專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及在停用時除水以改善耐凍性的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)及相關方法，更具體地說，涉及一種防止露水在供氣通道中冷凝的燃料電池系統(tǒng)及其相關方法。
背景技術：
當在低溫環(huán)境下停止燃料電池系統(tǒng)的操作時，可以想到燃料電池系統(tǒng)中的冷凝露水易于結冰，而提供重啟燃料電池系統(tǒng)的影響。
如果燃料電池系統(tǒng)在低于0℃的低溫環(huán)境中處于這種停止條件下，可以想到由于包含在空氣中的水分的影響，燃料電池系統(tǒng)的空氣流速控制系統(tǒng)易于結冰，從而導致在燃料電池系統(tǒng)重啟時需要使這種凝固冰(frozen ice)融化和解凍的情況，以使空氣流速控制系統(tǒng)可操作。
日本專利申請?zhí)卦S公開2000-12060提出一種結構，其中，由于絕熱壓縮，作為供氣源的壓縮機工作在高于允許產生高溫空氣的最高效率點的壓縮比，通過這種方法增加系統(tǒng)溫度以解凍這種凝固冰。

發(fā)明內容
但是，使用采用這種結構的燃料電池系統(tǒng)，以利用由供氣源供應的高溫空氣增加系統(tǒng)溫度，從而解凍空氣流速控制系統(tǒng)中的冰，在冰被融化之前需要花費相當長的時間，導致系統(tǒng)重啟周期增加的傾向。
此外，由于空氣流速控制系統(tǒng)的構造為在燃料電池系統(tǒng)中正常產生電能的操作停止時被保持在完全封閉的條件下，如果系統(tǒng)與粘附在其上的冰凍結在一起，難以方便地將由供氣源供應的空氣傳送至安裝在空氣流速控制系統(tǒng)下游的系統(tǒng)組成元件，傾向于進一步增加系統(tǒng)的重啟時間。
此外，雖然可以想到采用另一使用加熱器或電熱器融化冰的結構，這種結構導致燃料電池系統(tǒng)結構復雜，此外，可能需要使用來自蓄電池之類的輔助能源的能量。
本發(fā)明人通過以上述方法進行研究的基礎上完成本發(fā)明，并且目標是提供一種燃料電池系統(tǒng)及相關方法，其防止空氣流速控制系統(tǒng)等的氣流通道的結冰和粘附，以提供縮短的啟動時間。
為了獲得上述目標，按照本發(fā)明的第一方面，一種燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池體；供應空氣至燃料電池體的供氣系統(tǒng)；改變供應空氣通過的流動通道開口度(opening degree)同時控制空氣流速的空氣流速控制系統(tǒng)；和去除粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴的液滴去除結構。這里液滴去除結構可操作，從而，當在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后建立給定條件時，通過設定空氣流速控制系統(tǒng)的開口度為液滴去除開口度，以增加空氣流速，從而允許空氣以液滴去除開口度流動，以導致粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴被吹走。
也就是說，一種燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池體；供應空氣至燃料電池體的空氣供應裝置；改變供應空氣通過的流動通道開口度同時控制空氣流速的空氣流速控制裝置；和去除粘附至空氣流速控制裝置的液滴的液滴去除裝置。并且液滴去除裝置可操作，從而，當在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后建立給定條件時，通過設定空氣流速控制裝置的開口度為液滴去除開口度，以增加空氣流速，從而允許空氣以液滴去除開口度流動，以導致粘附至空氣流速控制裝置的液滴被吹走。
另一方面，提供一種去除燃料電池系統(tǒng)中液滴的方法，該燃料電池系統(tǒng)擁有燃料電池體、供應空氣至燃料電池體的空氣供應系統(tǒng)和改變供應空氣通過的流動通道開口度同時控制空氣流速的空氣流速控制系統(tǒng)。去除燃料電池系統(tǒng)中液滴的方法包括識別燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后是否建立給定條件；設定空氣流速控制系統(tǒng)的開口度使其具有液滴去除開口度以增加空氣流速；并允許空氣以液滴去除開口度流動，以導致粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴被去除。
從以下結合附圖的說明中，本發(fā)明的其它及進一步特征、優(yōu)點、和益處將變得更加明顯。


圖1是按照本發(fā)明第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)結構視圖；圖2表示按照第一實施方式的圖1所示燃料電池系統(tǒng)操作基本順序的流程圖。
