CN1297028C - 燃料电池系统及其启动控制 - Google Patents

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Abstract

在燃料电池组(1)的加热完成之前，燃料电池组(1)的冷却水压保持低于燃料电池系统运行在稳态时所用的压力。这样，当系统从低温状态下启动时，负极(2)和正极(3)中的水有效地流入冷却水通道(9)，防止了水堵塞，同时保持了燃料电池系统中适当的水平衡。

Description

燃料电池系统及其启动控制
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，更特别地，涉及从低温状态下启动燃料电池系统时的启动控制。
背景技术
燃料电池直接将燃料的能量转化为电能。在日本专利局1996年公布的JP8-106914A所公开的燃料电池系统中，在膜电极两侧的一对电极中，含氢的燃气供给正极而含氧的氧化剂气体供给负极。然后电能从电极中释放出来，这一过程用到了在膜电极表面所发生的电化学反应，即：
正极反应：
负极反应：
供给正极的燃气可直接来自储氢设备，或者可重组含氢的燃料，将重组后的含氢气体供给正极。含氢燃料可以是天然气、甲醇或汽油，而供给负极的氧化剂气体通常是空气。
由于必须使膜电极的湿润状态保持最佳以尽可能发挥燃料电池中膜电极的性能并提高发电效率，通入燃料电池的燃气和空气都进行了加湿。当如上所述那样重组燃气并放出氢时，水用于重组。因此，为了在汽车上使用燃料电池，则必须在包括燃料电池或重组设备的燃料电池系统中保持水平衡。这是因为如果缺水而必须定期加注纯水的话，燃料电池汽车的实用性将显著下降。
有两种方法向膜电极供水。一种是用加湿器加湿燃气或空气，用湿气加湿膜电极。另一种是通过包含多孔材料的双极板将冷却水通道与燃料电池中的正极和负极相连，由冷却水通道向膜电极供水以加湿膜电极。由于后者无需加湿器，因此具有简化系统结构的优点。
当在低温下启动燃料电池系统时，燃料电池中产生的水以及燃料和空气中所含的水分在燃料电池中凝结，有可能堵塞燃料和空气通道，这称作“水堵塞”。水堵塞降低了燃料电池的效率，特别地，在启动过程中发生的水堵塞延长了燃料电池的加热(warm-up)时间。由于在汽车中启动操作的频率很高，燃料电池系统加热时间的延长降低了燃料电池汽车的可用性。
一种解决水堵塞的方法就是通过加大燃气或空气的压力吹走凝结的水。然而，如果气体或空气在高于通常工作压力下送入燃料电池，那么燃料电池中的膜电极或密封的耐久性就会遭到破坏，会降低燃料电池的性能，缩短其寿命。在车用燃料电池中，尽管在使用频率上有所差别，启动操作也要执行从几百次至几千次不等，因此上述性能下降是非常显著的。而且，改变燃气和空气压力的能力使系统结构复杂化。
另一种方法就是加热燃料电池组本身。然而，燃料电池组的加热使系统复杂化。如果加热所需的能量变大，则汽车燃料的经济性降低。此外，对于汽车来说，加热所需的时间太长了。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种燃料电池组，其中冷却水通道通过多孔板与燃气通道和空气通道相连，其中，在从低温下启动的过程中，正极和负极中的水有效地流出到冷却水通道中，保持了燃料电池组中的水平衡，并解决了堵塞问题。
为了达到上述目的，本发明给出一种燃料电池系统，包括：燃料电池组，其中冷却水通道和电极通过水能穿过的多孔板相连；压力调节设备，调节冷却水通道中冷却水的压力；以及控制器。控制器用来根据燃料电池组的运行状态确定燃料电池组的加热是否完成，并在燃料电池组的加热完成之前，控制压力调节设备使冷却水的压力降低到小于加热完成后的稳态下的冷却水的压力。
根据本发明的一个方面，本发明给出燃料电池系统的启动方法，该燃料电池系统包括：燃料电池组，其中冷却水通道和电极通过水能穿过的多孔板相连；以及用于调节冷却水通道中冷却水的压力的压力调节设备。该方法包括：根据燃料电池组的运行状态确定燃料电池组的加热是否完成，在燃料电池组的加热完成之前，控制压力调节设备使冷却水压力降低到小于加热完成后稳态下的冷却水压力。
本发明的细节以及其它特征和优点将在说明书的剩余部分进行阐明，并示于附图中。
