CN1639899A - 燃料电池系统和防止燃料电池冻结的方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，该系统包括具有水通道和产生电能所需气体的通道的燃料电池(1)、通过保持燃料电池的温度防止燃料电池(1)中的水冻结的第一保护装置(5，10)、通过排干燃料电池中的水防止燃料电池(2)中水冻结的第二保护装置(11，12)。控制器(50)从第一保护装置(5，10)和第二保护装置(11，12)中选择一个作为燃料电池(1)停止时使用的保护装置，并通过运行所选的保护装置来保护燃料电池(1)免于水冻结。

Description

燃料电池系统和防止燃料电池冻结的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及燃料电池停止使用时免于水冻结的保护。
背景技术
燃料电池是一种直接将燃料能量转化为电能的装置。在燃料电池中，电解质膜的两端提供了一个阳极气体通道和一个阴极气体通道。当向阳极气体通道供给氢气并向阴极气体通道供给氧气时，按照下述在电解质膜表面发生的电化学反应获取电能。
阳极反应：
阴极反应：
由于必须保持电解质膜的最佳湿润性，以获取电解质膜的性能并提高燃料电池的电能生产效率，所以供给燃料电池的气体是湿的。使用纯净水作为湿润用水。这是因为如果水中含有杂质，杂质会附着在电解质膜上并降低燃料电池的性能。
发明内容
当使用纯净水作为湿润用水，并且燃料电池放置在温度低于凝固点(＝0℃)的环境中时，电池中的纯净水会冻结。由于如果水冻结，其体积相对于液态水的体积将会膨胀，因此电池中水的冻结可能会破坏燃料电池。
1995年日本专利局公布的JP-A-H7-169476文件中披露了一种通过保持燃料电池温暖保护燃料电池免于水冻结的方法。该方法通过利用加热器对燃料电池加热以使燃料电池的温度不0℃以下，从而防止燃料电池中的水冻结。然而，通过这种方法，如果燃料电池长时间停止运行，加热器将长期运转，保护燃料电池所需的能量变的非常大。
因此，本发明的一个目的是保护燃料电池免于水冻结，同时降低保护所需的能量。
为了达到上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统，该系统包括具有水通道和产生电能所需气体的通道的燃料电池、通过保持燃料电池的温度防止燃料电池中的水冻结的第一保护装置、通过排干燃料电池中的水防止燃料电池中水冻结的第二保护装置和控制器，该控制器的作用是，从第一保护装置和第二保护装置中选择一个作为燃料电池停止时使用的保护装置，并在燃料电池停止时通过运行所选的保护装置来保护燃料电池。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种保护燃料电池免于水冻结的方法，该方法包括：从第一保护方法和第二保护方法中选择一种方法；当选择第一保护方法时，通过保持燃料电池的温度防止燃料电池中的水冻结；当选择第二保护方法时，通过排干燃料电池中的水防止燃料电池中的水冻结。
本发明的详情以及其它特征和优点在说明书的其余部分论述并在附图中示出。
附图说明
图1是关于本发明的燃料电池系统的示意图。
图2是显示燃料电池组的内部结构的示意图。
图3是显示燃料电池组停止间隔和保护燃料电池组所需能量之间关系的示意图。
图4是显示保护装置选择过程的流程图。
图5是显示第一实施例的变型的示意图。
图6是显示第一实施例的变型的示意图。
图7显示燃料电池组的内部结构的另一个例子。
图8显示本发明的第二实施例。
图9显示本发明的第三实施例。
图10是显示燃料电池组停止后水温变化的时间图。
图11是燃料电池组启动时间的频率分布图。
图12是根据第三实施例的保护装置选择过程的流程图。
图13是选择第一保护装置时的保护过程流程图。
图14是选择第二保护装置时的保护过程流程图。
图15显示本发明的第四和第五实施例。
图16显示外界气温和从燃料电池组释放热量之间的关系。
图17显示外界气温和用于保护装置选择的阈值之间的关系。
图18是根据第四实施例的保护装置选择过程的流程图。
图19显示时间和外界气温之间的关系。
图20是显示第五实施例的变型的示意图。
图21显示选择第二保护装置时在启动时刻的外界气温和保护燃料电池组所需能量之间的关系。
图22是重启动时刻外界气温预测过程的流程图。
图23显示选择第一保护装置时停止间隔和保护燃料电池组所需能量之间的关系。
图24是根据第五实施例的保护装置选择过程的流程图。
图25显示本发明的第六实施例。
图26是根据本第六实施例的保护装置选择过程的流程图。
图27显示本发明的第七实施例。
图28是根据本第七实施例的保护装置选择过程的流程图。
图29显示本发明的第八实施例。
图30是根据本第八实施例的保护装置选择过程的流程图。
优选实施例说明
参考附图的图1，提供了关于本发明的车用燃料电池系统，该系统具有燃料电池组(fuel cell stack)1、循环泵2、换热器3、内部水箱4和内部加热器5，这些组件被罩在由绝热材料制成的隔热容器10内。为了易于从燃料电池组1回收水，内部水箱4安装在燃料电池组1的下面。为了隔热容器10内的温度上升效果，内部加热器5安装在隔热容器10的较低部位。为了使得空气在隔热容  10的内部和外部流通，隔热容器10还提供了连接部分7。
在隔热容器10的外部，提供了泵11、外部水箱12和外部加热器13。为了易于从内部水箱抽干水，外部水箱12安装在隔热容器10的下面。外部加热器13用于加热外部水箱12，并安装在与外部水箱相接触或邻近位置。