圖3的圖表代表溫度T與第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)的空氣中飽和蒸汽數量Φ間的關系；圖4的圖表代表在第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)中吸濕材料的重量隨時間的改變，表示在吸濕材料被替換的計時點tc與其相應重量W1間的關系；圖5A和5B表示在第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)中，在串聯(lián)安裝空氣流速控制系統(tǒng)的情況下執(zhí)行去除液滴操作的時間圖；圖6A至6C表示在第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)中，在空氣流速控制系統(tǒng)與另一空氣流速控制系統(tǒng)并聯(lián)安裝的情況下執(zhí)行去除液滴操作的時間圖；圖7的圖表代表在第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)中，空氣流速控制系統(tǒng)的環(huán)境溫度T與液滴去除開口度被保持的時間間隔tX間的關系；圖8的圖表代表在第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)中，空氣流速控制系統(tǒng)的環(huán)境濕度MO與液滴去除開口度被保持的時間間隔tX間的關系；圖9表示在第一實施方式的燃料電池系統(tǒng)中，當定期改變液滴去除開口度時執(zhí)行操作的時間圖；和圖10為是按照本發(fā)明第二實施方式的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)結構視圖。
具體實施例方式
下文參照適當的附圖詳細說明本發(fā)明的各具體實施方式
。
(第一實施方式)首先，參照圖1至9，更詳細地說明本發(fā)明的第一實施方式。
圖1為目前提交的實施方式的燃料電池系統(tǒng)的整體結構視圖。
在圖1中，所表示的燃料電池系統(tǒng)S包括過慮空氣的空氣過濾器1，檢測通過空氣流速的氣流計2，用來壓縮并供應過濾空氣至燃料電池系統(tǒng)各部件的作為供氣源的壓縮機3，驅動壓縮機3的驅動電機4，檢測通過空氣流速的氣流計5、6、7，流量控制閥8、9、10，作為允許進給燃料的重整裝置的重整器11，燃料由未顯示的燃料供應源提供，以在存在重整催化劑的條件下重整和反應從而形成富氫態(tài)的重整氣體，作為基于由重整器11傳送的重整氣體和由壓縮機3供應的空氣產生電能輸出的發(fā)電裝置的燃料電池體12，分別作為壓力控制裝置的壓力控制閥13、14，作為燃燒裝置的燃燒器15，它允許由燃料電池體12排出的廢氣在壓縮機3供應的空氣存在的情況下被燃燒，消除由燃燒器15產生的排氣噪音水平的消音器16，和流向控制閥17、18、19、20。
這里，在圖1中，空氣過濾器1、氣流計2、壓縮機3和驅動電機4形成供氣系統(tǒng)。另外，壓縮機3起到液滴去除供氣裝置的作用，不需要單獨的其它液滴去除供氣裝置。
此外，氣流計5與流量控制閥8間的組合，氣流計6與流量控制閥9間的組合和氣流計7與流量控制閥10間的組合分別形成空氣流速控制系統(tǒng)。另外，可以想到各空氣流速控制系統(tǒng)以相互相關的關系形成整個空氣流速控制系統(tǒng)。
此外，流向控制閥19、20，吸收空氣中的水分以去除液滴的空氣干燥器21，和利用燃燒器15的廢熱加熱空氣干燥器21以允許空氣干燥器21再生的空氣干燥器干燥單元22，形成吸濕裝置。利用燃燒器15的廢熱加熱空氣干燥器21允許運行成本被降低。此外，由于這種吸濕裝置在正常工作條件下位于沒有氣流的通道中，在正常工作條件下未賦予壓力損失不利影響。
這里，使用供氣系統(tǒng)，利用氣流計2檢測由空氣過濾器1過濾的空氣流速，控制壓縮機驅動電機4以允許壓縮機3的排出量被以按照所檢測空氣流速的期望流速被調節(jié)。
此外，空氣流速控制系統(tǒng)被分別安裝在重整器11、燃料電池體12和燃燒器15的流動通道中，并且使用空氣流速控制系統(tǒng)，改變流量控制閥8、9、10的開口度，以允許根據分別利用氣流計5、6、7所檢測到的流速獲得期望的下游流速，從而分別控制供應至重整器11、燃料電池體12和燃燒器15的空氣流速。
此外，重整器11在催化劑存在的情況下，利用由未顯示的進給燃料箱傳送的諸如甲醇或汽油的烴類燃料、由未顯示的水箱傳送的水、和由壓縮機3供應的空氣執(zhí)行重整反應，從而產生H2和CO的混合氣體。并且，CO的存在導致燃料電池體12的鉑電極被損害(poison)從而降低燃料電池體12的性能，因此，重整器11裝備有導致選擇性氧化反應發(fā)生的設備，以從混合氣體中去除CO，形成富氫態(tài)的重整氣體。
此外，使用燃料電池體12，利用重整器11生產的重整氣體被供應至未顯示的燃料電極，并且由壓縮機3傳送的空氣被供應至未顯示的空氣電極，由于重整氣體中的氫和空氣中的氧之間的電化學反應，產生電能輸出。
并且，壓力控制閥13、14起到一種空氣流速控制系統(tǒng)的作用，其執(zhí)行燃料電池體12的燃料電極與空氣電極間壓力平衡控制，從而控制空氣流速。
此外，這些空氣流速控制系統(tǒng)分別與以氣流計6和流量控制閥9間的組合形成的空氣流速控制系統(tǒng)，和以氣流計7和流量控制閥10間的組合形成的空氣流速控制系統(tǒng)具有串聯(lián)連接關系。
此外，燃燒器15允許反應后從燃料電池體12排出的重整氣體與空氣在存在催化劑的條件下互相反應，以導致廢氣被轉化為蒸汽之類的物質被排出至大氣中。
