CN1732586A - 燃料电池组解冻 - Google Patents
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Abstract
一种燃料电池发电装置，包括由多个利用氢气和氧气反应进行发电的燃料电池组成的燃料电池组(1)。控制器(16)确定所述燃料电池组(1)内的水分是否冻结，如果该水分冻结，所述控制器(16)在连续向所述燃料电池组(1)提供氧气的同时，通过换流器(27)使所述燃料电池组(1)进行间歇性发电。所述燃料电池组(1)产生作为发电的结果的热量，因此在阴极(9)处产生水分。在不进行发电的时间段内，提供到所述燃料电池阴极(9)的氧气清除所产生的水分，从而保证在发电过程中向所述阴极(9)的氧气提供。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池组工作于冰点以下时其内部结冰的解冻。
背景技术
在聚合物电解液燃料电池(PEFC)的不同部位都存在水。例如在燃料电池上作的过程中，聚合物电解质膜保持潮湿状态。另外，发电过程中在燃料电池的阴极处产生纯水。更进一步，由于燃料电池在发电过程中发热，在燃料电池中形成一个冷却水通道。因此当燃料电池在冰冻条件下放置很长一段时间时，其内部的水分就会冻结。为了在此状态下操作燃料电池，内部的冰首先需要解冻。
在2000年由日本专利局公布的编号为JP2000-315514A的日本专利公报中，提出了利用辅助电池的电能加热的高温液体来解冻燃料电池中的水分。
在2000年由日本专利局公布的编号为JP2000-512068A的日本专利公报中，提出在冻结状态下启动燃料电池的发电过程，以使燃料电池内部的冰被发电过程中产生的热解冻。
发明内容
根据编号为JP2000-315514A的日本专利公报的发电装置，依靠辅助电池提供所有类型的驱动能，例如加热能和用于再循环燃料电池中高温液体的能量。结果，该辅助电池的负载很大，因此需要大容量的辅助电池。
根据编号为JP2000-512068A的日本专利公报的发电装置，当在所有内部水分都冻结的燃料电池内发电时，由于与外围元件的热交换而使阴极处产生的水蒸气迅速冷却，从而冷凝而形成水或冰。这些水或冰阻碍了阴极的气体通道和气体扩散层，进而阻塞了向阴极的空气的提供。在这种状态下发电反应进行不完全且产生的热量小，需要大量的时间完全解冻冰以使燃料电池能正常工作。为了防止气体通道和气体扩散层的阻塞，必须在低电流值下发电，但这样做发电反应产生的热量小，所以解冻仍需要大量时间。
因此本发明的一个目的就是缩短燃料电池在冻结状态下的启动时间而无需使用辅助电池的电能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种包括燃料电池组、将氧气提供到所述燃料电池组的机构、检测确定所述燃料电池组内水分是否冻结的参数的传感器和控制器的燃料电池发电装置，其中该燃料电池组包括在提供氢气和氧气的条件下发电的燃料电池。
该控制器的功能是根据该参数确定燃料电池组中的水分是否冻结，并使该燃料电池组在其中的水分冻结的时候进行间歇性发电。
本发明还提供了一种包括由在提供氢气和氧气的条件下发电的燃料电池组成的燃料电池组和将氧气提供到该燃料电池组的机构的燃料电池发电装置的控制方法。此方法包括检测确定该燃料电池组中的水分是否冻结的参数，根据该参数确定燃料电池组中的水分是否冻结和使燃料电池组在其中的水分冻结的时候进行间歇性发电。
本发明的详细内容以及其他特征和优点将在本说明书的其余部分中阐明并由附图表不。
附图说明
图1为根据本发明的燃料电池发电装置的示意图；
图2为说明由根据本发明的控制器执行的燃料电池组解冻程序的流程图；
图3A-3C为表示在冰点以下启动发电装置时该发电装置的燃料电池的电流、温度和电压变化的时间图；
图4是表示燃料电池的电流和电压之间关系的曲线图；
图5是说明由控制器执行的与解冻程序并行的控制向所述燃料电池组提供氢气用程序的流程图；
图6是说明由根据本发明第二实施例的控制器进行燃料电池组解冻程序的流程图；
图7A和7B是根据本发明第二实施例说明在冰点以下启动发电装置时所述发电装置的燃料电池的电流和电压变化的时间图；
图8是说明根据本发明第三实施例由控制器执行的燃料电池组解冻程序的流程图；
图9是说明根据本发明第三实施例由控制器储存的电流参数表的内容的图表；
图10是根据本发明第四实施例的燃料电池发电装置的示意图；
图11A-11C是根据本发明第四实施例说明在冰点以下启动发电装置时该发电装置的燃料电池的电流、温度和电压变化的时间图。
具体实施方式
参考图1，一种用于装入车辆里的燃料电池发电装置包括燃料电池组1。燃料电池组1由很多串联在一起的燃料电池组成，但为了便于解释，图中的燃料电池组1用单独一个燃料电池来说明。
