CN110010936A - 燃料电池系统、移动体和排气排放控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种安装在移动体中的燃料电池系统，该燃料电池系统配装有旁通流路以及调节供应至旁通流路的空气量的阀，旁通流路建立空气压缩机与排气流路之间的连通。控制单元在外部空气温度等于或低于阈值并且移动体的速度等于或低于判定速度时通过控制空气压缩机的驱动量和阀的开度来执行用于增加被致使流动穿过旁通流路的空气流量的过程。在该过程中，第一温度下的空气流量大于第二温度下的空气流量，其中，第一温度低于第二温度，第二温度等于或低于阈值。

Description

燃料电池系统、移动体和排气排放控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统、安装有燃料电池系统的移动体以及排气排放控制方法。

背景技术

燃料电池系统通过使燃料气体(氢气)与空气中的氧气彼此反应而产生电力，因此产生水。这种水以液体形式的水或以气体形式的水蒸气从排气管排放到大气(外部空气)。当外部空气温度较低时，水蒸气由于被大气冷却而凝结，变为细小的聚集体而形成雾。日本专利申请公报No.2008-269983(JP 2008-269983 A)中描述了通过在使用干燥剂(二氧化硅)吸附水蒸气来减少排气中的水蒸气的量之后排放排气而抑制雾的形成。

发明内容

然而，日本专利申请公报No.2008-269983(JP 2008-269983A)的方法额外地需要干燥剂，并且在一些情况下，还需要更换干燥剂。除此之外，借助于流动的风而产生的聚集在车辆停止时不能充分发挥作用。因此，要求使由排气形成的雾在车辆停止时或在车辆以低速行驶时是不明显的。

(1)本发明的第一方面涉及燃料电池系统，该燃料电池系统配装有空气压缩机、燃料电池、排气流路、旁通流路、旁通流路调节阀、外部空气温度传感器、速度传感器以及控制单元，其中，燃料电池供应有来自空气压缩机的空气，排气流路排放来自燃料电池的排气，旁通流路建立空气压缩机与排气流路之间的连通，旁通流路调节阀调节供应至旁通流路的空气量，外部空气温度传感器获取外部空气温度，速度传感器获取移动体的速度，控制单元配置成执行燃料电池系统的包括燃料电池的操作的控制。控制单元配置成：当外部空气温度等于或低于外部空气判定阈值并且移动体的速度等于或低于判定速度时，通过控制空气压缩机的驱动量和旁通流路调节阀的开度来执行雾形成抑制过程，雾形成抑制过程用于增加被致使流动穿过旁通流路的空气流量。在雾形成抑制过程中，在外部空气温度为第一温度时流动穿过旁通流路的第一空气流量比外部空气温度为第二温度时流动穿过旁通流路的第二空气流量大，其中，第一温度低于第二温度，第二温度等于或低于外部空气温度判定阈值。

根据该方面，当外部空气温度等于或低于外部空气温度判定阈值并且由速度传感器获取的速度等于或低于判定速度时，由于空气压缩机而温度变高的空气被致使经由旁通流路流动穿过排气流路。因此，从燃料电池排放的排气被排放至大气，排气的相对湿度被降低。因此，即使在排气与大气接触并且排气的温度下降时，也可以抑制排气的温度下降至露点温度。因此，由排气形成的雾可以是不明显的。除此之外，雾形成的可能性随着外部空气温度的下降而增加。因此，当低于第二温度的第一温度下的第一流量大于第二温度下的第二流量时，不太可能由排气形成雾，其中，第二温度等于或低于外部空气温度判定阈值。即使形成雾，这种雾也可能是不明显的。

(2)燃料电池系统还可以配装有温度获取单元，温度获取单元配置成获取从燃料电池排放的排气的温度。控制单元可以配置成在外部空气温度等于或低于外部空气温度判定阈值、移动体的速度等于或低于判定速度并且排气的温度等于或高于排气温度判定阈值时执行雾形成抑制过程。在假设排气包含饱和水蒸气量的水蒸气的情况下，绝对湿度升高并且在与大气接触时雾形成的可能性随着温度的升高而增加。根据该方面，在更可能形成雾的排气的温度等于或高于判定温度时执行雾形成抑制过程。因此，不太可能由排气形成雾。即使形成雾，这种雾也可能是不明显的。

(3)燃料电池系统还可以配装有温度传感器，该温度传感器测量从燃料电池排放的冷却介质的温度。温度获取单元可以配置成通过使用从燃料电池排放的冷却介质的温度来获取排气的温度。根据该方面，不需要测量排气的温度的温度传感器。

(4)控制单元可以配置成：通过使用外部空气温度来获取雾形成温度，雾形成温度是当包含饱和水蒸气量的水蒸气的排气被排放时形成雾的最低温度；通过使用雾形成温度下的饱和水蒸气量与排气的温度下的饱和水蒸气量之间的比率来获取流动穿过旁通流路的空气目标流量；以及执行雾形成抑制过程。根据该方面，可以准确地执行用于使由排气形成的雾变得不明显的控制。

(5)本发明的第二方面涉及安装有上述燃料电池系统的移动体。

(6)本发明的第三方面涉及用于从安装有燃料电池系统的移动体排放的排气的排气排放控制方法。排气排放控制方法包括：获取外部空气温度；获取移动体的速度；将空气供应至燃料电池；在外部空气温度等于或低于外部空气温度判定阈值并且移动体的速度等于或低于判定速度时，执行雾形成抑制过程以将空气的流量控制成使得第一温度下流动穿过旁通流路的第一空气流量大于第二温度下流动穿过旁通流路的第二空气流量，其中，第一温度低于第二温度，第二温度等于或低于外部空气温度判定阈值；以及将空气与从燃料电池排放的排气混合并排放。旁通流路建立空气压缩机与排气流路之间的连通。

