專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和該燃料電池系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)的技術(shù)，該燃料電池系統(tǒng)通過氫氣和氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。
背景技術(shù)：
近來，作為新一代發(fā)電源，通過氫氣和氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電的燃料電池系統(tǒng)引起了人們的廣泛關(guān)注。眾所周知，在燃料電池系統(tǒng)中，水產(chǎn)生于電化學(xué)反應(yīng)，這些水通常被用于冷卻燃料電池的內(nèi)部或通過排放管道排出到外部。
但是，當(dāng)這種燃料電池系統(tǒng)置于例如外界溫度低于凝固點(diǎn)的低溫條件中或在這種低溫條件下使用時(shí)，考慮到留在燃料電池系統(tǒng)的閥、泵、管等中的水就會(huì)結(jié)冰，這會(huì)導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)不能工作或燃料電池系統(tǒng)的使用壽命縮短。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情形，本發(fā)明提供一種燃料電池系統(tǒng)和這種燃料電池系統(tǒng)相應(yīng)的操作方法，這種系統(tǒng)能夠避免由于在燃料電池系統(tǒng)中結(jié)冰而導(dǎo)致的問題。
本發(fā)明的第一方面涉及一種燃料電池系統(tǒng)，它包括燃料電池，氣體供給-排放部分，該部分用于向燃料電池供給在其中進(jìn)行發(fā)電所使用的氣體或用于從燃料電池排放廢氣，以及控制裝置，該裝置在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)判定包括在包括氣體供給-排放部分的燃料電池系統(tǒng)的特定部分或元件中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)，并且當(dāng)在氣體供給-排放部分中檢測到凍結(jié)、即使只是部分凍結(jié)時(shí)，禁止燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的操作前，可能檢測出氣體供給-排放部分中的凍結(jié)。因此，可防止由于使用處于凍結(jié)狀態(tài)中的燃料電池系統(tǒng)發(fā)電時(shí)而導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)性能變差，因此避免燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生的異?；蚴А?br> 在根據(jù)第一方面的燃料電池系統(tǒng)中，優(yōu)選設(shè)置溫度檢測裝置，用于檢測燃料電池系統(tǒng)中至少一個(gè)部分或元件中的溫度，如果由該溫度檢測裝置將測到的溫度低于參考值，則控制裝置適于判定出現(xiàn)凍結(jié)。該溫度檢測裝置可檢測外界溫度、燃料氣體溫度、冷卻劑溫度等等。而且，燃料電池系統(tǒng)在檢測到的溫度高于參考值時(shí)適于作出有關(guān)出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)的判定。通過這種布置，可避免對燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)的延遲。
而且，優(yōu)選的，設(shè)置用于檢測氣體供給-排放部分的壓力的壓力檢測裝置，并且控制裝置根據(jù)由該壓力檢測裝置檢測出的壓力判定出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。例如，如果用于調(diào)節(jié)供給或排放的氣體量的閥門打開，而且該閥打開后預(yù)定一段時(shí)間內(nèi)獲得的壓力低于參考值，則控制裝置判定燃料電池系統(tǒng)的至少一個(gè)部分或元件凍結(jié)。而且，通過參考壓力的變化還可能區(qū)分燃料電池系統(tǒng)元件或部分的凍結(jié)狀態(tài)和部分凍結(jié)狀態(tài)。此處，“部分凍結(jié)狀態(tài)”指一種閥門沒有完全凍結(jié)的狀態(tài)，盡管閥門能夠操作但是表現(xiàn)異常。在這種情況下，根據(jù)所操作的閥門和壓力傳感器的位置，能夠判定燃料電池系統(tǒng)中凍結(jié)的具體位置和狀態(tài)。
