CN113745584B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统。燃料电池系统包括：燃料电池，该燃料电池被供应反应气体以发电；多个辅助部件，所述多个辅助部件用于燃料电池的发电；以及控制装置，在电力未从燃料电池系统供应给负载的停止时间段期间，当满足预定的扫气开始条件时，该控制装置使燃料电池发电，并且该控制装置使用由燃料电池产生的电力来控制辅助部件，以执行使用反应气体来去除反应气体的流路中的水的扫气过程。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及一种燃料电池系统。
背景技术
已知一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括用于执行扫气过程的扫气过程执行单元，该扫气过程用于在燃料电池的操作停止之后利用蓄电单元中所储存的电力来去除燃料电池的气体流路中的残留水(例如，日本未审专利申请公报第2009-117242号(JP 2009-117242 A))。
发明内容
在燃料电池的操作停止之后的扫气过程中，例如，能够执行扫气过程的时间段受到蓄电单元中所储存的电量的限制，并且可能不能充分地去除气体流路中的残留水。因此，期望一种能够在燃料电池系统的停止时间段期间执行充分的扫气过程的技术。
本公开能够在下列方面实现。
(1)本公开的一个方面提供了一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括：燃料电池，该燃料电池被供应反应气体以发电；多个辅助部件，所述多个辅助部件用于燃料电池的发电；以及控制装置，在电力未从燃料电池系统供应给负载的停止时间段期间，当满足预定的扫气开始条件时，该控制装置使燃料电池发电，并且该控制装置使用由燃料电池产生的电力来控制辅助部件，以执行使用反应气体来去除反应气体的流路中的水的扫气过程。在上述方面的燃料电池系统中，在燃料电池系统的停止时间段期间，控制装置使燃料电池发电，然后控制辅助部件以执行扫气过程。由于通过燃料电池产生的电力来驱动辅助部件，所以可以在不受二次电池的充电量的限制的情况下执行停止时间段期间的扫气过程。因此，与使用二次电池的电力所执行的扫气过程相比，可以充分地排出反应气体的流路和辅助部件中的液体水，并且可以提高停止时间段期间的燃料电池系统的扫气过程的性能。
(2)根据上述方面的燃料电池系统可以进一步包括第一温度传感器，该第一温度传感器获取第一温度，该第一温度是至少一个辅助部件的温度。在停止时间段期间，控制装置可以获取第一温度，并且当获取到的第一温度低于预定第一阈值温度时，控制装置可以使燃料电池发电，以执行扫气过程。在上述方面的燃料电池系统中，通过使用辅助部件的温度作为扫气过程的开始条件，能够在影响辅助部件的可启动性的温度下执行扫气过程。因而，与仅使用燃料电池的温度作为扫气过程的开始条件的情况相比，可以提高在停止时间段期间的整个燃料电池系统的扫气过程的性能。
(3)在根据上述方面的燃料电池系统中，在扫气过程之前，控制装置可以通过燃料电池的发电来执行燃料电池的预热操作。在上述方面的燃料电池系统中，当第一温度低于第一阈值温度时，控制装置执行燃料电池的预热操作，然后执行扫气过程。通过利用燃料电池的预热操作所产生的热量来提高辅助部件的温度，能够提高辅助部件的扫气性能并提高燃料电池系统的可启动性。
(4)根据上述方面的燃料电池系统可以进一步包括第二温度传感器，该第二温度传感器获取第二温度，该第二温度是燃料电池的温度。在第一温度低于第一阈值温度的情况下，当第二温度低于预定的第二阈值温度时，在扫气过程之前，控制装置可以利用燃料电池的发电来执行燃料电池的预热操作，并且当第二温度等于或高于第二阈值温度时，控制装置可以使燃料电池发电，以在不执行预热操作的情况下执行扫气过程。在上述方面的燃料电池系统中，燃料电池的温度可以通过预热操作升高，并且扫气过程可以在较高的温度环境下执行，可以进一步提高停止时间段期间的扫气过程的性能。
(5)在根据上述方面的燃料电池系统中，第二阈值温度可以被设置成比第一阈值温度低的温度。在上述方面的燃料电池系统中，通过将燃料电池(在低温环境下燃料电池的可启动性高于辅助部件)的扫气过程的开始条件设定成低于辅助部件的扫气过程的开始条件的温度，能够抑制不必要的燃料气体消耗。
(6)在根据上述方面的燃料电池系统中，第一温度可以是多个辅助部件中的在停止时间段期间表现出比燃料电池的温度低的温度的一个辅助部件的温度。在上述方面的燃料电池系统中，从其获取第一温度的辅助部件限于倾向于表现出低温的辅助部件，以抑制第一温度传感器的数量增加，使得能够高效地确定扫气过程的开始条件。
