CN1240157C - 燃料电池系统和终止该系统的方法 - Google Patents
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Abstract
当燃料电池系统停止时，控制器(3)降低对燃料电池(1)的冷却剂流速，降低燃料电池(1)的冷却性能并使燃料电池(1)连续工作，执行温度提升操作，其中，利用由燃料电池(1)中的电化学反应产生的热量提高燃料电池(1)的温度。在燃料电池(1)的温度达到预定高温后，燃料电池(1)的工作停止。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，终止该系统的方法以及燃料电池冻结的预防。
背景技术
在利用由氢和氧之间的化学反应产生的能量发电的某些燃料电池例如聚合物电解质燃料电池中，必须使燃料电池保持湿润以允许燃料电池工作。当燃料电池发电时其自身产生热量，因此需要冷却系统，该冷却系统利用冷却水等对燃料电池进行冷却。
在包括采用水的燃料电池的燃料电池系统中，如果当该系统已经停止时其处于凝固点以下，在电池中的水或冷却水冻结，导致燃料电池系统的损坏或对它的重新启动造成影响。1995年公开的JP7-169475A和由日本专利局公开的JP11-214025A提出了一种防止燃料电池冻结的方法。
发明内容
但根据原有技术的方法，当燃料电池温度下降或外部空气温度下降时，从外部由燃烧器等加热燃料电池或者它自动重启。如果不顾操作者的意图在停止期间中自动执行这种类型的处理，从安全性等的角度出发这是非常不希望的。
因此，本发明的目的是在不需要加热和重启的情况下，在系统停止期间加热燃料电池，防止燃料电池冻结。
为了实现上述目的，本发明提供一种燃料电池系统，包括：由电化学反应发电的燃料电池；冷却燃料电池的冷却机构；控制器，当系统要停止时，用于降低冷却机构的冷却性能并使燃料电池连续工作以利用电化学反应的热量提高燃料电池的温度，以及在燃料电池的温度升高之后停止燃料电池的工作。
根据本发明的一方面，本发明提供一种停止燃料电池系统的方法，此燃料电池系统设置有由电化学反应发电的燃料电池和冷却燃料电池的冷却系统，此方法包括：在系统停止前降低燃料电池的冷却装置的冷却性能并使燃料电池连续工作；利用由燃料电池的电化学反应产生的热量提高燃料电池的温度，在燃料电池的温度升高之后停止燃料电池的工作。
本发明的细节和其它特点和优点在说明书的剩余部分列出并示于附图中。
附图说明
图1是包括根据本发明的燃料电池系统的车辆的示意图；
图2是燃料电池系统的示意图；
图3是燃料电池的温度提升操作细节的流程图；
图4是显示在系统停止之后的燃料电池温度变化的时间图。
具体实施方式
参见图1，具有根据本发明的燃料电池系统1的车辆包括控制燃料电池系统1的控制器3、由燃料电池系统1产生的电能充电的电池2以及开关5，6。燃料电池系统1连接到负载4。
燃料电池系统1是聚合物电解质燃料电池(PEFC)(或磷酸燃料电池(PAFC))，它是在工作期间需要加湿的燃料电池。控制器3包括一个、两个或多个微处理器、存储器以及输入/输出端。当燃料电池系统1停止时，控制器3执行以下描述的燃料电池系统1的温度提升操作。
负载4是接收来自燃料电池系统1的功率的马达并产生驱动力。马达的驱动力经过车辆的推杆驱动车辆的轮子。
燃料电池系统1可经过开关5，6连接到负载4和电池2。当系统运转时，燃料电池系统1和负载4连接，在燃料电池系统1停止时执行的温度提升操作期间，燃料电池系统1和电池2连接。电池2是可充电二次电池，例如镍镉电池、锂电池或镍氢电池。
图2示出燃料电池系统1的示意性结构。燃料电池系统1的燃料电池11具有多个电池叠加的叠层结构。在燃料电池11中，将燃料气例如氢供应到阴极，氧化剂气体例如空气、氧气供应到阳极。燃料电池11由下述化学反应获得电动势：
