控制燃料电池系统的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及控制燃料电池系统的系统和方法，更特别地，涉及使用单个阀门同时实施氢排出和冷凝水排放功能的控制燃料电池系统的系统和方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池车辆包括将用作电源的多个燃料电池堆叠的燃料电池堆、向燃料电池堆供应作为燃料的氢等的燃料供应系统、供应作为电化学反应所需的氧化剂的氧的空气供应系统、控制燃料电池堆的温度的水和热管理系统，等等。
[0003]特别地，燃料供应系统降低在储氢罐中压缩氢的压力，并将压力降低的压缩的氢供应到燃料电池堆的阳极，并且空气供应系统将通过操作鼓风机吸入的外部空气供应到燃料电池堆的阴极。
[0004]当氢被供应到燃料电池堆的阳极并且氧被供应到燃料电池堆的阴极时，通过在阳极的催化反应分离出氢离子。分离的氢离子通过电解质膜传递到作为阴极的氧化电极，并且在阳极的分离的氢离子在氧化电极与电子和氧一起产生电化学反应，因此可获得生成电能。详细地，氢的电化学氧化在阳极中发生，并且氧的电化学还原在阴极中发生。由于通过上述过程生成的电子的移动而生成电和热，并且通过将氢和氧结合到一起的化学反应生成水蒸气或水。
[0005]为了释放没有反应的氢和氧，和副产物诸如水蒸气、水和在燃料电池堆的电能生成过程中生成的热，设置有排放装置。同样，气体诸如水蒸气、氢、氧等通过排放路径排放到大气。
[0006]同时，燃料电池堆中的水的量应被适当地调整。当配置膜电极组件的离子交换膜被加湿时，离子交换膜的离子电导率提高，由此使得可能提高燃料电池堆的反应效率。另一方面，当水的量过大时，容易发生水蒸气的液化过程，从而妨碍催化剂和反应气体之间的接触，由此使得可能降低燃料电池堆的反应效率。
[0007]在大多数燃料电池系统中，使用用于调整从系统排放的氢的量并用于调整燃料电池堆中水的量的氢排气阀以提高燃料效率，同时还防止过剩。在这些系统中，氢排气阀通过控制信号反复打开和关闭，以允许燃料电池堆中燃料和冷凝水在系统中保持预定的时间，并且在预定时间过去之后排放到外界。
[0008]然而，冷凝水需要排放的时间点和燃料需要排放的时间点可能彼此不同。这样，增加了在燃料电池堆中发生溢流现象、氢被过度排放的可能性的程度，由此降低了燃料效率，并且可能由于内部反应气体的浓度降低引起电池堆的耐久性降低。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种控制燃料电池系统的系统和方法，尽管通过一个阀排放冷凝水和燃料，但该系统和方法能够改善燃料电池堆的燃料效率和耐久性。
[0010]根据本发明的示例性实施例，提供一种控制燃料电池系统的系统和方法，包括:在冷凝水的产生量超过聚水器的容量的时间点通过打开排水排气阀排放冷凝水；在排放之后依据阳极侧的氢浓度和目标氢浓度来确定排水排气阀的打开时间；以及通过将排水排气阀维持在被打开状态确定的打开时间来排出氢。
[0011]同样，冷凝水的排放可包括依根据基于燃料电池堆的平均输出电流计算的冷凝水的产生速度来计算冷凝水的产生量。
[0012]平均输出电流可以是在预定的时间内测量的多个输出电流数据的平均值。该平均输出电流可以在预定的时间更新。
[0013]在计算冷凝水的产生量的过程中，当燃料电池堆温度不同于目标温度时，冷凝水的产生速度可通过将在目标温度的冷凝水的产生速度乘以比例因子来计算。
[0014]确定排水排气阀的打开时间的步骤可包括:基于燃料电池堆的输出电流和依据输出电流而不同的校正系数来计算校正累积电荷量；以及根据依所计算的校正累积电荷量的氢浓度和预定的目标氢浓度来确定打开时间。该校正系数可依根据平均电流变化率而变化。
[0015]可依据在所有电流数据的平均值和所有电流数据中的最后测量的预定数量的电流数据的平均值之间的比较结果，来确定平均电流变化率。
[0016]当平均电流变化率提高或正在提高时，可改变校正系数，使得其小于与输出电流对应的校正系数，并且当平均电流变化率降低或正在降低时，可改变校正系数，使得其大于与输出电流对应的校正系数。
【附图说明】
[0017]下面提供所附附图的详细描述以充分理解在本发明的详细描述中提到的附图:
[0018]图1是根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统100的配置图；
