CN101379644A - 燃料电池系统及关闭后防其冻结的方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括将气体输送到燃料电池的装置；基于操作条件和环境条件来计算在所述燃料电池系统中残留水的量的部件；判断是否至少一个状态量值等于或小于规定的阈值的部件，所述状态量值包括所述燃料电池的发电持续时间、产生的电力的量和冷却液的温度变化的量；计算将所述残留水量减少到规定的值的输送装置操作时间的部件；以及操作所述气体输送装置直到所述操作时间结束的控制部，其中所述操作时间计算部根据所述状态量值之一是否等于或小于规定的阈值来计算不同的操作时间。

Description

燃料电池系统及关闭后防其冻结的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种燃料电池系统和一种减少在燃料电池系统中的水的方法。
背景技术
[0002]如果在燃料电池及其通道中存在过量的水，当固相聚合物燃料电池(下文简称为燃料电池)系统停止时，如果使该系统长时间处于冰点以下，就会出现含水量(water content)冻结的问题。为了即使在冰点以下也可获得稳定的操作，需要在燃料电池系统停止后排除燃料电池系统的通道中的水。由于此原因，在包括用于气体循环的通道的燃料电池系统中，气体在包括气-液分离器的通道中循环(扫气)以减少残留水量。但是，如果在燃料电池系统的通道中的气体扫气持续时间较长，则燃料电池系统必须停止的时间量也长，从而使得燃料电池系统的使用不方便。具体来说，由于泵用于供给清扫气体和稀释空气，所以存在大量电力被长时间地用于清扫气体且当驱动泵时产生噪音的问题。此外，点火开关关闭后，需要时间去停止燃料电池系统，这就降低了燃料电池系统作为产品的价值。
[0003]此外，燃料电池的电解质膜中的质子(氢离子)被水分子移动。在操作燃料电池时，为了使质子移动，需要使燃料电池的电解质膜及其附近潮湿从而获得平稳的质子运动。由于此原因，甚至可以在冰点以下平稳地启动燃料电池系统，且为了获得稳定的操作条件，需要在燃料电池中具有一定量的水。
[0004]上述现有技术不适用于短行程(short trip)，在短行程中，从燃料电池开始发电到结束发电之间的操作期间相对短。在短行程的情况下，由于在燃料电池中开始发电后的短时间内结束发电，所以燃料电池系统的温度保持较低。结果，在燃料电池系统中有少量的水蒸发，而大量的水凝结。与水蒸气不同，凝结的水很难被清扫。由于此原因，残留水趋于积聚在燃料电池系统的通道中，从而很可能使得水没有被排到通道外部。此外，如果依照发电时间调整气体清扫时间，则在短行程的情况下气体清扫时间变短，且很可能使得残留水没有被排到通道外部。
发明内容
[0005]本发明的目的是通过合适的气体清扫量和气体清扫时间，即使在短行程情况下也能将余留在燃料电池系统中的水量控制到适当的量。
[0006]本发明的第一个方案涉及燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池；气体供给通道，气体通过其流向所述燃料电池；气体排放通道，其排放来自所述燃料电池的气体；气体输送装置，其通过所述气体供给通道将气体输送到所述燃料电池；残留水量计算部，其基于所述燃料电池的操作条件和操作所述燃料电池所处的环境条件，计算在所述燃料电池系统中的残留水的量，所述燃料电池系统包括所述燃料电池、所述气体供给通道和所述气体排放通道；判断部，其判断是否至少一个状态量值等于或小于规定的阈值，所述状态量值包括所述燃料电池的发电持续时间、所述燃料电池产生的电力的量和冷却液的温度变化的量；操作时间计算部，其根据所述操作条件和所述环境条件来计算操作所述气体输送装置将所述残留水量减少到规定的值的时间；以及控制部，其操作所述气体输送装置直到所述操作时间结束，其中所述操作时间计算部依据所述状态量值之一是否等于或小于规定的阈值来计算不同的操作时间。在本方案中，基于状态量来判断燃料电池系统中的残留水是否冻结，所述状态量包括所述燃料电池的发电时间、发电的量和冷却液的温度。确定适合于状态量的气体清扫时间。通过在适合于状态量的气体清扫时间执行气体清扫，可以将燃料电池系统中的残留水控制到合适的量。
[0007]上述燃料电池系统可进一步包括气体循环通道，其将所述气体排放通道连接到所述气体供给通道；及气-液分离器，其从待循环的气体中分离水；其中所述气体输送装置使所述气体排放通道中的气体通过所述气体循环通道在所述气体供给通道中循环。
[0008]上述燃料电池系统可进一步包括计数器，其记录发生至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值的次数，其中当所述次数等于或大于所述规定的阈值时，所述操作时间计算部计算操作所述气体输送装置的时间段。在这个方案中，测量达到规定的状态量的次数，并可以根据所述次数来确定适合于所述状态量的气体清扫时间。
[0009]上述燃料电池系统中，当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部可以使所述气体输送装置的驱动量增加规定的值。由此，可以减少气体输送装置的操作时间。
