燃料电池系统及其运行停止方法

专利名称：燃料电池系统及其运行停止方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统及该系统的运行停止方法，在该燃料电 池系统中，燃料电池的气体供应系统设有喷射器。
背景技术：
目前，包括接收反应气体(燃料气体和氧化气体)的供应以发电的燃 料电池的燃料电池系统已被提出并投入实际使用。这种燃料电池系统 设有燃料供应通道，用于将从燃料供应源例如氢罐供应来的燃料气体 引入到燃料电池中。
同时，当来自燃料供应源的燃料气体的供应压力非常高时，通常 沿着燃料供应通道设置将供应压力降低至一定值的压力调节阀(调节 器)。近年来，提出一种技术，其中沿着燃料供应通道设置用于在例如 两个阶段中改变燃料气体的供应压力的机械可变压力调节阀(可变调节 器)，由此基于系统的运行状态改变燃料气体的供应压力(例如，见日本
专利申请特开JP2004-139984A)。

发明内容
然而，由于在上述JP2004-139984A中描述的传统机械可变压力调 节阀的结构，已经难以快速改变燃料气体的供应压力(即，响应低)，并 且进一步，已经不能执行在多个阶段上改变目标压力的高精度压力调 节。
而且，因为传统的机械可变压力调节阀具有比较复杂的构造，阀 具有大尺寸和大的重量，所以制造成本增加。进而，因为传统的机械 可变压力调节阀简单地改变燃料气体的供应压力，需要单独地设置用
于截断燃料气体供应的截止阀。因此，引起系统增大(安装空间增大) 以及设备成本增加的问题。
为了解决该问题，已经需要一种能够基于燃料电池的运行状态适 当改变燃料气体的供应压力的高响应燃料电池系统。然而，随着燃料 电池的发电而在氧化气体供应系统侧上产生的水经过燃料电池，并进 入燃料电池系统的燃料供应系统。因此，如果在压力调节阀处残留的 水冻结，则在低温起动时压力调节阀的稳定运行受到干扰。
已经鉴于这种情形实现了本发明，并且一个目的在于提供 一种 高响应燃料电池系统，它即使在低温起动时也稳定地运行，并且其中 能够基于燃料电池的运行状态适当改变燃料气体的供应压力；以及该 系统的运行停止方法。
为了实现上述目的，本发明的燃料电池系统包括燃料电池；用
于向该燃料电池供应反应气体的气体供应系统；和喷射器，所述喷射
器用于调节该气体供应系统的上游侧上的气体状态，以将所述气体供
应到下游侧，其中所述喷射器包括内部通道和阀体，所述内部通道 用于使所述喷射器的上游侧与所述喷射器的下游侧连通，所述阔体可 移动地布置在所述内部通道中，用于改变所述通道的打开/关闭状态；
并且所述系统还包括水分减少装置，所述水分减少装置用于在所述系 统停止时或之后减少至少在所述喷射器的所述阀体周围的水分。
根据这种构造，基于燃料电池的运行状态(燃料电池的产生的电力 (功率、电流和电压)、燃料电池的温度、燃料电池系统的异常状态、燃 料电池主体的异常状态等)，能够设定喷射器的运行状态(喷射器的阀体 的打开程度(气体的通过面积)、喷射器的阀体的打开时间(气体的喷射 时间)等)。因此，燃料气体的供应压力能够基于燃料电池的运行状态而 被适当改变，并且能够提高响应。注意到"气体状态"指的是气体的 状态(流量、压力、温度、摩尔浓度等)，并且特别地包括气体流量和气
体压力中的至少一种。
而且，当系统停止时，水分减少装置减少在作为喷射器中的可移 动部分的阀体周围的水分。因此，即使当燃料电池系统被暴露于低温 环境时，也能够阻止由于在喷射器中的水分的冻结而固定阀体。
喷射器可包括用于通过施加电流驱动所述阀体的阀体驱动部(例 如，螺线管)，并且水分减少装置可控制向所述阀体驱动部施加电流以 减少在所述阀体周围的水分。
根据这种构造，因为阀体驱动部由于施加电流而发热使反应气体 的温度升高，阀体周围的至少一部分由于温度升高已经蒸发的水分易 于从喷射器排出。因为反应气体被用作温度升高气体，不必添加用于 供应温度升高气体的另一管道系统等。
水分减少装置可向所述喷射器的所述阀体驱动部施加用于保持关 闭阀状态的电流以升高所述反应气体的温度，并且然后打开所述喷射 器的阀。
根据这种构造，因为当喷射器保持在关闭阀状态下时反应气体的 温度被阀体驱动部升高，所以能够利用较少量的气体执行水分减少过 程。
在本发明的燃料电池系统中，喷射器设置于与所述燃料电池的燃 料电极侧连通的燃料气体供应系统中，并且在打开所述喷射器的所述 阀之前，所述水分减少装置可以将所述燃料电池的所述燃料电极侧上 的压力降低到低于在所述系统停止之后的目标压力。
