CN108630965A - 用于燃料电池脱水的时间控制的筒式加热器 - Google Patents

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Abstract

车辆由燃料电池***供电。燃料电池***包括具有用于积聚来自燃料电池***的水的储水器的水分离器。排水阀连接到由储水器限定的排水通道，并配置成当打开时从储水器排出水。筒式加热器在排水阀附近定位在排水通道内。控制器被配置为激活筒式加热器达持续时间，该持续时间根据环境温度而变化。

Description

用于燃料电池脱水的时间控制的筒式加热器
技术领域
本申请总体上涉及用于燃料电池的除水***的加热***。
背景技术
车辆可以由燃料电池***供电。燃料电池***通过由通过燃料电池组循环的氢气和氧气引起的化学反应来产生电能。化学反应的副产物是水。燃料电池***必须通过排水或再循环来管理水的积聚。在天气寒冷的气候下，还有防止水在燃料电池***中冻结并造成堵塞的额外的挑战。
发明内容
一种车辆包括包含用于水的储水器的燃料电池***。该车辆还包括排水阀，该排水阀连接到由储水器限定的排水通道并且配置成当打开时从储水器排出水。该车辆还包括位于排水通道内并靠近排水阀的筒式加热器(cartridge heater)。该车辆还包括控制器，该控制器被配置为响应于燃料电池启动请求而激活筒式加热器达持续时间，该持续时间根据环境温度而变化。
筒式加热器可以在储水器的与排水通道相对的表面处连接到储水器。筒式加热器可以包括接近排放阀的加热部分，其基于冻结状态期间储水器中的预期冰面水平从排放阀延伸一段距离。筒式加热器可以是圆柱形的。筒式加热器的直径可以使得由排水通道的横截面积和排水通道内的筒式加热器的横截面积限定的通道开口的面积至少等于由两毫米直径的圆形开口限定的面积。控制器可以进一步配置成响应于持续时间的终止而打开排水阀。筒式加热器可以配置成使得筒式加热器的靠近排放阀的末端被加热。筒式加热器可以是分体式护套型(split-sheath type)。
燃料电池***包括配置成收集水的储水器、连接到由储水器限定的排水通道并且配置成当打开时从储水器排出水的排水阀、定位在排水通道内并接近排水阀的筒式加热器、以及控制器，所述控制器被配置成响应于燃料电池启动请求而激活筒式加热器达持续时间，所述持续时间基于环境温度而变化。
筒式加热器可以在储水器的与排水通道相对的表面处连接到储水器。筒式加热器可以包括接近表面的非加热部分，其基于在冻结状态期间储水器中的预期冰面水平从表面延伸一段距离。筒式加热器可以包括接近排水阀的加热部分，其基于冻结状态期间储水器中的预期冰面水平从排水阀延伸一段距离。筒式加热器的末端和排水阀的柱塞可以分开至少预定的间隙。控制器可以被进一步配置成以基于环境温度而变化的功率水平来激活筒式加热器。筒式加热器的横截面积可以使得当筒式加热器***时由排水通道限定的通道开口至少等于由两毫米圆形开口表示的面积。
用于燃料电池的除水***包括用于从燃料电池收集水并且限定排水通道的储水器。除水***还包括排水阀，该排水阀连接到排水通道并且配置成当打开时从储水器排出水。所述除水***还包括筒式加热器，所述筒式加热器连接到所述储水器的与排水通道相对的表面并且延伸到所述排水通道中并且接近排水阀。
所述除水***可以进一步包括控制器，所述控制器被编程为响应于燃料电池启动请求而激活筒式加热器达持续时间，所述持续时间基于环境温度而变化。靠近排水阀的筒式加热器的末端可以是加热末端。筒式加热器的直径可以使得由排水通道的横截面积和排水通道内的筒式加热器的横截面积限定的通道开口的面积至少等于由两毫米直径的圆形开口限定的面积。筒式加热器可以包括接近排水阀的加热部分，其基于冻结状态期间储水器中的预期冰面水平从排水阀延伸一段距离。
根据本发明，提供一种车辆，包括：
包括用于水的储水器的燃料电池***；
排水阀，所述排水阀连接到由所述储水器限定的排水通道并且配置成当打开时从所述储水器排出水；
筒式加热器，所述筒式加热器定位在所述排水通道内并靠近所述排水阀；以及
