用于控制燃料电池系统的运行的设备和方法与流程

本发明涉及用于控制燃料电池系统的运行的设备和方法，并且更具体地，涉及用于运行燃料电池系统以提高燃料电池系统的瞬时功率并降低燃料电池间的性能偏差的设备和方法。

背景技术：

燃料电池系统包括产生电能的燃料电池组、向燃料电池组供应燃料(例如，氢)的燃料供应系统、向燃料电池组提供空气中的氧(其为电化学反应所需的氧化剂)的空气供应系统、调整燃料电池组的温度的热与水管理系统等。

因此，当作为燃料的氢供应至燃料电池组的阳极，且作为氧化剂的空气供应至阴极时，所供应的氢通过阳极中阳极的催化剂层的氧化反应分离为氢离子和电子，并且在这种情况下，生成的氢离子通过电池组内的聚合物电解质层供应至阴极，生成的电子通过外部电路供应至阴极。所供应的氧和电子在阴极中相遇，通过催化剂层的还原反应生成氧离子，并且通过氢离子与氧离子结合生成水的原理产生电。

具体地，当在通过向燃料电池组的阳极供应氢并向阴极供应空气而形成电池组的开路电压(OCV)产生状态时中断空气的供应，使用电阻器、电池、二极管、另一电压降低设备和/或另一方法，将电压降低至与0V相当的水平，并且然后通过再次增大电压来测量电池组的输出，发现电池组的输出瞬时提高的现象，该现象在本领域中称为“锯齿”现象。

类似地，在一般的I-V评估过程中产生“滞后现象”(例如，当电流以100A→200A→300A→400A→300A→200A→100A…的顺序施加到燃料电池组时，在电流降低区段(400→300→200→100A)中测量的电池组性能比在电流增大区段(100→200→300→400A)更好，并且构成燃料电池组的各个电池之间的性能偏差减小)。

当对于供应至燃料电池组的材料如反应气体的运行条件例如流量 和润湿条件未得到改善时，即，当没有应用对包含氢和空气的反应气体的各种运行控制条件，如流量控制和润湿条件控制时，通过这两种现象，即，锯齿现象和滞后现象，电池组的性能可以瞬时改善并且电池之间的性能偏差可以减小。

通常而言，为改善燃料电池系统的输出并减小电池的性能偏差，可以调整各种运行条件，如温度、压力和湿度至最佳水平，或可以增大反应气体的流入量。

然而，由于运行条件的改善(例如，增大湿度至预定水平或更高)或另外地插入反应气体(例如，增大流量和压力至预定的水平或更高)无法超出燃料电池系统的有限硬件配置条件，除非增大相应燃料电池系统的硬件配置的容量，否则无法获得预定输出或更大的值，或者当产生电池间的性能偏差时性能偏差可能无法减小。

随着燃料电池系统的驱动时间的流逝，燃料电池组本身的输出趋于劣化，因此，经历预定时间或更长时间的运行的燃料电池系统形成与初始性能相比较低水平的输出，并且燃料电池之间的性能偏差也增大。如上所述，当燃料电池组的输出降低并且电池之间的偏差增大时，根据燃料电池系统的运行条件，由于输出限制等，无法确保并调整包括燃料电池车的加速/超车特征的正常运行性能。

然而，典型的燃料电池系统不具有除停止燃料电池系统的运行并进行单独的后处理的一般方法以外的用于解决该问题的具体替换方案，其中后处理为例如燃料电池系统中部件的更换或对燃料电池的可逆性能劣化的性能恢复过程，并且存在的问题是，该过程需要拆卸和重装燃料电池系统的额外过程，因此降低可使用性。

在该部分公开的上述信息仅用于加强对本发明背景的理解，因此，其可能包含不构成该国本领域技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明提供一种用于控制燃料电池系统的运行的设备和方法，其瞬时地降低燃料电池的电池电压或运行燃料电池系统至接近关闭的状态，使燃料电池系统再次回到正常状况，并然后通过应用“锯齿现象”和“滞后现象”使燃料电池系统能够正常地运行，从而将燃料电池系 统的瞬时功率提高至先前状态中的最高输出水平或更具表现力的性能并降低燃料电池间的性能偏差。

