燃料电池系统的制作方法

专利名称：燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统，更具体涉及适合于在机动车辆上安装和 使用的燃料电池系统。
背景技术：
具有覆盖燃料电池堆的隔热构件的燃料电池系统是已知的，如在
JP-A-2004-87344中所公开的。在利用燃料电池系统提供联合发电系统 的情况下，利用在发电期间由燃料电池所产生的热作为能量在效率方面 是有利的。因此，在这种情况下，重要的是尽可能多地减少燃料电池所 产生的热的损失。
在如上所述的现有技术的系统中，利用隔热构件覆盖燃料电池堆， 使得减少由燃料电池堆散逸到大气中的热量，由此可以减少整个系统的 热损失。利用这种布置，所述系统能够提供高效运行的发电系统。作为 现有技术的另 一个例子，JP-A-2004-146337公开了可以在中等温度范围 内运行的燃料电池。
用隔热构件覆盖燃料电池堆的上述布置除了提供有效的发电系统 之外具有下列优点。具体地，利用隔热构件使得能够在燃料电池停止运 行之后将燃料电池堆维持在足够高的温度下。通常，当燃料电池达到适 当的运行温度时，它们提供足够的发电性能。因此，如果在燃料电池停 止运行之后可以将它们的温度维持在足够高的水平上，则燃料电池能够 在其重新启动时在短时间内提供足够的发电性能。在这点上，在 JP-A-2004-87344中所公开的燃料电池系统具有如下优点确保在燃料 电池重新启动时该燃料电池高效地运行。
但是，在例如安装于车辆上的燃料电池系统中，可能期望或必须在 该系统停止之后在短时间内降低燃料电池的温度。更具体地，例如，在 预期车辆长时间停驶的情况下，期望在较早的时间降低燃料电池的温 度，以抑制或阻止燃料电池以及周围元件与老化相关的劣化。例如在对
燃料电池进行维护的情况下，如果燃料电池可以快速冷却也是方便或有 利的。
如在JP-A-2004-87344中/>开的系统配置为通过防止热从燃料电池 组散逸将燃料电池组的温度维持在足够高的温度下。因此，已知的系统 不能够满足上述要求或需要，即燃料电池快速冷却的需要。

发明内容
本发明提供一种可以根据需要在下列两种状态之间切换的燃料电 池系统适合于将燃料电池有效地维持在高温下的情况的状态、和适合 于有效冷却燃料电池的情况的状态。
根据本发明的第一方面，提供一种燃料电池系统，其特征在于包括 燃料电池堆，所述燃料电池堆包括堆叠在一起的多个燃料电池；第一传热 层，所述第一传热层覆盖所述燃料电池堆的侧面；和第二传热层，所述第 二传热层^:置在所述第一传热层外部并且具有低于所述第一传热层的热 导率。在该燃料电池系统中，当所述燃料电池堆达到正常运行温度时所 述第二传热层紧密接触所述第 一传热层，和在所述燃料电池堆的温度从 正常运行温度降低到环境温度的期间在所述第二传热层与所述第一传 热层之间形成间隙。
在本发明第一方面的第一实施方案中，所述燃料电池系统还可以包括 外壳，在所述外壳中容纳所述燃料电池堆、所述第一传热层和所述第二传 热层，所述第二传热层可以固定于所述外壳，使得当所述燃料电池堆达 到正常运行温度时所述第二传热层紧密接触所述第一传热层。
在本发明第一方面的第二实施方案中，所述第一传热层可以具有围绕 其外周形成的多个凹陷，所述第二传热层可以设置在每个所述凹陷中，使 得当所述燃料电池堆达到正常运行温度时所述第二传热层紧密接触每个 所述凹陷的内壁。
在本发明第一方面的第三实施方案中，所述第一传热层和所述第二传 热层可以具有不同的热膨胀特性。
在如上所述的第三实施方案中，所述第 一传热层的热膨胀系数可以小
于所述第二传热层的热膨胀系数。
根据本发明第二方面，提供一种燃料电池系统，包括(a)燃料电池堆，所述燃料电池堆包括堆叠在一起的多个燃料电池；(b)传热层，所述 传热层覆盖所述燃料电池堆的侧面并且在所述传热层的外部形成至少一 个排放通道；(c)排放控制器，所述排放控制器能够控制上述至少一个排 放通道中的介质的流动；(d)隔热层，所述隔热层设置在所述传热层和 上述至少一个排放通道的外部以覆盖所述传热层与所述排放通道，所述 隔热层的热导率小于所述传热层的热导率；(e)两个端面覆盖物，所述 覆盖物覆盖所述燃料电池堆的相反端面；和(f)至少一个排放孔，所 述至少一个排放孔形成在所述两个端面覆盖物的每一个中，使得所述排 放孔在所述燃料电池堆的相反端面处分别与对应的排放通道对准。
在本发明第二方面的一个实施方案中，所述排放控制器可以包拾没置 在上述至少一个排放通道的每一个中的排放通道阻挡层。