而且，優(yōu)選的設(shè)置例如加壓泵的用于供給或排放氣體的電驅(qū)動(dòng)元件，控制裝置根據(jù)供給到該電驅(qū)動(dòng)元件的電能確定出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。例如，控制裝置通過比較電驅(qū)動(dòng)元件的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)值與該電驅(qū)動(dòng)元件操作期間獲得的實(shí)際驅(qū)動(dòng)值判定出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)，所述電驅(qū)動(dòng)元件的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)值由與供給到電驅(qū)動(dòng)元件的電能相對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)指令所指示。而且，可根據(jù)這些值之間的偏差判定凍結(jié)的程度。
而且，優(yōu)選的，當(dāng)判定出氣體供給-排放部分沒有凍結(jié)而燃料電池系統(tǒng)的其它元件或部分凍結(jié)時(shí)，燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)，并且凍結(jié)元件或部分采用發(fā)電過程中生成的電力或熱量中的至少一種進(jìn)行解凍。在這種解凍過程中，優(yōu)選禁止或暫停其它各種功能或控制，直到解凍結(jié)束。


本發(fā)明前述的和/或其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在以下參照附圖對優(yōu)選實(shí)施例的描述中會(huì)變得更加明顯，在附圖中相同的標(biāo)號用來表示相同的元件，其中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的視圖；圖2是示出一個(gè)本實(shí)施例的控制單元的結(jié)構(gòu)和從該控制單元輸入和輸出的信號的視圖；圖3是流程圖，示出控制單元執(zhí)行的流程，以便判定在根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)；圖4A到4C是曲線圖，示出在本實(shí)施例中每個(gè)狀態(tài)下壓力的變化；圖5A到5C是曲線圖，示出在本實(shí)施例中每個(gè)狀態(tài)下壓力的變化；圖6是曲線圖，示出在本實(shí)施例中每個(gè)狀態(tài)下氫氣泵轉(zhuǎn)速的變化；圖7是流程圖，示出當(dāng)在本實(shí)施例中檢測到凍結(jié)時(shí)，控制單元100所執(zhí)行的流程；和圖8是曲線圖，示出為打開在本實(shí)施例的修改例中的閥所采取的步數(shù)的增加。
具體實(shí)施例方式
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的視圖。在本實(shí)施例中，燃料電池系統(tǒng)被用作采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車的電源。當(dāng)駕駛者操作加速器時(shí)，車輛進(jìn)行發(fā)電并用所產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。此處應(yīng)說明的是，本發(fā)明應(yīng)該不限于這種車內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)，它可以形成為包括固定燃料電池系統(tǒng)的其它各種類型的燃料電池系統(tǒng)。
參照圖1，該燃料電池系統(tǒng)包括由電池(燃料電池)相互層疊其上構(gòu)成的燃料電池疊層10，在每個(gè)電池中，通過氫氣和氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。每個(gè)電池都具有氫側(cè)電極(即，陽極)和氧側(cè)電極(即，陰極)，它們之間設(shè)置一個(gè)電解質(zhì)膜。該電解質(zhì)膜為固體聚合物電解質(zhì)膜，例如Nafion電解質(zhì)膜(注冊商標(biāo))，因此每個(gè)電池都形成為固體聚合物型電池。不必說，其它各種類型的燃料電池也可用于其它實(shí)施例中。
對于燃料電池疊層10的陰極側(cè)，提供壓縮空氣作為含氧氣體。空氣通過過濾40吸入，并由壓縮機(jī)41壓縮。然后壓縮空氣通過加濕器42加濕，最后通過通道35到達(dá)燃料電池疊層10。通道35內(nèi)設(shè)置有一個(gè)溫度傳感器102，用于檢測進(jìn)氣溫度。從陰極側(cè)排出的廢氣(下文中將稱為“陰極排放氣體”)通過通道36和消聲器43排放到外界。氣體的供給壓力由設(shè)置在通道36中的壓力傳感器53檢測，并通過調(diào)節(jié)閥27根據(jù)自身打開程度加以調(diào)節(jié)。