此外，在正常工作條件中流向控制閥17被打開，并且同樣在此時間間隔內，流向控制閥19、20保持關閉狀態(tài)。
現在，下文說明具有上述結構的本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的操作。
圖2為目前提交的實施方式的燃料電池系統(tǒng)的操作基本順序的流程圖。此外，使用未顯示的控制器執(zhí)行這種操作。
在圖2中，首先，在步驟S1中，響應例如停止發(fā)電信號之類的輸入，開始停止發(fā)電的序列，并在隨后的步驟S2中，空氣至重整器11、燃料電池體12和燃燒器15的供應被中斷。更具體地說，在步驟S2中，為了伴隨著燃料電池系統(tǒng)中斷反應停止重整器11、燃料電池體12和燃燒器15的反應，流向控制閥17、18，空氣流速控制裝置的流量控制閥8、9、10和壓力控制閥13、14分別被關閉。
在相鄰步驟S3中，分別對重整器11、燃料電池體12和燃燒器15的反應是否被中斷做確認。
在接下來的步驟S4中，對發(fā)現是否建立液滴去除啟動條件做出判斷。液滴去除啟動條件為識別是否執(zhí)行液滴去除的判斷條件。
這里，可以想到步驟S4中的液滴去除啟動條件被分類為各種條件，涉及下文按順序說明的第一至第四液滴去除啟動條件。
第一液滴去除啟動條件需要未顯示的檢測器，用以檢測燃料電池體12外部大氣的大氣溫度，具有避免結冰的所需條件，其中利用這種檢測器檢測的燃料電池系統(tǒng)的大氣溫度屬于或低于冰點(等于或低于0℃)。也就是說，按照第一液滴去除啟動條件，當確認燃料電池系統(tǒng)的大氣溫度等于或低于0℃時，執(zhí)行液滴去除操作。并且，在這種情況下，最好預先設定啟動延遲時間至一定程度，具有將在燃料電池系統(tǒng)中發(fā)生的凝露的可行預期，在步驟S4中發(fā)現建立第一液滴去除啟動條件后，允許當啟動延遲時間過去的瞬時時間點立即實施液滴去除，以導致凝露實質上在燃料電池系統(tǒng)中發(fā)生。此外，可能參照燃料電池系統(tǒng)的大氣溫度預先設定這種啟動延遲時間，以使大氣溫度越低，啟動延遲時間間隔將越短。通過這種結果，可以消除不希望液滴去除操作的發(fā)生頻率，結果導致用于去除液滴的能耗量的降低。
接著，第二液滴去除啟動條件需要提供未顯示的檢測器，用于更直接地檢測燃料電池系統(tǒng)中的濕度，具有所需條件，其中當使用這種檢測器檢測時，燃料電池系統(tǒng)具有100％的濕度。也就是說，按照第二液滴去除啟動條件，當確認燃料電池系統(tǒng)達到100％的濕度時，執(zhí)行液滴去除。并且，在這種情況下，最好類似地預先設定啟動延遲時間至一定程度，在判斷發(fā)現燃料電池系統(tǒng)的濕度達到100％的值后，允許當啟動延遲時間過去的瞬時時間點立即實施液滴去除，以導致凝露實質上在燃料電池系統(tǒng)中發(fā)生。此外，可能參照燃料電池系統(tǒng)的大氣溫度適當地預先設定這種啟動延遲時間。此外，當第一和第二液滴去除啟動條件同時滿足時，以可以執(zhí)行液滴去除。
此外，以下因素被列為第三液滴去除啟動條件。
圖3為溫度T與空氣中包含的飽和蒸汽數量Φ間關系的典型代表。
在圖3中，要求燃料電池系統(tǒng)含有未顯示的檢測器，用以檢測由溫度T1、T2代表的燃料電池系統(tǒng)內部溫度(T1和T2在燃料電池系統(tǒng)的相同檢測點被檢測，關系為T1高于T2T1＞T2)和由溫度T0代表的燃料電池系統(tǒng)的大氣溫度(T2高于T0T2＞T0)，并且如果當溫度T1時蒸汽量飽和，那么飽和蒸汽量被表達為Φ1。因此，當溫度從溫度T1降低時，發(fā)生凝露。特別地，由于燃料電池系統(tǒng)在環(huán)境溫度T0下保持停止狀態(tài)，燃料電池系統(tǒng)的溫度從T1下降至T0。由于此原因，即使當液滴去除在溫度T1下執(zhí)行，其中飽和蒸汽的數量為Φ1，凝露也會立即再次發(fā)生。
因此，在上述第一液滴去除啟動條件下，雖然其構造為在大氣溫度等于或低于0℃時執(zhí)行液滴去除，更優(yōu)選地，如果啟動延遲時間在燃料電池系統(tǒng)進入停止狀態(tài)后過去，而在第三液滴去除啟動條件下，當燃料電池系統(tǒng)的溫度保持在與大氣溫度T0盡可能接近的數值從而達到給定溫度值T2時，執(zhí)行液滴去除。換句話說，如果確認燃料電池系統(tǒng)的溫度變得與大氣溫度T0比較接近并且達到給定溫度T2，那么就執(zhí)行液滴去除。
在這種情況下，理想地，在當燃料電池系統(tǒng)內部溫度達到大氣溫度T0，即T2＝T0時的時間點執(zhí)行液滴去除，能夠使由于凝露產生的液滴被完全去除，據此，如果大氣溫度T0沒有變化，那么在燃料電池系統(tǒng)中就沒有發(fā)生凝露的可能性。但是，在實際操作中，在燃料電池系統(tǒng)內的溫度更接近值T0并最終飽和之前需要花費相當長的時間。因此，確定與T2和T1間差別相對于T0和T1間差別的給定數值(給定比率)一致的給定溫度值T2，(例如，通過用T0和T1間差別除T2和T1間差別獲得的給定比率70％)，有可能去除大部分凝露，而不需要較長時間，這將在燃料電池系統(tǒng)溫度低至數值T0時發(fā)生。并且，當然此給定值并不限于70％，并可以取通過考慮各種條件適當確定為設計值的其它數值。
