CN1327561C - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池系统，包括向燃料电池(1)供应氢气的氢气供应系统(2)、通过使加热介质再循环到燃料电池(1)中而调节燃料电池(1)温度的加热介质供应系统(4)、通过燃烧氢气产生高温燃烧气体的燃烧室(5)、通过给加热介质提供燃烧气体的热量而加热所述加热介质，从而在冷起动操作期间加热燃料电池(1)的热交换器(6)、使氢气供应系统(2)内部的气体流入燃烧室(5)的净化阀(13)，以及排放燃烧气体而使燃烧气体不通过热交换器(6)的排气三通阀(21)。在氢气净化期间，通过排气三通阀(21)排出燃烧气体，从而绕过热交换器(6)。
Description
技术领域
本发明涉及可以再循环氢气的燃料电池，并且更具体地说涉及除去在再循环通道中积聚的杂质。
背景技术
在日本专利局2000年公布的JP2000-243417A中公开的燃料电池系统通过再循环向燃料电池中供应氢气。久而久之，抑制电力生产的杂质在流过再循环通道的气体中积聚，因此当再循环的气体中杂质的量超过预定量时，杂质与再循环气体一起被排放入大气中。
发明内容
但是，流过再循环通道的气体中含有氢气，就这样排出所述氢气是不可取的。
此外，当通过重整材料，例如甲醇或汽油产生氢气时，尽管是少量的，但是在氢气中含有材料组分，就这样排出这些组分也是不可取的。
因此，已经建议再循环通道内的气体与空气混合并且在燃烧室中燃烧，产生蒸汽等，然后排放。还建议所得的燃烧气体通过热交换器并且重新用来升高燃料电池中加热介质的温度。
在此情况下，如果加热介质通过热交换器，加热介质温度上升的量较低。但是如果加热介质不流过热交换器，产生的燃烧热仅提供给保持在热交换器中的小部分加热介质，那么加热介质的温度仅部分升高。如果加热介质沸腾，则加热介质通道的压力增加，引起系统故障或者由于热分解引起加热介质的变化。
因此，本发明的一个目标是在排放的再循环气体接受燃烧处理时，防止加热介质沸腾引起的加热介质通道压力的增加和加热介质的变化。
为了实现上述目标，本发明提供了一种燃料电池系统，其包括：通过使氢气和氧气反应而产生电能的燃料电池；向燃料电池供应氢气的氢气供应装置；通过使加热介质流入燃料电池而调节燃料电池温度的温度调节装置；通过燃烧氢气而产生高温燃烧气体的燃烧室；通过给加热介质提供燃烧气体的热量以加热所述加热介质的热交换器，从而在冷起动操作期间由所述加热介质加热燃料电池；以及使氢气供应装置内的气体流入燃烧室的氢气净化装置，其中，当通过氢气净化装置执行氢气净化时，向所述加热介质所流过的热交换器侧和不存在加热介质的通道侧中的至少之一排放燃烧室产生的燃烧气体。
本发明的细节和其它特征及优点在本说明书的其余部分提出，并且表示在附图中。
附图说明
图1是根据本发明的燃料电池系统的组成图。
图2是控制器的控制方框图。
图3是执行加热操作判定控制的流程图。
图4是加热操作控制的流程图。
图5与图1相似，但是举例说明了本发明的第二实施方案。
图6是控制器的控制方框图。
图7是氢气净化判定控制的流程图。
图8是氢气净化控制的流程图。
图9与图1相似，但是举例说明了本发明的第三实施方案。
图10是控制器的控制方框图。
图11是加热介质通道选择控制的流程图。
图12是氢气净化控制的流程图。
图13与图2相似，但是表示了本发明第四实施方案中控制器的控制方框图。
图14是氢气净化控制的流程图。
图15与图1相似，但是举例说明了本发明的第五实施方案。
图16是加热介质通道选择控制的流程图。
图17是在本发明第六实施方案中氢气净化判定控制的流程图。
图18是加热介质通道选择控制的流程图。
图19是氢气净化控制的流程图。
具体实施方式
第一实施方案
附图的图1至4表示本发明使用的燃料电池系统。图1是系统图，图2是控制器的控制方框图，图3是执行加热操作判定控制的流程图，并且图4是加热操作控制的流程图。
如图1所示，燃料电池系统包括通过接收氢气和氧气(空气)供应而产生电能的燃料电池1、通过再循环向燃料电池1供应氢气的氢气供应系统2、向燃料电池1供应含有氧气的空气的氧化气体供应系统3、向燃料电池1供应加热介质的加热介质供应系统4、燃烧排放的含有杂质的氢气以及排放的氧气的燃烧室5(所述氢气在执行净化期间从氢气供应系统2中排出)，以及在燃烧室5的燃烧气体和加热介质之间实施热交换的热交换器6。检测燃料电池1温度的温度检测器7和检测燃料电池1的电力生产状态的瓦特计8与燃料电池1连接，并且其检测的信号被输入控制器9中。
氢气供应系统2使用压力调节阀10降低来自图中未表示的高压储罐的氢气压力至预设的压力，然后向燃料电池的燃料电极供应氢气。从燃料电池1的燃料电极排放出的排放氢气通过再循环通道11返回喷射器2，与新供应的氢气混合，并且重新供应给燃料电池1的燃料电极。再循环通道11借助净化阀13与燃烧室5导通。当净化阀13打开时，再循环通道11中的气体被供应给燃烧室5。压力调节阀10和净化阀13由控制器9控制。
氧化气体供应系统3吸入外部空气，使用通过图中未表示的电动马达驱动的压缩机14压缩所述空气，然后输送空气，将其供应给燃料电池1的氧化电极。从氧化电极排放出的排放空气被供应给燃烧室5。
