专利名称：燃料电池系统和方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统和方法，具体而言，本发明涉及能够把从燃料电池中排出的废气中的水收集起来以便重新利用的燃料电池系统和方法。
背景技术：
在用于车辆例如电动汽车的燃料电池系统中，人们提出了这样一种结构从燃料电池的废气中收集产物水并且对水进行增湿以便重新利用。
日本专利申请特许公开2001-23678公开了一种燃料电池系统。这种燃料电池系统包括收集从燃料电池中排出的废气中的水的冷凝器；储存收集到的水的水箱；以及利用来自水箱中的水重整甲醇的重整装置。利用这种结构，根据从冷凝器中排出的废气的温度计算出平衡工作压力，该压力使得在燃料电池系统中水平衡处于平衡状态，允许燃料电池在上述这种平衡工作压力范围内的工作压力下进行工作。
日本专利申请特许公开H5-74477公开了一种用于燃料电池发电装置的功率输出限制设备。这种燃料电池发电装置的输出限制设备包括用作废热去除单元的冷却塔，检测出在冷却塔空气入口处的大气温度。功率输出上限值信号发生器由大气温度计算出功率输出上限值。功率输出上限值对应于引起在燃料电池发电装置中产生余热的热量以及将平衡的冷却塔的最大热辐射性能。
日本专利申请特许公开H8-250130公开了一种装配有多孔型双极板的燃料电池。
发明内容
然而，本发明人进行了大量的研究和研制工作，结果发现，利用在日本专利申请特许公开2001-23678中公开的燃料电池系统，为了获得大量的功率输出，同时确保在任何时间的平均工作压力以便维持在平衡条件下的水平衡，必须达到相当大的热辐射。具体而言，考虑到大气温度处于高值的情况，散热器不能在空气和水之间存在温度差，因此，必须准备具有大的热辐射系数的散热器，从而增加了冷却系统的体积和重量。
也就是说，当向其中结构组件部分的尺寸受到限制的车辆提供这种燃料电池系统时，困难就出现了，这时很难制定出一种方案以便成功地将这种大尺寸的冷却系统装入车辆中。然而，在这种情况下，如果放弃了利用小容量的冷却系统有效地收集水的尝试，就必须降低燃料电池系统的工作压力，这就留下了在危急情况下的隐患，在此危急情况下，在补充了导电性相当低且可用性差的纯水的同时车辆继续着它的行程。并且，利用这种具有小容量的系统，如果当大气温度处于高值时仍然迫使燃料电池系统进行工作以产生高的功率输出，燃料电池的温度不可避免地朝着在可允许限定值之外的过高值增加。
此外，在日本专利申请特许公开H5-74477公开的燃料电池发电装置的功率输出限制设备按如下构成当大气温度超过了在此值下很难再获得有效的热辐射的给定值时，限制燃料电池发电装置的功率输出。如果把这种结构应用于车辆，很显然，当处于仲夏季节，在任何时候都需要限定燃料电池的功率输出最大值，结果损害了车辆的功率性能，这就导致了不能达到迅速加速等要求。
本发明是在以上研究的基础上完成的，本发明的目的是提供燃料电池系统和方法，该系统和方法不需要提供纯水，同时限制了冷却系统尺寸和重量的增加，提供了对于车辆的普遍适用性，并且即使在高的大气温度下，该系统和方法也能够在不限制燃料电池的功率输出的条件下满足迅速加速的要求。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方案，燃料电池系统包括提供有包括氢的气体和包括氧的气体的燃料电池；利用水槽中的水对包括氢的气体和包括氧的气体中的一种或两种进行加湿的加湿机构；从燃料电池中收集水的水收集机构，由水收集机构收集的水返回到水槽；检测大气温度的大气温度传感器；以及执行高温控制的控制器，以便当由大气温度传感器检测到的大气温度超过一定温度时、增加包括将排出到燃料电池系统外部的蒸汽的废气。
换句话说，燃料电池系统包括提供有包括氢的气体和包括氧的气体的燃料电池；利用水槽中的水对包括氢的气体和包括氧的气体中的一种或两种进行加湿的加湿装置；从燃料电池中收集水的水收集装置，由水收集装置收集的水返回到水槽；检测大气温度的大气温度检测装置；以及执行高温控制的控制装置，以便当由大气温度检测装置检测到的大气温度超过一定温度时增加包括将排出到燃料电池系统外部的蒸汽的废气。
同时，根据本发明的另一方案，提供一种控制燃料电池系统的方法，包括向燃料电池提供包括氢的气体和包括氧的气体；利用水槽中的水对包括氢的气体和包括氧的气体中的一种或两种进行加湿；收集来自燃料电池的水，将所收集的水循环至水槽；检测大气温度；以及执行高温控制，以便当检测到的大气温度超过一定温度时、增加包括将排出到燃料电池系统外部的蒸汽的废气。
根据结合附图的下面的描述，本发明的其它和进一步的特点、优点和益处将更为显而易见。
