CN1643721A - 燃料电池系统及其保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种系统，具有在燃料电池组(1)已经停止时防止水冻结的两个模式。基于估计的再起动时间和外部空气温度变化，选择从能源消耗的观点来说有效的保护模式，并且用来保护系统。保护模式是：通过加热供应给燃料电池(1)的水来防冻的第一种保护模式，以及通过将燃料电池(1)的水排放到燃料电池(1)外面，并且在燃料电池(1)的外面冻结水来避免燃料电池(1)中的水冻结的第二种保护模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，具体地说涉及在冰点以下保护系统的方法。
背景技术
燃料电池是由于在电解质膜中发生的电化学反应而产生电能的装置，并且为了产生电能，一些燃料电池需要湿润电解质膜。一般而言，使用纯水来湿润电解质膜，从而没有杂质粘附到电解质膜上并引起燃料电池性能的恶化。也使用纯水来冷却燃料电池。但是，当使用纯水来湿润或冷却电解质膜时，如果在燃料电池已经停止时，系统处于冰点以下，水在系统内冻结，并且由于凝固引起的体积膨胀，可能损害系统的内部结构。还可能由于冷冻的水，向燃料电池供应气体、空气或水的流路被堵塞，使得不能再起动系统。
为了解决这些问题，日本专利局在1995年公布的JP7-169476A公开了一种用加热器加热燃料电池，使得燃料电池已经停止时，其温度不会下降至0℃以下的方法。另外，日本专利局在1996年公布的JP8-273689A公开了一种当燃料电池已经停止时通过将水排放到燃料电池外面，因此使水在燃料电池外面冻结来避免燃料电池中水冻结的方法。
发明内容
但是，在前者方法中，随着燃料电池停止时间变长，保护燃料电池所需能量值不断增加，并且它们在不修改的情况下不能应用于对使用能量有限的车辆燃料电池。此外，在后者方法中，甚至当燃料电池停止时间短时，也需要较大量的能量来保护燃料电池，并且当燃料电池被再起动时必须融化冷冻的水，从而不能快速地再起动燃料电池。
因此，本发明的一个目标是在燃料电池已经停止时保护系统的水不冻结，并且提供一种具有高的再起动响应的燃料电池系统。
为了实现上述目标，本发明提供了一种燃料电池系统，它包括通过向电解质膜供应氧化剂和含氢气体来产生电能的燃料电池、向燃料电池供应水的供水装置，以及控制器。控制器具有以下功能：估计再起动燃料电池时的再起动时间；估计外部空气温度的变化；分别基于估计的再起动时间和外部空气温度变化，计算通过第一种保护模式保护系统时所需的第一能量值，其中该模式在燃料电池已经停止时，通过加热供应给燃料电池的水来防止水的冻结，以及通过第二种保护模式保护系统时所需的第二能量值，其中该模式在燃料电池已经停止时，通过将水排放到燃料电池外面来防止水在系统内冻结；当第一能量值小于第二能量值时选择第一种保护模式，并且当第一能量值大于第二能量值时选择第二种保护模式作为燃料电池已经停止时使用的保护模式；以及用所选择的保护模式保护系统。
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种保护燃料电池系统的方法，燃料电池系统具有通过向电解质膜供应氧化剂和含氢气体来产生电能的燃料电池，以及向燃料电池供应水的供水装置。所述方法包括估计燃料电池再起动时的再起动时间；估计外部空气温度的变化；分别基于估计的再起动时间和外部空气温度变化，计算通过第一种保护模式保护系统时所需的第一能量值，其中该模式在燃料电池已经停止时，通过加热供应给燃料电池的水来防止水的冻结，以及计算通过第二种保护模式保护系统时所需的第二能量值，其中该模式在燃料电池已经停止时，通过将水排放到燃料电池外面来防止水在系统内冻结；当第一能量值小于第二能量值时选择第一种保护模式，并且当第一能量值大于第二能量值时选择第二种保护模式作为燃料电池已经停止时使用的保护模式；以及用所选择的保护模式保护系统。
本发明的细节以及其它的特征和优点将在剩余的说明书中提出，并且在附图中表示。
附图说明
图1是根据本发明的燃料电池系统的示意图。
图2是表示保护模式选择处理的流程图。
图3是产生外部空气温度变化数据的实例。
图4是表示停止时间和保护所需能量之间关系的图，实线是选择第一种保护模式时所需能量值，并且虚线是选择第二种保护模式时所需能量值。
