專利名稱：燃料電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池系統，尤其涉及燃料電池系統的啟動控制。
背景技術：
聚合物電解質燃料電池包括表現出質子透過性的聚合物電解質膜和在該電解質膜的兩側上設置的多孔催化劑電極。空氣(或氧氣)和氫氣分別供應給電極，并由于在氫氣和空氣中存在的氧氣之間的電化學反應而進行發電。
當質子經過聚合物膜時，由于電滲使得質子與水分子一起遷移，因此使接近陽極的聚合物膜變干。這種變干過程降低了聚合物膜的導電性，因此嚴重影響了發電特性。可通過增加供應給電極的氫氣和空氣的水分的方式防止變干過程。日本專利局出版的JP特開2001-256989公開了一種加濕裝置，該裝置利用來自水箱的水(或純水)來加濕所提供的氣體如氫氣和空氣。采用外部加濕系統的聚合物電解質燃料電池在燃料電池的外部上設置有用于加濕供應到燃料電池的氣體的加濕裝置。但當燃料電池系統處于溫度低于0℃的外部環境時，由于在水箱中的水凍結，因此無法加濕所供應的氣體如氫氣或空氣。因此，燃料電池只能在使水箱中的冰融化之后才能啟動。當外部溫度低于0℃時，原有技術采用電加熱器來加熱水箱或加濕裝置的方式防止水凍結。
發明內容
然而，由于為了防止水凍結、電加熱器采用了極大量的電能，因此原有技術增加了電池上的負載。
燃料電池系統有時包括溫度調節裝置，該裝置調節流過燃料電池的冷卻劑溫度，使得燃料電池維持在適當溫度。利用燃料電池發電所產生的廢熱提高燃料電池中的冷卻劑溫度。
因此，本發明的目的是在燃料電池系統啟動時實現溫升，從而在沒有額外的燃料消耗或功率消耗的情況下融化水箱中的冰。
為了實現上述目的，本發明提供一種燃料電池系統，該系統具有由于在供應氣體之間的化學反應而發電的燃料電池，其中冷卻劑在該燃料電池中流動并且由于吸收了燃料電池發電所產生的廢熱而使溫度升高；水箱；加濕裝置，用于采用該水箱中的水來加濕至少一種供應氣體；以及冷卻劑溫度調節裝置，用于調節在燃料電池內部流動的冷卻劑溫度以便控制燃料電池的溫度。
該燃料電池系統包括解凍裝置，用于把冷卻劑的熱量提供給水箱，從而使水箱中的冰融化；冷卻劑再循環通道，用于使冷卻劑經解凍裝置和燃料電池再循環；流動發生器，用于產生冷卻劑從燃料電池向解凍裝置的流動；以及控制器，用于控制燃料電池系統的啟動操作。控制器具有控制流動發生器以產生冷卻劑從燃料電池向解凍裝置的流動的功能，從而在該燃料電池系統啟動操作的同時融化水箱中的冰。冷卻劑具有吸收由發電操作產生的廢熱并融化水箱中的冰的功能。
此外，本發明提供一種用于控制燃料電池系統的控制方法，該燃料電池系統具有由于在供應氣體之間的化學反應而發電的燃料電池，其中冷卻劑在該燃料電池中流動并且由于吸收了燃料電池發電所產生的廢熱而使溫度升高；水箱；加濕裝置，用于采用該水箱中的水來加濕至少一種供應氣體；以及冷卻劑溫度調節裝置，用于調節在燃料電池內部流動的冷卻劑溫度以便控制燃料電池的溫度。
該控制方法包括以下步驟提供解凍裝置，該裝置用于把冷卻劑的熱量提供給水箱，從而使水箱中的冰融化；提供冷卻劑再循環通道，該冷卻劑再循環通道用于使冷卻劑經解凍裝置和燃料電池再循環；以及產生冷卻劑從燃料電池向解凍裝置的流動，從而在燃料電池系統啟動操作的同時融化水箱中的冰。
在說明書的剩余部分描述了并在附圖中示出了本發明的細節以及其它特點和優點。
圖1是根據本發明第一實施例的燃料電池系統的示意圖。
圖2是由第一實施例所限定的凝固點以下啟動模式標識(flag)設定的程序的流程圖。
圖3是表示根據第一實施例的第一啟動控制程序的流程圖。
圖4是表示根據第一實施例的第二啟動控制程序的流動圖。
圖5A是表示根據第一實施例在燃燒室中熱量產生的暫時變化和燃料電池發電的曲線。圖5B是表示根據第一實施例的燃料電池溫度的曲線。圖5C是表示根據第一實施例在水箱中的融化冰量的曲線。
圖6是根據第二實施例的燃料電池系統的示意圖。
圖7是表示根據第二實施例的啟動控制程序的流程圖。
具體實施例方式
雖然在以下實施例中所示的燃料電池系統適用于車輛，但是該燃料電池系統也可適當地改變以便適用于用電設備中。
參見附圖1，描述由本發明第一實施例限定的燃料電池系統。