附图说明
图1为涉及本发明的燃料电池系统的框图。
图2为示出燃料电池启动程序的流程图。
图3为示出考虑膜电极湿润状态的启动程序的流程图。
图4类似于图1，为根据第二实施方案的燃料电池系统的框图。
图5为示出根据第二实施方案的启动程序的流程图。
图6类似于图1，为根据第三实施方案的燃料电池系统的框图。
图7为示出根据第三实施方案的启动程序的流程图。
具体实施方式
参看附图的图1，涉及本发明的燃料电池系统配备有：包括许多电池c1、c2……、cn的燃料电池组1，压力传感器5、6、7，冷却水泵12、冷却水箱13，换热器14，以及控制器16。温度传感器15用于测量燃料电池组1的内部温度Tsin，安装在燃料电池组1内部。来自这些传感器的测量信号输入控制器16。
压力传感器5、6、7测量向燃料电池组1输入空气的空气通道8、输入冷却水的冷却水通道9以及输入燃气的燃气通道10在燃料电池组1入口附近的压力。
控制器16包含一个、两个或更多个微处理器，一个存储器以及一个输入/输出接口。控制器16从来自压力传感器5、6、7的信号计算冷却水通道9和电极——负极2和正极3在燃料电池组1入口处的的压力差ΔP。当系统启动时，控制器16根据温度传感器15所探测到的燃料电池组1内部温度Tsin确定冷却水的压力Pcw，并控制减压阀11的开口和冷却水泵12的转速以实现预定冷却水压Pcw。
具体地说，在燃料电池组1的加热完成之前，当燃料电池组1的内部温度Tsin低且凝结在负极2和正极3中的水所导致的水堵塞可能发生时，控制冷却水的压力Pcw使其低于加热完成后稳态下所用的压力Pnormal。这样，可利用压力差使凝结在负极2和正极3中的水通过多孔板4中的孔有效地流进冷却水通道9，可防止水堵塞。由于冷却水压Pcw的降低，燃料电池组1的冷却性能下降。然而，由于这发生在燃料电池组1的加热完成之前，因而不会引起什么问题。相反，可抑制燃料电池组1的冷却并促进加热。由于水没有从空气通道8和燃气通道10流出到系统之外，因而燃料电池组1中水的总量保持不变，即，保持了水平衡。
之后，如果燃料电池组1的内部温度Tsin升高且加热完成，不会发生水堵塞，因此控制冷却水的压力Pcw使其保持为稳态下的压力Pnormal，保证了燃料电池组1的冷却性能。
图2为示出启动程序的流程图，由控制器16在预定时间——例如每10毫秒——执行。
首先，在步骤S11中，燃气、空气和冷却水开始通入燃料电池组1。
在步骤S12中，测量燃料电池组1的内部温度Tsin。在步骤S13中，将测得的内部温度Tsin和预定温度Tth比较。预定温度Tth根据气体、空气和冷却水通道的形状以及系统的结构来设定。例如，将其设定为凝结在燃料电池组1的负极2和正极3中的水所导致的水堵塞不会发生的温度中最低的那个温度。预定温度Tth设为低于燃料电池组1的运行温度(大约60℃-70℃)。从实验上，发现水堵塞在40℃以上不会发生，有可能通过将冷却水压Pcw设为压力Pnormal来开动汽车，因此预定温度Tth设为40℃。
可以确定，当内部温度Tsin低于预定温度Tth时，由于水在负极2和正极3中的凝结，发生水堵塞，因而程序进入步骤S14，水压Pcw控制为预定低压Plow，凝结在负极2和正极3中的水流出到冷却水通道9。
为了增大凝结水的外流效率，优选地使冷却水压Pcw相对于负极2和正极3尽可能小。然而，如果冷却水通道9和电极2、3(负极2和正极3)之间的压力差ΔP太大，燃气或氧化剂气体就会透过冷却水通道9。如果压力差ΔP进一步增大，则膜电极或电池的内部结构就有可能受到破坏。因此，尽管冷却水压Pcw控制为越低越好，仍要控制冷却水通道9和电极2、3之间的压力差ΔP以使压力高于燃气和氧化剂气体透过冷却水通道9的压力的最小值。
当燃料电池组1的内部温度Tsin小于预定温度Tth时，重复步骤S12、S13、S14。之后，如果进行燃料电池组1的加热并且内部温度Tsin超过预定温度Tth，可以确定燃料电池组1中水的凝结总量足够小，凝结水所导致的水堵塞不会发生，程序进入步骤S15。
当程序进入步骤S15时，冷却水压Pcw控制为稳定工作下通常所用的压力Pnormal。因此，冷却水压Pcw控制为该常规压力Pnormal，保证了燃料电池组1的冷却性能。
