专利名称：燃料电池系统及相关方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统及其相关方法，尤其涉及一种抑制被保持在如冰点的极低温度下的燃料电池的性能劣化的燃料电池系统及其相关方法。
背景技术：
燃料电池系统是一种发电系统，其中用作燃料的氢和用作氧化剂的空气被供给到燃料电池以使在燃料电池中发生电化学反应来发电。
在这种燃料电池系统下，其中当燃料电池被保持在系统操作停止、周围环境温度达到如冰点的极低温度的情况下时，容易出现导致燃料电池的温度下降到该极低温度且燃料电池的性能降低。
日本特开平7-169476号公报公开了一种技术，即在系统停止期间发生温度下降的情况下，为了在燃料电池的保持期间不用外部电源就可防止燃料电池的性能降低，将燃料电池中用来发电的燃料供给到用于燃烧的燃烧室，以使产生的热对燃料电池进行保温。
发明内容
然而，根据本发明者所进行的研究，为了在该系统停止期间对燃料电池进行保温，在燃烧室中需要连续消耗本来将在燃料电池中用以发电的燃料。因而，可预知不仅出现导致效率下降的因素，而且出现取决于环境，由于在启动系统时燃料供给不足而发生不能启动系统的情况。
根据本发明者在注意涉及由燃料电池的温度下降导致燃料电池性能降低的各种观点下进行各种研究时的不懈努力，已经发现当燃料电池的温度下降时，燃料电池温度的降低程度主要取决于温度下降速度(温度下降的速度)。
也就是说，根据本发明者进行的研究工作，已证实在燃料电池的温度下降期间，在出现快速温度下降时，燃料电池的性能降低进行，然而相反，如果燃料电池的温度下降速度慢，则即使在燃料电池温度下降到冰点以下的值的情况下，也只出现相对较小的性能降低。
根据如上所述本发明者进行的该研究完成了本发明，并且本发明的目的是提供一种燃料电池系统及其相关方法，其中，燃料电池系统在系统停止期间不消耗大量能量而被有效加热，从而防止燃料电池由于其温度下降导致的性能降低。
为了达到此目的，本发明的一个方面提供一种燃料电池系统，其包括燃料电池，其被供给有燃料和氧化剂以发电；加热机构，其用于对所述燃料电池进行加热；温度检测器，其检测所述燃料电池的温度；以及控制器，其在所述燃料电池的温度下降期间，利用由所述温度检测器检测的所述燃料电池的温度计算所述燃料电池的温度下降速度，以控制所述加热机构，使得所述温度下降速度被保持在等于或小于给定速度。
换句话说，本发明的另一个方面提供一种燃料电池系统，其包括燃料电池，其被供给有燃料和氧化剂以发电；加热部件，其用于对所述燃料电池进行加热；温度检测部件，其用于检测所述燃料电池的温度；以及控制部件，其在所述燃料电池的温度下降期间，通过基于由所述温度检测部件检测的所述燃料电池的温度计算所述燃料电池的温度下降速度，以控制所述加热部件，使得所述温度下降速度被保持在等于或小于给定速度。
同时，本发明的另一个方面提供一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统具有被供给有燃料和氧化剂以发电的燃料电池，所述方法包括检测所述燃料电池的温度；在所述燃料电池的温度下降期间，利用所述燃料电池的温度计算温度下降速度；以及对所述燃料电池进行加热，使得所述温度下降速度被保持在等于或小于给定速度。
通过下面结合附图的说明，本发明的其它和进一步特征、优点、以及好处将变得更加明显。
图1是图解根据本发明第一实施例的燃料电池系统的框图的图；图2是典型地示出发电电池的构造的截面图，该发电电池形成本申请实施例的固体氧化物燃料电池的一个单元；图3A是图解在本申请实施例中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制与燃料电池的温度下降速度Vc的时间变化之间的关系的图；图3B是图解在本申请实施例中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制与燃料电池的温度T1的时间变化之间的关系的图；图4是图解在本申请实施例的燃料电池系统中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制的流程图；图5是图解在本申请实施例中，在燃料电池温度下降到极低温度的情况下，温度下降速度与燃料电池的相应I(电流密度)-V(电压)特性之间的关系的图；图6是图解根据本发明第二实施例的燃料电池系统的框图的图；图7是图解在本申请实施例的燃料电池系统中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制的流程图；图8是图解在根据本发明第三实施例的燃料电池系统中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制的流程图；图9是图解根据本发明第四实施例的燃料电池系统的框图的图；图10是图解根据本发明第五实施例的燃料电池系统的框图的图。
