燃料电池系统的运行控制方法与流程

本发明涉及燃料电池系统的运行控制方法。更具体地，本发明涉及燃料电池系统的运行控制方法，其当燃料电池堆在燃料电池车在高海拔下运行而达到性能极限时，通过检测并克服性能极限的原因而增大燃料电池堆的输出，从而实现改善的电池堆性能和车辆功率性能。

背景技术：

燃料电池是经由电化学反应将存储在燃料中的化学能转换为电能而非经由燃烧将化学能改变为热量的能量转换装置。燃料电池可用于供应工业、家庭和车辆的电动力，并且还用于为小的电气/电子产品和便携式器具供应电动力。

当前研究的车辆燃料电池为具有高电功率密度的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)。在聚合物电解质膜燃料电池中，作为其主要构成元件的膜电极组件(MEA)设置在最内位置。膜电极组件包括氢离子能够移动的固体聚合物电解质膜，以及作为电解质膜的两个表面上的电极层的阴极(即空气极)和阳极(即氢气极)，并且具有应用到其的催化剂，以实现氢气和氧气反应。

另外，气体扩散层(GDL)堆叠在膜电极组件的外部，即阴极和阳极所位于的外部。继而，双极板设置在气体扩散层的外部，并且双极板形成流场，通过所述流场供应反应气体(例如，作为燃料气体的氢气以及作为氧化剂气体的氧气或空气)且冷却水穿过所述流场。

例如，用于密封流体的垫片堆叠成插在双极板之间。在堆叠多个电池之后，端板联接在最外位置处以支承其间的电池。由于每个单电池产生低电压，因此几十个到几百个电池串联堆叠以增大电压。因此，以电池堆形式制造的燃料电池被用作电力发生装置。

将被应用于燃料电池车的燃料电池系统由燃料电池堆以及配置成供应反应气体的装置组成。图1为示出根据相关技术的燃料电池系统的构造的视图。如图1所示，燃料电池系统包括：燃料电池堆10，其 配置成从反应气体的电化学反应产生电；氢气供应装置20，其配置成将作为燃料的氢气供应到燃料电池堆10；空气供应装置30，其配置成将包括氧气的空气供应到燃料电池堆10；热和水管理系统40，其配置成调整燃料电池堆10的运行温度并执行水管理功能；以及燃料电池系统控制器(未示出)，其配置成使燃料电池系统运行。

在传统燃料电池系统中，氢气供应装置20包括例如氢气贮存器(例如，氢气储罐)(未示出)、调节器(未示出)、氢气压力调整阀21以及氢气再循环装置22。空气供应装置30包括例如空气鼓风机(用于低压运行)或空气压缩机(用于高压运行)32、加湿器33和空气压力调整阀34。热和水管理系统包括例如电动水泵(例如，冷却水泵)、水储罐和散热器，尽管未示出，还包括聚水器(water trap)41。

在氢气供应装置20中，使从氢气储罐供应的高压氢气在被供应到燃料电池堆10之前，在调节器中减压到特定压力。因此，基于燃料电池堆10的运行条件，经由压力控制以受控的供应量将减压氢气供应到燃料电池堆10。换句话说，从氢气储罐穿过调节器的氢气在电池堆氢气极的入口侧处通过氢气压力调整阀21调整压力之后，被供应到燃料电池堆10。

氢气压力调整阀21调整成将通过调节器减压的氢气压力改变为适用于电池堆运行条件。控制器配置成在从分别安装在电池堆氢气极的入口侧和出口侧的两个氢气压力传感器25和26接收反馈值时使氢气压力调整阀21工作。

另外，在反应之后余留在燃料电池堆10内部的氢气通过电池堆氢气极(阳极)的出口排出，或者通过氢气再循环装置再循环到电池堆氢气极的入口。氢气再循环装置22是增加氢气供应的可靠性并改善燃料电池的寿命的装置。虽然存在各种再循环方法，但已知的示例性方法包括使用喷射器23、鼓风机以及喷射器和鼓风机两者的方法。

