CN106941183B - 燃料电池系统和燃料电池车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池系统和燃料电池车辆。燃料电池系统设置有：散热器；第一流路，在该第一流路中，制冷剂从燃料电池组朝向散热器流动；第二流路，在该第二流路中，制冷剂从散热器朝向燃料电池组流动；旁通流路，该旁通流路将散热器与在第二流路中制冷剂流入燃料电池组中的位置连接；和控制部。在旁通流路中，从上游侧设置开关阀和储备箱。在由流入制冷剂温度检测部检测到的制冷剂温度超过预先设定的基准温度的情况下，控制部通过打开开关阀并且允许预先存储在储备箱中的制冷剂汇入第二流路来将制冷剂供给到燃料电池组。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统和一种燃料电池车辆。
背景技术
燃料电池系统设置有冷却机构，该冷却机构冷却燃料电池，使得在产生电力的同时，燃料电池的温度不超过给定的温度。作为这样的冷却机构，液体冷却的冷却机构是已知的，其通过允许诸如冷却水的制冷剂循环来冷却燃料电池。
在日本专利申请公开No.2010-267471(JP 2010-267471 A)中，描述了一种燃料电池系统，它是液体冷却类型的燃料电池系统，该系统包括：冷却水通道，其中用于冷却燃料电池的冷却水在该冷却水通道中循环；和水泵，该水泵在压力下给送冷却水；和散热器，该散热器降低通过的冷却水的温度。
在JP2010-267471A中描述的燃料电池系统中，当临时执行高负荷操作时，存在如下实例：燃料电池的发热值增加并且冷却水温度临时变高。作为抵抗冷却水的临时高温度的措施，考虑增强散热器的性能来确保冷却水的热耗散性能。然而，当采取这样的措施时，存在散热器的大小变大的问题。
发明内容
本发明提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够在不增加散热器的大小的情况下抑制冷却水温度临时变高。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料电池；散热器，该散热器降低用于冷却燃料电池的制冷剂的温度；第一流路，在该第一流路中，制冷剂从燃料电池朝向散热器流动；第二流路，在该第二流路中，制冷剂从散热器朝向燃料电池流动；流入制冷剂温度检测部，该流入制冷剂温度检测部被构造成检测在第二流路中流入燃料电池中的制冷剂的温度；第一旁通流路，该第一旁通流路连接散热器的下游侧上的位置与第二流路中的流入制冷剂温度检测部的上游侧上的位置；开关阀，该开关阀在第一旁通流路的打开和关闭之间切换；储备箱，该储备箱设置在第一旁通流路中并且存储制冷剂；和控制部，该控制部被构造成基于由流入制冷剂温度检测部检测到的制冷剂温度来控制开关阀的操作。控制部被构造成使得，在由流入制冷剂温度检测部检测到的制冷却剂温度超过预先设定的第一基准温度的情况下，控制部通过打开开关阀并且允许预先存储在储备箱中的制冷剂与从散热器供给并且在第二流路中流动的制冷剂合流来将制冷剂供给到燃料电池。因此，可以在不增加散热器的大小的情况下抑制冷却水温度临时变高。
此外，所述燃料电池系统可以进一步包括：流出制冷剂温度检测部，该流出制冷剂温度检测部被构造成检测在第一流路中紧接在从燃料电池流出后的制冷剂温度；第二旁通流路，该第二旁通流路将第一流路中的散热器的上游侧上的位置、储备箱和第二流路彼此连接；和三通阀，该三通阀设置在第一流路和第二旁通流路之间的连接部中，并且调节从第一流路流入散热器中的制冷剂的量和从第一流路流入第二旁通流路中的制冷剂的量。控制部可以被构造成使得，在由流出制冷剂温度检测部检测到的制冷剂温度是预先设定的第二基准温度或更低的温度的情况下，控制部调节三通阀的开度使得全部制冷剂从第一流路流入第二旁通流路中。因此，能够在储备箱中存储低温制冷剂。
此外，所述控制部也可以被构造成使得在由流出制冷剂温度检测部检测到的制冷剂温度超过预先设定的第二基准温度的情况下，控制部调节三通阀的开度使得全部制冷剂从第一流路流入散热器中，并且关闭开关阀。因此，可以将存储在储备箱中的制冷剂维持在低温。