控制器，所述控制器被配置为响应于燃料电池启动请求而激活所述筒式加热器达持续时间，所述持续时间根据环境温度而变化。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器在所述储水器的与所述排水通道相对的表面处连接到所述储水器。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器包括靠近所述排水阀的加热部分，所述加热部分基于在冻结状态期间所述储水器中的预期冰面水平而从所述排水阀延伸一段距离。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器是圆柱形的。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器的直径使得由所述排水通道的横截面积和所述排水通道内的所述筒式加热器的横截面积限定的通道开口的面积至少等于由两毫米直径的圆形开口限定的面积。
根据本发明的一个实施例，其中所述控制器还被配置为响应于所述持续时间的终止而打开所述排水阀。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器被配置成使得所述筒式加热器的接近所述排水阀的末端被加热。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器是分体式护套型。
根据本发明，提供一种燃料电池***，包括：
配置成收集水的储水器；
排水阀，所述排水阀连接到由所述储水器限定的排水通道并且配置成当打开时从所述储水器排出水；
筒式加热器，所述筒式加热器定位在所述排水通道内并靠近所述排水阀；以及
控制器，所述控制器配置成响应于燃料电池启动请求而激活所述筒式加热器达持续时间，所述持续时间根据环境温度而变化。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器在所述储水器的与所述排水通道相对的表面处连接到所述储水器。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器包括接近所述表面的非加热部分，所述非加热部分基于在冻结状态期间所述储水器中的预期冰面水平从所述表面延伸一段距离。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器包括接近所述排水阀的加热部分，所述加热部分基于冻结状态期间所述储水器中的预期冰面水平而从所述排水阀延伸一段距离。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器的末端和所述排水阀的柱塞分开至少预定的间隙。
根据本发明的一个实施例，其中所述控制器还被配置成以基于所述环境温度变化的功率水平来激活所述筒式加热器。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器的横截面积使得当所述筒式加热器***时由所述排水通道限定的通道开口至少等于由两毫米圆形开口表示的面积。
根据本发明，提供一种用于燃料电池的除水***，包括：
储水器，所述储水器用于从所述燃料电池收集水并且限定排水通道；
排水阀，所述排水阀连接到所述排水通道并且配置成当打开时从所述储水器排出水；以及
筒式加热器，所述筒式加热器连接到所述储水器的与所述排水通道相对的表面并且延伸到所述排水通道中并接近所述排水阀。
根据本发明的一个实施例，还包括控制器，所述控制器被编程为响应于燃料电池启动请求而激活所述筒式加热器达持续时间，所述持续时间基于环境温度而变化。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器的靠近所述排水阀的末端是加热末端。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器的直径使得由所述排水通道的横截面积和所述排水通道内的所述筒式加热器的横截面积限定的通道开口的面积至少等于由两毫米直径的圆形开口限定的面积。
根据本发明的一个实施例，其中所述筒式加热器包括接近所述排水阀的加热部分，所述加热部分基于在冻结状态期间所述储水器中的预期冰面水平从所述排水阀延伸一段距离。
