燃料电池系统及控制燃料电池系统的方法与流程

1.本公开涉及一种燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法，其在以组合方式排放集水器内的冷凝水和燃料电池堆的氢电极内的气态杂质的过程中，当调节燃料电池堆的氢电极侧的燃料压力时，通过执行氢气供应阀的控制而不使用单独的传感器，能够估计以组合方式排放的气体量，并且能够以对应于所排放的气体量的方式供应额外的氢气。因此，可以防止供应的氢气的量的过冲或下冲。因此，可以提高燃料电池堆发电的效率，并且可以防止燃料电池堆劣化。


背景技术：

2.关于向燃料电池堆的氢电极(阳极)供应氢气的压力控制，当系统开始运行时，打开氢气阻断阀，并通过控制氢气供应阀的开度来执行燃料电池堆的氢电极的压力控制。在这种情况下，可以通过对氢气供给阀的pwm占空指令来调整供应量。
3.根据燃料电池堆所需的输出设置用于向氢电极供应氢气的目标压力。具体地，当燃料电池堆所需的输出增加时，将供应的空气的流速设置为增加，将空气电极的压力设置为增加，并且将氢电极的目标压力设置为增加。
4.此外，以这样的方式设计并执行pi控制，即氢电极的实际测量氢气压力跟随目标压力。
5.在操作过程中，为了获得氢气的浓度，净化阀打开一定时间并执行净化。此时，为了预先补偿在净化阀打开时由于氢气排放而引起的压力下降，根据在净化阀打开时的时间点上燃料电池堆中的电流，将用于氢气供应阀的占空比补偿目标值设置为向前馈入并调整。
6.当净化阀打开时，排放集水器内的冷凝水，待冷凝水完全排放后，自然执行氢气的净化。在没有提供水位传感器以降低系统成本的情况下，很难准确地知道氢气排放的时间点和排放的氢气的量。此外，存在供应的氢气的压力发生过冲或下冲的问题。
7.上述内容仅旨在帮助理解本公开的背景，而不是意味着本公开属于本领域技术人员已知的相关领域的范围。


技术实现要素：

8.本公开的目的是提供一种燃料电池系统和控制燃料电池系统的方法，其在以组合方式排放集水器内的冷凝水和燃料电池堆的氢电极内的气态杂质的过程中，当调节燃料电池堆的氢电极侧的燃料压力时，通过执行氢气供应阀的控制而不使用单独的传感器，能够估计以组合方式排放的气体量，并且能够以对应于排放气体量的方式供应额外的氢气。因此，可以防止供应的氢气的量的过冲或下冲。因此，可以提高燃料电池堆发电的效率，并且可以防止燃料电池堆劣化。
9.根据本公开的一个方面，提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：氢气供应单元，连接到燃料电池堆的氢气入口侧，在氢气供应单元中设置有供应阀和传感器；氢气
排放单元，连接到燃料电池堆的氢气出口侧，在氢气排放单元中设置有集水器和净化阀；以及控制器，被配置为从供应到燃料电池堆的氢气的量和其中消耗的氢气的量计算通过净化阀排放的氢气的量，并且当排放的氢气的量处于或高于参考值时执行供应阀的补偿控制。
10.在燃料电池系统中，传感器可以是压力传感器，并且可以设置在供应阀和喷射器之间。
11.在燃料电池系统中，净化阀可以设置在集水器的下方，并且当净化阀打开时，首先可以排放集水器内的冷凝水，然后可以排放氢气。
12.在燃料电池系统中，控制器可以根据通过传感器测量的供应的氢气的压力或根据氢气的流速计算供应的氢气的量。
13.在燃料电池系统中，控制器可以根据从燃料电池堆输出的电流计算消耗的氢气的量。
14.在燃料电池系统中，控制器可以通过从供应的氢气的量中减去消耗的氢气的量计算排放的氢气的量。
15.在燃料电池系统中，控制器可以根据供应的氢气的量、消耗的氢气的量和燃料电池堆中加压的氢气的量计算排放的氢气的量。
16.在燃料电池系统中，控制器可以根据燃料电池堆的氢电极的内部压力计算加压的氢气的量。
17.在燃料电池系统中，控制器可以通过从供应的氢气的量减去消耗的氢气的量和在燃料电池堆中加压的氢气的量计算排放的氢气的量。