本发明的第二方面涉及一种设置有根据第一方面的燃料电池系统的燃料电池车辆。
本发明的第三方面涉及一种燃料电池车辆，该燃料电池车辆包括：燃料电池；散热器，该散热器降低用于冷却燃料电池的制冷剂的温度；第一流路，在该第一流路中，制冷剂从燃料电池朝向散热器流动；第二流路，在该第二流路中，制冷剂从散热器朝向燃料电池流动；导航系统；旁通流路，该旁通流路将散热器的下游侧上的位置与第二流路相连接；开关阀，该开关阀在旁通流路的打开和关闭之间切换；储备箱，该储备箱设置在旁通流路中并且存储制冷剂；泵，该泵允许制冷剂循环经过散热器、第一流路、第二流路和燃料电池；以及控制部，该控制部被构造成基于来自导航系统的道路信息、开关阀的阀打开时间和泵的运行时间来估算旁通流路的下游中的制冷剂温度，并且在估算出的制冷剂温度超过预先设定的基准温度的情况下，该控制部通过打开开关阀并且允许预先存储在储备箱中的制冷剂与从散热器供给并且在第二流路中流动的制冷剂合流来将制冷剂供给到燃料电池。
根据本发明，可以在不增加散热器的大小的情况下抑制冷却水的温度临时变高。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优势、以及技术和工业意义，其中相同的参考标记表示相同的元件，并且其中：
图1是示出根据实施例的燃料电池系统的框图的视图；
图2是示出在根据该实施例的燃料电池系统中开关阀打开的状态的视图；
图3是示出用于基于由流入制冷剂温度检测部检测到的制冷剂温度来控制从根据该实施例的燃料电池系统中的储备箱35的制冷剂供给操作的处理流程的流程图；
图4是解释用于在根据该实施例的燃料电池系统的储备箱中存储低温制冷剂的方法的示例的视图；
图5是解释用于在根据该实施例的燃料电池系统听储备箱中存储低温制冷剂的方法的示例的视图；
图6是示出用于在根据该实施例的燃料电池系统中的储备箱中存储低温制冷剂的处理流程的流程图；并且
图7是使用了导航系统的燃料电池系统的实施例。
具体实施方式
下面参考附图解释本发明的实施例。图1是示出根据本发明的燃料电池系统的框图的视图。燃料电池系统1包括作为燃料电池的燃料电池组2、用于冷却燃料电池组2的冷却机构3以及控制部4。
燃料电池组2通过例如层压多个燃料电池单体而构成，每一个燃料电池单体通过用阳极电极(燃料电极)和阴极电极(氧化剂电极)从两侧夹住电解质膜诸如固体聚合物离子交换膜而形成。一旦燃料电池单体将含有氢气的阳极气体供给到阳极电极并且将含有氧气的空气供给到阴极电极，由于催化反应在阳极电极中产生的氢离子就经电解质膜移动至阴极电极。然后，氢离子和氧气在阴极电极中引起化学反应，由此产生电力。当氢离子和氧气在阴极电极中引起化学反应时，产生水。由于燃料电池组2通过层压数百个燃料电池单体而构造，所以可以获得驱动车辆诸如汽车所要求的高电力。
冷却机构3设置有散热器30、第一流路31、第二流路32、流入制冷剂温度检测部33、旁通流路34、储备箱35和开关阀36。散热器30降低冷却燃料电池组2的制冷剂诸如冷却水的温度。第一流路31是其中制冷剂从燃料电池组2朝向散热器30流动的流路。第二流路32是其中制冷剂从散热器30朝向燃料电池组2流动的流路。流入制冷剂温度检测部33是温度传感器并且检测第二流路32中恰好在制冷剂流入燃料电池组2之前的制冷剂温度。旁通流路34将散热器30(散热器30的制冷剂出口)与流入制冷剂温度检测部33的上游侧上的第二流路32的位置连接。旁通流路34设置有存储制冷剂的储备箱35和开关阀36。储备箱35设置在旁通流路34中在开关阀36的下游侧上的位置处。开关阀36对旁通流路34的打开和关闭进行切换。
冷却机构3进一步包括流出制冷剂温度检测部37、第二旁通流路38、三通阀39和水泵40。流出制冷剂温度检测部37检测在第一流路31中紧接在制冷剂从燃料电池组2流出后的制冷剂温度。第二旁通流路38将散热器30的上游侧上的第一流路31中的位置、储备箱35和第二流路32彼此连接。三通阀39设置在第一流路31和第二旁通流路之间的连接部中，并且调节从流路31流入散热器30中的制冷剂的量和从第一流路31流入第二旁通流路38中的制冷剂的量。三通阀39可以通过通/断操作而操作，或可以逐渐(线性地)改变三通阀39的开度。