图5是表示基于外部空气温度变化数据校正图4所获得的停止时间和保护所需能量之间关系的图。
图6是表示再起动时间估计处理的流程图。
图7是表示外部空气温度变化数据产生处理的流程图。
图8是表示选择第一种保护模式时保护处理的流程图。
图9是表示选择第二种保护模式时保护处理的流程图。
图10表示在再起动估计时间校正模式中保护模式选择处理的流程图。
图11是表示用来计算校正再起动估计时间的处理的流程图。
具体实施方式
图1表示根据本发明的燃料电池系统的示意图。该燃料电池系统在车辆中使用。在燃料电池组1中，阴极气体通道和阳极气体通道被安装在电解质膜的每一侧。借助空气供应通道2，作为氧化剂向阴极气体通道供应空气，并且经由燃料供应通道3，向阳极气体通道供应含氢气体。结果，在电解质膜1m的表面上发生下面的电化学反应。
阳极反应：
阴极反应：
因此，可以从燃料电池组1中取出电能。
储存在燃料罐4中的氢气，或者由通过重整器重整的储存在燃料罐4中的例如天然气、甲醇、汽油的重组烃燃料所获得的包含氢气的重整气体被供应到燃料供应通道3中。
冷却剂通道5通过燃料电池组1。通过泵7向燃料电池组1供应储存在冷却剂罐6中的冷却剂(防冻剂，或者防冻剂与水的混合物)，并且循环通过燃料电池组1，使之冷却。从燃料电池组1中回收的热被从热交换器8排放到大气中。
为了完全获得电解质膜1m的性能并且增强燃料电池组1的产能效率，电解质膜的湿润状态必须维持在最优水平。为此，根据本实施方案，在燃料电池组1的上游提供增湿器9，从而湿润供应给电解质膜1m的空气和含氢气体。控制器20根据燃料电池组1的运行状态驱动泵11，并且借助供水通道13从储水罐12向增湿器9供应水。增湿器9中没有消耗的水被再循环至储水罐12。
所述燃料电池组1是使用增湿器9来湿润电解质膜1m的外部增湿型，但是还可以是内部增湿型，其中供水通道13与空气供应通道2(或者阴极通道)接触，燃料供应通道3(或者阳极通道)在多孔材料的任一侧上，其中通过从供水通道13使水渗入空气供应通道2和燃料供应通道3而湿润空气和含氢气体。
增湿器9中消耗的水被作为废气部分从燃料电池组1中排出，所以在燃料电池组1的下游连接能够从燃料电池组1中分离包含在废气中的水的气-液分离器15。借助泵10和阀19，气-液分离器15分离的水被返回储水罐12。安装加热器21来加热储水罐12内部的水。还可以安装燃烧器来代替加热器21。储水罐12具有在选择后面所述的第二种保护模式时经得住体积膨胀和内部水凝固的结构。
此外，除了冷却剂罐6、泵7和热交换器8以外的系统的组件(主要部件，例如燃料电池组1、增湿器9和储水罐12)被安装在由绝热材料构成的保护箱14中，从而抑制了燃料电池组1停止时组件温度的降低。
使用纯水来湿润电解质膜1m。这是因为如果向燃料电池组1供应含杂质的水，杂质粘附到电解质膜1m上，并且降低了燃料电池组1的性能。但是，当使用纯水来湿润时，在燃料电池已经停止时系统处于冰点以下，系统中的水会结冰，因而系统的内部结构可能受到结冰期间体积膨胀的损害。冷冻的水会阻塞空气或水通道，并且阻止了系统的再起动。
因此，在根据本发明的燃料电池系统中，为在燃料电池系统处于冰点以下时防止水冻结提供了两种模式，并且在燃料电池组1停止时通过这些模式之一来防止系统水冻结。具体地说，两种模式为：
模式(1)：驱动泵11，再循环供水通道13中的水，并且由安装在储水罐12中的加热器21加热储水罐12中的水，从而阻止系统中的水冻结。
模式(2)：驱动泵10、11，排放燃料电池组1中的水到储水罐12，并且通过几乎除去燃料电池组1中的所有水而防止水在燃料电池组1中冻结。当系统再起动时，驱动加热器21，融化在储水罐12中冻结的水。
当燃料电池组1停止时，控制器20选择保护模式之一来防止系统的水冻结。
来自检测燃料罐4中剩余料量的剩余燃料量传感器31、从卫星接收车辆位置信息的GPS接收器32、检测车辆外面温度(外部空气温度)的外部空气温度传感器33、检测车辆周围光照的光照传感器34、检测车辆周围氧气浓度的氧气传感器35、检测电池剩余电池量的剩余电池量传感器36(未显示)、允许驾驶员输入例如车辆再起动时间的信息的输入装置37、检测储水罐12中水温的水温传感器38，以及检测燃料电池组1中水量(具体地说，燃料电池组1中水缓冲器中的水量)的水量传感器39中的信号，与来自时钟51的时间和数据信息、来自无线电接收装置52的气候信息，以及来自系统起动/停止开关53的系统起动信号和停止信号一起被输入控制器20中。