18.在燃料电池系统中，当排放的氢气的量处于或高于参考值时，控制器可以根据排放的氢气的量计算补偿值，并且可以用通过将补偿值与用于控制供应阀的控制值相加而获得的值控制供应阀，从而防止供应的氢气的量的下冲或过冲。
19.根据本公开的另一方面，提供了一种控制上述燃料电池系统的方法，该方法包括：计算供应给燃料电池堆的氢气的量和其中消耗的氢气的量；从供应到燃料电池堆的氢气的量和其中消耗的氢气的量计算排放的氢气的量；确定排放的氢气的量是否处于或高于参考值，以及当排放的氢气的量处于或高于参考值时，对通过供应阀供应的氢气的量执行补偿控制。
20.在该方法中，在计算排放的氢气的量中，可以根据供应的氢气的量、消耗的氢气的量和燃料电池堆中加压的氢气的量计算排放的氢气的量。
21.在该方法中，在计算排放的氢气的量中，可以通过从供应的氢气的量减去消耗的氢气的量和燃料电池堆中加压的氢气的量计算排放的氢气的量。
22.在该方法中，在对供应的氢气的量执行补偿控制中，当排放的氢气的量处于或高于参考值时，可以根据排放的氢气的量计算补偿值，并且可以用通过将补偿值与用于控制供应阀的控制值相加而获得的值控制供应阀，从而防止供应的氢气的量的下冲或过冲。
23.利用根据本公开的燃料电池系统和控制该燃料电池系统的方法，在以组合方式排放集水器内的冷凝水和燃料电池堆的氢电极内的气态杂质的过程中，当调节燃料电池堆的氢电极侧的燃料压力时，通过执行氢气供应阀的控制而不使用单独的传感器来估计以组合方式排放的气体量，并且以对应于所排放的气体量的方式供应额外的氢气。因此，可以防止供应的氢气的量的过冲或下冲。因此，可以提高燃料电池堆发电的效率，并且可以防止燃料
电池堆劣化。
附图说明
24.结合附图，通过以下详细描述，本公开的上述和其他目的、特征和其他优点将得到更清楚的理解，其中：
25.图1是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的配置的视图；
26.图2是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制的框图；
27.图3是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制结果的曲线图；以及
28.图4是示出根据本公开的实施方式的控制燃料电池系统的方法的流程图。
具体实施方式
29.图1是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的配置的视图。图2是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制的框图。图3是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制结果的曲线图。图4是示出根据本公开的实施方式的控制燃料电池系统的方法的流程图。
30.如图1所示，其是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的视图，根据本公开的燃料电池系统包括氢气供应单元100、氢气排放单元300和控制器700。氢气供应单元100连接到燃料电池堆500的氢气入口侧。在氢气供应单元100中设置有供应阀120和传感器130。氢气排放单元300连接到燃料电池堆500的氢气出口侧。在氢气排放单元300中设置有集水器320和净化阀340。控制器700根据供应到燃料电池堆500的氢气的量和其中消耗的氢气的量计算通过净化阀340排放的氢气的量。当排放的氢气的量处于或高于参考值时，控制器700执行供应阀120的补偿控制。
31.根据本公开的燃料电池系统不再配备有在相关技术中要求设置在集水器320和燃料电池堆500的氢电极出口之间的阀，以及在相关技术中要求设置在集水器320内的水位传感器。燃料电池系统是基于它提供了简化配置从而降低成本和重量的巨大优势的技术的系统。