这里，计算了冷却水通道9和电极2、3(负极2和正极3)之间的压力差ΔP，据此设定了冷却水压Pcw的最小值。然而，可预先确定的冷却水压工作的压力值(固定值)，当执行低冷却水压运行时，在步骤S14中立即将冷却水压Pcw切换至该预设值。这样，可简化系统结构并提高控制响应。
由于在燃料电池组1内部温度Tsin低于0℃时水会结冰，因此当测得的内部温度Tsin低于0℃时，执行一段未示出的程序，必须事先通过用加热器加热或使高温气体在燃料电池组1的通道中循环以解冻内部的水，然后再执行上述程序。
此外，由于必须适当地加湿燃料电池组1的膜电极，所以探测了膜电极的湿润状态，当膜电极的含水量低于预定值时，将冷却水通道9的压力Pcw控制为低于常规运行压力Pnormal且高于步骤S14中设定的压力Plow的第二低压Plow2(Plow＜Plow2＜Pnormal)。加上这一处理，即使是膜电极中的水分向冷却水通道9的运动也可以防止，膜电极的湿润状态可保持在符合要求的水平。
图3为一流程图，示出考虑膜电极湿润状态的启动程序。在图2所示的程序中加入步骤S16-S18。
在步骤S16中探测膜电极的湿润状态。可从燃料电池组1的状态改变——例如电动势的改变以及水箱13中的保留水总量——来预测膜电极的湿润状态。更特定地，为了更直接地进行预测，探测形成燃料电池组1的每个电池的温度，测量电池的温度分布，如下面描述的实施方案所示，并据此进行预测。
当在步骤S17中确定膜电极不够湿润时，程序进入步骤S18，冷却水通道9的压力Pcw被控制为低于常规运行压力Pnormal且高于步骤S14中设定的压力Plow的压力Plow2。
下面，将描述本发明的第二实施方案。
图4示出第二实施方案的燃料电池系统的结构。安装温度传感器21，用以测量燃料电池组1的每个电池c1、c2、……、cn的温度，这与第一实施方案不同。方便起见，图3中只示出了三个传感器21，但是根据电池的数目，可以有更多或更少的传感器21。
此外，控制器16所执行的系统启动控制程序也不相同。控制器16从电池的温度分布预测水堵塞，并执行冷却水的压力控制。计算电池温度的平均值，并根据冷却水和电极2、3(负极2和正极3)在燃料电池组入口处的压力差ΔP以及电池温度的平均值Tcelave来控制冷却水压Pcw。
特定地，控制器16从电池温度分布中的离散(偏移)来预测水堵塞。举例来说，例如某些电池的温度低时，温度分布就会出现偏移，即可预测水堵塞的可能性，于是冷却水的压力Pcw立即降至压力的最小值Plow，在Plow处，不会发生燃气或氧化剂气体透进冷却水通道9的情况，水从负极2和正极3向冷却水通道9外流的效率增至最大，以迅速消除任何水堵塞。
即使在水堵塞解决之后，在燃料电池组1的加热完成之前，当电池的平均温度Tcelave低于预定温度Tth并且燃料电池组1中还存在发生水堵塞的可能性的时候，与前述实施方案一样，冷却水的压力Pcw被控制为低于稳定运行时的压力Pnormal，负极2和正极3中的水通过多孔板4中的孔有效地流入冷却水通道9。
图5为一流程图，示出燃料电池系统的启动程序，由控制器16在预定时间——例如每10毫秒——执行。
首先，在步骤S21中，开始向燃料电池组1中通入燃气、空气和冷却水。在步骤S22中，测量燃料电池组1的电池c1、c2、……、cn的温度Tcel1、Tcel2、……、Tceln。
在步骤S23中，从电池温度的分布预测水堵塞。当仅有一些电池的温度低于其它电池的温度时，可预测在处于低温下的电池中会发生水堵塞。当预测到出现水堵塞时，程序进入步骤S24，冷却水压Pcw设为最小压力Plow。最小压力Plow为燃气和氧化剂气体不会透入冷却水通道9的温度的最小值，并与前述实施方案一样，根据冷却水通道9和电极2、3之间的压力差ΔP进行设定。通过将冷却水压Pcw降至最小压力Plow，负极2和正极3中的凝结水向冷却水通道9的外流被提高到了最大，可提早消除水堵塞。
当确定温度分布的偏移已经消失并且燃料电池组1中的水堵塞被消除了时，程序进入步骤S25，计算电池的平均温度Tcelave。
