燃料电池系统和用于该系统的排水控制方法

专利名称：燃料电池系统和用于该系统的排水控制方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统和用于该系统的排水控制方法。
背景技术：
迄今， 一种燃料电池系统已被提出并且投入实际使用，该燃料电 池系统包括接收反应气体(燃料气体和氧化气体)供应以进行发电的燃 料电池。在这种燃料电池系统的燃料电池，以及燃料废气循环通道中， 随着时间的逝去，在发电期间产生的杂质气体例如氮气或者一氧化碳 以及水分得以积聚。为了从该系统排出这种气体和水分，提出一种技 术(清洗技术)，其中循环通道(或者连接到该循环通道的排出通道)设有 排气阀和排水阀，并且这些排气阀和排水阀被控制以打开和关闭，由 此在每一预定时间之后所积聚的气体和水分被排出。
而且，目前，提出一种技术，其中在低温环境中用于执行排气/排 水的清洗阀被控制以打开和关闭，由此燃料电池系统的低温起动性能 得以改进。例如，提出一种技术，其中在低温环境中，点火开关被打 开，然后清洗阔被打开一次以执行清洗处理。在这之后，在温度升高 过程中，禁止清洗处理直至燃料电池变得温热，由此禁止由于供应新 的氢气而使得燃料电池的温度下降(见日本专利申请公开
No. 2004-178901)。

发明内容
然而，在采用日本专利申请公开No. 2004-178901披露的技术的 情形中，点火开关被打开，然后执行一次清洗，从而水分流入其温度 在低温环境中降低的清洗阀中，并且已经流入该阀中的水分可能结冰。 在已经流入该清洗阀中的水分以此方式结冰的情形中，清洗阀可能关
闭并且变得难以执行随后的清洗处理。
鉴于这种状况作出本发明，并且它的一个目的在于在设有排水阀 的燃料电池系统中阻止排水阀在低温环境下结冰。
为了实现该目的，根据本发明的燃料电池系统包括燃料电池； 从该燃料电池排出的水分通过其流动的排水通道；和从该系统排出该 排水通道中的水分的排水阀，该燃料电池系统还包括排水控制装置， 用于控制排水阀从而当在外部空气温度低于预定阈值的环境中请求起 动系统的情形中，从当请求起动系统的时刻到当系统的温度达到预定 温度的时刻的期间禁止从排水阀的排水。
而且，根据本发明的排水控制方法是一种燃料电池系统的排水控 制方法，所述燃料电池系统包括燃料电池；从该燃料电池排出的水 分通过其流动的排水通道；和从该系统排出该排水通道中的水分的排 水阀，所述排水控制方法包括第一步骤，判断是否已经请求起动系 统；第二步骤，判断外部空气温度是否低于预定阈值；和第三步骤， 在于第一步骤中判断出已经请求起动系统并且于第二步骤中判断出外 部空气温度低于预定阈值的情形中，从当请求起动系统的时刻到当系 统温度达到预定温度的时刻的期间禁止从排水阀的排水。
在采用这种构造和方法的情形中，从当在外部空气温度低于预定 阈值的环境(例如，低于冰点的低温环境)中请求起动系统的时刻到当系 统温度达到预定温度的时刻的期间禁止排出通道中的水分流入排水阀 中。因此，即使在低温环境中，能够禁止排水阀的冻结(以及排水阀由 于冻结而关闭)。这里，"请求起动系统"指的是用于起动具有运行停止 状态的燃料电池系统的信息(例如，点火开关的开信号)。而且，"系统 温度"指的是整体燃料电池系统的平均温度或者该燃料电池系统中的 特殊构造的温度(例如，排水通道中的温度)。
在该燃料电池系统中，能够采用排水控制装置，所述排水控制装 置控制所述排水阀从而当在排水阀中接收到的水的热量超过预定热量 的情形中允许从排水阀排水。而且，作为"预定热量"可以采用超过 零度的热量(在其中外部空气温度为零摄氏度或者更低的环境中使得排 水阀和排水通道超过零摄氏度所要求的热量)。
在采用这种构造的情形中，即使当水被接收于排水阀中时，所接 收水的热量也超过预定热量，然后能够允许从排水阀排水。因此，有 可能解决水在排水阀或者排水通道中结冰和停止排水的问题(例如，在 采用同时地执行排气和排水的排气排水阀的情形中，对于发电不做贡 献的任何物质，例如氮未从排水通道等排出)。