這里，如果大氣溫度T0等于或低于冰點(等于或低于0℃)，結果導致給定溫度值T2等于或低于冰點(等于或低于0℃)，由于存在去除液滴之前發(fā)生結冰的可能性，可能優(yōu)選在假定溫度值為0℃之前直接執(zhí)行液滴去除，而不等到燃料電池系統(tǒng)中的溫度達到數值T2。
此外，作為第四液滴去除條件，以下面的方法獲得上述第三液滴去除啟動條件中的給定溫度值T2。
第四液滴去除啟動條件提供能夠驅動閥，例如燃料電池系統(tǒng)的流量控制閥8、9、10、13、14，即使當例如燃料電池系統(tǒng)的停止條件之后幾天后這些閥被凍結，大氣溫度降低至等于或低于冰點的情況下，因為T2的含義與上述內容稍有不同，下文將T2描述為T2′。
首先，假定燃料電池系統(tǒng)下一次被啟動，預先嘗試實驗性獲得閥將被凍結的凝露數量Φ2(水分的數量)，僅使用閥的驅動力去除含有如此數量水分的凍結條件。接下來，嘗試獲得作為給定溫度T2′的溫度，當濕度為100％時(處于飽和蒸汽狀態(tài))此溫度導致凝露數量達到數值Φ2，此溫度從給定值降低至0℃。當溫度達到如此數值T2′時的時間點執(zhí)行液滴去除，使燃料電池系統(tǒng)能夠在可靠地下次啟動，同時立即完成液滴去除，提供導致燃料電池系統(tǒng)的當前操作被迅速終止的能力。
這里，如果形成去除液滴的主要物體的閥，即包括流量控制閥8、9、10的閥被安裝在例如重整器11、燃料電池體12和燃燒器15等反應器的上游區(qū)域，導入燃料電池系統(tǒng)的空氣中包含的水分數量等于燃料電池系統(tǒng)外部大氣的水分數量。在這種情況下，在燃料電池系統(tǒng)的停止條件過程中測量燃料電池系統(tǒng)的大氣的大氣溫度和大氣濕度，同時計算當導入燃料電池系統(tǒng)的大氣的大氣溫度達到溫度T2′時所顯示的水分數量。并且，除非如此獲得的水分數量等于和大于濕度為100％時在溫度T2′下的水分數量(導致凝露的數量)，否則不執(zhí)行液滴去除。
在這種情況下，因為由凝露引起的水分數量小于僅使用空氣流速控制系統(tǒng)的閥的驅動力可以有效去除凍結態(tài)的水分數量Φ2，可能不用等待溫度降低至T2′的狀態(tài)，即在燃料電池系統(tǒng)停止操作之后，直接做出不能執(zhí)行液滴去除的判斷。換句話說，這導致有效阻止在缺乏液滴去除必要條件下執(zhí)行液滴去除的能力。
此外，在另一情況下，其中形成去除液滴主要目標的例如壓力控制閥13、14等閥被安裝在反應器的下游區(qū)域，在燃料電池系統(tǒng)停止狀態(tài)過程中測量燃料電池系統(tǒng)中的溫度和濕度，使得能夠計算當系統(tǒng)內的溫度達到溫度T2′時顯示的濕度。在這種情況下，如果溫度T2′過程中的水分達不到數值100％，就沒有凝露數量具有使其不能去除閥的凍結狀態(tài)的數值的可能性，從而避免執(zhí)行液滴去除操作。
這導致防止在缺乏液滴去除必要條件下執(zhí)行液滴去除的能力。在示例情況下，其中燃料電池系統(tǒng)的溫度為80℃，并且系統(tǒng)的濕度具有10％的低值，而T2′給定為20℃，由于可以想到在溫度T2′為20℃時沒有濕度成為100％的可能性，在這種情況下不執(zhí)行液滴去除操作。
并且，如果做出識別滿足上述第一至第四液滴去除啟動條件的至少一個，可以推定步驟S4中建立液滴去除啟動條件。隨后，操作前進至步驟S6之后的后續(xù)步驟。
反之，在步驟S4中，如果未建立第一至第四液滴去除啟動條件的任一個，那么在步驟S5中，對從燃料電池系統(tǒng)停止開始的給定時間間隔是否過去做出判斷。如果給定時間間隔沒有過去，操作返回至步驟S4。相反，在步驟S5中，如果判斷給定時間間隔過去，操作前進至步驟S6隨后的步驟。
在這里，步驟S6隨后的步驟包括實施送風的步驟，其利用通過吸濕裝置含有最小可能水分的空氣，并迫使燃料電池系統(tǒng)的導管充滿含有最小水分含量的空氣，以減少當大氣溫度降低時將導致凝露發(fā)生的水分數量。
具體說來，在步驟S6中，空氣流速控制系統(tǒng)的流量控制閥8、9、10和壓力控制閥13、14被分別以適當的液滴去除度(液滴去除開口度)打開。
在隨后步驟S7中，去除液滴的干空氣被允許進入燃料電池系統(tǒng)以導致粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴被去除。
具體說來，可以想到一種在步驟S6和S7中允許空氣流動以去除液滴的方法，包括使用如圖1所示的壓縮機3允許空氣沿燃料電池系統(tǒng)的連續(xù)方向流動的步驟?？紤]到流動空氣更干燥的事實，當大氣溫度下降更多時凝露再發(fā)生的可能性較小，使用通過吸濕裝置和燃燒器15被干燥的空氣。
更具體地說，在使用壓縮機3進氣的情況下，如圖1所示，吸濕裝置的流向控制閥19、20和空氣干燥器21被安裝在壓縮機3的下游區(qū)域，以使在空氣流動去除液滴的過程中，流向控制閥17被關閉，而流向控制閥19和20被打開，以允許通過空氣干燥器21并被干燥的空氣進入燃料電池系統(tǒng)。
這里，如果在諸如空氣干燥器21之類的吸濕裝置的通道中安裝再生吸濕性材料21a，例如硅膠，在燃料電池系統(tǒng)的啟動過程中高溫廢氣被從燃燒器15導入空氣干燥器干燥裝置22，導致空氣干燥器21被加熱以使粘附至空氣干燥器21的水分被排出，從而使得空氣干燥器21的吸濕性材料能夠再生。
