燃料電池系統及其保護方法

專利名稱：燃料電池系統及其保護方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池系統，具體地說涉及在冰點以下保護系統的方法。
背景技術：
燃料電池是由于在電解質膜中發生的電化學反應而產生電能的裝置，并且為了產生電能，一些燃料電池需要濕潤電解質膜。一般而言，使用純水來濕潤電解質膜，從而沒有雜質粘附到電解質膜上并引起燃料電池性能的惡化。也使用純水來冷卻燃料電池。但是，當使用純水來濕潤或冷卻電解質膜時，如果在燃料電池已經停止時，系統處于冰點以下，水在系統內凍結，并且由于凝固引起的體積膨脹，可能損害系統的內部結構。還可能由于冷凍的水，向燃料電池供應氣體、空氣或水的流路被堵塞，使得不能再起動系統。
為了解決這些問題，日本專利局在1995年公布的JP7-169476A公開了一種用加熱器加熱燃料電池，使得燃料電池已經停止時，其溫度不會下降至0℃以下的方法。另外，日本專利局在1996年公布的JP8-273689A公開了一種當燃料電池已經停止時通過將水排放到燃料電池外面，因此使水在燃料電池外面凍結來避免燃料電池中水凍結的方法。

發明內容
但是，在前者方法中，隨著燃料電池停止時間變長，保護燃料電池所需能量值不斷增加，并且它們在不修改的情況下不能應用于對使用能量有限的車輛燃料電池。此外，在后者方法中，甚至當燃料電池停止時間短時，也需要較大量的能量來保護燃料電池，并且當燃料電池被再起動時必須融化冷凍的水，從而不能快速地再起動燃料電池。
因此，本發明的一個目標是在燃料電池已經停止時保護系統的水不凍結，并且提供一種具有高的再起動響應的燃料電池系統。
為了實現上述目標，本發明提供了一種燃料電池系統，它包括通過向電解質膜供應氧化劑和含氫氣體來產生電能的燃料電池、向燃料電池供應水的供水裝置，以及控制器。控制器具有以下功能估計再起動燃料電池時的再起動時間；估計外部空氣溫度的變化；分別基于估計的再起動時間和外部空氣溫度變化，計算通過第一種保護模式保護系統時所需的第一能量值，其中該模式在燃料電池已經停止時，通過加熱供應給燃料電池的水來防止水的凍結，以及通過第二種保護模式保護系統時所需的第二能量值，其中該模式在燃料電池已經停止時，通過將水排放到燃料電池外面來防止水在系統內凍結；當第一能量值小于第二能量值時選擇第一種保護模式，并且當第一能量值大于第二能量值時選擇第二種保護模式作為燃料電池已經停止時使用的保護模式；以及用所選擇的保護模式保護系統。
根據本發明的一個方面，本發明提供了一種保護燃料電池系統的方法，燃料電池系統具有通過向電解質膜供應氧化劑和含氫氣體來產生電能的燃料電池，以及向燃料電池供應水的供水裝置。所述方法包括估計燃料電池再起動時的再起動時間；估計外部空氣溫度的變化；分別基于估計的再起動時間和外部空氣溫度變化，計算通過第一種保護模式保護系統時所需的第一能量值，其中該模式在燃料電池已經停止時，通過加熱供應給燃料電池的水來防止水的凍結，以及計算通過第二種保護模式保護系統時所需的第二能量值，其中該模式在燃料電池已經停止時，通過將水排放到燃料電池外面來防止水在系統內凍結；當第一能量值小于第二能量值時選擇第一種保護模式，并且當第一能量值大于第二能量值時選擇第二種保護模式作為燃料電池已經停止時使用的保護模式；以及用所選擇的保護模式保護系統。
本發明的細節以及其它的特征和優點將在剩余的說明書中提出，并且在附圖中表示。


圖1是根據本發明的燃料電池系統的示意圖。
圖2是表示保護模式選擇處理的流程圖。
圖3是產生外部空氣溫度變化數據的實例。
圖4是表示停止時間和保護所需能量之間關系的圖，實線是選擇第一種保護模式時所需能量值，并且虛線是選擇第二種保護模式時所需能量值。
圖5是表示基于外部空氣溫度變化數據校正圖4所獲得的停止時間和保護所需能量之間關系的圖。
圖6是表示再起動時間估計處理的流程圖。
圖7是表示外部空氣溫度變化數據產生處理的流程圖。
圖8是表示選擇第一種保護模式時保護處理的流程圖。
圖9是表示選擇第二種保護模式時保護處理的流程圖。
圖10表示在再起動估計時間校正模式中保護模式選擇處理的流程圖。
圖11是表示用來計算校正再起動估計時間的處理的流程圖。
具體實施例方式
