燃料电池系统、马达、空气压缩机、泵和设计马达的方法

摘要

一种燃料电池系统（30）包括燃料气体供应/排出机构（50）、氧化气体供应/排出机构（60）和冷却燃料电池的冷却剂循环机构（70）。在燃料气体供应/排出机构（50）的空气压缩机（62）中采用的马达（63）包括大致圆筒形转子（110）。转子的轴向长度L与它的直径D有关，从而比率L/D近似地等于满足关系Ta≥Tm的最大值，其中Ta表示马达（63）的容许扭矩，并且Tm表示将向马达（63）要求的最大扭矩。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，并且更加具体地涉及应对负荷波 动的技术。

背景技术

近年来，配备有燃料电池系统的车辆已经得到发展。在这种车辆 中，用于推进车辆的电力由燃料电池系统供应。然而，当燃料电池系 统要求的负荷增加时，变得有必要控制辅助马达等的转速的波动，并 且因此要求的电力量增加。为了确保增加的要求电力，可以连续地向 燃料电池供应过量的燃料气体和氧化气体，从而超过要求负荷地过剩 地执行电力产生。然而，这种构造降低了燃料效率。因此，用于应对 负荷波动的电力是从电池供应的。

例如，如果要求负荷响应于加速器踏板的操作而增加，则向燃料 电池供应氧化气体的马达驱动空气压缩机的马达的转速的波动要求的 电力增加是从电池供应的。随着对于加速器操作的响应性增强并且随 着燃料电池的输出升高，电力的增加量增加。

然而，因为电池的容量受到限制，所以可实现的响应性或者输出 性能存在限制。因此，在某些情形中不能确保期望程度的可驾驶性， 并且已经需求在应对燃料电池系统要求的负荷的波动方面改进性能。 这个问题不仅在用于空气压缩机的马达中出现，而且对于在燃料电池 系统中采用的各种马达而言是共有的。起初地，该问题不仅在被设置 在车辆中的燃料电池系统中出现，而且还在为了要求负荷的波动伴随 的意图而采用的各种燃料电池系统中出现。

发明内容

本发明改进了应对燃料电池系统要求的负荷的波动的性能。

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；气体供应/排出机构，该气体供应/排出机构供反应气体使用， 该反应气体用于在燃料电池中的电化学反应；和冷却燃料电池的冷却 剂循环机构。气体供应/排出机构和循环机构中的至少一个采用配备有 大致圆筒形转子的马达。该转子具有转子的轴向长度L与它的直径D 的比率L/D，比率L/D近似地等于满足关系Ta≥Tm的最大值，其中Ta 表示马达的容许扭矩并且Tm表示将向马达要求的最大扭矩。转子的轴 向长度L与其直径D的比率具有（在下文中“比率L/D”）近似地等 于满足关系：Ta≥Tm的最大值，其中Ta表示马达的容许扭矩，并且 Tm表示将向马达要求的最大扭矩。

根据本发明前面的方面，在气体供应/排出机构和循环机构中的至 少一个中采用的马达包括转子，并且转子的比率L/D被设定为近似地 等于满足关系：Ta≥Tm的最大值。即，比率L/D被设定为近似地等于 在能够输出计划最大扭矩的这种范围内的最大值。转子的惯性随着比 率L/D增加而降低。因此，这个马达使得减少执行控制以增加马达的 转速所需要的电力的量成为可能。结果，当燃料电池系统要求的负荷 增加时，能够减少执行控制以增加燃料电池系统的输出电力所需要的 电力增加量。相应地，当从具有有限容量的电力存储装置的输出供应 增加的电力时，能够相应于电力增加量的降低而增强对于要求负荷增 加的响应性。结果，应对燃料电池系统要求的负荷的波动的性能得以 改进。此外，当燃料电池系统在增加的电力被添加到的输出处操作时， 所添加的电力的量能够减少。因此，利用燃料电池系统的输出的效率 得以增强，并且应对燃料电池系统要求的负荷波动的性能能够得以改 进。

在本发明前面的方面中，燃料电池系统可以进一步配备有电力存 储装置。该电力存储装置可以根据燃料电池系统要求的负荷的波动供 应控制该至少一个马达的转速的波动所需要的电力。

根据本发明前面的方面，从电力存储装置供应执行控制以增加燃 料电池系统的输出电力所需要的、增加的电力。因此，无需在增加的 电力被添加于此的输出处操作燃料电池系统。相应地，利用燃料电池 系统的输出的效率得以增强。此外，能够相应于转子的惯性降低和电 力增加的降低地增强对于要求负荷增加的响应性。因此，即使当电力 存储装置的容量范围受到限制时也能够实现高响应性。