根据这种构造，因为通过在例如燃料供应被截断的状态下进行燃 料电池的发电而将燃料电极侧上的压力降低到低于预定目标压力，所
以能够促进设置于燃料气体供应系统中的喷射器中的水分的蒸发。
该系统还包括用于截断来自所述喷射器的上游侧上的反应气体供 应源的气体供应的截止阀，其中所述水分减少装置可关闭截止阀，然 后连续地向阀体驱动部施加用于打开喷射器的阀所需的电流(所谓的突 入电流)，打开截止阀以从反应气体供应源向喷射器供应反应气体，并 且在这之后关闭喷射器的阀并关闭截止阀。
根据这种构造，因为截止阀关闭，即使当喷射器的阀打开时，也 不向喷射器供应任何反应气体。另外，用于打开喷射器的阀所需的电 流，g卩，比所谓的打开阀状态保持电流大的电流被连续地施加到螺线 管。因此，在喷射器中的气体的温度能够在短时间内被升高，并且喷 射器中的水分能够高效地蒸发。
当从该状态打开截止阀时，喷射器中的温度升高气体连同水分一 起被推出喷射器，其中至少一部分水分由于从截止阀的上游侧(反应气 体供应源)供应来的反应气体而被蒸发。在这之后，喷射器的阀关闭， 并且截止阀关闭，由此水分减少过程结束。
本发明的燃料电池系统还可包括用于将从所述燃料电池排出的 所述反应气体的废气返回到所述燃料电池的循环通道；以及设置于所 述循环通道中的泵，其中在所述泵的旋转数小于或者等于预定旋转数 的情形中，所述水分减少装置可执行减少在所述阀体周围的水分的过 程。
根据这种构造，在泵的旋转数充分小并且不存在从来自喷射器的 气流的下游侧上的循环通道的任何水分泼溅的状态下，能够执行水分 减少过程。
水分减少装置可在结束所述燃料电池的全部发电(包括，例如，在
接收系统停止命令之后执行的用于消耗反应气体的发电以及用于气体 供应系统的压力降低的发电)之后执行减少在所述阀体周围的水分的过程。
根据这种构造，在不执行伴随发电而产生水分以及供应发电所需 气体的状态下执行水分减少过程，从而阻止水分附着到喷射器中的阀 体。
作为水分减少过程的一种模式的结露阻止过程，水分减少装置可 以例如向所述喷射器的所述阀体驱动部施加用于保持关闭阀状态的电 流并持续预定的时间，并且然后停止施加电流。
根据这种构造，比打开阀状态保持电流小的弱电流流动通过喷射 器的阀体驱动部并持续预定的时间，由此阀体驱动部发热以升高喷射
器的温度。因此，在气体供应系统的管道中比在喷射器中早发生结露， 从而阻止在喷射器中发生结露。
可基于外部空气或者燃料电池的温度设定所述预定的时间。
根据这种构造，能够优化施加关闭阔保持电流的时间并减少包括 结露阻止过程的系统停止过程所需的时间。
在系统停止之后，水分减少装置可以间歇地向喷射器的阀体驱动 部施加电流。在间歇施加电流期间打开/关闭电流由例如定时器进行控 制。
在预测出在所述喷射器的所述阀体周围发生结露的情形中，水分 减少装置可向所述喷射器的所述阀体驱动部施加电流。
根据这种构造，可以在不可能发生结露的情形中省略不必执行的
结露阻止过程。在另一方面，尽管当系统停止时执行结露阻止过程， 即使在由于环境改变等而可能发生结露的情形中，也能够阻止结露的 发生。
根据本发明的燃料电池系统的运行停止方法是如下的燃料电池系 统的运行停止方法，所述燃料电池系统包括燃料电池、气体供应系统 和喷射器，所述气体供应系统用于向该燃料电池供应反应气体，所述 喷射器用于调节所述气体供应系统的上游侧上的气体状态，以将所述 气体供应到下游侧，所述方法包括以下步骤当所述系统停止时，减 少至少在设置于所述喷射器的内部通道中的阀体周围的水分。
根据这种构造，因为当系统停止时，在作为喷射器中的可移动部 分的阀体周围的水分被减少，即使燃料电池系统被暴露于低温环境， 也阻止由于喷射器中的水分冻结而固定阀体。
根据本发明，因为当系统停止时能够减少在喷射器的阀体周围存 在的水分，能够阻止由于喷射器中的冻结而导致的运行不良，并且能 够提高在低温环境中的起动可靠性。


图1是根据本发明一个实施例的燃料电池系统的构造图表； 图2是示出示于图1中的燃料电池系统的控制器件的控制体系的 控制框图3是用于示于图1中的燃料电池系统中的喷射器的纵向截面视
图4是示出根据示于图1中的燃料电池系统的另一实施例在施加 到喷射器的电流与燃料电极侧上的压力之间的关系的图表；
图5是示出根据示于图1中的燃料电池系统的另一实施例在施加 到喷射器的电流与系统起动/停止信号之间的关系的图表；
图6是示出根据示于图1中的燃料电池系统的另一实施例在施加 到喷射器的电流与系统停止之后逝去时间之间的关系的图表；和