另一方面，如果使用不能由于加熱排出水分的例如生石灰(氧化鈣)之類吸濕性材料21a，就需要檢測空氣干燥器21重量的檢測器，在這種情況下，可以提供通知裝置，以在瞬時時間點tc處通知需要更換吸濕性材料，在瞬時時間點tc處重量W1輕于吸濕性材料飽和的重量Wm，通過如圖4所示的給定數量使得替換計時點能夠被容易地理解。并且，在圖中，W0代表吸濕材料的干重。
此外，可以想到多種在去除液滴過程中控制空氣流速控制系統(tǒng)的技術。
雖然燃料電池系統(tǒng)包括多個空氣流速控制系統(tǒng)，如果這些空氣流速控制系統(tǒng)串聯(lián)安裝，優(yōu)選通過迫使這些空氣流速控制系統(tǒng)具有相當于最有效去除液滴的開口度的液滴去除開口度，執(zhí)行去除液滴，在考慮閥體的噴嘴效應以能夠增加通過其中空氣的流速、閥體的接觸面面積以加速融化粘附其上的結冰等因素的基礎上，其中順次為空氣流速控制系統(tǒng)被安裝至較靠近液滴去除供氣裝置。
在具有如圖1所示結構的情況下，由于流量控制閥9與壓力控制閥14串聯(lián)安裝，和流量控制閥10與壓力控制閥13分別地串聯(lián)安裝，通過順次迫使閥開口具有液滴去除開口度X執(zhí)行液滴去除，其中空氣流速控制系統(tǒng)的組成元件靠近作為液滴去除供氣裝置的壓縮機3。當發(fā)生此情況時，另一與執(zhí)行液滴去除的閥串聯(lián)安裝的閥被以數值100％完全打開。具體說來，下文分別參照圖5A和5B所示的時間圖，結合流量控制閥9和壓力控制閥14的典型實施例做出說明。首先，如圖5A所示，選擇保持靠近壓縮機3的流量控制閥9的閥開口度Dv，在時間間隔t1內使其具有液滴去除開口度X，而后，流量控制閥9被完全打開。另一方面，如圖5B所示，在流量控制閥9的閥開口度Dv被打開具有液滴去除開口度X的時間間隔內，操作最遠離壓縮機3的壓力控制閥14使其完全打開，然后，在流量控制閥9的閥開口度Dv被完全打開的時間間隔t2內，壓力控制閥14被打開以具有液滴去除開口度X。換句話說，產生一種情況，其中在壓力控制閥14具有等于液滴去除開口度X的開口度的時間間隔內，流量控制閥9的閥開口度Dv被完全打開。并且，確定此時間間隔t1和t2，以使時間間隔t2，在此過程中安裝在下游端的壓力控制閥14被以液滴去除開口度X打開，長于時間間隔t1，在此過程中安裝在上游端的流量控制閥9被以液滴去除開口度X打開。這是基于壓力控制閥14被安裝在相比流量控制閥9較遠離作為液滴去除供氣裝置的壓縮機3的位置的考慮。
此外，在具有如圖1所示結構，其中多個空氣流速控制系統(tǒng)被互相并聯(lián)安裝，比如流量控制閥8、9、10，在時間間隔t3、t4和t5內，流量控制閥8、9、10可以順次優(yōu)選打開具有液滴去除開口度X，以導致用于去除液滴的本目標的特定流量控制閥分別實現如圖6A至6C所示的時間圖的情況，同時使其它余下的流量控制閥在特定流量控制閥被打開以去除液滴的時間間隔內不工作(即完全關閉)，從而使供應至特定流量控制閥的空氣壓力能夠被增加。更具體地說，如圖6A所示，首先，在時間間隔t3內流量控制閥8被以液滴去除開口度X打開，并且同時，如圖6B和6C所示，其它余下的流量控制閥9、10被完全關閉。接著，如圖6B所示，在時間間隔t4內流量控制閥9被以液滴去除開口度X打開，并且同時，如圖6A和6C所示，其它余下的流量控制閥8、10被完全關閉。然后，如圖6C所示，在時間間隔t5內流量控制閥10被以液滴去除開口度X打開，并且同時，如圖6A和6B所示，其它余下的流量控制閥8、9被完全關閉。
并且，如果多個流量控制閥串聯(lián)連接的流動通道互相并聯(lián)安裝，選擇并聯(lián)通道的其中一個作為去除液滴的目標，而其它流動通道被完全關閉，并且流量控制閥被順次以液滴去除開口度X打開以去除液滴，其中在去除其上液滴的目標的流動通道中，流量控制閥較靠近作為液滴去除供氣裝置的壓縮機3，隨后多個流動通道的余下其它流動通道可以實施類似的操作以執(zhí)行去除液滴。
此外，將檢測燃料電池系統(tǒng)內部溫度T的檢測器定位于涉及流量控制閥8、9、10和壓力控制閥13、14的空氣流速控制系統(tǒng)的附近，以使能夠如圖7所示的情況控制，溫度T越低，控制閥保持液滴去除開口度X的時間間隔tX將越長。假定在這種情況下使用的燃料電池系統(tǒng)內的溫度，為在上述第一液滴去除啟動條件中燃料電池系統(tǒng)停止之后在啟動延遲時間過去后的溫度，可以想到發(fā)生凝露并且凝露的數量增加。因此，為了在由于凝露引起的水分數量增加的情況下可靠地去除液滴，將保持液滴去除所必須的液滴去除開口度的時間間隔確定為具有延長值。并且，在圖中，tL代表保持液滴去除開口度X的時間間隔的最大值，而ts代表保持液滴去除開口度X的時間間隔的最小值。
此外，將檢測燃料電池系統(tǒng)內部濕度MO的檢測器定位于涉及流量控制閥8、9、10和壓力控制閥13、14的空氣流速控制系統(tǒng)的附近，以使能夠如圖8所示的典型情況控制，燃料電池系統(tǒng)內的濕度越高，控制閥保持液滴去除開口度X的時間間隔tX將越長。當應用于上述第二液滴去除啟動條件時，確定其以使燃料電池系統(tǒng)停止之后直接顯示的濕度越高，控制閥保持液滴去除開口度X的時間間隔tX將越長，從而能夠使去除液滴可以在由于凝露引起的水分數量增加的情況下可靠地執(zhí)行。并且，在圖中，tL代表保持液滴去除開口度X的時間間隔的最大值，而ts代表保持液滴去除開口度X的時間間隔的最小值。