[0010]上述燃料电池系统中，当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部可以使所述气体输送装置震动。由此，可以减少气体输送装置的操作时间。
[0011]上述燃料电池系统中，所述气体输送装置可以为泵，且当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部可以使所述泵的转速增加规定的值。由此，可以缩短泵的操作时间，从而可以缩短气体清扫时间。
[0012]上述燃料电池系统中，所述气体输送装置可以为泵，且当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部可以使所述泵的转速增加规定的值，并且还使所述泵震动。由此，可以减少泵的操作时间，从而可以缩短气体清扫时间。
[0013]上述燃料电池系统可进一步包括信息获取装置，其获取包括所述燃料电池系统的位置、月份和日期以及外部空气温度的信息，及估算装置，其基于所述信息估算所述燃料电池系统中的残留水冻结的可能性；其中当存在所述冻结的可能性时，所述控制部使所述气体输送装置的驱动量增加规定的值。由此，即使在所述燃料电池系统中的残留水可能冻结的情况下，也可以增加避免所述燃料电池系统中的残留水冻结的确定性。
[0014]上述燃料电池系统可进一步包括信息获取装置，其获取包括所述燃料电池系统的位置、月和日以及外部空气温度的信息，及估算装置，其基于所述信息估算所述燃料电池系统中的残留水冻结的可能性；其中当存在所述冻结的可能性时，所述控制部使所述气体输送装置震动。由此，即使在所述燃料电池系统中的残留水可能冻结的情况下，也可以增加避免所述燃料电池系统中的残留水冻结的确定性。
[0015]本发明的第二个方案涉及一种减少在燃料电池系统中的水的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池；将气体供给到所述燃料电池的气体供给通道；排放来自所述燃料电池的气体的气体排放通道。在本方法中，气体输送装置通过所述气体供给通道将气体输送到所述燃料电池；基于所述燃料电池的操作条件和操作所述燃料电池所处的环境条件，残留水量计算部计算所述燃料电池系统中的残留水的量，所述燃料电池系统包括燃料电池、气体供给通道和气体排放通道；判断部判断是否至少一个状态量值等于或小于规定的阈值，所述状态量值包括所述燃料电池的发电持续时间、所述燃料电池产生的电力的量和冷却液的温度变化的量；根据所述操作条件和所述环境条件，操作时间计算部计算操作所述气体输送装置将所述残留水量减少到规定的值的时间；控制部操作所述气体输送装置直到所述操作时间结束，并且依据所述状态量值之一是否等于或小于规定的阈值来计算不同的操作时间。
[0016]上述减少在燃料电池系统中的水的方法进一步包括设置气体循环通道，其将所述气体排放通道连接到所述气体供给通道，其中所述气体输送装置使所述气体排放通道中的气体通过所述气体循环通道在所述气体供给通道中循环；并且其中通过气-液分离器从待循环的气体中分离水。
[0017]根据上述方案，通过在适合于状态量的气体清扫时间清扫残留水，可以将所述燃料电池系统中的残留水控制到合适的量。
附图说明
[0018]结合附图，通过以下优选实施例的描述，本发明的上述以及进一步的目的、特征和优点将变得清楚，在附图中相同附图标记代表相同的部件，其中:
图1示出根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的结构的示例；
图2为描述根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的操作的流程图；
图3示出状态量和余留在燃料电池系统中的残留水的量之间的关系的示例；
图4示出状态量和余留在燃料电池系统中的残留水的量的关系的示例；
图5示出用于气体清扫和循环处理的气体清扫(循环)时间与残留水量的对应关系；
图6为示出基于导航区域、月份和日期信息以及外部温度等来执行判断冻结存在的可能性和执行启动强制排水模式的过程的流程图。
具体实施方式
[0019]以下结合附图描述为具体体现本发明目的的装置。以下仅仅是实施例的结构的示例，不应理解为是对本发明实施例的结构的限制。
[0020](第一实施例)
基于图1和图2，以下描述的是根据本发明的第一实施例的燃料电池系统。图1所示为根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的结构的示例。图1所示的燃料电池系统包括燃料电池组1、阳极气体通道2、阳极废气通道3、阳极废气循环通道4、阴极气体通道5、阴极废气通道6、氢罐7、氢泵8、泵9、调节阀10、调节阀11、过滤器12、加湿器13、气-液分离器14、疏水箱15、排水阀16、控制部件17、残留水量计算部18、清洗阀19、状态量测量部件20、计数器21和导航部件22。
[0021]所述燃料电池组1由多个电池叠合而成。每个电池由阳极(燃料电极)、阴极(空气电极)和分离器形成。在所述阴极和阳极之间形成有氧气和空气的流道。阳极气体通道2是将包括氢气的阳极气体供给到燃料电池组1的阳极侧的通道。阴极气体通道5是将包括空气的阴极气体供给到燃料电池组1的阴极侧的通道。
