燃料電池用的溫度控制系統的製作方法

2023-06-12 14:26:31 2

專利名稱：燃料電池用的溫度控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池用的溫度控制系統。
背景技術：
公知有利用含有氫的燃料氣體和含有氧的氧化氣體的電化學反應 進行發電的燃料電池系統。所述燃料電池是高效清潔的發電單元，因 此作為二輪車和汽車等的驅動動力源而備受期待。
但是，燃料電池與其他電源相比，起動性差，特別是在低溫環境 下起動時在燃料電池的端部和中央部之間產生單體電池電壓偏差。一 般地，在層疊多個單體電池而成的燃料電池的兩端部設置端板(參照
圖9)。在低溫起動時，有效利用伴隨發電的自身發熱使燃料電池l預 熱，但是由於端板3的熱容量比單體電池2大，因而兩端部的單體電 池2的熱量被端板3奪去。其結果，存在根據電池組內部的單體電池 位置產生溫度梯度，產生單體電池電壓偏差的問題。
鑑於這種問題，例如提出有在燃料電池的端部單體電池上配置絕 熱板，抑制單體電池間的溫度梯度的方法(例如專利文獻l)
專利文獻1日本特開2004-152052號公報
但是，在低溫環境下運轉(起動等)時，由於在端部單體電池散 熱，因而具有在電池組內產生較大溫度梯度的問題。並且，在配置上 述絕熱板的情況下，還存在系統大型化的問題
發明內容
本發明是鑑於上述所說明的問題而提出的，目的在於提供一種溫 度控制系統，即使在低溫環境下起動的情況下，也能夠抑制單體電池 電壓偏差。
為了解決上述問題，本發明的燃料電池用的溫度控制系統，通過 使熱介質在燃料電池中流通來控制該燃料電池的溫度，其特徵在於， 具有流通控制單元，其在低溫運轉時，使流量比通常運轉時的流量大 的熱介質在上述燃料電池中流通。
在此，"低溫"例如是指低於常溫的溫度，接近零度或者冰點以 下的情況，"比通常時大的流量"除了絕對流量之外，還包括流速、 壓力。根據上述構成，由於將低溫起動時的熱介質(冷卻水等)的流 量設定成大於通常起動時的熱介質的流量，因而即使在低溫起動時預 熱的情況下也能抑制單體電池間的溫度偏差，結果能夠抑制單體電池 電壓偏差。
在此，在上述構成中優選構成為，還具有判斷單元，其在起動該 系統時，檢測出與上述燃料電池相關的溫度，根據檢測結果判斷應進 行低溫起動還是應進行通常起動，上述流通控制單元在低溫起動時， 使流量比通常起動時的流量大的熱介質在上述燃料電池中流通。
並且，優選構成為，設有在上述低溫運轉時對燃料電池的端部進 行加熱的加熱器，或設有在上述低溫運轉時對上述熱介質進行加熱的 加熱器(參照圖6~圖8)。進而，在上述低溫運轉時流通的上述熱介 質的流量可以是該系統允許的最大流量。
如上所說明，根據本發明，即使在低溫環境下起動的情況下也能 抑制單體電池電壓偏差。


圖l是表示本實施方式的燃料電池系統的要部構成的圖。
圖2是表示該實施方式的燃料電池的溫度分布的圖。
圖3是表示該實施方式的燃料電池的IV特性的溫度依賴性的圖。
圖4是按時間描繪該實施方式中各溫度下的單體電池電壓的圖。
圖5是表示該實施方式的系統起動時的動作的流程圖。
圖6是表示變形例的加熱器的設置例的圖。
圖7是表示變形例的加熱器的設置例的圖。
圖8是表示變形例的加熱器的設置例的圖。
圖9是表示燃料電池的概略構成的圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
A.本實施方式