在本发明第二方面的上述实施方案中，所述燃料电池系统还可以包括外壳，所述外壳包括所述两个端面覆盖物并且容纳所述燃料电池堆、所述传热层、所述排放通道阻挡层和所述隔热层，所述排放通道阻挡层可以固 定于所述外壳，使得当所述燃料电池堆达到正常运行温度时所述排放通 道阻挡层紧密接触所述传热层。
在本发明第二方面的上述实施方案中，所述传热层可以具有围绕其外周形成的多个凹陷，所述排放通道阻挡层可以设置在每个所述凹陷中，
接触每个所述凹陷的内壁。
在本发明第二方面的上述实施方案中，所述传热层和所述排放通道阻挡层可以具有不同的热膨胀特性。
在如上刚刚描述的情况下，所述传热层的热膨胀系数可以小于所述 排放通道阻挡层的热膨胀系数。
在本发明第二方面的第二实施方案中，所述排放控制器可以包括用于打开和关闭所述至少一个排放孔的每一个的控制阀；快速冷却状态确定单元，其确定是否符合所述燃料电池系统的快速冷却状态；和快速冷却控
制单元，其在符合所述快速冷却状态时打开所述控制阀。
根据本发明的第三方面，提供一种燃料电池系统，包括燃料电池堆, 所述燃料电池堆包括堆叠在一起的多个燃料电池；和传热层，所述传热层 覆盖所述燃料电池堆的侧面，其特征在于在所述燃料电池堆的正常运行 期间暴露于外部环境的所述传热层的表面积不同于在所述燃料电池堆 停止运行期间暴露于外部环境的所述传热层的表面积。
根据本发明的第一方面，利用所述第一传热层覆盖所述燃料电池堆的 侧面。在所述燃料电池堆达到其正常运行温度的正常运行期间，所述第二 传热层紧密接触所述第一传热层的外表面。在这种情况下，可以抑制从所 述燃料电池堆的热散逸，并可以减少所述燃料电池的热损失。当所述燃料 电池停止运行和所述燃料电池的温度降低时，由于热收缩的影响，在所述 第一传热层和第二传热层之间出现间隙。因此，促进了从所述燃料电池堆 的热散逸，并快速冷却该燃料电池。
#>据本发明第一方面的第一实施方案，第二传热层固定于所述外壳， 这使得能够确保产生如下状态在正常运行温度下所述第二传热层与所述 第一传热层紧密接触的状态，和在降低的温度下所述第二传热层与所述第 一传热层不接触或间隔开的状态。
根据本发明第一方面的第二实施方案，在所述第一传热层的周围形成 所述凹陷，所述第二传热层配合在所述第一传热层的每个凹陷中。利用这
种布置，可以增加所述第一传热层的表面积，并且可以增加所述第一传热 层和第二传热层的相互相对部分的面积。因此，在所述第二传热层与所述
第一传热层紧密接触的状态下该实施方案能够提供高的隔热度，而在所述 第二传热层与所述第一传热层间隔开的状态下提供高的散热度。
根据本发明第一方面的第三实施方案，所述第一传热层和第二传热层 其中之一的热膨胀特性大于另一个的热膨胀特性。随着所述燃料电池堆的 温度降低，上述具有较大热膨胀特性的一个传热层快速热收缩。因此，该 实施方案的系统能够快速地从优选维持燃料电池处于高温的状态切换到 优选冷却燃料电池的状态，而不过度限制关于所述第一传热层和所述第二 传热层的材料的自由。
在所述第一传热层具有小的热膨胀系数和收缩系数的情况下，防止 在所述第一传热层和所述燃料电池堆之间的作用力大幅变化。在这种情 况下，所述系统能够快速地从"优选隔热的状态"切换到"优选冷却的状 态"，同时将施加到所述燃料电池堆侧面上的力控制在适当范围内。
根据本发明第二方面，所述排放控制器建立了在正常运行温度下阻 挡或关闭所述排放通道的状态。在这种情况下，没有冷却介质流过传热 层的外周，因此，没有大幅冷却所述燃料电池堆，从而确保所述燃料电 池的高隔热度。换言之，所述燃料电池可以维持在足够高的温度下。如 果燃料电池的温度降低，所述排放控制器在所述传热层周围形成一个或 更多个排放通道。由此形成的排放通道与所述相反端面覆盖物的排放孔 相连通。结果，允许冷却介质(例如空气)流过排放孔和排放通道并在 所述燃料电池堆的外周流动，以便建立促进所述燃料电池冷却的状态。
根据本发明第二方面的第一实施方案，在正常运行温度下建立所述 排放通道阻挡层与所述传热层紧密接触的状态。在该状态下，在所述传 热层周围不存在排放通道，因此，即使在所述端面覆盖物中存在排放孔 的情况下，也没有大幅冷却所述燃料电池堆，从而确保所述燃料电池的 高的隔热度。即，所述燃料电池可以维持在足够高的温度下。如果所述 燃料电池的温度降低，所述排放通道阻挡层与所述传热层间隔开，从而 在所述阻挡层与所述传热层之间形成排放通道。由此形成的排放通道与 所述相反端面覆盖物的相应排放孔连通。结果，允许冷却介质(例如空 气)在所述燃料电池堆的外周流动，以便建立促进所述燃料电池冷却的 状态。