图1是描述安装有根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的燃料电池驱动汽车的整体结构的系统结构图；图2是在第一实施例的图1中所示的燃料电池系统的控制框图；图3是描述在第一实施例的图1所示的燃料电池系统中根据水槽水位Lw、燃料电池工作压力的目标值Pfc1的图形的示图。
图4是描述在第一实施例的图1所示的燃料电池系统中当水位保持在低位时，根据大气温度Tatm，燃料电池的功率输出高位值Pwlim的图形的示图。
图5是描述在第一实施例的图1中所示的燃料电池系统中当压力保持在建立水平衡的值时，根据大气温度Tatm，散热器的辐射热量QR。
图6是描述在第一实施例的图1中所示的燃料电池系统中当水位保持在正常水平时，根据大气温度Tatm，决定于负载的、燃料电池的工作压力的上限值Pfclim的图形的示图；图7是用于描述第一实施例的图1中所示的燃料电池系统的基本操作程序的总流程图；图8是描述安装有根据本发明的第二实施例的燃料电池系统的燃料电池驱动汽车的整体结构的系统结构图；图9是用于描述第二实施例的图8中所示的燃料电池系统的基本操作程序的总流程图；图10是用于描述根据本发明第三实施例的燃料电池系统的基本操作程序的总流程图；以及图11是描述第三实施例的图10中所示的基本操作程序的时间图。
具体实施例方式
下面，为了更详细地描述本发明，参考
本发明的各实施例。并且，各实施例分别结合例子进行描述，在各例中，燃料电池系统及其相关方法提供到燃料电池驱动汽车。
(第一实施例)首先，参考图1至7详细描述根据本发明的第一实施例的燃料电池系统及其相关方法。
图1是描述装配有根据本发明的燃料电池系统S的燃料电池驱动汽车10的总体结构的总系统结构图。并且，图1中所示的换低档(kick down)信号KD不用在本实施例中，而是用在下面将要描述的第三实施例中。
在图1中，重整装置13进行蒸汽重整甲醇，该重整装置利用从水槽19经过线路21提供的纯水对由燃料槽15经过线路17提供的燃料进行重整，从而得到含氢重整气体，然后，该重整气体通过线路23供应给燃料电池29。并且，重整装置13可以是如下的一种类型这种重整装置通过对由压缩机25经过线路27提供的空气和由燃料槽15经过线路17提供的甲醇进行部分氧化，由此生成重整气体。在此关系中，应注意蒸汽重整方法利用吸热反应，部分氧化利用放热反应。
由重整装置13经过线路13提供的重整气体和由压缩机25经过线路28提供的空气被分别输送给燃料电池29(燃料电池堆)的多对燃料电极29a和空气电极29b，由此在重整气体中所含的氢和空气中所含的氧之间发生电化学反应，产生直流电功率输出。此处，在重整气体中的所含的氢和在空气中所含的氧在燃料电池29中没有完全消耗，这些气体分别经过压力调节阀63，65输送给燃烧室37，这些气体的一部分保留在燃料电池29中。并且，要供应到空气电极29b的气体不一定包括空气，也可以是含氧的气体。
燃烧室37用于燃烧留在重整气体中的氢和留在空气中的氧。并且，在燃烧室37中产生的燃烧反应热量有效蒸发在重整装置13中的甲醇和纯水，并由此用作吸热反应的热源以进行蒸汽重整，剩余的废气放到外部。
在水槽19中储存的纯水以这种方式进行循环将纯水作为冷却水经过邻近各空气电极29b设置的纯水通道73引入至燃料电池29，接着，纯水从从各空气电极29b引入至中间热交换器35，并随后返回到水槽19。当这种情况发生时，在提供给燃料电池29的重整气体和空气的任何一种或提供给燃料电池29的重整气体和空气的两种和冷却水之间经过相应的多孔双极板(未示出)进行水的交换。也就是说，纯水通道73不仅有效地提供用于冷却燃料电池29的冷却水，而且还用作用于加湿供应气体的加湿机构，同时用作水收集机构，该机构能够将通过在燃料电池29中的氢和氧的电化学反应生成的部分产物水和用于加湿目的的水收集到冷却水中。
此处，中间热交换器35采取在纯水通道73中的纯水和LLC通道75中的LLC之间进行热交换的热交换器形式。LLC通道75用于在中间热交换器73和散热器41之间循环LLC(长寿命冷却剂防冻液)，把从中间热交换器35的纯水中获得的热量经由散热器41释放到外部。并且，燃料电池29的冷却线路包括纯水通道73和LLC通道75，这两条通道彼此分离，由此便于这些组件向车辆例如汽车的安装，并且便于纯水循环线路的防冻。
二次电池45存储由燃料电池29产生的电功率输出和在车辆借助电功率调节器49减速过程中由电动机47产生的再生功率，并同时用于向燃料电池29的各种附件和电动机47提供电功率输出，在燃料电池系统S起动的过程中和在车辆起动加速的过程中电功率输出是短缺的。
在由电动机47消耗移动电功率、由附件例如压缩机25消耗附件电功率的情况下，重整装置13和燃烧室37不能涵盖由燃料电池29产生的电功率输出，使电功率调节器49工作从而根据来自电功率控制器51输出的控制信号从二次电池45向电动机47和相关附件分配电功率输出。并且，电功率控制器49内部设有电压传感器和电流传感器，分别用于检测由燃料电池29产生的电功率输出的电压V和电流I，从而将检测信号传送给系统控制单元57。
