专利名称：燃料电池冷却系统及控制燃料电池中冷却液的循环的方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种燃料电池系统，更具体地，涉及用于燃料电池组的冷却系统的改进。本发明还涉及一种控制燃料电池系统中冷却液的循环的方法。
背景技术：
燃料电池通过化学反应发电。更具体地，燃料电池构造成电解质夹在阳极与阴极之间。氢或富氢重组气被供至阳极而氧被供至阴极。然后诱发电化学反应，从而产生电能。通常多个这种燃料电池组合在一起形成燃料电池组。例如根据所使用电解质的类型，燃料电池分为不同的类型，如磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、聚合物电解质燃料电池。每种电解质均具有最适于执行其功能的运转温度。例如，聚合物电解质燃料电池(PEFC)的电解质的运转温度通常在80℃左右。为使燃料电池系统在维持电解质的最佳运转温度的同时运行，为燃料电池系统设置冷却系统。聚合物电解质燃料电池使用包括去离子水、不冻水等的液体作为冷却液。
燃料电池的冷却系统包括冷却液、使用外部空气降低冷却液的温度的热交换器(例如散热器)、泵送冷却液的泵、贯穿设置在燃料电池组内的隔板且冷却液经由其流动的内部通路、用于使冷却液在热交换器与燃料电池组之间循环的冷却液通路、以及用于去除离子的离子过滤器等。该离子过滤器由例如离子交换树脂制成，并去除例如从热交换器、燃料电池组、冷却通路管壁以及泵浸入冷却液的金属导电离子。去除这些离子防止燃料电池与车身搭铁(earth)之间的绝缘电阻减小。
JP(A)2000-208157公开了设置有这种离子过滤器的燃料电池系统的一个示例。该发明在该公开文献中提出了一种具有主冷却剂通路和独立于主冷却剂通路的副冷却剂通路的结构。主冷却剂通路用于冷却燃料电池。副冷却剂通路用于使冷却剂容器内的冷却剂通过设置在副冷却剂通路中的离子过滤器循环，以去除冷却剂中的离子。
当燃料电池系统运转时，其使用泵使冷却液循环。部分冷却液经过去除离子的离子过滤器，从而降低离子浓度。然而，当燃料电池系统不运转时，泵停止，从而冷却液不能循环通过离子过滤器。
结果，当燃料电池系统不运转时，例如金属离子从热交换器、燃料电池组(离子交换膜和隔板)、冷却液通路等浸入冷却液。随着例如金属离子浸入冷却液，冷却液中的离子浓度增加。当燃料电池系统长期不运转时，冷却液中的离子浓度大大增加，需要去除冷却液中的离子以在重新起动燃料电池之前降低冷却液中的离子浓度。从而，在燃料电池系统能够起动前需要一定时间。特别地，由于去除离子需要的时间，车辆中的燃料电池系统不能够立即起动。这意味着在车辆能够被驱动之前需要一定时间。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的一个目的是提供一种用于燃料电池的冷却系统，即使在燃料电池系统停止运转之后该冷却系统仍能够抑制燃料电池的冷却液中杂质(离子浓度)增加。
本发明的另一个目的是提供一种用于车辆中的燃料电池系统的冷却系统，该冷却系统能够通过抑制由于燃料电池系统在很长一段时间不运转而发生的冷却液中杂质(离子浓度)的增加而缩短车辆的起动时间。
本发明的另一个目的是提供一种用于车辆中的燃料电池系统的冷却系统，即使在燃料电池系统停止运转之后，该冷却系统仍能够通过使冷却液经过杂质去除装置(例如，离子过滤器)并去除冷却液中的杂质(例如离子)而抑制燃料电池的冷却液中杂质(离子浓度)增加，从而缩短车辆的起动时间。
为了实现上述目的中的一个，根据本发明的用于燃料电池的冷却系统设置有通过用泵向所述燃料电池供给冷却液而调节所述燃料电池的温度的冷却装置；设置在用于所述冷却液的冷却液通路中用于去除所述冷却液内的杂质的杂质去除装置；以及用于在所述燃料电池不运转时使所述冷却液通路内的冷却液流过所述杂质去除装置的流动产生装置。此处，“燃料电池不运转时”这一用语应理解为不再有对燃料电池的动力的需求，从而包括燃料电池和与燃料电池的运转相关的辅助装置(例如冷却装置、氢/空气供给装置、重组装置(改质器)、逆变器等)的燃料电池系统停止运转。最低限度，应理解为燃料电池和冷却装置(即，冷却液泵)停止运转。
此结构通过即使在燃料电池系统或配备燃料电池的车辆的系统停止时仍使冷却液(或冷却剂)经过杂质去除装置以去除杂质而抑制冷却液中杂质浓度的增加。因此，当燃料电池开始运转时冷却液中杂质的数量减少，使得车辆起动所需的时间缩短。杂质的示例包括从热交换器(车辆或固定体中的散热器)、管子、燃料电池组(即，离子交换膜、隔板)浸入冷却液的导电离子，以及浸入冷却液的其它成分。
可以通过例如在燃料电池不运转时暂时性地(或间歇性地)使泵(包括作为驱动源的电机)运转而使冷却液流过杂质去除装置。还可通过在冷却液中产生温度差从而产生对流而使冷却液流动。冷却液可以是例如去离子水或去离子水与添加剂的组合，或者水之外的冷却用液体。杂质去除装置可以是例如使用离子交换树脂作为过滤器的装置，或者组合了离子交换树脂和去除精细颗粒的过滤器的装置。
流动产生装置优选地包括用于检测冷却液中杂质的状态(例如数量)的杂质检测装置，以及用于在检测到所述杂质为预定量或高于预定量时起动燃料电池的起动控制装置。在这种情况下，在检测到杂质时使燃料电池运转是指例如当对燃料电池没有动力需求时(即，当燃料电池不运转时)为了去除杂质而起动燃料电池。因此，即使在燃料电池不运转时仍监控(监测)冷却液的状态，从而燃料电池能够在杂质的指标(即，杂质浓度)超过考虑到例如冷却液的绝缘电阻所允许的指标之前开始去除冷却液中的杂质。即使在没有设置电池(即，二次电池)或者电池的充电状态(SOC)低时，这种结构也能够使泵起动(激活)。
流动产生装置优选地包括用于检测冷却液中杂质的状态(例如数量)的杂质检测装置，以及用于在检测到所述杂质为预定量或高于预定量时使泵运转的泵控制装置。在这种情况下，使泵运转是指例如当对燃料电池没有动力需求时(即，当燃料电池不运转时)为了去除杂质而起动泵。因此，即使在燃料电池不运转时仍监控冷却液的状态。如果杂质的指标超过预定指标，起动泵以在燃料电池停止时仍使冷却液循环经过杂质去除装置以去除杂质。
流动产生装置还优选地包括用于向泵提供动力的电池。泵控制装置基于所述电池的SOC控制运转量(例如泵运转时间和泵输送压力)。因此，无需起动电池即可使泵运转以去除冷却液中的杂质。此外，通过根据电池的SOC调节泵的运转而防止电池的过放电。
杂质检测装置优选地基于泵停止后经过的时间量判断冷却液中杂质的状态(例如，数量)的变化。浸入冷却液的杂质(例如离子)关于已经过的时间量的杂质浓度(即，离子浓度或冷却液的导电率)特性可预先通过试验或仿真等获得，并存储在例如系统控制单元的非易失性存储器中。从而可基于经过的时间量推定(估计)冷却液中杂质(例如离子)的数量。此处，“泵停止后”这一用语可理解为例如冷却液不再能流入杂质去除装置之后，这是一种类似于泵停止的状态。
杂质检测装置优选地基于泵停止后经过的时间量和冷却液的温度判断冷却液中杂质的状态(例如数量)的变化。此处，“泵停止后”这一用语可理解为例如冷却液不再能流入杂质去除装置之后。杂质浓度(即，离子浓度或冷却液的导电率)特性使用杂质(例如离子)已处于冷却液中的时间(即，经过的时间)的量和冷却液温度作为参数。此杂质浓度特性可预先通过试验或仿真等获得，并存储在例如系统控制单元的非易失性存储器中。能够基于经过的时间量和温度推定冷却液中杂质(例如离子)的浓度。
流动产生装置可包括用于在冷却液通路内的一部分冷却液与其它地方的冷却液之间产生温度差的温度差产生装置。即使在燃料电池不运转时，此温度差在冷却液通路内产生对流，该对流使冷却液流过杂质去除装置从而去除杂质，而无需使泵运转。由于泵(或驱动电机)不运转，所以不仅能够减小系统消耗的能量，还能够减小运转噪声。
温度差产生装置可以是用于将冷却液通路外部的热能传递到冷却液通路内部的热传递装置。例如，该热传递装置对应于用于降低(或升高)冷却液通路的一部分的温度的热交换翅片、热管或散热器等。热交换翅片经受外部空气或来自某种其它热源的热，并与冷却液进行热交换。也可使用氢存储合金、加热器、加热的冷却液、或太阳热等的发热作为热源。
此外，热传递装置包括将冷却液通路外部的热能传递到冷却液通路内部的热交换器(例如车辆或固定体中的散热器)。热传递装置还可包括建立或取消用于冷却液进入热交换器的路径的切换阀。这不需要设置仅在燃料电池系统停止时使用的附加装置，因此简化了冷却系统的结构。
温度差产生装置可以是放热体或吸热体，例如加热器或热电部件。这能够在冷却液中主动产生温度差以便产生对流。
