CN1720630A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括：燃料电池(1)，具有电解质膜并利用燃料气体和氧化剂气体产生功率；用于加湿燃料电池(1)的水的贮存装置(51)和控制器(100)。该控制器(100)判断是否利用贮存装置(51)的水加湿燃料电池(1)，并且将燃料电池(1)的工作温度限定在限制温度以下，该限制温度低于在判断出燃料电池(1)不能被加湿的情况下的正常工作过程的温度。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及用于抑制由燃料电池系统的水短缺所引起的燃料电池恶化的技术。
背景技术
在固体聚合物电解质燃料电池系统中，必须通过向燃料电池供应水以使质子交换膜处于含水状态，以便确保质子导电性电解质的功能。作为用于确保质子交换膜水合的方法，有一种方法是提供一种可透过水的加湿器，该加湿器通过回收在燃料电池排出气体中水分的方式加湿供应到燃料电池的气体。
2001年由日本专利局公开的JP2001-256989A中描述了该燃料电池，除了可透过水的加湿器之外，该燃料电池还包括用于回收在燃料电池排出气体中的水的水回收装置和用于借助由该水回收装置如此回收的回收水加湿供应气体的辅助加湿装置。该水回收装置由蒸汽分离装置和回收水存储罐构成，辅助加湿装置由检查阀、回收水供应泵、辅助加湿管和喷射器等构成。在燃料电池起动的过程中，在回收水存储罐中的回收水借助回收水供应泵传送、并由喷射器以雾状形式喷射，然后供应到燃料电池的气体供应侧。由此在燃料电池起动的过程中也能加湿质子交换膜。
发明内容
然而，在常规的燃料电池系统中，需要大量的电能以防止在寒冷地区存储罐等之中的，当没有外部电源时存在着电池被用完的可能。此外，同样在该温度未被保持、在起动过程中存储罐中的冰解冻的情况下，需要极大量的电能，该功率必须由燃料电池产生，因而随着该电功率的增加耗尽了燃料资源。
据此，本发明的目的是提供一种燃料电池系统，该系统允许快速起动，同时可以在存在着燃料电池系统中水冻结可能性的低温环境下防止由燃料电池的加湿不足(变干)造成的故障。
为了实现以上目的，本发明提供一种燃料电池系统，该系统包括：燃料电池，具有电解质膜并利用燃料气体和氧化剂气体产生功率；用于水的贮存装置，水用于加湿燃料电池；和控制器，用于判断是否利用贮存装置的水加湿燃料电池，并在判断出燃料电池不能被加湿的情况下，将燃料电池的工作温度限定在限制温度以下，该限制温度低于正常工作过程。
本发明的具体内容以及其它特点和优点列于说明书的剩余部分并示于附图中。
附图说明
图1是根据本发明的燃料电池系统的构成图。
图2是燃料电池的温度控制的框图。
图3是表示燃料电池温度控制的要点的流程图。
图4是燃料电池系统的冷却系统的主程序。
图5是在车辆起动过程中冷却系统控制的流程图。
图6是说明在达到干涸的时间间隔相对于冷却剂出口温度以及为了确保水量所需的时间间隔相对于冷却剂出口温度之间的关系的图表。
图7是用于设定三通阀的打开程度的流程图。
图8是说明在三通阀的打开程度相对于温度偏差的关系的图表。
图9是用于设定冷却剂流动速率的流程图。
图10是说明冷却剂流动速率相对于燃料电池输出的关系的图表。
图11是说明冷却剂流动速率的下限值相对于温度偏差的关系的图表。
图12是用于散热器风扇工作控制的流程图。
图13是说明散热器风扇动力相对于温度偏差的关系的图表。
图14是说明工作压力相对于燃料电池温度的关系的图表。
图15是说明燃料电池最大输出相对于外界温度的关系的图表。
图16是在过渡到正常工作时的流程图。
图17是表示在燃料电池温度和积聚的水量上的变化的计时图。
图18类似于图1，是第二实施例的燃料电池系统的构成图。
图19是表示第二实施例的燃料电池的温度控制的要点的流程图。
图20是根据第二实施例、在车辆起动的过程中冷却系统控制的流程图。
图21是在说明在达到干涸的时间间隔相对于冷却剂出口温度以及用于解冻所需的时间间隔相对于冷却剂出口温度之间的关系的图表。
图22是表示根据第二实施例在燃料电池温度和解冻水量上的变化的计时图。
具体实施方式
第一实施例
图1表示根据本发明的燃料电池系统的第一实施例。该燃料电池系统是固体聚合物电解质燃料电池系统，当预测在停止操作的过程中水箱60(下面描述)中的净化水存在有冻结的可能性时，该燃料电池系统通过排出水箱60中的水防止水冻结。以下描述针对该系统用作车辆的驱动电源的情况。
该系统包括燃料电池1，燃料电池1通过向阴极提供氧化剂、向阳极提供燃料气体的方式产生电能。这里，供应空气作为氧化剂，供应氢气作为燃料气体，但本发明不限于这种使用方式。
首先，描述向阴极提供空气并从阴极排出空气的氧化剂系统。
氧化剂系统包括用于将空气引入燃料电池系统的压缩机20。在压缩机20的进口侧设置空气净化器10、化学过滤器11、流量计12和消音器13，在出口侧设置空气温度调节器15和微过滤器16。此外，设置水回收装置(WRD)21，该装置加湿向燃料电池1供应的空气。WRD 21是主加湿装置，该装置包括使要被加湿的气体流过的被加湿侧(humidified side)和使构成加湿源的含水气体流过的加湿侧(humidifying side)。正如随后将描述的那样，通过使由压缩机20引入的空气流过WRD 21的被加湿侧以及通过利用来自燃料电池1的阴极排出气体进行加湿。将被加湿的空气经由燃料电池1阴极设置的阴极进口管路1a引入燃料电池1。在WRD 21和燃料电池1之间设置压力传感器101和温度传感器111，以检测向燃料电池1供应的空气的压力和温度。
通过在阴极的发电反应( )生成水。阴极出口管路1d设置有水分离器17，回收在阴极生成的水。此外，由温度检测器112检测阴极排出气体的温度。
使由阴极出口管路1d这样排放的阴极排出气体经过WRD 21的加湿侧。如前所述，在流过WRD 21的加湿侧的过程中，阴极排出气体加湿经过被加湿侧的空气。此时，当在阴极排出气体中所含的水分不足时，空气就不能充分地被加湿。因此，作为辅助加湿装置，设置了水喷射器65和用于调节由水喷射器65喷射的水量的供应压力控制阀(PRV)64。水喷射器65向WRD 21的加湿侧的阴极排出气体上游喷射水。PRV 64根据阴极排出气体的状态调节施加于水喷射器65的压力，由此调节由水喷射器65喷射的水的流速。设置从WRD 21的加湿侧上游位置向PRV 64延伸的管路22，利用用作参考压力的阴极排出气体压力调节PRV 64。