(7)在根据上述方面的燃料电池系统中，辅助部件可以包括气液分离器和循环泵中的至少一个，其中，该气液分离器用于分离由燃料电池消耗的反应气体中所含的液态水，并且该循环泵用于使反应气体循环到燃料电池；并且第一温度可以是气液分离器或循环泵的温度。通过使用燃料电池系统的辅助部件中的倾向于表现出最低温度的气液分离器和循环泵的温度来确定扫气过程的开始条件，可以进一步限制从其获取第一温度的辅助部件，并且可以更高效地确定扫气过程的开始条件。
本公开可以通过除了上文所述的形式之外的各种形式来实现，例如，一种配备有燃料电池系统的车辆、一种用于控制燃料电池系统的方法、一种用于确定扫气过程的必要性的方法、一种用于实现这些方法的计算机程序、一种存储这样的计算机程序的存储介质等等。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记指示相同的元件，并且其中：
图1是示出根据第一实施例的燃料电池系统的配置的说明图；
图2是示出由控制装置执行的操作停止时间段扫气过程的流程图；
图3是示出第二实施例的操作停止时间段扫气过程的流程图；并且
图4是示出第三实施例的操作停止时间段扫气过程的流程图。
具体实施方式
A.第一实施例
图1是示出根据本实施例的燃料电池系统100的配置的示意图。燃料电池系统100被安装在例如使用燃料电池20作为驱动源的燃料电池车辆上。燃料电池系统100使用由燃料电池20产生的电力来驱动负载LD中所包括的各种装置。燃料电池系统100包括燃料电池20、二次电池40、控制装置60、氧化气体供应/排出系统30、燃料气体供应/排出系统50以及制冷剂循环系统70。
燃料电池20具有堆叠结构，在该堆叠结构中，多个电池中的每一个电池均具有阳极和阴极被结合在电解质膜的相反侧上的膜电极组件(MEA)。燃料电池20是聚合物电解质燃料电池，其通过被供应用作燃料气体的氢气以及用作氧化气体的空气作为反应气体来发电，并且使用所产生的电力来驱动负载LD。负载LD包括例如：驱动电动机，该驱动电动机产生燃料电池车辆的驱动力；加热器，该加热器用于燃料电池车辆中的空气调节；等等。燃料电池20不限于固体聚合物型燃料电池，并且可以是各种类型的燃料电池，诸如磷酸型、熔融碳酸盐型和固体氧化物型。燃料电池系统100不仅可以用于燃料电池车辆，而且也可以用于家用电源、固定式发电等。
在本实施例中，阻抗测量单元42被连接到燃料电池20。阻抗测量单元42获取燃料电池20中的水量。更具体地，阻抗测量单元42向操作状态下的燃料电池20施加交流电，并使用交流电阻抗法来计算燃料电池20的阻抗。阻抗测量单元42使用燃料电池20的预设阻抗与燃料电池20的水含量之间的对应映射，从获取到的阻抗推导出燃料电池20的水含量。阻抗测量单元42的测量结果被传输至控制装置60。当不使用燃料电池20的水含量用于下文所述的扫气过程的开始条件和结束条件时，则无需设置阻抗测量单元42。
二次电池40与燃料电池20一起用作负载LD的电源。二次电池40是例如具有200V至400V的输出电压的高压二次电池。作为二次电池40，例如，可以使用镍金属氢电池、锂离子电池等。对于二次电池40，可以安装诸如具有大约10V至30V的输出电压的铅蓄电池的低压二次电池作为控制装置60等的电源。用于控制二次电池40的充电/放电的直流-直流(DC-DC)转换器(未示出)被设置在二次电池40与燃料电池20之间。DC-DC转换器测量二次电池40的荷电状态(SOC：剩余容量)，并将SOC传输至控制装置60。可以在燃料电池20与负载LD之间设置逆变器，以将从二次电池40或燃料电池20供应的直流电转换成交流电，诸如三相交流电。
控制装置60包括微型计算机，该微型计算机具有执行逻辑操作的微处理器、诸如只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)的存储器等。微处理器执行存储在存储器中的程序，使得控制装置60执行燃料电池系统100的各种控制，包括燃料电池20的发电以及用于扫气过程的多个辅助部件的驱动控制。“扫气过程”是指通过驱动辅助部件使反应气体流动来去除反应气体的流路和辅助部件中的水的过程。在本实施例中，扫气过程包括阳极侧上的扫气过程和阴极侧上的扫气过程。阳极侧包括燃料电池20的阳极侧流路，并且阴极侧包括燃料电池20的阴极侧流路。可以仅执行阳极侧上的扫气过程和阴极侧上的扫气过程中的一个扫气过程。“用于扫气过程的辅助部件”是也用于燃料电池20的发电的辅助部件。例如，用于扫气过程的辅助部件包括氧化气体供应/排出系统30、燃料气体供应/排出系统50中所包括的阀和管道、喷射器54、循环泵55、气液分离器57、空气压缩机33、中间冷却器35等。当通过控制装置60仅执行阳极侧上的扫气过程和阴极侧上的扫气过程中的一个扫气过程时，用于扫气过程的辅助部件是指执行所述一个扫气过程的辅助部件。通常，从排出液态水的观点来看，扫气过程在其在较高温度的环境下执行时更有效。因此，优选的是，辅助部件热耦合到燃料电池20，并且例如，辅助部件被配置成使得辅助部件的温度可以随着燃料电池20的温度升高而升高。与燃料电池20的热耦合可以通过经由用于循环制冷剂的冷却系统(诸如制冷剂循环系统70)、包括热管、热泵、导管等的构件与燃料电池20连接、与燃料电池20一起布置在同一空间中等而实现。阀、喷射器54、空气压缩机33、循环泵55以及制冷剂循环泵74可以被包括在上述负载LD中。
