专利名称:启动燃料电池动力系统的方法
本发明涉及启动燃料电池动力系统的方法，特别是用于启动增压燃料电池产生动力系统的方法，该增压燃料电池产生动力系统中有一个放置于压力容器中並在压力下操作的燃料电池叠堆。
通常，燃料电池动力系统的启动是如下进行的首先加热燃料电池叠堆到燃料电池可发生反应的温度，供处理气体给燃料电池叠堆，然后在燃料电池叠堆的输出电路加载一个直流电阻利用燃料电池反应的热量将它加热到予定的工作温度或它的最佳工作温度。在予定的工作温度上，燃料电池叠堆产生的额定输出功率提供给外部负载。在这种增压燃料电池动力系统中在燃料电池叠堆加热到予定温度以后，需要对压力容器里充入的处理气体，冷却气体及惰性气体增压到额定的压力。
然而，在燃料电池叠堆启动过程中利用通常的方法适当地控制它的操作条件是困难的，因为有许多要控制的参变量，例如燃料电池叠堆的温度，处理气体的压力和供应量，处理气体中的蒸气压力及放电电流等。如果在启动操作时可变参量发生了任何失调，燃料电池叠堆将会导致到困难的工作条件，结果降低了动力系统的寿命性能。特别是，如用吸湿的材料，例如使用了磷酸作为电介质时，与处理气体中的蒸气压力成比例的电解液的体积可能发生明显的变化。如果水的吸收使磷酸电解液的体积显著地增加，电解液将漏进气体扩散层(支撑纸)並从燃料电池叠堆中漏出，结果降低了性能。如果由于水的蒸发使电解液的体积减少时，可能导致电池电阻相当明显的增加和/或处理气体跨越的增加，结果使其性能变坏。因此控制电解液的体积对于长期的保持燃料电池动力系统的良好性能是很重要的。
因而，本发明的目的就是提出一种启动燃料电池动力系统的方法，使得在启动时燃料电池动力系统的操作条件适当的控制变得容易。
本发明的另一目的是提出一种启动燃料电池动力系统的方法，它可以制止燃料电池动力系统性能的降低。
本发明解决上述的及另外一些任务是通过所提出的启动燃料电池动力系统的方法，该方法包括用循环热交换流体加热燃料电池叠堆达到予定工作温度，供增压惰性气体给压力容器和燃料电池叠堆的处理气体容器来增加在处理气体容器和压力容器内的压力使其达到予定的压力，测量叠堆的温度和在处理气体容器中惰性气体的压力，控制供给到所述容器中惰性气体内蒸气的压力使与所述的处理气体体积中测量温度和压力成比例，以便吸湿的电解液体积接近保持不变。
本发明将从下述的结合所示附图的描述作一步的阐明，下面仅是一个最佳实施例的例解。
图1实施本发明的启动方法的燃料电池动力系统原理图;
图2实施本发明的控制系统的流程图。
图1表示磷酸电解液燃料电池的动力系统，它包括转换燃料成电功率的燃料电池叠堆1，转换碳氢化合物燃料成富氢的气体混合物的燃料处理装置2。
燃料电池叠堆1包括单个的燃料电池，它和冷却板一起组装成一个或更多的燃料电池叠堆。每个单个的燃料电池包括夹在两极板中间的电解液槽，它有产生气体的通道，即燃料气体通道和氧化剂通道。冷却板有冷却气体通道並布置在每隔几个燃料电池的叠堆里。为了简化图示，在图1上燃料电池用图解法图解地说明燃料电池由处理气体室1A，燃料气体室1B和冷却气体通道1C组成。
安装在压力容器24里的叠堆1连接惰性气体供气管26及惰性气体排气管27，在它们上面分别设置了流量控制阀9和压力控制阀9′。燃料叠堆的处理空气室1A在它的进气口连接处理空气供气管28，並设置了流量控制阀8控制供气管28;在它的排气口连接设有压力控制阀8′的排气管29，具有流量控制阀10的惰性气体供气管37通过处理空气供气管28也连接到处理空气室1A设有流量控制阀14的蒸气供气管36连接到惰性气体供气管37。燃料气体室1B在它的进气口通过具有流量控制阀7的燃料气体供气管30与燃料处理装置2连接，在它的排气口与具有压力控制阀7′的排气管31连接。具有流量控制阀11的惰性气体供气管38通过燃料气体供气管30连接燃料气体室1B。具有流量控制阀13的蒸气供气管35通过惰性气体供气管38也连接到燃料气体室1B。惰性气体供气管26，37和38连接惰性气体源，将惰性气体源例如为具有减压阀的氮气瓶。
冷却气体管道1C安装在具有热交换器5，压气机6和热交换液体用的循环管道25组成的热交换循环回路上。热交换器5连接具有流量控制阀21的管道20，管道20经安装在管道20上的定向控制阀(图上未示出)依次地连接到象水那样的冷却介质源和蒸气那样的热介质源上。