燃料電池系統包括設置有空氣通道、氫氣通道和冷卻劑通道95的燃料電池1；和在燃料電池1外部設置的加濕裝置34。燃料電池1是聚合物電解質燃料電池。在通常情況下，采用被燃料電池1中的多孔隔膜吸取的、由化學反應生成的水加濕供應到燃料電池1的氫氣和空氣。下面，有時將所供應的空氣和氫氣簡稱為供應氣體。另一方面，當由于燃料電池1上的負載增加而使燃料電池1的溫度增加并且由此不能僅靠加濕燃料電池1的內部來維持適當的濕度值時(例如，溫度范圍大于或等于圖5中的固定值T3)，加濕裝置34利用水箱31中的水對空氣和氫氣進行輔助加濕操作。加濕后的空氣和氫氣供應給燃料電池1中的各電極。
從氫罐2經由氫供應通道6向噴射器5提供氫氣。氫氣從噴射器5引入燃料電池1的氫通道進口7。燃料電池1的氫通道出口8經由氫再循環通道9連接到噴射器5。當截止閥3處于打開位置時，氫氣從氫通道出口8經由截止閥70返回到噴射器5。截止閥3通常處于關閉位置。空氣被壓縮機11加壓并經由空氣供應通道12供應給燃料電池1的空氣通道進口13。
水箱31中的水在壓力下從水供應泵32經由水供應通道33傳送至噴射器34(加濕裝置)。水從水噴射器34注入氫供應通道6和空氣供應通道12。該操作使氫氣和空氣引入燃料電池1以被加濕。
為了將供水壓力保持在固定值，在水供應通道33中設置壓力調節閥45。從壓力調節閥35伸出的第一返回通道36連接到在水供應通道33上的水供應泵32的上游側。在第二返回通道37中設置通常處于關閉狀態的截止閥38，所述第二返回通道37從水泵32的水供應通道33下游分支出來并將水返回到水箱31。在第三返回通道39中設置通常處于關閉位置的截止閥40，所述第三返回通道39從壓力調節閥35的第一返回通道36分支出來并將水返回到水箱31。當截止閥38、40都打開時，水經由返回通道37、39排到水箱31。
在使燃料電池1能夠高電平發電之后，控制器51根據所需的發電量通過控制在氫供應通道6中設置的壓力控制閥4的方式調節流入氫供應通道6的氫流量。即使當例如所需的發電量變化時，控制器51也能控制來自壓縮機11的空氣流量以便根據來自用于檢測氫流量的流量傳感器52和用于檢測在空氣供應通道12中的空氣流量的流量傳感器53的信號獲得在空氣和氫氣流量之間的最佳比率(固定值)。
控制器15包括微型計算機，微型計算機具有用于運行程序的中央處理單元(CPU)、用于存儲程序和數據的只讀存儲器(ROM)、用于臨時存儲作為CPU的計算結果所得到的數據的隨機存儲器(RAM)、和輸入/輸出接口(I/O接口)。
燃料電池系統包括用于產生冷卻劑流動的流動發生器。流動發生器包括冷卻劑泵21，該冷卻劑泵21設置在冷卻劑再循環通道中并在壓力下傳送冷卻劑。燃料電池系統包括冷卻劑溫度調節裝置，該裝置調節在燃料電池1內部流動的冷卻劑溫度，使得當在燃料電池1中能夠高電平發電時，燃料電池1中的溫度保持不變。冷卻劑溫度調節裝置包括用于在燃料電池1內部和散熱器26中再循環冷卻劑的冷卻劑再循環通道、從冷卻劑再循環通道分支出來并繞過散熱器26的第一旁路通道27和用于從經過散熱器26的通道向經過第一旁路通道27的通道進行冷卻劑通道轉換的三通閥(通道轉換裝置)。控制器51采用三通閥28以便選擇性地轉換兩個通道，從而控制在燃料電池1中的冷卻劑溫度。
在車輛運行的同時散熱器26利用進入的外部空氣進行熱交換。一對冷卻劑通道22、25連接在燃料電池和散熱器26中的冷卻劑通道95。因此，冷卻劑再循環通道設置有散熱器26、在燃料電池1內部的冷卻劑通道95、冷卻劑通道22和冷卻劑通道25。流入冷卻劑再循環通道的冷卻劑從冷卻劑泵21的出口流向冷卻劑通道22、在燃料電池1中的冷卻劑通道95、冷卻劑通道25和散熱器26。此后，冷卻劑返回到冷卻劑泵21的進口。
繞過散熱器26的第一旁路通道27從燃料電池1的冷卻劑通道25下游分支出來。第一旁路通道27通過三通閥28(通道轉換裝置)與冷卻劑通道22連接。
當沒有提供電流時，三通道28將端口A與端口C連接，并將端口B與端口C隔開。當提供電流時，三通閥28切斷在端口A和端口C之間的連接，并將端口B與端口C連接。此處，電流用作指令信號。由于三通閥28的啟動或非啟動，使得冷卻劑通道從經過散熱器26的通道向經過第一旁路通道27的通道轉換。
