专利名称：燃料电池系统及在停用时除水以改善耐冻性的方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统及相关方法，更具体地说，涉及一种防止露水在供气通道中冷凝的燃料电池系统及其相关方法。
背景技术：
当在低温环境下停止燃料电池系统的操作时，可以想到燃料电池系统中的冷凝露水易于结冰，而提供重启燃料电池系统的影响。
如果燃料电池系统在低于0℃的低温环境中处于这种停止条件下，可以想到由于包含在空气中的水分的影响，燃料电池系统的空气流速控制系统易于结冰，从而导致在燃料电池系统重启时需要使这种凝固冰(frozen ice)融化和解冻的情况，以使空气流速控制系统可操作。
日本专利申请特许公开2000-12060提出一种结构，其中，由于绝热压缩，作为供气源的压缩机工作在高于允许产生高温空气的最高效率点的压缩比，通过这种方法增加系统温度以解冻这种凝固冰。
发明内容
但是，使用采用这种结构的燃料电池系统，以利用由供气源供应的高温空气增加系统温度，从而解冻空气流速控制系统中的冰，在冰被融化之前需要花费相当长的时间，导致系统重启周期增加的倾向。
此外，由于空气流速控制系统的构造为在燃料电池系统中正常产生电能的操作停止时被保持在完全封闭的条件下，如果系统与粘附在其上的冰冻结在一起，难以方便地将由供气源供应的空气传送至安装在空气流速控制系统下游的系统组成元件，倾向于进一步增加系统的重启时间。
此外，虽然可以想到采用另一使用加热器或电热器融化冰的结构，这种结构导致燃料电池系统结构复杂，此外，可能需要使用来自蓄电池之类的辅助能源的能量。
本发明人通过以上述方法进行研究的基础上完成本发明，并且目标是提供一种燃料电池系统及相关方法，其防止空气流速控制系统等的气流通道的结冰和粘附，以提供缩短的启动时间。
为了获得上述目标，按照本发明的第一方面，一种燃料电池系统包括燃料电池体；供应空气至燃料电池体的供气系统；改变供应空气通过的流动通道开口度(opening degree)同时控制空气流速的空气流速控制系统；和去除粘附至空气流速控制系统的液滴的液滴去除结构。这里液滴去除结构可操作，从而，当在燃料电池系统停止时或停止之后建立给定条件时，通过设定空气流速控制系统的开口度为液滴去除开口度，以增加空气流速，从而允许空气以液滴去除开口度流动，以导致粘附至空气流速控制系统的液滴被吹走。
也就是说，一种燃料电池系统包括燃料电池体；供应空气至燃料电池体的空气供应装置；改变供应空气通过的流动通道开口度同时控制空气流速的空气流速控制装置；和去除粘附至空气流速控制装置的液滴的液滴去除装置。并且液滴去除装置可操作，从而，当在燃料电池系统停止时或停止之后建立给定条件时，通过设定空气流速控制装置的开口度为液滴去除开口度，以增加空气流速，从而允许空气以液滴去除开口度流动，以导致粘附至空气流速控制装置的液滴被吹走。
另一方面，提供一种去除燃料电池系统中液滴的方法，该燃料电池系统拥有燃料电池体、供应空气至燃料电池体的空气供应系统和改变供应空气通过的流动通道开口度同时控制空气流速的空气流速控制系统。去除燃料电池系统中液滴的方法包括识别燃料电池系统停止时或停止之后是否建立给定条件；设定空气流速控制系统的开口度使其具有液滴去除开口度以增加空气流速；并允许空气以液滴去除开口度流动，以导致粘附至空气流速控制系统的液滴被去除。
从以下结合附图的说明中，本发明的其它及进一步特征、优点、和益处将变得更加明显。
图1是按照本发明第一实施方式的燃料电池系统的系统结构视图；图2表示按照第一实施方式的图1所示燃料电池系统操作基本顺序的流程图。
图3的图表代表温度T与第一实施方式的燃料电池系统的空气中饱和蒸汽数量Φ间的关系；图4的图表代表在第一实施方式的燃料电池系统中吸湿材料的重量随时间的改变，表示在吸湿材料被替换的计时点tc与其相应重量W1间的关系；图5A和5B表示在第一实施方式的燃料电池系统中，在串联安装空气流速控制系统的情况下执行去除液滴操作的时间图；图6A至6C表示在第一实施方式的燃料电池系统中，在空气流速控制系统与另一空气流速控制系统并联安装的情况下执行去除液滴操作的时间图；图7的图表代表在第一实施方式的燃料电池系统中，空气流速控制系统的环境温度T与液滴去除开口度被保持的时间间隔tX间的关系；图8的图表代表在第一实施方式的燃料电池系统中，空气流速控制系统的环境湿度MO与液滴去除开口度被保持的时间间隔tX间的关系；图9表示在第一实施方式的燃料电池系统中，当定期改变液滴去除开口度时执行操作的时间图；和图10为是按照本发明第二实施方式的燃料电池系统的系统结构视图。
