專利名稱：燃料電池組解凍的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池組工作于冰點以下時其內(nèi)部結(jié)冰的解凍。
背景技術(shù)：
在聚合物電解液燃料電池(PEFC)的不同部位都存在水。例如在燃料電池上作的過程中，聚合物電解質(zhì)膜保持潮濕狀態(tài)。另外，發(fā)電過程中在燃料電池的陰極處產(chǎn)生純水。更進一步，由于燃料電池在發(fā)電過程中發(fā)熱，在燃料電池中形成一個冷卻水通道。因此當燃料電池在冰凍條件下放置很長一段時間時，其內(nèi)部的水分就會凍結(jié)。為了在此狀態(tài)下操作燃料電池，內(nèi)部的冰首先需要解凍。
在2000年由日本專利局公布的編號為JP2000-315514A的日本專利公報中，提出了利用輔助電池的電能加熱的高溫液體來解凍燃料電池中的水分。
在2000年由日本專利局公布的編號為JP2000-512068A的日本專利公報中，提出在凍結(jié)狀態(tài)下啟動燃料電池的發(fā)電過程，以使燃料電池內(nèi)部的冰被發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱解凍。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)編號為JP2000-315514A的日本專利公報的發(fā)電裝置，依靠輔助電池提供所有類型的驅(qū)動能，例如加熱能和用于再循環(huán)燃料電池中高溫液體的能量。結(jié)果，該輔助電池的負載很大，因此需要大容量的輔助電池。
根據(jù)編號為JP2000-512068A的日本專利公報的發(fā)電裝置，當在所有內(nèi)部水分都凍結(jié)的燃料電池內(nèi)發(fā)電時，由于與外圍元件的熱交換而使陰極處產(chǎn)生的水蒸氣迅速冷卻，從而冷凝而形成水或冰。這些水或冰阻礙了陰極的氣體通道和氣體擴散層，進而阻塞了向陰極的空氣的提供。在這種狀態(tài)下發(fā)電反應進行不完全且產(chǎn)生的熱量小，需要大量的時間完全解凍冰以使燃料電池能正常工作。為了防止氣體通道和氣體擴散層的阻塞，必須在低電流值下發(fā)電，但這樣做發(fā)電反應產(chǎn)生的熱量小，所以解凍仍需要大量時間。
因此本發(fā)明的一個目的就是縮短燃料電池在凍結(jié)狀態(tài)下的啟動時間而無需使用輔助電池的電能。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種包括燃料電池組、將氧氣提供到所述燃料電池組的機構(gòu)、檢測確定所述燃料電池組內(nèi)水分是否凍結(jié)的參數(shù)的傳感器和控制器的燃料電池發(fā)電裝置，其中該燃料電池組包括在提供氫氣和氧氣的條件下發(fā)電的燃料電池。
該控制器的功能是根據(jù)該參數(shù)確定燃料電池組中的水分是否凍結(jié)，并使該燃料電池組在其中的水分凍結(jié)的時候進行間歇性發(fā)電。
本發(fā)明還提供了一種包括由在提供氫氣和氧氣的條件下發(fā)電的燃料電池組成的燃料電池組和將氧氣提供到該燃料電池組的機構(gòu)的燃料電池發(fā)電裝置的控制方法。此方法包括檢測確定該燃料電池組中的水分是否凍結(jié)的參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)確定燃料電池組中的水分是否凍結(jié)和使燃料電池組在其中的水分凍結(jié)的時候進行間歇性發(fā)電。
本發(fā)明的詳細內(nèi)容以及其他特征和優(yōu)點將在本說明書的其余部分中闡明并由附圖表不。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的燃料電池發(fā)電裝置的示意圖；圖2為說明由根據(jù)本發(fā)明的控制器執(zhí)行的燃料電池組解凍程序的流程圖；圖3A-3C為表示在冰點以下啟動發(fā)電裝置時該發(fā)電裝置的燃料電池的電流、溫度和電壓變化的時間圖；圖4是表示燃料電池的電流和電壓之間關(guān)系的曲線圖；圖5是說明由控制器執(zhí)行的與解凍程序并行的控制向所述燃料電池組提供氫氣用程序的流程圖；圖6是說明由根據(jù)本發(fā)明第二實施例的控制器進行燃料電池組解凍程序的流程圖；圖7A和7B是根據(jù)本發(fā)明第二實施例說明在冰點以下啟動發(fā)電裝置時所述發(fā)電裝置的燃料電池的電流和電壓變化的時間圖；圖8是說明根據(jù)本發(fā)明第三實施例由控制器執(zhí)行的燃料電池組解凍程序的流程圖；圖9是說明根據(jù)本發(fā)明第三實施例由控制器儲存的電流參數(shù)表的內(nèi)容的圖表；圖10是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的燃料電池發(fā)電裝置的示意圖；圖11A-11C是根據(jù)本發(fā)明第四實施例說明在冰點以下啟動發(fā)電裝置時該發(fā)電裝置的燃料電池的電流、溫度和電壓變化的時間圖。
具體實施例方式
參考圖1，一種用于裝入車輛里的燃料電池發(fā)電裝置包括燃料電池組1。燃料電池組1由很多串聯(lián)在一起的燃料電池組成，但為了便于解釋，圖中的燃料電池組1用單獨一個燃料電池來說明。
氫氣提供通道3，空氣提供通道10，轉(zhuǎn)接閥6和出口與燃料電池組1相連。
燃料電池組1的每個燃料電池都包括介于陽極2和陰極9之間的聚合物電解質(zhì)膜25。