燃料气体供应/排出系统50包括具有阳极气体供应功能的燃料气体供应系统50A、具有阳极气体排出功能的燃料气体排出系统50C以及具有阳极气体循环功能的燃料气体循环系统50B。阳极气体供应功能是指将包含燃料气体的阳极气体供应至燃料电池20的阳极的功能。阳极气体排出功能是指将阳极废气(即，从燃料电池20的阳极排出的排气)排出到外部的功能。阳极气体循环功能是指使燃料电池系统100中的阳极废气中所含的氢气循环的功能。
燃料气体供应系统50A将包含氢气的阳极气体供应至燃料电池20的阳极。燃料气体供应系统50A包括阳极供应管501、燃料气体罐51、开关阀52、调节器53以及喷射器54。
阳极供应管501是连接作为氢供应源的燃料气体罐51和燃料电池20的阳极的进口的导管，并且将阳极气体引导至燃料电池20。开关阀52被设置在阳极供应管501中的靠近燃料气体罐51的位置中。开关阀52也被称为主停止阀，并且在阀打开状态下允许燃料气体罐51中的氢气向下游流动。调节器53被设置在阳极供应管501中的开关阀52的燃料电池20侧(下游侧)。调节器53通过控制装置60的控制来调节喷射器54的上游侧的氢气压力。
喷射器54被设置在阳极供应管501中的调节器53的下游侧。喷射器54是由控制装置60控制的开关阀，并且根据设定的驱动循环和阀打开时间而被电磁驱动。喷射器54调节被供应到燃料电池20的阳极气体中的氢气量。
在分离液体成分之后，燃料气体循环系统50B使从燃料电池20的阳极排出的阳极废气循环到阳极供应管501。燃料气体循环系统50B包括阳极循环管502、气液分离器57、循环泵55以及分离器温度传感器59。
阳极循环管502被连接至燃料电池20的阳极出口和阳极供应管501，并且将从阳极排出的阳极废气引导至阳极供应管501。气液分离器57被设置在阳极循环管502中，并且从阳极废气分离出包含水蒸气的液体成分以存储该液体成分。循环泵55在阳极循环管502中被设置在气液分离器57与阳极供应管501之间。循环泵55用作阳极气体循环装置，其将流入到气液分离器57中的阳极废气发送到阳极供应管501。
分离器温度传感器59获取气液分离器57的温度。分离器温度传感器59的测量结果被传输到控制装置60。在本实施例中，在停止时间段期间，热量未从燃料电池20传递到气液分离器57，并且由于外部温度的影响，气液分离器57表现出低于燃料电池20的温度，并且在燃料电池系统20中所包括的辅助部件中表现出最低温度。“辅助部件中的表现出比燃料电池20低的温度的辅助部件”是指在其温度能够被燃料电池系统100直接或间接地获取的辅助部件中的用于扫气过程且表现出在停止时间段中的一定时间点获取的温度倾向于低于燃料电池20的温度的辅助部件。“辅助部件中的表现出最低温度的辅助部件”是指在其温度能够被燃料电池系统100直接或间接地获取的辅助部件中的用于扫气过程且表现出在停止时间段中的一定时间点获取的温度倾向于最低的辅助部件。用于扫气过程的辅助部件的温度也被称为“第一温度”，并且用于获取该辅助部件的温度的温度传感器在下文也被称为“第一温度传感器”。气液分离器57的温度对应于“第一温度”，并且分离器温度传感器59对应于“第一温度传感器”。对于从其获取第一温度的辅助部件来说，用于扫气过程的辅助部件中的至少一个辅助部件就是足够的，除了气液分离器57之外，所述至少一个辅助部件还可以是例如循环泵55。可以获取燃料电池系统100的两个或更多个辅助部件或所有辅助部件的温度作为第一温度。对于第一温度，当获取到辅助部件的温度时，可以使用所获取的辅助部件的温度中的最低值，或者可以使用所获取的辅助部件的温度的平均值。从其获取第一温度的辅助部件可以基于测试结果等而存在，并且可以基于设置在燃料电池系统100中的辅助部件的温度的获取结果而适当地改变。辅助部件的温度不限于辅助部件本身的温度。辅助部件的温度可以是使用辅助部件附近的温度间接获取的辅助部件的温度，并且可以是使用除了辅助部件的温度之外的温度计算的辅助部件的温度的估计值。例如，气液分离器57的温度不限于气液分离器57本身的温度。气液分离器57的温度可以使用在气液分离器57内部流动的阳极废气或液体水的温度、气液分离器57附近的阳极循环管502或阳极排出管504的温度或者阳极循环管502或阳极排出管504内部的液体水或气体的温度来间接地获取。可替代地，气液分离器57的温度可以是使用这些温度计算的气液分离器57的温度的估计值。当辅助部件的温度例如低于冰点时，辅助部件或辅助部件中的液态水的冻结可能会影响辅助部件的启动。