在使燃料電池1高電平發電之后，控制器51控制三通閥28，使得燃料電池1中的冷卻劑溫度與參考溫度(大致固定溫度)一致。換句話說，控制器51向三通閥28施加或不施加電流，由此控制三通閥28，當冷卻劑溫度高于參考溫度時選擇性地轉換冷卻劑經過散熱器26流動；而當冷卻劑溫度低于參考溫度時選擇性地轉換冷卻劑經過第一旁路通道27流動。根據燃料電池的狀態提前確定參考溫度。此外，控制器51根據來自用于檢測冷卻劑通道出口24中的冷卻劑溫度的溫度傳感器83、用于檢測冷卻劑壓力的壓力傳感器55和用于檢測冷卻劑通道進口23中冷卻劑的溫度傳感器54的信號控制由冷卻劑泵21注入的冷卻劑流量。溫度傳感器83檢測在冷卻劑通道出口24中的冷卻劑溫度，作為燃料電池1溫度的測量。然而，溫度傳感器83也可以直接檢測燃料電池1的溫度，而不是檢測在冷卻劑通道出口24中的冷卻劑溫度。
由燃料電池1產生的電能供應給用電設備如電池或電動汽車。當安裝有燃料電池系統的汽車在低于或等于0℃的外部溫度下停放和出發時，水箱31中的水凍結，不能加濕所供應的氫氣和空氣。因此在本實施例中，設置解凍裝置或加熱器，以便利用已通過燃料電池1發電所產生的廢熱提高了溫度的冷卻劑的熱量融化水箱31中的冰。
水箱31相對于冷卻劑的流動設置在燃料電池1的下游。在水箱31的水中設置連接到燃料電池1的冷卻劑通道出口24的冷卻劑通道25部分。水箱31中的冷卻劑通道部分形成為例如線圈的形狀，用作熱交換部分61(熱交換器)以在冷卻劑和水箱31中的水之間進行熱交換。換句話說，熱交換部分61是解凍裝置。
熱交換器65沿第一旁路通道27設置并在第一旁路通道27中的冷卻劑和燃燒氣體之間進行熱交換操作。熱交換器65與電加熱催化劑67(EHC)和催化燃燒室66一體化。從氫再循環通道9分支出的氫通道68連接到電加熱催化劑67。一端連接到燃料電池1的空氣通道出口14的排放空氣通道69的另一端也連接到電加熱催化劑67。在氫再循環通道9中設置通常關閉的截止閥70。在分支氫通道68中設置通常關閉的流動控制閥71。在排放空氣通道69中設置壓力控制閥72。
打開在氫供應通道6中的截止閥3和壓力控制閥4，關閉在氫再循環通道9中的截止閥70，打開在分支氫通道68中的流動控制閥71，從而提供氫氣。在此狀態下，在氫罐2中的氫氣經由氫供應通道6、在燃料電池1中的氫通道和分支氫通道68提供給催化燃燒室66。當壓縮機11處于ON位置并打開在排放空氣通道69中的壓力控制閥72時，從壓縮機11注入的空氣經由空氣供應通道12、在燃料電池1中的空氣通道和排放空氣通道69提供給催化燃燒室66。在催化燃燒室66中燃燒氫氣和在空氣中存在的氧氣。燃燒氣體流入熱交換器65，并通過熱交換加熱冷卻劑。此后，燃燒氣體排放到外部大氣。
由于氫氣不與空氣中的氧氣反應(燃燒)直至催化燃燒室66中的催化劑達到活化溫度，因此電加熱催化劑67將氫氣和空氣的溫度提高至能夠在催化燃燒室66中點燃的溫度。
接下來，描述由控制器51執行的在表示燃料電池系統啟動控制的圖2-4中的流程。
參見圖2中的流程，描述用于設定凝固點以下啟動模式標識的控制程序。一旦當來自開關85的信號從OFF位置轉換成ON位置(換句話說，當開始啟動操作時)，才執行此控制程序。開關85可包含通常設置在車輛中的鍵控開關(key switch)。當開關85從OFF轉換為ON以啟動車輛時，啟動燃料電池系統。
首先，在步驟S1中，通過溫度傳感器81讀取在水箱31中的水溫Ttnk[℃]。在步驟S2中，將水箱31中的水溫Ttnk[℃]與凝固點0℃相比較。當在水箱31中的水溫Ttnk[℃]低于或等于0℃時，確定水箱31中的水已凍結，程序進行至步驟S3。在步驟S3中，將凝固點以下啟動模式標識設定為一(凝固點以下啟動模式標識＝1)。凝固點以下啟動模式標識表示燃料電池系統是否在低于凝固點或高于凝固點的溫度下啟動。此后，程序進行至步驟S4，電流提供給電加熱催化劑67。結果，增加了電加熱催化劑67的溫度。
在此階段，由于燃料電池1不可能進行高電平發電，因此車輛不能運行。因此，在步驟S5中，將運行準許標識設定為零(運行準許標識＝0)。運行準許標識是表示是否禁止車輛運行的標識。當運行準許標識設定為零時，表示禁止車輛運行的駕駛員座位附近的燈被點亮。
當水箱31中的水溫Ttnk[℃]高于凝固點0℃時，確定水箱31中的水沒有凍結。在此情況下，可立即加濕供應氣體，系統轉變為正常模式。因此，能夠立即使燃料電池1以高電平發電。當程序從步驟S2進行至步驟S6、S7時，將凝固點以下啟動模式標識設定為零值(凝固點以下啟動模式標識＝0)，運行準許標識設定為一(運行準許標識＝1)。當運行準許標識設定為一時，表示禁止車輛運行的駕駛員座位附近的燈被關閉。