[0019]图2是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的控制方法的流程图；以及
[0020]图3是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统中排水排气阀随时间的操作，以及对应于该操作的冷凝水和氢的浓度变化的图表。
【具体实施方式】
[0021 ] 具体的结构和功能的描述仅为描述在本说明书或本公开中披露的本发明的各种示例性实施例提供。因此，本发明的示例性实施例可以各种形式实施，并且本发明不解释为限于在本说明书或本公开中描述的示例性实施例。
[0022]由于本发明的示例性实施例可多种修改并可具有若干形式，因此具体示例性实施例在附图中示出并在本说明书或本公开中详细描述。然而，应理解，本发明不限于具体示例性实施例，但包括在本发明的精神和保护范围中包括的所有修改、等效和替代。
[0023]术语诸如“第一”、“第二”等可用来描述各种部件，但该部件不构成为限于该术语。例如，“第一”部件可命名为“第二”部件，并且“第二”部件也可相似地命名为“第一”部件，而不背离本发明的保护范围。
[0024]应理解当一个元件被称为“连接到”或“耦联到”另一元件时，其可直接连接或直接耦联到另一元件，或在具有在两者间插入的其他元件情况下连接或耦联到另一元件。另一方面，应理解当一个元件被称为“直接连接到”或“直接耦联到”另一元件时，其可以在没有在两者之间插入的其他元件的情况下连接或耦联到另一元件。描述部件之间关系的其他表达，即“在…之间”、“直接在…之间”、“与…相邻”、“与…直接邻近”等应相似解释。
[0025]这里使用的术语只是用于说明特定的实施例，并不意图限制本发明。这里使用的单数形式意图还包括复数形式，除非上下文明确地另有说明。另外要明白当用在本说明书中时，术语“包含”指定陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，不过并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合的存在或增加。
[0026]应当理解，这里使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其它类似术语包括通常的机动车辆，比如包括运动型多用途车(SUV)的客车，公共汽车，卡车，各种商用车辆，包括各种小舟和轮船的船只，飞机等，并且包括混合动力汽车，纯电动汽车，插电式混合动力汽车，氢动力汽车和其它替代燃料汽车(例如，从除石油以外的资源得到的燃料)。这里使用的混合动力汽车是具有两种以上动力源的车辆，比如汽油动力和电动汽车。
[0027]另外，应理解下面的方法由至少一个控制器执行。术语控制器指包括存储器和处理器的硬件装置，该处理器被配置成执行应解释为其算法结构的一个或多个步骤。存储器被配置成存储算法步骤，并且处理器被具体地配置成执行所述算法步骤从而执行在下面进一步描述的一个或多个过程。
[0028]此外，本发明的控制逻辑可被实现成计算机可读介质上的非临时性计算机可读媒介，所述计算机可读介质包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。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、闪速驱动器、智能卡和光学数据存储器件。计算机可读记录介质也可分布在网络耦接的计算机系统中，以致通过例如远程信息处理服务器或控制器局域网络(CAN)，分布地保存和执行计算机可读媒介。
[0029]除非以其他方式表示，否则应理解包括技术术语和科学术语的在本说明书中使用的所有术语具有与本领域技术人员所理解的这些术语相同的意义。必须理解由字典定义的术语与在相关技术的范围内的意义相同，并且它们不应被标准地或过度形式化地定义，除非文本以其他方式明确规定之外。
[0030]在下文中，参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在每个附图中提到的类似参考标记表示类似部件。
[0031]图1是根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统100的配置图。参考图1，根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统100可被配置成包括燃料电池堆10、喷射器20、鼓风机30、加湿器40、氢供应器50、排