[发明专利]燃料电池系统及关闭后防其冻结的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统和一种减少在燃料电池系统中的水的方法。

背景技术

如果在燃料电池及其通道中存在过量的水，当固相聚合物燃料电池(下文简称为燃料电池)系统停止时，如果使该系统长时间处于冰点以下，就会出现含水量(water content)冻结的问题。为了即使在冰点以下也可获得稳定的操作，需要在燃料电池系统停止后排除燃料电池系统的通道中的水。由于此原因，在包括用于气体循环的通道的燃料电池系统中，气体在包括气-液分离器的通道中循环(扫气)以减少残留水量。但是，如果在燃料电池系统的通道中的气体扫气持续时间较长，则燃料电池系统必须停止的时间量也长，从而使得燃料电池系统的使用不方便。具体来说，由于泵用于供给清扫气体和稀释空气，所以存在大量电力被长时间地用于清扫气体且当驱动泵时产生噪音的问题。此外，点火开关关闭后，需要时间去停止燃料电池系统，这就降低了燃料电池系统作为产品的价值。

此外，燃料电池的电解质膜中的质子(氢离子)被水分子移动。在操作燃料电池时，为了使质子移动，需要使燃料电池的电解质膜及其附近潮湿从而获得平稳的质子运动。由于此原因，甚至可以在冰点以下平稳地启动燃料电池系统，且为了获得稳定的操作条件，需要在燃料电池中具有一定量的水。

上述现有技术不适用于短行程(short trip)，在短行程中，从燃料电池开始发电到结束发电之间的操作期间相对短。在短行程的情况下，由于在燃料电池中开始发电后的短时间内结束发电，所以燃料电池系统的温度保持较低。结果，在燃料电池系统中有少量的水蒸发，而大量的水凝结。与水蒸气不同，凝结的水很难被清扫。由于此原因，残留水趋于积聚在燃料电池系统的通道中，从而很可能使得水没有被排到通道外部。此外，如果依照发电时间调整气体清扫时间，则在短行程的情况下气体清扫时间变短，且很可能使得残留水没有被排到通道外部。

发明内容

本发明的目的是通过合适的气体清扫量和气体清扫时间，即使在短行程情况下也能将余留在燃料电池系统中的水量控制到适当的量。

本发明的第一个方案涉及燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池；气体供给通道，气体通过其流向所述燃料电池；气体排放通道，其排放来自所述燃料电池的气体；气体输送装置，其通过所述气体供给通道将气体输送到所述燃料电池；残留水量计算部，其基于所述燃料电池的操作条件和操作所述燃料电池所处的环境条件，计算在所述燃料电池系统中的残留水的量，所述燃料电池系统包括所述燃料电池、所述气体供给通道和所述气体排放通道；判断部，其判断短行程是否发生，当至少一个状态量值等于或小于规定的阈值时，判定为短行程已发生，其中所述状态量值包括所述燃料电池的发电持续时间、所述燃料电池产生的电力的量和冷却液的温度变化的量；操作时间计算部，其根据所述操作条件和所述环境条件来计算操作所述气体输送装置将所述残留水量减少到规定的值的操作时间；以及控制部，其操作所述气体输送装置直到所述操作时间结束，其中所述操作时间计算部根据由所述判断部判断出的短行程是否已发生来计算不同的操作时间。在本方案中，基于状态量来判断燃料电池系统中的残留水是否冻结，所述状态量包括所述燃料电池的发电时间、发电的量和冷却液的温度。确定适合于状态量的气体清扫时间。通过在适合于状态量的气体清扫时间执行气体清扫，可以将燃料电池系统中的残留水控制到合适的量。

上述燃料电池系统可进一步包括气体循环通道，其将所述气体排放通道连接到所述气体供给通道；及气-液分离器，其从待循环的气体中分离水；其中所述气体输送装置使所述气体排放通道中的气体通过所述气体循环通道在所述气体供给通道中循环。

上述燃料电池系统可进一步包括计数器，其记录发生至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值的次数，其中当所述次数等于或大于所述规定的阈值时，所述操作时间计算部计算操作所述气体输送装置的时间段。在这个方案中，测量达到规定的状态量的次数，并可以根据所述次数来确定适合于所述状态量的气体清扫时间。

上述燃料电池系统中，当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部可以使所述气体输送装置的驱动量增加规定的值。由此，可以减少气体输送装置的操作时间。

上述燃料电池系统中，当至少一个所述状态量值等于或小于规定的阈值时，所述控制部可以使所述气体输送装置震动。由此，可以减少气体输送装置的操作时间。