燃料电池系统及其控制方法与流程

本申请基于并要求2017年10月17日提交的韩国专利申请第10-2017-0134761号的优先权权益，该申请的公开内容全部并入本文以供参考。

本公开内容涉及一种燃料电池系统及其控制方法，并且更特别地，涉及一种在起动燃料电池系统时能够减少氢气的消耗量的燃料电池系统及其控制方法。

背景技术：

燃料电池通过从阳极引入的氢气和从阴极引入的氧气的反应而产生动力(power)。在如上所述的燃料电池系统中，应该确保在起动的早期阶段中阳极中的氢气浓度以及燃料电池的性能，以防止内部催化剂损坏。随着阳极中的氢气在燃料电池的操作期间通过氧气和氢气在燃料电池堆中的电化学反应而朝向阴极移动，阳极压力减小变成负压。另外，在燃料电池关闭之后，处于形成负压状态下的阳极压力缓慢地恢复到常压。

作为根据相关技术的起动氢气到燃料电池的供应方法，应用了将氢气目标压力设置为绝对压力以满足氢气浓度的方法。图1是示出根据现有技术的起动氢气的供应方法的图。在图1的图中，x轴指示燃料电池的操作停止时间，并且y轴指示阳极压力。此外，a是在起动之前即刻的阳极压力，并且b1是与绝对压力相对应的氢气目标压力。d1是在阳极中升高以达到氢气目标压力的压力，并且c1是在起动之后的阳极压力。

如图1中所示，由于将绝对压力应用于氢气目标压力(b1)，氢气经供应使压力达到固定目标压力，而不管起动之前即刻的阳极压力(a)。因此，当起动之前即刻的阳极压力(a)是负压时，过度地供应不必要的氢气(参见图1中的斜线部分)。

根据现有技术的起动氢气的供应方法是一种基于起动之前即刻的阳极压力是常压这一假设的方法，并且在现有的燃料电池车辆中，阴极压力在关闭或停车之后即刻恢复到常压，并且因此，阳极压力也在短时间内恢复到常压。

然而，随着燃料电池系统的设计和每个组件的密封改善成增强阴极的密封，与其中阳极压力在若干分钟至最多约20分钟内达到常压的现有技术不同，负压保持约100小时或更多，起动之前即刻的阳极压力大多处于负压状态。因此，当使用根据现有技术的方法供应起动氢气时，在起动时可能过度地供应氢气的消耗量。因此，一直需要一种能够在起动系统时使燃料电池中的氢气的消耗量最小化而不影响燃料电池的耐久性的氢气供应方法。

技术实现要素：

本公开内容提供一种燃料电池系统及其控制方法，其通过反映阳极中的负压形成和到常压的恢复模式基于燃料电池的操作状态或操作停止时间或阴极的密封状态和该系统的配置而不同这一事实，能够使在起动之前即刻的阳极压力状态下，特别是负压状态下的起动氢气的消耗量最小化。

本公开内容的一方面还提供一种燃料电池系统及其控制方法，其通过在车辆中使用燃料电池时使由起动之前的负压引起的氢气的额外消耗最小化而能够与现有技术相比增加实际驱动燃料效率。本公开内容的一方面还提供一种燃料电池系统及其控制方法，其通过防止起动氢气的超压而能够保护燃料电池堆并改善燃料电池的操作的安全性。

根据本公开内容的示例性实施方式，燃料电池系统的控制方法可以包括：获取第一压力，所述第一压力对应于起动之前即刻的阳极压力；基于所获取的第一压力的强度确定氢气供应目标压差值，所述氢气供应目标压差值对应于在起动期间因供应给阳极的氢气而在阳极中升高的压力值；以及调整连接到阳极的氢气供应阀的开度，从而供应充足的氢气以升高与氢气供应目标压差值对应的阳极压力。

根据本公开内容的另一示例性实施方式，燃料电池系统可以包括：压力获取器，其配置成获取与起动之前即刻的阳极压力对应的第一压力；氢气供应器，其包括连接到阳极的氢气供应阀并配置成基于氢气供应阀的开度升高阳极压力；和控制器，其配置成基于所获取的第一压力的强度确定与在起动时因供应给阳极的氢气而在阳极中升高的压力值对应的氢气供应目标压差值并调整氢气供应阀的开度从而向阳极供应充足的氢气，以升高与氢气供应目标压差值对应的阳极压力。