燃料气体排出系统50C将阳极废气和储存在气液分离器57中的液态水排出到排气管306。燃料气体排出系统50C具有阳极排出管504和排气排水阀58。阳极排出管504是将气液分离器57的排出端口与排气管306连接的导管，并且将来自气液分离器57的排水和通过气液分离器57的阳极废气的一部分从燃料气体供应/排出系统50排出。排气排水阀58被设置在阳极排出管504中，并且打开和关闭阳极排出管504的流路。作为排气排水阀58，例如，可以使用隔膜阀。当排气排水阀58打开时，储存在气液分离器57中的液态水和阳极废气通过排气管306被排出到大气。
氧化气体供应/排出系统30包括具有阴极气体供应功能的氧化气体供应系统30A以及具有阴极气体排出功能和阴极气体旁通功能的氧化气体排出系统30B。阴极气体供应功能是指将含氧的空气作为阴极气体供应至燃料电池20的阴极的功能。阴极气体排出功能是指将阴极废气排出到外部的功能，该阴极废气是从燃料电池20的阴极排出的废气。阴极气体旁通功能是指将所供应的阴极气体的一部分排出到外部而不将其供应到燃料电池20的功能。
氧化气体供应系统30A将用作阴极气体的空气供应到燃料电池20的阴极。氧化气体供应系统30A包括阴极供应管302、空气滤清器31、空气压缩机33、中间冷却器35、中间冷却器(IC)温度传感器38以及进口阀36。
阴极供应管302是被连接至燃料电池20的阴极的进口的导管，并且是用于燃料电池20的阴极的空气供应流路。空气滤清器31被设置在阴极供应管302中的在空气压缩机33的空气引入端口侧(上游侧)的位置处，并且去除被供应给燃料电池20的空气中的异物。测量外部空气的温度的外部空气温度传感器可以被设置在空气滤清器31的上游侧。
空气压缩机33被设置在阴极供应管302中的在燃料电池20的上游侧的位置处。空气压缩机33压缩通过空气滤清器31吸入的空气并将其送出到阴极。作为空气压缩机33，例如，使用涡轮压缩机。空气压缩机33的驱动由控制装置60控制。
中间冷却器35被设置在阴极供应管302中的在空气压缩机33和燃料电池20之间的位置处。中间冷却器35冷却被空气压缩机33压缩和加热的空气。冷却阴极气体的方法例如可以通过使制冷剂循环系统70的制冷剂在中间冷却器35中循环来实现。
IC温度传感器38获取中间冷却器35的温度。由于中间冷却器35通常被设置在外部空气的引入端口的附近，所以由于外部空气温度的影响，温度倾向于降低。在本实施例中，中间冷却器35在停止时间段期间表现出比燃料电池20的温度低的温度，并且指示在阴极侧的用于执行扫气过程的辅助部件中的最低温度。在本实施例中，中间冷却器35的温度对应于“第一温度”，并且IC温度传感器38对应于“第一温度传感器”。中间冷却器35的温度不限于中间冷却器35本身的温度。对于中间冷却器35的温度，可以使用在中间冷却器35内部流动的空气的温度、中间冷却器35附近的阴极供应管302的温度或者在中间冷却器35中循环的制冷剂的温度。可替代地，中间冷却器35的温度可以是使用这些温度计算的中间冷却器35的温度的估计值。IC温度传感器38的对中间冷却器35的温度的测量结果被发送到控制装置60。
进口阀36控制阴极气体向燃料电池20的阴极中的流入。进口阀36是开关阀，当具有预定压力的阴极气体流入时，该进口阀36机械地打开。
氧化气体排出系统30B具有阴极废气排出功能，并且包括排气管306和旁通管308。排气管306是被连接至燃料电池20的阴极的出口的阴极废气排出流路。排气管306将包含阴极废气的燃料电池20的排气引导到大气中。从排气管306排出到大气的排气除了包含阴极废气之外，还包含阳极废气和从旁通管308流出的空气。
排气管306设有出口阀37。出口阀37被设置在排气管306中的在排气管306与旁通管308的连接位置的燃料电池20侧的位置处。作为出口阀37，例如，可以使用电磁阀或电动阀。控制装置60通过调节出口阀37的开度来调节燃料电池20的阴极的背压。
旁通管308是绕过燃料电池20而连接阴极供应管302和排气管306的导管。旁通管308设有旁通阀39。作为旁通阀39，例如，可以使用电磁阀或电动阀。当旁通阀39打开时，流经阴极供应管302的阴极气体的一部分流入排气管306。控制装置60通过调节旁通阀39的开度来调节流入旁通管308中的阴极气体的流量。
制冷剂循环系统70使制冷剂在燃料电池20中循环，以调节燃料电池20的温度。作为制冷剂，例如，使用诸如乙二醇的防冻液或水。制冷剂循环系统70包括制冷剂循环路径79、制冷剂循环泵74、散热器71、散热器风扇72以及燃料电池温度传感器73。
制冷剂循环路径79具有用于向燃料电池20供应制冷剂的制冷剂供应路径79A以及用于从燃料电池20排出制冷剂的制冷剂排出路径79B。制冷剂循环泵74将制冷剂供应路径79A中的制冷剂发送到燃料电池20。散热器71从散热器风扇72接收风，从而散热并冷却在内部循环的制冷剂。