附图说明
图1示出了由燃料电池***供电的车辆的框图；
图2示出根据一个实施例的燃料电池***的示意图；
图3示出了结合筒式加热器的排水阀和水分离器的可能配置；
图4示出了当车辆在倾斜表面上时的排水阀和水分离器；
图5描绘了排水阀打开时的排水阀和水分离器；
图6描绘了排水阀关闭时的排水阀和水分离器，并描绘了由筒式加热器产生的排水通道；
图7描绘了排水阀打开时的排水阀和水分离器，并描绘了由筒式加热器产生的排水通道；
图8描绘了在一定范围的起始温度下开始通过两英寸冰层排水的时间曲线图；
图9描绘了通过在干水分离器中操作持续时间而引起的筒式加热器温度的曲线图，持续时间根据起始温度而选择；
图10描绘了用于操作筒式加热器的可能操作顺序的流程图。
具体实施方式
这里描述了本公开的实施例。然而，应该理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种以及替代形式。图形不一定按比例；某些特征可能被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征组合以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定应用或实施方式可能是期望的。
图1描绘了车辆100的图。车辆100可以由燃料电池***200供电。燃料电池***200可以电连接到高压总线120。牵引电池122可以是电连接到高压总线120。电负载108可以电连接到高压总线120。电机102可以经由功率逆变器电连接到高压总线120。电机102可以机械地连接到变速器104。变速器104可以机械地连接到车辆的驱动轮106。
燃料电池***200可以提供电力来操作电机102以推进车辆100或执行其他车辆功能。燃料电池***200可以产生可以被连接到高压总线120的部件(例如电负载108)消耗的电力。由燃料电池***200产生的电力也可以由牵引电池122存储。电机102将电能转换成旋转机械能以驱动变速器104。变速器104可以包括齿轮和离合器，其被配置为将电机102的旋转能量转换为驱动轮106处的旋转能量。
图2示出了作为工艺流程图的燃料电池***200的一种可能的配置。如本领域已知的，燃料电池***200可以是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。燃料电池***200可以包含燃料电池组212。组212可以包括阳极侧214、阴极侧216以及其间的膜218。燃料电池***200可以与例如高压总线120或牵引电池122电连通并且向其提供能量。燃料电池组212还可以具有冷却回路(未示出)。
在燃料电池***200的操作期间，水、诸如氢的剩余燃料和诸如氮的副产物可能积聚在燃料电池组212的阳极侧214处。燃料电池***200可以被配置成去除液态水和副产物，并重新使用剩余的氢气和水蒸气。一种方法可以是将这些成分收集在燃料电池组212下游的分离器236中，该分离器236被配置为分离至少一部分液态水和/或氮并且将其余成分经由再循环回路中的返回通路返回到燃料电池组212。
初级燃料源222可以连接到燃料电池组212的阳极侧214，例如初级氢源。初级氢源222的非限制性示例可以包括高压储氢罐或氢化物储存装置。氢源222可以连接到一个或多个喷射器224。喷射器224可以具有将氢供应到会聚-发散喷嘴228的会聚部分中的喷嘴226。喷嘴228的发散部分可以连接到阳极侧214的输入端230。
阳极侧214的输出端232可以连接到无源再循环回路234。通常，将过量的氢气提供给阳极侧214，以确保有足够的氢可用于组212中的所有电池。换句话说，在化学计量比超过1的情况下，即在相对于精确的电化学需求的富燃料比的情况下，将氢提供给燃料电池组212。提供再循环回路234使得未被阳极侧214使用的过量氢返回到输入端230，因此过量的氢可以被使用而不浪费。
另外，积聚的液相和气相水是阳极侧214的输出。阳极侧214需要加湿以进行有效的化学转化并延长膜寿命。再循环回路234可以用于提供水以在阳极侧214的输入端230之前加湿氢气。
