用于燃料电池的冷凝水排水控制系统和方法与流程

1.本发明涉及一种用于燃料电池的冷凝水排水控制系统和方法，更具体地，涉及一种配置为感测通过打开排水阀而使氢从氢供应管线排放的冷凝水排水控制系统和方法。


背景技术：

2.燃料电池是将由于燃料氧化而产生的化学能直接转换为电能的电池，因此是一种发电设备。燃料电池与化学电池的相似之处在于使用还原
‑
氧化，但与化学电池的不同之处在于，从外部连续地引入反应物，并且将反应产物连续地排出系统，这与配置为在封闭系统中进行电池反应的化学电池不同。近年来，燃料电池发电系统已经实际用于例如燃料电池车辆中，并且由于燃料电池的反应产物为纯水，因此已经积极进行了将燃料电池用作环保车辆能源的研究。
3.燃料电池系统包括燃料电池堆、空气供应设备和氢供应设备，所述燃料电池堆配置为通过化学反应产生电能，所述空气供应设备配置为将空气供应到燃料电池堆的空气电极，所述氢供应设备配置为将氢供应到燃料电池堆的氢电极。
4.当在燃料电池堆中发电时，在燃料电池堆中产生水。由于浓度差，一些水通过电解质膜排放到氢电极。氢气通过再循环设备再循环到氢供应设备，并且从氢电极排放的水被冷凝并且储存在氢供应设备包括的集水器中。
5.该集水器包括水位传感器。当由水位传感器感测到的冷凝水水位大于或等于预定的排放水位时，排水阀打开从而将储存的冷凝水排放到外部。另外，当由水位传感器感测到的冷凝水水位大于或等于预定的中断水位时，排水阀关闭以防止氢的排放。
6.然而，在集水器的水位传感器破裂的情况下，无法测量集水器中储存的冷凝水的水位，从而无法适当地控制排水阀。具体地，当氢供应设备中的冷凝水不能顺利地排放到外部时，燃料电池堆中产生的水不能排放到外部，从而堵塞了隔膜中的流动通道。如果排水阀的打开超过必要，则会不必要地排放氢，使燃料经济性变差。
7.常规地，为了解决该问题，在集水器的水位传感器破裂的情况下，基于通过对燃料电池堆中产生的电流进行积分获得电流积分值，当电流积分值达到预定值时，执行故障
‑
安全控制以打开排水阀。然而，由于根据燃料电池堆的状态，集水器中储存的冷凝水的量不均匀，所以无法准确地测量集水器的水位。
8.为了解决该问题，使用了在排水阀打开的状态下测量氢供应管线中的压力的方法。然而，在排水阀打开的状态下，在氢供应管线中的目标压力可变的情况下，尽管没有从氢供应管线排放氢，仍会错误地检测到氢的排放。
9.公开于本部分的信息仅用于加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员已知的相关技术。


技术实现要素：

10.本发明提供了准确地感测通过打开排水阀而使氢从氢供应管线排放的技术。
11.根据本发明的一个方面，可以通过提供用于燃料电池的冷凝水排水控制系统实现上述目的和其他目的，所述冷凝水排水控制系统包括：燃料电池堆、燃料供应管线、集水器、排水阀和排水控制器，所述燃料电池堆配置为通过燃料电池堆中的化学反应发电；所述燃料供应管线配置为使从燃料电池堆排放的燃料再循环并与从燃料供应阀引入的燃料一起供应到燃料电池堆；所述集水器位于燃料供应管线中并且配置为收集从燃料电池堆排放的冷凝水；所述排水阀位于集水器的出口并且配置为在打开时将集水器中储存的冷凝水排放到外部；所述排水控制器配置为在排水阀打开之前确定燃料供应阀是否被控制成使得燃料供应管线中的压力得以维持，并且在确定压力得以维持时感测燃料从燃料供应管线通过排水阀的排放。
12.排水控制器可以在排水阀关闭的状态下基于燃料供应管线中压力的变化或燃料供应阀的打开程度的变化来确定燃料供应阀是否被控制成使得燃料供应管线中的压力得以维持。
13.冷凝水排水控制系统还可以包括压力传感器，其配置为感测燃料供应管线中的压力；其中排水控制器可以基于由压力传感器感测到的压力信号的变化来确定燃料供应阀是否被控制成使得燃料供应管线中的压力得以维持。
14.冷凝水排水控制系统还可以包括燃料箱和燃料供应控制器，所述燃料箱配置为将燃料储存在燃料箱中；所述燃料供应控制器配置为控制燃料供应阀的打开程度，使得燃料供应管线中的压力遵循目标压力；其中排水控制器可以基于来自燃料供应控制器的用于控制燃料供应阀的打开程度的信号的变化来确定燃料供应阀是否被控制成使得燃料供应管线中的压力得以维持。