在一个方面，本发明提供一种用于控制燃料电池系统的运行的设备，其可以包括：检测装置，其配置成确定需要改善燃料电池的性能以及降低电池间性能偏差的时间；控制器，其配置成在需要改善燃料电池的性能以及降低电池间性能偏差的时间，将燃料电池系统的运行模式调整为辅助电力模式并同时将燃料电池的电池电压调整为降低至约0V，并然后将燃料电池系统的运行模式再次调整为正常运行模式；以及电压降低设备，其配置成通过控制器的命令将燃料电池的电池电压降低至约0V。

在示例性实施方式中，当燃料电池的对于燃料电池系统中各个运行电流的总电压(例如，对用于燃料电池车高输出行驶的各个运行电流的燃料电池总电压)等于或小于阈值，并且燃料电池的平均电压等于或小于阈值时，检测装置可以配置成确定在此时需要改善燃料电池的性能。

此外，当作为燃料电池的平均电压与最小电池电压之间的差值的电池偏差等于或大于阈值时，检测装置可以配置成确定在此时需要降低电池间性能偏差。选自电阻器、二极管和电池中的任一种可以采用作为电压降低设备，其中电阻器、二极管和电池通过在阻断用于燃料电池的阴极的空气后，消耗燃料电池的电池电流来将燃料电池的电压降低至约0V。

用于阴极的氢吹扫管道可以采用作为电压降低设备，该氢吹扫管道通过将用于燃料电池阴极的空气供应流量降低至最小流量范围并同时向阴极供应氢来将电池电压降低至约0V。另外的电源可以采用作为电压降低设备，该另外的电源通过在燃料电池的正常运行期间向燃料电池施加高电流来将燃料电池的电压降低至预定水平或更低。

在另一个方面，本发明提供一种用于控制燃料电池系统的运行的方法，其可以包括：确定需要改善燃料电池的性能以及降低电池间性能偏差的时间；在需要改善燃料电池的性能以及降低电池间性能偏差的时间，将燃料电池系统的运行模式改变为仅辅助电力模式并同时将燃料电池的电池电压调整为降低至约0V；以及将燃料电池系统的运行 模式调整为正常运行模式。

当燃料电池的对于燃料电池系统中各个运行电流的总电压(例如，对用于燃料电池车高输出行驶的各个运行电流的燃料电池总电压)等于或小于阈值，并且燃料电池的平均电压等于或小于阈值时，确定在此时需要改善燃料电池的性能。

当作为燃料电池的平均电压与最小电池电压之间的差值的电池偏差等于或大于阈值时，可以确定在此时需要降低电池间性能偏差。燃料电池的电池电压的调整可以通过由选自电阻器、二极管和电池中的任一种在阻断用于燃料电池的阴极的空气后消耗燃料电池的电流而进行。

此外，燃料电池的电池电压的调整可以通过使用用于阴极的氢吹扫管道将用于燃料电池阴极的空气供应流量降低至最小流量范围并同时向阴极供应氢而执行。燃料电池的电池电压的调整还可以通过在燃料电池的正常运行期间向燃料电池施加高电流来将燃料电池的电压降低至预定水平或更低而执行。

通过上述技术方案，本发明的效果提供以下。

根据本发明，通过在需要改善燃料电池的性能以及降低电池间性能偏差的时间瞬时降低燃料电池的电池电压至特定电压(例如，约0V)，并然后通过应用“锯齿现象”和“滞后现象”，通过使燃料电池系统再次回到正常状况而使燃料电池系统能够正常地运行，从而可以将燃料电池系统的瞬时功率提高至先前状态中的最高输出水平或更具表现力的性能并降低燃料电池间的性能偏差。

换言之，在包括多个燃料电池的燃料电池的性能降低至限制值或更低值或者燃料电池间的性能偏差增大时，例如在需要短时间段内有高输出(包括瞬时突然加速)或燃料电池处于较差运行条件(例如，燃料电池在低温或高温、低湿度条件、氢浓度降低和脱水条件下，如长时间怠速运行，以及在燃料电池车长时间停放后重新起动的初始时间)的运行区段，可以改善燃料电池的性能(例如，输出)并降低燃料电池间的性能偏差。