本发明的第二方面涉及一种燃料电池系统。该燃料电池系统配备 有燃料电池；气体供应/排出机构，所述气体供应/排出机构供用于燃料 电池中的电化学反应的反应气体使用；循环用于冷却燃料电池的冷却 剂的冷却剂循环机构，和电力存储装置。气体供应/排出机构和循环机 构中的至少一个采用配备有大致圆筒形转子的马达。转子具有转子的 轴向长度L与它的直径D的比率L/D，比率L/D近似地等于满足关系： Ta≥Tm的最大值，其中Ta表示马达的容许扭矩并且Tm表示将向马达 要求的最大扭矩。该电力存储装置具有最大容量，根据燃料电池系统 要求的负荷的波动来控制马达的转速的波动所需要的电力量的计划最 大值被设定为被限制在该最大容量内。

根据本发明前面的方面，能够从电力存储装置供应根据燃料电池 系统要求的负荷的波动控制马达的转速的波动所需要的全部的电力 量。因此，无需在增加的电力被添加于此的输出处操作燃料电池系统。 相应地，利用燃料电池系统的输出的效率得以增强。

在本发明前面的方面中，比率L/D可以等于或者大于0.5并且等 于或者小于6。根据本发明前面的方面的燃料电池系统的马达的转子的 比率L/D是经常在这个范围内的。

本发明的第三方面涉及一种马达，该马达在供用于在燃料电池中 的电化学反应的反应气体使用的气体供应/排出机构和循环用于冷却燃 料电池的冷却剂的冷却剂循环机构中的至少一个中采用。该马达配备 有大致圆筒形转子。该转子具有转子的轴向长度L与它的直径D的比 率L/D，比率L/D近似地等于满足关系：Ta≥Tm的最大值，其中Ta表 示马达的容许扭矩并且Tm表示将向马达要求的最大扭矩。

本发明的第四方面涉及一种空气压缩机，该空气压缩机在供用于 在燃料电池中的电化学反应的反应气体使用的气体供应/排出机构中采 用。该空气压缩机配备有具有大致圆筒形转子的马达。该转子具有转 子的轴向长度L与它的直径D的比率L/D，比率L/D近似地等于满足 关系：Ta≥Tm的最大值，其中Ta表示马达的容许扭矩并且Tm表示将 向马达要求的最大扭矩。

本发明的第五方面涉及一种泵，该泵在供用于在燃料电池中的电 化学反应的反应气体使用的气体供应/排出机构和循环用于冷却燃料电 池的冷却剂的冷却剂循环机构中的至少一个中采用。该泵配备有具有 大致圆筒形转子的马达。该转子具有转子的轴向长度L与它的直径D 的比率L/D，比率L/D近似地等于满足关系：Ta≥Tm的最大值，其中 Ta表示马达的容许扭矩并且Tm表示将向马达要求的最大扭矩并且Tm 表示将向马达要求的最大扭矩。

本发明的第六方面涉及一种设计马达的方法，该马达在供用于在 燃料电池中的电化学反应的反应气体使用的气体供应/排出机构和循环 用于冷却燃料电池的冷却剂的冷却剂循环机构中采用。该设计马达的 方法包括设定转子的轴向长度L与它的直径D的比率L/D，比率L/D 近似地等于满足关系：Ta≥Tm的最大值，其中Ta表示马达的容许扭矩 并且Tm表示将向马达要求的最大扭矩。

附图说明

将在下面参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及 技术和工业意义，其中类似的附图标记表示类似的元件，并且其中：

图1概略地示出根据本发明的实施例的燃料电池动力车辆的构 造；

图2概略地示出用于构成根据本发明的实施例的燃料电池系统的 空气压缩机的马达的构造；

图3是构成根据本发明的实施例的马达的转子的外侧尺寸的透视 图；并且

图4示意根据本发明的实施例设定转子的比率L/D的方法。

具体实施方式

图1概略地示出配备有根据本发明的实施例的燃料电池系统30的 燃料电池动力车辆20的构造。燃料电池动力车辆20的燃料电池系统 30提供动力以推进车辆20。如在图1中所示，燃料电池动力车辆20 配备有燃料电池系统30、电力供应机构80、控制单元90等。

燃料电池系统30通过电化学反应产生电力以推进燃料电池动力 车辆20。如在图1中所示，燃料电池系统30包括燃料电池堆40、燃 料气体供应/排出机构50、氧化气体供应/排出机构60，和冷却剂循环 机构70。