氢气提供通道3，空气提供通道10，转接阀6和出口与燃料电池组1相连。
燃料电池组1的每个燃料电池都包括介于阳极2和阴极9之间的聚合物电解质膜25。
流量控制阀4装在氢气提供通道3上以控制从氢气罐26到每个燃料电池的阳极2的氢气的提供。转接阀6选择性地将包含从每个燃料电池的阳极2排放出的在发电反应中没有利用的多余氢气的阳极排放物引导到再循环通道7或者出口5去。再循环通道7通过喷射泵8与氢气提供通道3连接，其中喷射泵8利用通过喷射泵8的氢气的流动速度而产生的吸力吸入循环通道7内的阳极排放物。出口5开口到大气。
空气提供通道10将来自鼓风机11的空气提供到每个燃料电池的阴极9上。出口12将从每个燃料电池的阴极9排放出来的包含发电反应中产生的水蒸气和在发电反应中没利用的氧气的阴极排放物排放到大气中。
用于引出燃料电池产生的直流电的电线13和14连接到燃料电池组1上。电线13和14连接到电力负荷15上。在此，电力负荷15是个一般概念，包括用于驱动车辆的电机，鼓风机11，诸如泵、辅助电池及其充/放电控制器、车辆空调设备、各种灯和其他电器元件的各种辅助设备。电力负载15的电流消耗通过换流器27控制。
鼓风机11的操作，转接阀6的切换和电力负荷15的电流消耗由控制器16控制。
控制器16由带有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)和输入/输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。控制器可以由多个微型计算机组成。
当在燃料电池组1内的水分冻结的温度下启动燃料电池发电装置时，必须对燃料电池组1进行解冻。可以通过在启动过程中使控制器适当地控制燃料电池组1中的发电负载而在短时间内有效率地实现解冻。
为了进行这种控制，燃料电池发电装置包括用于测量燃料电池组1内的温度的温度传感器19，用于检测阳极排放物压力的压力传感器21，用于检测燃料电池组1的端电压的电压表17，用于检测电力负载15的电流消耗的电流表18，用于检测大气温度Ta的外部温度传感器20和用于控制燃料电池发电装置启动的主开关28。每这些传感器所测得的数据都作为信号输入控制器16。
下面将参考图2说明利用控制器16进行燃料电池组1解冻的程序。当车辆司机打开主开关28时，燃料电池发电装置开始工作。这个程序在检测到主开关28被接通时执行。
在步骤S1中，控制器16确定燃料电池组1是否处于冻结状态。进行这个确定是为了判断当燃料电池组1内的水分处于冻结状态下进行发电时，由于发电而产生的水蒸气变成水或冰而阻碍将空气提供到阴极的可能性。这种现象在气温下降的时候更可能发生，因此要事先进行实验以确定出现空气提供阻碍现象的气温界限。当外部温度传感器20检测到的大气温度Ta低于基于该界限温度所设定的预定温度Te时，控制器16确定燃料电池组1处于冻结状态。如果确定燃料电池组1处于冻结状态，控制器16进行步骤S3-S9中的过程。
另一方面，如果外部温度传感器20检测到的大气温度Ta不低于预定温度Te，控制器16执行步骤S2中的正常温度下的燃料电池发电装置的启动过程，然后结束该程序。在正常温度下燃料电池发电装置的启动过程属于与本发明无关的先有技术，因此省略对其的说明。
可以在由温度传感器19检测到的燃料电池组1的温度T而不是由外部温度传感器20检测到的大气温度Ta的基础上确定燃料电池组1的冻结状态。
当燃料电池组1处于冻结状态时，控制器16首先在步骤S3开始操作鼓风机。结果，空气被提供到燃料电池组1的阴极9，而氢气被提供到燃料电池组1的阳极2。
接着在步骤S4中，控制器16读取由温度传感器19检测到的燃料电池组1的温度T。
然后在步骤S5中，在燃料电池组1温度T的基础上控制器16检索事先存储在内部存储器内的电流参数表以确定根据温度T由燃料电池组1输出的电流脉冲的脉冲宽度t1和脉冲间隔T2。表1是电流参数表的例子。
表1
燃料电池组温度T(℃) T1 T2 T3 T4 T5 76 T7 T8
脉冲宽度 t11 t12 t13 t14 t15 t16 t17 t18
脉冲间隔 t21 t22 t23 t24 t25 t26 t27 t28
其中：T1＜T2＜……＜T7＜T8
t11＜t12＜……＜t17＜t18
t21＞t22＞……＞t27＞t28
参考表1，电流参数表的特征在于随着温度T的提高脉冲宽度t1变大而脉冲间隔t2变小。在此，脉冲宽度t1表示脉冲持续的时间，脉冲间隔t2表示由燃料电池组1输出的脉冲电流停止到下一个脉冲电流输出开始之间的间隔。控制器16根据温度T从电流参数表设定脉冲宽度t1和脉冲间隔t2。电流参数表根据经验事先设定。在表1中为八个温度Ti的每一个设定参数t1i，t2i，因此i＝1~8，但i的数值可以任意设。也可以根据燃料电池组1内在低温下启动时的热传递和质量传递建立一个数字模型，以便用根据数字模型的等式来表示脉冲宽度t1和脉冲间隔t2。
