專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和用于該系統(tǒng)的排水控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)和用于該系統(tǒng)的排水控制方法。
背景技術(shù)：
迄今， 一種燃料電池系統(tǒng)已被提出并且投入實(shí)際使用，該燃料電 池系統(tǒng)包括接收反應(yīng)氣體(燃料氣體和氧化氣體)供應(yīng)以進(jìn)行發(fā)電的燃 料電池。在這種燃料電池系統(tǒng)的燃料電池，以及燃料廢氣循環(huán)通道中， 隨著時間的逝去，在發(fā)電期間產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體例如氮?dú)饣蛘咭谎趸?以及水分得以積聚。為了從該系統(tǒng)排出這種氣體和水分，提出一種技 術(shù)(清洗技術(shù))，其中循環(huán)通道(或者連接到該循環(huán)通道的排出通道)設(shè)有 排氣閥和排水閥，并且這些排氣閥和排水閥被控制以打開和關(guān)閉，由 此在每一預(yù)定時間之后所積聚的氣體和水分被排出。
而且，目前，提出一種技術(shù)，其中在低溫環(huán)境中用于執(zhí)行排氣/排 水的清洗閥被控制以打開和關(guān)閉，由此燃料電池系統(tǒng)的低溫起動性能 得以改進(jìn)。例如，提出一種技術(shù)，其中在低溫環(huán)境中，點(diǎn)火開關(guān)被打 開，然后清洗闊被打開一次以執(zhí)行清洗處理。在這之后，在溫度升高 過程中，禁止清洗處理直至燃料電池變得溫?zé)幔纱私褂捎诠?yīng)新 的氫氣而使得燃料電池的溫度下降(見日本專利申請公開
No. 2004-178901)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在采用日本專利申請公開No. 2004-178901披露的技術(shù)的 情形中，點(diǎn)火開關(guān)被打開，然后執(zhí)行一次清洗，從而水分流入其溫度 在低溫環(huán)境中降低的清洗閥中，并且已經(jīng)流入該閥中的水分可能結(jié)冰。 在已經(jīng)流入該清洗閥中的水分以此方式結(jié)冰的情形中，清洗閥可能關(guān)
閉并且變得難以執(zhí)行隨后的清洗處理。
鑒于這種狀況作出本發(fā)明，并且它的一個目的在于在設(shè)有排水閥 的燃料電池系統(tǒng)中阻止排水閥在低溫環(huán)境下結(jié)冰。
為了實(shí)現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池； 從該燃料電池排出的水分通過其流動的排水通道；和從該系統(tǒng)排出該 排水通道中的水分的排水閥，該燃料電池系統(tǒng)還包括排水控制裝置， 用于控制排水閥從而當(dāng)在外部空氣溫度低于預(yù)定閾值的環(huán)境中請求起 動系統(tǒng)的情形中，從當(dāng)請求起動系統(tǒng)的時刻到當(dāng)系統(tǒng)的溫度達(dá)到預(yù)定 溫度的時刻的期間禁止從排水閥的排水。
而且，根據(jù)本發(fā)明的排水控制方法是一種燃料電池系統(tǒng)的排水控 制方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池；從該燃料電池排出的水 分通過其流動的排水通道；和從該系統(tǒng)排出該排水通道中的水分的排 水閥，所述排水控制方法包括第一步驟，判斷是否已經(jīng)請求起動系 統(tǒng)；第二步驟，判斷外部空氣溫度是否低于預(yù)定閾值；和第三步驟， 在于第一步驟中判斷出已經(jīng)請求起動系統(tǒng)并且于第二步驟中判斷出外 部空氣溫度低于預(yù)定閾值的情形中，從當(dāng)請求起動系統(tǒng)的時刻到當(dāng)系 統(tǒng)溫度達(dá)到預(yù)定溫度的時刻的期間禁止從排水閥的排水。
在采用這種構(gòu)造和方法的情形中，從當(dāng)在外部空氣溫度低于預(yù)定 閾值的環(huán)境(例如，低于冰點(diǎn)的低溫環(huán)境)中請求起動系統(tǒng)的時刻到當(dāng)系 統(tǒng)溫度達(dá)到預(yù)定溫度的時刻的期間禁止排出通道中的水分流入排水閥 中。因此，即使在低溫環(huán)境中，能夠禁止排水閥的凍結(jié)(以及排水閥由 于凍結(jié)而關(guān)閉)。這里，"請求起動系統(tǒng)"指的是用于起動具有運(yùn)行停止 狀態(tài)的燃料電池系統(tǒng)的信息(例如，點(diǎn)火開關(guān)的開信號)。而且，"系統(tǒng) 溫度"指的是整體燃料電池系統(tǒng)的平均溫度或者該燃料電池系統(tǒng)中的 特殊構(gòu)造的溫度(例如，排水通道中的溫度)。
在該燃料電池系統(tǒng)中，能夠采用排水控制裝置，所述排水控制裝 置控制所述排水閥從而當(dāng)在排水閥中接收到的水的熱量超過預(yù)定熱量 的情形中允許從排水閥排水。而且，作為"預(yù)定熱量"可以采用超過 零度的熱量(在其中外部空氣溫度為零攝氏度或者更低的環(huán)境中使得排 水閥和排水通道超過零攝氏度所要求的熱量)。
在采用這種構(gòu)造的情形中，即使當(dāng)水被接收于排水閥中時，所接 收水的熱量也超過預(yù)定熱量，然后能夠允許從排水閥排水。因此，有 可能解決水在排水閥或者排水通道中結(jié)冰和停止排水的問題(例如，在 采用同時地執(zhí)行排氣和排水的排氣排水閥的情形中，對于發(fā)電不做貢 獻(xiàn)的任何物質(zhì)，例如氮未從排水通道等排出)。