32.具体地，如图1所示，分别向燃料电池堆500的氢电极520和氧电极540供应氢气和空气。因此，产生水，并产生电流。剩余的氢气通过氢气排放单元300的净化阀340排放。
33.需要调整压力以供应氢气。阻断阀110设置成直接位于供应阀120的上游。阻断阀110是开/关阀。通过pwm控制来控制穿过供应阀120的流体的流速。
34.因此，根据本公开，氢气供应单元100连接到燃料电池堆500的氢气入口侧。在氢气供应单元100中设置有供应阀120和传感器130。传感器130是压力传感器，并且设置在供应阀120和喷射器140之间。另外提供传感器150以测量氢电极的压力。
35.氢气排放单元300连接到燃料电池堆500的氢气出口侧。在氢气排放单元300中设置有集水器320和净化阀340。净化阀340设置在集水器320的下方，并且具有这样的结构，其中当净化阀340打开时，集水器320内的冷凝水首先由于重力而排放，此后形成流动路径，然后排放内部的氢气。因此，在没有提供水位传感器的情况下，精确测量冷凝水全部排放的时间点和氢气开始排放的时间点是非常重要的。
36.为此，控制器700根据供应到燃料电池堆500的氢气的量和其中消耗的氢气的量计
算通过净化阀340排放的氢气的量。当排放的氢气的量处于或高于参考值时，控制器700执行供应阀120的补偿控制。
37.作为参考，根据本公开的示例性实施方式的控制器700被实现为非易失性存储器(未示出)和处理器(未示出)。非易失性存储器被配置为存储用于控制车辆的各种部件的操作的算法或关于用于执行算法的软件命令的数据。处理器被配置为使用存储在非易失性存储器中的数据来执行下面描述的操作。这里，存储器和处理器实现为单独的芯片。可替代地，存储器和处理器可以实现为单个集成芯片。处理器可以是两个或多个处理器的组合。
38.如图2所示，其是用于示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制的框图，以fp(测量氢气压力)遵循根据燃料电池堆500的输出程度设置的fp_t(目标氢气压力)的方式，通过对供应阀120的命令执行反馈控制。
39.当在净化阀340打开以执行净化之后排放的氢气的流速超过参考值时，可以将冷凝水的净化完成时的时间点确定为用于净化氢气的时间点。通过“供应流速-排放流速-加压流速”的表达式计算出所排放的氢气的流速。
40.在打开净化阀340之后，从确定了氢气的净化时到净化结束时，通过对供应阀120的命令执行补偿控制，以便额外供应与被净化的氢气的流速一样多的氢气。执行补偿控制的原因是，如果没有这种补偿，就有可能由于氢气排放而发生过度的压力下冲。
41.此外，当在净化阀340打开后太早地执行补偿控制时，由于提前进行了补偿，有可能发生过度的压力过冲。
42.因此，控制器700根据供应到燃料电池堆500的氢气的量和其中消耗的氢气的量计算通过净化阀340排放的氢气的量。然后，当排放的氢气的量处于或高于参考值时，控制器700执行供应阀120的补偿控制。
43.根据通过传感器130测量的供应的氢气的压力或根据氢气的流速计算供应的氢气的量。
44.然后，控制器700根据从燃料电池堆500输出的电流计算消耗的氢气的量。具体地，消耗的氢气的量有可以由以下等式计算。
45.消耗的量：(燃料电池中由于电流而消耗的氢气的量的计算)
46.其中i是燃料电池中的电流(测量值)，n是燃料电池堆中的电池的数量(设计值)，f是法拉第常数。
47.控制器700通过从供应的氢气的量中减去消耗的氢气的量计算排放的氢气的量。更具体地，控制器700根据供应的氢气的量、消耗的氢气的量和燃料电池堆500中加压的氢气的量计算排放的氢气的量。
48.这里消耗的氢气的量根据从燃料电池堆500输出的电流计算。具体地，消耗的氢气的量有可以由以下等式计算。