加热介质供应系统4通过使加热介质流过图中未表示的燃料电池1的加热介质通道而控制燃料电池1的温度。加热介质供应系统4由与燃料电池1的加热介质通道串联提供的用来泵取加热介质的泵16，以及冷却经由三通阀17从燃料电池1排放出的加热介质的散热器18组成。在散热器18附近提供风扇19。由控制器9控制风扇19的旋转，从而控制输送给散热器18的空气量，由此调节散热器18的冷却能力。
三通阀17被放置在围绕着散热器18的热交换通道20的分叉点处。由控制器9转换所述三通阀17，使从燃料电池1排放出的加热介质流向热交换通道20，或者流向散热器18侧上的热交换器旁路通道22，绕过热交换器6。
热交换器6提供在热交换通道20某个位置。热交换器6通过与燃烧室5中产生的燃烧气体进行热交换而加热通过其内部的加热介质。热交换器6被放置在加热介质并不总是通过其流动的热交换通道20上，而不是放置在由泵16使加热介质总是通过其流动的加热介质供应系统4中，因此抑制了热交换器6引起的压力降，并且防止了增加泵16工作而引起的效率降低。
控制器9由一个、两个或多个微处理机、内存，以及输入/输出接口组成。控制器9基于温度检测器7检测的燃料电池1的燃料电池温度而转换三通阀17。当燃料电池温度高于预定的温度时，三通阀17转换至散热器18侧(热交换器旁路通道22)，使得加热介质导向散热器18并且冷却。设置温度适当地从燃料电池系统可以稳定操作的温度范围内来确定。当燃料电池温度低于设置温度时，三通阀17转换至热交换通道20，使得加热介质导向热交换器6。
热交换器6的一个热交换面供应有加热介质，并且经由排气三通阀21，另一个热交换面供应有来自燃烧室5的燃烧气体，并且通过向加热介质供应燃烧气体的热量，加热介质被加热。如上所述，当燃料电池温度低于设置温度时，向热交换器6供应加热介质。通过增加加热介质的温度，升高燃料电池1的温度。
当打开净化阀13时，燃烧室5使用从氧化气体供应系统3排放的空气燃烧从再循环通道11排放的再循环气体。排气三通阀21选择向外排放产生的燃烧气体，或者向热交换器6供应气体。排气三通阀21的转换位置由控制器9控制，并且通常位于外部空气侧位置来向外面排放燃烧气体。当加热介质供应系统4的三通阀17转换至热交换器6侧时，排气三通阀21转换至热交换器6侧位置。通过向热交换器6侧的位置打开排气三通阀21，向热交换器6供应来自燃烧室5的燃烧气体，加热介质由燃烧气体的热量加热。
图2表示以预定时间间隔执行的控制器9的控制方框图。
如图2所示，控制器9首先通过加热操作执行判定部分25判定是否执行加热操作，然后根据判定部分25的判定结果，借助于加热操作控制部分26，或者执行加热操作或者继续正常操作。
图3是加热操作执行判定部分25的流程图，并且图4是加热操作控制部分26的流程图。
如图3所示，首先，在步骤S11中，加热操作执行判定部分25读取由温度检测器7检测的燃料电池1的温度TFC。
在步骤S12中，判定燃料电池温度TFC是否高于预定温度SLTFC。如果燃料电池温度TFC高于预定温度SLTFC，程序进行至步骤S14，并且如果不高于，程序进行至步骤S13。
在步骤S13中，设置加热操作标志FCOLD为1(允许加热操作)并且流程结束。在步骤S14中，设置加热操作标志FCOLD为0(不允许加热操作)并且程序结束。
如图4所示，首先，在步骤S21中，加热操作控制部分26判定加热操作执行判定部分25设置的加热操作标志FCOLD为1或0。如果标志FCOLD为0，不允许加热操作，因此程序进行至步骤S24。如果标志FCOLD为.1，那么程序进行至步骤S22。
在步骤S24中，设置排气三通阀21，朝向外部空气侧位置并且程序结束。
在步骤S22中，为了实施加热操作，打开净化阀13，调节压力调节阀10，从而供应足够量的氢气，产生燃烧室5中预热所需的热量的量，并且压缩机14连续操作，向燃烧室5供应空气。因此，用足够量的空气和氢气供应燃烧室5，从而产生预热所需的热量的量，并因此产生高温燃烧气体。加热介质供应系统4的三通阀17转换至热交换器6侧，并且操作泵16。加热介质流过泵16、燃料电池1、三通阀17、热交换通道20，以及热交换器6。接着该过程，程序进行至步骤S23。
在步骤S23中，排气三通阀21转换至热交换器6侧位置，并且过程结束。这样一来，燃烧室5中产生的高温燃烧气体通过热交换器6。燃烧气体的热量通过热交换传递给加热介质，并且升温的加热介质流向燃料电池1。结果，燃料电池1的温度快速上升达到在短时间内可以有效运转的温度。
根据上述程序，燃烧气体仅在实施加热操作时被导向热交换器6，并且在其它时间燃烧气体被排放入大气中，而不通过热交换器6。因此，在加热操作以外的操作期间，并且特别是在执行净化期间，防止了燃烧气体的热量传递给加热介质。结果，可以抑制由于加热介质通道中增加的压力引起加热介质的过度加热和沸腾，以及加热介质的变化。
在本实施方案中获得下面的作用。
(i)在冷起动操作期间，通过热交换器6向加热介质供应燃烧室5中产生的高温燃烧气体，从而加热介质被加热并且加热燃料电池1。在执行氢气净化期间，通过排气三通阀21(热交换器旁路装置)排放燃烧室5产生的高温燃烧气体，并且不通过热交换器6。