在以上刚刚描述的实施方案中，在所述排放通道阻挡层固定于所述 外壳(提供上述端面覆盖物的所述外壳的部分)的情况下，所述燃料电
池系统能够确保产生如下状态在正常运行温度下所述排放通道阻挡层与 所述传热层紧密接触的状态，和在降低的温度下所述排放通道阻挡层与所 述传热层不接触或间隔开的状态。
在上述实施方案中，在所述传热层的周围形成所述凹陷，所述排放通 道阻挡层配合在所述传热层的每个凹陷中，可以增加所述传热层的表面 积，并可以增加所述排放通道阻挡层和所述传热层的相互相对部分的面 积。如此构建的系统能够在所述排放通道阻挡层与所述传热层紧密接触的
状态下提供高的隔热度，而在所述排放通道阻挡层与所述传热层间隔开的 情况下提供高的散热度。
在上述实施方案中，在所述传热层和所述排放通道阻挡层其中之一的 热膨胀特性大于另一个的情况下，随着所述燃料电池堆的温度降低，所述 具有较大热膨胀特性的一个层快速热收缩。因此，在这种情况下，该系统 能够快速地从优选维持燃料电池处于高温的状态切换到优选冷却燃料电 池的状态，并且不过度限制关于所述传热层和所述排放通道阻挡层的材料 的自由。
在所述传热层具有小的热膨胀系数和收缩系数的情况下，防止在所 述传热层和所述燃料电池堆之间的作用力的大幅变化。因此，在这种情 况下，所述系统能够快速地从"优选隔热的状态"切换到"优选冷却的状 态，，，同时将施加到所述燃料电池堆侧面的力控制在适当范围内。
根据本发明第二方面的第二实施方案，仅仅当满足所述快速冷却状 态时可以打开在所述端面覆盖物中形成的排放孔。即，根据该实施方案， 仅仅当满足所述快速冷却状态时，可以在所述传热层周围形成一个或更 多个排放通道。因此，仅仅在所述燃料电池实际需要快速冷却的情况下， 该实施方案的系统能够产生当所述燃料电池停止运行时优选冷却所述 燃料电池的状态。
根据本发明的第三方面，用所述传热层覆盖所述燃料电池堆的侧 面，在所述燃料电池堆的正常运行期间暴露于外部环境的所述传热层的 表面积不同于在所述燃料电池堆停止运行期间暴露于外部环境的所述 传热层的表面积。在该情况下，可以抑制在正常运行期间的从所述燃料 电池堆的热散逸，并且可以减小所述燃料电池的热损失。在所述燃料电 池停止运行时，暴露于外部环境的所述传热层的表面积增加，从而促进 从所述燃料电池堆的热散逸，并快速冷却所述燃料电池。


参考附图从下面对优选实施方案的描述中，本发明的上述以及其他 目的、特征和优点将变得明显，在附图中相同的附图标记表示相同的元
件，在附图中
图l是用于说明根据本发明第一实施方案的燃料电池系统的结构的
立体截面图2是用于说明图l所示的低传热层的结构的视图3是用于说明在低温环境下所述第一实施方案的燃料电池系统的 状态的视图4是用于说明根据本发明第二实施方案的燃料电池系统的结构的 立体截面图5是说明如图4所示的燃料电池系统的端部的视图6是用于说明在低温环境下所述第二实施方案的燃料电池系统的 状态的视图7是表示根据本发明第三实施方案构建的燃料电池系统的端部的 立体截面图；和
图8是在本发明第三实施方案中实施的程序流程图。
具体实施例方式
将参考图1~3说明本发明的第一实施方案。图l是用于说明根据本 发明第一实施方案的燃料电池系统10的结构的立体截面图。燃料电池 系统10安装在机动车上用于在机动车上使用，并包括燃料电池堆12。 燃料电池堆12由堆叠在一起的多个燃料电池堆成。图1表示燃料电池 系统10的截面图，该图通过沿着一个燃料电池的表面切开该系统得到。
在燃料电池堆12的外部提供传热层14 (根据本发明其可以视为"第一 传热层")，以覆盖燃料电池堆12的所有四个侧面。传热层14由具有高热 导率和小的热膨胀系数的材料形成。在该实施方案中，传热层14由镍形成。
传热层14具有围绕其外周形成的凹陷或沟槽。在传热层14的每个凹 陷中设置低传热层16 (根据本发明其可以视为"第二传热层")。低传热层 16由具有低热导率的材料形成。在该实施方案中，低传热层16由锑形成。
燃料电池堆12、传热层14和低传热层16容纳在外壳18中。在该实 施方案中，传热层14和低传热层16暴露于外壳18的内部空间。
图2是用于说明低传热层16的结构的视图。低传热层16由热膨胀 部分20和固定部分22构成。虽然出于说明的目的，图2中热膨胀部分 20具有圆柱形，但是该实施方案的热膨胀部分20实际上形成为矩形的 柱状，以便热膨胀部分20可以配合于传热层14的每个凹陷中。