温度差产生装置可以是在燃料电池运转时存储热并在燃料电池不运转时将所述热传递给冷却液通路的蓄热器。因此，在燃料电池运转时存储所产生的热并在燃料电池不运转时使用所述热而不需要提供专门的热源。
蓄热器可以是存储冷却液的冷却液存储装置。蓄热器还可包括响应于温度差向冷却液通路供给在燃料电池运转时存储的加热的冷却液的供给控制装置。
杂质去除装置还可设置有用作冷却装置的热交换器(例如车辆或固定体中的散热器)。
此外，本发明的热交换器(例如散热器)可包括上容器和下容器、多个细管、以及杂质去除装置(例如，离子过滤器)。上容器和下容器存储冷却液。细管具有形成于其上的热交换翅片并连接上容器与下容器从而在其间传递冷却液。杂质去除装置并入(结合入)多个细管中的一部分，并去除冷却液中的杂质。
结果，能够将用于去除杂质(例如离子)的结构并入热交换器(例如散热器)中，从而能够在接近杂质浸入冷却液的位置去除杂质(例如离子)。此外，能够最小化为了去除杂质(例如离子)而添加到燃料电池的冷却系统的附加结构。
杂质去除装置可包括用于去除冷却液中的离子的离子交换树脂，以及用于去除冷却液中的颗粒的颗粒过滤器。
此外，优选地在嵌入杂质去除装置的细管与其它细管之间产生温度差。结果，在热交换器(例如散热器)中产生对流，从而使冷却液循环通过杂质去除装置。
根据本发明，另一种通过利用泵向燃料电池供给冷却液而调节燃料电池的温度的燃料电池的冷却系统包括用于基于泵停止后经过的时间量推定冷却液中的杂质量的杂质量推定装置。因此，可基于所推定的杂质量在燃料电池起动或停止时产生警告显示，并起动杂质去除装置以便去除冷却液中的杂质。另外，根据本发明，另一种燃料电池的冷却系统包括通过用泵向燃料电池供给冷却液调节燃料电池的温度的冷却装置，以及设置在用于冷却液的冷却液通路内用于去除冷却液中的杂质的杂质去除装置。该冷却系统还包括基于泵停止后经过的时间量推定冷却液中的杂质量的杂质量推定装置。这种结构使得即使在燃料电池不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，也能够通过预计冷却液中杂质浓度的增加并基于所述预计使泵运转预定时间段，来抑制冷却液中杂质的浓度增加。另外，根据本发明，一种燃料电池的冷却系统包括通过用泵向燃料电池供给冷却液调节燃料电池的温度的冷却装置，设置在用于冷却液的冷却液通路内用于去除冷却液中的杂质的杂质去除装置，以及用于在燃料电池的泵停止时使冷却液通路内的冷却液流过杂质去除装置的流动产生装置。该冷却系统中的流动产生装置包括用于基于泵停止后经过的时间量推定冷却液中的杂质量的杂质量推定装置，以及在所推定的杂质量超过预定值时使泵运转的泵控制装置。
这种结构使得即使在燃料电池不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，也能够通过预计冷却液中杂质浓度的增加并基于所述预计使泵运转预定时间段，来抑制冷却液中杂质浓度的增加。
杂质量推定装置优选地保持冷却液在一段时间上的杂质浓度增加特性，并由该特性推定对应于从系统停止后经过的时间的杂质浓度(或杂质量，导电率)。因此，即使不使用用于直接检测杂质浓度的检测装置(例如检测器)，也能够在从系统停止经过预定时间段之后去除冷却液中的杂质。
杂质量推定装置优选地利用冷却液的温度作为参数保持冷却液在一段时间上的杂质浓度增加特性，并由这些特性推定对应于系统停止后经过的时间和冷却液的温度的杂质浓度(或杂质量，导电率)。因此，即使不使用用于直接检测杂质浓度的检测装置(例如检测器)，也能够在从系统停止经过预定时间段之后去除冷却液中的杂质。
即使在燃料电池不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，本发明也能够通过使燃料电池的冷却液经过杂质去除装置而去除冷却液中的杂质。
图1是示出本发明的第一示例性实施例的视图；图2是示出根据第一示例性实施例的控制器的控制运转的流程图；图3是示出根据第一示例性实施例的运转的运转正时曲线图；图4是示出本发明的第二示例性实施例的视图；图5是示出根据第二示例性实施例的控制器的控制运转的流程图；图6是示出本发明的第三示例性实施例的视图；图7是示出根据第三示例性实施例的控制器的控制运转的流程图；图8是示出冷却液的导电率的增长趋势的曲线图；图9是示出当水泵运转时冷却液中的杂质离子随时间而减少的趋势的曲线图；图10是示出根据第四示例性实施例的控制器的控制运转的流程图；图11是示出本发明的第五示例性实施例的视图；图12是示出本发明的第六示例性实施例的视图；
图13是示出本发明的第七示例性实施例的视图；图14是示出本发明的第八示例性实施例的视图；图15是示出本发明的第九示例性实施例的视图；图16是示出根据本发明的第九示例性实施例电极之间的冷却液的电阻率(1/导电率)与由冷却液发热量之间的关系的曲线图；图17是示出本发明的第十示例性实施例的视图；图18是示出本发明的第十一示例性实施例的视图；图19是示出本发明的第十二示例性实施例的视图；图20是示出设置在离子过滤器上的翅片的一个示例的视图；图21是示出带翅片的离子过滤器的特征的截面图；图22是示出本发明的第十三示例性实施例的视图；图23是示出本发明的第十四示例性实施例的视图；以及图24是散热器的一部分的放大的截面图。
具体实施例方式
在下面的说明和附图中，将根据示例性实施例更详细地说明本发明。在本发明的示例性实施例中，即使在燃料电池不发电时，也可通过使冷却液经过用作杂质去除装置的离子过滤器而抑制浸入冷却液的诸如离子和颗粒的杂质的浓度增加。如第一至第五示例性实施例中那样，可以通过例如间歇性地运转的燃料电池的水泵(驱动泵)使冷却液循环而使其流过杂质去除装置。在这种情况下，可响应冷却液中杂质的状态(例如数量)，例如响应导电率或杂质浓度，使该泵间歇性地运转。或者，如第六至第十四示例性实施例所示的那样，可通过由燃料电池的冷却液中的温度差产生的对流使冷却液流过杂质去除装置。还可适当组合这些示例性实施例中的多个。
现在参照图1-3说明第一示例性实施例。当燃料电池不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，该示例性实施例能够在通过使水泵16间歇性地，即，仅在冷却液中的杂质离子浓度(导电率)增加时，运转来节约尽可能多的能量的同时，去除冷却液中的离子。
图1示意性地示出使水泵间歇性地运转的燃料电池系统的冷却系统。图2是示出该燃料电池系统的冷却系统中的控制器30的控制的流程图。图3是示出冷却液通路中杂质离子浓度(导电率)的变化的示例和响应杂质离子浓度被控制的水泵16的运转示例的曲线图。
在图1所示的燃料电池系统的冷却系统的结构中，散热器11用作使用外部空气使冷却液12冷却的热交换器。冷却液12主要是去离子水和不冻水。冷却液12经由冷却液通路14在散热器11与燃料电池13之间循环。设置有冷却液12可经由其循环的旁通通路19，该旁通通路绕过散热器11。转阀(rotary valve)15切换冷却液12的路径，将冷却液导向散热器11或旁通通路19。水泵16使冷却液12循环，而离子过滤器17去除冷却液12中的杂质。希望将离子过滤器17设置成接近冷却液进入燃料电池13的部位以便将已去除杂质离子的冷却液12提供至燃料电池13。可在离子过滤器17上设置用作在离子过滤器17与外部空气之间传递热的热传递装置的热交换翅片18(或带有嵌入翅片的热管)(见图19和图20)。下文将详细说明这些热交换翅片18。由燃料电池13产生的电能经由允许电力沿一个方向流动而防止其沿另一个方向流动的单向元件提供给例如二次电池42或驱动车辆电机的逆变器。
在冷却液通路14中设置有导电率检测计41，以检测冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)。来自导电率检测计41的输出被传送到控制器(或控制单元)30。控制器30控制将动力从二次电池42送往水泵16的驱动电路43的运转。控制器30还控制转阀15的路径切换运转。控制器30可以是例如作为燃料电池13的冷却控制系统单独设置的计算机系统，或者控制器30的功能可简单地通过燃料电池系统的控制计算机的功能实现。
现在参照图2和图3说明控制器30的控制运转。控制器30监控当燃料电池运转时燃料电池13的内部温度或冷却液12等的温度，并基于所监控的温度控制水泵16以调节冷却液12的流量，从而使燃料电池13的运转温度变得等于目标温度。当冷却液12的温度低时，控制器30还将转阀15切换至旁通通路19侧，以抑制冷却液12的温度进一步降低。当冷却液12的温度高时，控制器30将转阀15切换至散热器11侧，以降低冷却液12的温度，以便保持燃料电池13内部处于目标温度。当燃料电池运转时，冷却液12经由冷却液通路14循环并经过离子过滤器17，从而去除冷却液12中的杂质(例如离子)。因此，能够抑制冷却液12中的离子浓度(导电率)增加。