因此，氢气净化期间产生的热量被排放入大气中，而不供应给热交换器6，因此甚至在停止加热介质流入热交换器6时，加热介质也不会被过度加热。结果，可以避免加热介质的沸腾、加热介质通道中压力的增加，以及加热介质的变化。
第二实施方案
图5至8举例说明了本发明的第二实施方案。图5是系统图，图6是控制方框图，图7是氢气净化判定控制的流程图，并且图8是氢气净化控制的流程图。
在第二实施方案中，一部分加热介质总是被再循环至热交换器。除去燃烧室5下游的排气三通阀，并且向热交换器供应来自燃烧室的所有燃烧气体。与第一实施方案相同的装置已经分配了相同的参考符号，并且已经忽略或者简化了它们的说明。
如图5所示，通过通道23将加热介质供应系统4的热交换通道20上的热交换器6和三通阀17之间的位置与燃料电池1的加热介质出口附近连接，并且在所述通道23上面提供由控制器9调节其打开的旁路阀27。
根据旁路阀27的打开，一部分从燃料电池1排放出的加热介质流入热交换通道20，流过热交换器6，由泵16抽吸，然后流向燃料电池1。尽管在图中没有显示，但通过操作三通阀17，使得加热介质流向热交换通道20，可以实施相似的操作，而不用提供旁路阀27。
燃烧室5与热交换器6直接连接，并且当燃烧室5燃烧再循环的气体时，所有所得的燃烧气体被供应给热交换器6。
在冷起动期间，与第一实施方案相似，由燃烧室5燃烧通过净化阀13供应的排放的空气和排放的氢气，于是向热交换器6供应高温燃烧气体。向热交换器6侧打开三通阀17，并且通过三通阀17向热交换器6供应所有来自燃料电池1出口的加热介质。因此，在冷起动操作期间，可以通过向加热介质供应燃烧气体的热量而加热加热介质来加热燃料电池1。
杂质积聚在向燃料电池1供应氢气的氢气供应系统2的再循环通道中，因此实施下述的控制。
图6是以预定时间间隔执行的控制器9的控制方框图。控制器9首先根据氢气净化判定部分28，判定是否执行氢气净化，然后根据氢气净化判定部分28的判定结果，通过氢气净化控制部分29，或者执行氢气净化操作，或者继续正常操作而不执行氢气净化。
图7是所述氢气净化判定部分28的流程图，并且图8是氢气净化控制部分29的流程图。
如图7所示，首先，在步骤S31中，氢气净化判定部分28判定氢气净化允许标志FH2P是否为1(允许氢气净化)或0(不允许氢气净化)。如果氢气净化允许标志FH2P为1，那么已经执行氢气净化，由于没有必要判定执行氢气净化，所以程序结束，不进行任何进一步的步骤。如果氢气净化允许标志FH2P为0，那么程序进行至步骤S32。
在步骤S32中，判定杂质积聚指标SUMGAS是否超过预定的值SLGAS，该指标是作为数值而测量的再循环通道中的再循环气体所含的杂质量。如果杂质积聚指标SUMGAS超过预定值SLGAS，程序进行至步骤S35；并且如果杂质积聚指标SUMGAS低于预定值SLGAS，判定仍不需要氢气净化并且程序进行至步骤S33。
在步骤S35中，杂质积聚指标SUMGAS被设置为0，氢气净化允许标志FH2P被设置为1，从而允许氢气净化操作，并且程序结束。
在步骤S33中，读取燃料电池1的电力生产量W，并且程序进行至步骤S34。
在步骤S34中，根据本发明下面的等式计算杂质积聚指标SUMGAS：
SUMGAS＝W×K+SUMGAS
于是程序结束。此处，如果每秒种实施一次当前程序，举例来说，设置K为K＝1，并且如果不规则地实施程序，K被设置为与从实施前一程序至当前程序的时间相等的数值。通过这样设置K，杂质积聚指标SUMGAS采取基本上与提取电力的积分值相等的值。杂质积聚指标SUMGAS的值不同于杂质的实际量，但是因为与SUMGAS相似，氢气电极中的杂质也基本上与提取的电力量成正比，所以可以通过根据杂质积聚指标SUMGAS的大小，确定氢气净化时间而精确地确定净化时间。
执行氢气净化的时间不局限于本实施方案中所述的时间，并且如日本专利局在2000年公布的JP2000-243417A中所公开，可以以固定的操作时间间隔，或者当燃料电池的输出电压降低至预定值时，或者当氢气浓度下降至预定浓度时执行氢气净化。
如图8所示，首先在步骤S41中，氢气净化控制部分29判定氢气净化允许标志FH2P是否为1(允许氢气净化)。如果氢气净化允许标志FH2P为1，程序进行至步骤S42，并且如果不允许氢气净化，那么程序结束不进行其它步骤。
在步骤S42中，读取泵16的转速NP。在步骤S43中，通过参考泵的转速-打开表，设置相应于泵16转速NP的旁路阀27的打开程度BVO。在步骤S44中，调节旁路阀27的打开程度至打开程度BVO，打开净化阀13，并且开始净化。
在步骤S45中，计时器TM增加预定量T。与图7的步骤S34相似，如果以固定的时间间隔实施当前程序，所述预定量T可以是固定的值；但是，如果程序是不规则的，那么设置T为与从实施前一程序至当前时间所消逝的时间相等的值。这样一来，可以精确地计算执行净化的时间。