另一方面，裝在氫氣罐20中的氫氣通過通道32供給到燃料電池疊層10的陽極側(cè)。在另一實(shí)施例中，可通過酒精、碳水化合物、乙醛等重新生成來產(chǎn)生氫氣，而不是采用儲(chǔ)存在這種氫氣罐中的氫氣。
氫氣保持高壓儲(chǔ)存在氫氣罐20中。當(dāng)把氫氣提供到燃料電池疊層10的陽極側(cè)時(shí)，它的壓力和量用設(shè)置在氫氣罐20出口21下游的關(guān)閉閥21、調(diào)節(jié)閥22，和高壓閥23調(diào)節(jié)。來源于陽極側(cè)的廢氣(下文中將稱為“陽極排放氣體”)排放到通道33中。而且，用于控制氫氣的供給壓力和量的壓力傳感器51和閥25設(shè)置在燃料電池疊層10陽極側(cè)的出口的緊鄰下游。
通道33在其中間部分分離成兩個(gè)通道。其中一個(gè)通道連接到排放通道34，用于將陽極排放氣體排放到外界，而另一個(gè)通過一個(gè)止回閥28連接到通道32。由于在燃料電池疊層10發(fā)電期間氫氣被消耗，因此陽極排放氣體的壓力通常相對較低。因此，燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)用于加壓陽極排放氣體的氫氣泵45，和一個(gè)用于檢測氫氣泵45出口附近的壓力的壓力傳感器54。
由于在陽極排放氣體中殘留一些未使用氫氣，因此當(dāng)設(shè)置在排放通道34中的排放閥26關(guān)閉時(shí)，陽極排放氣體就在燃料電池疊層10中通過通道32再循環(huán)。因此，使陽極氣體再循環(huán)能夠有效利用這種殘留的氫氣。
但是，在陽極排放氣體再循環(huán)期間，外來雜質(zhì)(即，除了氫氣之外的物質(zhì)，例如氮?dú)?在發(fā)電中不被消耗。因此，留在再循環(huán)氣體中的這種物質(zhì)在進(jìn)行再循環(huán)時(shí)濃度增加。因此，根據(jù)本實(shí)施例，當(dāng)外來雜質(zhì)的濃度增加到特定程度時(shí)，排放閥26打開，因此陽極排放氣體通過排放通道34傳送到稀釋器44中。經(jīng)過在稀釋器44中稀釋，陽極排放氣體最終排放到外界，因而再循環(huán)的外來雜質(zhì)減少。但是同時(shí)氫氣也與其它物質(zhì)一起被排放，因此從燃料經(jīng)濟(jì)性的角度優(yōu)選將排放閥26的開度設(shè)定得盡可能小。排放閥26附近設(shè)置有一個(gè)加熱器47，用于在排放閥26凍結(jié)時(shí)使其解凍。泵46采用燃料電池疊層10產(chǎn)生的電力或發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱量使閥26解凍。
冷卻劑與氫氣和氧氣一起供給到燃料電池疊層10。冷卻劑由泵46通過通道37傳送到燃料電池疊層10，同時(shí)在沿相同通道設(shè)置的散熱器38中被冷卻。而且，用于檢測冷卻劑溫度的溫度傳感器103放置在燃料電池疊層10的出口處。
圖2是示出用于控制燃料電池系統(tǒng)的控制單元100的結(jié)構(gòu)的示意圖?？刂茊卧?00是包括CPU、RAM、ROM等的微型計(jì)算機(jī)，根據(jù)儲(chǔ)存在ROM中的程序控制燃料電池系統(tǒng)的操作。參照圖2，每個(gè)箭頭代表控制單元100從每個(gè)元件接收或輸出到每個(gè)元件的信號。例如，這些信號包括輸出到關(guān)閉閥21、排放閥26、壓縮機(jī)41、氫氣泵45、加熱器47和顯示器60的輸出信號。設(shè)置顯示器60以便顯示消息通知使用者，例如，燃料電池系統(tǒng)10的啟動(dòng)已被禁止，或燃料電池系統(tǒng)正在解凍。
圖3是流程圖，示出控制單元100執(zhí)行的流程，以便在駕駛者進(jìn)行啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的操作時(shí)，判定燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。在下文中適當(dāng)?shù)牡胤綄言摿鞒谭Q為“凍結(jié)判定過程”。
當(dāng)啟動(dòng)該流程時(shí)，控制單元100將關(guān)閉閥21、調(diào)節(jié)閥22、高壓閥23，和低壓閥24打開，因此氫氣從氫氣罐20通過通道32供給到燃料電池疊層10(步驟S10)。然后，控制單元100通過溫度傳感器102讀取外界溫度(步驟S11)。
如果檢測到的外界溫度高于一個(gè)參考值(步驟S12是)，則控制單元100判定燃料電池系統(tǒng)中沒有凍結(jié)。因此，在這種情況下，控制單元100執(zhí)行燃料電池系統(tǒng)的正常啟動(dòng)操作(步驟S16)。為進(jìn)行此項(xiàng)判定，控制單元100可另外地或替代地參照通過溫度傳感器102檢測到的外界溫度的記錄?！皡⒖贾怠钡扔谝粋€(gè)至少高于水的凝固點(diǎn)的溫度。
