CN101443940B - 燃料电池系统和设定燃料电池系统中的循环比率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种能够抑制在系统运行期间在供应气体和循环气体合流部分处的冻结的燃料电池系统，以及一种用于计算该系统中的循环比率的方法。在本发明的燃料电池系统中，从燃料电池排出的循环气体与从气体供应源供应到燃料电池的供应气体汇合，并且参考循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热设定相对于供应气体的流率的循环气体的流率。可以通过参考冷凝潜热的在合流部分处的热平衡计算设定相对于供应气体的流率的循环气体的流率。

Description

燃料电池系统和设定燃料电池系统中的循环比率的方法
技术领域
本发明涉及一种其中从燃料电池排出的气体与被供应到燃料电池的气体汇合的燃料电池系统，以及一种用于计算该系统中的循环比率的方法。
背景技术
迄今，已经广知一种燃料电池系统，其中从燃料电池排出的氢废气与从高压力氢罐排出的氢气汇合从而被再次供应到燃料电池。在这种燃料电池系统中，在沿着从高压力氢罐到燃料电池延伸的供应路径的中途处，连接用于将氢废气返回到供应路径的循环路径。
通常，因为由燃料电池中的电化学反应产生水，所以氢废气含有大量水蒸汽。因此，在停止系统之后在冰点以下，氢废气中的水蒸汽在循环路径等中冷凝，并且冷凝的水可能冻结。为了解决该问题，在于日本专利申请公开No.2005-93110中披露的燃料电池系统中，在停止系统之后循环路径等中的压力升高，由此水的凝点被降低以抑制在循环路径中的冻结。
发明内容
另外，通过气体消耗，在高压力氢罐中的氢气温度由于绝缘膨胀而降低。当燃料电池系统的运行(在下文中有时被称作“系统运行”)在低于冰点的外部空气温度下执行时，在外部空气温度以下的氢气与氢废气汇合。因此，在合流部分处，氢废气中的水蒸汽被冷却，并且可以最终冻结。然而，在传统燃料电池系统中，不参考在系统运行期间的冻结，并且需要进一步的改进。
本发明的一个目的在于提供一种能够在系统运行期间在被供应到燃料电池的气体和从燃料电池排出的气体的合流部分处抑制冻结的燃料电池系统，以及一种用于计算该系统中的循环比率的方法。
为了实现以上目的，在本发明的燃料电池系统中，从燃料电池排出的循环气体与从气体供应源供应到燃料电池的供应气体汇合。而且，参考循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热设定相对于供应气体流率的循环气体的流率(这种比率在下文中被称作“循环比率”)。
而且，本发明的另一燃料电池系统包括燃料电池、供应气体的气体供应源、用于将该供应气体从气体供应源供应到燃料电池的供应路径、用于将从燃料电池排出的循环气体返回到供应路径的循环路径，以及供应气体在此处与循环气体汇合的合流部分。而且，参考循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热设定循环比率。
根据这种构造，为了设定循环比率，参考在循环气体中具有的水蒸汽的冷凝潜热。结果，循环气体可以与供应气体汇合从而相结合的循环气体中的水蒸汽不被供应气体冷却或者冻结。因此，在系统运行期间，可以抑制在供应气体和循环气体的合流部分处的冻结。不需在合流部分处设置专门用于抑制冻结等的外部加热器。
优选地，气体供应源是燃料系统源，并且供应气体和循环气体被供应到燃料电池的燃料电极。结果，在其中冻结被抑制的状态中，燃料系统的循环气体可以被循环并且供应到燃料电池的燃料电极。
“供应气体”意味在其中执行重整处理的情形中包括典型为氢气和富氢燃料气体的燃料气体的概念。“供应气体”主要是含有氢气的气体，但是可以是除了氢气之外的气体(例如CNG)。“循环气体”主要包括从燃料电池排出的氢废气和水蒸汽。另外，“循环气体”例如包括除了氢废气和水蒸汽在燃料电池中交叉泄露的氮气。