在步骤S46中，判定计时器TM是否已经超过预定值SLTM，并且如果没有程序结束不进行其它步骤，从而继续净化。如果计时器TM已经超过预定的值SLTM，程序进行至步骤S47，其中为了结束氢气净化，关闭旁路阀27和净化阀13，并且设置氢气净化允许标志FH2P为0。对于随后的测量，计时器TM也被设置为0，因此程序结束。设置预定值SLTM为可以期望足够的氢气净化作用，并且最小化废氢气排放的值。这是基于实验结果而设置的。
根据上述程序，当净化氢气时，使预定量的加热介质(基于步骤S43中泵的转速-打开表)总是流向热交换器6，甚至在三通阀17设置至散热器18侧，或者换句话说热交换器旁路通道22侧时，因此防止了过量的热量被施用给一部分加热介质。结果，可以避免加热介质的沸腾、加热介质通道中的压力增加，以及加热介质热分解引起的变化。
当三通阀17被设置至热交换器6侧时，不需要控制旁路阀27，但是如果执行所述控制，不会出现特别的问题，并且此处为了简化控制，其间没有区别。当然，所述情况可以是有区别的，使得当三通阀17设置至热交换器6侧时，不实施旁路阀27控制。
还在第二实施方案中，添加通道23和旁路阀27，但是如果三通阀17具有打开调节功能，使得在氢气净化期间，使预定量的加热介质流向热交换器6侧，那么可以获得相似的作用而不用提供通道23和旁路阀27。
在本实施方案中获得下面的作用。
(ii)氢气供应系统2内部的气体通过净化阀13排放到燃烧室5，从而由燃烧室5产生高温燃烧气体。在冷起动操作期间，燃烧气体的热量通过热交换器6提供给加热介质，从而加热加热介质，因此可以预热燃料电池1。
即便在加热介质通道通过三通阀17被设置至热交换器旁路通道22侧，也会使预定量的加热介质流向热交换器6侧，因此甚至在正常操作期间完成预热时，在燃烧室5运转时预定量的加热介质流向热交换器6。结果，可以避免加热介质的沸腾、加热介质通道压力的增加，以及加热介质的变化。
第三实施方案
图9至12举例说明了本发明的第三实施方案。图9是系统图，图10是控制方框图，图11是加热介质通道选择控制的流程图，并且图12是氢气净化控制的流程图。
在第三实施方案中，在三通阀已经打开后执行氢气净化，使得加热介质流入热交换器中。与图1至8相同的装置已经分配了相同的参考符号，并且已经省略或简化了它们的说明。
如图9所示，在第三实施方案的燃料电池系统中，已经除去了图5中所示的燃料电池系统的通道23和旁路阀27。在执行氢气净化之前，控制器9将三通阀17转换至热交换器6侧。
图10是以预定时间间隔执行的控制器9的控制方框图。
首先，控制器9通过氢气净化判定部分28判定是否执行氢气净化。当允许执行氢气净化时，通过加热介质通道选择部分30使加热介质流向热交换器6侧，然后通过氢气净化控制部分31执行氢气净化控制。氢气净化判定部分28与第二实施方案的图7中所示的相同，因此已经省略了其说明。
图11是加热介质通道选择部分30的流程图。图12是氢气净化控制部分31的流程图。
如图11所示，首先在步骤S51中，加热介质通道选择部分30判定氢气净化允许标志FH2P是否为1(允许氢气净化)。如果不允许氢气净化，程序进行至步骤S52，并且如果允许净化，程序进行至步骤S55。
在步骤S52中，读取温度检测器7检测的燃料电池1的温度TFC。在步骤S53中，判定燃料电池温度TFC是否低于预定温度SLTFC。如果温度TFC高于预设温度SLTFC，程序进行至步骤S54，其中设置三通阀17至散热器18侧，从而冷却加热介质，因此程序结束。另一方面，如果温度TFC低于预设温度SLTFC，程序进行至步骤S55。
在步骤S55中，设置三通阀17至热交换器6侧，使得加热介质流入热交换器6，因此程序结束。通过所述控制，在氢气净化期间，加热介质始终流入热交换器6。
如图12所示，首先在步骤S61中，氢气净化控制部分31判定氢气净化允许标志FH2P是否为1(允许氢气净化)。如果不允许氢气净化，程序结束，并且如果允许净化，程序进行至步骤S62。
在步骤S62中，打开净化阀13并且开始氢气净化。在步骤S63中，计时器TM增加预定量T。
与图7的步骤S34中的K相似，如果以固定的时间间隔实施当前程序，预定量T可以是固定值，但是如果程序是不规则的，那么T被设置为与从实施前一程序至当前时间所消逝的时间相等的数值。这样一来，可以精确地计算执行净化的时间。
在步骤S64中，判定计时器TM是否已经超过预定值SLTM。如果没有超过，程序结束而不进行其它步骤，从而继续净化；并且如果超过了，程序进行至步骤S65，其中，为了结束氢气净化，关闭净化阀13，并且设置氢气净化允许标志为FH2P为0。计时器TM也为随后的测量设置为0，因此程序结束。设置预定值SLTM为可以期望足够的氢气净化作用并且使废氢气排放最小化的值。这是基于实验结果而设置的。
通过实施上述程序，当加热介质通道被设置至散热器18侧(热交换器旁路通道22侧)，在通道被改变至热交换器6侧时实施氢气净化，因此在热交换器6侧没有保留加热介质。结果，仅通过加热一部分加热介质，可以避免加热介质的沸腾、加热介质通道压力的增加，以及由于热分解加热介质的变化。
此外，在低温起动期间用于升高燃料电池1温度的燃烧室5和在净化期间燃烧排放氢气的燃烧室5可以是一体的。
在本实施方案中获得下面的效果。