具体实施例方式
下文参照适当的附图详细说明本发明的各具体实施方式
。
(第一实施方式)首先，参照图1至9，更详细地说明本发明的第一实施方式。
图1为目前提交的实施方式的燃料电池系统的整体结构视图。
在图1中，所表示的燃料电池系统S包括过虑空气的空气过滤器1，检测通过空气流速的气流计2，用来压缩并供应过滤空气至燃料电池系统各部件的作为供气源的压缩机3，驱动压缩机3的驱动电机4，检测通过空气流速的气流计5、6、7，流量控制阀8、9、10，作为允许进给燃料的重整装置的重整器11，燃料由未显示的燃料供应源提供，以在存在重整催化剂的条件下重整和反应从而形成富氢态的重整气体，作为基于由重整器11传送的重整气体和由压缩机3供应的空气产生电能输出的发电装置的燃料电池体12，分别作为压力控制装置的压力控制阀13、14，作为燃烧装置的燃烧器15，它允许由燃料电池体12排出的废气在压缩机3供应的空气存在的情况下被燃烧，消除由燃烧器15产生的排气噪音水平的消音器16，和流向控制阀17、18、19、20。
这里，在图1中，空气过滤器1、气流计2、压缩机3和驱动电机4形成供气系统。另外，压缩机3起到液滴去除供气装置的作用，不需要单独的其它液滴去除供气装置。
此外，气流计5与流量控制阀8间的组合，气流计6与流量控制阀9间的组合和气流计7与流量控制阀10间的组合分别形成空气流速控制系统。另外，可以想到各空气流速控制系统以相互相关的关系形成整个空气流速控制系统。
此外，流向控制阀19、20，吸收空气中的水分以去除液滴的空气干燥器21，和利用燃烧器15的废热加热空气干燥器21以允许空气干燥器21再生的空气干燥器干燥单元22，形成吸湿装置。利用燃烧器15的废热加热空气干燥器21允许运行成本被降低。此外，由于这种吸湿装置在正常工作条件下位于没有气流的通道中，在正常工作条件下未赋予压力损失不利影响。
这里，使用供气系统，利用气流计2检测由空气过滤器1过滤的空气流速，控制压缩机驱动电机4以允许压缩机3的排出量被以按照所检测空气流速的期望流速被调节。
此外，空气流速控制系统被分别安装在重整器11、燃料电池体12和燃烧器15的流动通道中，并且使用空气流速控制系统，改变流量控制阀8、9、10的开口度，以允许根据分别利用气流计5、6、7所检测到的流速获得期望的下游流速，从而分别控制供应至重整器11、燃料电池体12和燃烧器15的空气流速。
此外，重整器11在催化剂存在的情况下，利用由未显示的进给燃料箱传送的诸如甲醇或汽油的烃类燃料、由未显示的水箱传送的水、和由压缩机3供应的空气执行重整反应，从而产生H2和CO的混合气体。并且，CO的存在导致燃料电池体12的铂电极被损害(poison)从而降低燃料电池体12的性能，因此，重整器11装备有导致选择性氧化反应发生的设备，以从混合气体中去除CO，形成富氢态的重整气体。
此外，使用燃料电池体12，利用重整器11生产的重整气体被供应至未显示的燃料电极，并且由压缩机3传送的空气被供应至未显示的空气电极，由于重整气体中的氢和空气中的氧之间的电化学反应，产生电能输出。
并且，压力控制阀13、14起到一种空气流速控制系统的作用，其执行燃料电池体12的燃料电极与空气电极间压力平衡控制，从而控制空气流速。
此外，这些空气流速控制系统分别与以气流计6和流量控制阀9间的组合形成的空气流速控制系统，和以气流计7和流量控制阀10间的组合形成的空气流速控制系统具有串联连接关系。
此外，燃烧器15允许反应后从燃料电池体12排出的重整气体与空气在存在催化剂的条件下互相反应，以导致废气被转化为蒸汽之类的物质被排出至大气中。
此外，在正常工作条件中流向控制阀17被打开，并且同样在此时间间隔内，流向控制阀19、20保持关闭状态。
现在，下文说明具有上述结构的本实施方式的燃料电池系统的操作。
图2为目前提交的实施方式的燃料电池系统的操作基本顺序的流程图。此外，使用未显示的控制器执行这种操作。
