CN1528027A - 燃料电池启动方法 - Google Patents

Abstract

通过向燃料电池(1)的燃气通道、氧化剂气体通道和冷却液通道中通入热气流解冻了燃料电池(1)中的冰，从低温状态下启动了燃料电池(1)。当启动程序开始时，向燃料电池(1)中通入包含不含水或实际不含水的干热气体的气流，之后，根据燃料电池(1)的温升增加气流中所含有的蒸汽总量。

Description

燃料电池启动方法

发明领域

本发明涉及燃料电池的启动，更特别地，涉及从低温状态下启动燃料电池的方法。

发明背景

聚合物电解质燃料电池(PEFC)包括以下几部分：膜，称作“MEA”，包括在聚合物电解质膜两侧通过叠加催化剂和气体扩散电极层而形成的正极和负极；碳或金属双极板，在其中形成通道，用以向这些电极供应燃气和氧化剂气体。

为了使PEFC产生电力，上述聚合物电解质膜必须含有水分，以使膜保持潮湿，供给燃料电池的燃气和氧化剂气体通常都被湿润了。在产生电力时，在负极也生成纯水，从而氧化剂通道含有水分。通常，燃料电池具有用于冷却液循环以带走所产生热量的通道，纯水可用作冷却液。在气体被湿润并且生成的水通过借助于多孔部件连接冷却液通道、燃气通道和氧化剂气体通道而回收的燃料电池中，冷却液通道和多孔部件内部也会含有水。

因此，燃料电池的各个部分都含有水，如果将燃料电池长时间放置在冰点之下的环境中而不工作，那么燃料电池中的水将结冰。从而，如果燃料电池从这个状态启动，必须将燃料电池内的冰解冻。

日本专利局在2000年公布的JP 2000-315514A提出了一种通过向燃料电池通道(燃气通道、氧化剂气体通道、冷却液通道)中通入热气而将燃料电池中的冰解冻的方法。

发明概述

然而，即将解冻之前的燃料电池处在低温下，因此，部分热气在通道壁上迅速冷却并液化。如果这些液体总量很小而且保持为液相，那么它们会被后来的气体吹走向下传送，这样就不会有问题，但是如果总量很大，没有被气流吹走，就会在通道中聚集并堵塞通道。而且，如果这些液体进一步冷却并固化的话，就会粘附在通道壁上，如果粘附总量很大，可能会再次堵塞通道。如果通道被堵塞了，则不再可能使气体循环以加热燃料电池，也就不再可能启动燃料电池。

如果热气流含有水分的化，通道堵塞问题会变得更严重。然而，当含有水分时，燃料电池的升温效应比不含水分时更大。这是因为热气流中的蒸汽所含有的水分在燃料电池内部冷却变成冰，相变的潜热被传给燃料电池。

这样，当燃料电池中的气流含有更多水时，燃料电池的解冻会更有效，但是这也增加了通道被堵塞的可能性。

因此，本发明的一个目的就是有效地解冻燃料电池而不引起通道的堵塞。

为了达成上述目的，本发明给出一种从低温状态下启动燃料电池的方法，包括：在启动程序刚开始时，将干热气体通入燃料电池的通道中；在启动程序开始之后，根据燃料电池的温度改变气流中所含有的蒸汽总量。

在说明书的剩余部分将参考附图阐明本发明的细节以及其它特点和优点。

附图简述

图1为燃料电池系统及其解冻系统的示意图。

图2为一表格的示意图，该表格规定燃料电池温度和阀门开口之间的关系。

图3为一流程图，示出燃料电池解冻启动程序。

图4A-4D为时间图，示出燃料电池解冻启动程序。

图5A-5D为时间图，示出燃料电池解冻启动程序。

图6与图1类似，示出了本发明的第二实施方案。

图7为一流程图，示出燃料电池解冻启动程序。

图8为一表格，示出本发明的第三实施方案，该表格规定从解冻开始经过的时间、外界空气温度和阀门开口之间的关系

图9为一流程图，示出燃料电池解冻启动程序。

具体实施方案描述

参看附图的图1，在安装在燃料电池汽车中的燃料电池系统中，燃料电池解冻系统与燃料电池1的燃气管道2、空气管道3和冷却液管道4相连。

解冻系统包括：干热气体供应系统，由泵5将空气加压并由加热器6将其加热以产生要送至燃料电池1的干热气体；水蒸汽供应系统，在锅炉7中将水加热以产生要送至燃料电池1的蒸汽。干热气体是湿度为0％或有效地为0％的气体。通过燃烧像汽油或甲醇这样的燃料来向加热器6和锅炉7供热。除了加热器6和锅炉7之外，还可通过使用来自车中蓄电池的电力的加热器，或通过使用停车场所提供的电力的加热器来进行加热。

