CN1706063A - 燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池系统，具有：由于供应气体的反应而发电的燃料电池(1)；用于采用水箱(31)中的水来加湿至少一种供应气体的加湿装置(34)；以及冷却剂温度调节装置(21、22、25、26、27、28、51)，用于调节在燃料电池(1)内部流动的冷却剂温度以便控制燃料电池(1)的温度；和解冻装置(61)。解冻装置(61)通过将冷却剂中所含的热量提供给冰、从而在燃料电池系统起动操作的过程中将水箱(31)中的冰融化。这里，由于在燃料电池(1)内部发电过程中产生了废热，使得冷却剂具有升高的温度。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及燃料电池系统的启动控制。
背景技术
聚合物电解质燃料电池包括表现出质子透过性的聚合物电解质膜和在该电解质膜的两侧上设置的多孔催化剂电极。空气(或氧气)和氢气分别供应给电极，并由于在氢气和空气中存在的氧气之间的电化学反应而进行发电。
当质子经过聚合物膜时，由于电渗使得质子与水分子一起迁移，因此使接近阳极的聚合物膜变干。这种变干过程降低了聚合物膜的导电性，因此严重影响了发电特性。可通过增加供应给电极的氢气和空气的水分的方式防止变干过程。日本专利局出版的JP特开2001-256989公开了一种加湿装置，该装置利用来自水箱的水(或纯水)来加湿所提供的气体如氢气和空气。采用外部加湿系统的聚合物电解质燃料电池在燃料电池的外部上设置有用于加湿供应到燃料电池的气体的加湿装置。但当燃料电池系统处于温度低于0℃的外部环境时，由于在水箱中的水冻结，因此无法加湿所供应的气体如氢气或空气。因此，燃料电池只能在使水箱中的冰融化之后才能启动。当外部温度低于0℃时，原有技术采用电加热器来加热水箱或加湿装置的方式防止水冻结。
发明内容
然而，由于为了防止水冻结、电加热器采用了极大量的电能，因此原有技术增加了电池上的负载。
燃料电池系统有时包括温度调节装置，该装置调节流过燃料电池的冷却剂温度，使得燃料电池维持在适当温度。利用燃料电池发电所产生的废热提高燃料电池中的冷却剂温度。
因此，本发明的目的是在燃料电池系统启动时实现温升，从而在没有额外的燃料消耗或功率消耗的情况下融化水箱中的冰。
为了实现上述目的，本发明提供一种燃料电池系统，该系统具有：由于在供应气体之间的化学反应而发电的燃料电池，其中冷却剂在该燃料电池中流动并且由于吸收了燃料电池发电所产生的废热而使温度升高；水箱；加湿装置，用于采用该水箱中的水来加湿至少一种供应气体；以及冷却剂温度调节装置，用于调节在燃料电池内部流动的冷却剂温度以便控制燃料电池的温度。
该燃料电池系统包括：解冻装置，用于把冷却剂的热量提供给水箱，从而使水箱中的冰融化；冷却剂再循环通道，用于使冷却剂经解冻装置和燃料电池再循环；流动发生器，用于产生冷却剂从燃料电池向解冻装置的流动；以及控制器，用于控制燃料电池系统的启动操作。控制器具有控制流动发生器以产生冷却剂从燃料电池向解冻装置的流动的功能，从而在该燃料电池系统启动操作的同时融化水箱中的冰。冷却剂具有吸收由发电操作产生的废热并融化水箱中的冰的功能。
此外，本发明提供一种用于控制燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具有：由于在供应气体之间的化学反应而发电的燃料电池，其中冷却剂在该燃料电池中流动并且由于吸收了燃料电池发电所产生的废热而使温度升高；水箱；加湿装置，用于采用该水箱中的水来加湿至少一种供应气体；以及冷却剂温度调节装置，用于调节在燃料电池内部流动的冷却剂温度以便控制燃料电池的温度。
该控制方法包括以下步骤：提供解冻装置，该装置用于把冷却剂的热量提供给水箱，从而使水箱中的冰融化；提供冷却剂再循环通道，该冷却剂再循环通道用于使冷却剂经解冻装置和燃料电池再循环；以及产生冷却剂从燃料电池向解冻装置的流动，从而在燃料电池系统启动操作的同时融化水箱中的冰。
在说明书的剩余部分描述了并在附图中示出了本发明的细节以及其它特点和优点。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池系统的示意图。
图2是由第一实施例所限定的凝固点以下启动模式标识(flag)设定的程序的流程图。