即使在燃料电池13不运转或当配备燃料电池的车辆的系统停止时，控制器30仍监控冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)。即，当燃料电池13不运转或当配备燃料电池的车辆的系统停止时，根据由内部计时器周期性产生的输出执行水泵间歇性运转控制模式(即，步骤S12中为是)。
控制器30读取导电率检测计41的输出(步骤S14)。当由于燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止而使水泵16停止时，冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)逐渐增加，如图3中的曲线图所示，该曲线图示出对应于冷却液12中的杂质离子浓度的导电率。
如果在燃料电池系统刚停止运转后冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)低于上限基准值ρmax(即，步骤S16中为否)并且低于下限基准值ρmin(即，步骤S22中为是)，控制器确定水泵16停止(即，步骤S24中为否)，控制结束(步骤S29)。
如果控制器30判定如图3所示杂质离子浓度(导电率)超过上限基准值ρmax(即，步骤S16中为是)，控制器30设定水泵标记为ON(步骤S18)并控制驱动电路43以起动水泵16(步骤S20)，然后控制结束(步骤S29)。当水泵16被起动时，其使冷却液12经由冷却液通路14循环，从而通过离子过滤器17去除冷却液12中的杂质离子。
控制器30以预定采样周期监控冷却液12中的杂质离子浓度，并在冷却液12中的杂质离子浓度变得大于上限基准值ρmax时起动水泵16(步骤S12至S20以及S29)。
如果水泵16被起动以利用离子过滤器17去除冷却液12中的杂质离子，且作为其结果杂质离子浓度减小以致杂质离子浓度小于上限基准值ρmax(即，步骤S16中为否)但等于或大于下限基准值ρmin(即，步骤S22中为否)，则控制器30继续使水泵16运转且控制结束(步骤S16、S22以及S29)。
如果冷却液12中的杂质离子浓度减小以致其小于下限基准值ρmin(即，步骤S16和S22中为是)，则控制器30确定水泵标记为ON(即，水泵16运转；即，步骤S24中为是)并控制驱动电路43以停止水泵16(步骤S26)。然后控制器30复位水泵标记(步骤S28)并结束水泵16的间歇性运转控制(步骤S29)。
当水泵16运转时(步骤S20)，控制器30可基于二次电池42的充电状态(下文中简称为“SOC”)设定泵运转时间和泵输送压力(即，泵运转量)。这能使二次电池42能够使用的时间尽可能地延长。
因此，控制器30能够通过以预定周期监控导电率检测计41的输出从而恒定监控冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)，并通过使水泵16如图3所示间歇性地运转而去除冷却液12中的杂质离子，来降低杂质离子浓度(导电率)从而抑制循环通过燃料电池13的冷却液12的绝缘电阻减小。这不需要在燃料电池起动时去除杂质离子以增大冷却液的绝缘电阻的过程，从而缩短了燃料电池的起动时间。而且，由于控制器30间歇性地，即，仅在需要时使水泵运转且仅使水泵运转必要的时间段，所以由二次电池42消耗的电能可保持为非常小。
根据第一示例性实施例，通过执行在杂质离子浓度超过上限基准值ρmax时起动水泵16并在杂质离子浓度低于下限基准值ρmin时停止水泵(见图3)的控制，能够防止其中水泵16重复且频繁地打开和关闭的摆动(hunting)。或者，当杂质离子浓度超过上限基准值ρmax时可起动水泵16预定时间段，一旦该预定时间段经过则停止水泵。该预定时间段可基于如图3所示各燃料电池的冷却系统内导电率随水泵16的运转时间增加而降低的特性来确定，该特性通过试验获得。
现在参照图4和图5说明本发明的第二示例性实施例。图4示意性地示出根据第二示例性实施例间歇性地起动水泵的燃料电池系统的冷却系统。在第二示例性实施例的说明中，图4和图5所示的燃料电池系统的冷却系统中与图1所示的燃料电池系统的冷却系统的部分对应的部分将使用与第一示例性实施例的说明中所用的相同的参考符号和术语。将省略对这些部分的冗余的说明。图5是示出根据第二示例性实施例控制器30对燃料电池系统的冷却系统的控制的流程图。
在第一示例性实施例中，水泵16由二次电池42驱动，而在第二示例性实施例中，燃料电池13被起动并用以驱动水泵16。因此，第二示例性实施例可应用于燃料电池系统中不设置二次电池42的场合下，或者即使设置了二次电池42，但二次电池42的SOC很低或者二次电池42出现问题(例如电池失效或电池功能降低)的场合下。
如图4所示，在第二示例性实施例中没有设置二次电池42。即使设置了二次电池42，当燃料电池13不运转或者配备燃料电池的车辆的系统停止时，仍使用燃料电池13作为提供动力以驱动水泵16的动力源。第二示例性实施例的其它结构与第一示例性实施例的相同。
接下来，参照图5说明根据第二示例性实施例的控制器30的控制运转。图5所示流程图中与图2所示流程图中的部分对应的部分以相同的参考符号表示。即使在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，控制器30仍监控冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)。即，当燃料电池13不运转或当配备燃料电池的车辆的系统停止时，根据由内部计时器周期性产生的输出执行水泵间歇性运转控制模式(即，步骤S12中为是)。
控制器30读取导电率检测计41的输出(步骤S14)。当由于燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止而使水泵16停止时，冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)逐渐增加，如示出对应于冷却液12中的杂质离子浓度的导电率的图3中的曲线图所示。如果在燃料电池系统刚停止运转后冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)低于上限基准值ρmax(即，步骤S16中为否)并且低于下限基准值ρmin(即，步骤S22中为是)，控制器确定水泵16停止(即，步骤S24中为否)，控制结束(步骤S29)。
如果控制器30判定如图3所示杂质离子浓度(导电率)超过上限基准值ρmax(即，步骤S16中为是)，则控制器30设定水泵标记为ON(步骤S18)并向燃料电池13提供空气和燃料气体(未示出)，从而起动燃料电池并确保动力能够提供至水泵16(步骤S19)。控制器30控制驱动电路43以起动水泵16(步骤S20)，然后控制结束(步骤S29)。当水泵16被起动时，其使冷却液12经由冷却液通路14循环，从而通过离子过滤器17去除冷却液12中的杂质离子。
控制器30以预定采样周期监控冷却液12中的杂质离子浓度，并在冷却液12中的杂质离子浓度变得大于上限基准值ρmax时起动水泵16(步骤S16至S20以及S29)。如果水泵16被起动以利用离子过滤器17去除冷却液12中的杂质离子，且作为其结果杂质离子浓度减小以致杂质离子浓度小于上限基准值ρmax(即，步骤S16中为否)但等于或大于下限基准值ρmin(即，步骤S22中为否)，则控制器30继续使水泵16运转且控制结束(步骤S16、S22以及S29)。
如果冷却液12中的杂质离子浓度减小以致其小于下限基准值ρmin(即，步骤S16和S22中为是)，则控制器30确定水泵标记为ON(即，水泵16运转；即，步骤S24中为是)并控制驱动电路43以停止水泵16(步骤S26)。中断向燃料电池13的空气和燃料气体供给且燃料电池13停止运转(步骤S27)。然后控制器30复位水泵标记(步骤S28)并结束水泵16的间歇性运转控制(步骤S29)。
在第二示例性实施例中，同样通过使得用以触发水泵16的起动的上限基准值ρmax不同于用以触发水泵16的减活的下限基准值ρmin，防止水泵16频繁和重复性地打开和关闭。
因此，如第一示例性实施例中一样，控制器30能够通过以预定周期监控导电率检测计41的输出从而恒定监控冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)，并通过使水泵16如图3所示间歇性地运转而去除冷却液12中的杂质离子，来防止循环流过燃料电池13的冷却液12的绝缘电阻减小。这不需要在燃料电池起动时去除杂质离子以增大冷却液的绝缘电阻的过程，从而缩短了燃料电池的起动时间。另外，由于控制器30在需要时通过起动燃料电池13而起动水泵16，因此该示例性实施例还可应用于其中不具有二次电池42的结构(见图1)。
