專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和安裝有燃料電池系統(tǒng)的車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括燃料電池的燃料系統(tǒng)，更具體地涉及起動時的燃 料電池控制。
背景技術(shù)：
當在諸如冷氣候區(qū)域的室外的低溫環(huán)境下持續(xù)長時間處于停止狀 態(tài)時，燃料電池系統(tǒng)可能遇到系統(tǒng)內(nèi)的水分凍結(jié)的情況。因此，通常 設(shè)計了各種方法來防止燃料電池系統(tǒng)的凍結(jié)。
JP2005-267961A公開了一種關(guān)于燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)，用于根據(jù) 電動車輛所需的電能、二次電池的充電狀態(tài)等等，通過在發(fā)電狀態(tài)與 停止狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換來執(zhí)行所謂的間歇操作。在該系統(tǒng)中，當燃料電池 可能凍結(jié)時，禁止間歇操作，從而提高燃料電池的輸出功率，以防止 凍結(jié)。
JP2004-153947A公開了一種關(guān)于配備有燃料電池系統(tǒng)和發(fā)動機的 混合動力汽車的技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)，當外部氣溫低于預定基準溫度時， 禁止燃料電池的發(fā)電，并通過發(fā)動機獲得所需的電能。
JP2005-251576A公開了一種在燃料電池系統(tǒng)中，用于在系統(tǒng)停止 的同時燃料電池可能凍結(jié)時進行掃氣處理以去除燃料電池內(nèi)的水分的 技術(shù)。
在這點上，當安裝了燃料電池系統(tǒng)的車輛在低溫環(huán)境下使用燃料 電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電能行駛時，車輛行駛產(chǎn)生的相對氣流可能引起形成 燃料電池系統(tǒng)的組件凍結(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，已經(jīng)常規(guī)地提出了防止燃料電池系統(tǒng)凍結(jié)的各種方法。
但是，相關(guān)領(lǐng)域的燃料電池系統(tǒng)沒有考慮當車輛使用從燃料電池 系統(tǒng)供給的電能行駛時，形成安裝在車輛內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)的組件將 由于相對氣流而凍結(jié)的可能性。
本發(fā)明有利地防止了當車輛使用從燃料電池系統(tǒng)供給的電能行駛 時，形成安裝在車輛上的諸如燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的預定部分被 相對氣流凍結(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種安裝在車輛上的燃料電池系統(tǒng)， 包括使用燃料氣體和氧化氣體作為燃料產(chǎn)生電能的燃料電池，所述燃 料電池系統(tǒng)包括凍結(jié)防止處理裝置，其執(zhí)行凍結(jié)防止處理；以及控 制裝置，當所述車輛的速度為預定閾值速度或者更高，并且基于有關(guān) 燃料電池發(fā)電狀態(tài)的物理量而判定的預定條件滿足時，即使所述燃料 電池正在產(chǎn)生電能，所述控制裝置也判定有必要進行所述凍結(jié)防止處 理，并控制所述凍結(jié)防止處理裝置執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，所述預定條件為基于外部氣溫和所述燃料 電池的輸出功率而判定的條件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述預定條件為基于外部氣溫和所述燃 料電池的溫度而判定的條件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述預定條件為基于外部氣溫和用于冷 卻所述燃料電池的冷卻劑的溫度而判定的條件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述預定條件為基于所述燃料電池的輸出功率和在由所述燃料電池產(chǎn)生電能時消耗的燃料氣體量或氧化氣體 