附图说明

本公开内容的上述及其他目的、特征和优点将根据与附图结合的下列详细描述变得更明显。

图1是应用根据现有技术的起动氢气的供应方法的图；

图2是根据本公开内容的示例性实施方式的燃料电池系统的控制方法的流程图；

图3是根据本公开内容的另一个示例性实施方式的燃料电池系统的控制方法的流程图；

图4是根据本公开内容的另一个示例性实施方式的燃料电池系统的控制方法的流程图；且

图5是在使用根据本公开内容的示例性实施方式的燃料电池系统的控制方法供应起动氢气的情况下的图。

附图中的每个元件的符号

a：第一压力

b2：氢气供应目标压差值

c2：起动系统之后的阳极压力

d2：阳极中升高的压力

具体实施方式

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它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、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

虽然示例性实施方式描述为使用多个单元执行示例性过程，但是应理解的是示例性过程也可以由一个或多个模块执行。此外，应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。该存储器配置成存储模块，并且该处理器具体地配置成执行所述模块，以执行在下面进一步描述的一个或多个过程。

此外，本公开内容的控制逻辑可实施为含有通过处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的非暂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、优盘、智能卡和光学数据存储装置。还能够在网络耦合的计算机系统中分布计算机可读记录介质，使得例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(can)以分散的方式存储并且执行计算机可读介质。

本文所用的术语仅是为了描述具体实施方式的目的，并不意在限制本公开内容。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。还将理解的是，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时是指存在所述特征、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。

在下文中，本公开内容的示例性实施方式将参照附图详细描述。

首先，下面描述的以下示例性实施方式是适合于理解根据本公开内容的燃料电池系统及其控制方法的技术特征的示例性实施方式。然而，本公开内容不限制用于将要在下面描述的示例性实施方式，或者本公开内容的技术特征不受将要在下面描述的示例性实施方式的限制，并且可以在不背离本公开内容的范围或精神的情况下做出各种修改。

参照图2至图4，根据本公开内容的示例性实施方式的燃料电池系统的控制方法可以包括：阳极压力获取步骤(s110)、氢气供应目标压差值确定步骤(s130)和氢气供应步骤(s510)。

首先，当输入燃料电池的起动命令时，可以执行阳极压力获取步骤(s110)。特别地，阳极压力获取步骤(s110)和氢气供应目标压差值确定步骤(s130)可以在起动燃料电池系统的操作之前即刻执行。此外，氢气供应步骤(s150)可以在如上所述的起动之前即刻执行或者与如上所述的起动同时执行。当在车辆中使用燃料电池时，起动之前即刻的状态可以指停车的状态。换句话说，起动之前即刻的燃料电池状态可以指在终止车辆的驱动和停放车辆之后重新起动车辆的情况下起动之前即刻的状态。

在阳极压力获取步骤(s110)中，可以获取与起动之前即刻的阳极压力对应的第一压力。特别地，随着阳极中的氢气在燃料电池的操作期间由氧气和氢气在燃料电池堆中的电化学反应而朝向阴极移动，阳极压力可以减小变成负压(例如，小于大气压力的压力)。在燃料电池关闭之后(例如，在停放车辆之后)，处于形成负压状态下的阳极压力可以缓慢地恢复到常压(例如，等于或大于大气压力的压力)，并且恢复速率可以基于外部空气向阴极引入的程度，即密封水平而改变(参见图1和图5中的a)。更具体地，在车辆中，与起动之前即刻的阳极压力对应的第一压力可以基于燃料电池的阴极的密封程度、在停止车辆之前的驱动状态和停放时间，而不同地改变为例如负压、常压等。

因此，在根据本公开内容的阳极压力获取步骤(s110)中，当输入起动命令时，上面描述的第一压力可以在起动之前即刻测量。特别地，为了获取阳极压力，可以使用各种方法。例如，在阳极中提供压力传感器之后，第一压力可以由阳极的压力传感器直接地测量。安装在阳极中的压力传感器可以是配置成测量直到负压的压力传感器。或者，阳极压力可以通过安装在阴极中的压力传感器间接地测量。特别地，当阳极压力在停车之后恢复且停车时间超过预定时间时，阴极压力和阳极压力可以变得彼此类似。在此时，阳极压力可以通过使用阴极中的压力传感器测量阴极压力而间接地测量。