图3是表示根据第一实施例的第一启动控制程序的流程图。
图4是表示根据第一实施例的第二启动控制程序的流动图。
图5A是表示根据第一实施例在燃烧室中热量产生的暂时变化和燃料电池发电的曲线。图5B是表示根据第一实施例的燃料电池温度的曲线。图5C是表示根据第一实施例在水箱中的融化冰量的曲线。
图6是根据第二实施例的燃料电池系统的示意图。
图7是表示根据第二实施例的启动控制程序的流程图。
具体实施方式
虽然在以下实施例中所示的燃料电池系统适用于车辆，但是该燃料电池系统也可适当地改变以便适用于用电设备中。
参见附图1，描述由本发明第一实施例限定的燃料电池系统。
燃料电池系统包括：设置有空气通道、氢气通道和冷却剂通道95的燃料电池1；和在燃料电池1外部设置的加湿装置34。燃料电池1是聚合物电解质燃料电池。在通常情况下，采用被燃料电池1中的多孔隔膜吸取的、由化学反应生成的水加湿供应到燃料电池1的氢气和空气。下面，有时将所供应的空气和氢气简称为供应气体。另一方面，当由于燃料电池1上的负载增加而使燃料电池1的温度增加并且由此不能仅靠加湿燃料电池1的内部来维持适当的湿度值时(例如，温度范围大于或等于图5中的固定值T3)，加湿装置34利用水箱31中的水对空气和氢气进行辅助加湿操作。加湿后的空气和氢气供应给燃料电池1中的各电极。
从氢罐2经由氢供应通道6向喷射器5提供氢气。氢气从喷射器5引入燃料电池1的氢通道进口7。燃料电池1的氢通道出口8经由氢再循环通道9连接到喷射器5。当截止阀3处于打开位置时，氢气从氢通道出口8经由截止阀70返回到喷射器5。截止阀3通常处于关闭位置。空气被压缩机11加压并经由空气供应通道12供应给燃料电池1的空气通道进口13。
水箱31中的水在压力下从水供应泵32经由水供应通道33传送至喷射器34(加湿装置)。水从水喷射器34注入氢供应通道6和空气供应通道12。该操作使氢气和空气引入燃料电池1以被加湿。
为了将供水压力保持在固定值，在水供应通道33中设置压力调节阀45。从压力调节阀35伸出的第一返回通道36连接到在水供应通道33上的水供应泵32的上游侧。在第二返回通道37中设置通常处于关闭状态的截止阀38，所述第二返回通道37从水泵32的水供应通道33下游分支出来并将水返回到水箱31。在第三返回通道39中设置通常处于关闭位置的截止阀40，所述第三返回通道39从压力调节阀35的第一返回通道36分支出来并将水返回到水箱31。当截止阀38、40都打开时，水经由返回通道37、39排到水箱31。
在使燃料电池1能够高电平发电之后，控制器51根据所需的发电量通过控制在氢供应通道6中设置的压力控制阀4的方式调节流入氢供应通道6的氢流量。即使当例如所需的发电量变化时，控制器51也能控制来自压缩机11的空气流量以便根据来自用于检测氢流量的流量传感器52和用于检测在空气供应通道12中的空气流量的流量传感器53的信号获得在空气和氢气流量之间的最佳比率(固定值)。
控制器15包括微型计算机，微型计算机具有：用于运行程序的中央处理单元(CPU)、用于存储程序和数据的只读存储器(ROM)、用于临时存储作为CPU的计算结果所得到的数据的随机存储器(RAM)、和输入/输出接口(I/O接口)。
燃料电池系统包括用于产生冷却剂流动的流动发生器。流动发生器包括冷却剂泵21，该冷却剂泵21设置在冷却剂再循环通道中并在压力下传送冷却剂。燃料电池系统包括冷却剂温度调节装置，该装置调节在燃料电池1内部流动的冷却剂温度，使得当在燃料电池1中能够高电平发电时，燃料电池1中的温度保持不变。冷却剂温度调节装置包括：用于在燃料电池1内部和散热器26中再循环冷却剂的冷却剂再循环通道、从冷却剂再循环通道分支出来并绕过散热器26的第一旁路通道27和用于从经过散热器26的通道向经过第一旁路通道27的通道进行冷却剂通道转换的三通阀(通道转换装置)。控制器51采用三通阀28以便选择性地转换两个通道，从而控制在燃料电池1中的冷却剂温度。
在车辆运行的同时散热器26利用进入的外部空气进行热交换。一对冷却剂通道22、25连接在燃料电池和散热器26中的冷却剂通道95。因此，冷却剂再循环通道设置有散热器26、在燃料电池1内部的冷却剂通道95、冷却剂通道22和冷却剂通道25。流入冷却剂再循环通道的冷却剂从冷却剂泵21的出口流向冷却剂通道22、在燃料电池1中的冷却剂通道95、冷却剂通道25和散热器26。此后，冷却剂返回到冷却剂泵21的进口。