在本说明中，词语“获取”包括词语“测量”的含义。

附图说明

下面将参照附图对本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术上和工业上的意义进行描述，在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且在附图中：

图1是示意性地示出了安装有燃料电池的车辆的说明图；

图2是示出了燃料电池系统的整体构型的说明图；

图3是由控制单元执行以抑制雾的形成的控制的流程图；

图4是示出了外部空气温度Ta与旁通空气的流量比之间的关系的示例性映射；

图5是在第二实施方式中由控制单元执行以抑制雾的形成的控制的流程图；

图6是示出了外部空气温度Ta、冷却介质的温度Tc1以及旁通空气的流量比之间的关系的示例性映射；

图7是在第三实施方式中由控制单元执行以抑制雾的形成的控制的流程图；

图8是示出了外部空气温度Ta与雾形成温度Tmst之间的关系的示例性曲线图；以及

图9是示出了饱和水蒸气曲线的曲线图。

具体实施方式

第一实施方式

图1是示意性地示出了安装有燃料电池的车辆10的说明图。安装有燃料电池的车辆10配装有燃料电池系统11、控制单元110、启动开关120、辅助电池130、电力分配控制器140、驱动马达150、驱动轴160、动力分配齿轮170、速度传感器175以及轮180。燃料电池系统11配装有燃料电池100、排气流路410以及消音器470。稍后将对燃料电池系统11的细节进行描述。

燃料电池100是用于通过使燃料气体和氧气彼此进行电化学反应而获取电力的发电装置。控制单元110控制燃料电池100和辅助电池130的操作。启动开关120是在安装有燃料电池的车辆10的启动与停止之间进行切换的主开关。当由燃料电池100产生的电力较小时、例如在安装有燃料电池的车辆10刚启动之后，辅助电池130用作用于使安装有燃料电池的车辆10移动的电源。例如，可以采用镍氢电池或锂离子电池作为辅助电池130。辅助电池130可以例如直接通过使用从燃料电池100输出的电力充电，或者在安装有燃料电池的车辆10减速时通过驱动马达150对安装有燃料电池的车辆10的动能进行再生来充电。当从控制单元110接收到指令时，电力分配控制器140对从燃料电池100汲取至驱动马达150的电力的量以及从辅助电池130汲取至驱动马达150的电力的量进行控制。除此之外，当从控制单元110接收到指令时，电力分配控制器140将驱动马达150在安装有燃料电池的车辆10减速时再生的电力发送至辅助电池130。驱动马达150用作用于使安装有燃料电池的车辆10移动的电动马达。除此之外，驱动马达150在安装有燃料电池的车辆10减速时用作使安装有燃料电池的车辆10的动能再生为电能的发电机。驱动轴160是用于将驱动马达150产生的驱动力传递至动力分配齿轮170的旋转轴。动力分配齿轮170将驱动力分配至左轮180和右轮180。动力分配齿轮170设置有速度传感器175。速度传感器175可以设置在驱动轴160上或轮180中的一个轮上。

图2是示出了燃料电池系统11的整体构型的说明图。燃料电池系统11配装有燃料电池100、燃料气体供应回路200、空气供应回路300、排气回路400以及冷却回路500。

燃料气体供应回路200配装有燃料气体罐210、燃料气体供应流路220、燃料气体排放流路230、燃料气体再循环流路240、主阀250、调节器260、三个喷射器270、气液分离器280以及再循环泵290。燃料气体罐210储存燃料气体。在本实施方式中，氢气被用作燃料气体。

燃料气体罐210和燃料电池100通过燃料气体供应流路220连接至彼此。燃料气体供应流路220从燃料气体罐210侧按顺序设置有主阀250、调节器260以及喷射器270。主阀250接通/断开燃料气体从燃料气体罐210的供应。调节器260将燃料气体的压力减小至预定压力并且将燃料气体供应至喷射器270。喷射器270中的每个喷射器是对燃料气体的压力和燃料气体的量进行调节并且将燃料气体喷射到燃料电池100中的喷射器装置。在本实施方式中，三个喷射器270彼此并联设置。附带说明，喷射器270的数量不必为三个，并且可以适当地采用设置有单个喷射器或者两个或更多个喷射器的构型。在如本实施方式中设置多个喷射器270的情况下，喷射到燃料电池100中的燃料气体的量可以根据所需的燃料电池100的发电量而被容易地调整。

燃料气体排放流路230排出来自燃料电池100的燃料排气。燃料气体再循环流路240连接至燃料气体排放流路230和燃料气体供应流路220。气液分离器280设置在燃料气体排放流路230与燃料气体再循环流路240之间。燃料排气包含通过反应未消耗的燃料气体、杂质比如已经移动穿过燃料电池100的氮气、以及水。气液分离器280将燃料排气中的水与气体(燃料气体和杂质比如已经移动穿过燃料电池100的氮气)分开。燃料气体再循环流路240设置有再循环泵290。包含已经由气液分离器280分离的未消耗的燃料气体的气体通过再循环泵290返回至燃料气体供应流路220并且被再利用。附带说明，将在稍后对由气液分离器280分离的水进行描述。

空气供应回路300配装有空气净化器310、空气供应流路320、空气压缩机330、中间冷却器340、卡持式入口阀350、大气压力传感器375、外部空气温度传感器380、空气流量计385、供应气体温度传感器390以及供应气体压力传感器395。本实施方式的燃料电池100使用空气作为氧化剂气体。附带说明，空气中的氧气用作氧化剂。