低传热层16的固定部分22的直径小于热膨胀部分20的直径，并且从 热膨胀部分20的相反端部突出。另外，固定部分22和热膨胀部分20围绕 作为共轴的它们的中心轴形成，即它们彼此同轴地形成。布置低传热层16， 使得热膨胀部分20位于传热层14的相应凹陷中，和使得固定部分22从传 热层14的纵向相反端部突出。固定部分22固定于外壳18,以确定低传热 层16的位置。
燃料电池堆12在产生热的同时产生电能。因此在运行期间，与室温(环 境温度)相比，燃料电池堆12达到足够高的温度。该温度在下文中将称为 "正常运行温度"。在该实施方案中，燃料电池堆12由氢膜燃料电池 (HMFC)组成，因此其正常运行温度为100 ~ 600。C 。
当燃料电池堆12的温度在室温和正常运行温度之间变化时，传热层 14和低传热层16中分别出现热变形。图1表示在燃料电池堆12达到正常 运行温度(100 ~ 600'C )情况下，即在传热层14和低传热层16热膨胀至 足够程度情况下的燃料电池系统10的状态。如图1所示，构建该实施方案 的燃料电池系统10，使得当燃料电池堆12达到正常运行温度时低传热层 16紧密接触传热层14的凹陷的内壁。
图3是用于说明在与正常运行温度相比燃料电池堆12的温度已经充分 降低情况下的燃料电池系统10的状态的视图。随着燃料电池堆12的温 度降低，传热层14和低传热层16的温度降低，从而这些层14、 16发 生热收缩。由于如上所述低传热层16固定于外壳18,因此由于这些层 14、 16的热收缩使得低传热层16悬于传热层14的凹陷中，从而在传热 层14和低传热层16之间形成间隙。
在图1所示的状态下，即在低传热层16配合于传热层14的凹陷中的 状态下，传热层14的一部分表面(即凹陷的内壁)被低传热层16覆盖。 低传热层16阻止热传递或热传导并阻止热散逸。因此，在如图1所示的情 况下，由燃料电池堆12所产生的热主要从没有^L低传热层16覆盖的传热 层14的表面部分歉逸。
另一方面，在如图3所示的状态下，即在低传热层16与传热层14的 凹陷间隔开的状态下，传热层14的整个表面暴露于外壳18的内部。在这 种情况下，由燃料电池堆12所产生的热从传热层14的整个表面散逸。
由于上述原因，与如图3所示的状态相比，如图l所示的状态更适合 于隔热用于将燃料电池堆12维持在足够高的温度下。因此，下文中将图l 的状态称为"优选隔热的状态"，在这种状态下更优选对燃料电池堆12进行 隔热。另一方面，与如图l所示的状态相比，如图3所示的状态更适合于 燃料电池堆12的冷却。因此，下文中将图3的状态称为"优选冷却的状态"， 在这种状态下更优选冷却燃料电池堆12。
当燃料电池堆12达到100 600'C的正常运行温度时，该实施方案的 燃料电池系统10提供足够的发电性能。在发电期间，燃料电池堆12产生 热，从而使其温度升高到正常运行温度。将燃料电池堆12维持在正常运行 温度的一种有效方法是防止热从燃料电池堆12散逸，以期实现对其的隔 热。因此理想的是在燃料电池系统10的运行期间建立上述"优选隔热的状 态"。
另一方面，在燃料电池系统10保持停止的情况下，不必将燃料电池堆 12保持在高温下。而且，由于系统10的各种组成构件或部件置于高温环 境下，所以系统10的所述构件或部件更易于劣化。因此，期望在系统IO 停止之后立即降低燃料电池堆12的温度，以抑制燃料电池系统10的劣化。
此夕卜，在对燃料电池系统10进行维护例如保养、检查或修理的情况下， 需要充分降低燃料电池堆12的温度。因此期望在系统10停止之后快速降 低燃料电池堆12的温度，以提供燃料电池系统10的良好的可维护性。为 了满足这种需求，在燃料电池系统10停止之后建立上述"优选冷却的状态，， 是有效的。
在燃料电池系统10中，可能有利的是甚至在燃料电池系统10停止时 维持"优选隔热的状态"，以在系统10重新启动时将燃料电池堆12的温度 快速升高到正常运行温度。但是由于在该实施方案中使用的氢膜燃料电池 (HMFC)具有充分的产生热的能力，因此燃料电池堆12的温度可以在 足够短的时间内升高到正常运行温度，即使在当系统10重新启动时燃料电 池堆12具有明显降低的温度亦是如此。因此，尤其在该实施方案的燃料电 池系统10中，有利或优选的是当系统10停止时建立"优选冷却的状态"。
如上所述，该实施方案的燃料电池系统10能够在正常运行温度的情况
下建立如图l所示的状态(即"优选隔热的状态")。另一方面，燃料电池系
统10能够在系统10停止运行之后燃料电池堆12的温度降低时建立如图3 所示的状态(即"优选冷却的状态")。因此，该实施方案的燃料电池系统
io能够适当地满足在运行期间对隔热的需要以;s^燃料电池系统io停止 之后对快速冷却的需要。
