所示的“按鍵操作”是起動燃料電池系統(tǒng)1的操作單元的操作，例如是用于驅(qū)動燃料電池汽車的按鍵操作。
在本實施方式中，將燃料電池100停止時的流體閥150的開度(初始開度)設(shè)定為“散熱全開”。當(dāng)為了起動燃料電池系統(tǒng)1進(jìn)行了按鍵操作時，與此相伴作為流體閥150的控制，在“旁通全開”側(cè)進(jìn)行流體閥150的零點調(diào)整。在流體閥150為第十實施方式中的旋轉(zhuǎn)閥500時，通過阻擋塊720(或者730)的抵接進(jìn)行零點調(diào)整。
在燃料電池系統(tǒng)1的系統(tǒng)檢查之后，例如在零點調(diào)整結(jié)束等時，開始燃料電池100的發(fā)電，并且同時開始泵140的驅(qū)動。即，在本實施方式中，流體閥150的上述“規(guī)定開度”為旁通全開。通過這樣的結(jié)構(gòu)，在燃料電池100起動時，可以起到在上述實施方式(第八～第十實施方式)中說明的效果，例如可以良好地抑制燃料電池100的溫度變化等。
(第十二實施方式)圖15表示燃料電池系統(tǒng)1的冷卻裝置101的第十二實施方式，第十二實施方式是第十一實施方式的變形例。與第十一實施方式的不同點在于，與第十一實施方式相比，使泵140開始驅(qū)動的定時稍微延遲一點。更詳細(xì)地說，在流體閥150的零點調(diào)整完成，燃料電池100開始發(fā)電經(jīng)過規(guī)定的時間后，泵140開始驅(qū)動。本實施方式適用于零點調(diào)整需要較長時間的情況。
(第十三實施方式)圖16表示燃料電池系統(tǒng)1的冷卻裝置101的第十三實施方式，第十三實施方式是第十一實施方式的變形例。與第十一實施方式的不同點在于，泵140開始驅(qū)動的定時。
具體地說，在將流體閥150從初始開度的“散熱全開”零點調(diào)整為“旁通全開”的過程中，泵140開始驅(qū)動，但泵140開始驅(qū)動的定時是流體閥150切斷冷卻水向散熱器110側(cè)流通的時刻。例如在流體閥150為第十實施方式的旋轉(zhuǎn)閥500時，該定時為閥部510的開口部570面對從散熱器110側(cè)的第二通路220離開的位置的時刻。
在為開始泵140的驅(qū)動的定時時，流體閥150的開度為“旁通全開”之前的開度，成為冷卻水可以向旁通通路130流通的開度。然后，在泵140的驅(qū)動開始之后，流體閥150的開度過渡到“旁通全開”，執(zhí)行零點調(diào)整，并且燃料電池100開始發(fā)電。
(第十四實施方式)圖17表示燃料電池系統(tǒng)1的冷卻裝置101的第十四實施方式，第十四實施方式是第十一實施方式的變形例。與第十一實施方式的不同點在于，作為流體閥150的“初始開度”，流體閥150置為使冷卻水可以向散熱器110以及旁通通路130雙方流通的開度。例如在用于第十實施方式的旋轉(zhuǎn)閥500時，旋轉(zhuǎn)閥500的開度成為圖13(c)所示的狀態(tài)。由此，如上所述，可以迅速地進(jìn)行向“旁通全開”的零點調(diào)整。
此外，關(guān)于本實施方式的“初始開度”，可以對流體閥150的開度進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計改變，例如對于冷卻水向散熱器110以及旁通通路130的流通，使冷卻水向其中一方的流通優(yōu)先于向另一方的流通。
(第十五實施方式)圖18表示燃料電池系統(tǒng)1的冷卻裝置101的第十五實施方式，第十五實施方式是第十一實施方式的變形例。與第十一實施方式的不同點在于流體閥150的“初始開度”。具體地說，作為“初始開度”，是成為“旁通全開”之前的開度，是流體閥150切斷冷卻水向散熱器110的流通，并且使冷卻水可以向旁通通路130流通的開度。由此，與第十四實施方式的情況相比，可以迅速地進(jìn)行向“旁通全開”的零點調(diào)整。
(第十六實施方式)然后，參照圖19對第十六實施方式的燃料電池系統(tǒng)1的冷卻裝置101進(jìn)行說明。與第八實施方式的不同點在于，將泵140的位置改變?yōu)榱黧w閥150下游側(cè)的第三通路230上，以及作為副散熱器設(shè)置了第二散熱器910。
第二散熱器910與上述的散熱器110(以下稱為第一散熱器)具有相同的結(jié)構(gòu)，還并設(shè)了與控制裝置160連接的風(fēng)扇920。經(jīng)由第二散熱器910的第二循環(huán)通路940的上游端與第一通路210分支連接，該連接位置成為旁通通路130的上游側(cè)。此外，循環(huán)通路940的下游端與第一散熱器110下游的第二通路220分支連接。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，在將流體閥150切換至旁通通路130側(cè)，例如切換為“旁通全開”，切斷了冷卻水向第一散熱器110側(cè)的流通時，冷卻水繞過第一散熱器110以及第二散熱器910供給燃料電池100。另一方面，在將流體閥150切換至第一散熱器110側(cè)，例如切換為“散熱全開”時，把在第一散熱器110以及第二散熱器910中冷卻后的冷卻水通過流體閥150供給燃料電池100。