在吸入空气时，空气净化器310将灰尘从空气移除。空气净化器310和燃料电池100通过空气供应流路320连接至彼此。空气供应流路320从空气净化器310侧按顺序设置有空气压缩机330、中间冷却器340以及卡持式入口阀350。空气压缩机330压缩空气，并且将空气通过空气供应流路320发送至燃料电池100。通常，当压缩气体时，气体的温度升高。这是因为：克服气体的压力来压缩气体，并且因此对气体做功。中间冷却器340交换热，使得通过被空气压缩机330压缩而被加热的空气的温度变得与燃料电池100的温度大致相等。即，从燃料电池100排放的冷却介质被分流并且被供应至中间冷却器340。这种冷却介质的温度与燃料电池100的温度大致相等。因此，压缩空气的温度与燃料电池100的温度大致相等。附带说明，从燃料电池100排放的排气的温度也与燃料电池100的温度大致相等。卡持式入口阀350是用于接通/断开空气至燃料电池100的供应的阀。大气压力传感器375测量大气压力。外部空气温度传感器380获取尚未被吸入的空气的温度。空气流量计385测量已经吸入的空气的流量。供应气体温度传感器390测量供应至燃料电池100的空气的温度。供应气体压力传感器395测量供应至燃料电池100的空气的压力。

排气回路400配装有排气流路410、压力调节阀420、燃料气体排放流路430、排气排放阀440、氧化剂气体旁通流路450(下文中简称为“旁通流路450”)以及消音器470。排气流路410将燃料电池100的氧化剂排气排出。排气流路410设置有压力调节阀420。压力调节阀420调节燃料电池100中的空气的压力。燃料气体排放流路430将气液分离器280与排气流路410彼此连接。燃料气体排放流路430设置有排气排放阀440。旁通流路450建立空气供应流路320与排气流路410之间的连通。旁通流路450设置有旁通流路调节阀455。旁通流路450是如下流路：该流路用于致使空气以旁通的方式流动至排气流路410，而不穿过燃料电池100。旁通流路调节阀455在空气被致使流动至旁通流路450时通过对旁通流路调节阀455的开度和旁通流路450的开度的调节来调节旁通空气的流量。对旁通流路调节阀455的开度的调节包括旁通流路调节阀455的打开/关闭的调节。

控制单元110(图1)在燃料排气中的氮气的浓度变高或在气液分离器280中的水的量变大时打开排气排放阀440以将水和气体从燃料气体排放流路430排出。排出的气体包含燃料气体和杂质比如氮气等。在本实施方式中，燃料气体排放流路430连接至排气流路410，并且排放气体中的燃料气体被氧化剂排气稀释。附带说明，控制单元110可以通过打开旁通流路调节阀455而从旁通流路450供应空气并且进一步稀释排放气体中的燃料气体。消音器470设置在排气流路410的下游部分处以降低排气噪声。

冷却回路500配装有冷却介质供应流路510、冷却介质排放流路515、散热器流路520、水泵525、散热器530、冷却介质旁通流路540以及三通阀545。冷却介质供应流路510是用于将冷却介质供应至燃料电池100的流路，并且水泵525设置在冷却介质供应流路510中。冷却介质排放流路515是用于从燃料电池100排放冷却介质的流路。冷却介质排放流路515设置有温度传感器550，温度传感器550测量从燃料电池100排放的冷却介质的温度。由温度传感器550测量的温度与燃料电池100内部的温度大致相等，并且也与从燃料电池100排放的排气的温度大致相等。冷却介质排放流路515的下游部分经由三通阀545连接至散热器流路520和冷却介质旁通流路540。散热器流路520设置有散热器530。散热器530设置有散热风扇535。散热风扇535将风送至散热器530以加快热从散热器530的消散。散热器流路520的下游部分和冷却介质旁通流路540的下游部分连接至冷却介质供应流路510。冷却介质供应流路510和冷却介质排放流路515连接至中间冷却器340。

图3是由控制单元110执行以抑制雾的形成的控制的流程图。图3所示的过程在安装有燃料电池的车辆10的驱动期间被重复地执行。在步骤S10中，控制单元110从外部空气温度传感器380获取外部空气温度Ta。在步骤S15中，控制单元110判断外部空气温度Ta是否等于或低于外部空气温度判定阈值Tjd。外部空气温度判定阈值Tjd采用选自例如-5℃至+10℃之间的值。例如，外部空气温度判定阈值Tjd是5℃。如果外部空气温度Ta不等于或不低于外部空气温度判定阈值Tjd(在步骤S15中为否)，即，如果外部空气温度Ta比外部空气温度判定阈值Tjd高，则该过程结束。这是由于以下原因。在这种情况下，外部空气温度Ta较高，因此大气中饱和水蒸气的量较大，并且饱和水蒸气的量也随着温度的变化而急剧地变化。因此，即使在包含饱和水蒸气量的水蒸气的排气从安装有燃料电池的车辆10被排放的情况下，当大气的绝对湿度不高时，大气中的饱和水蒸气量较大。因此，混合有大气的气体中的水蒸气的量不可能比饱和水蒸气量大，因此不太可能形成雾。除此之外，饱和水蒸气量也随着温度的变化而急剧地变化。因此，即使在大气的绝对湿度较高的情况下，当大气的温度由于排气而略微升高时，大气中的饱和水蒸气量变大。因此，不太可能形成雾。即使当形成雾时，这种雾也是不明显的。因此，没有必要执行用于抑制雾的形成或使雾不明显的控制。另一方面，如果外部空气温度Ta等于或低于外部空气温度判定阈值Tjd(在步骤S15中为是)，则转换至步骤S20。