等式(1)是阳极反应，等式(2)是阴极反应。等式(3)是整个燃料电池11发生的化学反应。
燃料电池系统1进一步包括供应燃料气体的管道12、供应氧化剂气体的管道13、供应冷却剂(冷却水)的管道14、在冷却剂和外部空气之间进行热交换的热交换器16、冷却剂槽17、调节冷却剂流速的阀15、循环冷却剂的泵18、检测燃料电池11的温度的温度传感器19以及管道选择阀20。
当燃料电池系统1停止时，降低了燃料电池11的冷却功能，上述电化学反应继续进行，由于燃料电池11产生的热量使得燃料电池11的温度提升。在PEFC中采用的膜电极、气体扩散层和隔板具有高达一定温度的耐热性，这样可以将燃料电池11加热至此耐热温度。
热交换器16具有降低已经过燃料电池11的冷却剂温度的作用，但当燃料电池11的温度提高时，可通过降低冷却剂的循环流速降低冷却作用。此外，通过变换管道选择阀20可以使冷却剂不经过热交换器16，在此情况下燃料电池11的冷却作用进一步减弱，增加了燃料电池11的温度提升作用。考虑到当温度升高时蒸汽将聚集在燃料电池11中，气体排放出口可设置在燃料电池11中。
接下来，参考图3所示的流程图描述当燃料电池系统1停止时所执行的燃料电池11的温度提升操作。当燃料电池系统1停止时，由控制器3执行此流程。
当燃料电池系统1停止时，首先，读取由温度传感器19检测的燃料电池11的电池温度(以下，燃料电池温度)T电池和由温度传感器22检测的外部空气温度T外部(步骤S1)。读取由驱动器预测的并经过连接到控制器3的输入装置21输入的停止时间te(步骤S2)，它确定燃料电池的温度提升操作是否应当以此和外部空气温度T外部为依据进行。
特别地，对燃料电池1通过自然散热冷却至预定低温T低(例如0摄氏度)的时间(此后，冷却时间)tc进行估算(步骤S3)。因此，通过确定此冷却时间tc是否长于系统停止时间te，确定是否需要执行温度提升操作(步骤S4)。
当系统停止时间te比冷却时间tc短时，即使不执行温度提升操作，在下一次启动时燃料电池温度T电池也不落入上述预定低温T低，这样在没有执行温度提升操作的情况下停止了燃料电池11(步骤S4→S15)。以此方式，防止了不必要的温度提升操作，抑制了燃料消耗。但是，即使在这种情况下，也可以参考外部空气温度T外部的温度变化历史记录进行适当的温度提升。例如，如果外部空气温度T外部下降并且确定燃料电池温度T电池落入预定低温T低，则可以执行温度提升操作。
另一方面，当停止时间te比冷却时间tc长时，执行温度提升操作，燃料电池温度T电池升至预定高温T*，这样燃料电池11的温度直到系统重新启动之前都不落入发生冷凝的预定低温T低(步骤S6-S14)。
此处，随着燃料电池温度T电池下降速率的提高，外部空气温度T外部变得更低或者系统停止时间te变得更长，预定的高温T*设置成更高的温度，外部空气温度T外部变得更低并且系统停止时间te变得更长(步骤S6)。并且，预定高温T*可以根据外部空气温度T外部是否降到凝固点以下而进行变化。
如果系统停止时间te长，如果和冷却时间tc相比停止时间te过长，可能发生即使所有的剩余燃料量F1用于温度提升操作，也不能将温度提升至预防冻结所需的温度T*。在这种情况下，因此要降低燃料电池11的温度升高或者中断温度提升操作。为了降低燃料电池11的温度提升，可以缩短温度提升操作或可以减少冷却性能损失。原因在于，即使执行温度提升操作，温度提升操作也是无用的。具体而言，计算将燃料电池温度T电池提高至预定温度T*所需的剩余燃料量F2(步骤S7)，当所需要的燃料量F2大于在步骤S5中读取的剩余燃料量F1时，仅稍微进行或根本不进行温度提升运转(步骤S11→S15)。可根据目前燃料电池温度T电池计算所需的燃料量F2。
当预定高温T*设置成影响燃料电池组件的高温时(T*＞Tuplim)，导致了燃料电池11的作用恶化，这样减少了由于温度提升操作引起的燃料电池的温度提高或根本不进行(步骤S8→S15)。可将上限温度Tuplim预先读入控制程序中，这可以设置在一定范围内，这样不会导致燃料电池11的组件的恶化。