图7是示出示于图1中的燃料电池系统的又一个实施例的构造图表。
具体实施例方式
将在下面参考附图描述根据本发明一个实施例的燃料电池系统1。 在本实施例中，将描述一个实例，其中本发明被应用于燃料电池车辆(移 动体)的车载发电系统。
首先，将参考图1描述根据本发明实施例的燃料电池系统1的构造。
如图1所示，根据本实施例的燃料电池系统1包括接收反应气体 (氧化气体和燃料气体)供应以发电的燃料电池10、向燃料电池10供应 作为氧化气体的空气的氧化气体管道系统2、向燃料电池IO供应作为 燃料气体的氢气的氢气管道系统3、主要控制整个系统的控制器件4等。
燃料电池10具有通过层压所需数目的接收反应气体供应以发电 的单体电池而构成的堆结构。在燃料电池10中产生的电力被供应到电 力控制单元(PCU)ll。 PCU11包括在燃料电池IO和牵引电机12之间布 置的逆变器、DC-DC变换器等。用于探测所产生的电流的电流传感器 13被联结到燃料电池10。
氧化气体管道系统2包括向燃料电池10供应被增湿器20增湿的 氧化气体(空气)的空气供应通道21、将从燃料电池IO排出的氧化废气 引导至增湿器20的空气排出通道22，以及用于将氧化废气从增湿器 20引导到外部的排气通道23。空气供应通道21设有吸取大气中的氧 化气体以在压力下将所述气体馈送到增湿器20的压縮机24。
氢气管道系统3包括其中在高压(例如，70MPa)下存储氢气的作为
燃料供应源(反应气体供应源)的氢罐30、作为燃料供应通道用于将氢罐
30中的氢气供应到燃料电池10的氢供应通道31，以及用于将从燃料 电池10排出的氢废气(反应气体的废气)返回到氢供应通道31的循环通 道32。氢气管道系统3是根据本发明的气体供应系统的一个实施例。
注意到作为氢罐30的替代，从氢碳化物基燃料产生富氢的重整气 体的重整器，以及积聚并且在高压下存储由重整器产生的重整气体的 高压气体罐可被采用作为燃料供应源。而且，具有氢气吸收合金的罐 可被用作燃料供应源。
氢供应通道31设有截断或者允许从氢罐30供应氢气的截止阀33、 调节氢气压力的调节器34，以及喷射器35。在喷射器35的上游侧上， 设置分别探测氢供应通道31中的氢气的压力和温度的初级侧压力传感 器41和温度传感器42。在喷射器35的下游侧和氢供应通道31与循环 通道32的结合部的上游侧上，设置探测氢供应通道31中的氢气的压 力的次级侧压力传感器43。
调节器34是将器件上游侧上的压力(初级压力)调节为预设次级压 力的器件。在本实施例中，降低初级压力的机械减压阀被用作调节器 34。作为机械减压阀的构造，可以采用一种已知构造，其中阀具有外 罩，所述外罩包括经由膈膜分别地形成的背压腔室和压力调节腔室并 且其中基于背压腔室中的背压，初级压力被降低为作为压力调节腔室 中的次级压力的预定压力。
在本实施例中，如图1所示，两个调节器34被布置在喷射器35 的上游侧上，从而在喷射器35的上游侧上的压力可被有效地降低。因 此，喷射器35的机械结构(阀体、外罩、通道、驱动器件等)的设计自 由度可以被提高。
而且，因为喷射器35上游侧上的压力可被降低，因此能够防止喷
射器35的阀体65不易于由于在喷射器35上游侧压力和下游侧压力之 间的差压增加而移动。因此，喷射器35下游侧上的压力的可变压力调 节范围可被扩大，并且可以阻止喷射器35响应的减弱。
喷射器35是电磁驱动式可打开/可关闭的阀，其中阀体65能够以 预定驱动周期被电磁驱动力直接驱动，并且从阀座分离以调节气体状 态例如气体流量或者气体压力。即，在喷射器35中，阀(阀体和阀座) 被直接地驱动以被电磁驱动力打开或者关闭，阀的驱动周期可被控制 为高响应区域，并且喷射器因此具有高响应。
图3是示出喷射器35的一个实施例的截面视图。喷射器35具有 设有内部通道53的金属制成的筒54，所述内部通道构成氢供应通道(燃 料供应系统)31的一个部分，并且所述内部通道以如此方式设置，使得 内部通道53的一个端口部分51被设置于氢供应通道31的氢罐30侧 上，并且内部通道53的另一个端口部分52被设置于氢供应通道31的 燃料电池IO侧上。筒54设有连接到端口部分51的第一通路部分56、 在与端口部分51相对的一侧上连接到第一通路部分56并且具有比第 一通路部分56的直径更大的直径的第二通路部分57、在与第一通路部 分56相对的一侧上连接到第二通路部分57并且具有比第二通路部分 57的直径更大的直径的第三通路部分58,以及在与第二通路部分57 相对的一侧上连接到第三通路部分58并且具有比第二通路部分57或 者第三通路部分58的直径更小的直径的第四通路部分59。这些部分构 成内部通道53。