圖1表示根據本發明的燃料電池系統的示意圖。該燃料電池系統在車輛中使用。在燃料電池組1中，陰極氣體通道和陽極氣體通道被安裝在電解質膜的每一側。借助空氣供應通道2，作為氧化劑向陰極氣體通道供應空氣，并且經由燃料供應通道3，向陽極氣體通道供應含氫氣體。結果，在電解質膜1m的表面上發生下面的電化學反應。
陽極反應陰極反應因此，可以從燃料電池組1中取出電能。
儲存在燃料罐4中的氫氣，或者由通過重整器重整的儲存在燃料罐4中的例如天然氣、甲醇、汽油的重組烴燃料所獲得的包含氫氣的重整氣體被供應到燃料供應通道3中。
冷卻劑通道5通過燃料電池組1。通過泵7向燃料電池組1供應儲存在冷卻劑罐6中的冷卻劑(防凍劑，或者防凍劑與水的混合物)，并且循環通過燃料電池組1，使之冷卻。從燃料電池組1中回收的熱被從熱交換器8排放到大氣中。
為了完全獲得電解質膜1m的性能并且增強燃料電池組1的產能效率，電解質膜的濕潤狀態必須維持在最優水平。為此，根據本實施方案，在燃料電池組1的上游提供增濕器9，從而濕潤供應給電解質膜1m的空氣和含氫氣體。控制器20根據燃料電池組1的運行狀態驅動泵11，并且借助供水通道13從儲水罐12向增濕器9供應水。增濕器9中沒有消耗的水被再循環至儲水罐12。
所述燃料電池組1是使用增濕器9來濕潤電解質膜1m的外部增濕型，但是還可以是內部增濕型，其中供水通道13與空氣供應通道2(或者陰極通道)接觸，燃料供應通道3(或者陽極通道)在多孔材料的任一側上，其中通過從供水通道13使水滲入空氣供應通道2和燃料供應通道3而濕潤空氣和含氫氣體。
增濕器9中消耗的水被作為廢氣部分從燃料電池組1中排出，所以在燃料電池組1的下游連接能夠從燃料電池組1中分離包含在廢氣中的水的氣-液分離器15。借助泵10和閥19，氣-液分離器15分離的水被返回儲水罐12。安裝加熱器21來加熱儲水罐12內部的水。還可以安裝燃燒器來代替加熱器21。儲水罐12具有在選擇后面所述的第二種保護模式時經得住體積膨脹和內部水凝固的結構。
此外，除了冷卻劑罐6、泵7和熱交換器8以外的系統的組件(主要部件，例如燃料電池組1、增濕器9和儲水罐12)被安裝在由絕熱材料構成的保護箱14中，從而抑制了燃料電池組1停止時組件溫度的降低。
使用純水來濕潤電解質膜1m。這是因為如果向燃料電池組1供應含雜質的水，雜質粘附到電解質膜1m上，并且降低了燃料電池組1的性能。但是，當使用純水來濕潤時，在燃料電池已經停止時系統處于冰點以下，系統中的水會結冰，因而系統的內部結構可能受到結冰期間體積膨脹的損害。冷凍的水會阻塞空氣或水通道，并且阻止了系統的再起動。
因此，在根據本發明的燃料電池系統中，為在燃料電池系統處于冰點以下時防止水凍結提供了兩種模式，并且在燃料電池組1停止時通過這些模式之一來防止系統水凍結。具體地說，兩種模式為模式(1)驅動泵11，再循環供水通道13中的水，并且由安裝在儲水罐12中的加熱器21加熱儲水罐12中的水，從而阻止系統中的水凍結。
模式(2)驅動泵10、11，排放燃料電池組1中的水到儲水罐12，并且通過幾乎除去燃料電池組1中的所有水而防止水在燃料電池組1中凍結。當系統再起動時，驅動加熱器21，融化在儲水罐12中凍結的水。
當燃料電池組1停止時，控制器20選擇保護模式之一來防止系統的水凍結。
來自檢測燃料罐4中剩余料量的剩余燃料量傳感器31、從衛星接收車輛位置信息的GPS接收器32、檢測車輛外面溫度(外部空氣溫度)的外部空氣溫度傳感器33、檢測車輛周圍光照的光照傳感器34、檢測車輛周圍氧氣濃度的氧氣傳感器35、檢測電池剩余電池量的剩余電池量傳感器36(未顯示)、允許駕駛員輸入例如車輛再起動時間的信息的輸入裝置37、檢測儲水罐12中水溫的水溫傳感器38，以及檢測燃料電池組1中水量(具體地說，燃料電池組1中水緩沖器中的水量)的水量傳感器39中的信號，與來自時鐘51的時間和數據信息、來自無線電接收裝置52的氣候信息，以及來自系統起動/停止開關53的系統起動信號和停止信號一起被輸入控制器20中。
當燃料電池已經停止時，控制器20計算在每種保護模式中保護系統所需能量值，并且通過選擇需要更少能量值的保護模式來保護系統。但是，甚至在以這種方式保護燃料電池系統時，如果駕駛員通過打開開關53來實行起動操作，并且打算起動燃料電池組1時，控制器20立即停止保護處理，并且起動燃料電池組1。