(iii)向燃料电池1供应氢气的氢气供应系统2内部的气体通过氢气净化阀13流入燃烧室5，并且使之与燃烧室5中的氧气反应，产生高温燃烧气体。因此，在冷起动操作期间，燃烧气体的热量通过热交换器6被提供加热介质，从而加热加热介质，并因此可以预热燃料电池系统。
当提供三通阀17来转换加热介质通道至热交换器6侧或者热交换器旁路通道22(散热器18)侧时，并且如果在要求氢气净化时，加热介质正流向热交换器旁路通道22侧，在加热介质通道已经转换至热交换器6侧后，实施氢气净化。因此，氢气净化期间产生的热量被加热介质借助热交换器6吸收。不需要在燃烧室5和热交换器6之间提供排气三通阀，而且，可以避免加热介质的沸腾、加热介质通道压力的增加，以及加热介质的变化而不增加泵16的工作。
第四实施方案
图13和14举例说明了本发明的第四实施方案。图13是控制方框图，并且图14是氢气净化控制的流程图。
系统组成与图9中所示第三实施方案的组成相同。如果在要求氢气净化时，加热介质正流向散热器侧，则阻止净化，直至加热介质流向热交换器侧。与图1至12中相同的装置已经分配了相同的参考符号，并且已经省略或简化了它们的说明。
图13是以预定时间间隔执行的控制器9的控制方框图。
首先，控制器9通过氢气净化判定部分28判定是否执行氢气净化。如果允许氢气净化，则通过加热介质通道选择部分30，使加热介质流向热交换器6侧。然后，通过氢气净化控制部分32执行氢气净化控制。氢气净化控制部分32根据加热介质通道选择部分30的指令改变氢气净化执行的时间。氢气净化判定部分28与第二实施方案的图7相同，并且加热介质通道选择部分30与第三实施方案的图11中所示相同，因此已经省略了它们的说明。
图14是氢气净化控制部分32的流程图。
首先，在步骤S71中，氢气净化控制部分32判定氢气净化允许标志FH2P是否为1(允许氢气净化)。如果不允许氢气净化，程序进行至步骤S77，并且如果允许净化，程序进行至步骤S72。
在步骤S72中，参考三通阀17打开的方向。如果三通阀17向散热器18侧打开，或者换句话说向热交换器旁路通道22侧打开，则程序进行至步骤S77；并且如果三通阀17向热交换器6侧打开，则程序进行至步骤S73。
在步骤S73中，打开净化阀13并且开始氢气净化。在步骤S74至S76中执行净化。步骤S74至S76的程序与第三实施方案的图12中步骤S63至S65相同，因此已经省略了它们的说明。
在步骤S77中，关闭净化阀13，阻止执行净化，并且程序结束。
根据上述程序，当三通阀17向散热器18侧打开，使得加热介质不流入热交换器6中时，程序从步骤S72移至其中关闭净化阀13的步骤S77。因此，可以避免加热介质的沸腾、加热介质通道压力的增加，以及由于热分解引起的加热介质变化。
此外，如果在净化期间，加热介质通道转换至散热器18侧(热交换器旁路通道22侧)，在此处阻止净化。但是，计时器TM的值维持其值，而不重新设置，直至完成净化。因此，当重新开始净化时，计时器TM从阻止净化的值开始，使得仅在所需的时间内执行净化。
在本实施方案中，除了第三实施方案中的作用(iii)外，还获得下面的作用。
(iv)如果在要求净化时，加热介质正流向热交换器旁路通道22侧(散热器18侧)，则阻止净化，直至加热介质流向热交换器6侧，因此，可以避免加热介质的沸腾、加热介质通道压力的增加，以及加热介质的变化。
第五实施方案
图15和16举例说明了本发明的第五实施方案。图15是系统图，并且图16是加热介质通道选择控制的流程图。
在第五实施方案中，增加散热器的冷却能力，使得可以比平常更快地冷却加热介质。如果在要求净化时，加热介质正流向散热器侧，升高散热器的冷却能力，使得更快地冷却加热介质，因此使加热介质流向热交换器侧，并且实施氢气净化。应当注意与图1至14中相同的装置已经分配了相同的参考符号，并且已经省略或简化了它们的说明。
如图15所示，系统组成基本上与图9中所示的第三实施方案组成相同，但是在下列方面是不同的：在散热器18的出口处提供测量加热介质温度的加热介质温度计33，并且向控制器9输入来自加热介质温度计33的温度信号。
控制器9的控制方框图与图13中所示的第四实施方案相同。首先，通过氢气净化判定部分28判定是否执行氢气净化，并且如果允许氢气净化，通过加热介质通道选择部分30，使加热介质流向热交换器6侧。然后通过氢气净化控制部分32，执行氢气净化控制。氢气净化控制部分32根据加热介质通道选择部分30的指令改变氢气净化执行的时间。
氢气净化判定部分28与图7所示的第二实施方案相同，并且氢气净化控制部分32与图14所示的第四实施方案相同。因此已经省略了它们的说明。
图16是加热介质通道选择部分30的流程图。
首先，在步骤S81中，加热介质通道选择部分30读取燃料电池温度TFC，并且在步骤S82中，判定燃料电池温度TFC是否高于预定温度SLTFC。如果不高于，程序进行至步骤S92，如果高于，程序进行至步骤S83。
在步骤S92中，三通阀17转换至热交换器6侧并且程序结束，而不冷却燃料电池1。
在步骤S83中，三通阀17转换至散热器18(热交换器旁路通道22)侧，准备冷却燃料电池1。