在WRD 21的加湿侧的下游设置燃烧室热交换器ASSY(燃烧装置)30。在WRD 21和燃烧装置30之间设置调节阴极压力的压力控制阀(PCV)18。燃烧装置30包括电加热催化剂(EHC)30a、催化转化器(CAT)30b和热交换器(HE)30c。阴极排出气体用于在燃烧装置30中燃烧，然后经由回气管19排放到外部。此外，EHC 30a设置有温度传感器113，在HE 30c的出口设置温度传感器114。
同时，按如下方式构成对阳极供应和排放氢的氢系统。
氢系统包括用于储氢的氢罐40、用于切断从氢罐40的氢供应的截止阀41、用于利用冷却剂(随后描述)调节供氢温度的氢气温度调节器42、用于调节氢气压力的压力控制阀(PCV)43、和检测氢气流速的流量计44。如下所述，将如此调节过温度和压力的氢气经由用于再循环阳极排出气体的喷射器45供应到燃料电池1。
氢气经由阳极设置的阳极进口管路1b引入燃料电池1。在阳极的上游侧设置压力传感器102和温度传感器115以检测所供应氢气的压力和温度。采用由此提供给阳极的氢气并因此在发电反应中消耗( )。这并不意味着所有的氢气都被发电反应消耗。部分氢气经由阳极出口管路1e排放。把如此排出的阳极排出气体经由在阳极下游侧设置的水分离器46和截止阀47供应给喷射器45的进口，由此重新提供给燃料电池1。
在水分离器46和截止阀47之间设置分支部分49，燃烧装置30通过流速控制阀(FCV)48连接。经由阳极循环路径这样排放出的阳极排出气体在进行了在CAT 30b中的燃烧过程之后排放到外部。
接下来描述对燃料电池1进行温度调节的冷却系统。
设置构成冷却剂贮存装置的冷却剂储存罐51、用于循环冷却剂的冷却剂泵52和用于释放冷却剂的热量的散热器50。散热器50设置有散热器风扇50a，通过调节经过空气流的流速的方式控制散热器50的冷却容量。冷却剂泵52的进口侧连接到冷却剂存储罐51，出口侧连接到分支部分58a。分支部分58a进行向在燃烧装置30中循环的加热回路和在散热器50中循环的冷却回路的分配。
加热回路连接到燃烧装置30的HE 30c，HE 30c在冷却剂和由CAT 30b产生的燃烧气体之间进行热交换。从HE 30c中排放出的冷却剂流入三通阀53。同时，冷却回路连接到散热器50以对冷却剂散热。然后使冷却后的冷却剂流入三通阀53。在需要提高冷却剂温度时使冷却剂流入加热回路、在需要抑制冷却剂温度时使冷却剂流入冷却回路，从而根据工作状态调节冷却剂温度。
把使温度调节后的冷却剂流入的三通阀53的余下一个端口连接到燃料电池1设置的冷却剂进口管路1c。在三通阀53和燃料电池1之间设置电导计121、截止阀54、温度传感器116和压力传感器103。在电导计121和截止阀54之间形成进行向上述空气温度调节器15和氢气温度调节器42中的分配的分支部分57。空气温度调节器15在冷却剂和供应到燃料电池1的空气之间交换热量。此外，氢气温度调节器42在冷却剂和向燃料电池1供应的氢气之间交换热量，然后，该冷却剂经由用以去除冷却剂中的离子的离子过滤器56流入在截止阀54的下游侧的交流部分59。
通过由冷却剂进口管路1c引入的冷却剂调节燃料电池1的温度。之后，由燃料电池1设置的冷却剂出口管路1f排放出的冷却剂借助冷却剂泵52在冷却系统中再循环，或者返回到冷却剂存储罐51。设置用于检测由燃料电池1排放出的冷却剂温度Tso的温度传感器117和用于调节冷却剂压力的压力控制阀PCV 55。
接下来介绍在燃料电池1加湿过程中使用的净化水系统。净化水系统包括热量源如电加热器(未示出)并能够加热。当预测出在燃料电池1停止期间冻结时，通过从净化水系统排出水的方式防止冻结。
水箱60包含水泵61、用于检测在水箱60中的水量(在此为水位Lw)的水位传感器151和温度传感器118。此外，在水泵61的进口设置用于滤出水中的颗粒或类似物的过滤器62。在水泵61的排出侧设置具有电导计122、离子过滤器63和上述水喷射器65的排出路径72。水喷射器65的上游侧连接到PRV 64，通过由PRV 64进行的排出路径72的压力调节控制由水喷射器65喷射的水量。此外，设置与PRV64和水箱60相连的返回路径71，回收经由用以调节排放路径72的压力的PRV 64从排放路径72去除的水。此外，排出路径72设置有截止阀66，返回路径71设置有截止阀67。当截止阀66和67打开时，水经由此回路排放。
并且，设置连接水分离器17和水箱60的路径并且该路径装配有截止阀68，空气出口管路1d设置了该水分离器17。单独地设置连接水分离器17和外界的路径，并且该路径装配有截止阀69。结果，由水分离器17回收的水存储在水箱60中或排放到外界。此外，设置将在氢出口管路1e侧设置的水分离器46与外界连接的路径，该路径装配有截止阀70。当由水隔离器46回收大量的水时，可根据需要设置将水分离器46的水返回到水箱60的回路。
此外，设置将水箱60中的水选择性地排放到外界的截止阀74。当由冻结预测部分100a(以下描述)预测到在系统停止期间冻结时，打开截止阀74排出水箱60中的水。此外，打开截止阀67、68以排放排出路径72和返回路径71中的水。此外，通过打开截止阀69、70排放由水分离器17和46回收的水。因此，可在预测出冻结时排放出净化水系统中的水，使系统中的冻结减少。
由控制器100控制上述燃料电池系统。控制器100以各传感器或类似装置的输出为基础通过控制各装置和阀等以控制燃料电池1的温度。控制器100可由其中组合有多个控制器的控制单元构成，并且可以是用于控制车辆的控制单元的一部分。此外，作为控制器100的一部分设置用于预测在系统中水冻结的冻结预测部分100a。例如，可通过以下方式进行冻结预测：预先存储与地区和季节有关的温度变化数据并将此数据与外界温度TATM进行比较；或者无线地或借助收音机或汽车导航系统获得与预测空气温度有关的信息。借助温度传感器119检测外界控制温度TATM。
图2表示由控制器100进行燃料电池1的温度控制的示意框图。
将表示由水箱60中设置的水位传感器151检测的水量Lw(水位信号)的信号输入到燃料电池冷却剂出口温度目标值产生装置。冷却剂出口温度目标值产生装置查找冷却剂出口目标温度TSOUPR并将该温度TSOUPR作为冷却剂出口目标温度信号输出到燃料电池冷却剂出口温度控制装置。此外，由温度传感器117检测冷却剂出口温度并将该温度作为冷却剂出口温度TSO信号输入给燃料电池冷却剂出口温度控制装置。燃料电池冷却剂出口温度控制装置输出用于控制三通阀53的燃料电池温度控制信号，以便根据冷却剂出口目标温度TSOUPR和冷却剂出口温度TSO(检测值)调节冷却剂温度，由此控制燃料电池温度控制装置。
接下来，在图3中示出了在起动过程中燃料电池1温度控制的要点。
当检测到开始起动的指令并且燃料电池1的温度升高至产生了车辆起动所需的电功率时，图3中所示的控制开始。在图3的步骤S1中的净化水累积量的判断过程中，借助水位传感器151检测水位Lw。当水位Lw等于或高于预定水位Lw1时，判断出水箱60中的水充足，这些水可用于加湿，因此程序进行至步骤S2。在步骤S2中，将作为燃料电池1出口处的冷却剂温度的目标上限温度的TSOUPR设定为正常温度TSONORM。