所述燃料電池系統進一步包括當檢測的剩余燃料量或者電池量已經降至低水平時，顯示警告信息或者點亮警告燈并敦促駕駛員補給燃料的指示器41，以及當檢測的剩余燃料量或者電池量已經降至低水平時發出警報聲或者警報信息并敦促駕駛員補給燃料的警報器42。
然后，描述在燃料電池組1已經停止時實行保護系統的處理。
圖2表示控制器20實施的保護模式選擇處理，它以預定間隔(例如每隔10毫秒)重復執行。
首先，在步驟S1中，基于從系統起動/停止開關53輸入控制器20的起動信號和停止信號，確定燃料電池組1是否已經停止。舉例來說，如果在輸入停止信號后沒有輸入起動信號，確定燃料電池組1處于停止狀態。此處，停止狀態并不意味著短暫停止或者空閑停止(idlestop)，而是指駕駛員已經關閉開關53并且離開車輛，使得車輛已經停止運轉一段時間(例如一周)。當燃料電池組1運轉時，由于燃料電池組1產生的熱量，系統中的水不可能凍結，所以終止路線。
當確定燃料電池組1已經停止時，路線進行至步驟S2，并且讀取燃料電池溫度TEMPc。燃料電池溫度TEMPc可以是燃料電池組1自身的溫度，但是當存在系統中水凍結的問題時，使用用來增濕的水溫，即儲水罐12中的水溫(下文中，同前)。
在步驟S3中，確定燃料電池溫度TEMPc是否降至預定溫度TEMPth0(0℃附近的溫度，例如5℃)以下。當它沒有降至預定溫度以下時，系統中的水不可能凍結，所以不需要保護，并且終止所述路線。當燃料電池溫度TEMPc已經降至預定溫度TEMPth0以下時，系統中的水可能凍結，所以所述路線實施步驟S4及隨后步驟的系統保護處理。
在步驟S4中，估計燃料電池組1的再起動時間RST1。燃料電池組1的再起動時間RST1根據圖6中所示的流程圖來估計，這將在后面詳細描述。
在步驟S5中，估計外部空氣溫度未來的變化，并且產生外部空氣溫度變化數據TPDATA。外部空氣溫度變化數據TPDATA產生直至例如再起動估計時間RST1。外部空氣溫度變化數據TPDATA是表示燃料電池組1已經停止后時間和外部空氣溫度之間關系的信息，它們的一個實例表示在圖3中。外部空氣溫度變化數據TPDATA根據圖7所示的流程圖來產生，這將在后面詳細描述。
在步驟S6、S7中，基于在步驟S5中產生的外部空氣溫度變化數據TPDATA和在步驟4中估計的燃料電池組1的再起動估計時間RST1，分別計算在第一種保護模式(通過加熱并維持水溫來保護)中保護系統直至再起動估計時間RST1所需能量值E1，以及在第二種保護模式(通過將燃料電池組1中的水排放到儲水罐12中來保護)中保護系統直至再起動估計時間RST1所需能量值E2。
具體地說，首先計算如果在當前外部空氣溫度下外部空氣溫度不變時保護系統所需的能量值E1、E2。至于當選擇第一種保護模式時所需能量值E1，計算該能量作為通過加熱器21加熱來補償從燃料電池組1向外部釋放的熱量，并且維持燃料電池組1的溫度在0℃以上所需的能量值。計算當選擇第二種保護模式時所需能量值E2，作為利用加熱器21加熱并融化儲水罐12中冷凍的水所需能量值與融化期間通過加熱器21加熱來補償從冰表面逃逸熱量所需能量值之和。此處，為了簡化起見，沒有考慮驅動泵10、11所需能量值，但是為了更準確地計算能量值E1、E2，這些能量可以都被考慮。
圖4表示以這種方式計算保護所需能量值E1、E2的一個實例。無論選擇什么保護模式，保護系統所需能量值隨著停止時間變長而增加。當停止時間短時，第二種保護模式中能量值比第一種保護模式中更快地增加，所以能量值E1小于能量值E2。但是，當選擇第二種保護模式時，在一段停止時間(圖中的t1)后，所需能量值的增加速率趨于穩定，并且當選擇第一種保護模式和第二保護模式時所需能量值E1、E2的相對大小在一定停止時間(圖中的t2)下被反轉。
這是因為在第一種保護模式中，停止時間和所需保護能量值具有線性關系，而在第二種保護模式中，所需保護能量值根據儲水罐12中冰的量來確定，冰的量根據停止時間而增加，并且當儲水罐12中所有的水已經凍結后，不管停止時間如何，冰的量不變。但是，當儲水罐12中所有的水已經凍結后，水溫降至0℃以下，并且融化所需能量值增加，所以甚至在所有水已經凍結后，根據停止時間保護所需能量值逐漸增加。