作为另一方法，电池堆中的阳极压力可以通过供应给电池堆/从电池堆排放的空气等的压力来估计。例如，通过空气压缩机供应给电池堆的空气的供应流速可以由空气流速传感器测量，并且因此，可以估计阴极压力。此外，如上所述，当停车时间超过预定时间时，阳极压力达到阴极压力，阳极压力可以通过阴极压力估计。然而，阳极压力的获取方法不限于上面提到的方法，但是只要阳极压力可以测量或估计，也可以使用除上面提到的方法以外的各种方法。

在氢气供应目标压差值确定步骤(s130)中，与在起动系统时因供应给阳极的氢气而在阳极中升高的压力值相对应的氢气供应目标压差值可以基于所获取的第一压力的强度而确定。特别地，在起动的早期阶段，鉴于防止燃料电池中的催化剂损坏的耐久性，需要确保阳极中的氢气浓度以及燃料电池的性能。因此，在系统的起动期间，氢气可以供应给阳极。氢气供应目标压差值是指在起动时因供应给阳极的氢气而在阳极中升高的压力。

在氢气供应目标压差值确定步骤(s130)中，氢气供应目标压差值可以基于所获取的第一压力的强度而确定。话句话说，如上所述，由于第一压力在起动之前即刻可以具有各种值，因此基于阴极的密封系统的水平、操作停止时间等，考虑到如上所述第一压力的值，可以确定将要在阳极中升高的压力程度。

在氢气供应步骤(s150)中，可以供应充足的氢气，以通过调整连接到阳极的氢气供应阀的开度，升高与氢气供应目标压差值对应的阳极压力。更具体地，当在氢气供应目标压差值确定步骤(s130)中确定氢气供应目标压差值时，氢气供应阀可以打开，直到在阳极中升高的压力达到氢气供应目标压差值。另外，当压力达到氢气供应目标压差值时，氢气供应阀的开度可以减小，或者氢气供应阀可以关闭。

如上所述，由于当确定氢气供应目标压差值时通过考虑起动之前即刻的阳极压力，根据本公开内容中的示例性实施方式的燃料电池系统的控制方法可以反映负压在阳极中的形成和到常压的恢复模式基于燃料电池的操作状态或操作停止时间或阴极的密封状态和系统的配置而不同这一事实，因此起动氢气的消耗量可以在起动之前即刻的阳极的压力状态，特别是负压状态下得到最小化。

因此，当在车辆中使用燃料电池时，由于在起动之前由负压引起的氢气的额外消耗得到最小化，因此实际驱动燃料效率与现有方法相比可以增大。此外，根据本公开内容，由于可以防止起动氢气的超压，因此可以保护燃料电池堆并且可以改善燃料电池的操作安全性。

同时，在下文中，氢气供应目标压差值确定步骤(s130)将参照图2至图4详细描述。在下文中，其中预设参考压力是大气压力的情况(例如约100kpa(1bar))将通过示例的方式描述。此外，其中常压是等于或大于大气压力的压力且负压是小于大气压力的压力的情况将通过示例的方式描述。然而，应用于本公开内容的参考压力不限于大气压力，而是可以不同地改变，只要其是用作为能够识别阳极压力状态的基础的压力即可。

首先，在图2中所示的示例性实施方式中，使用基于第一压力是否是负压而应用与固定值对应的第一设定压力(target_δp(默认值)，参见图2)或第二设定压力(target_p，参见图2)的方法。参照图2，在氢气供应目标压差值确定步骤(s130)中，当第一压力小于预设参考压力时，与预设目标压差值(target_δp(默认值)，参见图2)对应的第一设定压力可以确定为氢气供应目标压差值。此外，在氢气供应目标压差值确定步骤(s130)中，当第一压力等于或大于参考压力时，通过从与阳极的预设目标压力值(target_p)对应的第二设定压力减去第一压力而计算的值可以确定为氢气供应目标压差值。

具体地，当在阳极压力获取步骤(s110)中获取的第一压力是负压时，氢气供应目标压差值可以是第一设定压力。作为预设目标压差值的第一设定压力可以是固定值。因此，在图2的示例性实施方式中，当第一压力是负压时，可以一致地施加第一设定压力。例如，当预设目标压差值是约20kpa，并且起动之前即刻的阳极压力是约80kpa时，氢气供应目标压差值可以是约20kpa。因此，可以供应充足的氢气以升高阳极压力约20kpa。