通過本實施方式的燃料電池系統(tǒng)1的冷卻裝置101，同樣可以在燃料電池100起動時，良好地抑制該燃料電池100的溫度變化。此外，在燃料電池100發(fā)電的過程中，通過兩個散熱器110、910可以更恰當(dāng)?shù)貙θ剂想姵?00進(jìn)行冷卻。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具有對燃料電池循環(huán)供給致冷劑的致冷劑循環(huán)系統(tǒng)，其中，所述致冷劑循環(huán)系統(tǒng)具有流動控制單元，其抑制與所述燃料電池具有規(guī)定溫度差的致冷劑流入所述燃料電池。
2.一種燃料電池系統(tǒng)，使向燃料電池流通的致冷劑循環(huán)來冷卻該燃料電池，并且可以利用流經(jīng)燃料電池后的致冷劑的廢熱對空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行加熱，其中，具有冷卻管線，其具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的第一換熱器，并使致冷劑在所述燃料電池中循環(huán)；廢熱利用管線，其具有使致冷劑與所述空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行熱交換的第二換熱器，并使致冷劑在所述燃料電池中循環(huán)；以及流動控制單元，其控制致冷劑在所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線中的流動，所述流動控制單元在開始了致冷劑在所述冷卻管線中的流動之后，開始致冷劑在所述廢熱利用管線中的流動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，還具有用戶可以輸入用于執(zhí)行所述空調(diào)管線中的空調(diào)氣體送風(fēng)的指示的輸入單元，所述流動控制單元根據(jù)所述輸入單元的輸入結(jié)果，控制所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線中的致冷劑的流動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在存在向所述輸入單元的輸入時，所述流動控制單元在開始致冷劑在所述廢熱利用管線中的流動之前，優(yōu)先開始致冷劑在所述冷卻管線中的流動，在不存在向所述輸入單元的輸入時，所述流動控制單元切斷致冷劑在所述廢熱利用管線中的流動，使致冷劑在所述冷卻管線中流動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述流動控制單元在所述燃料電池起動時，即使沒有向所述輸入單元的輸入時，也在開始致冷劑在所述冷卻管線中的流動之后，開始致冷劑在所述廢熱利用管線中的流動，使致冷劑在所述廢熱利用管線中僅流動規(guī)定時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至4的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述流動控制單元在所述燃料電池起動時，在開始致冷劑在所述冷卻管線中的流動之后，開始致冷劑在所述廢熱利用管線中的流動。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，還具有對從所述燃料電池停止到下一次起動為止的時間進(jìn)行計測的計時單元，所述流動控制單元可以根據(jù)所述計時單元的計測結(jié)果，改變在所述燃料電池起動時開始致冷劑在所述廢熱利用管線中的流動的開始時間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，還具有對致冷劑溫度進(jìn)行檢測的溫度傳感器，所述流動控制單元可以根據(jù)所述溫度傳感器的檢測結(jié)果，改變在所述燃料電池起動時開始致冷劑在所述廢熱利用管線中的流動的開始時間。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至4的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述燃料電池間歇運轉(zhuǎn)時，所述流動控制單元使致冷劑在所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線的至少一方中流動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述燃料電池的間歇運轉(zhuǎn)時，所述流動控制單元在開始致冷劑在所述廢熱利用管線中的流動之前，優(yōu)先開始致冷劑在所述冷卻管線中的流動。