另外，保護所需能量值受外部空氣溫度的影響。如果外部空氣溫度低，系統溫度下降劇烈，所以保護所需能量值增加(所需能量值的斜率增加)。在這種情況下，在步驟S6、S7中基于步驟S4中產生的外部空氣溫度變化數據TPDATA來校正以這種方式計算的能量值E1、E2，并且看作在選擇兩種模式時所需保護能量值E1、E2。圖5表示校正后數據的一個實例。
在步驟S8中，比較選擇第一種保護模式時所需能量值E1和選擇第二種保護模式時所需能量值E2。當能量值E1小于能量值E2時，路線進行至步驟S9，選擇第一種保護模式，并且標志FPMODE設置為“1”，表示選擇了第一種保護模式。相反，當能量值E1高于能量值E2時，路線進行至步驟S10，選擇第二種保護模式，并且標志FPMODE設置為“2”，表示選擇了第二種保護模式。
接下來，參照圖6描述控制器20實施的再起動時間估計處理。假定駕駛員在固定的一天(例如星期日)每周使用一次車輛，實施估計處理。所述估計處理相應于圖2步驟S4中的處理。
首先，在步驟S21中，讀取再起動估計時間初始值RST0。當車輛從工廠下線，或者運送給用戶時，設置初始值RST0為適當時間(例如12:00)，并且通過步驟S25和隨后步驟中的處理(認知處理)在每次燃料電池組1再起動時更新為新的值。
在步驟S22中，確定是否存在從輸入裝置37輸入的外部輸入時間RST2(駕駛員估計的再起動時間)。當不存在外部輸入時間RST2時，路線進行至步驟S23，并且設置再起動估計時間RST1為一周后的時間RST0。相反，當存在外部輸入時間RST2時，路線進行至步驟S24，并且設置再起動估計時間RST1為一周后的時間RST2。
再起動估計時間RST1通過上述處理來估計，但是為了增強估計的準確性，在該流程中，基于實際再起動時間和估計的再起動時間之間的差異，校正用于隨后估計的再起動估計時間初始值RST0。具體地說，當在步驟S23中設置再起動估計時間RST1并且燃料電池組1再起動時，路線從步驟S25進行至步驟S26，并且儲存實際起動時間為RST3。在步驟S27中，確定實際再起動時間RST3和再起動估計時間RST1之間的差值是否小于預定值ΔRSTth。當小于時，不校正再起動時間初始值RST0，并且當不小于時，路線進行至步驟S28，并且通過下式校正再起動估計時間初始值RST0RST0＝RST1+(RST3-RST1)×G2式中，G2＝增益。
同樣，當在步驟S24中設置再起動估計時間RST1，并且燃料電池組1再起動時，路線從步驟S29進行至步驟S30，并且校正再起動估計時間初始值RST0為RST2。當實施再起動時，路線從步驟S29進行至步驟S31，并且儲存實際再起動時間為RST3。
然后，在步驟S32中確定RST3和再起動估計時間RST1(＝RST2)之間的差值是否小于預定值ΔRSTth。當差值小于預定值ΔRSTth時，路線進行至步驟S33并且校正再起動估計時間初始值RST0為RST2，否則路線進行至步驟S34中，并且通過下式校正再起動估計時間初始值RST0RST0＝RST2+(RST3-RST2)×G1式中，G1＝增益。
接下來，參照圖7描述控制器20實施的產生外部空氣溫度變化的程序。該處理相應于圖2步驟S5中的處理。
首先，在步驟S41中，確定備份能量值Pb是否大于預定值Pbth。當備份能量值Pb小于預定值Pbth時，路線進行至步驟S42，并且停止產生外部空氣溫度變化，從而避免整個備份能量耗盡。
當備份能量值Pb大于預定值Pbth時，路線進行至步驟S43，并且確定是否已經存在外部空氣溫度變化數據TPDATA。如果不存在外部空氣溫度變化數據TPDATA，路線進行至步驟S44和隨后步驟，產生外部空氣溫度變化數據TPDATA，而如果存在，路線進行至步驟S51和隨后步驟，校正外部空氣溫度變化數據TPDATA，進一步增強準確性。
在步驟S44中，讀取從GPS接收器32中接收的車輛位置信息。在步驟S45中，讀取儲存在控制器20存儲器中的燃料電池組1停止的天數和時間。此外，在步驟S46中，讀取從無線電接收裝置52中獲得的相應于車輛位置和日期及時間的氣候信息(未來天氣、溫度變化)。
在步驟S47中，基于氣候信息估計未來外部空氣溫度變化(例如直至一周后再起動估計時間RST1的外部空氣溫度變化)，并且產生示于圖3中的外部空氣溫度變化數據TPDATA。從車輛位置、日期和時間(季節)估計所述溫度變化，而不用獲得氣候信息，或者在因為某些原因不能獲得氣候信息時，從車輛位置、日期和時間(季節)估計溫度變化。