在步骤S20中，控制单元110从速度传感器175获取安装有燃料电池的车辆10的速度(车辆速度)v。在步骤S25中，控制单元110判断速度v是否等于或低于判定速度vjd。判定速度vjd采用选自例如0km/h与10km/h之间的值。例如，判定速度vjd为0km/h。如果速度v高于判定速度vjd(在步骤S25中为否)，则该过程结束。这是由于以下原因。在这种情况下，安装有燃料电池的车辆10在行驶时使水蒸气扩散，因此不太可能形成雾。即使当形成雾时，这种雾也是不明显的。因此，没有必要执行用于抑制雾的形成或使雾不明显的控制。另一方面，如果速度v等于或低于判定速度vjd(在步骤S25中为是)，则转换至步骤S50。

在步骤S50中，控制单元110根据由安装有燃料电池的车辆10消耗的电力的量来计算由燃料电池100产生的电力的量，并且计算燃料电池100的发电所需的空气的流量。在步骤S70中，控制单元110基于外部空气温度Ta获取用于即使在排气与大气接触的情况下仍阻止雾的形成的旁通空气目标流量。例如，控制单元110以外部空气温度Ta与旁通空气的所需流量之间的关系作为映射，并且根据外部空气温度Ta获取对应的旁通空气目标流量。

图4是示出了外部空气温度Ta与旁通空气的流量比之间的关系的示例性映射。图4的横坐标轴表示外部空气温度Ta，并且纵坐标轴表示旁通空气的流量比。旁通空气的流量比是旁通空气的流量与燃料电池100的发电所需的空气的流量的比率(下文中被称为“比例因子”)。通过这种比例因子，第一温度下的流量大于第二温度下的流量，其中，第一温度低于第二温度，第二温度等于或低于外部空气温度判定阈值Tjd。即，当外部空气温度Ta变低时，旁通空气的流量变大。然而，当外部空气温度Ta变得过低、例如等于或低于外部空气温度Tb时，大气中的饱和水蒸气量相对于外部空气温度Tc(Tc>Tb)下的量几乎不变化。因此，在外部空气温度等于或低于Tc的情况下，旁通空气的流量相对于在外部空气温度等于Tc时的旁通空气的流量几乎不变化，即使外部空气温度变得更低时亦是如此。因此，当外部空气温度等于或低于Tc时可以简化控制。除此之外，当外部空气温度等于Tb时，不需要使空气压缩机330的驱动量较大。因此，可以减少雾形成抑制过程所需的能量。附带说明，旁通空气的流量比最初可以随着温度的降低而增加。

在图3的步骤S80中，控制单元110根据被致使流动穿过燃料电池100的空气的流量以及旁通空气的流量来控制空气压缩机330的驱动量以及卡持式入口阀350和旁通流路调节阀455的开度。例如，在排气相对于燃料电池100的发电所需的空气的流量被稀释k(k为大于1的数字)倍的情况下，控制单元110将空气压缩机330的驱动量视为用于将燃料电池100的发电所需的空气流量增加k倍的驱动量；调节卡持式入口阀350和旁通流路调节阀455的开度；并且以使得乘以(k-1)倍的空气量流动穿过旁通流路450的方式执行控制。

在外部空气温度判定阈值Tjd为0℃的情况下，即使当温度等于或低于外部空气温度判定阈值Tjd的空气包含饱和水蒸气量的水蒸气时，水蒸气的量仍较小。当空气压缩机330压缩空气时，空气的温度上升。中间冷却器340与压缩空气交换热，并且压缩空气的温度变得与从燃料电池100排放的冷却介质的温度大致相等。另一方面，从燃料电池100排放的排气的温度与从燃料电池100排放的冷却介质的温度大致相等。本文中假定：排气的相对湿度大致为100％。在这种情况下，当旁通空气以相同的量与排气混合时，混合气体的相对湿度降低至大约50％。当旁通空气以两倍的量与排气混合时，混合气体的相对湿度降低至大约33％。由于排气与旁通空气混合，因而仅混合气体的相对湿度降低，而混合气体的温度仍然保持。相对湿度已经被降低的混合气体作为排气在外部空气温度Ta下被排放至大气。混合气体与大气接触，混合气体的温度通过大气被降低，并且该温度下的饱和水蒸气量减少。然而，即使当饱和水蒸气量减少时，排气的相对湿度不太可能变得大于100％。因此，可以抑制雾的形成或使雾变得不明显。

如上所述，根据第一实施方式，当排气的温度保持较高时，排气的相对湿度通过旁通气体变低，并且这种排气之后被排放至大气。因为排气的温度通过大气被降低，排气的相对湿度升高，但是排气的相对湿度通过旁通气体已经被降低。因此，即使当排气的温度通过大气被降低时，排气的相对湿度不太可能变得大于100％。因此，可以抑制雾的形成，或即使在形成雾的情况下雾也可能不明显。除此之外，当相对湿度已经被降低的排气被排放并且与大气混合时，大气的温度在大气与排气混合的某个区域中变得较高，并且大气中的饱和水蒸气量在该区域中也增加。这种影响也使得相对湿度不太可能变得高于100％，并且可以抑制雾的形成或使雾不明显。

除此之外，在第一实施方式中，控制单元110控制旁通空气的流量使得在低于第二温度的第一温度下的旁通空气的流量大于第二温度下的旁通空气的流量，其中，第二温度等于或低于外部空气温度判定阈值Tjd。因此，旁通空气的流量增加，并且排放至大气的排气的相对湿度随着外部空气温度Ta的降低而降低，其中，在外部空气温度Ta下可能形成雾。除此之外，排气由于其较大的流量而更大程度地被扩散并且变稀，因此雾可能变得更不明显。