负载21与燃料电池组1电连接。燃料电池组1产生的电能被供应到负载21或电池(未示出)中。负载21主要是驱动车辆的电动机。燃料电池组1的电压Vc由感测器41，电流Ic由感测器42分别进行测量。
控制燃料电池系统的控制器50包括一个、两个或更多微控制器、RAM、ROM和I/O接口。当燃料电池组1停止时，控制器50断开负载21和燃料电池组1之间的连接，选择一种保护装置(保护方法)用于保护燃料电池组1免于水冻结，并运行所选择的保护装置以保护燃料电池组1。
在运行期间，在燃料电池组1内，可燃气体供给到阳极。该可燃气体是从氢气存储装置中供应的氢气，或者是通过对碳氢燃料如汽油或甲醇重整获得的含有氢气的重整气。空气作为含有氧气的气体供给到阴极。在燃料电池组1内，利用氢气和氧气获取电能。当这些气体供应停止时，燃料电池组1则不产生电能。
图2显示燃料电池组1的内部结构。燃料电池组1包括层压在一起的两个或更多电池单元。一个电池单元包括双极板30、31和插在双极板30、31之间的薄膜电极部件(下称MEA)32。流通阳极气体的多个通道33排列在板极30和MEA 32之间，流通阴极气体的多个通道排列在板极31和MEA 32之间。此外，供应冷却和湿润用水的多个通道35排列在电池单元之间。
板极30、31使用能流通液体的多孔板。因此，当纯净水流通入通道35时，纯净水透过板极30、31并到达通道33、34，从而流经通道33、34的气体被润湿。此外，当化学反应在气体通道33、34产生过量的水时，纯净水透过板极30、31，并在通道35汇集。
因此，在燃料电池内流动的气体被适当地润湿，从而防止MEA32干燥。此外，由于在燃料电池组1内执行湿润和水回收，所以加湿器和水回收装置是不必要的。
燃料电池组1的冷却装置包括泵2、换热器3、内部水箱4和冷却水通道6。冷却剂是纯净水。燃料电池组1发电过程中产生的热量经换热器3从纯净水传给在换热器3内流动的防冻溶液，并从散热器(未示出)释放到外界空气中。纯净水用于冷却燃料电池组1，所以当外界气温降至凝固点并且燃料电池组1内有纯净水时，纯净水会冻结并可能造成燃料电池组1故障。因此，在本实施例中，有两种装置保护燃料电池组1免于纯净水冻结。
第一保护装置是通过加热燃料电池组1并保持其温暖来保持燃料电池组1的温度高于0℃的装置。第一保护装置包括隔热容器10，该容器抑制热量从燃料电池组1释放到外界空气中，从而抑制燃料电池组1的温度下降，且包括内部加热器5，该加热器对隔热容器10的内部进行加热。内部加热器5是使用燃料电池组1的燃料的燃烧器或催化燃烧器。内部加热器5可以是使用从电池或外部电源供应的电能的电热器。
第二保护装置包括抽取内部水箱4中的纯净水的泵11、储存抽出的纯净水的外部水箱12、融化外部水箱12中冻结的水的外部加热器13。外部水箱12具有能够承受纯净水冻结时的膨胀的结构。外部加热器13是使用燃料电池组1的燃料的燃烧器或催化燃烧器。外部加热器13可以是使用从电池或外部电源供应的电能的电热器。
当燃料电池停止运行时，第二保护装置将内部水箱4中的水抽到外部水箱12，以使燃料电池组1内没有水残留，从而防止燃料电池组1内的水冻结。由于当燃料电池组1停止后，外部水箱中的纯净水冻结，所以当燃料电池组1重新启动时，必须用外部加热器13融化冻结的水，并通过泵11将融化的水打回内部水箱4。
在本实施例中，当燃料电池组1停止后，用于保护燃料电池组1而开动的保护装置由操作保护装置选择器51的驾驶员确定。
图3显示燃料电池组1停止间隔和保护燃料电池组1免于水冻结所需能量之间的关系。
当使用第一保护装置时，所需的能量E1是用内部加热器5加热以补偿从燃料电池组1向外界空气释放的热量并保持燃料电池组1高于0℃需要的能量。在图3中，燃料电池组1的温度降至接近0℃所用的时间被作为燃料电池组1的停止间隔。如图所示，当使用第一保护装置时，如果加热器在固定载荷下运行，燃料电池组1的停止间隔ts就变得越长，燃料电池组1释放的热量将增加，同时所需的能量的增加与燃料电池的停止间隔ts成比例。
另一方面，当使用第二保护装置时，所需的能量E2是以下三项之和：即将水从内部水箱4抽到外部水箱12需要的能量(泵11的能量消耗)、在重启动时刻融化外部水箱12中冻结的纯净水需要的能量(外部水箱13的能量消耗)和将纯净水从外部水箱12打回内部水箱4需要的能量(泵11的能量消耗)。因此，当使用第二保护装置时，如果不考虑重启动时刻的外界气温，所需的能量E2不是基于燃料电池组1的停止间隔的，而是固定的，如图中虚线所示。
因此，在特定的停止间隔tx，两种装置所需的能量相等。如果当燃料电池组1的停止间隔短于tx时使用第一保护装置，当其长于tx时使用第二保护装置，保护燃料电池组1所需的能量就能够降低。
在本实施例中，驾驶员通过保护装置选择器51确定使用哪一个保护装置。由于驾驶员能够从车辆的下一次使用情况预知车辆的停止间隔，即燃料电池组1的停止间隔ts，据此驾驶员选择一种适当的保护装置。为了将能量消耗抑制得低，当停止间隔短时驾驶员选择第一保护装置，当停止间隔长时选择第二保护装置。
图4是显示保护装置选择过程的流程图，并由控制器50以预定的间隔重复执行。
首先，在步骤S10，读取燃料电池组1的运行状态，如电压Vc和电流Ic，并在步骤S11，根据运行状态确定燃料电池组1是否已停止。本发明具有当燃料电池的温度下降时防止冻结的目的。由于在燃料电池的温度下降之前会经过一定的时间，所以假定当燃料电池长时间不产生电能时才需要保护。因此，燃料电池组1的停止不能认为是运行中的暂时停止或空闲期间的停止，而是当驾驶员离开车辆以及在一定时间内车辆不开动时的停止。而且，由于从燃料电池组1停止产生电能时燃料电池组1的温度开始下降，最好确定当燃料电池组1停止产生电能时，即燃料电池组1的电压Vc或电流Ic为零时，燃料电池组1已经停止运行。