量而判定的條件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述預定條件為基于所述燃料氣體通過 的管路內(nèi)的氮的濃度而判定的條件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述凍結(jié)防止處理裝置增加所述燃料氣 體或所述氧化氣體通過的管路內(nèi)的通道阻力，以執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述凍結(jié)防止處理裝置增加設(shè)置在管路 內(nèi)的泵的轉(zhuǎn)速，用于執(zhí)行所述燃料氣體或所述氧化氣體的通道控制以 增加所述凍結(jié)防止處理。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述凍結(jié)防止處理裝置調(diào)節(jié)設(shè)置在泵出 口附近的管路內(nèi)的閥的關(guān)閉/打開量，從而增加所述管路內(nèi)的通道阻力， 其中所述閥執(zhí)行所述燃料氣體或所述氧化氣體的通道控制，以控制從 所述泵排出的燃料氣體或氧化氣體的量。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述凍結(jié)防止處理裝置限制供給到所述 燃料電池的燃料氣體或氧化氣體的量，以執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述凍結(jié)防止處理裝置增加由所述燃料 電池產(chǎn)生的電能，以執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，當所述凍結(jié)防止處理裝置正在執(zhí)行所述 凍結(jié)防止處理時，所述控制裝置輸出表示所述凍結(jié)防止處理裝置正在 執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理的信息。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在所述凍結(jié)防止處理裝置正在執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理的同時，所述控制裝置接收到系統(tǒng)停止請求后輸出預定 的警告。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，車輛包括如權(quán)利要求1所述的燃料電池 系統(tǒng)和使用由所述燃料電池系統(tǒng)提供的電能來執(zhí)行驅(qū)動的驅(qū)動源。
根據(jù)本發(fā)明，當安裝有燃料電池系統(tǒng)的車輛使用從燃料電池系統(tǒng) 供給的電能行駛時，能夠抑制形成燃料電池系統(tǒng)的諸如燃料電池的預 定部分被相對氣流凍結(jié)。


下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的這些及其它目的，其中 圖1為示出根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖2為示出主要包括根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)管路布置 的結(jié)構(gòu)的圖3為示出由控制部分執(zhí)行的、用于防止諸如燃料電池的預定部 分被相對氣流凍結(jié)的處理過程的流程圖4為示出使用電池輸出功率和外部氣溫作為參數(shù)的實例基準圖 的視圖，其中當判定需要凍結(jié)防止處理時控制部分參考所述參數(shù)；
圖5為示出使用冷卻劑溫度和外部氣溫作為參數(shù)的實例基準圖的 視圖，其中當判定需要凍結(jié)防止處理時控制部分參考所述參數(shù)；
圖6為示出使用電池輸出功率、車速和外部氣溫作為參數(shù)的實例 基準圖的視圖，其中當判定需要凍結(jié)防止處理時控制部分參考所述參 數(shù)；
圖7為示出使用冷卻劑溫度、車速和外部氣溫作為參數(shù)的實例基 準圖的視圖，其中當判定需要凍結(jié)防止處理時控制部分參考所述參數(shù)；
圖8為示出使用空氣壓縮機出氣口附近的溫度、空氣壓縮機的轉(zhuǎn) 速和外部氣溫作為參數(shù)的實例基準圖的視圖，其中當判定需要凍結(jié)防 止處理時控制部分參考所述參數(shù)；