当燃料电池已经停止时，控制器20计算在每种保护模式中保护系统所需能量值，并且通过选择需要更少能量值的保护模式来保护系统。但是，甚至在以这种方式保护燃料电池系统时，如果驾驶员通过打开开关53来实行起动操作，并且打算起动燃料电池组1时，控制器20立即停止保护处理，并且起动燃料电池组1。
所述燃料电池系统进一步包括当检测的剩余燃料量或者电池量已经降至低水平时，显示警告信息或者点亮警告灯并敦促驾驶员补给燃料的指示器41，以及当检测的剩余燃料量或者电池量已经降至低水平时发出警报声或者警报信息并敦促驾驶员补给燃料的警报器42。
然后，描述在燃料电池组1已经停止时实行保护系统的处理。
图2表示控制器20实施的保护模式选择处理，它以预定间隔(例如每隔10毫秒)重复执行。
首先，在步骤S1中，基于从系统起动/停止开关53输入控制器20的起动信号和停止信号，确定燃料电池组1是否已经停止。举例来说，如果在输入停止信号后没有输入起动信号，确定燃料电池组1处于停止状态。此处，停止状态并不意味着短暂停止或者空闲停止(idlestop)，而是指驾驶员已经关闭开关53并且离开车辆，使得车辆已经停止运转一段时间(例如一周)。当燃料电池组1运转时，由于燃料电池组1产生的热量，系统中的水不可能冻结，所以终止路线。
当确定燃料电池组1已经停止时，路线进行至步骤S2，并且读取燃料电池温度TEMPc。燃料电池温度TEMPc可以是燃料电池组1自身的温度，但是当存在系统中水冻结的问题时，使用用来增湿的水温，即储水罐12中的水温(下文中，同前)。
在步骤S3中，确定燃料电池温度TEMPc是否降至预定温度TEMPth0(0℃附近的温度，例如5℃)以下。当它没有降至预定温度以下时，系统中的水不可能冻结，所以不需要保护，并且终止所述路线。当燃料电池温度TEMPc已经降至预定温度TEMPth0以下时，系统中的水可能冻结，所以所述路线实施步骤S4及随后步骤的系统保护处理。
在步骤S4中，估计燃料电池组1的再起动时间RST1。燃料电池组1的再起动时间RST1根据图6中所示的流程图来估计，这将在后面详细描述。
在步骤S5中，估计外部空气温度未来的变化，并且产生外部空气温度变化数据TPDATA。外部空气温度变化数据TPDATA产生直至例如再起动估计时间RST1。外部空气温度变化数据TPDATA是表示燃料电池组1已经停止后时间和外部空气温度之间关系的信息，它们的一个实例表示在图3中。外部空气温度变化数据TPDATA根据图7所示的流程图来产生，这将在后面详细描述。
在步骤S6、S7中，基于在步骤S5中产生的外部空气温度变化数据TPDATA和在步骤4中估计的燃料电池组1的再起动估计时间RST1，分别计算在第一种保护模式(通过加热并维持水温来保护)中保护系统直至再起动估计时间RST1所需能量值E1，以及在第二种保护模式(通过将燃料电池组1中的水排放到储水罐12中来保护)中保护系统直至再起动估计时间RST1所需能量值E2。
具体地说，首先计算如果在当前外部空气温度下外部空气温度不变时保护系统所需的能量值E1、E2。至于当选择第一种保护模式时所需能量值E1，计算该能量作为通过加热器21加热来补偿从燃料电池组1向外部释放的热量，并且维持燃料电池组1的温度在0℃以上所需的能量值。计算当选择第二种保护模式时所需能量值E2，作为利用加热器21加热并融化储水罐12中冷冻的水所需能量值与融化期间通过加热器21加热来补偿从冰表面逃逸热量所需能量值之和。此处，为了简化起见，没有考虑驱动泵10、11所需能量值，但是为了更准确地计算能量值E1、E2，这些能量可以都被考虑。
图4表示以这种方式计算保护所需能量值E1、E2的一个实例。无论选择什么保护模式，保护系统所需能量值随着停止时间变长而增加。当停止时间短时，第二种保护模式中能量值比第一种保护模式中更快地增加，所以能量值E1小于能量值E2。但是，当选择第二种保护模式时，在一段停止时间(图中的t1)后，所需能量值的增加速率趋于稳定，并且当选择第一种保护模式和第二保护模式时所需能量值E1、E2的相对大小在一定停止时间(图中的t2)下被反转。