当确定燃料电池组1已经停止时，程序进入步骤S12并且读取保护装置选择器51的输出。
在步骤S13，根据保护装置选择器51的输出确定选择哪一个保护装置。当选择第一保护装置时，程序进入步骤S14，通过第一保护装置保护燃料电池组1，即通过隔热容器10保持燃料电池组1温暖并通过内部加热器5进行加热。
另一方面，当选择第二保护装置时，程序进入步骤S15，通过第二保护装置保护燃料电池组1，即通过泵11将内部水箱4中的纯净水抽到外部水箱12，防止燃料电池组1内纯净水冻结。在该情况下，由于水在外部水箱12内冻结，所以在重启动时刻需要使用外部加热器13融化冻结的水，并通过泵11将水打回内部水箱4。
在本实施例中，外部水箱中冻结的纯净水通过外部加热器13融化，但是，如图5所示，当使用重整器14将燃料重整为重整气供给燃料电池组1时，冷却重整器14的冷却剂可以通过打开阀门15被通向外部水箱12，重启动时产生的热量用于加热冷却剂，并通过加热后的冷却剂将冻结的水融化。
此外，如图6所示，控制器50可以省略，当燃料电池组1停止时，操作者(驾驶员)可以通过操作手动操作的选择器53，以直接选择是使用第一保护装置还是第二保护装置来保护燃料电池组1。选择器53可以选择三种状态，即第一保护装置运行的状态、第二保护装置运行的状态和没有保护装置运行的状态。选择器53可以包括内部加热器5在运行/不运行之间转换的开关，以及泵11在运行/不运行之间转换的开关。
在这种情况下，当燃料电池组1短时间停止时，操作者操作选择器53来运行内部加热器5，燃料电池组1通过内部加热器5加热，并防止燃料电池组1内的水冻结。另一方面，当燃料电池组1长时间停止时，操作者操作选择器53来运行泵11，通过将内部水箱4中的纯净水抽到外部水箱12以防止燃料电池组1内水冻结。
下面说明第二实施例。
在第一实施例中，润湿气体和从气体中回收水是在燃料电池组1内通过使用多孔双极板30、31而完成，而在第二实施例中，如图7所示，使用不流通液体的板极36、37作为燃料电池组1的双极板，并提供：加湿器16，用于润湿供给燃料电池组1的气体；和水回收装置17，用于从燃料电池组1流出的气体中回收水。
图8显示第二实施例。加湿器16设在燃料电池组1的上游，水回收装置设在燃料电池组1的下游。纯净水作为冷却剂流经加湿器16和水回收装置17。
燃料电池组1中流通防冻溶液的冷却水通道18和流通湿润用纯净水的纯净水通道19是分开的。冷却水通道18用于燃料电池组1的温度控制，纯净水通道19用于给加湿器16提供纯净水，并从燃料电池组1和水回收装置17回收水。加湿器16和水回收装置17安装在隔热容器10的内部。
在本实施例中，保护装置的选择与图4所示的第一实施例的保护装置的选择相同，当燃料电池组1停止后，使用由保护装置选择器51选择的保护装置保护燃料电池组1。
下面说明第三实施例。
第三实施例的结构实质上与第一实施例相同。在第三实施例中，当燃料电池组1的温度降至低于预定温度时，执行保护装置的选择。具体是，直到燃料电池组1的温度降至低于预定温度才执行保护装置的选择。此外，根据燃料电池组1的停止间隔执行保护装置的选择。
图9显示第三实施例的结构。在图1所示第一实施例的结构中添加了检测流经冷却水通道6的纯净水温度的感测器43，检测内部水箱4中水量的感测器44，和一输入装置52。
图10中的虚线显示燃料电池组1停止后纯净水的温度变化。燃料电池组1刚停止时，燃料电池组1的温度是运行温度，例如，大约80℃，所以燃料电池组1的温度降至0℃以下需要一定的时间。由于在燃料电池组1的温度未降至0℃以下时，不需要通过保护装置进行保护，因此在本实施例中，当燃料电池组1的温度接近0℃时，确定是否使用保护装置之一。
流经冷却水通道6的纯净水的温度被用作燃料电池组1的温度TEMPc。这是由于考虑到以下事实，即当燃料电池组1中的纯净水冻结时会破坏燃料电池组1。
在图10中，虚线表示当保护装置未运行时的温度变化，实线表示当燃料电池组1通过第一保护装置保护时燃料电池组1的温度变化。当燃料电池组1的温度降至接近0℃时，内部加热器5运行以保持纯净水的温度高于凝固点(0℃)。纯净水的凝固点是0℃，而且在理论上，当燃料电池组1的温度(纯净水的温度)为0℃时通过运行内部加热器5能够防止纯净水冻结，但是由于纯净水的温度与检测点存在不均衡以及感测器43的检测误差，当(例如)燃料电池组1的温度为2℃时，加热器运行。
在本实施例中，内部加热器5通过加热隔热容器10内的空气提高纯净水的温度，但是在本实施例或其它实施例中，内部加热器5可以通过加热纯净水通道直接加热纯净水。可选地，可以提供与纯净水通道相接触的防冻溶液通道，通过加热流经该通道的防冻溶液提高纯净水的温度。
下面说明预测燃料电池组1的停止间隔的方法。在图11中，显示了一周中各天、各时间和燃料电池组1的启动频率之间的关系。图11显示当车辆主要用于工作出行时的频率分布，在这种情况下，早晨和晚上的启动频率较高。如果获悉启动频率并将其存储在控制器50的存储器中，从停止时间就能够预测下一次启动时间，从而可以预测燃料电池组1的停止间隔。
例如，如果假定在停止时刻之后启动频率第一次超过预定的确定值的时刻为下一个启动时刻，那么在图11中，当车辆在t1时刻停止时，确定燃料电池组1在星期二t1时刻之后的t2时刻当启动频率第一次超过确定值时重新启动。同样，当车辆在星期t3时刻停止时，确定在星期一的t4时刻为下一个启动时刻。如果能够预测下一个启动时刻，燃料电池组1的停止间隔就能够从停止时间预知。