[0022]氢罐7将阳极气体供给到阳极气体通道2。从氢罐7供给的阳极气体由调节阀10调节到规定的压力。阳极气体从阳极气体通道2被供给到燃料电池组1的阳极。驱动所述泵9(也被称作空气压缩机)以便将从燃料电池系统外部供给的阴极气体供给到燃料电池组1的阴极。
[0023]当阳极气体被供给到燃料电池组1的阳极时，从阳极气体中所含的氢产生氢离子。空气中包含的氧被供给到燃料电池组1的阴极。在燃料电池组1中发生氢和氧之间的电化学反应以产生电能。此外，在燃料电池组1的阴极，通过氢产生的氢离子与氧的反应产生水。
[0024]加湿器13加湿供给到燃料电池组1的空气。空气被加湿是因为燃料电池组1的电解质膜必须保持潮湿，为了在燃料电池组1中执行合适的电化学反应，将空气加湿。电解质膜中的含水量被分成细小的簇，并且因为这些簇与电解质膜中的磺酸基结合，所以电解质膜中的含水量很难冻结。
[0025]供给到阳极的阳极气体中未反应的气体和包括氮气以及从阴极弥散来的气体的气体(下文中称为阳极废气)被从燃料电池组1输送到阳极废气通道3。供给到阴极的阴极气体中未反应的气体(下文中称为阴极废气)被从燃料电池组1排放到阴极废气通道6。从阴极排放的阴极废气经过阴极废气通道6然后被排放到燃料电池系统的外部。
[0026]已从燃料电池组1的阳极被排放出的阳极废气经过阳极废气通道3和阳极废气循环通道4，并同来自氢罐7的阳极气体一起再次被供给到燃料电池组1的阳极。因为气-液分离器14设置在阳极废气通道3中，所以阳极废气通道3将从燃料电池组1的阳极排放出的阳极废气供给到气-液分离器14。
[0027]气-液分离器14将含水量和诸如氢等包含在从燃料电池组1的阳极排放出的阳极废气中的气体分离。由气-液分离器14从含水量中分离出的氢像阳极气体一样经过阳极废气循环通道4并被供给到阳极气体通道2。阳极废气循环通道4是将从氢泵8输送来的阳极气体供给到阳极气体通道2的通道。阳极气体通道2与阳极废气通道3和阳极废气循环通道4形成阳极侧循环路径。
[0028]疏水箱15收集已经由气-液分离器14分离的含水量。通过开启和关闭排水阀16，将已在疏水箱15中积聚的水排放到所述循环路径的外部。适当地开启和关闭排水阀16，从而在疏水箱15中积聚的水不会溢出。
[0029]控制部件17电连接到氢泵8和排水阀16，并执行驱动所述氢泵8和排水阀16的控制。残留水量计算部18预测余留在燃料电池系统中的水量。术语燃料电池系统中的残留水是指存在于燃料电池组1、阳极气体通道2、阳极废气通道3、阳极废气循环通道4、氢泵8、气-液分离器14和疏水箱15中的水，也就是余留在燃料电池系统中的，在某些情况下可能会冻结并需要干燥的水量。
[0030]当诸如从阳极排放的阳极废气中的氮的杂质的量增加时，清洗阀19排放阳极废气(以及由氢泵9循环的阳极气体)，并使所述阳极废气经过稀释器(dilutor)(未示出)排放到循环路径的外部。状态量测量部件20测量这种量，如燃料电池组1的电极间的阻抗(膜电阻)、积聚负荷值(积聚电流值)、操作时间、冷却液温度或冷却液温度变化量、外部空气温度以及外部空气湿度等。
[0031]计数器21记录发生短行程的次数。导航部件22通过接收来自GPS(全球定位系统)卫星的GPS信号来获取燃料电池系统的当前区域信息(位置信息)和当前日期。
[0032]图2是描述根据本发明的第一实施例的燃料电池系统的操作的流程图。当执行处理以便停止燃料电池系统中的发电过程时，根据本发明第一实施例的燃料电池系统执行图2所示的处理。例如，当关闭点火开关时，判定存在停止燃料电池系统的指示，然后执行图2所示的处理。
[0033]首先，执行停止在燃料电池组1中发电的处理(步骤S01)。具体来说，关闭设置在氢罐7上的断路阀(shutoff valve)(未示出)，以便通过切断来自氢罐7的阳极气体的供给来停止发电。在根据本发明的第一实施例的燃料电池系统中，为了清扫余留在燃料电池系统中的残留水，阳极气体和阳极废气在燃料电池系统中循环。即使在已经执行了停止在燃料电池组1中发电的处理后，仍通过驱动所述氢泵8来清扫余留在燃料电池系统中的残留水。
[0034]具体来说，控制部件17控制氢泵8的驱动以使阳极气体通过阳极气体通道2且在燃料电池组1中循环内。同样，气-液分离器14将从燃料电池组1的阳极排放的阳极废气中包含的水与氢等分离。控制部件17控制排水阀16的驱动以便将分离出的水排放到循环路径的外部。在本实施例中，在燃料电池组1停止发电后将余留在燃料电池系统中的水从气-液分离器14排放的处理被称作气体清扫和循环处理。
[0035]在根据本发明的第一实施例的燃料电池系统中，即使在发生短行程的情况下，通过适当地建立气体清扫时间，也能对余留在燃料电池系统中的残留水进行清扫。由于此原因，以用于发生短行程时的清扫和循环处理以及用于未发生短行程时的气体清扫和循环处理的不同清扫时间来执行气体清扫和循环处理。
[0036]未发生短行程时的气体清扫和循环处理被称作“正常气体清扫和循环处理”。发生短行程时的气体清扫和循环处理被称作为“短行程气体清扫和循环处理”。此外，当简单提到“气体清扫和循环处理”时，该术语应被理解为包括正常气体清扫和循环处理以及短行程气体清扫和循环处理。