而且，在該燃料電池系統(tǒng)中，能夠采用執(zhí)行排水和排氣的排氣/排 水閥作為排水閥。在這種情形中，該系統(tǒng)能夠設(shè)有燃料供應(yīng)控制裝置， 用于當(dāng)通過排水控制裝置禁止從排氣排水閥排水時，將被供應(yīng)到和/或 循環(huán)通過燃料電池的燃料氣體量設(shè)定為大于預(yù)定量的量。
在釆用這種構(gòu)造的情形中，當(dāng)禁止從排氣排水閥排氣或者排水時， 將被供應(yīng)到和/或循環(huán)通過燃料電池的燃料氣體量能夠被設(shè)定為大于預(yù) 定量的量(例如，當(dāng)排氣或者排水未被禁止時，在正常起動期間被供應(yīng) 和/或循環(huán)的燃料氣體量)。因此，能夠防止由于禁止排氣和排水而使得 將被供應(yīng)到燃料電池的燃料濃度降低。
而且，該燃料電池系統(tǒng)還可包括供應(yīng)通道，所述供應(yīng)通道將從 燃料供應(yīng)源供應(yīng)的燃料氣體供應(yīng)到所述燃料電池；和可變氣體供應(yīng)器 件，所述可變氣體供應(yīng)器件調(diào)節(jié)供應(yīng)通道上游側(cè)上的氣體狀態(tài)以將所 述氣體供應(yīng)到下游側(cè)。在這種情形中，能夠采用燃料供應(yīng)控制裝置， 用于控制所述可變氣體供應(yīng)器件，從而當(dāng)通過排水控制裝置禁止從排 水閥排水時，將供應(yīng)到燃料電池的燃料氣體量設(shè)定為大于預(yù)定供應(yīng)量 的量。
在采用這種構(gòu)造的情形中，當(dāng)禁止從排氣排水閥排氣或者排水時， 能夠控制所述可變氣體供應(yīng)器件從而將供應(yīng)到燃料電池的燃料氣體量 設(shè)定為大于預(yù)定供應(yīng)量的量(例如，當(dāng)排氣或者排水未被禁止時，在正 常起動期間的供應(yīng)量)。應(yīng)該指出"氣體狀態(tài)"是由流量、壓力、溫度、 分子濃度等代表的氣體狀態(tài)，并且特別地包括氣體流量和氣體壓力中 的至少一個。作為可變氣體供應(yīng)器件，例如，可以采用噴射器。
而且，該燃料電池系統(tǒng)還可包括供應(yīng)通道，所述供應(yīng)通道向燃料 電池供應(yīng)從燃料供應(yīng)源供應(yīng)的燃料氣體；循環(huán)通道，所述循環(huán)通道相 應(yīng)于排水通道并且所述循環(huán)通道通過供應(yīng)通道循環(huán)從燃料電池排出的 燃料廢氣；和循環(huán)泵，所述循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)所述循環(huán)通道中的氣體通 過供應(yīng)通道。在這種情形中，可以采用燃料供應(yīng)控制裝置，用于當(dāng)通 過排水控制裝置禁止從排氣排水閥排水時，將被循環(huán)通過燃料電池的 燃料氣體的量設(shè)定為大于預(yù)定循環(huán)量的量。
根據(jù)這種構(gòu)造，當(dāng)禁止從排氣排水閥的排氣或者排水時，能夠控 制循環(huán)泵以將被循環(huán)通過燃料電池的燃料氣體的量設(shè)定為大于預(yù)定循 環(huán)量的量(例如，當(dāng)排氣或者排水未被禁止時，在正常起動期間的循環(huán) 量)。
根據(jù)本發(fā)明，在設(shè)有排水閥的燃料電池系統(tǒng)中，有可能禁止在低 于冰點(diǎn)的低溫環(huán)境中排水閥或者排水通道的凍結(jié)等。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造圖表； 圖2是示出圖1所示燃料電池系統(tǒng)中的控制部分的控制體系的控 制框圖3是示出在圖1所示燃料電池系統(tǒng)的起動期間清洗控制方法(根 據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的排水控制方法)的流程圖；和
圖4是示出圖1所示燃料電池系統(tǒng)的一種改進(jìn)的構(gòu)造圖表。
具體實(shí)施例方式
參考附圖在下文中描述在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的燃料電池系統(tǒng) 1。在本實(shí)施例中，將描述其中本發(fā)明被應(yīng)用于燃料電池車輛的車載發(fā) 電系統(tǒng)的實(shí)例。
首先，參考圖1描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1的構(gòu)造。 如圖1所示，根據(jù)本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1包括:,燃料電池2，所述 燃料電池接收反應(yīng)氣體(氧化氣體和燃料氣體)的供應(yīng)以發(fā)電；氧化氣體 管線系統(tǒng)3，所述氧化氣體管線系統(tǒng)向燃料電池2供應(yīng)作為氧化氣體的 空氣；燃料氣體管線系統(tǒng)4，所述燃料氣體管線系統(tǒng)向燃料電池2供應(yīng) 作為燃料氣體的氫氣；制冷劑管線系統(tǒng)5，所述制冷劑管線系統(tǒng)向燃料 電池2供應(yīng)制冷劑以冷卻燃料電池2;電力系統(tǒng)6，所述電力系統(tǒng)使系 統(tǒng)充電和放電；以及控制部分7，所述控制部分總體控制全部系統(tǒng)。