而且，喷射器35具有阀座61，所述阀座由设置成在第三通路部 分58 —侧上围绕第四通路部分59的开口的密封部件构成；金属制成 的阀体65，所述阀体具有能够可移动地插入第二通路部分57中的柱形 部分62和伞形部分63，所述伞形部分被布置在第三通路部分58中并 且具有比第二通路部分57的直径更大的直径，并且所述阀体设有在伞 形部分63中倾斜地形成的连通孔64;弹簧67，所述弹簧一端插入阀
体65的柱形部分62中并且另一端接合在第一通路部分56中形成的止 挡器66，由此允许阀体65与阀座61形成接触，并且内部通道53被截 断；以及螺线管(阀体驱动部)69，所述螺线管克服弹簧67的推力移动 阀体65直至阀体与第二通路部分57 —侧上的第三通路部分58的阶形 部分68形成接触，由此允许阀体65远离阀座61，从而内部通道53通 过连通孔64打开。
在本实施例中，通过控制向作为电磁驱动器件的螺线管69施加电 流而驱动喷射器35的阀体65，并且待供应到螺线管69的脉冲激励电 流被接通或者关闭，从而打开时间(打开阀状态下的时间)或者内部通道 53的开口面积能够以两个阶段、多个阶段、连续(无级)方式、或者线性 方式切换。S卩，作为喷射器35打开/关闭状态的控制方法，至少存在改 变阀打开时间的方法和改变开口面积的方法。
然后，响应于从控制器件4输出的控制信号，喷射器35的气体喷 射时间和气体喷射定时被控制，由此氢气流量和压力被高度精确地控制。
如上所述，为了以所需流暈将气体供应到喷射器35的下游侧，设 置于喷射器35的内部通道53中的阀体65的开口面积(打幵程度)和打 开时间中的至少一个改变，由此待供应到下游侧(燃料电池IO侧)的气 体流量(或者氢气摩尔浓度)被调节。
注意到因为喷射器35的阀体65被打开或者关闭以调节气体流量， 并且进一步待供应到喷射器35下游侧的气体压力被降低至低于喷射器 35的上游气体压力，因此喷射器35可被视为压力调节阀(减压阀，调 节器)。在本实施例中，喷射器可被视为可变压力调节阀，其能够基于 气体需求改变喷射器35的上游气体压力的压力调节量(压力降低量)从 而压力匹配预定压力范围中的所需压力。
注意到在本实施例中，如图1所示，喷射器35被布置在从氢供应
通道31和循环通道32的结合部Al的上游侧上Q而且，如图1中的虚 线所示，当多个氢罐30被采用作为燃料供应源时，喷射器35被布置 在从一个部分(氢气结合部A2)的下游侧上，在此处从相应氢罐30供应 的氢气相互结合。
循环通道32经由气液分离器36以及气体和水分排出阀37被连接 到排出通道38。气液分离器36从氢废气收集水分。气体和水分排出阀 37响应于来自控制器件4的指令操作以向外部排出(净化)在循环通道 32中被气液分离器36收集的水分以及具有杂质的氢废气。
而且，循环通道32设有加压循环通道32中的氢废气以朝向氢供 应通道31馈送所述气体的氢泵39。注意到氢废气经由气体和水分排出 阀37以及排出通道38被排出，并且然后被稀释单元40稀释以加入排 气通道23中的氧化废气中。
控制器件4探测设置于车辆中的加速操作器件(加速器等)的操作 量，并且接收控制信息例如所需加速值(例如，负载器件例如牵引电机 12所要求产生的电力)以控制系统中的各种器件的操作。
注意到，除了牵引电机12，负载器件一般指的是用于操作燃料电 池IO所必要的辅机(例如，压縮机24的电机、氢泵39、冷却泵等)、用 于与车辆行驶有关的各种器件(变速齿轮、车轮控制器件、转向器件、
悬挂器件等)的致动器，以及具有乘客空间的空气调节器件(空调)、照 明灯、音响单元等的电耗器件。
控制器件4由计算机系统(未示出)构成。这种计算机系统包括 CPU、 ROM、 RAM、 HDD、输入/输出接口、显示器等，并且CPU读 出和执行在ROM中记录的各种控制程序以实现各种控制操作。特别地，如图2所示，控制器件4基于燃料电池10的运行状态(在
发电期间被电流传感器13探测到的燃料电池10的电流值)计算将被燃
料电池IO消耗的氢气量(在下面被称为"氢消耗")(燃料消耗计算功能:
Bl)。在本实施例中，通过使用示出燃料电池10的电流值和氢消耗之 间的关系的特殊计算公式，对于控制器件4的每一计算循环计算并且
更新氢消耗。