虽然如上所述，在第一实施方案中由镍形成传热层14，但是本发明不 限于使用这种特定的材料。更具体地，传热层14可以由具有高热导率和小 的热膨胀系数的材料例如鴒或钼形成。另夕卜，除非由于传热层14的热收缩 而对燃料电池堆12施加过大的应力，传热层14可以由具有大的热膨胀系 数的铝等形成。这些变化可应用于下述的其它实施方案。
虽然如上所述，在第一实施方案中由锑形成低传热层16，但是本发明 不限于使用这种特定，的材料。虽然锑是热稳定的并且具有低的热膨胀系
复合物形成。在这种情况下，随着燃料电池堆12的温度降低，低传热层 16经历大的热收缩，从而更容易在传热层14和低传热层16之间形成大的 间隙。当需要快速冷却燃料电池时，由此构建的燃料电池系统提供优异的 冷却能力。
在如上所述的第一实施方案中，虽然传热层14形成有凹陷，并且低传 热层16设置在各个凹陷中，但是设置在凹陷中的构件可以由不具有低热导 率的材料形成。更具体地，低传热层16可以由具有高热导率和大热膨胀系 数的铝构件来替代，该铝构件可以设置在传热层14的凹陷中。
在铝构件设置在传热层14的凹陷中的情况下，铝构件在正常运行温度 下配合于传热层14的凹陷，铝构件和传热层14共同提供在其外表面没有 形成凹陷的整体结构。在这种情况下，该结构的表面积提供了热散逸面积， 热经该面积从燃料电池堆12散逸。另一方面，如果铝构件热收缩并且与传 热层14的凹陷间隔开，则传热层14的表面积为燃料电池堆12提供热散逸 面积。
在外周形成有凹陷的传热层14具有比上述结构更大的表面积。因此， 当铝构件设置在凹陷中替代低传热层16时，燃料电池堆12的热散逸面积 在正常运行温度下相对较小，并随着温度的降低而增大。利用这种布置，
能够以与第一实施方案的系统相同的方式,在燃料电池系统10运行期间建 立优选隔热的状态，和在燃料电池系统10停止期间建立优选冷却的状态。
虽然如上所述，在第一实施方案中燃料电池堆12限于氢膜燃料电池 (HMFC)，但是本发明不限于使用HMFC。而是，燃料电池堆12可由其 它类型的燃料电池组成。该变化也适用于下述其它实施方案。
虽然如上所述，在第一实施方案中传热层14在其外周形成有凹陷并且 低传热层16设置在该凹陷中，但是本发明不限于这种布置。而是，传热层 14可以具有平坦的外表面，并且可以将低传热层16布置为覆盖该平坦表 面。
接下来将参考图4~6说明本发明的第二实施方案。图4是用于说明 根据本发明第二实施方案的燃料电池系统30的结构的立体截面图。在 图4中，相同的附图标记用于表示与图1中相同的结构元件，并且将简 化或省略这些元件的描述。
该实施方案的燃料电池系统30设置有用于替代第一实施方案中采用 的低传热层16的排放通道阻挡层32 (根据本发明其可以视为"排放控制 器，，)。与低传热层16相同，该排放通道阻挡层32 i更置在传热层14的凹陷 中。排放通道阻挡层32由具有大的热膨胀系数的材料形成，并且该材料可 具有高的或低的热导率。在该实施方案中，排放通道阻挡层32例如由铝或 黄铜形成。
与第一实施方案的低传热层16相同，排放通道阻挡层32具有待容纳 在传热层14的每个凹陷中的热膨胀部分、和从热膨胀部分的相反端部突出 的固定部分，如图2所示。排放通道阻挡层32的固定部分固定于外壳18。 排放通道阻挡层32布置为当燃料电池堆12达到正常运行温度时与传热层 14的凹陷的内壁紧密接触。
在传热层14和排放通道阻挡层32与外壳18之间提供隔热层34。隔 热层34由热导率比传热层14低的材料例如锑形成。更具体地，在如图4 所示的情况下，即在燃料电池堆12达到其正常运行温度的情况下，隔热层 34布置为紧密接触全部的传热层14、排放通道阻挡层32和外壳18的内壁。
图5是表示外壳18的一个端面的立体图。外壳18在其各个相反端面 处具有端面覆盖物36，如图5所示。端面覆盖物36具有形成在其与排放 通道阻挡层32的端面对准的位置处的多个排放孔38。因此，排放通道阻
挡层32的端面经排放孔38暴露于存在于外壳18外部的环境。
图6是用于说明在燃料电池堆12的温度已经降低到明显低于正常运 行温度的水平的情况下燃料电池系统30的状态的视图。随着燃料电池 堆12的温度降低，传热层14、排放通道阻挡层32和隔热层34的温度 降低，并且这些层14、 32、 34发生热收缩。此时，在具有大的热膨胀 系数的排放通道阻挡层32中出现特别大的热收缩。当发生热收缩时， 固定于外壳18的排放通道阻挡层32进入层32同时与传热层14和隔热 层34间隔开的状态。结果，在排放通道阻挡层32的周围形成在燃料电 池堆12的纵向上延伸的排放通道，如图6所示。