而且，在该燃料电池系统中，能够采用执行排水和排气的排气/排 水阀作为排水阀。在这种情形中，该系统能够设有燃料供应控制装置， 用于当通过排水控制装置禁止从排气排水阀排水时，将被供应到和/或 循环通过燃料电池的燃料气体量设定为大于预定量的量。
在釆用这种构造的情形中，当禁止从排气排水阀排气或者排水时， 将被供应到和/或循环通过燃料电池的燃料气体量能够被设定为大于预 定量的量(例如，当排气或者排水未被禁止时，在正常起动期间被供应 和/或循环的燃料气体量)。因此，能够防止由于禁止排气和排水而使得 将被供应到燃料电池的燃料浓度降低。
而且，该燃料电池系统还可包括供应通道，所述供应通道将从 燃料供应源供应的燃料气体供应到所述燃料电池；和可变气体供应器 件，所述可变气体供应器件调节供应通道上游侧上的气体状态以将所 述气体供应到下游侧。在这种情形中，能够采用燃料供应控制装置， 用于控制所述可变气体供应器件，从而当通过排水控制装置禁止从排 水阀排水时，将供应到燃料电池的燃料气体量设定为大于预定供应量 的量。
在采用这种构造的情形中，当禁止从排气排水阀排气或者排水时， 能够控制所述可变气体供应器件从而将供应到燃料电池的燃料气体量 设定为大于预定供应量的量(例如，当排气或者排水未被禁止时，在正 常起动期间的供应量)。应该指出"气体状态"是由流量、压力、温度、 分子浓度等代表的气体状态，并且特别地包括气体流量和气体压力中 的至少一个。作为可变气体供应器件，例如，可以采用喷射器。
而且，该燃料电池系统还可包括供应通道，所述供应通道向燃料 电池供应从燃料供应源供应的燃料气体；循环通道，所述循环通道相 应于排水通道并且所述循环通道通过供应通道循环从燃料电池排出的 燃料废气；和循环泵，所述循环泵强制循环所述循环通道中的气体通 过供应通道。在这种情形中，可以采用燃料供应控制装置，用于当通 过排水控制装置禁止从排气排水阀排水时，将被循环通过燃料电池的 燃料气体的量设定为大于预定循环量的量。
根据这种构造，当禁止从排气排水阀的排气或者排水时，能够控 制循环泵以将被循环通过燃料电池的燃料气体的量设定为大于预定循 环量的量(例如，当排气或者排水未被禁止时，在正常起动期间的循环 量)。
根据本发明，在设有排水阀的燃料电池系统中，有可能禁止在低 于冰点的低温环境中排水阀或者排水通道的冻结等。


图1是根据本发明实施例的燃料电池系统的构造图表； 图2是示出图1所示燃料电池系统中的控制部分的控制体系的控 制框图3是示出在图1所示燃料电池系统的起动期间清洗控制方法(根 据本发明实施例的排水控制方法)的流程图；和
图4是示出图1所示燃料电池系统的一种改进的构造图表。
具体实施例方式
参考附图在下文中描述在根据本发明的实施例中的燃料电池系统 1。在本实施例中，将描述其中本发明被应用于燃料电池车辆的车载发 电系统的实例。
首先，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:,燃料电池2，所述 燃料电池接收反应气体(氧化气体和燃料气体)的供应以发电；氧化气体 管线系统3，所述氧化气体管线系统向燃料电池2供应作为氧化气体的 空气；燃料气体管线系统4，所述燃料气体管线系统向燃料电池2供应 作为燃料气体的氢气；制冷剂管线系统5，所述制冷剂管线系统向燃料 电池2供应制冷剂以冷却燃料电池2;电力系统6，所述电力系统使系 统充电和放电；以及控制部分7，所述控制部分总体控制全部系统。
燃料电池2具有堆叠结构，它由例如固体聚合物电解质类型构成 并且其中大量单体电池被层叠。燃料电池2的单体电池具有位于由离 子交换薄膜构成的电解质的一个表面上的空气电极和位于另一表面上 的燃料电极，并且还具有一对分离器从而从相对侧保持空气电极和燃 料电极。燃料气体被供应到一个分离器的燃料气体通道，并且氧化气 体被供应到另一分离器的氧化气体通道。供应这些气体，由此燃料电 池2发电。在发电期间探测电流的电流传感器2a被连结到燃料电池2。