氢气再循环装置22有助于通过再循环管道24使在用于燃料电池堆10的氢气极(阳极)之后余留的未反应氢气再循环到氢气极而再使用氢气。另外，氢气再循环装置22增大杂质的量，诸如，例如氮气、水和蒸汽，其通过燃料电池堆内部的电解质膜而被引到氢气极，并导致氢气极中的氢气量减小，从而引起反应效率的降低。因此，需要通 过以预定周期打开吹扫阀27来吹扫杂质。

换句话说，通过安装用于将氢气吹扫到在燃料电池堆10的氢气极的出口侧的管道的吹扫阀27以便周期性地从氢气极排出氢气，还排出和移除杂质，诸如，例如氮气和水，并且氢气的使用率增大。

如以上所述从燃料电池堆排出杂质有利地增加氢气的浓度，增大氢气使用率并改善气体的扩散和反应性。另外，通常可将燃料电池系统运行的方法划分为低压运行方法和高压运行方法。在各个运行方法中，燃料电池堆的运行压力是对总体性能具有主要影响的因素之一。

在低压运行燃料电池系统中，通常使用空气鼓风机来将低压空气供应到电池堆的空气极(阴极)。在高压运行燃料电池系统中，使用空气压缩机32来将较高压力的空气供应到电池堆的空气极。另外，在高压运行燃料电池系统中，使用空气压缩机32将穿过过滤器31的空气供应到燃料电池堆10的空气极，并且使用电池堆的后端的压力调整器，即，安装于电池堆的空气极的出口侧的管道的空气压力调整阀34，控制空气极的出口压力。

通常，为了调整燃料电池系统的运行压力，基于燃料电池的运行条件根据运行压力控制图确定氢气极和空气极的入口压力和出口压力的目标值，并且反馈氢气压力传感器25和26以及空气压力传感器35和36的测量值以使其调整到氢气极和空气极的入口压力和出口压力的目标值。

同时，可将在高海拔下装备在燃料电池车中的燃料电池系统的性能劣化的原因分为：(1)由于空气极的运行压力减小而引起燃料电池堆的总体性能劣化，以及(2)燃料电池堆的最大输出减小。

在这些原因当中，当通过使用高压运行系统(即，空气压缩机)供应压缩空气来增大供应到燃料电池堆的空气压力时，可改善由于空气极的运行压力减小而引起的总体电池堆性能劣化。然而，通过简单地应用高压运行系统可能无法改善最大输出的减小。

可将由于最大输出的减小而引起的电池堆输出极限的原因分为(a)空气流量不足以及(b)由于电池堆性能的劣化而导致最小可接受电压的引入。然而，当电池堆较好时(例如，没有劣化)，原因可能是空气流量不足，而当电池堆的劣化已进行到某一程度时，原因可能 是由于电池堆性能的劣化而导致的最小可接受电压的引入。

因此，对当在高海拔下运行燃料电池系统时通过明确地确定电池堆的状态能够增加燃料电池堆的最大输出的运行控制方法存在需求。

技术实现要素：

本发明提供燃料电池系统的运行控制方法，其当燃料电池堆在燃料电池车在高海拔下运行而达到性能极限时，通过检测并克服性能极限的原因来增大燃料电池堆的输出，从而实现改善的电池堆性能和车辆功率性能。

在一个方面中，本发明提供燃料电池系统的运行控制方法，其可包括以下步骤：通过检测安装在燃料电池车内的燃料电池堆的当前运行状态信息，确定燃料电池堆的运行状态是否对应于出现电池堆输出极限的预定条件；以及当燃料电池堆的运行状态对应于出现电池堆输出极限的预定条件时，通过基于燃料电池堆的运行状态将空气压力调整阀的开度调整到控制命令值，而调整燃料电池堆的空气极的运行压力。

在示例性实施方式中，可响应于检测到燃料电池车的高海拔运行而实施确定和调整步骤，在高海拔运行中由车辆的大气传感器检测的大气压力为设定压力或更小。在另一个示例性实施方式中，燃料电池堆的当前运行状态信息可包括空气压缩机的每分钟转数(RPM)以及电池堆电压，所述空气压缩机配置成将包括作为氧化剂气体的氧气的空气供应到燃料电池堆。