如果檢測到的外界溫度不高于參考值(步驟S12否)，則燃料電池系統(tǒng)中很可能出現(xiàn)凍結(jié)。因此，控制單元100執(zhí)行一個(gè)用于判定出現(xiàn)/未出現(xiàn)這種凍結(jié)的程序(步驟S13)。在該程序中操作五個(gè)元件，并用在操作每個(gè)元件后或操作過程中獲得的參數(shù)評估六種狀態(tài)，以便確定出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。
下文將參照在步驟S13的框中示出的表格詳細(xì)解釋對這六種狀態(tài)的評估。首先評估第一種狀態(tài)，在關(guān)閉閥21打開后預(yù)定一段時(shí)間內(nèi)，控制單元100通過壓力傳感器51獲得壓力。當(dāng)燃料電池系統(tǒng)中沒有凍結(jié)時(shí)，壓力會(huì)由于供給的氫氣而增加。因此在這項(xiàng)評估中，如果獲得的壓力低于參考值，則控制單元100判定燃料電池系統(tǒng)中有凍結(jié)。在這種情況下，可以認(rèn)為關(guān)閉閥21、調(diào)節(jié)器22、高壓閥23、低壓閥24等中的一個(gè)或多個(gè)凍結(jié)。
然后，控制單元100通過打開排放閥26評估第二種狀態(tài)。當(dāng)排放閥26被這樣打開時(shí)，陽極排放氣體經(jīng)過排放通道34和稀釋器44排放到外界，因此排放閥26周圍的壓力降低。因此在這項(xiàng)評估中，在排放閥26打開后預(yù)定一段時(shí)間內(nèi)，控制單元100通過壓力傳感器54獲得壓力。如果獲得的壓力高于參考值，則控制裝置100判定燃料電池系統(tǒng)中有凍結(jié)。在這種情況下，可以認(rèn)為排放閥26、排放通道34等中的一個(gè)或多個(gè)凍結(jié)。
圖4A到4C是示出在每個(gè)狀態(tài)下排放閥26打開后壓力變化的曲線圖。即，圖4A涉及正常狀態(tài)(即，非凍結(jié)狀態(tài))，圖4B涉及部分凍結(jié)狀態(tài)，圖4C涉及凍結(jié)狀態(tài)。在各個(gè)曲線圖中，縱坐標(biāo)代表壓力，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，兩端具有箭頭的豎線表示在排放閥26打開后的Δt時(shí)間內(nèi)由壓力傳感器54檢測到的壓力變化量。
參照圖4A，在正常狀態(tài)中，壓力在排放閥26打開時(shí)開始降低，而且達(dá)到并穩(wěn)定在水平C。這表示排放閥26已經(jīng)打開而且陽極排放氣體已經(jīng)排放到外界。參照圖4B，在部分凍結(jié)狀態(tài)，如在上述的正常狀態(tài)中那樣，壓力在排放閥26打開時(shí)開始降低，但是在高于水平C的水平B停止降低。這表明排放閥26是部分凍結(jié)的，因此它不能完全打開，所以排放的陽極排放氣體量比上述的正常狀態(tài)要少。參照圖4C，在凍結(jié)狀態(tài)，壓力保持在水平A不變。這表明排放閥26是凍結(jié)的，因此它保持關(guān)閉狀態(tài)，不允許陽極排放氣體排放到外界。用這種方法，通過參考在排放閥26打開后預(yù)定一段時(shí)間內(nèi)檢測到的壓力，可能判定燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。
回到圖3評估第三種狀態(tài)，控制單元100隨后關(guān)閉排放閥26從而停止陽極排放氣體的排放，以便增加壓力。在這項(xiàng)評估中，在排放閥26關(guān)閉后預(yù)定一段時(shí)間內(nèi)，控制單元100通過壓力傳感器54獲得壓力。如果獲得的壓力低于參考值，則控制單元100判定燃料電池系統(tǒng)中有凍結(jié)。在這種情況下，例如可以認(rèn)為排放閥26凍結(jié)。
圖5A到5C是示出在每個(gè)狀態(tài)下排放閥26關(guān)閉后壓力變化的曲線圖。即，圖5A涉及正常狀態(tài)(即，非凍結(jié)狀態(tài))，圖5B涉及部分凍結(jié)狀態(tài)，圖5C涉及凍結(jié)狀態(tài)。在每個(gè)曲線圖中，縱坐標(biāo)代表壓力，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，兩端具有箭頭的豎線表示在排放閥26打開后的Δt時(shí)間內(nèi)由壓力傳感器54檢測到的壓力變化量。根據(jù)這種凍結(jié)判定程序，對第三種狀態(tài)的評估僅在前述的第二種狀態(tài)評估中沒有檢測到凍結(jié)的時(shí)候作出。