在步驟S48中，讀取由外部空氣溫度傳感器33檢測的當前外部空氣溫度TEMPo。在步驟S49中，讀取由光照傳感器34檢測的車輛周圍的光照ILM。在步驟S50中，為了進一步增強外部空氣溫度變化數據TPDATA的準確性，基于當前外部空氣溫度TEMPo和光照ILM，校正在步驟S47中產生的外部空氣溫度變化數據TPDATA。舉例來說，如果檢測的外部空氣溫度TEMPo高于基于氣候信息的外部空氣溫度，或者檢測的光照ILM高于預定值ILMth，將外部空氣溫度變化數據TPDATA轉變成更高溫度。舉例來說，根據車輛位置(緯度、高度)和日期(季節)，在存儲器中儲存預定值ILMth，并且設置成陽光直落在車輛上的光照值。
當在步驟S43中確定出已經存在外部空氣溫度變化數據TPDATA時，路線進行至步驟S51，并且計算通過查閱外部空氣溫度變化數據TPDATA(外部空氣溫度估計值)所得的值和由外部空氣溫度傳感器33檢測的當前外部空氣溫度TEMPo之間的差值ΔT。當在步驟S52中確定出絕對值ΔT大于預定值ΔTth時，外部空氣溫度變化數據TPDATA不可靠地代表實際外部空氣溫度變化，所以路線進行至步驟S53，校正外部空氣溫度變化數據TPDATA。如果沒有，外部空氣溫度變化數據TPDATA與實際外部空氣溫度變化符合良好，所以終止路線，不用校正外部空氣溫度變化數據TPDATA。
在步驟S53中，由光照傳感器34檢測光照ILM。在步驟S54中，基于ΔT和光照ILM校正外部空氣溫度變化數據TPDATA。具體地說，外部空氣溫度變化數據TPDATA舉例來說變化了ΔT，或者當檢測的光照ILM高于預定值ILMth時，外部空氣溫度變化數據TPDATA向高端變化。
接下來，參照圖8描述當在圖2步驟S9中選擇第一種保護模式時控制器20實施的保護處理。
首先，在步驟S61，基于標志FPMODE的值，確定是否選擇了第一種保護模式。當確定標志FPMODE為“1”，并且已經選擇第一種保護模式時，路線進行至步驟S62，否則終止所述路線。
在步驟S62中，檢測剩余能量值rE(剩余燃料量、剩余電池量)。在步驟S63中，確定檢測的剩余能量值rE是否大于預定值rEth。舉例來說，設置預定值rEth為再起動燃料電池組1所需的最小能量值，然后在燃料電池組1再起動后，運轉車輛一定時間。當剩余能量值rE小于預定值rEth時，路線進行至步驟S64，否則路線進行至步驟S68。
在步驟S64中，確定指示器41和報警器42的電源量Pi是否大于預定值Pith。當它大于預定值Pith時，路線進行至步驟S65，指示器41和報警器42激活，路線進行至步驟S66并且停止加熱器21。另一方面，當指示器41和報警器42的電源量Pi小于預定值Pith時，路線進行至步驟S67，并且停止指示器41和報警器42。
如果在步驟S63中確定出剩余能量值rE大于預定值rEth，并且路線進行至步驟S68，停止指示器41和報警器42，并且讀取燃料電池溫度TEMPc。
在步驟S70中，確定燃料電池溫度TEMPc是否低于預定值TEMPth(例如2℃)。如果它低于TEMPth，路線進行至步驟S71，否則路線進行至步驟S66并且停止加熱器21。
在步驟S71中，檢測氧氣濃度CNo。在步驟S72中，確定氧氣濃度CNo是否高于預定濃度CNth。舉例來說，設置預定濃度CNth為CNmin+α的值，它具有相對于對人體不會有不利影響的極限氧氣濃度CNmin的一定的裕度。當氧氣濃度CNo高于預定值CNth時，路線進行至步驟S73，并且激活加熱器21，加熱儲水罐12中的水。當它低于預定值CNth時，路線進行至步驟S66并且停止加熱器21。在氧氣濃度CNo低于預定值CNth時停止加熱器21的原因為如果在密閉的空間例如在地下停車場或室內停車場里繼續操作加熱器21，車輛周圍的氧氣濃度將降低，并且可能對附近的人產生不利的影響。
在步驟S74中，確定當前時間t是否在RST1+Δt(Δt預定時間)之前，并且當它在RST1+Δt之前時，終止所述路線。當它在該時間后時，路線進行至步驟S75，并且施用校正再起動估計時間并檢查保護模式選擇的再起動估計時間校正模式。設置預定時間Δt為0或更長時間的任意時間。將會在下面描述再起動估計時間校正模式。