在下面的步骤S6中，控制器16控制换流器27以使符合所确定的脉冲宽度t1和脉冲间隔t2的电流从燃料电池组1输出。需要注意的是表1中所示脉冲的高度与电流A相对应。电流A为固定值。电流A的设定方法将在后面说明。
接着在步骤S7中，控制器16将步骤S6中达到的换流器的受控制状态保持一段固定的时间。
接着在步骤S8中，控制器16再一次读取由温度传感器19检测到的燃料电池组1的温度T。
然后在步骤S9中，确定燃料电池温度T是否达到了燃料电池组1的解冻完成温度Tc。解冻完成温度Tc是这样一个温度，即使燃料电池组1开始正常工作，在此温度下也不存在阴极9产生的水蒸气转变成水或冰而使向阴极9的空气提供受到阻碍的可能性。
在步骤S9中，如果燃料电池温度T没有达到燃料电池组1的解冻完成温度Tc，重复进行步骤S5-S9的过程，直到燃料电池温度T达到解冻完成温度Tc。如果燃料电池温度T已经达到解冻完成温度Tc，控制器16停止该程序。
取代为了确定解冻操作的最后时间而比较燃料电池温度T和解冻完成温度Tc，还可以根据步骤S1中的大气温度Ta事先确定解冻操作时间，并且在步骤S9确定从解冻操作开始经过的时间是否到达解冻操作时间。
进一步地，还可以监测阴极9的输入和输出之间的压力差或者监测燃料电池组1的输出电压以确定解冻操作结束的时刻。当气体通道里的冰阻碍了空气向阴极的提供时，阴极的输入和输出之间的压力差增大而燃料电池组1的输出电压下降。因此通过监测压力差或者输出电压，能够不检测燃料电池温度就确定解冻操作结束的时间。然而，为了精确地确定解冻操作的结束时间，可以要求进行大输出电流和大脉冲宽度下的间歇性的发电过程。
在上面的任何一种情况下，温度传感器19可以省略，这样能够简化燃料电池组1的结构。
在解冻程序完成之后，控制器16进行正常工作的控制。
在进行解冻程序期间空气向燃料电池组1的提供不是间歇进行，而是连续并以恒定流速进行。在和前述脉冲间隔t2相应的时间段内输送到阴极9的空气几乎没有被用于发电反应，而是导致由发电反应在阴极9处产生的水分向下游流动并从出口12排放而不聚集在阴极9附近的气体通道和气体扩散层内。由于鼓风机11进行的隔热压缩使提供到阴极9的空气具有比外界空气高的温度，通常高于冰点，因此能够实现这一功能。
即使在燃料电池组1上加上电力负荷，或者换句话说，即使在与脉冲宽度t1对应的时间段里，阴极9处产生的水分聚集在气体通道和气体扩散层内而使通向阴极9的空气通道堵塞，当没有电力负荷施加在燃料电池组1上时，或者换句话说在与脉冲间隔t2对应的时间段中，聚集的水分就被空气向下游推动，从而在后继的电力负荷施加在燃料电池组1上时，燃料电池组1又能够发电。流入空气的这种换气效应随着空气提供量的增大而变得更显著，并且脉冲间隔t2可以随着空气提供量的增加而减小。提供到燃料电池组1的空气量最好至少1.8倍于，更好是3倍于脉冲电流发电所消耗的空气量。
如上所述，理想的是向阴极9的空气提供是连续的而不是间歇的。
同时，对于将氢气向阳极2的提供，在燃料电池组1不发电期间也不消耗氢气，因此理想的是根据脉冲电流间歇性地提供氢气。然而，要间歇性地提供氢气是困难的。可以以时间与脉冲电流结合而得出的平均流动速率提供氢气，但是对流量控制阀4的流动速率控制要求具有高精确度。
通过使控制器16在燃料电池组1的解冻控制过程中执行图5所示的氢气提供控制程序，或者换句话说与图2所示的解冻程序并行，实现以正好的比率将氢气提供到阳极2。
首先，在步骤S51中，控制器16增大流量控制阀4的开口。
接着，在步骤S52中，确定燃料电池组1是否需要进行解冻。这取决于图2所示解冻程序的步骤S3-S9是否在最近被执行过。
如果燃料电池组1需要进行解冻，控制器16在步骤S53中切换转接阀6以使阳极2的阳极排放物通过喷射泵8流入再循环通道7，这样形成一个包括喷射泵8、阳极2、转接阀6和再循环通道7在内的封闭回路，通过该回路阳极排放物得以再循环。
然后，在步骤S54中，读取压力传感器21检测到的阳极排放物的压力P。
接着，在步骤S55中，确定阳极排放物压力P是否超过预先设定的压力P0。控制器16一直等待，直到阳极排放物的压力P达到预先设定的压力P0，并且在阳极流出物压力P超过预先设定的压力P0时，控制器16在步骤S56中减小流量控制阀4的开口。在随后燃料电池组1进行脉冲电流发电的过程中，或者换句话说在与脉冲宽度t1对应的时间内，在阳极2处消耗封闭回路中阳极排放物内含有的氢气。通过该氢气的消耗，阳极排放物的压力P下降。
在减小流量控制阀4的开口后，控制器16在步骤S57中再次读取阳极排放物的压力P，并在步骤S58中将阳极排放物的压力P和预先设定的压力P1进行比较。预先设定的压力P1是这样一个数值，用于确定流量控制阀4的开口是否需要重新增大以增加来自氢气罐26的氢气提供量而补偿阳极排放物中氢气浓度的降低。
从上述解释可以得出，预先设定的压力P0比预先设定的压力P1大。
控制器16重复步骤S57和S58中的过程直到在步骤S57中阳极排放物的压力P降到预先设定的压力P1以下。当在步骤S57中阳极排放物的压力P降到预先设定的压力P1以下时，控制器16返回到步骤S51增大流量控制阀4的开口，然后重复步骤S52-S58的过程。
当如图2所示的解冻程序结束时，步骤S52中的确定结果变成否，从而控制器16结束该程序。
根据该程序，在如图2所示的解冻程序进行期间，向阳极2的氢气提供可以以正好的比率进行。
接着将参考图3A-3C说明当通过上述控制方法使燃料电池组1从冻结状态启动时脉冲电流、燃料电池温度T和发电的电源电压的变化。
图中的虚线表示了如在已有技术的编号JP2000-512068A的设备中在恒定的发电电流a0下进行解冻时的特性。在该已有技术设备中，燃料电池组从冻结状态下以低电流a0启动，以防止向阴极的空气提供受到冻结状态下发电过程中在阴极产生的水分的阻碍。紧跟在开始发电之后，端电压下降到比初始电压V0稍低，但由于电流a0很小，所以影响也轻。由于燃料电池组1发电产生的热而使燃料电池组1的温度逐渐升高。
然而，当阴极产生的水分聚集在气体通道和气体扩散层而阻碍了气体到达阴极时，燃料电池组1的发电电压最终下降，而当发电电压在tc时刻降到最小值Vmin以下时，燃料电池组1就不能再发电了。该零电流状态在燃料电池组1内持续短暂的时间。在该状态下不发生发电反应，因此在阴极没有水生成。然后，当聚集在气体通道和气体扩散层的水分扩散开而使空气的提供能到达阴极时，燃料电池组1重新开始发电反应，并在td时刻端电压升高到最小值Vmin之上。通过以这种方式将该常规装置中燃料电池组1的发电电流抑制到低电流a0，如图3B所示，燃料电池组1内的温度的升高极为缓慢；此外，在低电流a0下，可能会如在tc-td时间段内所示出现无法发电的状态。
在根据本发明的燃料电池发电装置中，另一方面，控制器16参考根据启动时燃料电池温度T事先存储在内部存储器的表确定脉冲宽度t1和脉冲间隔t2。例如，如果燃料电池温度T＝T2，脉冲宽度t1设成t12而脉冲间隔t2设成t22。然后控制换流器27根据所设定的脉冲宽度t12和脉冲间隔t22在固定的时间期间内进行发电。此时的电流A大大地超过了常规设备的电流a0，因此伴随发电过程的电压下降也很大。电压的这种大幅度下降或者说低发电效率导致热的产生，从而可以比常规设备产生更大量的热。结果如图3B所示，燃料电池组1的温度T快速升高。
由于在大电流下发电，所以在阴极9处产生大量的水分，并且这些产生的水分开始阻碍向阴极9的空气提供。然而，当电压下降到最小电压Vmin时，与脉冲宽度t12对应的时间期间过去，因此燃料电池组1内的发电过程中断。同时，空气被持续地从空气提供通道10提供，该空气流到达燃料电池组1内的阴极9以清除气体通道和气体扩散层内的水分并将其从出口12排出。
结果，燃料电池组1又回到能发电的状态。当脉冲间隔t22过去时，燃料电池组1恢复发电。通过使控制器16控制换流器以用这种方法产生脉冲形状的电流输出，燃料电池组1被伴随大电流A而产生的热加热，并通过在脉冲间隔t22时间内的清除作用，聚集在气体通道和气体扩散层内的水分被清除掉。此时电压的变化在图3C中表示出来。
当如图3B所示的那样，在燃料电池组1经过固定时间期间的间歇发电过程之后燃料电池组1的温度T到达预先设定的温度T3，控制器16再次参考表1设置新的脉冲宽度t13和脉冲间隔t23。新设定的脉冲宽度t13比前面的脉冲宽度t12大，而新设定的脉冲间隔t23比前面设定的脉冲间隔t22小。这是因为这样的事实，由发电反应在阴极9处产生的水分中的一小比例的部分在燃料电池组1的温度T升高时凝结或者冻结在气体通道和气体扩散层内阻碍空气通到阴极9。由于聚集在气体通道和气体扩散层内的水分量减少，除去聚集的水分所需的时间也就减少。
控制器16使燃料电池组1根据新的脉冲宽度t13和脉冲间隔t23在一段固定时间期间中恢复间歇发电。由于脉冲宽度t13比脉冲宽度t12大，发电产生的热量也增大，如图3B所示燃料电池组1的温度T升高得更迅速。当燃料电池组1的温度T在该状态持续了固定时间期间后到达预先设定的温度T4时，控制器16再次参照表1设定新的脉冲宽度t14和脉冲间隔t24，然后使燃料电池组1在新的设定下在一段固定的时间期间中恢复间歇性发电。