流量控制閥4裝在氫氣提供通道3上以控制從氫氣罐26到每個燃料電池的陽極2的氫氣的提供。轉(zhuǎn)接閥6選擇性地將包含從每個燃料電池的陽極2排放出的在發(fā)電反應中沒有利用的多余氫氣的陽極排放物引導到再循環(huán)通道7或者出口5去。再循環(huán)通道7通過噴射泵8與氫氣提供通道3連接，其中噴射泵8利用通過噴射泵8的氫氣的流動速度而產(chǎn)生的吸力吸入循環(huán)通道7內(nèi)的陽極排放物。出口5開口到大氣。
空氣提供通道10將來自鼓風機11的空氣提供到每個燃料電池的陰極9上。出口12將從每個燃料電池的陰極9排放出來的包含發(fā)電反應中產(chǎn)生的水蒸氣和在發(fā)電反應中沒利用的氧氣的陰極排放物排放到大氣中。
用于引出燃料電池產(chǎn)生的直流電的電線13和14連接到燃料電池組1上。電線13和14連接到電力負荷15上。在此，電力負荷15是個一般概念，包括用于驅(qū)動車輛的電機，鼓風機11，諸如泵、輔助電池及其充/放電控制器、車輛空調(diào)設備、各種燈和其他電器元件的各種輔助設備。電力負載15的電流消耗通過換流器27控制。
鼓風機11的操作，轉(zhuǎn)接閥6的切換和電力負荷15的電流消耗由控制器16控制。
控制器16由帶有中央處理單元(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機訪問存儲器(RAM)和輸入/輸出接口(I/O接口)的微型計算機構(gòu)成。控制器可以由多個微型計算機組成。
當在燃料電池組1內(nèi)的水分凍結(jié)的溫度下啟動燃料電池發(fā)電裝置時，必須對燃料電池組1進行解凍?？梢酝ㄟ^在啟動過程中使控制器適當?shù)乜刂迫剂想姵亟M1中的發(fā)電負載而在短時間內(nèi)有效率地實現(xiàn)解凍。
為了進行這種控制，燃料電池發(fā)電裝置包括用于測量燃料電池組1內(nèi)的溫度的溫度傳感器19，用于檢測陽極排放物壓力的壓力傳感器21，用于檢測燃料電池組1的端電壓的電壓表17，用于檢測電力負載15的電流消耗的電流表18，用于檢測大氣溫度Ta的外部溫度傳感器20和用于控制燃料電池發(fā)電裝置啟動的主開關(guān)28。每這些傳感器所測得的數(shù)據(jù)都作為信號輸入控制器16。
下面將參考圖2說明利用控制器16進行燃料電池組1解凍的程序。當車輛司機打開主開關(guān)28時，燃料電池發(fā)電裝置開始工作。這個程序在檢測到主開關(guān)28被接通時執(zhí)行。
在步驟S1中，控制器16確定燃料電池組1是否處于凍結(jié)狀態(tài)。進行這個確定是為了判斷當燃料電池組1內(nèi)的水分處于凍結(jié)狀態(tài)下進行發(fā)電時，由于發(fā)電而產(chǎn)生的水蒸氣變成水或冰而阻礙將空氣提供到陰極的可能性。這種現(xiàn)象在氣溫下降的時候更可能發(fā)生，因此要事先進行實驗以確定出現(xiàn)空氣提供阻礙現(xiàn)象的氣溫界限。當外部溫度傳感器20檢測到的大氣溫度Ta低于基于該界限溫度所設定的預定溫度Te時，控制器16確定燃料電池組1處于凍結(jié)狀態(tài)。如果確定燃料電池組1處于凍結(jié)狀態(tài)，控制器16進行步驟S3-S9中的過程。
另一方面，如果外部溫度傳感器20檢測到的大氣溫度Ta不低于預定溫度Te，控制器16執(zhí)行步驟S2中的正常溫度下的燃料電池發(fā)電裝置的啟動過程，然后結(jié)束該程序。在正常溫度下燃料電池發(fā)電裝置的啟動過程屬于與本發(fā)明無關(guān)的先有技術(shù)，因此省略對其的說明。
可以在由溫度傳感器19檢測到的燃料電池組1的溫度T而不是由外部溫度傳感器20檢測到的大氣溫度Ta的基礎(chǔ)上確定燃料電池組1的凍結(jié)狀態(tài)。
當燃料電池組1處于凍結(jié)狀態(tài)時，控制器16首先在步驟S3開始操作鼓風機。結(jié)果，空氣被提供到燃料電池組1的陰極9，而氫氣被提供到燃料電池組1的陽極2。
接著在步驟S4中，控制器16讀取由溫度傳感器19檢測到的燃料電池組1的溫度T。
然后在步驟S5中，在燃料電池組1溫度T的基礎(chǔ)上控制器16檢索事先存儲在內(nèi)部存儲器內(nèi)的電流參數(shù)表以確定根據(jù)溫度T由燃料電池組1輸出的電流脈沖的脈沖寬度t1和脈沖間隔T2。表1是電流參數(shù)表的例子。
表1燃料電池組溫度T(℃) T1T2T3T4T576T7T8脈沖寬度t11 t12 t13 t14 t15 t16 t17 t18脈沖間隔t21 t22 t23 t24 t25 t26 t27 t28其中T1＜T2＜……＜T7＜T8t11＜t12＜……＜t17＜t18t21＞t22＞……＞t27＞t28參考表1，電流參數(shù)表的特征在于隨著溫度T的提高脈沖寬度t1變大而脈沖間隔t2變小。在此，脈沖寬度t1表示脈沖持續(xù)的時間，脈沖間隔t2表示由燃料電池組1輸出的脈沖電流停止到下一個脈沖電流輸出開始之間的間隔?？刂破?6根據(jù)溫度T從電流參數(shù)表設定脈沖寬度t1和脈沖間隔t2。電流參數(shù)表根據(jù)經(jīng)驗事先設定。在表1中為八個溫度Ti的每一個設定參數(shù)t1i，t2i，因此i＝1~8，但i的數(shù)值可以任意設。也可以根據(jù)燃料電池組1內(nèi)在低溫下啟動時的熱傳遞和質(zhì)量傳遞建立一個數(shù)字模型，以便用根據(jù)數(shù)字模型的等式來表示脈沖寬度t1和脈沖間隔t2。