优选地，通过参考冷凝潜热计算在循环气体和供应气体的合流部分处的热平衡而设定循环比率。结果，可以更加准确地计算在合流部分处的热平衡。而且，基于这种计算结果设定循环比率，从而可以抑制在合流部分处的冻结。
优选地，参考冷凝潜热设定循环比率从而在供应气体和循环气体相结合之后构成的结合气体的温度高于预定温度。结果，循环比率被设定为使得例如结合气体的温度高于水在此处冻结的温度，从而可以抑制在结合之后的冻结。
更优选地，所述预定温度是在结合气体压力下的水凝点或者更高。结果，因为结合气体达到比水在此处开始冻结的温度高的温度，所以可以进一步抑制在结合之后的冻结。
这里，当结合气体的压力高于760mmHG时，水的凝点降到0℃以下。因此，在其中结合气体的压力高于760mmHG的情形中，当循环比率被设定为使得结合气体的温度高于0℃时，从在结合之后抑制冻结的角度，基于安全方面设定循环比率。因此，在一种优选配置中，该预定温度可以为0℃。
优选地，参考冷凝潜热设定循环比率的下限值。在系统运行期间循环气体的温度由于燃料电池发电而升高，但是当循环气体流率低于供应气体流率时，在气体相互结合之后水蒸汽可被冷凝以冻结。因此，下限值可以被设定为循环比率以抑制在结合之后的冻结。
优选地，本发明的燃料电池系统还包括能够控制被馈送到供应气体和循环气体的合流部分的循环气体的流率的循环器件。根据这种构造，循环器件可以容易地控制循环气体的流率。
更优选地，该循环器件可以基于供应气体的温度、循环气体的压力和外部空气温度中的至少一个而改变循环比率。
优选地，本发明的燃料电池系统还包括从气体供应源到气体入口延伸的供应路径，以及从燃料电池的气体出口到循环路径和供应路径之间的合流部分延伸的循环路径。
为了实现以上目的，一种用于计算本发明的燃料电池系统中的循环比率的方法是一种计算燃料电池系统中的循环比率的方法，在该燃料电池系统中从燃料电池排出的循环气体与来自气体供应源的供应气体汇合从而被供应到燃料电池。该方法包括以下步骤：参考循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热计算循环气体和供应气体的合流部分处的热平衡，并且基于计算结果设定循环比率。
根据这种构造，循环比率可以被设定为使得在结合之后循环气体中的水蒸汽不被供应气体冷却或者冻结。结果，在燃料电池系统运行期间，可以抑制在合流部分处的冻结。
为了实现以上目的，本发明的另一燃料电池系统包括合流部分，在此处从高压罐供应到燃料电池的燃料气体与从燃料电池排出的燃料气体汇合。而且，该燃料电池系统被设定为使得当在合流部分处水分冻结时或者当预期冻结时，改变相对于从燃料电池排出的燃料气体的流率的从高压罐供应到燃料电池的燃料气体的流率的比率。
根据这种构造，当水分在合流部分处冻结时，燃料气体的比率可以被改变为例如使得冻结的所含水解冻的比率。当预期在合流部分处的冻结时，可以改变燃料气体的比率从而水分不冻结。因此，在系统运行期间，可以抑制在合流部分处的冻结。
在此情形中，优选的是基于燃料电池的负荷和从高压罐供应到燃料电池的燃料气体的状态确定该比率。
综上所述，本发明提供了一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
供应气体的气体供应源；
供应路径，所述供应路径用于将所述供应气体从所述气体供应源供应到所述燃料电池；
循环路径，所述循环路径用于将从所述燃料电池排出的循环气体返回到所述供应路径；以及
合流部分，所述供应气体在所述合流部分处与所述循环气体结合，
其中参考所述循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热设定相对于所述供应气体的流率而言的所述循环气体的流率，从而使通过结合所述供应气体和所述循环气体而构成的结合气体的温度高于预定温度。
本发明还提供了一种用于设定燃料电池系统中的循环比率的方法，在所述燃料电池系统中，从燃料电池排出的循环气体与来自气体供应源的供应气体结合从而被供应到所述燃料电池，所述方法包括以下步骤：