此外，即使在设置二次电池42的情况下，当二次电池42的SOC很低时，可以通过从第一示例性实施例的控制模式切换到第二示例性实施例的控制模式而在对二次电池42充电的同时驱动水泵16。这还使得能够防止二次电池42的所谓的电池放电。
同样，在该示例性实施例中，如果杂质离子浓度超过上限基准值ρmax，也可起动燃料电池13和水泵16预定时间段，一旦该预定时间段经过则停止燃料电池和水泵。该预定时间段可基于如图3所示各燃料电池的冷却系统内导电率随水泵16的运转时间增加而降低的特性来确定，该特性通过试验获得。
根据上述第一和第二示例性实施例，如果在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时冷却液12中的离子浓度(导电率)超过预定值，则使水泵16暂时性地运转以去除冷却液12内的离子。
此外，在第一和第二示例性实施例中，可组合使用下文将说明的离子过滤器17和热交换翅片18以去除杂质。这样做增加了冷却液12中的离子浓度(导电率)超过上限基准值ρmax所需的时间，由此减小了水泵16被起动的次数，从而节约了能量。
现在参照图6-9说明本发明的第三示例性实施例。图6示意性地示出根据第三示例性实施例间歇性地起动水泵的燃料电池系统的冷却系统。图7是示出根据第三示例性实施例控制器30对燃料电池系统的冷却系统的控制的流程图。图8是示出冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)随时间以及冷却液温度的升高而增大的趋势的曲线图。图9是示出当水泵16运转且冷却液12被泵送经过离子过滤器17时冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)减少的趋势的曲线图。
在第三示例性实施例中，基于燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止之后经过的时间，或经过的时间以及冷却液12的温度，推定冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)。如果杂质离子浓度大于预定值，则水泵16仅被起动对应于所推定的杂质离子浓度的时间段。
在第三示例性实施例的说明中，图6所示燃料电池系统的冷却系统中与图1所示燃料电池系统的冷却系统的部分对应的部分将使用与第一示例性实施例的说明中所用的相同的参考符号和术语。将省略对这些部分的冗余的说明。此示例性实施例与第一和第二示例性实施例的不同之处在于不包括导电率检测计41而包括用于检测冷却液12的温度的温度计44。由于燃料电池13的运转控制系统(未示出)适当地包括用于检测包括冷却液的燃料电池系统的各部分的温度的装置，可以使用该装置的输出。温度计44的输出被提供给控制器30。
由于温度和时间是离子浸入冷却液12中(即，冷却液12的导电率)的因素，所以在控制器30的存储器中预存储如图8所示冷却液温度作为参数的随时间的杂质离子浓度(导电率)特性(即，离子浓度(导电率)根据冷却液温度和经过的时间而增加的曲线图)。另外，还可存储较简单的导电率随运转停止后的时间而增加的特性。
如图9所示，在控制器30的存储器中还预存储有所去除的杂质离子量相对于水泵的运转时间的特性的示例。第三示例性实施例的其它结构与第一示例性实施例的相同。
接下来，参照图7说明控制器30的运转。即使在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，控制器30仍监控冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)。即，在水泵间歇性运转控制期间，在燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止之后，起动未示出的内部计时器，并开始计算(计时)在燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止之后经过的时间。另外，在燃料电池13停止运转或车辆系统停止时，根据由内部计时器周期性产生的输出执行水泵间歇性运转控制(即，步骤S32中为是)。
控制器30读取温度计44的当前输出(步骤S34)。然后控制器30读取内部计时器的输出以及从燃料电池13停止运转到当前时刻经过的时间(步骤S36)。然后控制器30从图8所示预存储于控制器30的存储器中的一组随时间的杂质离子浓度(导电率)特性曲线中选择所读取温度的特性曲线(或直线)(步骤S38)。控制器30从所选择的特性曲线读取随时间的杂质离子浓度(导电率)并推定当前杂质离子浓度(导电率)(步骤S40)。然后控制器30判断当前杂质离子浓度(导电率)是否大于上限基准值ρmax(步骤S42)。
如果控制器30判定当前杂质离子浓度(导电率)不大于上限基准值ρmax(即，步骤S42中为否)，则控制结束(步骤S58)。
另一方面，如果控制器30判定当前杂质离子浓度(导电率)大于上限基准值ρmax(即，步骤S42中为是)，则控制器30前进以读取存储于存储器中的如图9所示的特性曲线(或直线)，并推定为将当前杂质离子浓度(导电率)降至小于上限基准值ρmax的目标浓度(例如能够被离子过滤器去除的最大浓度，下文称为“去除极限浓度”)ρ0所需的水泵16的运转时间(步骤S44)。然后控制器30设定内部计时器至所推定的运转时间(步骤S46)，并控制驱动电路43开始从二次电池42向水泵16提供动力(步骤S50)。水泵16继续运转直到内部计时器被设定的、所推定的运转时间经过(即，步骤S52中为否；步骤S50)。
一旦所推定的运转时间经过(即，步骤S52中为是)，则控制器30停止水泵16(步骤S54)，复位内部计时器并开始计算程序的该循环的步骤S54与程序的下一循环的步骤S36之间的时间。在步骤S54之后程序结束(步骤S58)。
在水泵停止时(步骤S54)，杂质离子浓度(导电率)被推定为去除极限浓度ρ0。因此，通过周期性地重复步骤S32至S58，每当对应于冷却液12中的杂质离子浓度的预定时间段(或设定的时间段)经过时，水泵被暂时性地起动以去除冷却液12中的杂质离子。
如果在图8所示的特性曲线中没有对应于所检测温度的特性曲线，可以使用插值法从最近的特性曲线获得对于该温度的适当的特性曲线。第三示例性实施例不需要导电率检测计41及其相关的控制系统。由于水泵16仅间歇性地运转，因此能够减小二次电池42的放电。
现在参照图10说明第四示例性实施例。根据此示例性实施例，水泵16通过燃料电池13提供电力，而不是如图6-9中所示的第三示例性实施例那样通过二次电池42提供电力。第四示例性实施例的其它结构与第三示例性实施例的相同。
现在参照图10说明此示例性实施例中控制器34的运转。即使在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，控制器30仍监控冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)。即，在水泵间歇性运转控制期间，在燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止之后，起动未示出的内部计时器，并开始计算从燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止之后经过的时间。另外，在燃料电池1不运转或车辆系统停止时，根据由内部计时器周期性产生的输出执行水泵间歇性运转控制(即，步骤S32中为是)。
控制器30读取温度计44的当前输出(步骤S34)。然后控制器30读取内部计时器的输出以及从燃料电池13停止运转到当前时刻经过的时间(步骤S36)。然后控制器30从图8所示预存储于控制器30的存储器中的随时间的杂质离子浓度(导电率)特性曲线中选择所读取温度的特性曲线(或直线)(步骤S38)。控制器30从所选择的特性曲线读取随时间的杂质离子浓度(导电率)并推定当前杂质离子浓度(导电率)(步骤S40)。
然后控制器30判断当前杂质离子浓度(导电率)是否大于上限基准值ρmax(步骤S42)。
如果控制器30判定当前杂质离子浓度(导电率)不大于上限基准值ρmax(即，步骤S42中为否)，则控制结束(步骤S58)。