15.在需要打开排水阀的情况下，燃料供应控制器可以固定燃料供应管线中的目标压力。
16.冷凝水排水控制系统还可以包括电力控制器，其配置为在需要打开排水阀的情况下，固定燃料电池堆的所需电流或所需功率。
17.冷凝水排水控制系统还可以包括：蓄电池和负载，所述蓄电池配置为在通过由燃料电池堆产生的电力进行充电或放电时辅助燃料电池堆的发电；所述负载连接到燃料电池堆和蓄电池，以从燃料电池堆或蓄电池接收电力；其中电力控制器可以基于负载的所需功率或蓄电池的电量来控制燃料电池堆的所需电流或所需功率，并且可以在燃料电池堆的所需电流或所需功率固定的情况下，控制蓄电池的充电和放电以满足负载的所需功率。
18.排水控制器可以在排水阀打开的状态下基于燃料供应管线中压力的变化或燃料供应阀的打开程度的变化来感测燃料从燃料供应管线通过排水阀的排放。
19.排水阀可以配置为具有清除功能从而在打开时将燃料供应管线中的燃料清除到外部；排水控制器可以测量从感测到燃料从燃料供应管线通过排水阀排放的时间点到排水阀关闭的时间点之间的清除时间。
20.冷凝水排水控制系统还可以包括浓度估算器，其配置为估算通过打开排水阀而清除的量，并且通过反映估算的清除量来估算燃料供应管线中的燃料浓度。
21.根据本发明的另一方面，提供了一种用于燃料电池的冷凝水排水控制系统，所述冷凝水排水控制系统包括：燃料电池堆、燃料供应管线、集水器、排水阀、排水控制器和燃料供应控制器，所述燃料电池堆配置为通过燃料电池堆中的化学反应发电；所述燃料供应管
线配置为使从燃料电池堆排放的燃料再循环并与从燃料供应阀引入的燃料一起供应到燃料电池堆；所述集水器位于燃料供应管线中并且配置为收集从燃料电池堆排放的冷凝水；所述排水阀位于集水器的出口并且配置为在打开时将集水器中储存的冷凝水排放到外部；所述排水控制器配置为感测燃料从燃料供应管线通过排水阀的排放；所述燃料供应控制器配置为当排水阀在排水控制器的控制下打开时，控制燃料供应阀使得燃料供应管线中的压力得以维持。
22.根据本发明的另一方面，提供了一种用于燃料电池的冷凝水排水控制方法，所述冷凝水排水控制方法包括以下步骤：通过排水控制器确定燃料供应阀是否被控制成使得燃料供应管线中的压力得以维持，所述燃料供应管线配置为使从燃料电池堆排放的燃料再循环并与从燃料供应阀引入的燃料一起供应到燃料电池堆；通过排水控制器打开排水阀，所述排水阀位于燃料供应管线中的集水器的出口，所述集水器配置为收集从燃料电池堆排放的冷凝水，所述排水阀配置为在打开时将集水器中储存的冷凝水排放到外部；在确定步骤中确定压力得以维持时，通过排水控制器感测燃料从燃料供应管线通过排水阀的排放。
23.确定燃料供应阀是否被控制成使得燃料供应管线中的压力得以维持的步骤可以包括：在排水阀关闭的状态下基于燃料供应管线中压力的变化或燃料供应阀的打开程度的变化来确定燃料供应阀是否被控制成使得燃料供应管线中的压力得以维持。
24.冷凝水排水控制方法还可以包括：在确定燃料供应阀是否被控制成使得燃料供应管线中的压力得以维持的步骤之前，确定是否需要打开排水阀；在确定需要打开排水阀时，固定燃料供应管线中的目标压力或固定燃料电池堆的所需电流或所需功率。
25.冷凝水排水控制方法还可以包括：在感测到燃料排放的步骤之后，测量从感测到燃料从燃料供应管线通过排水阀排放的时间点到排水阀关闭的时间点之间的清除时间；基于测量的清除时间估算通过打开排水阀而清除的量；通过反映估算的清除量来估算燃料供应管线中的燃料浓度。
附图说明
26.通过下文结合附图所呈现的详细描述将会更为清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征以及其它优点，在这些附图中：
27.图1是示出根据本发明实施方案的用于燃料电池的冷凝水排水控制系统的结构的示意图；
28.图2是示出常规的冷凝水排水控制信号和燃料供应控制信号的示意图；和