绕过散热器26的第一旁路通道27从燃料电池1的冷却剂通道25下游分支出来。第一旁路通道27通过三通阀28(通道转换装置)与冷却剂通道22连接。
当没有提供电流时，三通道28将端口A与端口C连接，并将端口B与端口C隔开。当提供电流时，三通阀28切断在端口A和端口C之间的连接，并将端口B与端口C连接。此处，电流用作指令信号。由于三通阀28的启动或非启动，使得冷却剂通道从经过散热器26的通道向经过第一旁路通道27的通道转换。
在使燃料电池1高电平发电之后，控制器51控制三通阀28，使得燃料电池1中的冷却剂温度与参考温度(大致固定温度)一致。换句话说，控制器51向三通阀28施加或不施加电流，由此控制三通阀28，当冷却剂温度高于参考温度时选择性地转换冷却剂经过散热器26流动；而当冷却剂温度低于参考温度时选择性地转换冷却剂经过第一旁路通道27流动。根据燃料电池的状态提前确定参考温度。此外，控制器51根据来自用于检测冷却剂通道出口24中的冷却剂温度的温度传感器83、用于检测冷却剂压力的压力传感器55和用于检测冷却剂通道进口23中冷却剂的温度传感器54的信号控制由冷却剂泵21注入的冷却剂流量。温度传感器83检测在冷却剂通道出口24中的冷却剂温度，作为燃料电池1温度的测量。然而，温度传感器83也可以直接检测燃料电池1的温度，而不是检测在冷却剂通道出口24中的冷却剂温度。
由燃料电池1产生的电能供应给用电设备如电池或电动汽车。当安装有燃料电池系统的汽车在低于或等于0℃的外部温度下停放和出发时，水箱31中的水冻结，不能加湿所供应的氢气和空气。因此在本实施例中，设置解冻装置或加热器，以便利用已通过燃料电池1发电所产生的废热提高了温度的冷却剂的热量融化水箱31中的冰。
水箱31相对于冷却剂的流动设置在燃料电池1的下游。在水箱31的水中设置连接到燃料电池1的冷却剂通道出口24的冷却剂通道25部分。水箱31中的冷却剂通道部分形成为例如线圈的形状，用作热交换部分61(热交换器)以在冷却剂和水箱31中的水之间进行热交换。换句话说，热交换部分61是解冻装置。
热交换器65沿第一旁路通道27设置并在第一旁路通道27中的冷却剂和燃烧气体之间进行热交换操作。热交换器65与电加热催化剂67(EHC)和催化燃烧室66一体化。从氢再循环通道9分支出的氢通道68连接到电加热催化剂67。一端连接到燃料电池1的空气通道出口14的排放空气通道69的另一端也连接到电加热催化剂67。在氢再循环通道9中设置通常关闭的截止阀70。在分支氢通道68中设置通常关闭的流动控制阀71。在排放空气通道69中设置压力控制阀72。
打开在氢供应通道6中的截止阀3和压力控制阀4，关闭在氢再循环通道9中的截止阀70，打开在分支氢通道68中的流动控制阀71，从而提供氢气。在此状态下，在氢罐2中的氢气经由氢供应通道6、在燃料电池1中的氢通道和分支氢通道68提供给催化燃烧室66。当压缩机11处于ON位置并打开在排放空气通道69中的压力控制阀72时，从压缩机11注入的空气经由空气供应通道12、在燃料电池1中的空气通道和排放空气通道69提供给催化燃烧室66。在催化燃烧室66中燃烧氢气和在空气中存在的氧气。燃烧气体流入热交换器65，并通过热交换加热冷却剂。此后，燃烧气体排放到外部大气。
由于氢气不与空气中的氧气反应(燃烧)直至催化燃烧室66中的催化剂达到活化温度，因此电加热催化剂67将氢气和空气的温度提高至能够在催化燃烧室66中点燃的温度。
接下来，描述由控制器51执行的在表示燃料电池系统启动控制的图2-4中的流程。
参见图2中的流程，描述用于设定凝固点以下启动模式标识的控制程序。一旦当来自开关85的信号从OFF位置转换成ON位置(换句话说，当开始启动操作时)，才执行此控制程序。开关85可包含通常设置在车辆中的键控开关(key switch)。当开关85从OFF转换为ON以启动车辆时，启动燃料电池系统。
首先，在步骤S1中，通过温度传感器81读取在水箱31中的水温Ttnk[℃]。在步骤S2中，将水箱31中的水温Ttnk[℃]与凝固点0℃相比较。当在水箱31中的水温Ttnk[℃]低于或等于0℃时，确定水箱31中的水已冻结，程序进行至步骤S3。在步骤S3中，将凝固点以下启动模式标识设定为一(凝固点以下启动模式标识＝1)。凝固点以下启动模式标识表示燃料电池系统是否在低于凝固点或高于凝固点的温度下启动。此后，程序进行至步骤S4，电流提供给电加热催化剂67。结果，增加了电加热催化剂67的温度。