圖1是表示本實施方式的燃料電池系統100的要部構成的圖。在 本實施方式中，設想燃料電池汽車(FCHV)、電動汽車、混合動力汽 車等車輛上所搭載的燃料電池系統，但是不僅是車輛，還能夠適用於 各種移動體(例如船舶、飛機、機器人等)以及定置型電源。
燃料電池40是由供給的反應氣體(燃料氣體以及氧化氣體)產生 電力的單元，具有串聯層疊具有MEA (膜/電極接合體)等多個單體電 池400-k (1《k《n)而成的堆疊構造。具體而言，能夠利用固體高分 子型、磷酸型、熔融碳酸鹽型等各種類型的燃料電池。
燃料氣體供給源30是向燃料電池40供給氫氣等燃料氣體的單元， 例如由高壓氫罐、貯氫罐等構成。燃料氣體供給路21是用於將由燃料 氣體供給源30放出的燃料氣體向燃料電池40的陽極(anode)引導的 氣體流路，在該氣體流路上從上遊至下遊設置有罐閥(tank valve) Hl、 供氫閥H2、 FC入口閥H3等的閥。罐閥Hl、供氫閥H2、 FC入口閥 H3是用於向燃料氣體供給路21或燃料電池40進行供給(或者截止)的截止閥(shut valve)，例如由電磁閥構成。
空氣壓縮器60將經由空氣濾清器(省略圖示)從外部氣體取入的 氧(氧化氣體)向燃料電池40的陰極(cathode)供給。從燃料電池40 的陰極排出陰極廢氣。在陰極廢氣中含有供於燃料電池40的電池反應 後的氧廢氣。該陰極廢氣由於含有由燃料電池40的電池反應而生成的 水分而為高溼潤狀態。
加溼模塊70在流過氧化氣體供給路11的低溼潤狀態的氧化氣體 和流過陰極廢氣流路12的高溼潤狀態的陰極廢氣之間進行水分交換， 適度地對供於燃料電池40的氧化氣體進行加溼。供給燃料電池40的 氧化氣體的背壓由設於陰極廢氣流路12的陰極入口附近的壓力調整閥 Al調整。
由燃料電池40發出的直流電力一部分被DC/DC轉換器130降壓， 並充電於蓄電池140中。 '
蓄電池140是可充放電的二次電池，由各種類型的二次電池(例 如鎳氫蓄電池)等構成。當然，也可以代替蓄電池140使用二次電池 之外的可充放電的蓄電器例如電容器。
牽引變換器(traction inverter) 110和輔機變換器120是脈衝幅度 調製方好似的PWM變換器，根據給予的控制指令將從燃料電池40或 蓄電池140輸出的直流電力轉變成三相交流電力，並供給牽引電動機 M3以及輔機電動機M4。
牽引電動機M3是用於驅動車輪150L、 150R的電動機，輔機電動 機M4是用於驅動各種輔機類的電動機。其中，輔機電動機M4是驅動 空氣壓縮器60的電動機M2、驅動冷卻水泵220的電動機Ml等的總稱。冷卻系統200使不凍液冷卻水(熱介質)等在燃料電池40中循環 而控制各單體電池400-k的溫度，具有使冷卻水在燃料電池40中循環 的冷卻水循環路210、用於調整冷卻水的流量的冷卻水泵220、和用於 冷卻冷卻水的散熱器230。在各單體電池400-k中循環的冷卻水由散熱 器230與外部氣體進行熱交換而被冷卻。並且，在冷卻系統200中設 有使冷卻水繞過散熱器230的旁通流路240。通過散熱器230的冷卻水 的流量與繞過散熱器230的冷卻水的旁通流量的流量比，通過調整旋 轉閥250的開度來控制為期望的值。
控制裝置160由CPU、 ROM、 RAM等構成，根據輸入的各傳感 器信號作為中樞控制該系統的各部分。具體而言，根據從檢測油門開 度的油門踏板傳感器sl、檢測蓄電池140的充電狀態SOC (state of charge)的SOC傳感器s2、檢測牽引電動機M3的轉速的T/C電動機 轉速檢測傳感器s3、分別檢測燃料電池40的輸出電壓、輸出電流、內 部溫度的電壓傳感器s4、電流傳感器s5、溫度傳感器s6等輸入的各傳 感器信號，控制變換器110、 120的輸出脈衝幅度等。
