БАТАРЕЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2009 года по МПК H01M8/00 H01M8/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к батарее топливных элементов, способной быстро повышать температуру топливного элемента за счет работы с низким кпд.

Предпосылки создания изобретения

Топливный элемент из твердого полимера, устанавливаемый на транспортном средстве или подобном средстве с приводом от топливных элементов, вырабатывает электроэнергию путем химической реакции между содержащимся в топливном газе водородом, который подается на анод, и газообразным кислородом, который подается на катод. В топливном элементе данного типа оптимальный диапазон температур для выработки электроэнергии обычно составляет от 70 до 80°С. В зависимости от условий применения иногда проходит длительное время от момента запуска топливного элемента до момента достижения данного диапазона температур.

С учетом данной ситуации в выложенной японской патентной заявке №2002-313388 предложена батарея топливных элементов, в которой предусмотрена работа с низким кпд для быстрого повышения температуры топливного элемента. В данном случае работой с низким кпд является работа с большой потерей мощности по сравнению с обычной работой, иными словами, работа с пониженной эффективностью выработки электроэнергии по сравнению с обычной работой с целью увеличения выработки тепловой энергии по сравнению с обычной работой. В данной батарее топливных элементов постоянно используют работу с низким кпд, когда температура охлаждающего раствора составляет 0°С или ниже, чтобы сократить время разогрева топливного элемента.

Раскрытие изобретения

Тем не менее, когда батарея топливных элементов постоянно работает с низким кпд, при этом может возникать неблагоприятное состояние, в связи с чем необходимо ее дополнительное усовершенствование.

Задачей настоящего изобретения является создание батареи топливных элементов, в которой преодолено такое неблагоприятное состояние и повышена стабильность работы батареи.

Для решения указанной задачи в настоящем изобретении предложена батарея топливных элементов, способная работать с низким кпд и большой потерей мощности по сравнению с обычной работой при заданной низкой температуре с целью повышения температуры топливного элемента за более короткое время, чем при обычной работе. Батарея топливных элементов включает контроллер, который запрещает работу с низким кпд для осуществления обычной работы при наличии заданных условий при заданной низкой температуре.

В случае возникновении предполагаемого неблагоприятного состояния при работе с низким кпд, то есть, когда действуют заданные условия, режим работы с низким кпд может быть переключен на режим обычной работы. За счет этого может быть предотвращено неблагоприятное состояние, возникающее при работе с низким кпд, и повышена безопасность работы батареи.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения заданные условия включают момент, когда электроэнергия, генерируемая топливным элементом при работе с низким кпд, не может расходоваться.

В таком случае работа с низким кпд не может продолжаться. Режим работы с низким кпд переключают на режим обычной работы, чтобы уменьшить количество электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом, за счет чего может осуществляться стабильная работа батареи.

В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения батарея топливных элементов может дополнительно включать устройство для аккумулирования электроэнергии, способное накапливать электроэнергию, вырабатываемую топливным элементом. В таком случае заданные условия предпочтительно включают, по меньшей мере, одно из следующих условий: момент, когда электроэнергия, генерируемая топливным элементом при работе с низким кпд, не может аккумулироваться в устройстве для аккумулирования электроэнергии, и момент, когда количество электроэнергии, аккумулированной в устройстве для аккумулирования электроэнергии, превышает заданное количество.

Это происходит потому, что даже при продолжающейся работе с низким кпд электроэнергию, вырабатываемую топливным элементом, некуда направлять.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения заданные условия могут включать момент возникновения затопления топливного элемента.

Например, когда количество химически активного газа, подаваемого в топливный элемент, уменьшается для осуществления работы с низким кпд, это не способствует выходу воды, образующейся в результате реакции выработки электроэнергии топливным элементом. В связи с этим, может происходить затопление топливного элемента при более низком напряжении. В соответствии с описанной структурой настоящего изобретения при возникновении затопления режим работы с низким кпд переключают на режим обычной работы, чтобы способствовать выходу воды и подавить падение напряжения.

Контроллер может предпочтительно запретить работу с низким кпд, чтобы прекратить выработку электроэнергии топливным элементом, если принят запрос прекращения выработки электроэнергии топливным элементом.