[0037]接下来，残留水量计算部18从刚好在停止发电处理前的状态量中预测停止发电时余留在燃料电池系统中的残留水的量(步骤S02)。例如，残留水量计算部18通过执行估计在停止发电时燃料电池系统中残留水量的处理来计算Qini。Qini是在停止发电时余留在燃料电池系统中的水量的估计值，是从刚好在停止发电处理前的状态量中预测出的。在这种情况下，残留水量计算部18从状态量测量部件20获取状态量，然后预测燃料电池系统中的残留水量。
[0038]状态量包括燃料电池组1的电极间的阻抗(膜电阻)、积聚负荷值(积聚电流值)、操作时间、冷却液温度或其温度的变化量、外部空气温度和外部湿度等。通过测量燃料电池组1的电极间的阻抗，可以知道燃料电池组1内的电解质膜的湿度状态。通过在燃料电池组1的电极之间施加来自高压电系统的某一频率的AC电流和电压并测量响应可以测量所述阻抗。使用的阻抗是刚好在执行停止发电处理前的值。通过持续地测量阻抗，该阻抗允许判定刚好在停止发电前的阻抗，可以使用刚好在停止发电前的阻抗值。
[0039]积聚负荷值(积聚电流值)是产生的电的总量，通过测量积聚负荷值可以知道燃料电池中产生的水的总量。积聚负荷值(积聚电流值)可以以kJ为单位来确定。
[0040]操作时间是燃料电池系统发电的时间量。在燃料电池系统中发电时间短和发电时间长的情况之间，即使是大约相同的发电量，在发电时间短的情况下通道中的温度较低。由于此原因，在发电时间短的情况下液态水的量比在发电时间长的情况下液态水的量大。操作时间可以以分或秒为单位来确定。
[0041]冷却液温度是燃料电池系统中冷却液(冷却水)(未示出)的温度。关于冷却液温度或冷却液温度变化量，描述加热程度的相对变化量很重要，而不是绝对值。在燃料电池组1内的温度高的情况下，燃料电池组1中的含水量很容易蒸发并离开到燃料电池系统的外部。相反，在燃料电池组1内的温度低情况下，燃料电池组1中的含水量不易蒸发并积聚在燃料电池系统中。冷却液温度或冷却液温度变化量可以以℃为单位来确定。
[0042]由于燃料电池组1辐射出的热取决于外部空气温度而不同，外部空气温度影响冷却液温度或冷却液温度变化量。同样，外部空气湿度影响通道内的湿度，进而影响残留水的量。
[0043]上述状态量是刚好在停止发电后的规定时间内的状态量。也可以结合多个上述状态量来预测在停止发电后余留在燃料电池系统中的残留水的量。
[0044]图3和图4示出状态量和余留在燃料电池系统中的残留水的量之间的关系。在图3中，当积聚负荷值小时，显示出的余留在燃料电池系统中的残留水量的值也小；当积聚负荷值大时，显示出的燃料电池系统中残留水量的值也大。在图4中，冷却液温度高时，显示出的燃料电池系统中残留水量的值小；冷却液温度低时，显示出的燃料电池系统中残留水量的值大。
[0045]可以通过以经验获得的公式来确定以下关系:诸如在燃料电池组1的电极间的阻抗(膜电阻)、积聚负荷量(积聚电流量)、操作时间、冷却液温度或冷却液温度变化量、外部空气温度和外部空气湿度等与余留在燃料电池系统中的水量之间的关系。
[0046]选择性地，可以通过预先映射余留在燃料电池系统中的水量与燃料电池组1的电极之间的阻抗(膜电阻)、积聚负荷值(积聚电流值)、操作时间、冷却液温度或冷却液温度变化量、外部空气温度或外部湿度等之间的关系，并参考该图(map)(表)从而确定上述关系。残留水量计算部18根据经验公式或图计算Qini。例如，在状态量中，燃料电池组1的电极之间的阻抗(膜电阻)、积聚负荷值(积聚电流值)、操作时间、冷却液温度或冷却液温度变化量等被称为操作历史或操作状态。在状态量中，外部温度和外部湿度等被称为使用环境或操作环境。
[0047]重新参照图2，控制部件17包括判断短行程是否发生的判断部。具体来说，控制部件17判断从开始发电到结束发电的经过时间Ta(操作时间)是否低于规定的阈值A(步骤S03)。
[0048]在这种情况下，控制部件17从状态量测量部件20获取从开始发电到结束发电的经过时间Ta(操作时间)。规定的阈值A是用作判断短行程是否已发生的标准的值。从开始发电到结束发电的经过时间Ta是燃料电池系统的发电时间。与发电时间长的情况相比，在发电时间短的情况下液态水的量大。在这种情况下，以正常的气体清扫和循环处理不能充分清扫燃料电池系统中的残留水。由于此原因，在从开始发电到结束发电的经过时间Ta小于规定的阈值A的情况下，判定为短行程已发生。
[0049]在从开始发电到结束发电的经过时间Ta小于规定的阈值A的情况下，控制部件17使计数器21的值加1(步骤S04)。
[0050]相反，如果从开始发电到结束发电的经过时间Ta大于规定的阈值A，则控制部件17判断从开始发电到结束发电的积聚负荷值(积聚电流值)Wa是否低于规定的阈值B(步骤S05)。
[0051]规定的阈值B是用作判断短行程是否已发生的标准的值。如果从开始发电到结束发电的积聚负荷值(积聚电流值)Wa没有达到规定的阈值B，则可能燃料电池系统内部没有变暖。在这种情况下，如果用正常气体清扫和循环处理，则不能充分清扫余留在燃料电系统中的水。由于此原因，在从开始发电到结束发电的积聚负荷值(积聚电流值)Ma小于规定的阈值B的情况下，控制部件17执行步骤S04的处理，并假定短行程已发生。