进一步地，当当前电池堆电压大于预定最小可接受电压但空气压缩机的当前RPM与预定RPM极限的差值为大约设定值1或更小时，可确定燃料电池堆的运行状态为与出现电池堆输出极限的条件相对应的不足的空气流量状态。响应于确定出燃料电池堆的运行状态为与出现电池堆输出极限的条件相对应的不足的空气流量状态，可基于空气压缩机的当前RPM，将空气压力调整阀的开度增大到控制命令值，以减小燃料电池堆的空气极的运行压力。

另外，当当前电池堆电压与最小可接受电压之间的差值大于设定值2并且当空气压缩机的当前RPM与RPM极限的差值为大约设定值 1或更小时，可确定与出现电池堆输出极限的条件相对应的不足的空气流量状态。当空气压缩机的当前RPM小于预定RPM极限并且当前电池堆电压与预定最小可接受电压的差值为大约设定值2或更小时，可确定燃料电池堆的运行状态对应于出现电池堆输出极限的条件。

在另一个示例性实施方式中，响应于确定出燃料电池堆的运行状态对应于出现电池堆输出极限的条件，可基于当前电池堆电压将空气压力调整阀的开度减小到控制命令值，以增大燃料电池堆的空气极的运行压力。当空气压缩机的当前RPM与RPM极限之间的差值大于设定值1并且当前电池堆电压与最小可接受电压的差值为大约(例如，近似)设定值2或更小时，可确定运行状态对应于出现电池堆输出极限的条件。

在另一方面，本发明提供用于燃料电池系统的运行控制方法的装置，包括：通过确定安装在燃料电池车内的燃料电池堆的当前运行状态信息，确定燃料电池堆的运行状态是否对应于出现电池堆输出极限的预定条件的单元；以及当燃料电池堆的运行状态对应于出现电池堆输出极限的预定条件时，通过基于燃料电池堆的运行状态将空气压力调整阀的开度调整到控制命令值，而调整燃料电池堆的空气极的运行压力的单元。

在示例性实施方式中，该装置还包括当当前电池堆电压大于预定最小可接受电压并且空气压缩机的当前RPM与预定RPM极限的差值为大约设定值1或更小时，确定燃料电池堆的运行状态为与出现电池堆输出极限的条件相对应的不足的空气流量状态的单元。在示例性实施方式中，该装置还包括响应于确定出燃料电池堆的运行状态为与出现电池堆输出极限的条件相对应的不足的空气流量状态，基于空气压缩机的当前RPM将空气压力调整阀的开度增大到控制命令值，以减小燃料电池堆的空气极的运行压力的单元。

在另一示例性实施方式中，该装置还包括当当前电池堆电压与最小可接受电压之间的差值大于设定值2并且空气压缩机的当前RPM与RPM极限的差值为大约设定值1或更小时，确定燃料电池堆的运行状态为与出现电池堆输出极限的条件相对应的不足的空气流量状态的单元。在示例性实施方式中，该装置还包括当空气压缩机的当前RPM小 于预定RPM极限并且当前电池堆电压与预定最小可接受电压的差值为大约设定值2或更小时，确定燃料电池堆的运行状态对应于出现电池堆输出极限的条件的单元。

在另一示例性实施方式中，该装置还包括响应于确定出燃料电池堆的运行状态对应于出现电池堆输出极限的条件，基于当前电池堆电压将空气压力调整阀的开度减小到控制命令值，以增大燃料电池堆的空气极的运行压力的单元。在示例性实施方式中，该装置还包括当空气压缩机的当前RPM与RPM极限之间的差值大于设定值1并且当前电池堆电压与最小可接受电压的差值为大约设定值2或更小时，确定燃料电池堆的运行状态对应于出现电池堆输出极限的条件的单元。

附图说明

现在将参考附图示出的本发明的示例性实施方式详细描述本发明的以上和其他特征，附图仅以说明的方式给出因此并不限制本发明，并且其中：

图1为示出根据相关技术的高压运行燃料电池系统的构造的视图；

图2为示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池系统的运行控制方法的流程图；

图3A-图3C为示出根据本发明的示例性实施方式的在存在因不足的空气流量而出现电池堆输出极限的可能性时，本发明的运行控制方法的视图；并且

图4A-图4C为示出根据本发明的示例性实施方式的在存在因最小可接受电压的引入而出现电池堆输出极限的可能性时，本发明的运行控制方法的视图。

应理解的是，随附附图不必按比例绘制，其呈现说明本发明的基本原理的各种特征的一定程度上的简化表示。将通过特定预期应用和使用环境部分地确定如本文公开的本发明的具体设计特征，包括例如具体尺寸、取向、位置和形状。在图中，贯穿附图的若干图的相同附图标记指示本发明的相同或等同部分。