В результате, в случае, например, запроса прерывистой работу топливного элемента или запроса прекращения выработки электроэнергии вследствие команды IG-OFF или неисправности батареи выработка электроэнергии топливным элементом может быть прекращена.

Контроллер может предпочтительно осуществляться управление таким образом, чтобы работа с низким кпд происходила при запуске топливного элемента.

Впрочем, при работе с низким кпд со стороны анода топливного элемента выпускают газообразный водород, а со стороны катода иногда выпускают водород (в основном нагнетательный водород). Выпуск в атмосферу окисляющего отходящего газа, включая водород, как он есть нежелателен с природоохранной точки зрения.

В связи с этим, в одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предложена батарея топливных элементов, дополнительно включающая линию подачи, по которой протекает окисляющий газ, подаваемый в топливный элемент, линию выпуска, по которой протекает окисляющий отходящий газ, выпускаемый из топливного элемента, перепускную линию, которая соединяет линию подачи с линией выпуска для поступления окисляющего газа в обход топливного элемента, и перепускной клапан, который открывает и закрывает перепускную линию. Контроллер предпочтительно открывает перепускной клапан во время работы с низким кпд и закрывает перепускной клапан во время обычной работы.

В результате, во время работы с низким кпд водород, который может содержаться в окисляющем отходящем газе, разбавляют поступающим по перепускной линии окисляющим газом. За счет этого, окисляющий отходящий газ может быть соответствующим образом выпущен из линии выпуска в атмосферу. С другой стороны, поскольку во время обычной работы окисляющий газ не должен поступать в обход топливного элемента, окисляющий газ может соответствующим образом подаваться в топливный элемент.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана блок-схема батареи топливных элементов согласно изобретению.

На фиг.2 показана диаграмма, иллюстрирующая зависимость между током топливного элемента и напряжением топливного элемента в одном из вариантов осуществления изобретения.

На фиг.3А и 3Б показаны схемы, иллюстрирующие механизм образования нагнетательного водорода в одном из вариантов осуществления изобретения, при этом на фиг.3А показана реакция элемента во время обычной работы, а на фиг.3Б показана реакция элемента во время работы с низким кпд.

На фиг.4 показана блок-схема, иллюстрирующая технологический поток во время запуска батареи топливных элементов согласно настоящему изобретению.

Лучший способ осуществления изобретения

Далее батарея топливных элементов согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения описана со ссылкой на приложенные чертежи. Сначала в целом описана батарея топливных элементов согласно настоящему изобретению, а затем описаны условия, при которых запрещена работа с низким кпд и происходит переключение на режим обычной работы.

Как показано на фиг.1, батарея 1 топливных элементов может быть установлена на транспортном средстве, таком как автомобиль с гибридным приводом от топливных элементов, электромобиль или автомобиль с гибридным приводом. Вместе с тем, батарея 1 топливных элементов применима не только в транспортном средстве, но также в движущемся объекте любого типа (например, судне, самолете, роботе и т.п.) или стационарном источнике питания.

Батарея 1 топливных элементов включает топливный элемент 2, трубопроводную систему 3 для окисляющего газа, по которой в топливный элемент 2 в качестве окисляющего газа подают воздух, трубопроводную систему 4 для топливного газа, по которой в топливный элемент 2 в качестве топливного газа подают газообразный водород, трубопроводную систему 5 для охладителя, по которой в топливный элемент 2 подают охладитель для охлаждения топливного элемента 2, систему 6 электропитания, которая подает и снимает нагрузку с батареи 1, и контроллер 7, управляющий батареей в целом.

Топливный элемент 2 состоит, например, из твердого полимерного электролита и имеет многослойную структуру, состоящую из большого числа ламинированных единичных элементов. На одной поверхности электролита единичный элемент имеет воздушный электрод (катод) в виде ионообменной мембраны и топливный электрод (анод) на другой поверхности, а также имеет пару разделителей, которые расположены воздушным электродом и топливным электродом. Окисляющий газ поступает в канал 2а для окисляющего газа одного разделителя, а топливный газ поступает в канал 2b для топливного газа другого разделителя. Топливный элемент 2 вырабатывает электроэнергию в результате электрохимической реакции между подаваемым топливным газом и подаваемым окисляющим газом. Электрохимической реакцией в топливном элементе 2 является реакция теплообразования, а температура твердого полимерного электролита топливного элемента 2 составляет от 60 до 80°С.

