專利名稱：燃料電池系統(tǒng)、馬達、空氣壓縮機、泵和設(shè)計馬達的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，并且更加具體地涉及應對負荷波動的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，配備有燃料電池系統(tǒng)的車輛已經(jīng)得到發(fā)展。在這種車輛中，用于推進車輛的電力由燃料電池系統(tǒng)供應。然而，當燃料電池系統(tǒng)要求的負荷增加時，變得有必要控制輔助馬達等的轉(zhuǎn)速的波動，并且因此要求的電力量增加。為了確保增加的要求電力，可以連續(xù)地向燃料電池供應過量的燃料氣體和氧化氣體，從而超過要求負荷地過剩地執(zhí)行電力產(chǎn)生。然而，這種構(gòu)造降低了燃料效率。因此，用于應對負荷波動的電力是從電池供應的。例如，如果要求負荷響應于加速器踏板的操作而增加，則向燃料電池供應氧化氣體的馬達驅(qū)動空氣壓縮機的馬達的轉(zhuǎn)速的波動要求的電力增加是從電池供應的。隨著對于加速器操作的響應性增強并且隨著燃料電池的輸出升高，電力的增加量增加。然而，因為電池的容量受到限制，所以可實現(xiàn)的響應性或者輸出性能存在限制。因此，在某些情形中不能確保期望程度的可駕駛性，并且已經(jīng)需求在應對燃料電池系統(tǒng)要求的負荷的波動方面改進性能。這個問題不僅在用于空氣壓縮機的馬達中出現(xiàn)，而且對于在燃料電池系統(tǒng)中采用的各種馬達而言是共有的。起初地，該問題不僅在被設(shè)置在車輛中的燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)，而且還在為了要求負荷的波動伴隨的意圖而采用的各種燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明改進了應對燃料電池系統(tǒng)要求的負荷的波動的性能。本發(fā)明的第一方面涉及一種燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)包括:燃料電池；氣體供應/排出機構(gòu)，該氣體供應/排出機構(gòu)供反應氣體使用，該反應氣體用于在燃料電池中的電化學反應；和冷卻燃料電池的冷卻劑循環(huán)機構(gòu)。氣體供應/排出機構(gòu)和循環(huán)機構(gòu)中的至少一個采用配備有大致圓筒形轉(zhuǎn)子的馬達。該轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子的軸向長度L與它的直徑D的比率L/D，比率L/D近似地等于滿足關(guān)系Ta彡Tm的最大值，其中Ta表示馬達的容許扭矩并且Tm表示將向馬達要求的最大扭矩。轉(zhuǎn)子的軸向長度L與其直徑D的比率具有(在下文中“比率L/D”)近似地等于滿足關(guān)系:Ta彡Tm的最大值，其中Ta表示馬達的容許扭矩，并且Tm表示將向馬達要求的最大扭矩。根據(jù)本發(fā)明前面的方面，在氣體供應/排出機構(gòu)和循環(huán)機構(gòu)中的至少一個中采用的馬達包括轉(zhuǎn)子，并且轉(zhuǎn)子的比率L/D被設(shè)定為近似地等于滿足關(guān)系:Ta彡Tm的最大值。即，比率L/D被設(shè)定為近似地等于在能夠輸出計劃最大扭矩的這種范圍內(nèi)的最大值。轉(zhuǎn)子的慣性隨著比率L/D增加而降低。因此，這個馬達使得減少執(zhí)行控制以增加馬達的轉(zhuǎn)速所需要的電力的量成為可能。結(jié)果，當燃料電池系統(tǒng)要求的負荷增加時，能夠減少執(zhí)行控制以增加燃料電池系統(tǒng)的輸出電力所需要的電力增加量。相應地，當從具有有限容量的電力存儲裝置的輸出供應增加的電力時，能夠相應于電力增加量的降低而增強對于要求負荷增加的響應性。結(jié)果，應對燃料電池系統(tǒng)要求的負荷的波動的性能得以改進。此外，當燃料電池系統(tǒng)在增加的電力被添加到的輸出處操作時，所添加的電力的量能夠減少。