干热气体和蒸汽的流速由阀门8、9分别调节，阀门8、9可连续或分级调节流速。当干热气体和蒸汽在混合支管10中混合之后，经过切换阀将它们送入燃气管道2、空气管道3和冷却液管道4。这些阀门的开口由控制器20来控制。

燃料电池1使用纯水作为冷却液。燃料电池中的冷却液通道与燃气通道和氧化剂气体通道经由多孔材料相连。燃料电池1的内部温度由温度传感器14探测，而外界空气温度由温度传感器21探测。

当燃料电池系统停止时，为了避免燃料电池1冷却液通道4中的水结冰膨胀——这会损坏燃料电池1，将水从冷却液管道4中排出。然而，即使冷却液通道中的水被排出，水还留存在多孔分隔器、电解质膜、燃气通道和氧化剂气体通道中，如果将汽车留在低于冰点的环境中，这些残余的水就会结冰。

当燃料电池系统结冰时，为了将其启动，首先必须解冻燃料电池1中结冰的水。在本实施方案中，解冻启动程序如下进行。

在解冻启动程序中，首先，干热气体供应系统中的阀门8开启，切换阀11、12、13切换，以使热气流从解冻系统流进燃料电池1，从而热空气(干热气体)被送至燃料电池1中的燃气通道、氧化剂气体通道和冷却液通道内。此时，蒸汽供应系统中的阀门9仍然关闭。

燃料电池1被干热气体加热。随着燃料电池1内部温度的升高，阀门9的开口增大，以增加通向燃料电池1的热气的湿度。然后阀门8逐渐关闭，以使最后只有蒸汽通入燃料电池1。

当蒸汽通入燃料电池1时，蒸汽和燃料电池1交换热量，温度下降，凝结成水或冰。当蒸汽变成水或冰时，水放出其潜热给燃料电池1，因此传送给燃料电池1的热量大于相同温度下干热气体所传送的热量，单位时间升高的温度增加了。然而，如果燃料电池1中凝结或结冰的水分总量增加，那么燃气管道2、空气管道3和冷却液管道4将会被冰或水堵塞，就不再可能通过通入热气流来加热燃料电池1。

因此，根据本实施方案，监测燃料电池1的内部温度，控制干热气体和蒸汽的混合比，以使通入燃料电池1中的蒸汽的总量达不到在那个温度下可引起通道堵塞的程度。干热气体流速和蒸汽流速的控制根据图3所示的流程图进行。

当进行图3所示的流程图时，相应于燃料电池温度Ts的空气阀8开口VGs和蒸汽阀9开口VVs列成图2所示的表格，存储在控制器20的存储器中。阀门开口VGs、VVs为达到目标蒸汽总量Rs处的阀门开口，蒸汽总量Rs为在燃料电池温度Ts下，燃料电池1中的通道不发生堵塞的蒸汽总量的上限。事先通过实验找到这些值。确定n组阀门开口VGs、VVs，除了初值VG0、VV0，组数n为下述控制中温度步进的最大值。

现在将参考图3更详细地描述解冻启动程序。当燃料电池系统从低温状态下启动时，由控制器20执行该流程图。

首先，在步骤S1中，当燃料电池系统启动时，切换阀11、12、13切换，以使来自解冻系统的热气流进入燃料电池1。在步骤S2中，干热气体阀8的开口设为VG0而蒸汽阀9的开口设为VV0。通过设置开口VV0以使流经燃料电池1的蒸汽不会在启动程序开始之后马上引起堵塞，根据阀门8的开口VG0热空气和预定总量的蒸汽被通入燃料电池1，燃料电池1的温度开始上升。此时VV0也可设为零，以仅通入热空气而完全避免堵塞(图4D)。

在步骤S3中，将温度步进s设为一。在步骤S4中，读出相应于温度步进s＝1的温度T1。

在步骤S5中，由温度传感器1 4探测燃料电池1的内部温度T。在步骤S6中，将燃料电池1的温度T与T1比较。当燃料电池1的温度T低于T1时，程序返回步骤S5。当燃料电池1的温度T升到T1时，程序执行步骤S7，阀门8、9的开口变成读自表格的值VG1、VV1，通入燃料电池1的气流的蒸汽总量设为R1。结果，由于水的潜热，导致温度进一步升高，如果初值VV0设为0，则燃料电池1的升温速率将高于加入蒸汽之前的速率。