在图2中，首先，在步骤S1中，响应例如停止发电信号之类的输入，开始停止发电的序列，并在随后的步骤S2中，空气至重整器11、燃料电池体12和燃烧器15的供应被中断。更具体地说，在步骤S2中，为了伴随着燃料电池系统中断反应停止重整器11、燃料电池体12和燃烧器15的反应，流向控制阀17、18，空气流速控制装置的流量控制阀8、9、10和压力控制阀13、14分别被关闭。
在相邻步骤S3中，分别对重整器11、燃料电池体12和燃烧器15的反应是否被中断做确认。
在接下来的步骤S4中，对发现是否建立液滴去除启动条件做出判断。液滴去除启动条件为识别是否执行液滴去除的判断条件。
这里，可以想到步骤S4中的液滴去除启动条件被分类为各种条件，涉及下文按顺序说明的第一至第四液滴去除启动条件。
第一液滴去除启动条件需要未显示的检测器，用以检测燃料电池体12外部大气的大气温度，具有避免结冰的所需条件，其中利用这种检测器检测的燃料电池系统的大气温度属于或低于冰点(等于或低于0℃)。也就是说，按照第一液滴去除启动条件，当确认燃料电池系统的大气温度等于或低于0℃时，执行液滴去除操作。并且，在这种情况下，最好预先设定启动延迟时间至一定程度，具有将在燃料电池系统中发生的凝露的可行预期，在步骤S4中发现建立第一液滴去除启动条件后，允许当启动延迟时间过去的瞬时时间点立即实施液滴去除，以导致凝露实质上在燃料电池系统中发生。此外，可能参照燃料电池系统的大气温度预先设定这种启动延迟时间，以使大气温度越低，启动延迟时间间隔将越短。通过这种结果，可以消除不希望液滴去除操作的发生频率，结果导致用于去除液滴的能耗量的降低。
接着，第二液滴去除启动条件需要提供未显示的检测器，用于更直接地检测燃料电池系统中的湿度，具有所需条件，其中当使用这种检测器检测时，燃料电池系统具有100％的湿度。也就是说，按照第二液滴去除启动条件，当确认燃料电池系统达到100％的湿度时，执行液滴去除。并且，在这种情况下，最好类似地预先设定启动延迟时间至一定程度，在判断发现燃料电池系统的湿度达到100％的值后，允许当启动延迟时间过去的瞬时时间点立即实施液滴去除，以导致凝露实质上在燃料电池系统中发生。此外，可能参照燃料电池系统的大气温度适当地预先设定这种启动延迟时间。此外，当第一和第二液滴去除启动条件同时满足时，以可以执行液滴去除。
此外，以下因素被列为第三液滴去除启动条件。
图3为温度T与空气中包含的饱和蒸汽数量Φ间关系的典型代表。
在图3中，要求燃料电池系统含有未显示的检测器，用以检测由温度T1、T2代表的燃料电池系统内部温度(T1和T2在燃料电池系统的相同检测点被检测，关系为T1高于T2T1＞T2)和由温度T0代表的燃料电池系统的大气温度(T2高于T0T2＞T0)，并且如果当温度T1时蒸汽量饱和，那么饱和蒸汽量被表达为Φ1。因此，当温度从温度T1降低时，发生凝露。特别地，由于燃料电池系统在环境温度T0下保持停止状态，燃料电池系统的温度从T1下降至T0。由于此原因，即使当液滴去除在温度T1下执行，其中饱和蒸汽的数量为Φ1，凝露也会立即再次发生。
因此，在上述第一液滴去除启动条件下，虽然其构造为在大气温度等于或低于0℃时执行液滴去除，更优选地，如果启动延迟时间在燃料电池系统进入停止状态后过去，而在第三液滴去除启动条件下，当燃料电池系统的温度保持在与大气温度T0尽可能接近的数值从而达到给定温度值T2时，执行液滴去除。换句话说，如果确认燃料电池系统的温度变得与大气温度T0比较接近并且达到给定温度T2，那么就执行液滴去除。
在这种情况下，理想地，在当燃料电池系统内部温度达到大气温度T0，即T2＝T0时的时间点执行液滴去除，能够使由于凝露产生的液滴被完全去除，据此，如果大气温度T0没有变化，那么在燃料电池系统中就没有发生凝露的可能性。但是，在实际操作中，在燃料电池系统内的温度更接近值T0并最终饱和之前需要花费相当长的时间。因此，确定与T2和T1间差别相对于T0和T1间差别的给定数值(给定比率)一致的给定温度值T2，(例如，通过用T0和T1间差别除T2和T1间差别获得的给定比率70％)，有可能去除大部分凝露，而不需要较长时间，这将在燃料电池系统温度低至数值T0时发生。并且，当然此给定值并不限于70％，并可以取通过考虑各种条件适当确定为设计值的其它数值。
这里，如果大气温度T0等于或低于冰点(等于或低于0℃)，结果导致给定温度值T2等于或低于冰点(等于或低于0℃)，由于存在去除液滴之前发生结冰的可能性，可能优选在假定温度值为0℃之前直接执行液滴去除，而不等到燃料电池系统中的温度达到数值T2。
