燃料电池系统和计算燃料电池系统中的循环比率的方法技术方案

本发明专利技术披露了一种能够抑制在系统运行期间在供应气体和循环气体合流部分处的冻结的燃料电池系统，以及一种用于计算该系统中的循环比率的方法。在本发明专利技术的燃料电池系统中，从燃料电池排出的循环气体与从气体供应源供应到燃料电池的供应气体汇合，并且参考循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热设定相对于供应气体的流率的循环气体的流率。可以通过参考冷凝潜热的在合流部分处的热平衡计算设定相对于供应气体的流率的循环气体的流率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种其中从燃料电池排出的气体与被供应到燃料电池 的气体汇合的燃料电池系统，以及一种用于计算该系统中的循环比率 的方法。
技术介绍
迄今，已经广知一种燃料电池系统，其中从燃料电池排出的氢废 气与从高压力氢罐排出的氢气汇合从而被再次供应到燃料电池。在这 种燃料电池系统中，在沿着从高压力氢罐到燃料电池延伸的供应路径 的的中途处，连接用于将氢废气返回到供应路径的循环路径。通常，因为由燃料电池中的电化学反应产生水，所以氢废气含有 大量水蒸汽。因此，在停止系统之后在冰点以下，氢废气中的水蒸汽 在循环路径等中冷凝，并且冷凝的水可能冻结。为了解决该问题，在于日本专利申请公开No.2005-93110中披露的燃料电池系统中，在停止 系统之后循环路径等中的压力升高，由此水的凝点被降低以抑制在循 环路径中的冻结。
技术实现思路
另外，通过气体消耗，在高压力氢罐中的氢气温度由于绝缘膨胀 而降低。当燃料电池系统的运行(在下文中有时被称作"系统运行") 在低于冰点的外部空气温度下执行时，在外部空气温度以下的氢气与 氢废气汇合。因此，在合流部分处，氢废气中的水蒸汽被冷却，并且 可以最终冻结。然而，在传统燃料电池系统中，不参考在系统运行期 间的冻结，并且需要进一步的改进。本专利技术的一个目的在于提供一种能够在系统运行期间在被供应到 燃料电池的气体和从燃料电池排出的气体的合流部分处抑制冻结的燃 料电池系统，以及一种用于计算该系统中的循环比率的方法。为了实现以上目的，在本专利技术的燃料电池系统中，从燃料电池排 出的循环气体与从气体供应源供应到燃料电池的供应气体汇合。而且， 参考循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热设定相对于供应气体流率的循环 气体的流率(这种比率在下文中被称作"循环比率")。而且，本专利技术的另一燃料电池系统包括燃料电池、供应气体的气体供应源、用于将该供应气体从气体供应源供应到燃料电池的供应路径、用于将从燃料电池排出的循环气体返回到供应路径的循环路径，以及供应气体在此处与循环气体汇合的合流部分。而且，参考循环气 体中的水蒸汽的冷凝潜热设定循环比率。根据这种构造，为了设定循环比率，参考在循环气体中具有的水 蒸汽的冷凝潜热。结果，循环气体可以与供应气体汇合从而相结合的 循环气体中的水蒸汽不被供应气体冷却或者冻结。因此，在系统运行期间，可以抑制在供应气体和循环气体的合流部分处的冻结。不需在 合流部分处设置专门用于抑制冻结等的外部加热器。优选地，气体供应源是燃料系统源，并且供应气体和循环气体被 供应到燃料电池的燃料电极。结果，在其中冻结被抑制的状态中，燃 料系统的循环气体可以被循环并且供应到燃料电池的燃料电极。"供应气体"意味在其中执行重整处理的情形中包括典型为氢气 和富氢燃料气体的燃料气体的概念。"供应气体"主要是含有氢气的气体，但是可以是除了氢气之外的气体(例如CNG)。"循环气体"主要包 括从燃料电池排出的氢废气和水蒸汽。另外，"循环气体"例如包括除 了氢废气和水蒸汽在燃料电池中交叉泄露的氮气。优选地，通过参考冷凝潜热计算在循环气体和供应气体的合流部 分处的热平衡而设定循环比率。结果，可以更加准确地计算在合流部 分处的热平衡。而且，基于这种计算结果设定循环比率，从而可以抑 制在合流部分处的冻结。优选地，参考冷凝潜热设定循环比率从而在供应气体和循环气体 相结合之后构成的结合气体的温度高于预定温度。结果，循环比率被 设定为使得例如结合气体的温度高于水在此处冻结的温度，从而可以 抑制在结合之后的冻结。更优选地，所述预定温度是在结合气体压力下的水凝点或者更高。 