29.图3是示出根据本发明实施方案的用于燃料电池的冷凝水排水控制方法的流程图。
具体实施方式
30.应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(suv)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或多种动力源的车辆，例如汽油动力车辆和电力动力二者
的车辆。
31.本文所用的术语仅为了描述具体实施方案的目的，并不旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚说明。还将理解当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括了”时，表明存在所述特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或更多种其他的特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其群体。正如本文所使用的，术语“和/或”包括一种或更多种相关列举项的任何和所有组合。在整个说明书中，除非明确地相反描述，术语“包括”和变化形式例如“包括有”或“包括了”应被理解为暗示包含所述元件但是不排除任何其它元件。此外，说明书中描述的术语“单元”、“器件”、“部件”和“模块”表示用于进行至少一种功能和操作的单元，并且可以通过硬件组件或软件组件及其组合实施。
32.此外，本发明的控制逻辑可以体现为计算机可读介质上的永久性计算机可读介质，包括通过处理器、控制器等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括但不限于rom、ram、光盘(cd)
‑
rom、磁带、软盘、闪存盘、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读介质也可以分布在网络联接的计算机系统中使得计算机可读介质以分布方式存储和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(can)。
33.在本说明书或本发明中公开的本发明的实施方案的具体结构或功能描述仅用于说明本发明的实施方案。本发明的实施方案可以以各种形式实现，并且不应解释为限于本说明书或本发明中公开的本发明的实施方案。
34.由于可以对本发明的实施方案进行各种修改并且可以具有各种形式，因此将在附图中显示具体实施方案，并且将在本说明书或本发明中对其进行详细描述。然而，根据本发明的构思的实施方案不限于这些特定实施方案，并且应当理解，本发明包括落入本发明的理念和技术范围内的所有修改形式、等效形式和替代形式。
35.将理解的是，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等描述各个元件，相应的元件不应理解为受这些术语的限制，这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，在本发明所限定的范围内，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。
36.将理解的是，当组件被称为“连接至”或“联接至”另一个组件时，所述组件可以直接连接或联接至另一个组件，或者可以存在介入组件。相反，当组件被称为“直接连接至”或“直接联接至”另一个组件时，不存在介入组件。描述组件之间关系的其它术语，例如“在
……
之间”和“直接在
……
之间”或“与
……
相邻”和“与
……
直接相邻”，必须以相同的方式解释。
37.现在将详细参考本发明的优选实施方案，其示例在附图中示出。只要有可能，相同的附图标记将用在整个附图中从而表示相同或相似的部件。
38.图1是示出根据本发明实施方案的用于燃料电池的冷凝水排水控制系统的结构的示意图。