在步骤S8中，温度步进s加一。在步骤S9中，将新的温度步进s与表格中确定的步进最大值n相比，如果温度步进s小于n，则程序返回步骤4。

当温度步进s达到二，并且燃料电池1的温度T达到T2时，通过查询表格，将阀门8、9的开口分别控制为VG2、VV2。结果，通入燃料电池1的蒸汽总量被设为R2。由于燃料电池1的温度升高，送入燃料电池1的蒸汽总量增加，而不会导致由于水的凝结而引起的通道堵塞，蒸汽阀9的开口VV2设为大于上一步的值R1。随着通入燃料电池1的蒸汽总量的增加，潜热引起燃料电池1升温的比例增加，并且燃料电池1的升温速率进一步增加。

随后，重复步骤S4至S8，直到温度步进s达到最大步进n，通入燃料电池1的气流湿度随燃料电池1内部温度的升高而增大。当温度步进s超过最大步进n时，解冻启动程序终止。阀门开口表设置成可使燃料电池1中的冰完全解冻并且当温度步进达到n时能够开始发电。

上述解冻启动程序示于图4A-4D中。图4A示出燃料电池1的温度，图4B示出通入燃料电池1的气流中的蒸汽总量，图4C示出干热气体阀8的开口，图4D示出蒸汽阀9的开口。

如图所示，在启动程序开始之后，蒸汽阀9有一个小的开口(在本实施例中，完全关闭)，以使通道的堵塞不会发生，但是当燃料电池1的温度达到 T1、T2、……时，开口逐步增加，从而通入燃料电池1的蒸汽总量增加，而燃料电池1的升温速率也增加。

阀门8、9的开口只在两个极值——完全开启和完全关闭——之间不改变，而在这两个极值之间的阶段中都改变。因此，通过这样控制到一个中间值，可有效地解冻燃料电池，如下所示。

与图4A-4D类似，图5A-5D为示出阀门8、9的开口，蒸汽总量随时间的变化以及燃料电池1的温度的时间图。实线51至54示出分级控制阀门开口的情形，而虚线55至58示出仅控制阀门8、9为完全开启和完全关闭的情形。在前一情形中，阀门开口51、32根据燃料电池1的温升而逐步改变，蒸汽总量逐渐增加。另一方面，在后一情形中，在燃料电池1达到只有蒸汽可通过的温度Tx之前，阀门8完全开启而阀门9完全关闭，从而只有干热气体通过。当达到Tx时，阀门8完全关闭而阀门9完全开启，从而只有蒸汽通过。

在后一情形中，只得到了平缓的温升，直到温度达到Tx，因而与前一情形相比，燃料电池1的升温和解冻费时更多。反过来，在阀门开口根据燃料电池1的温度逐步控制的前一情形中，可有效地解冻燃料电池1。当然，应当理解，根据温度和阀门开口之间的相关曲线，可连续进行更精细的控制。

在本实施方案中，燃料电池1使用纯水作为冷却液，冷却液通道、燃气通道和氧化剂气体通道通过多孔材料相连，以实现湿化冰回收产生的水，但是同样的解冻启动方法也可用于具有其它结构的燃料电池。例如，在使用非结冰液体来冷却，冷却液通道、燃气和氧化剂气体通道不相连而完全独立的燃料电池中，以下面的方式来应用本发明。

在此情形中，没有冷却液结冰的风险，因此在系统停止时没有排出冷却液。残留在燃料电池中、当它停止时结冰的水为电解质膜所含的水、残留在燃气通道和氧化剂气体通道中用于湿润的水，以及产生的水，因此这些水应当在启动时解冻。因此，相应于此类燃料电池的解冻系统在基本结构上与使用纯水作为冷却液的情形基本相同，但是用于解冻的气体不通入冷却液管道，不需要切换阀13。在具有这种结构的情形中，如果在前述解冻启动系统之外，使非结冰液体循环，则可更有效地解冻燃料电池1中的冰。