水泵40设置在第二流路32中靠近燃料电池组2的进口，并且使冷却机构3中的制冷剂循环。通过水泵40的转速连续地改变输送流量。
控制部4由设置有中央处理器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、输入输出接口(I/O接口)等的微型计算机构造。控制部4基于由流出制冷剂温度检测部37检测到的制冷剂温度来控制开关阀36的打开和关闭。控制部4还调节三通阀39的开度。
接下来，下面解释的是用于基于由流入制冷剂温度检测部33检测到的制冷剂温度来控制从储备箱35的制冷剂给送操作的处理。为了充分地冷却燃料电池组2，有必要紧在制冷剂流入燃料电池组2之前将制冷剂温度维持在给定的温度或更低的温度。当紧在流入燃料电池组2之前的制冷剂温度变成输出极限温度(约85℃)或更高时，燃料电池组2的输出受到限制以便防止燃料电池组2的温度过度增大。
在该实施例中，在就在流入燃料电池组2之前的制冷剂温度(由流入制冷剂温度检测部33检测到的制冷剂温度)超过预先确定的基准温度TB的情况下，控制部4打开开关阀36，使得提前存储在储备箱35中的制冷剂被允许与从散热器30供给并且在第二流路32中流动的制冷剂合流，并且被供给至燃料电池组2。基准温度TB被设置在低于输出极限温度的值。储备箱35内部的制冷剂的温度是例如-35～57℃。因为这点，能够将紧在流入燃料电池组2之前的制冷剂温度保持成不变成输出极限温度或更高的温度。
图2是示出开关阀36打开的状态的视图。调节三通阀39的开度，使得全部制冷剂从第一流路31流入散热器30中。如图2中所示，当开关阀36打开时，提前存储在储备箱35中的低温制冷剂和通过散热器30散热之后的制冷剂在旁通流路34和第二流路32之间的连接部P1处合流在一起。因此，能够在不增加散热器的大小的情况下抑制冷却水温度临时变高。
在日本专利申请公开No.2007-311058(JP 2007-311058 A)中所描述的燃料电池系统设置有两个流路(闭合回路)，其能够在冷却水流经存储有低温冷却水的保温罐的流路与冷却水不经流保温罐的流路(冷却水流经散热器的正常流路)之间切换。当燃料电池的温度为给定温度或更高的温度时，流路从冷却水流经散热器的正常流路切换至冷却水流经保温罐的流路。然而，在JP2007-311058A中所描述的燃料电池系统中，冷却水被允许仅在冷却水流经保温罐的流路和冷却水流经散热器的正常流路中的任一个通道中循环。
相反，在本发明的实施例中，在热量已经通过散热器30被驱散之后通过允许制冷剂与提前存储在储备箱35中的低温制冷剂合流，能够迅速将紧在流入燃料电池组2之前的制冷剂温度保持在输出极限温度或更低的温度。因此，当燃料电池系统的工作负荷临时迅速增加时，能够更充分地冷却燃料电池。
能够基于紧接在从燃料电池组2流出后的冷却水温度或直接在燃料电池组2内部测量的温度，执行将提前存储在储备箱35中的制冷剂供给至在第二流路32中流动的制冷剂的控制。然而，当基于紧在流入燃料电池组2之前的制冷剂温度(由流入制冷剂温度检测部33检测到的制冷剂温度)执行该控制时，该控制被更灵敏地执行。因此，可以迅速对燃料电池系统1的工作负荷的突然增加作出响应。
在燃料电池系统1中，工作负荷的临时增加能够被处理的时间取决于储备箱35的容量。例如，在尤其是具有大量崎岖不平的地面的美国公路73中，当尝试在具有6.3％的最大坡度的路线上以75英里/小时的车速行驶时，要花约65秒直至路线被经过为止。在车辆正经过具有这样的陡坡的路线时，认为在燃料电池系统1中连续存在高负荷运行。因此，在设计燃料电池系统1的过程中，可以根据假定高负荷运行持续的时长来决定储备箱35的容量。
图3是示出基于由流入制冷剂温度检测部33检测到的制冷剂温度在开关阀36的打开和关闭之间切换的处理流程的流程图。在下文的解释中，也适当地参考图1。如图3中所示，首先，判定由流入制冷剂温度检测部33检测到的制冷剂温度(T2)是否超过预先设定的基准温度TB(步骤S1)。在步骤S1中，在判定由流入制冷剂温度检测部33检测到的制冷剂温度(T2)超过预先设定的基准温度TB(T2＞TB)的情况下(在步骤S1中，是)，开关阀36被打开，或被维持打开(步骤S2)。在步骤S1中，在由流入制冷剂温度检测部33检测到的制冷剂温度(T2)不超过预先设定的基准温度(T2≤TB)的情况下(在步骤S1中，否)，开关阀36被关闭，或被维持关闭(步骤S3)。在操作燃料电池系统1时，重复步骤S1至S3的处理。