具体实施方式

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合动力电动车、氢动力车和其他代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。本文中提到的混合动力车是具有两种或更多种动力来源的车，例如同时为汽油动力和电动力的车。

尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元执行示例性过程，将理解的是，还可通过一个或多个模块执行示例性过程。此外，将理解的是，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件装置。存储器配置成存储模块并且处理器具体配置成执行所述模块，以便执行下面进一步描述的一个或多个过程。

本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种”和“该”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

除非特别说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。

下面将详细地参照本发明的各个示例性实施方式，其实施例图示在所附附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。

本发明提供燃料电池系统的运行控制方法，其当燃料电池堆在高 海拔下达到性能极限时，通过检测并克服性能极限的原因来增大燃料电池堆的输出并实现燃料电池堆的最大输出。

在本发明中，首先，可检测是否在高海拔下运行燃料电池车。当检测到高海拔运行时，可确定燃料电池堆的运行状态是否对应于电池堆输出极限条件(即，可出现电池堆输出极限的条件)。其后，当对应于电池堆输出极限条件时，可执行燃料电池系统的运行控制以增大燃料电池堆的输出。

如以上所描述，当在高海拔下运行燃料电池车时，电池堆的最大输出和电池堆输出极限的下降原因可为：(1)作为反应气体被供应到电池堆的空气流量不足以及(2)由于电池堆性能劣化而引起的电池堆的最小可接受电压的引入。当存在因不足的空气流量而出现最大输出极限的可能性时，通过减小空气极的运行压力而增大空气流量可增大电池堆电流，从而实现电池堆的最大输出。另外，当存在因电池堆性能劣化而引入电池堆的最小可接受电压的可能性时，增大空气极的运行压力可增大电池堆电压，从而实现电池堆的最大输出。

因此，在本发明中，可在高海拔运行期间基于电池堆输出极限检测燃料电池堆的运行状态，即空气流量是否不足以及是否已经达到最小可接受电压。当电池堆输出极限的原因为不足的空气流量时，可减小空气极的运行压力以增大空气流量。当电池堆输出极限的原因为最小可接受电压的引入时，可增大空气极的运行压力以增大电池堆电压。

图2为示出根据本发明的示例性实施方式的燃料电池系统的运行控制方法的流程图。以下表1示出当最大输出受到限制时，基于输出极限的原因克服输出极限并增大电池堆输出的运行控制方法。

表1

首先，控制器可配置成确定燃料电池车的运行条件是否为高海拔运行条件(S11)。当通过车辆的大气压力传感器检测的大气压力为设定压力或更小时，控制器可配置成确定运行条件对应于高海拔运行条件。

随后，控制器可配置成确定高海拔运行条件下燃料电池堆的运行状态信息(S12)，从而确定燃料电池堆的运行状态是否对应于电池堆输出极限条件，即，可出现电池堆输出极限的条件。此时，空气压缩机的当前RPM和电池堆电压可被确定为运行状态信息，其中空气压缩机将压缩空气即氧化剂气体供应到燃料电池堆(S13、S14和S15)。

特别地，当当前电池堆电压大于预定最小可接受电压(即，电池堆电压与最小可接受电压之间的差值大于设定值2)，并且空气压缩机的当前RPM为大约预定RPM极限(即，当前RPM与RPM极限之间的差值为设定值1或更小)时，控制器可配置成确定燃料电池堆的运行状态为电池堆输出极限条件，即，空气流量不足的条件。

因此，为了克服不足的空气流量并实现足够的空气流量，控制器可配置成基于空气压缩机的当前RPM增大空气压力调整阀的开度，从而减小空气极的运行压力，并因此增大供应到燃料电池堆的空气流量(S16)。