具体实施例方式
以下，参照附图详细说明根据本发明的各实施例的燃料电池系统及其方法。
第一实施例首先，以下参照图1至图5说明根据本发明第一实施例的燃料电池系统的控制设备及其相关方法。
图1是图解本申请实施例的燃料电池系统的框图的图；图2是典型地示出发电电池的构造的截面图，该电池形成本申请实施例的固体氧化物燃料电池的一个单元；图3A是图解在本申请实施例中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制与燃料电池的温度下降速度Vc的时间变化之间的关系的图；图3B是图解在本申请实施例中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制与燃料电池的温度T1的时间变化之间的关系的图；图4是图解在本申请实施例的燃料电池系统中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制的流程图；图5是图解在本申请实施例中，在燃料电池温度下降到极低温度的情况下，温度下降速度与燃料电池的相应I(电流密度)-V(电压)特性之间的关系的图。
如图1所示，燃料电池系统S1充当发电系统的角色，其包含具有燃料电极和氧化剂电极的燃料电池1，该燃料电极被从氢供给单元2供给氢，该氧化剂电极被从空气供给单元3供给用作氧化剂的空气，从而使在燃料电池1中发生电化学反应以发电。
燃料电池1使供给到燃料电极的氢和供给到氧化剂电极的空气发生电化学反应，以将用作燃料的氢所拥有的化学能直接转换成电能，在燃料电池1的燃料电极和氧化剂电极二者上进行的电极反应表示如下。
燃料电极……(1)氧化剂电极……(2)也就是说，利用从氢供给单元2供给到燃料电池1、用作燃料的氢，在燃料电极上进行公式(1)所表示的反应，从而产生氢离子。产生的氢离子透过(扩散)电解质到达氧化剂电极。当这发生时，如果用作氧化剂的空气被从空气供给单元3供给，则在氧化剂电极上进行公式(2)所表示的反应。随着在各电极上进行如上述公式(1)和(2)所表示的电极反应，燃料电池1中出现电动势。
根据电解质的不同燃料电池1被分成各种类型。本申请实施例的燃料电池系统采用固体氧化物燃料电池(SOFC)，该固体氧化物燃料电池(SOFC)包含由固体聚合物膜构成的电解质。该SOFC特征为容易使制造成本低、尺寸小、重量轻且具有高输出密度。
该SOFC由多个发电电池组成，图2示出了其中的一个电池C1，该多个发电电池沿图2中的横向堆叠。每一个发电电池C1包含由固体聚合物膜构成的电解质膜11；在电解质膜11的两侧布置的两个电极(燃料电极12和氧化剂电极13)，以便将电解质膜11夹于其间；在燃料电极12和氧化剂电极13上布置的气体扩散层14，以便覆盖这些部件；以及均位于相邻电池之间用作各自分隔壁的隔板15。
电解质膜11由例如含氟的树脂系离子交换膜等离子(质子)传导固体聚合物膜制成，并且在饱和含水时，电解质膜11用作离子传导电解质。
被布置在电解质膜11的两表面上的燃料电极12和氧化剂电极13由含有如铂或者铂和其它金属的催化剂的碳混合物(carboncross)或碳纸(carbon paper)形成，并且每个电极具有其上存在催化剂的表面，该表面与电解质膜11的相关表面保持接触。
在这些电极之中，燃料电极12被供给有将被分离为氢离子和电子的氢，于是氢离子透过电解质膜11而电子通过外部电路以发电，并且氢离子和电子分别向氧化剂电极13移动。另一方面，在氧化剂电极13上，被供给空气中含有的氧和通过电解质膜11的氢离子和电子彼此反应，从而生成水。
气体扩散层14具有气体扩散效果，通过该气体扩散效果，氢和空气分别被供给到燃料电极12和氧化剂电极13。
隔板15不仅具有用作与相邻发电电池相关的各自分隔壁的功能，而且还具有用作各自集电流器和各自反应气体(氢和空气)的流动通道的功能，并且由气体不能渗透的致密碳材料形成。各隔板15的一个表面或两个表面形成有许多肋15a，以增加氢或空气的流动通道。氢和空气分别从形成在隔板15中的各自气体入口供给，以通过由肋15a限定的气体通道16，于是，气体从各自气体出口排出。
虽然此处省略了氢供给单元2的详细图解，通过该氢供给单元2，用作燃料的氢被供给到具有该构造的燃料电池1，该氢供给单元2采用如下构造形式被贮存在如氢罐等氢贮存容器中的氢在减小的压力下被吸取并被调整到给定压力和流量，于是，氢在润湿的状态下被供给到燃料电池的燃料电极。
此外，尽管此处省略了空气供给单元3的详细图解，该空气供给单元3采用如下构造形式通过驱动压缩机以给定流量抽取外部空气，然后使用过滤器对该外部空气进行净化，于是，将空气调整为给定压力并在润湿的状态下将其供给到燃料电池1的氧化剂电极。