在此阶段，由于燃料电池1不可能进行高电平发电，因此车辆不能运行。因此，在步骤S5中，将运行准许标识设定为零(运行准许标识＝0)。运行准许标识是表示是否禁止车辆运行的标识。当运行准许标识设定为零时，表示禁止车辆运行的驾驶员座位附近的灯被点亮。
当水箱31中的水温Ttnk[℃]高于凝固点0℃时，确定水箱31中的水没有冻结。在此情况下，可立即加湿供应气体，系统转变为正常模式。因此，能够立即使燃料电池1以高电平发电。当程序从步骤S2进行至步骤S6、S7时，将凝固点以下启动模式标识设定为零值(凝固点以下启动模式标识＝0)，运行准许标识设定为一(运行准许标识＝1)。当运行准许标识设定为一时，表示禁止车辆运行的驾驶员座位附近的灯被关闭。
参见图3中的流程，描述凝固点以下第一启动控制。以固定时间间隔(例如10msec)执行图3中的控制程序。
在图3中，在步骤S11中，读取凝固点以下启动模式标识的数值，确定凝固点以下启动模式标识是否为一。当凝固点以下启动模式标识＝0时，不需要执行凝固点以下启动控制。因此在那一点终止程序。
当凝固点以下启动模式标识＝1时，程序执行至步骤S12，在此读取催化燃烧室点燃标识，确定凝固点以下启动模式标识是否为零。催化燃烧室点燃标识是表示是否可以在催化燃烧室66中燃烧空气和氢气的标识。当催化燃烧室点燃标识＝1时，可以在催化燃烧室66中燃烧空气和氢气。当启动燃料电池系统时，将催化燃烧室点燃标识设定为初始值0。当催化燃烧室点燃标识具有零值时(催化燃烧室点燃标识＝0)，程序进行至步骤S13，通过温度传感器82读取电加热催化剂67中的温度Tehc[℃]。在步骤S14中，将电加热催化剂67的温度Tehc[℃]与预定温度T1[℃]进行比较。预定温度T1是含空气和氢气的气体能够在催化燃烧室66中点燃的最低温度(例如，70-80℃)。
如果电加热催化剂67的温度Tehc低于预定温度T1，程序终止。此时，将电流提供给电加热催化剂67，电加热催化剂67的温度Tehc升高。
当电加热催化剂67的温度Tehc大于或等于预定温度T1时，程序从步骤S14进行至步骤S15，将催化燃烧室点燃标识设定为一(催化燃烧室点燃标识＝1)。此时，氢气和空气流入催化燃烧室66并燃烧。在步骤S16中，压缩机11转换为ON位置以便向催化燃烧室66供应空气，并打开压力控制阀72。打开截止阀3和压力控制阀4以便向催化燃烧室66供应氢气，关闭截止阀70，打开流动控制阀71。
以此方式，从压缩机11放出的空气经过燃料电池1和压力控制阀72并且提供给电加热催化剂67。氢气流过截止阀3、压力控制阀4、燃料电池1、流动控制阀71并提供给电加热催化剂67。在由电加热催化剂67加热之后，将氢气和空气引入催化燃烧室66，通过已经达到活化温度的催化剂、利用空气中的氧气燃烧氢气。将所得到的燃烧气体引入热交换器65并由于与冷却剂的热交换而放出热量。此后，将温度下降了的燃烧气体排放到大气。由于截止阀70关闭，在喷射器5的氢再循环通道9中的氢气不再循环。
在步骤S17中，通过开启冷却剂泵21将已由热交换器65中的燃烧气体加热的冷却剂经由第一旁路通道27送至燃料电池1。控制器21向三通阀28提供电流以便使端口A与端口C断开、端口B与端口C连接。以此方式，在热交换器65中加热的冷却剂从第一旁路通道27经由冷却剂通道22、通过燃料电池进口23流入燃料电池1的内部。此后，由于在燃料电池1中的热量损耗而具有较低温度的冷却剂从燃料电池出口24流过冷却剂通道25，并且返回到第一旁路通道27的热交换器65。在步骤S18中，由于在催化燃烧室66中的燃烧已经开始，因此停止电流向电加热催化剂67的供应，停止电池的功率消耗。
由于催化燃烧室点燃标识＝1，因此当在随即的情况下执行控制程序时，程序从步骤S12进行至步骤S19，通过温度传感器83作为燃料电池1温度的测量读取在燃料电池出口处24的冷却剂温度Tout[℃]。在步骤S20中，将在燃料电池出口处24的冷却剂温度Tout[℃]与凝固点0℃进行比较。