附图说明

现在将参考在附图中图示的示例性实施方式对本发明的以上和其他特征进行详细说明，这些实施方式仅以示例说明的方式在下文给出，因此不是对本发明的限制，其中：

图1为示出根据本发明示例性实施方式的控制燃料电池系统的运行的方法的流程图；

图2至图4为示出当应用现有技术(比较例)和本发明(示例性实施方式)时燃料电池组的测量性能的比较图表；以及

图5、图6A和图6B为示出当应用现有技术(长时间停放后重新起动的初始时间)和本发明(在降低电池电压后重新起动)时燃料电池的所测量电池性能的比较图表。

应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

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以执行示例性进程，但应理解的是，示例性进程还可以由一个或多个模块执行。另外，应当理解的是，术语“控制器/控制单元”是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置成对模块进行存储，处理器具体配置成执行该模块以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。

此外，本发明的控制逻辑可以具体表现为，在含有由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非瞬时性计算机 可读介质。计算机可读介质的例子包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光数据存储装置。计算机可读记录介质也可以在连接网络的计算机系统中分布，从而计算机可读介质可以通过例如远程信息处理服务器或控制器局域网络(CAN)以分布方式进行存储并执行。

本文使用的术语仅为说明具体实施方式，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、该”也意在包括复数形式，除非上下文中另外明确指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括、包含、含有”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、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的任何和所有结合。

除非特别指出或从上下文清晰得到，本文使用的术语“约”应理解为在本领域的正常容忍范围内，例如在均值的2个标准差内。“约”可以理解为在所述值的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晰得出，本文中提供的所有数值都被术语“约”修饰。

在下文中，将详细参考本发明的各种示例性实施方式，实施方式的实例在附图中示出并在下文中描述。尽管将结合示例性实施方式来描述本发明，但应理解，当前的描述并不意在将本发明限制于那些示例性实施方式。相反，本发明意在不仅涵盖示例性实施方式，而且还涵盖包含在由所附权利要求所限定的本发明的精神及范围内的各种替代、修改、等效物及其他实施方式。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。

本发明着重于在需要改善燃料电池的性能以及降低燃料电池间性能偏差的时间，在燃料电池间的性能偏差增大的情况下，促进燃料电池系统的瞬时功率的提高并降低性能偏差，而无需改变或改善各种形式的运行条件，如向燃料电池组供应另外的材料，调整燃料电池组的潮湿量，或对用于燃料电池组的氢或空气增压。

图1为示出根据本发明示例性实施方式的控制燃料电池系统的运行的方法的流程图。首先，为调整本发明的燃料电池系统的运行，控 制器可以配置成检测燃料电池车是否起动，检测运行信息，或检测驾驶员是否进入车辆(S101)。

更具体地，燃料电池系统可以包括：配置成产生电能的燃料电池组、配置成向燃料电池组供应燃料(例如，氢)的燃料供应系统、配置成向燃料电池组供应空气中的作为电化学反应所需的氧化剂的氧的空气供应系统、配置成调整燃料电池组的运行温度的热与水管理系统等。当燃料电池系统安装在燃料电池车中时，控制器可以配置成检测燃料电池车是否起动、其运行信息、或驾驶员是否进入车辆以运行本发明的燃料电池系统。

此外，检测装置(例如，传感器)可以配置成确定需要燃料电池性能改善和电池间性能偏差降低的时间(S102)。具体地，当燃料电池的电池性能等于或小于阈值时，检测装置可以配置成确定在此时的燃料电池性能的改善需求。换言之，当燃料电池的对于燃料电池系统的各运行电流的总电压(例如，对于燃料电池车高输出行驶的各运行电流的燃料电池总电压)等于或小于阈值，且燃料电池的平均电压等于或小于阈值时，检测装置可以配置成确定在此时的燃料电池性能的改善需求。