49.消耗的量：(燃料电池中由于电流而消耗的氢气的量的计算)
50.其中i是燃料电池中的电流(测量值)，n是燃料电池堆中的电池的数量(设计值)，f是法拉第常数。
51.然后，控制器700根据燃料电池堆500的氢电极的内部压力计算加压的氢气的量。
具体地，加压的氢气的量有可以由以下等式计算。
52.加压的量：pv＝nrt(产生阳极压力的氢气的量的计算)
53.其中v是阳极的体积(设计值)，p是阳极的压力(fp是测量值，fp_t是目标值)，r是理想气体常数，t是阳极的温度(测量值)(换算成绝对温度)。
54.如上所述，从供应的氢气的量中减去消耗的氢气的量和加压的氢气的量，结果获得排放的氢气的量。排放的氢气的量不再小而是开始增加的时间点可以被视为冷凝水全部排放并且氢气开始显著排放的时间点。
55.即，控制器700通过从供应的氢气的量减去消耗的氢气的量和在燃料电池堆500中加压的氢气的量计算排放的氢气的量。
56.因此，当排放的氢气的量处于或高于参考值时，控制器700根据排放的氢气的量计算补偿值，并用通过将补偿值与用于控制供应阀120的控制值相加而获得的值控制供应阀120，从而防止供应的氢气的量的下冲或过冲。
57.如图3所示，其是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制结果的曲线图，当净化阀340打开时，首先排放冷凝水，然后排放氢气。因此，有可能从冷凝水排放结束时的时间点识别出排放的氢气的量增加的点a。
58.因此，当对在点a之后供应的氢气执行显著地补偿控制时，可以防止如线d指示的瞬时发生供应的氢气的压力下冲的现象。此外，可以防止在点a之前执行补偿控制时发生的如线c指示的过冲。
59.因此，通过根据本公开的控制供应的氢气的压力以可靠地遵循由线b指示的目标压力的方式来控制。
60.如图4所示，其是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制方法的流程图，根据本公开的燃料电池系统的控制方法包括：步骤s100、s110和s120，计算供应给燃料电池堆500的氢气的量和其中消耗的氢气的量；步骤s200，从供应到燃料电池堆500的氢气的量和其中消耗的氢气的量计算排放的氢气的量；步骤s210，确定排放的氢气的量是否处于或高于参考值；以及步骤s300和s310，当排放的氢气的量处于或高于参考值时，对通过供应阀120供应的氢气的量执行补偿控制。
61.在计算排放的氢气的量的步骤s200中，通过从供应的氢气的量减去消耗的氢气的量和燃料电池堆500中加压的氢气的量计算排放的氢气的量。
62.具体地，在对氢气的量执行补偿控制的步骤s300和s310中，当排放的氢气的量处于或高于参考值时，根据排放的氢气的量计算补偿值，并且最终用通过将补偿值与用于控制供应阀120的控制值相加而获得的值控制供应阀120。因此，可以防止供应的氢气的量的下冲或过冲。当排放的氢气的量低于参考值时，以遵循目标压力的方式通过一般反馈控制来控制用于供应的氢气的压力(步骤s400、s410和s500)。
63.利用根据本公开的燃料电池系统和控制该燃料电池系统的方法，在以组合方式排放集水器320内的冷凝水和燃料电池堆500的氢电极内的气态杂质的过程中，当调节燃料电池堆500的氢电极侧的燃料压力时，通过执行氢气供应阀120的控制而不使用单独的传感器来估计以组合方式排放的气体量，并且以对应于排放气体量的方式供应额外的氢气。因此，可以防止供应的氢气的量的过冲或下冲。因此，可以提高燃料电池堆500发电的效率，并且可以防止燃料电池堆500劣化。
64.尽管已经出于说明性目的描述了本公开的具体实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求书中公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。