燃料電池2具有堆疊結(jié)構(gòu)，它由例如固體聚合物電解質(zhì)類型構(gòu)成 并且其中大量單體電池被層疊。燃料電池2的單體電池具有位于由離 子交換薄膜構(gòu)成的電解質(zhì)的一個表面上的空氣電極和位于另一表面上 的燃料電極，并且還具有一對分離器從而從相對側(cè)保持空氣電極和燃 料電極。燃料氣體被供應(yīng)到一個分離器的燃料氣體通道，并且氧化氣 體被供應(yīng)到另一分離器的氧化氣體通道。供應(yīng)這些氣體，由此燃料電 池2發(fā)電。在發(fā)電期間探測電流的電流傳感器2a被連結(jié)到燃料電池2。
氧化氣體管線系統(tǒng)3包括將被供應(yīng)到燃料電池2的氧化氣體通過 其流動的空氣供應(yīng)通道11，和通過從燃料電池2排出的氧化廢氣通過 其流動的氣體排出通道12?？諝夤?yīng)通道11設(shè)有經(jīng)由過濾器13引入 氧化氣體的壓縮機(jī)14,和加濕被壓縮機(jī)14在壓力下饋送的氧化氣體的 加濕器15。流動通過氣體排出通道12的氧化廢氣通過背壓調(diào)節(jié)閥16， 被用于在加濕器15中的水分交換，并且最后作為排氣被排出到系統(tǒng)外
部的大氣。利用電機(jī)(未示出)驅(qū)動壓縮機(jī)14以從大氣引入氧化氣體。
燃料氣體管線系統(tǒng)4具有氫供應(yīng)源21;從氫供應(yīng)源21供應(yīng)到燃 料電池2的氫氣通過其流動的氫供應(yīng)通道22;用于將從燃料電池2排 出的廢氫氣返回到氫供應(yīng)通道22的結(jié)合部分Al的循環(huán)通道23;將在 循環(huán)通道23中的壓力下的廢氫氣饋送到氫供應(yīng)通道22的氫泵24;和 分支并且連接到循環(huán)通道23的排氣/排水通道25。
氫供應(yīng)源21相應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的燃料供應(yīng)源，例如由高壓罐、氫 存儲合金等構(gòu)成，并且能夠被構(gòu)成為接收例如35MPa或者70Mpa的氫 氣。當(dāng)在以后描述的關(guān)閉閥26打開時，氫氣從氫供應(yīng)源21流動到氫 供應(yīng)通道22。氫氣壓力最后被如在以后描述的調(diào)節(jié)器27和噴射器28 降低到例如大約200kPa，并且該氣體被供應(yīng)到燃料電池2。應(yīng)該指出 氫供應(yīng)源21可以由重整器和高壓氣體罐構(gòu)成，該重整器從碳?xì)浠衔?基燃料形成富氫重整氣體，該高壓氣體罐將由該重整器形成的重整氣 體帶入高壓狀態(tài)以累積壓力。可替代地，具有氫存儲合金的罐可以被 采用作為燃料供應(yīng)源21。
氫供應(yīng)通道22設(shè)有關(guān)閉或者允許從氫供應(yīng)源21供應(yīng)氫氣的關(guān)閉 閥26、調(diào)節(jié)氫氣壓力的調(diào)節(jié)器27、以及噴射器28。在噴射器28的下 游側(cè)上并且在氫供應(yīng)通道22和循環(huán)通道23的結(jié)合部分Al的上游側(cè)上 提供探測氫供應(yīng)通道22中的氫氣壓力的壓力傳感器29。進(jìn)而，在噴射 器28的上游側(cè)上，提供探測氫供應(yīng)通道22中的氫氣的壓力和溫度的 壓力傳感器和溫度傳感器(未示出)。
調(diào)節(jié)器27是將調(diào)節(jié)器的上游壓力(初級壓力)調(diào)節(jié)為預(yù)設(shè)次級壓力 的器件。在本實(shí)施例中，降低初級壓力的機(jī)械降壓閥被釆用作為調(diào)節(jié) 器27。作為機(jī)械降壓閥的構(gòu)造，可以采用一種已知構(gòu)造，它具有設(shè)有 經(jīng)由隔膜形成的背壓腔室和壓力調(diào)節(jié)腔室的外罩，并且其中初級壓力 由于背壓腔室的背壓而降低為預(yù)定壓力以在壓力調(diào)節(jié)腔室中形成次級
壓力。在本實(shí)施例中，如圖1所示，兩個調(diào)節(jié)器27被布置在噴射器28 的上游側(cè)上，由此噴射器28的上游壓力能夠被有效降低。因此，噴射 器28的機(jī)械結(jié)構(gòu)(閥體、外罩、通道、驅(qū)動器件等)的設(shè)計(jì)自由度能夠 被提高。而且，噴射器28的上游壓力能夠被降低，從而能夠防止由于 在噴射器28的上游壓力和其下游壓力之間的壓力差的增加而使得噴射 器28的閥體不易移動。因此，噴射器28下游壓力的可變壓力調(diào)節(jié)寬 度能夠被擴(kuò)大，并且能夠禁止噴射器28的響應(yīng)性能的降低。調(diào)節(jié)器27 調(diào)節(jié)氫供應(yīng)通道22的上游側(cè)上的氣體狀態(tài)(氣體壓力)以將該氣體供應(yīng) 到下游側(cè)，并且相應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的可變氣體供應(yīng)器件。
噴射器28是電磁驅(qū)動類型打開/關(guān)閉閥，其中在預(yù)定驅(qū)動周期中 閥體利用電磁驅(qū)動作用力被直接驅(qū)動并且離開閥座，由此氣體流量或 者氣體壓力能夠被調(diào)節(jié)。噴射器28包括具有噴射氣體燃料例如氫氣的 噴射孔的閥座，并且還包括向噴射孔供應(yīng)并且引導(dǎo)氣體燃料的噴嘴本 體，以及相對于該噴嘴本體沿著軸向方向(氣體流動方向)被可移動地接 收和保持以打開和關(guān)閉噴射孔的閥體。在本實(shí)施例中，通過螺線管驅(qū) 動噴射器28的閥體，該螺線管是電磁驅(qū)動器件，并且供應(yīng)到該螺線管 的脈沖狀激勵電流能夠被接通或者斷開以在兩個階段或者多個階段中 切換噴射孔的開口面積?；趶目刂撇糠?輸出的控制信號控制噴射 器28的氣體噴射時間和氣體噴射定時，由此氫氣的流量和壓力被精確 控制。在噴射器28中，利用電磁驅(qū)動作用力直接驅(qū)動閥(閥體和閥座) 以打開或者關(guān)閉，并且閥的驅(qū)動周期能夠被控制為高度響應(yīng)區(qū)域，從 而噴射器具有高度響應(yīng)特性。