通过进行间歇性发电，同时以这种方式根据固定时间间隔中燃料电池组1的温度T重置脉冲宽度t1和脉冲间隔t2，燃料电池组1的温度T的升高如图3B所示的那样加速。如图3B中所示，在零摄氏度时燃料电池组1的温度T的升高暂时停止，其原因在于，燃料电池组1内发电反应产生的热被用于补偿当融化气体通道和气体扩散层内的冰以及存在于燃料电池组1的其他部分内的冰时所引起的潜在热量，因此不作为可感觉到的热量对提高燃料电池组1温度升高作出贡献。
当燃料电池组1的温度T最终达到能进行正常工作的温度Te时，在图2所示的步骤S9中的下一个确定时机确定转为正常工作，于是控制器16结束该程序。
接着将参考图4说明一种确定电流A大小的方法。该图中的实线曲线表示了燃料电池组内输出电流和端电压之间的典型关系，并被认作为I-V曲线。
端电压Vt为根据氢气的氧化反应所释放的能量数计算出的逻辑值。实际的端电压V除以逻辑值Vt被认作为发电效率。图中用L1和L2表示的在发电过程中释放出的能量中未转化成电能的能量在热量的产生中消耗掉。
随着输出电流A提高，端电压V下降，实际上，消耗同样数量的燃料，转化成热的能量数量变大。电压下降在图中的高电流区域Z特别剧烈。这是因为这样的事实，反应中消耗的气体数量相对于反应气体，也就是在燃料电池组1的电极表面上扩散的氢气和氧气的扩散速率提高，结果发电反应的速率依赖于气体扩散速率。由于气体扩散速率而导致的端电压下降被认作为扩散超电势。
燃料电池组1的输出电流A设定在扩散超电势占支配地位的区域Z附近。JP2000-512068A中介绍的常规设备中的燃料电池组在冻结状态下的输出电流a0设在区域X附近，因此产生的热量很小。
通过将输出电流设定在电压由于根据燃料电池组1的特性的扩散超电势而迅速下降的电流区域内，在发电过程中产生的热量增加，从而燃料电池组1的温度T能高效率地提高。
输出电流I和端电压V之间的关系不是一成不变的，而是根据燃料电池组的不同而有差异。尤其是在低温下活性下降或者当燃料电池组的一部分冻结时，就像图中虚线所示的那样，其性能从图中实线所示的标准特性下降。当燃料电池组1的性能下降时，最好将冻结状态下的输出电流A改变到区域Y附近。
替代将输出电流A设成固定值，可以利用端电压在区域Z和Y内急剧下降的现象动态改变输出电流A。更具体而言，控制器16控制电流值以使电压下降到预设的最小电压Vmin。最小电压Vmin设为0.3到0.5伏。
通过使控制器16控制换流器27而实现用该方法确定的输出电流A，相对于相同燃料消耗量的发电效率可以下降，而不像在从燃料电池组输出稳定不变的低电流的常规设备那样，因此产生的热量能被提高。进一步地，由于根据燃料电池组1的温度T的提高重设脉冲宽度t1和脉冲间隔t2，聚集的水分可以肯定地被从气体通道和气体扩散层内清除掉，从而必定能在燃料电池组1里进行发电反应。
下面将参考图6和图7A、7B说明本发明的第二实施例。
根据本实施例的燃料电池发电装置具有与第一实施例相同的硬件结构，但控制脉冲形输出电流的逻辑与第一实施例不同。
在本实施例中，控制器16执行如图6所示的解冻程序替代图2所示的解冻程序。
步骤S1-S3和步骤S8，S9的过程和图2的解冻程序完全一样。
在步骤S3开始鼓风机11的操作以后，在步骤S21控制器16控制换流器27在燃料电池组1中以输出电流A开始发电。
接着，在步骤S22，控制器16读取由电压表17检测的燃料电池组1的端电压V。
然后，在步骤S23，控制器16将端电压V和预设的最小电压Vmin进行比较并重复步骤S22和S23的过程，直至端电压V降低到最小电压Vmin之下。当端电压V降低到最小电压Vmin之下时，在步骤24，燃料电池组1中的发电停止一个固定的时间期间。
然后，相似于图2的解冻程序，在步骤S8和S9作出有关燃料电池组1的温度T是否已经达到可以正常工作的温度Tc的确定。再向前重复步骤S21的过程，直至温度T达到正常的工作温度Tc，而当温度T达到正常的工作温度Tc时，程序结束。向阴极9的空气提供的控制以和第一实施例相似的方式进行。
在根据本实施例的控制下输出电流和端电压的变化在图7A和7B中显示。如图7A所示，作为输出一个相应于输出电流A的脉冲电流的结果，燃料电池组1的端电压V迅速下降，但是当水分聚集在气体通道和气体扩散层中而使向阴极9的空气提供发生阻塞时，端电压V进一步下降而达到最小电压Vmin。
当燃料电池组1的端电压V下降到低于最低电压Vmin时，在步骤S24控制器将燃料电池组1中的发电停止一个固定的时间期间。该停止期间相应于第一实施例的脉冲间隔t2。一旦该固定的时间期间过去，并且如果燃料电池组1的温度T还没有达到正常的工作温度Tc，就恢复燃料电池组1在输出电流A下的发电。