參見圖3中的流程，描述凝固點以下第一啟動控制。以固定時間間隔(例如10msec)執行圖3中的控制程序。
在圖3中，在步驟S11中，讀取凝固點以下啟動模式標識的數值，確定凝固點以下啟動模式標識是否為一。當凝固點以下啟動模式標識＝0時，不需要執行凝固點以下啟動控制。因此在那一點終止程序。
當凝固點以下啟動模式標識＝1時，程序執行至步驟S12，在此讀取催化燃燒室點燃標識，確定凝固點以下啟動模式標識是否為零。催化燃燒室點燃標識是表示是否可以在催化燃燒室66中燃燒空氣和氫氣的標識。當催化燃燒室點燃標識＝1時，可以在催化燃燒室66中燃燒空氣和氫氣。當啟動燃料電池系統時，將催化燃燒室點燃標識設定為初始值0。當催化燃燒室點燃標識具有零值時(催化燃燒室點燃標識＝0)，程序進行至步驟S13，通過溫度傳感器82讀取電加熱催化劑67中的溫度Tehc[℃]。在步驟S14中，將電加熱催化劑67的溫度Tehc[℃]與預定溫度T1[℃]進行比較。預定溫度T1是含空氣和氫氣的氣體能夠在催化燃燒室66中點燃的最低溫度(例如，70-80℃)。
如果電加熱催化劑67的溫度Tehc低于預定溫度T1，程序終止。此時，將電流提供給電加熱催化劑67，電加熱催化劑67的溫度Tehc升高。
當電加熱催化劑67的溫度Tehc大于或等于預定溫度T1時，程序從步驟S14進行至步驟S15，將催化燃燒室點燃標識設定為一(催化燃燒室點燃標識＝1)。此時，氫氣和空氣流入催化燃燒室66并燃燒。在步驟S16中，壓縮機11轉換為ON位置以便向催化燃燒室66供應空氣，并打開壓力控制閥72。打開截止閥3和壓力控制閥4以便向催化燃燒室66供應氫氣，關閉截止閥70，打開流動控制閥71。
以此方式，從壓縮機11放出的空氣經過燃料電池1和壓力控制閥72并且提供給電加熱催化劑67。氫氣流過截止閥3、壓力控制閥4、燃料電池1、流動控制閥71并提供給電加熱催化劑67。在由電加熱催化劑67加熱之后，將氫氣和空氣引入催化燃燒室66，通過已經達到活化溫度的催化劑、利用空氣中的氧氣燃燒氫氣。將所得到的燃燒氣體引入熱交換器65并由于與冷卻劑的熱交換而放出熱量。此后，將溫度下降了的燃燒氣體排放到大氣。由于截止閥70關閉，在噴射器5的氫再循環通道9中的氫氣不再循環。
在步驟S17中，通過開啟冷卻劑泵21將已由熱交換器65中的燃燒氣體加熱的冷卻劑經由第一旁路通道27送至燃料電池1。控制器21向三通閥28提供電流以便使端口A與端口C斷開、端口B與端口C連接。以此方式，在熱交換器65中加熱的冷卻劑從第一旁路通道27經由冷卻劑通道22、通過燃料電池進口23流入燃料電池1的內部。此后，由于在燃料電池1中的熱量損耗而具有較低溫度的冷卻劑從燃料電池出口24流過冷卻劑通道25，并且返回到第一旁路通道27的熱交換器65。在步驟S18中，由于在催化燃燒室66中的燃燒已經開始，因此停止電流向電加熱催化劑67的供應，停止電池的功率消耗。
由于催化燃燒室點燃標識＝1，因此當在隨即的情況下執行控制程序時，程序從步驟S12進行至步驟S19，通過溫度傳感器83作為燃料電池1溫度的測量讀取在燃料電池出口處24的冷卻劑溫度Tout[℃]。在步驟S20中，將在燃料電池出口處24的冷卻劑溫度Tout[℃]與凝固點0℃進行比較。
如果在燃料電池出口處24的冷卻劑溫度Tout[℃]低于凝固點0℃，程序進行至步驟S21。在步驟S21中，控制流過流動控制閥71的氫流量使得由流量傳感器52檢測出的實際氫流量與參考氫流量一致。參考氫流量提前確定，從而在催化燃燒室66中有效地產生熱量。以此方式，催化燃燒室的熱量釋放量變成固定值例如(參見圖5A中的實線)。
圖5是當水箱1中的水在凝固點以下時在以時間T1啟動燃料電池1之后催化燃燒室熱量釋放值(圖5A中的實線)、燃料電池1中的發電量(圖5A中的虛線)、在燃料電池出口處的冷卻劑溫度(圖5B)以及冰融化量(圖5C)隨時間變化的示意圖。