圖9為示出使用驅(qū)動空氣壓縮機的電機功率、空氣壓縮機的轉(zhuǎn)速和外部氣溫作為參數(shù)的實例基準圖的視圖，其中當判定需要凍結(jié)防止
處理時控制部分參考所述參數(shù)；
圖IO為示出使用驅(qū)動空氣壓縮機的電機的溫度、空氣壓縮機的轉(zhuǎn)
速和外部氣溫作為參數(shù)的實例基準圖的視圖，其中當判定需要凍結(jié)防
止處理時控制部分參考所述參數(shù)；
圖11為說明由閩的凍結(jié)引起的管道內(nèi)閥出口附近的壓降的視圖； 圖12為示出使用耗氫量和電池輸出功率作為參數(shù)的實例基準圖
的視圖，其中當判定需要凍結(jié)防止處理時控制部分參考所述參數(shù)；以
及
圖13為示出使用循環(huán)通道中的管路內(nèi)的溫度和冷卻劑溫度作為 參數(shù)的實例基準圖的視圖，其中當判定需要凍結(jié)防止處理時控制部分 參考所述參數(shù)。
具體實施例方式
下面將參考附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本 實施例的燃料電池系統(tǒng)將作為動力源安裝在由電機(電動機)驅(qū)動的車 輛上。當用戶打開點火開關(guān)時，啟動燃料電池系統(tǒng)，并根據(jù)用戶執(zhí)行 的加速操作量產(chǎn)生電能。然后，車輛可使用從燃料電池系統(tǒng)提供的電 能來行駛。
參考圖1，燃料電池系統(tǒng)10主要包括燃料氣體供給裝置42、氧化 氣體供給裝置73、燃料電池20和控制部分80。例如，燃料氣體為氫 氣。例如，氧化氣體為空氣?？刂撇糠?0接收來自用戶的系統(tǒng)啟動信 號和系統(tǒng)停止信號，并且根據(jù)這些信號控制系統(tǒng)的啟動和停止?？刂?部分80還從由加速器傳感器84檢測的加速器開度獲得所需的燃料電 池20的電能的量，并控制燃料氣體供給裝置42和氧化氣體供給裝置 73，使得可獲得所需的電能的量，從而調(diào)節(jié)供給到燃料電池20的燃料 氣體和氧化氣體的流量。另外，如下面所詳細描述的，當執(zhí)行圖3中所示流程圖內(nèi)的處理時，控制部分80利用由外部氣溫傳感器86檢測 的外部氣溫信息。
圖2示出了燃料電池系統(tǒng)10的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中主要示出了管路。 如圖2中所示，燃料電池系統(tǒng)10包括用于向燃料電池20供給燃料氣 體的燃料氣體供給線路、用于向燃料電池20供給氧化氣體的氧化氣體 供給線路和用于通過冷卻劑冷卻或加熱燃料電池20的冷卻劑供給線路。
燃料電池20由電池堆形成，其通過作為燃料氣體的氫與作為氧化 氣體的氧之間的電化學反應(yīng)產(chǎn)生電能。每個電池都通過布置氫電極(在 下文中稱為陽極)和氧電極(在下文中稱為陰極)，并在其間布置電解質(zhì) 膜而形成。盡管在該實施例中，將包括例如Nafion(注冊商標)的固態(tài)聚 合物膜作為電解質(zhì)膜的固態(tài)聚合物電池描述為實例，但是本發(fā)明不限 于該結(jié)構(gòu)，而是可應(yīng)用于各種形式的電池。
燃料電池系統(tǒng)10的冷卻劑供給線路包括用于循環(huán)冷卻劑的冷卻 劑通道31、用于檢測從燃料電池20排出的冷卻劑的溫度的溫度傳感器 32、用于從外部給冷卻劑散熱的散熱器33、用于調(diào)節(jié)流入散熱器33的 冷卻劑量的閥34、及用于使冷卻劑增壓和循環(huán)的泵35。當冷卻燃料電 池20時，在控制部分80的控制下，閥34用于增加流入散熱器33的 冷卻劑量，從而向燃料電池20供給由散熱器33冷卻的冷卻劑。另一 方面，當加熱燃料電池20時，在控制部分80的控制下，閥34用于減 少流入散熱器33的冷卻劑量，從而向燃料電池20供給冷卻劑，這樣 抑制了散熱器33的冷卻。
在燃料電池系統(tǒng)10的燃料氣體供給線路內(nèi)布置有用于向陽極供 給燃料氣體的燃料氣體通道41和用于將從陽極排出的燃料廢氣循環(huán)至 燃料氣體通道41的循環(huán)通道51。在燃料氣體通道41中設(shè)有控制來自燃料氣體供給裝置42的燃料 氣體的供給/中斷的截流閥43、檢測燃料氣體壓力的壓力傳感器44、執(zhí) 行燃料氣體的壓力調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器45、打開/關(guān)閉燃料電池20的燃料氣 體入口的截流閥46等等。燃料氣體供給裝置42由高壓氫罐、氫存儲 合金、重整器等形成。