參照圖5A，在正常狀態(tài)中，壓力在關(guān)閉排放閥26時(shí)從水平C開始增加，而且增加并穩(wěn)定到水平A。這表明排放閥26已被關(guān)閉并且陽極排放氣體停止排放。參照圖5B，在部分凍結(jié)狀態(tài)，如在上述的正常狀態(tài)中那樣，壓力在排放閥26關(guān)閉時(shí)從水平C開始增加，但是在水平D停止增加。此處，“部分凍結(jié)狀態(tài)”涉及排放閥26被部分凍結(jié)的狀態(tài)，因此它沒有被積冰等完全封閉。在這種狀態(tài)下，陽極排放氣體部分地排放到外界，因此，壓力的增加量小于上述的正常狀態(tài)。參照圖5C，在凍結(jié)狀態(tài)中，壓力僅從水平C增加到幾乎是相同水平的水平E。如在上述的部分凍結(jié)狀態(tài)中，這是由于積冰形成在排放閥26的打開/關(guān)閉部分，因此即使在接收到來自控制單元100的關(guān)閉排放閥25的控制信號時(shí)，它仍然保持關(guān)閉。因此，陽極氣體排放到外界，所以壓力幾乎不增加。因此，通過參考在排放閥26關(guān)閉后預(yù)定一段時(shí)間內(nèi)檢測到的壓力，可能判定燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。
回到圖3評估第四種狀態(tài)，控制單元100隨后啟動(dòng)氫氣泵45以便加壓陽極排放氣體。在這項(xiàng)評估中，控制單元100判定氫氣泵45的指令轉(zhuǎn)速與其實(shí)際檢測到的轉(zhuǎn)速相互偏離是否超出預(yù)定水平。如果是，則控制單元100判定燃料電池疊層10中有凍結(jié)。在這種情況下，例如可以認(rèn)為氫氣泵45凍結(jié)。圖6是示出在每種狀態(tài)下氫氣泵45的轉(zhuǎn)速變化的曲線圖。
更具體地說，該曲線圖示出在控制單元100已經(jīng)發(fā)出啟動(dòng)氫氣泵45的命令后t3時(shí)間內(nèi)觀察到的氫氣泵45轉(zhuǎn)速的變化?？v坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)速，橫坐標(biāo)代表時(shí)間。參照圖6，曲線X代表氫氣泵45的指令轉(zhuǎn)速，即從控制單元100輸出到氫氣泵45的命令信號所指示的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。同時(shí)，曲線Y代表氫氣泵45的實(shí)際轉(zhuǎn)速。如果氫氣泵45凍結(jié)，則在氫氣泵45啟動(dòng)后的時(shí)間t3內(nèi)檢測到的實(shí)際轉(zhuǎn)速仍為水平B，盡管這個(gè)時(shí)間的指令轉(zhuǎn)速等于水平A。這表明氫氣泵45凍結(jié)，氫氣泵45的轉(zhuǎn)速受粘結(jié)在其上的積冰的阻礙。用這種方法，通過參考?xì)錃獗?5的指令轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的差異ΔR，可能判定燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。
回到圖3評估第五種狀態(tài)，控制單元100再次使用氫氣泵45。即，控制單元100啟動(dòng)氫氣泵45以便加壓陽極排放氣體，并且根據(jù)氫氣泵45的入口壓力與出口壓力之間的差異判定燃料電池系統(tǒng)中是否有凍結(jié)，其中入口壓力和出口壓力在陽極排放氣體被如上所述地加壓后獲得。這時(shí)，控制單元100通過壓力傳感器51獲得入口壓力，通過壓力傳感器54獲得出口壓力。如果兩壓力之間的差異量等于或大于參考值(量)，則控制裝置100判定燃料電池系統(tǒng)中有凍結(jié)。在這種情況下，例如可以認(rèn)為止回閥28凍結(jié)。即，被氫氣泵45加壓后，陽極排放氣體在止回閥28處受到調(diào)節(jié)，因此它在正常狀態(tài)中(即，非凍結(jié)狀態(tài))流入到通道32中。但是如果止回閥28凍結(jié)，則陽極排放氣體不能流入到通道32中，因此氫氣泵45的出口壓力升高。
接下來評估第六種狀態(tài)，控制單元100啟動(dòng)壓縮機(jī)41以便向燃料電池疊層10供給壓縮空氣，并通過壓力傳感器53獲得所供給空氣的壓力。如果獲得的壓力高于參考值，則控制單元100判定燃料電池系統(tǒng)中有凍結(jié)。在這種情況下，例如可以認(rèn)為調(diào)節(jié)閥27凍結(jié)。調(diào)節(jié)閥27用于調(diào)節(jié)通過通道36的空氣供給壓力，以便使其保持在特定水平。因此，當(dāng)通過壓力傳感器53獲得的壓力高于參考值時(shí)，表明調(diào)節(jié)閥27凍結(jié)，因此供給壓力不能正確地進(jìn)行調(diào)節(jié)。
如果控制單元100經(jīng)過以上描述的各種評估沒有檢測到任何凍結(jié)(步驟S14否)，則控制單元100進(jìn)行正常操作(步驟S16)。相反，如果控制單元100檢測到凍結(jié)(步驟S14是)，則控制單元100進(jìn)行以下操作。