燃料电池温度传感器73获取燃料电池20的温度。燃料电池20的温度不限于燃料电池20本身的温度。燃料电池20的温度可以是燃料电池20附近的辅助部件的温度，也可以是燃料电池20的温度的估计值，诸如计算值。在本实施例中，燃料电池温度传感器73获取制冷剂排出路径79B中的制冷剂的温度作为燃料电池20的温度。下文中，燃料电池20的温度也被称为“第二温度”，并且获取燃料电池20的温度的温度传感器也被称为“第二温度传感器”。制冷剂排出路径79B中的制冷剂的温度对应于第二温度，并且燃料电池温度传感器73对应于第二温度传感器。燃料电池温度传感器73的测量结果被传输到控制装置60。
图2是示出由根据第一实施例的燃料电池系统100中所包括的控制装置60执行的操作停止时间段扫气过程的流程图。例如，当配备有燃料电池系统100的燃料电池车辆被关闭并且燃料电池系统100停止操作时，该流程开始。下文中，燃料电池系统100停止并且负载LD未被供应电力的时间段被称为“停止时间段”。停止时间段也被称为操作停止时间段或均热时间段。该流程可以在停止时间段期间以预定周期重复地执行。当从停止时间段开始已经经过了一定时间段时，控制装置60使用来自二次电池40的电力启动燃料电池系统100(步骤S10)。在步骤S10，控制装置60可以仅启动流程的每一个过程均所需的燃料电池系统100的一部分，诸如第一温度传感器和第二温度传感器。
控制装置60确认在燃料电池系统100的操作停止时是否执行了扫气过程(下文中也被称为“结束时间扫气过程”)(步骤S20)。词语“在燃料电池系统100停止时”是指当通过用户或控制装置60的命令开始准备结束燃料电池系统100的操作的时间，并且是指在燃料电池系统100完全停止操作之后且在停止时间段开始之前的阶段。当已经执行了结束时间扫气过程时(S20：是)，控制装置60停止燃料电池系统100的操作(步骤S70)，并且结束该过程。在本实施例的燃料电池系统100中，当已经执行了结束时间扫气过程时，省略了操作停止时间段期间的扫气过程，使得能够减少停止时间段期间的功耗。应注意，可以省略步骤S20，以便在燃料电池系统100的停止时间段期间可靠地执行扫气过程。
当控制装置60确定尚未执行结束时间扫气过程时(S20：否)，控制装置60获取第一温度。在本实施例中，控制装置60获取从分离器温度传感器59获取的气液分离器57的温度的测量结果和从IC温度传感器38获取的中间冷却器35的温度的测量结果作为第一温度T1(步骤S30)。仅当已经执行了阳极侧的扫气过程和阴极侧的扫气过程中的一个时，才可以获取气液分离器57和中间冷却器35中的一个的温度。控制装置60确定所获取的第一温度T1是否低于预定的第一阈值温度TA1(步骤S32)。可以使用足以允许辅助部件在不执行扫气过程的情况下被正常驱动的温度来适当地设定第一阈值温度TA1。为了避免液态水冻结，第一阈值温度TA1优选地接近冰点。在本实施例中，从避免用于扫气过程的气液分离器57内流动的液态水冻结的观点出发，第一阈值温度TA1被设定成冰点。当可以在低于冰点的温度下正常地启动辅助部件时，可以将第一阈值温度TA1设定为低于冰点的温度。第一阈值温度TA1不限于冰点或低于冰点，并且可以被设定为高于冰点的温度。第一阈值温度TA1优选被设定在例如-10℃至5℃的温度范围内。当在阳极侧的辅助部件和在阴极侧的辅助部件之间在低温环境下存在可启动性上的差异时，可以将第一阈值温度TA1设定为在阳极侧的辅助部件和阴极侧的辅助部件之间不同。在本实施例中，当所有辅助部件的温度均为第一温度T1并且气液分离器57的温度和中间冷却器35的温度均等于或高于冰点时，控制装置60对第一温度T1等于或高于第一阈值温度TA1进行确定。当第一温度T1等于或高于第一阈值温度TA1时(S32：否)，控制装置60停止燃料电池系统100的操作(步骤S70)，并结束该过程。在步骤S32中，为了与第一阈值温度TA1进行比较，控制装置60例如可以将气液分离器57的温度和中间冷却器35的温度中的较低者用作第一温度T1，或者可以将气液分离器57的温度和中间冷却器35的温度的平均值用作第一温度T1。
当第一温度T1低于第一阈值温度TA1时(S32：是)，控制装置60获取第二温度。更具体地，控制装置60获取从燃料电池温度传感器73所获取的燃料电池20的温度作为第二温度T2(步骤S40)。控制装置60确定所获取的第二温度T2是否低于预定的第二阈值温度TB(步骤S42)。可以使用足以允许燃料电池20在不执行扫气过程的情况下正常开始发电的温度来适当地设定第二阈值温度TB。第二阈值温度TB优选地接近冰点，例如以便避免由于燃料电池20的所产生的水而阻塞反应气体流路。与辅助部件相比，燃料电池20在低温环境下具有较高的可启动性，并且用作扫气过程的开始条件的阈值温度可以被设定成比辅助部件的温度低。第二阈值温度TB优选地被设定在例如-20℃至5℃的温度范围内。在本实施例中，由于燃料电池20与辅助部件之间的低温环境下的可启动性的差异，第二阈值温度TB被设定成比第一阈值温度TA1低的温度-10℃。当在燃料电池20和辅助部件之间可启动性没有差异时，第二阈值温度TB可以被设定成与第一阈值温度TA1相同的温度。第二阈值温度TB不限于等于或低于第一阈值温度TA1的温度，并且可以被设定成比第一阈值温度TA1高的温度。