通过在彼此之上层叠多个单元电池41并且分别利用配备有输出 端子的端子、绝缘体和端板夹紧单元电池41的层叠堆的每一端而构造 燃料电池堆40。每一个单元电池41由阳极、阴极、电解质、分离器构 成，并且构成电力产生的最小单元。虽然在本发明的实施例中质子交 换膜燃料电池作为每一个单元电池41，但是还可以采用其它燃料电池。

燃料气体供应/排出机构50包括氢罐51、调节器52，和氢循环泵 53。氢被存储在氢罐51中并且在氢的压力和供应量被调节器52调节 之后被供应到每一个单元电池41的阳极。来自阳极的排气（在下文中 被称作阳极废气）经由氢循环泵53而被再循环到每一个单元电池41。 氢循环泵53包括驱动氢循环泵53的马达54。应该注意，阳极废气可 以被排放到系统外侧而不被再循环或者在再循环期间被间歇地排出到 系统外侧。

氧化气体供应/排出机构60包括空气净化器61、空气压缩机62， 和加湿器64。从空气净化器61抽取的空气被空气压缩机62压缩，然 后被加湿器64加湿，并且被供应到每一个单元电池41的阴极。空气 压缩机62包括驱动空气压缩机62的马达63。来自阴极的排气（在下 文中被称作阴极废气）经由加湿器64而被排放到系统外侧。在本发明 的实施例中，加湿器64包括水蒸汽可渗透的膜，并且被构造成使用已 经渗透穿过水蒸汽可渗透的膜的、来自阴极废气的水蒸汽加湿被供应 到每一个单元电池41的空气。应该注意，当阳极废气被排放到系统外 侧时，阳极废气可以在被排放之前与阴极废气混合。

冷却剂循环机构70包括散热器71和冷却剂循环泵72。冷却剂循 环泵72包括驱动冷却剂循环泵72的马达73。冷却剂循环机构70在冷 却剂循环机构70和每一个单元电池41之间循环冷却剂，并且重复将 热量吸收到每一个单元电池41中并且从散热器71排放热量以调节每 一个单元电池41的操作温度。

电力供应机构80向燃料电池动力车辆20的各种构件供应电力， 并且包括DC-DC转换器81、电池82和逆变器83和84。DC-DC转换 器81将燃料电池堆40的输出电压和电池82的输出电压调节为预定电 压。电池82被设置成辅助电源。由燃料电池系统30产生的任何过剩 电力被存储在电池82中。采用如下构造也是适当的，其中在再生制动 期间由驱动马达93产生的电力经由DC-DC转换器81而被存储到电池 82中。应该注意，辅助电源不限于电池，而是可以是电容器等。此外， 电池可以用作本发明的电力存储装置。

逆变器83将电压已经被DC-DC转换器81升高的、来自燃料电池 堆40和电池82的直流电力转换成三相交流电力，并且以可变地受到 控制的预定频率向驱动马达93供应电力。驱动马达93经由减速齿轮 95驱动该驱动轮96。逆变器84将电压已经被DC-DC转换器81降低 的、由电池82输出的直流电力和由燃料电池堆40输出的直流电力转 换成三相交流电力，并且以可变地受到控制的预定频率向辅助马达例 如马达54、63和73供应电力。为每一个辅助马达提供了逆变器84。

上述燃料电池动力车辆20的构件由控制单元90控制/操作。控制 单元90可以是包括CPU、RAM和ROM的电控制单元（ECU）。在经 由加速器（未示出）接收请求输出RO时，控制单元90向燃料电池系 统30的构件（例如，调节器52和马达54、63和73）、电力供应机构 80的构件（例如，DC-DC转换器81和逆变器83和84）输出驱动信号， 以控制燃料电池动力车辆20的总体操作。虽然在本发明的实施例中控 制单元90包括与控制燃料电池动力车辆20的操作的控制单元集成的、 控制燃料电池系统30的控制单元，但是这些控制单元可以被分开地设 置。

在本发明的该实施例中，控制单元90根据请求输出RO控制燃料 电池系统30的输出。当驾驶员踩下加速器踏板以加速车辆20时，控 制单元90接受相应的请求输出RO，并且执行控制以增加由燃料电池 系统30产生的电力量。更加具体地，控制单元90向逆变器84发送信 号以通过VVVF控制增加马达54和63的转速。因此，供应的燃料气 体和氧化气体的量增加，这增加了所产生的电力量。在此情形中，根 据需要，控制单元90调整调节器52的开度以从氢罐51供应燃料气体。 控制单元90增加马达73的转速以增加冷却剂循环机构70使其循环的 冷却剂的循环速度。执行该控制以避免当所产生的电力量增加时的燃 料电池堆40的过度温度增加。