在噴射器28中，為了以所需流量將氣體供應(yīng)到噴射器的下游側(cè)， 在噴射器28的氣體通道中設(shè)置的閥體的開口面積(開口程度)和開口時 間中的至少一個被改變，由此調(diào)節(jié)被供應(yīng)到下游側(cè)(燃料電池2側(cè))的氣 體的流量(或者氫分子濃度)。應(yīng)該指出噴射器28的閥體被打開或者關(guān) 閉以調(diào)節(jié)氣體流量，并且被供應(yīng)到噴射器28下游側(cè)的氣體壓力與噴射 器28上游側(cè)上的氣體壓力相比被降低，從而噴射器28能夠被視為調(diào)
壓閥(降壓閥、調(diào)節(jié)器)。而且，在本實(shí)施例中，噴射器能夠被視為可變 調(diào)壓閥，它能夠改變噴射器28的上游氣體壓力的調(diào)節(jié)量(降低量)從而
該壓力滿足基于氣體需求的預(yù)定壓力范圍中的所需壓力。噴射器28調(diào) 節(jié)氫供應(yīng)通道22的上游側(cè)上的氣體狀態(tài)(氣體流量、氫分子濃度或者氣 體壓力)以將該氣體供應(yīng)到下游側(cè)，并且相應(yīng)于根據(jù)本發(fā)明的可變氣體 供應(yīng)器件。
應(yīng)該指出在本實(shí)施例中，如圖1所示，噴射器28被布置在氫供應(yīng) 通道22和循環(huán)通道23的結(jié)合部分Al的i:游側(cè)上。而且，如由圖1中 虛線所示，在多個氫供應(yīng)源21被采用作為燃料供應(yīng)源的情形中，噴射 器28被布置在其中從氫供應(yīng)源21供應(yīng)的氫氣被結(jié)合的部分(氫氣結(jié)合 部分A2)的下游側(cè)上。
循環(huán)通道23經(jīng)由氣體-液體分離器30和排氣排水閥31被連接到 排氣/排水通道25。氣體-液體分離器30從廢氫氣收集水分。排氣排水 閥31根據(jù)來自控制部分7的命令進(jìn)行操作以從該系統(tǒng)排出(清洗)由氣 體-液體分離器30收集的水分和循環(huán)通道23中的包括雜質(zhì)的廢氫氣(燃 料廢氣)。排氣排水閥31被打開，由此循環(huán)通道23中的廢氫氣中的雜 質(zhì)濃度降低，并且將被循環(huán)和供應(yīng)的廢氫氣中的氫濃度升高。氣體-液 體分離器30設(shè)有探測接收于其中的水分的溫度的水溫度傳感器(未示 出)，并且排氣/排水通道25設(shè)有探測通道中的溫度的溫度傳感器32。 由水溫度傳感器和溫度傳感器32探測的溫度信息被用于在以后描述的 起動期間的清洗控制。循環(huán)通道23和排氣/排水通道25相應(yīng)于根據(jù)本 發(fā)明的排水通道的一個實(shí)施例。
經(jīng)由排氣排水閥31和排氣/排水通道25排出的廢氫氣被稀釋器(未 示出)稀釋以加入氣體排出通道12中的氧化廢氣。氫泵24被電機(jī)(未示 出)驅(qū)動以循環(huán)并且向燃料電池2供應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)中的氫氣，并且用作本 發(fā)明中的循環(huán)泵的一個實(shí)施例。氫氣循環(huán)系統(tǒng)由氫供應(yīng)通道22的結(jié)合 部分Al的下游側(cè)上的通道、在燃料電池2的分離器中形成的燃料氣體
通道、和循環(huán)通道23構(gòu)成。
制冷劑管線系統(tǒng)5具有與燃料電池2中的冷卻通道連通的制冷劑 通道41、設(shè)于制冷劑通道41中的冷卻泵42、和冷卻從燃料電池2排 出的制冷劑的散熱器43。冷卻泵42被電機(jī)(未示出)驅(qū)動以循環(huán)并且向 燃料電池2供應(yīng)制冷劑通道41中的制冷劑。
電力系統(tǒng)6包括高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器61、蓄電池62、牽引逆變器 63、牽引電機(jī)64、任何類型的輔助逆變器(未示出)等。高壓DC/DC轉(zhuǎn) 換器61是直流電壓轉(zhuǎn)換器，并且具有調(diào)節(jié)從蓄電池62輸入的直流電 壓以將該電壓輸出到牽引逆變器63側(cè)的功能、以及調(diào)節(jié)從燃料電池2 或者牽引電機(jī)64輸入的直流電壓以將該電壓輸出到蓄電池62的功能。 通過高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器61的這些功能實(shí)現(xiàn)蓄電池62的充電/放電。而 且，利用高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器61控制燃料電池2的輸出電壓。