另一方面，如果控制器30判定当前杂质离子浓度(导电率)大于上限基准值ρmax(即，步骤S42中为是)，则控制器30前进以读取存储于存储器中的如图9所示的特性曲线(或直线)，并推定为将当前杂质离子浓度(导电率)降至小于上限基准值ρmax的目标浓度(例如去除极限浓度)ρ0所需的水泵16的运转时间(步骤S44)。
然后控制器30设定内部计时器至所推定的运转时间(步骤S46)，并控制驱动电路43以开始从二次电池42向水泵16提供电力(步骤S50)。水泵16继续运转直到内部计时器被设定的、所推定的运转时间经过(即，步骤S52中为否；步骤S50)。
一旦所推定的运转时间经过(即，步骤S52中为是)，则控制器30停止水泵16(步骤S54)，复位内部计时器并开始计算程序的该循环的步骤S54与程序的下一循环的步骤S36之间的时间。在步骤S54之后程序结束。然后控制器30通过停止对燃料电池13的空气和燃料气体供给而停止燃料电池13(步骤S56)，然后程序的该循环结束(步骤S58)。
由于通过燃料电池13驱动水泵16，因此该第四示例性实施例还可应用于不设置二次电池42的场合下。另外，在设置二次电池42的场合下，能够在水泵运转的同时对二次电池42充电。
此外，在设置二次电池42的情况下，当二次电池42具有足够的电荷时，可以如第三示例性实施例那样使用二次电池向水泵16提供动力。然后，如果二次电池42变得过放电，可以切换控制以便如第四示例性实施例那样起动燃料电池13并使用燃料电池向水泵16提供电力。
参照图11说明本发明的第五示例性实施例。图11中与图1中的部分对应的部分将使用相同的参考符号，并省略对这些部分的说明。
在第五示例性实施例中，燃料电池的冷却系统被设计成冷却液存储在主容器中，以及使用离子过滤器去除主容器中冷却液的杂质离子。此示例性实施例通过在燃料电池不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时间歇性地驱动水泵以使主容器中的冷却液流过离子过滤器来抑制冷却液中杂质离子浓度(导电率)增加。
参照图11，散热器11、燃料电池13、水泵16以及主容器21连接到冷却液通路14。运转水泵16使冷却液12循环通过燃料电池13。水泵23和离子过滤器17经由冷却液副通路22连接到存储冷却液12的主容器21。运转水泵23使主容器21中的冷却液循环通过离子过滤器17。水泵16和23都由控制器30控制。导电率检测计41设置在主容器内并将检测结果输出至控制器30。该燃料电池的冷却系统的其它结构与图1所示的相同。
因此，如果杂质离子浓度超过预定值，则控制器30基于上述杂质离子浓度(导电率)，或者根据第一示例性实施例(见图2)控制水泵23，其中间歇性地起动水泵23，或者根据第二示例性实施例(见图5)控制水泵23，其中以相同的方式、但是在首先起动燃料电池13之后间歇性地起动水泵23。控制器30除起动水泵23之外还可起动水泵16，从而能够去除燃料电池13、冷却液通路14以及散热器11中的杂质。
如果使用温度计44代替导电率检测计41，则控制器30根据经过的时间量推定杂质离子浓度(导电率)，并根据第三示例性实施例(见图7)控制水泵23，其中间歇性地起动水泵23，或者根据第四示例性实施例(见图10)控制水泵23，其中以相同的方式、但是在首先起动燃料电池13之后间歇性地起动水泵23。
或者，在第五示例性实施例中，当燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，可首先用二次电池42为水泵23提供动力，然后当二次电池42过放电(即，缺少足够的电荷)时起动燃料电池13。
在根据第五示例性实施例的燃料电池的冷却系统中，离子过滤器17设置在冷却液副通路22中，与离子过滤器17设置在冷却液通路14中时相比造成的压力损失较小，从而更有利。此结构还能够通过在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时间歇性地驱动水泵而抑制冷却液中杂质离子浓度的增加，缩短燃料电池起动所需的时间。
参照图12说明本发明的第六示例性实施例。图12中与图1中的部分对应的部分将使用相同的参考符号，并省略对这些部分的说明。
上述实施例中的每一个都设计成在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时通过使冷却液流过离子过滤器而抑制冷却液中杂质离子浓度(导电率)增加。在上述示例性实施例的每一个中，这通过在冷却液通路中产生能够在其中产生对流的温度差而实现。此对流起作用以迫使冷却液经过离子过滤器，从而减小冷却液中的杂质离子浓度(导电率)。
在第六示例性实施例中，设置在燃料电池13运转时临时存储过量的氢的氢吸收合金(储氢合金)容器51。此氢吸收合金是与氢反应变为金属氢化物的合金。氢吸收合金具有以下性能，即，在氢气条件下，在气体压力升高或氢吸收合金的温度降低时吸收氢并发热，在气体压力降低或氢吸收合金的温度升高时释放氢并吸收热。氢吸收合金容器51中的这种热用作在冷却液12中产生对流的热源。
参照图12，氢吸收合金容器51设置在水泵16与离子过滤器17之间。连接水泵16与离子过滤器17的冷却液通路14经过氢吸收合金容器51。在氢吸收合金容器51内部的冷却液通路14上形成在冷却液12与氢气之间进行热交换的翅片。在氢吸收合金容器51内部设置吸收或释放氢气的氢吸收合金。
一气体供应管路经由减压阀53和流量阀54连接氢吸收合金容器51与用以存储氢气的高压容器52。另一气体供应管路经由减压阀53和流量阀55连接高压容器52与燃料电池13。在冷却液通路14内设置有检测冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)的导电率检测计41。导电率检测计41的输出被输送至控制器30。
图中未示出用以向燃料电池13提供空气的供给系统。控制器30监控杂质离子浓度(导电率)并控制减压阀53以及流量阀54和55。第五示例性实施例的其它结构与第一示例性实施例的相同。
此示例性实施例的运转如下。在燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止之前，控制器30优选地将转阀15切换至旁通通路19侧，以便减小冷却液通路14中的阻力并便于冷却液12通过离子过滤器17的循环(这将应用于下文所述的图13和图15所示的示例)。
当燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止，并且控制器30检测到冷却液12中杂质浓度(导电率)增加(例如，见图2)或已经过对应于阈值杂质浓度(导电率)的预定时间段(例如，见图7)时，控制器30允许氢气从高压氢容器52经由减压阀53和流量阀54流向氢吸收合金容器51，从而增大氢吸收合金容器51的内部压力并使氢吸收合金吸收氢气。结果，在氢吸收合金容器51中发热。
冷却液通路14经过氢吸收合金容器51并且热从氢吸收合金经由翅片传送到冷却液通路14中的冷却液12。结果，在带翅片的冷却液通路14部分与不带翅片的冷却液通路14部分之间产生温度差。该温度差产生使冷却液循环通过离子过滤器17的对流，从而减小杂质(例如，离子)。在此示例中，氢吸收合金容器51和翅片对应于热传递装置。当冷却液12中的杂质浓度(导电率)下降或预定量的氢气被从高压容器52传送到氢吸收合金容器51中时，控制器30关闭减压阀53和流量阀54并停止氢气的供给。只要氢吸收合金能够吸收氢气，控制器30就重复该运转以减小杂质浓度(导电率)。
当氢吸收合金容器51不再能吸收更多的氢气或已给出起动配备燃料电池的车辆的指令时，控制器30打开减压阀53和流量阀55从而使高压容器52中的氢气流向燃料电池13，然后燃料电池起动。当燃料电池13起动时，冷却液12的温度升高。当冷却液通路14和氢吸收合金容器51内部的翅片由冷却液12加热，从而使氢吸收合金加热时，氢气从氢吸收合金容器51内部的氢吸收合金释放。然后控制器打开流量阀54以便允许从氢吸收合金容器51释放的氢气经由流量阀55流动。当氢吸收合金容器51中的氢气已被释放时，其可用于下一次加热冷却液12。氢吸收合金容器51可设置在燃料电池13的出口或靠近散热器11处。将氢吸收合金容器51设置在靠近散热器11处使得能够增大散热器与该容器之间的温度差。
在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，当冷却液12中杂质离子浓度(导电率)增加时，代替运转水泵16以迫使冷却液12通过离子过滤器17以去除冷却液12中的杂质离子，此示例性实施例使用由氢吸收合金发热在冷却液通路中产生对流，并使用该对流使冷却液12通过离子过滤器17以去除冷却液12中的杂质离子。结果，此示例性实施例减小了从冷却液12去除杂质离子消耗的电能。