此外，作为第四液滴去除条件，以下面的方法获得上述第三液滴去除启动条件中的给定温度值T2。
第四液滴去除启动条件提供能够驱动阀，例如燃料电池系统的流量控制阀8、9、10、13、14，即使当例如燃料电池系统的停止条件之后几天后这些阀被冻结，大气温度降低至等于或低于冰点的情况下，因为T2的含义与上述内容稍有不同，下文将T2描述为T2′。
首先，假定燃料电池系统下一次被启动，预先尝试实验性获得阀将被冻结的凝露数量Φ2(水分的数量)，仅使用阀的驱动力去除含有如此数量水分的冻结条件。接下来，尝试获得作为给定温度T2′的温度，当湿度为100％时(处于饱和蒸汽状态)此温度导致凝露数量达到数值Φ2，此温度从给定值降低至0℃。当温度达到如此数值T2′时的时间点执行液滴去除，使燃料电池系统能够在可靠地下次启动，同时立即完成液滴去除，提供导致燃料电池系统的当前操作被迅速终止的能力。
这里，如果形成去除液滴的主要物体的阀，即包括流量控制阀8、9、10的阀被安装在例如重整器11、燃料电池体12和燃烧器15等反应器的上游区域，导入燃料电池系统的空气中包含的水分数量等于燃料电池系统外部大气的水分数量。在这种情况下，在燃料电池系统的停止条件过程中测量燃料电池系统的大气的大气温度和大气湿度，同时计算当导入燃料电池系统的大气的大气温度达到温度T2′时所显示的水分数量。并且，除非如此获得的水分数量等于和大于湿度为100％时在温度T2′下的水分数量(导致凝露的数量)，否则不执行液滴去除。
在这种情况下，因为由凝露引起的水分数量小于仅使用空气流速控制系统的阀的驱动力可以有效去除冻结态的水分数量Φ2，可能不用等待温度降低至T2′的状态，即在燃料电池系统停止操作之后，直接做出不能执行液滴去除的判断。换句话说，这导致有效阻止在缺乏液滴去除必要条件下执行液滴去除的能力。
此外，在另一情况下，其中形成去除液滴主要目标的例如压力控制阀13、14等阀被安装在反应器的下游区域，在燃料电池系统停止状态过程中测量燃料电池系统中的温度和湿度，使得能够计算当系统内的温度达到温度T2′时显示的湿度。在这种情况下，如果温度T2′过程中的水分达不到数值100％，就没有凝露数量具有使其不能去除阀的冻结状态的数值的可能性，从而避免执行液滴去除操作。
这导致防止在缺乏液滴去除必要条件下执行液滴去除的能力。在示例情况下，其中燃料电池系统的温度为80℃，并且系统的湿度具有10％的低值，而T2′给定为20℃，由于可以想到在温度T2′为20℃时没有湿度成为100％的可能性，在这种情况下不执行液滴去除操作。
并且，如果做出识别满足上述第一至第四液滴去除启动条件的至少一个，可以推定步骤S4中建立液滴去除启动条件。随后，操作前进至步骤S6之后的后续步骤。
反之，在步骤S4中，如果未建立第一至第四液滴去除启动条件的任一个，那么在步骤S5中，对从燃料电池系统停止开始的给定时间间隔是否过去做出判断。如果给定时间间隔没有过去，操作返回至步骤S4。相反，在步骤S5中，如果判断给定时间间隔过去，操作前进至步骤S6随后的步骤。
在这里，步骤S6随后的步骤包括实施送风的步骤，其利用通过吸湿装置含有最小可能水分的空气，并迫使燃料电池系统的导管充满含有最小水分含量的空气，以减少当大气温度降低时将导致凝露发生的水分数量。
具体说来，在步骤S6中，空气流速控制系统的流量控制阀8、9、10和压力控制阀13、14被分别以适当的液滴去除度(液滴去除开口度)打开。
在随后步骤S7中，去除液滴的干空气被允许进入燃料电池系统以导致粘附至空气流速控制系统的液滴被去除。
具体说来，可以想到一种在步骤S6和S7中允许空气流动以去除液滴的方法，包括使用如图1所示的压缩机3允许空气沿燃料电池系统的连续方向流动的步骤。考虑到流动空气更干燥的事实，当大气温度下降更多时凝露再发生的可能性较小，使用通过吸湿装置和燃烧器15被干燥的空气。
更具体地说，在使用压缩机3进气的情况下，如图1所示，吸湿装置的流向控制阀19、20和空气干燥器21被安装在压缩机3的下游区域，以使在空气流动去除液滴的过程中，流向控制阀17被关闭，而流向控制阀19和20被打开，以允许通过空气干燥器21并被干燥的空气进入燃料电池系统。
这里，如果在诸如空气干燥器21之类的吸湿装置的通道中安装再生吸湿性材料21a，例如硅胶，在燃料电池系统的启动过程中高温废气被从燃烧器15导入空气干燥器干燥装置22，导致空气干燥器21被加热以使粘附至空气干燥器21的水分被排出，从而使得空气干燥器21的吸湿性材料能够再生。