蓄電池62通過層疊蓄電池單體電池構(gòu)成，具有預(yù)定高電壓作為端 電壓，并且能夠被蓄電池計(jì)算機(jī)(未示出)控制以充注剩余電力或者輔助 性供電。牽引逆變器63將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟娨詫⒃撾娏鞴?yīng)到 牽引電機(jī)64。牽引電機(jī)64例如為三相交流電機(jī)，并且構(gòu)成其上安裝燃 料電池系統(tǒng)1的車輛的主動力源。輔助逆變器是控制每一個電機(jī)的驅(qū) 動的電機(jī)控制部分，并且將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟娨詫⒃撾娏鞴?yīng) 到每一個電機(jī)。輔助逆變器例如為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的PWM逆變器， 并且根據(jù)控制部分7的控制指令將從燃料電池2或者蓄電池62輸出的 直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟妷阂钥刂圃诿恳粋€電機(jī)中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
控制部分7探測設(shè)于車輛中的加速操作部件(加速器等)的操作量， 并且接收控制信息例如所請求的加速值(例如，載荷器件例如牽引電機(jī) 64的請求發(fā)電量)以控制系統(tǒng)中的各種單元的操作。應(yīng)該指出載荷器件 是普通耗電器件，除了牽引電機(jī)64，包括用于操作燃料電池2所要求 的輔助器件(例如，壓縮機(jī)14、氫泵24、冷卻泵42的電機(jī)等)、用于與
車輛運(yùn)行相關(guān)的任何類型的器件(變速齒輪、車輪控制部分、轉(zhuǎn)向器件、 懸掛器件等)中的致動器、乘客空間的空氣調(diào)節(jié)器件(空調(diào)器)、照明、 音響等。
控制部分7由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(未示出)構(gòu)成。這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括
CPU、 ROM、 RAM、 HDD、輸入/輸出接口、顯示器等，并且CPU讀 出在ROM中記錄的任何類型的控制程序以執(zhí)行所需計(jì)算，由此執(zhí)行在 以后描述的各種處理和控制例如清洗控制。
特別地，如圖2所示，控制部分7基于由電流傳感器2a探測到的 在燃料電池2發(fā)電期間的電流值計(jì)算由燃料電池2消耗的氫氣的流量 (在下文中稱為"氫消耗")(燃料消耗計(jì)算功能Bl)。在本實(shí)施例中， 通過使用示意在發(fā)電期間的電流值和氫消耗之間的關(guān)系的特殊計(jì)算公 式對于控制部分7的每一個計(jì)算周期計(jì)算和更新氫消耗。
而且，控制部分7基于在燃料電池2發(fā)電期間的電流值計(jì)算在噴 射器28下游位置中將被供應(yīng)到燃料電池2的氫氣的目標(biāo)壓力值(目標(biāo)壓 力值計(jì)算功能B2)，并且所述部分計(jì)算目標(biāo)清洗量(從排氣排水閥31 的廢氫氣的目標(biāo)排出量)(目標(biāo)清洗量計(jì)算功能B3)。在本實(shí)施例中， 通過使用示意在發(fā)電期間電流值和目標(biāo)壓力值以及目標(biāo)清洗量之間的 關(guān)系的特殊映射對于控制部分7的每一個計(jì)算周期計(jì)算目標(biāo)壓力值和 目標(biāo)清洗量。
進(jìn)而，控制部分7計(jì)算在所計(jì)算的目標(biāo)壓力值和由壓力傳感器29 探測的噴射器28下游位置的壓力值(所探測壓力值)之間的偏差(壓力偏 差計(jì)算功能B4)。然后，控制部分7計(jì)算將被加入氫消耗以減小計(jì)算 偏差的氫氣流量(反饋校正流量)(校正流量計(jì)算功能B5)。在本實(shí)施例 中，使用PI控制的目標(biāo)跟隨型控制等計(jì)算反饋校正流量。控制部分7 還將氫消耗和反饋校正流量相加以計(jì)算噴射器28的噴射流量(噴射流 量計(jì)算功能B6)。然后，控制部分7基于所計(jì)算噴射流量和驅(qū)動周期
計(jì)算噴射器28的噴射時間，并且輸出用于實(shí)現(xiàn)該噴射時間的控制信號， 由此噴射器28的氣體噴射時間和氣體噴射定時被控制以調(diào)節(jié)將被供應(yīng) 到燃料電池2的氫氣的流量和壓力。
另外，控制部分7執(zhí)行噴射器28的反饋控制(控制噴射器28的氣 體噴射時間和氣體噴射定時從而在噴射器28下游位置中的所探測壓力 值遵循預(yù)定目標(biāo)壓力值)，并且該部分還執(zhí)行排氣排水閥31的打開/關(guān) 閉控制，由此從系統(tǒng)經(jīng)由排氣排水閥31排出在循環(huán)通道23中的水分 和廢氫氣。在此情形中，控制部分7基于噴射器28的氣體供應(yīng)狀態(tài)的 改變計(jì)算排氣排水閥31的廢氫氣的總排出量(清洗量)(清洗量計(jì)算功 能B7)，以判斷所計(jì)算清洗量是否為預(yù)定目標(biāo)清洗量或者更大(清洗量 偏差判斷功能B8)。然后，在所計(jì)算清洗量Q是目標(biāo)清洗量Q?；蛘?更大的的情形中，控制部分7打開排氣排水閥31(清洗控制功能B9)。
這里，將詳細(xì)描述控制部分7的清洗量計(jì)算功能B7。在排氣排水 閥31被打開以在其中由于噴射器28的反饋控制在噴射器28下游位置 中的壓力傳感器29的所探測壓力值跟蹤目標(biāo)壓力值的狀態(tài)中從循環(huán)通 道23排出廢氫氣的情形中，所探測壓力值暫時降低。控制部分7計(jì)算 由于排出(清洗)廢氫氣而引起的這種壓力降低，并且基于這個所計(jì)算的 壓力降低計(jì)算相應(yīng)于該壓力降低的廢氫氣的排出量(相應(yīng)于壓力變化的 流量)(壓力變化相應(yīng)流量計(jì)算功能B7a)。在本實(shí)施例中，使用示意在 由于清洗而引起的壓力降低和相應(yīng)于該壓力降低的氫氣排出量之間的 關(guān)系的特殊計(jì)算公式計(jì)算壓力變化相應(yīng)流量Qi。而且，控制部分7計(jì) 算用于補(bǔ)償由于排出(清洗)廢氫氣而引起的壓力降低的反饋校正流量 (氣體校正供應(yīng)流量)(校正流量計(jì)算功能B5)，以計(jì)算從清洗被啟動時 起該反饋校正流量隨著時間逝去的積分值Q2(校正流量積分功能 B7b)。然后，控制部分7將壓力變化相應(yīng)流量Qt和從清洗啟動時起反 饋校正流量隨著時間逝去的積分值Q2相加，以計(jì)算從排氣排水閥31 的廢氫氣的總排出量(清洗量Q)(清洗量計(jì)算功能B7)。