相反，当空气压缩机的当前RPM小于预定RPM极限(即，当前 RPM与RPM极限之间的差值大于设定值1)，并且当前电池堆压力为大约预定最小可接受电压(即，电池堆电压与最小可接受电压之间的差值为设定值2或更小)时，控制器可配置成确定燃料电池堆的运行状态为电池堆输出极限条件，即，已达到最小可接受电压的条件。因此，为了增大电池堆电压，控制器可配置成基于当前电池堆电压减小空气压力调整阀的开度，从而增大空气极的运行压力(S17)。

在表1中，情况#3表示其中空气压缩机的当前RPM达到近似RPM极限的水平(即，当前RPM与RPM极限之间的差值为设定值1或更小)并且已达到电池堆的最小可接受电压(即，电池堆电压与最小可接受电压之间的差值为设定值2或更小)的状态。特别地，由于实现了其中电池堆产生电流至近似最小可接受电压的水平的电力产生，因此可保持当前状态，并且同时，可在最大性能下运行电池堆，直到空气压缩机的性能为大约性能极限。

此外，当空气流量不足或者已达到最小可接受电压时，可如上所述调整空气压力调整阀的开度，以增大或减小空气极的运行压力。因此，可克服电池堆输出极限条件，即，可出现电池堆输出极限的条件，并且因此电池堆的输出可增大至变为表1的情况#3或情况#4的状态。例如，当在驾驶者在高海拔运行条件下迅速接合加速踏板(例如，将压力施加到踏板上)时存在迅速加速的需求时，表1的情况#1或情况#2的电池堆输出极限条件可能出现。

图3A-图3C示出电池堆的运行状态达到与表1的情况#1相对应的电池堆输出极限水平的情况。如图3A中所示，当响应于例如迅速加速需求空气压缩机的RPM与RPM极限大约相同时，控制器可配置成基电池堆的当前运行状态，确定阀控制命令值。特别地，控制器可配置成根据表示电池堆的当前运行状态的空气压缩机的当前RPM，使用如图3B所示的控制图，确定基于RPM的阀控制命令值，并且可配置成基于所确定的控制命令值操作空气压力调整阀。

进一步地，由于可通过增大阀的开度并因此可如图3C所示增大空气流量(例如，质量流量)来减小空气极的运行压力，因此可通过实现足够的空气流量增大电池堆电流，其使得能够增大电池堆输出并且通过增大的电流能够获得最大输出。

图4A-图4C示出电池堆的运行状态达到与表1的情况#2相对应的电池堆输出极限水平。如图4A中所示，当电池堆电压被减小到大约与最小可接受电压水平相同时，控制器可配置成基于电池堆的当前运行状态确定阀控制命令值。

特别地，控制器可配置成根据表示电池堆的当前运行状态的电池堆电压，使用如图4B所示的控制图，确定基于电池堆电压的阀控制命令值，并且可配置成基于所确定的控制命令值操作空气压力调整阀。由于可通过减小阀的开度来增大空气极的运行压力并且可如图4C所示增大电池堆电压，因此可增大电池堆的输出并且可获得最大输出。

如根据以上描述较为明显的是，在根据本发明的示例性实施方式的燃料电池系统的运行控制方法中，可根据燃料电池堆的运行状态检测可出现电池堆输出极限的条件。当存在出现输出极限的可能性时，系统的运行可以得到控制以克服输出极限的出现原因并获得电池堆的最大输出。

特别地，为了克服由于不足的空气流量而引起的电池堆输出极限，其中不足的空气流量为可出现电池堆输出极限的条件，当空气压缩机的RPM与RPM极限大约相同时，可通过增大空气压力调整阀的开度来减小空气极的运行压力，并且因此可通过获得增大的空气流量而增大电池堆输出。

此外，为了防止当电池堆电压已达到最小可接受电压、当电池堆电压与最小可接受电压大约相同(例如，近似)时引起的电池堆输出极限，可通过减小空气压力调整阀的开度而增大空气极的运行压力，并且因此可通过增大电池堆电压而增大电池堆输出。

已经参考本发明的示例性实施方式详细描述了本发明。然而，本领域技术人员将理解的是，可在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式作出改变，本发明的范围在随附权利要求及它们的等效物中进行限定。