此外，控制裝置(流通控制單元)160根據溫度傳感器s6檢測出 的系統起動時的燃料電池40的溫度，對冷卻水循環路210中流動的冷 卻水的流量進行調整(在下詳述)。
圖2是表示燃料電池的溫度分布的圖，以實線表示低溫起動時的 單體電池的溫度梯度，以虛線表示預熱結束後的通常運轉時的單體電 池的溫度梯度。並且，橫軸表示單體電池編號(n=200)，縱軸表示溫 度。
如圖2所示，在預熱結束後的通常運轉狀態下，各單體電池的溫 度大致均勻，與此相對，在低溫起動時的預熱運轉狀態下，端部單體 電池的升溫與中央單體電池的升溫相比延遲(參照本發明的發明目的部分)。
圖3是表示燃料電池的電流、電壓特性(以下稱為IV特性)的溫
度依賴性的圖。分別表示6(TC、 40°C、 20°C、 -l(TC的IV特性。
如圖3所示，燃料電池40的IV特性存在溫度依賴性，溫度越低 IV特性越差。在此，由於構成燃料電池40的各單體電池串聯連接，因 而在所有的單體電池中都流過同一電流(例如圖3所示的電流It)。圖 4是按時間描繪電流It流動時各溫度下的單體電池電壓的圖。如圖4 所示，溫度越低(IV特性越差)，單體電池電壓越低。作為極端的例 子，在圖3和圖4中表示了-10"C的IV特性、單體電池電壓，但是具有 所述特性的單體電池如果存在於燃料電池40中，則其單體電池電壓變 為逆電位，需要進行電流限制或系統停止等的處置。鑑於該情況，在 本實施方式中，通過抑制低溫起動時的單體電池間溫度偏差來實現單 體電池電壓偏差的抑制。以下，對用於抑制單體電池間溫度偏差的具 體方法進行說明。
圖5是表示系統起動時由控制裝置160執行的處理的圖。
控制裝置160在點火開關開啟(置為ON)等而從操作部接受系統 的起動命令時，掌握由溫度傳感器s6檢測的燃料電池40的溫度Ts(步 驟S1)。但是代替利用燃料電池40的溫度Ts，也可以利用外部氣體 的溫度或者冷卻水的溫度(與燃料電池相關的溫度)。
控制裝置160根據燃料電池40的溫度Ts的檢測結果判斷應進行 低溫起動還是應進行通常起動。具體而言，控制裝置160在系統起動 時的燃料電池40的溫度Ts超過預先設定的基準溫度Tth的情況下， (步驟S2;否(NO))，前進至步驟S6，進行通常起動處理，另一 方面，在系統起動時的燃料電池40的溫度Ts為預先設定的基準溫度 Tth以下的情況下(步驟S2;是(YES))，判斷為應該進行低溫起動，前進至步驟S3。作為基準溫度Tth，例如為低於常溫的溫度、零度附
近或冰點下的溫度等，但可以任意設定為任何一個溫度。
控制裝置160在步驟S3中參照存儲在存儲器中的低溫起動用的通 水控制映射MP，調整在冷卻系統中循環的冷卻水的流量。在該低溫起 動用的通水控制映射MP中，將冷卻水的通水量與冷卻水泵220的轉速 建立對應而記錄。低溫起動時的通水量Wl設定為大於通常起動時的通 水量Wh(〈Wl)的值。作為低溫起動時的通水量可以設定系統允許的 最大通水量，但只要是能夠抑制單體電池間溫度偏差的通水量，任何 值都可以。當然，不僅是通水量，也可以控制流速、壓力。進而，通 水量不限於一定，也可以根據燃料電池40的溫度、輸出電壓等適當改 變。
控制裝置160利用低溫起動用的通水控制映射MP1開始冷卻水的 通水控制時，有效利用伴隨發電的自身發熱開始燃料電池40的預熱(步 驟S4)。具體而言，通過在缺乏氧化氣體的狀態下使燃料電池40運轉 (低效率運轉)，來有效地對燃料電池40進行預熱。控制裝置160在 前進至步驟S5時，把握由溫度傳感器s6檢測出的燃料電池40的溫度 Ts，判斷是否己經到達設定的目標溫度To。在判斷為還沒有到達目標 溫度To的情況下，返回步驟S3，重複執行上述一系列的處理，另一方 面，在判斷為到達目標溫度To的情況下，結束預熱運轉，開始通常運 轉。