Трубопроводная система 3 для окисляющего газа включает линию 11 подачи, по которой протекает окисляющий газ, подаваемый в топливный элемент 2, линию 12 выпуска, по которой протекает окисляющий отходящий газ, выпускаемый из топливного элемента, и перепускную линию 17, по которой окисляющий газ протекает в обход топливного элемента 2. Линия 11 подачи сообщается с линией 12 выпуска посредством канала 2а для окисляющего газа. Окисляющий отходящий газ может содержать нагнетательный водород, образующийся со стороны воздушного электрода топливного элемента 2 (более подробно описано далее). Кроме того, окисляющий отходящий газ содержит воду, образующуюся в результате реакции топливного элемента 2, и по этой причине имеет сильную степень увлажнения.

Линия 11 подачи имеет компрессор 14 (питающее устройство), который осуществляет забор наружного воздуха через воздухоочиститель 13, и увлажнитель 15, увлажняющий окисляющий газ, который компрессор 14 под давлением подает в топливный элемент 2. Увлажнитель 15 осуществляет водообмен между окисляющим газом, протекающим по линии 11 подачи и имеющим слабую степень увлажнения, и окисляющим отходящим газом, протекающим по линии 12 выпуска и имеющим высокую степень увлажнения. В результате, окисляющий газ, подаваемый в топливный элемент 2, соответствующим образом увлажняют.

Обратное давление окисляющего газа, подаваемого в топливный элемент 2, регулируют с помощью клапана 16 регулирования обратного давления, находящегося на линии 12 выпуска вблизи катодного выхода. Вблизи клапана 16 регулирования обратного давления находится датчик Р1 давления, определяющий давление на линии 12 выпуска. Окисляющий отходящий газ окончательно выпускают из батареи в атмосферу в виде выхлопного газа через клапан 16 регулирования обратного давления и увлажнитель 15.

Перепускная линия 17 соединяет линию 11 подачи с линией 12 выпуска. Между компрессором 14 и увлажнителем 15 со стороны подачи расположен соединительный участок В, находящийся между перепускной линией 17 и линией 11 подачи. Кроме того, между перепускной линией 17 и линией 12 выпуска со стороны выпуска увлажнителя 15 расположен соединительный участок С. Перепускная линия 17 имеет перепускной клапан 18, который является отпирающим/запорным клапаном (отсечным клапаном) с приводом от электродвигателя, соленоидом и т.п. Перепускной клапан 18 соединен с контроллером 7 и открывает и закрывает перепускную линию 17. Далее в описании окисляющий газ для подачи в обход на сторону выпуска перепускной линии 17 через перепускной клапан 18 путем открывания перепускного клапана 18, в общем, именуется "воздухом для перепуска".

Трубопроводная система 4 для топливного газа имеет источник 21 подаваемого водорода, линию 22 подачи, по которой протекает газообразный водород, подаваемый из источника 21 подаваемого водорода в топливный элемент 2, линию 23 рециркуляции для возврата отходящего газообразного водорода (отходящего топливного газа), выпускаемого из топливного элемента 2, в патрубок А линии 22 подачи, насос 24, который под давлением подает отходящий газообразный водород по линии 23 рециркуляции в линию 22 подачи, и разветвленную продувочную линию 25, соединенную с линией 23 рециркуляции. Когда клапан 26 источника открыт, газообразный водород, выпускаемый из источника 21 подаваемого водорода в линию 22 подачи, поступает в топливный элемент 2 через клапан 27 регулирования давления, другой редукционный клапан и отсечной клапан 28. Продувочная линия 25 имеет продувочный клапан 33 для выпуска отходящего газообразного водорода в разбавитель водорода (не показан).