另一方面，如果使用不能由于加热排出水分的例如生石灰(氧化钙)之类吸湿性材料21a，就需要检测空气干燥器21重量的检测器，在这种情况下，可以提供通知装置，以在瞬时时间点tc处通知需要更换吸湿性材料，在瞬时时间点tc处重量W1轻于吸湿性材料饱和的重量Wm，通过如图4所示的给定数量使得替换计时点能够被容易地理解。并且，在图中，W0代表吸湿材料的干重。
此外，可以想到多种在去除液滴过程中控制空气流速控制系统的技术。
虽然燃料电池系统包括多个空气流速控制系统，如果这些空气流速控制系统串联安装，优选通过迫使这些空气流速控制系统具有相当于最有效去除液滴的开口度的液滴去除开口度，执行去除液滴，在考虑阀体的喷嘴效应以能够增加通过其中空气的流速、阀体的接触面面积以加速融化粘附其上的结冰等因素的基础上，其中顺次为空气流速控制系统被安装至较靠近液滴去除供气装置。
在具有如图1所示结构的情况下，由于流量控制阀9与压力控制阀14串联安装，和流量控制阀10与压力控制阀13分别地串联安装，通过顺次迫使阀开口具有液滴去除开口度X执行液滴去除，其中空气流速控制系统的组成元件靠近作为液滴去除供气装置的压缩机3。当发生此情况时，另一与执行液滴去除的阀串联安装的阀被以数值100％完全打开。具体说来，下文分别参照图5A和5B所示的时间图，结合流量控制阀9和压力控制阀14的典型实施例做出说明。首先，如图5A所示，选择保持靠近压缩机3的流量控制阀9的阀开口度Dv，在时间间隔t1内使其具有液滴去除开口度X，而后，流量控制阀9被完全打开。另一方面，如图5B所示，在流量控制阀9的阀开口度Dv被打开具有液滴去除开口度X的时间间隔内，操作最远离压缩机3的压力控制阀14使其完全打开，然后，在流量控制阀9的阀开口度Dv被完全打开的时间间隔t2内，压力控制阀14被打开以具有液滴去除开口度X。换句话说，产生一种情况，其中在压力控制阀14具有等于液滴去除开口度X的开口度的时间间隔内，流量控制阀9的阀开口度Dv被完全打开。并且，确定此时间间隔t1和t2，以使时间间隔t2，在此过程中安装在下游端的压力控制阀14被以液滴去除开口度X打开，长于时间间隔t1，在此过程中安装在上游端的流量控制阀9被以液滴去除开口度X打开。这是基于压力控制阀14被安装在相比流量控制阀9较远离作为液滴去除供气装置的压缩机3的位置的考虑。
此外，在具有如图1所示结构，其中多个空气流速控制系统被互相并联安装，比如流量控制阀8、9、10，在时间间隔t3、t4和t5内，流量控制阀8、9、10可以顺次优选打开具有液滴去除开口度X，以导致用于去除液滴的本目标的特定流量控制阀分别实现如图6A至6C所示的时间图的情况，同时使其它余下的流量控制阀在特定流量控制阀被打开以去除液滴的时间间隔内不工作(即完全关闭)，从而使供应至特定流量控制阀的空气压力能够被增加。更具体地说，如图6A所示，首先，在时间间隔t3内流量控制阀8被以液滴去除开口度X打开，并且同时，如图6B和6C所示，其它余下的流量控制阀9、10被完全关闭。接着，如图6B所示，在时间间隔t4内流量控制阀9被以液滴去除开口度X打开，并且同时，如图6A和6C所示，其它余下的流量控制阀8、10被完全关闭。然后，如图6C所示，在时间间隔t5内流量控制阀10被以液滴去除开口度X打开，并且同时，如图6A和6B所示，其它余下的流量控制阀8、9被完全关闭。
并且，如果多个流量控制阀串联连接的流动通道互相并联安装，选择并联通道的其中一个作为去除液滴的目标，而其它流动通道被完全关闭，并且流量控制阀被顺次以液滴去除开口度X打开以去除液滴，其中在去除其上液滴的目标的流动通道中，流量控制阀较靠近作为液滴去除供气装置的压缩机3，随后多个流动通道的余下其它流动通道可以实施类似的操作以执行去除液滴。
此外，将检测燃料电池系统内部温度T的检测器定位于涉及流量控制阀8、9、10和压力控制阀13、14的空气流速控制系统的附近，以使能够如图7所示的情况控制，温度T越低，控制阀保持液滴去除开口度X的时间间隔tX将越长。假定在这种情况下使用的燃料电池系统内的温度，为在上述第一液滴去除启动条件中燃料电池系统停止之后在启动延迟时间过去后的温度，可以想到发生凝露并且凝露的数量增加。因此，为了在由于凝露引起的水分数量增加的情况下可靠地去除液滴，将保持液滴去除所必须的液滴去除开口度的时间间隔确定为具有延长值。并且，在图中，tL代表保持液滴去除开口度X的时间间隔的最大值，而ts代表保持液滴去除开口度X的时间间隔的最小值。