如果在燃料电池出口处24的冷却剂温度Tout[℃]低于凝固点0℃，程序进行至步骤S21。在步骤S21中，控制流过流动控制阀71的氢流量使得由流量传感器52检测出的实际氢流量与参考氢流量一致。参考氢流量提前确定，从而在催化燃烧室66中有效地产生热量。以此方式，催化燃烧室的热量释放量变成固定值例如(参见图5A中的实线)。
图5是当水箱1中的水在凝固点以下时在以时间T1启动燃料电池1之后催化燃烧室热量释放值(图5A中的实线)、燃料电池1中的发电量(图5A中的虚线)、在燃料电池出口处的冷却剂温度(图5B)以及冰融化量(图5C)随时间变化的示意图。
在步骤S22中，控制压缩机11和压力控制阀72以便调节压力和从压缩机11排放的空气流量，使得由温度传感器84检测出的实际燃烧温度与参考温度一致。当实际燃烧温度低于参考温度时，通过降低引入催化燃烧室66的空气流量，将空气-燃料比(氢流量和空气流量的比率)控制为富燃料(to be rich)。以此方式，燃烧温度升高。相反，当实际燃烧温度高于参考温度时，通过增加空气流量，将空气-燃料比控制为贫燃料。以此方式，燃烧温度降低。
使冷却剂泵21工作，通过热交换器65将由催化燃烧室66产生的热量提供给冷却剂，使得冷却剂温度升高。升高了温度的冷却剂从第一旁路通道27流过三通阀28并流入燃料电池1。在催化燃烧室66中产生的热量通过冷却剂的再循环传递至燃料电池1并使燃料电池1的温度升高。燃料电池1通常具有如下设置的冷却剂通道95：使得燃料电池1与流过燃料电池1中的冷却剂通道95的冷却剂极有效地进行热交换操作。这样，在燃料电池1的冷却剂出口处24的冷却剂温度落入基本上等于燃料电池1温度的温度。这样，虽然燃料电池1因吸收了热量而温度增加，但是在燃料电池出口处24的冷却剂温度基本上等于燃料电池1的温度。因此，如果燃料电池1大于或等于0℃，那么在燃料电池出口处24的冷却剂温度也必须大于或等于凝固点0℃。即使当燃料电池1低于凝固点(例如-20℃)进行高电平发电时，由于发电产生的水冷却并在低于凝固点的燃料电池1中再结冰。如果燃料电池1不加热到水不再结冰的温度，燃料电池1就不可能以高电平发电。因此，仅在燃料电池出口处24的冷却剂温度在凝固点0℃以上(在图5中的时间t2之后)高电平发电才是可行的，允许车辆运行的运行准许标识设定为一。
当处于低于0℃的温度的冷却剂流入在燃料电池1下游的水箱31中时，通过在水箱31中的热交换器61逐步地把热量提供给冰。然而，这没有造成冰的融化。冷却剂的凝固点(例如-20℃)远远低于0℃，在低于0℃的温度下也可以流动。因此如图5C中所示，冰的融化量换句话说用于使冰融化的热量在此阶段基本上为零。在水箱1中的热交换器61中，由于用于冰融化的热量低，因此冷却剂没有损失很多的热量。以此方式，可以仅向燃料电池1有效地提供在催化燃烧室66中产生的热量。因此，热量可提供给处于0℃附近温度的燃料电池1。相对于同样的氢消耗量，可以使燃料电池1迅速达到高电平发电和使车辆运行的状态。
以此方式，当在燃料电池出口处24的冷却剂温度Tout大于或等于0℃时，确定燃料电池1处于能够高电平发电的状态。因此，程序从步骤S20进行至步骤S23和S24。结果，终止凝固点以下启动模式，允许车辆运行。在步骤S23中，将凝固点以下启动模式标识设定为零，在步骤S24中，将运行准许标识设定为一。当运行准许标识的值为一时，在驾驶员座位附近表示禁止车辆运行的灯关闭。
当在灯关闭之后驾驶员开动车辆时，燃料电池1产生车辆运行所需的电功率。因此，在步骤S25中，打开截止阀70，关闭流动控制阀71，终止氢气向催化燃烧室66的供应，氢气再循环至氢气再循环通道9。换句话说，通过停止氢气向催化燃烧室66的供应，控制器51停止热交换器65(加热器)的操作。这是由于实际上可以利用在燃料电池1中产生的电能加热流入燃料电池1的冷却剂。以此方式，完成在催化燃烧室66中的燃烧，燃烧室热量释放值变为零(图5A中的实线)。
然而此时(图5中的时间t2)，在水箱1中的冰没有融化。结果，在步骤S26中，将解冻标识(在燃料电池系统启动操作开始为初始值零)设定为一(解冻标识＝1)。解冻标识是表示在水箱31中当前是否进行冰融化的标识。当假设在表示禁止车辆运行的灯关闭之后立即起动车辆时，在由图5A中的虚线所示的时间t2之后，燃料电池1的发电量增加。