Трубопроводная система 5 для охладителя имеет канал 41 для охладителя, сообщающийся с охлаждающим каналом 2с в топливном элементе 2, охлаждающий насос 42 в канале 41 для охладителя, теплообменник 43, охлаждающий охладитель, выпускаемый из топливного элемента 2, перепускной канал 44, проходящий в обход теплообменника 43, и переключающий клапан 45, регулирующий циркуляцию охлаждающей воды через теплообменник 43 и перепускной канал 44. Канал 41 для охладителя имеет температурный датчик 46, расположенный вблизи впускного патрубка охладителя топливного элемента 2, и температурный датчик 47, расположенный вблизи выпускного патрубка охладителя топливного элемента 2. Температура охладителя, определенная температурным датчиком 47, отражает внутреннюю температуру (далее называемую "температурой топливного элемента 2") топливного элемента 2. Охлаждающий насос 42 с приводом от электродвигателя обеспечивает циркуляцию охладителя по каналу 41 для охлаждения топливного элемента 2.

Система 6 электропитания включает высоковольтный преобразователь 61 постоянного тока в постоянный, аккумулятор 62, инвертор 63 тяги, тяговый электродвигатель 64 и различные вспомогательные инверторы 65, 66 и 67. Высоковольтный преобразователь 61 постоянного тока в постоянный является преобразователем напряжения постоянного тока. Высоковольтный преобразователь 61 постоянного тока в постоянный служит для регулирования напряжения постоянного тока, подаваемого из аккумулятора 62, для подачи напряжения в инвертор 63 тяги и регулирования напряжения постоянного тока, подаваемого из топливного элемента 2 или тягового электродвигателя 64, для подачи напряжения на аккумулятор 62. За счет этих функций высоковольтного преобразователя 61 постоянного тока в постоянный осуществляется зарядка/разрядка аккумулятора 62. Кроме того, высоковольтный преобразователь 61 постоянного тока в постоянный регулирует выходное напряжение топливного элемента 2. Количество электроэнергии, накопленной в аккумуляторе 62, определяет SOS-датчик 68.

Инвертор 63 тяги преобразует постоянный ток в трехфазный переменный ток для подачи в тяговый электродвигатель 64. Тяговым электродвигателем 64 (устройством для выработки электроэнергии) является, например, электродвигатель трехфазного переменного тока. Тяговый электродвигатель 64 представляет собой, например, главный источник электропитания транспортного средства 100, на котором установлена батарея 1 топливных элементов, при этом он соединен с колесами 101L, 101R транспортного средства 100. Вспомогательные инверторы 65, 66 и 67 регулируют приведение в действие двигателей компрессора 14, насоса 24 и охлаждающего насоса 42 соответственно.

Блок 7 управления выполнен в виде микрокомпьютера, включающего ЦП, ПЗУ и ОЗУ. ЦП в соответствии с управляющей программой осуществляет вычисления, необходимые для выполнения различных функций обработки и управления, таких как управление обычной работой и управление работой с низким кпд, что описано далее. В ПЗУ хранится управляющая программа или управляющие данные для их обработки ЦП. ОЗУ используется как рабочая область любого типа, главным образом, для обработки управляющих команд.

Контроллер 7 вводит обнаруженные сигналы различных датчиков, таких как датчик давления (Р1) любого типа, температурные датчики (46, 47), датчик 51 температуры наружного воздуха, определяющий температуру наружного воздуха среды, в которой находится батарея 1 топливных элементов, SOS-датчик 68 и датчиков любого типа, таких как датчик педали акселератора, который определяет положение педали акселератора транспортного средства 100. Контроллер 7 на основании входных сигналов подает управляющие сигналы в составляющие элементы (питающее устройство 14, клапан 16 регулирования обратного давления, перепускной клапан 18 и т.п.). Контроллер 7 обеспечивает работу с низкой эффективностью выработки электроэнергии путем использования различных схем, хранящихся в ПЗУ, если топливный элемент 2 необходимо разогреть в случае запуска при низкой температуре и т.п. Кроме того, контроллер 7 запрещает работу с низким кпд при заданных условиях.