在步骤S84中，判定氢气净化允许标志FH2P是否为1(允许氢气净化)。如果允许氢气净化，程序进行至步骤S91。在步骤S91中，设置泵16的转速为高于第一预定转速(正常操作期间泵的转速)的第二预定转速，并且使风扇19旋转。因此，已经由散热器18冷却的大量冷的加热介质被输送给燃料电池1，使得可以快速冷却燃料电池1。
如果在步骤S84中不允许氢气净化，实施正常操作而不实施上述的快速冷却操作。更具体地说，程序进行至步骤S85，判定燃料电池1的温度TFC是否高于比低设置温度SLTFCL高的高设置温度SLTFCH。如果温度TFC高于高设置温度SLTFCH，则在步骤S90中，设置泵16的转速为高于第一预定转速的第二预定转速。如果温度TFC低于高设置温度SLTFCH，则在步骤S86中，设置泵16的转速为第一预定转速。
在步骤S87中，读取温度检测器33检测的加热介质温度TLLC。在步骤S88中，判定加热介质温度TLLC是否低于加热介质预定温度SLTLLC。如果低于，当前程序结束而不进行其它步骤；并且如果不低于，在步骤S89中使风扇19旋转。
通过上述程序，当燃料电池1的温度是高的时，向散热器18侧打开三通阀17，在快速冷却燃料电池1后，使得燃料电池1的温度充分降低，实施氢气净化，并且三通阀17转换至热交换器6侧。结果，可以避免加热介质的沸腾、加热介质通道压力的增加，以及由于热分解引起的加热介质变化。还可以避免燃料电池1的温度过度增加，并且可以缩短阻止氢气净化的时间。
在本实施方案中，除了第三实施方案中的作用(iii)和第四实施方案中的作用(iv)外，获得下面的作用。
(v)在热交换器旁路通道22(散热器18)侧提供了冷却加热介质的散热器18，以及增加散热器18的冷却能力使得加热介质可以比平常更快地冷却的风扇19。如果在要求氢气净化时，加热介质正流向散热器18侧，首先通过风扇19将加热介质快速冷却至预定温度以下，然后加热介质通道转换至热交换器6侧，接着执行氢气净化。因此，燃料电池1的温度可以保持在最佳水平，并且以适当的时间实施氢气净化。结果，可以避免加热介质的沸腾、加热介质通道压力的增加，以及加热介质的变化。
(vi)通过使用增加加热介质经过散热器18的流动的泵16作为调节散热器18冷却能力的装置，可以调节散热器18的冷却能力而不用添加任何特殊装置。
(vii)通过使用增加空气经过散热器18的流动的风扇19作为调节散热器18冷却能力的装置，可以高效地冷却燃料电池。
第六实施方案
图17至19举例说明了本发明的第六实施方案。图17是氢气净化判定控制的流程图，图18是加热介质通道选择控制的流程图，并且图19是氢气净化控制的流程图。
在第六实施方案中，如果在要求氢气净化时，加热介质正在散热器侧流动，根据净化迫切性选择在加热介质通道转换至热交换器侧后执行氢气净化，或者阻止净化。与图1至16中相同的装置已经分配了相同的参考符号，并且已经省略或简化了它们的说明。系统组成与图15中所示的第五实施方案的组成相同。
已经省略了控制器9的控制方框图，但是其与图13中所示的第四实施方案相似。首先，通过氢气净化判定部分28判定是否执行氢气净化，并且如果允许氢气净化，通过加热介质通道选择部分30，使加热介质流向热交换器6侧。然后，通过氢气净化控制部分32执行氢气净化控制。
图17是氢气净化判定部分28的流程图。图18是加热介质通道选择部分30的流程图，并且图19是氢气净化控制部分32的流程图。
如图17所示，首先在步骤S101中，氢气净化判定部分28读取瓦特计8检测的当前电力量和氢气净化控制部分32计算的氢气净化持续时间TM，这将在下面描述。
在步骤S102，根据下面的等式计算杂质积聚指标SUMGAS：
SUMGAS＝SUMGAS+W×K1-TM×K2
指标SUMGAS是作为数值测量的再循环气体中的杂质量，其在驱动燃料电池1时增加并且地执行氢气净化时降低。此处，调节K1、K2等，并且通过实验等设置为适当的值。
在步骤S103中，判定指标SUMGAS是否大于第一预定值SLGASL。如果大于，程序进行至步骤S104，其中设置第一净化允许标志FH2PL为1，并且设置第二净化允许标志FH2PH为0。
在步骤S105中，判定指标SUMGAS是否大于比第一预定值SLGASL大的第二预定值SLGASH。如果指标SUMGAS大于第二预定值SLGASH，程序进行至步骤S106，其中设置第二净化允许标志FH2PH为1，并且设置第一净化允许标志FH2PL为0。
在步骤S107中，判定指标SUMGAS是否已经降低至0以下。如果是这样，判定净化完成，并且程序起先在步骤S108，其中设置第一和第二净化允许标志均为0，阻止净化，并且程序结束。
根据上述的程序，判定当前积聚的杂质量是否达到迫切需要净化的水平(SUMGAS＞SLGASH)，可以等待直至加热介质通道转换至热交换器侧的水平(SLGASH≥SUMGAS＞SLGASL)，或者净化是否完成(0＞SUMGAS)。
如图18所示，首先在步骤111中，加热介质通道选择部分30判定第二净化允许标志FH2PH是否为1。如果第二净化允许标志FH2PH为1(迫切需要净化的状态)，则为了实施净化，三通阀17在步骤S123中转换至热交换器6侧，因而加热介质流入热交换器6，从而程序结束。