在步驟S22中，控制壓縮機11和壓力控制閥72以便調節壓力和從壓縮機11排放的空氣流量，使得由溫度傳感器84檢測出的實際燃燒溫度與參考溫度一致。當實際燃燒溫度低于參考溫度時，通過降低引入催化燃燒室66的空氣流量，將空氣-燃料比(氫流量和空氣流量的比率)控制為富燃料(to be rich)。以此方式，燃燒溫度升高。相反，當實際燃燒溫度高于參考溫度時，通過增加空氣流量，將空氣-燃料比控制為貧燃料。以此方式，燃燒溫度降低。
使冷卻劑泵21工作，通過熱交換器65將由催化燃燒室66產生的熱量提供給冷卻劑，使得冷卻劑溫度升高。升高了溫度的冷卻劑從第一旁路通道27流過三通閥28并流入燃料電池1。在催化燃燒室66中產生的熱量通過冷卻劑的再循環傳遞至燃料電池1并使燃料電池1的溫度升高。燃料電池1通常具有如下設置的冷卻劑通道95使得燃料電池1與流過燃料電池1中的冷卻劑通道95的冷卻劑極有效地進行熱交換操作。這樣，在燃料電池1的冷卻劑出口處24的冷卻劑溫度落入基本上等于燃料電池1溫度的溫度。這樣，雖然燃料電池1因吸收了熱量而溫度增加，但是在燃料電池出口處24的冷卻劑溫度基本上等于燃料電池1的溫度。因此，如果燃料電池1大于或等于0℃，那么在燃料電池出口處24的冷卻劑溫度也必須大于或等于凝固點0℃。即使當燃料電池1低于凝固點(例如-20℃)進行高電平發電時，由于發電產生的水冷卻并在低于凝固點的燃料電池1中再結冰。如果燃料電池1不加熱到水不再結冰的溫度，燃料電池1就不可能以高電平發電。因此，僅在燃料電池出口處24的冷卻劑溫度在凝固點0℃以上(在圖5中的時間t2之后)高電平發電才是可行的，允許車輛運行的運行準許標識設定為一。
當處于低于0℃的溫度的冷卻劑流入在燃料電池1下游的水箱31中時，通過在水箱31中的熱交換器61逐步地把熱量提供給冰。然而，這沒有造成冰的融化。冷卻劑的凝固點(例如-20℃)遠遠低于0℃，在低于0℃的溫度下也可以流動。因此如圖5C中所示，冰的融化量換句話說用于使冰融化的熱量在此階段基本上為零。在水箱1中的熱交換器61中，由于用于冰融化的熱量低，因此冷卻劑沒有損失很多的熱量。以此方式，可以僅向燃料電池1有效地提供在催化燃燒室66中產生的熱量。因此，熱量可提供給處于0℃附近溫度的燃料電池1。相對于同樣的氫消耗量，可以使燃料電池1迅速達到高電平發電和使車輛運行的狀態。
以此方式，當在燃料電池出口處24的冷卻劑溫度Tout大于或等于0℃時，確定燃料電池1處于能夠高電平發電的狀態。因此，程序從步驟S20進行至步驟S23和S24。結果，終止凝固點以下啟動模式，允許車輛運行。在步驟S23中，將凝固點以下啟動模式標識設定為零，在步驟S24中，將運行準許標識設定為一。當運行準許標識的值為一時，在駕駛員座位附近表示禁止車輛運行的燈關閉。
當在燈關閉之后駕駛員開動車輛時，燃料電池1產生車輛運行所需的電功率。因此，在步驟S25中，打開截止閥70，關閉流動控制閥71，終止氫氣向催化燃燒室66的供應，氫氣再循環至氫氣再循環通道9。換句話說，通過停止氫氣向催化燃燒室66的供應，控制器51停止熱交換器65(加熱器)的操作。這是由于實際上可以利用在燃料電池1中產生的電能加熱流入燃料電池1的冷卻劑。以此方式，完成在催化燃燒室66中的燃燒，燃燒室熱量釋放值變為零(圖5A中的實線)。
然而此時(圖5中的時間t2)，在水箱1中的冰沒有融化。結果，在步驟S26中，將解凍標識(在燃料電池系統啟動操作開始為初始值零)設定為一(解凍標識＝1)。解凍標識是表示在水箱31中當前是否進行冰融化的標識。當假設在表示禁止車輛運行的燈關閉之后立即起動車輛時，在由圖5A中的虛線所示的時間t2之后，燃料電池1的發電量增加。
當車輛運行時，由于燃料電池1發電使得燃料電池1的溫度升高，通過由燃料電池1產生的熱量(廢熱)加熱在燃料電池1中流動的冷卻劑。結果，正如圖5B中實線所示的那樣，燃料電池出口處24的冷卻劑溫度Tout升高至高于0℃溫度。由于溫度高于0℃的冷卻劑的循環，使得熱量(對應于融化的熱量)通過在水箱31中的熱交換器61提供給冰。結果，冰融化。在圖5C所示的在時間t2為零的冰的融化量作為時間的函數增加。在時間t4，完成了在水箱31中所有冰的融化，在時間t4之后融化的冰量變為固定值。在時間t4之后，在燃料電池出口處24的冷卻劑溫度比時間t4之前更迅速地提高。
以此方式，在此實施例中，首先，利用因在熱交換器65中的熱交換而具有高溫的冷卻劑將燃料電池1加熱到大于或等于0℃的值。利用在燃料電池發電過程中產生的供應給冷卻劑的熱量(廢熱)進行在水箱中冰的融化。在完成了在水箱31中所有冰的融化之后，燃料電池系統轉變為正常工作狀態。