燃料处理装置2包括蒸气重整器3和分挡转换器4。增压碳氢化合物燃料如天然气、甲烷气及同类物通过管道32供给燃料处理装置2，在这里碳氢化合物燃料由通过管道33在压力下提供的蒸气重新组成以转换上述物成富氢的气体混合物。富氢的气体混合物通过致冷装置(图中未示出)去除掉包含在混合物里的大部分水蒸气，然后通过管道30供给燃料气体室1B作为燃料气体。
在动力系统稳态工作时，供给燃料气体室1B的增压燃料气体和通过管道28供给处理气体室1A的增压处理空气进行反应。在各自的室1A及1B中的压力由控制阀7，7′，8及8′来调节。燃料电池叠堆1利用控制冷却气体来保持在其最佳工作温度180°到190℃的范围中，由压力机6通过循环管25供给冷却气体通道1C的冷却空气通过燃料叠堆1，然后由热交换器5冷却。
压力容器24的内部装满象氮气那样的增压惰性气体来保持它的内部压力与处理气体室1A和1B的压力相等。压力容器24的内部压力由控制阀门9和9′的开放角度来调节。
为了控制燃料电池动力系统的起动操作，提供由程序控制的微处理机12组成的可编程序控制系统，该微处理机12包括中心处理单元〔CPU〕16，只读存储器〔ROM〕17，随机存取存储器〔RAM〕18和输入/输出接口19。该控制系统进一步由数一模转换器(15a，15b，15c，15d，15e及15f)组成，它们可经驱动电路与各自的流量控制阀13，14，10，11，9及21形成电连接。
安装在燃料电池叠堆中的温度探测器(TC)测量它的温度。压力容器24上设置了压力控制器39测量在压力容器24内的压力，且差动测量装置40和41、与处理气体室1A及1B和压力探测器39相连接以测量两个室和容器之间的压力差。湿度探测器22与23各自设置在管道28及30上，这些探测器与输入/输出接口19连接。
在短的时间间隔中测量叠堆1的温度T和蒸气压力PH2O，並由各自测量器TC，22，23转换成电信号，在CPU16的控制下通过输入/输出接口19存入RAM18。在短时间间隔里由压力探测器39也测出在压力容器24中的压力P，並转换成电信号通过输入/输出接口19存入RAM18。从差动测量装置40和41来的信号也被送到输入/输出接口19並存入RAM18。存入RAM18的这些数据被后输入的数据更新。
根据本发明，上述的增压燃料电池动力系统的起动由下列方法来实现。
当燃料电池动力系统静止时，处理气体的室1A与1B开始装满氮，並使处理气体室1A与1B保持在额定的压力，及保持压力容器24的内部压力在额定的压力，所有的阀门开始关闭。
在叠堆温度T和室压力P逐渐增高期间，阀门以下述的方式，被由存储在ROM17中的程序和存储在RAM18中的数据进行操作的微处理机控制。
在燃料电池动力系统的启动开始阶段，首先阀门21由控制系统打开，然后，通过管道20供给热交换器5蒸气用以加热燃料电池叠堆1，使其达到预定的工作温度T0。与此同时，阀门9、10和11由来自数一模转换器15C，15d和15e的信号打开提供增压氮气(干燥状态)给处理气体室1A和1B及压力容器24，以便在处理气体室1A和1B及压力容器24中的压力逐渐增加到预定的工作压力P0。压力控制阀7′，8′和9′被分别打开在适当的角度上。
如图2所示，磷酸电解液的预定工作温度T0，压力P0和额定体积C0在步骤101中从微处理机12的RAM里捡索出来，然后上述已存入的数据T、P和PH2O也在步骤102中从RAM18中捡索出来。检索出的数据在步骤103和104中由CPU16处理以确定电解液的体积，然后确定测量值(T)与预定值T0之间的温度差α(α＝T-T0)，测量值(P)与预定值(P0)之间的压力差β(β＝P1-P0)及体积差γ(γ＝C-C0)。
如果温度差α在步骤105中判断小于零，阀门21的开通角度θ1在步骤106中坛加与温度差α对应的一个角度，这由CPU通过数一模转换器15f送给阀门21的输出信号作出的，且程序流程进入到步骤107。如果温度差α在步骤105中判断大于或等于零，则程序流程转到步骤113並关闭阀门21。