在循環(huán)通道51內(nèi)設(shè)有用于排出燃料廢氣的截流閥52、由電機驅(qū) 動的循環(huán)泵55和防止燃料氣體在燃料氣體通道41內(nèi)朝著循環(huán)通道51 回流的回流閥56。在控制部分80的控制下，當燃料廢氣通過陽極時， 循環(huán)泵55壓縮經(jīng)歷了壓力損失的燃料廢氣，以將燃料廢氣的壓力升高 到適當?shù)臍怏w壓力，然后使氣體循環(huán)通過燃料氣體通道41。然后，燃 料廢氣與從燃料氣體供給裝置42供給的燃料氣體混合，再供給到燃料 電池20，以備將來重新使用。
循環(huán)通道51分支成用于將從燃料氣體循環(huán)線路排放的燃料廢氣 通過稀釋器(例如，氫氣濃度降低裝置)62排到車輛的外部的排出通道 61。在排出通道61內(nèi)設(shè)有排出閥63。通過排出閥63的打開和關(guān)閉， 可將由于燃料電池20內(nèi)的反復循環(huán)而增加了雜質(zhì)濃度的燃料廢氣排到 外部，同時新燃料氣體可被引入，從而防止燃料電池內(nèi)電壓的降低。 另外，通過排出閥63的打開和關(guān)閉，在循環(huán)通道51的內(nèi)部壓力中產(chǎn) 生脈沖，使得可移除氣體通道內(nèi)聚積的水分。這樣，通過排出閥63的 打開和關(guān)閉，可實現(xiàn)燃料氣體供給線路內(nèi)的掃氣處理。
另一方面，在燃料電池系統(tǒng)10的氧氣供給線路中布置有用于向陰 極供給氧氣的氧氣通道71和用于排出從陰極排放的陰極廢氣的陰極廢 氣通道72。氧氣通道71包括由空氣濾清器74形成的氧氣供給裝置73 和由電機驅(qū)動的空氣壓縮機75，其中空氣濾清器74去除從大氣獲取的 空氣內(nèi)含有的塵粒，空氣壓縮機75用于向氧氣通道71供給作為氧氣 的壓縮空氣。另外，布置在氧氣供給裝置73下游的增濕器76在處于 高濕狀態(tài)的陰極廢氣與從大氣獲取的、處于非濕或干燥狀態(tài)的氧氣之間執(zhí)行水分交換，其中由于燃料電池20的電池反應(yīng)而產(chǎn)生的水使陰極 廢氣處于高濕狀態(tài)。借助于布置在陰極廢氣通道72內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)閥77 將陰極的背壓調(diào)節(jié)成大致恒定的壓力。流過陰極廢氣通道72的陰極廢 氣通過氣液分離器、消音器等排出到車輛的外部，或者一部分陰極廢 氣流入稀釋器62，陰極廢氣在這里與其中聚積的燃料廢氣混合在一起， 從而稀釋燃料廢氣，然后排出到車輛的外部。
并且，在氧氣通道71內(nèi)布置有繞過增濕器76的旁通通道78。利 用通過旁通通道78供給到燃料電池20的干燥空氣，可移除燃料電池 20中保留在內(nèi)部通道等內(nèi)的水分。更具體地，通過旁通通道78向燃料 電池20供給干燥空氣，可實現(xiàn)氧氣供給線路內(nèi)的掃氣處理。
控制部分80構(gòu)造為在其中包括CPU、 RAM和ROM的微型計算 機，并根據(jù)ROM中存儲的程序控制燃料電池系統(tǒng)10的各部分的運行。 控制部分80接收布置在各通道內(nèi)的溫度傳感器T和壓力傳感器P的傳 感器信號，根據(jù)電池運行的狀態(tài)(例如，電能負載)驅(qū)動各電機，以調(diào)節(jié) 循環(huán)泵55和空氣壓縮機75的轉(zhuǎn)速，還控制各種閥的打開/關(guān)閉或調(diào)節(jié) 闊的打開量。
根據(jù)本實施例，當安裝有如上構(gòu)造的燃料系統(tǒng)10的車輛使用電池 系統(tǒng)IO供給的電能行駛時，可抑制由于相對氣流引起的諸如燃料電池 20的預定部分(的凍結(jié)。
圖3為示出根據(jù)本實施例、由控制部分80執(zhí)行的用于防止諸如燃 料電池20的預定部分被相對氣流凍結(jié)的處理過程的流程圖?？刂撇糠?80以預定時間間隔執(zhí)行圖3中所示的處理過程，同時燃料電池20發(fā)電， 且車輛以預定速度Vt(例如，Vt > O)或更高速度行駛。
參考圖3，控制部分80判定外部氣溫是否低(S100)。更具體地， 控制部分80基于從檢測外部氣溫的外部氣溫傳感器86獲得的外部氣溫信息，判定外部氣溫是否等于或低于預定閾值溫度(例如，2'C)，并 判定等于或低于預定閾值溫度的外部氣溫為低溫。如果外部氣溫低(即，