参照图13说明本发明的第七示例性实施例。图13中与图1中的部分对应的部分将使用相同的参考符号，并省略对这些部分的说明。
在第七示例性实施例中，在冷却液通路中设置热电部件，以便在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时在冷却液通路中产生温度差。因此，如果冷却液中的杂质离子浓度(导电率)超过基准值，或者已经过与冷却液中的杂质离子浓度增加所对应的预定时间段，则该热电部件被通电以在冷却液通路之间产生对流。此对流使冷却液循环通过离子过滤器，从而抑制冷却液中的杂质离子浓度(导电率)增加。
如图13所示，在此示例性实施例中，用作在冷却液通路14中产生对流的热源的热电部件45设置在连接水泵16与离子过滤器17的冷却液通路14中。通过二次电池42经由驱动电路(或切换电路)46向热电部件45提供动力。此外，设置在冷却液通路14中的导电率检测计41检测冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)并向控制器30输出指示所述杂质离子浓度的信号。其它结构与图1中所示的相同。热电部件45也可设置在燃料电池13的出口或靠近散热器11处等位置。
根据此示例性实施例的结构，如果如上所述在燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止之后杂质离子浓度(导电率)超过基准值(例如，见图2)或者在燃料电池13停止运转之后已经过预定时间段(例如，见图7)，则控制器30控制热电部件45使得该热电部件用作热源(或热交换器)以在冷却液12中产生对流，该对流使冷却液12通过离子过滤器17以去除离子。热电部件45可间歇性地运转。
参照图14说明本发明的第八示例性实施例。图14中与图1中的部分对应的部分将使用相同的参考符号，并省略对这些部分的说明。
在此示例性实施例中，当燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，使用在燃料电池运转期间被加热的冷却液作为在冷却液通路中产生温度差的热源。
参照图14，此示例性实施例设置有作为蓄热器的保温罐(保温容器)62，该保温罐经由流量阀61和63连接到连接水泵16与离子过滤器17的冷却液通路14。诸如散热器11、燃料电池13、冷却液通路14、转阀15以及水泵16的结构与图1所示的示例相同。
在燃料电池13运转期间，此示例性实施例中的控制器30打开流量阀61和63以使加热的冷却液12进入保温罐62。然后控制器30关闭流量阀61和63并将加热的冷却液12存储在保温罐62中，冷却液12在保温罐62中保持加热状态。如果在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)升高(例如，见图2)或者在燃料电池13停止之后已经过预定时间段(例如，见图7)，则控制器30打开流量阀61和63并允许加热的冷却液12从保温罐62流出以在冷却液14中产生对流。从而使冷却液12循环通过离子过滤器17以减少冷却液12中的离子并降低杂质浓度(导电率)。或者，保温罐62可设置在燃料电池13的出口或靠近散热器11处。
根据控制器30的另一种控制模式，可将来自外部而不是来自冷却液通路14的热存储在保温罐62中的冷却液中。此外，在配备燃料电池的车辆的情况下，也可将来自车辆中的电机、空调装置或逆变器的废热积聚在保温罐中。因此，可使用废热在冷却液12中产生对流。
参照图15和图16说明本发明的第九示例性实施例。图15中与图1中的部分对应的部分将使用相同的参考符号，并省略对这些部分的说明。
此示例性实施例使用冷却液自身作为发热体(即，热源)。另外，使用冷却液中的杂质离子浓度(导电率)控制加热电流。参照图15，在水泵16与离子过滤器17之间的冷却液通路14中彼此相对地设置有一对电极71和72。可从二次电池42经由开关73向这些电极71和72施加电压。诸如散热器11、燃料电池13、冷却液通路14、转阀15以及水泵16的结构与图1所示的示例相同。
当燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，根据此结构的控制器30接通开关73，从而从二次电池42施加电压。当杂质离子浓度(导电率)高时，较大的电流在电极71与电极72之间流动。当杂质离子浓度(导电率)低时，较小的电流在电极71与电极72之间流动。
因此，当杂质离子浓度(导电率)低(即，电流小)时，在电极71与电极72之间的冷却液12中不发热，或者即使发热，发热也不足以在冷却液通路14中产生对流。当杂质离子浓度(导电率)高(即，电流大)时，在电极71与电极72之间的冷却液12中发热量较大，从而在电极71与电极72之间的冷却液12被加热至在冷却液通路14中产生对流的温度。此对流继而使冷却液12流过离子过滤器17，从而去除杂质(例如离子，溶解的材料，以及颗粒)。
根据此示例性实施例，当冷却液12循环通过离子过滤器17时，冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)减小。当冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)减小后，电极71与电极72之间运行的电流减小至极小的量或者完全停止。当在电极71与电极72之间的冷却液12中不再发热时，通过对流引起的冷却液12的循环停止。当循环停止时，冷却液12中的杂质离子浓度再次增大，并且随着其增大，电流再次在电极71与电极72之间的冷却液12中流动。这样，通过由加热的冷却液12实现的冷却液12循环通过离子过滤器17，杂质离子被去除。
因此，能够自行调节冷却液中的杂质离子的去除。与如上述示例性实施例中基于例如杂质离子浓度(导电率)的检测结果和燃料电池停止后经过的时间的控制机构相比，这能够使去除冷却液12中的杂质离子的结构更简单。
图16是示出冷却液12的电阻率(即，导电率的倒数)与发热量之间的关系的曲线图。当冷却液12的导电率高时，在冷却液12中流动的电流增加，从而冷却液12发热。当冷却液12的导电率低时，在冷却液12中流动的电流减小，从而冷却液12不发热或仅少量发热。在电极之间流动的电流和电流之间的电阻由电极之间的距离、电极相对的表面积、施加的电压以及冷却液的导电率决定。或者，电极71和72也可设置在燃料电池13的出口或靠近散热器11处。
如上所述，当电极71与电极72之间的冷却液12发热时，在冷却液通路14中产生对流。当经过离子过滤器17的冷却液12的量增加时，电极71与电极72之间的导电率下降。结果，在冷却液12中发热量较少，使得对流停止。当对流停止时，浸入冷却液12的杂质(例如，离子)增加，从而电极之间的冷却液12被再次加热。重复此过程去除冷却液12中的杂质，从而抑制燃料电池13的绝缘性能下降。
参照图17说明本发明的第十示例性实施例。图17中与图1中的部分对应的部分将使用相同的参考符号，并省略对这些部分的说明。此示例性实施例使用为热交换器的散热器11作为在冷却液12中产生对流的热源。诸如散热器11、燃料电池13、冷却液通路14、转阀15以及水泵16的结构与图1所示的示例相同。
当燃料电池13停止运转或配备燃料电池的车辆关闭时，此示例性实施例中的控制器30设定转阀15使得流动路径导向散热器11。结果，在散热器11中且被外部空气冷却(或加热)的冷却液12与其它地方的冷却液12之间产生温度差。此温度差在冷却液通路14产生中对流，该对流使冷却液12流入离子过滤器17，从而去除冷却液12中的离子。
此结构不需要增加热交换器(例如翅片18)。在常规车辆中，使用恒温阀(thermostat valve)代替转阀15。在这种情况下，当系统停止后冷却液的温度下降时，恒温阀关闭，从而冷却液流经旁通通路19而不流经散热器11。此示例性实施例通过采用转阀15并在燃料电池13停止时使用控制器30切换转阀15而解决了这一问题。转阀15也可设置成与恒温阀并行。
参照图18说明本发明的第十一示例性实施例。图18中与图11中的部分对应的部分将使用相同的参考符号，并省略对这些部分的说明。
在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，此示例性实施例通过在冷却液副通路22中设置热源而在冷却液中产生对流。结果，主容器中的冷却液循环通过设置在冷却液副通路22中的离子过滤器，从而去除冷却液中的杂质离子。