这是因为在第一种保护模式中，停止时间和所需保护能量值具有线性关系，而在第二种保护模式中，所需保护能量值根据储水罐12中冰的量来确定，冰的量根据停止时间而增加，并且当储水罐12中所有的水已经冻结后，不管停止时间如何，冰的量不变。但是，当储水罐12中所有的水已经冻结后，水温降至0℃以下，并且融化所需能量值增加，所以甚至在所有水已经冻结后，根据停止时间保护所需能量值逐渐增加。
另外，保护所需能量值受外部空气温度的影响。如果外部空气温度低，系统温度下降剧烈，所以保护所需能量值增加(所需能量值的斜率增加)。在这种情况下，在步骤S6、S7中基于步骤S4中产生的外部空气温度变化数据TPDATA来校正以这种方式计算的能量值E1、E2，并且看作在选择两种模式时所需保护能量值E1、E2。图5表示校正后数据的一个实例。
在步骤S8中，比较选择第一种保护模式时所需能量值E1和选择第二种保护模式时所需能量值E2。当能量值E1小于能量值E2时，路线进行至步骤S9，选择第一种保护模式，并且标志FPMODE设置为“1”，表示选择了第一种保护模式。相反，当能量值E1高于能量值E2时，路线进行至步骤S10，选择第二种保护模式，并且标志FPMODE设置为“2”，表示选择了第二种保护模式。
接下来，参照图6描述控制器20实施的再起动时间估计处理。假定驾驶员在固定的一天(例如星期日)每周使用一次车辆，实施估计处理。所述估计处理相应于图2步骤S4中的处理。
首先，在步骤S21中，读取再起动估计时间初始值RST0。当车辆从工厂下线，或者运送给用户时，设置初始值RST0为适当时间(例如12:00)，并且通过步骤S25和随后步骤中的处理(认知处理)在每次燃料电池组1再起动时更新为新的值。
在步骤S22中，确定是否存在从输入装置37输入的外部输入时间RST2(驾驶员估计的再起动时间)。当不存在外部输入时间RST2时，路线进行至步骤S23，并且设置再起动估计时间RST1为一周后的时间RST0。相反，当存在外部输入时间RST2时，路线进行至步骤S24，并且设置再起动估计时间RST1为一周后的时间RST2。
再起动估计时间RST1通过上述处理来估计，但是为了增强估计的准确性，在该流程中，基于实际再起动时间和估计的再起动时间之间的差异，校正用于随后估计的再起动估计时间初始值RST0。具体地说，当在步骤S23中设置再起动估计时间RST1并且燃料电池组1再起动时，路线从步骤S25进行至步骤S26，并且储存实际起动时间为RST3。在步骤S27中，确定实际再起动时间RST3和再起动估计时间RST1之间的差值是否小于预定值ΔRSTth。当小于时，不校正再起动时间初始值RST0，并且当不小于时，路线进行至步骤S28，并且通过下式校正再起动估计时间初始值RST0：
RST0＝RST1+(RST3-RST1)×G2
式中，G2＝增益。
同样，当在步骤S24中设置再起动估计时间RST1，并且燃料电池组1再起动时，路线从步骤S29进行至步骤S30，并且校正再起动估计时间初始值RST0为RST2。当实施再起动时，路线从步骤S29进行至步骤S31，并且储存实际再起动时间为RST3。
然后，在步骤S32中确定RST3和再起动估计时间RST1(＝RST2)之间的差值是否小于预定值ΔRSTth。当差值小于预定值ΔRSTth时，路线进行至步骤S33并且校正再起动估计时间初始值RST0为RST2，否则路线进行至步骤S34中，并且通过下式校正再起动估计时间初始值RST0：
RST0＝RST2+(RST3-RST2)×G1
式中，G1＝增益。
接下来，参照图7描述控制器20实施的产生外部空气温度变化的程序。该处理相应于图2步骤S5中的处理。
首先，在步骤S41中，确定备份能量值Pb是否大于预定值Pbth。当备份能量值Pb小于预定值Pbth时，路线进行至步骤S42，并且停止产生外部空气温度变化，从而避免整个备份能量耗尽。
当备份能量值Pb大于预定值Pbth时，路线进行至步骤S43，并且确定是否已经存在外部空气温度变化数据TPDATA。如果不存在外部空气温度变化数据TPDATA，路线进行至步骤S44和随后步骤，产生外部空气温度变化数据TPDATA，而如果存在，路线进行至步骤S51和随后步骤，校正外部空气温度变化数据TPDATA，进一步增强准确性。
在步骤S44中，读取从GPS接收器32中接收的车辆位置信息。在步骤S45中，读取储存在控制器20存储器中的燃料电池组1停止的天数和时间。此外，在步骤S46中，读取从无线电接收装置52中获得的相应于车辆位置和日期及时间的气候信息(未来天气、温度变化)。