圖4描述了凝固點以下的第二啟動控制。以固定周期(例如10msec)執行圖4中的控制程序。
在圖4的步驟S31中，讀取運行準許標識以確定運行準許標識是否為一，在步驟S32中，讀取解凍標識以確定解凍標識是否為一。當運行準許標識＝1且解凍標識＝1時，程序進行至步驟S33，通過溫度傳感器83讀取在燃料電池出口處的冷卻劑溫度Tout[℃]。在步驟S34中，將在燃料電池出口處的冷卻劑溫度Tout[℃]與第二預定溫度T2[℃]進行比較。
第二預定溫度T2是當水箱31中的所有冰的融化應當完成的溫度。第二預定溫度T2取決于在燃料電池1中的發電量。控制器51的ROM可存儲預定溫度T2對應于在燃料電池1中的發電量的列表。因此，控制器51可查詢列表以由實際測出的燃料電池發電量計算預定溫度T2。簡單起見，預定溫度T2可以是恒定值。在步驟S34中，與溫度比較不同，根據燃料電池1的發電量確定在水箱31中所有冰的融化是否完成。
當燃料電池出口處的冷卻劑溫度Tout低于固定溫度T2時，由于沒有完成在水箱31中所有冰的融化，因此程序終止。當燃料電池出口處24的冷卻劑溫度Tout大于或等于預定溫度T2(圖5中的時間t4)時，確定出完成了在水箱31中所有冰的融化，程序進行至步驟S35。在步驟S35中，將解凍標識設定為零值(解凍標識＝0)。此后，在步驟S36中，停止電流向三通閥28的供應，切斷端口B和端口C，連接端口A和端口C。以此方式，燃料電池系統轉變為正常模式，冷卻劑流過散熱器26。
下面描述本實施例的效果。
(a)由于利用燃料電池1發電所產生的熱量(廢熱)融化在水箱31中凍結的水，可以防止過多地消耗燃料電池1中的氫氣或過多地使用能量。以此方式，可減少在燃料電池系統中的燃料消耗。通過發電在凝固點以下所產生的大部分熱量用于提高燃料電池1的溫度。因此，可以縮短能夠達到高電平發電(燃料電池起動時間)的時間。
(b)由于水箱31中的熱交換器61設置在燃料電池1的下游，因此在熱交換器65中加熱的冷卻劑中的熱量傳遞到水箱31上游的燃料電池，燃料電池1的溫度升高最優化。在燃料電池1中進行了熱交換之后，冷卻劑流入水箱31中的熱交換器61。在此情況下，由于留在燃料電池1中的冷卻劑溫度低于燃料電池1主要部分的溫度，可以防止留在燃料電池1中的冷卻劑溫度超過0℃，直至燃料電池1的主體溫度高于或等于0℃。以此方式，達到燃料電池1高電平發電啟動所需的能量不高，燃料電池1可迅速地啟動。
(c)在當外部溫度高時的高負載工作過程中，燃料電池1當然具有高溫。第一旁路通道27(通常窄)是合適的，這樣冷卻劑在這些情況下不流動。大量的冷卻劑流入冷卻劑再循環通道(22、25)，燃料電池1的溫度下降。如果在冷卻劑再循環通道(22、25)中設置作為加熱器的熱交換器65，由于壓力損失必須增加冷卻劑泵21的容量。然而在此實施例中，由于熱交換器65設置在第一旁路通道27中作為加熱器而不是設置在冷卻劑再循環通道(22、25)中，可以避免冷卻劑再循環通道(22、25)的壓力損失的增加。
(d)水箱31設置在第一旁路通道27與冷卻劑通道25的分支位置的上游的冷卻劑通道25。結果，不僅可通過在燃料電池1預熱的同時被燃料電池1加熱的冷卻劑、甚至可通過燃料電池1在高溫工作時需要冷卻燃料電池1時被燃料電池1加熱的冷卻劑使水箱31中的水保持在高溫。以此方式，需要更少的熱量來蒸發用于加濕操作的水分。尤其是，當水箱31是隔熱的時，效果會增加。
(e)當燃料電池1的溫度低于0℃時，水箱31中的水沒有超過0℃。結果，當在燃料電池的溫度檢測值低于0℃的區域內熱交換器65作為加熱器工作時，來自熱交換器65的大量熱量沒有用作熔化熱量以融化冰。熱交換器65的熱量用于將水箱31中的冰的溫度升高至0℃。以此方式，可以僅利用來自燃料電池1的廢熱融化水箱31中的冰。因此，除了發電所需的氫氣之外，可抑制氫氣的消耗。
參見圖6和圖7，描述第二實施例。圖6表示根據第二實施例的燃料電池系統的示意圖。圖7所示的流程圖表示根據第二實施例的凝固點以下的啟動控制程序。圖6代替圖1，圖7代替圖3。在圖6中，與圖1相同的參考標記表示相同的部件。在圖7中，與圖3所采用的相同的參考標記表示相同的步驟數量。
