CN101356680A - 燃料电池系统及其运行停止方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

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，即，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，能够优化施加关闭阀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。

附图说明

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；

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；

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10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)11。PCU11包括在燃料电池10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10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的压缩机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10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58一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57一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。即，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，为了以所需流量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(打开程度)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10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A1的上游侧上。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10所必要的辅机(例如，压缩机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10消耗的氢气量(在下面被称为“氢消耗”)(燃料消耗计算功能：B1)。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探测到的氢气温度)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基于喷射器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算公式，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)。

这里，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经由氢供应通道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10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10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1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。即，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被采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)。

即，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10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。

即，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10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。

即，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阀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。即，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缩短。

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，即，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10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。

Claims (12)

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阀，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。

12.一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。

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