图12显示第三实施例中保护装置选择过程的流程图，并在控制器50内以预定的间隔执行。
据此，在步骤S21，读取燃料电池组1的运行状态如电压Vc和电流Ic，并在步骤S22，根据运行状态确定燃料电池组1是否已停止。
当确定燃料电池组1已停止时，程序进入步骤S23，读取燃料电池组1的温度TEMPc。在步骤S24，确定燃料电池组1的温度TEMPc是否低于预定温度TEMPth，例如2℃，并且如果低于预定温度TEMPth，程序进入步骤S25。
在步骤S25，通过上述方法预测下一个启动时刻。在步骤S26，由燃料电池组1的停止时刻和预测的启动时刻预测停止间隔ts。燃料电池组1的停止间隔可以由驾驶员从输入装置52输入，而且该输入的停止间隔可用于代替上述预测的停止间隔。
在步骤S27，根据停止间隔ts选择保护装置。当确定停止间隔短于阈值tsth(如24小时)时，在步骤S28由第一保护装置给予保护。其它情况，则程序进入步骤S29并由第二保护装置给予保护。
图13显示选择第一保护装置时的保护过程，并在控制器50中以预定的间隔重复执行。
在步骤S31，读取燃料电池组1的温度TEMPc。
在步骤S32，确定燃料电池组1的温度TEMPc是否高于预定温度TEMPth，例如2℃。当高于预定温度TEMPth时，程序进入步骤S33，内部加热器5停止。当低于预定温度TEMPth时，程序进入步骤S34，内部加热器5运行。
图14显示选择第二保护装置时的保护过程，并在控制器50中以预定的间隔重复执行。
在步骤S41，读取内部水箱4中的纯净水量Vw。
在步骤S42，确定抽水是否完成。具体是，当内部水箱中的纯净水量Vw少于预定量Vwth时，确定抽水完成。预定量Vwth被设定为低于下述的量，例如0.5L，即在该量下，即使残留的纯净水冻结也不会破坏内部水箱4并且冻结的冰不会妨碍重新启动。
当确定抽水完成时，程序进入步骤S43，泵11停止。当抽水没有完成时，程序进入步骤S44，泵11运行。
当通过第二保护装置保护燃料电池组1时，纯净水在外部水箱12内冻结，所以必须通过外部加热器13将外部水箱中冻结的纯净水融化，并通过泵11将纯净水打回内部水箱4。
第三实施例按与第一实施例实质上相同进行了说明，但其也可以按与第二实施例实质相同的结构实施。以下的实施例也是如此，在第三及其后的实施例中公开的发明都可以按第一实施例和第二实施例的结构实施。
下面说明第四实施例。第四实施例的结构实质上与第三实施例相同。在第四实施例中，检测外界气温TEMPo，并且当选择保护装置时，考虑外界气温TEMPo对于保护燃料电池组1所需能量的影响。当选择保护装置时，通过考虑外界气温TEMPo的影响，能够选择适当的保护装置。
图15是第四实施例的结构示意图。这里，在第三实施例的结构中添加了检测外界气温TEMPo的感测器45。
图16显示当燃料电池的温度恒定时外界气温TEMPo和从燃料电池组1释放的热量之间的关系。从燃料电池组1释放的热量增加，并且当使用第一保护装置时所需的能量E1增加，外界气温TEMPo就变得更低。因此，如图17所示，当使用哪一个保护装置的问题根据燃料电池组1的停止间隔ts确定，以选择使保护燃料电池组1所需的能量更低的保护装置时，外界气温TEMPo变得越低，阈值tsth就必须越小。
图18显示第四实施例的保护装置选择过程，并在控制器50中以预定的间隔重复执行。
根据此图，在步骤S51，读取燃料电池组1的运行状态如电压Vc和电流Ic，并在步骤S52，根据运行状态确定燃料电池组1是否已停止。
当确定燃料电池组1已停止时，程序进入步骤S53，读取燃料电池组1的温度TEMPc。在步骤S54，确定燃料电池组1的温度TEMPc是否低于预定温度TEMPth(例如2℃)。当确定燃料电池组1的温度TEMPc低于预定温度TEMPth时，程序进入步骤S55，读取外界气温TEMPo。在步骤S56，预测燃料电池组1的停止间隔ts。预测停止间隔ts的方法与第三实施例相同，可选地，驾驶员可以输入停止间隔ts。
在步骤S57，确定燃料电池组1的停止间隔ts是否短于根据外界气温TEMPo设定的阈值tsth。当短于阈值tsth时，程序进入步骤S58，通过第一保护装置保护燃料电池组1。其它情况，程序进入步骤S59，通过第二保护装置保护燃料电池组1。查阅图17所示的图表，外界气温越低，阈值tsth设定的越小。
下面说明第五实施例。第五实施例的结构与第四实施例相同。在第五实施例中，预测在重启动时刻的外界气温TEMPos和从停止到重启动时外界气温TEMPo的变化，计算使用第一保护装置时所需的能量E1和使用第二保护装置时所需的能量E2，并选择和使用需要较低能量的保护装置。
如上所述，燃料电池组1的启动时间能够从燃料电池组1在一周中不同天、不同时间的启动频率来预测。由于外界气温TEMPo与时间具有很强的关系，如果首先获悉在每一时刻的外界气温TEMPo，就可以由预测的启动时间预测重启动时的外界气温REMPos。图19显示外界气温的获悉值。由预测的启动时间和该获悉值，能够预测外界气温TEMPos。
如图20所示还可添加如无线电设备的接收器46，关于未来天气情况的信号，尤其是外界气温，可以通过接收器46从外部接收，并且根据该信号预测重启动时的外界气温TEMPos。
如果预知重启动时的外界气温TEMPos，当选择第二保护装置时所需的能量E2就能够计算出。图21显示选择第二保护装置时在重启动时的外界气温TEMPos和保护燃料电池组1所需能量之间的关系。当重启动时的外界气温TEMPos，即燃料电池组1的温度高于0℃时，所需的能量E2仅是驱动泵11需要的能量。当外界气温降至0℃以下时，融化已冻结的纯净水所需的能量由外部加热器13提供，因此所需的能量急剧增加。如果提供了图21中所示的图表，查阅该图表能够计算出所需的能量E2。