参考所述循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热计算所述循环气体和所述供应气体的合流部分处的热平衡；并且
基于计算结果设定相对于所述供应气体的流率而言的所述循环气体的流率。
本发明还提供了一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
高压罐；
合流部分，在所述合流部分处，从所述高压罐供应到所述燃料电池的燃料气体与从所述燃料电池排出的燃料气体结合；和
控制器件，当在所述合流部分处水分冻结时，或者当预期冻结时，所述控制器件改变并设定从所述高压罐供应到所述燃料电池的所述燃料气体的流率相对于从所述燃料电池排出的所述燃料气体的流率的比率。
附图说明
图1是根据本发明的燃料电池系统的构造图表；
图2是示出在用于计算根据本发明的燃料电池系统中的循环比率的方法中使用的计算模型的图表；并且
图3是示出使用图2的计算模型的计算结果，并且示出在循环比率和循环气体温度之间的关系的曲线图。
具体实施方式
将在下文中参考附图描述根据本发明优选实施例的燃料电池系统以及用于计算该系统中的循环比率的方法。
如图1所示，燃料电池系统1包括燃料电池2、氧化气体管线系统3、燃料气体管线系统4、制冷剂管线系统5和控制器件7。燃料电池系统1被安装在可移动体例如车辆上，并且向车辆的动力源供应电力。
燃料电池2具有由例如固态聚合物电解质类型构造并且其中大量单体电池被层叠的堆叠结构。每一个单体电池均具有在由离子交换膜形成的电解质的一个表面上的空气电极，和在电解质的另一表面上的燃料电极，以及布置成从相对侧面在其间夹住空气电极和燃料电极的一对分离器。氧化气体被供应到一个分离器的氧化气体通道2a，并且燃料气体被供应到另一分离器的燃料气体通道2b。燃料电池2由于在供应的燃料气体和供应的氧化气体之间的电化学反应而发电。燃料电池2中的电化学反应是放热反应，并且固态聚合物电解质类型的燃料电池2的温度大约为60到70℃。
氧化气体管线系统3将空气(氧)作为氧化气体供应至燃料电池2。氧化气体管线系统3具有供应路径11和排气路径12。被供应到燃料电池2的氧化气体流动通过供应路径11。供应路径11设有经由过滤器13吸入氧化气体的压缩机14，以及加湿由压缩机14在压力下馈送的氧化气体的加湿器15。从燃料电池2排出的氧化废气流动通过排气路径12。氧化废气经过背压调节阀16，在加湿器15中进行水分交换，然后最终作为排气气体被从该系统排出到大气。
燃料气体管线系统4将氢气作为燃料气体供应到燃料电池2。燃料气体管线系统4具有氢气供应源21、供应路径22、循环路径23、泵24和净化路径25。氢气供应源21由例如高压罐、氢吸附合金等构成，并且被构造成使得例如可以存储35MPa或者70MPa的氢气。
从氢气供应源21供应到燃料电池2的氢气流动通过供应路径22。供应路径22的上游端部与氢气供应源21连通，并且其下游端部与燃料电池2的燃料气体入口8连通。当氢气供应源21的初始阀26打开时，氢气流出至供应路径22。氢气的压力最终被压力降低阀例如压力调节阀27降低为例如大约200kPa以经由燃料气体入口8将该气体供应到燃料气体通道2b。应该指出基于燃料电池2的所需输出(负荷)调节到燃料电池2的氢气的供应压力。供应路径22在合流部分A的上游侧上设有截流阀28。
循环路径23将从燃料电池2排出的循环气体返回到循环路径和供应路径22之间的合流部分A。循环路径23的上游端部与燃料电池2的燃料气体出口9连通，并且其下游端部与合流部分A处的供应路径22连通。通过允许循环路径23、供应路径22和燃料气体通道2b的合流部分A的下游通道依次相互连通而构成循环系统29的通道。
这里，用于下面的说明中的“供应气体”、“循环气体”和“结合气体”被定义如下。
“供应气体”是从氢气供应源21供应到燃料电池2的燃料气体，并且在这里是流动通过供应路径22从氢气供应源21到合流部分A的部分的氢气。应该指出供应气体不限于在高压罐中的具有100％纯度的氢气，并且在其中气体将经历例如重整处理的情形中可以是富氢燃料气体。