在如图4所示的状态下，即在在排放通道阻挡层32紧密接触于传热层 14的凹陷和隔热层32的状态下，在燃料电池堆12的周围不存在排放通道。 在这种情况下，在燃料电池堆12周围没有冷却介质(例如空气)流动，即 使打开在排放通道阻挡层32的相反端部处的排放孔38亦是如此。因此， 在这种情况下，建立了适合于将燃料电池堆12维持在高温下的状态，或"优 选隔热的状态"。
另一方面，如果在排放通道阻挡层32周围形成排放通道，如图6所示， 则在外壳18的相反端部处设置的排放孔38通过排放通勤目互连通。这种 状态允许冷却^h质(例如空气)在燃料电池堆12周围流动。因此，图6 所示的状态提供了适合于冷却燃料电池堆12的状态，或"优选冷却的状 态"。
如上所述，该实施方案的燃料电池系统30能够在正常运行温度的环境 下建立"优选隔热的状态"，以及在系统30停止因而燃料电池堆12的温度 降低时建立"优选冷却的状态"，如第一实施方案一样。因此，与第一实施
方案的系统相似，该实施方案的系统30能够适当地满;c^运行期间对隔热
的需要以及在系统30停止后对快速冷却的需要。
虽然如上所述，在第二实施方案中由铝或黄铜形成排放通道阻挡层 32，但是本发明不限于使用这些材料。而是，排放通道阻挡层32可以由能 够在传热层14的凹陷与隔热层34之间形成排放通道的任意材料形成。例 如，排放通道阻挡层32可以由热膨胀系数小且热导率低的材料例如锑形 成，或由热膨胀系数小且热导率高的材料如镍、鵠或钼形成，或由热膨胀 系数大且热导率低的材料如树脂复合物形成。但是，因为使用具有大的热
膨胀系数的材料更容易形成大的排放通道，因此理想的是由具有大的热膨
胀系数的材料形成排放通道阻挡层32。
虽然如上所述，在第二实施方案中由锑形成隔热层34，但是本发明不 限于使用这种材料。而是，隔热层34可由热导率低的任意材料形成。例如， 隔热层34可以由树脂复合物等构成。
虽然如上所述，在第二实施方案中在传热层14的外表面中形成凹陷并 在所述凹陷中设置排放通道阻挡层32，但是本发明不限于这种布置。而是， 传热层14可以具有平坦的外表面，排放通道阻挡层32可以布置为覆盖平 坦表面。
接下来将参考图7和8说明本发明的第三实施方案。图7是用于说明 根据本发明第三实施方案的燃料电池系统50的结构的立体截面图。在 图7中，相同的附图标记用于表示与以上关于第二实施方案所描述的那 些结构元件相同的结构元件，并且将简化或省略这些元件的描述。
如图7所示，该实施方案的系统包括用于关闭在端面覆盖物36中形成 的各排放孔38的控制阀52。每个控制阀52布置为绕其中心轴转动，由此 打开或关闭相应的排放孔38。
该实施方案的系统还包括电子控制单元(ECU) 60。车辆的点火开关 (IG) 62和快速冷却请求开关(S/W) 64与ECU 60连接。ECU 60能够 响应于这些开关的输出根据需要打开和关闭控制阀52。 ECU 60、点火开 关62、快速冷却请求开关64和控制阀52可以视为根据本发明的"排放控 制器"。
图8是由ECU 60执行的程序流程图。在图8所示的程序中，首先确 定车辆的IG开关62是否处于关闭(OFF)位置(步骤100 )。如果IG开 关62没有处于OFF位置，可以判定燃料电池系统50正在运行，应该建立 "优选隔热的状态"。在这种情况下，不需要打开控制阀52，因此立即完成 当前的处理循环。
如果在步骤100中判定IG开关62处于OFF位置，可以判定燃料电 池系统50停止。在这种情况下，随后可以确定快速冷却请求开关64是否 处于打开(ON)位置(步骤102 )。
在预期燃料电池系统50长时间停止的情况下或在需要维护的情况下， 快速冷却请求开关64可以人工操纵到ON位置。因此，当快速冷却请求开
关64没有处于ON位置时，可以判定没有请求快速冷却燃料电池系统50。 在这种情况下，理想的是维持"优选隔热的状态"，甚至在燃料电池系统50 停止后亦是如此，以确保良好的重新启动能力。因此，当确定快速冷却请 求开关64没有处于ON位置时，完成当前的处理循环，并且不打开控制岡 52。
在该实施方案的系统50中，当关闭控制阀52时，冷却^^质(例如空 气)不流过排放通道，即使在排放通道阻挡层16的周围形成通道时亦是如 此。因此，无论存在排放通道与否，维持"优选隔热的状态"，即适合于将 燃料电池堆12维持在足够高的温度下的状态。因此，根据该实施方案的布 置，在不需要快速冷却系统50的情况下，可以维持"优选隔热的状态，，，即 使在燃料电池系统50停止之后亦是如此。
