用于燃料电池的净化控制系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于燃料电池的净化控制系统和方法。更具体地，本发明涉及用于燃料电池的净化控制系统，其可以通过将排出的氢的浓度保持在希望的水平来提高针对着火和爆炸的稳定性，并在氢净化阀打开时通过使氢以恒定速度经由氢净化阀排出来精确地将阳极控制在希望的浓度。
【背景技术】
[0002]应用于环保的未来汽车之一的氢燃料电池车的燃料电池系统，包括由反应气体(例如，作为燃料的氢和作为氧化剂的氧)的电化学反应产生电能的燃料电池组、用于供给氢(例如向燃料电池组供给燃料)的氢供应单元、用于向燃料电池组供给含氧的空气的空气供应单元、配置成通过从燃料电池组向外部释放热量并执行水管理功能来控制操作温度的热量和水管理系统、以及配置成通过使用专门编程以控制燃料电池系统的操作的处理器和存储器来控制燃料电池系统的全面操作的燃料电池系统控制器。
[0003]图1是示出典型燃料电池系统的视图。如同图1示出的氢供应装置通常包括氢贮存器(氢罐)21、高/低压调节器(未示出)、氢气供应阀23、和氢气再循环管线24。空气供应装置一般包括鼓风机31和加湿器32。另外，热量和水管理系统(未示出)通常包括电动水泵(冷却剂泵)、水罐和散热器。
[0004]从氢供应单元的氢罐21供给而来的高压氢按顺序通过高/低压力调节器，然后以低压供给到燃料电池组。氢再循环管线24使得可以通过采用喷射器25和/或再循环鼓风机(未示出)使燃料电池组10的阳极中反应后剩余的未反应氢再循环而对氢进行再利用。
[0005]随着燃料电池系统的燃料电池组10的操作，从供给到电池组的阴极的空气中而来的氮以及在阴极中产生的湿气(例如，水和/或水蒸气)经由电池组内部的电解质膜而穿入到阳极。
[0006]在这种情况下，氮降低氢的分压，从而降低电池组的性能，并且产生的水堵塞流场，从而阻断氢的移动。因此，需要周期性的净化以确保电池组的稳定的性能并防止电池组被淹没。
[0007]随着经由燃料电池组内部的电解质膜穿入到阳极的杂质如氮、水和水蒸气增多，阳极内部氢的量减少，从而降低反应效率。因此，氢净化阀40需要周期性地打开以将杂质清除出阴极。
[0008]具体而言，用于氢净化的氢净化阀40通常设置在燃料电池组10的阳极的出口侧的管线中，以周期性地从阳极排出氢。因此，来自燃料电池组的双极板的杂质如湿气和氮可以一起排出并除去，从而增大氢的利用率。当杂质排出燃料电池组时，氢的浓度增加，且气体扩散和反应性得以改善。
[0009]氢净化阀40可以是根据燃料电池系统控制器(未示出)的命令周期性地打开和关闭以管理氢的浓度的电子控制阀。当氢净化阀40打开时，燃料电池组10内部的杂质如湿气和氮可以经由车辆排气口 34排放到大气中。
[0010]当氢净化阀40在车辆运行过程中打开时，由于燃料电池组10的阳极(相对高压)与阴极(相对低压)之间的压力差，氢可以跟在杂质之后经由阴极的背侧、空气排气管线33和排气口 34排放到大气中。这样，可以保持燃料电池组10的输出。
[0011]当由于氢净化阀40的打开而朝向阴极的背侧(S卩，与阳极相反的侧)和空气排气管线33进行氢净化时，从阳极排出的氢用主要由将要从车辆排出的空气构成的阴极废气进行稀释。对于这一点，需要在阴极与阳极之间存在压力差。
[0012]这样，在氢净化时，由于阳极与阴极之间的压力差，氢从阳极排放到阴极的背侧，同时，阳极的杂质可以一起排出。图2是示出现有技术中阳极与阴极之间的压力差保持在恒定水平的图。
[0013]如图2所示，阳极的压力保持在高于阴极压力的某个水平，从而当氢净化阀打开时，由于阳极与阴极之间的压差，氢和杂质可以自然地排出。
[0014]在大部分实例中，根据车辆所需的燃料电池组的输出(下文中，称为车辆输出)，氢净化阀打开一定的时间。通过预设的实验来制作与车辆输出相关的压力分布，并同样地应用于所有车辆。