“循环气体”是从燃料电池2排出的燃料气体，并且在这里是从燃料电池2的燃料气体出口9到合流部分A流动通过循环路径23的气体。循环气体是主要从燃料电池2排出的氢气(在下文中有时被称作氢废气)，并且是包括水蒸汽和氮气的气体。水蒸汽主要通过使通过燃料电池2的发电反应而产生的生成水蒸发而获得，并且被包括在循环气体中。氮气经由离子交换膜从燃料电池2的空气电极通过，即所谓的交叉泄露过燃料电极，由此该气体被包括于循环气体中。该循环气体与被供应到燃料电池2的供应气体在合流部分A处汇合。
“结合气体”是供应气体在合流部分A处与循环气体汇合之后产生的气体，并且流动通过供应路径22从合流部分A到燃料气体入口8的部分。
泵24(循环器件)在压力下将循环路径23中的循环气体供给到供应路径22。泵24可以被构造为各种类型，并且，例如由容积型构成。泵24例如包括三相交流马达(未示出)，和具有连接到马达的驱动轴的推进器的压缩机部分。利用控制器件7控制马达的驱动、停止和旋转数目。在泵24中，马达的旋转数目可以被控制以控制推进器的旋转数目，从而能够控制在压力下供给到合流部分A的循环气体的流率。
净化路径25分支并且连接到循环路径23。净化路径25设有净化阀33作为截流阀。当燃料电池系统1运行时，净化阀33适当打开，由此循环气体中的杂质与氢废气一起被排出到氢稀释器(未示出)。当净化阀33打开时，循环气体中的杂质浓度降低并且循环气体中的氢浓度增加。这里，除了水分例如在循环气体中含有的生成水，循环气体中的杂质还包括上述氮气。
多个温度传感器61、62和压力传感器63、64设于燃料气体管线系统4中。温度传感器61在合流部分A的上游侧上沿着供应路径22设置，并且探测供应气体的温度。温度传感器62被沿着循环路径23设置，并且探测循环气体的温度。压力传感器63在合流部分A的下游侧上沿着供应路径22设置，并且探测结合气体的压力。压力传感器64被沿着循环路径23设置，并且探测循环气体的压力。应该指出另一温度传感器和另一压力传感器可以被设于燃料气体管线系统4中并且可以适当改变传感器数目和位置的设计。例如，可以设置探测供应气体的压力、循环气体的压力和结合气体的温度的各种传感器。
制冷剂管线系统5向燃料电池2供应制冷剂以冷却燃料电池2。制冷剂管线系统5具有制冷剂通道41、冷却泵42、散热器43、旁通通道44和转换阀45。制冷剂通道41与燃料电池2中的冷却通道2c连通。制冷剂通道41具有设于燃料电池2制冷剂入口附近的温度传感器46，和设于燃料电池2制冷剂出口附近的温度传感器47。由温度传感器47探测的制冷剂温度反映燃料电池2的内部温度(在下文中被称作燃料电池2的温度)。沿着制冷剂通道41设置冷却泵42。散热器43冷却从燃料电池2排出的制冷剂。旁通通道44绕过散热器43。转换阀45设定冷却水通过散热器43和旁通通道44的循环。
控制器件7基本上控制整个系统。控制器件7被构造成其中结合有CPU、ROM和RAM的微计算机。CPU根据控制程序执行所需计算以执行各种处理和控制例如在以后描述的泵24的控制。ROM存储将由CPU处理的控制程序和控制数据，并且存储在以后描述的循环比率。RAM被用作主要用于控制处理的各种运行区域。控制器件7输入用于气体系统(3、4)和制冷剂系统5中的各个温度传感器46、47、61和62以及压力传感器63、64以及用于探测在此处安装燃料电池系统1的外部空气的温度的外部空气温度传感器51等的探测信号，并且控制器件向各种构造元件例如泵24输出控制信号。
下面，将参考图2和3描述用于计算根据本实施例的燃料电池系统1中的循环比率的方法。
“循环比率”是循环气体流率与供应气体流率的比率，并且由下面的等式(1)定义：
CRE＝MRE/MSUP……(1)，
其中CRE是循环比率，MRE是循环气体的流率并且MSUP是供应气体的流率。应该指出伴随燃料电池2的发电在燃料电池2中的氢气消耗与供应气体的流率MSUP一致。