同时，当在阳极压力获取步骤(s110)中获取的第一压力是常压时，氢气供应目标压差值可以是通过从阳极的第二设定压力(target_p)减去第一压力而计算的值。特别地，作为阳极的预设目标压力值的第二设定压力(target_p)可以是固定值。因此，当第一压力是常压时，可以一致地施加第二设定压力。例如，当第二设定压力是约120kpa，并且起动之前即刻的阳极的内部压力是约105kpa时，氢气供应目标压差值可以是约15kpa，这是通过从120kpa减去105kpa而计算的值。因此，可以供应充足的氢气，以升高阳极压力约15kpa。

此外，在图3中所示的另一个示例性实施方式中，固定值可以与上述示例性实施方式中类似地基于第一压力是否是负压而加以应用，但是当第一压力小于预设参考压力值时，该另一个示例性实施方式和上述示例性实施方式之间有差异。参照图3，在氢气供应目标压差值确定步骤(s130)中，当第一压力小于预设参考压力时，通过从预设参考值减去第一压力而计算的值可以确定为氢气供应目标压差值。此外，当第一压力等于或大于参考压力时，通过从与阳极的预设目标压力值(target_p)对应的第二设定压力减去第一压力而计算的值可以确定为氢气供应目标压差值。

具体地，当第一压力小于参考压力时，通过从参考值减去第一压力而计算的值可以确定为氢气供应目标压差值。更具体地，当在阳极压力获取步骤(s110)中获取的第一压力是负压时，氢气供应目标压差值可以确定为通过从大气压力减去第一压力而计算的值，也就是，在达到大气压力的水平处的压差。

在图4中所示的另一个示例性实施方式中，使用一种基于第一压力是否是负压以及大气压力与第一压力之间的差值是等于还是大于第一设定压力(target_△p(默认值))而可变化地应用氢气供应目标压差值的方法。参照图4，在氢气供应目标压差值确定步骤(s130)中，当第一压力小于预设参考压力时，氢气供应目标压差值可以通过比较第一压力和参考压力之间的差值与和预设目标压差值(target_△p(默认值))对应的第一设定压力而确定。

当第一压力小于参考压力并且第一压力和参考压力之间的差值等于或大于第一设定压力时，氢气供应目标压差值可以确定为通过从参考压力减去第一压力而计算的值。具体地，当在阳极压力获取步骤(s110)中获取的第一压力是负压并且通过从大气压力减去第一压力而计算的值等于或大于第一设定压力(target_△p(默认值))时，氢气供应目标压差值可以确定为通过从大气压力减去第一压力而计算的值，也就是在达到大气压力的水平处的压差。

例如，当第一压力是约60kpa并且第一设定压力是约15kpa时，由于通过从大气压力减去第一压力而计算的值大于第一设定压力，氢气供应目标压差值可以是约40kpa。此外，当第一压力小于参考压力并且第一压力和参考压力之间的差值小于第一设定压力时，氢气供应目标压差值可以确定为第一设定压力。

当在阳极压力获取步骤(s110)中获取的第一压力是负压，并且通过从大气压力减去第一压力而计算的值小于第一设定压力时，氢气供应目标压差值可以确定为第一设定压力，也就是，预设目标压差值。例如，当第一压力是约90kpa并且第一设定压力是约15kpa时，由于通过从大气压力减去第一压力而计算的值是约10kpa，小于第一设定压力，因此氢气供应目标压差值可以是约15kpa，是第一设定压力。

同时，参照图4，在氢气供应目标压差确定步骤(s130)中，当第一压力等于或大于预设参考压力时，氢气供应目标压差值可以确定为通过从第一设定压力减去第一压力和参考压力之间的差值而计算的值。具体地，当第一压力等于或大于大气压力时，氢气供应目标压差值可以确定为通过从预设目标压差值减去通过从第一压力减去大气压力而计算的值计算的值。例如，当第一压力是约105kpa并且第一设定压力是约15kpa时，氢气供应目标压差值可以是通过从15kpa减去5kpa获得的约10kpa，所述约5kpa是通过从105kpa减去大气压力而计算的值。