11.根據(jù)權(quán)利要求2至4的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述燃料電池停止時，所述流動控制單元在停止致冷劑在所述冷卻管線中的流動之前，優(yōu)先停止致冷劑在所述廢熱利用管線中的流動。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至11的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述流動控制單元具有在所述冷卻管線中壓送致冷劑的冷卻側(cè)泵在所述廢熱利用管線中壓送致冷劑的廢熱利用側(cè)泵；以及對所述冷卻側(cè)泵和所述廢熱利用側(cè)泵的驅(qū)動進(jìn)行控制的控制單元，所述控制單元在開始了所述冷卻側(cè)泵的驅(qū)動之后，開始所述廢熱利用側(cè)泵的驅(qū)動。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述控制單元進(jìn)行流量控制，使通過所述冷卻側(cè)泵壓送的致冷劑的流量大于通過所述廢熱利用側(cè)泵壓送的致冷劑的流量。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，還具有對致冷劑溫度進(jìn)行檢測的溫度傳感器，所述控制單元根據(jù)所述溫度傳感器的檢測結(jié)果，控制所述冷卻側(cè)泵以及所述廢熱利用側(cè)泵的驅(qū)動。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述廢熱利用管線在所述燃料電池的致冷劑出口側(cè)，連接在與所述冷卻管線的分支點和匯合點上，該燃料電池還具有止回閥，其設(shè)置于所述匯合點上游的所述冷卻管線上，阻止致冷劑從該匯合點向所述燃料電池的致冷劑出口流動。
16.根據(jù)權(quán)利要求2至11的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述流動控制單元具有在所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線中壓送致冷劑的單一的泵、和控制所述泵的驅(qū)動的控制單元，所述冷卻管線中的流路阻力設(shè)定為低于所述廢熱利用管線中的流路阻力，以使該冷卻管線中的致冷劑比所述廢熱利用管線中的致冷劑優(yōu)先開始向所述燃料電池流通。
17.根據(jù)權(quán)利要求2至11的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述流動控制單元具有在所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線中壓送致冷劑的單一的泵；相對所述燃料電池切換所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線中的致冷劑的流通的切換閥；以及對所述泵的驅(qū)動以及所述切換閥進(jìn)行控制的控制單元，所述控制單元在相對所述燃料電池開始所述廢熱利用管線中的致冷劑的流通時，將所述切換閥切換至所述冷卻管線側(cè)，相對所述燃料電池開始所述冷卻管線中的致冷劑的流通。
18.根據(jù)權(quán)利要求2至17的任意一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，在所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線中，構(gòu)成有用于在所述燃料電池的致冷劑入口側(cè)使致冷劑匯合的匯合點，并且構(gòu)成有用于在所述燃料電池的致冷劑出口側(cè)使致冷劑分支的分支點。
19.一種燃料電池系統(tǒng)，使向燃料電池流通的致冷劑循環(huán)來冷卻該燃料電池，并且可以利用流經(jīng)該燃料電池后的致冷劑的廢熱對空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行加熱，其中，具有冷卻管線，其具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的第一換熱器，并使致冷劑在所述燃料電池中循環(huán)；廢熱利用管線，其具有使致冷劑與所述空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行熱交換的第二換熱器，并使致冷劑在所述燃料電池中循環(huán)；以及流動控制單元，其控制致冷劑在所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線中的流動，在使所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線中的致冷劑匯合而向所述燃料電池流通時，所述流動控制單元進(jìn)行流量控制，使所述冷卻管線中的致冷劑的流量大于所述廢熱利用管線中的致冷劑的流量。