氧化气体管线系统3包括将被供应到燃料电池2的氧化气体通过 其流动的空气供应通道11，和通过从燃料电池2排出的氧化废气通过 其流动的气体排出通道12。空气供应通道11设有经由过滤器13引入 氧化气体的压縮机14,和加湿被压縮机14在压力下馈送的氧化气体的 加湿器15。流动通过气体排出通道12的氧化废气通过背压调节阀16， 被用于在加湿器15中的水分交换，并且最后作为排气被排出到系统外
部的大气。利用电机(未示出)驱动压縮机14以从大气引入氧化气体。
燃料气体管线系统4具有氢供应源21;从氢供应源21供应到燃 料电池2的氢气通过其流动的氢供应通道22;用于将从燃料电池2排 出的废氢气返回到氢供应通道22的结合部分Al的循环通道23;将在 循环通道23中的压力下的废氢气馈送到氢供应通道22的氢泵24;和 分支并且连接到循环通道23的排气/排水通道25。
氢供应源21相应于根据本发明的燃料供应源，例如由高压罐、氢 存储合金等构成，并且能够被构成为接收例如35MPa或者70Mpa的氢 气。当在以后描述的关闭阀26打开时，氢气从氢供应源21流动到氢 供应通道22。氢气压力最后被如在以后描述的调节器27和喷射器28 降低到例如大约200kPa，并且该气体被供应到燃料电池2。应该指出 氢供应源21可以由重整器和高压气体罐构成，该重整器从碳氢化合物 基燃料形成富氢重整气体，该高压气体罐将由该重整器形成的重整气 体带入高压状态以累积压力。可替代地，具有氢存储合金的罐可以被 采用作为燃料供应源21。
氢供应通道22设有关闭或者允许从氢供应源21供应氢气的关闭 阀26、调节氢气压力的调节器27、以及喷射器28。在喷射器28的下 游侧上并且在氢供应通道22和循环通道23的结合部分Al的上游侧上 提供探测氢供应通道22中的氢气压力的压力传感器29。进而，在喷射 器28的上游侧上，提供探测氢供应通道22中的氢气的压力和温度的 压力传感器和温度传感器(未示出)。
调节器27是将调节器的上游压力(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降压阀被釆用作为调节 器27。作为机械降压阀的构造，可以采用一种已知构造，它具有设有 经由隔膜形成的背压腔室和压力调节腔室的外罩，并且其中初级压力 由于背压腔室的背压而降低为预定压力以在压力调节腔室中形成次级
压力。在本实施例中，如图1所示，两个调节器27被布置在喷射器28 的上游侧上，由此喷射器28的上游压力能够被有效降低。因此，喷射 器28的机械结构(阀体、外罩、通道、驱动器件等)的设计自由度能够 被提高。而且，喷射器28的上游压力能够被降低，从而能够防止由于 在喷射器28的上游压力和其下游压力之间的压力差的增加而使得喷射 器28的阀体不易移动。因此，喷射器28下游压力的可变压力调节宽 度能够被扩大，并且能够禁止喷射器28的响应性能的降低。调节器27 调节氢供应通道22的上游侧上的气体状态(气体压力)以将该气体供应 到下游侧，并且相应于根据本发明的可变气体供应器件。
喷射器28是电磁驱动类型打开/关闭阀，其中在预定驱动周期中 阀体利用电磁驱动作用力被直接驱动并且离开阀座，由此气体流量或 者气体压力能够被调节。喷射器28包括具有喷射气体燃料例如氢气的 喷射孔的阀座，并且还包括向喷射孔供应并且引导气体燃料的喷嘴本 体，以及相对于该喷嘴本体沿着轴向方向(气体流动方向)被可移动地接 收和保持以打开和关闭喷射孔的阀体。在本实施例中，通过螺线管驱 动喷射器28的阀体，该螺线管是电磁驱动器件，并且供应到该螺线管 的脉冲状激励电流能够被接通或者断开以在两个阶段或者多个阶段中 切换喷射孔的开口面积。基于从控制部分7输出的控制信号控制喷射 器28的气体喷射时间和气体喷射定时，由此氢气的流量和压力被精确 控制。在喷射器28中，利用电磁驱动作用力直接驱动阀(阀体和阀座) 以打开或者关闭，并且阀的驱动周期能够被控制为高度响应区域，从 而喷射器具有高度响应特性。