而且，控制器件4基于燃料电池10的运行状态(在发电期间被电 流传感器13探测到的燃料电池10的电流值)计算喷射器35下游位置处 的氢气的目标压力值(向燃料电池10的目标气体供应压力)(目标压力值 计算功能B2)。在本实施例中，通过使用示出燃料电池10的电流值 和目标压力值之间的关系的特殊映射，对于控制器件4的每一计算循 环计算和更新在布置次级侧压力传感器43的位置(作为在此处要求压 力调节的位置的压力调节位置)处的目标压力值。
进而，控制器件4基于在计算出的目标压力值和由次级侧压力传 感器43探测的在喷射器35的下游位置(压力调节位置)处探测到的压力 值之间的偏差计算反馈校正流量(反馈校正流量计算功能B3)。反馈校 正流量是将被添加到氢消耗从而减小目标压力值和探测压力值之间的 偏差的氢气流量(压差减少校正流量)。在本实施例中，通过使用目标跟 踪类型的控制法则的PI控制等，对于控制器件4的每一计算循环计算 和更新反馈校正流量。
另外，控制器件4计算相应于在前计算得到的目标压力值与当前 计算得到的目标压力值之间的偏差的前馈校正流量(前馈校正流量计算 功能；B4)。前馈校正流量是由于目标压力值波动而引起的氢气流量的 波动(相应于压差的校正流量)。在本实施例中，通过使用示意目标压力 值和前馈校正流量之间偏差的特殊计算公式，对于控制器件4的每一 计算循环计算和更新前馈校正流量。
而且，控制器件4基于喷射器35上游侧上的气体状态(被初级侧
压力传感器41探测到的氢气压力以及被温度传感器42探测到的氣气 温度)计算喷射器35上游的静态流量(静态流量计算功能B5)。在本实 施例中，通过使用示意喷射器35上游侧上的氢气的压力和温度与静态 流量之间的关系的特殊计算公式，对于控制器件4的每一计算循环计 算和更新静态流量。
进而，控制器件4棊于喷射器35上游侧上的气体状态(氢气的压 力和温度)以及所施加的电压计算喷射器35的无效喷射时间(无效喷射 时间计算功能；B6)。这里，无效喷射时间是从当喷射器35从控制器 件4接收控制信号时直至当喷射实际开始时的时间。在本实施例中， 通过使用示意喷射器35上游侧上的氢气的压力和温度以及所施加的电 压与无效喷射时间之间的关系的特殊计箅公式，对于控制器件4的每 一计算循环计算和更新无效喷射时间。
另外，控制器件4将氢消耗、反馈校正流量以及前馈校正流量相 加以计算喷射器35的喷射流量(喷射流量计算功能B7)。然后，控制 器件4利用通过喷射器35的喷射流量除以静态流量而获得的值去乘喷 射器35的驱动周期以计算喷射器35的基本喷射时间，并且所述器件 还将该基本喷射时间与无效喷射时间相加以计算喷射器35的总喷射时 间(总喷射时间计算功能B8)。
这虽，驱动周期是示意喷射器35的喷射孔的打开/关闭状态的阶 跃(开/关)波形的周期。在本实施例中，驱动周期被控制器件4设为一 定值。
然后，控制器件4输出用于实现由上述过程计算出的喷射器35的 总喷射时间的控制信号，以控制喷射器35的气体喷射时间和气体喷射 定时，由此调节待供应到燃料电池10的氢气的流量和压力。
在燃料电池系统1的通常运行期间，氢气从氢罐30经由氯供应通
道31被供应到燃料电池10的燃料电极，并且被进一步增湿和调节的 空气经由空气供应通道21被供应到燃料电池10的氧化电极，由此进 行发电。此时，由控制器件4计算待从燃料电池IO获得的电力(所需电 力)，并且氢气和空气以相应于待所发出的电力的数量被供应到燃料电 池10中。在本实施例中，在这种通常运行期间，待供应到燃料电池IO 的氢气的压力被高度精确地控制。
同时，喷射器35也是一种阀，所述阀将增湿侧(燃料电池10侧) 与干燥侧(氢罐30侧)分隔开，并且因此执行喷射器防冻措施对于实现 低温(例如，低于冰点)起动而言是重要的。当燃料电池系统l在其中当 系统下次起动时喷射器35中的水分未被减少并且温度降至冰点的状态 下停止时，由于水分冻结阀体65可被固定，并且可引起运行故障。
作为减少喷射器35中的水分的一种方法，可设想当喷射器35的 阀体65被保持在打开阀状态下时，氢气循环通过内部通道以利用所述 氢气清扫内部通道。然而，在所述情形中，大量氢气被供应到燃料电 池10，所以产生燃料效率降低的问题。
为了解决所述问题，在本实施例的燃料电池系统1中，为了减少 喷射器35中的水分，同时抑制燃料效率的降低，当系统停止时执行减 少喷射器35中的水分的水分减少过程(清扫过程)。由控制器件4控制 水分减少过程。即，本实施例的控制器件4是用于执行向喷射器35施 加电流的控制以及截止阀33的打开和关闭控制等的控制的水分减少装 置的一个实施例。