此外，在本申请实施例的燃料电池系统下，尽管此处省略了燃料电池1的详细图解，燃料电池1被布置成经由电力变换设备而被连接至如电动机和辅助设备等负载，以允许在该燃料电池1发电期间从其提取的电力被升压并被供给到如电动机和辅助设备等负载。此外，二次电池4与燃料电池1并联连接到这些负载，该二次电池4的放电电压被用来补充燃料电池1所发电力的不足。
控制单元5控制整个燃料电池系统的操作。
更具体地，控制单元5计算电动机和辅助设备等负载所需的电量，以根据系统的工作状态和燃料电池1的状况确定燃料电池1和二次电池4的输出分配。然后，获得对燃料电池1所需的发电量允许氢供给单元2和空气供给单元3的操作得到控制。另外，控制单元5进行包括使燃料电池1被保持在适当工作温度的控制和增强最佳润湿状态的控制等用于使燃料电池系统正常动作的各种控制。
在上述燃料电池系统被保持在系统保持停止、即系统未被操作的状态下的期间，周围环境温度达到冰点以下的极低温度，随后燃料电池1的温度迅速下降，导致燃料电池1的性能降低。
为了解决该问题，本申请实施例的燃料电池系统考虑在燃料电池1附近设置电加热器6，从而当燃料电池系统停止期间燃料电池系统承受例如环境温度降到冰点以下的极低温度时，利用用作电源的二次电池4使电加热器6动作以加热燃料电池1，从而抑制由于温度的迅速下降而出现的燃料电池1的性能降低。特别地，由于新的专门知识表明燃料电池1的性能降低程度大大依赖于燃料电池1的温度下降的速度(温度下降速度)，因此本申请实施例的燃料电池系统被布置成使控制单元5以在最佳状态下加热燃料电池1的方式控制电加热器6的操作，使得燃料电池1的温度以等于或小于给定速度的温度下降速度逐渐下降，从而使燃料电池1的温度接近环境温度。顺便提及，只要可以加热燃料电池1，电加热器6可以位于任何位置，就此而言，如果电加热器6与燃料电池1分开也没关系。
下面，参照图3A和图3B说明由控制单元5执行的电加热器6的控制操作的具体内容。
在燃料电池系统中安装有检测燃料电池1的温度T1的温度传感器7和用来检测燃料电池1附近的环境温度T2的温度传感器8，并且这些温度传感器7、8的检测值T1、T2被输入到控制单元5。顺便提及，燃料电池1附近的环境温度可以包含安装燃料电池的车辆内部的环境温度。当然，根据情况，可以采用安装燃料电池1的车辆外部的环境温度。
控制单元5基于随时间变化的温度传感器7的检测值T1计算燃料电池1的温度下降速度Vc，并基于温度传感器8的检测值T2判断燃料电池1附近的环境温度。如果例如，判断为燃料电池1附近的环境温度T2等于或低于0℃且燃料电池1的温度下降速度Vc超过形成标准的给定基准值(第一给定速度Vs1)，则控制单元5使电加热器6动作以加热燃料电池1。顺便提及，第一给定速度Vs1是阈值，该阈值形成用于判断是否由于温度下降而出现燃料电池1的性能降低的标准，并且通过预先进行的试验测试获得该阈值。
其后，控制单元5在监视燃料电池1的温度下降速度Vc的同时，以使燃料电池1的温度下降速度被保持在用作基准值的第一给定速度Vs1与形成小于第一速度Vs1的标准和阈值的第二给定速度Vs2之间的方式，调整电加热器6的加热能力。当燃料电池1的温度T1逐渐下降并且燃料电池1的温度T1与燃料电池1附近的环境温度T2之间的温差Ts达到预定的给定温差ΔTs时，控制单元5停止电加热器6的操作。
也就是说，如图3A所示，当燃料电池1的温度下降速度Vc超过第一给定速度Vs1(在时刻t1)时，控制单元5开始使用加热器6加热燃料电池1，并调整电加热器6的加热能力以使燃料电池1的温度下降速度被保持在第一给定速度Vs1和第二给定速度Vs2之间。随后，如图3B所示，在燃料电池1的温度T1逐渐降至接近燃料电池1附近的环境温度T2且温差达到给定温差ΔTs的阶段，控制单元5停止电加热器6加热燃料电池1的操作(在时刻t2)。
参照图4所示的流程图来说明如上所述的由控制单元5执行的电加热器6的控制操作的进一步具体内容。
如图4所示，在第一步骤S101中，在燃料电池系统停止期间，控制单元5读取温度传感器8的检测值以获得燃料电池1附近的环境温度，并判断燃料电池1附近的环境温度是否等于或低于0℃。此处，如果燃料电池1附近的环境温度等于或低于0℃，则操作进入步骤S102。
接着，在步骤S102中，控制单元5监视随时间变化的温度传感器7的检测值以计算燃料电池1的温度下降的速度(温度下降速度)[℃/h]，并判断通过计算得到的燃料电池1的温度下降速度Vc是否超过第一给定速度Vs1。此处，如果燃料电池1的温度下降速度Vc等于或小于第一给定速度Vs1，则操作被直接终止。相反，如果燃料电池1的温度下降速度Vc超过第一给定速度Vs1，则操作进入步骤S103。