如圖6所示，第二實施例與第一實施例的不同點在于，燃料電池系統設置有第二旁路通道91，該第二旁路通道91繞過水箱31并從燃料電池1的冷卻劑通道出口處24連接到第一旁路通道27。第二旁路通道91經由三通閥92連接到旁路通道27。當沒有提供電流時，三通閥92將端口D與端口F連接，切斷端口E與端口F的連接。當提供電流時，切斷端口D與端口F的連接，將端口E連接到端口F。
在圖7中，與第一實施例的不同點在于增加了步驟S41。在圖7中，當電加熱催化劑67的溫度Tech達到預定溫度T1并能夠在催化燃燒室66中點燃時，在步驟S16和S17中執行空氣和氫氣向催化燃燒室66的供應。在第一實施例中，冷卻劑流過在水箱31中的熱交換器61。而在第二實施例中，由于在此階段電流沒有提供給三通閥92，因此冷卻劑繞過水箱31。
此后，燃料電池出口處24的冷卻劑溫度Tout采取大于或等于0℃的值。因此，燃料電池1的高電平發電是可行的，允許車輛行駛。在步驟S25中，停止向催化燃燒室66的氫氣供應，程序進行至步驟S41。在步驟S41中，控制器51向三通閥92提供電流從而使冷卻劑流過熱交換器61。換句話說，控制器51控制三通閥92以切斷端口D和端口F的連接、并將端口E與端口F連接。
因此，第二實施例與第一實施例的不同點在于當燃料電池出口處24中的冷卻劑溫度Tout(可代表燃料電池的溫度)低于0℃時，冷卻劑經過第二旁路通道91流到三通閥92(通道轉換通道)，沒有流過熱交換器61。以此方式，在水箱31中的熱交換器65(加熱器)中產生的熱能沒有用在水箱31中的熱交換器61中。換句話說，熱交換器65沒有產生用于提高冰的溫度的熱能和用于融化水箱31中的冰所需要的熔化潛熱。以此方式，可以縮短燃料電池1的起動時間。
當燃料電池出口處24的冷卻劑溫度Tout采取大于或等于第二預定溫度T2的值且完成了在水箱31中所有冰的融化時，電流不提供給三通閥28，因此冷卻劑經過散熱器26和熱交換器61再循環。
以上兩個實施例基于以下前提在燃料電池中的冷卻劑的熱交換特性極為有效，燃料電池的溫度約等于在燃料電池1出口處的冷卻劑溫度Tout。然而，當燃料電池中的冷卻劑的熱交換特性差并且在燃料電池1出口處的冷卻劑溫度Tout與燃料電池溫度存在差異時，溫度傳感器83進行燃料電池1主體溫度的直接檢測，而不是檢測在燃料電池出口處的冷卻劑溫度。因此，可精確地檢測出使燃料電池1發電的溫度。
此外，在上述兩個實施例中供應給燃料電池1的氫氣可包括由于重整碳氫燃料所獲得的氫氣(重整氣體)。
日本專利申請P2002-301448(申請日2002年10月16日)的全部內容在此引作參考。
雖然上面參照本發明的特定實施例描述了本發明，但本發明不限于上述實施例。對于本領域技術人員而言，可根據以上啟示對本發明的上述實施例進行修改和變化。參照下述權利要求書限定本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種燃料電池系統，具有由于在供應氣體之間的化學反應而發電的燃料電池(1)，其中冷卻劑在該燃料電池中流動并且由于吸收了燃料電池發電所產生的廢熱而使溫度升高；水箱(31)；加濕裝置(34)，用于采用該水箱(31)中的水來加濕至少一種供應氣體；以及冷卻劑溫度調節裝置，用于調節在燃料電池(1)內部流動的冷卻劑溫度以便控制燃料電池(1)的溫度；該燃料電池系統包括解凍裝置(61)，用于把冷卻劑的熱量提供給水箱(31)，從而使水箱中的冰融化；冷卻劑再循環通道(22、25、95)，用于使冷卻劑經解凍裝置(61)和燃料電池(1)再循環；流動發生器(21)，用于產生冷卻劑從燃料電池(1)向解凍裝置(61)的流動；以及控制器(51)，用于控制燃料電池系統的啟動操作，該控制器具有控制流動發生器(21)以產生冷卻劑從燃料電池(1)向解凍裝置(61)的流動的功能，從而在該燃料電池系統啟動操作的同時融化水箱(31)中的冰。
2.根據權利要求1所限定的燃料電池系統，其中解凍裝置(61)設置在水箱(31)中并包括允許在冷卻劑和水箱(31)中的冰之間進行熱交換的熱交換器(61)。
3.根據權利要求2所限定的燃料電池系統，進一步包括用于加熱從解凍裝置(61)排放的冷卻劑的加熱器(65)。