当第二温度T2低于第二阈值温度TB时(S42：是)，控制装置60使用二次电池40的电力来驱动辅助部件以开始燃料电池20的发电，并且随着燃料电池20的发电而开始燃料电池20的预热操作(步骤S50)。更具体地，控制装置60控制氧化气体供应/排出系统30和燃料气体供应/排出系统50，使得供应给燃料电池20的氧化气体的化学计量比小于正常操作时的化学计量比。“氧化气体的化学计量比”是指氧化气体的实际供应量与产生要求电力所必要的氧化气体量的理论值之比。通过这种控制，阴极处的浓度过电压增加，并且燃料电池20的发电效率降低，使得与正常操作相比，燃料电池20的发热量增加。因而，可以提高燃料电池20的温度上升速度。预热操作中的氧化气体的化学计量比可以被设定成例如大约1.0。控制装置60控制燃料电池20的电流，同时以化学计量比将反应气体供应给燃料电池20以进行预热操作，从而使燃料电池20发电，使得燃料电池20以目标发热量发热。在当前的外部空气温度、第一温度和第二温度较低时，控制装置60可以将目标发热量设定为较大的值。
在执行预热操作之后，控制装置60使用由燃料电池20产生的电力来驱动辅助部件以执行扫气过程(步骤S60)。更具体地，在喷射器54的驱动停止的状态下，控制装置60驱动循环泵55，并且使用由气液分离器57分离的废气的气体成分作为扫气来使该气体成分在燃料气体循环系统50B与燃料电池20之间循环，并适当地打开排气排水阀58，由此执行在阳极侧的扫气过程。排气的气体成分的循环吹扫包括阳极循环管502和燃料电池20中的流路的燃料气体的流路。在本实施例中，作为除了燃料电池20的阳极侧的扫气过程之外的阴极侧的扫气过程，控制装置60驱动空气压缩机33，由此吹扫包括燃料电池20中的阴极侧的流路的氧化气体的流路。
当满足扫气过程的完成条件时，控制装置60结束扫气过程并停止燃料电池系统100(步骤S70)，以完成该过程。在本实施例中，当从阻抗测量单元42获取的燃料电池20的水含量降低到预定的阈值以下时，控制装置60确定满足扫气过程的完成条件。用于扫气过程的完成条件的其它示例包括，例如，扫气持续预定了时间段的情况以及从燃料电池20排出的扫气气体的湿度下降到预定阈值以下的情况。
当第二温度T2等于或高于第二阈值温度TB时(S42：否)，控制装置60开始燃料电池20的发电并且开始燃料电池20的正常操作(步骤S52)。控制装置60使用由燃料电池20产生的电力来驱动辅助部件以执行扫气过程(步骤S62)。扫气过程的控制可以与步骤S60的控制相同，并且可以是在不同条件下的控制，诸如缩短的扫气时间，以便高效地执行扫气过程。当满足扫气过程的完成条件时，控制装置60结束扫气过程并且停止燃料电池系统100(步骤S70)，以完成该过程。
如上所述，在本实施例的燃料电池系统100中，在从停止燃料电池系统100时到开始燃料电池系统100时的停止时间段期间，控制装置60在使燃料电池20发电之后通过控制辅助部件来执行扫气过程。由于通过燃料电池20所产生的电力来驱动辅助部件，所以可以不受二次电池40的充电量限制地执行扫气过程。扫气过程的时间段可以被设定成比使用二次电池40的电力执行的扫气过程的时间段长。因而，可以充分地排出反应气体流路和辅助部件中的液态水，并且可以提高停止时间段期间的燃料电池系统100的扫气过程的性能。在本实施例的燃料电池系统100中，在扫气过程开始之前使燃料电池20发电。因此，燃料电池20和辅助部件的温度可以升高。因而，与使用二次电池40的电力执行的扫气过程相比，可以在较高的温度环境下执行扫气过程，并且可以提高停止时间段期间的扫气过程的性能。在本实施例的燃料电池系统100中，使燃料电池20发电以使燃料电池20进入操作状态，使得可以测量燃料电池20的阻抗并且可以获得燃料电池20的水含量。因此，与使用二次电池40的电力执行的扫气过程相比，可以提高确定扫气过程的完成条件的精确性，并且可以提高停止时间段期间的扫气过程的性能。
本实施例的燃料电池系统100进一步包括第一温度传感器，该第一温度传感器获取作为辅助部件的温度的第一温度T1。当第一温度T1低于预定的第一阈值温度TA1时，控制装置60执行扫气过程。在使用辅助部件的温度作为扫气过程的开始条件的情况下，可以在影响辅助部件的可启动性的温度下执行扫气过程。因而，与仅将燃料电池20的温度用作扫气过程的开始条件的情况相比，可以提高停止时间段期间的整个燃料电池系统100的扫气过程的性能。根据本实施例的燃料电池系统100，例如，通过将扫气过程的开始条件设定成诸如低于液态水可能冻结并且扫气过程更有效的冰点的温度条件，可以高效地执行停止时间段期间的扫气过程。