在下面的步驟S6中，控制器16控制換流器27以使符合所確定的脈沖寬度t1和脈沖間隔t2的電流從燃料電池組1輸出。需要注意的是表1中所示脈沖的高度與電流A相對應。電流A為固定值。電流A的設定方法將在后面說明。
接著在步驟S7中，控制器16將步驟S6中達到的換流器的受控制狀態(tài)保持一段固定的時間。
接著在步驟S8中，控制器16再一次讀取由溫度傳感器19檢測到的燃料電池組1的溫度T。
然后在步驟S9中，確定燃料電池溫度T是否達到了燃料電池組1的解凍完成溫度Tc。解凍完成溫度Tc是這樣一個溫度，即使燃料電池組1開始正常工作，在此溫度下也不存在陰極9產(chǎn)生的水蒸氣轉(zhuǎn)變成水或冰而使向陰極9的空氣提供受到阻礙的可能性。
在步驟S9中，如果燃料電池溫度T沒有達到燃料電池組1的解凍完成溫度Tc，重復進行步驟S5-S9的過程，直到燃料電池溫度T達到解凍完成溫度Tc。如果燃料電池溫度T已經(jīng)達到解凍完成溫度Tc，控制器16停止該程序。
取代為了確定解凍操作的最后時間而比較燃料電池溫度T和解凍完成溫度Tc，還可以根據(jù)步驟S1中的大氣溫度Ta事先確定解凍操作時間，并且在步驟S9確定從解凍操作開始經(jīng)過的時間是否到達解凍操作時間。
進一步地，還可以監(jiān)測陰極9的輸入和輸出之間的壓力差或者監(jiān)測燃料電池組1的輸出電壓以確定解凍操作結(jié)束的時刻。當氣體通道里的冰阻礙了空氣向陰極的提供時，陰極的輸入和輸出之間的壓力差增大而燃料電池組1的輸出電壓下降。因此通過監(jiān)測壓力差或者輸出電壓，能夠不檢測燃料電池溫度就確定解凍操作結(jié)束的時間。然而，為了精確地確定解凍操作的結(jié)束時間，可以要求進行大輸出電流和大脈沖寬度下的間歇性的發(fā)電過程。
在上面的任何一種情況下，溫度傳感器19可以省略，這樣能夠簡化燃料電池組1的結(jié)構(gòu)。
在解凍程序完成之后，控制器16進行正常工作的控制。
在進行解凍程序期間空氣向燃料電池組1的提供不是間歇進行，而是連續(xù)并以恒定流速進行。在和前述脈沖間隔t2相應的時間段內(nèi)輸送到陰極9的空氣幾乎沒有被用于發(fā)電反應，而是導致由發(fā)電反應在陰極9處產(chǎn)生的水分向下游流動并從出口12排放而不聚集在陰極9附近的氣體通道和氣體擴散層內(nèi)。由于鼓風機11進行的隔熱壓縮使提供到陰極9的空氣具有比外界空氣高的溫度，通常高于冰點，因此能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能。
即使在燃料電池組1上加上電力負荷，或者換句話說，即使在與脈沖寬度t1對應的時間段里，陰極9處產(chǎn)生的水分聚集在氣體通道和氣體擴散層內(nèi)而使通向陰極9的空氣通道堵塞，當沒有電力負荷施加在燃料電池組1上時，或者換句話說在與脈沖間隔t2對應的時間段中，聚集的水分就被空氣向下游推動，從而在后繼的電力負荷施加在燃料電池組1上時，燃料電池組1又能夠發(fā)電。流入空氣的這種換氣效應隨著空氣提供量的增大而變得更顯著，并且脈沖間隔t2可以隨著空氣提供量的增加而減小。提供到燃料電池組1的空氣量最好至少1.8倍于，更好是3倍于脈沖電流發(fā)電所消耗的空氣量。
如上所述，理想的是向陰極9的空氣提供是連續(xù)的而不是間歇的。
同時，對于將氫氣向陽極2的提供，在燃料電池組1不發(fā)電期間也不消耗氫氣，因此理想的是根據(jù)脈沖電流間歇性地提供氫氣。然而，要間歇性地提供氫氣是困難的?？梢砸詴r間與脈沖電流結(jié)合而得出的平均流動速率提供氫氣，但是對流量控制閥4的流動速率控制要求具有高精確度。
通過使控制器16在燃料電池組1的解凍控制過程中執(zhí)行圖5所示的氫氣提供控制程序，或者換句話說與圖2所示的解凍程序并行，實現(xiàn)以正好的比率將氫氣提供到陽極2。
首先，在步驟S51中，控制器16增大流量控制閥4的開口。
接著，在步驟S52中，確定燃料電池組1是否需要進行解凍。這取決于圖2所示解凍程序的步驟S3-S9是否在最近被執(zhí)行過。
如果燃料電池組1需要進行解凍，控制器16在步驟S53中切換轉(zhuǎn)接閥6以使陽極2的陽極排放物通過噴射泵8流入再循環(huán)通道7，這樣形成一個包括噴射泵8、陽極2、轉(zhuǎn)接閥6和再循環(huán)通道7在內(nèi)的封閉回路，通過該回路陽極排放物得以再循環(huán)。
然后，在步驟S54中，讀取壓力傳感器21檢測到的陽極排放物的壓力P。
接著，在步驟S55中，確定陽極排放物壓力P是否超過預先設定的壓力P0?？刂破?6一直等待，直到陽極排放物的壓力P達到預先設定的壓力P0，并且在陽極流出物壓力P超過預先設定的壓力P0時，控制器16在步驟S56中減小流量控制閥4的開口。在隨后燃料電池組1進行脈沖電流發(fā)電的過程中，或者換句話說在與脈沖寬度t1對應的時間內(nèi)，在陽極2處消耗封閉回路中陽極排放物內(nèi)含有的氫氣。通過該氫氣的消耗，陽極排放物的壓力P下降。
在減小流量控制閥4的開口后，控制器16在步驟S57中再次讀取陽極排放物的壓力P，并在步驟S58中將陽極排放物的壓力P和預先設定的壓力P1進行比較。預先設定的壓力P1是這樣一個數(shù)值，用于確定流量控制閥4的開口是否需要重新增大以增加來自氫氣罐26的氫氣提供量而補償陽極排放物中氫氣濃度的降低。
從上述解釋可以得出，預先設定的壓力P0比預先設定的壓力P1大。
控制器16重復步驟S57和S58中的過程直到在步驟S57中陽極排放物的壓力P降到預先設定的壓力P1以下。當在步驟S57中陽極排放物的壓力P降到預先設定的壓力P1以下時，控制器16返回到步驟S51增大流量控制閥4的開口，然后重復步驟S52-S58的過程。