进一步，考虑启动程序开始时来自外界空气的差异，可控制阀门的开口以使启动开始时外界空气的温度越低，气流中蒸汽总量的增加越平缓。特定地，在图3的步骤S7中，根据启动程序开始时外界空气的温度来修正通过查表得到的阀门开口，修正之后将阀门8、9的开口设为该阀门开口。这样，当外界空气温度高时，加快了蒸汽总量的增加速率，从而升温迅速，而当外界空气温度低时，避免通道的堵塞而同时可进行有效的解冻。

当控制的简化优先时，在启动程序开始时，干热气体阀8开启，蒸汽阀9开启，以使只有干热气体通入燃料电池1，而在燃料电池1的温度达到某一预定温度时，调节阀门9、8的开口，以使通入燃料电池1的气体的成分只有蒸汽，或切换成包含蒸汽和干热气体的气体(相应于n＝1的情形)。在此情形中，如果将通道中的水不固化的温度中最低的温度设为进行切换的预定温度，就避免了水凝结而造成的通道堵塞，通过水的潜热有效地加热冰解冻了燃料电池。

预定温度不仅取决于凝结的难易(凝结水的特性，即，在一预定压力或温度下最大蒸汽总量或饱和蒸汽总量)，还取决于燃料电池通道的截面和长度(通过的难易)以及燃料电池的尺寸(热容)，并且要由实验确定。

下面，将描述本发明的第二实施方案。

图6示出第二实施方案。基本结构与第一实施方案相同，只是用装在燃气管道2的燃料电池1出口附近的温度传感器15代替了燃料电池1内部的温度传感器14。

解冻启动时从燃气管道2的燃料电池1出口排出的气流的温度与燃料电池1的内部温度并不相同，但是随燃料电池1内部温度的升高而升高。因此，可以从燃料电池1出口所排出的气流的温度估算燃料电池1内部温度的升高。如果依照传感器位置的不同设定阀门开口-温度对照表中的值，就可进行与前述实施方案相同的控制，可有效地解冻并启动燃料电池，同时放置通道的堵塞。

图7示出解冻启动程序的流程图。程序与图3的相同，除了增加了步骤S11之外，步骤S11探测燃料电池1出口温度Tout，并且用步骤S12代替探测燃料电池1的温度的步骤S5，步骤S12从燃料电池出口温度Tout估算燃料电池1的温度。

特别地，在前述实施方案中，当温度传感器置于燃料电池内部时，必须避开狭窄的通道，安装温度传感器以防止薄双极板中的短路，因此制造上较困难，而在本实施方案中，足以在从燃料电池1向外突出的管子某一部分中安装温度传感器，制造起来更为简单。

在图6中，温度传感器15安装在燃气管道2的燃料电池出口附近，但是它也可以安装在空气管道3的燃料电池出口附近16或冷却液管道4的燃料电池出口附近17。同样在此情形中，由温度传感器15的探测结果估算燃料电池1的温度，并可进行与上面相同的控制。

下面，将描述本发明的第三实施方案。

图8、图9为存储在控制器20的存储器中的阀门开口设置表，以及示出控制器20所进行的燃料电池解冻启动程序的流程图。除了控制器20所进行的控制之外，本实施方案与第一实施方案相同。

在第一实施方案中，阀门开口设置表确定为与燃料电池1的温度T相关，而在本实施方案中它确定为与从启动程序开始算起的时间(逝去时间t)相关，如图8所示。取决于启动程序开始时的外界空气温度，还给出了许多阀门开口设置表61-63。干热气体和蒸汽的混合比——即通入燃料电池1中的气流中的蒸汽总量——根据图9所示的流程图进行控制。

首先，在步骤S21中，燃料电池1的解冻启动程序开始，在步骤S22中，探测汽车周围的外界空气温度Toa。在步骤S23中，根据启动程序开始时的外界空气温度，从表格61-63中选择最合适的表格。

在步骤S24中，阀门11至13开启，阀门8、9的开口设置为分别存储在表格中的初值VG0、VV0。在步骤S25中，将控制器20中的定时器t重置为零，之后这个参数t随逝去时间而增加。另外，在步骤S26中，时间步进s设为一。

在步骤S27中，从表格中读出相应于时间步进s的时间ts，首先，读出相应于步进s＝1的时间t1。在步骤S28中，将逝去时间t与时间t1比较，当逝去时间达到时间t1时，程序进行下一步骤S29。在步骤S29中，从表格中读出相应于那时(在此情形中，s＝1)的时间步进的阀门开口VG1、VV1，阀门8、9的开口分别设为VG1、VV1。