电功率控制器51借助电功率调节器49对电功率输出进行分配，同时响应加速器打开信号APO、借助电功率调节器49对将被提供到电动机47的电功率输出量进行控制，此信号APO表示利用加速器位置传感器55检测出的加速器踏板53的增加位移量。并且，借助具有齿轮减速和差速齿轮功能的齿轮减速单元77，将电动机47的输出转矩转移至各驱动轮的轮胎79，79，从而驱动了燃料电池供电的汽车10。
压力传感器59设置在线路28中，检测由压缩机25提供给燃料电池29的空气压力PA，产生表示这种空气压力值的检测信号，将此信号提供给系统控制单元57。此外，压力传感器61设置在线路23中，检测由重整装置13提供给燃料电池29的重整气体压力PR，产生由这种重整气体压力值表示的检测信号，将此信号提供给系统控制单元57。
压力调节阀63设置在燃料电池29和燃烧室37之间的线路62中，对将要从燃料电池29输送给燃烧室37的废重整气体的压力进行调节。同样，压力调节阀65设置在燃料电池29和燃烧室37之间的线路64中，对将要从燃料电池29输送给燃烧室37的废空气的压力进行调节。
大气温度传感器69检测大气温度Tatm，由此生成大气温度信号，并传送给系统控制单元57。
水位传感器71设置在水槽19中，检测其中存储的纯水的水位Lw，由此生成水槽水位信号，并传送给系统控制单元57。
系统控制单元57监测利用压力传感器59检测出的空气压力值和利用压力传感器61检测出的重整气体压力信号，以便调节压力调节阀63，65的打开程度，由此控制燃料电池29的工作压力。此外，系统控制单元57根据利用包含在功率调节器49中的电压传感器和电流传感器分别检测出的电压V和电流I计算出燃料电池系统的工作负载。
此外，当大气温度传感器69检测出大气温度等于或超过给定值时，系统控制单元57工作以进行高温控制，从而根据大气温度提高将被排出到燃料电池系统外部的蒸汽的流速，这样就在高温工作的过程中，通过从燃料电池29中排出包括大量蒸汽的废气，释放出大量的蒸发热量，由此实现了控制。
同时，将被提供到燃料电池29的空气和重整气体的气压(检测出气压具有彼此大致相等的值并且该气压对应于燃料电池29的工作压力)越高，将被收集在燃料电池29中的水量就越大。与此相反，虽然随着气体压力的降低、将收集的水量降低，但是收集水的减少量使得排出到外部的蒸汽引起含在其中的蒸汽和潜在热量释放出来，由此降低了燃料电池29的温度。
此处，燃料电池系统这样构成空气27和重整气体23形成了将被供应到燃料电池29的供应气体，利用设置在线路28，23中的压力传感器59，61分别检测这两种气体的气压，分别设置在燃料电池29的废氢线路62和废空气线路64中的压力调节阀63，65的打开程度分别得以控制，由此把燃料电池29控制在给定的工作压力下。
图2表示系统控制单元57的框图。
在图2中，系统控制单元57具有执行燃料电池29工作压力控制的结构并且根据大气温度传感器69检测出的值在高工作温度下进行控制。
尤其是，系统控制单元57包括功率输出上限值计算部分101、选择-低电路102、开关103、压力上限值计算部分104、比较器105、最初目标值计算部分106和选择-低电路107。
具体而言，输出上限计算部分101参照大气温度-功率输出上限值图计算燃料电池29的功率输出上限值PWlim，大气温度-功率输出上限值图存储根据大气温度Tatm燃料电池29的功率输出上限值PWlim(正如下面在图4中所示的那样)。选择-低电路102产生功率输出上限值PWlim和所需功率输出PWd之中的一个小值。开关103用于在选择-低电路102的输出和所需功率输出PWd之间进行开关，允许输出燃料电池功率输出PWg。此处，比较器105对水槽水位Lw和存储在存储器M中作为给定阈值的水位最小值Lw进行比较，当水位Lw超过下限值Lwlow时，让开关103选择所需的功率输出PWd，同时将选择信号SC传送给开关103，以便当水位Lw低于下限值Lwlow时选择输出选择-低电路102。这种水位下限值Lwlow表示对应于经由燃料电池29循环所需的最小水体积的水位，以便让燃料电池29在没有任何基本障碍的条件下进行工作。压力上限值计算部分104参考大气温度-压力上限值图计算出燃料电池29的压力上限值Pfclim(正如下面将要描述的图6中所示出的那样)，大气温度-压力上限值图根据燃料电池29的功率输出PWg和大气温度Tatm存储燃料电池29的压力上限值Pfclim。最初目标值计算部分106参照水槽水位-工作压力图计算出燃料电池29的工作压力的最初目标值Pfc1(正如下面将要描述的图3中所示出的那样)，水槽水位-工作压力图根据水槽水位Lw存储工作压力的最初目标值Pfcl.并且，选择-低电路107选择工作压力的压力上限值Pfclim和最初目标值Pfc1之中较小的一个值作为工作压力控制目标值Pfc。