當如圖2所示的解凍程序結(jié)束時，步驟S52中的確定結(jié)果變成否，從而控制器16結(jié)束該程序。
根據(jù)該程序，在如圖2所示的解凍程序進行期間，向陽極2的氫氣提供可以以正好的比率進行。
接著將參考圖3A-3C說明當通過上述控制方法使燃料電池組1從凍結(jié)狀態(tài)啟動時脈沖電流、燃料電池溫度T和發(fā)電的電源電壓的變化。
圖中的虛線表示了如在已有技術(shù)的編號JP2000-512068A的設備中在恒定的發(fā)電電流a0下進行解凍時的特性。在該已有技術(shù)設備中，燃料電池組從凍結(jié)狀態(tài)下以低電流a0啟動，以防止向陰極的空氣提供受到凍結(jié)狀態(tài)下發(fā)電過程中在陰極產(chǎn)生的水分的阻礙。緊跟在開始發(fā)電之后，端電壓下降到比初始電壓V0稍低，但由于電流a0很小，所以影響也輕。由于燃料電池組1發(fā)電產(chǎn)生的熱而使燃料電池組1的溫度逐漸升高。
然而，當陰極產(chǎn)生的水分聚集在氣體通道和氣體擴散層而阻礙了氣體到達陰極時，燃料電池組1的發(fā)電電壓最終下降，而當發(fā)電電壓在tc時刻降到最小值Vmin以下時，燃料電池組1就不能再發(fā)電了。該零電流狀態(tài)在燃料電池組1內(nèi)持續(xù)短暫的時間。在該狀態(tài)下不發(fā)生發(fā)電反應，因此在陰極沒有水生成。然后，當聚集在氣體通道和氣體擴散層的水分擴散開而使空氣的提供能到達陰極時，燃料電池組1重新開始發(fā)電反應，并在td時刻端電壓升高到最小值Vmin之上。通過以這種方式將該常規(guī)裝置中燃料電池組1的發(fā)電電流抑制到低電流a0，如圖3B所示，燃料電池組1內(nèi)的溫度的升高極為緩慢；此外，在低電流a0下，可能會如在tc-td時間段內(nèi)所示出現(xiàn)無法發(fā)電的狀態(tài)。
在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池發(fā)電裝置中，另一方面，控制器16參考根據(jù)啟動時燃料電池溫度T事先存儲在內(nèi)部存儲器的表確定脈沖寬度t1和脈沖間隔t2。例如，如果燃料電池溫度T＝T2，脈沖寬度t1設成t12而脈沖間隔t2設成t22。然后控制換流器27根據(jù)所設定的脈沖寬度t12和脈沖間隔t22在固定的時間期間內(nèi)進行發(fā)電。此時的電流A大大地超過了常規(guī)設備的電流a0，因此伴隨發(fā)電過程的電壓下降也很大。電壓的這種大幅度下降或者說低發(fā)電效率導致熱的產(chǎn)生，從而可以比常規(guī)設備產(chǎn)生更大量的熱。結(jié)果如圖3B所示，燃料電池組1的溫度T快速升高。
由于在大電流下發(fā)電，所以在陰極9處產(chǎn)生大量的水分，并且這些產(chǎn)生的水分開始阻礙向陰極9的空氣提供。然而，當電壓下降到最小電壓Vmin時，與脈沖寬度t12對應的時間期間過去，因此燃料電池組1內(nèi)的發(fā)電過程中斷。同時，空氣被持續(xù)地從空氣提供通道10提供，該空氣流到達燃料電池組1內(nèi)的陰極9以清除氣體通道和氣體擴散層內(nèi)的水分并將其從出口12排出。
結(jié)果，燃料電池組1又回到能發(fā)電的狀態(tài)。當脈沖間隔t22過去時，燃料電池組1恢復發(fā)電。通過使控制器16控制換流器以用這種方法產(chǎn)生脈沖形狀的電流輸出，燃料電池組1被伴隨大電流A而產(chǎn)生的熱加熱，并通過在脈沖間隔t22時間內(nèi)的清除作用，聚集在氣體通道和氣體擴散層內(nèi)的水分被清除掉。此時電壓的變化在圖3C中表示出來。
當如圖3B所示的那樣，在燃料電池組1經(jīng)過固定時間期間的間歇發(fā)電過程之后燃料電池組1的溫度T到達預先設定的溫度T3，控制器16再次參考表1設置新的脈沖寬度t13和脈沖間隔t23。新設定的脈沖寬度t13比前面的脈沖寬度t12大，而新設定的脈沖間隔t23比前面設定的脈沖間隔t22小。這是因為這樣的事實，由發(fā)電反應在陰極9處產(chǎn)生的水分中的一小比例的部分在燃料電池組1的溫度T升高時凝結(jié)或者凍結(jié)在氣體通道和氣體擴散層內(nèi)阻礙空氣通到陰極9。由于聚集在氣體通道和氣體擴散層內(nèi)的水分量減少，除去聚集的水分所需的時間也就減少。
控制器16使燃料電池組1根據(jù)新的脈沖寬度t13和脈沖間隔t23在一段固定時間期間中恢復間歇發(fā)電。由于脈沖寬度t13比脈沖寬度t12大，發(fā)電產(chǎn)生的熱量也增大，如圖3B所示燃料電池組1的溫度T升高得更迅速。當燃料電池組1的溫度T在該狀態(tài)持續(xù)了固定時間期間后到達預先設定的溫度T4時，控制器16再次參照表1設定新的脈沖寬度t14和脈沖間隔t24，然后使燃料電池組1在新的設定下在一段固定的時間期間中恢復間歇性發(fā)電。
通過進行間歇性發(fā)電，同時以這種方式根據(jù)固定時間間隔中燃料電池組1的溫度T重置脈沖寬度t1和脈沖間隔t2，燃料電池組1的溫度T的升高如圖3B所示的那樣加速。如圖3B中所示，在零攝氏度時燃料電池組1的溫度T的升高暫時停止，其原因在于，燃料電池組1內(nèi)發(fā)電反應產(chǎn)生的熱被用于補償當融化氣體通道和氣體擴散層內(nèi)的冰以及存在于燃料電池組1的其他部分內(nèi)的冰時所引起的潛在熱量，因此不作為可感覺到的熱量對提高燃料電池組1溫度升高作出貢獻。
當燃料電池組1的溫度T最終達到能進行正常工作的溫度Te時，在圖2所示的步驟S9中的下一個確定時機確定轉(zhuǎn)為正常工作，于是控制器16結(jié)束該程序。