当燃料电池间的电压偏差等于或大于阈值时，由控制器执行的检测装置可以配置成确定在此时的降低电池间性能偏差的需求。换言之，当作为燃料电池的平均电压与最小电池电压之间的差值的电池偏差等于或大于阈值时，检测装置可以配置成确定在此时的对降低电池间性能偏差的需求。具体地，在燃料电池车停放相当长时间后的起动之时、在怠速行驶相当长时间后的加速模式中、以及在普通行驶过程中的超车加速模式中，会大大产生需要改善燃料电池性能的时候、或需要降低燃料电池间电压偏差的时候。

响应于对在燃料电池的电池性能等于或低于阈值时的改善燃料电池性能的需求、或在燃料电池间电压偏差等于或大于预定值时的降低电池间性能偏差的需求的确定，控制器可以配置成切换或调整燃料电池系统的运行模式以改变为使用辅助电力的辅助电力模式(例如，以使用燃料电池车的电池电力的电动车(EV)模式行驶)(S103)，并且控制器可以同时配置成调整燃料电池的电池电压，以降低至特定电压 (例如，约0.1V或0V的水平)(S104)。具体地，电压降低设备可以配置成通过控制器的命令，将燃料电池的电池电压降低至约0V。

作为电压降低设备的第一个示例性实施方式，可以使用降低燃料电池电压的选自电阻器、二极管和电池中的任一种，以将燃料电池的电池电压降低至特定电压或更低。从电阻器、二极管和电池中选择的设备可以在阻断用于燃料电池阴极的空气后消耗燃料电池的电流来将燃料电池的电压降低至特定电压或更低。

作为电压降低设备的第二个示例性实施方式，可以采用配置成将电池电压降低至特定电压(例如，约0.1V或0V的水平)的用于阴极的氢吹扫管道，通过使用用于阴极的氢吹扫管道，将用于燃料电池阴极的空气供应流量降低至最小流量范围，并同时向阴极供应氢而非空气，燃料电池的电压可以降低至特定电压或更低。

更具体地，在燃料电池系统的正常运行状态中，可以通过向燃料电池的阴极供应空气并向阳极提供氢来产生电。为将燃料电池的电压降低至特定电压或更低，可以通过将另外的用于阴极的氢吹扫管道连接至阴极来将氢供应至阴极，以减少燃料电池的用于产生电的反应，因此，燃料电池的电压可以降低至例如约0.1V或0V的水平。

作为电压降低设备的第三个示例性实施方式，可以使用另外的电源，其配置成通过在燃料电池的正常运行期间向燃料电池施加高电流，从而将燃料电池的电压降低至预定水平或更低，并且通过使用另外的电力，与正常运行相比，燃料电池的电压可以至少降低约50mV或更多。

此外，当通过电压降低设备而将燃料电池的电压降低至特定电压或更低时，可以解除根据各示例性实施方式的电压降低设备的电压降低程序(S105)。同时，控制器可以配置成将燃料电池系统的运行模式由辅助电力供应模式变为正常运行模式(S106)，并且在这种情况下，响应于对改善燃料电池的输出性能以及降低燃料电池组电压的电池电压偏差的需求的确定，可以反复地再次进行上述程序(S107)。

当由于燃料电池系统的先前运行状态，燃料电池组的输出瞬时减小(例如，可逆的性能劣化)，电池间的性能偏差增大至特定水平或更高，或者通过驾驶员操作的方法、使用车辆诊断/控制设备的方法以及 监控车辆运行状态的方法来请求瞬时性能改善如包括超车加速的突然加速时，根据本发明的用于控制燃料电池的运行的设备和方法，可以改善燃料电池系统的瞬时输出并降低燃料电池间的性能偏差而无需另外变更/增补硬件元件，从而使燃料电池车能够稳定运行。

当利用本发明的用于控制燃料电池系统的运行的设备和方法时，可以预期更大性能改善的效果，特别当燃料电池组的性能由于异常运行条件而非正常运行状态而劣化时，且这些条件描述如下。