本实施例的燃料电池系统100进一步包括第二温度传感器，该第二温度传感器获取作为燃料电池20的温度的第二温度T2。当第一温度T1低于第一阈值温度TA1并且第二温度T2低于第二阈值温度TB时，控制装置60执行燃料电池20的预热操作，并然后执行扫气过程。由于可以通过预热操作来升高燃料电池20的温度并且可以在较高的温度环境下执行扫气过程，因此可以进一步提高停止时间段期间的扫气过程的性能。当辅助部件均具有与燃料电池20的热结合时，可以通过利用由燃料电池20的预热操作产生的热量来升高辅助部件的温度而提高辅助部件的扫气性能。因而，可以提高燃料电池系统100整体的可启动性。此外，在本实施例的燃料电池系统100中，当第一温度T1低于第一阈值温度TA1并且第二温度T2等于或高于第二阈值温度TB时，控制装置60在不执行预热操作的情况下执行扫气过程。预热操作的开始条件被限制为第一温度T1和第二温度T2均较低并且预热操作特别有效的条件，使得可以抑制不必要的燃料气体消耗。
根据本实施例的燃料电池系统100，第二阈值温度TB被设定成低于第一阈值温度TA1的-10℃。通过将燃料电池20(燃料电池20在低温环境下的可启动性比辅助部件高)的扫气过程的开始条件设定成比辅助部件的扫气过程的开始条件低的温度，能够抑制不必要的燃料气体消耗。
在本实施例的燃料电池系统100中，在停止燃料电池系统100的时间段期间表现出比燃料电池20的温度低的温度的辅助部件的温度被用作第一温度T1。从其获取第一温度T1的辅助部件限于倾向于表现出低温的辅助部件，以抑制第一温度传感器的数量增加，以便可以高效地确定扫气过程的开始条件。
在本实施例的燃料电池系统100中，气液分离器57和中间冷却器35的温度被用作第一温度T1。通过使用燃料电池系统100的辅助部件中的倾向于表现出最低温的气液分离器57和中间冷却器35的温度来确定扫气过程的开始条件，可以进一步限制从其获取第一温度T1的辅助部件，并且可以更高效地确定扫气过程的开始条件。
B.第二实施例
图3是示出由根据第二实施例的燃料电池系统100中所包括的控制装置60执行的操作停止时间段扫气过程的流程图。第二实施例的操作停止时间段扫气过程与第一实施例的操作停止时间段扫气过程的不同在于，未提供步骤S40、S42、S52和S62，并且第二实施例的操作停止时间段扫气过程的其它配置与第一实施例的那些配置相同。在本实施例中，在不使用作为第二温度T2的燃料电池20的温度的情况下，控制装置60确定是否在停止时间段期间执行扫气过程。
控制装置60执行如第一实施例中的步骤S10至S20，然后在步骤S30中从分离器温度传感器59获取气液分离器57的温度作为第一温度T1。控制装置60确定第一温度T1是否低于第一阈值温度TA2(步骤S32)。当第一温度T1等于或高于第一阈值温度TA2时(S32：否)，控制装置60停止燃料电池系统100的操作(步骤S70)，并结束该过程。
当第一温度T1低于第一阈值温度TA2时(S32：是)，控制装置60使用二次电池40的电力来驱动辅助部件，以开始燃料电池20的发电，并且控制装置60开始燃料电池20的预热操作(步骤S50)。第一阈值温度TA2可以是与第一实施例中的第一阈值温度TA1相同的温度，或者可以是与第一阈值温度TA1不同的温度。例如，考虑到低温环境下的辅助部件的可启动性，可以将第一阈值温度TA2设定成低于第一阈值温度TA1的温度。通过将扫气过程的开始条件限制为较低温度，能够抑制不必要的预热操作和扫气过程的执行。从在步骤S50中执行燃料电池20的预热操作的观点来看，第一阈值温度TA2可以被设定成与上述第二阈值温度TB相同的温度。在执行预热操作之后，控制装置60使用由燃料电池20产生的电力来驱动辅助部件以执行扫气过程(步骤S60)。当满足扫气过程的完成条件时，控制装置60结束扫气过程并停止燃料电池系统100(步骤S70)，以完成该过程。
在本实施例的燃料电池系统100中，当第一温度T1低于第一阈值温度TA2时，控制装置60执行燃料电池20的预热操作，然后执行扫气过程。通过利用由燃料电池20的预热操作产生的热来升高辅助部件的温度，能够提高辅助部件的扫气性能并提高燃料电池系统100的可启动性。由于控制装置60不使用燃料电池20的温度作为第二温度T2来确定扫气过程的开始条件，所以可以简化过程流程。
C.第三实施例
图4是示出由根据第三实施例的燃料电池系统100中所包括的控制装置60执行的操作停止时间段扫气过程的流程图。第三实施例的操作停止时间段扫气过程与第一实施例的不同在于，提供了步骤S22代替步骤S20，提供了步骤S64代替步骤S60，并且未提供步骤S30至S42以及步骤S50和S60。第三实施例的操作停止时间段扫气过程的其它配置与第一实施例的那些配置相同。在本实施例中，当执行扫气过程时，控制装置60获取二次电池40的SOC，并根据二次电池40的SOC来确定是否使燃料电池20发电。