图22是显示用于预测外界气温TEMPos的过程的流程图，并在控制器50中执行。
根据此图，在步骤S61，读取预测的燃料电池组1的启动时间，并在步骤S62，通过查阅图19中所示的获悉值，预测重启动时的外界气温TEMPos。
另一方面，当选择第一保护装置时，保护燃料电池组1所需的能量E1取决于停止间隔ts和从停止时刻到启动时刻的外界气温变化。图23显示停止间隔ts和保护燃料电池组1所需的能量E1之间的关系。当停止间隔ts短时，燃料电池组1的温度不会降到0℃附近，因此所需的能量E1为零。当停止间隔ts长时，所需的能量增加。内部加热器5间歇运行，因此所需的能量E1阶梯式增加。保护燃料电池组1所需的能量E1等于从燃料电池组1向外界空气释放的热量。向外界空气释放的能量可以用以下方程式计算。
Q＝Hx×S×(TEMPc-TEMPo)×ΔT
其中，Q＝释放的热量，Hx＝传热系数，S＝隔热容器10的放热表面积，
TEMPc＝燃料电池温度，TEMPo＝外界气温，ΔT＝时间间隔
传热系数Hx和放热表面积S可以由隔热容器10的特性如形状和材料算出。重启动之前释放的总热量可以通过根据预测的外界温度TEMPo计算在时间间隔Δt内释放的热量并积分算出，例如取时间间隔Δt为一分钟。从停止到重启动时外界气温TEMPo的变化可以利用外界气温在每一时刻的获悉值预测。可选地，关于未来温度情况的信号，尤其是外界气温，能够通过接受器46从外部接收，并且根据该信号预测外界气温TEMPos的变化。即使停止时间ts相同，外界气温TEMPo变得越低，保持温度所需的能量就会增加。另一方面，当停止间隔内只有部分时间外界气温低于0℃时，由于在外界气温高于0℃时不需要保持温度，因此在整个停止时间内所需的能量较低。
比较如上所述算出的使用第一保护装置时所需的能量E1和使用第二保护装置时所需的能量E2，并选择需要较低能量的装置。这样，能够降低保护燃料电池组1所需的能量。
图24显示第五实施例的保护装置选择过程，该过程在控制器50内以预定的间隔重复执行。
根据此图，在步骤S71，读取燃料电池组1的运行状态，如电压Vc和电流Ic，并在步骤S72，根据运行状态确定燃料电池组1是否已停止。当确定燃料电池组1已停止时，程序进入步骤S73，读取燃料电池组1的温度TEMPc。在步骤S74，确定燃料电池组1的温度TEMPc是否低于预定值TEMPth，例如2℃。
当确定燃料电池组1的温度低于预定温度TEMPth时，程序进入步骤S75，预测燃料电池组1的停止间隔ts。预测停止间隔ts的方法与第三实施例相同，并且驾驶员可以输入停止间隔ts。在步骤S76，用上述方法预测重启动时的外界气温TEMPos，并预测从停止到启动时外界气温TEMPo的变化。
在步骤S77，使用上述计算方法，分别计算使用第一保护装置时所需的能量E1和使用第二保护装置时所需的能量E2。
在步骤S78，比较使用第一保护装置时所需的能量E1和使用第二保护装置时所需的能量E2，当所需能量E1低于所需能量E2时，程序进入步骤S79，通过第一保护装置执行保护。如果不是这样，程序进入步骤S80，通过第二保护装置执行保护。
下面说明第六实施例。在本实施例中，即使已确定燃料电池组1的停止间隔短并使用第一保护装置，如果停止间隔长于预测的停止间隔而且剩余的燃料量很少，就进行切换以使用第二保护装置进行保护。
图25显示第六实施例的结构。给第五实施例添加了用于检测为燃料电池组1、内部加热器5和外部加热器13提供燃料的燃料箱22内的剩余量的感测器47。
在第五实施例中，通过选择较低的所需能量来执行对第一保护装置和第二保护装置的选择。然而，当燃料电池组1的停止间隔长于预定间隔时，燃料消耗量会增加，所以存在这种可能性，即如果第一保护装置持续使用，燃料箱22中的燃料将会耗尽。
因此，在本实施例中，当确定燃料箱22中的燃料剩余量Af低于确定值Afth，即使正在使用第一保护装置，进行切换以使用第二保护装置进行保护。
图26显示第六实施例的保护装置选择过程，该过程在控制器50内以预定的间隔重复执行。
根据此图，在步骤S81，读取燃料电池组1的运行状态，如电压Vc和电流Ic，并在步骤S82，根据运行状态确定燃料电池组1是否己停止。当确定燃料电池组1已停止时，程序进入步骤S83，读取燃料电池组1的温度TEMPc。在步骤S84，确定燃料电池组1的温度TEMPc是否低于预定温度TEMPth，例如2℃。当确定燃料电池组1的温度低于预定温度TEMPth时，程序进入步骤S85，预测燃料电池组1的停止间隔ts。在步骤S86，预测重启动时的外界气温TEMPos和重启动之前外界气温TEMPo的变化。预测停止间隔ts的方法、预测重启动时的外界气温TEMPos的方法以及预测重启动之前外界气温TEMPo变化的方法与前面的实施例中介绍的方法相同。
在步骤S87，分别计算使用第一保护装置时所需的能量E1和使用第二保护装置时所需的能量E2。计算方法与前面已述的相同。
在步骤S88，比较使用第一保护装置时所需的能量E1和使用第二保护装置时所需的能量E2，当所需能量E1低于所需能量E2时，程序进入步骤S89，通过第一保护装置保护燃料电池组1。其它情况下，程序进入步骤S92，通过第二保护装置保护燃料电池。
在步骤S90，读取燃料箱内的剩余颜料量Af，并在步骤S91，确定剩余颜料量Af是否大于预定量Afth。预定量Afth是在重启动时通过外部加热器13融化外部水箱12内冻结的纯净水和运行燃料电池组1以便能将车辆开到最近的气站补充燃料所需的量，并被设为(例如)5L。