再循环回路234可以包括分离器236或脱水装置(water knock-out device)。分离器236接收来自阳极侧214的输出端232的氢气、氮气和水的流或流体混合物。水可以是混合相并包含液相和气相水。分离器236可以包括用于保持预定量的水的储水器。分离器236去除可以通过排水管线238离开分离器的至少一部分液相水。氮气、氢气和气相水的至少一部分也可以离开排水管线238，并通过例如在燃料电池组212的清除过程期间通过控制阀239(也可以称为排水阀)。控制阀239可以与分离器236紧密结合。分离器236中的剩余流体通过再循环回路234中的通路240离开，所述通路240连接到喷射器224。通路240中的流体被注入会聚-发散喷嘴228的会聚部分中，在那里它与来自喷嘴226和氢源222的进入的氢混合。
液态水可以通过分离器236从阳极侧214去除，以防止阳极侧214的通道和电池内的水堵塞。燃料电池组212内的水堵塞可能导致电池电压降低和/或燃料电池组212内电压不稳定性。液态水也可以通过分离器236去除，以防止喷射器224内的堵塞或部分堵塞。会聚-发散喷嘴228的发散部分中的液态水滴将有效地产生在喷嘴228内的第二文氏里管部分并且导致喷射器224的泵送不稳定性。
组212的阴极侧216接收氧气，例如作为空气源242中的成分。在一个实施例中，压缩机244由马达246驱动以加压进入的氧。然后，加压空气在进入阴极侧216之前被加湿器248加湿。另一个分离器250(以虚线示出)可以设置在加湿器248的下游。分离器250可以用于在加湿空气流在输入端252进入组212的阴极侧216之前从加湿空气流中去除液态水。由于液态水被加湿器248内的空气高流速夹带，水滴可以存在于加湿器248的下游。液态水可以通过分离器250去除以防止阴极侧216的电池内的水堵塞，导致电池电压降低和/或燃料电池组212内的不稳定性。阴极侧216的阴极组出口254连接到阀256。来自分离器236的排水管线238和来自分离器250的排水管线258可以连接到阀256下游的管线260。在其他实施例中，排水管线可以被连接到燃料电池***200中的其他位置。
其他***架构也可以用于燃料电池***200。例如，除了压缩机244之外，还可以使用涡轮机来引起通过阴极侧216的流动。在一个示例中，涡轮机定位在阴极组出口254的下游，在阴极侧216和涡轮机之间***分离器以在流体流进入涡轮机之前去除液态水。
基于使用喷射器224产生通过阳极侧214的流动并引起流动通过无源再循环回路234，喷射器224必须克服***中的任何压降，其包括通常燃料电池组212两端的典型显著压降。如图所示的***200不包括泵或其它装置以引起再循环回路234中的流动，因此所有的压缩工作都由喷射器完成，被描述为喷射泵。为了该功能有效，分离器236两端可以具有较低的压降。分离器236可以被配置成从流体中去除较大的水滴以防止由水滴引起的燃料电池组212或喷射器224中的再循环流中的水堵塞。分离器236允许气相水和较小的水滴留在通路240中的再循环流中并返回到喷射器224用于加湿目的。在一个示例中，分离器236去除直径近似为1毫米或更大的水滴。
另外，当分离器236接收来自阳极侧214的流体流动时，分离器236可以被设计成与氢气一起使用。通常，氢气可能导致材料退化或脆化问题，并且在分离器236中使用的材料可能与氢相容。此外，氢是小分子，许多传统的分离器装置不适合与氢一起使用，因为它们的设计可能允许泄漏，例如用传统的螺纹连接。其他传统的分离器可能包含旋转或移动部件，例如旋转叶片等，其可能与氢不相容，因为润滑剂可能使燃料电池组污染或者氢可能降解或分解润滑剂。
分离器250还需要从流体中去除较大的水滴以防止由燃料电池组212的阴极侧216的流动中的水滴引起的水堵塞。分离器250允许气相水和更小的水滴留在流中用于加湿。在一个实施例中，分离器250去除与阴极侧216流场通道宽度相同或更大的水滴。在一个示例中，阴极侧流场通道可以在0.2毫米与1.0毫米之间。