之后，在步骤S30中，与前述实施方案相同，时间步进s增一。在步骤S31中确定终止，如果还剩有时间步进，则程序返回步骤S27，重复步骤S27-S31。

这样，在本实施方案中，通过根据自解冻启动程序开始之后的逝去时间t查表来控制阀门8、9的开口。表中的时间ts和阀门开口VGs、VVs根据以下思想事先确定。

燃料电池1的温度随热气流开始流入燃料电池1之后的时间而增加，因此燃料电池1的温度可由时间来确定。基于这一事实，从解冻启动程序开始至燃料电池1完全解冻的这一段时间被分成时间段落，估算每一时间处燃料电池1的温度。由所估算的燃料电池温度计算可通过燃料电池而不会导致由于水的凝结而引起通道堵塞的最大蒸汽总量，分别计算可实现该蒸汽比例的阀门开口VVs、VGs，并设入表格中。

进一步，气体通进结冰燃料电池1时温度的变化根据燃料电池1初始值的不同而不同。向燃料电池1通入气体之前的初始温度取决于外界空气温度，通常它实际上等于外界空气温度。因此，如果根据启动程序开始时的外界空气温度给出许多表格，那么就有可能处理燃料电池1的初始温度不同的情形。由于启动程序开始时外界空气温度越低，燃料电池1的温升更越平缓，启动程序开始时外界空气温度越低，则设置表格中的值以使气流中蒸汽总量的增加速率dVAP降低。

为了简化系统，可不给出根据外界空气温度的各个表格。在此情形中，对于所有温度条件，可使用根据实际所能设想的最低温度的表格设置。

如果根据时间而不是探测燃料电池1的温度来进行控制，可得到与第一实施方案一致的效果，这也避开了用传感器探测燃料电池1的温度的需要。

此处引入日本专利申请P2001-342941(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

本发明可用于各种使用水的燃料电池系统，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通道的堵塞。

Claims (11)

1.从低温状态下启动燃料电池(1)的方法，包括：

启动程序开始时，向燃料电池(1)的通道中通入包括干热气体的气流，以及

启动程序开始之后，根据燃料电池(1)的温度改变气流中所含有的蒸汽总量。

2.根据权利要求1的燃料电池(1)启动方法，进一步包括：

启动程序开始之后，根据燃料电池(1)的温升而增加气流中所含有的蒸汽总量。

3.根据权利要求1的燃料电池(1)启动方法，进一步包括：

启动程序开始时外界空气温度变得越低，则降低气流中蒸汽总量的增加速率。

4.根据权利要求1或2的燃料电池(1)启动方法，进一步包括：

当燃料电池(1)的温度低于预定温度时，向燃料电池(1)的通道中通入由干热气体组成的气流，以及

当燃料电池(1)的温度高于预定温度时，增加气流中的蒸汽总量。

5.根据权利要求4的燃料电池(1)启动方法，其中：

预定温度高于一个下限，在这个下限，当蒸汽通入燃料电池(1)的通道中时，燃料电池(1)的通道中的蒸汽不会导致由于凝结而引起的通道堵塞。

6.根据权利要求4的燃料电池(1)启动方法，其中：

预定温度高于一个上限，在这个上限，当蒸汽通入燃料电池(1)的通道中时，燃料电池(1)的通道中的蒸汽会导致通道堵塞。

7.根据权利要求1的燃料电池(1)启动方法，进一步包括：

根据燃料电池(1)的温升而改变气流中干热气体和蒸汽的混合比。

8.根据权利要求7的燃料电池(1)启动方法，进一步包括：

存储干热气体和蒸汽的混合比和燃料电池(1)温度之间的关系，该混合比为蒸汽会导致燃料电池(1)中由于凝结而引起的通道堵塞时总量的上限，以及

根据燃料电池(1)的温度查找所存储的关系来确定干热气体和蒸汽的混合比。

9.根据权利要求1、2、3、7和8的燃料电池(1)启动方法，进一步包括：

探测燃料电池(1)中通道的出口温度，以及

从所探测的通道出口温度估算燃料电池(1)的温度。

10.根据权利要求1的燃料电池(1)启动方法，进一步包括：

根据启动程序开始之后的逝去时间控制气流中干热气体和蒸汽的混合比以增加气流的蒸汽总量。

11.根据权利要求10的燃料电池(1)启动方法，进一步包括：

启动程序开始时外界空气温度变得越低，则控制气流中干热气体和蒸汽的混合比以降低气流中蒸汽总量的增加速率。

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