而且，將詳細(xì)描述控制部分7的清洗控制功能B9?？刂撇糠?探 測燃料電池車輛點(diǎn)火開關(guān)的開信號(系統(tǒng)起動的請求)，并且通過使用外 部空氣溫度傳感器(未示出)探測外部空氣溫度。然后，控制部分7控制 排氣排水閥31，從而在外部空氣溫度低于預(yù)定閾值(例如，零攝氏度) 的環(huán)境中探測到點(diǎn)火開關(guān)的開信號的情形中，從當(dāng)探測到該開信號時 起到當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到預(yù)定溫度時止，禁止從排氣排水閥31的排水。艮P， 控制部分7用作本發(fā)明中的排出控制裝置。這里，"系統(tǒng)溫度"指的是 整體系統(tǒng)的平均溫度或者系統(tǒng)中的特殊構(gòu)造的溫度。在本實(shí)施例中， 禁止從排氣排水閥31的排水直至經(jīng)由溫度傳感器32探測到的溫度(排 氣/排水通道25中的溫度)達(dá)到預(yù)定溫度。能夠根據(jù)整體系統(tǒng)的大小或 者規(guī)格、外部空氣溫度等適當(dāng)設(shè)定在允許排水的情形中作為標(biāo)準(zhǔn)的"預(yù) 定溫度"。
進(jìn)而，在接收于氣體-液體分離器30中的水(在接收于排氣排水閥
31中的水)的熱量超過預(yù)定熱量的情形中，控制部分7控制排氣排水閥
31從而允許從排氣排水閥31的排水(即使當(dāng)排氣/排水通道25中的溫度
低于預(yù)定溫度時)。在本實(shí)施例中，基于經(jīng)由水溫度傳感器探測到的所
接收水的溫度和利用燃料電池2發(fā)電期間的電流值估計(jì)的所接收水量
計(jì)算所接收水的熱量。能夠根據(jù)整體系統(tǒng)的大小或者規(guī)格、排氣/排水
通道25的截面面積或者通道長度等適當(dāng)設(shè)定在允許排水的情形中作為
標(biāo)準(zhǔn)的"預(yù)定熱量"。在本實(shí)施例中，基于經(jīng)由溫度傳感器32探測到
的排氣/排水通道25中的溫度和排氣/排水通道25的熱容計(jì)算的超過零
攝氏度的熱量(在外部空氣溫度為零攝氏度的環(huán)境中使得排氣排水閥
31和排氣/排水通道25超過零攝氏度所需的熱量)被采用作為"預(yù)定熱 _& "
里 o
而且，當(dāng)禁止從排氣排水閥31的排水時，控制部分7控制噴射器 28從而將供應(yīng)到燃料電池2的氫氣量設(shè)為大于預(yù)定供應(yīng)量的量，并且 所述部分控制氫泵24從而將循環(huán)通過燃料電池2的氫氣量設(shè)為大于預(yù) 定循環(huán)量的量。即，控制部分7也用作本發(fā)明中的燃料供應(yīng)控制裝置。
在本實(shí)施例中，當(dāng)未禁止排氣或者排水時，作為"預(yù)定供應(yīng)(循環(huán))量" 采用在正常起動期間的供應(yīng)(循環(huán))量。
下面，將參考圖3的流程圖描述根據(jù)本實(shí)施例的在燃料電池系統(tǒng) 1起動期間的清洗控制方法(排水控制方法)。
在燃料電池系統(tǒng)1正常運(yùn)行期間，氫氣經(jīng)由氫供應(yīng)通道31被從氫
罐30供應(yīng)到燃料電池10的燃料電極，并且被加濕和調(diào)節(jié)的空氣經(jīng)由 空氣供應(yīng)通道21被供應(yīng)到燃料電池10的氧化電極以進(jìn)行發(fā)電。在此 情形中，由控制器件4計(jì)算將從燃料電池IO獲取的電力(請求電力)， 并且根據(jù)燃料電池發(fā)出的電量將一定量的氫氣和空氣供應(yīng)到燃料電池 10中。在本實(shí)施例中，在執(zhí)行這種正常運(yùn)行之前在系統(tǒng)起動期間執(zhí)行 清洗控制。應(yīng)該指出，在燃料電池系統(tǒng)1的起動之前，排氣排水閥31 被關(guān)閉。
首先，燃料電池系統(tǒng)1的控制部分7判斷在運(yùn)行停止?fàn)顟B(tài)中是否 存在點(diǎn)火開關(guān)的開信號(系統(tǒng)的起動請求)(起動請求判斷步驟Sl)。隨 后，在探測到點(diǎn)火開關(guān)的開信號的情形中，控制部分7通過使用外部 空氣溫度傳感器探測外部空氣溫度，以判斷外部空氣溫度是否低于預(yù) 定閾值(例如零攝氏度)(外部空氣溫度判斷步驟S2)。
隨后，在外部空氣溫度判斷步驟S2中判斷出外部空氣溫度為預(yù)定 閾值或者更高的情形中，控制部分7切換到打開排氣排水閥31的步驟 (以后描述的清洗閥打開步驟S6)。在另一方面，在外部空氣溫度判斷 步驟S2中判斷出外部空氣溫度低于預(yù)定閾值的情形中，控制部分7保 持排氣排水閥31的關(guān)閉狀態(tài)，并且控制噴射器28和氫泵24從而將被 供應(yīng)到并且循環(huán)通過燃料電池2的氫氣量被設(shè)為大于預(yù)定量的量(關(guān)閉 的清洗閥保持步驟S3)。
在關(guān)閉的清洗閥保持步驟S3之后，控制部分7判斷經(jīng)由溫度傳感