此外，将检测燃料电池系统内部湿度MO的检测器定位于涉及流量控制阀8、9、10和压力控制阀13、14的空气流速控制系统的附近，以使能够如图8所示的典型情况控制，燃料电池系统内的湿度越高，控制阀保持液滴去除开口度X的时间间隔tX将越长。当应用于上述第二液滴去除启动条件时，确定其以使燃料电池系统停止之后直接显示的湿度越高，控制阀保持液滴去除开口度X的时间间隔tX将越长，从而能够使去除液滴可以在由于凝露引起的水分数量增加的情况下可靠地执行。并且，在图中，tL代表保持液滴去除开口度X的时间间隔的最大值，而ts代表保持液滴去除开口度X的时间间隔的最小值。
此外，如图9所示的典型情况，可以采用替代方法，以在各空气流速控制系统的流量控制阀8、9、10和压力控制阀13、14的每个元件的液滴去除开口度Dv中，获得定期改变液滴去除开口度X的振幅A和频率f。因此，通过定期地改变液滴去除开口度X的振幅A和频率f，有可能更有效地去除将在静态空气流动中难以去除的液滴。
并且，可以为流向控制阀17采取另一方法，以使在关闭条件下，使用来自作为液滴去除供气装置的压缩机3的空气供应流向控制阀17，以暂时在其中聚集空气并随后打开，以更有效的方法执行液滴去除。
此外，虽然需要在燃料电池体12内有电解质层以包含水分，存在由于用于去除液滴的干燥空气的不利影响引起的出现水分数量不足的可能性。为了处理这种情况，可以采用一种方法提供一种结构，其中在液滴去除操作已经被终止后，未显示的给水系统被激活，以导致水分被供应至燃料电池体12的内部区域。替换地，可以想到提供一种旁路系统，以阻止干燥空气通过燃料电池体12，并且在去除液滴的操作过程中使旁路系统被打开。
在上述步骤中去除液滴之后，在步骤S8，所有的控制阀，例如流量控制阀8、9、10和压力控制阀13、14被完全关闭以完成一系列随后操作。
综上所述，本发明目前提交的实施方式基于考虑当燃料电池系统停止发电时，如果在系统内部保持高温的条件下流量控制阀8、9、10和压力控制阀13、14被关闭，就有在系统已经被冷却后发生凝露的增加的可能性，并且在系统被保持在等于或低于0℃的低温环境的条件下，流量控制阀8、9、10和压力控制阀13、14经受冻结和粘附，从而导致在随后的启动操作中使用由压缩机3供应的高温空气去除流量控制阀冻结所需的增加的时间间隔，结果导致系统启动所需的更长周期。为了处理这种情况，在发电结束时或结束之后，流量控制阀8、9、10和压力控制阀13、14中的液滴被使用来自作为液滴去除供气装置的压缩机3的空气吹走，导致没有凝露和液滴冻结的可能性以使启动周期能够被缩短。
(第二实施方式)接下来，下文主要参照图10更详细地说明本发明的第二实施方式。目前提交的实施方式的燃料电池系统具有一种结构，其中使用氢气瓶替换第一实施方式的重整器。因此，以提示这种差别的观点说明目前提交的实施方式，适当地省略与第一实施方式具有相同标号的相似部件的多余说明或者简述说明。
图10为目前提交的实施方式的燃料电池系统的系统整体结构。
如图10所示，在目前提交实施方式的燃料电池系统中，提供作为氢气存储部件的氢气瓶25替代第一实施方式的重整器11，消除重整器11的需要，以使系统可以简化结构制造。
此外，燃料电池系统也包括与第一实施方式类似的压缩机3、燃料电池体12和燃烧器15，并空气流速控制系统包括两组合，即气流计5和流量控制阀8间的组合与流量计6和流量控制阀9间的组合。此外，氢气流速控制系统包括减压阀26、流量计27和流量控制阀10，通过此氢气流速控制系统氢气被以期望的流速控制并供应至燃料电池体12的燃料电极。
并且，在图10中，标号23代表流向控制阀，而标号24代表安装在燃烧器15下游以收集由燃烧器15发射的废气的收集器部件，流向控制阀23和收集器部件24被组合在反向流动装置中。并且，这种收集器部件24被构造为起到液滴去除供气装置的作用。
现在，下面说明目前提交实施方式的燃料电池系统的操作。
目前提交实施方式的燃料电池系统以与第一实施方式相同的方法，执行与停止发电次序的步骤S1，和其几个随后的步骤，即步骤S2至步骤S6一致的相同操作，如图2所示。