接下來，參照圖9描述當在步驟S10中選擇第二種保護模式時控制器20實施的保護處理。
首先，在步驟S81，基于標志FPMODE的值，確定是否選擇了第二種保護模式。當確定標志FPMODE為“2”，并且已經選擇第二種保護模式時，路線進行至步驟S82，否則終止所述路線。
在步驟S82中，檢測剩余能量值rE(剩余燃料量、剩余電池量)。在步驟S83中，確定檢測的剩余能量值rE是否小于預定值rEth。設置預定值rEth為再起動燃料電池組1所需的最小能量值，然后在燃料電池組1再起動后，運轉車輛一定時間。當它小于預定值rEth時，路線進行至步驟S84，并且確定指示器41和報警器42的電源量Pi是否大于預定值Pith，否則路線進行至步驟S89。
當在步驟S84中，確定指示器41和報警器42的電源量Pi大于預定值Pith時，路線進行至步驟S85，并且激活指示器41和報警器42。否則路線進行至步驟S86，并且停止指示器41和報警器42。然后，路線進行至步驟S87，停止泵10、11，并且在步驟S88中停止加熱器21并終止所述路線。
當在步驟S83中確定出剩余能量值rE大于預定值rEth時，在步驟89中停止指示器41和報警器42。在步驟S90中，檢測排放狀態。此處，為了確定排放狀態，由水量傳感器39檢測燃料電池組1中的水量。
在步驟S91中，當確定出燃料電池組1中的檢測的水量不為0并且水的排放未完成時，路線進行至步驟S92。在步驟S92中，激活泵10、11，并且將燃料電池組1中的水排放至儲水罐12中。此時，泵反向旋轉，排放并從燃料電池組1中回收水至儲水罐12。相反，當確定出燃料電池組1中的檢測的水量為0并且水的排放完成時，路線進行至步驟S93，并且停止泵10、11。
在步驟S94中，確定當前時間t是否達到再起動估計時間RST1之前的預定時間Δt1。當確定已經達到該時間時，路線進行至步驟S95，并且讀取燃料電池溫度TEMPc。此處，設置預定值Δt1長于通過使用加熱器21融解儲水罐12中的冰所需的時間。
在步驟S96中，確定燃料電池溫度TEMPc是否低于預定值TEMPth。當它低于TEMPth時，路線進行至步驟S97，并且激活加熱器12，融化儲水罐12中的冰。否則，不需要融化，所以路線進行至步驟S98，并且停止加熱器21。為了通過再起動估計時間RST1完成融化儲水罐12中的冰，并且能夠立即再起動燃料電池組1，在再起動估計時間RST1之前的預定時間Δt1開始融化。
在步驟S99中，確定當前時間t是否在RST1+Δt2(Δt2預定時間)之前，并且當它在RST1+Δt之前時，終止所述路線。當它在該時間后時，路線進行至步驟S100，并且轉移至校正再起動時間并檢查保護模式選擇的再起動估計時間校正模式。設置預定時間Δt2為0或更長時間的任意時間。
接下來，參照圖10描述在轉移至再起動估計時間校正模式(下文中，校正模式)時控制器20實施的處理。在校正模式中，控制器20校正燃料電池組1的再起動估計時間，并且基于校正的再起動估計時間檢查保護模式選擇。
首先，在步驟S101中，確定是否應用了校正模式。當確定沒有應用校正模式時，終止所述路線，并且當確定應用了校正模式時，路線進行至步驟S102，并且讀取燃料電池溫度TEMPc。
在步驟S103中，確定燃料電池溫度TEMPc是否低于預定值TEMPtt0(例如5℃)。當它低于預定值TEMPth0時，路線進行至步驟S104，并且校正再起動估計時間RST1，估計校正的再起動時間RST1′。根據圖11所示的流程圖估計校正的再起動估計時間RST1′，這將在后面描述。
在步驟S105中，估計外部空氣溫度變化直到校正后的再起動估計時間RST1′，并且再產生外部空氣溫度變化數據TPDATA。根據已經描述的圖7所示的流程圖來實施外部空氣溫度變化數據TPDATA的再產生，所以此處省略它的說明。
在步驟S106、S107中，分別計算當通過選擇第一種保護模式或第二種保護模式來保護系統直到校正后的再起動估計時間RST1′時所需的能量值E1′、E2′。計算能量值E1′、E2′的方法與步驟S6、S7中計算能量值E1、E2的方法相同，所以將省略它的說明。
