用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的装置和方法与流程

1.本发明涉及一种用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的技术。


背景技术：

2.本节中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可不构成现有技术。
3.燃料电池系统是一种发电系统，其通过电化学方法将燃料电池堆中的燃料的化学能直接转换成电能，而不是通过燃烧将化学能改变成热量。
4.为此，燃料电池系统可包括产生电能的燃料电池堆；将氢燃料供应到燃料电池堆中的氢供应装置；向燃料电池堆供应空气(氧气)的空气供应装置，其中空气是电化学反应的氧化剂；热管理系统(tms)，其将燃料电池堆的反应热释放到外部，控制燃料电池堆的工作温度并执行水管理功能；以及控制装置，其用于控制燃料电池系统的整体运行。
5.燃料电池系统通过氢燃料与空气中的氧发生反应而产生电能，并释放作为反应副产物的热和水。
6.同时，在诸如氢浓度降低、氮浓度升高、电流累积过多、发生堆反向电压、电压不平衡、燃料电极压力过大等情况下，燃料电池系统打开排放阀，以确保燃料电极中的氢浓度并控制燃料电极中的压力。
7.当排放阀打开时，位于排放阀前方的集水器中的冷凝物被释放，并且当集水器的水位低于或等于参考值时，燃料电池系统确定冷凝物的释放完成。此后，燃料电池系统将排放阀保持在打开状态持续参考时间，以允许氢被吹扫。
8.我们已经发现，燃料电池系统在释放冷凝物和吹扫氢的过程中，可能无法适当地调节排放阀的开口面积。因此，燃料电池系统可能产生氢的吹扫延迟，从而降低燃料电池堆的耐久性；也可能促进氢的吹扫，从而使排气中的氢浓度超过参考值。
9.在本背景技术部分中公开的以上信息仅用于增强对本发明的背景的理解，因此，其可能包含不构成现有技术的任何部分或者现有技术可能向本领域中的普通技术人员提出的信息。


技术实现要素：

10.本发明的一方面提供一种用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的装置和方法，其中，该装置和方法抑制或防止燃料电池堆中的降解，并且通过在排放冷凝物时将排放阀的开口面积控制成最大值以及在吹扫氢时基于排放阀的入口压力和出口压力之间的差值来控制排放阀的开口面积，通过在最佳时间吹扫氢，将排气中的氢浓度保持在参考值或更小。
11.本发明要解决的技术问题不限于上述问题，本发明所属领域的技术人员从以下描述中将清楚地理解本文未提及的任何其他技术问题。
12.根据本发明的一方面，一种用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的装置，包括：氢传感器，测量通过打开燃料电极排放阀而释放的氢的浓度；第一压力传感器，测量燃
料电极排放阀的入口压力；第二压力传感器，测量燃料电极排放阀的出口压力；以及控制器，在排放冷凝物时将燃料电极排放阀的开口面积控制成最大值，并且基于吹扫氢时燃料电极排放阀的入口压力与出口压力之间的差，控制燃料电极排放阀的开口面积。
13.在本发明的一种实施方式中，当由氢传感器测量的氢浓度超过第一参考值时，控制器开始吹扫氢。
14.在本发明的另一种实施方式中，控制器可以在吹扫氢时将燃料电极排放阀的开口面积控制在参考范围内。
15.在本发明的某些实施方式中，控制器可以随着燃料电极排放阀的入口压力和出口压力之间的差的增大，来减小燃料电极排放阀的开口面积。
16.在本发明的某些实施方式中，当由氢传感器测量的氢浓度超过第二参考值时，控制器可以将燃料电极排放阀的开口面积控制成最小值。
17.在本发明的某些实施方式中，当满足用于阻塞燃料电极排放阀的条件时，控制器可以阻塞燃料电极排放阀。
18.根据本发明的另一方面，一种用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的方法，包括以下步骤：由氢传感器测量通过打开燃料电极排放阀而释放的氢的浓度；由第一压力传感器测量燃料电极排放阀的入口压力；由第二压力传感器测量燃料电极排放阀的出口压力；在排放冷凝物时，由控制器将燃料电极排放阀的开口面积控制成最大值；以及由控制器基于在吹扫氢时燃料电极排放阀的入口压力与出口压力之间的差，控制燃料电极排放阀的开口面积。
19.在本发明的某些实施方式中，控制燃料电极排放阀的开口面积的步骤可包括：确定氢浓度超过第一参考值的时间以开始吹扫氢。
20.在本发明的某些实施方式中，控制燃料电极排放阀的开口面积的步骤可包括：在吹扫氢时，将燃料电极排放阀的开口面积控制在参考范围内。
21.在本发明的某些实施方式中，控制燃料电极排放阀的开口面积的步骤可包括：基于燃料电极排放阀的入口压力和出口压力之间的差的增大，来减小燃料电极排放阀的开口面积。