如果旁通空气的流量为燃料电池100的发电所需的空气的流量的(k-1)倍大，则不会造成旁通空气的流量的浪费增加。因此，通过保持空气压缩机330的驱动量较小，可以在使雾的形成不明显的同时实现能量的节省。附带说明，旁通空气的流量可以比(k-1)与燃料电池100的发电所需的空气的流量的乘积大。因此，雾的形成可能更不明显。

在第一实施方式中，雾的形成可以简单地通过使用普通燃料电池系统11通常配装的部件、即空气压缩机330、旁通流路450以及旁通流路调节阀455来抑制。因此，不需要提供下述另外的构型：在该构型中，在排出排气之前通过冷却和凝结排气来移除水分。

控制单元110已经被描述为以外部空气温度Ta与旁通空气的所需流量之间的关系作为映射。然而，控制单元110可以具有多种映射，这些映射表示外部空气温度Ta与旁通空气的所需流量之间的关系并且对应于速度。随着速度增加，水蒸气通过流动的风被扩散，因此旁通空气的所需流量较小。

在上述第一实施方式中，选定5℃作为步骤S15中的外部空气温度判定阈值Tjd。然而，例如，在供应至燃料电池100的阴极气体通过在阴极排气中使用水分而加湿的情况下，排放至车辆的外部的阴极排气中的水分的量减少，因此不会形成雾，除非外部空气温度变得更低。因此，在供应至燃料电池100的阴极气体通过在阴极排气中使用水分而加湿的情况下，可以采用低于5℃的温度，例如可以采用在-10℃至-30℃之间的温度作为外部空气温度判定阈值Tjd。

在上述第一实施方式中已经描述了当外部空气温度Ta高于外部空气温度判定阈值Tjd或当速度v高于判定速度vjd时结束过程，但是这只意味着不执行用于抑制雾的形成的过程。即使当Ta>Tjd时，仍可以使空气流动穿过旁通流路450。例如，当阳极排气被排放时，可以使空气流动穿过旁通流路450以稀释氢气。

第二实施方式

在第一实施方式中，控制单元110控制旁通空气的流量使得当外部空气温度Ta较低时被致使流动穿过旁通流路的旁通空气的流量变得大于或大致等于当外部空气温度Ta较高时被致使流动穿过旁通流路的旁通空气的流量，即，使得在外部空气温度Ta较低的情况下第二温度下的旁通空气的流量变得等于或大于在外部空气温度Ta高于第二温度的情况下第一温度下的旁通空气的流量。在第二实施方式中，控制单元110根据从燃料电池100排放的冷却介质的温度获取排气的温度，并且通过使用排气的温度和外部空气温度获取被致使流动穿过旁通流路450的旁通空气的流量。

图5是在第二实施方式中由控制单元110执行以抑制雾的形成的控制的流程图。如在图3中所示的过程的情况下，图5中所示的过程在安装有燃料电池的车辆10的行驶期间被反复地执行。步骤S110、S115、S120和S125分别对应图3的步骤S10、S15、S20和S25。如果在步骤S125中速度v等于或低于判定速度vjd，则转换至步骤S130。如果在步骤S125中速度v高于判定速度vjd，则该过程结束。

在步骤S130中，控制单元110通过使用温度传感器550获取从燃料电池100排放的冷却介质的温度Tcl。这种冷却介质的温度与从燃料电池100排放的排气的温度大致相等。除此之外，中间冷却器340与旁通空气交换热，并且旁通空气的温度变成与冷却介质的温度相等。附带说明，代替冷却介质的温度，燃料电池100的温度或排气的温度可以被获取。

在步骤S135中，控制单元110判断冷却介质的温度Tcl是否等于或高于排气温度判定阈值Tjd2。如上所述，冷却介质的温度Tcl与从燃料电池100排放的排气的温度大致相等，因此可以根据代替排气的温度的冷却介质的温度Tcl来进行判断。因此，出于方便的目的，排气温度判定阈值Tjd2的名称可以用作冷却介质的温度Tcl的判定标准。附带说明，如果冷却介质的温度Tcl低于排气温度判定阈值Tjd2，则排气中的饱和水蒸气量较小，并且排气的绝对湿度较低。因此，即使当排气被排放至大气时，也不太可能形成雾。因此，过程结束，而无需执行增加旁通空气的流量的控制。另一方面，如果冷却介质的温度Tcl等于或高于排气温度判定阈值Tjd2，则控制单元110转换至步骤S150以计算发电所需的空气的供应量。步骤S150与图3的步骤S50相同。

在步骤S170中，控制单元110根据外部空气温度Ta和冷却介质的温度Tcl来获取用于阻止排气形成雾的旁通空气目标流量。例如，控制单元110以外部空气温度Ta、冷却介质的温度Tcl和旁通空气的所需流量之间的关系作为映射，并且根据外部空气温度Ta获取对应的旁通空气目标流量。

图6是示出了外部空气温度Ta、冷却介质的温度Tcl以及旁通空气的流量比之间的关系的示例性映射。图6的横坐标轴表示外部空气温度Ta，并且图6的纵坐标轴表示旁通空气的流量比。图6示出了在冷却介质的四个温度T1至T4(T1>T2>T3>T4)下外部空气温度Ta与旁通空气的流量比之间的关系。以与图4所示方式相同的方式，在外部空气温度较低时旁通空气的流量比等于或大于在外部空气温度较高时旁通空气的流量比。除此之外，旁通空气的流量比随着冷却介质的温度Tcl的升高而增加。随着冷却介质的温度Tcl升高，排气的温度升高，并且排气中包含的水蒸气的量增加，即，绝对湿度升高。因此，随着冷却介质的温度Tcl升高，通过用旁通空气进一步稀释排气来降低相对湿度，形成雾的不可能性会增加。