如果步驟S100中的判定結(jié)果是肯定的"Y")，那么控制部分80判定 用于形成燃料電池系統(tǒng)10的預定部分的凍結(jié)防止處理是否有必要 (S102)。將在下面詳細描述該步驟中的判定方法。如果由于步驟S104 中的判定結(jié)果而判定凍結(jié)防止處理有必要(g卩，如果步驟S104中的判定 結(jié)果是肯定的"Y")，那么控制部分80執(zhí)行凍結(jié)防止處理，以防止形 成燃料電池系統(tǒng)10的預定部分凍結(jié)(S106)。下面還將詳細描述凍結(jié)防 止處理的具體實例。另一方面，如果外部氣溫高于預定閾值溫度(即， 如果步驟S100中的判定結(jié)果為否定的"N")，那么控制部分80不執(zhí) 行凍結(jié)防止處理，且處理終止。這里，當控制部分80執(zhí)行凍結(jié)防止處 理時，例如，可在儀表板上顯示表示正在執(zhí)行凍結(jié)防止處理的訊息， 或者可顯示在使用于導航系統(tǒng)的屏幕上。
這里，當正在執(zhí)行凍結(jié)防止處理的同時，如果用戶關(guān)閉點火開關(guān) 從而停止燃料電池系統(tǒng)10，那么因為關(guān)于預定部分的凍結(jié)防止處理并 不充分，所以可能在系統(tǒng)停止之后，預定部分會凍結(jié)。為了避免這種 情形，當正在執(zhí)行凍結(jié)防止處理的同時，在接收到用戶通過點火開關(guān) 的系統(tǒng)停止請求后，發(fā)出警告，以告知用戶如果停止系統(tǒng)就會有燃料 電池系統(tǒng)IO凍結(jié)的可能性。另外，如果即使在執(zhí)行凍結(jié)防止處理之后 也無法防止預定部分的凍結(jié)(在下面詳細描述)，那么發(fā)出警告，以告知 用戶如果車輛繼續(xù)行駛，則存在燃料電池系統(tǒng)IO凍結(jié)且造成故障的可 能性。
如上所述，控制部分80根據(jù)需要執(zhí)行凍結(jié)防止處理，同時燃料電 池20發(fā)電，并且車輛以預定閾值速度或更高速度行駛，使得可抑制由 相對氣流引起的諸如燃料電池20的預定部分()的凍結(jié)。在低溫環(huán)境下， 系統(tǒng)中相關(guān)諸如燃料電池20的發(fā)電而產(chǎn)生熱量的部分可能被相對氣流 凍結(jié)，其中所述部分位于距熱源較遠的位置。但是，根據(jù)本實施例， 可抑制位于遠離熱源處的預定部分被相對氣流凍結(jié)。這里，將描述判定凍結(jié)防止處理是否必要的方法。 當滿足有關(guān)燃料電池發(fā)電狀態(tài)的預定條件時，因為形成燃料電池
系統(tǒng)10的預定部分有可能凍結(jié)或?qū)⒁獌鼋Y(jié)，所以控制部分80判定有
必要進行凍結(jié)防止處理?，F(xiàn)在描述有關(guān)燃料電池發(fā)電狀態(tài)的預定條件 的具體實例。
例如，當燃料電池20的輸出功率低于與外部氣溫相關(guān)的預期的基 準輸出功率時，由于燃料電池20內(nèi)電解質(zhì)膜等的凍結(jié)，可能無法執(zhí)行 燃料電池系統(tǒng)10的正常發(fā)電。因此，控制部分80例如參照如圖4中 所示基準圖，以使用電池輸出功率和外部氣溫作為參數(shù)，判定基準圖 上可獲得的位置是否處于凍結(jié)區(qū)域或非凍結(jié)區(qū)域。然后，如果目標位 置包含在凍結(jié)區(qū)域中，那么控制部分80可判定有必要進行凍結(jié)防止處 理。這里，可使用設(shè)置在燃料電池系統(tǒng)10中、分別用于測量燃料電池 20的電壓輸出和燃料電池20的電流的電壓傳感器及電流傳感器測量的 電壓和電流來獲得電池輸出功率。
同時，當從燃料電池20排出的冷卻劑溫度低于與外部氣溫相關(guān)的 預期的基準溫度時，燃料電池20等可能凍結(jié)。因此，控制部分80例 如參考如圖5中所示的基準圖，以便以類似于上面所述的方式判定是 否有必要進行凍結(jié)防止處理。
另外，車輛行駛速度越高，相對氣流的量就越大，導致凍結(jié)的可 能性就越高。另外，外部氣溫越低，由相對氣流引起凍結(jié)的可能性就 越高。并且，與非凍結(jié)狀態(tài)相比，凍結(jié)狀態(tài)的燃料電池20的輸出功率 降低。因此，如果燃料電池20的輸出功率低于與車速和外部氣溫相關(guān) 的基準電池輸出功率，那么燃料電池20等有可能凍結(jié)。這樣，控制部 分80可參考圖6中所示的基準圖，基于使用車速、外部氣溫和電池輸 出功率作為參數(shù)獲得的在基準圖上的位置，來判定是否有必要進行凍結(jié)防止處理。
另外，如上所述，當冷卻劑的溫度低于與外部氣溫相關(guān)的預期基 準溫度時，燃料電池20等有可能凍結(jié)，隨著車速增加，凍結(jié)的可能性