但是，目前提交的实施方式不同于第一实施方式，因为执行步骤S6随后的操作，以操作形成去除液滴目标的流量控制阀8、9，和在步骤S7中修改一种允许去除液滴的干燥空气被导入燃料电池的方法，以使空气在收集器部件24中被收集，形成反向流动装置的一部分，并且，也形成反向流动装置的一部分的流向控制阀23被打开，以允许实现空气的反向流动，用来去除液滴。
在上述步骤中已经去除液滴后，在步骤S8，例如流量控制阀8、9之类的所有控制阀被关闭以终止一系列操作。
此外，收集器部件24可以提供有硅胶或生石灰之类的吸湿性材料24a，以允许存储更干燥的空气并且随后空气沿相反方向流动。
综上所述，同样，本发明目前提交的实施方式基于考虑当燃料电池系统停止发电时，如果在系统内部保持高温的条件下流量控制阀8、9被关闭，就有在系统已经被冷却后发生凝露的增加的可能性，并且在系统被保持在等于或低于0℃的低温环境的条件下，流量控制阀8、9经受冻结和粘附，从而导致在随后的启动操作中使用由压缩机3供应的高温空气去除流量控制阀冻结所需的增加的时间间隔，结果导致系统启动所需的更长周期。为了处理这种情况，在发电结束时或结束之后，流量控制阀8、9中的液滴被使用由作为液滴去除供气装置的收集器部件24的流动空气沿反向吹走，导致没有凝露和液滴冻结的可能性以使启动周期能够被缩短。
并且，在前述实施方式中，可以修改具有如图1所示包含重整器的系统的第一实施方式，以使其包含第二实施方式的反向流动装置，其中系统采用如图10所示氢气瓶，代替吸湿装置，并且反之，可以修改图10所示的第二实施方式，以使其包括图1所示的第一实施方式的吸湿装置。
这里以引用形式结合申请日为2002年1月8日、申请号为TOKUGAN 2002-1570的日本专利的全部内容。
虽然上文已经参照本发明的某些实施方式说明了本发明，本发明并不限于上述实施方式。根据讲解，本领域的技术人员将想到上述实施方式的修改和改变。本发明的范围参照权利要求书限定。
工业应用如上所述，按照本发明，其构造为空气流速控制元件的开口被以液滴去除开口度设定，以加速空气的流动速度，允许空气以液滴去除开口度流动，从而导致粘附至空气流速控制元件的液滴被吹走，因而避免空气流速控制元件的冻结和粘附，以使系统能够在最短的周期内被启动。因此，可以期望本发明具有广泛的应用范围，包括采用这种燃料电池系统的燃料电池动力汽车等。
权利要求
1.一种燃料电池系统，包括燃料电池体；供应空气至燃料电池体的供气系统；空气流速控制系统，改变供应空气通过的流动通道的开口度而控制空气流速；和去除粘附至空气流速控制系统的液滴的液滴去除结构，液滴去除结构可操作，从而，当在燃料电池系统停止时或停止之后建立给定条件时，设定空气流速控制系统的开口度为液滴去除开口度，以增加空气流速，从而允许空气以液滴去除开口度流动，以导致粘附至空气流速控制系统的液滴被吹走。
2.如权利要求1的燃料电池系统，还包括重整器，重整进给材料以产生被供应至燃料电池体的重整气体，重整气体被供应至燃料电池体；和燃烧器，接收由燃料电池系统排出的废气和来自供气系统的空气并燃烧，其中，空气流速控制系统可控，从而，分别改变由空气流速控制系统至重整器、燃料电池体和燃烧器的各流动通道的开口度，以控制空气的流动速度，液滴去除结构可操作，从而，当在燃料电池系统停止时或停止之后建立给定条件时，在燃料电池系统的温度被降低的条件下，设定空气流速控制系统的开口度为液滴去除开口度，从而允许空气以液滴去除开口度流动，以导致粘附至空气流速控制系统的液滴被吹走。
3.如权利要求1的燃料电池系统，还包括氢气存储部件，存储供应至燃料电池体的氢气；和燃烧器，接收由燃料电池系统排出的废气和来自供气系统的空气并燃烧，其中，空气流速控制系统可控，从而，分别改变由空气流速控制系统至燃料电池体和燃烧器的各流动通道的开口度，以控制空气的流动速度，液滴去除结构可操作，从而，当在燃料电池系统停止时或停止之后建立给定条件时，在燃料电池系统的温度被降低的条件下，设定空气流速控制系统的开口度为液滴去除开口度，从而允许空气以液滴去除开口度流动，以导致粘附至空气流速控制系统的液滴被吹走。
4.如权利要求1的燃料电池系统，其中给定条件对应于一种在燃料电池系统停止时或停止之后燃料电池系统的大气温度等于或低于给定温度的情况。
5.如权利要求1的燃料电池系统，其中给定条件对应于一种在燃料电池系统停止时或停止之后燃料电池系统中的湿度基本上等于给定湿度的情况。