22.在本发明的某些实施方式中，控制燃料电极排放阀的开口面积的步骤可包括：当由氢传感器测量的氢浓度超过第二参考值时，将燃料电极排放阀的开口面积控制成最小值。
23.在本发明的某些实施方式中，该方法进一步包括以下步骤：由控制器基于用于阻塞燃料电极排放阀的条件来阻塞燃料电极排放阀。
24.根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体实施例仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。
附图说明
25.为了能够很好地理解本发明，下面将参考附图描述其作为示例给出的各种实施方式，其中：
26.图1为示出应用了本发明的燃料电池系统的示意图；
27.图2为示出根据本发明一个实施方式的用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀
的装置的构造的视图；
28.图3为示出根据本发明一个实施方式的燃料电池系统的燃料电极排放阀控制装置所包括的控制器对排放阀的开口面积进行调节的过程的视图；
29.图4为示出根据本发明一个实施方式的燃料电池系统的燃料电极排放阀控制装置所包括的控制器对排放阀的开口面积进行调节的过程的视图；
30.图5为示出根据本发明一个实施方式的一种用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的方法的流程图；以及
31.图6为示出根据本发明一个实施方式的一种用于执行用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的方法的计算系统的框图。
32.本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
33.以下描述本质上仅为示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。应当理解，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
34.在下文中，将参考示例性附图详细描述本发明的一些实施方式。应该注意，在将附图标记添加到每个附图的组件上时，即使相同或等同的部件显示在其他附图上，也由相同的附图标记来表示。此外，在描述本发明的实施方式时，将省略对众所周知的特征或功能的详细描述，以免不必要地使本发明的主旨不清楚。
35.在描述根据本发明的实施方式的组件时，可以使用诸如第一、第二、“a”、“b”、(a)、(b)等术语。这些术语仅旨在将一个组件与另一组件区分开，并且这些术语不限制组件的性质、顺序或次序。除非另外定义，否则本文使用的所有术语，包括技术术语或科学术语，具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。在通常使用的字典中定义的那些术语应被解释为具有与相关领域中的上下文含义相等的含义，并且不应被解释为具有理想或过度正式的含义，除非在本技术中明确定义为具有这样的含义。
36.图1为示出应用了本发明的燃料电池系统的示例图。
37.如图1所示，应用本发明的燃料电池系统可以包括燃料截止阀(fbv)100，燃料供应阀(fsv)110，燃料喷射器(fe)120，燃料压力传感器1(fps1)130，燃料电池堆(fcs)140，燃料管路集水器(fwt)150，燃料管路排放阀(fdv)160等。
38.fbv 100阻塞被供应到燃料电池堆140中的氢。
39.fsv 110调节被供应到燃料电池堆140中的氢的压力。
40.fe 120通过向氢施加压力，将氢供应到燃料电池堆140中。
41.fps1 130作为第一压力传感器，测量被供应到燃料电池堆140中的氢的压力。也就是说，fps1 130测量fdv 160的入口压力。
42.燃料电池堆140利用氢与氧的化学反应发电。
43.fwt 150存储燃料电极的冷凝物。
44.fdv 160作为燃料电极排放阀，吹扫燃料电池堆140中的氢，并排放fwt 150中存储的冷凝物(水)。排放阀160可以由电磁阀实现。
45.图2为示出根据本发明一个实施方式的用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的装置的构造的视图。
46.如图2所示，燃料电池系统的燃料电极排放阀控制装置200可包括存储装置10、氢传感器20、fps1 130、fps2 30和控制器40。取决于执行根据本发明实施方式的燃料电池系统的燃料电极排放阀控制装置200的方式，可以将这些部件组合在一起以形成一个整体，也可以省略某些部件。