[0015]然而，在上述实例中，不可能将车辆排气口的氢浓度恒定地保持在需要的水平(法定要求:三秒钟的平均氢浓度小于约4%，最大值为约8% )。具体地，在氢净化过程中，氢与杂质一起排出时，在排气口的氢浓度增大。这造成着火或爆炸的风险。
[0016]解决该问题的一种方法是通过在氢净化阀的后端应用箱体以延迟排气从而控制浓度。然而，由于这种方法仅在应用相当大的箱体时有效，难以向空间有限的车辆应用该方法。
[0017]在本【背景技术】章节中公开的上述信息仅用于增强对本发明【背景技术】的理解，因此其可能包含不构成该国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0018]本发明提供用于燃料电池的净化控制系统和方法，其可以通过将排出的氢的浓度保持在希望的水平来提高燃料电池系统针对着火和爆炸的稳定性，并同时在氢净化阀打开时通过使氢以恒定速度经由氢净化阀排出来精确地将阳极控制在希望的浓度。
[0019]一方面，本发明提供用于燃料电池的净化控制方法，包括:通过传感器测量阳极和阴极的压力，通过控制器基于传感器测量的压力差来控制阳极和阴极的压力，从而将阳极与阴极之间的压力差保持在预设的参考压差。通过控制器，根据车辆所需的燃料电池组的输出来控制打开时间和打开周期，并控制氢净化阀，从而根据所确定的打开时间和打开周期来打开氢净化阀。
[0020]在示例性实施方式中，当阳极与阴极之间的压力差小于参考压差时，可以使阳极的压力增大，并且当阳极与阴极之间的压力差大于参考压差时，可以使阴极的压力增大。
[0021]在另一个示例性实施方式中，当阳极与阴极之间的压力差小于参考压差时，可以使阳极的压力增大“阴极压力-阳极压力+参考压差”的值，并且当阳极与阴极之间的压力差大于参考压差时，可以使阴极的压力增大“阳极压力-阴极压力-参考压差”的值。
[0022]在另一个实施方式中，随着车辆所需的燃料电池组的输出变得越少，氢净化阀的打开时间和打开周期可以越缩短。
[0023]在另一个实施方式中，氢净化阀的打开时间和打开周期可以由下面的式(I)和式
(2)确定:
[0024]打开时间tm(SeC)=汽车输出㈧X常数I …(I)
[0025]打开周期^ff(Sec)=汽车输出㈧X常数2 …(2)
[0026]此处，常数I和常数2为预设的值，以及tjsec)为打开时间且Usec)为关闭时间。
[0027]在另一个示例性实施方式中，净化控制方法还可以包括监测经由车辆排气口排出的氢的浓度。此处，当排出的氢的浓度小于预设的参考浓度时，氢净化阀可以控制成根据预设的打开时间和打开周期来打开氢净化阀。
[0028]在另一个示例性实施方式中，当排出的氢的浓度等于或大于预设的参考浓度，可以延迟氢净化阀的打开，并且在氢净化阀打开并然后关闭的下一次氢净化中，还可以进行氢净化阀的除将在当时进行的净化操作之外的净化操作。
[0029]在另一个示例性实施方式中，在氢净化阀打开并然后关闭的下一次氢净化中，氢净化阀的净化操作可以进一步以与延迟时间成比例的频率进行。
[0030]在另一个示例性实施方式中，相对于每分钟的延迟时间，增加一次预设时间的氢净化阀的打开。
[0031]在下文中讨论本发明的其他方面和示例性实施方式。
【附图说明】
[0032]现在将参考在附图中图示的某些示例性实施方式对本公开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:
[0033]图1是示出典型的燃料电池系统的视图；
[0034]图2是示出现有技术中阳极与阴极之间的压力差保持在恒定水平的图；
[0035]图3是示出根据本发明的示例性实施方式的净化控制系统的配置的视图；
[0036]图4和图5是示出根据本发明的示例性实施方式的用于燃料电池的净化控制方法的流程图；
[0037]图6是示出氢净化阀的打开时间(tm)和打开周期(U的视图；
[0038]图7是示出根据压差的电池电压偏差的图；以及
[0039]图8是示出根据压差的持久性前/后电池组电压差异的图。
[0040]附图中列出的附图标记包括对以下将在下文进一步讨论的元件的参考:
[0041]10:燃料电池组