通常，由于伴随气体消耗的绝缘膨胀，在氢气供应源21中的供应气体的温度降低。因此，当在低温环境例如在低于冰点的外部空气温度下运行燃料电池系统1时，供应气体的温度降到低于冰点。在另一方面，循环气体具有接近在例如60到70℃的范围中的燃料电池2的运行温度的温度。当供应气体在合流部分A处结合循环气体时，供应气体的温度被循环气体升高，而循环气体中的氢废气和水蒸汽被供应气体冷却。当结合气体的温度降低到低于水的凝点时，循环气体中的水蒸汽被冷凝以形成水，然后转变为冰。
本发明人已经注意到在合流部分A处的热平衡，并且已经建立一种图2所示的计算模型以计算适用于燃料电池系统1的循环比率CRE，特别是循环气体中的水蒸汽在此处不会最终转变成冰的循环比率CRE。在该计算模型中，假设用于供应气体达到合流部分A处的结合气体温度T0所需的接收到的热量等于通过将当循环气体中的所有水蒸汽转变成水时的冷凝潜热加入在当循环气体达到结合气体温度T0时排出的热量而获得的值。
因此，在这种计算模型中，假设在合流部分A处供应气体的流率是1(一)并且循环气体的流率为CRE，则如下面的等式(2)所表示，可以计算在合流部分A处的热平衡：
(T0-TSup)×1×Cp(H2)＝(TRE-T0)×CRE×Cp(H2/H20/N2)+Q×CRE×(P[T]/PRE)
……(2)，
其中所用符号如下：
TSup：供应气体的温度[℃]；
TRE：循环气体的温度[℃]；
T0：结合气体的温度[℃]；
Cp(H2)：氢气的恒定压力摩尔比热[kJ/kmol·K]；
Cp(H2/H20/N2)：循环气体的平均恒定压力摩尔比热[kJ/kmol·K]；
Q：水蒸汽的冷凝潜热[kJ/g]；
P[T]：在循环气体温度TRE下的饱和水蒸汽压力[kPa]；和
PRE：循环气体的压力[kPa]。
等式(2)右侧的第二项“Q×CRE×(P[T]/PRE)”示意在当循环气体中的所有水蒸汽转变成水时的冷凝潜热。
这里，潜热Q不同于循环气体温度TRE，但是，例如，燃料电池2的温度或者循环气体温度TRE的最大温度可以被设定为基准。其原因在于温度越高，则潜热Q越低，并且因此可以从抑制冻结的角度基于安全方面执行计算。例如，当燃料电池2的温度具有70℃的最大值时，潜热示意为2.331kJ/g，并且这种单位因此被转换成潜热Q的值。在本实施例中，在70℃下的潜热被代入等式(2)的潜热Q以计算该等式。
饱和水蒸汽压力P[T]不同于循环气体温度TRE，但是循环气体温度TRE如上所述例如为60到70℃。在本实施例中，在70℃下的饱和水蒸汽压力被代入等式(2)的饱和水蒸汽压力P[T]以计算该等式。
循环气体压力PRE对应于燃料电池2的出口压力。循环气体压力PRE以与在供应气体压力中相同的方式随着燃料电池2的负荷波动，在高负荷下达到例如压力P1，并且在低负荷下达到低于压力P1的压力P2。在本实施例中，这些压力P1和P2被代入等式(2)的循环气体压力PRE中以计算该等式。
在上述计算模型中假设水的比热是水蒸汽的比热。原因在于气体的比热小于液体的比热，并且可以因此从抑制冻结的角度基于安全方面执行计算。还假设该比热是理想气体的比热。原因在于几乎不会由于温度而存在差异。
而且，在该计算模型中假设循环气体是饱和蒸汽。还假设不参考从合流部分A处的管道接收的热，并且从抑制冻结的角度基于安全方面执行计算。应该指出循环气体的平均摩尔比热Cp(H2/H20/N2)是氢、水蒸汽和氮的恒定压力摩尔比热的平均值，但是在这些气体之间的摩尔比热的差异较小，并且因此氢的恒定压力摩尔比热可以用于在另一实施例中的Cp(H2/H20/N2)中。
而且，在上述计算模型中，结合气体的温度T0可以被设定为在结合气体压力下水的凝点。结合气体的压力随着燃料电池2的负荷波动。然而，当如上所述压力例如为200kPa时，压力值大于101.3kPa(几乎等于760mmHG)，并且在这种压力下水的凝点因此低于0℃。结果，低于0℃的水凝点可以被代入等式(2)的结合气体温度T0中。