也增加。因此，控制部分80可參考圖7中所示基準圖，基于使用車速、
外部氣溫和冷卻劑溫度作為參數(shù)獲得的在基準圖上的位置，來判定是 否有必要進行凍結(jié)防止處理。
并且，當空氣管路的空氣壓縮機75出口附近的內(nèi)部壓力高于預期 基準壓力時，布置在氧氣供給線路中的空氣壓縮機75下游的閥等有可 能凍結(jié)。因此，當空氣管路內(nèi)部壓力高于基準壓力時，控制部分80可 判定有必要進行凍結(jié)防止處理。
另外，由于因為閥等的凍結(jié)引起管路內(nèi)通道阻力的增加，會出現(xiàn) 這樣的情形，即由空氣壓縮機75壓縮的、溫度升高的空氣難以從空氣 壓縮機75排出，因此再次壓縮，引起壓縮空氣的進一步升溫。這樣， 當空氣管路內(nèi)空氣壓縮機75出口附近的溫度(下文中稱為空氣出口溫 度)高于與空氣壓縮機75的轉(zhuǎn)速和外部氣溫相關(guān)的預期基準溫度時，可 能如上面實例中一樣，閥等有可能凍結(jié)。因此，控制部分80可參考圖 8中所示基準圖，基于使用空氣壓縮機75的空氣出口溫度、空氣壓縮 機75的轉(zhuǎn)速和外部氣溫作為參數(shù)獲得的在基準圖上的位置，來判定是 否有必要進行凍結(jié)防止處理。
另外，當由于閥等的凍結(jié)、管路內(nèi)的通道阻力增加，而使空氣變 得難以從空氣壓縮機75排出時，引起驅(qū)動空氣壓縮機75的驅(qū)動電機 的輸出功率增加。這樣，當驅(qū)動電機的輸出功率高于與空氣壓縮機75 轉(zhuǎn)速相關(guān)的預期基準輸出功率時，閥等有可能凍結(jié)。因此，控制部分 80可參考圖9中所示的基準圖，基于使用驅(qū)動空氣壓縮機75的驅(qū)動電 機的輸出功率、空氣壓縮機75的轉(zhuǎn)速和外部氣溫作為參數(shù)獲得的在基 準圖上的位置，來判定是否有必要進行凍結(jié)防止處理。類似地，隨著由閥等的凍結(jié)引起驅(qū)動空氣壓縮機75的驅(qū)動電機的 輸出功率的增加，與正常狀態(tài)的溫度相比，驅(qū)動電機的溫度也增加。
因此，控制部分80可參考圖10中所示基準圖，基于使用驅(qū)動空氣壓 縮機75的驅(qū)動電機的溫度、空氣壓縮機75的轉(zhuǎn)速和外部氣溫作為參 數(shù)獲得的在基準圖上的位置，來判定是否有必要進行凍結(jié)防止處理。
另外，如圖ll中所示，存在這樣的情形，即當布置在組成燃料系 統(tǒng)10的各通道內(nèi)的各種閥凍結(jié)時，無法執(zhí)行閥的正常打開和關(guān)閉操作， 防止了管路中閥出口附近的內(nèi)部壓力增加達到預定基準壓力。因此， 控制部分80可判定閥出口附近隨著閥的打開和關(guān)閉而增加的管路內(nèi)部 壓力是否己達到預期的基準壓力，并且如果管路內(nèi)部壓力還未達到基 準壓力，那么就判定有必要進行凍結(jié)防止處理。
此外，存在這樣的情形，即當布置在燃料氣體供給線路中循環(huán)通 道51內(nèi)的閥凍結(jié)時，降低循環(huán)通道51內(nèi)的管路內(nèi)部壓力(例如，壓力 傳感器P57)。因此，當循環(huán)通道51中的管路內(nèi)部壓力低于預定基準壓 力時，控制部分80可判定有必要進行凍結(jié)防止處理。
另外，存在這樣的情形，即由于布置在燃料氣體供給線路中循環(huán) 通道51內(nèi)的閥的凍結(jié)，管路內(nèi)的氮濃度提高。因此，當管路內(nèi)的氮濃 度高于預定基準濃度時，控制部分80可判定有必要進行凍結(jié)防止處理。 這里，例如，可使用氫與氮之間的壓力損失差來估算管路內(nèi)的氮濃度。 具體地，因為取決于密度和粘度的差別，氮的壓力損失可為氫的壓力 損失的約4倍，所以隨著燃料電池20內(nèi)燃料氣體中氮濃度的增加，用 于向燃料電池20供給燃料氣體的入口及出口附近的壓力差也增加。因 此，控制部分80可檢測由設(shè)置在入口附近的壓力傳感器測量的壓力與 由設(shè)有出口附近的壓力傳感器測量的壓力之間的差，從而估算氮的濃 度。
16另外，存在這樣的情形，即當布置在燃料氣體供給線路中如循環(huán) 通道51內(nèi)的闊凍結(jié)時，由于氫從凍結(jié)的閥等的泄漏，消耗的氫量增加。
因此，控制部分80可參考圖12所示的基準圖，基于使用燃料電池20 輸出功率和氫的消耗量作為參數(shù)獲得的在基準圖上的位置，來判定是 否有必要進行凍結(jié)防止處理。這里，當布置在氧氣供給線路中的閥凍 結(jié)時，消耗的氧量可增加。因此，當消耗的氧量大于與電池輸出功率 相關(guān)的預期基準氧消耗量時，控制閥80可判定有必要進行凍結(jié)防止處 理。