另一方面，当在步骤S1中判断出Lw不满足Lw1时，因为净化水累积量不足，所以程序进行至步骤S3，于是将燃料电池1的冷却剂出口目标温度TSOUPR设定为低于正常值的限制温度TSOLIM。因此，可预备用于利用净化水加湿的水并在由于燃料电池1的加湿不足引起了干涸之前开始加湿。一旦设定了冷却剂出口目标温度TSOUPR，就在步骤S4(冷却剂温度控制)中调节冷却剂的温度，从而调节燃料电池1的温度。
接下来参照图4介绍该控制的细节。
一旦检测到燃料电池系统开始起动，就在步骤S10中驱动冷却剂泵52以使冷却剂循环。防冻剂用作冷却剂以便防止在系统停止期间冻结。由二次电池(未示出)的电能驱动冷却剂泵52。由电导计121监测冷却剂的电导。设置三通阀53以连接加热回路和燃料电池1。
当冷却剂的电导等于或高于致使操作不可行的预定电导时，关闭截止阀54。结果，所有的冷却剂经过离子过滤器56，电导被有效地降低。一旦冷却剂的导电小于预定值，打开截止阀54，程序进行至步骤S20。
在步骤S20中，由温度传感器117检测燃料电池1的冷却剂出口温度Tso。在步骤S30中，判断冷却剂出口温度Tso是否已达到预定温度Ts。预定温度Ts是这样的温度：当该温度至少大于温度Ts时，由燃料电池1产生对于车辆行驶所需的电功率。尽管根据燃料电池1的容量有变化，但如果该温度基本上高于不会使发电产生的水重新冻结的0℃，就能够确保对于通常行驶所需的输出。这里，Ts设定为0℃。
如果在步骤S20中判断出Tso等于或低于Ts(Tso≤Ts)，因为还没有取得对于车辆起动所需的电功率，因此程序进行至步骤S40，于是输出禁止起动的信号。在步骤S50中，通过借助燃料电池加热控制提高燃料电池1的温度，升高Tso。下面介绍步骤S50的燃料电池加热控制。
利用随在燃烧装置30中的燃烧而产生的热量和由燃料电池1自身发电产生的其自身热量对燃料电池1进行组合的加热，从而执行加热控制。当判断出在冰点等情况以下进行起动Tso≤Ts时，通过使EHC30a充电，提高CAT 30b的温度。由温度传感器113监测CAT 30b的温度，一旦该温度升高至氢点燃的温度范围，压缩机20起动。由压缩机20排出的空气经过空气温度调节器15、WRD 21和燃料电池1，然后经由PCV 18提供给燃烧装置30。通过与此同时打开截止阀41，将在氢罐40中存储的氢气提供给燃料电池1。这里，因为关闭了截止阀47，因此氢气在没有经喷射器45再循环的情况下经由分支部分49提供给燃烧装置30。由FCV 48调节引入燃烧装置30的氢气流速。由流量计44检测氢气流速，利用检测值进行反馈控制。这里，控制FCV48使得氢流速是为了使在CAT 30b的催化燃烧中进行预定热量产生所需的氢流速和对于燃料电池1自身发电所需的氢流速之和。
燃料电池1的发电量是由辅助机械消耗的电量。当采用用于加热冷却系统的电加热装置如电加热器时，进一步提高了容许发电量，并且，当燃料电池1自身的发电量增加时，电量还可用于燃料电池1的加热。因此，优点在于缩短了起动时间间隔，并减少了起动所消耗氢气量，等。
为了控制CAT 30b的燃烧温度，相对于所经过的氢气流速，将压缩机20的排放流速控制为预定空气流速，以达到预定的空气-燃料比。利用HE 30c设置的温度传感器114监测燃烧气体温度，对空气流速进行反馈控制使得燃烧气体温度是目标温度。
由于冷却剂泵52在此时工作，因此冷却剂经过HE 30c的热交换部分。由于在由CAT 30b提供的燃烧气体和冷却剂之间的热交换，使得在HE 30c中的冷却剂温度升高。温度升高了的冷却剂经过三通阀53和打开的截止阀54，并引入燃料电池1的冷却剂进口管路1c。部分冷却剂在分支部分57分流，并在流到燃料电池1之前经由空气温度调节器15和氢气温度调节器42返回到交流部分59。这样，由CAT 30b产生的热量经由冷却剂传送给燃料电池1。因此，燃料电池1能够在其自身发电和燃烧装置30产生热量的情况下迅速地提高温度。
燃料电池1有效地与冷却剂交换热量，因此在燃料电池1的冷却剂出口管路1f中的冷却剂温度基本上降低成燃料电池1的温度。因此，燃料电池1迅速地加热并提高温度，冷却剂接近于燃料电池1的温度。因此，如果燃料电池1的温度不高于Ts，燃料电池1的冷却剂出口温度Tso仅仅高于Ts。由此从冷却剂出口温度Tso判断燃料电池1的温度是否高于Ts。重复步骤S10至S50直至燃料电池出口温度Tso高于可产生车辆起动所需电功率的温度Ts。
另一方面，一旦在步骤S30中判断出Tso＞Ts，程序进行至步骤S60，从而进行车辆起动时的起动控制。这里，当车辆进入允许行驶的状态时，通过使灯点亮等方式通知驾驶员。参照图5描述步骤S60的起动控制。
在步骤S110中，检测外部温度TATM、水箱水位Lw、燃料电池冷却剂出口温度Tso和来自车辆控制控制器(未示出)的所需输出Pwd。接下来，程序进行至步骤S120，在步骤时120中检测水箱水位Lw是否等于或高于Lw1。Lw1是使水循环起动的水箱水位。当水箱水位过低时，可能出现一些问题，例如水不能被水泵61抽出。
把在发电过程中通过由在阴极出口管路1d中设置的水分离器17的回收产生的水存储在水箱60中。水箱60、返回路径71、燃料电池1的水管以及在此管线中的阀68通过由电加热器(未示出)的加热防止了水再冻结。以在燃料电池1工作过程中的固定间隔或根据在水分离器17中积聚的水位作出的判断或类似方式，打开阀68，把已返回到水分离器17的生成水存储在水箱60中。
在此实施例中，当判断出存在着水箱60中的水在系统停止过程中冻结时，把水从净化水系统排出到外部。因此，当从净化水系统排出水时，需要确保在下一次启动时的水。因此，通过在步骤S120中检查水箱60中的水位Lw，判断是否需要保证水量。
当在步骤S120中水箱水位Lw低于Lw1、水循环不可能时，程序进行至步骤S130。在步骤S130和随后的步骤中，进行燃料电池1的温度控制以提高水箱60的水位Lw。
在步骤S130中，输出禁止水箱60中积聚的水循环的指令。在步骤S140中，将冷却剂出口温度TSOUPR设定为TSOLIM。TSOLIM是对于直到水汇聚在水箱60中所需的时间间隔、可以防止由燃料电池1的加湿不足所引起的干涸的工作温度。
图6表示对于燃料电池1的冷却剂出口温度Tso、直到燃料电池1达到由于加湿不足引起的干涸的时间间隔，和当针对燃料电池1的冷却剂出口温度Tso进行最大负载工作时直至水汇聚在水箱60中的时间间隔。TSOLIM这样设定：对于水积聚所需的时间间隔短于直至燃料电池1由于水短缺而干涸的时间间隔。通过抑制燃料电池1的工作温度，抑制阴极排出气体的温度，并且，因为由水分离器17回收的水量增加，所以可缩短存储所需的时间间隔。同时，因为防止了在燃料电池1的质子交换膜中所含的水分蒸发，因此，可延长直至由加湿不足引起燃料电池1的干涸的时间间隔。