在图5的步骤S180以及图3的步骤S80中，控制单元110根据被致使流动穿过燃料电池100的空气的流量和旁通空气的流量来控制空气压缩机330的驱动量以及卡持式入口阀350和旁通流路调节阀455的开度。

如上所述，同样在第二实施方式中，排气的相对湿度降低而排气的温度通过旁通气体保持较高，并且之后排气被排放至大气。因为排气的温度通过大气被降低，因而排气的相对湿度升高，但是排气的相对湿度已经被降低而排气的温度通过旁通气体保持较高。因此，即使当排气的温度降低时，排气的相对湿度不可能变得大于100％。因此，抑制了雾的形成。

在第二实施方式中，当温度Tcl、即排气的温度较低时，被致使流动穿过旁通流路450的空气的量等于零(在步骤S135中Tcl<Tjd2)，或如图6中所示，旁通空气的流量较小。因此，空气压缩机330的驱动量可以根据排气的温度而减小。因此，当冷却介质的温度Tcl较低时，可以实现能量的节省。

在第二实施方式中，获取从燃料电池100排放的冷却介质的温度的温度传感器550用作获取排气的温度的温度获取单元。排气的温度与从燃料电池100排放的冷却介质的温度大致相等。因此，温度传感器550的使用消除了对设置温度传感器来测量排气的温度的需求。

当在第二实施方式中使用示出了外部空气温度Ta、冷却介质的温度Tcl以及旁通空气的流量比之间的关系的映射时，可以简化计算过程。因此，可以以高速执行过程。

在第二实施方式中，当冷却介质的温度Tcl与例如介于T1与T2之间的温度Tx相等时，可以通过使用温度T1下的旁通空气的流量和温度T2下的旁通空气的流量进行的插值过程来获取旁通空气的流量。

附带说明，第一实施方式和第二实施方式具有以下关系。第一实施方式可以被视为第二实施方式的改型，在该改型中，冷却介质的温度Tcl被视为恒定，并且雾的形成被抑制或雾的形成不明显，无需执行步骤S130和S135。例如，当安装有燃料电池的车辆10启动后经过一段时间时，燃料电池100的温度大致恒定，并且冷却介质的温度Tcl和排气的温度也变得与燃料电池100的温度大致相等。因此，可以仅考虑外部空气温度Ta和安装有燃料电池的车辆10的速度v来判定旁通空气的流量。即，一旦冷却介质的温度Tcl在开始执行根据第二实施方式的控制的流程图之后变得比转变温度大，则控制单元110可以将控制改变为根据第一实施方式的控制的流程图。在将控制改变为根据第一实施方式的控制的流程图后，可以仅考虑外部空气温度Ta和安装有燃料电池的车辆10的速度v来判定旁通空气的流量。因此，可以简化控制。附带说明，一旦在开始执行根据第二实施方式的控制的流程图之后经过一段时间，则控制单元110可以将控制改变为根据第一实施方式的控制的流程图。

第三实施方式

在第三实施方式中，控制单元110根据从燃料电池排放的冷却介质的温度获取排气的温度，获取对应于排气的温度的雾形成温度，并且通过使用雾形成温度下的饱和水蒸气量与排气的温度下的饱和水蒸气量之间的比率来获取被致使流动穿过旁通流路450的旁通空气的流量。因此，可以更加准确地控制对雾的形成的抑制。排气的温度可以由设置在排气流路410中的温度传感器直接获取。除此之外，利用排气的温度与冷却介质的温度大致相等的事实，控制单元110可以将冷却介质的温度视为排气的温度并用作排气的温度。

图7是第三实施方式中由控制单元110执行以抑制雾的形成的控制的流程图。图7中所示的过程在安装有燃料电池的车辆10的行驶期间被反复地执行。步骤S110、S115、S120、S125和S130中的控制与参照图5描述的第二实施方式中的控制的流程图的步骤S110、S115、S120、S125和S130相同，因此将省略其描述。

在步骤S140中，控制单元110根据外部空气温度Ta获取雾形成温度Tmst。雾形成温度Tmst是针对每个外部空气温度的雾的形成会造成问题的排气的最低温度。即，雾形成温度Tmst是下述温度：在该温度下，当假设包含饱和水蒸气量的水蒸气并且其温度比雾形成温度Tmst高的排气被排放至大气时，判断形成雾。因此，当外部空气温度Ta较低时，雾形成温度Tmst也较低。外部空气温度Ta与雾形成温度Tmst之间的关系通过实验等来测量并获取，并且例如以映射的形式被存储在控制单元110中。

图8是示出了外部空气温度Ta与雾形成温度Tmst之间的关系的示例性的曲线图。在曲线图中的线上方的区域中形成雾。雾形成温度Tmst随着外部空气温度Ta的降低而降低。这是由于以下原因。饱和水蒸气量随着温度的降低而减少。因此，除非排放的排气的绝对湿度随着外部空气温度Ta的降低而降低，否则就形成雾。附带说明，当外部空气温度等于或低于Td时，饱和水蒸气量几乎不改变，因此雾形成温度Tmst也大致恒定。除此之外，当排气的温度等于或低于雾形成温度Tmst时，绝对湿度较低，并且不太可能形成雾。然而，即使形成雾，雾的量也较小，并且这种雾是不明显的。