器32探測到的排氣/排水通道25中的溫度是否達(dá)到預(yù)定溫度(系統(tǒng)溫度 判斷步驟S4)。在獲得肯定判斷結(jié)果的情形中，該步驟切換到打開排 氣排水閥31的步驟(以后描述的清洗閥打開步驟S6)。在另一方面，在 系統(tǒng)溫度判斷步驟S4中獲得否定判斷結(jié)果的情形中，控制部分7判斷 在排氣排水閥31中所接收的水(在氣體-液體分離器30中接收的水)的 熱量是否超過預(yù)定熱量(所接收水的熱量判斷步驟S5)。
隨后，當(dāng)在所接收水的熱量判斷步驟S5中獲得否定判斷結(jié)果時， 控制部分7重復(fù)執(zhí)行切換到關(guān)閉的清洗閥保持步驟S3的步驟。在另一 方面，當(dāng)獲得肯定判斷結(jié)果時，該控制部分打開排氣排水閥31(清洗閥 打開步驟S6)。通過以上的一組步驟，實(shí)現(xiàn)了在起動期間燃料電池系 統(tǒng)1的清洗。
應(yīng)該指出在本實(shí)施例中的起動請求判斷步驟Sl和外部空氣溫度 判斷步驟S2分別地相應(yīng)于本發(fā)明中的第一步驟和第二步驟，并且在本 實(shí)施例中的關(guān)閉的清洗閥保持步驟S3和系統(tǒng)溫度判斷步驟S4相應(yīng)于 本發(fā)明中的第三步驟。
在以上實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1中，從當(dāng)在外部空氣溫度低于預(yù) 定閾值的低溫環(huán)境中執(zhí)行點(diǎn)火開關(guān)的開-操作(起動系統(tǒng)的請求)時起到 當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到預(yù)定溫度時的期間，能夠禁止在循環(huán)通道23中的水分 流入排氣排水閥31中。因此，即使在低溫環(huán)境中，也能夠禁止排氣排 水閥31的凍結(jié)(以及排氣排水閥31由于凍結(jié)導(dǎo)致的關(guān)閉)。
而且，在以上實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1中，當(dāng)在氣體-液體分離器 30中接收的水的熱量超過預(yù)定熱量時，能夠允許從排氣排水閥31的排 水。因此，有可能解決以下問題，即水在排氣排水閥31中凍結(jié)以停止 排水的問題，和對于發(fā)電不做貢獻(xiàn)的任何物質(zhì)例如氮?dú)馕幢活愃频嘏?出并且因此積聚的問題。
進(jìn)而，在以上實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)1中，當(dāng)禁止從排氣排水閥
31的排氣/排水時，將被供應(yīng)到并且循環(huán)通過燃料電池2的氫氣量能夠
被設(shè)為大于預(yù)定量的量(當(dāng)排氣/排水未被禁止時在正常起動期間的供 應(yīng)量和循環(huán)量)。因此，能夠防止由于與排水同時地禁止排氣而使得將
被供應(yīng)到燃料電池2的氫濃度降低。
應(yīng)該指出在以上實(shí)施例中，己經(jīng)描述了其中燃料電池系統(tǒng)1的氫 氣管線系統(tǒng)4設(shè)有循環(huán)通道23的實(shí)例，但是如例如圖4所示，排出通 道33被連接到燃料,蟲池2，并且循環(huán)通道23可以被省去。即使當(dāng)采用 這種構(gòu)造(閉端系統(tǒng))時，在低溫環(huán)境中也執(zhí)行點(diǎn)火開關(guān)的開-操作，并 且控制部分7也保持排氣排水閥31的關(guān)閉狀態(tài)，由此能夠獲得類似于 以上實(shí)施例的那些的功能和效果。這種構(gòu)造中的排出通道33相應(yīng)于本 發(fā)明中的排水通道的一個實(shí)施例。
而且，在以上實(shí)施例中，已經(jīng)描述了其中循環(huán)通道23設(shè)有氫泵 24的實(shí)例，但是可以釆用噴射器代替氫泵24。進(jìn)而，在以上實(shí)施例中， 已經(jīng)描述了其中在循環(huán)通道23中設(shè)置用于實(shí)現(xiàn)排氣和排水的排氣排水 閥31的實(shí)例。然而，從該系統(tǒng)排出由氣體-液體分離器30收集的水分 的排水閥與用于從該系統(tǒng)排出循環(huán)通道23中的氣體的排氣閥分別地設(shè) 置，并且控制部分7可以分別地控制排水閥和排氣閥。即使在采用這 種構(gòu)造的情形中，當(dāng)在低溫環(huán)境中執(zhí)行點(diǎn)火開關(guān)的開-操作時，控制部 分7也保持排水閥的關(guān)閉狀態(tài)，由此能夠獲得類似于以上實(shí)施例的那 些的功能和效果。
進(jìn)而，在以上實(shí)施例中，己經(jīng)描述了其中當(dāng)禁止從排氣排水閥31 的排水時，控制噴射器28以增加將被供應(yīng)到燃料電池2的氫氣量的實(shí) 例。然而，能夠控制調(diào)節(jié)器27取代噴射器28(或者與噴射器28同時地 控制)以增加將被供應(yīng)到燃料電池2的氫氣的量。
而且，在以上實(shí)施例中，已經(jīng)描述了其中當(dāng)禁止從排氣排水閥31的排水時，噴射器28和氫泵24均被控制以增加將被供應(yīng)到燃料電池2 的氫氣量以及循環(huán)通過燃料電池2的氫氣量的實(shí)施。然而，可以控制 噴射器28和氫泵24中的僅僅一個以增加將被供應(yīng)到燃料電池2的氫 氣量和循環(huán)通過燃料電池2的氫氣量中的一個氫氣量。
工業(yè)實(shí)用性