На фиг.2 показана диаграмма, иллюстрирующая зависимость между выходным током (далее - "ток топливного элемента") током топливного элемента 2 и выходным напряжением (далее - "напряжение топливного элемента"). Сплошная линия на фиг.2 соответствует случаю, когда батарея 1 топливных элементов работает (далее -"обычная работа") с относительно высокой эффективностью выработки электроэнергии, а пунктирная линия соответствует случаю, когда батарея 1 топливных элементов работает (далее - "работа с низким кпд") со сравнительно низкой эффективностью выработки электроэнергии. Следует отметить, что для осуществления обычной работы и работы с низким кпд контроллер 7 управляет, по меньшей мере, трубопроводной системой 3 для окисляющего газа и трубопроводной системой 4 для топливного газа.

В случае обычной работы батареи 1 топливных элементов топливный элемент 2 работает при стехиометрическом соотношении компонентов воздуха, установленном на уровне 1,0 или выше (теоретическое значение) для подавления потери мощности и обеспечения высокой эффективности выработки электроэнергии (смотри участок сплошной линии на фиг.2). В данном случае стехиометрическое соотношение компонентов воздуха характеризуется избыточным содержанием кислорода, соответствующим избыточному количеству подаваемого кислорода относительно количества кислорода, необходимого для реакции с водородом без избытка или недостатка.

В тоже время, при необходимости разогрева топливного элемента 2 топливный элемент 2 работает при стехиометрическом соотношении компонентов воздуха менее 1,0 (теоретического значения) для увеличения потери мощности и повышения температуры топливного элемента 2 (смотри участок пунктирной линии на фиг.2). Если установлено низкое стехиометрическое соотношение компонентов для работы с низким кпд, увеличивается степень потери мощности (т.е. степень потери тепла) в пересчете на энергию, которая может быть получена в результате реакции между водородом и кислородом. За счет этого при работе с низким кпд температура топливного элемента 2 может быть повышена за более короткое время, чем при обычной работе, и может быть сокращено время разогрева элемента. В тоже время, при работе с низким кпд в воздушном электроде топливного элемента 2 образуется нагнетательный водород.

На фиг.3А и 3Б показаны схемы, иллюстрирующие механизм образования нагнетательного водорода в одном из вариантов осуществления изобретения. На фиг.3А показана реакция элемента во время обычной работы, а на фиг.3Б показана реакция элемента во время работы с низким кпд.

Каждый единичный элемент 80 топливного элемента 2 включает электролитическую пленку 81, а также анод и катод, которые помещаются между этой электролитической пленкой 81. В анод подают топливный газ, содержащий водород

(Н₂), в катод подают окисляющий газ, содержащий кислород (O₂). При подаче топливного газа в анод протекает реакция согласно следующей формуле (1), и электроны водорода отделяются от ионов водорода. Ионы водорода, образующиеся в аноде, проходят через электролитическую пленку 81 и достигают катода, а электроны движутся от анода через внешний контур и достигают катода.

Анод:

Во время обычной работы, показанной на фиг.3А, то есть, когда окисляющий газ в достаточном количестве поступает в катод (при стехиометрическом соотношении компонентов воздуха ≥1,0), протекает реакция согласно следующей формуле (2), в результате которой из кислорода, ионов водорода и электронов образуется вода.

Катод:

Во время работы с низким кпд, показанной на фиг.3Б, то есть, когда окисляющий газ в недостаточном количестве поступает в катод (при стехиометрическом соотношении компонентов воздуха <1,0), протекает реакция согласно следующей формуле (3) пропорционально недостающему количеству окисляющего газа, и снова формируются связи ионов водорода с электронами, в результате чего образуется водород. Образовавшийся водород выходит из катода вместе с окисляющим отходящим газом. Следует отметить, что водород, образующийся на катоде в результате повторного связывания разделенных ионов водорода и электронов, то есть, анодный газ, образующийся на катоде, далее именуется нагнетательным водородом.

Катод:

Как указано выше, при недостаточной подаче в катод окисляющего газа окисляющий отходящий газ включает нагнетательный водород.

Соответственно, когда батарея 1 топливных элементов работает с низким кпд, контроллер 7 открывает перепускной клапан 18, чтобы часть окисляющего газа, подаваемого компрессором 13, поступала в перепускную линию 17. Этот подаваемый в обход воздух для перепуска снижает концентрацию водорода в окисляющем отходящем газе, за счет чего из батареи по линии 12 выпуска выпускают окисляющий отходящий газ с концентрацией водорода, сниженной до безопасного диапазона.