如果在步骤102中确定快速冷却请求开关64在图8所示的程序中处于 ON位置，则可以判定请求快速冷却燃料电池系统50。在这种情况下，随 后可以将控制阀52置于打开状态(步骤104 )。如果打开控制阀52，则排 放孔38打开并且建立类似于在第二实施方案中提供的状态。随着打开排放 孔38，当燃料电池堆12的温度降低时建立"优选冷却的状态"。因此，在 请求快速冷却燃料电池系统50的情况下，该实施方案的系统能够高度可靠 性地满足该请求。
随后，ECU60确定燃料电池系统50的冷却是否完成(步骤106)。在 此，确定例如燃料电池堆12的温度是否已经降低到低于预定的判定值的水 平，或打开控制阀52的时间是否已经达到预定的判定时间。如果在步骤 106中得到肯定结果(是)，则判定冷却完成。
如果在步骤106中确定没有完成冷却(即在步骤106中得到否定结果 (否))，则完成当前的处理循环同时保持控制阀52打开。如果在步骤106 中得到肯定结果(是)，则使控制阀52进入关闭状态(步骤108)。
根据上述如图8所示的程序，燃料电池系统50在运行期间总是维持在 "优选隔热的状态"，并且仅在系统50停止时请求快速冷却的情况下处于 "优选冷却的状态"。因此，该实施方案的系统能够适当地全部满足在系统 50运行期间对隔热的要求、改善重新启动能力以及在实际需要时对快速冷 却的请求。
虽然如上所述，在第三实施方案中通过人工^作将快速冷却燃料电池
系统50的请求发送到ECU 60,但是本发明不限于该方法。而是，ECU 60 可以根据是否满足特定条件自动地确定是否存在快速冷却的请求与否。
在如上所述的第三实施方案中，执行步骤100和102的ECU 60的部 分提供根据本发明的"快速冷却状态确定单元"，执行步骤104的ECU 60 的部分提供根据本发明的"快速冷却控制单元"。
此外，在如上所述的第三实施方案中，可以邻近排放孔38设置冷却风 扇，并且可以控制它们的运行，以在请求快速冷却并且控制阀52打开时响 应于来自ECU 60的命^令将冷却^h质(空气)强制输入到排放通道中。
因此，在说明书中公开的本发明实施方案在所有方面均视为说明性的 而不是限制性的。本发明的技术范围由权利要求限定，因此，在权利要求 等同的含义和范围内的所有变化均意图包含在本发明中。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征在于包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括堆叠在一起的多个燃料电池；第一传热层，所述第一传热层覆盖所述燃料电池堆的侧面；和第二传热层，所述第二传热层设置在所述第一传热层外部并且具有低于所述第一传热层的热导率，其中，当所述燃料电池堆达到正常运行温度时所述第二传热层紧密接触所述第一传热层，在所述燃料电池堆的温度从正常运行温度降低到环境温度期间在所述第二传热层与所述第一传热层之间形成间隙。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统还包括外壳，所述燃料电池堆、所述第一传热层和所述第二传热层容纳在所述外壳中，和其中所述第二传热层固定于所述外壳，使得当所述燃料电池堆达到正常运行温度时所述第二传热层紧密接触所述第一传热层。
3. 根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述第一传热层和所述 第二传热层暴露于所述外壳的内部空间。
4. 根据权利要求1~3中任一项所述的燃料电池系统，其中所述第一传 热层具有围绕其外周形成的多个凹陷，和其中所述第二传热层设置在每个所述凹陷中，使得当所述燃料电池堆达 到正常运行温度时所述第二传热层紧密接触每个所述凹陷的内壁。
5. 根据权利要求1~4中任一项所述的燃料电池系统，其中所述第一传 热层和所述第二传热层具有不同的热膨胀特性。
6. 根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述第一传热层的热膨 胀系数小于所述第二传热层的热膨胀系数。
7. 根据权利要求1~6中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃料电 池堆包括氢膜燃料电池。
8. 根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述氢膜燃料电池的正 常运行温度为100 ~ 600 。C 。
