燃料電池系統及燃料電池系統的控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及為了消耗燃料電池的電力而使電加熱器動作的燃料電池系統及燃料電池系統的控制方法。
【背景技術】
[0002]燃料電池系統是通過電化學過程使燃料氧化來將伴隨氧化反應而釋放的能量直接轉換成電能的發電系統。燃料電池組具有通過由多孔質材料構成的一對電極夾持用于選擇性地輸送氫離子的高分子電解質膜的兩側面而成的膜一電極組件。一對電極分別具有以擔載鉑系的金屬催化劑的碳粉為主成分并與高分子電解質膜接觸的催化劑層、以及形成在催化劑層的表面并兼具通氣性和電子導電性的氣體擴散層。
[0003]搭載燃料電池系統作為電力源的燃料電池車輛通過由燃料電池發出的電來驅動牽引馬達進行行駛。燃料電池車輛具備電加熱器，為了消耗燃料電池的剩余電力而使電加熱器動作。作為與具備電加熱器的燃料電池車輛相關的技術，例如，公開有如下控制方法:是為了消耗燃料電池的剩余電力而使電加熱器動作的燃料電池系統的控制方法，為了成為冷卻水的熱分解溫度以下，使向電加熱器循環的冷卻水從燃料電池的冷卻水路徑繞過(參照專利文獻I)。
[0004]現有技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2013 — 099081號公報
【發明內容】
[0007]本發明要解決的問題
[0008]然而，電加熱器在加熱器溫度成為高溫時，隨著溫度上升而電阻增大，伴隨于此電力消耗量降低。但是，若冷卻水的溫度過高，則會對相關部件(例如，電加熱器和/或加熱器芯等)產生不良的影響。為了應對這種影響，根據燃料電池系統，為了保護相關部件，在規定的設定溫度以上主動地抑制向電加熱器供給的電力，而急劇地減小電加熱器的電力消耗量。然而，在專利文獻I所公開的燃料電池系統的控制方法中，由于以成為作為冷卻水的熱分解溫度的100°c以下的方式控制冷卻介質的溫度，因此，在冷卻水的溫度比熱分解溫度低的溫度區域中以主動地降低電加熱器的消耗電力量的方式進行控制的情況下，在該溫度區域中由再生動作產生的剩余電力和/或在燃料電池的暖氣運轉時所產生的電力不能被電加熱器充分消耗，有可能無法確保電力的消耗對象。
[0009]本發明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種燃料電池系統及燃料電池系統的控制方法，其通過抑制在電力消耗量急劇降低的溫度區域中電加熱器被驅動，從而能夠確保燃料電池的電力的消耗對象。
[0010]用于解決課題的手段
[0011]為了實現上述目的，本發明涉及的燃料電池系統，為了消耗燃料電池的剩余電力而使電加熱器動作，其特征在于，具備:燃料電池，接受反應氣體的供給來進行發電；燃料電池冷卻系統，使冷卻介質循環至所述燃料電池來冷卻所述燃料電池；電加熱器，為了消耗所述燃料電池的電力而進行動作，以在比所述冷卻介質的熱分解溫度低的溫度下電力消耗量急劇下降的方式被驅動；加熱器冷卻系統，使所述冷卻介質流通到所述電加熱器的周圍來冷卻所述電加熱器；以及控制裝置，控制所述燃料電池系統，所述控制裝置在所述加熱器冷卻系統的所述冷卻介質的溫度包含于所述電加熱器的電力消耗量急劇變化的溫度區域的情況下，使所述燃料電池冷卻系統的冷卻介質流通到所述加熱器冷卻系統來冷卻所述電加熱器。
[0012]另外，本發明涉及的燃料電池系統的控制方法是一種燃料電池系統的控制方法，所述燃料電池系統為了消耗燃料電池的剩余電力而使電加熱器動作，所述燃料電池系統的控制方法的特征在于，燃料電池系統具備:燃料電池，接受反應氣體的供給來進行發電；燃料電池冷卻系統，使冷卻介質循環至上述燃料電池來冷卻上述燃料電池；電加熱器，為了消耗上述燃料電池的電力而進行動作，以在比周圍的冷卻介質的熱分解溫度低的溫度下電力消耗量急劇下降的方式被驅動；以及加熱器冷卻系統，使冷卻介質流通到上述電加熱器的周圍來冷卻該電加熱器，在上述加熱器冷卻系統的冷卻介質的溫度包含于上述電加熱器的電力消耗量急劇變化的溫度區域的情況下，使上述燃料電池冷卻系統的冷卻介質流通到上述加熱器冷卻系統來冷卻上述電加熱器。
[0013]在此，“電力消耗量急劇變化的溫度區域”是指以超過伴隨溫度上升的電加熱器的電力消耗量的自然下降的程度地主動減小電力消耗量的方式進行控制的溫度區域。
[0014]在本發明中，優選地，在上述加熱器冷卻系統的冷卻介質的溫度比上述燃料電池冷卻系統的冷卻介質的溫度高規定值(例如，開始電加熱器的消耗電力量減小控制的設定溫度Ts)以上的情況下，使上述燃料電池冷卻系統的冷卻介質流通至上述加熱器冷卻系統來冷卻上述電加熱器。