在通常运行期间，喷射器35被从氢罐30供应的氢气冷却。然而， 在其中氢气流动停止的状态下，喷射器35中的氢气被螺线管69产生 的热量加热。因此，当接收到系统停止命令例如点火OFF时(当系统停 止时)，控制器件4向喷射器35的螺线管69施加用于保持关闭阀状态的关闭阀状态保持电流。
当螺线管69通过施加电流而发热时，在喷射器35中残留的氢气 的温度被已经发热的螺线管69升高。结果，至少围绕阀体65存在的 一部分水分蒸发。随后，控制器件4取消关闭阀状态以打开喷射器35 的阀，并且进一步向螺线管69连续地施加电流用于保持该打开阀状态， 由此打开喷射器35的阀。
然后，与从氢罐30供应的氢气一起，围绕阀体65存在的并且被 温度升高的氢气局部地蒸发的水分被从喷射器35排出。进而，因为具 有升高温度的氢气升高了具有阀体65以及喷射器下游侧上的管道的喷 射器35的温度，因此还可阻止随后发生结露。
如上所述，根据本实施例的燃料电池系统1，能够利用较少的氢 气将围绕阀体65存在的水分高效地蒸发、排出和减少。S卩，在抑制燃 料效率降低的同时，可以减少喷射器35中的水分。因此，喷射器35 由于在下次低温起动时冻结而产生的运行故障能够被阻止，并且可以 提高在低温环境中的起动可靠性。
而且，根据本实施例的燃料电池系统1，可基于燃料电池10的运 行状态(在发电期间的电流值)设定喷射器35的运行状态(喷射时间)。因 此，可基于燃料电池10的运行状态适当改变氢气的供应压力，并且响 应可被改进。因为喷射器35被釆用作为氢气的流量调节阀和可变压力 调节阀，因此能够执行高精度压力调节(供应到燃料电池10的氢气的供 应压力的调节)。
艮口，因为喷射器35能够基于燃料电池10的运行状态从控制器件 4接收控制信号以调节氢气的喷射时间和喷射定时，因此与传统的机械 可变压力调节阀相比，能够更加快速地并且准确地执行压力调节。因 为与传统的机械可变压力调节阀相比，喷射器35是小型的、重量轻的
并且廉价的，因此能够实现整个系统的小型化和成本降低。
上述实施例是描述本发明的一个实例，本发明不限于该实例，并 且各种构件可被适当地设计而不背离本发明的范围。而且，以后描述 的其他实施例可被适当地结合并且应用于上述实施例。
例如，在以上的水分减少过程中，在喷射器35的阀打开之前，控 制器件4可执行控制以降低燃料电极侧上的压力。特别地，在喷射器
35的阀关闭之后，控制器件4使得燃料电池IO在例如其中氢气供应被
截断的状态下进行发电操作，以将燃料电极侧上的压力降低到比预定 目标压力更低的压力。
艮P，如图4所示，在其中氢气供应被切断的的状态下，允许燃料 电池10发电从而氢供应通道31的压力被预先降低为比在系统最终停 止之后的最终目标压力(符号a)更低的压力(符号b)。在该压力降低过程 期间，以喷射器35的关闭阀状态如上所述被保持(未被取消)的方式将 电流施加到螺线管69以升高喷射器35中的氢气的温度(符号c)。
之后，当打开喷射器35的阀所需的突入电流如符号d所示被施加 到螺线管69时，来自氢罐30的氢气流入喷射器35中以吹走围绕阀体 65存在的水分。而且，如符号e所示，在燃料电极侧上的压力升高以 达到目标压力(符号a)。
如上所述，根据本实施例，燃料电池IO在燃料电极侧上的压力降 低，由此促进设置于氢供应通道31中的喷射器35中的水分蒸发。与 其中由气体和水分排出阀37执行控制的情形相比，在系统结束之后的 目标压力的控制可被高度精确地执行。
艮P，因为在由气体和水分排出阀37执行的压力控制中，待控制的 流体是气体和流体混合物，所以限制了精度提高。因为受控压力较低，
所以阀直径必须被增加，并且这对于改进响应而言是不利的。在另一 方面，根据如在本实施例中的使用喷射器35的压力控制，在系统停止 之后，压力可被高度精确地控制为目标压力。因此，当系统停止时， 氢气到氧电极侧的交叉泄露量降低，并且燃料效率可被提高。
而且，作为水分减少过程，控制器件4可关闭截止阀33，然后连 续地向螺线管69施加用于打开喷射器35的阀所需的突入电流(突入电 流>打开阀状态保持电流)，通过连续施加电流打开截止阀33以从氢罐 30将氢气供应到喷射器35，然后关闭喷射器35的阀，并且关闭截止 阀33。
通常，在螺线管69的控制中，在喷射器35的阀被打开之后，待 施加到螺线管69的电流被改变为比用于打开阔所需的突入电流更小的 打开阀状态保持电流。然而，在本实施例中，因为即使在喷射器35的 阀打开之后，比打开阀状态保持电流更大的突入电流也被连续地施加， 因此喷射器35中的氢气温度可在更短时间内升高，或者所述温度可在 相同温度升高时间中被升高为更高的温度，并且可以实现更加高效的 水分减少过程。