В данном случае работу с низким кпд используют в основном при запуске батареи 1 топливных элементов с целью разогрева топливного элемента 2 и, в особенности, только в случае запуске при низкой температуре. Например, работа с низким кпд используется, когда температурой наружного воздуха, определенной датчиком 51 температуры наружного воздуха при запуске батареи 1 топливных элементов, является заданная низкая температура (например, 0°С или ниже). После этого по завершении разогрева топливного элемента 2 батарея 1 топливных элементов переходит из режима работы с низким кпд в режим обычной работы. Перепускной клапан 18 открывается во время запуска батарея 1 топливных элементов, работающей с низким кпд. и закрывается во время обычной работы после работы с низким кпд.

Как показано на фиг.4, когда работа батарея 1 топливных элементов начинается на основании, например, команды ON, которую с помощью переключателя зажигания передает водитель транспортного средства 100 и т.п., контроллер 7 определяет, необходим ли быстрый разогрев топливного элемента 2 (шаг S1).

В данном случае определяют, необходим ли быстрый разогрев топливного элемента, на основании температуру, измеренной датчиком 51 температуры наружного воздуха. Если эта измеренная температура превышает заданную низкую температуру (например, 0°С или ниже), считается, что быстрый разогрев не требуется (шаг S1; нет), и переходят в режим обычной работы (шаг S4). В тоже время, если измеренная температура равна заданной низкой температуре (например, 0°С или ниже) или ниже нее, считается, что быстрый разогрев необходим (шаг S1; да), и переходят к следующему шагу S2.

На шаге S2 определяют, установлен ли индикатор запрета быстрого разогрева в положение ON. Индикатор запрета быстрого разогрева установлен в положение OFF, когда предполагается, что при последующей работе с низким кпд не возникнет какое-либо неблагоприятное состояние, даже если быстрый разогрев не будет запрещен. В этом случае (шаг S2; нет) начинают работу с низким кпд на основании запроса быстрого разогрева (шаг S3). В результате, во время запуска топливного элемента 2 температура топливного элемента 2 быстро повышается. В тоже время, если индикатор запрета быстрого разогрева установлен в положение ON (шаг S2; да), работа с низким кпд запрещается и осуществляется обычная работа (шаг S4).

В данном случае заданные условия, при которых индикатор запрета быстрого разогрева установлен в положение ON, включают высокую вероятность возникновения неблагоприятного состояния батареи при работе с низким кпд. Такие заданные условия включают следующие условия с (1) по (5):

(1) момент, когда электроэнергия, генерируемая топливным элементом 2 при работе с низким кпд, не может расходоваться,

(2) момент, когда электроэнергия, генерируемая топливным элементом 2 при работе с низким кпд, не может накапливаться в аккумуляторе 62,

(3) момент, когда количество электроэнергии, накопленной в аккумуляторе 62, превышает заданное количество,

(4) момент, когда происходит затопление топливного элемента 2, и

(5) момент, когда поступает запрос прекращения выработки электроэнергии топливным элементом 2.

При наличии по меньшей мере одного из этих условий с (1) по (5) работа с низким кпд запрещена. Далее описаны эти условия.

Если действует условие (1), работа с низким кпд запрещена, поскольку электроэнергию, вырабатываемую топливным элементом 2 при работе с низким кпд, некуда направлять. Более точно, для поддержания режима работы с низким кпд выработка электроэнергии топливным элементом 2 должна быть продолжена. Однако, когда эта вырабатываемая электроэнергия не может целиком расходоваться вспомогательными устройствами и тяговым электродвигателем 64 батареи 1 топливных элементов, часть вырабатываемой электроэнергии некуда направлять. В результате, режим работы с низким кпд не может поддерживаться. В связи с этим, если действует условие (1), работа с низким кпд может быть запрещена, и осуществляется обычная работа, за счет чего уменьшается количество электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом 2.

Условия (2) и (3) могут считаться конкретными примерами условия (1).