当车辆运行时，由于燃料电池1发电使得燃料电池1的温度升高，通过由燃料电池1产生的热量(废热)加热在燃料电池1中流动的冷却剂。结果，正如图5B中实线所示的那样，燃料电池出口处24的冷却剂温度Tout升高至高于0℃温度。由于温度高于0℃的冷却剂的循环，使得热量(对应于融化的热量)通过在水箱31中的热交换器61提供给冰。结果，冰融化。在图5C所示的在时间t2为零的冰的融化量作为时间的函数增加。在时间t4，完成了在水箱31中所有冰的融化，在时间t4之后融化的冰量变为固定值。在时间t4之后，在燃料电池出口处24的冷却剂温度比时间t4之前更迅速地提高。
以此方式，在此实施例中，首先，利用因在热交换器65中的热交换而具有高温的冷却剂将燃料电池1加热到大于或等于0℃的值。利用在燃料电池发电过程中产生的供应给冷却剂的热量(废热)进行在水箱中冰的融化。在完成了在水箱31中所有冰的融化之后，燃料电池系统转变为正常工作状态。
图4描述了凝固点以下的第二启动控制。以固定周期(例如10msec)执行图4中的控制程序。
在图4的步骤S31中，读取运行准许标识以确定运行准许标识是否为一，在步骤S32中，读取解冻标识以确定解冻标识是否为一。当运行准许标识＝1且解冻标识＝1时，程序进行至步骤S33，通过温度传感器83读取在燃料电池出口处的冷却剂温度Tout[℃]。在步骤S34中，将在燃料电池出口处的冷却剂温度Tout[℃]与第二预定温度T2[℃]进行比较。
第二预定温度T2是当水箱31中的所有冰的融化应当完成的温度。第二预定温度T2取决于在燃料电池1中的发电量。控制器51的ROM可存储预定温度T2对应于在燃料电池1中的发电量的列表。因此，控制器51可查询列表以由实际测出的燃料电池发电量计算预定温度T2。简单起见，预定温度T2可以是恒定值。在步骤S34中，与温度比较不同，根据燃料电池1的发电量确定在水箱31中所有冰的融化是否完成。
当燃料电池出口处的冷却剂温度Tout低于固定温度T2时，由于没有完成在水箱31中所有冰的融化，因此程序终止。当燃料电池出口处24的冷却剂温度Tout大于或等于预定温度T2(图5中的时间t4)时，确定出完成了在水箱31中所有冰的融化，程序进行至步骤S35。在步骤S35中，将解冻标识设定为零值(解冻标识＝0)。此后，在步骤S36中，停止电流向三通阀28的供应，切断端口B和端口C，连接端口A和端口C。以此方式，燃料电池系统转变为正常模式，冷却剂流过散热器26。
下面描述本实施例的效果。
(a)由于利用燃料电池1发电所产生的热量(废热)融化在水箱31中冻结的水，可以防止过多地消耗燃料电池1中的氢气或过多地使用能量。以此方式，可减少在燃料电池系统中的燃料消耗。通过发电在凝固点以下所产生的大部分热量用于提高燃料电池1的温度。因此，可以缩短能够达到高电平发电(燃料电池起动时间)的时间。
(b)由于水箱31中的热交换器61设置在燃料电池1的下游，因此在热交换器65中加热的冷却剂中的热量传递到水箱31上游的燃料电池，燃料电池1的温度升高最优化。在燃料电池1中进行了热交换之后，冷却剂流入水箱31中的热交换器61。在此情况下，由于留在燃料电池1中的冷却剂温度低于燃料电池1主要部分的温度，可以防止留在燃料电池1中的冷却剂温度超过0℃，直至燃料电池1的主体温度高于或等于0℃。以此方式，达到燃料电池1高电平发电启动所需的能量不高，燃料电池1可迅速地启动。
(c)在当外部温度高时的高负载工作过程中，燃料电池1当然具有高温。第一旁路通道27(通常窄)是合适的，这样冷却剂在这些情况下不流动。大量的冷却剂流入冷却剂再循环通道(22、25)，燃料电池1的温度下降。如果在冷却剂再循环通道(22、25)中设置作为加热器的热交换器65，由于压力损失必须增加冷却剂泵21的容量。然而在此实施例中，由于热交换器65设置在第一旁路通道27中作为加热器而不是设置在冷却剂再循环通道(22、25)中，可以避免冷却剂再循环通道(22、25)的压力损失的增加。
(d)水箱31设置在第一旁路通道27与冷却剂通道25的分支位置的上游的冷却剂通道25。结果，不仅可通过在燃料电池1预热的同时被燃料电池1加热的冷却剂、甚至可通过燃料电池1在高温工作时需要冷却燃料电池1时被燃料电池1加热的冷却剂使水箱31中的水保持在高温。以此方式，需要更少的热量来蒸发用于加湿操作的水分。尤其是，当水箱31是隔热的时，效果会增加。