在步驟S108中，比較選擇第一種保護模式時所需能量值E1′和選擇第二種保護模式時所需能量值E2′。當能量值E1′小于能量值E2′時，路線進行至步驟S109，選擇第一種保護模式，并且設置標志FPMODE為“1”，表示選擇了第一種保護模式。相反，當能量值E1′高于能量值E2′時，路線進行至步驟S110，選擇第二種保護模式，并且設置標志FPMODE為“2”，表示選擇了第二種保護模式。
接下來，參照圖11描述計算被校正的再起動時間的方法。所述計算處理相應于圖10步驟S104中的處理。
首先，在步驟S111中，確定是否應用校正模式。當不應用校正模式時，終止所述路線，并且當應用校正模式時，路線進行至步驟S112。
首先，在步驟S112中，讀取校正前的再起動估計時間RST1。在步驟S113中，確定是否存在外部輸入時間RST2。當不存在外部輸入時間RST2時，路線進行至步驟S114，并且從下面等式計算校正的再起動估計時間RST1′RST1′＝RST1+平均(RST3-RST1)×G1′式中，G1′＝增益。
平均(RST3-RST1)是每次在圖6的步驟S27中計算(RST3-RST1)時，通過權重平均處理獲得的累積值。另一方面，當存在外部輸入時間RST2時，路線進行至步驟S115，并且從下面等式計算校正的再起動估計時間RST1′RST1′＝RST1+平均(RST3-RST2)×G2′式中，G2′＝增益。
平均(RST3-RST1)是每次在圖6的步驟S32中計算(RST3-RST2)時，通過權重平均處理獲得的累積值。
在上面的實施方案中，冷卻劑是含水的防凍劑，但是還可以使用純水作為冷卻劑，在這種情況中，可以在冷卻劑罐6中安裝等價于儲水罐12中加熱器21的裝置，并且實施與上面實施方案相同的控制。
日本專利申請P2002-88075(2002年3月27日提交)的全部內容引入本文作參考。
盡管參考本發明的特定實施方案，上面已經描述了本發明，但是本發明并不局限于上述實施方案。根據上述講解，本領域技術人員可以對上述實施方案做出修改和改變。本發明的范圍參照下面的權利要求來定義。
應用工業領域本發明可以應用于燃料電池系統，并且當然可以應用于在車輛中使用的燃料電池系統之外的燃料電池系統。本發明可以抑制防止系統水凍結所需能量值至絕對最小值。
權利要求
1.一種燃料電池系統，包括通過向電解質膜(1m)供應氧化劑和含氫氣體來產生電能的燃料電池(1)；向燃料電池(1)供應水的供水裝置(9，12)；以及具有以下功能的控制器(20)估計再起動燃料電池(1)時的再起動時間；估計外部空氣溫度的變化；分別基于估計的再起動時間和外部空氣溫度變化，計算通過第一種保護模式保護系統時所需的第一能量值，其中該第一模式在燃料電池(1)已經停止時，通過加熱供應給燃料電池(1)的水來防止系統中水的凍結，以及計算通過第二種保護模式保護系統時所需的第二能量值，其中該第二模式在燃料電池(1)已經停止時，通過從燃料電池(1)排放水來防止水在系統內凍結；當第一能量值小于第二能量值時選擇第一種保護模式，并且當第一能量值大于第二能量值時選擇第二種保護模式，作為燃料電池(1)已經停止時使用的保護模式；以及用所選擇的保護模式保護系統。
2.根據權利要求1所述的燃料電池系統，進一步包括檢測日期和時間的傳感器(51)，并且其中控制器(20)還具有基于檢測的日期和時間估計外部空氣溫度變化的功能。
3.根據權利要求1所述的燃料電池系統，進一步包括檢測系統位置的傳感器(32)，并且其中控制器(20)還具有基于檢測的系統位置估計外部空氣溫度變化的功能。
4.根據權利要求1所述的燃料電池系統，進一步包括檢測系統周圍光照的傳感器(34)，并且其中控制器(20)還具有基于檢測的光照估計外部空氣溫度變化的功能。
5.根據權利要求1所述的燃料電池系統，進一步包括向其輸入氣候信息的裝置(52)，并且其中控制器(20)還具有基于輸入的氣候信息估計外部空氣溫度變化的功能。
6.根據權利要求1至5任何一項所述的燃料電池系統，進一步包括檢測外部空氣溫度的傳感器(33)，并且其中控制器(20)還具有基于從估計的外部空氣溫度變化獲得的外部空氣溫度與檢測的外部空氣溫度之間的差值，校正估計的外部空氣溫度變化的功能。
7.根據權利要求1至5任何一項所述的燃料電池系統，其中控制器(20)進一步具有將燃料電池(1)實際再起動時的實際再起動時間與估計的再起動時間之間差值應用于下一次估計再起動時間的功能。