在喷射器28中，为了以所需流量将气体供应到喷射器的下游侧， 在喷射器28的气体通道中设置的阀体的开口面积(开口程度)和开口时 间中的至少一个被改变，由此调节被供应到下游侧(燃料电池2侧)的气 体的流量(或者氢分子浓度)。应该指出喷射器28的阀体被打开或者关 闭以调节气体流量，并且被供应到喷射器28下游侧的气体压力与喷射 器28上游侧上的气体压力相比被降低，从而喷射器28能够被视为调
压阀(降压阀、调节器)。而且，在本实施例中，喷射器能够被视为可变 调压阀，它能够改变喷射器28的上游气体压力的调节量(降低量)从而
该压力满足基于气体需求的预定压力范围中的所需压力。喷射器28调 节氢供应通道22的上游侧上的气体状态(气体流量、氢分子浓度或者气 体压力)以将该气体供应到下游侧，并且相应于根据本发明的可变气体 供应器件。
应该指出在本实施例中，如图1所示，喷射器28被布置在氢供应 通道22和循环通道23的结合部分Al的i:游侧上。而且，如由图1中 虚线所示，在多个氢供应源21被采用作为燃料供应源的情形中，喷射 器28被布置在其中从氢供应源21供应的氢气被结合的部分(氢气结合 部分A2)的下游侧上。
循环通道23经由气体-液体分离器30和排气排水阀31被连接到 排气/排水通道25。气体-液体分离器30从废氢气收集水分。排气排水 阀31根据来自控制部分7的命令进行操作以从该系统排出(清洗)由气 体-液体分离器30收集的水分和循环通道23中的包括杂质的废氢气(燃 料废气)。排气排水阀31被打开，由此循环通道23中的废氢气中的杂 质浓度降低，并且将被循环和供应的废氢气中的氢浓度升高。气体-液 体分离器30设有探测接收于其中的水分的温度的水温度传感器(未示 出)，并且排气/排水通道25设有探测通道中的温度的温度传感器32。 由水温度传感器和温度传感器32探测的温度信息被用于在以后描述的 起动期间的清洗控制。循环通道23和排气/排水通道25相应于根据本 发明的排水通道的一个实施例。
经由排气排水阀31和排气/排水通道25排出的废氢气被稀释器(未 示出)稀释以加入气体排出通道12中的氧化废气。氢泵24被电机(未示 出)驱动以循环并且向燃料电池2供应循环系统中的氢气，并且用作本 发明中的循环泵的一个实施例。氢气循环系统由氢供应通道22的结合 部分Al的下游侧上的通道、在燃料电池2的分离器中形成的燃料气体
通道、和循环通道23构成。
制冷剂管线系统5具有与燃料电池2中的冷却通道连通的制冷剂 通道41、设于制冷剂通道41中的冷却泵42、和冷却从燃料电池2排 出的制冷剂的散热器43。冷却泵42被电机(未示出)驱动以循环并且向 燃料电池2供应制冷剂通道41中的制冷剂。
电力系统6包括高压DC/DC转换器61、蓄电池62、牵引逆变器 63、牵引电机64、任何类型的辅助逆变器(未示出)等。高压DC/DC转 换器61是直流电压转换器，并且具有调节从蓄电池62输入的直流电 压以将该电压输出到牵引逆变器63侧的功能、以及调节从燃料电池2 或者牵引电机64输入的直流电压以将该电压输出到蓄电池62的功能。 通过高压DC/DC转换器61的这些功能实现蓄电池62的充电/放电。而 且，利用高压DC/DC转换器61控制燃料电池2的输出电压。
蓄电池62通过层叠蓄电池单体电池构成，具有预定高电压作为端 电压，并且能够被蓄电池计算机(未示出)控制以充注剩余电力或者辅助 性供电。牵引逆变器63将直流电转变为三相交流电以将该电流供应到 牵引电机64。牵引电机64例如为三相交流电机，并且构成其上安装燃 料电池系统1的车辆的主动力源。辅助逆变器是控制每一个电机的驱 动的电机控制部分，并且将直流电转变为三相交流电以将该电流供应 到每一个电机。辅助逆变器例如为脉冲宽度调制系统的PWM逆变器， 并且根据控制部分7的控制指令将从燃料电池2或者蓄电池62输出的 直流电压转变为三相交流电压以控制在每一个电机中产生的转矩。