因此，利用燃料電池系統(tǒng)的輸出的效率得以增強，并且應對燃料電池系統(tǒng)要求的負荷波動的性能能夠得以改進。在本發(fā)明前面的方面中，燃料電池系統(tǒng)可以進一步配備有電力存儲裝置。該電力存儲裝置可以根據(jù)燃料電池系統(tǒng)要求的負荷的波動供應控制該至少一個馬達的轉(zhuǎn)速的波動所需要的電力。根據(jù)本發(fā)明前面的方面，從電力存儲裝置供應執(zhí)行控制以增加燃料電池系統(tǒng)的輸出電力所需要的、增加的電力。因此，無需在增加的電力被添加于此的輸出處操作燃料電池系統(tǒng)。相應地，利用燃料電池系統(tǒng)的輸出的效率得以增強。此外，能夠相應于轉(zhuǎn)子的慣性降低和電力增加的降低地增強對于要求負荷增加的響應性。因此，即使當電力存儲裝置的容量范圍受到限制時也能夠?qū)崿F(xiàn)高響應性。本發(fā)明的第二方面涉及一種燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池系統(tǒng)配備有燃料電池；氣體供應/排出機構(gòu)，所述氣體供應/排出機構(gòu)供用于燃料電池中的電化學反應的反應氣體使用；循環(huán)用于冷卻燃料電池的冷卻劑的冷卻劑循環(huán)機構(gòu)，和電力存儲裝置。氣體供應/排出機構(gòu)和循環(huán)機構(gòu)中的至少一個采用配備有大致圓筒形轉(zhuǎn)子的馬達。轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子的軸向長度L與它的直徑D的比率L/D，比率L/D近似地等于滿足關(guān)系:Ta彡Tm的最大值，其中Ta表示馬達的容許扭矩并且Tm表示將向馬達要求的最大扭矩。該電力存儲裝置具有最大容量，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)要求的負荷的波動來控制馬達的轉(zhuǎn)速的波動所需要的電力量的計劃最大值被設(shè)定為被限制在該最大容量內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明前面的方面，能夠從電力存儲裝置供應根據(jù)燃料電池系統(tǒng)要求的負荷的波動控制馬達的轉(zhuǎn)速的波動所需要的全部的電力量。因此，無需在增加的電力被添加于此的輸出處操作燃料電池系統(tǒng)。相應地，利用燃料電池系統(tǒng)的輸出的效率得以增強。在本發(fā)明前面的方面中，比率L/D可以等于或者大于0.5并且等于或者小于6。根據(jù)本發(fā)明前面的方面的燃料電池系統(tǒng)的馬達的轉(zhuǎn)子的比率L/D是經(jīng)常在這個范圍內(nèi)的。本發(fā)明的第三方面涉及一種馬達，該馬達在供用于在燃料電池中的電化學反應的反應氣體使用的氣體供應/排出機構(gòu)和循環(huán)用于冷卻燃料電池的冷卻劑的冷卻劑循環(huán)機構(gòu)中的至少一個中采用。該馬達配備有大致圓筒形轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子的軸向長度L與它的直徑D的比率L/D，比率L/D近似地等于滿足關(guān)系:Ta彡Tm的最大值，其中Ta表示馬達的容許扭矩并且Tm表示將向馬達要求的最大扭矩。本發(fā)明的第四方面涉及一種空氣壓縮機，該空氣壓縮機在供用于在燃料電池中的電化學反應的反應氣體使用的氣體供應/排出機構(gòu)中采用。該空氣壓縮機配備有具有大致圓筒形轉(zhuǎn)子的馬達。該轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子的軸向長度L與它的直徑D的比率L/D，比率L/D近似地等于滿足關(guān)系:Ta ^ Tm的最大值，其中Ta表示馬達的容許扭矩并且Tm表示將向馬達要求的最大扭矩。本發(fā)明的第五方面涉及一種泵，該泵在供用于在燃料電池中的電化學反應的反應氣體使用的氣體供應/排出機構(gòu)和循環(huán)用于冷卻燃料電池的冷卻劑的冷卻劑循環(huán)機構(gòu)中的至少一個中采用。