在该实施例中，根据端电压V的下降而不是通过设定脉冲宽度t1开始和停止发电，这样，由于水分在气体通道和气体扩散层中的聚集导致的不能发电的情况能肯定得以避免，因此能贯穿可以发电的整个期间进行发电。结果，燃料电池组1的温度能高效率地提高。
在该实施例中，步骤S24的发电停止时间期间被设定为一个固定值，但通过在燃料电池组1的端电压V返回到初始电压Vo时恢复发电，燃料电池组1的温度甚至能更高效率地提高。
下面将参考图8和图9叙述本发明的第三实施例。
该实施例中的燃料电池发电装置的硬件结构和第一实施例完全一样，仅设定脉冲宽度t1和脉冲间隔t2的方法和第一实施例不同。更具体地说，控制器16执行图8中显示的解冻程序替代图2中的解冻程序。
参考图8，在该程序中设置步骤S31和S32替代图2中的解冻程序的步骤S4和S5，所有其他的步骤与图2中的程序完全相同。控制器16装有用于计量从司机打开主开关后所经过的时间的计时器。主开关打开之后经过的时间与燃料电池组1开始解冻以后所经过的时间相等。
在步骤S31中，控制器16读取在主开关打开后所经过的时间t0。接着在步骤S32中，根据经过的时间t0和大气温度Ta查阅预先存储在存储器中的具有如图9所示内容的表，以便确定相应的脉冲宽度t1和脉冲间隔t2。
参考图9，根据大气温度Ta，在存储器中预先存储多种类型的表，控制器16首先检索与大气温度Ta对应的表以从所得的表中确定与经过的时间t0对应的脉冲宽度t1和脉冲间隔t2。
在此，由于经过的时间t0与燃料电池组1的解冻时间相等，燃料电池组1的温度T随着经过的时间t0增加而提高。因此在表中，随着经过的时间t0的增加分别将脉冲宽度t1和脉冲间隔t2设定成增加和减小。
同时，至于大气温度Ta，针对同一个经过的时间t0，随着大气温度Ta下降分别将脉冲宽度t1和脉冲间隔t2设定成减小和增大。这样就能避免在低温下由气体通道和气体扩散层中水分聚集而导致的发电阻碍。通过根据这两个参数即经过的时间t0和大气温度Ta设定脉冲宽度t1和脉冲间隔t2，燃料电池组1中产生的热量能升高到上限，从而能缩短解冻需要的时间。
下面将参考图10和图11A-11C说明本发明的第四实施例。
参考图10，根据本实施例的燃料电池发电装置包括一个用于冷却燃料电池组1的冷却通道101和一个用于加热冷却液的电加热器103。冷却通道101中的冷却液由泵105加压以在燃料电池组1中循环。电加热器103设置在从冷却液通道101分支出来的加热通道102上。加热器103响应来自装在车辆内的辅助电池的能量提供而产尘热量，借以加热从冷却通道101导入加热通道102的冷却液。然后冷却液又经过加热通道102再循环到冷却通道101。
当在冰点以下打开车辆主开关时，控制器16首先给电加热器103供电并操作泵105。结果，燃料电池组1的温度T如图11B那样升高。
当温度T到达零摄氏度时，控制器16停止给电加热器103供电和操作泵105。然后氢气和空气被提供到燃料电池组1，控制换流器27以使燃料电池组1输出脉冲形电流。
燃料电池组1被保持在零摄氏度进行发电，伴随内部冰融化而引起的潜热由发电过程中产生的热量补偿。当解冻完成且燃料电池组1的温度T到达正常工作温度T3时，控制器16停止燃料电池组1的间歇性发电而转入正常工作。第一到第三实施例中的任意一个程序都可以用于间歇性发电。
当本实施例中的燃料电池发电装置在冰点以下启动时，在燃料电池组1的温度T处于冰点以下时燃料电池组1利用电加热器103加热，一旦燃料电池组1的温度T到达冰点，燃料电池组1的温度升高通过燃料电池组1的间歇性发电过程中产生的热量来实现。当使燃料电池组1在冰点以下进行发电时，向阴极9的空气提供更可能由于阴极9处产生的水分而受到阻碍。
因此在本实施例中，电加热器103产生的热量和发电反应产生的热量在零摄氏度界限上被分开。用于加热燃料电池组1的热量可被分成用于提高燃料电池组1温度的可感觉到的热量以及用于融化燃料电池组1内部的冰的潜热，当燃料电池组1从冰点以下加热时，通常潜热还要超过可感觉到的热量。
利用来自辅助电池的电源工作的电加热器103能供热而不管燃料电池组1是否处于冷冻状态。一旦燃料电池组1的温度T到达零摄氏度，产生等价于潜热的热量由燃料电池组1的间歇性发电反应期间产生的热量来实现，因此辅助电池104的能量消耗可达到最小。进一步地，通过间歇性发电的方法给辅助电池104充电，辅助电池104的电量能提高或者驱动能源能提供给辅助的机器设备。
只利用电加热器103一定会消耗大量电能用于将燃料电池组1的温度T提高到正常操作温度Te，但如果电加热器103只用于将燃料电池组1加热到零摄氏度，就大大减少电加热器103的能耗。