然而，在本实施例中，0℃被代入等式(2)的结合气体温度T0中以计算该等式。原因在于结合气体温度T0被设为高于在结合气体压力下水的凝点的0℃，由此可以从抑制冻结的角度基于安全方面执行计算。假设在等式(2)中T0＝0，则下面的等式(3)成立。
-TSupCp(H2)＝TRECRECp(H2/H20/N2)+QCRE(P[T]/PRE)……(3)。
然后，假设在式(3)中循环比率CRE是变量，并且计算当结合气体温度为0℃时的循环气体温度TRE。这里，假设一种情形，其中燃料电池系统1或者其上安装这种系统1的车辆被安装于一定低温(例如，-20℃)的环境中，并且计算供应气体温度TSup和循环气体压力PRE的四种结合。该四种结合的计算结果由图3的曲线L1到L4示出。
曲线L1是其中(TSup，PRE)＝(T1，P1)的情形。
曲线L2是其中(TSup，PRE)＝(T1，P2)的情形。
曲线L3是其中(TSup，PRE)＝(T2，P1)的情形。
曲线L4是其中(TSup，PRE)＝(T2，P2)的情形。
应该指出T1＜T2并且P1＞P2。
这里，温度T1是在燃料电池系统1连续运行期间的供应气体温度，并且，例如是充分低于-20℃的温度。温度T2是在燃料电池系统1启动期间的供应气体温度，并且，例如为接近-20℃的温度。应该指出在燃料电池系统1的连续运行期间，燃料电池2发电，并且车辆可以由于所产生的电力而运行。
将对图3进行分析。首先，注意曲线L1。结合气体温度在位于曲线L1上侧上的区域中超过0℃并且在位于曲线L1下侧上的区域中低于0℃。这也适用于其它弯曲L2到L4，结合气体温度在曲线L2到L4的每一条的上侧上的区域中超过0℃，并且结合气体温度在曲线L2到L4的每一条的下侧上的区域中降到0℃以下。
而且，当注意曲线L1和L2时，在任意循环比率CRE处，具有较高循环气体压力PRE的曲线L1需要高循环气体温度TRE以实现0℃的结合气体温度。而且，当注意曲线L1和L3时，在任意循环比率CRE处，具有较低供应气体温度TSup的曲线L1要求高循环气体温度TRE以实现0℃的结合气体温度。
这里，将研究一种情形，其中循环比率CRE是循环比率C1到C4中的一个。应该指出存在关系C1＜C2＜C3＜C4。
如曲线L1和L2所示，当循环比率为C1时，要求循环气体温度为大约70℃或者更高从而实现0℃或者更高的结合气体温度。然而，因为如上所述循环气体温度TRE在60到70℃的范围中，所以这种要求可以被满足。即，假设在-20℃的低温环境中循环比率CRE被设定为C1，则在系统1的连续运行期间结合气体温度降低到0℃以下，并且结果循环气体中的水蒸汽最终在合流部分A处冻结。结果，发现循环比率CRE可以不被设定为循环比率C1。
当循环比率为C2时，在曲线L2的条件下，要求用于实现0℃或者更高的结合气体温度的循环气体温度TRE为大约52℃或者更高，并且在曲线L1的条件下要求为大约59℃或者更高。参考循环气体TRE在60到70℃的范围中，循环比率CRE可以被设定为C2。
然而，如上所述，在曲线L1的条件下，循环气体压力PRE较高，即，与曲线L2的条件相比燃料电池2能够具有高的负荷。为了将循环比率CRE设定为C2，可以认为在燃料电池2在低负荷下连续运行期间存在余地，但是不能认为在燃料电池2在高负荷下连续运行期间(例如，在高速运行期间)存在余地。特别地，发现当环境具有低于-20℃的低温时，曲线L1和L2向上平行移动，因此在合流部分A处的冻结不能避免，并且循环比率CRE不可以被设定为C2。
当循环比率为C3时，在曲线L1的条件下要求用于实现0℃或者更高的结合气体温度的循环气体温度TRE为大约41℃或者更高。因为循环气体温度TRE在60到70℃的范围中，所以可以判断即使循环比率被设定为C3，在系统1连续运行期间在合流部分A处的冻结也可以被避免。