当其大于预定量Afth时，继续使用第一保护装置进行保护，当其小于预定量Afth时，程序进入步骤S92，中断第一保护装置的保护，并启动第二保护装置的保护。
在本实施例中，外部加热器13使用燃料，不过当外部加热器13是由电池23的动力驱动的电热器时，会执行同样的控制。在这种情况下，当由感测器48检测的电池23的荷电状态SOC低于预定值SOCth时，进行从第一保护装置到第二保护装置的切换。
下面说明第七实施例。第七实施例的结构实质上与第六实施例相同。在本实施例中，当车辆停放在密闭空间如室内停车场时，防止由于内部加热器5使用氧气而使车辆周围的氧气浓度下降。
图27显示第七实施例的结构。在第五实施例的结构中添加了用于检测外界空气中氧气浓度DNSo的感测器49。
当第一保护装置运行时，内部加热器5运行以保持燃料电池组1的温度高于0℃。当内部加热器5使用燃烧器或催化燃烧器时，会消耗空间中的氧气。因此，如果在密闭空间内长时间间隔使用第一保护装置执行保护，外界空气中的氧气浓度DNSo会下降。因而，在本实施例中，检测空间中的氧气浓度DNSo，并且当氧气浓度DNSo低于预定浓度DNSoth时，进行由第一保护装置保护到由第二保护装置保护的切换。
图28显示第七实施例的保护装置选择过程的流程图，该过程在控制器50内以预定的间隔重复执行。
步骤101、102被添加到第六实施例的保护装置选择过程(图26)中。
在步骤S101，读取氧气浓度DNSo。在步骤S102，确定氧气浓度DNSo是否高于预定浓度DNSoth。预定浓度DNSoth被设置为对人和动物没有危险的水平，例如19％。当氧气浓度DNSo高于预定浓度DNSoth时，继续使用第一保护装置进行保护。反之，当氧气浓度DNSo降至低于预定浓度DNSoth时，程序进入步骤S92，中断第一保护装置的保护，并进行切换至第二保护装置的保护。
下面说明第八实施例。在前面的实施例中，第一保护装置和第二保护装置每一个都包括水箱，但是在本实施例中，水箱4和12合为一个。
如图29所示，在第八实施例中，第一实施例的内部水箱4和外部水箱12合为一个，而且单个水箱20被安装在隔热容器10内。此外，内部加热器5安装在水箱20附近以便能够加热水箱20。
图30显示第八实施例的保护装置选择过程，该过程在控制器50内以预定的间隔重复执行。
根据此图，在步骤S110，读取燃料电池组1的运行状态，如电压Vc和电流Ic，并在步骤S111，根据运行状态确定燃料电池组1是否已停止。
当确定燃料电池组1已停止时，程序进入步骤S112，确定应该使用哪一个保护装置。可以使用上述的任何方法确定使用哪一个保护装置。
当通过第一保护装置即通过保持燃料电池组1的温度执行保护时，程序进入步骤S113，供应燃料给内部加热器5，在步骤S114，泵2运行以使纯净水流通。
另一方面，当通过第二保护装置执行保护时，即通过从燃料电池组1中抽取纯净水来保护燃料电池组1时，程序进入步骤S115，停止向内部加热器5供应燃料，在步骤S116，泵2运行以将燃料电池组1内的纯净水回收到水箱20中。
当在步骤S117确定纯净水回收完成时，程序进入步骤S118，泵2停止。由于大致知道纯净水的总量，确定纯净水回收是否完成可以通过(例如)当水箱15的水位上升至高于预定水位时确定回收完成。
尽管上面根据本发明的特定实施例对本发明进行了说明，本发明并不限于上述的实施例。根据上面的教导，本领域的技术人员会作出上述实施例的改进和变型。本发明的保护范围根据下面的权利要求书确定。
应用的工业领域
本发明可应用于燃料电池系统，并可当然地应用于除了用于车辆之外的燃料电池系统。本发明在保护燃料电池免于水冻结，并同时降低保护所需的能量方面是有效的。

Claims (53)

1.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池(1)，该燃料电池具有水通道(35)和产生电能所需气体的通道(33，34)；
第一保护装置(5，10)，用于通过保持燃料电池(1)的温度来防止燃料电池(1)中的水冻结；
第二保护装置(11，12)，用于通过排出燃料电池(1)中的水来防止燃料电池(1)中的水冻结，和
控制器(50)，该控制器的作用是：
从第一保护装置(5，10)和第二保护装置(11，12)中选择一个作为燃料电池(1)停止时使用的保护装置，并且
在燃料电池(1)停止时通过运行所选的保护装置来保护燃料电池(1)。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一保护装置(5，10)包括加热器(5)，用于增加燃料电池(1)的温度。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述第一保护装置(5，10)包括隔热器(10)，用于抑制燃料电池(1)的温度下降。
4.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述第一保护装置(5，10)控制所述加热器(5)，其使水的温度高于0℃。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第二保护装置(11，12)包括一容器(12)，用于储存从燃料电池(1)抽出的水。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，其包括一融化装置，用于融化所述容器(12)内冻结的水。
7.如权利要求6所述的燃料电池系统，其还包括重整器(14)，用于向燃料电池(1)供应含有氢气的重整气，所述融化装置使用由所述重整器(14)产生的热量融化冻结的水。