而且，控制器件4可以仅在氢泵39的旋转数低于或者等于预定旋 转数的情形中执行以上的水分减少过程。例如，当在氢泵39和喷射器 35之间的管道长度较短时，从循环通道32泼溅的水分有时附着到喷射 器35位于上游侧上的阀体65。然而，当氢泵39的旋转数减少时，没 有任何水分从下游侧被泼溅，并且能够阻止水分附着到喷射器35的阀 体65。
进而，控制器件4可在结束燃料电池10的全部发电(例如，包括 用于消耗氢气的发电以及用于在接收系统停止命令之后执行的氢气管 道系统3的压力降低的发电)之后，执行以上的水分减少过程。根据这 种构造，在其中不执行伴随发电产生水分以及供应发电所需气体的状
态下执行水分减少过程，从而更加有效地阻止水分附着到喷射器35的
阀体65。
同时，因为与氢供应通道31的管道(在下面被称为氢系统管道)和 截止阀33相比，喷射器35具有非常小的热容量，所以在系统停止之 后，喷射器35的温度降低梯度比氢系统管道的的温度降低梯度大。艮口， 喷射器35比氢系统管道更加容易地被冷却，并且，在系统停止之后， 在喷射器中比在氢系统管道中更早地发生结露。
为了解决所述问题，作为根据本发明的水分减少过程的一种体系 的结露阻止过程，如图5所示，当接收系统停止命令例如点火OFF时， 控制器件4可在预定的时间中向喷射器35的螺线管69施加关闭阀状 态保持电流以保持关闭阀状态，换言之，比在通常运行期间打开阀状 态保持电流更小的电流，并且所述器件然后可停止施加电流。
在所述情形中，比打开阀状态保持电流更小的弱电流在预定的时 间中被施加到喷射器35的螺线管69，由此螺线管69发热以升高喷射 器35的温度。因此，在氢系统管道侧上比在喷射器35中更早地发生 结露，并且阻止在喷射器35中发生结露。结果，即使在冰点以下也阻 止喷射器35的由于冻结引起的运行故障。
注意到关闭阀状态保持电流的施加时间(预定的时间)可为预设的 固定时间，或者基于外部空气温度或者燃料电池10的温度(或者用于调 节燃料电池10的温度的制冷剂的温度)而被任意地设定的可变时间。在 后一情形中，关闭阀状态保持电流的施加时间可被优化，并且进一步， 包括以上结露阻止过程的系统停止过程所需的时间可被縮短。
而且，在系统停止之后，执行以上结露阻止过程，代替或者除了 在系统停止时的执行。当在系统停止之后执行结露阻止过程时，如例 如图6所示，控制器件4在系统停止之后向喷射器35的螺线管69间
歇地施加关闭阀状态保持电流。由例如定时器对在所述间歇施加期间 电流的接通/关闭进行控制。
进而，控制器件4可执行以上的结露阻止过程，g卩，在预测围绕
喷射器35的阀体发生结露的情形中，当系统停止时或者在这之后，向 喷射器35的螺线管69施加电流。
在这种情形中，在其中并不发生结露的情形中变得没有用的结露 阻止过程的执行可被省略。在另一方面，在当系统停止时执行结露阻 止过程，但是由于随后的环境改变等而可能发生结露的情形中，可以 阻止结露的发生。
这里，可以例如通过使用至少一个参数判断在喷射器35中是否发 生结露，所述参数典型地为外部空气温度、喷射器35的温度、燃料电 池10的温度、氢系统管道的温度以及从设置于用于驱动喷射器35的 驱动器处的电流传感器的值获得的喷射器35的电阻值。
注意到在以上的实施例中，已经描述了其中燃料电池系统1的氢 气管道系统3设有循环通道32的一个实例，但是如例如图7所示，燃 料电池io可被直接地连接到排出通道38以省去循环通道32。作为在 循环通道32处安装氢泵39的替代，可以安装发射器。
而且，在以上的实施例中，已经描述了其中根据本发明的燃料电 池系统被安装在燃料电池车辆上的一个实例，但是根据本发明的燃料 电池系统可被安装在除了燃料电池车辆之外的各种移动体(机器人、船、 飞机等)。根据本发明的燃料电池系统可被应用于固定发电系统以用作 用于结构(住宅、建筑物等)的发电设备。
工业实用性
根据本发明，因为当系统停止时围绕喷射器的阀体存在的水分可