20.一種燃料電池系統(tǒng)，使向燃料電池流通的致冷劑循環(huán)來冷卻該燃料電池，并且可以利用流經(jīng)該燃料電池后的致冷劑的廢熱對空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行加熱，其中，具有冷卻管線，其具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的第一換熱器，并使致冷劑在所述燃料電池中循環(huán)；廢熱利用管線，其具有使致冷劑與所述空調(diào)管線中的空調(diào)氣體進(jìn)行熱交換的第二換熱器，在所述燃料電池的致冷劑入口側(cè)與所述冷卻管線匯合，且在所述燃料電池的致冷劑出口側(cè)從所述冷卻管線分支；旁通管線，繞過所述燃料電池而使致冷劑流動；以及流動控制單元，其控制致冷劑在所述冷卻管線、所述廢熱利用管線以及所述旁通管線中的流動，所述流動控制單元，在使致冷劑在所述旁通管線中流動以使所述冷卻管線以及所述廢熱利用管線中的致冷劑混合之后，切斷致冷劑在所述旁通管線中的流動以使致冷劑在所述燃料電池中循環(huán)。
21.一種燃料電池的冷卻裝置，其中，具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的換熱器；在所述換熱器和燃料電池之間通過泵使致冷劑循環(huán)的循環(huán)通路；繞過所述換熱器而將所述循環(huán)通路中的致冷劑供給所述燃料電池的旁通通路；對致冷劑向所述換熱器以及所述旁通通路的流通進(jìn)行設(shè)定的流體閥；以及對所述流體閥以及所述泵進(jìn)行控制的控制單元，所述控制單元在所述燃料電池起動時，在將所述流體閥的開度從該起動前的初始開度改變?yōu)橐?guī)定開度之后，開始所述泵的驅(qū)動。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，還具有對致冷劑的溫度進(jìn)行檢測的溫度傳感器，所述控制單元在所述燃料電池起動時，根據(jù)所述溫度傳感器的檢測結(jié)果將所述流體閥設(shè)定為所述規(guī)定開度。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，在所述的循環(huán)通路以及所述旁通通路的全長上設(shè)置多個所述溫度傳感器，所述控制單元在所述燃料電池起動時，根據(jù)所述多個溫度傳感器的檢測結(jié)果將所述流體閥設(shè)定為所述規(guī)定開度。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，還具有對所述燃料電池中的致冷劑的溫度進(jìn)行檢測的第一溫度傳感器、以及對所述換熱器中的致冷劑的溫度進(jìn)行檢測的第二溫度傳感器，所述控制單元在所述燃料電池起動時，根據(jù)所述第一溫度傳感器以及所述第二溫度傳感器的檢測結(jié)果的溫度差，將所述流體閥設(shè)定為所述規(guī)定開度。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，在所述溫度差為閾值以上時，作為所述流體閥的所述規(guī)定開度，所述控制單元將該流體閥設(shè)定為切斷致冷劑向所述換熱器的流通、并且致冷劑可以向所述旁通通路流通的開度。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述規(guī)定開度是所述流體閥相對所述旁通通路側(cè)為全開狀態(tài)的開度，所述控制單元在所述燃料電池起動時，在將所述流體閥置為所述全開狀態(tài)的零點調(diào)整后，開始所述泵的驅(qū)動。