而且，当循环比率是C3时，在曲线L3的条件下用于实现0℃或者更高的结合气体温度的循环气体温度TRE为大约25℃或者或者更高。即，当循环比率为C3时，要求循环气体温度TRE为大约25℃从而抑制在系统1启动期间的冻结。然而，在系统1启动期间，循环气体温度TRE不充分升高，并且不达到大约25℃。然而，在循环气体处于30℃或者更低的情况下，因为在循环气体中包括非常小量的水蒸汽，所以可以判断在温度升高期间由于露水冷凝水的冻结而引起的供应路径22的关闭可以被避免。因此，可以判断即使当循环比率被设定为C3时，也可以避免在系统1启动期间由于在合流部分A处的冻结而导致的通道关闭的发生。
当循环比率被设定为C4时，与循环比率C3相比，循环气体温度TRE的所需值被放松(降低)。因此，即使当循环比率被设定为C4时，在系统1启动和连续运行期间也可以避免由于在合流部分A处的冻结而发生通道关闭。然而，当循环比率CRE较大时，泵24的旋转数目(马达旋转数目或者推进器旋转数目)较大，并且泵24的功率消耗较大。结果，当循环比率CRE过大时，整个燃料电池系统1的效率降低。从上述考虑，可以得出，循环比率CRE的目标值可以被设定为例如C3，在此处可以抑制在合流部分A处的冻结并且在此处不削弱整个燃料电池系统1的效率。
根据在本实施例中用于计算循环比率CRE的上述方法，因为在计算合流部分A处的热平衡时参考了在循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热，所以可以正确计算在合流部分A处的热平衡。而且，基于热平衡计算的结果，在此处可以避免由于在合流部分A处水蒸汽的冻结而引起的通道关闭的循环比率CRE可以被设定为不削弱整个系统1的效率的这种值。因此，即使在燃料电池系统1在冰点以下的运行期间，也可以抑制在合流部分A处的冻结，并且不需要在合流部分A处安装专门用于抑制冻结等的外部加热器。
在另一实施例中，根据燃料电池系统1的工况，控制器件7可以改变循环比率CRE。例如，当水分在合流部分A处冻结时，可以改变循环比率CRE。在此情形中，优选的是改变循环比率CRE从而在合流部分A处冻结的水分解冻，并且优选的是增加循环比率CRE。类似地，当预期在合流部分A处的冻结时，可以改变循环比率CRE。在此情形中，优选的是改变循环比率CRE从而在合流部分A处不发生冻结，并且优选的是增加循环比率CRE。应该指出当循环比率CRE增加时，这意味着循环气体的流率MRE增加。
控制器件7可以基于例如泵24的功率消耗和供应路径22的压力判断水分的冻结是否在合流部分A处发生以及是否存在水分冻结的可能。例如，当泵24的功率消耗大于预定阈值时，判断水分在合流部分A处冻结。
当循环比率CRE改变时，可以参考整个系统1的效率确定循环比率CRE的上限值，并且可以参考水蒸汽的冻结确定循环比率CRE的下限值。例如，循环比率CRE的上限值可以被设定为C4，并且下限值可以被设定为C2或者C3。可以基于燃料电池2的负荷和供应气体的状态(例如，供应气体温度TSup)描述在水分在合流部分A处冻结期间或者在当预期冻结时改变的循环比率CRE。例如，当燃料电池2具有高负荷时，与低负荷相比循环比率CRE可以增加。当供应气体温度TSup较低时，与当温度较高的情形相比，循环比率CRE可以增加。
可以通过控制泵24改变循环比率CRE。例如，可以基于供应气体温度TSup、循环气体压力PRE和外部空气温度中的至少一个改变泵24的循环比率CRE，并且可以基于包括循环比率CRE的上限值和下限值的这些元素(TSup，PRE和外部空气温度)适当设定循环比率CRE。因此，在燃料电池系统1中，相应于供应气体温度TSup、循环气体压力PRE和外部空气温度的状况的循环比率CRE的数据可以作为映射被存储在控制器件7的ROM中。
然后，在燃料电池系统1中，在启动或者运行期间，可以由传感器探测供应气体温度TSup、循环气体压力PRE和外部空气温度中的至少一个，并且可以基于探测结果从ROM读出最优循环比率CRE以将循环比率设定或者改变为CRE。这里，可以例如由温度传感器61探测供应气体温度TSup，可以由例如压力传感器64探测循环气体压力PRE并且可以由外部空气温度传感器51探测外部空气温度。
工业实用性