图3描绘了分离器236和排水阀239的可能配置。待描述的特征涉及执行从燃料电池***200积聚和去除液态水的功能的分离器236。排水阀239可以是螺线管阀，其包括可移动活塞或柱塞310，该活塞或柱塞被配置成当螺线管被通电或激活时移动。排水阀239可以连接到分离器236，使得排水阀239的输入端口附接到分离器236的流体出口或排水通道316。排水通道316可以是限定在储水器底部的分离器236的一部分，使得当垂直取向时，液态水积聚在排水通道316中。排水阀239的出口端口308可以被配置为当螺线管通电时允许流体从分离器236流出。排水阀239可以是常闭阀。在关闭状态下，柱塞310可以密封排水阀239的输入端口和出口端口308之间的任何通道。在打开状态下，柱塞310被定位成使得输入端口和出口端口308之间的流体流动是允许。额外的管道可以连接到出口端口308以输送离开分离器的水用于再循环或去除。
在燃料电池操作期间，水可以收集在分离器236中。燃料电池***可以将分离器236内的水位306控制到预定水平。在燃料电池操作期间，可能存在用于操作燃料电池***200的优选水位。此外，在关闭期间，燃料电池***200可以配置成从分离器236清除水以为下一操作循环做准备。清除水还可以降低寒冷天气下冻结的风险。在燃料电池操作期间，排水阀239可以周期性地致动以允许水流出分离器236以保持优选的水位。
图4描绘了当车辆100在倾斜表面上时的分离器236。观察到，倾斜的水位314仍然可以覆盖排水通道316，使得通过致动柱塞310仍然可以从分离器236去除水。
图5描绘了柱塞310处于打开位置(例如螺线管通电)的分离器236。观察到，当柱塞310处于打开位置时，排水通道316流体连接至出口端口308。因此，分离器236中积聚的水可以流动通过排水通道316至出口端口308。以这种方式可以降低分离器236中的水位。
收集在分离器236中的水在冻结天气条件中造成问题。在低于冻结温度一段时间之后，燃料电池***200内的水可能会冻结以形成冰。分离器236中的冻结的水可以堵塞排水通道316并防止水离开分离器236。另外，水可以在柱塞310周围冻结并防止柱塞310移动。分离器236中的冰可以导致水位变得太高并且最终阻碍燃料电池***200的最佳操作。这样，可以采用各种***来减少燃料电池***200中冰的出现。
先前的解决方案包括使用清洁的储水器(scavenged reservoir)，该储水器是分离器排入其中的较小的储水器。排水阀然后附接到清洁的储水器的出口。在清洁的储水器配置中，排水阀位于比清洁的储水器更高的位置。水可能在清洁的储水器中冻结，并最终超过清洁的储水器的容积，从而导致堵塞。在倾斜的表面上，清洁的储水器中的水可能冻结导致堵塞。另外，排水阀附近的水分会导致冻结，导致需要加热排水阀。其他解决方案包括使用加热的排水阀。加热的排水阀起作用以允许阀的移动，但不一定会融化冰以开始排水。
再次参照图3，筒式加热器300可以安装在分离器236内以防止水冻结。筒式加热器300可以包括加热部分302和非加热部分304。加热部分302可以包括加热元件。加热元件可以是当电流流过时产生热量的电阻元件。加热部分302可以与排水通道316一起定位并且接近排水阀239。筒式加热器300可以在与排水通道316相对的表面处连接到分离器236。例如，筒式加热器300可以被悬置或以其它方式连接到分离器236的最上表面。非加热部分304可以穿过用于将筒式加热器300连接到控制器312的导体。筒式加热器300可以被配置为刚性轴以使移动最小化。筒式加热器300可以被安装成使得加热部分302在由分离器236限定的排水通道316内。为了保持排水通道316内的固定位置，可以使用螺纹衬套或凸缘来将筒式加热器300固定到分离器236。
基于冻结状态期间储水器中的预期冰面水平，靠近排水阀的加热部分302的长度可以从排水阀239延伸一段距离。加热部分302的长度可以被配置成使得加热部分302从靠近排水阀239的加热部分302的末端延伸一段距离到分离器236内的最大预期冰或水表面厚度。也就是说，加热部分302应该从排水阀239延伸穿过任何形成的冰，以促进融化。加热部分302的尺寸可以设计成使得激活加热元件融化允许添加到分离器的水通过其到达排水通道316的通道。加热部分302延伸到最大预期冰/水位以上不会有助于融化冰块，并可能增加用电量。