控制部分7探测设于车辆中的加速操作部件(加速器等)的操作量， 并且接收控制信息例如所请求的加速值(例如，载荷器件例如牵引电机 64的请求发电量)以控制系统中的各种单元的操作。应该指出载荷器件 是普通耗电器件，除了牵引电机64，包括用于操作燃料电池2所要求 的辅助器件(例如，压缩机14、氢泵24、冷却泵42的电机等)、用于与
车辆运行相关的任何类型的器件(变速齿轮、车轮控制部分、转向器件、 悬挂器件等)中的致动器、乘客空间的空气调节器件(空调器)、照明、 音响等。
控制部分7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 出在ROM中记录的任何类型的控制程序以执行所需计算，由此执行在 以后描述的各种处理和控制例如清洗控制。
特别地，如图2所示，控制部分7基于由电流传感器2a探测到的 在燃料电池2发电期间的电流值计算由燃料电池2消耗的氢气的流量 (在下文中称为"氢消耗")(燃料消耗计算功能Bl)。在本实施例中， 通过使用示意在发电期间的电流值和氢消耗之间的关系的特殊计算公 式对于控制部分7的每一个计算周期计算和更新氢消耗。
而且，控制部分7基于在燃料电池2发电期间的电流值计算在喷 射器28下游位置中将被供应到燃料电池2的氢气的目标压力值(目标压 力值计算功能B2)，并且所述部分计算目标清洗量(从排气排水阀31 的废氢气的目标排出量)(目标清洗量计算功能B3)。在本实施例中， 通过使用示意在发电期间电流值和目标压力值以及目标清洗量之间的 关系的特殊映射对于控制部分7的每一个计算周期计算目标压力值和 目标清洗量。
进而，控制部分7计算在所计算的目标压力值和由压力传感器29 探测的喷射器28下游位置的压力值(所探测压力值)之间的偏差(压力偏 差计算功能B4)。然后，控制部分7计算将被加入氢消耗以减小计算 偏差的氢气流量(反馈校正流量)(校正流量计算功能B5)。在本实施例 中，使用PI控制的目标跟随型控制等计算反馈校正流量。控制部分7 还将氢消耗和反馈校正流量相加以计算喷射器28的喷射流量(喷射流 量计算功能B6)。然后，控制部分7基于所计算喷射流量和驱动周期
计算喷射器28的喷射时间，并且输出用于实现该喷射时间的控制信号， 由此喷射器28的气体喷射时间和气体喷射定时被控制以调节将被供应 到燃料电池2的氢气的流量和压力。
另外，控制部分7执行喷射器28的反馈控制(控制喷射器28的气 体喷射时间和气体喷射定时从而在喷射器28下游位置中的所探测压力 值遵循预定目标压力值)，并且该部分还执行排气排水阀31的打开/关 闭控制，由此从系统经由排气排水阀31排出在循环通道23中的水分 和废氢气。在此情形中，控制部分7基于喷射器28的气体供应状态的 改变计算排气排水阀31的废氢气的总排出量(清洗量)(清洗量计算功 能B7)，以判断所计算清洗量是否为预定目标清洗量或者更大(清洗量 偏差判断功能B8)。然后，在所计算清洗量Q是目标清洗量Q。或者 更大的的情形中，控制部分7打开排气排水阀31(清洗控制功能B9)。
这里，将详细描述控制部分7的清洗量计算功能B7。在排气排水 阀31被打开以在其中由于喷射器28的反馈控制在喷射器28下游位置 中的压力传感器29的所探测压力值跟踪目标压力值的状态中从循环通 道23排出废氢气的情形中，所探测压力值暂时降低。控制部分7计算 由于排出(清洗)废氢气而引起的这种压力降低，并且基于这个所计算的 压力降低计算相应于该压力降低的废氢气的排出量(相应于压力变化的 流量)(压力变化相应流量计算功能B7a)。在本实施例中，使用示意在 由于清洗而引起的压力降低和相应于该压力降低的氢气排出量之间的 关系的特殊计算公式计算压力变化相应流量Qi。而且，控制部分7计 算用于补偿由于排出(清洗)废氢气而引起的压力降低的反馈校正流量 (气体校正供应流量)(校正流量计算功能B5)，以计算从清洗被启动时 起该反馈校正流量随着时间逝去的积分值Q2(校正流量积分功能 B7b)。然后，控制部分7将压力变化相应流量Qt和从清洗启动时起反 馈校正流量随着时间逝去的积分值Q2相加，以计算从排气排水阀31 的废氢气的总排出量(清洗量Q)(清洗量计算功能B7)。