27.根據(jù)權(quán)利要求21至23的任意一項所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述規(guī)定開度是所述流體閥至少能夠使致冷劑向所述旁通通路流通的開度。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述規(guī)定開度為所述流體閥相對所述換熱器側(cè)為全閉狀態(tài)的開度。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述規(guī)定開度為所述流體閥相對所述旁通通路為全開狀態(tài)的開度，所述控制單元在所述燃料電池起動時，在將所述流體閥置為所述全開狀態(tài)的零點調(diào)整之后，開始所述泵的驅(qū)動。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述控制單元在所述燃料電池起動時，在所述初始開度的所述流體閥進(jìn)行了零點調(diào)整之后，將該流體閥改變?yōu)樗鲆?guī)定開度。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，作為所述流體閥的零點調(diào)整，所述控制單元將所述流體閥相對所述旁通通路側(cè)置為全開狀態(tài)。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，作為所述流體閥的零點調(diào)整，所述控制單元將所述流體閥相對所述換熱器側(cè)置為全開狀態(tài)。
33.根據(jù)權(quán)利要求21至32的任意一項所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述初始開度為所述流體閥可以使致冷劑向所述換熱器流通的開度。
34.根據(jù)權(quán)利要求21至32的任意一項所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述初始開度為所述流體閥可以使致冷劑向所述旁通通路流通的開度。
35.根據(jù)權(quán)利要求21至32的任意一項所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述初始開度為所述流體閥可以使致冷劑向所述換熱器以及所述旁通通路雙方流通的開度。
36.根據(jù)權(quán)利要求21至35的任意一項所述的燃料電池的冷卻裝置.其中，所述控制單元在所述燃料電池停止時，將所述流體閥設(shè)定為所述初始開度。
37.一種燃料電池的冷卻裝置，其中，具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的換熱器；在所述換熱器和燃料電池之間通過泵使致冷劑循環(huán)的循環(huán)通路；繞過所述換熱器而將所述循環(huán)通路的致冷劑供給所述燃料電池的旁通通路；對致冷劑向所述換熱器以及所述旁通通路的流通進(jìn)行設(shè)定的流體閥；以及對所述流體閥以及所述泵進(jìn)行控制的控制單元，所述控制單元在所述燃料電池停止時，在停止了所述泵的驅(qū)動之后將所述流體閥設(shè)定為規(guī)定的初始開度。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述初始開度為所述流體閥可以使致冷劑向所述換熱器流通的開度。
39.根據(jù)權(quán)利要求37或38所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述控制單元在所述燃料電池起動時，在將所述流體閥從所述初始開度改變?yōu)橐?guī)定開度之后，開始所述泵的驅(qū)動。
40.一種燃料電池的冷卻裝置，其中，具有對致冷劑進(jìn)行冷卻的換熱器；在所述換熱器和燃料電池之間通過泵使致冷劑循環(huán)的循環(huán)通路；繞過所述換熱器而將所述循環(huán)通路的致冷劑供給所述燃料電池的旁通通路；對致冷劑向所述換熱器以及所述旁通通路的流通進(jìn)行設(shè)定的流體閥；以及對所述流體閥以及所述泵進(jìn)行控制的控制單元，所述控制單元在所述燃料電池起動時，在所述泵的驅(qū)動開始之前優(yōu)先對所述流體閥進(jìn)行零點調(diào)整，并且將該零點調(diào)整后的開度改變?yōu)橐?guī)定開度。
41.權(quán)利要求21至40的任意一項所述的燃料電池的冷卻裝置，其中，所述流體閥為旋轉(zhuǎn)閥。
全文摘要
本發(fā)明的課題在于提供一種燃料電池系統(tǒng)，可以抑制致冷劑引起的燃料電池的溫度變化。一種具有向燃料電池(2)循環(huán)供給致冷劑的致冷劑循環(huán)系統(tǒng)(10、11)的燃料電池系統(tǒng)(1)，其中，致冷劑循環(huán)系統(tǒng)(10、11)具有流動控制單元(3、23、42)，其抑制與燃料電池2具有規(guī)定溫度差的致冷劑流入燃料電池(2)。
文檔編號H01M8/10GK101073176SQ200580042209
公開日2007年11月14日 申請日期2005年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者石垣克記, 能登博則, 山本隆士, 太田政孝 申請人:豐田自動車株式會社