参照图18，在冷却液副通路22中设置有热源24，通过该热源，连接主容器21与离子过滤器17的冷却液12循环。热源24可以是多种结构中的任何一种，例如氢吸收合金容器51(图12中所示)，热电部件45(图13中所示)，保温罐62(图14所示)，或冷却液本身(图15所示)。
通过提供包括这种冷却液副通路的结构，即使在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，也可不间断地或者当冷却液12中的杂质离子浓度(导电率)超过基准值时或在燃料电池13停止之后已经过预定时间段时在冷却液副通路22中产生对流。结果，冷却液12经过离子过滤器17，从而抑制杂质离子浓度的增加。
参照图19说明本发明的第十二示例性实施例。图19中与图1中的部分对应的部分将使用相同的参考符号，并省略对这些部分的说明。
图19中所示的用于燃料电池13的冷却系统包括用作使用外部空气冷却冷却液12的热交换器的散热器11，冷却液12，燃料电池13，冷却液通路14，转阀15，水泵16，离子过滤器17，热交换翅片或热管18，旁通通路19，以及控制器30。更具体地，离子过滤器17设置在靠近燃料电池13的冷却液入口处。结果，已去除杂质离子的冷却液12被提供给燃料电池13。
控制器30控制转阀15和水泵16。控制器30可以是例如作为燃料电池13的冷却控制系统单独提供的计算机系统，或者控制器30的功能可简单地通过燃料电池系统的控制计算机的功能实现。
图20是设置在冷却液通路14的一部分上的离子过滤器17和散热翅片18的透视图。图21是图20中所示的具有散热翅片18的离子过滤器17在冷却液通路14的轴向所切的透视图。
如图所示，包括去除精细颗粒的离子交换树脂171和过滤器的离子过滤器17设置在冷却液通路14的一部分中(在图中所示的示例中，在所述管中)。所述离子交换树脂171吸收从燃料电池组等浸入冷却液12的离子。离子交换树脂171与多个热交换翅片18接触。这些热交换翅片18的径向外部与冷却液通路14的外侧的热源接触，而这些热交换翅片18的径向内部与离子交换树脂171接触。
热交换翅片18根据外部热源与内部冷却液12之间的温度差通过热传导冷却或加热离子交换树脂171和冷却液12。当外部空气的温度高于冷却液12的温度时，冷却液12沿由图21中实线所示的箭头所指示的方向流动。当外部空气的温度低于冷却液12的温度时，冷却液12沿由图21中虚线所示的箭头所指示的方向流动。由于冷却液12具有很大的热容量，所以冷却液12的温度跟随外部空气的温度的变化而变化具有延迟。此延迟导致外部空气与冷却液12之间的温度梯度，使得能够使用热交换翅片18进行热交换。
另一种通过热传导进行热交换的方法对于冷却液14中带热交换翅片18的部分采用容纳流体热载体的热管。
根据这种结构，当燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，控制器30切换转阀使得流动路径经由旁通通路19以有助于冷却液12通过离子过滤器17的循环。使用热源例如热交换翅片18周围的外部空气在离子过滤器17部位产生离子过滤器17部位处的冷却液12与其它部位的冷却液12之间的温度差。从而，此温度差在冷却液通路14中产生对流。
即使在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，这种对流也可使冷却液12循环通过离子过滤器17，从而最大程度地抑制杂质离子浓度(导电率)的增加。结果，能够避免冷却液12的绝缘电阻减小，从而缩短燃料电池13的起动时间。
当燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，第十二示例性实施例能够抑制冷却液12中离子浓度的增加而无需使用动力(例如，无需使用水泵或加热器)。此外，在用于车辆的情况下，能够防止蓄电池消耗和燃料效率下降。当燃料电池13的运转或配备燃料电池的车辆的系统将停止很长时间时，尤其优选此示例性实施例。
而且，在燃料电池13运转期间当燃料电池13的温度很高时，此示例性实施例能够增大通过热交换翅片18释放到外部的热量。因此，能够将散热器11做得更小，这也是一个优点。
参照图22说明本发明的第十三示例性实施例。图22中与图11中的部分对应的部分将使用相同的参考符号，并省略对这些部分的说明。根据此示例性实施例，在图19中所示的示例性实施例中使用的带翅片的离子过滤器17设置在冷却液副通路22中。使用热源例如翅片周围的外部空气在冷却液中产生温度差，此温度差继而在冷却液副通路22中产生对流。即使在燃料电池13不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，这种对流也可使冷却液12循环通过离子过滤器17。
在图22中，示出设置在冷却液副通路22中的离子过滤器17上具有热交换翅片18，如图21中所示。这些翅片18在其周围的大气与冷却液12之间传热。从而，即使在由于燃料电池13已停止运转或配备燃料电池的车辆的系统已关闭而导致水泵23不再运转时，也可在靠近翅片18的冷却液12与其它地方的冷却液12之间产生温度差，此温度差在冷却液副通路22中产生对流，使冷却液12移动通过离子过滤器17。
结果，能够去除冷却液12中的杂质离子，从而抑制主容器21内冷却液12中杂质浓度的增加。因此，能够防止冷却液12的绝缘电阻减小，从而缩短燃料电池13的起动时间。
参照图23和图24说明本发明的第十四示例性实施例。在上述实施例中的每一个中使用散热器11。在散热器11内部设置离子过滤器17能够去除冷却液12中的杂质离子而无需很大地改变用于燃料电池的冷却液的结构。散热器11布置在能够很好地通风的位置，例如车辆的前部，从而其能够更直接地经受外部空气温度的变化。
如图23所示，在散热器11中，多个细管114连接位于散热器11上部的上容器111与位于散热器11下部的下容器112。在这些细管114的每一个上形成有散热翅片113。尽管图中未示出，但冷却液通路14连接到上容器111和下容器112。
图24是图23中所示的散热器11中离子过滤器17的一部分的放大的截面图。如图24所示，多个细管114中的一部分用作填充有离子交换树脂171的离子过滤器17。可适当地设定所使用的离子交换树脂171的量以及细管114的内径和数量。在细管114的两个端侧设置有用于去除外部物质例如精细颗粒的过滤器172。或者，这些过滤器172可设置在细管114内部。
在相关技术中，如上所述，当水泵16由于例如燃料电池停止运转或配备燃料电池的车辆的系统停止而停止时，冷却液12停止流动。结果，离子浸入冷却液12，增大了冷却液中杂质的浓度。根据此示例性实施例，当燃料电池13停止运转时，散热器11在冷却液通路14中产生温度差，该温度差产生对流。在用于车辆的情况下，可通过改变散热器11的布置或散热器11的气流设计而适当地设定此温度差。当在填充有离子交换树脂117的细管114与冷却液通路之间产生温度差时，在散热器11内的冷却液12中产生对流。此对流使冷却液12循环通过离子交换树脂171，从而使得能够减小冷却液12中的离子的浓度(即，导电率)。
根据此示例性实施例，离子可在其容易浸入冷却液12的散热器(其是离子产生源)中被去除，从而能够获得很好的离子去除效率。而且，此示例性实施例能够容易地应用而无需改变常规冷却系统的结构。
根据本发明的上述示例性实施例，在燃料电池不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时，当冷却液中的杂质离子浓度(导电率)超过基准值时，使水泵间歇性地运转。冷却液循环通过离子过滤器去除冷却液中的杂质离子，从而能够实现所需的冷却液的绝缘电阻。这不需要在燃料电池起动时处理冷却液，使得能够缩短燃料电池的起动时间。而且，由于水泵间歇性地，即，仅在需要时运转，所以能够节约电能。
此外，根据一个示例性实施例，当从燃料电池不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止经过预定时间段时，水泵间歇性地运转。如上面所提及的，冷却液循环通过离子过滤器去除冷却液中的杂质离子，从而能够实现所需的冷却液的绝缘电阻。这不需要在燃料电池起动时处理冷却液，使得能够缩短燃料电池的起动时间。而且，由于水泵间歇性地，即，仅在需要时运转，所以能够节约电能。
根据另一个示例性实施例，使用热源在冷却液中产生对流，此对流使冷却液循环通过离子过滤器以去除冷却液中的杂质离子，从而能够实现所需的冷却液的绝缘电阻。这不需要在燃料电池起动时处理冷却液，使得能够缩短燃料电池的起动时间。而且，由于水泵间歇性地，即，仅在需要时运转，所以能够节约电能。