圖7是流程圖，示出當(dāng)在上述過程中檢測到凍結(jié)時(shí)相應(yīng)于控制單元100進(jìn)行的操作的流程。在該流程中，如果在步驟S14中判定出燃料電池系統(tǒng)中有凍結(jié)，則控制單元判定是否只是排放閥26凍結(jié)(步驟S20)。
如果是，則控制單元100啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)(步驟S23)，因?yàn)橄蛉剂想姵丿B層10提供空氣和氫氣是沒有影響的，直到外來雜質(zhì)的濃度增加到特定程度。隨后，加熱器47打開，采用燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生的電力使排放閥26解凍(步驟S24)。這時(shí)，通過燃料電池系統(tǒng)發(fā)電而生成的熱能可用于解凍排放閥26。如圖7所示，在解凍過程中，控制單元100在顯示器60中示出一條消息，以便通知使用者系統(tǒng)正在解凍(步驟S25)。
同樣，如果在步驟S20中判定燃料電池系統(tǒng)的其它元件或部分凍結(jié)，則控制單元100關(guān)閉在步驟S10中打開的關(guān)閉閥21，以便停止供給氫氣(步驟S21)，并禁止燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)，同時(shí)在顯示器60上示出一條消息以便通知使用者禁止系統(tǒng)的啟動(dòng)(步驟S22)。這是因?yàn)楫?dāng)除了排放閥26之外的其它元件或部分凍結(jié)時(shí)，會(huì)對向燃料電池疊層10的空氣和氫氣供給產(chǎn)生一些影響。因此，如果在這種情況下啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)，很有可能使燃料電池系統(tǒng)性能變差。因此在這種情況下，優(yōu)選禁止燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的上述實(shí)施例，可能在開始操作之前判定燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)，并且能夠根據(jù)燃料電池系統(tǒng)的哪一個(gè)元件或部分凍結(jié)來控制燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)，從而避免燃料電池系統(tǒng)變差。而且，作為執(zhí)行上述凍結(jié)判定程序的先決條件，預(yù)先檢測外界溫度，如果在檢測到的外界溫度下不可能發(fā)生凍結(jié)，則燃料電池系統(tǒng)在不執(zhí)行用于檢測凍結(jié)的任何進(jìn)一步操作的情況下啟動(dòng)，因此在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的過程中不會(huì)引起任何延誤。而且，用于通知使用者執(zhí)行解凍等的消息顯示在顯示器上，因此使用者確認(rèn)系統(tǒng)正常。這些特征使燃料電池系統(tǒng)使用起來更方便。
下面將要描述根據(jù)上述實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的一些修改例子。在上述實(shí)施例中，由設(shè)置在燃料電池系統(tǒng)相應(yīng)位置的壓力傳感器檢測到的壓力被用來判定出現(xiàn)/未出現(xiàn)與包括關(guān)閉閥21和排放閥26的閥門相關(guān)的凍結(jié)。但是，例如用于打開閥門所采取的步數(shù)也可用于相同的判定。圖8是曲線圖，示出當(dāng)閥門最大開度相應(yīng)于第5步時(shí)，在各種狀態(tài)下打開閥門所采取的步數(shù)(在適當(dāng)?shù)牡胤胶喎Q為“步數(shù)”)的增加。在圖8中，實(shí)線代表在正常狀態(tài)(即，非凍結(jié)狀態(tài))中步數(shù)的增加，虛線代表在凍結(jié)狀態(tài)中步數(shù)的增加。參照此圖，在正常狀態(tài)中步數(shù)一步一步增加到第5步。相反，在凍結(jié)狀態(tài)，步數(shù)在到達(dá)第5步之前停止增加，例如圖8所示增加到第2步。這表明閥門凍結(jié)，因此不能被打開。用這種方法，通過參考閥門的步數(shù)就可容易地判定出現(xiàn)或不出現(xiàn)凍結(jié)。
在上述實(shí)施例中，當(dāng)僅排放閥26凍結(jié)時(shí)，燃料電池系統(tǒng)可啟動(dòng)，排放閥26用燃料電池系統(tǒng)發(fā)電過程中生成的電力和/或熱量解凍。在另一實(shí)施例中，可附加地或可選地采用電池進(jìn)行解凍。