与第一实施例类似，控制装置60执行步骤S10，然后获取二次电池40的SOC，并将该SOC与预定的阈值进行比较(步骤S22)。可以使用使得在步骤S64中驱动辅助部件执行扫气过程足够的时间段的二次电池40中所储存的电量来设定阈值，并且阈值可以被设定成任何值，例如10％至90％。当SOC等于或高于阈值时(S22：是)，控制装置60省略燃料电池20的发电，并且使用二次电池40的电力来驱动每一个辅助部件以执行扫气过程(步骤S64)。当SOC小于阈值时(S22：否)，控制装置60开始燃料电池20的发电并且开始燃料电池20的正常操作(步骤S52)。控制装置60使用由燃料电池20产生的电力来驱动辅助部件以执行扫气过程(步骤S64)。例如，当满足扫气过程的完成条件(诸如，扫气持续了预定时间段)时，控制装置60结束扫气过程并停止燃料电池系统100(步骤S70)，以完成该过程。
在本实施例的燃料电池系统100中，控制装置60获取二次电池40的SOC。当SOC足够时，控制装置60省略燃料电池20的发电，并且使用二次电池40的电力来驱动辅助部件以执行扫气过程。当即使在停止时间段期间也能够使用二次电池40的电力执行扫气过程足够的时间段时，通过省略燃料电池20的发电，可以抑制由于扫气过程而导致的燃料气体消耗。
D.其它实施例
(D1)在上述实施例中，第一温度T1和第二温度T2被控制装置60用来确定扫气过程的开始条件。相比之下，控制装置60可以在不使用第一温度T1或第二温度T2的情况下来确定是否满足扫气过程的开始条件。满足扫气过程的开始条件的情况的示例包括：燃料电池20的水含量超过预定阈值的情况：检测到由于所产生的水而阻断气体流路的情况；以及检测到通过用户的开关操作等而发出并命令扫气过程的命令信号的情况。
(D2)在第二实施例中，当控制装置60确定第一温度T1等于或高于第一阈值温度TA2时，控制装置60开始燃料电池20的预热操作(步骤S50)。相比之下，例如，当在低温环境下辅助部件的可启动性足够高时，可以省略步骤S50，或者可以代替步骤S50地执行燃料电池20的正常操作。
(D3)在上述实施例中，由软件实现的部分或全部功能和过程可以由硬件实现。另外，由硬件实现的部分或全部功能和过程可以由软件实现。诸如集成电路、分立电路以及作为那些电路的组合的电路模块的各种电路可以被用作硬件。
本公开不限于上述实施例，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下通过各种配置来实现。例如，可以适当地替换或组合与本发明的发明内容部分中所描述的每一种模式中的技术特征相对应的实施例的技术特征，以解决一些或全部上述问题，或者实现一些或全部上述效果。当在本说明书中未将技术特征描述为必不可少时，可以适当删除该技术特征。

Claims (3)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，所述燃料电池被供应反应气体以发电；
多个辅助部件，所述多个辅助部件被用于所述燃料电池的发电；以及
控制装置，在电力未从所述燃料电池系统供应给负载的停止时间段期间，当满足预定的扫气开始条件时，所述控制装置使所述燃料电池发电，并且所述控制装置使用由所述燃料电池产生的电力来控制所述辅助部件，以执行使用所述反应气体来去除所述反应气体的流路中的水的扫气过程，
所述燃料电池系统进一步包括第一温度传感器，所述第一温度传感器获取第一温度，所述第一温度是所述辅助部件中的至少一个辅助部件的温度，
其中，在所述停止时间段期间，所述控制装置获取所述第一温度，并且
当获取到的第一温度低于预定的第一阈值温度时，所述控制装置使所述燃料电池发电，以执行所述扫气过程，
所述燃料电池系统进一步包括第二温度传感器，所述第二温度传感器获取第二温度，所述第二温度是所述燃料电池的温度，
其中，在所述第一温度低于所述第一阈值温度的情况下，
当所述第二温度低于预定的第二阈值温度时，在所述扫气过程之前，所述控制装置利用所述燃料电池的发电来执行所述燃料电池的预热操作，并且
当所述第二温度等于或高于所述第二阈值温度时，所述控制装置使所述燃料电池发电，以在不执行所述预热操作的情况下执行所述扫气过程，并且
其中，所述第二阈值温度被设定成比所述第一阈值温度低的温度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一温度是所述辅助部件中的在所述停止时间段期间表现出比所述燃料电池的温度低的温度的辅助部件的温度。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中：
所述辅助部件包括气液分离器和循环泵中的至少一个，其中，所述气液分离器用于分离由所述燃料电池消耗的所述反应气体中所含的液态水，并且所述循环泵用于使所述反应气体循环到所述燃料电池；并且
所述第一温度是所述气液分离器或所述循环泵的温度。
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