[0052]在步骤S05的判断中，在从开始发电到结束发电的积聚负荷值(积聚电流值)Wa不低于规定的阈值B的情况下，控制部件17判断从开始发电到结束发电的冷却液温度量(冷却水温度变化)Wta是否低于规定的阈值C(步骤S06)。
[0053]规定的阈值C是用作判断短行程是否已发生的标准的值。如果从开始发电到结束发电的冷却液温度变化量(冷却水温度变化)Wta没有达到规定的阈值C，则燃料电池系统释放的热量低，并且可能燃料电池系统中的温度不高。由于此原因，在从开始发电到结束发电的冷却液温度变化量(冷却水温度变化)Wta低于阈值C的情况下，控制部件17执行步骤S04的处理，并假定短行程已发生。在这种情况下，可以使用冷却液温度(冷却水温度)代替冷却液温度变化量(冷却水温度变化)Wta。
[0054]当计数器21的值增加(加上)1时，(在步骤S03、S05和S06中的任一步骤判断为肯定的情况下)，控制部件17判断计数器21的值是否已经达到或超过规定的阈值D(步骤S07)。规定的阈值D可以是1到N中的任意值。
[0055]即使发生了短行程，仍存在取决于余留在燃料电池系统中的水量和状态量的情况，不需要执行短行程气体清扫和循环处理。在这种情况下，当短行程已发生规定的次数时，执行短行程气体清扫和循环处理是足够的。在本实施例中，通过设置计数器21，当短行程已发生规定的次数时执行短行程气体清扫和循环处理。
[0056]本实施例是在短行程清扫和循环处理中设置计数器21的例子。但是，本发明的实施例并不限于本结构，并且例如，图2所示的随后的步骤可以在短行程气体清扫和循环处理中不设置计数器21的情况下执行。
[0057]在这种情况下，在步骤S03、S05和S06中的任一步骤中作出短行程已发生的肯定判断后，无需判断短行程已发生的次数(步骤S04和S07)而执行步骤S08的处理是足够的。
[0058]接下来，在计数器21的值已经达到或超过规定的阈值D的情况下，控制部件17中包括的操作时间计算部利用Qini来计算所需的气体清扫时间T-f(步骤S08)。具体来说，先前的映射图(mapping)示出Qini和将燃料电池系统中的残留水清扫到合适的量(Qreq)所需的短行程气体清扫和循环处理时间量之间的关系。然后，从图中确定对应于Qini值的所需清扫时间T-f。
[0059]合适的量(Qreq)是避免燃料电池系统中的残留水冻结的残留水的量。因此，合适的量(Qreq)可以被确定为为了避免余留在燃料电池系统中的水冻结的适当值。合适的量(Qreq)取决于MEA(膜电极组件)及组成部件。此外，合适的量(Qreq)的值是依据本实施例中燃料电池系统的操作环境是冷区域还是暖区域而变化的值。
[0060]所需的清扫时间T-f是对燃料电池组1中的残留水清扫所需的短行程气体清扫和循环处理时间。所需的清扫时间T-f被确定为为了避免余留在燃料电池系统中的水冻结的适当值。所需的清扫时间T-f被确定为在燃料电池系统中执行清扫和循环处理的时间，所述时间是在短行程发生的情况下合适的清扫量。例如，在发生短行程的情况下，与正常操作历史(没有发生短行程的操作历史)的情况相比，燃料电池系统的温度可能低。由于此原因，即使在短行程已发生的情况下执行正常气体清扫和循环处理，有些情况下也不能避免余留在燃料电池系统中的水冻结。由此，在短行程气体清扫和循环处理中，所需的清扫时间T-f被确定为不同于正常气体清扫和循环处理的值。
[0061]具体来说，基于状态量执行映射Qini和所需的气体清扫时间T-f之间的关系。作为短行程标准的状态量(例如操作时间)是一个小值。由于此原因，在映射短行程气体清扫和循环的情况下，状态量是一个小值。因此，为了利用小值的状态量执行映射的部件，必须执行更复杂的发电(detailed generation)。通过为利用小值状态量的部件执行复杂的发电，可以更精确地计算所需的气体清扫时间T-f。所需的气体清扫时间T-f可以以秒为单位确定。
[0062]接下来，控制部件17执行氢泵8的驱动控制(步骤S09)。具体来说，控制部件17控制氢泵8的驱动以便增加氢泵8的转速。
[0063]除了控制氢泵8的驱动以便增加氢泵8的转速外，控制部件17还可以以震动方式选择性地转换氢泵8的旋转的驱动。此外，控制部件17可以控制氢泵8的驱动以便增加氢泵8的转速，并且还以震动方式转换氢泵8的旋转的驱动。
[0064]这种情况下所需的氢泵8的转速(也就是说，氢泵8的rpm的增长)能够经验性地(或通过模拟)确定。在以震动方式转换其驱动后，氢泵8的供给速度(feeding speed)(排出速度)能够以经验(或通过模拟)确定。
[0065](1)控制氢泵8的驱动以便增加其rpm，(2)执行控制以便以震动方式转换旋转氢泵8的旋转驱动，以及(3)控制氢泵8的驱动以便增加其rpm，并且还执行控制以便以震动方式转换氢泵8的旋转驱动被称为将强制排水模式设定为开启。
[0066]图5示出残留水的量与气体清扫和循环处理的气体清扫(循环)时间之间的对应关系。图5中的曲线X是残留水的量与正常气体清扫和循环处理的气体清扫(循环)时间之间的对应关系的例子。曲线Y是残留水的量与在短行程气体清扫和循环处理中将强制排水模式设定为开启的情况下的气体清扫(循环)时间之间的对应关系的例子。与曲线X相比，曲线Y示出在燃料电池组1中的残留水的量相对于气体清扫(循环)时间减少地更多。