然而，当外部空气温度TATM高时，难以使燃料电池1的工作温度保持在具有使车辆行驶的高输出的低温状态。为此，当限制温度TSOLIM设定为非常低的温度时，需要限制在特定值或特定值以上的外部空气温度下的输出。因此，将TSOLIM设定为等于或高于下限值的温度，该下限值使燃料电池1的温度得以限制，同时获得了行驶所需的输出。此外，在仅在可能使水冻结的低温下进行排水的系统中，当在排出水箱60中的水之后发生重启时，预料到低的外部温度。在此情况下，该燃料电池1的工作温度可设定为低。
一旦在步骤S140中设定了TSOUPR＝TSOLIM，过程就进行至步骤S150，以控制三通阀53的打开程度。
现在参照图7介绍三通阀53的打开程度的控制。通过三通阀53的打开程度调节流速分布，使得冷却剂流向加热回路或冷却回路。
在步骤S310中，找到在燃料电池1的冷却剂出口温度Tso和冷却剂出口目标温度TSOUPR之间的差值dT＝TSOUPR-Tso。在步骤S320中，根据此差值dT、借助例如图8中所示的图表查找三通阀53的打开程度Rvo。图8表示对于考虑到温度差dT而设定的冷却回路的分流率Rvo。当Rvo＝100％时，意味着所有的循环冷却剂流过冷却回路。当差值dT大时，使Rvo取最小值RVOMIN，使基本上所有的冷却剂流过加热回路，有助于冷却剂温度的升高。但当温度差dT等于或小于预定值dT1时，分流率Rvo增加，这样冷却剂也循环至冷却回路。当温度差是dT2时，至冷却回路的分流率Rvo是最大值。结果，当冷却系统的容量对于外部温度是足够的时，在此情况下可将温度差dT控制在dT1和dT2之间。然而，当在此情况下温度差dT等于或小于dT2时，意味着冷却系统的容量是不足的，无法进行温度控制。此外，这里，dT2是接近于0的正值。也就是说，当Tso是低于TSOUPR的温度并在其附近时，冷却剂至冷却回路的分布是最大的。
当由此控制了三通阀53时，程序进行至步骤S160以控制冷却剂流速。参照图9进行冷却剂流速的控制。
首先，在步骤S410中，借助如图10中所示的图表查到相对于所需输出Pwd的冷却剂流速的基本流速Qcb。基本流速Qcb是对于所要求的输出Pwd所需的正常冷却剂流速，设定为冷却剂泵52的最低流速Qcmin和最大值Qcmax之间。接下来，在步骤S420中，查找相对于在步骤S310中得知的温度差dT的冷却剂流速的下限值Qclim。预先存储下限值Qclim相对于温度差dT的图表例如图11所示，并查询该图表以查明冷却剂流速的最小值Qclim。在dT是作为接近于0的正值的dT4时，下限值Qclim是最大值Qcmax。也就是说，在检测温度Tso达到接近于目标温度TSOUPR的值时，出现最大冷却剂流速。
接下来，在步骤S430中，比较基本流速值Qcb和下限值Qclim，将这两个值中更大的值选定为冷却剂流速Qc。将冷却剂泵52的旋转速度控制为用于实现冷却剂流速Qc的旋转速度。
如图8和11所示，将dT4(Qclim＝Qcmax)设定为小于dT2(RVO＝RVOMAX)的值，因此所有的冷却剂流向冷却回路。也就是说，对于向冷却回路分流的分流率Rvo首先达到最大值。然而，当对于控制成建立目标温度的冷却容量不足时，通过使总冷却剂流速Qc最大化抑制燃料电池1的温度。具体而言，当检测温度Tso超过在冷却系统中的目标温度TSOUPR时(dT＜0)，最大冷却剂流速则是至冷却回路的最大流速。
接下来，在步骤S170中控制在散热器50上设置的散热器风扇50a。图12中示出了散热器风扇动力控制。
在步骤S510中，查找相对于温度差dT的散热器风扇动力Pwrad。预先存储如图13中所示的图表，获取相对于在步骤310中查到的温度差dT的散热器风扇动力Pwrad。如图13所示，当dT是接近于0的正值dT6(＜dT4)时，散热器风扇动力Pwrad达到最大。也就是说，对于包括散热器50的冷却回路，一旦Tso接近TSOUPR，就表现出最大冷却容量。为此，冷却系统在超过目标温度的情况下表现出最大容量。这里，根据dT6＜dT4，散热器风扇动力Pwrad在冷却剂泵52的负载达到最大之后也达到最大。
接下来，程序进行至步骤S180，确定燃料电池1的工作压力。工作压力具体是供应到燃料电池1的氢气和氧化剂的各自压力。以当存在相对于冷却剂出口温度Tso存在水短缺(示于图14中)时的参考图为基础分别由PCV 43和PCV 18控制这些压力。此外，由于需要使质子交换膜两侧上的压力基本上保持相等，从而将氢气压力和氧化剂压力控制为大致相同的压力，可参照图14中的一个图表以便设定这些压力。在正常工作过程中，工作压力是这样的：设定相对于表示燃料电池工作温度的Tso实现水平衡的压力。然而，当在步骤S120中判断出液相水不足时，查找当以比正常控制过程中的图表的压力更高的压力下存在水短缺时的参考图。通过查找图表获得的压力是水平衡为正的压力，进一步防止燃料电池1的加湿不足，造成增加的加湿水累积速度。结果，缩短了直到已汇聚加湿水的时间间隔，同时可缩短工作温度限制时间间隔，优点在于表现出更大的耐久力。
当确定了燃料电池1的工作温度时，在步骤S190中判断冷却剂出口温度Tso是否没有超过预定温度TSOUPR。
当没有超过预定温度TSOUPR时，程序进行至步骤S200，将燃料电池1的输出Pw设定为所要求的输出Pwd。也就是说，产生了根据要求的输出，而不是对输出进行限制。因此，当Tso低于目标限制温度TSOUPR时，即使当外部温度TATM高时也不限制输出，因此可减少限制输出的情况。
另一方面，当在步骤S190中冷却剂出口温度Tso超过预定温度TSOUPR时，程序进行至步骤S210。在步骤S210中，通过参照图15中所示的图表查明相对于外部温度TATM设定的最大输出限制值Pwlim。当外界温度TATM高、冷却系统的容量不足时，限制输出以便维持目标温度TSOUPR。当输出等于或低于最大输出Pwlim时，冷却剂出口温度Tso等于或低于目标温度TSOUPR。换句话说，当TATM＝TATMLIM时，冷却容量为最大，三通阀53向冷却回路打开至最大，在水箱60中的负载为最大，散热器风扇50a的动力为最大，冷却剂出口温度Tso保持在目标温度TSOUPR。
接下来，在步骤S220中，将所要求的输出Pwd和输出上限值Pwlim进行比较。然后，选择更低值并设定为燃料电池输出Pw。因此，当出口温度Tso超过了限制温度TSOUPR(＝TSOLIM)时，防止了燃料电池1的加湿不足引起的干涸，使必须限制燃料电池1的输出的情况尽量减少。