此外，如圖9所示的典型情況，可以采用替代方法，以在各空氣流速控制系統(tǒng)的流量控制閥8、9、10和壓力控制閥13、14的每個元件的液滴去除開口度Dv中，獲得定期改變液滴去除開口度X的振幅A和頻率f。因此，通過定期地改變液滴去除開口度X的振幅A和頻率f，有可能更有效地去除將在靜態(tài)空氣流動中難以去除的液滴。
并且，可以為流向控制閥17采取另一方法，以使在關閉條件下，使用來自作為液滴去除供氣裝置的壓縮機3的空氣供應流向控制閥17，以暫時在其中聚集空氣并隨后打開，以更有效的方法執(zhí)行液滴去除。
此外，雖然需要在燃料電池體12內有電解質層以包含水分，存在由于用于去除液滴的干燥空氣的不利影響引起的出現水分數量不足的可能性。為了處理這種情況，可以采用一種方法提供一種結構，其中在液滴去除操作已經被終止后，未顯示的給水系統(tǒng)被激活，以導致水分被供應至燃料電池體12的內部區(qū)域。替換地，可以想到提供一種旁路系統(tǒng)，以阻止干燥空氣通過燃料電池體12，并且在去除液滴的操作過程中使旁路系統(tǒng)被打開。
在上述步驟中去除液滴之后，在步驟S8，所有的控制閥，例如流量控制閥8、9、10和壓力控制閥13、14被完全關閉以完成一系列隨后操作。
綜上所述，本發(fā)明目前提交的實施方式基于考慮當燃料電池系統(tǒng)停止發(fā)電時，如果在系統(tǒng)內部保持高溫的條件下流量控制閥8、9、10和壓力控制閥13、14被關閉，就有在系統(tǒng)已經被冷卻后發(fā)生凝露的增加的可能性，并且在系統(tǒng)被保持在等于或低于0℃的低溫環(huán)境的條件下，流量控制閥8、9、10和壓力控制閥13、14經受凍結和粘附，從而導致在隨后的啟動操作中使用由壓縮機3供應的高溫空氣去除流量控制閥凍結所需的增加的時間間隔，結果導致系統(tǒng)啟動所需的更長周期。為了處理這種情況，在發(fā)電結束時或結束之后，流量控制閥8、9、10和壓力控制閥13、14中的液滴被使用來自作為液滴去除供氣裝置的壓縮機3的空氣吹走，導致沒有凝露和液滴凍結的可能性以使啟動周期能夠被縮短。
(第二實施方式)接下來，下文主要參照圖10更詳細地說明本發(fā)明的第二實施方式。目前提交的實施方式的燃料電池系統(tǒng)具有一種結構，其中使用氫氣瓶替換第一實施方式的重整器。因此，以提示這種差別的觀點說明目前提交的實施方式，適當地省略與第一實施方式具有相同標號的相似部件的多余說明或者簡述說明。
圖10為目前提交的實施方式的燃料電池系統(tǒng)的系統(tǒng)整體結構。
如圖10所示，在目前提交實施方式的燃料電池系統(tǒng)中，提供作為氫氣存儲部件的氫氣瓶25替代第一實施方式的重整器11，消除重整器11的需要，以使系統(tǒng)可以簡化結構制造。
此外，燃料電池系統(tǒng)也包括與第一實施方式類似的壓縮機3、燃料電池體12和燃燒器15，并空氣流速控制系統(tǒng)包括兩組合，即氣流計5和流量控制閥8間的組合與流量計6和流量控制閥9間的組合。此外，氫氣流速控制系統(tǒng)包括減壓閥26、流量計27和流量控制閥10，通過此氫氣流速控制系統(tǒng)氫氣被以期望的流速控制并供應至燃料電池體12的燃料電極。
并且，在圖10中，標號23代表流向控制閥，而標號24代表安裝在燃燒器15下游以收集由燃燒器15發(fā)射的廢氣的收集器部件，流向控制閥23和收集器部件24被組合在反向流動裝置中。并且，這種收集器部件24被構造為起到液滴去除供氣裝置的作用。
現在，下面說明目前提交實施方式的燃料電池系統(tǒng)的操作。
目前提交實施方式的燃料電池系統(tǒng)以與第一實施方式相同的方法，執(zhí)行與停止發(fā)電次序的步驟S1，和其幾個隨后的步驟，即步驟S2至步驟S6一致的相同操作，如圖2所示。
但是，目前提交的實施方式不同于第一實施方式，因為執(zhí)行步驟S6隨后的操作，以操作形成去除液滴目標的流量控制閥8、9，和在步驟S7中修改一種允許去除液滴的干燥空氣被導入燃料電池的方法，以使空氣在收集器部件24中被收集，形成反向流動裝置的一部分，并且，也形成反向流動裝置的一部分的流向控制閥23被打開，以允許實現空氣的反向流動，用來去除液滴。
在上述步驟中已經去除液滴后，在步驟S8，例如流量控制閥8、9之類的所有控制閥被關閉以終止一系列操作。
此外，收集器部件24可以提供有硅膠或生石灰之類的吸濕性材料24a，以允許存儲更干燥的空氣并且隨后空氣沿相反方向流動。
綜上所述，同樣，本發(fā)明目前提交的實施方式基于考慮當燃料電池系統(tǒng)停止發(fā)電時，如果在系統(tǒng)內部保持高溫的條件下流量控制閥8、9被關閉，就有在系統(tǒng)已經被冷卻后發(fā)生凝露的增加的可能性，并且在系統(tǒng)被保持在等于或低于0℃的低溫環(huán)境的條件下，流量控制閥8、9經受凍結和粘附，從而導致在隨后的啟動操作中使用由壓縮機3供應的高溫空氣去除流量控制閥凍結所需的增加的時間間隔，結果導致系統(tǒng)啟動所需的更長周期。為了處理這種情況，在發(fā)電結束時或結束之后，流量控制閥8、9中的液滴被使用由作為液滴去除供氣裝置的收集器部件24的流動空氣沿反向吹走，導致沒有凝露和液滴凍結的可能性以使啟動周期能夠被縮短。
并且，在前述實施方式中，可以修改具有如圖1所示包含重整器的系統(tǒng)的第一實施方式，以使其包含第二實施方式的反向流動裝置，其中系統(tǒng)采用如圖10所示氫氣瓶，代替吸濕裝置，并且反之，可以修改圖10所示的第二實施方式，以使其包括圖1所示的第一實施方式的吸濕裝置。