因此根据本实施例，能比通过仅利用电加热器103或燃料电池组1的发电反应解冻其中冻结的水分而将燃料电池组1加热到能进行正常工作的状态的时候在更短的时间内开始正常工作。
尽管在本实施例中临界温度设成了零摄氏度，出现空气提供阻碍现象的温度界限没有必要一定为零摄氏度。实际的温度界限取决于燃料电池的热容量、燃料电池周围的管道的温度和热容量、提供到燃料电池的气体的温度等而不同。所以最好通过试验确定临界温度。
在日本申请日为2002年6月26日的特愿2002-185889的内容通过引用而结合在本文中。
尽管上文通过参考本发明的一定的实施例介绍了本发明，但本发明不局限于上述实施例。在本技术领域熟练的人员根据上述原理对上述实施例进行修改和提出变化是显而易见的。
工业上的应用
根据上述本发明，在处于冻结状态下的燃料电池组用燃料电池发电的方法解冻时，通过进行间歇性发电，发电过程中在阴极产生的水分在发电暂停时被提供的氧气清除掉。结果向阴极的氧气提供不会被聚集的水分所阻碍，即使在冻结时燃料电池组也能以大电流进行发电。相应地，当本发明被用于驱动车辆的燃料电池发电装置时，冻结的燃料电池组能在短时间内变热而不用得到来自外部的能量提供。
主张专有的产权或专利权的本发明的实施例定义如下：
Claims (20)
1.一种燃料电池发电装置，其特征在于，包括：
燃料电池组(1)，包含在提供氢气和氧气的条件下产生电力的若干燃料电池；
氧气提供机构(11)，向燃料电池组(1)提供氧气；
参数检测装置(19，20)，检测用于确定燃料电池组中的水分是否冻结的参数；
确定装置(16，S1)，基于上述参数确定燃料电池组内的水分是否冻结；和
动作装置(16，27，S3，S6)，当燃料电池组(1)中的水分冻结时使燃料电池组
(1)进行间歇性发电。
2.如权利要求1所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中当使燃料电池组(1)进行间歇性发电时，动作机构(16，27，S3，S6)使氧气提供机构(11)连续向燃料电池组(1)提供氧气。
3.如权利要求1所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中参数检测装置(19，20)包括检测用于确定燃料电池组中水分是否冻结的参数的传感器(19，20)，所述确定装置(16，S1)及所述动作机构(16，27，S3，S6)包括用于根据所述参数确定燃料电池组(1)中水分是否冻结(S1)、并在使氧气提供机构(11)连续向燃料电池组提供氧气的同时使燃料电池组(1)进行间歇性发电(S3，S6)的控制器(16)。
4.如权利要求3所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中燃料电池组(1)响应电力需求而发电，所述发电装置进一步包括调整该电力需求的机构(27)，所述控制器(16)进一步具有控制所述调整机构(27)在燃料电池组中的水分冻结时使燃料电池组(1)进行间歇性发电(S6，S21-S24)的功能。
5.如权利要求4所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中燃料电池组(1)电连接到电力负荷(15)，调整机构(27)包括用于调整从燃料电池组(1)向电力负荷(15)的电力供应的换流器(27)。
6.如权利要求4或5所述的燃料电池组，其特征在于，其中所述控制器(16)进一步具有控制调整机构(27)、使燃料电池组(1)间歇性发电产生的输出电流与由于扩散超电势而导致的燃料电池组(1)的输出电压出现下降时的电流相一致的功能。
7.如权利要求1到5中任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述参数是燃料电池组(1)温度和大气温度之一。
8.如权利要求3到5中任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中每个燃料电池包括氢气被提供到其上的阳极(2)和氧气被提供到其上的阴极(9)，设置所述氧气提供机构(11)用于将氧气提供到阴极(9)，所述控制器(16)进一步具有使氧气提供机构(11)在燃料电池组(1)进行间歇性发电时将向阴极(9)的氧气提供量提高到不小于发电所需量的1.8倍(S3)的功能。
9.如权利要求3到5中任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述发电装置进一步包括启动发电装置工作的开关(28)，所述控制器(16)进一步具有在所述开关(28)接通后立即确定燃料电池组(1)中的水分是否冻结的功能。
10.如权利要求3到5中任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述发电装置进一步包括检测燃料电池组(1)温度的传感器(19)，所述间歇性发电包括脉冲形式的电流输出，所述控制器(16)进一步具有根据燃料电池组(1)的温度改变脉冲宽度和间隔(S6)的功能。
11.如权利要求10所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述控制器(16)进一步具有随着燃料电池组(1)温度的升高而增大脉冲宽度(S6)的功能。
12.如权利要求10所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述控制器(16)进一步具有随着燃料电池组(1)温度的升高而减小脉冲间隔(S6)的功能。
13.如权利要求3到5中的任何一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述发电装置进一步包括检测燃料电池组(1)输出电压的电压表(17)，所述控制器(16)进一步具有通过使燃料电池组(1)在使其开始发电后其输出电压下降到预先设定的电压(S23，S24)以下时停止发电(S23，S24)、和在发电停止后经过预先设定的时间之后重新启动发电(S21)而进行间歇性发电的功能。
14.如权利要求3到5中任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述发电装置进一步包括启动发电装置工作的开关(28)，所述间歇性发电包括脉冲形式的电流输出，所述控制器(16)进一步具有计量自开关(28)接通后所经过的时间(S31)和随着该经过的时间增加而增加脉冲宽度(S32)的功能。
15.如权利要求14所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述发电装置进一步包括检测大气温度的传感器(20)，所述控制器(16)进一步具有随着大气温度下降而减小脉冲宽度(S32)的功能。
16.如权利要求3到5中任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述发电装置进一步包括启动所述发电装置工作的开关(28)，所述间歇性发电包括脉冲形式的电流输出，所述控制器(16)进一步具有计量所述开关(28)接通后所经过的时间(S31)并随着该经过的时间增加而减小脉冲间隔(S32)的功能。
17.如权利要求16所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述发电装置进一步包括检测大气温度的传感器(20)，所述控制器(16)进一步具有随着大气温度下降而增大脉冲间隔(S32)的功能。
18.如权利要求3到5中任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中每个燃料电池包括氢气被提供到其上的阳极(2)，所述燃料电池发电装置进一步包括调整向所述阳极(2)提供氢气的氢气提供阀(4)、将从阳极(2)排放的阳极排放物重新提供到所述阳极(2)的转接阀(6)和检测所述阳极排放物压力的传感器(21)，所述控制器(16)进一步具有在燃料电池组内的水分冻结时使转接阀(6)将所述阳极排放物向所述阳极(2)再循环(S53)并使氢气提供阀(4)将阳极排放物的压力保持在预先设定的压力范围(S51，S55，S56，S58)内的功能。
19.如权利要求3到5中任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于，其中所述发电装置进一步包括利用所述燃料电池组(1)之外的电源(104)提供的电力加热所述燃料电池组(1)的加热器(103)和检测燃料电池组(1)温度的传感器(19)，所述控制器(16)进一步具有这样的功能，在所述燃料电池组(1)内的水分冻结时，在阻止所述燃料电池组(1)在其温度低于预先设定的温度时进行发电的同时，利用所述加热器(103)加热所述燃料电池组(1)，并且在所述燃料电池组(1)温度到达预先设定的温度时使所述燃料电池组(1)进行间歇性发电。
20.一种燃料电池发电装置的控制方法，所述发电装置包括由在提供氢气和氧气的条件下产生电力的燃料电池组成的燃料电池组(1)和将氧气提供到所述燃料电池组(1)的机构(11)，所述方法包括：
检测用于确定所述燃料电池组(1)内的水分是否冻结的参数；
根据所述参数确定所述燃料电池组(1)内的水分是否冻结(S1)；和
在所述燃料电池组(1)内的水分冻结的时候使所述燃料电池组(1)进行间歇性发电(S6)。
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