8.根據權利要求1至5任何一項所述的燃料電池系統，進一步包括駕駛員輸入再起動時間的裝置(37)，并且其中當輸入了再起動時間時，控制器(20)進一步具有估計燃料電池(1)在輸入的再起動時間下再起動的功能。
9.根據權利要求1至5任何一項所述的燃料電池系統，其中控制器(20)進一步具有盡管估計的再起動時間后已經過去預定時間，但燃料電池(1)沒有再起動時校正估計的再起動時間，并且基于校正的再起動時間再次實施保護模式選擇的功能。
10.根據權利要求9所述的燃料電池系統，其中控制器(20)進一步具有基于估計的再起動時間和實際再起動時間之間的差值來校正估計的再起動時間的功能。
11.根據權利要求1至5任何一項所述的燃料電池系統，進一步包括檢測系統中剩余能量值的傳感器(31，36)，并且其中控制器(20)進一步具有當檢測的系統中剩余能量值小于預定值時，停止在第一種保護模式中保護燃料電池(1)的功能。
12.根據權利要求1至5任何一項所述的燃料電池系統，進一步包括檢測系統外氧氣濃度的傳感器(35)，并且其中控制器(20)進一步具有當檢測的系統外氧氣濃度小于預定值時，停止在第一種保護模式中保護的功能。
13.根據權利要求1至5任何一項所述的燃料電池系統，進一步包括當系統中的剩余能量值小于預定值時，發出警報的裝置(41，42)。
14.根據權利要求1至5任何一項所述的燃料電池系統，其中控制器(20)進一步具有當系統在第二種保護模式中保護時，從估計的再起動時間之前的預定時間開始融化已經在燃料電池(1)外凍結的冰的功能。
15.根據權利要求1至5任何一項所述的燃料電池系統，進一步包括起動燃料電池(1)的開關(53)，并且其中控制器(20)進一步具有當開關(53)在系統在第一或第二種保護模式保護下操作時，停止保護系統并起動燃料電池(1)的功能。
16.一種保護燃料電池系統的方法，該燃料電池系統具有通過向電解質膜(1m)供應氧化劑和含氫氣體來產生電能的燃料電池(1)，以及向燃料電池(1)供應水的供水裝置(9，12)，所述方法包括估計燃料電池(1)再起動時的再起動時間；估計外部空氣溫度的變化；分別基于估計的再起動時間和外部空氣溫度變化，計算通過第一種保護模式保護系統時所需的第一能量值，其中該第一模式在燃料電池(1)已經停止時，通過加熱供應給燃料電池(1)的水來防止水的凍結，以及計算通過第二種保護模式保護系統時所需的第二能量值，其中該第二模式在燃料電池(1)已經停止時，通過從燃料電池(1)排放水來防止水在系統內凍結；當第一能量值小于第二能量值時選擇第一種保護模式，并且當第一能量值大于第二能量值時選擇第二種保護模式，作為燃料電池已經停止時使用的保護模式；以及用所選擇的保護模式保護系統。
17.一種燃料電池系統，包括通過向電解質膜(1m)供應氧化劑和含氫氣體來產生電能的燃料電池(1)；向燃料電池(1)供應水的供水裝置(9，12)；估計燃料電池(1)再起動時的再起動時間的裝置；估計外部空氣溫度變化的裝置；分別基于估計的再起動時間和外部空氣溫度變化，計算在燃料電池(1)已經停止時，通過加熱供應給燃料電池(1)的水來防止水凍結的第一種保護模式保護系統時所需的第一能量值，以及計算在燃料電池(1)已經停止時，通過從燃料電池(1)排放水來防止水在系統內凍結的第二種保護模式保護系統時所需的第二能量值的裝置；當第一能量值小于第二能量值時選擇第一種保護模式，并且當第一能量值大于第二能量值時選擇第二種保護模式，作為燃料電池(1)已經停止時使用的保護模式的裝置；以及用所選擇的保護模式保護系統的裝置。
全文摘要
一種系統，具有在燃料電池組(1)已經停止時防止水凍結的兩個模式。基于估計的再起動時間和外部空氣溫度變化，選擇從能源消耗的觀點來說有效的保護模式，并且用來保護系統。保護模式是通過加熱供應給燃料電池(1)的水來防凍的第一種保護模式，以及通過將燃料電池(1)的水排放到燃料電池(1)外面，并且在燃料電池(1)的外面凍結水來避免燃料電池(1)中的水凍結的第二種保護模式。
文檔編號H01M8/04GK1643721SQ03806190
公開日2005年7月20日 申請日期2003年2月27日 優先權日2002年3月27日
發明者小川宗一郎 申請人:日產自動車株式會社