該泵配備有具有大致圓筒形轉(zhuǎn)子的馬達。該轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)子的軸向長度L與它的直徑D的比率L/D，比率L/D近似地等于滿足關(guān)系:Ta彡Tm的最大值，其中Ta表示馬達的容許扭矩并且Tm表示將向馬達要求的最大扭矩并且Tm表示將向馬達要求的最大扭矩。本發(fā)明的第六方面涉及一種設(shè)計馬達的方法，該馬達在供用于在燃料電池中的電化學反應的反應氣體使用的氣體供應/排出機構(gòu)和循環(huán)用于冷卻燃料電池的冷卻劑的冷卻劑循環(huán)機構(gòu)中采用。該設(shè)計馬達的方法包括設(shè)定轉(zhuǎn)子的軸向長度L與它的直徑D的比率L/D，比率L/D近似地等于滿足關(guān)系:Ta彡Tm的最大值，其中Ta表示馬達的容許扭矩并且Tm表示將向馬達要求的最大扭矩。


將在下面參考附圖描述本發(fā)明的示例性實施例的特征、優(yōu)點以及技術(shù)和工業(yè)意義，其中類似的附圖標記表示類似的元件，并且其中:圖1概略地示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料電池動力車輛的構(gòu)造；圖2概略地示出用于構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料電池系統(tǒng)的空氣壓縮機的馬達的構(gòu)造；圖3是構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的實施例的馬達的轉(zhuǎn)子的外側(cè)尺寸的透視圖；并且圖4示意根據(jù)本發(fā)明的實施例設(shè)定轉(zhuǎn)子的比率L/D的方法。
具體實施例方式圖1概略地示出配備有根據(jù)本發(fā)明的實施例的燃料電池系統(tǒng)30的燃料電池動力車輛20的構(gòu)造。燃料電池動力車輛20的燃料電池系統(tǒng)30提供動力以推進車輛20。如在圖1中所示，燃料電池動力車輛20配備有燃料電池系統(tǒng)30、電力供應機構(gòu)80、控制單元90
坐寸ο燃料電池系統(tǒng)30通過電化學反應產(chǎn)生電力以推進燃料電池動力車輛20。如在圖1中所示，燃料電池系統(tǒng)30包括燃料電池堆40、燃料氣體供應/排出機構(gòu)50、氧化氣體供應/排出機構(gòu)60，和冷卻劑循環(huán)機構(gòu)70。通過在彼此之上層疊多個單元電池41并且分別利用配備有輸出端子的端子、絕緣體和端板夾緊單元電池41的層疊堆的每一端而構(gòu)造燃料電池堆40。每一個單元電池41由陽極、陰極、電解質(zhì)、分離器構(gòu)成，并且構(gòu)成電力產(chǎn)生的最小單元。雖然在本發(fā)明的實施例中質(zhì)子交換膜燃料電池作為每一個單元電池41，但是還可以采用其它燃料電池。燃料氣體供應/排出機構(gòu)50包括氫罐51、調(diào)節(jié)器52,和氫循環(huán)泵53。氫被存儲在氫罐51中并且在氫的壓力和供應量被調(diào)節(jié)器52調(diào)節(jié)之后被供應到每一個單元電池41的陽極。來自陽極的排氣(在下文中被稱作陽極廢氣)經(jīng)由氫循環(huán)泵53而被再循環(huán)到每一個單元電池41。氫循環(huán)泵53包括驅(qū)動氫循環(huán)泵53的馬達54。應該注意，陽極廢氣可以被排放到系統(tǒng)外側(cè)而不被再循環(huán)或者在再循環(huán)期間被間歇地排出到系統(tǒng)外側(cè)。氧化氣體供應/排出機構(gòu)60包括空氣凈化器61、空氣壓縮機62,和加濕器64。從空氣凈化器61抽取的空氣被空氣壓縮機62壓縮，然后被加濕器64加濕，并且被供應到每一個單元電池41的陰極?？諝鈮嚎s機62包括驅(qū)動空氣壓縮機62的馬達63。來自陰極的排氣(在下文中被稱作陰極廢氣)經(jīng)由加濕器64而被排放到系統(tǒng)外側(cè)。