Например, иногда из-за неисправности или отказа аккумулятора 62 он не может заряжаться электроэнергией, вырабатываемой топливным элементом 2 при работе с низким кпд. Кроме того, аккумулятор 62 не может заряжаться электроэнергией, вырабатываемой топливным элементом 2, когда количество электроэнергии, накопленной в аккумуляторе 62, превышает заданное количество. В качестве альтернативы, даже если аккумулятор 62 может заряжаться, он заряжается лишь небольшим количеством электроэнергии. При продолжении работы с низким кпд аккумулятор 62 переходит в полностью заряженное состояние и больше не может заряжаться. При таком уменьшении количества электроэнергии, которой может заряжаться аккумулятор 62, выработка электроэнергии топливным элементом 2 в режиме работы с низким кпд не может продолжаться. В связи с этим, работа с низким кпд может быть запрещена при действующих условиях (2) и (3), и осуществляется обычная работа, за счет чего уменьшается количество электроэнергии, вырабатываемой топливным элементом 2.

Далее описано условие (4).

В результате реакции, в ходе которой в топливном элементе 2 вырабатывается электроэнергия, на катоде топливного элемента 2 образуется вода. Эту воду обычно откачивают и отводят с помощью потока окисляющего газа и выпускают из топливного элемента 2. Тем не менее, во время работы с низким кпд реакция, в ходе которой в топливном элементе 2 вырабатывается электроэнергия, протекает в условиях ограниченного количества подаваемого окисляющего газа. Это не способствует выпуску образующейся воды в данной ситуации. В результате, в особенности, со стороны катода может возникнуть затопление (чрезмерное увлажнение), приводящее к падению напряжения элемента. Для решения этой проблемы на случай возникновения затопления предусмотрено условие (4), то есть запрещена работа с низким кпд, и осуществляется обычная работа. В результате, затопление может быть предотвращено и подавлено падение напряжения элемента.

В данном случае может быть любым способом определено, произошло ли затопление. Это может быть сделано, например, на основании продолжительности работы с низким кпд, температуры топливного элемента 2 и значении тока во время выработки электроэнергии топливным элементом 2. В качестве альтернативы, измеряют содержание воды в топливном элементе 2, например, на основании импеданса переменного тока и определяют, что произошло затопление, если содержание воды превышает пороговое значение. Кроме того, оценивают количество воды, остающейся в топливном элементе 2 после предыдущего прекращения работы батареи, или измеряют напряжение топливного элемента 2, на основании чего можно определить, произошло ли затопление.

Далее описано условие (5).

Например, если в результате команды OFF (далее - "IG-OFF"), которую с помощью переключателя зажигания передает водитель, произошло прекращение работы батареи 1 топливных элементов, передается запрос прекращения выработки электроэнергии топливным элементом 2. Кроме того, запрос прекращения выработки электроэнергии топливным элементом 2 передается даже во время неисправности батареи 1 топливных элементов (проведения диагностики и т.п.). Более того, запрос прекращения выработки электроэнергии топливным элементом 2 передается даже при наличии запроса прерывистой работы из-за обнаружения утечки водорода.

Следует отметить, что утечку водорода обнаруживает датчик водорода (не показан) для обнаружения утечки водорода батареи 1. Кроме того, прерывистая работа является режимом работы, в котором выработка электроэнергии топливным элементом 2 временно прерывается при работе с низкой нагрузкой, например, на холостом ходу, при движении с низкой скоростью, рекуперативном торможении и т.п., тогда как аккумулятор 62 подает электроэнергию в тяговый электродвигатель 64, а газообразный водород и окисляющий газ прерывисто поступают в топливный элемент 2 в таком количестве, чтобы поддерживать напряжение концевого элемента батареи.

Упомянутая выше команда IG-OFF, неисправность батарея 1 топливных элементов и запрос прерывистой работы относятся не только к запуску батареи 1 топливных элементов, но также к работе с низким кпд после запуска. После приема запроса прекращения выработки электроэнергии топливным элементом 2 на основании команды IG-OFF или неисправности батареи 1 топливных элементов работа с низким кпд запрещается, и прекращается работа батарея 1 топливных элементов с целью прекращения выработки электроэнергии топливным элементом 2. В то же время, после приема запроса прекращения выработки электроэнергии топливным элементом 2 на основании запроса прерывистой работы запрещается работа с низким кпд, осуществляется обычная работа и при этом осуществляется прерывистая работа.