如上所述，为了增加马达54、63和73的转速，燃料电池动力车 辆20所要求的电力以由马达54、63和73的转速的增加引起的电力消 耗的增加而增加。来自电池82的电力被用于供应另外的电力。

图2示出用于空气压缩机62的马达63的概略构造。图2示出马 达63的截面。在本发明的该实施例中，马达63是永久磁体同步马达。 然而，马达63不限于任何具体的马达，而是能够被设计成各种形式的 交流马达。起初地，在其中输入直流电力的情形中，可以采用直流马 达。如在图2中所示，马达63包括转子110、定子120、轴130和分 析器（resolver）140。

通过在由在彼此之上层叠的多个钢板构成的大致圆筒形转子芯中 形成通孔，并且将永久磁体115插入通孔中而构造转子110。从转子 110沿着径向向外布置定子120。通过围绕由在彼此之上层叠的多个钢 板构成的定子芯缠绕励磁线圈绕组而构造定子120。在定子芯的两端 处，沿着其旋转轴的方向，励磁线圈绕组形成通过加压形成的线圈端 部125。应该注意，如根据以上说明清楚地，马达63是内转子式的， 但是可以是外转子式的。当逆变器84经由向定子120的励磁线圈绕组 施加交流电压时，对应于交流电压的旋转磁场产生，并且转子110旋 转。轴130被联接到定子120并且旋转以在空气压缩机62中产生空气 压缩驱动力。分析器140基于在线圈绕组中感应的电压检测被联结到 轴130的分析器转子用以与转子110同相地旋转的旋转角度。

图3示出在这个马达63中采用的转子110的外侧尺寸。如在图3 中所示，转子110在形状上是大致圆筒形的。转子110具有沿着它的 旋转轴的轴向长度L和直径D，并且L与D的比率（在下文中"比率 L/D"）通常等于预定值。具体地，Ta表示马达63的容许扭矩并且Tm 表示将向马达63要求的最大扭矩，并且比率L/D被设定为满足关系： Ta≥Tm的最大值。应该注意，虽然没有详细描述，但是转子的比率L/D 同样被以与马达54和73相同的方式设定。应该注意，容许扭矩Ta可 以是能够输出的扭矩的上限。此外，将要求的最大扭矩Tm可以是将对 燃料电池系统作出的负荷请求的最大扭矩。另外，将要求的容许扭矩 Ta和最大扭矩Tm这两者可以是根据设计设定的值。即，容许扭矩Ta 可以是能够根据设计输出的设定扭矩的上限，并且将要求的最大扭矩 Tm可以是在设计所采用的燃料电池时的负荷请求的最大扭矩。

将使用图4描述值L/D如此设定的原因。随着请求输出RO增加， 增加马达63的转速所需要的电力（在下文中还被称作加速相应电力） 根据马达63和空气压缩机62的惯性、设定响应时间和空气压缩机62 的做功而波动。例如可以使用等式（1）和（2）计算马达63的转子110 的惯性，其中W代表转子110的质量并且d代表转子110的内径。

圆板的惯性J=1/8·WD²…（1）

中空圆柱体的惯性J=l/12·W（D²+d²）…（2）

如同样根据等式（1）和（2）清楚地，转子110的惯性不受值L 影响，并且随着值D增加而增加。即，转子110的惯性随着用以设定 比率L/D的值增加，即，随着转子110的大致圆筒形形状变得相对细 长而降低。因此，如在图4中所示，随着用以设定比率L/D的值增加， 加速相应电力可以减小。应该注意，图4的虚线示意将向马达63要求 的最大扭矩Tm，并且图4的链线示意马达63的容许扭矩Ta。

然而，如果比率L/D增加，则定子120的能够确保的狭槽的数目 降低，这减少了能够产生的扭矩量。相应地，如在图4中所示，容许 扭矩Ta随着比率L/D增加而降低。因此，在本发明的实施例中，比率 L/D被设定为满足关系：Ta≥Tm的最大值，即，对应于关系：Ta=Tm 的比率L/D。通过如此将比率L/D设定在能够输出最大扭矩Tm的这个 范围内，在比率L/D和加速相应电力之间的关系中加速相应电力可以 被最小化。换言之，比率L/C被设定在使得空气压缩机62要求的性能 并不劣化的这种范围内。应该注意，在设计马达的传统方法中，比率 L/D对于加速相应电力的影响通常不被考虑。比率L/D的适当的值可 以根据马达的设计规格等改变，但是通常在0.5和6.0之间。虽然比率 L/D可以被设定为对应于关系：Ta=Tm的值，但是它还可以被设定为 接近满足关系：Ta≥Tm的最大值的值，只要能够实现所期响应性。例 如，L/D比率可以等于满足关系：Ta≥Tm的最大值的90%。