(e)当燃料电池1的温度低于0℃时，水箱31中的水没有超过0℃。结果，当在燃料电池的温度检测值低于0℃的区域内热交换器65作为加热器工作时，来自热交换器65的大量热量没有用作熔化热量以融化冰。热交换器65的热量用于将水箱31中的冰的温度升高至0℃。以此方式，可以仅利用来自燃料电池1的废热融化水箱31中的冰。因此，除了发电所需的氢气之外，可抑制氢气的消耗。
参见图6和图7，描述第二实施例。图6表示根据第二实施例的燃料电池系统的示意图。图7所示的流程图表示根据第二实施例的凝固点以下的启动控制程序。图6代替图1，图7代替图3。在图6中，与图1相同的参考标记表示相同的部件。在图7中，与图3所采用的相同的参考标记表示相同的步骤数量。
如图6所示，第二实施例与第一实施例的不同点在于，燃料电池系统设置有第二旁路通道91，该第二旁路通道91绕过水箱31并从燃料电池1的冷却剂通道出口处24连接到第一旁路通道27。第二旁路通道91经由三通阀92连接到旁路通道27。当没有提供电流时，三通阀92将端口D与端口F连接，切断端口E与端口F的连接。当提供电流时，切断端口D与端口F的连接，将端口E连接到端口F。
在图7中，与第一实施例的不同点在于：增加了步骤S41。在图7中，当电加热催化剂67的温度Tech达到预定温度T1并能够在催化燃烧室66中点燃时，在步骤S16和S17中执行空气和氢气向催化燃烧室66的供应。在第一实施例中，冷却剂流过在水箱31中的热交换器61。而在第二实施例中，由于在此阶段电流没有提供给三通阀92，因此冷却剂绕过水箱31。
此后，燃料电池出口处24的冷却剂温度Tout采取大于或等于0℃的值。因此，燃料电池1的高电平发电是可行的，允许车辆行驶。在步骤S25中，停止向催化燃烧室66的氢气供应，程序进行至步骤S41。在步骤S41中，控制器51向三通阀92提供电流从而使冷却剂流过热交换器61。换句话说，控制器51控制三通阀92以切断端口D和端口F的连接、并将端口E与端口F连接。
因此，第二实施例与第一实施例的不同点在于：当燃料电池出口处24中的冷却剂温度Tout(可代表燃料电池的温度)低于0℃时，冷却剂经过第二旁路通道91流到三通阀92(通道转换通道)，没有流过热交换器61。以此方式，在水箱31中的热交换器65(加热器)中产生的热能没有用在水箱31中的热交换器61中。换句话说，热交换器65没有产生用于提高冰的温度的热能和用于融化水箱31中的冰所需要的熔化潜热。以此方式，可以缩短燃料电池1的起动时间。
当燃料电池出口处24的冷却剂温度Tout采取大于或等于第二预定温度T2的值且完成了在水箱31中所有冰的融化时，电流不提供给三通阀28，因此冷却剂经过散热器26和热交换器61再循环。
以上两个实施例基于以下前提：在燃料电池中的冷却剂的热交换特性极为有效，燃料电池的温度约等于在燃料电池1出口处的冷却剂温度Tout。然而，当燃料电池中的冷却剂的热交换特性差并且在燃料电池1出口处的冷却剂温度Tout与燃料电池温度存在差异时，温度传感器83进行燃料电池1主体温度的直接检测，而不是检测在燃料电池出口处的冷却剂温度。因此，可精确地检测出使燃料电池1发电的温度。
此外，在上述两个实施例中供应给燃料电池1的氢气可包括由于重整碳氢燃料所获得的氢气(重整气体)。
日本专利申请P2002-301448(申请日2002年10月16日)的全部内容在此引作参考。
虽然上面参照本发明的特定实施例描述了本发明，但本发明不限于上述实施例。对于本领域技术人员而言，可根据以上启示对本发明的上述实施例进行修改和变化。参照下述权利要求书限定本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃料电池系统，具有：由于在供应气体之间的化学反应而发电的燃料电池(1)，其中冷却剂在该燃料电池中流动并且由于吸收了燃料电池发电所产生的废热而使温度升高；水箱(31)；加湿装置(34)，用于采用该水箱(31)中的水来加湿至少一种供应气体；以及冷却剂温度调节装置，用于调节在燃料电池(1)内部流动的冷却剂温度以便控制燃料电池(1)的温度；
该燃料电池系统包括：
解冻装置(61)，用于把冷却剂的热量提供给水箱(31)，从而使水箱中的冰融化；
冷却剂再循环通道(22、25、95)，用于使冷却剂经解冻装置(61)和燃料电池(1)再循环；
流动发生器(21)，用于产生冷却剂从燃料电池(1)向解冻装置(61)的流动；以及