6.如权利要求1的燃料电池系统，其中给定条件对应于一种在燃料电池系统停止时或停止之后燃料电池系统的大气温度与燃料电池系统中温度之间的差别等于或低于给定温度差别的情况。
7.如权利要求1的燃料电池系统，其中给定条件对应于一种在燃料电池系统停止时或停止之后，使空气流速控制系统冻结的水分的数量等于或大于通过使用空气流速控制系统的驱动力能够去除的水分数量的情况。
8.如权利要求1的燃料电池系统，其中液滴去除结构使用其水分被吸湿装置去除的干燥空气吹走粘附至空气流速控制系统的液滴。
9.如权利要求8的燃料电池系统，其中吸湿装置包括在燃料电池系统的启动时使用燃烧器及其内积累的热量加热、通过排出水分可再生的吸湿性材料。
10.如权利要求8的燃料电池系统，其中吸湿装置的重量被检测，当此重量等于或低于给定值时，通知吸湿装置要被替换。
11.如权利要求1的燃料电池系统，还包括收集器部件，收集用于去除液滴的空气，其中收集器部件可操作，从而收集供应至供气系统的空气，接着，导致空气沿相反方向流向燃料电池系统的上游。
12.如权利要求11的燃料电池系统，其中收集器部件含有从收集在收集器部件中的空气中去除水分的吸湿性材料。
13.如权利要求1的燃料电池系统，还包括液滴去除供气部件，可操作从而对由供气系统供应的空气加压用于去除液滴，其中多个空气流速控制系统被串联安装，并且多个空气流速控制系统中的每一个被构造成按照其中多个空气流速控制系统更靠近液滴去除供气部件的顺序、以液滴去除开口度被打开，同时完全关闭多个空气流速控制系统中的其它空气流速控制系统。
14.如权利要求1的燃料电池系统，其中多个空气流速控制系统被互相并联安装，并且多个空气流速控制系统中含有待去除液滴的一个以液滴去除开口度被打开，同时完全关闭多个空气流速控制系统中的其它空气流速控制系统。
15.如权利要求14的燃料电池系统，还包括液滴去除供气部件，可操作从而对由供气系统供应的空气加压用于去除液滴，其中它被构造成使得离液滴去除供气部件的距离越大，在去除液滴时保持多个空气流速控制系统中每一个的液滴去除开口度的时间间隔将越长。
16.如权利要求1的燃料电池系统，其中空气流速控制系统保持液滴去除开口度的时间间隔根据空气流速控制系统的环境条件而改变。
17.如权利要求16的燃料电池系统，其中空气流速控制系统保持液滴去除开口度的时间间隔根据燃料电池系统中的温度而改变。
18.如权利要求16的燃料电池系统，其中空气流速控制系统保持液滴去除开口度的时间间隔根据燃料电池系统的湿度而改变。
19.如权利要求1的燃料电池系统，其中液滴去除开口度被周期性改变。
20.一种燃料电池系统，包括燃料电池体；供应空气至燃料电池体的供气装置；改变供应空气通过的流动通道开口度而控制空气流速的空气流速控制装置；和去除粘附至空气流速控制装置的液滴的液滴去除装置，液滴去除装置可操作，从而，当在燃料电池系统停止时或停止之后建立给定条件时，设定空气流速控制装置的开口度为液滴去除开口度，以增加空气流速，从而允许空气以液滴去除开口度流动，以导致粘附至空气流速控制装置的液滴被吹走。
21.一种去除燃料电池系统中液滴的方法，该燃料电池系统提供有燃料电池体、供应空气至燃料电池体的空气供应系统和改变供应空气通过的流动通道开口度而控制空气流速的空气流速控制系统，该方法包括识别燃料电池系统停止时或停止之后是否建立给定条件；设定空气流速控制系统的开口度为液滴去除开口度以增加空气流速；并允许空气以液滴去除开口度流动，以导致粘附至空气流速控制系统的液滴被去除。
全文摘要
一种燃料电池系统(S)，提供有燃料电池体(12)，供应空气至燃料电池体的供气系统(1，2，3，4)，空气流速控制系统(5，6，7，8，9，10，13，14)，它改变供应空气通过的流动通道开口度以控制空气流速，和去除粘附至空气流速控制系统的液滴的液滴去除结构(3，8，9，10，13，14，19，20，21，22，23，24)。液滴去除结构可操作，以设定空气流速控制系统的开口度为液滴去除开口度，以增加空气流速，从而允许空气以液滴去除开口度流动，以导致粘附至空气流速控制系统的液滴被吹走。
文档编号H01M8/04GK1500294SQ02807269
公开日2004年5月26日 申请日期2002年12月24日 优先权日2002年1月8日
发明者浅井明宽, 大泽俊哉, 哉 申请人:日产自动车株式会社