39.参考图1，根据本发明实施方案的用于燃料电池的冷凝水排水控制系统包括：燃料电池堆10、燃料供应管线20、集水器30、排水阀32和排水控制器50，所述燃料电池堆10配置为通过燃料电池堆10中的化学反应发电，所述燃料供应管线20配置为使从燃料电池堆10排放的燃料再循环并与从燃料供应阀42引入的燃料一起供应到燃料电池堆10，所述集水器30
位于燃料供应管线20中并且配置为收集从燃料电池堆10排放的冷凝水，所述排水阀32位于集水器30的出口31并且配置为在打开时将集水器30中储存的冷凝水排放到外部，所述排水控制器50配置为在排水阀32打开之前确定燃料供应阀42是否被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持，并且在确定燃料供应管线20的压力得以维持时感测燃料从燃料供应管线20通过排水阀32排放。
40.燃料电池堆10从氢电极(阳极)和氧电极(阴极)接收包括氢和氧的空气作为燃料，并通过化学反应发电。在燃料电池堆10中，氢和氧彼此反应，从而产生冷凝水。
41.燃料供应管线20将燃料从燃料箱41供应到燃料电池堆10，并且通过再循环将从燃料电池堆10排放的燃料供应到燃料电池堆10。即，从燃料电池堆10排放的燃料在与从燃料箱41供应的燃料混合的状态下通过再循环而被供应到燃料电池堆10。
42.集水器30设置在燃料供应管线20中以储存燃料电池堆10中产生的冷凝水。具体地，将通过燃料电池堆10的氧电极产生并且由于扩散到氢电极而移动到燃料供应管线20的冷凝水收集并储存在集水器30中。集水器30的出口31可以连接到外部，或者可以连接到位于燃料电池堆10的氧电极入口的加湿器，以便提供水分。
43.排水阀32可以设置在集水器30的出口31中以控制冷凝水从集水器30的排放。具体地，排水阀32可以在打开时允许集水器30中储存的冷凝水的排放，并且可以在关闭时阻止冷凝水的排放。
44.通常，排水阀32被控制为关闭使得氢不能通过集水器30的出口31排放，并且当冷凝水被间歇储存时打开以将冷凝水排放到外部。
45.排水控制器50可以控制排水阀32的打开和关闭。具体地，排水控制器50可以感测或预测集水器30中储存的冷凝水的水位，可以进行控制使得排水阀32在冷凝水水位较高的状态下打开，并且进行控制使得排水阀32在由于排水阀32的打开而导致冷凝水水位降低时关闭。
46.图2是示出常规的冷凝水排水控制信号和燃料供应控制信号的示意图。
47.进一步参考图2，常规地，集水器30包括水位传感器33，所述水位传感器33配置为感测集水器30中储存的冷凝水的量，并且使用水位传感器33控制排水阀32的打开和关闭。
48.具体地，当由水位传感器33感测到的冷凝水的储存量大于或等于预定的高水位临界值时，控制排水阀32使其打开，当冷凝水的储存量小于或等于预定的低水位临界值时，控制排水阀32使其关闭。
49.然而，水位传感器33经常发生故障，使得感测精度降低并且响应缓慢。因此，如在图2的异常排放状态下，即使完成冷凝水的排放，排水阀32也保持打开，使得通过出口31排放氢。
50.常规地，为了解决该问题，进行控制使得在水位传感器33发生故障时，只要燃料电池的输出电流的积分值达到预定的积分电流值就打开排水阀32，排水阀32在预定的打开时间内保持打开，然后关闭。然而，排水阀32的打开和关闭受到的控制却与集水器30中储存的冷凝水的量无关，这导致氢的排放或燃料电池堆10的溢流。
51.为了估算集水器30中储存的冷凝水的量并且即使在水位传感器33发生故障时也基于冷凝水的量进行控制，排水控制器50在排水阀32打开的状态下感测燃料是否通过出口31从燃料供应管线20排放，并且在感测到燃料排放时进行控制使得排水阀32关闭。
52.具体地，燃料供应阀42控制燃料供应管线20中的压力以遵循目标压力(pi控制)，排水控制器50在排水阀32打开的状态下基于用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号来感测燃料通过出口31的排放。
53.然而，在遵循这种控制的情况下，如图2所示，在排水阀32打开的状态下，当燃料供应管线20中的目标压力改变时，燃料供应管线20中的压力和燃料供应阀42的控制信号也是可变的，从而即使在没有燃料通过排水阀32排放的情况下也会错误地判断燃料排放(氢的排放状态的错误检测)。