上述示例性实施例中给出的热源的示例包括氢吸收合金容器、冷却液、热电部件、传导加热、外部空气温度等。也可使用所提及示例之外的热源，例如直接日光。来自直接日光的热可用以直接加热某些冷却液以产生对流，或者借助于热管等传递以产生对流。
此外，上述示例性实施例中的特征或特征性结构可在适当时结合使用。例如，图20中所示的带翅片的离子过滤器也可用于水泵间歇性运转的示例性实施例(例如，见图1、4和9)。带翅片的离子过滤器还可用于使用单独的热源产生对流的示例性实施例(例如，见图12、13、14和15)。类似这种结合可促进冷却液的对流。
此外，对于示例性实施例中的散热器，可使用如图23和图24所示的带有离子过滤器的散热器。另外，水泵可设计成具有多个控制模式，并可在这些模式之间切换使用。例如，水泵的动力源可根据二次电池的充电状态或状态从二次电池切换到燃料电池(例如，见图2和图5)。例如，当二次电池出现问题，如失效或过放电时，可起动燃料电池。
因此，根据本发明的用于燃料电池的冷却系统在燃料电池已停止运转很长一段时间之后能够迅速起动方面是有利的。通过即使在燃料电池不运转或配备燃料电池的车辆的系统停止时冷却系统仍抑制冷却液的导电率的增加而实现这种迅速起动。
尽管已参照本发明的示例性实施例说明了本发明，但是应理解，本发明不限于这些示例性实施例或构造。相反，本发明旨在覆盖各种变型和等效布置。此外，尽管以各种组合和构造示出示例性实施例的各种部件，但这些组合和结构是示例性的，包括更多、更少或仅有单个部件的其它组合和构造也在本发明的精神和范围之内。
权利要求
1.一种用于燃料电池的冷却系统，它包括通过用泵向所述燃料电池供给冷却液而调节所述燃料电池的温度的冷却装置；设置在用于所述冷却液的冷却液通路中用于去除所述冷却液内的杂质的杂质去除装置；以及用于在所述燃料电池不运转时使所述冷却液通路内的冷却液流过所述杂质去除装置的流动产生装置。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于所述流动产生装置包括用于检测所述冷却液中杂质的状态的杂质检测装置，以及用于在检测到所述杂质为预定量或高于预定量时起动所述燃料电池的起动控制装置。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于所述流动产生装置包括用于检测所述冷却液中杂质的状态的杂质检测装置，以及用于在检测到所述杂质为预定量或高于预定量时起动所述泵的泵控制装置。
4.根据权利要求2所述的冷却系统，其特征在于所述流动产生装置还包括用于在检测到所述杂质为预定量或高于预定量时起动所述泵的泵控制装置。
5.根据权利要求3或4所述的冷却系统，其特征在于设置有向所述泵供给动力的二次电池；以及所述泵控制装置基于所述二次电池的状态控制所述泵的作动量。
6.根据权利要求2-4中任一项所述的冷却系统，其特征在于所述杂质检测装置基于所述泵停止后经过的时间量来判断所述冷却液中杂质的状态的变化。
7.根据权利要求2-4中任一项所述的冷却系统，其特征在于所述杂质检测装置基于所述泵停止后经过的时间量和所述冷却液的温度来判断所述冷却液中杂质的状态的变化。
8.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于所述流动产生装置包括用于在所述冷却液通路内的一部分冷却液与其它地方的冷却液之间产生温度差的温度差产生装置。
9.根据权利要求8所述的冷却系统，其特征在于所述温度差产生装置是用于将所述冷却液通路外部的热能传递到所述冷却液通路内部的热传递装置。
10.根据权利要求9所述的冷却系统，其特征在于所述热传递装置包括将所述冷却液通路外部的热能传递到所述冷却液通路内部的热交换器。
11.根据权利要求8所述的冷却系统，其特征在于所述温度差产生装置是发热体或吸热体。
12.根据权利要求8所述的冷却系统，其特征在于所述温度差产生装置是设置在所述冷却液通路中并在所述燃料电池运转时存储热的蓄热器。
13.根据权利要求12所述的冷却系统，其特征在于所述蓄热器是存储所述冷却液的冷却液存储装置，所述蓄热器设置有响应于温度差向所述冷却液通路供给在所述燃料电池运转时存储的冷却液的供给装置。
14.根据权利要求8所述的冷却系统，其特征在于所述杂质去除装置设置在用作所述冷却装置的热交换器中。
15.一种用于燃料电池的冷却系统，它包括通过用泵向所述燃料电池供给冷却液而调节所述燃料电池的温度的冷却装置；以及用于基于所述泵停止后经过的时间量来推定所述冷却液中杂质的量的杂质量推定装置。
16.根据权利要求15所述的冷却系统，其特征在于所述杂质量推定装置利用冷却液的温度作为参数保持所述冷却液在一段时间上的多种杂质浓度增加特性，并基于所述系统停止后经过的时间和所述冷却液的温度从这些特性推定杂质浓度。
17.一种用于控制用于燃料电池的冷却系统中冷却液的循环的方法，所述冷却系统包括通过用泵向所述燃料电池供给所述冷却液而调节所述燃料电池的温度的冷却装置以及设置在用于所述冷却液的冷却液通路中用于去除所述冷却液中的杂质的杂质去除装置，其中在所述燃料电池不运转时使所述冷却液通路内的冷却液流过所述杂质去除装置。
18.一种用于燃料电池的冷却系统，它包括通过用泵向所述燃料电池供给冷却液而调节所述燃料电池的温度的冷却装置；设置在用于所述冷却液的冷却液通路中用于去除所述冷却液中的杂质的杂质去除装置；用于在所述燃料电池不运转时使所述冷却液通路内的冷却液流过所述杂质去除装置的流动产生器。
19.根据权利要求18所述的冷却系统，其特征在于所述流动产生器包括用于检测所述冷却液中杂质的状态的杂质检测器，以及用于在检测到所述杂质为预定量或高于预定量时起动所述燃料电池的起动控制器。
20.根据权利要求18所述的冷却系统，其特征在于所述流动产生器包括用于检测所述冷却液中杂质的状态的杂质检测器，以及用于在检测到所述杂质为预定量或高于预定量时起动所述泵的泵控制器。
21.根据权利要求19所述的冷却系统，其特征在于所述流动产生器还包括用于在检测到所述杂质为预定量或高于预定量时起动所述泵的泵控制器。
22.根据权利要求20所述的冷却系统，其特征在于设置有向所述泵供给动力的二次电池；以及所述泵控制器适于基于所述二次电池的状态控制所述泵的作动量。
23.根据权利要求19所述的冷却系统，其特征在于所述杂质检测器适于基于所述泵停止后经过的时间量来判断所述冷却液中杂质的状态的变化。
24.根据权利要求19所述的冷却系统，其特征在于所述杂质检测器适于基于所述泵停止后经过的时间量和所述冷却液的温度来判断所述冷却液中杂质的状态的变化。
25.根据权利要求19所述的冷却系统，其特征在于所述流动产生器包括用于在所述冷却液通路内的一部分冷却液与其它地方的冷却液之间产生温度差的温度差产生器。
26.根据权利要求25所述的冷却系统，其特征在于所述温度差产生器是用于将所述冷却液通路外部的热能传递到所述冷却液通路内部的热传递元件。
27.根据权利要求26所述的冷却系统，其特征在于所述热传递元件包括将所述冷却液通路外部的热能传递到所述冷却液通路内部的热交换器。
28.根据权利要求25所述的冷却系统，其特征在于所述温度差产生器是发热体或吸热体。
29.根据权利要求25所述的冷却系统，其特征在于所述温度差产生器是设置在所述冷却液通路中并在所述燃料电池运转时存储热的蓄热器。
30.根据权利要求29所述的冷却系统，其特征在于所述蓄热器是存储所述冷却液的冷却液存储装置，所述蓄热器设置有响应于温度差向所述冷却液通路供给在所述燃料电池运转时存储的冷却液的供给装置。
31.根据权利要求25所述的冷却系统，其特征在于所述杂质去除装置设置在用作所述冷却装置的热交换器中。
32.一种用于燃料电池的冷却系统，它包括通过用泵向所述燃料电池供给冷却液而调节所述燃料电池的温度的冷却装置；以及用于基于所述泵停止后经过的时间量来推定所述冷却液中的杂质的量的杂质量推定器。
33.根据权利要求32所述的冷却系统，其特征在于所述杂质量推定器适于利用冷却液的温度作为参数保持所述冷却液在一段时间上的多种杂质浓度增加特性，并基于所述系统停止后经过的时间和所述冷却液的温度从这些特性推定杂质浓度。
全文摘要
本发明涉及燃料电池冷却系统及控制燃料电池中冷却液的循环的方法。用于燃料电池的冷却系统设置有通过用水泵经由冷却液通路向燃料电池供给冷却液调节燃料电池的温度的冷却装置；设置在冷却液通路内用于去除冷却液中的杂质的杂质去除装置；以及用于在燃料电池不运转时使冷却液通路内的冷却液流过杂质去除装置的流动产生装置。
文档编号H01M8/04GK1813370SQ200480018410
公开日2006年8月2日 申请日期2004年7月29日 优先权日2003年7月30日
发明者藤田信雄, 近藤俊行 申请人:丰田自动车株式会社