接著將參考圖4說明一種確定電流A大小的方法。該圖中的實線曲線表示了燃料電池組內(nèi)輸出電流和端電壓之間的典型關(guān)系，并被認作為I-V曲線。
端電壓Vt為根據(jù)氫氣的氧化反應所釋放的能量數(shù)計算出的邏輯值。實際的端電壓V除以邏輯值Vt被認作為發(fā)電效率。圖中用L1和L2表示的在發(fā)電過程中釋放出的能量中未轉(zhuǎn)化成電能的能量在熱量的產(chǎn)生中消耗掉。
隨著輸出電流A提高，端電壓V下降，實際上，消耗同樣數(shù)量的燃料，轉(zhuǎn)化成熱的能量數(shù)量變大。電壓下降在圖中的高電流區(qū)域Z特別劇烈。這是因為這樣的事實，反應中消耗的氣體數(shù)量相對于反應氣體，也就是在燃料電池組1的電極表面上擴散的氫氣和氧氣的擴散速率提高，結(jié)果發(fā)電反應的速率依賴于氣體擴散速率。由于氣體擴散速率而導致的端電壓下降被認作為擴散超電勢。
燃料電池組1的輸出電流A設定在擴散超電勢占支配地位的區(qū)域Z附近。JP2000-512068A中介紹的常規(guī)設備中的燃料電池組在凍結(jié)狀態(tài)下的輸出電流a0設在區(qū)域X附近，因此產(chǎn)生的熱量很小。
通過將輸出電流設定在電壓由于根據(jù)燃料電池組1的特性的擴散超電勢而迅速下降的電流區(qū)域內(nèi)，在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量增加，從而燃料電池組1的溫度T能高效率地提高。
輸出電流I和端電壓V之間的關(guān)系不是一成不變的，而是根據(jù)燃料電池組的不同而有差異。尤其是在低溫下活性下降或者當燃料電池組的一部分凍結(jié)時，就像圖中虛線所示的那樣，其性能從圖中實線所示的標準特性下降。當燃料電池組1的性能下降時，最好將凍結(jié)狀態(tài)下的輸出電流A改變到區(qū)域Y附近。
替代將輸出電流A設成固定值，可以利用端電壓在區(qū)域Z和Y內(nèi)急劇下降的現(xiàn)象動態(tài)改變輸出電流A。更具體而言，控制器16控制電流值以使電壓下降到預設的最小電壓Vmin。最小電壓Vmin設為0.3到0.5伏。
通過使控制器16控制換流器27而實現(xiàn)用該方法確定的輸出電流A，相對于相同燃料消耗量的發(fā)電效率可以下降，而不像在從燃料電池組輸出穩(wěn)定不變的低電流的常規(guī)設備那樣，因此產(chǎn)生的熱量能被提高。進一步地，由于根據(jù)燃料電池組1的溫度T的提高重設脈沖寬度t1和脈沖間隔t2，聚集的水分可以肯定地被從氣體通道和氣體擴散層內(nèi)清除掉，從而必定能在燃料電池組1里進行發(fā)電反應。
下面將參考圖6和圖7A、7B說明本發(fā)明的第二實施例。
根據(jù)本實施例的燃料電池發(fā)電裝置具有與第一實施例相同的硬件結(jié)構(gòu)，但控制脈沖形輸出電流的邏輯與第一實施例不同。
在本實施例中，控制器16執(zhí)行如圖6所示的解凍程序替代圖2所示的解凍程序。
步驟S1-S3和步驟S8，S9的過程和圖2的解凍程序完全一樣。
在步驟S3開始鼓風機11的操作以后，在步驟S21控制器16控制換流器27在燃料電池組1中以輸出電流A開始發(fā)電。
接著，在步驟S22，控制器16讀取由電壓表17檢測的燃料電池組1的端電壓V。
然后，在步驟S23，控制器16將端電壓V和預設的最小電壓Vmin進行比較并重復步驟S22和S23的過程，直至端電壓V降低到最小電壓Vmin之下。當端電壓V降低到最小電壓Vmin之下時，在步驟24，燃料電池組1中的發(fā)電停止一個固定的時間期間。
然后，相似于圖2的解凍程序，在步驟S8和S9作出有關(guān)燃料電池組1的溫度T是否已經(jīng)達到可以正常工作的溫度Tc的確定。再向前重復步驟S21的過程，直至溫度T達到正常的工作溫度Tc，而當溫度T達到正常的工作溫度Tc時，程序結(jié)束。向陰極9的空氣提供的控制以和第一實施例相似的方式進行。
在根據(jù)本實施例的控制下輸出電流和端電壓的變化在圖7A和7B中顯示。如圖7A所示，作為輸出一個相應于輸出電流A的脈沖電流的結(jié)果，燃料電池組1的端電壓V迅速下降，但是當水分聚集在氣體通道和氣體擴散層中而使向陰極9的空氣提供發(fā)生阻塞時，端電壓V進一步下降而達到最小電壓Vmin。
當燃料電池組1的端電壓V下降到低于最低電壓Vmin時，在步驟S24控制器將燃料電池組1中的發(fā)電停止一個固定的時間期間。該停止期間相應于第一實施例的脈沖間隔t2。一旦該固定的時間期間過去，并且如果燃料電池組1的溫度T還沒有達到正常的工作溫度Tc，就恢復燃料電池組1在輸出電流A下的發(fā)電。
在該實施例中，根據(jù)端電壓V的下降而不是通過設定脈沖寬度t1開始和停止發(fā)電，這樣，由于水分在氣體通道和氣體擴散層中的聚集導致的不能發(fā)電的情況能肯定得以避免，因此能貫穿可以發(fā)電的整個期間進行發(fā)電。結(jié)果，燃料電池組1的溫度能高效率地提高。
在該實施例中，步驟S24的發(fā)電停止時間期間被設定為一個固定值，但通過在燃料電池組1的端電壓V返回到初始電壓Vo時恢復發(fā)電，燃料電池組1的溫度甚至能更高效率地提高。
下面將參考圖8和圖9敘述本發(fā)明的第三實施例。
該實施例中的燃料電池發(fā)電裝置的硬件結(jié)構(gòu)和第一實施例完全一樣，僅設定脈沖寬度t1和脈沖間隔t2的方法和第一實施例不同。更具體地說，控制器16執(zhí)行圖8中顯示的解凍程序替代圖2中的解凍程序。