9. 一种燃料电池系统，其特征在于包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括堆叠在一起的多个燃料电池； 传热层，所述传热层覆盖所述燃料电池堆的侧面并且在所述传热层 外部形成至少一个排放通道；排放控制器，所述排放控制器能够控制所述至少一个排放通道中的 介质的流动；隔热层，所述隔热层设置在所述传热层和所述至少一个排放通道的 外部以覆盖所述传热层与所述至少一个排放通道，所述隔热层的热导率 小于所述传热层的热导率；两个端面覆盖物，所述两个端面覆盖物覆盖所述燃料电池堆的相反 端面；和至少一个排放孔，所述至少一个排放孔形成在所述两个端面覆盖物 的每一个中，使得所述至少一个排放孔在所述燃料电池堆的相反端面处 分别与所述至少一个排放通道对准。
10. 根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述排放控制器包括设 置在所述至少 一个排放通道的每一个中的排放通道阻挡层。
11. 根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中当所述燃料电池堆达到 正常运行温度时所述排放通道阻挡层紧密接触所述传热层，在所述燃料阻挡层与所述传热层之间形成间隙。
12. 根据权利要求10和11中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃 料电池系统还包括外壳，所述外壳包括所述两个端面覆盖物并且容纳所 述燃料电池堆、所述传热层、所述排放通道阻挡层和所述隔热层，和其 中所述排放通道阻挡层固定于所述外壳，使得当所述燃料电池堆达到 正常运行温度时所述排放通道阻挡层紧密接触所述传热层。
13. 根据权利要求10~12中任一项所述的燃料电池系统，其中所述传热 层具有围绕其外周形成的多个凹陷，和其中所述排放通道阻挡层设置在每个所述凹陷中，使得当所述燃料电池 堆达到正常运行温度时所述排放通道阻挡层紧密接触每个所述凹陷的 内壁。
14. 根据权利要求10~13中任一项所述的燃料电池系统，其中所述传热 层和所述排放通道阻挡层具有不同的热膨胀特性。
15. 根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述传热层的热膨胀系 数小于所述排放通道阻挡层的热膨胀系数。
16. 根据权利要求9~15中任一项所述的燃料电池系统，其中所述排放 控制器包括控制阀，所述控制阀打开和关闭所述至少一个排放孔的每一个； 快速冷却状态确定单元，所述快速冷却状态确定单元确定是否符合快速冷却所述燃料电池系统的状态；和快速冷却控制单元，当符合所述快速冷却状态时所述快速冷却控制单元打开所述控制阀。
17. 根据权利要求9~16中任一项所述的燃料电池系统，其中所述燃料 电池堆包括氢膜燃料电池。
18. 根据权利要求17所述的燃料电池系统，其中所述氢膜燃料电池的正 常运行温度为100~600°C。
19. 一种燃料电池系统，其特征在于包括燃料电池堆，所述燃料电池堆包括堆叠在一起的多个燃料电池； 传热层，所述传热层覆盖所述燃料电池堆的侧面，其中 在所述燃料电池堆的正常运行期间暴露于外部环境的所述传热层的表面积不同于在所述燃料电池堆停止运行期间暴露于外部环境的所述传热层的表面积。
20. 根据权利要求19所述的燃料电池系统，其中所述传热层包括 第一传热层，所述第一传热层具有围绕其外周形成的多个凹陷；和 第二传热层，所述第二传热层设置在所述第一传热层的外部并且容纳在每个所述凹陷中，其中当所述燃料电池堆达到正常运行温度时所述第二传热层紧密接触 所述第一传热层，和在所述燃料电池堆的温度从正常运行温度降低到环 境温度的期间在所述第二传热层与所述第 一传热层之间形成间隙。
全文摘要
一种具有燃料电池堆(12)、传热层(14)和低传热层(16)的燃料电池系统，所述燃料电池堆(12)包括堆叠在一起的多个燃料电池，所述传热层(14)覆盖所述燃料电池堆(12)并且在其外周形成有凹陷，所述低传热层(16)布置在每个凹陷中并且具有低的热导率。所述低传热层(16)固定于外壳(18)，使得当燃料电池堆(12)达到其正常运行温度时低传热层(16)紧密接触传热层(14)，和使得由于在燃料电池堆(12)的温度从正常运行温度降低到环境温度期间的热收缩而导致低传热层(16)与传热层(14)间隔开。
文档编号H01M8/24GK101366141SQ200780001852
公开日2009年2月11日 申请日期2007年2月2日 优先权日2006年2月3日
发明者川合博之 申请人:丰田自动车株式会社