排水通道316的正常开口可能期望在2毫米与5毫米之间。筒式加热器300的***可以改变排水通道316的有效开口。因此，可以选择设计参数以确保有效开口对于燃料电池操作是令人满意的。筒式加热器300的直径可以使得由排水通道316的横截面积和排水通道316内的筒式加热器300的横截面积限定的通道开口的面积至少等于由2毫米直径的圆形开口限定的面积。例如，假定圆形排水通道具有5毫米的直径。市售的筒式加热器可以具有1/8英寸(3.175毫米)的直径。在5毫米开口中***1/8英寸筒式加热器会留下等于3.86毫米直径圆形开口的开口。可以对其他配置执行类似的分析。通过适当选择排水通道316和筒式加热器300的直径，可以确保通过排水通道316的足够的流动。请注意，除了提供的示例之外，还可以使用其他组合。
加热部分302的末端可以与柱塞310相邻。筒式加热器300可以配置为具有加热末端以促进可以阻碍柱塞310移动的冰的融化。预定间隙可以存在于末端和柱塞310之间，使得末端不接触柱塞310。尽管排水通道316和筒式加热器300之间不需要接触，但是接触未必是有害的，因为预期的温度不会预期不利地影响任何表面。然而，该间隙可能是优选的，以防止阻碍柱塞310的运动。
筒式加热器300可以是圆柱形的。在一些配置中，筒式加热器300可以是分体式护套型筒式加热器。分体式护套型筒式加热器包括两个可在加热器激活时膨胀的腿状部。此外，当加热器停用时，腿状部可收缩回其原位置。这可以有助于增加融化到冰中的排水通道的尺寸。
非加热部分304可以用作导电屏障，使得通向分离器236外部的导线保持接近环境温度。这避免了可能导致退化的布线和绝缘的热循环。
筒式加热器300可以电连接到控制器312。控制器312可以激活加热部分302内的加热元件以引起温度升高。控制器312可以被配置为改变供应到筒式加热器300的功率。例如，控制器312可以包括可以改变供应到筒式加热器300的电流的固态驱动器电路。例如，脉冲宽度调制信号可以被提供以调制流过筒式加热器300的电流。
图6描绘了处于冻结状态的分离器。分离器236中的水可以冻结以形成冰320。冰的厚度可以取决于分离器236中的水位、温度和冰冻状态的持续时间。在任何加热之前，冰320可以完全阻塞排水通道316。在这种情况下防止进入分离器236的水排出。控制器312可以被配置为激活筒式加热器300以融化冰320。在燃料电池启动时，筒式加热器300可以被激活持续一段时间。当激活时，筒式加热器300的加热部分302使相邻的冰融化。另外，加热部分302的末端引起柱塞310的加热。加热的结果是在冰320和加热部分302之间形成通道322。另外，邻近柱塞310的任何冰都被融化。形成的通道322通常可以像筒式加热器300一样成形。随着燃料电池的操作，进入分离器236的空气和水的温度将升高，导致进一步的融化。
加热过程可以重复。例如，在预定的关闭时间之后，筒式加热器300可以被再次激活。可以选择预定的关闭时间以确保筒式加热器300低于预定温度。其他传感器也可能触发重复该过程。例如，分离器236中的水位传感器可以指示水位未如预期的那样下降。燃料电池操作的其他性能测量还可以指示分离器236没有适当地排空。这些条件可能会触发另一个加热循环，以尝试并去除任何可能阻塞水流的剩余的冰。
如图7所示，柱塞310的致动将排水通道316连接到出口端口308。这样，由筒式加热器300产生的通道322允许水流到出口端口。当燃料电池操作时，将在分离器236中添加温度高于冰点的额外的水。所添加的额外的水将导致冰320的进一步融化。
图8描绘了曲线图800，其描绘了针对两个不同的功率水平融化穿过两英寸厚的冰的通路的时间量。曲线图800表示加热器筒是具有两英寸长度的第八英寸直径筒式加热器的示例。第一曲线802描绘了以10瓦操作的加热器的排水时间。第二曲线804描绘了以20瓦操作的加热器的排水时间。曲线图800假设在分离器236中冰的厚度为两英寸的条件。第一曲线802和第二曲线804描绘了从一系列初始温度开始的融化排水路径的持续时间。例如，使用20瓦功率在-25℃开始通过2英寸厚的冰块进行排水的时间为8.3秒。