控制器(51)，用于控制燃料电池系统的启动操作，该控制器具有控制流动发生器(21)以产生冷却剂从燃料电池(1)向解冻装置(61)的流动的功能，从而在该燃料电池系统启动操作的同时融化水箱(31)中的冰。
2.根据权利要求1所限定的燃料电池系统，其中解冻装置(61)设置在水箱(31)中并包括允许在冷却剂和水箱(31)中的冰之间进行热交换的热交换器(61)。
3.根据权利要求2所限定的燃料电池系统，进一步包括用于加热从解冻装置(61)排放的冷却剂的加热器(65)。
4.根据权利要求3所限定的燃料电池系统，进一步包括用于检测冷却剂温度的温度传感器(83)；
其中冷却剂温度调节装置包括：
在冷却剂再循环通道上设置的散热器(26)；
从冷却剂再循环通道中分支出并绕过散热器(26)的第一旁路通道(27)，加热器(65)设置在第一旁路通道(27)中；和
用于在经过散热器(26)的通道和经过第一旁路通道(27)的通道之间选择性地转换冷却剂用通道的通道转换装置(28)；
并且，其中控制器进一步用于根据冷却剂的检测温度控制通道转换装置(28)，从而调节冷却剂的温度。
5.根据权利要求4所限定的燃料电池系统，其中水箱(31)设置在第一旁路通道(27)从再循环通道分支出来的位置上游的冷却剂再循环通道中。
6.根据权利要求3所限定的燃料电池系统，进一步包括用于检测燃料电池(1)温度的温度传感器(83)；
其中控制器进一步用于将燃料电池(1)的检测温度与水的凝固点进行比较；当检测出的燃料电池(1)温度低于该凝固点时操作加热器(65)；当检测出的燃料电池(1)温度高于或等于该凝固点时停止加热器(65)的操作。
7.根据权利要求2所限定的燃料电池系统，进一步包括：
在水箱(31)上游分支出并绕过水箱(31)的第二旁路通道(91)；和
用于在经过水箱(31)中的热交换器(61)的通道和经过第二旁路通道的通道之间转换冷却剂用通道的通道转换装置(92)。
8.根据权利要求7所限定的燃料电池系统，进一步包括用于检测燃料电池(1)的温度的温度传感器(83)，
其中控制器(51)进一步用于将燃料电池(1)的检测温度与水的凝固点进行比较；当检测出的燃料电池(1)温度低于该凝固点时控制通道转换装置(92)使得冷却剂流过第二旁路通道；当检测出的燃料电池(1)温度高于或等于该凝固点时控制通道转换装置(92)使得冷却剂流过在水箱中的热交换器。
9.一种燃料电池系统，具有：由于在供应气体之间的化学反应而发电的燃料电池(1)，其中冷却剂在该燃料电池中流动并且由于吸收了燃料电池发电所产生的废热而使温度升高；水箱(31)；加湿装置(34)，用于采用该水箱(31)中的水来加湿至少一种供应气体；以及冷却剂温度调节装置，用于调节在燃料电池(1)内部流动的冷却剂温度以便控制燃料电池(1)的温度；
该燃料电池系统包括：
解冻装置(61)，用于把冷却剂的热量提供给水箱(31)，从而使水箱中的冰融化；
冷却剂再循环通道装置(22、25、95)，用于使冷却剂经解冻装置(61)和燃料电池(1)再循环；
流动发生装置(21)，用于产生冷却剂从燃料电池(1)向解冻装置(61)的流动；以及
控制装置(51)，用于控制流动发生器(21)以产生冷却剂从燃料电池(1)向解冻装置(61)的流动，从而在该燃料电池系统启动操作的同时融化水箱(31)中的冰。
10.一种用于控制燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具有：由于在供应气体之间的化学反应而发电的燃料电池(1)，其中冷却剂在该燃料电池中流动并且由于吸收了燃料电池发电所产生的废热而使温度升高；水箱(31)；加湿装置(34)，用于采用该水箱(31)中的水来加湿至少一种供应气体；以及冷却剂温度调节装置，用于调节在燃料电池(1)内部流动的冷却剂温度以便控制燃料电池(1)的温度；
该控制方法包括以下步骤：
提供解冻装置(61)，该装置用于把冷却剂的热量提供给水箱(31)，从而使水箱中的冰融化；
提供冷却剂再循环通道(22、25、95)，该冷却剂再循环通道用于使冷却剂经解冻装置(61)和燃料电池(1)再循环；以及
产生冷却剂从燃料电池(1)向解冻装置(61)的流动，从而在燃料电池系统启动操作的同时融化水箱(31)中的冰。
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