在步骤S26中，将电池的平均温度Tcelave与预定温度Tth(凝结水所引起的水堵塞不会发生的温度中最低的温度)比较，当电池平均温度Tcelave低于预定温度Tth时，程序进入步骤S27，并像前述实施方案的步骤S14中那样，将冷却水压Pcw设为低于稳定运行的压力Pnormal。当电池平均温度Tcelave随后达到预定温度Tth时，程序进入步骤S28，冷却水压Pcw设为用于稳定运行的压力Pnormal。
在本实施方案中，测量了电池温度，从温度分布来确定水堵塞是否会发生。当确定发生了水堵塞时，将冷却水压Pcw降至最小压力Plow，优先权给予水从负极2和正极3向冷却水通道9的外流。从而，可提早消除燃料电池组1中的水堵塞。在水堵塞消除之后，可根据电池平均温度Tcelave与前述实施方案一样执行相同的启动程序，之后，可启动燃料电池系统而不会发生水堵塞。
同样在本实施方案中，与第一实施方案一样，从电动势等预测燃料电池组1的膜电极的湿润状态，如果膜电极不够湿润，则将冷却水压Pcw提高至Plow2，Plow2高于步骤S27中设定的压力Plow，从而抑制了水从负极2和正极3向冷却水通道9的运动，并像第一实施方案中那样帮助维持了膜电极的湿润。特别地，在本实施方案中，由于探测了电池温度分布，可从电池温度分布和电动势的变化高度精确地预测膜电极的湿润状态。
下面，将描述本发明的第三实施方案。
图6示出第三实施方案的燃料电池系统的结构。它基本上与第一实施方案相同，只是在冷却水通道9中靠近燃料电池组1入口和出口处分别形成了温度传感器31、32。而且，控制器16所执行的系统启动程序也不相同。
控制器16计算燃料电池入口和出口之间的冷却水温度差ΔT。从这个温度差ΔT，可掌握燃料电池组1内部的反应状况，可估算水堵塞并执行冷却水压控制。温度差ΔT可通过在燃料电池入口和出口处分别安装温度传感器31、32——如图6所示，或在冷却水通道9中安装热电耦来测量。无论哪种情形，比之通过在燃料电池组1内安装传感器来测量燃料电池组1的内部温度，这样的温度测量都可更简单。
图7为一流程图，示出燃料电池系统的启动程序，由控制器16在预定时间——例如每10毫秒——执行。
首先，在步骤S31中，开始向燃料电池组1通入燃气、空气和冷却水。
在步骤S32中，测量燃料电池组1入口和出口处的冷却水温度Tin、Tout。在步骤S33中，计算燃料电池组1入口和出口之间的冷却水温度差ΔT。
在步骤S34中，将温度差ΔT与预设温度差ΔTth相比。例如，如果外界大气温度大约为20℃，而燃料电池组1的运行温度大约为60℃-70℃，那么温度差ΔTth设为一个20℃-50℃之间的值。当温度差ΔT小于ΔTth时，可确定燃料电池组1的加热没有完成，水凝结所引起的水堵塞有可能在燃料电池组1中发生，因而程序进入步骤S35，冷却水压Pcw设为Plow(＜Pnormaal)。
之后，如果燃料电池组1的加热仍在继续且温度差ΔT变得大于ΔTth，则假设燃料电池组1的加热完成，程序进入步骤S36。其后，冷却水压Pcw被控制为稳定运行时通常所用的压力Pnormal。
即使根据燃料电池组1入口和出口处冷却水的温度差ΔT确定燃料电池组1的加热完成，也可以进行与前述实施方案中相同的启动程序。
尽管这里根据燃料电池组1入口和出口处冷却水的温度差ΔT确定燃料电池组1的加热状态，也可根据燃料电池组1入口和出口处燃气或空气的温度差确定燃料电池组1的加热状态。
进一步，可省略入口处的传感器，可从出口处流体(冷却水、燃气，或空气)的温升来确定燃料电池组1的加热状态。例如，如果当出口处冷却水的温度升高至预定温度时确定燃料电池组1的加热完成，则可简化系统结构，还可简化控制。
此外，同样在本实施方案中，与前述实施方案一样，可从电动势等探测燃料电池组1的膜电极的湿润状态，如果膜电极不够湿润，则将冷却水压提高至Plow2，Plow2高于步骤S35中设定的压力Plow，从而抑制了水从负极2和正极3向冷却水通道9的运动，并帮助维持了膜电极的湿润。
此处引入日本专利申请P2001-342937(2001年11月8日申请)的全部内容作为参考。
尽管上面参考本发明的特定实施方案描述了本发明，但本发明并不局限于上述实施方案。按照上面的讲解，上述实施方案的修改和变化对于熟练的技术人员来说都是可行的。参照下列权利要求确定了本
发明的范围。
应用的工业领域