当完成时，程序返回至开始，重复此控制。然而，当在步骤S210中检测出水箱水位Lw＞Lw1时，判断出可以确保对于水循环所需的液相水，于是程序进行至步骤S230，驱动水泵61以开始水循环。然后，程序进行至步骤S240，过渡至正常工作。现在参照图16介绍过渡向正常工作。
在步骤S610中，检测外界温度TATM和燃料电池1的冷却剂出口温度Tso。在步骤S620中，将冷却剂出口目标温度TSOUPR设定为TSONORM。温度TSONORM是可实现热量平衡和水平衡并且正常效率被优选考虑的工作温度。在步骤S630至S650，类似于图5中的S150至S170，设定三通阀53的打开程度、冷却剂流速和散热器风扇50a的动力。然而，在步骤S630至S650中，将TSOUPR的值设定为TSONORM，而不是TSOLIM。当由此设定了冷却剂的冷却容量时，程序进行至步骤S660，按照步骤S180设定燃料电池1的工作压力。在图14中，采用正常参考图，设定压力，该压力实现了相对于表示燃料电池工作温度的Tso的水平衡。当测定了燃料电池1的工作温度时，在步骤S670中将燃料电池1的输出Pw设定为所要求的输出Pwd。
通过调节冷却系统以抑制燃料电池1的温度，可增加在抑制由燃料电池1的加湿不足引起的恶化的同时将来自燃料电池1的输出维持在所要求的输出的机会。
接下来，图17中示出了当进行上述控制时、水箱60中汇聚的水量根据时间间隔的变化和燃料电池温度的变化。在开始起动之后，通过燃烧和其自身发热的方式加热燃料电池1，直至由燃料电池1产生了行驶所需的电功率。此时，随燃料电池1的反应产生了水，水储存在水箱60中。当燃料电池1的温度升高至允许产生能够行驶的电功率值时，车辆开始行驶。尽管车辆开始行驶、燃料电池温度和存储的水量增加，但仍需调节冷却系统，使燃料电池温度不超过工作目标温度TSOUPR(＝TSOLIM)。此时，如果不能单独抑制冷却系统的温度，则通过抑制燃料电池1的输出来抑制工作温度。一旦存储的水量达到允许加湿的预定值，就通过将工作目标温度TSOUPR设定为TSONORM，开始正常工作。
接下来，描述由本实施例的燃料电池系统所产生的效果。
燃料电池系统设置有燃料电池1，燃料电池1配置有电解质膜并利用燃料气体和氧化剂气体发电，该系统包括加湿燃料电池1所用水的水箱60。该燃料电池系统进一步包括：加湿判断装置(S120)，用于判断是否可以利用水箱60中的水加湿燃料电池1；和温度控制装置(控制器100)，用于控制燃料电池1的温度。当由加湿判断装置判断出燃料电池1不能被加湿时，将燃料电池1的工作温度限制为低于正常工作温度的限制温度TSOLIM，如步骤S140所示。结果，当不进行采用水箱60中的水加湿时减少了由燃料电池1的加湿不足引起的失效，并可缩短为了获得车辆行驶所需发电量的时间间隔。结果，可以实现其中利用燃料电池1的生成水或随发电产生的热量从水箱60提供水的状态，因此，即使在低温环境下，也能够抑制燃料和电功率的无用消耗，可有效地起动燃料电池。
加湿判断装置是用于判断水箱60中的水是否以等于或高于预定值(Lw1)的量液相存在的水量判断装置(S120)，当液相水不以等于或高于预定值的量存在时，燃料电池1的工作温度限定为正常工作过程的温度以下。结果，可缩短直至获得车辆行驶所需的燃料电池发电量的时间间隔，并可防止在直至加湿水已汇聚的时间间隔内由燃料电池的加湿不足引起失效，由此在准备好加湿水之后能够进行非常有效的工作。
燃料电池系统包括：冻结预测部分100a，该部分100a预测水箱60中的水冻结的可能性；截止阀74，排出水箱60中的水；和水位传感器151，检测水箱60中的水量。当预测水箱60中的水存在着冻结可能性时，排出水箱60中的水，将燃料电池1的工作温度限定为正常工作状态的温度以下，直至水箱60中的水汇聚成等于或高于预定量Lw1的量。结果，利用能够确保当水冻结时部件可靠性的系统，在起动过程中不需要提供水。当采用移动体时这里是车辆时这是特别有效的。
该燃料电池系统包括：冷却剂泵52，该泵52压力输送用于进行与燃料电池1的热交换的冷却剂；和散热器50，作为燃料电池温度控制装置。当燃料电池1的温度限定为正常工作时的温度以下时，当此温度是限制温度TSOLIM时在散热器50中循环的冷却剂流速最大，由此限制了由燃料电池1排放的冷却剂温度。换句话说，当Tso低于TSOUPR并在其附近时，通过三通阀53在冷却回路中循环的冷却剂比例是最大的。此外，冷却剂泵52的排放量是最大的。结果，可精确地进行燃料电池1的温度控制，能够可靠地防止由燃料电池1的加湿不足引起的失效。
燃料电池系统还包括作为燃料电池温度控制装置的用于限制燃料电池1输出的输出限制装置(S220)。由此在外界温度TATM高、温度限制困难的情况下也能够可靠地限制燃料电池1的温度，结果，在更宽的环境状态下，也可靠地防止了由燃料电池1的加湿不足引起的失效，可进行有效地操作。
当限制了燃料电池1的工作温度时，在由于优先增加了至散热器50的冷却剂流速、使至散热器50的冷却剂环境流速达到最大值之后，在燃料电池1的工作温度超过限制温度TSOUPR的情况下，限制燃料电池1的输出Pw。结果，减少了其中需要限制燃料电池1的输出的情况，可尽量减少不能根据驾驶员的意图加速的情况。
此外，在燃料电池1的温度限制为正常工作温度以下的情况下，当由燃料电池1排出的冷却剂温度是限制温度TSOLIM时，散热器风扇50a的动力最大。这样可以精确地控制燃料电池1的温度，可靠地防止由燃料电池1的加湿不足引起的失效。
这里同样，当限制了燃料电池1的工作温度时，在由于优先增加了散热器50a的动力使散热器50a的动力达到最大之后，在燃料电池1的工作温度超过了限制温度TSOLIM的情况下，限制了燃料电池1的输出Pw。结果，可进一步减少需要限制燃料电池1输出的情况，可尽量减少不根据驾驶员的意图加速的情况。
并且，第一实施例的燃料电池系统包括用于调节燃料电池的工作压力的压力调节装置(PVC18，43)。当由加湿判断装置(S210)判断出燃料电池1不能被加湿时，增加燃料电池1的工作压力。这里，采用对于在图14中所示的大设定压力下存在水短缺时的参考图。由于发电生成的生成水因此不容易随阴极排放气体而回收，因此可更有效地防止燃料电池1的加湿不足，可更快地汇聚加湿水。
具体而言，当判断出不能由加湿判断装置加湿燃料电池1时，随着燃料电池1的工作温度的升高增加了燃料电池1的压力，这样，燃料电池1以在达到燃料电池1的温度受到限制的温度的情况下的最大压力进行工作。因此，燃料电池1以在限制温度TSOLIM的状态下的最大压力POMAX工作，以最大的系统容量防止燃料电池1的加湿不足。