47.存储器10可以存储基于由氢传感器20测量的排放阀160的出口处的氢的浓度来确定开始吹扫氢的时间的过程所需的各种逻辑、算法和程序，从而在排放冷凝物时，将排放阀160的开口面积控制成最大值，并且在吹扫氢时基于排放阀160的入口压力和出口压力之间的差来调节排放阀160的开口面积。
48.存储装置10可以存储第一参考值(例如，1％至2％)以作为用于确定开始吹扫氢时的氢浓度，并且可以存储第二参考值(例如，3％至4％)以作为用于将排放阀160的开口面积控制成最小值的第二氢浓度。
49.存储装置10可以包括闪存型、硬盘型、微型类型和卡型(例如，安全数字(sd)卡或extream数字(xd)卡)等存储器和随机存取存储器(ram)型、静态ram(sram)型、只读存储器(rom)型、可编程rom(prom)型、电可擦除prom(eeprom)型、磁性ram(mram)型、磁盘型和光盘型等存储器中的至少一种类型的存储介质。
50.氢传感器20可以位于排放阀160的出口处，并且可以测量在排放阀160打开时释放的氢的浓度。
51.作为第二压力传感器，fps2 30可以位于排放阀160的出口处并且可以测量排放阀160的出口压力。
52.控制器40执行总体控制，以允许组件正常地执行其功能。控制器40可以以硬件或软件，或其组合的形式来实现。控制器40可被实现为但不限于微处理器。
53.特别地，控制器40可以在基于由氢传感器20测量的排放阀160的出口处的氢浓度来确定开始吹扫氢的时间的过程中执行各种控制，从而在排放冷凝物时，将排放阀160的开口面积控制成最大值，并且在吹扫氢时基于排放阀160的入口压力与出口压力之间的差来调节排放阀160的开口面积。
54.当满足特定条件时，控制器40可以打开排放阀160。也就是说，控制器40可以在诸如燃料电池堆140中的氢浓度降低、燃料电池堆140中的氮浓度升高、过量的电流累积、燃料电池堆140中发生反向电压、电压不平衡、燃料电极压力过大等情况下，打开排放阀160。用于打开排放阀160的条件是公知的普通技术，并且在打开排放阀160时，可以使用任何一种条件。
55.在打开排放阀160时，控制器40可将排放阀160的开口面积控制成最大值，以允许fwt 150中的冷凝物被快速排放。
56.在打开排放阀160时，控制器40可基于由氢传感器20测量的氢的浓度确定开始吹扫氢的时间。也就是说，在排放阀160打开时由氢传感器20测量的氢的浓度超过第一参考值的情况下，控制器40可以确定冷凝物被完全排放并且开始吹扫氢。
57.在吹扫氢时，控制器40可基于由fps1 130测量的排放阀160的入口压力与由fps2 30测量的排放阀160的出口压力之间的差，调节排放阀160的开口面积。
58.在下文中，将参考图3描述由控制器40调节排放阀160的开口面积的过程。
59.图3为示出根据本发明的一个实施方式，燃料电池系统的燃料电极排放阀控制装
置所包含的控制器对排放阀的开口面积进行调节的过程的视图。
60.在图3中，纵轴表示与排放阀160的开度相对应的负载，横轴表示排放阀160的入口压力与出口压力之差。
61.如图3所示，当打开排放阀160时，控制器40可以将排放阀160的开口面积控制成最大值d3，以允许fwt 150中的冷凝物被快速排出。
62.在吹扫氢时，控制器40可以基于由fps1 130测量的排放阀160的入口压力与由fps2 30测量的排放阀160的出口压力之间的差(以下称为压差)，在d1至d2的参考范围内调节排放阀160的开口面积。此时，控制器40可以执行控制，使得随着排放阀160的压差增大，排放阀160的开口面积减小。这是为了减少氢的释放量。此外，控制器40可以执行控制，使得随着排放阀160的压差减小，排放阀160的开口面积增大。这是为了抑制或防止吹扫氢的延迟。
63.当在调节排放阀160的开口面积的过程中，由氢传感器20测量的氢浓度超过第二参考值时，控制器40将排放阀160的开口面积控制成最小值d1，以减小或者使释放的氢的量最少。即使在将排放阀160的开口面积控制成最小值d1时，也不意味着排放阀160处于完全关闭状态。
64.同时，当满足用于阻塞排放阀160的条件时，控制器40可以阻塞排放阀160。在此，用于阻塞排放阀160的条件是众所周知的普通技术，并且在阻塞排放阀160时，可以使用任何方法。
65.图4是示出在本发明一个实施方式中，燃料电池系统的燃料电极排放阀控制装置中包含的控制器对排放阀的开口面积进行调节的过程的视图。
66.在图4中，“a1”表示满足用于打开排放阀160的条件的时间，“a2”表示排放阀160打开的时间，“a3”表示开始吹扫氢的时间，“a4”表示当由位于排放阀160的出口处的氢传感器20测量的氢浓度超过第二参考值时的时间，而“a5”表示排放阀160被阻塞时的时间。