而且，将详细描述控制部分7的清洗控制功能B9。控制部分7探 测燃料电池车辆点火开关的开信号(系统起动的请求)，并且通过使用外 部空气温度传感器(未示出)探测外部空气温度。然后，控制部分7控制 排气排水阀31，从而在外部空气温度低于预定阈值(例如，零摄氏度) 的环境中探测到点火开关的开信号的情形中，从当探测到该开信号时 起到当系统温度达到预定温度时止，禁止从排气排水阀31的排水。艮P， 控制部分7用作本发明中的排出控制装置。这里，"系统温度"指的是 整体系统的平均温度或者系统中的特殊构造的温度。在本实施例中， 禁止从排气排水阀31的排水直至经由温度传感器32探测到的温度(排 气/排水通道25中的温度)达到预定温度。能够根据整体系统的大小或 者规格、外部空气温度等适当设定在允许排水的情形中作为标准的"预 定温度"。
进而，在接收于气体-液体分离器30中的水(在接收于排气排水阀
31中的水)的热量超过预定热量的情形中，控制部分7控制排气排水阀
31从而允许从排气排水阀31的排水(即使当排气/排水通道25中的温度
低于预定温度时)。在本实施例中，基于经由水温度传感器探测到的所
接收水的温度和利用燃料电池2发电期间的电流值估计的所接收水量
计算所接收水的热量。能够根据整体系统的大小或者规格、排气/排水
通道25的截面面积或者通道长度等适当设定在允许排水的情形中作为
标准的"预定热量"。在本实施例中，基于经由温度传感器32探测到
的排气/排水通道25中的温度和排气/排水通道25的热容计算的超过零
摄氏度的热量(在外部空气温度为零摄氏度的环境中使得排气排水阀
31和排气/排水通道25超过零摄氏度所需的热量)被采用作为"预定热 _& "
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而且，当禁止从排气排水阀31的排水时，控制部分7控制喷射器 28从而将供应到燃料电池2的氢气量设为大于预定供应量的量，并且 所述部分控制氢泵24从而将循环通过燃料电池2的氢气量设为大于预 定循环量的量。即，控制部分7也用作本发明中的燃料供应控制装置。
在本实施例中，当未禁止排气或者排水时，作为"预定供应(循环)量" 采用在正常起动期间的供应(循环)量。
下面，将参考图3的流程图描述根据本实施例的在燃料电池系统 1起动期间的清洗控制方法(排水控制方法)。
在燃料电池系统1正常运行期间，氢气经由氢供应通道31被从氢
罐30供应到燃料电池10的燃料电极，并且被加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的氧化电极以进行发电。在此 情形中，由控制器件4计算将从燃料电池IO获取的电力(请求电力)， 并且根据燃料电池发出的电量将一定量的氢气和空气供应到燃料电池 10中。在本实施例中，在执行这种正常运行之前在系统起动期间执行 清洗控制。应该指出，在燃料电池系统1的起动之前，排气排水阀31 被关闭。
首先，燃料电池系统1的控制部分7判断在运行停止状态中是否 存在点火开关的开信号(系统的起动请求)(起动请求判断步骤Sl)。随 后，在探测到点火开关的开信号的情形中，控制部分7通过使用外部 空气温度传感器探测外部空气温度，以判断外部空气温度是否低于预 定阈值(例如零摄氏度)(外部空气温度判断步骤S2)。