第一，不可逆劣化的情况，即在燃料电池系统驱动预定时间或更长时间后以及在可能损坏电池组的异常状态后，燃料电池组性能的劣化/电池间性能偏差严重。

第二，当在车辆停放相当长时间后起动/运行的初始时间，可逆的性能劣化和电池间性能偏差严重时，以及基于下坡路行驶相当长时间的氢浓度降低或电池组脱水、高温和低湿度运行的保持、和当燃料电池组在异常运行条件后可逆地劣化时的低速怠速运行的保持。具体地，可以使用一般的性能测量装备来测量燃料电池组的性能，并且当应用根据本发明以及现有技术来改变燃料电池系统的运行的方法时比较燃料电池组的性能，其结果示于图2至图4。

参考图2，当在应用现有技术的情况与应用本发明方法的情况之间比较燃料电池组的输出时，可以看出，与现有技术相比，本发明中电池组的输出提高了约5％或更多，其中在现有技术中，在一般的运行区段中将运行电流瞬时且立即地增大至高输出区段(例如，约1.2A/cm²)，在本发明的方法中，在电流增大之前将电池组电压降低至约0V。参考图3，可以看出，在城市行驶若干分钟或更久的情况中(例如，低输出运行：约0.6A/cm²)，与现有技术相比，本发明中电池组的输出可以提高约10％或更多。

参考图4，可以看出，当根据怠速运行的保持由燃料电池的脱水现象急剧地发生可逆的性能劣化或由运行相当长时间引起的电池组耐久性能劣化时，通过向电阻器或阳极供应氢来降低燃料电池的电池电压至约0V并然后重新起动车辆的本发明，与现有技术相比，表现出进一步提高输出(约5％～10％或更多)的效果。具体地，作为本发明的另一测试示例，当燃料电池车停止相当长时间并然后重新起动时，可 以测量在低输出区段中的电池电压，其结果示于图5。

图5为当燃料电池车停放预定时间或更久并然后处于重新起动的初始时间(例如，低温)时，在电流密度等于或小于50mA/cm²的低输出区段中，构成电池组的燃料电池的性能测量结果，(a)示出现有技术中燃料电池车停放相当长时间后的电池性能，且(b)示出当使用本发明的降低电压的方法将电池电压降低至0.1V或更低并然后重新起动燃料电池车时的电池性能。

参考图5，可以看出，由于在燃料电池车停放相当长时间期间燃料电池组电池内的干燥和流入燃料电池组的空气，在燃料电池车停放相当长时间后起动的初始时间，与正常状态相比，燃料电池组的性能略微下降，并且在层叠数百个或更多个电池的燃料电池组中，性能自身较低，且电池间性能偏差趋于严重，但在本发明中，当凭借如上所述的电压降低方式(例如，使用电阻器降低电压)降低电压，燃料电池组的电压降低至预定水平或更多，并然后重新起动燃料电池车时，与现有技术相比，燃料电池的电池性能可以提高约5％。作为本发明的另一个测试示例，当燃料电池车停放相当长时间并然后处于重新起动的初试时间时，可以测量电池性能，其结果示于图6。

图6示出当燃料电池车停放15小时或更久并然后处于重新起动的初始时间时，燃料电池组的电池性能的测量结果，(a)示出现有技术中当燃料电池车停放相当长时间后不经任何措施重新起动时进行性能测量的电池性能，且(b)示出当使用本发明的降低电压的方法将燃料电池组的电压降低至预定水平或更低并然后重新起动燃料电池车辆时的电池性能。

参考图6，可以看出，在现有技术中，一些电池中性能劣化(以隐线框表示)，从而电池间的性能偏差具有相当大的值，但在本发明中，可以解决电池间的约0.1V或更高的电压偏差。

如上所述，当利用本发明的改善燃料电池系统性能的方法时，可以在需要瞬时地或短时间高输出的运行区段中以及当电池组的燃料电池间的性能偏差增大时，提高燃料电池组的输出并降低电池间的性能偏差，从而使燃料电池车能够更稳定地运行。在相对较差运行条件中产生的电池间性能偏差可以降低，因此，可以防止燃料电池组的性能 异常地降低/劣化并在燃料电池组劣化时提高输出，从而改善燃料电池的耐久性性能。

本发明已经参考其示例性实施方式进行了详细描述。然而，本领域技术人员将意识到，可以在这些示例性实施方式中做出改变而不偏离本发明的原理和精神，本发明的范围由所附权利要求及其等效物中定义。