如上所述，在图2中所示的示例性实施方式中，当确定氢气供应目标压差值时，基于起动系统之前即刻的阳极压力是否是负压而分别应用固定值，但是在图4中所示的另一个示例性实施方式中，当确定氢气供应目标压差值时，氢气供应目标压差值可以使用起动之前即刻的阳极压力而可变地改变。

当在重新起动燃料电池的情况下确定氢气供应目标压差值时，可以适当地应用在图2至图4中所示的示例性实施方式中的方法，并且氢气供应目标压差值得到最小化的示例性实施方式中的方法可以在示例性实施方式中的这两个方法之间应用。因此，在确保阳极的氢气浓度而不影响燃料电池的耐久性的范围内，可以使氢气的消耗量最小化。

图5是示出基于应用根据本公开内容的燃料电池系统的控制方法的时间的阳极压力和氢气供应目标压差值的图。在图5的图中，x轴指示燃料电池的操作停止时间，并且y轴指示阳极压力。此外，a是第一压力，b2是氢气供应目标压差值，并且c2是通过供应氢气而升高的在起动该系统之后的阳极压力。d2是通过基于所确定的b2值供应氢气而在阳极中升高的压力，等于b2。

参照图5，由于b2基于起动之前即刻的阳极压力a(第一压力)而确定，因此特别是当起动之前即刻的阳极压力a是负压时可以使氢气过度供应的问题最小化。换句话说，当压力在起动之前即刻是负压时，与作为根据现有技术的在阳极中升高的压力的图1的d1相比，阳极中升高的压力较小。因此，根据本公开内容，由于可以使起动时的氢气的消耗量最小化，因此可以获得改善实际驱动燃料效率的效果。

同时，根据本公开内容的另一个示例性实施方式的燃料电池系统可以包括压力获取器、氢气供应器和控制器。该控制器可以配置成操作压力获取器和氢气供应器。此外，压力获取器可以是一种类型的传感器。该压力获取器可以配置成获取第一压力，该第一压力是起动之前即刻的阳极压力。特别地，在压力获取器中获取压力的方法不受限制。例如，压力传感器可以配置成感测阳极压力，但是获取该压力的方法不限于此。

氢气供应器可以包括连接到阳极的氢气供应阀，并基于氢气供应阀的开度升高阳极压力。同时，控制器可以配置成基于在压力获取器中获取的第一压力的强度确定与在起动系统时因供应给阳极的氢气而在阳极中升高的压力值相对应的氢气供应目标压差值，并且调整氢气供应阀的开度以向阳极提供充足的氢气，从而升高与氢气供应目标压差值对应的阳极压力。

特别地，当第一压力小于预设参考压力时，控制器可以配置成将氢气供应目标压差值确定为与预设目标压差值对应的第一设定压力，并且当第一压力等于或大于参考压力时，控制器可以配置成将氢气供应目标压差值确定为通过从与阳极的预设目标压力值对应的第二设定压力减去第一压力而计算的值(参见图2)。

同时，当第一压力小于预设参考压力时，控制器可以配置成比较第一压力和参考压力之间的差值与和预设目标压差值对应的第一设定压力，从而确定氢气供应目标压差值。当第一压力等于或大于预设参考压力时，控制器可以配置成将氢气供应目标压差值确定为通过从第一设定压力减去第一压力和参考压力之间的差值而计算的值(参见图4)。

如上所述，由于通过在确定氢气供应目标压差值时考虑起动之前即刻的阳极压力，根据本公开内容中的示例性实施方式的燃料电池系统的控制方法可以反映负压在阳极中的形成和到常压的恢复模式基于燃料电池的操作状态或操作停止时间或阴极的密封状态和该系统的配置而不同这一事实，因此可以使在起动之前即刻的阳极的压力状态，特别是负压状态下的起动氢气的消耗量最小化。

因此，当在车辆中使用燃料电池时，由于由在起动之前的负压引起的氢气的额外消耗得以最小化，因此实际驱动燃料效率与现有技术中的现有方法相比可以增大。此外，根据本公开内容，由于防止起动氢气的超压，可以保护燃料电池堆并改善燃料电池的操作安全性。

在上文中，虽然本公开内容已经参照示例性实施方式和附图加以描述，但是本公开内容不限于此，而是可以由本公开内容相关领域的技术人员在不背离随附权利要求中加以保护的本公开内容的精神和范围的情况下不同地修改和改变。