在本發(fā)明的實施例中，加濕器64包括水蒸汽可滲透的膜，并且被構(gòu)造成使用已經(jīng)滲透穿過水蒸汽可滲透的膜的、來自陰極廢氣的水蒸汽加濕被供應到每一個單元電池41的空氣。應該注意，當陽極廢氣被排放到系統(tǒng)外側(cè)時，陽極廢氣可以在被排放之前與陰極廢氣混合。冷卻劑循環(huán)機構(gòu)70包括散熱器71和冷卻劑循環(huán)泵72。冷卻劑循環(huán)泵72包括驅(qū)動冷卻劑循環(huán)泵72的馬達73。冷卻劑循環(huán)機構(gòu)70在冷卻劑循環(huán)機構(gòu)70和每一個單元電池41之間循環(huán)冷卻劑，并且重復將熱量吸收到每一個單元電池41中并且從散熱器71排放熱量以調(diào)節(jié)每一個單元電池41的操作溫度。電力供應機構(gòu)80向燃料電池動力車輛20的各種構(gòu)件供應電力，并且包括DC-DC轉(zhuǎn)換器81、電池82和逆變器83和84。DC-DC轉(zhuǎn)換器81將燃料電池堆40的輸出電壓和電池82的輸出電壓調(diào)節(jié)為預定電壓。電池82被設(shè)置成輔助電源。由燃料電池系統(tǒng)30產(chǎn)生的任何過剩電力被存儲在電池82中。采用如下構(gòu)造也是適當?shù)?，其中在再生制動期間由驅(qū)動馬達93產(chǎn)生的電力經(jīng)由DC-DC轉(zhuǎn)換器81而被存儲到電池82中。應該注意，輔助電源不限于電池，而是可以是電容器等。此外，電池可以用作本發(fā)明的電力存儲裝置。逆變器83將電壓已經(jīng)被DC-DC轉(zhuǎn)換器81升高的、來自燃料電池堆40和電池82的直流電力轉(zhuǎn)換成三相交流電力，并且以可變地受到控制的預定頻率向驅(qū)動馬達93供應電力。驅(qū)動馬達93經(jīng)由減速齒輪95驅(qū)動該驅(qū)動輪96。逆變器84將電壓已經(jīng)被DC-DC轉(zhuǎn)換器81降低的、由電池82輸出的直流電力和由燃料電池堆40輸出的直流電力轉(zhuǎn)換成三相交流電力，并且以可變地受到控制的預定頻率向輔助馬達例如馬達54、63和73供應電力。為每一個輔助馬達提供了逆變器84。上述燃料電池動力車輛20的構(gòu)件由控制單元90控制/操作。控制單元90可以是包括CPU、RAM和ROM的電控制單元(E⑶)。在經(jīng)由加速器(未示出)接收請求輸出RO時，控制單元90向燃料電池系統(tǒng)30的構(gòu)件(例如，調(diào)節(jié)器52和馬達54、63和73)、電力供應機構(gòu)80的構(gòu)件(例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器81和逆變器83和84)輸出驅(qū)動信號，以控制燃料電池動力車輛20的總體操作。雖然在本發(fā)明的實施例中控制單元90包括與控制燃料電池動力車輛20的操作的控制單元集成的、控制燃料電池系統(tǒng)30的控制單元，但是這些控制單元可以被分開地設(shè)置。在本發(fā)明的該實施例中，控制單元90根據(jù)請求輸出RO控制燃料電池系統(tǒng)30的輸出。當駕駛員踩下加速器踏板以加速車輛20時，控制單元90接受相應的請求輸出R0，并且執(zhí)行控制以增加由燃料電池系統(tǒng)30產(chǎn)生的電力量。更加具體地，控制單元90向逆變器84發(fā)送信號以通過VVVF控制增加馬達54和63的轉(zhuǎn)速。因此，供應的燃料氣體和氧化氣體的量增加，這增加了所產(chǎn)生的電力量。在此情形中，根據(jù)需要，控制單元90調(diào)整調(diào)節(jié)器52的開度以從氫罐51供應燃料氣體。控制單元90增加馬達73的轉(zhuǎn)速以增加冷卻劑循環(huán)機構(gòu)70使其循環(huán)的冷卻劑的循環(huán)速度。執(zhí)行該控制以避免當所產(chǎn)生的電力量增加時的燃料電池堆40的過度溫度增加。如上所述，為了增加馬達54、63和73的轉(zhuǎn)速，燃料電池動力車輛20所要求的電力以由馬達54、63和73的轉(zhuǎn)速的增加引起的電力消耗的增加而增力口。