图9描绘曲线图810，其描绘加热元件在干燥状态下被激活如图8中所指定的持续时间的加热器温度。曲线图810示出了在分离器236中被激活一段没有冰的持续时间的情况下加热器筒的温度。第一温度曲线812对应于以10瓦激活加热器。第二温度曲线814对应于以20瓦激活加热器。例如，在没有冰/水存在的情况下，在-25℃起始使用20瓦功率持续8.3秒达到的最高温度为96℃。
即使假定起始温度为50℃(122℉)，将加热器以20瓦的功率应用8.3秒导致加热器温度为171℃。可能需要防止加热器产生可能导致***退化的温度。该***可以设计成防止高温和/或利用能够承受高温的材料。筒式加热器***中一个可能的薄弱区域可能是导线的连接点。如果导线用聚四氟乙烯护套，温度可以调节到保持在250℃以下，以防止护套退化。另一个可能的薄弱区域是柱塞310的表面。例如，排水阀239可以包括由三元乙丙橡胶(EPDM)构成的表面。EPDM橡胶可以提供密封以防止阀未激活时的泄漏。在高于150℃的温度下，EPDM橡胶可能会退化。然而，由于在加热器末端与柱塞310之间存在间隙，所以即使在最恶劣的情况下，柱塞310的表面处的温度也可以保持在可接受的范围内。例如，如果起始温度高于预定的温度水平(例如50℃)，则由于不怀疑冻结条件，所以加热器可能不被激活。
筒式加热器300可以被激活预定的持续时间。预定持续时间可以是燃料电池启动时的环境空气温度的函数。车辆100可以包括一个或多个温度传感器。温度传感器可以包括环境空气温度传感器。温度传感器可以电连接到控制器312或以其他方式与控制器312通信。
加热***的优点是不需要额外的传感器。例如，不使用监测筒式加热器300的温度传感器。筒式加热器300操作预定的持续时间和功率水平，在该功率水平下，筒式加热器不会发生退化。持续时间被选择为使得筒式加热器300不会过热或导致分离器236内的温度变得过高。
图10描绘了可以在控制器312中实施的可能的操作顺序的流程图。在操作900处，可以执行检查以确定是否需要加热器操作。在燃料电池***启动过程中可能需要加热器操作。例如，加热器操作可以响应于燃料电池启动请求而开始。燃料电池启动请求可以从点火开启请求中得到。在车辆断电预定时间之后可以请求加热器操作。如果不需要加热器操作，则可以周期性地重复操作900。
如果需要加热器操作，则可以执行操作902。在操作902处，可以测量与车辆相关的温度。例如，环境空气温度传感器可以被采样以确定环境的温度。在其他配置中，燃料电池***200的温度传感器可以被采样。
在操作904，可以计算加热器持续时间。例如，加热器持续时间可以是测量温度的函数。加热器持续时间可以基于温度如图8所示选择。曲线可以表示为表格并存储在控制器312的存储器中。在一些配置中，加热器持续时间可以是固定的时间间隔。在操作906，加热器可以通过向筒式加热器300的加热元件施加电压或电流来激活。当被激活时，加热部分302产生通过任何积聚的冰的通道，使得水可以从分离器236排出。在操作908，可以执行检查以确定持续时间是否完成。如果持续时间未完成，则可以周期性地重复操作906和908。如果持续时间完成，则可以执行操作910以停用加热器。在加热循环完成之后(例如响应于持续时间的终止)，可以激活排水阀239以开始排水。在加热循环完成之后，如果需要，执行可以返回到操作900以重复循环。
本文公开的过程、方法或算法可以交付给处理设备、控制器或计算机/由处理设备、控制器或计算机实现，处理设备、控制器或计算机可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述过程、方法或算法可以作为可由控制器或计算机以多种形式执行的数据和指令进行存储，所述形式包括但不限于永久存储在不可写存储介质(例如ROM(只读存储器)设备)上的信息以及可更改地存储在可写存储介质(例如软盘、磁带、CD(光盘)、RAM(随机存取存储器)设备以及其他磁和光介质)上的信息。过程、方法或算法也可以使用合适的硬件组件来全部或部分地实现，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件部件或设备、或硬件、软件和固件部件的组合。
虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应该理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。如前所述，各种实施例的特征可以被组合以形成可能未被明确描述或示出的本发明的另外的实施例。虽然各种实施例可能已被描述为提供优点或相对于一个或多个期望特性优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员认识到一个或多个特征或特性可能被损害以实现期望总体***属性，这取决于特定的应用程序和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、适用性、重量，可制造性、易于组装等。如此，被描述为相对于一个或多个特性而言不如其他实施例或现有技术实施方式合意的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用而言可能是期望的。

Claims (15)

1.一种车辆，包括：
包括用于水的储水器的燃料电池***；
排水阀，所述排水阀连接到由所述储水器限定的排水通道并且配置成当打开时从所述储水器排出水；
筒式加热器，所述筒式加热器定位在所述排水通道内并靠近所述排水阀；以及
控制器，所述控制器被配置为响应于燃料电池启动请求而激活所述筒式加热器达持续时间，所述持续时间根据环境温度而变化。
2.根据权利要求1所述的车辆，其中所述筒式加热器在所述储水器的与所述排水通道相对的表面处连接到所述储水器。
3.根据权利要求1所述的车辆，其中所述控制器还被配置为响应于所述持续时间的终止而打开所述排水阀。
4.根据权利要求1所述的车辆，其中所述筒式加热器被配置成使得所述筒式加热器的接近所述排水阀的末端被加热。
5.根据权利要求1所述的车辆，其中所述筒式加热器是分体式护套型。
6.一种燃料电池***，包括：
配置成收集水的储水器；
排水阀，所述排水阀连接到由所述储水器限定的排水通道并且配置成当打开时从所述储水器排出水；
筒式加热器，所述筒式加热器定位在所述排水通道内并靠近所述排水阀；以及
控制器，所述控制器配置成响应于燃料电池启动请求而激活所述筒式加热器达持续时间，所述持续时间根据环境温度而变化。
7.根据权利要求6所述的燃料电池***，其中所述筒式加热器在所述储水器的与所述排水通道相对的表面处连接到所述储水器。
8.根据权利要求6所述的燃料电池***，其中所述筒式加热器包括接近所述表面的非加热部分，所述非加热部分基于在冻结状态期间所述储水器中的预期冰面水平从所述表面延伸一段距离。
9.根据权利要求6所述的燃料电池***，其中所述筒式加热器的末端和所述排水阀的柱塞分开至少预定的间隙。
10.根据权利要求6所述的燃料电池***，其中所述控制器还被配置成以基于所述环境温度变化的功率水平来激活所述筒式加热器。
11.一种用于燃料电池的除水***，包括：
储水器，所述储水器用于从所述燃料电池收集水并且限定排水通道；
排水阀，所述排水阀连接到所述排水通道并且配置成当打开时从所述储水器排出水；以及
筒式加热器，所述筒式加热器连接到所述储水器的与所述排水通道相对的表面并且延伸到所述排水通道中并接近所述排水阀。
12.根据权利要求11所述的除水***，还包括控制器，所述控制器被编程为响应于燃料电池启动请求而激活所述筒式加热器达持续时间，所述持续时间基于环境温度而变化。
13.根据权利要求11所述的除水***，其中所述筒式加热器的靠近所述排水阀的末端是加热末端。
14.根据权利要求1所述的车辆、根据权利要求9所述的燃料电池***以及根据权利要求16所述的除水***，其中所述筒式加热器包括接近所述排水阀的加热部分，所述加热部分基于在冻结状态期间所述储水器中的预期冰面水平从所述排水阀延伸一段距离。
15.根据权利要求4所述的车辆、根据权利要求9所述的燃料电池***以及根据权利要求16所述的除水***，其中所述筒式加热器的直径使得由所述排水通道的横截面积和所述排水通道内的所述筒式加热器的横截面积限定的通道开口的面积至少等于由两毫米直径的圆形开口限定的面积。
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