在随后的步骤S103中，控制单元5将放电请求发送到二次电池4并将控制命令发送到电加热器6，从而使电加热器6动作以开始加热燃料电池1。随后，控制单元5一直监视温度传感器7的检测值，以监视燃料电池1的温度下降速度Vc的变化，使得燃料电池1的温度降低至接近环境温度。然后，控制单元5以使燃料电池1的温度下降速度Vc被保持在第一给定速度Vs1与小于第一给定速度Vs1的第二给定速度Vs2之间的方式控制电加热器6对燃料电池1的加热状态。
也就是说，在连续的步骤S104中，控制单元5判断燃料电池1的温度下降速度Vc是否满足燃料电池1的温度下降速度Vc等于或小于第一给定速度Vs1并大于第二给定速度Vs2的条件。如果不满足这一条件，则在连续的步骤S105中，控制单元5判断是否由于电加热器6的加热不足而使燃料电池1的温度下降速度Vc保持不变以致超过第一给定速度Vs1。相反，在步骤S104中，如果判断为不存在燃料电池1的温度下降速度Vc保持不变以致超过第一给定速度Vs1的条件，则操作进入步骤S108。
接着，操作进入步骤S105，并且如果判断为燃料电池1的温度下降速度Vc保持不变以致超过第一给定速度Vs1，则在随后的步骤S106中，控制单元5可控制地增加电加热器6的输出，以提高加热能力HP。相反，如果燃料电池1的温度下降速度Vc不是保持不变以致超过第一给定速度Vs1，即，当燃料电池1的温度下降速度Vc由于电加热器6的过度加热而变成等于或小于第二给定速度Vs2时，在随后的步骤S107中，控制单元5进行控制使得电加热器6的输出减少，以降低加热能力HP。
在步骤S104中，如果判断为燃料电池1的温度下降速度Vc满足燃料电池1的温度下降速度Vc等于或小于第一给定速度Vs1并大于第二给定速度Vs2的条件，操作进入步骤S108，控制单元5基于温度传感器7、8的检测值获得燃料电池1的温度与燃料电池1附近的环境温度之间的温差ΔT，并判断该温差ΔT是否变成等于或小于给定温差ΔTs。在燃料电池1的温度与燃料电池1附近的环境温度之间的温差ΔT变成等于或小于给定温差ΔTs的阶段，在步骤S109中，控制单元5将停止命令发送到电加热器6，从而使电加热器6停止加热燃料电池1。
如上所述，在本申请实施例的构造下，控制单元5在系统停止期间计算燃料电池1的温度下降速度，以在燃料电池1的温度下降速度超过给定速度(Vs1)的情况下使加热燃料电池1的电加热器6动作，使得燃料电池1的温度以等于或小于给定速度的温度下降速度逐渐下降至接近环境温度，从而有效地防止由于燃料电池1温度迅速下降而导致的燃料电池1性能的降低。
也就是说，在系统停止期间、燃料电池1附近的环境温度达到类似低于冰点温度的极低温度的情况下，如果燃料电池1以如图5中虚线A所示的高温度下降速度迅速冷却，则燃料电池1的I-V特性出现劣化，结果趋向于特别是在高电流密度区域难以获得期望的电压。相反，在本申请实施例的燃料电池系统下，如图5中实线B所示，燃料电池1的温度下降速度被设置成使燃料电池1被逐渐冷却地下降，从而有效地防止上述燃料电池1的I-V特性的劣化。顺便提及，在图5中，横坐标和纵坐标分别表示燃料电池的电流密度I和电压V。
此外，在本发明的构造下，由于燃料电池1不是在系统停止期间被电加热器6加热以避免燃料电池1温度的下降，而是以在允许燃料电池1温度下降的同时防止温度下降速度超过给定速度的方式加热燃料电池1，因此加热所需的能量可以下降至可忽略的值。因此，可以在有效地避免如连续消耗大量能量用于加热导致的效率劣化等问题的同时，有效地防止燃料电池1的性能降低。
顺便提及，在本申请实施例的构造下，虽然控制单元5被构造成读取温度传感器7的检测值，以追随该检测值随时间的变化来计算燃料电池1的温度下降速度，当然，替代方式也可以是在表示燃料电池1的温度与燃料电池1附近的环境温度之间的关系、即在预先步骤中涉及燃料电池的温度下降速度与温度传感器7、8的检测值之间差的关系的图中获得燃料电池1的温度下降速度，从而基于该图估算燃料电池1的温度下降速度。
在使用该方法允许估算燃料电池1的温度下降速度的情况下，其中基于该温度下降速度控制电加热器6的操作，可在短时段内判断燃料电池1的温度下降速度，而无需追随温度传感器7的检测值随时间的变化，从而使得可以迅速执行电加热器6的操作控制。
第二实施例接着，参照图6和图7详细说明根据本发明本申请实施例的燃料电池系统的控制设备及其相关方法。
图6是图解本申请实施例的燃料电池系统的框图的图，图7是图解在本申请实施例的燃料电池系统中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制的流程图。