4.根據權利要求3所限定的燃料電池系統，進一步包括用于檢測冷卻劑溫度的溫度傳感器(83)；其中冷卻劑溫度調節裝置包括在冷卻劑再循環通道上設置的散熱器(26)；從冷卻劑再循環通道中分支出并繞過散熱器(26)的第一旁路通道(27)，加熱器(65)設置在第一旁路通道(27)中；和用于在經過散熱器(26)的通道和經過第一旁路通道(27)的通道之間選擇性地轉換冷卻劑用通道的通道轉換裝置(28)；并且，其中控制器進一步用于根據冷卻劑的檢測溫度控制通道轉換裝置(28)，從而調節冷卻劑的溫度。
5.根據權利要求4所限定的燃料電池系統，其中水箱(31)設置在第一旁路通道(27)從再循環通道分支出來的位置上游的冷卻劑再循環通道中。
6.根據權利要求3所限定的燃料電池系統，進一步包括用于檢測燃料電池(1)溫度的溫度傳感器(83)；其中控制器進一步用于將燃料電池(1)的檢測溫度與水的凝固點進行比較；當檢測出的燃料電池(1)溫度低于該凝固點時操作加熱器(65)；當檢測出的燃料電池(1)溫度高于或等于該凝固點時停止加熱器(65)的操作。
7.根據權利要求2所限定的燃料電池系統，進一步包括在水箱(31)上游分支出并繞過水箱(31)的第二旁路通道(91)；和用于在經過水箱(31)中的熱交換器(61)的通道和經過第二旁路通道的通道之間轉換冷卻劑用通道的通道轉換裝置(92)。
8.根據權利要求7所限定的燃料電池系統，進一步包括用于檢測燃料電池(1)的溫度的溫度傳感器(83)，其中控制器(51)進一步用于將燃料電池(1)的檢測溫度與水的凝固點進行比較；當檢測出的燃料電池(1)溫度低于該凝固點時控制通道轉換裝置(92)使得冷卻劑流過第二旁路通道；當檢測出的燃料電池(1)溫度高于或等于該凝固點時控制通道轉換裝置(92)使得冷卻劑流過在水箱中的熱交換器。
9.一種燃料電池系統，具有由于在供應氣體之間的化學反應而發電的燃料電池(1)，其中冷卻劑在該燃料電池中流動并且由于吸收了燃料電池發電所產生的廢熱而使溫度升高；水箱(31)；加濕裝置(34)，用于采用該水箱(31)中的水來加濕至少一種供應氣體；以及冷卻劑溫度調節裝置，用于調節在燃料電池(1)內部流動的冷卻劑溫度以便控制燃料電池(1)的溫度；該燃料電池系統包括解凍裝置(61)，用于把冷卻劑的熱量提供給水箱(31)，從而使水箱中的冰融化；冷卻劑再循環通道裝置(22、25、95)，用于使冷卻劑經解凍裝置(61)和燃料電池(1)再循環；流動發生裝置(21)，用于產生冷卻劑從燃料電池(1)向解凍裝置(61)的流動；以及控制裝置(51)，用于控制流動發生器(21)以產生冷卻劑從燃料電池(1)向解凍裝置(61)的流動，從而在該燃料電池系統啟動操作的同時融化水箱(31)中的冰。
10.一種用于控制燃料電池系統的控制方法，該燃料電池系統具有由于在供應氣體之間的化學反應而發電的燃料電池(1)，其中冷卻劑在該燃料電池中流動并且由于吸收了燃料電池發電所產生的廢熱而使溫度升高；水箱(31)；加濕裝置(34)，用于采用該水箱(31)中的水來加濕至少一種供應氣體；以及冷卻劑溫度調節裝置，用于調節在燃料電池(1)內部流動的冷卻劑溫度以便控制燃料電池(1)的溫度；該控制方法包括以下步驟提供解凍裝置(61)，該裝置用于把冷卻劑的熱量提供給水箱(31)，從而使水箱中的冰融化；提供冷卻劑再循環通道(22、25、95)，該冷卻劑再循環通道用于使冷卻劑經解凍裝置(61)和燃料電池(1)再循環；以及產生冷卻劑從燃料電池(1)向解凍裝置(61)的流動，從而在燃料電池系統啟動操作的同時融化水箱(31)中的冰。
全文摘要
一種燃料電池系統，具有由于供應氣體的反應而發電的燃料電池(1)；用于采用水箱(31)中的水來加濕至少一種供應氣體的加濕裝置(34)；以及冷卻劑溫度調節裝置(21、22、25、26、27、28、51)，用于調節在燃料電池(1)內部流動的冷卻劑溫度以便控制燃料電池(1)的溫度；和解凍裝置(61)。解凍裝置(61)通過將冷卻劑中所含的熱量提供給冰、從而在燃料電池系統起動操作的過程中將水箱(31)中的冰融化。這里，由于在燃料電池(1)內部發電過程中產生了廢熱，使得冷卻劑具有升高的溫度。
文檔編號H01M8/04GK1706063SQ20038010145
公開日2005年12月7日 申請日期2003年10月10日 優先權日2002年10月16日
發明者酒井弘正 申請人:日產自動車株式會社