來自電池82的電力被用于供應另外的電力。圖2示出用于空氣壓縮機62的馬達63的概略構(gòu)造。圖2示出馬達63的截面。在本發(fā)明的該實施例中，馬達63是永久磁體同步馬達。然而，馬達63不限于任何具體的馬達，而是能夠被設(shè)計成各種形式的交流馬達。起初地，在其中輸入直流電力的情形中，可以采用直流馬達。如在圖2中所示，馬達63包括轉(zhuǎn)子110、定子120、軸130和分析器(resolver)140。通過在由在彼此之上層疊的多個鋼板構(gòu)成的大致圓筒形轉(zhuǎn)子芯中形成通孔，并且將永久磁體115插入通孔中而構(gòu)造轉(zhuǎn)子110。從轉(zhuǎn)子110沿著徑向向外布置定子120。通過圍繞由在彼此之上層疊的多個鋼板構(gòu)成的定子芯纏繞勵磁線圈繞組而構(gòu)造定子120。在定子芯的兩端處，沿著其旋轉(zhuǎn)軸的方向，勵磁線圈繞組形成通過加壓形成的線圈端部125。應該注意，如根據(jù)以上說明清楚地，馬達63是內(nèi)轉(zhuǎn)子式的，但是可以是外轉(zhuǎn)子式的。當逆變器84經(jīng)由向定子120的勵磁線圈繞組施加交流電壓時，對應于交流電壓的旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子110旋轉(zhuǎn)。軸130被聯(lián)接到定子120并且旋轉(zhuǎn)以在空氣壓縮機62中產(chǎn)生空氣壓縮驅(qū)動力。分析器140基于在線圈繞組中感應的電壓檢測被聯(lián)結(jié)到軸130的分析器轉(zhuǎn)子用以與轉(zhuǎn)子110同相地旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角度。圖3示出在這個馬達63中采用的轉(zhuǎn)子110的外側(cè)尺寸。如在圖3中所示，轉(zhuǎn)子110在形狀上是大致圓筒形的。轉(zhuǎn)子110具有沿著它的旋轉(zhuǎn)軸的軸向長度L和直徑D，并且L與D的比率(在下文中〃比率L/D")通常等于預定值。具體地，Ta表示馬達63的容許扭矩并且Tm表示將向馬達63要求的最大扭矩，并且比率L/D被設(shè)定為滿足關(guān)系:Ta ^ Tm的最大值。應該注意，雖然沒有詳細描述，但是轉(zhuǎn)子的比率L/D同樣被以與馬達54和73相同的方式設(shè)定。應該注意，容許扭矩Ta可以是能夠輸出的扭矩的上限。此外，將要求的最大扭矩Tm可以是將對燃料電池系統(tǒng)作出的負荷請求的最大扭矩。另外，將要求的容許扭矩Ta和最大扭矩Tm這兩者可以是根據(jù)設(shè)計設(shè)定的值。即，容許扭矩Ta可以是能夠根據(jù)設(shè)計輸出的設(shè)定扭矩的上限，并且將 要求的最大扭矩Tm可以是在設(shè)計所采用的燃料電池時的負荷請求的最大扭矩。將使用圖4描述值L/D如此設(shè)定的原因。隨著請求輸出RO增加，增加馬達63的轉(zhuǎn)速所需要的電力(在下文中還被稱作加速相應電力)根據(jù)馬達63和空氣壓縮機62的慣性、設(shè)定響應時間和空氣壓縮機62的做功而波動。例如可以使用等式(I)和(2)計算馬達63的轉(zhuǎn)子110的慣性，其中W代表轉(zhuǎn)子110的質(zhì)量并且d代表轉(zhuǎn)子110的內(nèi)徑。圓板的慣性J=l/8.WD2…(1)中空圓柱體的慣性J=l/12.W (D2+d2)...(2)如同樣根據(jù)等式(I)和(2)清楚地，轉(zhuǎn)子110的慣性不受值L影響，并且隨著值D增加而增加。即，轉(zhuǎn)子110的慣性隨著用以設(shè)定比率L/D的值增加，即，隨著轉(zhuǎn)子110的大致圓筒形形狀變得相對細長而降低。因此，如在圖4中所示，隨著用以設(shè)定比率L/D的值增加，加速相應電力可以減小。應該注意，圖4的虛線示意將向馬達63要求的最大扭矩Tm，并且圖4的鏈線示意馬達63的容許扭矩Ta。然而，如果比率L/D增加，則定子120的能夠確保的狹槽的數(shù)目降低，這減少了能夠產(chǎn)生的扭矩量。