54.根据本发明，为了解决该问题，排水控制器50可以确定燃料供应阀42是否被控制成使得燃料供应管线20中的压力在排水阀32打开时得以维持，并且在确定燃料供应阀被控制成使得燃料供应管线中的压力得以维持时，排水控制器50可以在排水阀32打开的状态下感测燃料从燃料供应管线20通过排水阀32排放。
55.因此，排水控制器50可以在排水阀32打开的状态下准确地感测燃料通过排水阀32排放，因此可以避免由于其它环境变化导致燃料供应管线20中的压力变化而引起的燃料排放的误判。
56.在此，燃料供应阀42被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持意味着除非燃料供应管线20中的压力由于通过排水阀32从燃料供应管线20排放燃料而改变，否则燃料供应阀42被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持。即，在排水阀32打开的状态下，由于其他因素引起的燃料供应管线20中的压力变化实现最小化。
57.具体地，排水控制器50可以在排水阀32关闭的状态下基于燃料供应管线20中压力的变化或燃料供应阀42打开程度的变化来确定燃料供应阀42是否被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持。
58.在实施方案中，可以进一步包括配置为感测燃料供应管线20中的压力的压力传感器21，并且排水控制器50可以基于由压力传感器21感测到的压力信号的变化来确定燃料供应阀42是否被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持。
59.具体地，压力传感器21可以在燃料供应管线20中位于燃料电池堆10的入口侧，并且可以感测燃料供应管线20中的压力，并且燃料供应控制器40(下文将对其进行描述)可以基于由压力传感器21感测到的燃料供应管线20中的压力来调节燃料供应阀42的打开程度。
60.具体地，排水控制器50可以对由压力传感器21感测到的压力信号进行差分或者通过先前的感测值计算变化值(绝对值)，并且在计算的差分值或变化值在预定范围内保持的时间大于或等于预定保持时间的情况下，排水控制器50可以确定燃料供应阀42被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持。
61.在另一个实施方案中，可以进一步包括燃料箱41和燃料供应控制器40，所述燃料箱41配置为将燃料储存在燃料箱41中，所述燃料供应控制器40配置为控制燃料供应阀42的打开程度使得燃料供应管线20中的压力遵循目标压力，并且排水控制器50可以基于来自燃料供应控制器40的用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号的变化来确定燃料供应阀42是否被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持。
62.燃料箱41可以在燃料箱41中储存高压氢，并且可以通过燃料供应阀42将所储存的氢供应到燃料供应管线20。具体地，燃料箱41中储存的高压氢可以在减压之后供应到燃料供应管线20。
63.燃料供应控制器40可以基于燃料供应管线20中的压力来控制燃料供应阀42的打开和关闭，并且可以从燃料供应控制器40输出用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号。
64.具体地，燃料供应控制器40可以基于燃料供应管线20中的目标压力以及燃料供应管线20中的压力和温度来控制燃料供应阀42的打开和关闭。即，可以基于燃料供应管线20中的目标压力以及燃料供应管线20中的压力和温度来设置用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号。