[0067]以这种方式，在短行程气体清扫和循环处理中将强制排水模式设定为开启的情况下，燃料电池组1中的残留水的量比执行正常气体清扫和循环处理的情况减少地更快。因此，在残留水量相同的情况下，达到合适的量(Qreq)所需的时间量短于执行正常气体清扫和循环处理的情况。结果，完成燃料电池系统所需的时间被缩短了。
[0068]在驱动氢泵8以便增加其转速的情况下，控制部件17可以在增加了氢泵8的rpm后重新计算所需的气体清扫时间T-f。此外，在以震动方式执行转换氢泵8的旋转驱动的控制的情况下，控制部件17可在以震动方式转换氢泵8的旋转驱动后重新计算所需的气体清扫时间T-f。
[0069]在控制氢泵8的驱动以便增加其转速并且还执行以震动方式转换氢泵8的旋转驱动的控制的情况下，所述部件可以在增加氢泵8的转速之后以及在执行以震动方式执行转换氢泵8的旋转驱动的控制后重新计算所需的气体清扫时间T-f。在这些情况下，可以用重新计算出的所需气体清扫时间T-f来执行随后的处理(图2中的步骤S10和步骤S11)。
[0070]以上描述的实施例是在短行程气体清扫和循环处理中将强制排水模式设置为开启的例子。但是本发明的实施例不限于这种方式，例如，也可以在短行程气体清扫和循环处理中不将强制排水模式设定为开启。也就是说，短行程的气体清扫可以通过改变正常排水模式下的气体清扫时间而调节。在这种情况下，在步骤S08的处理后不执行步骤S09的处理而执行步骤S10的处理。
[0071]控制部件17判断短行程的气体清扫和循环处理时间是否已经达到所需的气体清扫时间T-f(步骤S10)。具体来说，控制部件17从计数短行程气体清扫和循环处理时间的记时器(timer)(未示出)处获取短行程的气体清扫和循环处理的经过时间t-f，并将其与所需的气体清扫时间T-f相比。控制部件17判断所获取的短行程气体清扫和循环处理的经过时间t-f是等于还是大于所需的气体清扫时间T-f的值。
[0072]如果短行程气体清扫和循环处理时间没有达到所需的气体清扫时间T-f，则控制部件17继续短行程气体清扫和循环处理。但是，如果短行程气体清扫和循环处理时间已经达到所需的气体清扫时间T-f，则控制部件17执行控制以停止氢泵8的驱动(步骤S11)。
[0073]如果控制部件17执行控制以停止氢泵8，则燃料电池系统的操作被停止。
[0074]在步骤S06的判断中，如果判断出从开始发电到停止发电冷却液温度的变化量(冷却水温度变化)不低于规定的阈值C，则控制部件17中包括的操作时间计算部利用Qini计算所需的气体清扫时间T-u(步骤S12)。因为具体的计算方法与步骤S08中用Qini计算所需的气体清扫时间T-f的方法相同，所以此处不再描述。
[0075]所需的气体清扫时间T-u是用于清扫燃料电池组1中的残留水的正常气体清扫和循环处理所需的时间。所需的气体清扫时间T-u被计算为避免燃料电池组中的残留水冻结的适当值。所需的气体清扫时间T-u可以以秒为单位来确定。如果在步骤S07中判定计数器的值没有达到或超过规定的阈值D，则执行步骤S12的处理。
[0076]控制部件17执行判断正常气体清扫和循环处理时间是否已经达到所需的气体清扫和循环时间T-u(步骤S13)。具体来说，控制部件17从计数正常气体清扫和循环处理时间的记时器(未示出)处获取正常气体清扫和循环处理的经过时间t-u，并将其与所需的气体清扫时间T-u相比。然后，控制部件17判断所获取的正常气体清扫和循环处理的经过时间t-u是等于还是大于所需的气体清扫时间T-u。
[0077]如果正常气体清扫和循环处理时间没有达到所需的气体清扫时间T-u，则控制部件17继续正常气体清扫和循环处理。但是，如果正常气体清扫和循环处理时间已经达到所需的气体清扫时间T-u，则执行步骤S11。
[0078]根据本实施例，即使发生短行程，也可以为清扫燃料电池组1中的残留水确定适合的气体清扫时间。由于此原因，可以将燃料电池系统中的残留水量控制到避免冻结的合适量。同样，根据本实施例，在发生短行程的情况下，控制氢泵8的驱动以增加其转速，并执行控制以便以震动方式转换氢泵8的旋转驱动。结果，可以可靠地避免燃料电池系统中残留水的冻结。在发生短行程的情况下，由于能够计算合适的气体清扫时间，所以可以抑制由不充分的气体清扫而导致的水的积聚。
[0079](第二实施例)
以下结合附图6描述本发明的第二实施例。本实施例用于描述在气体清扫和循环处理中基于导航区域、月和日信息以及外部空气温度等来判断是否存在冻结的可能性的情况，以及将强制排水模式设定为开启的情况。因为其他组成部件和效果与第一实施例相同，所以它们被标以相同的附图标记，且此处不再描述。必要时，可参见图1到图5。
[0080]图6示出基于导航区域、月和日信息以及外部空气温度等判断是否可能冻结以及将强制排水模式设定为开启的处理。
[0081]控制部件17首先获取导航数据和外部空气温度(步骤S101)。具体来说，控制部件17从导航部件22获取导航数据。导航数据包括燃料电池系统的当前区域信息(位置信息)和当前日期等。导航部件22从GPS卫星获取燃料电池系统的当前区域信息(位置信息)和当前日期等。控制部件17从状态量测量部件20获取当前外部空气温度。
[0082]虽然本实施例是导航部件22从GPS系统获取燃料电池系统的当前日期的例子，但是本发明的实施例并不限于此方式，例如，导航部件22可以从设置在燃料电池系统中的时钟中(未示出)获取当前日期。