本申请实施例的燃料电池系统不同于第一实施例的燃料电池系统主要在于，考虑到在燃料电池的温度下降期间其性能降低还依赖于燃料电池1内部残留水分量的特性，执行控制，以使形成标准的基准值(第一给定速度Vs1和第二给定速度Vs2)根据燃料电池1内部残留的水分量而改变，该标准用于燃料电池1的加热控制、即电加热器6的操作控制。下面，注意力集中于该差异，相同部件具有相同的附图标记，并且其说明被适当地省略或简化。
如图6所示，本申请实施例的燃料电池系统S2除了第一实施例的构造外，进一步包括分别位于燃料电池1的燃料电极入口FI和出口FO以及氧化剂电极入口AI和出口AO的压力传感器21、22、23、24。此外，检测燃料电池1的电阻(resistance)值的电阻值传感器25被安装到燃料电池1。由这些传感器21、22、23、24、25产生的检测值被输入到控制单元5。
在该构造下，控制单元5读取与燃料电极侧相关的各压力传感器21、22传送的检测值，以检测燃料电池1的燃料电极入口和出口之间的压差。同样地，控制单元5读取与氧化剂电极侧相关的各压力传感器23、24传送的检测值，以检测燃料电池1的氧化剂电极入口和出口之间的压差。然后，控制单元5根据这些压差判断液态水是否滞留在燃料电池1内部的燃料电极侧和氧化剂电极侧的气体流动通道中。如果判断为液态水滞留在气体流动通道中，则控制单元5驱动氢供给单元2和空气供给单元3，以将干气导入燃料电池1内部的气体流动通道中，从而从气体流动通道中清除残留的液态水。
也就是说，在正常工作期间，为了润湿燃料电池1的固体聚合物电解质膜，在使氢和空气被润湿的情况下将它们分别从氢供给单元2和空气供给单元3供给到燃料电池1，当在系统停止期间执行上述清除时，氢和空气作为干气被分别从氢供给单元2和空气供给单元3供给到燃料电池1。
此外，一旦根据需要执行了上述清除，控制单元5读取电阻值传感器25的检测值，并基于电阻值传感器25的检测值估算燃料电池1内部残留的水分量。此处，由于有能力使残留在气体流动通道中的液态水大部分通过清除排出，因此残留水分包含主要容纳在固体聚合物电解质膜和气体扩散层内部的水分。然后，控制单元5根据所估算的燃料电池1内部残留的水分量来改变形成电加热器6的操作控制标准的第一给定速度Vs1和第二给定速度Vs2。
更具体地，控制单元5确定使得燃料电池1内部残留的水分量越大，第一给定速度Vs1和第二给定速度Vs2的值将越小。其后，控制单元5如上述第一实施例那样控制电加热器6的操作，以消除燃料电池1的温度迅速下降，从而防止燃料电池1的性能降低。
参照图7所示的流程图说明控制单元5用于操作电加热器6的控制操作的进一步具体内容。
如图7所示，在系统停止期间，首先，在步骤S201中，类似于第一实施例的步骤S101，控制单元5读取温度传感器8的检测值以获得燃料电池1附近的环境温度，并判断燃料电池1附近的环境温度是否等于或低于0℃。此处，如果燃料电池1附近的环境温度超过0℃，则操作直接完成，如果燃料电池1附近的环境温度等于或低于0℃，则操作进入步骤S202。
接着，在步骤S202中，控制单元5分别监视压力传感器21、22、23、24的检测值，从而分别计算燃料电池1的燃料电极入口与出口之间以及氧化剂电极入口与出口之间的压差ΔP。
在随后的步骤S203中，控制单元5判断所计算的压差ΔP是否超过给定的基准值ΔPs。顺便提及，形成标准的给定压差ΔPs对应于与即使当燃料电池1内部的气体流动通道中出现冻结时也不会在燃料电池1出现如破损等不利影响的水分量相当的压差，或者对应于稍小于该压差的值，并且可根据试验测试预先获得该给定压差ΔPs。
此处，如果所计算的压差ΔP超过给定压差ΔPs，则控制单元5判断为有可能在燃料电池1的温度下降期间由于其内部的水冻结而出现燃料电池1破损，在连续的步骤S204中，控制单元5允许干气DG被导入燃料电池1的内部，以从气体流动通道清除残留的液态水。
在随后的步骤S205中，控制单元5在监视燃料电池1的燃料电极入口与出口之间以及氧化剂电极入口与出口之间的压差ΔP的同时，判断是否适当地进行了由于干气而导致的液态水的清除，在连续的步骤S206中，控制单元5在压差ΔP变成等于或小于给定压差ΔPs的阶段，停止导入干气。
接着，在步骤S207中，控制单元5读取电阻传感器25的检测值RA，并根据该检测值RA估算燃料电池1内部残留的水分量。
在连续的步骤S208中，控制单元5根据所估算的燃料电池1残留的水分量确定形成电加热器6的操作控制标准的第一给定速度Vs1和第二给定速度Vs2。
随后，在步骤S209至S216中，控制单元5执行与第一实施例的步骤S102至S109的操作相同的操作，以使用电加热器6有效地加热燃料电池1，从而抑制燃料电池1的温度迅速下降，由此防止燃料电池1的性能降低。
如上所述，在本申请实施例的构造下，控制单元5估算燃料电池1内部的残留水分量，并且根据所估算的残留水分量设定形成电加热器6的操作控制标准的第一给定速度Vs1和第二给定速度Vs2，以便控制电加热器6的操作，从而更可靠地防止燃料电池1由于其温度迅速下降而导致的其性能的降低。