如上所說明，根據本實施方式，由於將低溫起動時的冷卻水的通 水量設定得大於通常起動時的冷卻水的通水量，因而即使在進行預熱 運轉的情況下也能夠抑制單體電池間溫度偏差，作為燃料電池整體能 夠得到均勻的升溫特性。當然，只要是低溫下運轉(低溫運轉)就不 限於起動時。
B.變形例(1) 在上述實施方式中，設置了使冷卻水繞過散熱器230的旁通 流路240，通過控制經過散熱器230的冷卻水的流量與繞過散熱器230 的冷卻水的旁通流量的流量比來進行散熱器230的散熱限制，但是也 可以通過控制冷卻風扇的驅動來進行散熱器230的散熱限制。
(2) 在上述本實施方式中，通過控制通水量來抑制單體電池間溫 度偏差，但是在此之上(或者代替該方式)還可以通過控制冷卻水的 溫度等在短時間內實現均勻的升溫。具體而言，可以如圖6所示在燃 料電池40的端部設置加熱用的加熱器190，通過控制端部單體電池的 溫度來防止端部單體電池的升溫延遲。並且，也可以在旁通流路240
(參照圖7)、冷卻水循環路210上設置加熱器190 (參照圖8)通過 控制冷卻水的溫度來抑制單體電池間溫度偏差。其中，在將加熱器190 設置與旁通流路240上的情況下，能夠降低通常冷卻時(不進行冷卻 水的溫度控制時)的壓力損失。
權利要求
1. 一種燃料電池用的溫度控制系統，通過使熱介質在燃料電池中流通來控制該燃料電池的溫度，其特徵在於，具有流通控制單元，其在低溫運轉時，使流量比通常運轉時的流量大的熱介質在上述燃料電池中流通。
2. 如權利要求1所述的燃料電池用的溫度控制系統，其特徵在於，還具有判斷單元，其在起動該系統時，檢測出與上述燃料電池相 關的溫度，根據檢測結果判斷應進行低溫起動還是應進行通常起動，上述流通控制單元在低溫起動時，使流量比通常起動時的流量大 的熱介質在上述燃料電池中流通。
3. 如權利要求1或2所述的燃料電池用的溫度控制系統，其特徵 在於，在上述燃料電池的端部設有在上述低溫運轉時對該端部進行加熱 的加熱器。
4. 如權利要求1或2所述的燃料電池用的溫度控制系統，其特徵 在於，在上述熱介質的流路上設有在上述低溫運轉時對上述熱介質進行 加熱的加熱器。
5. 如權利要求l或2所述的燃料電池用的溫度控制系統，其特徵 在於，還具有散熱器，在上述熱介質和外部氣體之間進行熱交換；和 控制單元，在上述低溫運轉時限制上述散熱器的散熱。
6. 如權利要求1~5中任意一項所述的燃料電池用的溫度控制系 統，其特徵在於，在上述低溫運轉時流通的上述熱介質的流量是該系統允許的最大流量。
全文摘要
本發明目的在於提供一種溫度控制系統，即使在低溫環境下起動的情況下也能抑制單體電池電壓偏差。本發明的燃料電池用的溫度控制系統，通過使熱介質在燃料電池中流通來控制該燃料電池的溫度，其特徵在於，具有流通控制單元，其在低溫運轉時，使流量比通常運轉時的流量大的熱介質在上述燃料電池中流通。根據該構成，由於將低溫起動時的熱介質(冷卻水等)的流量設定成大於通常起動時的熱介質的流量，即使在低溫起動時預熱的情況下也能抑制單體電池間的溫度偏差，結果能夠抑制單體電池電壓偏差。
文檔編號H01M8/04GK101421879SQ20078001296
公開日2009年4月29日 申請日期2007年3月30日 優先權日2006年4月10日
發明者真鍋晃太 申請人:豐田自動車株式會社