[0083]接下来，控制部件17判断冻结的可能性(步骤S102)，该控制部件17包含判断在气体清扫和循环处理后燃料电池系统中的残留水是否有冻结的可能性的冻结估计部。在执行气体清扫和循环处理的情况下，燃料电池系统中的残留水冻结的可能性是在燃料电池系统操作后余留在燃料电池系统中的残留水冻结可能性的估计。具体来说，燃料电池系统中的残留水冻结的可能性是基于燃料电池系统的当前区域信息(位置信息)、当前日期、当前外部空气温度、合适的量(Qreq)和状态量通过实际测量(或模拟)而确定的。
[0084]如果在气体清扫和循环处理后燃料电池系统中的残留水存在冻结的可能性，则控制部件17将强制排水模式设定为开启(步骤S103)，然后，在强制排水模式被设定为开启的情况下，继续执行气体清扫和循环处理。在这种情况下，在rpm增加后，氢泵8的rpm(即rpm的增加)可以基于燃料电池系统的当前区域信息(位置信息)、当前日期、当前外部空气温度、合适的量(Qreq)和状态量通过实验(或模拟)来确定。
[0085]在以震动方式转换氢泵8的驱动后，氢泵8的驱动量可以基于燃料电池系统的当前区域信息(位置信息)、当前日期、当前外部空气温度、合适的量(Qreq)和状态量通过实验(或模拟)来确定。
[0086]在控制氢泵8的驱动以便增加其转速的情况下，控制部件17可以在氢泵8的转速增加后重新计算所需的气体清扫时间T-f或者所需的气体清扫时间T-u。此外，在执行控制以使氢泵8的旋转驱动以震动方式转换的情况下，控制部件17可以在氢泵8的驱动以震动方式转换后重新计算所需的气体清扫时间T-f或者所需的气体清扫时间T-u。
[0087]在控制氢泵8的驱动以便增加氢泵8的转速，并执行控制以使氢泵8的驱动以震动方式转换的情况下，控制部件17可以在氢泵8的转速增加后以及在氢泵8的旋转驱动以震动方式转换后重新计算所需的气体清扫时间T-f或者所需的气体清扫时间T-u。在这些情况下，气体清扫和循环处理可以用重新计算出的所需的气体清扫时间T-f或者重新计算出的气体清扫时间T-u来执行。
[0088]在气体清扫和循环处理后燃料电池系统中的残留水不存在冻结的可能性的情况下，控制部件17不将强制排水模式设定为开启(步骤S104)，并且在未将强制排水模式转换为开启的情况下继续气体清扫和循环处理。
[0089]根据本实施例，基于区域、月和日信息等来判断燃料电池系统中的残留水冻结的可能性。结果，即使在燃料电池系统中的残留水存在冻结的高可能性的环境中，也可以增加避免燃料电池系统中的残留水冻结的确定性。因为在将强制排水模式设定为开启后可以计算出合适的气体清扫时间，所以可以防止由于不充分的气体清扫而导致的水的积聚。
[0090](变化)
虽然在上述实施例的燃料电池系统中通过驱动氢泵8来执行气体清扫处理，但除了使用氢泵8外，还可以通过供给惰性气体(如氮气)来减少燃料电池系统中或阳极侧通道中的含水量。在这种情况下，设置惰性气体源以与阳极气体通道2相连接，可以通过驱动氢泵8控制惰性气体的供给从而获得相同的效果。在使用惰性气体的情况下，阳极气体通道2和阳极废气通道3还可以作为惰性气体的供给通道和惰性气体的排放通道。
[0091]在第一实施例和第二实施例中，燃料电池系统在阳极侧具有氢泵8和气-液分离器14。例如，在阴极侧的泵9可以像氢泵8一样用于对燃料电池系统中的残留水执行气体清扫。
[0092]阳极废气通道3中的气-液分离器14可以设置在阴极废气通道6中。此外，在这种情况下，疏水箱15和排水阀16可以设置在气-液分离器14中。
[0093]在气-液分离器位于阴极废气通道6中的情况下，可以设置阴极废气循环通道。被排放到阴极废气通道6的空气经过该阴极废气循环通道，并同从燃料电池系统外部供给的阴极气体一起被再次供给到燃料电池组1的阴极。通过设置该阴极废气循环通道，阴极气体通道5、阴极废气通道6和阴极废气循环路径形成阴极侧循环路径。通过控制泵9的驱动和气-液分离器14，可以将燃料电池系统中的残留水排放到所述循环路径外部。
[0094]例如，通过设置在阳极气体通道2中的氢泵8和气-液分离器14，泵9可用于执行对燃料电池系统中的残留水的气体的清扫。可在阴极废气通道6中设置阴极气-液分离器，此时可在阴极气-液分离器中设置疏水箱15和排水阀16。
[0095]在上述情况下，可设置阴极废气循环通道，排放到阴极废气通道6的空气通过所述阴极废气循环通道，并同从燃料电池系统外部供给的阴极气体一起被再次供给到燃料电池组1的阴极。通过设置该阴极废气循环通道而形成阴极侧循环路径。通过控制氢泵8、泵9、气-液分离器14和阴极侧气-液分离器中的任一个或全部，可以将燃料电池系统中的残留水排放到循环路径外部。
[0096]虽然上述实施例中的例子是在阳极侧设置阳极废气循环通道，除了设置阳极废气循环路径外，通过与阴极侧相同的方式设置泵并控制其驱动，即使在短行程发生的情况下也可以通过合适的气体清扫量和气体清扫时间将燃料电池系统中的残留水控制到合适的量。
[0097]虽然结合优选实施例描述了本发明，但应该理解本发明并不限于所公开的实施例或结构。相反，本发明意图覆盖各种改进和等效排列。此外，虽然本发明所公开的各种部件以各种示例性的组合和结构示出，但包括更多、更少或仅单一部件的其他组合和结构也在本发明范围内。