此外，在系统停止期间大量液态水滞留在燃料电池1内部的气体流动通道中的情况下，导入干气使得液态水被排出到燃料电池1的外部，从而有效地避免燃料电池1由于伴随其温度下降产生液态水的冻结而引起的燃料电池1破损的可能性。
第三实施例接着，参照图8详细说明根据本发明第三实施例的燃料电池系统的控制设备及其相关方法。
图8是图解在本申请实施例的燃料电池系统中，将由控制单元执行的电加热器的操作控制的流程图。
本申请实施例的燃料电池系统不同于第一实施例的燃料电池系统主要在于，为了在停止用电加热器6加热燃料电池1之后也能够响应燃料电池1附近的环境温度出现的迅速下降，在跟随环境温度的迅速下降、燃料电池1的温度发生迅速下降的情况下重新开始用电加热器6加热燃料电池1。下面，注意力集中于该差异，相同部件具有相同的附图标记，以适当地省略或简化其说明。
如图8所示，本申请实施例的控制单元在步骤S301至S309中执行与第一实施例(步骤S101至步骤S109)的操作相同的操作，以用电加热器6有效地加热燃料电池1，从而抑制燃料电池1温度的迅速下降以防止其性能降低。
其后，在燃料电池1附近的环境温度改变、导致燃料电池1的温度与环境温度之间的温差增加以致燃料电池1温度下降的情况下，再次计算燃料电池1的温度下降速度，并且控制单元5判断该温度下降速度是否超过给定值，于是如果温度下降速度超过给定值，则重新开始用电加热器6加热燃料电池1。
也就是说，在步骤S309中停止用电加热器6加热燃料电池1之后，在随后的步骤S310中，控制单元5监视以发现燃料电池1是否被保持在燃料电池1的温度与接近燃料电池1的环境温度之间的温差ΔT等于或小于给定的预置温差ΔTs的条件下。如果燃料电池1的温度与燃料电池1附近的环境温度之间的温差ΔT超过给定的预置温差ΔTs，则判断为燃料电池1附近的环境温度发生改变，操作进入步骤S301，于是重复执行随后的系列操作。
另一方面，在步骤S310中，如果判断为燃料电池1的温度与燃料电池1附近的环境温度之间的温差ΔT被保持在等于或小于给定的预置温差ΔTs的条件下，则操作进入步骤S311。
在随后的步骤S311中，判断燃料电池系统是否被启动，并且如果判断为燃料电池系统已经被启动，则完成了上述系列操作，于是操作进入给定系统的启动操作。相反，如果判断为没有执行燃料电池系统的启动操作，则操作返回到步骤S310。
如上所述，在本申请实施例的构造下，由于在停止加热燃料电池1之后燃料电池1附近的环境温度出现迅速下降导致出现燃料电池1温度迅速下降的情况下，重新开始用电加热器6加热燃料电池1，因此燃料电池1也响应其环境温度的迅速下降，从而进一步可靠地防止燃料电池1由于其温度的迅速下降而导致的其性能的降低。
第四实施例接着，参照图9详细说明根据本发明第四实施例的燃料电池系统的控制设备及其相关方法。
图9是图解本申请实施例的燃料电池系统的框图的图。
本申请实施例的燃料电池系统不同于第一实施例的燃料电池系统主要在于，燃料电池1采用冷却剂供给单元作为加热燃料电池1的加热机构，用于温度调整的冷却剂通过该冷却剂供给单元被循环供给到燃料电池1。下面，注意力集中于该差异，相同部件具有相同的附图标记，以适当地省略或简化其说明。
如图9所示，在本申请实施例的燃料电池系统S4下，冷却剂供给单元SC被连接到燃料电池1。
冷却剂供给单元SC用来使贮存在冷却剂罐31中的冷却剂通过操作泵32而被循环供给到燃料电池1。因此，将冷却剂在加热状态下供给到燃料电池1能够使燃料电池1被加热，并且在本申请实施例的燃料电池系统S4下，冷却剂供给单元被用作加热机构。此外，将二次电池4作为电源的电加热器6可被用作加热冷却剂的热源，并且在本申请实施例的燃料电池系统S4下，电加热器6被放置在接近冷却剂罐31的位置，以使得电加热器6的热能够加热贮存在冷却剂罐31中的冷却剂。顺便提及，只要可以加热冷却剂罐31，电加热器6可以被放置在任何位置，且就这一点而言，电加热器6可以被放置成与冷却剂罐31分开。
除了第一实施例的电加热器6的操作控制之外，本申请实施例的控制单元5的控制内容包括控制冷却剂供给单元SC的泵32的操作，以有效地加热燃料电池1，使得在温度下降期间燃料电池1的温度下降速度不超过给定基准值(第一给定速度Vs1)。
如上所述，即使在本申请实施例的燃料电池系统S4下，类似于第一实施例，在系统停止期间燃料电池1附近的环境温度下降以使燃料电池1的温度下降的情况下，燃料电池1被加热以使得燃料电池1的温度下降速度不超过给定基准值，从而燃料电池1的温度逐渐降低到接近环境温度，有效地防止燃料电池1由于其温度的迅速下降而导致的性能降低。