參考圖8，在該程序中設置步驟S31和S32替代圖2中的解凍程序的步驟S4和S5，所有其他的步驟與圖2中的程序完全相同?？刂破?6裝有用于計量從司機打開主開關(guān)后所經(jīng)過的時間的計時器。主開關(guān)打開之后經(jīng)過的時間與燃料電池組1開始解凍以后所經(jīng)過的時間相等。
在步驟S31中，控制器16讀取在主開關(guān)打開后所經(jīng)過的時間t0。接著在步驟S32中，根據(jù)經(jīng)過的時間t0和大氣溫度Ta查閱預先存儲在存儲器中的具有如圖9所示內(nèi)容的表，以便確定相應的脈沖寬度t1和脈沖間隔t2。
參考圖9，根據(jù)大氣溫度Ta，在存儲器中預先存儲多種類型的表，控制器16首先檢索與大氣溫度Ta對應的表以從所得的表中確定與經(jīng)過的時間t0對應的脈沖寬度t1和脈沖間隔t2。
在此，由于經(jīng)過的時間t0與燃料電池組1的解凍時間相等，燃料電池組1的溫度T隨著經(jīng)過的時間t0增加而提高。因此在表中，隨著經(jīng)過的時間t0的增加分別將脈沖寬度t1和脈沖間隔t2設定成增加和減小。
同時，至于大氣溫度Ta，針對同一個經(jīng)過的時間t0，隨著大氣溫度Ta下降分別將脈沖寬度t1和脈沖間隔t2設定成減小和增大。這樣就能避免在低溫下由氣體通道和氣體擴散層中水分聚集而導致的發(fā)電阻礙。通過根據(jù)這兩個參數(shù)即經(jīng)過的時間t0和大氣溫度Ta設定脈沖寬度t1和脈沖間隔t2，燃料電池組1中產(chǎn)生的熱量能升高到上限，從而能縮短解凍需要的時間。
下面將參考圖10和圖11A-11C說明本發(fā)明的第四實施例。
參考圖10，根據(jù)本實施例的燃料電池發(fā)電裝置包括一個用于冷卻燃料電池組1的冷卻通道101和一個用于加熱冷卻液的電加熱器103。冷卻通道101中的冷卻液由泵105加壓以在燃料電池組1中循環(huán)。電加熱器103設置在從冷卻液通道101分支出來的加熱通道102上。加熱器103響應來自裝在車輛內(nèi)的輔助電池的能量提供而產(chǎn)塵熱量，借以加熱從冷卻通道101導入加熱通道102的冷卻液。然后冷卻液又經(jīng)過加熱通道102再循環(huán)到冷卻通道101。
當在冰點以下打開車輛主開關(guān)時，控制器16首先給電加熱器103供電并操作泵105。結(jié)果，燃料電池組1的溫度T如圖11B那樣升高。
當溫度T到達零攝氏度時，控制器16停止給電加熱器103供電和操作泵105。然后氫氣和空氣被提供到燃料電池組1，控制換流器27以使燃料電池組1輸出脈沖形電流。
燃料電池組1被保持在零攝氏度進行發(fā)電，伴隨內(nèi)部冰融化而引起的潛熱由發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量補償。當解凍完成且燃料電池組1的溫度T到達正常工作溫度T3時，控制器16停止燃料電池組1的間歇性發(fā)電而轉(zhuǎn)入正常工作。第一到第三實施例中的任意一個程序都可以用于間歇性發(fā)電。
當本實施例中的燃料電池發(fā)電裝置在冰點以下啟動時，在燃料電池組1的溫度T處于冰點以下時燃料電池組1利用電加熱器103加熱，一旦燃料電池組1的溫度T到達冰點，燃料電池組1的溫度升高通過燃料電池組1的間歇性發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量來實現(xiàn)。當使燃料電池組1在冰點以下進行發(fā)電時，向陰極9的空氣提供更可能由于陰極9處產(chǎn)生的水分而受到阻礙。
因此在本實施例中，電加熱器103產(chǎn)生的熱量和發(fā)電反應產(chǎn)生的熱量在零攝氏度界限上被分開。用于加熱燃料電池組1的熱量可被分成用于提高燃料電池組1溫度的可感覺到的熱量以及用于融化燃料電池組1內(nèi)部的冰的潛熱，當燃料電池組1從冰點以下加熱時，通常潛熱還要超過可感覺到的熱量。
利用來自輔助電池的電源工作的電加熱器103能供熱而不管燃料電池組1是否處于冷凍狀態(tài)。一旦燃料電池組1的溫度T到達零攝氏度，產(chǎn)生等價于潛熱的熱量由燃料電池組1的間歇性發(fā)電反應期間產(chǎn)生的熱量來實現(xiàn)，因此輔助電池104的能量消耗可達到最小。進一步地，通過間歇性發(fā)電的方法給輔助電池104充電，輔助電池104的電量能提高或者驅(qū)動能源能提供給輔助的機器設備。
只利用電加熱器103一定會消耗大量電能用于將燃料電池組1的溫度T提高到正常操作溫度Te，但如果電加熱器103只用于將燃料電池組1加熱到零攝氏度，就大大減少電加熱器103的能耗。
因此根據(jù)本實施例，能比通過僅利用電加熱器103或燃料電池組1的發(fā)電反應解凍其中凍結(jié)的水分而將燃料電池組1加熱到能進行正常工作的狀態(tài)的時候在更短的時間內(nèi)開始正常工作。
盡管在本實施例中臨界溫度設成了零攝氏度，出現(xiàn)空氣提供阻礙現(xiàn)象的溫度界限沒有必要一定為零攝氏度。實際的溫度界限取決于燃料電池的熱容量、燃料電池周圍的管道的溫度和熱容量、提供到燃料電池的氣體的溫度等而不同。所以最好通過試驗確定臨界溫度。
在日本申請日為2002年6月26日的特愿2002-185889的內(nèi)容通過引用而結(jié)合在本文中。
盡管上文通過參考本發(fā)明的一定的實施例介紹了本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于上述實施例。在本技術(shù)領(lǐng)域熟練的人員根據(jù)上述原理對上述實施例進行修改和提出變化是顯而易見的。