如果第二净化允许标志FH2PH为0，程序进行至步骤S112。在步骤S112中，读取燃料电池1的温度TFC，判定燃料电池温度TFC是否高于预定温度SLTFCL。如果不高于，在步骤S123中三通阀17转换至热交换器6侧，并且不进一步冷却燃料电池1的温度。如果高于，在步骤S114中三通阀17转换至散热器18侧，因而冷却加热介质。
在步骤S115中，判定第一净化允许标志FH2PL是否为1。如果标志FH2PL为1，程序进行至步骤S119，并且如果为0，程序进行至步骤S116。步骤S116至S122的程序与第五实施方案的图16中步骤S85至S89中的程序相同，因此已经省略了它们的说明。
根据上述程序，当迫切需要净化时及燃料电池1的温度低于预定温度SLTFCL时，三通阀17向热交换器6侧打开，从而防止燃料电池1的温度进一步降低。在所有其它情况中，通过控制泵16的转速和/或使风扇19旋转可以有效地实施冷却。
如图19所示，首先在步骤S131中，氢气净化控制部分32判定第二净化允许标志FH2PH是否为1。如果标志FH2PH为1，程序进行至步骤S134，从而紧急实施氢气净化。在步骤S134中，打开净化阀13，并且在步骤S135中，递增计算氢气净化持续时间TM，因此程序结束。
另一方面，如果在步骤S131中标志FH2PH为0，程序进行至步骤S132。在步骤S132中，判定第一净化允许标志FH2PL是否为1。如果标志FH2PL不为1，不需要净化，并因此程序进行至步骤S136，其中重新设置氢气净化持续时间TM。在步骤S137中，关闭净化阀13，因此程度结束。
如果在步骤S132中，FH2PL为1，程序进行至步骤S133。在步骤S133中，判定三通阀17是否设置至散热器18侧，或者换句话说转向热交换器旁路通道22侧。如果三通阀17设置至散热器18侧，为了延迟净化实施时间，在步骤S137中关闭净化阀13，因此程序结束。另一方面，如果三通阀17设置至热交换器6侧，那么可以净化，因此在步骤S134中打开净化阀13。在步骤S135中，计算氢气净化持续时间TM，因此程度结束。
根据上述程序，当迫切需要净化时，甚至燃料电池1的温度高于预定温度SLTFCL时，通过使加热介质流向热交换器6侧而执行净化。当需要净化，但仍可以实施正常操作而不用迫切实施净化时，阻止净化，使得可以优先冷却燃料电池1。因此，可以在净化和燃料电池1温度管理之间维持平衡的同时，避免加热介质的沸腾、加热介质通道压力的增加，以及由于热分解引起的加热介质变化。
还可以从组成燃料电池1的电池的电压降、燃料电池1的操作时间、燃料电池1的操作负载、或者燃料电池1中的净化持续时间来预测净化的迫切性，以及积聚杂质的量，因此基于这些因素任何一种或者组合来判定净化迫切性。
在第六实施方案中，除了第三实施方案中的作用(iii)、第四实施方案中的作用(iv)和第五实施方案中的作用(vi)和(vii)外，获得下面的作用。
(viii)如果在要求氢气净化时，加热介质正在热交换器旁路通道22(散热器18)侧上流动，则根据净化迫切性选择使加热介质通道转换至热交换器6侧并且实施净化，或者阻止净化。因此，可以在平衡氢气净化和燃料电池冷却需求的同时，避免加热介质的沸腾、加热介质通道压力的增加，以及加热介质的变化。
(ix)当所需的氢气净化迫切性水平高时，加热介质通道转换至热交换器6侧并且实施氢气净化，因此可以执行氢气净化而不会长时间延迟最佳氢气净化时间。
(x)如果氢气净化执行期间，氢气净化的迫切性水平降低，加热介质通道转换至热交换器旁路通道22(散热器18)侧，并且阻止氢气净化。因此，当不迫切需要实施氢气净化时，可以优先冷却燃料电池1。
(xi)当氢气净化的迫切性水平低时，阻止净化，并且优先需要冷却燃料电池1。
(xii)提供散热器18来冷却热交换器旁路通道22中的加热介质，并且提供输送通过散热器18的加热介质的泵16，以及向散热器18输送冷空气的风扇19作为调节散热器18冷却能力的装置。因此，当所需氢气净化的迫切性水平低时，阻止氢气净化，因此使用泵16和风扇19来增加散热器18的冷却能力，使得将加热介质冷却至预定温度以下。然后，加热介质通道转换至热交换器6侧，并且允许氢气净化。这样一来，可以满足氢气净化需求，同时充分满足燃料电池冷却的需求。
(xiii)基于积聚杂质的量、燃料电池1的电池电压、燃料电池1的操作时间、燃料电池1的操作负载、或者燃料电池1的净化持续时间来判定净化迫切性，因此可以准确地理解净化迫切性。
日本专利申请P2002-328269(2002年11月12日提交)的全部内容引入本文作参考。
尽管参照本发明的具体实施方案已经在上面说明了本发明，但是本发明不局限于上述的实施方案。本领域技术人员根据上述教导可以对上述实施方案做出修改和改变。本发明的范围参考下面的权利要求来定义。
工业应用性
本发明可以被广泛地用于气体再循环的燃料电池。
在通过燃烧来处理排放的再循环气体的情况中，本发明用来防止由于加热介质的沸腾所引起的加热介质通道中的压力增加和加热介质的变化。
Claims (17)
1.一种燃料电池系统，其包括：
通过使氢气和氧气反应而产生电能的燃料电池(1)；
向燃料电池(1)供应氢气的氢气供应装置(2)；