在燃料电池系统30中，在氧化气体供应/排出机构60中采用的马 达63的转子110的比率L/D被设定为满足关系：Ta≥Tm的最大值。转 子110的惯性随着比率L/D增加而降低。因此，与比率L/D相关地， 在最大可能的程度上增加马达63的转速需要更少的电力。结果，当燃 料电池系统要求的负荷增加时，在执行控制以增加燃料电池系统30的 输出电力时需要的加速相应电力可以减少。此外，因为转子的比率L/D 同样被以与分别地在燃料气体供应/排出机构50和冷却剂循环机构70 中采用的马达54和73相同的方式设定，所以获得了类似的效果。因 为电池82的容量受到限制，所以可以仅仅在相应于此的范围内从电池 82供应加速相应电力。然而，根据本发明的这个实施例的构造，可以 通过减少要求的加速相应电力而增强对于请求输出RO的增加的响应 性。此外，如果无需通过降低加速相应电力而增强响应性，则电力消 耗降低。因此，燃料电池系统30的燃料效率可以得到增强。

此外，燃料电池系统30从电池82供应加速相应电力。因此，无 需在加速相应电力被添加于此的输出处操作燃料电池系统30。相应地， 利用燃料电池系统30的输出的效率得以增强，结果，燃料电池系统30 的燃料效率得以增强。

将描述以上实施例的修改实例。在以上实施例中，转子110的比 率L/D被设定为满足关系：Ta≥Tm的最大值。然而，本发明不被限制 于这种构造的细节。比率L/D可以被设定为使得关系：Ta≥Tm得以满 足，并且根据燃料电池系统30要求的负荷的波动控制马达63的转速 的波动所需要的电力量的计划最大值被限制在电池82的最大容量的范 围内。对于马达54和73而言，这同样成立。因此，类似地，可以在 用于降低加速相应电力的范围内增强对于请求输出RO的增加的响应 性。

在如上所述地构造的本发明的实施例中，分别地在燃料气体供应/ 排出机构50、氧化气体供应/排出机构60，和冷却剂循环机构70中采 用的每一个马达54、63和73包括具有以上示意的比率L/D的转子。 然而，在燃料气体循环机构50、氧化气体循环机构60和冷却剂循环机 构70中设置的马达中的至少一个可以包括上述转子。类似地，在此情 形中，可以在预定程度上获得上述效果。然而，当然，将本发明应用 于所有的马达是理想的，这是因为在最大可能的程度上获得了本发明 的效果。

在本发明的上述实施例的构造中，从来自电池82的输出供应加速 相应电力。然而，本发明不被限制于这种构造。例如，可以采用如下 构造，其中燃料电池系统30被恒定地操作以从燃料电池系统30供应 加速相应电力，从而除了请求输出RO，获得了所采取的加速相应电力 被添加于此的输出。同样在这种构造中，与当采用传统马达时相比， 可以减少加速相应电力，这增强了燃料电池动力车辆20的燃料效率。 当然，某些加速相应电力可以由电池82供应，并且其余部分可以从被 添加到燃料电池系统30的输出的电力供应。

结合燃料电池动力车辆20描述了根据以上实施例的燃料电池系 统30。然而，燃料电池系统30可以被设置在另一种移动体例如双轮机 动车辆等中。起初，燃料电池系统30不应该必要地被安装在移动体中， 但是本发明能够适当地被应用于并不附有商业电源的、安装有燃料电 池系统30的各种电力消耗装置。

虽然以上已经描述了本发明的实施例，但是没有在独立权利要求 中叙述的、在所描述的实施例中的本发明的构件是能够被适当地省略 或者相互组合的补充元件。另外，应该理解，本发明不被限制于所描 述的实施例的细节，并且可以在不偏离本发明的范围的情况下被适当 地修改。例如，本发明不限于如在实施例中描述的质子交换膜燃料电 池，而是可以在各种燃料电池诸如直接甲醇燃料电池、磷酸燃料电池 等中采用。此外，本发明还可以实现为设计在燃料电池系统中采用的 马达的方法。