在步骤S47中，基于气候信息估计未来外部空气温度变化(例如直至一周后再起动估计时间RST1的外部空气温度变化)，并且产生示于图3中的外部空气温度变化数据TPDATA。从车辆位置、日期和时间(季节)估计所述温度变化，而不用获得气候信息，或者在因为某些原因不能获得气候信息时，从车辆位置、日期和时间(季节)估计温度变化。
在步骤S48中，读取由外部空气温度传感器33检测的当前外部空气温度TEMPo。在步骤S49中，读取由光照传感器34检测的车辆周围的光照ILM。在步骤S50中，为了进一步增强外部空气温度变化数据TPDATA的准确性，基于当前外部空气温度TEMPo和光照ILM，校正在步骤S47中产生的外部空气温度变化数据TPDATA。举例来说，如果检测的外部空气温度TEMPo高于基于气候信息的外部空气温度，或者检测的光照ILM高于预定值ILMth，将外部空气温度变化数据TPDATA转变成更高温度。举例来说，根据车辆位置(纬度、高度)和日期(季节)，在存储器中储存预定值ILMth，并且设置成阳光直落在车辆上的光照值。
当在步骤S43中确定出已经存在外部空气温度变化数据TPDATA时，路线进行至步骤S51，并且计算通过查阅外部空气温度变化数据TPDATA(外部空气温度估计值)所得的值和由外部空气温度传感器33检测的当前外部空气温度TEMPo之间的差值ΔT。当在步骤S52中确定出绝对值ΔT大于预定值ΔTth时，外部空气温度变化数据TPDATA不可靠地代表实际外部空气温度变化，所以路线进行至步骤S53，校正外部空气温度变化数据TPDATA。如果没有，外部空气温度变化数据TPDATA与实际外部空气温度变化符合良好，所以终止路线，不用校正外部空气温度变化数据TPDATA。
在步骤S53中，由光照传感器34检测光照ILM。在步骤S54中，基于ΔT和光照ILM校正外部空气温度变化数据TPDATA。具体地说，外部空气温度变化数据TPDATA举例来说变化了ΔT，或者当检测的光照ILM高于预定值ILMth时，外部空气温度变化数据TPDATA向高端变化。
接下来，参照图8描述当在图2步骤S9中选择第一种保护模式时控制器20实施的保护处理。
首先，在步骤S61，基于标志FPMODE的值，确定是否选择了第一种保护模式。当确定标志FPMODE为“1”，并且已经选择第一种保护模式时，路线进行至步骤S62，否则终止所述路线。
在步骤S62中，检测剩余能量值rE(剩余燃料量、剩余电池量)。在步骤S63中，确定检测的剩余能量值rE是否大于预定值rEth。举例来说，设置预定值rEth为再起动燃料电池组1所需的最小能量值，然后在燃料电池组1再起动后，运转车辆一定时间。当剩余能量值rE小于预定值rEth时，路线进行至步骤S64，否则路线进行至步骤S68。
在步骤S64中，确定指示器41和报警器42的电源量Pi是否大于预定值Pith。当它大于预定值Pith时，路线进行至步骤S65，指示器41和报警器42激活，路线进行至步骤S66并且停止加热器21。另一方面，当指示器41和报警器42的电源量Pi小于预定值Pith时，路线进行至步骤S67，并且停止指示器41和报警器42。
如果在步骤S63中确定出剩余能量值rE大于预定值rEth，并且路线进行至步骤S68，停止指示器41和报警器42，并且读取燃料电池温度TEMPc。
在步骤S70中，确定燃料电池温度TEMPc是否低于预定值TEMPth(例如2℃)。如果它低于TEMPth，路线进行至步骤S71，否则路线进行至步骤S66并且停止加热器21。
在步骤S71中，检测氧气浓度CNo。在步骤S72中，确定氧气浓度CNo是否高于预定浓度CNth。举例来说，设置预定浓度CNth为CNmin+α的值，它具有相对于对人体不会有不利影响的极限氧气浓度CNmin的一定的裕度。当氧气浓度CNo高于预定值CNth时，路线进行至步骤S73，并且激活加热器21，加热储水罐12中的水。当它低于预定值CNth时，路线进行至步骤S66并且停止加热器21。在氧气浓度CNo低于预定值CNth时停止加热器21的原因为：如果在密闭的空间例如在地下停车场或室内停车场里继续操作加热器21，车辆周围的氧气浓度将降低，并且可能对附近的人产生不利的影响。