此外，在此实施例中，WRD 21设置为基本加湿装置，在高温严格工作条件之外不容易发生加湿不足。因此，即使以低温起动，WRD21的加湿也可进行至一定程度，可简单地通过使燃料电池1的工作温度下限达到不需要辅助加湿的程度，充分地维持电解质的水分保持率。
第二实施例
现在描述第二实施例。参照图18介绍燃料电池系统的构成。这里，介绍这样一种燃料电池系统：该系统同样在系统停止的过程中在水箱60中存储净化水，并当存储的净化水冻结时以低功率进行解冻。以下描述的焦点是与第一实施例的系统不同的部件。
首先，描述向/从阴极提供/排出空气的氧化剂系统。
氧化剂系统包括空气净化器10、化学过滤器11和流量计12，将该氧化剂系统的下游侧和压缩机20的进口侧连接。在压缩机20的出口侧设置消音器14、微过滤器16和空气温度调节器15。此外，燃料电池1的阴极进口管路1a经由采用阴极排出气体作为加湿源的WRD21的被加湿侧与它们连接。在WRD 21和燃料电池1之间设置压力传感器101和空气传感器111。从燃料电池1的阴极出口管路1d下游，其构成与第一实施例的相同。但在第二实施例中，在阴极出口管路1d处设置的水分离器17的水全部输送到水箱60，因此没有设置截止阀69。
下面，描述向/从阳极提供/排出氢气的氢气系统。
氢气温度调节器42经由截止阀41连接到氢罐40。此外，经由压力控制阀PCV 43和流量计44连接喷射器45。进行从喷射器45向燃料电池1的阳极进口管路1b的连接，在喷射器45的上游侧设置分别检测向燃料电池1提供的氢气的压力和温度的压力传感器102和温度传感器115。在阳极出口管路1e和喷射器45之间形成氢气循环路径。形成从在阳极出口管路1e和喷射器45之间设置的分支部分49延伸到燃烧装置30的分支通道，该分支通道调节由流速控制阀FCV 48传送到燃烧装置30的阳极排出气体的流速。氢气系统的其它部分以与第一实施例相同的方式构成。
接下来，描述控制燃料电池1的温度的冷却系统。
冷却剂存储罐51连接到冷却剂泵52的进口侧。冷却剂泵52的出口侧经由电导计121连接到燃料电池1的冷却剂进口管路1c。在冷却剂出口管路1f的下游侧设置温度传感器117，检测由燃料电池1排出的冷却剂的冷却剂出口温度Tso。此外，在下游侧，回路分向空气温度调节器15和氢气温度调节器42，在重新汇合之前与空气和氢气进行热量交换。此后，冷却系统经过水箱60。在水箱60中设置的冷却系统的管子是热交换部分60a，当冷却剂流过热交换部分60a时，与在水箱60中存储的水发生热交换。结果，当水箱60中的水冻结时，例如，将来自较高温度的冷却剂的热量供应给水，从而帮助水箱60中的水解冻。然后，将在热交换部分60a中循环的冷却剂连接到三通阀53，三通阀53分向[回路]散热器50和燃烧装置30。三通阀53像第一实施例那样提供加热回路和冷却回路的支路以调节冷却剂的温度。加热回路和冷却回路由交流部分58b连接并连接到水泵52的进口侧。与水泵52并行地设置减少冷却剂电导的离子过滤器56。
接下来，描述进行燃料电池1的执行加湿的净化水系统。
水箱60包含水位传感器151、水泵61和在水泵61进口处的过滤器62。在水泵61的排出侧，设置排出路径72，该路径72经由电导计122和离子过滤器63连接到燃料电池1。在燃料电池1内，设置阳极和阴极以及利用多孔板的水通道。当净化水经过水通道时，通过将水分经由多孔板提供给各电极和电解质膜，进行加湿。换句话说，在此实施例中，WRD 21用作主加湿装置，借助在构成辅助加湿装置的燃料电池1中循环的净化水进行加湿。
将在燃料电池1的加湿中没有用的净化水返回到水箱60的返回路径71设置有截止阀81、截止阀83和压力控制阀PRV 84。PRV 84采用燃料电池1的阴极出口压力作为参考压力。在截止阀81和截止阀83之间形成经由截止阀82连接到阴极排出气体侧的路径。通过打开截止阀82、截止阀81和截止阀83，回路中的水借助阴极排出气体返回到水箱60。通过加热源如电加热器(未示出)加热此水回路和水回路中的部件。
在切断期间，在停止发电之后在来自二次电池(未示出)的电力下驱动压缩机20。通过借助PCV 18稍稍增加阴极压力，使水分离器17中的水返回到水箱60。当完成了在阴极出口管路1d内的排水时，关闭截止阀68以在管路1d内保持排干状态。此外，为了从排出路径72和返回路径71排水，打开截止阀81-83。由此防止在管路内净化水的冻结。
接下来，描述起动时的燃料电池温度控制。参照图19介绍控制要点。首先，检测开始起动的指令，当燃料电池1经过温度升高达到允许产生车辆起动所需的电功率的温度Ts时，起动图19中所示的程序。
在步骤S11中，判断水箱60中的净化水是否需要解冻。这可由在水箱60中设置的温度传感器118的输出判断。当水箱60中净化水的温度Tw等于或高于预定温度Tw1时，程序进行至步骤S12，从而将冷却剂出口目标温度TSOUPR设定为正常温度TSONORM。另一方面，当净化水温度Tw不满足预定温度Tw1时，程序进行至步骤S13，从而将冷却剂出口目标温度TSOUPR设定为限制温度TSOLIM。在步骤S14的冷却剂温度控制中，根据在步骤S12或S13中如此设定的冷却剂出口目标温度TSOUPR并根据检测出的冷却剂出口温度Tso控制冷却系统。结果，当水箱60中的水冻结时抑制了燃料电池1的温度升高，可准备加湿用水，在由于燃料电池1的加湿不足引起干涸之前起动利用净化水的加湿。
接下来描述控制的细节。以下描述的焦点在于与第一实施例不同的部分。
在起动时的温度控制主程序与图4中所示的第一实施例的相同。在步骤S30中，判断燃料电池1的温度是否达到了为了产生车辆起动所需的电功率所要求的温度。这里，判断冷却剂出口温度Tso是否达到Ts(＝0℃)。当没有达到Ts时，输出禁止起动的指令，然后在步骤S50中进行燃料电池加热控制。然而，当在步骤S30中冷却剂出口温度Tso没有达到Ts时，认为大气温度低于冰点，存在着水箱60中的水冻结的可能性。以下鉴于这种可能性进行燃料电池加热控制。
燃料电池加热控制利用二次电池或类似装置进行在燃烧装置30中的燃烧以提高循环冷却剂的温度。通过使其温度由此升高的冷却剂流过燃料电池1，提高燃料电池1的温度。因为在燃料电池1和冷却剂之间有效地交换了热量，所以在冷却剂出口管路1f中的冷却剂温度基本上与燃料电池1的温度相同。
在燃料电池1比冰点低很多(例如，-20℃)并产生正常工作所需的大量功率(在此实施例中，允许车辆行驶的工作状态)的情况下，生成的水由冷却的燃料电池1冷却并冻结，因此当燃料电池1没有加热到接近于0℃时，难以产生大量的电功率。因此，冷却剂出口温度Tso不易等于或高于凝固点，直至能够产生大量的电功率。结果，处于或高于凝固点的冷却剂不能进入燃料电池1下游的水箱60，因此，虽然能够在经过水箱60内的热交换部分中的冰表面时向冰提供一点热量，但是无法实现冻结水的解冻。因此，从水箱热交换部分60a中的冷却剂取出非常少的热量，不能有效地消耗电功率以便解冻水箱60。为此，利用由CAT 30b产生的热量，在接近冰点下对燃料电池1有效加热。当以相同的氢消耗量考虑时，上述过程可以使燃料电池1达到迅速产生大量功率的状态，从而可减少起动时间间隔和起动消耗能量。