本发明可用于各种燃料电池系统，包括那些汽车中所用的，当燃料电池系统从低温状态下启动时，本发明可有效地防止水堵塞，并促进燃料电池系统的启动。

Claims (13)

1.燃料电池系统，包括：
燃料电池组(1)，其中冷却水通道(9)和电极(2、3)通过水能穿过的多孔板(4)相连，
压力调节设备(11、12)，用于调节冷却水通道(9)中冷却水的压力，以及
控制器(16)，根据燃料电池组(1)的运行状态确定燃料电池组(1)的加热是否完成，以及
在燃料电池组(1)的加热完成之前，控制压力调节设备(11、12)，使冷却水压力降至低于加热完成后的稳态下的冷却水压力。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中：
所述控制器(16)在燃料电池组(1)的加热完成之前，控制压力调节设备(11、12)以将冷却水压力设定为气体在电极(2、3)处不会透进冷却水通道(9)的压力。
3.根据权利要求1的燃料电池系统，其中：
所述控制器(16)在燃料电池组(1)的加热完成之前，控制压力调节设备(11、12)以将冷却水压力设定为高于气体在电极(2、3)处不会透进冷却水通道(9)的最小值。
4.根据权利要求3的燃料电池系统，进一步包括检测在燃料电池组(1)入口处冷却水通道(9)和电极(2、3)之间的压差的传感器(5、6、7)，以及
所述控制器(16)根据所测得的压差，确定气体在电极(2、3)处不会透进冷却水管道(9)的压力的最小值。
5.根据权利要求1的燃料电池系统，进一步包括检测燃料电池组(1)的温度的传感器(15)，以及
所述控制器(16)在燃料电池组(1)的温度升到预定温度时，确定燃料电池组(1)的加热完成。
6.根据权利要求5的燃料电池系统，其中：
检测燃料电池组(1)的温度的所述传感器(15)检测燃料电池组(1)的内部温度，以及
所述控制器(16)在燃料电池组(1)的内部温度升到燃料电池组(1)中不会发生水堵塞的预定温度时，确定燃料电池组(1)的加热完成。
7.根据权利要求1的燃料电池系统，其中：
燃料电池组(1)包括多个电池(c1、c2、……、cn)，
系统进一步包括检测电池(c1、c2、……、cn)的温度的多个传感器(21)，以及
所述控制器(16)在电池(c1、c2、……、cn)的平均温度升到燃料电池组(1)中不会发生水堵塞的预定温度时，确定燃料电池组(1)的加热完成。
8.根据权利要求7的燃料电池系统，其中：
所述控制器(16)从电池温度分布预测燃料电池组(1)中的水堵塞，并控制冷却水的压力使其高于气体在电极(2、3)处不会透入冷却水通道(9)的最小值。
9.根据权利要求1的燃料电池系统，进一步包括在燃料电池组(1)出口处检测供应到燃料电池组(1)的流体的温度的传感器(32)，以及
所述控制器(16)在燃料电池组(1)出口处的流体的温度升到预定温度时，确定燃料电池组(1)的加热完成。
10.根据权利要求1的燃料电池系统，进一步包括在燃料电池组(1)入口和出口处检测供应到燃料电池组(1)的流体的温度差的传感器(31、32)，其中：
所述控制器(16)在流体在燃料电池组(1)入口和出口处的温度差升到预定温度时，确定燃料电池组(1)的加热完成。
11.根据权利要求9或10的燃料电池系统，其中，所述流体为供应到燃料电池组(1)的冷却水、燃气和空气中的一种。
12.根据权利要求1的燃料电池系统，其中，所述控制器(16)从燃料电池组(1)的运行状态确定燃料电池组(1)膜电极的湿润状态，以及
当膜电极不够湿润时，升高冷却水的压力以抑制水从电极(2、3)向冷却水通道(9)的外流。
13.燃料电池系统启动方法，该燃料电池系统包括：燃料电池组(1)；用于调节冷却水通道(9)中的冷却水压力的压力调节设备(11、12)，其中冷却水通道(9)和电极(2、3)通过水能穿过的多孔板(4)相连，该方法包括：
根据燃料电池组(1)的运行状态确定燃料电池组(1)的加热是否完成，以及
在燃料电池组(1)的加热完成之前，控制压力调节设备(11、12)，使冷却水压力降至低于加热完成后的稳态下的冷却水压力。
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