而且在上述實(shí)施例中，在步驟S20中判定是否只有排放閥26凍結(jié)。但在另一實(shí)施例中沒有必要進(jìn)行這種判定。即，無論燃料電池系統(tǒng)的哪個(gè)元件或部分凍結(jié)，燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)都被禁止。在這種情況下，燃料電池系統(tǒng)中不需要使用加熱器。
而且在上述實(shí)施例中，解凍過程中有關(guān)執(zhí)行解凍的消息(即，信息)通過顯示器提供給使用者。在另一實(shí)施例中，這種信息可通過例如聲音消息等的聲頻提示代替提供給使用者。
而且在另一實(shí)施例中，步驟S13中的凍結(jié)判定步驟可以按表中示出的不同順序執(zhí)行。而且，不必執(zhí)行所有的步驟，即僅選擇它們中的一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行。
而且，不論燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)或未出現(xiàn)凍結(jié)，當(dāng)傳感器或用于閥門的電機(jī)的當(dāng)前值中檢測出異常時(shí)，燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)也被禁止。
盡管已參照示例實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明，應(yīng)理解的是本發(fā)明不僅限于示例的實(shí)施例或結(jié)構(gòu)。相反，本發(fā)明旨在覆蓋本發(fā)明范圍內(nèi)的各種修改和等同布置。例如，對燃料電池系統(tǒng)的上述控制不僅可用軟件算法，也可用特定結(jié)構(gòu)的硬件元件和裝置來執(zhí)行。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池(10)；氣體供給-排放部分(26)，該部分用于向燃料電池供給在其中進(jìn)行發(fā)電所使用的氣體或用于從燃料電池排放廢氣；以及控制裝置(100)，該裝置用于控制燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)的特征在于該控制裝置在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)，判定在包括氣體供給-排放部分的燃料電池系統(tǒng)的特定部分或元件中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)，并且當(dāng)在氣體供給-排放部分中檢測到凍結(jié)、即使只是部分凍結(jié)時(shí)，禁止燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括溫度檢測裝置(102)，用于檢測燃料電池系統(tǒng)中至少一個(gè)部分或元件的溫度，其中如果由該溫度檢測裝置檢測到的溫度低于參考值，則該控制裝置判定出現(xiàn)凍結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括壓力檢測裝置(54)，用于檢測氣體供給-排放部分(26)處的壓力，其中該控制裝置根據(jù)由該壓力檢測裝置檢測到的壓力判定出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，其中如果由壓力檢測裝置檢測到的壓力超出預(yù)定范圍，則該控制裝置判定出現(xiàn)凍結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它設(shè)置在氣體供給-排放部分，以便調(diào)節(jié)氣體的供給量或排放量，其中該控制裝置根據(jù)當(dāng)該操作調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)時(shí)由壓力檢測裝置檢測到的壓力的變化判定出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括用于供給或排放氣體的電驅(qū)動(dòng)元件(21、26、41、45)，其中該控制裝置根據(jù)供給到所述電驅(qū)動(dòng)元件的電力判定出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括用于供給或排放氣體的電驅(qū)動(dòng)元件(45)，其中該控制裝置通過比較電驅(qū)動(dòng)元件的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)值與該電驅(qū)動(dòng)元件操作期間獲得的實(shí)際驅(qū)動(dòng)值判定出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)，該電驅(qū)動(dòng)元件的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)值由與供給到電驅(qū)動(dòng)元件的電力相對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)指令所指示。