在存储的氢直接供应到燃料电池的直接氢燃料电池系统中，在步骤S5中读取的剩余燃料量F1是氢的剩余量；在将由重整碳氢燃料例如甲醇得到的氢供应到燃料电池中的重整产品燃料系统中，在步骤S5中读取的剩余燃料量F1是碳氢燃料的剩余量。这是由连接到例如燃料槽的剩余燃料量传感器23检测到的。剩余燃料量F1还可以由以下方式计算：计算当槽子全充满时的燃料消耗量，将燃料槽的最大容量减去燃料消耗量。
当系统停止时间te比冷却时间tc长时，在由燃料量F1允许的范围内需要温度提升操作(F1＞F2)时，执行温度提升操作直至燃料电池1的温度升至预定温度T*(步骤S9-S14)。通过降低阀15的开口以降低燃料电池11冷却剂的流速，或者通过关闭泵18以便停止冷却剂向燃料电池11的供应并通过将燃料供应至燃料电池11连续地使燃料电池11工作，从而执行温度提升操作。
当预定温度T*高、需要增加温度提升效果时，通过改变管道选择阀20使冷却剂不经过热交换器16。此外，当T*高于冷却剂的沸点Tb、需要将燃料电池温度T电池提高至Tb以上时，冷却剂从燃料电池11放出，燃料电池11工作，由此增加了燃料电池11的温度(步骤S9→S10)。
温度提升操作持续进行直至由温度检测器19检测到的燃料电池温度T电池达到预定高温T*，当其达到预定高温T*时，燃料气体和氧化剂气体向燃料电池11的供应停止，燃料电池11的工作停止(步骤S15)。
此处，温度提升操作持续进行直至燃料电池温度T电池达到预定温度T*，但是燃料电池11从特定温度加热到预定温度T*所需时间可提前以例如列表或图表的形式储存在控制器3的存储器中，当从温度提升操作启动开始所耗用的时间达到通过查找列表或图表所得到的预定时间时，可确定燃料电池温度T电池已经达到预定温度T*。
在温度提升操作中由燃料电池11产生的功率由电池2储存，这样可以提高燃料电池11的温度而几乎没有能量损失。由电池2储存的功率例如可随后用作重启系统的功率或者在燃料电池11停止时采用的功率。
图4示出燃料电池温度下降试验的结果，以证明根据本发明的温度提升操作的效果。在试验中，将包括由绝热材料隔开的十个单电池的燃料电池以-10摄氏度的固定温度放置在恒温室中，绝缘件也放置在管道的周围以尽可能地避免热量损失。
图中的实线表示当不采用本发明时燃料电池温度变化，即，燃料电池在1A/cm2的电流密度下连续工作直至电池温度和循环冷却剂的温度恒定(333K)，燃料电池停止，然后使之处于其状态。另一方面，图中的虚线表示当采用本发明时燃料电池温度的变化，即，控制冷却剂循环流速以提升燃料电池的温度，当电池温度达到368K时停止燃料电池，然后使之处于其状态。在两种情况下，当燃料电池处于其状态时的起始时间设为零。
如图4所示，如果当燃料电池停止时提高燃料电池温度，在其停止之后燃料电池保持高温并且延迟了燃料电池开始冻结的时间，如图中箭头X所示。根据本发明，在燃料电池根据外部空气温度停止之前，充分地提高了燃料电池温度，这样在燃料电池冻结前可重新启动燃料电池，防止了燃料电池的冻结。
应注意，象此实施例中这样，通过在燃料电池和外部之间提供适当的隔离，可以进一步延长达到冻结温度的时间。
在此结合了日本专利申请P2001-347337(2001年11月13日申请)的全部内容引作参考。
虽然以上参考本发明的特定实施例描述了本发明，但是本发明并不限于上述实施例。本领域的普通技术人员可以借鉴上述技术对上述实施例进行变化和修改。参考下述权利要求确定本发明的范围。
申请的技术领域
本发明可应用于包括那些用于车辆中的各种类型的燃料电池，当燃料电池系统在低于凝固点的环境下停止时可有效防止冻结。特别是，在系统停止时燃烧炉不自动工作，系统不自动重启，因此当应用于车用燃料电池系统时提高了车辆的安全性。
Claims (14)
1.一种燃料电池系统，包括：
由电化学反应发电的燃料电池(11)；
冷却燃料电池(11)的冷却机构(15-18)；以及
控制器(3)，当系统要停止时，此控制器用于：
降低冷却机构(15-18)的冷却性能并使燃料电池(11)连续工作以利用电化学反应的热量提高燃料电池(11)的温度，以及
在燃料电池(11)的温度升高之后停止燃料电池(11)的工作。
2.根据权利要求1限定的燃料电池系统，进一步包括检测燃料电池(11)的温度的传感器(19)，其中，当燃料电池(11)的温度已经达到预定温度时，控制器(3)进一步用于停止温度提升操作。
3.根据权利要求1限定的燃料电池系统，其中，当控制器(3)基于温度提升操作持续进行时间确定燃料电池(11)的温度已经达到预定温度时，它进一步用于停止温度提升操作。
4.根据权利要求2或3限定的燃料电池系统，进一步包括检测燃料电池(11)的外部空气温度的传感器(22)，其中，控制器(3)进一步用于外部空气温度越低、将预定温度设置得更高。
5.根据权利要求2或3限定的燃料电池系统，进一步包括输入装置(21)，该装置用于在系统停止之后输入停止时间，直至系统再一次重新启动，其中控制器(3)进一步用于停止时间越长、将预定温度设置得越高。
6.根据权利要求2或3限定的燃料电池系统，进一步包括：
输入装置(21)，用于在系统停止之后输入停止时间直至系统再一次重新启动；
用于检测燃料电池(11)的温度的传感器(19)；以及
用于检测燃料电池(11)的外部空气温度的传感器(22)，其中控制器(3)进一步用于根据停止时间、燃料电池温度和外部空气温度设置预定温度。
7.根据权利要求2或3限定的燃料电池系统，其中：
当即使所有的剩余燃料用于温度提升操作、燃料电池(11)的温度也不能升高至预定温度时，控制器(3)进一步用于不执行温度提升操作。
8.根据权利要求1至3任意一项所限定的燃料电池系统，进一步包括：
输入装置(21)，用于输入从当系统停止时到当系统再一次重新启动时的停止时间，控制器(3)进一步用于：
根据燃料电池(11)的温度和外部空气温度，估计从当系统停止时到当燃料电池(11)冻结时的时间；以及
当停止时间比预计到冻结的时间短时，不执行温度提升操作。
9.根据权利要求2或3所限定的燃料电池系统，其中，当设置的预定温度高于根据燃料电池(11)的组件特性确定的阈值温度时，控制器(3)进一步用于在温度提升期间降低燃料电池(11)的温度提高量。
10.根据权利要求2或3所限定的燃料电池系统，其中，当设置的预定温度高于根据燃料电池(11)的组件特性确定的阈值温度时，控制器(3)进一步用于不执行温度提升操作。
11.根据权利要求2或3所限定的燃料电池系统，其中，通过将冷却剂供应到燃料电池(11)从而使冷却机构(15-18)冷却燃料电池(11)，控制器(3)进一步用于：
当设置的预定温度超过冷却剂的沸点温度时，在冷却剂已经从燃料电池(11)放出之后，执行燃料电池(11)的温度提升操作。
12.根据权利要求1至3任意一项所限定的燃料电池系统，进一步包括具有充电功能的二次电池(2)，控制器(3)进一步用于在温度提升操作中利用由燃料电池(11)产生的功率对二次电池(2)充电。
13.根据权利要求1至3任意一项所限定的燃料电池系统，其中燃料电池(11)是聚合物电解质燃料电池和磷酸燃料电池之一。
14.一种停止燃料电池系统的方法，此燃料电池系统设置有由电化学反应发电的燃料电池(11)和冷却燃料电池(11)的冷却系统(15-18)，此方法包括：
在系统停止前降低燃料电池(11)的冷却装置(15-18)的冷却性能并使燃料电池(11)连续工作；
利用由燃料电池(11)的电化学反应产生的热量提高燃料电池(11)的温度；以及
在燃料电池(11)的温度升高之后停止燃料电池(11)的工作。
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