除了上述车辆之外，本发明的燃料电池系统1可以被安装在其它可移动部件上例如双轮或者多轮车辆、火车、飞机、船和机器人。燃料电池系统1可以是固定式的，并且可以被结合在废热发电系统中。在上述实例中，已经描述了阳极系统(燃料系统)气体的循环比率，但是显然本实施例可被应用于计算阴极系统(氧化气体系统)气体的循环比率的计算。

Claims (13)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
供应气体的气体供应源；
供应路径，所述供应路径用于将所述供应气体从所述气体供应源供应到所述燃料电池；
循环路径，所述循环路径用于将从所述燃料电池排出的循环气体返回到所述供应路径；以及
合流部分，所述供应气体在所述合流部分处与所述循环气体结合，
其中参考所述循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热设定相对于所述供应气体的流率而言的所述循环气体的流率，从而使通过结合所述供应气体和所述循环气体而构成的结合气体的温度高于预定温度。
2.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述燃料电池包括空气电极和燃料电极，
所述气体供应源是燃料系统的气体供应源，并且
所述供应气体和所述循环气体被供应到所述燃料电极。
3.根据权利要求1的燃料电池系统，其中通过参考所述冷凝潜热计算在所述合流部分处的热平衡而设定相对于所述供应气体的流率而言的所述循环气体的流率。
4.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述预定温度是在所述结合气体的压力下的水的凝点或更高。
5.根据权利要求1的燃料电池系统，其中所述预定温度是0℃。
6.根据权利要求1到3中任一项的燃料电池系统，其中参考所述冷凝潜热设定相对于所述供应气体的流率而言的所述循环气体的流率的下限值。
7.根据权利要求1到3中任一项的燃料电池系统，所述燃料电池系统还包括：
循环器件，所述循环器件被构成为控制被馈送到所述合流部分的所述循环气体的流率。
8.根据权利要求7的燃料电池系统，其中所述循环器件基于所述供应气体的温度、所述循环气体的压力和外部空气温度中的至少一个条件改变相对于所述供应气体的流率而言的所述循环气体的流率。
9.根据权利要求1到3中任一项的燃料电池系统，其中所述燃料电池包括气体入口和气体出口，
所述供应路径从所述气体供应源延伸到所述气体入口，并且
所述循环路径从所述气体出口延伸到所述合流部分。
10.一种用于设定燃料电池系统中的循环比率的方法，在所述燃料电池系统中，从燃料电池排出的循环气体与来自气体供应源的供应气体结合从而被供应到所述燃料电池，所述方法包括以下步骤：
参考所述循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热计算所述循环气体和所述供应气体的合流部分处的热平衡；并且
基于计算结果设定相对于所述供应气体的流率而言的所述循环气体的流率。
11.根据权利要求10的用于设定燃料电池系统中的循环比率的方法，其中所述燃料电池包括空气电极和燃料电极，
所述气体供应源是燃料系统的气体供应源，并且
所述供应气体和所述循环气体被供应到所述燃料电极。
12.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池；
高压罐；
合流部分，在所述合流部分处，从所述高压罐供应到所述燃料电池的燃料气体与从所述燃料电池排出的燃料气体结合；和
控制器件，当在所述合流部分处水分冻结时，或者当预期冻结时，所述控制器件改变并设定从所述高压罐供应到所述燃料电池的所述燃料气体的流率相对于从所述燃料电池排出的所述燃料气体的流率的比率。
13.根据权利要求12的燃料电池系统，其中基于所述燃料电池的负荷和从所述高压罐供应到所述燃料电池的所述燃料气体的状态确定所述比率。
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