這里以引用形式結合申請日為2002年1月8日、申請?zhí)枮門OKUGAN 2002-1570的日本專利的全部內容。
雖然上文已經參照本發(fā)明的某些實施方式說明了本發(fā)明，本發(fā)明并不限于上述實施方式。根據講解，本領域的技術人員將想到上述實施方式的修改和改變。本發(fā)明的范圍參照權利要求書限定。
工業(yè)應用如上所述，按照本發(fā)明，其構造為空氣流速控制元件的開口被以液滴去除開口度設定，以加速空氣的流動速度，允許空氣以液滴去除開口度流動，從而導致粘附至空氣流速控制元件的液滴被吹走，因而避免空氣流速控制元件的凍結和粘附，以使系統(tǒng)能夠在最短的周期內被啟動。因此，可以期望本發(fā)明具有廣泛的應用范圍，包括采用這種燃料電池系統(tǒng)的燃料電池動力汽車等。
權利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池體；供應空氣至燃料電池體的供氣系統(tǒng)；空氣流速控制系統(tǒng)，改變供應空氣通過的流動通道的開口度而控制空氣流速；和去除粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴的液滴去除結構，液滴去除結構可操作，從而，當在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后建立給定條件時，設定空氣流速控制系統(tǒng)的開口度為液滴去除開口度，以增加空氣流速，從而允許空氣以液滴去除開口度流動，以導致粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴被吹走。
2.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，還包括重整器，重整進給材料以產生被供應至燃料電池體的重整氣體，重整氣體被供應至燃料電池體；和燃燒器，接收由燃料電池系統(tǒng)排出的廢氣和來自供氣系統(tǒng)的空氣并燃燒，其中，空氣流速控制系統(tǒng)可控，從而，分別改變由空氣流速控制系統(tǒng)至重整器、燃料電池體和燃燒器的各流動通道的開口度，以控制空氣的流動速度，液滴去除結構可操作，從而，當在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后建立給定條件時，在燃料電池系統(tǒng)的溫度被降低的條件下，設定空氣流速控制系統(tǒng)的開口度為液滴去除開口度，從而允許空氣以液滴去除開口度流動，以導致粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴被吹走。
3.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，還包括氫氣存儲部件，存儲供應至燃料電池體的氫氣；和燃燒器，接收由燃料電池系統(tǒng)排出的廢氣和來自供氣系統(tǒng)的空氣并燃燒，其中，空氣流速控制系統(tǒng)可控，從而，分別改變由空氣流速控制系統(tǒng)至燃料電池體和燃燒器的各流動通道的開口度，以控制空氣的流動速度，液滴去除結構可操作，從而，當在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后建立給定條件時，在燃料電池系統(tǒng)的溫度被降低的條件下，設定空氣流速控制系統(tǒng)的開口度為液滴去除開口度，從而允許空氣以液滴去除開口度流動，以導致粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴被吹走。
4.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中給定條件對應于一種在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后燃料電池系統(tǒng)的大氣溫度等于或低于給定溫度的情況。
5.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中給定條件對應于一種在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后燃料電池系統(tǒng)中的濕度基本上等于給定濕度的情況。
6.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中給定條件對應于一種在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后燃料電池系統(tǒng)的大氣溫度與燃料電池系統(tǒng)中溫度之間的差別等于或低于給定溫度差別的情況。
7.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中給定條件對應于一種在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后，使空氣流速控制系統(tǒng)凍結的水分的數量等于或大于通過使用空氣流速控制系統(tǒng)的驅動力能夠去除的水分數量的情況。
