燃料电池系统中的残留水扫气处理方法及燃料电池系统的制作方法_2

文档序号:9827416阅读:来源:国知局
燃料气体供给路231、第一燃料气体排出路232、燃料气体循环路233、第二燃料气体排出路262。
[0023]氢罐210贮藏高压氢,将作为燃料气体的氢气经由燃料气体供给路231向燃料电池100供给。截止阀220配置在氢罐210中的燃料气体的供给口附近,切换从氢罐210的氢气的供给的执行和停止。喷射器221配置于燃料气体供给路231,调整向燃料电池100的氢气的供给量及压力。气液分离器250配置于第一燃料气体排出路232,将从燃料电池100排出的阳极侧废气中包含的水分离而向第二燃料气体排出路262排出,并将分离了水之后的气体即燃料气体向燃料气体循环路233排出。循环用栗240配置于燃料气体循环路233,将从气液分离器250排出的燃料气体向燃料气体供给路231供给。清洗阀260配置于第二燃料气体排出路262,通过开阀而允许由气液分离器250分离出的水向大气中的排出。在本实施方式中,在燃料电池系统10为通常运转中,清洗阀260的开闭每隔规定间隔执行。而且,清洗阀260在后述的残留水扫气处理执行的期间,维持打开的状态。气液分离器250经由第一燃料气体排出路232与燃料电池100连通,通过打开清洗阀260,经由第二燃料气体排出路262与大气连通。燃料电池100内的压力比大气压高,因此当清洗阀260打开时,积存在气液分离器250内的水通过燃料电池100与大气的压力差而向第二燃料气体排出路262排出。这样,通过打开清洗阀260并抽取气液分离器250内的压力而将积存在气液分离器250内的水排出的处理以后称为“通常的排水处理”。在该通常的排水处理中,空气压缩器320及循环用栗240等未被驱动,因此与后述的残留水扫气处理相比,消耗电力即消耗能量极其微小。
[0024]在本实施方式中,上述的清洗阀260配置在燃料电池系统10具有的各构成要素中除了第二燃料气体排出路262及氧化剂气体排出路332之外的构成要素的最铅垂下方处。这是基于以下的理由。即,为了将存在于燃料电池100的阳极侧的水更多地聚集于气液分离器250而将气液分离器250配置在燃料电池系统10中的铅垂下方侧,而且,为了将积存于气液分离器250的水利用重力快速排出而将清洗阀260配置在气液分离器250的铅垂下方,为了满足这样的要求,清洗阀260在燃料电池系统10中,除了第二燃料气体排出路262及氧化剂气体排出路332之外,配置在最铅垂下方处。这样,清洗阀260在燃料电池系统10中配置在相当于比较靠铅垂下方的位置,与除了第二燃料气体排出路262及氧化剂气体排出路332之外的其他的构成要素相比,容易受到环境温度的影响。
[0025]氧化剂气体供给排出机构300进行向燃料电池100的氧化剂气体的供给及从燃料电池100的阴极侧废气的排出。氧化剂气体供给排出机构300具备空气滤清器310、空气压缩器320、背压阀340、氧化剂气体供给路331、氧化剂气体排出路332。空气滤清器310通过内部具备的过滤器将空气中的灰尘等异物除去,并将异物除去后的空气向空气压缩器320供给。空气压缩器320对从空气滤清器310供给的空气进行压缩并向氧化剂气体供给路331送出。背压阀340配置于氧化剂气体排出路332,调整燃料电池100中的阴极排出侧的压力即所谓背压。氧化剂气体排出路332与上述的第二燃料气体排出路262连接,经过氧化剂气体排出路332排出的水及阴极侧废气与经过第二燃料气体排出路262排出的水及阳极侧废气一起向大气中排出。
[0026]燃料电池循环冷却机构400使冷却介质经由燃料电池100循环,由此来调整燃料电池100的温度。燃料电池循环冷却机构400具备散热器410、冷却介质排出路442、冷却介质供给路441、循环用栗430、温度传感器420。散热器410与冷却介质排出路442和冷却介质供给路441连接,将从冷却介质排出路442流入的冷却介质通过来自未图示的电动风扇的送风等而冷却之后向冷却介质供给路441排出。冷却介质排出路442与燃料电池100内的冷却介质排出歧管连接,冷却介质供给路441与燃料电池100内的冷却介质供给歧管连接。因此,通过冷却介质排出路442、散热器410、冷却介质供给路441及燃料电池100内的歧管,形成冷却介质的循环路。温度传感器420配置在冷却介质排出路442的燃料电池100的附近,测定从燃料电池100排出的冷却介质的温度,并输出表示温度值的信号。在本实施方式中,由温度传感器420测定的温度作为燃料电池100的温度来处理。在本实施方式中,使用水作为冷却介质。但是,并不局限于水,也可以使用乙二醇等不冻水及空气等能够进行热交换的任意的介质作为冷却介质。
[0027]电力充放电机构500将从燃料电池100或蓄电池550输出的电力向负载装置510供给。在本实施方式中,负载装置510是指车辆驱动用电动机或各种辅机类等,与燃料电池100的正极侧及负极侧的集电板111分别连接。电力充放电机构500具备逆变器520、DC-DC转换器560、蓄电池550。逆变器520与燃料电池100及蓄电池550并联连接,将从燃料电池100或蓄电池550供给的直流电流转换成交流电流而向负载装置510供给。DC-DC转换器560将蓄电池550的输出电压升压而向逆变器520供给,而且,为了蓄积燃料电池100的剩余发电力,对输出电压进行降压而向蓄电池550供给。