被减少，所以能够抑制由于在喷射器中冻结而导致的运行故障，并且 可以提高在低温环境中的起动可靠性。因此，本发明可被广泛地用于 具有这种要求的燃料电池系统和所述系统的运行停止方法中。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池；用于向该燃料电池供应反应气体的气体供应系统；和喷射器，所述喷射器用于调节该气体供应系统的上游侧上的气体状态，以将所述气体供应到下游侧，其中；所述喷射器包括内部通道和阀体，所述内部通道用于使所述喷射器的上游侧与所述喷射器的下游侧连通，所述阀体可移动地布置在所述内部通道中，用于改变所述通道的打开/关闭状态；并且所述系统还包括水分减少装置，所述水分减少装置用于在所述系统停止时或之后减少至少在所述喷射器的所述阀体周围的水分。
2. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述喷射器包括用于通过施加电流驱动所述阀体的阀体驱动部；并且所述水分减少装置控制向所述阀体驱动部施加电流以减少在所述 阀体周围的水分。
3. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述水分减少装置向所 述喷射器的所述阀体驱动部施加用于保持关闭阀状态的电流以升高所 述反应气体的温度，并且然后打开所述喷射器的阀。
4. 根据权利要求1到3中任一项的燃料电池系统，其中 所述喷射器设置于与所述燃料电池的燃料电极侧连通的燃料气体供应系统中；并且在打开所述喷射器的所述阀之前，所述水分减少装置将所述燃料 电池的所述燃料电极侧上的压力降低到低于在所述系统停止之后的目 标压力。
5. 根据权利要求2到4中任一项的燃料电池系统，还包括 用于截断来自所述喷射器的上游侧上的反应气体供应源的气体供应的截止阔，其中所述水分减少装置关闭所述截止阀，然后连续地向所述阀体驱动 部施加用于打开所述喷射器的阀所需的电流，打开所述截止阀以从所 述反应气体供应源向所述喷射器供应所述反应气体，并且在此之后， 关闭所述喷射器的阀并且关闭所述截止阀。
6. 根据权利要求1到5中任一项的燃料电池系统，还包括 用于将从所述燃料电池排出的所述反应气体的废气返回到所述燃料电池的循环通道；以及设置于所述循环通道中的泵，其中在所述泵的旋转数小于或者等于预定旋转数的情形中，所述水分 减少装置执行减少在所述阀体周围的水分的过程。
7. 根据权利要求1到6中任一项的燃料电池系统，其中所述水分减少装置在结束所述燃料电池的全部发电之后执行减少在所述阀体周 围的水分的过程。
8. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述水分减少装置向所述喷射器的所述阀体驱动部施加用于保持关闭阀状态的电流并持续预 定的时间，并且然后停止施加电流。
9. 根据权利要求8的燃料电池系统，其中基于外部空气或者所述 燃料电池的温度设定所述预定的时间。
10. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中在所述系统停止之后， 所述水分减少装置间歇地向所述喷射器的所述阀体驱动部施加电流。
11. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中在预测出在所述喷射 器的所述阀体周围发生结露的情形中，所述水分减少装置向所述喷射 器的所述阀体驱动部施加电流。
12,--种燃料电池系统的运行停止方法，所述燃料电池系统包括 燃料电池、气体供应系统和喷射器，所述气体供应系统用于向该燃料 电池供应反应气体，所述喷射器用于调节所述气体供应系统的上游侧 上的气体状态，以将所述气体供应到下游侧，所述方法包括以下步骤-当所述系统停止时，减少至少在设置于所述喷射器的内部通道中 的阀体周围的水分。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池系统(1)，包括燃料电池(10)，用于向燃料电池(10)供应燃料气体的氢气管道系统(3)，和喷射器(35)，用于调节氢气管道系统(3)的上游侧的压力，以将氢气供应到下游侧，其中喷射器(35)包括内部通道和阀体(65)，内部通道用于使喷射器的上游侧与喷射器的下游侧连通，阀体可移动地布置在内部通道中，用于与阀体的运动位置对应地在多个阶段中切换通道开口面积，并且其中当系统停止时减少至少在喷射器(35)的阀体(65)周围的水分。
文档编号F02M21/02GK101356680SQ20068005064
公开日2009年1月28日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年1月6日
发明者堀田明寿, 山岸典生, 片野刚司 申请人:丰田自动车株式会社