如果压力差β在步骤107中判断小于零。从CPU16经数一模转换器15e送出信号给阀门9的驱动电路使阀门9的开通角度θ2坛大，使其坛加对应于在步骤108中的压力差。与此相反，如果压力差β判断得大于或等于零，阀门9关闭且程序流程转到步骤109。另一方面，阀门10和11也由控制系统这样地控制，以使得处理气体室1A或1B及压力容器24内部间的各个压力差保持为零。
在步骤109中，电解液体积差γ的绝对值与一个容许值相比较，该容许值被调整到预定值C0的-4%至+4%的范围中。如果体积差的绝对值在步骤109中判断大于容许值，则程序流程转到步骤110。如果体积差不大于零，阀门13，14的开通角θ3，θ′3坛加了对应于步骤111中体积差的一个角度用以增加在处理气体室里的蒸气压力，且程序返回步骤102。如果体积差大于零，开通角度θ3，θ′3减少了对应于步骤112中体积差的角度用以减少处理气体室的蒸气压力，且程序返回102。
如果体积差γ的绝对值小于上述的容许值，程序流程进到步骤115，在步骤115中湿度和压力的量值，即T和P各自与预定值T0和P0相比较。如果温度和压力的测量值不等于预定值，则程序返回到步骤102。
重复上述步骤，直到温度和压力的测量值等于预定值为止，且电解液的体积差落在预定值C0的+4%到-4%的范围中。
如果在上述步骤期间上述的条件全被满足了，则程序流程从步骤115进入到步骤116，且阀门10，11，13，14也被关闭。然后在步骤117中阀门7和8打开，供增压处理空气和燃料气体给燃料电池叠堆1。在这种情况下，虽然可能发生压力的某些变化，但是这问题可由压力差控制系统的装置或在管道28和30中的缓冲容器来克服。
处理气体供给开始后，燃料电池动力系统的开始输出电压(OCV)经电压分压器(图中未示出)送到输入/输出接口19，且该开路输出电压(OCV)与预定值OCV。进行比较，该预定值OCV0的值通常在0.6至0.8伏/每电池的范围内。如果开路电压小于OCV0，则程序流程进到步骤119，在这里温度差α与预定值零比较。如果α不大于或等于零，阀门21的开通角度θ1坛加了对应于温度差的角度，並且程序返回到步骤118。如果α大于或等于零，则阀门21关闭，停止燃料电池叠堆1的加热。
如果开路电压OCV在步骤118中判断高于OCV0，则程序流程进到步骤122。当开路电压OCV达到额定电压时，燃料电池动力系统开始它的额定放电。然后，管道20由定向控制阀连接到冷却介质源，且冷却介质通过阀门21供给管道20来维持燃料电池叠堆在它的最佳温度上。
在根据本发明的起动方法中、在负载下燃料电池反应的热量不升高燃料电池叠堆的温度，致使启动动力系统所需的时间延续到大约3小时。然而，这点在实际应用中並不成问题，因为对于重整器的起动时间需要大约4小时。
根据本发明，启动操作的进行可不考虑可变参数如处理气体的供应量，放电电流和由燃料电池反应产生的水，该水产生后动力系统就无法供电。利用调整在惰性气体中的蒸气压力使其与燃料电池叠堆的温度与压力成比例就能够容易地保持电解液体积不变。因此即可阻止燃料电池动力系统性能的下降。
权利要求
1.一种启动燃料电池动力系统的方法，其特征在于该方法包括用循环热交换流体加热燃料电池叠堆达到预定工作温度，供增压惰性气体给压力容器和燃料电池叠堆的处理气体容器来增加在处理气体容器和压力容器内的压力使其达到预定的压力，测量叠堆的温度和处理气体容器中的惰性气体的压力，控制供给到所述容器中惰性气体内蒸气的压力使与所述的处理气体容器中测量的温度与压力成比例，以便吸湿的电解液的体积接近保持不变。
专利摘要
一种启动燃料电池动力系统的方法包括用循环热交换流体加热燃料电池叠堆达到预定工作温度，供增压惰性气体给压力容器和燃料电池叠堆的处理气体容器来增加在处理气体容器和压力容器内的压力，使其达到预定的压力；测量叠堆的温度和在处理气体容器中惰性气体的压力，控制供给到所述容器中惰性气体内蒸气的压力使与所述的处理气体容器中测量的温度与压力成比例，以便吸湿的电解液的体积接近保持不变。
文档编号H01M8/04GK86104867SQ86104867
公开日1987年8月5日 申请日期1986年7月19日
发明者古川修弘, 村上修三, 西冈正人 申请人:三洋电机株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan