燃料电池启动方法技术

通过向燃料电池（１）的燃气通道、氧化剂气体通道和冷却液通道中通入热气流解冻了燃料电池（１）中的冰，从低温状态下启动了燃料电池（１）。当启动程序开始时，向燃料电池（１）中通入包含不含水或实际不含水的干热气体的气流，之后，根据燃料电池（１）的温升增加气流中所含有的蒸汽总量。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池的启动，更特别地，涉及从低温状态下启动燃料电池的方法。
技术介绍
聚合物电解质燃料电池(PEFC)包括以下几部分膜，称作“MEA”，包括在聚合物电解质膜两侧通过叠加催化剂和气体扩散电极层而形成的正极和负极；碳或金属双极板，在其中形成通道，用以向这些电极供应燃气和氧化剂气体。为了使PEFC产生电力，上述聚合物电解质膜必须含有水分，以使膜保持潮湿，供给燃料电池的燃气和氧化剂气体通常都被湿润了。在产生电力时，在负极也生成纯水，从而氧化剂通道含有水分。通常，燃料电池具有用于冷却液循环以带走所产生热量的通道，纯水可用作冷却液。在气体被湿润并且生成的水通过借助于多孔部件连接冷却液通道、燃气通道和氧化剂气体通道而回收的燃料电池中，冷却液通道和多孔部件内部也会含有水。因此，燃料电池的各个部分都含有水，如果将燃料电池长时间放置在冰点之下的环境中而不工作，那么燃料电池中的水将结冰。从而，如果燃料电池从这个状态启动，必须将燃料电池内的冰解冻。日本专利局在2000年公布的JP 2000-315514A提出了一种通过向燃料电池通道(燃气通道、氧化剂气体通道、冷却液通道)中通入热气而将燃料电池中的冰解冻的方法。专利技术概述然而，即将解冻之前的燃料电池处在低温下，因此，部分热气在通道壁上迅速冷却并液化。如果这些液体总量很小而且保持为液相，那么它们会被后来的气体吹走向下传送，这样就不会有问题，但是如果总量很大，没有被气流吹走，就会在通道中聚集并堵塞通道。而且，如果这些液体进一步冷却并固化的话，就会粘附在通道壁上，如果粘附总量很大，可能会再次堵塞通道。如果通道被堵塞了，则不再可能使气体循环以加热燃料电池，也就不再可能启动燃料电池。如果热气流含有水分的化，通道堵塞问题会变得更严重。然而，当含有水分时，燃料电池的升温效应比不含水分时更大。这是因为热气流中的蒸汽所含有的水分在燃料电池内部冷却变成冰，相变的潜热被传给燃料电池。这样，当燃料电池中的气流含有更多水时，燃料电池的解冻会更有效，但是这也增加了通道被堵塞的可能性。因此，本专利技术的一个目的就是有效地解冻燃料电池而不引起通道的堵塞。为了达成上述目的，本专利技术给出一种从低温状态下启动燃料电池的方法，包括在启动程序刚开始时，将干热气体通入燃料电池的通道中；在启动程序开始之后，根据燃料电池的温度改变气流中所含有的蒸汽总量。在说明书的剩余部分将参考附图阐明本专利技术的细节以及其它特点和优点。附图简述附图说明图1为燃料电池系统及其解冻系统的示意图。图2为一表格的示意图，该表格规定燃料电池温度和阀门开口之间的关系。图3为一流程图，示出燃料电池解冻启动程序。图4A-4D为时间图，示出燃料电池解冻启动程序。图5A-5D为时间图，示出燃料电池解冻启动程序。图6与图1类似，示出了本专利技术的第二实施方案。图7为一流程图，示出燃料电池解冻启动程序。图8为一表格，示出本专利技术的第三实施方案，该表格规定从解冻开始经过的时间、外界空气温度和阀门开口之间的关系图9为一流程图，示出燃料电池解冻启动程序。具体实施方案描述参看附图的图1，在安装在燃料电池汽车中的燃料电池系统中，燃料电池解冻系统与燃料电池1的燃气管道2、空气管道3和冷却液管道4相连。解冻系统包括干热气体供应系统，由泵5将空气加压并由加热器6将其加热以产生要送至燃料电池1的干热气体；水蒸汽供应系统，在锅炉7中将水加热以产生要送至燃料电池1的蒸汽。干热气体是湿度为0％或有效地为0％的气体。通过燃烧像汽油或甲醇这样的燃料来向加热器6和锅炉7供热。除了加热器6和锅炉7之外，还可通过使用来自车中蓄电池的电力的加热器，或通过使用停车场所提供的电力的加热器来进行加热。干热气体和蒸汽的流速由阀门8、9分别调节，阀门8、9可连续或分级调节流速。当干热气体和蒸汽在混合支管10中混合之后，经过切换阀将它们送入燃气管道2、空气管道3和冷却液管道4。这些阀门的开口由控制器20来控制。燃料电池1使用纯水作为冷却液。燃料电池中的冷却液通道与燃气通道和氧化剂气体通道经由多孔材料相连。燃料电池1的内部温度由温度传感器14探测，而外界空气温度由温度传感器21探测。当燃料电池系统停止时，为了避免燃料电池1冷却液通道4中的水结冰膨胀——这会损坏燃料电池1，将水从冷却液管道4中排出。然而，即使冷却液通道中的水被排出，水还留存在多孔分隔器、电解质膜、燃气通道和氧化剂气体通道中，如果将汽车留在低于冰点的环境中，这些残余的水就会结冰。当燃料电池系统结冰时，为了将其启动，首先必须解冻燃料电池1中结冰的水。在本实施方案中，解冻启动程序如下进行。在解冻启动程序中，首先，干热气体供应系统中的阀门8开启，切换阀11、12、13切换，以使热气流从解冻系统流进燃料电池1，从而热空气(干热气体)被送至燃料电池1中的燃气通道、氧化剂气体通道和冷却液通道内。此时，蒸汽供应系统中的阀门9仍然关闭。燃料电池1被干热气体加热。随着燃料电池1内部温度的升高，阀门9的开口增大，以增加通向燃料电池1的热气的湿度。然后阀门8逐渐关闭，以使最后只有蒸汽通入燃料电池1。当蒸汽通入燃料电池1时，蒸汽和燃料电池1交换热量，温度下降，凝结成水或冰。当蒸汽变成水或冰时，水放出其潜热给燃料电池1，因此传送给燃料电池1的热量大于相同温度下干热气体所传送的热量，单位时间升高的温度增加了。然而，如果燃料电池1中凝结或结冰的水分总量增加，那么燃气管道2、空气管道3和冷却液管道4将会被冰或水堵塞，就不再可能通过通入热气流来加热燃料电池1。因此，根据本实施方案，监测燃料电池1的内部温度，控制干热气体和蒸汽的混合比，以使通入燃料电池1中的蒸汽的总量达不到在那个温度下可引起通道堵塞的程度。干热气体流速和蒸汽流速的控制根据图3所示的流程图进行。当进行图3所示的流程图时，相应于燃料电池温度Ts的空气阀8开口VGs和蒸汽阀9开口VVs列成图2所示的表格，存储在控制器20的存储器中。阀门开口VGs、VVs为达到目标蒸汽总量Rs处的阀门开口，蒸汽总量Rs为在燃料电池温度Ts下，燃料电池1中的通道不发生堵塞的蒸汽总量的上限。事先通过实验找到这些值。确定n组阀门开口VGs、VVs，除了初值VG0、VV0，组数n为下述控制中温度步进的最大值。现在将参考图3更详细地描述解冻启动程序。当燃料电池系统从低温状态下启动时，由控制器20执行该流程图。首先，在步骤S1中，当燃料电池系统启动时，切换阀11、12、13切换，以使来自解冻系统的热气流进入燃料电池1。在步骤S2中，干热气体阀8的开口设为VG0而蒸汽阀9的开口设为VV0。通过设置开口VV0以使流经燃料电池1的蒸汽不会在启动程序开始之后马上引起堵塞，根据阀门8的开口VG0热空气和预定总量的蒸汽被通入燃料电池1，燃料电池1的温度开始上升。此时VV0也可设为零，以仅通入热空气而完全避免堵塞(图4D)。在步骤S3中，将温度步进s设为一。在步骤S4中，读出相应于温度步进s＝1的温度T1。在步骤S5中，由温度传感器1 4探测燃料电池1的内部温度T。在步骤S6中，将燃料电池1的温度T与T1比较。当燃料电池1的温度T低于T1时，程序返回步骤S5。当燃料电池1的温度T升到T1时，程序执行步骤S7，阀门8、9的开口变成读自表格的值VG1、V本文档来自技高网...

【技术保护点】
从低温状态下启动燃料电池（１）的方法，包括：启动程序开始时，向燃料电池（１）的通道中通入包括干热气体的气流，以及启动程序开始之后，根据燃料电池（１）的温度改变气流中所含有的蒸汽总量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：高桥直树，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[]