随后，在外部空气温度判断步骤S2中判断出外部空气温度为预定 阈值或者更高的情形中，控制部分7切换到打开排气排水阀31的步骤 (以后描述的清洗阀打开步骤S6)。在另一方面，在外部空气温度判断 步骤S2中判断出外部空气温度低于预定阈值的情形中，控制部分7保 持排气排水阀31的关闭状态，并且控制喷射器28和氢泵24从而将被 供应到并且循环通过燃料电池2的氢气量被设为大于预定量的量(关闭 的清洗阀保持步骤S3)。
在关闭的清洗阀保持步骤S3之后，控制部分7判断经由温度传感
器32探测到的排气/排水通道25中的温度是否达到预定温度(系统温度 判断步骤S4)。在获得肯定判断结果的情形中，该步骤切换到打开排 气排水阀31的步骤(以后描述的清洗阀打开步骤S6)。在另一方面，在 系统温度判断步骤S4中获得否定判断结果的情形中，控制部分7判断 在排气排水阀31中所接收的水(在气体-液体分离器30中接收的水)的 热量是否超过预定热量(所接收水的热量判断步骤S5)。
随后，当在所接收水的热量判断步骤S5中获得否定判断结果时， 控制部分7重复执行切换到关闭的清洗阀保持步骤S3的步骤。在另一 方面，当获得肯定判断结果时，该控制部分打开排气排水阀31(清洗阀 打开步骤S6)。通过以上的一组步骤，实现了在起动期间燃料电池系 统1的清洗。
应该指出在本实施例中的起动请求判断步骤Sl和外部空气温度 判断步骤S2分别地相应于本发明中的第一步骤和第二步骤，并且在本 实施例中的关闭的清洗阀保持步骤S3和系统温度判断步骤S4相应于 本发明中的第三步骤。
在以上实施例的燃料电池系统1中，从当在外部空气温度低于预 定阈值的低温环境中执行点火开关的开-操作(起动系统的请求)时起到 当系统温度达到预定温度时的期间，能够禁止在循环通道23中的水分 流入排气排水阀31中。因此，即使在低温环境中，也能够禁止排气排 水阀31的冻结(以及排气排水阀31由于冻结导致的关闭)。
而且，在以上实施例的燃料电池系统1中，当在气体-液体分离器 30中接收的水的热量超过预定热量时，能够允许从排气排水阀31的排 水。因此，有可能解决以下问题，即水在排气排水阀31中冻结以停止 排水的问题，和对于发电不做贡献的任何物质例如氮气未被类似地排 出并且因此积聚的问题。
进而，在以上实施例的燃料电池系统1中，当禁止从排气排水阀
31的排气/排水时，将被供应到并且循环通过燃料电池2的氢气量能够
被设为大于预定量的量(当排气/排水未被禁止时在正常起动期间的供 应量和循环量)。因此，能够防止由于与排水同时地禁止排气而使得将
被供应到燃料电池2的氢浓度降低。
应该指出在以上实施例中，己经描述了其中燃料电池系统1的氢 气管线系统4设有循环通道23的实例，但是如例如图4所示，排出通 道33被连接到燃料,虫池2，并且循环通道23可以被省去。即使当采用 这种构造(闭端系统)时，在低温环境中也执行点火开关的开-操作，并 且控制部分7也保持排气排水阀31的关闭状态，由此能够获得类似于 以上实施例的那些的功能和效果。这种构造中的排出通道33相应于本 发明中的排水通道的一个实施例。
而且，在以上实施例中，已经描述了其中循环通道23设有氢泵 24的实例，但是可以釆用喷射器代替氢泵24。进而，在以上实施例中， 已经描述了其中在循环通道23中设置用于实现排气和排水的排气排水 阀31的实例。然而，从该系统排出由气体-液体分离器30收集的水分 的排水阀与用于从该系统排出循环通道23中的气体的排气阀分别地设 置，并且控制部分7可以分别地控制排水阀和排气阀。即使在采用这 种构造的情形中，当在低温环境中执行点火开关的开-操作时，控制部 分7也保持排水阀的关闭状态，由此能够获得类似于以上实施例的那 些的功能和效果。
进而，在以上实施例中，己经描述了其中当禁止从排气排水阀31 的排水时，控制喷射器28以增加将被供应到燃料电池2的氢气量的实 例。然而，能够控制调节器27取代喷射器28(或者与喷射器28同时地 控制)以增加将被供应到燃料电池2的氢气的量。