此外，在本申请实施例的燃料电池系统S4下，将在燃料电池1内部被加热的冷却剂供给到燃料电池1用于加热该燃料电池1使得燃料电池1被加热，因此与利用电加热器6从燃料电池1的外部加热燃料电池1所需要的能量相比，可以用更少的能量加热燃料电池1，从而进一步有效地加热燃料电池1，以防止燃料电池1的性能降低。
第五实施例接着，参照图10详细说明根据本发明第五实施例的燃料电池系统的控制设备及其相关方法。
图10是示出本申请实施例的燃料电池系统的框图的图。
本申请实施例的燃料电池系统不同于第一实施例的燃料电池系统主要在于，燃料电池1利用在燃料电池1中的氢与空气中的氧之间的催化燃烧所产生的热来加热该燃料电池1。下面，注意力集中于该差异，相同部件具有相同的附图标记，以适当地省略或简化其说明。
如图10所示，在本申请实施例的燃料电池系统S5下，没有采用类似于电加热器6的附加的加热机构，而是代替地，在燃料电池系统的停止期间，将氢和空气以加热燃料电池1所需的各自流量从氢供给单元2和空气供给单元3供给到燃料电池1，以使得氢和空气中的氧在燃料电池1内部被催化燃烧，从而利用产生的热加热燃料电池1。
代替第一实施例的控制电加热器6的操作，本申请实施例的控制单元5的控制内容包括控制氢供给单元2和空气供给单元3的操作。也就是说，在本申请实施例的构造下，在系统停止期间关注燃料电池1的温度迅速下降的情况下，控制氢供给单元2和空气供给单元3使得氢和空气以各自给定流量供给到燃料电池1，以利用在燃料电池1中的氢和空气中的氧之间的催化燃烧所产生的热，从而加热燃料电池1使得燃料电池1的温度下降速度不超过给定基准值(第一给定速度Vs1)。
如上所述，即使在本申请实施例的燃料电池系统S5下，类似于第一实施例，在系统停止期间燃料电池1附近的环境温度降低以使燃料电池1的温度下降的情况下，燃料电池1被加热以使得燃料电池1的温度下降速度不超过给定基准值，从而燃料电池1的温度逐渐降低至接近环境温度，有效地防止燃料电池1由于其温度的迅速下降而导致的性能降低。
此外，在本申请实施例的燃料电池系统S5下，由于通过利用在燃料电池1中的氢与空气中的氧之间的催化燃烧产生的热来加热燃料电池1，因此与通过使用电加热器6从燃料电池1的外部加热燃料电池1所需的能量相比，可用更少的能量加热燃料电池1，从而进一步有效地防止燃料电池1性能的降低。
另外，由于本申请实施例的燃料电池系统S5被配置为不设置如电加热器6等的特定加热机构来加热燃料电池1，因此可以实现整个系统的小型化。另外，即使在出现环境温度极低、电加热器6难以正常工作的情况下，适当地加热燃料电池1也能够有效地防止燃料电池1由于其温度的迅速下降而导致的性能降低。
顺便提及，虽然在上述说明中已经示出了用于加热燃料电池1的具体构造，但是用于加热燃料电池1的构造不限于该特定的构造，并且只要可以执行对燃料电池1的温度下降速度的控制，可以采纳各种替代构造。此类替代之一可包括将用电加热器6从外部加热燃料电池1和由于催化燃烧而在其内部加热燃料电池1相结合的构造，从而在正常工作期间，电加热器6被用于加热燃料电池1，而在用电加热器6缺乏足够的加热量时，氢和空气以各自必要的流量从氢供给单元和空气供给单元供给到燃料电池1，以使得氢和空气中的氧在燃料电池1中催化燃烧，从而产生用于加热燃料电池1的热。
2004年2月13日在日本提交的专利申请号2004-037148的全部内容在此被引入作为参考。
虽然已参考本发明的某些实施例如上说明了本发明，但本发明并不限于上述实施例。本领域的技术人员根据示教会想到上述实施例的各种修改和变形。本发明的范围参考下述权利要求书确定。
工业应用性如上所述，根据本发明的燃料电池系统及相关方法，由于用加热机构以使在燃料电池温度下降期间温度下降速度被设定为等于或小于给定速度的值的方式加热燃料电池，因此在有效地避免如连续消耗大量能量用于加热所导致的效率降低等问题的同时，可以有效地防止燃料电池由于其温度下降而导致的性能降低。因此，该燃料电池系统可应用于在温度易于下降的环境下所使用的各种燃料电池系统，从而可应用于如燃料电池动力机动车辆的发电器和用于工业用途或家庭用途的发电器，预期其将在广阔的范围中得到应用。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其包括燃料电池，其被供给有燃料和氧化剂以发电；加热机构，其用于对所述燃料电池进行加热；温度检测器，其检测所述燃料电池的温度；以及控制器，其在所述燃料电池的温度下降期间，利用由所述温度检测器检测的所述燃料电池的温度计算所述燃料电池的温度下降速度，以控制所述加热机构，使得所述温度下降速度被保持在等于或小于给定速度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，当所述温度下降速度超过所述给定速度时，所述控制器使所述加热机构开始对所述燃料电池进行加热。