此后，当燃料电池1达到允许发电的温度时，停止CAT 30b的操作以终止加热操作。也就是说，当在步骤S30中判断出Tso＞Ts时，程序进行至步骤S60，执行起动控制。然后，利用由燃料电池1发电产生的热量解冻水箱60中的净化水。此实施例的起动控制示于图20中。
在此实施例中，根据在水箱60中汇聚的水温Tw判断是否开始正常工作，而不是根据水箱60的水位Lw。这里，根据在水箱60中设置的温度传感器118的输出进行判断。也就是说，在步骤S720中，以水箱60中的水温Tw是否高于预定温度Tw1为基础，判断是否能利用水箱60中的水进行加湿。预定温度Tw1是可判断水箱60中预定量的水已解冻的温度。这里，这是允许水泵61循环的量。例如，预定温度Tw1预设为接近例如0℃。
在步骤S720中，如果Tw≤Tw1，可以判断出不会发生解冻以达到使水循环的程度，因此进行步骤S730-S820的控制。这些步骤是与第一实施例的步骤S130-S220相同的控制。由于这种控制，在燃料电池1和在低温设置的冷却剂之间发生热交换，则允许加热后的冷却剂经过水箱60的热交换部分60a。因此，通过利用随燃料电池1发电而产生的热量，使水箱60中的水解冻。因此，通过利用CAT 30b解冻水箱60中的水，同样可减少消耗的燃料。
直至判断出水箱60的温度Tw超过0℃且可以借助水箱60中的水加湿，否则在没有加湿燃料电池1的情况下执行超过允许工作温度以上的温度的限制。因此，允许燃料电池1在没有因水不足而干涸的情况下工作直至水箱60解冻，从而可以进行有效地起动。
此外，当在步骤S740中设定当限制工作温度时的冷却剂出口目标温度TSOUPR(＝TSOLIM)时，以进行解冻所需的时间间隔与图21而不是图6的冷却剂出口温度关系为基础设定TSOLIM。解冻所需的时间间隔对应于直至第一实施例的水汇聚的时间间隔。
另一方面，当在步骤S720中判断出Tw＞Tw1时，程序进行至步骤S830和S840，通过使水泵61工作以与第一实施例的步骤S230和S240相同的方式开始正常工作。
作为上述控制的结果，在图22中示出了对于燃料电池1的温度和解冻水量在时间间隔上的变化。
在加热操作的过程中通过提高在燃烧装置30中冷却剂的温度，进行燃料电池1的加热。当燃料电池1加热至防止冻结并能够产生大量电能的温度Ts(接近于0℃)时，停止燃烧装置30的燃烧，有效地产生用以使车辆行驶的功率。燃料电池1的温度随着这种发电升高。由于冷却剂温度升高，通过使冷却剂经过水箱60中的热交换部分60a，进行水箱60中的解冻。在没有通过净化水系统加湿燃料电池1的情况下进行该操作，因此，当燃料电池1的温度升至过高时，可能出现水量不足，以及燃料电池1恶化。因此，通过增加冷却剂流速、在散热器50中循环的冷却剂的比例和散热器50的冷却容量，增加冷却系统的冷却容量。此外，可通过提高工作压力进一步抑制燃料电池1的水不足。此外，当需要控制温度时，通过限制燃料电池1的输出抑制燃料电池1的恶化。
结果，可以在调节燃料电池1的温度使其容易产生所需输出的同时防止燃料电池1的温度超过目标温度TSOUPR。通过维持此状态持续进行水箱60内的解冻，当解冻量超过预定量时，开始正常工作，所述预定量是允许由水泵61循环的量。
接下来，描述本实施例的效果。这里仅描述与第一实施例不同的效果。
设置解冻水箱60中的冻结的解冻装置(热交换部分60a)和检测水箱60中的水的状态的温度传感器118。将用于判断水箱60中是否至少预定量的水处于液相的冻结判断装置(S720)作为加湿判断装置。当判断出水箱60中的水冻结时，液相水无法满足预定量时，将燃料电池1的工作温度限定为低于正常操作温度的限制温度TSOLIM。此外，当判断出在水箱60中至少预定量的水处于液相时，取消对燃料电池1工作温度的限制。结果，可防止在加湿水冻结时由燃料电池1加湿不足引起的失效，可缩短用于获得车辆行驶所需发电量的时间间隔，使用于准备加湿水的能量最少。此后，当准备好加湿水时，正常高效的操作是可行的。
将用于读取水箱60中的水温的温度传感器118设置为用于检测水箱60中水的状态的状态检测装置，这样，当水箱60中的水温处于超过0℃的预定温度Tw1时，判断出在水箱60中预定量或更多的水处于液相。可由此判断水箱60的解冻状态，因此可以可靠地判断加湿水是否能循环。因此，可防止由于在仍旧处于冻结状态的同时起动水循环系统而造成净化水系统的循环系统部分的损坏。
设置燃烧含氢气体和氧化剂气体的的燃烧装置30，以及作为燃料电池温度控制装置设置冷却系统，该冷却系统通过使冷却剂按燃烧装置30、燃料电池1和水箱60的顺序循环的方式与冷却剂进行热交换。当加热燃料电池1时，在燃烧装置30中产生的热量借助冷却剂提供给燃料电池1，于是，在完成了燃料电池1的加热、停止了燃烧装置30之后，通过将随燃料电池1发电而产生的热量借助冷却剂提供给水箱60，从而加热水箱60。
通过借助燃烧装置30仅加热燃料电池1，可缩短直到燃料电池1产生能够行驶的电量的时间间隔。此外，因为通过在将燃料电池1加热到允许发电的程度之后停止燃烧，然后利用来自燃料电池1的废热进行水箱60内的解冻，所以可进行良好燃料效率的解冻。由于可以调节冷却系统和工作压力，如果需要还可调节工作输出，因此燃料电池1可建立即使在缺少加湿操作时也不出现干涸的温度范围。
当通过加湿判断装置判断出不能加湿燃料电池1时(S720)，升高燃料电池1的工作压力。这里，采用图14中所示的、对于存在具有大设定压力的水不足时的参考图。结果，可更有效地防止燃料电池1的加湿不足，具体而言，可将燃料电池1的限制工作温度设定为高。在利用冷却剂的热量解冻水箱60中的冰的情况下，可借助高温冷却剂进一步缩短解冻时间间隔，可在短时间内准备加湿水。
另外，不用说，本发明不限于上述实施例，在体现在权利要求书中的技术构思的范围内可以进行各种修改。
日本专利申请P2002-351174(2002年12月3日提交)的全部内容在此引作参考。
虽然参照本发明的特定实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述实施例。对于本领域技术人员而言，在以上的启示下可对上述实施例进行各种修改和变化。参照以下权利要求书限定本发明的范围。
工业实用性
根据本发明，即使在低温环境下也可防止因燃料电池加湿不足引起的失效，同时允许快速起动，因此有利地扩展了燃料电池系统的应用范围。此外，虽然在以上实施例的描述中该系统应用于车辆，但是本发明当然也可应用于不同于车用燃料电池系统的其它燃料电池系统。