在步骤S74中，确定当前时间t是否在RST1+Δt(Δt：预定时间)之前，并且当它在RST1+Δt之前时，终止所述路线。当它在该时间后时，路线进行至步骤S75，并且施用校正再起动估计时间并检查保护模式选择的再起动估计时间校正模式。设置预定时间Δt为0或更长时间的任意时间。将会在下面描述再起动估计时间校正模式。
接下来，参照图9描述当在步骤S10中选择第二种保护模式时控制器20实施的保护处理。
首先，在步骤S81，基于标志FPMODE的值，确定是否选择了第二种保护模式。当确定标志FPMODE为“2”，并且已经选择第二种保护模式时，路线进行至步骤S82，否则终止所述路线。
在步骤S82中，检测剩余能量值rE(剩余燃料量、剩余电池量)。在步骤S83中，确定检测的剩余能量值rE是否小于预定值rEth。设置预定值rEth为再起动燃料电池组1所需的最小能量值，然后在燃料电池组1再起动后，运转车辆一定时间。当它小于预定值rEth时，路线进行至步骤S84，并且确定指示器41和报警器42的电源量Pi是否大于预定值Pith，否则路线进行至步骤S89。
当在步骤S84中，确定指示器41和报警器42的电源量Pi大于预定值Pith时，路线进行至步骤S85，并且激活指示器41和报警器42。否则路线进行至步骤S86，并且停止指示器41和报警器42。然后，路线进行至步骤S87，停止泵10、11，并且在步骤S88中停止加热器21并终止所述路线。
当在步骤S83中确定出剩余能量值rE大于预定值rEth时，在步骤89中停止指示器41和报警器42。在步骤S90中，检测排放状态。此处，为了确定排放状态，由水量传感器39检测燃料电池组1中的水量。
在步骤S91中，当确定出燃料电池组1中的检测的水量不为0并且水的排放未完成时，路线进行至步骤S92。在步骤S92中，激活泵10、11，并且将燃料电池组1中的水排放至储水罐12中。此时，泵反向旋转，排放并从燃料电池组1中回收水至储水罐12。相反，当确定出燃料电池组1中的检测的水量为0并且水的排放完成时，路线进行至步骤S93，并且停止泵10、11。
在步骤S94中，确定当前时间t是否达到再起动估计时间RST1之前的预定时间Δt1。当确定已经达到该时间时，路线进行至步骤S95，并且读取燃料电池温度TEMPc。此处，设置预定值Δt1长于通过使用加热器21融解储水罐12中的冰所需的时间。
在步骤S96中，确定燃料电池温度TEMPc是否低于预定值TEMPth。当它低于TEMPth时，路线进行至步骤S97，并且激活加热器12，融化储水罐12中的冰。否则，不需要融化，所以路线进行至步骤S98，并且停止加热器21。为了通过再起动估计时间RST1完成融化储水罐12中的冰，并且能够立即再起动燃料电池组1，在再起动估计时间RST1之前的预定时间Δt1开始融化。
在步骤S99中，确定当前时间t是否在RST1+Δt2(Δt2：预定时间)之前，并且当它在RST1+Δt之前时，终止所述路线。当它在该时间后时，路线进行至步骤S100，并且转移至校正再起动时间并检查保护模式选择的再起动估计时间校正模式。设置预定时间Δt2为0或更长时间的任意时间。
接下来，参照图10描述在转移至再起动估计时间校正模式(下文中，校正模式)时控制器20实施的处理。在校正模式中，控制器20校正燃料电池组1的再起动估计时间，并且基于校正的再起动估计时间检查保护模式选择。
首先，在步骤S101中，确定是否应用了校正模式。当确定没有应用校正模式时，终止所述路线，并且当确定应用了校正模式时，路线进行至步骤S102，并且读取燃料电池温度TEMPc。
在步骤S103中，确定燃料电池温度TEMPc是否低于预定值TEMPtt0(例如5℃)。当它低于预定值TEMPth0时，路线进行至步骤S104，并且校正再起动估计时间RST1，估计校正的再起动时间RST1′。根据图11所示的流程图估计校正的再起动估计时间RST1′，这将在后面描述。
在步骤S105中，估计外部空气温度变化直到校正后的再起动估计时间RST1′，并且再产生外部空气温度变化数据TPDATA。根据已经描述的图7所示的流程图来实施外部空气温度变化数据TPDATA的再产生，所以此处省略它的说明。
在步骤S106、S107中，分别计算当通过选择第一种保护模式或第二种保护模式来保护系统直到校正后的再起动估计时间RST1′时所需的能量值E1′、E2′。计算能量值E1′、E2′的方法与步骤S6、S7中计算能量值E1、E2的方法相同，所以将省略它的说明。