在步骤S145中，控制单元110判断冷却介质的温度Tcl是否等于或高于雾形成温度Tmst。冷却介质的温度Tcl与排气的温度大致相等。因此，当冷却介质的温度Tcl低于雾形成温度Tmst时，排气中的饱和水蒸气量较小，并且绝对湿度较低。因此，即使当排气被排放至大气时，也不太可能形成雾。因此，该过程结束，而无需执行增加旁通空气的流量的控制。另一方面，当冷却介质的温度Tcl等于或高于雾形成温度Tmst时，控制单元110转换至步骤S150以计算发电所需的空气的供应量。步骤150与图3的步骤S50相同。

在步骤S160中，控制单元110计算排气的下述相对湿度：在该相对湿度处，即使排气被排放，雾也是不明显的。首先，控制单元110计算在雾形成温度Tmst下的饱和水蒸气量Wmst。除此之外，控制单元110计算在冷却介质的温度Tcl下的饱和水蒸气量Wtcl。图9是示出了饱和水蒸气曲线的曲线图。控制单元110可以通过使用图9中所示的饱和水蒸气曲线或近似方程比如Tetens方程等来计算雾形成温度Tmst下的饱和水蒸气量Wmst或温度Tcl下的饱和水蒸气量Wtcl。

随后，控制单元110计算RH1＝(Wmst/Wtcl)×100。在假设排气的温度与雾形成温度Tmst相等时的饱和水蒸气量Wmst与温度Tcl下的排气的绝对湿度和相对湿度RH1相等。当温度Tcl下的排气被稀释至低于RH1的相对湿度时，即使在排气被排放至大气的情况下也不会形成雾。即使形成雾，这种雾也是不明显的。以这种方式，控制单元110根据雾形成温度Tmst下的饱和水蒸气量Wmst和冷却介质的温度Tcl下的饱和水蒸气量Wtcl来计算排气的下述相对湿度RH1：在该相对湿度RH1下，雾是不明显的。

在步骤S175中，控制单元110获取用于阻止排气形成雾的旁通空气目标流量。控制单元110通过将饱和水蒸气量Wtcl除以饱和水蒸气量Wmst来计算倍数k。即，当排气被稀释k倍时，排气的相对湿度降低至RH1＝(Wmst/Wtcl)×100％＝(100/k)％。即，当排气被稀释k倍时，水蒸气的量与温度等于或低于雾形成温度Tmst且水蒸气饱和的排气的排放量相等。为了将排气稀释k倍，空气压缩机330的驱动量可以设定为等于用于将空气的流量增加至k与燃料电池100的发电所需的空气的流量的乘积的驱动量，并且旁通流路调节阀455的开度可以被调节为使得已经乘以(k-1)倍的量的空气流动穿过旁通流路450。以这种方式，控制单元110获取旁通空气目标流量。

在步骤S180中以及步骤S80中，控制单元110根据被致使流动穿过燃料电池100的空气的流量和被致使流动穿过旁通流路450的旁通空气的流量来控制空气压缩机330的驱动量以及卡持式入口阀350和旁通流路调节阀455的开度。

如上所述，根据第三实施方式，控制单元110根据冷却介质的温度Tcl获取排气的温度，获取与外部空气温度Ta对应的雾形成温度Tmst，并且通过使用在雾形成温度Tmst下的饱和水蒸气量Wmst和在排气的温度Tcl下的饱和水蒸气量Wcl来获取被致使流动穿过旁通流路450的旁通空气的流量。因此，可以精确地控制空气压缩机330的驱动量。因此，空气压缩机330没有被浪费地驱动，而是可以改善燃料经济性。

在第三实施方式中，使用表示温度与饱和水蒸气量之间的关系的饱和水蒸气曲线或近似公式来获取旁通空气的流量。当在第三实施方式中使用表示温度与饱和水蒸气量之间的关系的饱和水蒸气曲线或近似公式时，用于储存饱和水蒸气曲线和近似公式的参数的存储器容量可以较小。

其他实施方式

在第二实施方式中，代替执行步骤S150、S170和S180，控制单元110可以分别执行图3的步骤S50、S70和S80。当冷却介质的温度Tcl较高并且可能形成雾时，控制单元110可以根据第一实施方式执行抑制雾形成或使雾不明显的控制。可以在步骤S50中使用如图4中所示的相同的映射，并且用于储存映射的存储器容量可以较小。

在上述实施方式中的每个实施方式中，控制单元110基于比例因子在假设执行雾形成抑制过程中的排气的量是k(k-1)与燃料电池100的发电所需的空气的量的乘积的情况下执行控制。然而，控制单元110可以控制排气的绝对量。

在上述实施方式中的每个实施方式中，在执行雾形成抑制过程中的排气的量被获取。然而，控制单元110可以预先存储表明外部空气温度Ta和排气的温度(冷却介质的温度Tcl)如何与空气压缩机330的转速相关联的映射，并根据外部空气温度Ta和排气的温度(冷却介质的温度Tcl)获取空气压缩机330的转速。控制单元110可以预先存储表明外部空气温度Ta和排气的温度(冷却介质的温度Tcl)如何与旁通流路调节阀455的开度相关联的映射，并根据外部空气温度Ta和排气的温度(冷却介质的温度Tcl)获取旁通流路调节阀455的开度。