同樣，存在這樣的情形，即當布置在燃料氣體供給線路中循環(huán)通 道內(nèi)的閥凍結(jié)時，循環(huán)通道51中的管路內(nèi)的溫度變得低于與從燃料電 池20排出的冷卻劑溫度相關(guān)的預期基準溫度。因此，控制部分80可 參考圖13中所示的基準圖，基于使用從燃料電池排出的冷卻劑溫度和 循環(huán)通道51的管路內(nèi)的溫度作為參數(shù)獲得的在基準圖上的位置，來判 定是否有必要進行凍結(jié)防止處理。
通過使用至少一個上述判定方法，控制部分80可判定是否有必要 進行凍結(jié)防止處理。
現(xiàn)在描述凍結(jié)防止處理。
例如，控制部分80以低效率運行燃料電池20，因而利于燃料電 池20的發(fā)熱，從而通過利用產(chǎn)生的熱量來抑制燃料電池等的凍結(jié)。這 里，關(guān)于燃料電池20發(fā)電所需的量，可通過與正常運行期間所需的量 相比，降低供給到燃料電池20的氧量，來實現(xiàn)燃料電池20的低效率 運行。
另外，可在用于循環(huán)冷卻劑的冷卻劑通道31內(nèi)設(shè)置加熱器，并借 助于由燃料電池20產(chǎn)生的電能運行加熱器，以加熱冷卻劑，然后通過 使用加熱的冷卻劑來加熱燃料電池20，從而抑制凍結(jié)。這樣，通過使用與燃料電池20輸出功率的增加相關(guān)而產(chǎn)生的熱以及加熱的冷卻劑， 可抑制燃料電池20等的凍結(jié)。
并且，當空氣壓縮機75壓縮的空氣變得難以排出，并且空氣壓縮 機75的溫度增加時，空氣壓縮機75進一步壓縮空氣，從而使得空氣 溫度進一步升高，如上所述?？紤]到這個事實，在空氣壓縮機75的空 氣出口附近預先布置例如由電機驅(qū)動的蝶形閥，用于防止凍結(jié)。具體 地，通過該閥的關(guān)閉，管路內(nèi)的通道阻力增加，使得難以將由空氣壓 縮機75壓縮的、溫度增高了的空氣從空氣壓縮機75排出，這允許從 壓縮機75輸出的空氣的溫度的進一步升高。隨著空氣的該溫度升高， 可減少布置在氧氣供給線路內(nèi)的閥等的凍結(jié)。這樣，控制部分80可通 過關(guān)閉設(shè)置在空氣壓縮機75的空氣出口附近的蝶形閥來實現(xiàn)凍結(jié)防止 處理。這里，還可在循環(huán)泵55的氫出口附近設(shè)置上述蝶形閥，并調(diào)節(jié) 該閥的關(guān)閉，從而抑制布置在燃料氣體供給線路內(nèi)的閥等的凍結(jié)?？?向用于冷卻劑的泵35應(yīng)用類似的結(jié)構(gòu)。
并且，通過相比于正常運行中的轉(zhuǎn)速，與上述關(guān)閉蝶形閥的情形 相類似地提髙泵的轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)管路內(nèi)通道阻力的增加，其中所述泵 包括空氣壓縮機75、循環(huán)泵55、冷卻劑泵35等。因此，控制部分80 可通過提高泵的轉(zhuǎn)速來抑制各線路內(nèi)布置的閥等的凍結(jié)。
如上所述，根據(jù)本實施例，在燃料電池20發(fā)電，并且車輛以預定 閾值速度或更快的速度行駛的同時，如果上述的關(guān)于燃料電池20的發(fā) 電狀態(tài)滿足預定條件，那么控制部分80判定有必要進行凍結(jié)防止處理， 執(zhí)行上述凍結(jié)防止處理。因此，可抑制由相對氣流引起的諸如燃料電 池20的預定部分的凍結(jié)。
權(quán)利要求
1. 一種安裝在車輛上的燃料電池系統(tǒng)，包括使用燃料氣體和氧化氣體作為燃料產(chǎn)生電能的燃料電池，所述燃料電池系統(tǒng)包括凍結(jié)防止處理裝置，所述凍結(jié)防止處理裝置執(zhí)行凍結(jié)防止處理；以及控制裝置，當所述車輛的速度為預定閾值速度或更高并且基于有關(guān)所述燃料電池的發(fā)電狀態(tài)的物理量而判定的預定條件滿足時，即使所述燃料電池正在產(chǎn)生電能，所述控制裝置也判定有必要進行所述凍結(jié)防止處理，并且所述控制裝置控制所述凍結(jié)防止處理裝置執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述預定條件為基于外部氣溫和所述燃料電池的輸出功率而判定 的條件。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述預定條件為基于外部氣溫和所述燃料電池的溫度而判定的條件。
4. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述預定條件為基于外部氣溫和用于冷卻所述燃料電池的冷卻劑 的溫度而判定的條件。
5. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述預定條件為基于所述燃料電池的輸出功率和在由所述燃料電池產(chǎn)生電能時消耗的燃料氣體量或氧化氣體量而判定的條件。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述預定條件為基于所述燃料氣體通過的管路內(nèi)的氮的濃度而判定的條件。
7. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述凍結(jié)防止處理裝置增加所述燃料氣體或所述氧化氣體通過的 管路中的通道阻力，以執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理。
8. 如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中所述凍結(jié)防止處理裝置增加在所述管路中設(shè)置的用于執(zhí)行所述燃 料氣體或所述氧化氣體的通道控制的泵的轉(zhuǎn)速，以增加所述管路中的 所述通道阻力。
9. 如權(quán)利要求7所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述凍結(jié)防止處理裝置調(diào)節(jié)在泵的出口附近的管路中設(shè)置的閥的關(guān)閉/打開量，以控制從所述泵排出的燃料氣體或氧化氣體的量，從而 增加所述管路內(nèi)的所述通道阻力，其中所述泵執(zhí)行所述燃料氣體或所 述氧化氣體的通道控制。
10. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述凍結(jié)防止處理裝置限制供給到所述燃料電池的燃料氣體或氧化氣體的量，以執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理。
11. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 所述凍結(jié)防止處理裝置增加由所述燃料電池產(chǎn)生的電能，以執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理。
12. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中 當所述凍結(jié)防止處理裝置正在執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理時，所述控制裝置輸出表示所述凍結(jié)防止處理裝置正在執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理的{曰息。
13. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池系統(tǒng)，其中在所述凍結(jié)防止處理裝置正在執(zhí)行所述凍結(jié)防止處理期間，所述 控制裝置在接收到系統(tǒng)停止請求時輸出預定的警告。
14. 一種車輛，包括如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)和使用由所述燃料電池系統(tǒng)提供的電能來執(zhí)行驅(qū)動的驅(qū)動源。
全文摘要
當安裝有燃料電池系統(tǒng)的車輛使用該系統(tǒng)提供的電能行駛時，防止形成系統(tǒng)的諸如燃料電池的預定部分被相對氣流凍結(jié)。所述燃料電池系統(tǒng)安裝在車輛上，并具有用于通過使用燃料氣體和氧化氣體作為燃料產(chǎn)生電能的燃料電池，還具有用于控制該系統(tǒng)的控制部分。當車輛的速度高于或等于預定閾值，并且通過與燃料電池的發(fā)電條件相關(guān)的物理量而判定的預定條件滿足時，即使所述燃料電池正在產(chǎn)生電能，所述控制部分仍判定有必要進行凍結(jié)防止處理，并執(zhí)行該處理。
文檔編號H01M8/00GK101427411SQ20078001387
公開日2009年5月6日 申請日期2007年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月19日
發(fā)明者藤田信雄 申請人:豐田自動車株式會社