Claims (15)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池(1)，具有电解质膜并利用燃料气体和氧化剂气体产生功率；
用于加湿燃料电池(1)的水的贮存装置(51)；和
控制器(100)，用于：
判断是否可以利用贮存装置(51)的水加湿燃料电池(1)，并且
在判断出燃料电池(1)不能被加湿的情况下，将燃料电池(1)的工作温度限定在一个限制温度以下，该限制温度低于正常工作过程的温度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，
其中控制器(100)进一步用于：
判断在贮存装置(51)中的水是否有预定量或更多以液相存在；和
在不存在预定量或更多液相水的情况下将燃料电池(1)的工作温度限定在限制温度以下。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括：
解冻装置(60a)，解冻贮存装置(51)中的冻结水；和
检测装置(118)，检测贮存装置(51)中水的状态，
其中控制器(100)进一步用于：
判断在贮存装置(51)中是否有至少预定量的水处于液相，和
在贮存装置(51)中的水冻结并判断出液相水不满足预定量的情况下将燃料电池(1)的工作温度限制为限制温度以下，在判断出在贮存装置(51)中至少预定量的水处于液相时取消对燃料电池(1)的工作温度的限制。
4.根据权利要求2所限定的燃料电池系统，进一步包括：
排水装置(74)，用于排出贮存装置(51)中的水；和
水量检测装置(151)，检测在贮存装置(51)中的水量，
其中控制器(100)进一步用于：
预测是否存在贮存装置(51)中的水冻结的可能性，
在判断出存在贮存装置(51)中的水冻结的可能性的情况下排出贮存装置(51)中的水，和
把在燃料电池(1)启动时燃料电池(1)的工作温度限定为限制温度以下，直至贮存装置(51)中的水汇聚了预定量或更多。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括：
冷却系统，具有：压力输送冷却剂的冷却剂泵(52)，所述冷却剂与燃料电池(1)交换热量；和进行冷却剂散热的散热器(50)，
其中控制器(100)进一步用于：
在把燃料电池(1)的温度限定为限制温度以下的情况下，当由燃料电池(1)排放的冷却剂温度是限制温度时，使散热器(50)中循环的冷却剂流速最大。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中控制器(100)进一步用于：
通过限制燃料电池(1)的输出控制燃料电池(1)的温度。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中控制器(100)进一步用于：
当限制了燃料电池(1)的工作温度时优先提高至散热器(50)的冷却剂流速，和
在至散热器(50)的冷却剂循环流速已达到最大值之后燃料电池(1)的工作温度也超过了限制温度的情况下，限制燃料电池(1)的输出。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，进一步包括：
散热器风扇(50a)，增加和减少经过散热器(50)的空气流的流速，
其中控制器(100)进一步用于：
当限制了燃料电池(1)的工作温度时优先增加散热器风扇(50a)的动力，和
在散热器风扇(50a)的动力已达到最大值之后燃料电池(1)的工作温度也超过了限制温度的情况下，限制燃料电池(1)的输出。
9.根据权利要求6所述的燃料电池系统，进一步包括：
散热器风扇(50a)，增加和减少经过散热器(50)的空气流的流速，
其中控制器(100)进一步用于：
当限制了燃料电池(1)的工作温度时，在至散热器(50)的冷却剂流速和散热器风扇(50a)的动力均已达到最大值之后燃料电池(1)也超过了限制温度的情况下，限制燃料电池(1)的输出。
10.根据权利要求3所述的燃料电池系统，进一步包括：
水温检测装置(118)，读取贮存装置(51)中的水温，
其中控制器(100)进一步用于：
在贮存装置(51)中的水温处于超过0℃的预定温度的情况下判断在贮存装置(51)中是否有预定量或更多的水处于液相。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括：
压力调节装置(18，43)，调节燃料电池(1)的工作压力，
其中控制器(100)进一步用于：
在判断出燃料电池不能加湿的情况下增加燃料电池(1)的工作压力。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中控制器(100)进一步用于：
在判断出燃料电池(1)不能被加湿的情况下根据燃料电池(1)工作温度的升高增加燃料电池(1)的工作压力，当燃料电池(1)的温度达到限制温度时使燃料电池(1)以最大压力工作。
13.根据权利要求3所述的燃料电池系统，进一步包括：
燃烧装置(30)，燃烧含氢气体和氧化剂气体；和
冷却系统，以燃烧装置(30)、燃料电池(1)和贮存装置(51)的顺序循环其中的冷却剂，
其中控制器(100)进一步用于：
当加热燃料电池(1)时把由燃烧装置(30)产生的热量借助冷却剂提供给燃料电池(1)；和
在完成了燃料电池(1)的加热并停止了燃烧装置(30)之后，通过把随燃料电池(1)发电产生的热量借助冷却剂提供给贮存装置(51)，从而加热贮存装置(51)。
14.一种用于燃料电池系统的起动方法，该燃料电池系统包括具有电解质膜并利用燃料气体和氧化剂气体产生功率的燃料电池(1)和用于加湿燃料电池的水的贮存装置(51)，所述方法包括：
判断是否利用贮存装置(51)的水加湿燃料电池(1)，以及
将燃料电池(1)的工作温度限定在限制温度以下，该限制温度低于在判断出燃料电池(1)不能被加湿的情况下的正常工作过程的温度。
15.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池(1)，具有电解质膜并利用燃料气体和氧化剂气体产生功率；
用于加湿燃料电池(1)的水的贮存装置(51)；
用于判断是否能够利用贮存装置(51)的水加湿燃料电池(1)的装置；和
用于在判断出燃料电池(1)不能被加湿的情况下，将燃料电池(1)的工作温度限定在限制一个温度以下的装置，该限制温度低于正常工作过程的温度。
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