结果，因为结合气体达到比水在此处开始冻结的温度高的温度，所以 可以进一步抑制在结合之后的冻结。这里，当结合气体的压力高于760mmHG时，水的凝点降到O'C以 下。因此，在其中结合气体的压力高于760mmHG的情形中，当循环 比率被设定为使得结合气体的温度高于0。C时，从在结合之后抑制冻结 的角度，基于安全方面设定循环比率。因此，在一种优选配置中，该 预定温度可以为0'C。优选地，参考冷凝潜热设定循环比率的下限值。在系统运行期间 循环气体的温度由于燃料电池发电而升高，但是当循环气体流率低于 供应气体流率时，在气体相互结合之后水蒸汽可被冷凝以冻结。因此， 下限值可以被设定为循环比率以抑制在结合之后的冻结。优选地，本专利技术的燃料电池系统还包括能够控制被馈送到供应气 体和循环气体的合流部分的循环气体的流率的循环器件。根据这种构造，循环器件可以容易地控制循环气体的流率。更优选地，该循环器件可以基于供应气体的温度、循环气体的压 力和外部空气温度中的至少一个而改变循环比率。优选地，本专利技术的燃料电池系统还包括从气体供应源到气体入口 延伸的供应路径，以及从燃料电池的气体出口到循环路径和供应路径 之间的合流部分延伸的循环路径。为了实现以上目的， 一种用于计算本专利技术的燃料电池系统中的循 环比率的方法是一种计算燃料电池系统中的循环比率的方法，在该燃 料电池系统中从燃料电池排出的循环气体与来自气体供应源的供应气 体汇合从而被供应到燃料电池。该方法包括以下步骤参考循环气体 中的水蒸汽的冷凝潜热计算循环气体和供应气体的合流部分处的热平 衡，并且基于计算结果设定循环比率。根据这种构造，循环比率可以被设定为使得在结合之后循环气体 中的水蒸汽不被供应气体冷却或者冻结。结果，在燃料电池系统运行 期间，可以抑制在合流部分处的冻结。为了实现以上目的，本专利技术的另一燃料电池系统包括合流部分， 在此处从高压罐供应到燃料电池的燃料气体与从燃料电池排出的燃料 气体汇合。而且，该燃料电池系统被设定为使得当在合流部分处水分冻结时或者当预期冻结时，改变相对于从燃料电池排出的燃料气体的 流率的从高压罐供应到燃料电池的燃料气体的流率的比率。根据这种构造，当水分在合流部分处冻结时，燃料气体的比率可 以被改变为例如使得冻结的所含水解冻的比率。当预期在合流部分处 的冻结时，可以改变燃料气体的比率从而水分不冻结。因此，在系统 运行期间，可以抑制在合流部分处的冻结。在此情形中，优选的是基于燃料电池的负荷和从高压罐供应到燃料电池的燃料气体的状态确定该比率。 附图说明图1是根据本专利技术的燃料电池系统的构造图表；图2是示出在用于计算根据本专利技术的燃料电池系统中的循环比率 的方法中使用的计算模型的图表；并且图3是示出使用图2的计算模型的计算结果，并且示出在循环比 率和循环气体温度之间的关系的曲线图。具体实施例方式将在下文中参考附图描述根据本专利技术优选实施例的燃料电池系统 以及用于计算该系统中的循环比率的方法。如图1所示，燃料电池系统1包括燃料电池2、氧化气体管线系统 3、燃料气体管线系统4、制冷剂管线系统5和控制器件7。燃料电池 系统l被安装在可移动体例如车辆上，并且向车辆的动力源供应电力。燃料电池2具有由例如固态聚合物电解质类型构造并且其中大量 单体电池被层叠的堆叠结构。每一个单体电池均具有在由离子交换膜 形成的电解质的一个表面上的空气电极，和在电解质的另一表面上的 燃料电极，以及布置成从相对侧面在其间夹住空气电极和燃料电极的 一对分离器。氧化气体被供应到一个分离器的氧化气体通道2a，并且 燃料气体被供应到另一分离器的燃料气体通道2b。燃料电池2由于在 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：　燃料电池；　供应气体的气体供应源；　供应路径，所述供应路径用于将所述供应气体从所述气体供应源供应到所述燃料电池；　循环路径，所述循环路径用于将从所述燃料电池排出的循环气体返回到所述供应路径； 以及　合流部分，所述供应气体在所述合流部分处与所述循环气体汇合，其中参考所述循环气体中的水蒸汽的冷凝潜热设定相对于所述供应气体的流率而言的所述循环气体的流率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：长沼良明，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]