8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述水通道(35)和气体通道(33，34)安装在多孔构件(32)的任一侧。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括：
加湿器(16)，用于润湿供应给燃料电池(1)的气体，和
水回收装置(17)，用于从燃料电池(1)流出的气体中回收水。
10.如权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括：
用于测量燃料电池(1)的温度的感测器(43)，而且其中，
所述控制器(50)还用于当燃料电池(1)的温度低于预定温度时，通过所述第一保护装置(5，10)或第二保护装置(11，12)保护燃料电池(1)。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述用于检测燃料电池(1)的温度的感测器(43)是测量流经燃料电池(1)的水的温度的感测器。
12.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器(50)还用于：
当燃料电池(1)的停止间隔短于预定间隔时，选择第一保护装置(5，10)，当燃料电池(1)的停止间隔长于预定间隔时，选择第二保护装置(11、12)。
13.如权利要求12所述的燃料电池系统，其还包括感测器(45)，用于测量外界气温，而且其中，所述控制器(50)还用于外界气温越低，设置预定间隔越短。
14.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中，燃料电池(1)的停止间隔是从燃料电池(1)停止产生电能到它下一次启动的时间。
15.如权利要求12所述的燃料电池系统，其中，所述控制器(50)还用于：
根据与燃料电池(1)启动时间相关的以往信息来预测燃料电池(1)的重启动时间，以及
根据燃料电池(1)的停止时间和预测的重启动时间来计算燃料电池(1)的停止间隔。
16.如权利要求12所述的燃料电池系统，其还包括输入装置(52)，用于输入燃料电池(1)的停止间隔。
17.如权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括手动操作的选择器(51)，用于从第一保护装置(5，10)和第二保护装置(11，12)中选择一种，其中，所述控制器(50)还用于选择由所述选择器(51)选择的保护装置。
18.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，控制器(50)还用于：
计算使用第一保护装置(5，10)保护燃料电池(1)时所需的能量，
计算使用第二保护装置(11，12)保护燃料电池(1)时所需的能量，以及
从第一保护装置(5，10)和第二保护装置(11，12)中选择所需能量较小的一个。
19.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中，所述控制器(50)还用于：
预测在燃料电池(1)的停止间隔期间的外界气温变化，并且
根据预测的停止间隔内外界气温的变化，计算使用第一保护装置(5，10)保护燃料电池(1)时所需的能量。
20.如权利要求19所述的燃料电池系统，其中，所述控制器(50)还用于：
根据与外界气温变化相关的以往信息，预测在停止间隔期间的外界气温变化。
21.如权利要求19所述的燃料电池系统，其还包括接收装置(46)，用于从系统外部接收关于未来外界气温的信号，所述控制器(50)还用于：
根据由接收装置(46)接收的信号，预测在停止间隔期间的外界气温变化。
22.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中，控制器(50)还用于：
预测重启动时的外界气温，并且
根据预测的重启动时的外界气温，计算使用第二保护装置(11，12)保护燃料电池(1)时所需的能量。
23.如权利要求22所述的燃料电池系统，其中，所述控制器(50)还用于：
从时间和外界气温之间的关系预测重启动时的外界气温。
24.如权利要求22所述的燃料电池系统，其还包括接收装置(46)，用于从系统外部接收关于未来外界气温的信号，所述控制器(50)还用于：
根据由接收装置(46)接收的信号，预测重启动时的外界气温。
25.如权利要求2所述的燃料电池系统，其还包括：
存储装置(22)，用于存储供给加热器(5)的燃料，和
感测器(47)，用于检测存储装置(22)中的剩余燃料量，所述控制器(50)还用于：
当检测的剩余燃料量低于预定量时，即使正在使用第一保护装置(5，10)执行保护，停止第一保护装置(5，10)的保护，并启动第二保护装置(11，12)的保护。
26.如权利要求2所述的燃料电池系统，其还包括：
电池(23)，用于向加热器(5)供电，和
感测器(48)，用于检测电池(23)的荷电状态，所述控制器(50)还用于：
当检测的荷电状态低于预定值时，即使正在使用第一保护装置(5、10)执行保护，停止第一保护装置(5，10)的保护，并启动第二保护装置(11，12)的保护。
27.如权利要求2所述的燃料电池系统，其还包括：
感测器(49)，用于检测外界气体中的氧气浓度，所述控制器(50)还用于：
当检测的浓度低于预定浓度时，即使正在使用第一保护装置(5，10)执行保护，停止第一保护装置(5，10)的保护，并启动第二保护装置(11，12)的保护。