[0015]在本發明中，優選地，在上述記加熱器冷卻系統的冷卻介質的溫度為規定值(例如，下限溫度TLl)以下的情況下，切斷冷卻介質從上述燃料電池冷卻系統向上述加熱器冷卻系統的流通。
[0016]另外，在本發明中，優選地，在上述加熱器冷卻介質的溫度相對于上述燃料電池冷卻系統的冷卻介質的溫度處于規定值的范圍(例如，第一溫度差ATI)外的情況下，使上述燃料電池冷卻系統的冷卻介質流通至上述加熱器冷卻系統來冷卻上述電加熱器。
[0017]在本發明中，優選地，在上述加熱器冷卻系統的冷卻介質的溫度相對于上述燃料電池冷卻系統的冷卻介質的溫度處于規定值的范圍(例如，第二溫度差ΔΤ2)內的情況下，切斷冷卻介質從上述燃料電池冷卻系統向上述加熱器冷卻系統的流通。
[0018]在本發明中，優選地，在為了空氣調節而驅動上述電加熱器且上述加熱器冷卻系統的冷卻介質的溫度為規定值(例如，設定溫度Ts)以上的情況下，使上述燃料電池冷卻系統的冷卻介質流通至上述加熱器冷卻系統來冷卻上述電加熱器。
[0019]發明效果
[0020]根據本發明，在電加熱器周圍的冷卻介質處于電加熱器的電力消耗量急劇變化的溫度區域中的情況下，使燃料電池的冷卻系統的冷卻介質流通到加熱器冷卻系統來冷卻電加熱器，因此能夠抑制在電力消耗量急劇下降的溫度區域中電加熱器被驅動并確保燃料電池的電力的消耗對象。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的實施方式中的燃料電池系統的框圖。
[0022]圖2是本發明的實施方式涉及的燃料電池系統的控制方法的流程圖。
[0023]圖3是用于說明本發明的實施方式涉及的燃料電池系統的控制方法的圖。
[0024]圖4是用于說明本發明的實施方式涉及的燃料電池系統的控制方法的圖。
[0025]圖5是用于說明電加熱器的消耗電力量和溫度之間的關系的圖。
【具體實施方式】
[0026]以下對本發明的實施方式進行說明。在以下的附圖的記載中，對相同或相似的部分使用相同或相似的附圖標記表示。但是，附圖是示意性的。因此，具體的尺寸等應該參照以下的說明來判斷。另外，在附圖相互之間當然也包含有彼此的尺寸的關系和/或比率不同的部分。
[0027]<系統結構>
[0028]首先，參照圖1，對應用本發明的實施方式涉及的控制方法的燃料電池系統進行說明。圖1是本發明的實施方式中的燃料電池系統的框圖。如圖1所示，燃料電池系統10作為搭載于燃料電池車輛的車載電源發揮功能，作為主要部件，具備燃料電池20、燃料電池冷卻系統30、電加熱器40、加熱器冷卻系統50、溫度傳感器61、62以及控制裝置70。
[0029]燃料電池20通過電化學過程使作為燃料氣體的氫氧化，來將伴隨氧化反應而釋放的能量直接轉換成電能。搭載燃料電池系統10作為電力源的燃料電池車輛(未圖示)通過由燃料電池20發出的電來驅動牽引馬達進行行駛。
[0030]燃料電池20由層疊多個燃料電池單元的燃料電池組構成(以下，也稱作“燃料電池組”)。例如，固體高分子型燃料電池的燃料電池單元至少具備:膜電極接合體(MEA:Membrane Electrode Assembly:膜電極組件)，其由離子透過性的電解質膜和夾持該電解質膜的陽極側催化劑層(電極層)以及陰極側催化劑層(電極層)構成；以及氣體擴散層，其用于向膜電極接合體供給燃料氣體或氧化劑氣體。燃料電池單元由一對分隔件夾持。
[0031]燃料電池冷卻系統30是使冷卻介質循環至燃料電池組20來冷卻燃料電池組20的循環系統。具體而言，燃料電池冷卻系統30具備散熱器31、循環流路32、栗33、短路流路34以及三通閥35。在燃料電池組20的冷卻介質的出口附近設有溫度傳感器61，以測定燃料電池組20的內部溫度(燃料電池水溫Tf)。
[0032]冷卻介質是用于冷卻燃料電池組20和/或電加熱器40的流通介質，例如是乙二醇水溶液。在使用乙二醇水溶液作為冷卻水的情況下，在存在氧的狀態下達到熱分解溫度以上時，冷卻水分解而生成甲酸等有機酸。這些有機酸在冷卻水中離子化而使冷卻水的導電率提高。因此，冷卻介質的溫度優選至少控制在熱分解溫度以內。
[0033]散熱器31是大致由管道、散熱片以及風扇(均未圖示)構成，是冷卻介質在管道內流通來進行熱交換的散熱設備，具有通過熱交換降低通過散熱器31的冷卻介質的溫度的功能。循環流路32是使冷卻介質在散熱器31和燃料電池組20之間循環的環狀流路。栗33設置在循環流路3