[0028]控制装置600与上述的截止阀220、喷射器221、循环用栗240、清洗阀260、空气压缩器320、背压阀340、循环用栗430、逆变器520及DC-DC转换器560电连接,并对它们进行控制。而且,控制装置600与温度传感器420电连接,接收从温度传感器420输出的表示温度值的信号。控制装置 600 由具有 CPU (Central Processing Unit)、ROM (Read OnlyMemory)、RAM (Random Access Memory)的未图示的微型计算机构成,通过CPU执行存储于ROM的控制用程序,而作为结束时残留水扫气判定部610、驻车时残留水扫气判定部620、阳极侧扫气控制部630、阴极侧扫气控制部640、温度推定部650及运转控制部660起作用。
[0029]结束时残留水扫气判定部610在后述的残留水扫气处理中,执行是否执行结束时残留水扫气的判定(以下,称为“结束时残留水扫气判定”)。结束时残留水扫气是指在燃料电池系统10的运转停止时仅执行阴极侧的扫气而将存在于阴极侧的水排出的处理。在此,“阴极侧”包括各单电池110的阴极侧的构成要素(电解质膜的阴极侧、阴极侧催化剂层及阴极侧气体扩散层)、燃料电池100内的氧化剂气体供给歧管、燃料电池100内的氧化剂气体排出歧管、氧化剂气体供给路331、氧化剂气体排出路332。而且,“存在于阴极侧的水”包括积存于在各单电池110的阴极侧催化剂层及阴极侧气体扩散层上形成的细孔内的水、积存于燃料电池100内的氧化剂气体供给歧管及氧化剂气体排出歧管的水、积存于氧化剂气体供给路331内的水、积存于氧化剂气体排出路332内的水、积存于背压阀340的水。这些水包括由于各单电池110的阴极侧的电化学反应而产生的生成水和阴极侧的气氛内包含的水蒸气冷凝而产生的液体的水。而且,“残留水扫气处理”是指为了防止冻结而将气体供给排出机构的残留水排出的处理。具体而言,关于阴极侧,将背压阀340打开,通过空气压缩器320将规定量的空气向燃料电池100供给,由此来执行。这样,在残留水扫气处理中,空气压缩器320进行驱动,因此与通常的排水处理相比,消耗电力(消耗能量)较多。在残留水扫气处理中,也执行阳极侧的扫气。关于阳极侧的扫气,在后文叙述。
[0030]驻车时残留水扫气判定部620在后述的残留水扫气处理中,执行是否执行驻车时残留水扫气处理的判定(以下,称为“驻车时残留水扫气判定”)。驻车时残留水扫气是指在燃料电池系统10的运转停止后,仅对阳极侧或者对阳极侧及阴极侧这两侧执行扫气,而将仅存在于阳极侧的水、或者存在于阳极侧及阴极侧这两侧的水排出的处理。“阴极侧”及“存在于阴极侧的水”与上述的结束时残留水扫气的“阴极侧”及“存在于阴极侧的水”相同,因此省略详细的说明。上述的“阳极侧”包括各单电池110的阳极侧的构成要素(电解质膜的阳极侧、阳极侧催化剂层及阳极侧气体扩散层)、燃料电池100内的燃料气体供给歧管、燃料电池100内的燃料气体排出歧管、燃料气体供给路231、第一燃料气体排出路232、气液分离器250、清洗阀260、第二燃料气体排出路262。而且,“存在于阳极侧的水”包括积存于在各单电池110中的阳极侧催化剂层及阴极侧气体扩散层形成的细孔内的水、积存于燃料电池100内的燃料气体供给歧管及燃料气体排出歧管的水、积存于燃料气体供给路231内的水、积存于第一燃料气体排出路232内的水、积存于气液分离器250的水、积存于清洗阀260的水、积存于第二燃料气体排出路262的水。这些水包括在各单电池110中从阴极侧透过了电解质膜的水(反向扩散水)和气氛内包含的水蒸气冷凝而产生的液体的水。阳极侧的扫气通过打开清洗阀260并利用喷射器221及循环用栗240将规定量的氢气向燃料电池100供给来执行。这样,在残留水扫气处理中,喷射器221及循环用栗240进行驱动,因此与通常的排水处理相比,消耗电力即消耗能量较多。
[0031]阳极侧扫气控制部630通过调整空气压缩器320的转速及背压阀340的开度等,来控制阳极侧的扫气。阴极侧扫气控制部640通过调整喷射器221的流量、循环用栗240的流量、及清洗阀260的开度,来控制阳极侧的扫气。
[0032]温度推定部650定期地推定环境温度。在本实施方式中,环境温度是指搭载有燃料电池系统10的燃料电池汽车的外部的温度。在本实施方式中,将燃料电池温度、燃料电池温度的变化的程度、环境温度建立了对应的映射(以下,称为“环境温度映射”)预先存储于控制装置600的R0M,通过参照该环境温度映射,基于燃料电池温度即来自温度传感器420的信号所表示的温度来推定环境温度。燃料电池100的温度变化与环境温度相关。例如,在环境温度非常低的情况下,燃料电池100的温度变化(温度的下降程度)非常大。因此,在本实施方式中,预先通过实验等求出当前的燃料电池温度、燃料电池温度的变化即经时变化的程度、环境温度之间
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