在步骤S108中，比较选择第一种保护模式时所需能量值E1′和选择第二种保护模式时所需能量值E2′。当能量值E1′小于能量值E2′时，路线进行至步骤S109，选择第一种保护模式，并且设置标志FPMODE为“1”，表示选择了第一种保护模式。相反，当能量值E1′高于能量值E2′时，路线进行至步骤S110，选择第二种保护模式，并且设置标志FPMODE为“2”，表示选择了第二种保护模式。
接下来，参照图11描述计算被校正的再起动时间的方法。所述计算处理相应于图10步骤S104中的处理。
首先，在步骤S111中，确定是否应用校正模式。当不应用校正模式时，终止所述路线，并且当应用校正模式时，路线进行至步骤S112。
首先，在步骤S112中，读取校正前的再起动估计时间RST1。在步骤S113中，确定是否存在外部输入时间RST2。当不存在外部输入时间RST2时，路线进行至步骤S114，并且从下面等式计算校正的再起动估计时间RST1′：
RST1′＝RST1+平均(RST3-RST1)×G1′
式中，G1′＝增益。
平均(RST3-RST1)是每次在图6的步骤S27中计算(RST3-RST1)时，通过权重平均处理获得的累积值。另一方面，当存在外部输入时间RST2时，路线进行至步骤S115，并且从下面等式计算校正的再起动估计时间RST1′：
RST1′＝RST1+平均(RST3-RST2)×G2′
式中，G2′＝增益。
平均(RST3-RST1)是每次在图6的步骤S32中计算(RST3-RST2)时，通过权重平均处理获得的累积值。
在上面的实施方案中，冷却剂是含水的防冻剂，但是还可以使用纯水作为冷却剂，在这种情况中，可以在冷却剂罐6中安装等价于储水罐12中加热器21的装置，并且实施与上面实施方案相同的控制。
日本专利申请P2002-88075(2002年3月27日提交)的全部内容引入本文作参考。
尽管参考本发明的特定实施方案，上面已经描述了本发明，但是本发明并不局限于上述实施方案。根据上述讲解，本领域技术人员可以对上述实施方案做出修改和改变。本发明的范围参照下面的权利要求来定义。
应用工业领域
本发明可以应用于燃料电池系统，并且当然可以应用于在车辆中使用的燃料电池系统之外的燃料电池系统。本发明可以抑制防止系统水冻结所需能量值至绝对最小值。
Claims (17)
1、一种燃料电池系统，包括：
通过向电解质膜(1m)供应氧化剂和含氢气体来产生电能的燃料电池(1)；
向燃料电池(1)供应水的供水装置(9，12)；
以及具有以下功能的控制器(20)：
估计再起动燃料电池(1)时的再起动时间；
估计外部空气温度的变化；
分别基于估计的再起动时间和外部空气温度变化，计算通过第一种保护模式保护系统时所需的第一能量值，其中该第一模式在燃料电池(1)已经停止时，通过加热供应给燃料电池(1)的水来防止系统中水的冻结，以及计算通过第二种保护模式保护系统时所需的第二能量值，其中该第二模式在燃料电池(1)已经停止时，通过从燃料电池(1)排放水来防止水在系统内冻结；
当第一能量值小于第二能量值时选择第一种保护模式，并且当第一能量值大于第二能量值时选择第二种保护模式，作为燃料电池(1)已经停止时使用的保护模式；以及
用所选择的保护模式保护系统。
2、根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括：
检测日期和时间的传感器(51)，并且其中：
控制器(20)还具有基于检测的日期和时间估计外部空气温度变化的功能。
3、根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括：
检测系统位置的传感器(32)，并且其中：
控制器(20)还具有基于检测的系统位置估计外部空气温度变化的功能。
4、根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括：
检测系统周围光照的传感器(34)，并且其中：
控制器(20)还具有基于检测的光照估计外部空气温度变化的功能。
5、根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括：
向其输入气候信息的装置(52)，并且其中：
控制器(20)还具有基于输入的气候信息估计外部空气温度变化的功能。