如上文所陈述，通过在开关阀36的打开和关闭之间切换，能够阻止在冷却机构中循环的制冷剂的温度由于工作负荷的临时增加而超过极限温度。
接下来，在下文中解释用于将低温制冷剂存储在储备箱35中的方法。图4和图5是解释用于将低温制冷剂存储在储备箱35中的方法的示例的视图。在由流出制冷剂温度检测部37检测到的制冷剂温度(T1)是预先设定的第二基准温度TB2(目标操作温度：约57℃)或更低的温度(T1≤TB2)的情况下，控制部4调节三通阀39的开度，使得全部制冷剂从第一流路31流入第二旁通流路38中，并且也打开开关阀36，如图4中所示。如上文所陈述，第二旁通流路38将散热器30的上游侧上的第一流路31的位置、储备箱35和第二流路32彼此连接。这意味着，当由流出制冷剂温度检测部37检测到的制冷剂温度(T1)是第二基准温度TB2或更低的温度(T1≤TB2)时，判定在冷却机构3中循环的制冷剂的温度是低的，并且不允许制冷剂从第一流路31流入散热器30中。制冷剂被允许从第一流路31流入到储备箱35和第二流路32中，并且低温制冷剂被存储在储备箱35中。在储备箱35内部存储有约-30℃～57℃的低温制冷剂。第二旁通流路38可以将在散热器30的上游侧上的第一流路31中的位置与储备箱35连接。在这样的情况下，全部制冷剂从第一流路31经过第二旁路流路38流入储备箱35中。
同时，如图5中所示，在由流出制冷剂温度检测部37检测到的制冷剂温度(T1)超过预先设定的第二基准温度TB2(T1＞TB2)的情况下，控制部4调节三通阀39的开度，使得全部制冷剂从第一流路31流入散热器30中，并且还关闭开关阀36。这意味着，在由流出制冷剂温度检测部37检测到的制冷剂温度(T1)超过第二基准温度TB2(T1＞TB2)的情况下，判定在冷却机构3中循环的制冷剂的温度相对高，并且处于相对高温度的制冷剂不被允许流入储备箱35中。以这种方式，能够将存储在储备箱35内部的制冷剂维持在低温。
图6是示出用于在储备箱35中存储低温制冷剂的处理流程的流程图。在下文的解释中，也适当地参考图1。如图6中所示，首先，判定由流出制冷剂温度检测部37检测到的制冷剂温度(T1)是否为预先设定的第二基准温度(用于操作的目标温度)TB2或更低的温度(步骤S101)。在步骤S101中，在由流出制冷剂温度检测部37检测到的制冷剂温度(T1)是预先设定的第二基准温度TB2或更低的温度(T1≤TB2)的情况下(在步骤S101中，是)，调节三通阀39的开度，使得全部制冷剂从第一流路31流入第二旁通流路38中，并且打开开关阀36(步骤S102)。
在步骤S101中，当在由流出制冷剂温度检测部37检测到的制冷剂温度(T1)超过预先设定的第二基准温度TB2(T1＞TB2)(在步骤S101中，否)时，调节三通阀39的开度，使得全部制冷剂从第一通道31流入散热器30中，并且关闭开关阀36(步骤S103)。在操作燃料电池系统1时，重复步骤S101至S103的处理。
在图3中的处理流程中，在由流入制冷剂温度检测部33检测到的制冷剂温度(T2)不超过预先在步骤S1中设定的基准温度TB的情况下，在步骤S3中关闭开关阀36。相反，在根据通过使用图6解释的流程执行用于在储备箱35中存储低温制冷剂的处理的情况下，图6中的步骤S102的处理优先于图3中的步骤S3的处理。这意味着，在判定由流入制冷剂温度检测部33检测到的制冷剂温度(T2)不超过预先设定的基准温度TB并且判定由流出制冷剂温度检测部37检测到的制冷剂温度(T1)为预先设定的第二基准温度TB2或更低温度的情况下，调节三通阀39的开度使得全部制冷剂从第一流路31流入第二旁通流路38中，并且也打开开关阀36。
通过如上文所描述的那样调节三通阀的开度以及开关阀36的打开和关闭，能够在储备箱35中存储低温制冷剂。
本发明并不限于前述实施例，并且可视情况在不脱离本发明的主旨的情况下做出改变。