67.在图4中，“b1”表示正常操作间隔，“b2”表示燃料电极的压力增加的间隔，“b3”表示排放阀160的开口面积被控制成最大值“d3”的间隔，“b4”表示基于排放阀160的压差，在“d1”至“d2”的参考范围内调节排放阀160的开口面积的间隔，而“b5”表示从排放阀160的出口释放的氢的浓度超过第二参考值并且将排放阀160的开口面积控制成最小值“d1”的间隔。
68.参考图4，“c1”表示第一参考值；“c2”表示第二参考值；“c3”表示排放阀160的最小压差，用作打开排放阀160的条件；“d3”表示当冷凝物被排放时，排放阀160的最大开度；“d2”表示在吹扫氢时排放阀160的最大开度，而“d1”表示在吹扫氢时排放阀160的最小开度。
69.图5示出根据本发明一个实施方式的一种用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的方法的流程图。
70.控制器40打开排放阀160(501)。此时，控制器40可以在满足用于打开排放阀160的条件的情况下打开排放阀160，并且打开条件不是本发明的主题。
71.控制器40将排放阀160的开口面积控制成最大值(502)。
72.氢传感器20测量从排放阀160释放的氢的浓度(503)。此时，氢传感器20可以周期性地测量氢的浓度。
73.控制器40确定由氢传感器20测量的氢的浓度是否超过第一参考值(504)。
74.当确定氢的浓度不超过第一参考值时(504)，控制器40前进到步骤“503”。
75.当确定氢的浓度超过第一参考值时(504)，控制器40识别出开始吹扫氢，并确定氢的浓度是否超过第二参考值(505)。
76.当确定氢的浓度不超过第二参考值时(505)，控制器40基于排放阀160的入口压力和出口压力之间的差(差压)，将排放阀160的开度控制在d1至d2的参考范围内(506)。此时，控制器40可执行控制，使得随着排放阀160的压差减小，排放阀160的开口面积增大。
77.当确定氢的浓度超过第二参考值时(505)，控制器40将排放阀160的开口面积控制成最小值d1(507)。
78.控制器40确定是否满足用于阻塞排放阀160的条件(508)。
79.当确定不满足用于阻塞排放阀160的条件时(508)，控制器40前进到步骤“505”，并且当满足用于阻塞排放阀160的条件时，控制器40阻塞排放阀160。
80.图6示出根据本发明一个实施方式的一种执行用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的方法的计算系统的框图。
81.参考图6，可以通过计算系统来实现用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的方法。计算系统1000可以包括至少一个处理器1100、存储器1300、用户界面输入装置1400、用户界面输出装置1500、存储装置1600和网络接口1700，它们经由系统总线1200彼此连接。
82.处理器1100可以是中央处理单元(cpu)或用于处理存储在存储器1300和/或存储装置1600中的指令的半导体器件。存储器1300和存储装置1600可以包括各种类型的易失性或非易失性存储介质。例如，存储器1300可以包括rom(只读存储器)1310和ram(随机存取存储器)1320。
83.因此，结合本文公开的实施方式描述的方法或算法的操作可以直接实施在由处理器1100执行的硬件或软件模块中，或者以其组合实施。软件模块可以驻留在存储介质(即，存储器1300和/或存储装置1600)上，例如ram、闪存、rom、eprom、eeprom、寄存器、硬盘、可移动盘或cd-rom。该示例性存储介质可以耦合至处理器1100，并且处理器1100可以从该存储介质中读取信息并且可以将信息记录在该存储介质中。可选地，存储介质可以与处理器1100集成在一起。处理器1100和存储介质可以驻留在专用集成电路(asic)中。asic可以驻留在用户终端内。在另一种情况下，处理器1100和存储介质可以作为单独的组件驻留在用户终端中。
84.如上所述，根据本发明的实施方式，用于控制燃料电池系统的燃料电极排放阀的装置和方法，在排放冷凝物时将排放阀的开口面积控制成最大值，并基于吹扫氢时排放阀的入口压力和出口压力之间的差来控制排放阀的开口面积，从而使氢能够在最佳时间被吹扫，这继而防止燃料电池堆中的降解并将排气中的氢浓度保持在参考值或更低。
85.在上文中，尽管已经参考示例性实施方式和附图描述了本发明，但是本发明不限于此，本发明所属领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明进行各种修改和变形。
86.因此，提供本发明的示例性实施方式来说明本发明的精神和范围，但不限制它们，使得本发明的精神和范围不受形式的限制。本发明的范围应该基于所附权利要求来解释，并且与权利要求等同的范围内的所有技术思想都应当包括在本发明的范围内。