如在實(shí)施例中所述，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)能夠被安裝在燃 料電池車輛上，并且該系統(tǒng)可以被安裝在除了燃料電池車輛之外的任
何類型的移動休(機(jī)器人、船、飛機(jī)等)。而且，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池 系統(tǒng)可以被應(yīng)用于用作建筑(房屋、大廈等)的發(fā)電設(shè)施的固定發(fā)電系 統(tǒng)。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池；排水通道，從該燃料電池排出的水分流動通過所述排水通道；和排水閥，所述排水閥從所述系統(tǒng)排出該排水通道中的水分，所述燃料電池系統(tǒng)還包括排水控制裝置，用于控制所述排水閥，從而在外部空氣溫度低于預(yù)定閾值的環(huán)境中請求所述系統(tǒng)的起動的情形中，在從請求所述系統(tǒng)的起動的時刻到所述系統(tǒng)的溫度達(dá)到預(yù)定溫度的時刻的期間禁止從所述排水閥排水。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述排水控制裝置控制 所述排水閥，從而在所述排水閥中接收到的水的熱量超過預(yù)定熱量的 情形中允許從所述排水閥排水。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)，其中所述預(yù)定熱量是在所述 外部空氣溫度為零攝氏度或更低的環(huán)境中使所述排水閥和所述排水通 道超過零攝氏度所需要的熱量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)的燃料電池系統(tǒng)，其中所述排水 閥是進(jìn)行排水和排氣的排氣排水閥，所述燃料電池系統(tǒng)還包括燃料供應(yīng)控制裝置，用于當(dāng)所述排水控制裝置禁止從所述排氣排 水閥排水時，把供應(yīng)到所述燃料電池和/或通過所述燃料電池循環(huán)的燃 料氣體的量設(shè)定為比預(yù)定量大的量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池系統(tǒng)，還包括供應(yīng)通道，所述供應(yīng)通道把從燃料供應(yīng)源供應(yīng)來的所述燃料氣體 供應(yīng)到所述燃料電池；和可變氣體供應(yīng)器件，所述可變氣體供應(yīng)器件調(diào)節(jié)所述供應(yīng)通道的 上游側(cè)上的氣體狀態(tài)以將所述氣體供應(yīng)到下游側(cè)，其中當(dāng)所述排水控制裝置禁止從所述排水閥排水時，所述燃料供 應(yīng)控制裝置控制所述可變氣體供應(yīng)器件，從而把供應(yīng)到所述燃料電池 的所述燃料氣體的量設(shè)定為比預(yù)定供應(yīng)量大的量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的燃料電池系統(tǒng)，還包括供應(yīng)通道，所述供應(yīng)通道把從燃料供應(yīng)源供應(yīng)來的所述燃料氣體供應(yīng)到所述燃料電池；循環(huán)通道，所述循環(huán)通道對應(yīng)于所述排水通道，并且所述循環(huán)通道使從所述燃料電池排出的燃料廢氣通過所述供應(yīng)通道循環(huán)；和循環(huán)泵，所述循環(huán)泵強(qiáng)制地使所述循環(huán)通道中的氣體通過所述供應(yīng)通道循環(huán)，其中當(dāng)所述排水控制裝置禁止從所述排氣排水閥排水時，所述燃料供應(yīng)控制裝置控制所述循環(huán)泵，從而把通過所述燃料電池循環(huán)的所述燃料氣體的量設(shè)定為比預(yù)定循環(huán)量大的量。
7. —種燃料電池系統(tǒng)的排水控制方法，所述燃料電池系統(tǒng)包括 燃料電池；排水通道，從該燃料電池排出的水分流動通過所述排水通道；和排水閥，所述排水閥從所述系統(tǒng)排出該排水通道中的水分，所述排水控制方法包括第一步驟，判斷是否已經(jīng)請求所述系統(tǒng)的起動； 第二步驟，判斷外部空氣溫度是否低于預(yù)定閾值；和第三步驟，在所述第一步驟中判斷出請求了所述系統(tǒng)的起動并且所述第二步驟中判斷出所述外部空氣溫度低于所述預(yù)定閾值的情形中，在從請求所述起動的時刻到所述系統(tǒng)的溫度達(dá)到預(yù)定溫度的時刻的期間禁止從所述排水閥排水。
全文摘要
披露了一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池；從該燃料電池排出的水分通過其流動的排水通道；和從該系統(tǒng)排出該排水通道中的水分的排水閥，并且該燃料電池系統(tǒng)還包括排水控制裝置，用于控制排水閥從而當(dāng)在外部空氣溫度低于預(yù)定閾值的環(huán)境中請求系統(tǒng)起動的情形中，從當(dāng)請求系統(tǒng)起動時起到當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到預(yù)定溫度時的期間禁止從排水閥的排水。
文檔編號H01M8/04GK101390240SQ20078000685
公開日2009年3月18日 申請日期2007年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日
發(fā)明者長沼良明 申請人:豐田自動車株式會社