而且，在以上实施例中，已经描述了其中当禁止从排气排水阀31的排水时，喷射器28和氢泵24均被控制以增加将被供应到燃料电池2 的氢气量以及循环通过燃料电池2的氢气量的实施。然而，可以控制 喷射器28和氢泵24中的仅仅一个以增加将被供应到燃料电池2的氢 气量和循环通过燃料电池2的氢气量中的一个氢气量。
工业实用性
如在实施例中所述，根据本发明的燃料电池系统能够被安装在燃 料电池车辆上，并且该系统可以被安装在除了燃料电池车辆之外的任
何类型的移动休(机器人、船、飞机等)。而且，根据本发明的燃料电池 系统可以被应用于用作建筑(房屋、大厦等)的发电设施的固定发电系 统。
权利要求
1. 一种燃料电池系统，包括燃料电池；排水通道，从该燃料电池排出的水分流动通过所述排水通道；和排水阀，所述排水阀从所述系统排出该排水通道中的水分，所述燃料电池系统还包括排水控制装置，用于控制所述排水阀，从而在外部空气温度低于预定阈值的环境中请求所述系统的起动的情形中，在从请求所述系统的起动的时刻到所述系统的温度达到预定温度的时刻的期间禁止从所述排水阀排水。
2. 根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述排水控制装置控制 所述排水阀，从而在所述排水阀中接收到的水的热量超过预定热量的 情形中允许从所述排水阀排水。
3. 根据权利要求2的燃料电池系统，其中所述预定热量是在所述 外部空气温度为零摄氏度或更低的环境中使所述排水阀和所述排水通 道超过零摄氏度所需要的热量。
4. 根据权利要求1到3中任一项的燃料电池系统，其中所述排水 阀是进行排水和排气的排气排水阀，所述燃料电池系统还包括燃料供应控制装置，用于当所述排水控制装置禁止从所述排气排 水阀排水时，把供应到所述燃料电池和/或通过所述燃料电池循环的燃 料气体的量设定为比预定量大的量。
5. 根据权利要求4的燃料电池系统，还包括供应通道，所述供应通道把从燃料供应源供应来的所述燃料气体 供应到所述燃料电池；和可变气体供应器件，所述可变气体供应器件调节所述供应通道的 上游侧上的气体状态以将所述气体供应到下游侧，其中当所述排水控制装置禁止从所述排水阀排水时，所述燃料供 应控制装置控制所述可变气体供应器件，从而把供应到所述燃料电池 的所述燃料气体的量设定为比预定供应量大的量。
6. 根据权利要求4的燃料电池系统，还包括供应通道，所述供应通道把从燃料供应源供应来的所述燃料气体供应到所述燃料电池；循环通道，所述循环通道对应于所述排水通道，并且所述循环通道使从所述燃料电池排出的燃料废气通过所述供应通道循环；和循环泵，所述循环泵强制地使所述循环通道中的气体通过所述供应通道循环，其中当所述排水控制装置禁止从所述排气排水阀排水时，所述燃料供应控制装置控制所述循环泵，从而把通过所述燃料电池循环的所述燃料气体的量设定为比预定循环量大的量。
7. —种燃料电池系统的排水控制方法，所述燃料电池系统包括 燃料电池；排水通道，从该燃料电池排出的水分流动通过所述排水通道；和排水阀，所述排水阀从所述系统排出该排水通道中的水分，所述排水控制方法包括第一步骤，判断是否已经请求所述系统的起动； 第二步骤，判断外部空气温度是否低于预定阈值；和第三步骤，在所述第一步骤中判断出请求了所述系统的起动并且所述第二步骤中判断出所述外部空气温度低于所述预定阈值的情形中，在从请求所述起动的时刻到所述系统的温度达到预定温度的时刻的期间禁止从所述排水阀排水。
全文摘要
披露了一种燃料电池系统，包括燃料电池；从该燃料电池排出的水分通过其流动的排水通道；和从该系统排出该排水通道中的水分的排水阀，并且该燃料电池系统还包括排水控制装置，用于控制排水阀从而当在外部空气温度低于预定阈值的环境中请求系统起动的情形中，从当请求系统起动时起到当系统温度达到预定温度时的期间禁止从排水阀的排水。
文档编号H01M8/04GK101390240SQ20078000685
公开日2009年3月18日 申请日期2007年10月16日 优先权日2006年10月19日
发明者长沼良明 申请人:丰田自动车株式会社