8.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中液滴去除結構使用其水分被吸濕裝置去除的干燥空氣吹走粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴。
9.如權利要求8的燃料電池系統(tǒng)，其中吸濕裝置包括在燃料電池系統(tǒng)的啟動時使用燃燒器及其內積累的熱量加熱、通過排出水分可再生的吸濕性材料。
10.如權利要求8的燃料電池系統(tǒng)，其中吸濕裝置的重量被檢測，當此重量等于或低于給定值時，通知吸濕裝置要被替換。
11.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，還包括收集器部件，收集用于去除液滴的空氣，其中收集器部件可操作，從而收集供應至供氣系統(tǒng)的空氣，接著，導致空氣沿相反方向流向燃料電池系統(tǒng)的上游。
12.如權利要求11的燃料電池系統(tǒng)，其中收集器部件含有從收集在收集器部件中的空氣中去除水分的吸濕性材料。
13.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，還包括液滴去除供氣部件，可操作從而對由供氣系統(tǒng)供應的空氣加壓用于去除液滴，其中多個空氣流速控制系統(tǒng)被串聯(lián)安裝，并且多個空氣流速控制系統(tǒng)中的每一個被構造成按照其中多個空氣流速控制系統(tǒng)更靠近液滴去除供氣部件的順序、以液滴去除開口度被打開，同時完全關閉多個空氣流速控制系統(tǒng)中的其它空氣流速控制系統(tǒng)。
14.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中多個空氣流速控制系統(tǒng)被互相并聯(lián)安裝，并且多個空氣流速控制系統(tǒng)中含有待去除液滴的一個以液滴去除開口度被打開，同時完全關閉多個空氣流速控制系統(tǒng)中的其它空氣流速控制系統(tǒng)。
15.如權利要求14的燃料電池系統(tǒng)，還包括液滴去除供氣部件，可操作從而對由供氣系統(tǒng)供應的空氣加壓用于去除液滴，其中它被構造成使得離液滴去除供氣部件的距離越大，在去除液滴時保持多個空氣流速控制系統(tǒng)中每一個的液滴去除開口度的時間間隔將越長。
16.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中空氣流速控制系統(tǒng)保持液滴去除開口度的時間間隔根據空氣流速控制系統(tǒng)的環(huán)境條件而改變。
17.如權利要求16的燃料電池系統(tǒng)，其中空氣流速控制系統(tǒng)保持液滴去除開口度的時間間隔根據燃料電池系統(tǒng)中的溫度而改變。
18.如權利要求16的燃料電池系統(tǒng)，其中空氣流速控制系統(tǒng)保持液滴去除開口度的時間間隔根據燃料電池系統(tǒng)的濕度而改變。
19.如權利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中液滴去除開口度被周期性改變。
20.一種燃料電池系統(tǒng)，包括燃料電池體；供應空氣至燃料電池體的供氣裝置；改變供應空氣通過的流動通道開口度而控制空氣流速的空氣流速控制裝置；和去除粘附至空氣流速控制裝置的液滴的液滴去除裝置，液滴去除裝置可操作，從而，當在燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后建立給定條件時，設定空氣流速控制裝置的開口度為液滴去除開口度，以增加空氣流速，從而允許空氣以液滴去除開口度流動，以導致粘附至空氣流速控制裝置的液滴被吹走。
21.一種去除燃料電池系統(tǒng)中液滴的方法，該燃料電池系統(tǒng)提供有燃料電池體、供應空氣至燃料電池體的空氣供應系統(tǒng)和改變供應空氣通過的流動通道開口度而控制空氣流速的空氣流速控制系統(tǒng)，該方法包括識別燃料電池系統(tǒng)停止時或停止之后是否建立給定條件；設定空氣流速控制系統(tǒng)的開口度為液滴去除開口度以增加空氣流速；并允許空氣以液滴去除開口度流動，以導致粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴被去除。
全文摘要
一種燃料電池系統(tǒng)(S)，提供有燃料電池體(12)，供應空氣至燃料電池體的供氣系統(tǒng)(1，2，3，4)，空氣流速控制系統(tǒng)(5，6，7，8，9，10，13，14)，它改變供應空氣通過的流動通道開口度以控制空氣流速，和去除粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴的液滴去除結構(3，8，9，10，13，14，19，20，21，22，23，24)。液滴去除結構可操作，以設定空氣流速控制系統(tǒng)的開口度為液滴去除開口度，以增加空氣流速，從而允許空氣以液滴去除開口度流動，以導致粘附至空氣流速控制系統(tǒng)的液滴被吹走。
文檔編號H01M8/04GK1500294SQ02807269
公開日2004年5月26日 申請日期2002年12月24日 優(yōu)先權日2002年1月8日
發(fā)明者淺井明寬, 大澤俊哉, 哉 申請人:日產自動車株式會社