6、根据权利要求1至5任何一项所述的燃料电池系统，进一步包括：
检测外部空气温度的传感器(33)，并且其中：
控制器(20)还具有基于从估计的外部空气温度变化获得的外部空气温度与检测的外部空气温度之间的差值，校正估计的外部空气温度变化的功能。
7、根据权利要求1至5任何一项所述的燃料电池系统，其中：
控制器(20)进一步具有将燃料电池(1)实际再起动时的实际再起动时间与估计的再起动时间之间差值应用于下一次估计再起动时间的功能。
8、根据权利要求1至5任何一项所述的燃料电池系统，进一步包括：
驾驶员输入再起动时间的装置(37)，并且其中：
当输入了再起动时间时，控制器(20)进一步具有估计燃料电池(1)在输入的再起动时间下再起动的功能。
9、根据权利要求1至5任何一项所述的燃料电池系统，其中：
控制器(20)进一步具有尽管估计的再起动时间后已经过去预定时间，但燃料电池(1)没有再起动时校正估计的再起动时间，并且基于校正的再起动时间再次实施保护模式选择的功能。
10、根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中：
控制器(20)进一步具有基于估计的再起动时间和实际再起动时间之间的差值来校正估计的再起动时间的功能。
11、根据权利要求1至5任何一项所述的燃料电池系统，进一步包括：
检测系统中剩余能量值的传感器(31，36)，并且其中：
控制器(20)进一步具有当检测的系统中剩余能量值小于预定值时，停止在第一种保护模式中保护燃料电池(1)的功能。
12、根据权利要求1至5任何一项所述的燃料电池系统，进一步包括：
检测系统外氧气浓度的传感器(35)，并且其中：
控制器(20)进一步具有当检测的系统外氧气浓度小于预定值时，停止在第一种保护模式中保护的功能。
13、根据权利要求1至5任何一项所述的燃料电池系统，进一步包括：
当系统中的剩余能量值小于预定值时，发出警报的装置(41，42)。
14、根据权利要求1至5任何一项所述的燃料电池系统，其中：
控制器(20)进一步具有当系统在第二种保护模式中保护时，从估计的再起动时间之前的预定时间开始融化已经在燃料电池(1)外冻结的冰的功能。
15、根据权利要求1至5任何一项所述的燃料电池系统，进一步包括：
起动燃料电池(1)的开关(53)，并且其中：
控制器(20)进一步具有当开关(53)在系统在第一或第二种保护模式保护下操作时，停止保护系统并起动燃料电池(1)的功能。
16、一种保护燃料电池系统的方法，该燃料电池系统具有通过向电解质膜(1m)供应氧化剂和含氢气体来产生电能的燃料电池(1)，以及向燃料电池(1)供应水的供水装置(9，12)，所述方法包括：
估计燃料电池(1)再起动时的再起动时间；
估计外部空气温度的变化；
分别基于估计的再起动时间和外部空气温度变化，计算通过第一种保护模式保护系统时所需的第一能量值，其中该第一模式在燃料电池(1)已经停止时，通过加热供应给燃料电池(1)的水来防止水的冻结，以及计算通过第二种保护模式保护系统时所需的第二能量值，其中该第二模式在燃料电池(1)已经停止时，通过从燃料电池(1)排放水来防止水在系统内冻结；
当第一能量值小于第二能量值时选择第一种保护模式，并且当第一能量值大于第二能量值时选择第二种保护模式，作为燃料电池已经停止时使用的保护模式；以及
用所选择的保护模式保护系统。
17、一种燃料电池系统，包括
通过向电解质膜(1m)供应氧化剂和含氢气体来产生电能的燃料电池(1)；
向燃料电池(1)供应水的供水装置(9，12)；
估计燃料电池(1)再起动时的再起动时间的装置；
估计外部空气温度变化的装置；
分别基于估计的再起动时间和外部空气温度变化，计算在燃料电池(1)已经停止时，通过加热供应给燃料电池(1)的水来防止水冻结的第一种保护模式保护系统时所需的第一能量值，以及计算在燃料电池(1)已经停止时，通过从燃料电池(1)排放水来防止水在系统内冻结的第二种保护模式保护系统时所需的第二能量值的装置；
当第一能量值小于第二能量值时选择第一种保护模式，并且当第一能量值大于第二能量值时选择第二种保护模式，作为燃料电池(1)已经停止时使用的保护模式的装置；以及
用所选择的保护模式保护系统的装置。
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