28.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池(1)，该燃料电池具有水通道(35)和产生电能所需气体的通道(33，34)，
第一保护装置(5，10)，用于通过保持燃料电池(1)的温度防止燃料电池(1)中的水冻结，
第二保护装置(11，12)，用于通过排出燃料电池(1)中的水来防止燃料电池中水冻结，和
手动操作的选择器(53)，用于从第一保护装置(5，10)和第二保护装置(11，12)中选择一个作为燃料电池(1)停止时使用的保护装置。
29.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池(1)，该燃料电池具有水通道(35)和产生电能所需气体的通道(33，34)，
第一保护装置(5，10)，用于通过保持燃料电池(1)的温度防止燃料电池(1)中的水冻结，
第二保护装置(11，12)，用于通过排出燃料电池(1)中的水防止燃料电池中水冻结，和
用于从第一保护装置(5，10)和第二保护装置(11，12)中选择一个作为燃料电池(1)停止时使用的保护装置的装置。
30.一种用于保护燃料电池免于水冻结的方法，其包括：
从第一保护方法和第二保护方法中选择一种方法，
当选择第一保护方法时，通过保持燃料电池的温度防止燃料电池中的水冻结，以及
当选择第二保护方法时，通过排出燃料电池中的水防止燃料电池中的水冻结。
31.如权利要求30所述的保护方法，其中，当选择第一保护方法时，加热燃料电池(1)将其温度升高至0℃以上。
32.如权利要求31所述的保护方法，其中，当选择第一保护方法时，燃料电池(1)与外界空气隔离以抑制燃料电池(1)的温度下降。
33.如权利要求31所述的保护方法，其中，当选择第一保护方法时，加热水将其温度升高至0℃以上。
34.如权利要求30所述的保护方法，其中，当选择第二保护方法时，将从燃料电池(1)中抽出的水储存在容器(12)中。
35.如权利要求34所述的保护方法，其中，当燃料电池(1)重启动时，加热容器(12)内冻结的水使其融化。
36.如权利要求34所述的保护方法，其中，使用由向燃料电池(1)供应含有氢气的重整气的重整器(14)产生的热量融化冻结的水。
37.如权利要求30所述的保护方法，其还包括：
测量燃料电池(1)的温度，其中，
当燃料电池(1)的温度低于预定温度时，使用第一保护方法或第二保护方法保护燃料电池(1)。
38.如权利要求37所述的保护方法，其中，测量流经燃料电池(1)的水的温度作为燃料电池(1)的温度。
39.如权利要求30所述的保护方法，其中，当燃料电池(1)的停止间隔短于预定间隔时，选择第一保护方法，当燃料电池(1)的停止间隔长于预定间隔时，选择第二保护方法。
40.如权利要求39所述的保护方法，其还包括：
测量外界气温，并且
外界气温越低，设置预定间隔越短。
41.如权利要求39所述的保护方法，其中，燃料电池(1)的停止间隔是从燃料电池(1)停止产生电能到它重新启动的时间。
42.如权利要求39所述的保护方法，其还包括：
根据与燃料电池(1)启动时间相关的以往信息，预测燃料电池(1)的重启动时间，并且
根据燃料电池(1)的停止时间和预测的重启动时间，计算燃料电池(1)的停止间隔。
43.如权利要求39所述的保护方法，其还包括：
从输入装置输入燃料电池(1)的停止间隔。
44.如权利要求30所述的保护方法，其还包括：
计算使用第一保护方法保护燃料电池(1)时所需的能量，
计算使用第二保护方法保护燃料电池(1)时所需的能量，并且，
从第一保护方法和第二保护方法中选择所需能量较小的一种。
45.如权利要求44所述的保护方法，其还包括：
预测燃料电池(1)停止间隔期间的外界气温的变化，并且
根据预测的停止间隔期间的外界气温的变化，计算使用第一保护方法保护燃料电池(1)时所需的能量。
46.如权利要求45所述的保护方法，其中，
停止间隔期间的外界气温变化是根据与外界气温变化相关的信息预测的。
47.如权利要求45所述的保护方法，其还包括：
通过接收装置(46)从系统外部接收关于未来外界气温的信号，并根据由该接收装置(46)接收的信号来预测停止间隔期间的外界气温变化。
48.如权利要求44所述的保护方法，其还包括：
预测重启动时刻的外界气温，并且
根据预测的重启动时刻的外界气温，计算使用第二保护方法保护燃料电池时所需的能量。
49.如权利要求48所述的保护方法，其中，所述重启动时刻是从时间和外界气温之间的相互关系中预测的。
50.如权利要求48所述的保护方法，其还包括：
通过接收装置(46)从系统外部接收关于未来外界气温的信号，并且
根据由接收装置(46)接收的信号，预测重启动时刻的外界气温。
51.如权利要求31所述的保护方法，其还包括：
检测用于加热燃料电池(1)的剩余燃料量，并且
当检测的剩余燃料量低于预定量时，即使正在使用第一保护方法执行保护，将保护方法从第一保护方法切换到第二保护方法。
52.如权利要求31所述的保护方法，其还包括：
检测用于加热燃料电池(1)的剩余电量，并且
当检测的剩余电量低于预定量时，即使正在使用第一保护方法执行保护，将保护方法从第一保护方法切换到第二保护方法。
53.如权利要求31所述的保护方法，其还包括：
检测外界空气中的氧气浓度，并且
当检测的氧气浓度低于预定浓度时，即使正在使用第一保护方法执行保护，将保护方法从第一保护方法切换到第二保护方法。
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