相應地，如在圖4中所示，容許扭矩Ta隨著比率L/D增加而降低。因此，在本發(fā)明的實施例中，比率L/D被設(shè)定為滿足關(guān)系=TaSTm的最大值，S卩，對應于關(guān)系:Ta=Tm的比率L/D。通過如此將比率L/D設(shè)定在能夠輸出最大扭矩Tm的這個范圍內(nèi)，在比率L/D和加速相應電力之間的關(guān)系中加速相應電力可以被最小化。換言之，比率L/C被設(shè)定在使得空氣壓縮機62要求的性能并不劣化的這種范圍內(nèi)。應該注意，在設(shè)計馬達的傳統(tǒng)方法中，比率L/D對于加速相應電力的影響通常不被考慮。比率L/D的適當?shù)闹悼梢愿鶕?jù)馬達的設(shè)計規(guī)格等改變，但是通常在0.5和6.0之間。雖然比率L/D可以被設(shè)定為對應于關(guān)系:Ta=Tm的值，但是它還可以被設(shè)定為接近滿足關(guān)系:Ta ^ Tm的最大值的值，只要能夠?qū)崿F(xiàn)所期響應性。例如，L/D比率可以等于滿足關(guān)系:Ta彡Tm的最大值的90%。在燃料電池系統(tǒng)30中，在氧化氣體供應/排出機構(gòu)60中采用的馬達63的轉(zhuǎn)子110的比率L/D被設(shè)定為滿足關(guān)系:Ta ^ Tm的最大值。轉(zhuǎn)子110的慣性隨著比率L/D增加而降低。因此，與比率L/D相關(guān)地，在最大可能的程度上增加馬達63的轉(zhuǎn)速需要更少的電力。結(jié)果，當燃料電池系統(tǒng)要求的負荷增加時，在執(zhí)行控制以增加燃料電池系統(tǒng)30的輸出電力時需要的加速相應電力可以減少。此外，因為轉(zhuǎn)子的比率L/D同樣被以與分別地在燃料氣體供應/排出機構(gòu)50和冷卻劑循環(huán)機構(gòu)70中采用的馬達54和73相同的方式設(shè)定，所以獲得了類似的效果。因為電池82的容量受到限制，所以可以僅僅在相應于此的范圍內(nèi)從電池82供應加速相應電力。然而，根據(jù)本發(fā)明的這個實施例的構(gòu)造，可以通過減少要求的加速相應電力而增強對于請求輸出RO的增加的響應性。此外，如果無需通過降低加速相應電力而增強響應性，則電力消耗降低。因此，燃料電池系統(tǒng)30的燃料效率可以得到增強。此外，燃料電池系統(tǒng)30從電池82供應加速相應電力。因此，無需在加速相應電力被添加于此的輸出處操作燃料電池系統(tǒng)30。相應地，利用燃料電池系統(tǒng)30的輸出的效率得以增強，結(jié)果，燃料電池系統(tǒng)30的燃料效率得以增強。將描述以上實施例的修改實例。在以上實施例中，轉(zhuǎn)子110的比率L/D被設(shè)定為滿足關(guān)系:Ta彡Tm的最大值。然而，本發(fā)明不被限制于這種構(gòu)造的細節(jié)。比率L/D可以被設(shè)定為使得關(guān)系:Ta ^ Tm得以滿足，并且根據(jù)燃料電池系統(tǒng)30要求的負荷的波動控制馬達63的轉(zhuǎn)速的波動所需要的電力量的計劃最大值被限制在電池82的最大容量的范圍內(nèi)。對于馬達54和73而言，這同樣成立。因此，類似地，可以在用于降低加速相應電力的范圍內(nèi)增強對于請求輸出RO的增加的響應性。在如上所述地構(gòu)造的本發(fā)明的實施例中，分別地在燃料氣體供應/排出機構(gòu)50、氧化氣體供應/排出機構(gòu)60，和冷卻 劑循環(huán)機構(gòu)70中采用的每一個馬達54、63和73包括具有以上示意的比率L/D的轉(zhuǎn)子。然而，在燃料氣體循環(huán)機構(gòu)50、氧化氣體循環(huán)機構(gòu)60和冷卻劑循環(huán)機構(gòu)70中設(shè)置的馬達中的至少一個可以包括上述轉(zhuǎn)子。類似地，在此情形中，可以在預定程度上獲得上述效果。然而，當然，將本發(fā)明應用于所有的馬達是理想的，這是因為在最大可能的程度上獲得了本發(fā)明的效果。在本發(fā)明的上述實施例的構(gòu)造中，從來自電池82的輸出供應加速相應電力。