因此，系统控制单元57进行工作，按照如以上方式所获得的工作压力控制目标值Pfc，通过分别控制设置在废氢线路62和废空气线路64中的压力调节阀63，65的打开程度来控制燃料电池29的工作压力。
并且，将燃料电池功率输出PWg传送给电功率控制器51，控制器51按照燃料电池功率输出PWg作出响应，从而借助电功率调节器49分配电功率输出。
图3示出水槽水位-工作压力图，此图存储根据水槽水位Lw的工作压力的最初目标值Pfc1。此图设计成根据水槽19的水位Lw确定燃料电池29的工作压力的最初目标值Pfc1，这样，水槽19的水位越低，燃料电池29的工作压力就越高，从而增加收集的水量。另一方面，水槽19的水位越高，燃料电池的工作压力就越低，结果降低了压缩机25的载荷量，从而提高了燃料电池系统的效率。并且，在通常的实践过程中，测定燃料电池29的工作压力PO，在水槽19的目标水位Lwt建立起收集水的平衡，此目标水位Lwt根据燃料电池29的工作压力的最初目标值Pfc1预先指定，从而在非常接近于目标水位Lwt的值处建立起水平衡。同样，在图中，大气压力表示为Patm。
图4表示大气温度-功率输出上限值图，此图根据大气温度Tatm存储燃料电池29的功率输出上限值PWlim。将此图设计成确定功率输出限定值，即，在不会引起水平衡短缺和变为负量的燃料电池29的工作压力PO下，根据大气温度Tatm的燃料电池29的功率输出上限值Pwlim。此处，燃料电池29的额定功率输出表示为PWR，大气温度Tatm的限定值表示为Tlim，此大气温度Tatm能够在建立起水槽19的水平衡时产生额定功率输出PWR，防止水的体积降低。如果大气温度超过限定值Tlim，就把功率输出限定值Pwlim降到比额定功率输出PWR更低的值。并且，在图5中，根据大气温度Tatm绘出散热器41的辐射热量QR。如图5中所示，大气温度Tatm的限制值表示为Tlim，此大气温度Tatm的限制值能够在建立起水槽19的水平衡时产生额定功率输出PWR，防止水的体积降低；对应于这种额定功率输出PWR的散热器41的辐射热量表示为QO。
图6表示大气温度-压力上限值图，该图根据燃料电池29的功率输出(工作负载)和大气温度Tatm存储压力上限值Pfclim，该值相应于燃料电池29的工作压力上限。在此图中，这样确定燃料电池29的压力上限值Pfclim大气温度Tatm越高，压力上限值越低；燃料电池29的功率输出(工作负载)PWg越大，工作压力上限值越低。并且，在图中，大气温度Tatm的限定值表示为Tlim，此大气温度Tatm能够在建立起水槽19的水平衡时产生额定功率输出PWR，防止水的体积降低；燃料电池29的工作压力表示为PO，该工作压力不会引起水平衡的短缺和变为负量，在燃料电池29硬件的设计中工作压力的上限表示为PD。
并且，在系统控制单元57中所采用的各种图采用来自预先存储在存储器(未示出)中的那些图中，上述存储器内设于系统控制单元57中。
现在，参考图7描述本实施例的工作过程，图7表示用于描述利用系统控制单元57控制燃料电池29的的基本工作程序的总流程图。并且，应注意，利用系统控制单元57执行这种控制，对于每次循环以固定的时间间隔(例如，10ms)。
在图7中，在步骤S10开始时，系统控制单元57分别检测大气温度Tatm、水槽水位Lw和所需功率输出PWd。此处，所需功率输出PWd表示汽车所需要的燃料电池29的功率输出，根据由加速度打开信号APO表示的加速度需求和二次电池45的充电状态(SOC)、利用电功率控制器51计算出来，随后将所需功率输出PWd传送给系统控制单元57。
在下一个步骤S12中，利用比较器150对水槽19的水位Lw和给定下限值Lwlow进行比较，鉴别水槽19的水位Lw是否超过下限值Lwlow。并且，如果水位超过给定下限值Lwlow，操作进行至步骤S14。
也就是说，在步骤S12中，如果鉴别出水槽水位超过给定下限值Lwlow，那么在步骤S14中，操作开关103，使燃料电池29产生与所需功率输出PWd相同量的功率输出PWg。
然后在步骤S20中，参照图3所示的图形，利用最初目标计算部分106确定燃料电池29的工作压力Pfc，能够根据水槽水位Lw检索燃料电池29的工作压力的最初目标值Pfcl。
在下一步骤S22中，参考图6中所示的图形，利用压力上限计算部分104确定燃料电池29的工作压力Pfc，允许燃料电池29的压力上限值Pfclim得以检索，此压力上限值Pfclim以热的方式落入工作压力的上限内。
在下一步骤S24中，利用选择-低电路107对在步骤S20中获得的燃料电池29的工作压力的最初目标值Pfc1和在步骤S22中获得的、以热的方式形成上限的燃料电池29的压力上限值Pfclim进行选择，选出其中较小的一个值，由此确定燃料电池的工作压力Pfc。也就是说，系统控制单元57用于确定燃料电池29的压力上限值Pfclim，该值形成热上限，根据在步骤S20中确定的最初目标值Pfc1提供上限值。这是鉴于以下事实，在燃料电池29的工作压力方面的增加从而收集水的情况导致了由燃料电池29产生的热量方面的增加，因此，如果在燃料电池29中的热量达到了等于或超过散热器41的辐射热量限制的值，那么燃料电池29就要遭受在允许值之外的过度温度提升。为了提前预防这一问题，将压力上限值Pfclim确定成不超过散热器41的辐射热量限制，根据大气温度Tatm和燃料电池29的工作负载将该上限提供给最初目标值Pfc1。
在下一个步骤S26中，系统控制单元57用于调整压力调节阀63，65的打开程度，让燃料电池系统在由步骤S24中获得的燃料电池29的工作压力Pfc下进行工作。
也就是说，在这种情况下，如果大气温度保持在典型在上限值Tlim之外的高温下，就进行高温控制，使工作压力下降到一区域内，根据燃料电池29的工作负载使得水平衡负向偏移，从而增加将要排出到燃料电池系统之外的蒸汽量，避免温度提升。同样，在选择情况下，不仅利用压力调节阀63，65而且还利用压缩机25或燃烧室37对工作压力进行控制。
相反，在步骤S12中，如果鉴别出水槽水位下降至等于或低于下限值Lwlow，操作进行至S16。
在步骤S16中，参照图4的图表，利用功率输出上限计算部分101，根据大气温度Tatm，检索功率输出上限值Pwlim，该值是当燃料电池29在工作压力PO下工作时不导致水平衡向负向偏移的功率输出上限。
在下一步骤S18中，采用选择-低电路102，选择出所需功率输出PWd和在步骤S16中获得的功率输出上限值Pwlim中较小的一个值，因此，连续地采用开关103，以在步骤S18中选择的值确定燃料电池29的功率输出PWg。也就是说，如果所需要的功率输出PWd超过功率输出上限值PWlim，那么就将功率输出PWg限制为等于功率输出上限PWlim，而如果所需功率输出PWd等于或低于功率输出上限值，那么就控制功率输出PWg从而保持在所需功率输出PWd。
并且，操作进行至步骤S20和随后的步骤，连续地执行与在步骤S12中对水槽水位超过下限值Lwlow进行鉴别的情况的操作相同的操作。
也就是说，在这种情况下，将燃料电池29的压力上限值Pfclim限制为一定值，其中根据功率输出上限值PWlim在没有热影响问题的情况下建立起燃料电池29的功率输出PWg，因此，不可能使燃料电池29的工作压力降低至比能够建立起水平衡的工作压力PO更低的值，由此改善了水平衡。此外，在水槽的水位没有保持在低值而是超过参考值的情况下，即使当大气温度保持在高值时，工作压力也会下降至其中水平衡落入负向范围内的区域。因此，虽然在燃料电池中的冷却水以蒸汽的方式蒸发并排出到燃料电池系统之外从而逐步地降低水槽的水位，但是燃料电池也可以在相对高的负载下工作，甚至在大气温度保持在高值同时有效地防止燃料电池的温度提升的情况下。
正如上面列出的那样，根据本实施例，在没有增加燃料电池系统的冷却系统的尺寸的情况下避免了水的损耗，尽可能地减小了功率输出的降低，从而防止了燃料电池在可允许的限制值之外的过高温度下工作。
(第二实施例)现在，参考附图8和9详细描述根据本发明第二实施例的燃料电池系统及其有关方法。
图8是描述其中安装了本实施例的燃料电池系统S的燃料电池驱动汽车10的结构的整个系统结构图。第二实施例在结构上与第一实施例的主要不同点在于采用热函交换单元(enthalpy exchangeunit)(以下称作ERD)，在下面的描述中相同的部分采用与第一实施例相同的参考标记，适当地省略了重复描述。
在图8中，ERD 31设置在燃料电池29的空气电极的空气入口侧和废气侧。
ERD 31包括湿度交换型热交换器，它在燃料电池29的废气和入口空气的热量和湿度之间提供热交换。从燃料电池29排出的废空气借助废空气线路64直接通过ERD 31，废空气温度降低，从而除去湿气。在空气入口侧，从吹风机125经过线路28流入燃料电池29的空气直接经过ERD 31，这样入口空气温度升高并加湿。
也就是说，这种ERD 31的出现能够使从废空气去除的蒸汽返回到入口空气，提供了有效收集水的可能性，这样，燃料电池系统能够以更可靠的方式工作，从而在没有水的减少的情况下建立起水的平衡。
此外，在ERD 31的入口侧处的燃料电池29的废空气线路64中设置三通阀33。在这种三通阀33上的转换能够使从燃料电池29排出的空气绕过ERD 31直接输送到燃烧室37。在空气以这种方式绕过的情况下，由于没有进行热函交换，从燃料电池29中排出的废空气在保持高温和高湿的同时排放出来，因此，将要输送到燃料电池29的空气没有加湿，入口空气的温度也没有提高。