Claims (11)

1、一种燃料电池系统，其包括:
燃料电池；
气体供给通道，其将气体供给到所述燃料电池；
气体排放通道，来自所述燃料电池的气体被排放到其中；
气体输送装置，其通过所述气体供给通道将气体输送到所述燃料电池；
残留水量计算部，其基于所述燃料电池的操作条件和操作所述燃料电池所处的环境条件，计算在所述燃料电池系统中的残留水的量，所述燃料电池系统包括所述燃料电池、所述气体供给通道和所述气体排放通道；
判断部，其判断是否至少一个状态量值等于或小于规定的阈值，所述状态量值包括所述燃料电池的发电持续时间、所述燃料电池产生的电力的量和冷却液的温度变化的量；
操作时间计算部，其根据所述操作条件和所述环境条件来计算操作所述气体输送装置将所述残留水量减少到规定的值的时间；及
控制部，其操作所述气体输送装置直到所述操作时间结束，
其中所述操作时间计算部根据所述判断部即依据所述状态量值之一是否等于或小于规定的阈值来计算不同的操作时间。
2、如权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括:
气体循环通道，其将所述气体排放通道连接到所述气体供给通道；及
气-液分离器，其从待循环的气体中分离水；
其中所述气体输送装置使所述气体排放通道中的气体通过所述气体循环通道在所述气体供给通道中循环。
3、如权利要求1或2所述的燃料电池系统，进一步包括:
计数器，其记录判定至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值的次数，
其中当所述次数等于或大于所述规定的阈值时，所述操作时间计算部计算操作所述气体输送装置的时间。
4、如权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统，其中当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部使所述气体输送装置的驱动量增加规定的值。
5、如权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统，其中当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部使所述气体输送装置震动。
6、如权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统，其中所述气体输送装置为泵，且当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部使所述泵的转速增加规定的值。
7、如权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统，其中所述气体输送装置为泵，且当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部使所述泵的转速增加规定的值，并且还使所述泵的驱动震动。
8、如权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池系统，进一步包括:
信息获取装置，其获取包括所述燃料电池系统的位置、月份和日期以及外部空气温度的信息，及
估算部，其基于所述信息估算所述燃料电池系统中的残留水冻结的可能性；
其中当存在所述冻结的可能性时，所述控制部使所述气体输送装置的驱动量增加规定的值。
9、如权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统，进一步包括:
信息获取装置，其获取包括所述燃料电池系统的位置、月和日以及外部空气温度的信息，及
估算部，其基于所述信息估算所述燃料电池系统中的残留水冻结的可能性；
其中当存在所述冻结的可能性时，所述控制部使所述气体输送装置震动。
10、一种减少在燃料电池系统中的水的方法，所述燃料电池系统包括燃料电池；气体供给通道，其将气体供给到所述燃料电池；以及气体排放通道，来自所述燃料电池的气体被排放到其中；所述方法包括:
通过所述气体供给通道将气体输送到所述燃料电池；
基于所述燃料电池的操作条件和操作所述燃料电池所处的环境条件，计算在所述燃料电池系统中的残留水的量，所述燃料电池系统包括所述燃料电池、所述气体供给通道和所述气体排放通道；
判断是否至少一个状态量值等于或小于规定的阈值，所述状态量值包括所述燃料电池的发电持续时间、所述燃料电池产生的电力的量和冷却液的温度变化的量；
根据所述操作条件和所述环境条件，计算操作所述气体输送装置将所述残留水量减少到规定的值的时间；
操作所述气体输送装置直到所述操作时间结束，及
依据所述状态量值之一是否等于或小于规定的阈值的判断来计算不同的操作时间。
11、如权利要求10所述的减少在燃料电池系统中的水的方法，进一步包括:
设置气体循环通道，其将所述气体排放通道连接到所述气体供给通道；
使所述气体排放通道中的气体通过所述气体循环通道在所述气体供给通道中循环；及
从待循环的气体中分离水。
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