Как описано выше, при наличии по меньшей мере одного из упомянутых заданных условия с (1) по (5) запрещается работа с низким кпд батареи 1 топливных элементов согласно рассматриваемому варианту осуществления. Таким образом, если предполагается возникновение неблагоприятного состояния, вызванного работой с низким кпд, неблагоприятное состояние, вызванное работой с низким кпд, может быть предотвращено. Кроме того, при наличии, по меньшей мере, одного из заданных условий с (1) по (4) или при поступлении запроса прерывистой работы (условие (5)), режим работы с низким кпд может быть переключен на режим обычной работы, и может быть повышена безопасность работы батареи.

Изобретение относится к батарее топливных элементов, способной быстро повышать температуру за счет работы с низким кпд. Техническим результатом изобретения является повышение стабильности безопасности работы батареи. Согласно изобретению батарея топливных элементов рассчитана на работу с низким кпд и большой потерей мощности по сравнению с обычной работой при заданной низкой температуре с целью повышения температуры топливного элемента за более короткое время, чем при обычной работе. В батарее топливных элементов предусмотрено запрещение работы с низким кпд и осуществление обычной работы при наличии заданных условий при заданной низкой температуре. Заданные условия включают момент, когда электроэнергия, вырабатываемая топливным элементом при работе с низким кпд, не может расходоваться, момент, когда генерируемая электроэнергия не может накапливаться в аккумуляторе, или момент, когда происходит затопление топливного элемента. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Батарея топливных элементов, рассчитанная на работу с низким кпд и большой потерей мощности по сравнению с обычной работой при заданной низкой температуре с целью повышения температуры топливного элемента за более короткое время, чем при обычной работе, при этом батарея топливных элементов включает
контроллер, запрещающий работу с низким кпд для осуществления обычной работы при наличии заданных условий при заданной низкой температуре.

2. Батарея топливных элементов по п.1, в которой заданные условия включают момент, когда электроэнергия, вырабатываемая топливным элементом при работе с низким кпд, не может расходоваться.

3. Батарея топливных элементов по п.1, дополнительно включающая устройство для аккумулирования электроэнергии, способное накапливать электроэнергию, вырабатываемую топливным элементом,
при этом заданные условия включают, по меньшей мере, одно из следующих условий: момент, когда электроэнергия, генерируемая топливным элементом при работе с низким кпд, не может аккумулироваться в устройстве для аккумулирования электроэнергии, и момент, когда количество электроэнергии, аккумулированной в устройстве для аккумулирования электроэнергии, превышает заданное количество.

4. Батарея топливных элементов по п.1, в которой заданные условия включают момент затопления топливного элемента.

5. Батарея топливных элементов по п.1, в которой контроллер запрещает работу с низким кпд с целью прекращения выработки электроэнергии топливным элементом, если принят запрос прекращения выработки электроэнергии топливным элементом.

6. Батарея топливных элементов по любому из пп.1-5, в которой контроллер осуществляет управление таким образом, чтобы работа с низким кпд происходила при запуске топливного элемента.

7. Батарея топливных элементов по любому из пп.1-5, дополнительно включающая:
линию подачи, по которой протекает окисляющий газ, подаваемый в топливный элемент,
линию выпуска, по которой протекает окисляющий отходящий газ, выпускаемый из топливного элемента, перепускную линию, которая соединяет линию подачи с линией выпуска для поступления окисляющего газа в обход топливного элемента,
перепускную линию, которая соединяет линию подачи с линией выпуска для поступления окисляющего газа в обход топливного элемента, и перепускной клапан, который открывает и закрывает перепускную линию, при этом контроллер открывает перепускной клапан во время работы с низким кпд и закрывает перепускной клапан во время обычной работы.

8. Батарея топливных элементов по любому из пп.1-5, дополнительно включающая:
трубопроводную систему для окисляющего газа, по которой в топливный элемент подают окисляющий газ, и
трубопроводную систему для топливного газа, по которой в топливный элемент подают топливный газ,
при этом контроллер управляет, по меньшей мере, трубопроводной системой для окисляющего газа и трубопроводной системой для топливного газа для осуществления обычной работы и работы с низким кпд.