也就是说，即使结合有三通阀33的ERD 31的设置能够减少将要收集的水量，随着将要排出到燃料电池系统之外的蒸汽量的增加，将要从燃料电池29排出的废空气中去除的蒸汽量也会增加，相应地提高了废空气的温度和废气湿度。因此，增加了留在废空气中的热量，到了这种程度，就降低了从燃料电池29经过纯水通道73去除的热量，使得利用中间热交换器35和散热器41的燃料电池29的冷却载荷量降低。
现在参考图9描述本实施例的工作过程，图9描述了采用系统控制单元57控制燃料电池29的基本工作程序的总流程图。
在图9中，首先在步骤S30中，检测大气温度Tatm、水槽水位Lw和所需功率输出PWd。
在下一步骤S32中，在根据大气温度建立水平衡时，假设采用ERD 31，参考图4的图形检索能够实现热辐射的功率输出上限值PWlim。
在下一步骤S34中，对水槽水位Lw是否超过下限值Lwlow进行鉴别。如果水槽水位Lw超过下限值Lwlow，操作进行至步骤S36；如果水槽水位Lw等于或低于下限值Lwlow，那么操作进行至步骤S44。
也就是说，在步骤S34中，如果鉴别出水槽水位Lw超过下限值Lwlow，那么在步骤S36中确定功率输出PWg使其等于与所需功率输出PWd相同的值，操作进行至步骤S38。
然后在步骤S38中，对大气温度Tatm是否超过下限值Tlim进行鉴别。如果大气温度Tatm超过下限值Tlim，即当处于高温时，操作进行至步骤S40以执行高温控制；如果大气温度Tatm等于或低于下限值Tlim，操作进行至步骤S46。
当在步骤S38中，如果鉴别出工作温度保持在高温，那么在步骤S40中，对功率输出PWg和功率输出上限值PWlim进行比较。如果功率输出PWg超出功率输出上限值PWlim，操作进行至步骤S42；果功率输出PWg等于或低于功率输出上限值PWlim，那么操作进行至步骤S46。
当在步骤S40中，如果鉴别出功率输出超过功率输出上限值PWlim，那么在步骤S42中，转动三通阀33使从燃料电池29排出的空气绕过ERD 31，即使空气不经过ERD 31。
也就是说，在这种情况下，如果水槽水位超过给定值，即使在大气温度保持在高值并且燃料电池29遇到强烈的热辐射的条件下，燃料电池29也可以产生最大功率输出。
相反，如果在步骤S34中，水槽水位Lw等于或低于下限值Lwlow，操作进行至步骤S44。在此步骤S44中，对所需功率输出PWd和功率输出上限值PWlim进行比较，确定由燃料电池29产生的功率输出使其等于这些变量中小的一个，使所限制的功率输出量等于在热确定条件下由燃料电池29产生的功率输出PWg。
在下一步骤S46中，控制三通阀33，这样，在没有绕过ERD31的情况下让由燃料电池29排出的空气通过。
此外，虽然水槽水位超过下限值Lwlow，如果在步骤S38中，鉴别出大气温度Tatm等于或低于下限值Tlim，或者如果在步骤S40中，鉴别出所产生的功率输出PWg等于或低于功率输出上限值PWlim，在任一情况下操作进行至步骤S46，由此控制三通阀33让从燃料电池29排出的空气不绕过ERD 31通过。
也就是说，在水槽水位超过给定值和大气温度超过散出热限值的情况下，燃料电池29的功率输出被限制在能够建立起水平衡的范围之内，由此避免了水的损耗。相反，在大气温度不能保持在高温并且不能超过辐射热限值的情况下，按照通常方式收集水，此后增加了燃料电池的最大功率输出。
根据以上所描述的本发明的实施例，散热器可以设计成这样的结构对于实际应用而言此结构具有不能消减的最小热辐射容量，结果使散热器的尺寸和重量得以降低，由此提供了在车辆中改进的安装性能。此外，和第一实施例相比，第二实施例不需要控制燃料电池的工作压力，相反第二实施例仅需要控制三通阀。因此不需要考虑工作压力的稳定性，可以把将工作压力控制在最小值的困难程度减至最小。
(第三实施例)现在，参考图10和图11详细描述根据本发明第三实施例的燃料电池系统及其有关方法。
虽然本发明的结构与第一实施例的结构相同，但是把通常表示驾驶员加速的换档信号KD结合在系统控制单元57中用以控制。在下面对本发明的描述中，与第一实施例相同的部分采用相同的参考标记，适当的省略了重复描述。
首先，参考图10描述本实施例的工作过程，图10表示用于描述利用系统控制单元57控制燃料电池29的基本工作程序的总流程图。此外，对于这种控制的时间图表示于图11中。
在第一种情况下，在步骤S50中，检测大气温度Tatm和所需功率输出PWd。
在下一步骤S52中，鉴别大气温度Tatm是否超过温度限制值Tlim，此温度限制值Tlim能够使燃料电池在其中建立起水平衡的工作压力PO下进行工作以产生额定功率输出。如果大气温度Tatm等于或低于限制值Tlim，那么操作进行至步骤S70；如果大气温度Tatm超过限制值Tlim，那么操作进行至步骤S54。