工業(yè)上的應用根據(jù)上述本發(fā)明，在處于凍結(jié)狀態(tài)下的燃料電池組用燃料電池發(fā)電的方法解凍時，通過進行間歇性發(fā)電，發(fā)電過程中在陰極產(chǎn)生的水分在發(fā)電暫停時被提供的氧氣清除掉。結(jié)果向陰極的氧氣提供不會被聚集的水分所阻礙，即使在凍結(jié)時燃料電池組也能以大電流進行發(fā)電。相應地，當本發(fā)明被用于驅(qū)動車輛的燃料電池發(fā)電裝置時，凍結(jié)的燃料電池組能在短時間內(nèi)變熱而不用得到來自外部的能量提供。
主張專有的產(chǎn)權(quán)或?qū)＠麢?quán)的本發(fā)明的實施例定義如下
權(quán)利要求
1.一種燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，包括燃料電池組(1)，包含在提供氫氣和氧氣的條件下產(chǎn)生電力的若干燃料電池；氧氣提供機構(gòu)(11)，向燃料電池組(1)提供氧氣；參數(shù)檢測裝置(19，20)，檢測用于確定燃料電池組中的水分是否凍結(jié)的參數(shù)；確定裝置(16，S1)，基于上述參數(shù)確定燃料電池組內(nèi)的水分是否凍結(jié)；和動作裝置(16，27，S3，S6)，當燃料電池組(1)中的水分凍結(jié)時使燃料電池組(1)進行間歇性發(fā)電。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中當使燃料電池組(1)進行間歇性發(fā)電時，動作機構(gòu)(16，27，S3，S6)使氧氣提供機構(gòu)(11)連續(xù)向燃料電池組(1)提供氧氣。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中參數(shù)檢測裝置(19，20)包括檢測用于確定燃料電池組中水分是否凍結(jié)的參數(shù)的傳感器(19，20)，所述確定裝置(16，S1)及所述動作機構(gòu)(16，27，S3，S6)包括用于根據(jù)所述參數(shù)確定燃料電池組(1)中水分是否凍結(jié)(S1)、并在使氧氣提供機構(gòu)(11)連續(xù)向燃料電池組提供氧氣的同時使燃料電池組(1)進行間歇性發(fā)電(S3，S6)的控制器(16)。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中燃料電池組(1)響應電力需求而發(fā)電，所述發(fā)電裝置進一步包括調(diào)整該電力需求的機構(gòu)(27)，所述控制器(16)進一步具有控制所述調(diào)整機構(gòu)(27)在燃料電池組中的水分凍結(jié)時使燃料電池組(1)進行間歇性發(fā)電(S6，S21-S24)的功能。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中燃料電池組(1)電連接到電力負荷(15)，調(diào)整機構(gòu)(27)包括用于調(diào)整從燃料電池組(1)向電力負荷(15)的電力供應的換流器(27)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的燃料電池組，其特征在于，其中所述控制器(16)進一步具有控制調(diào)整機構(gòu)(27)、使燃料電池組(1)間歇性發(fā)電產(chǎn)生的輸出電流與由于擴散超電勢而導致的燃料電池組(1)的輸出電壓出現(xiàn)下降時的電流相一致的功能。
7.如權(quán)利要求1到5中任意一項所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述參數(shù)是燃料電池組(1)溫度和大氣溫度之一。
8.如權(quán)利要求3到5中任意一項所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中每個燃料電池包括氫氣被提供到其上的陽極(2)和氧氣被提供到其上的陰極(9)，設置所述氧氣提供機構(gòu)(11)用于將氧氣提供到陰極(9)，所述控制器(16)進一步具有使氧氣提供機構(gòu)(11)在燃料電池組(1)進行間歇性發(fā)電時將向陰極(9)的氧氣提供量提高到不小于發(fā)電所需量的1.8倍(S3)的功能。
9.如權(quán)利要求3到5中任意一項所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述發(fā)電裝置進一步包括啟動發(fā)電裝置工作的開關(guān)(28)，所述控制器(16)進一步具有在所述開關(guān)(28)接通后立即確定燃料電池組(1)中的水分是否凍結(jié)的功能。
10.如權(quán)利要求3到5中任意一項所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述發(fā)電裝置進一步包括檢測燃料電池組(1)溫度的傳感器(19)，所述間歇性發(fā)電包括脈沖形式的電流輸出，所述控制器(16)進一步具有根據(jù)燃料電池組(1)的溫度改變脈沖寬度和間隔(S6)的功能。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述控制器(16)進一步具有隨著燃料電池組(1)溫度的升高而增大脈沖寬度(S6)的功能。