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括用于解凍燃料電池系統(tǒng)凍結(jié)的元件或部分的解凍裝置(47)，其中當(dāng)判定出氣體供給-排放部分沒有凍結(jié)而燃料電池系統(tǒng)的其它元件或部分凍結(jié)時(shí)，該控制裝置允許燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)，并控制該解凍裝置采用燃料電池系統(tǒng)發(fā)電過程中生成的電力或熱量中的至少一種對凍結(jié)元件或部分進(jìn)行解凍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括通知裝置(60)，用于向使用者提供有關(guān)控制裝置作出的關(guān)于燃料電池系統(tǒng)中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)的判定信息和根據(jù)同一判定的結(jié)果所選擇的信息中的至少一項(xiàng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該通知裝置由顯示裝置形成，它以在其屏幕上顯示的消息的形式向使用者提供信息。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該通知裝置以聲頻提示的形式向使用者提供信息。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中該氣體供給-排放部分由一個(gè)閥門形成，并且該控制裝置根據(jù)打開閥門所采取的步數(shù)判定閥門中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，還包括用于解凍燃料電池系統(tǒng)的凍結(jié)元件或部分的解凍裝置(47)和電池，其中當(dāng)判定出氣體供給-排放部分沒有凍結(jié)，但是燃料電池系統(tǒng)的其它元件或部分凍結(jié)時(shí)，該控制裝置允許啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)，并控制解凍裝置采用該電池供給的電力解凍凍結(jié)的元件或部分。
14.一種用于控制燃料電池系統(tǒng)的方法，該燃料電池系統(tǒng)包括氣體供給-排放部分(26)，該部分用于向燃料電池(10)供給由該燃料電池發(fā)電中所使用的氣體或從該燃料電池中排放廢氣，該方法的特征在于包括以下步驟在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)時(shí)判定包括氣體供給-排放部分的燃料電池系統(tǒng)的特定部分或元件中出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)；和如果在氣體供給-排放部分的至少一個(gè)部分中檢測到凍結(jié)，則禁止燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中檢測燃料電池系統(tǒng)中至少一個(gè)元件或部分的溫度，并且如果檢測到的溫度低于參考值則判定出現(xiàn)凍結(jié)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中檢測氣體供給-排放部分的壓力，并且根據(jù)檢測到的壓力判定出現(xiàn)/未出現(xiàn)凍結(jié)。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)，它在啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)操作時(shí)，通過評估各種狀態(tài)來檢測燃料電池系統(tǒng)中的特定元件和部分中的凍結(jié)。如果通過這些評估檢測出凍結(jié)，則禁止系統(tǒng)的啟動(dòng)以便防止燃料電池系統(tǒng)中的某些性能變差。
文檔編號H01M8/04GK1505194SQ200310119679
公開日2004年6月16日 申請日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者藤田信雄, 堀尾公秀, 松本只一, 吉田尚弘, 栗田健志, 坂口信也, 森?；? 一, 也, 弘, 志, 秀 申請人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社, 株式會(huì)社電裝, 豐田麥克斯株式會(huì)社