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其进一步包括环境温度检测器，该环境温度检测器检测所述燃料电池的环境温度，其中，当所述环境温度等于或低于零度时，所述控制器使所述加热机构开始对所述燃料电池进行加热。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述加热机构已开始所述加热之后、所述温度下降速度没有变成等于或小于所述给定速度的情况下，所述控制器使所述加热机构的加热能力提高。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述加热机构已开始所述加热之后、所述温度下降速度变成等于或小于比所述给定速度低的第二给定速度的情况下，所述控制器使所述加热机构的加热能力降低。
6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池的温度与所述环境温度之间的温差变成等于或小于给定温差的情况下，所述控制器使所述加热机构停止加热。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，在所述加热机构已停止所述加热之后、所述环境温度进一步降低并且所述温度下降速度进一步超过所述给定速度的情况下，所述控制器使所述加热机构的加热重新开始。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其进一步包括电阻值检测器，该电阻值检测器检测所述燃料电池的电阻值，其中，所述控制器基于由所述电阻值检测器检测的电阻值估算所述燃料电池内部残留的水分量，并根据该水分量改变所述给定速度的值。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器在执行所述燃料电池的清除之后估算所述燃料电池内部残留的水分量。
10.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控制器基于所述燃料电池的温度与所述环境温度之间的温差估算所述温度下降速度。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热机构包括将二次电池作为热源的电加热器。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热机构包括加热冷却剂并将该冷却剂供给到所述燃料电池的冷却剂供给机构。
13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，加热所述冷却剂的热源包括将二次电池作为电源的电加热器。
14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述加热机构利用由在所述燃料电池中的所述燃料与所述氧化剂之间的催化燃烧所产生的热来加热所述燃料电池。
15.一种燃料电池系统，其包括燃料电池，其被供给有燃料和氧化剂以发电；加热部件，其用于对所述燃料电池进行加热；温度检测部件，其用于检测所述燃料电池的温度；以及控制部件，其在所述燃料电池的温度下降期间，通过基于由所述温度检测部件检测的所述燃料电池的温度计算所述燃料电池的温度下降速度，以控制所述加热部件，使得所述温度下降速度被保持在等于或小于给定速度。
16.一种控制燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统具有被供给有燃料和氧化剂以发电的燃料电池，所述方法包括检测所述燃料电池的温度；在所述燃料电池的温度下降期间，利用所述燃料电池的温度计算温度下降速度；以及对所述燃料电池进行加热，使得所述温度下降速度被保持在等于或小于给定速度。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统(S1、S2、S3、S4、S5)，其包括燃料电池(1)，其被供给有燃料和氧化剂以发电；加热机构(6、31、32)，其用于对所述燃料电池进行加热；温度检测器(7)，其检测所述燃料电池的温度；以及控制器(5)，其在所述燃料电池的温度下降期间，利用由所述温度检测器检测的所述燃料电池的温度计算所述燃料电池的温度下降速度，以控制所述加热机构，使得所述温度下降速度被保持在等于或小于给定速度。
文档编号H01M8/04GK1918737SQ200580004759
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月8日 优先权日2004年2月13日
发明者各务文雄 申请人:日产自动车株式会社