12.如權(quán)利要求10所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述控制器(16)進一步具有隨著燃料電池組(1)溫度的升高而減小脈沖間隔(S6)的功能。
13.如權(quán)利要求3到5中的任何一項所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述發(fā)電裝置進一步包括檢測燃料電池組(1)輸出電壓的電壓表(17)，所述控制器(16)進一步具有通過使燃料電池組(1)在使其開始發(fā)電后其輸出電壓下降到預先設定的電壓(S23，S24)以下時停止發(fā)電(S23，S24)、和在發(fā)電停止后經(jīng)過預先設定的時間之后重新啟動發(fā)電(S21)而進行間歇性發(fā)電的功能。
14.如權(quán)利要求3到5中任意一項所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述發(fā)電裝置進一步包括啟動發(fā)電裝置工作的開關(guān)(28)，所述間歇性發(fā)電包括脈沖形式的電流輸出，所述控制器(16)進一步具有計量自開關(guān)(28)接通后所經(jīng)過的時間(S31)和隨著該經(jīng)過的時間增加而增加脈沖寬度(S32)的功能。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述發(fā)電裝置進一步包括檢測大氣溫度的傳感器(20)，所述控制器(16)進一步具有隨著大氣溫度下降而減小脈沖寬度(S32)的功能。
16.如權(quán)利要求3到5中任意一項所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述發(fā)電裝置進一步包括啟動所述發(fā)電裝置工作的開關(guān)(28)，所述間歇性發(fā)電包括脈沖形式的電流輸出，所述控制器(16)進一步具有計量所述開關(guān)(28)接通后所經(jīng)過的時間(S31)并隨著該經(jīng)過的時間增加而減小脈沖間隔(S32)的功能。
17.如權(quán)利要求16所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述發(fā)電裝置進一步包括檢測大氣溫度的傳感器(20)，所述控制器(16)進一步具有隨著大氣溫度下降而增大脈沖間隔(S32)的功能。
18.如權(quán)利要求3到5中任意一項所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中每個燃料電池包括氫氣被提供到其上的陽極(2)，所述燃料電池發(fā)電裝置進一步包括調(diào)整向所述陽極(2)提供氫氣的氫氣提供閥(4)、將從陽極(2)排放的陽極排放物重新提供到所述陽極(2)的轉(zhuǎn)接閥(6)和檢測所述陽極排放物壓力的傳感器(21)，所述控制器(16)進一步具有在燃料電池組內(nèi)的水分凍結(jié)時使轉(zhuǎn)接閥(6)將所述陽極排放物向所述陽極(2)再循環(huán)(S53)并使氫氣提供閥(4)將陽極排放物的壓力保持在預先設定的壓力范圍(S51，S55，S56，S58)內(nèi)的功能。
19.如權(quán)利要求3到5中任意一項所述的燃料電池發(fā)電裝置，其特征在于，其中所述發(fā)電裝置進一步包括利用所述燃料電池組(1)之外的電源(104)提供的電力加熱所述燃料電池組(1)的加熱器(103)和檢測燃料電池組(1)溫度的傳感器(19)，所述控制器(16)進一步具有這樣的功能，在所述燃料電池組(1)內(nèi)的水分凍結(jié)時，在阻止所述燃料電池組(1)在其溫度低于預先設定的溫度時進行發(fā)電的同時，利用所述加熱器(103)加熱所述燃料電池組(1)，并且在所述燃料電池組(1)溫度到達預先設定的溫度時使所述燃料電池組(1)進行間歇性發(fā)電。
20.一種燃料電池發(fā)電裝置的控制方法，所述發(fā)電裝置包括由在提供氫氣和氧氣的條件下產(chǎn)生電力的燃料電池組成的燃料電池組(1)和將氧氣提供到所述燃料電池組(1)的機構(gòu)(11)，所述方法包括檢測用于確定所述燃料電池組(1)內(nèi)的水分是否凍結(jié)的參數(shù)；根據(jù)所述參數(shù)確定所述燃料電池組(1)內(nèi)的水分是否凍結(jié)(S1)；和在所述燃料電池組(1)內(nèi)的水分凍結(jié)的時候使所述燃料電池組(1)進行間歇性發(fā)電(S6)。
全文摘要
一種燃料電池發(fā)電裝置，包括由多個利用氫氣和氧氣反應進行發(fā)電的燃料電池組成的燃料電池組(1)?？刂破?16)確定所述燃料電池組(1)內(nèi)的水分是否凍結(jié)，如果該水分凍結(jié)，所述控制器(16)在連續(xù)向所述燃料電池組(1)提供氧氣的同時，通過換流器(27)使所述燃料電池組(1)進行間歇性發(fā)電。所述燃料電池組(1)產(chǎn)生作為發(fā)電的結(jié)果的熱量，因此在陰極(9)處產(chǎn)生水分。在不進行發(fā)電的時間段內(nèi)，提供到所述燃料電池陰極(9)的氧氣清除所產(chǎn)生的水分，從而保證在發(fā)電過程中向所述陰極(9)的氧氣提供。
文檔編號H01M8/04GK1732586SQ03814758
公開日2006年2月8日 申請日期2003年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月26日
發(fā)明者高橋直樹 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社