也就是说，在步骤S52中，当鉴别出大气温度Tatm等于或低于限制值Tlim时，那么在步骤S70中位于系统控制单元57中的定时器(未示出)的定时值Ts重新设置为逻辑状态“0”。
在下一步骤S72中，把利用燃料电池29产生的功率输出PWg确定为等于所需功率输出量PWd的值。此外，根据水槽水位Lw，将燃料电池29的工作压力Pfc设定为最初目标值Pfc1。
相反，在步骤S52中，当鉴别出大气温度Tatm保持在超过限制值Tlim的高温时，那么在步骤S54中，根据在两个加速器打开程度信号APO、APO之间的变化速率进行鉴别，判断KD信号是否保持在转向“ON”状态，所述KD信号表示所谓的换档操作，这通常代表驾驶员的加速意愿或目的。并且在步骤S54中，如果鉴别出KD信号保持在转向“ON”状态，操作进行至步骤S56，在下一步骤S54中，如果鉴别出KD信号保持在转向“OFF”状态，操作进行至步骤S64。并且，当加速器打开程度信号APO以等于或高于给定值的变化速率升高时，可以看出驾驶员的加速意愿或目的被识别出来，对KD信号保持在转向“ON”状态进行判断。此外，可以采用各种判断标准，只要这些标准能够根据燃料电池驱动汽车的负载判断出对燃料电池29的功率输出增加的要求。
也就是说，如果在步骤S54中鉴别出KD信号保持在转向“OFF”状态，那么在步骤S64中，定时器Ts重新设置为0。
在下一步骤S66中，参照图10的图形执行操作以根据大气温度Tatm检索燃料电池29的功率输出上限值Pwlim，该值能够使燃料电池29在工作压力PO下工作并且在建立起水平衡的同时散出热量。
在下一步骤S68中，将利用燃料电池29产生的功率输出PWg确定为等于PWd和PWlim之间的较小值。此外，根据水槽水位Lw将燃料电池29的工作压力Pfc确定为等于压力Pfc1。
相反，此外如果鉴别出在步骤S54中KD信号保持在转向“ON”状态，那么在步骤S56中，通过向其添加控制循环dT对定时器Ts进行更新。
在下一步骤S58中，在定时器值Ts和给定限制值T1(从几秒至约10秒的范围)进行比较，使被选择的这些变量的任何一个较小值等于定时器值Ts。也就是说，确定定时器值Ts，使其不超过给定限制值T1。
在下一步骤S60中，鉴别定时器值Ts是否等于值T1或低于此值。在步骤S60中，如果在定时器值Ts等于给定限制值T1的情况下进行鉴别，那么操作进行至步骤S66，其中燃料电池29在一定范围内工作，从而在建立水平衡的同时产生有限功率输出。相反，在步骤S60中，如果鉴别出定时器值Ts不等于值T1，那么操作进行至步骤S62。
也就是说，在步骤S60中，如果鉴别出定时器值Ts不等于值T1，那么在步骤S62中，将由燃料电池29产生的功率输出PWg确定为等于所需要的功率输出PWd，在将要产生的功率输出量方面没有限制。另一方面，将燃料电池29的工作压力Pfc确定为等于压力上限值Pfclim，并控制在比建立水平衡的压力PO更低的值。
因此，在这种情况下，由于在燃料电池中收集的水量的降低以及蒸汽以提高的流速排出到燃料电池之外，因此在没有由冷却条件引起麻烦的条件下，使得将排出的热量增加，即使在高温下也可以获得最大功率输出。
具体而言，图11所示的时间图表示这样一种图形，其中，在大气温度Tatm等于或高于限制值Tlim时，压下加速器；在用去的时间间隔超过限制值T1之后释放加速器。
在图11中，如果加速器打开程度信号APO以在给定值之外的变化速率提高，就鉴别出发生了换档，认为KD信号保持在转向“ON”状态。在时间间隔T1中，燃料电池29的工作压力Pfc从值Pfc1降低至下限值Pfclim，产生功率输出PWg以达到所需功率输出PWd。在时间间隔T1过去之后，在随后的阶段中，工作压力Pfc转向值Pfc1并建立起水平衡，因此燃料电池29的功率输出降低至下限值PWlim，没有热现象。并且在图中，把燃料电池驱动汽车10的车速示为VSP，把将收集水的比率示为R。此处，水收集比率R指的是由收集水的量除以所采用的水量所获得的比值。
如上所述，在根据本发明的实施例中，可以以用于获得加速驱动力所需的速率从燃料电池中得到功率输出，从而避免有害情况的发生，即使在高大气温度下也是如此，而无需提高冷却系统的尺寸。
此外，由于对于在进行换档之后的时间间隔T1(从几秒到约10秒)可以可靠地增加所需的功率输出，因此对于在加速器被压下之后的此段时间间隔，驾驶员能够根据他的意愿进行加速。
将2001年10月2日在日本申请的专利申请特许公开2001-306237的全部内容在此引作参考。