在上述实施方式中的每个实施方式中，当排气被稀释时，用于将空气供应至燃料电池100的空气压缩机330的驱动量增加，并且空气被致使流动穿过旁通流路450。然而，还适宜采用下述构型：在该构型中，单独设置用于使空气流动穿过旁通流路450的空气压缩机，并且改变压缩机的驱动量。将空气供应至燃料电池100的空气压缩机330的驱动量不改变，因此在保持供应至燃料电池100的空气的流量恒定的同时，可以降低排气的相对湿度。

在上述实施方式中的每个实施方式中，中间冷却器340设置成保持由空气压缩机330压缩的空气的温度与从燃料电池100排放的排气的温度大致彼此相等。然而，中间冷却器340可以被省去。这是由于以下原因。由空气压缩机330压缩的空气通过压缩被加热，并且其温度上升。因此，降低了旁通空气的相对湿度，并且实现了类似的效果。

已经以安装有燃料电池的车辆10为例，描述了上述实施方式中的每个实施方式。然而，本发明还适用于除了安装有燃料电池的车辆10以外的移动体，例如，公共汽车、卡车、两用式车辆、火车以及安装有燃料电池的载客汽车。

本发明不限于上述实施方式或其他实施方式，而是可以在不偏离本发明的要旨的范围内以各种构型实现。例如，本实施方式和其他实施方式中与本发明的概述部分中提及的各个方面中的技术特征对应的技术特征可以适当地相互替换或组合，以部分或完全解决上述问题，或者部分或完全实现上述效果。此外，除非技术特征在本说明书中被描述为是不可或缺的，否则可以适当地删除技术特性。

Claims (9)

1.一种安装在移动体中的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括：

空气压缩机；

燃料电池，所述燃料电池被供应来自所述空气压缩机的空气；

排气流路，所述排气流路排出来自所述燃料电池的排气；

旁通流路，所述旁通流路建立所述空气压缩机与所述排气流路之间的连通；

旁通流路调节阀，所述旁通流路调节阀调节供应至所述旁通流路的空气量；

外部空气温度传感器，所述外部空气温度传感器获取外部空气温度；

速度传感器，所述速度传感器获取所述移动体的速度；以及

控制单元，所述控制单元配置成执行对所述燃料电池系统的包括所述燃料电池的操作的控制，其中，

所述控制单元配置成：当所述外部空气温度等于或低于外部空气温度判定阈值并且所述移动体的速度等于或低于判定速度时，通过控制所述空气压缩机的驱动量和所述旁通流路调节阀的开度来执行雾形成抑制过程，所述雾形成抑制过程用于增加流动穿过所述旁通流路的空气流量，并且

在所述雾形成抑制过程中，第一温度下流动穿过所述旁通流路的第一空气流量大于第二温度下流动穿过所述旁通流路的第二空气流量，其中，所述第一温度低于所述第二温度，所述第二温度等于或低于所述外部空气温度判定阈值。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于还包括：

温度获取单元，所述温度获取单元配置成获取从所述燃料电池排放的排气的温度，其中，

所述控制单元配置成：当所述外部空气温度等于或低于所述外部空气温度判定阈值、所述移动体的速度等于或低于所述判定速度并且所述排气的温度等于或高于排气温度判定阈值时，执行所述雾形成抑制过程。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于还包括：

温度传感器，所述温度传感器测量从所述燃料电池排放的冷却介质的温度，其中，

所述温度获取单元配置成通过使用从所述燃料电池排放的所述冷却介质的温度来获取所述排气的温度。

4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制单元配置成：

通过使用所述外部空气温度来获取雾形成温度，所述雾形成温度是当包含饱和水蒸气量的水蒸气的排气被排放时形成雾的最低温度；

通过使用所述雾形成温度下的饱和水蒸气量与所述排气的温度下的饱和水蒸气量之间的比率来获取流动穿过所述旁通流路的目标空气流量；以及

执行所述雾形成抑制过程。

5.一种移动体，其特征在于安装有根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统。

6.一种用于从安装有燃料电池系统的移动体排放的排气的排气排放控制方法，其特征在于所述排气排放控制方法包括：

获取外部空气温度；

获取所述移动体的速度；

将空气供应至燃料电池；

当所述外部空气温度等于或低于外部空气温度判定阈值并且所述移动体的速度等于或低于判定速度时，执行雾形成抑制过程以将空气流量控制成使得第一温度下流动穿过旁通流路的第一空气流量大于第二温度下流动穿过所述旁通流路的第二空气流量，其中，所述第一温度低于所述第二温度，所述第二温度等于或低于所述外部空气温度判定阈值，所述旁通流路建立对所述燃料电池进行供应的空气压缩机与从所述燃料电池排放排气的排气流路之间的连通；以及

将空气与从所述燃料电池排放的所述排气混合并排放。

7.根据权利要求6所述的排气排放控制方法，其特征在于还包括：

获取从所述燃料电池排放的所述排气的温度；以及

当所述外部空气温度等于或低于所述外部空气温度判定阈值、所述移动体的所述速度等于或低于所述判定速度并且所述排气的温度等于或高于排气温度判定阈值时，执行所述雾形成抑制过程。

8.根据权利要求7所述的排气排放控制方法，其特征在于：

通过使用由温度传感器测量的温度来获取所述排气的温度，所述温度传感器测量从所述燃料电池排放的冷却介质的温度。

9.根据权利要求7或8所述的排气排放控制方法，其特征在于：

通过所述外部空气温度来获取雾形成温度，所述雾形成温度是当包含饱和水蒸气量的水蒸气的排气被排放时形成雾的最低温度，以及

通过使用所述雾形成温度下的饱和水蒸气量与所述排气的温度下的饱和水蒸气量之间的比率来获取流动穿过所述旁通流路的目标空气流量，以及

执行所述雾形成抑制过程。