然而，本發(fā)明不被限制于這種構(gòu)造。例如，可以采用如下構(gòu)造，其中燃料電池系統(tǒng)30被恒定地操作以從燃料電池系統(tǒng)30供應加速相應電力，從而除了請求輸出R0，獲得了所采取的加速相應電力被添加于此的輸出。同樣在這種構(gòu)造中，與當采用傳統(tǒng)馬達時相比，可以減少加速相應電力，這增強了燃料電池動力車輛20的燃料效率。當然,某些加速相應電力可以由電池82供應，并且其余部分可以從被添加到燃料電池系統(tǒng)30的輸出的電力供應。結(jié)合燃料電池動力車輛20描述了根據(jù)以上實施例的燃料電池系統(tǒng)30。然而，燃料電池系統(tǒng)30可以被設(shè)置在另一種移動體例如雙輪機動車輛等中。起初，燃料電池系統(tǒng)30不應該必要地被安裝在移動體中，但是本發(fā)明能夠適當?shù)乇粦糜诓⒉桓接猩虡I(yè)電源的、安裝有燃料電池系統(tǒng)30的各種電力消耗裝置。雖然以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例，但是沒有在獨立權(quán)利要求中敘述的、在所描述的實施例中的本發(fā)明的構(gòu)件是能夠被適當?shù)厥÷曰蛘呦嗷ソM合的補充元件。另外，應該理解，本發(fā)明不被限制于所描述的實施例的細節(jié)，并且可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下被適當?shù)匦薷?。例如，本發(fā)明不限于如在實施例中描述的質(zhì)子交換膜燃料電池，而是可以在各種燃料電池諸如直接甲醇燃料電池、磷酸燃料電池等中采用。此外，本發(fā)明還可以實現(xiàn)為設(shè)計在燃料電池系統(tǒng)中采用的馬達的方法。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池； 氣體供應/排出機構(gòu)，所述氣體供應/排出機構(gòu)供反應氣體使用，所述反應氣體用于所述燃料電池中的電化學反應；和 冷卻劑循環(huán)機構(gòu)，所述冷卻劑循環(huán)機構(gòu)使冷卻劑循環(huán)，所述冷卻劑用于冷卻所述燃料電池， 其中，所述氣體供應/排出機構(gòu)和所述冷卻劑循環(huán)機構(gòu)中的至少一個機構(gòu)采用馬達，所述馬達包括大致圓筒形轉(zhuǎn)子，并且 所述轉(zhuǎn)子具有所述轉(zhuǎn)子的軸向長度L對所述轉(zhuǎn)子的直徑D的比率L/D，所述比率L/D近似地等于滿足關(guān)系Ta ^ Tm的最大值，其中Ta表示所述馬達的容許扭矩，并且Tm表示將向所述馬達要求的最大扭矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括: 電力存儲裝置， 其中，所述電力存儲裝置供應根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)上的負荷的波動控制所述馬達的轉(zhuǎn)速的波動所需要的電力。
3.一種燃料電池系統(tǒng)，包括: 燃料電池； 氣體供應/排出機構(gòu)，所述氣體供應/排出機構(gòu)供反應氣體使用，所述反應氣體用于所述燃料電池中的電化學反應； 冷卻劑循環(huán)機構(gòu)，所述冷卻劑循環(huán)機構(gòu)使冷卻劑循環(huán)，所述冷卻劑用于冷卻所述燃料電池；和 電力存儲裝置， 其中，所述氣體供應/排出機構(gòu)和所述冷卻劑循環(huán)機構(gòu)中的至少一個機構(gòu)采用馬達，所述馬達配備有大致圓筒形轉(zhuǎn)子， 所述轉(zhuǎn)子具有所述轉(zhuǎn)子的軸向長度L對所述轉(zhuǎn)子的直徑D的比率L/D，所述比率L/D近似地等于滿足關(guān)系Ta ^ Tm的最大值，其中Ta表示所述馬達的容許扭矩，并且Tm表示將向所述馬達要求的最大扭矩，并且 所述電力存儲裝置具有最大容量，根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)要求的負荷的波動控制所述馬達的轉(zhuǎn)速的波動所需要的電力的量的計劃最大值被設(shè)定為被限制在所述最大容量內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述電力存儲裝置是電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任一項所述的燃料電池系統(tǒng)，其中，所述比率L/D等于或大于0.5,并且等于或小于6。