虽然参考本发明的特定实施例描述了本发明，但是本发明并不限于以上所描述的实施例。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本技术对上述实施例进行修改和变化。参考下面的权利要求确定本工业实用性如上所述，根据本发明，当大气温度超过给定值时，进行高温控制，从而增加包括将要排出到燃料电池系统之外的蒸汽的废气量，由此在不增大燃料电池冷却系统尺寸的情况下，避免水的损失，并且尽可能的防止功率输出的降低，并且还防止了燃料电池的温度过度地提高以致达到在可允许的限制之外的高温。因此，本发明具有很宽的应用范围，包括利用这种燃料电池系统的燃料电池驱动汽车、家用及工业设备。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括提供有包括氢的气体和包括氧的气体的燃料电池；利用来自水槽中的水对包括氢的气体和包括氧的气体中的一种或两种进行加湿的加湿机构；从燃料电池中收集水的水收集机构，由水收集机构收集的水返回到水槽；检测大气温度的大气温度传感器；以及执行高温控制的控制器，以便当由大气温度传感器检测到的大气温度超过给定温度时增加包括将排出到燃料电池系统外部的蒸汽的废气。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，进一步包括冷却燃料电池的冷却机构，其中大气温度的给定温度对应于一定温度，在此温度下，用于确保对于燃料电池所需要的功率输出所必须的辐射热量超过冷却机构的辐射热量。
3.根据权利要求2的燃料电池系统，其中加湿机构、水收集机构和冷却机构包括普通的水通道。
4.根据权利要求2的燃料电池系统，其中冷却机构工作，从而在将被供应到燃料电池的水和防冻液之间进行热交换。
5.根据权利要求1的燃料电池系统，进一步包括检测水槽水位的水位检测器，其中控制器工作，以根据由水位检测器检测出的水槽的水位进行高温控制。
6.根据权利要求5的燃料电池系统，其中当由水位检测器检测出的水槽水位超过给定下限值时，控制器工作以执行高温控制。
7.根据权利要求1的燃料电池系统，其中在要求燃料电池的功率输出之后，控制器工作以执行给定时间间隔的高温控制。
8.根据权利要求7的燃料电池系统，其中燃料电池系统应用于车辆，控制器根据车辆负载进行给定时间间隔的高温控制。
9.根据权利要求1的燃料电池系统，其中高温控制允许燃料电池的工作压力降低。
10.根据权利要求1的燃料电池系统，其中水收集机构包括设置在燃料电池空气电极附近的水通道，高温控制允许向燃料电池的空气电极供应的空气压力降低。
11.根据权利要求1的燃料电池系统，其中水收集机构包括湿度交换型热交换器，该热交换器在来自燃料电池的空气电极的废空气和供应到空气电极的入口空气之间进行温度和湿度的交换。
12.根据权利要求11的燃料电池系统，其中高温控制允许从空气电极排出的废空气或提供到空气电极的入口空气绕过湿度交换型热交换器，从而迫使废空气排出燃料电池系统之外或者迫使入口空气提供至燃料电池。
13.根据权利要求1的燃料电池系统，其中控制器工作从而根据由大气温度传感器检测到的大气温度控制燃料电池的功率输出。
14.根据权利要求13的燃料电池系统，其中控制器工作从而当大气温度超过给定温度时限制燃料电池的功率输出。
15.一种燃料电池系统，包括提供有包括氢的气体和包括氧的气体的燃料电池；利用来自水槽中的水对包括氢的气体和包括氧的气体中的一种或两种进行加湿的加湿装置；从燃料电池中收集水的水收集装置，由水收集装置收集的水返回到水槽；检测大气温度的大气温度检测装置；以及执行高温控制的控制装置，以便当由大气温度检测装置检测到的大气温度超过一定温度时增加包括将排出到燃料电池系统外部的蒸汽的废气。
16.一种控制燃料电池系统的方法，包括向燃料电池提供包括氢的气体和包括氧的气体；利用来自水槽中的水对包括氢的气体和包括氧的气体中的一种或两种进行加湿；收集来自燃料电池的水，将所收集的水循环至水槽；检测大气温度；以及执行高温控制，以便当检测到的大气温度超过给定温度时增加包括将排出到燃料电池系统外部的蒸汽的废气。
全文摘要
一种燃料电池系统，包括提供有包括氢的气体和包括氧的气体的燃料电池(29)；利用水槽(19)中的水对包括氢的气体和包括氧的气体中的一种或两种进行加温的加湿机构(73，31)；从燃料电池中收集水的水收集机构(73，31)，由水收集机构收集的水返回到水槽；检测大气温度的大气温度传感器(69)；以及执行高温控制的控制器(57)，以便当由大气温度传感器检测到的大气温度超过给定温度时增加包括将排出到燃料电池系统外部的蒸汽的废气。
文档编号H01M8/06GK1572037SQ0280325
公开日2005年1月26日 申请日期2002年9月12日 优先权日2001年10月2日
发明者酒井弘正, 岩崎靖和 申请人:日产自动车株式会社