通过使加热介质流入燃料电池(1)而调节燃料电池(1)温度的温度调节装置(4)；
通过燃烧氢气而产生高温燃烧气体的燃烧室(5)；
通过给加热介质提供燃烧气体的热量以加热所述加热介质的热交换器(6)，从而在冷起动操作期间由所述加热介质加热燃料电池(1)；以及
使氢气供应装置(2)内的气体流入燃烧室(5)的氢气净化装置(13)，
其中，当通过氢气净化装置(13)执行氢气净化时，向所述加热介质所流过的热交换器(6)侧和不存在加热介质的通道侧中的至少之一排放燃烧室(5)产生的燃烧气体。
2.如权利要求1定义的燃料电池系统，还包括排放燃烧气体而不会引起燃烧气体流过热交换器(6)的热交换器旁路装置(21)，
其中，当通过氢气净化装置(13)执行氢气净化时，通过热交换器旁路装置(21)排放燃烧气体，从而绕过热交换器(6)。
3.如权利要求1定义的燃料电池系统，还包括：
加热介质流过从而绕过热交换器(6)的热交换器旁路通道(22)；以及
在热交换器(6)侧和热交换器旁路通道(22)侧之间转换加热介质通道的加热介质通道转换装置(17)，
其中，当将要通过氢气净化装置(13)执行氢气净化时，如果加热介质通道转换装置(17)已经设置加热介质通道至热交换器旁路通道(22)侧，则通过加热介质通道转换装置(17)使预定量的加热介质流向热交换器(6)侧。
4.如权利要求1定义的燃料电池系统，还包括：
加热介质流过，从而绕过热交换器(6)的热交换器旁路通道(22)；以及
在热交换器(6)侧和热交换器旁路通道(22)侧之间转换加热介质通道的加热介质通道转换装置(17)，
其中，当将要通过氢气净化装置(13)执行氢气净化时，如果通过加热介质通道转换装置(17)已经设置加热介质通道至热交换器旁路通道(22)侧，则在通过加热介质通道转换装置(17)将加热介质通道转换至热交换器(6)侧后，执行氢气净化。
5.如权利要求4定义的燃料电池系统，其中，当将要通过氢气净化装置(13)执行氢气净化时，如果通过加热介质通道转换装置(17)已经设置加热介质通道至热交换器旁路通道(22)侧，阻止氢气净化直至加热介质流向热交换器(6)侧。
6.如权利要求5定义的燃料电池系统，还包括：
冷却热交换器旁路通道(22)中加热介质的冷却装置(18)；及
调节冷却装置(18)冷却能力的冷却能力调节装置(16，19)，
其中，当将要通过氢气净化装置(13)执行氢气净化时，如果通过加热介质通道转换装置(17)已经设置加热介质通道至热交换器旁路通道(22)侧，则通过冷却能力调节装置(16，19)提高冷却装置(18)的冷却能力，从而将加热介质快速冷却至预定温度以下，因此通过加热介质通道转换装置(17)将加热介质通道转换至热交换器(6)侧，并且通过氢气净化装置(13)实施氢气净化。
7.如权利要求5定义的燃料电池系统，其中，当将要通过氢气净化装置(13)执行氢气净化时，如果通过加热介质通道转换装置(17)已经设置加热介质通道至热交换器旁路通道(22)侧，则根据氢气净化的紧迫性选择或者使加热介质通道转换至热交换器(6)侧，然后实施氢气净化，或者阻止净化。
8.如权利要求7定义的燃料电池系统，其中，如果迫切需要氢气净化，则通过加热介质通道转换装置(17)使加热介质通道转换至热交换器(6)侧，并且实施氢气净化。
9.如权利要求8定义的燃料电池系统，其中，如果在氢气净化期间，不再需要迫切实施氢气净化，则通过加热介质通道转换装置(17)使加热介质通道转换至热交换器旁路通道(22)侧，并且阻止氢气净化。
10.如权利要求7定义的燃料电池系统，其中当不需要迫切实施氢气净化时，阻止氢气净化。
11.如权利要求7定义的燃料电池系统，还包括：
冷却热交换器旁路通道(22)中的加热介质的冷却装置(18)；及
调节冷却装置(18)冷却能力的冷却能力调节装置(16，19)，
其中当不需要迫切实施氢气净化时，阻止氢气净化，
在通过冷却能力调节装置(16，19)提高冷却装置(18)的冷却能力，从而将加热介质温度快速冷却至预定温度以下后，通过加热介质通道转换装置(17)将加热介质通道转换至热交换器(6)侧，然后允许氢气净化。
12.如权利要求7至权利要求11任何一项定义的燃料电池系统，其中基于燃料电池(1)的电池电压判定是否迫切需要氢气净化。
13.如权利要求7至权利要求11任何一项定义的燃料电池系统，其中基于燃料电池(1)的操作时间判定是否迫切需要氢气净化。
14.如权利要求7至权利要求11任何一项定义的燃料电池系统，其中基于燃料电池(1)的操作负载判定是否迫切需要氢气净化。
15.如权利要求7至权利要求11任何一项定义的燃料电池系统，其中基于燃料电池(1)的氢气净化持续时间判定是否迫切需要氢气净化。
16.如权利要求6或权利要求11定义的燃料电池系统，其中冷却装置(18)是散热器，并且冷却能力调节装置是增加经过散热器(18)的加热介质的流动的泵(16)。
17.如权利要求6或权利要求11定义的燃料电池系统，其中冷却装置(18)是散热器，并且冷却能力调节装置是增加经过散热器(18)的空气量的风扇(19)。
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