6.一種馬達，所述馬達用在氣體供應/排出機構(gòu)和冷卻劑循環(huán)機構(gòu)中的至少一個機構(gòu)中，所述氣體供應/排出機構(gòu)供反應氣體使用，所述反應氣體用于燃料電池中的電化學反應，所述冷卻劑循環(huán)機構(gòu)使冷卻劑循環(huán)，所述冷卻劑用于冷卻所述燃料電池，所述馬達包括: 大致圓筒形轉(zhuǎn)子， 其中，所述轉(zhuǎn)子具有所述轉(zhuǎn)子的軸向長度L對所述轉(zhuǎn)子的直徑D的比率L/D，所述比率L/D近似地等于滿足關(guān)系Ta ^ Tm的最大值，其中Ta表示所述馬達的容許扭矩，并且Tm表示將向所述馬達要求的最大扭矩。
7.一種空氣壓縮機，所述空氣壓縮機用在氣體供應/排出機構(gòu)中，所述氣體供應/排出機構(gòu)供反應氣體使用，所述反應氣體用于燃料電池中的電化學反應，所述空氣壓縮機包括: 馬達，所述馬達具有大致圓筒形轉(zhuǎn)子， 其中，所述 轉(zhuǎn)子具有所述轉(zhuǎn)子的軸向長度L對所述轉(zhuǎn)子的直徑D的比率L/D，所述比率L/D近似地等于滿足關(guān)系Ta ≥ Tm的最大值，其中Ta表示所述馬達的容許扭矩，并且Tm表示將向所述馬達要求的最大扭矩。
8.一種泵，所述泵用在氣體供應/排出機構(gòu)和冷卻劑循環(huán)機構(gòu)中的至少一個機構(gòu)中，所述氣體供應/排出機構(gòu)供反應氣體使用，所述反應氣體用于燃料電池中的電化學反應，所述冷卻劑循環(huán)機構(gòu)使冷卻劑循環(huán)，所述冷卻劑用于冷卻所述燃料電池，所述泵包括: 馬達，所述馬達具有大致圓筒形轉(zhuǎn)子， 其中，所述轉(zhuǎn)子具有所述轉(zhuǎn)子的軸向長度L對所述轉(zhuǎn)子的直徑D的比率L/D，所述比率L/D近似地等于滿足關(guān)系Ta ≥ Tm的最大值，其中Ta表示所述馬達的容許扭矩，并且Tm表示將向所述馬達要求的最大扭矩。
9.一種設(shè)計馬達的方法，所述馬達用在氣體供應/排出機構(gòu)和冷卻劑循環(huán)機構(gòu)中的至少一個機構(gòu)中，所述氣體供應/排出機構(gòu)供反應氣體使用，所述反應氣體用于燃料電池中的電化學反應，所述冷卻劑循環(huán)機構(gòu)使冷卻劑循環(huán)，所述冷卻劑用于冷卻所述燃料電池，所述方法包括: 將所述轉(zhuǎn)子的軸向長度L對所述轉(zhuǎn)子的直徑D的比率L/D設(shè)定成近似地等于滿足關(guān)系Ta ≥ Tm的最大值，其中Ta表示所述馬達的容許扭矩，并且Tm表示將向所述馬達要求的最大扭矩。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)(30)包括燃料氣體供應/排出機構(gòu)(50)、氧化氣體供應/排出機構(gòu)(60)和冷卻燃料電池的冷卻劑循環(huán)機構(gòu)(70)。在燃料氣體供應/排出機構(gòu)(50)的空氣壓縮機(62)中采用的馬達(63)包括大致圓筒形轉(zhuǎn)子(110)。轉(zhuǎn)子的軸向長度L與它的直徑D有關(guān)，從而比率L/D近似地等于滿足關(guān)系Ta≥Tm的最大值，其中Ta表示馬達(63)的容許扭矩，并且Tm表示將向馬達(63)要求的最大扭矩。
文檔編號H01M8/04GK103098281SQ201180043647
公開日2013年5月8日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者小林朋能 申請人:豐田自動車株式會社