例如，用于在储备箱中存储低温制冷剂的方法并不限于该实施例中所解释的方法。
可以基于来自安装在车辆中的导航系统的位置信息来打开和关闭开关阀36。像如图7中所示的燃料电池系统一样，通过导航系统50获取车辆将经过的道路(例如，陡坡等)的信息，并且可以基于根据从该信息估算出的高负荷运行而打开或关闭开关阀36。在这样的情况下，基于来自导航系统的道路信息、开关阀36的阀打开时间和泵40的运行时间来估算在旁通流路34的下游侧上的制冷剂温度，并且估算在旁通流路34的下游上的制冷剂温度。当估算的制冷剂温度超过预先设定的基准温度时，打开开关阀36。
Claims (5)
1.一种燃料电池系统，其特征在于包括：
燃料电池；
散热器，所述散热器降低用于冷却所述燃料电池的制冷剂的温度；
第一流路，在所述第一流路中，制冷剂从所述燃料电池朝向所述散热器流动；
第二流路，在所述第二流路中，制冷剂从所述散热器朝向所述燃料电池流动；
流入制冷剂温度检测部，所述流入制冷剂温度检测部被构造成检测在所述第二流路中流入所述燃料电池中的制冷剂的温度；
第一旁通流路，所述第一旁通流路连接所述散热器的下游侧上的位置与所述第二流路中的在所述流入制冷剂温度检测部的上游侧上的位置；
开关阀，所述开关阀在所述第一旁通流路的打开和关闭之间切换；
储备箱，所述储备箱被设置在所述第一旁通流路中，并且存储制冷剂；以及
控制部，所述控制部被构造成使得在由所述流入制冷剂温度检测部检测到的制冷剂温度超过预先设定的第一基准温度的情况下，所述控制部通过打开所述开关阀并且允许预先存储在所述储备箱中的制冷剂与从所述散热器供给并且在所述第二流路中流动的制冷剂合流来将制冷剂供给到所述燃料电池。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括：
流出制冷剂温度检测部，所述流出制冷剂温度检测部被构造成检测在所述第一流路中紧接在从所述燃料电池流出后的制冷剂温度；
第二旁通流路，所述第二旁通流路将所述第一流路中的在所述散热器的上游侧上的位置、所述储备箱和所述第二流路彼此连接；以及
三通阀，所述三通阀被设置在所述第一流路和所述第二旁通流路之间的连接部中，并且调节从所述第一流路流入所述散热器中的制冷剂的量和从所述第一流路流入所述第二旁通流路中的制冷剂的量，
其中，所述控制部被构造成使得在由所述流出制冷剂温度检测部检测到的制冷剂温度是预先设定的第二基准温度或更低的温度的情况下，所述控制部调节所述三通阀的开度使得全部制冷剂从所述第一流路流入所述第二旁通流路中。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，
在由所述流出制冷剂温度检测部检测到的制冷剂温度超过所述预先设定的第二基准温度的情况下，所述控制部调节所述三通阀的开度使得全部制冷剂从所述第一流路流入所述散热器中，并且关闭所述开关阀。
4.一种燃料电池车辆，其特征在于包括：
根据权利要求1所述的燃料电池系统。
5.一种燃料电池车辆，其特征在于包括：
燃料电池；
散热器，所述散热器降低用于冷却所述燃料电池的制冷剂的温度；
第一流路，在所述第一流路中，制冷剂从所述燃料电池朝向所述散热器流动；
第二流路，在所述第二流路中，制冷剂从所述散热器朝向所述燃料电池流动；
导航系统；
旁通流路，所述旁通流路将所述散热器的下游侧上的位置与所述第二流路连接；
开关阀，所述开关阀在所述旁通流路的打开和关闭之间切换；
储备箱，所述储备箱被设置在所述旁通流路中，并且存储制冷剂；
泵，所述泵允许所述制冷剂循环通过所述散热器、所述第一流路、所述第二流路和所述燃料电池；以及
控制部，所述控制部被构造成基于来自所述导航系统的道路信息、所述开关阀的阀打开时间和所述泵的运行时间来估算在所述旁通流路的下游中的制冷剂温度，并且在估算出的制冷剂温度超过预先设定的基准温度的情况下，所述控制部通过打开所述开关阀并且允许预先存储在所述储备箱中的制冷剂与从所述散热器供给并且在所述第二流路中流动的制冷剂合流来将制冷剂供给到所述燃料电池。
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