65.排水控制器50可以对来自燃料供应控制器40的用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号进行差分或者通过先前的控制值计算变化值(绝对值)，并且在计算的差分值或变化值在预定范围内保持的时间大于或等于预定保持时间的情况下，排水控制器50可以确定燃料供应阀42被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持。
66.参考图2，燃料供应管线20的压力信号的变化值相对较小，从而难以感测燃料通过排水阀32排放；然而燃料供应阀42的控制信号的变化值相对较大，从而可以迅速、准确且容易地感测燃料的排放。
67.在实施方案中，在需要打开排水阀32的情况下，燃料供应控制器40可以固定燃料供应管线20中的目标压力。
68.燃料供应控制器40可以基于燃料电池的所需电流或所需功率来设定燃料供应管线20中的目标压力。具体地，在需要打开排水阀32的情况下，即使燃料电池的所需电流或所需功率是可变的，燃料供应控制器40也可以固定燃料供应管线20中的目标压力。
69.在另一个实施方案中，可以进一步包括电力控制器，所述电力控制器配置为在需要打开排水阀32的情况下固定燃料电池的所需电流或所需功率。
70.电力控制器可以基于负载的所需电流或所需功率以及蓄电池80(将在下文进行描述)的电量来控制燃料电池的所需电流或所需功率。即，电力控制器可以设定燃料电池的所需电流或所需功率，以满足实时变化的负载的所需电流。然而，电力控制器可以进行控制使得在需要打开排水阀32的情况下固定燃料电池的所需电流或所需功率。
71.可以进一步包括蓄电池80和负载，所述蓄电池80配置为在通过由燃料电池堆10产生的电力进行充电或放电时辅助燃料电池堆10的发电，所述负载连接到燃料电池堆10和蓄电池80，以从燃料电池堆10或蓄电池80接收电力。
72.即，燃料电池堆10和负载可以经由主总线端子彼此连接，并且蓄电池80可以并联连接至主总线端子。具体地，高压转换器81可以位于主总线端子与蓄电池80之间，并且电力控制器可以控制高压转换器81以控制蓄电池80的充电和放电。
73.电力控制器可以基于负载的所需功率或蓄电池80的电量来控制燃料电池的所需电流或所需功率，并且在燃料电池的所需电流或所需功率固定的情况下，电力控制器可以控制蓄电池80的充电和放电以满足负载的所需功率。
74.即，在燃料电池的所需电流或所需功率固定的情况下，当负载的所需功率可变时，电力控制器可以通过蓄电池80的充电和放电来满足负载的所需功率。
75.具体地，负载的所需功率pt可以是燃料电池堆10的所需功率ps与蓄电池80的辅助功率pb之和。
76.pt＝ps+pb
‑
>pb＝pt
‑
ps
77.假设燃料电池堆10与负载之间的主总线端子的电压为v，则蓄电池80的放电电流
ib如下。
78.ib＝pt/v
‑
is
79.在此，在燃料电池堆10的所需电流is固定并且负载的所需功率pt可变的情况下，蓄电池80的放电电流ib可以是可变的以满足负载的所需功率pt。
80.具体地，在ib>0的情况下(其为蓄电池80放电的状态)，电力控制器可以将高压转换器81的电压控制为vref＝v+α使得蓄电池80放电。
81.另一方面，在ib<0的情况下(其为蓄电池80充电的状态)，电力控制器可以将高压转换器81的电压控制为vref＝v
‑
α使得蓄电池80充电。
82.排水控制器50可以基于由水位传感器33感测的冷凝水的储存量来控制排水阀32的打开。例如，当由水位传感器33感测的冷凝水的储存量大于或等于预定的高水位临界值时，排水控制器可以确定需要打开排水阀32。
83.另外，当由水位传感器33感测的冷凝水的储存量小于或等于预定的低水位临界值时，或者当在排水阀32打开的状态下感测到燃料通过出口31排放时，排水控制器50可以进行控制使得排水阀32关闭。
84.具体地，排水控制器50可以在排水阀32打开的状态下基于燃料供应管线20中压力的变化或燃料供应阀42打开程度的变化来感测燃料从燃料供应管线20通过排水阀32排放。
85.排水控制器50可以基于由压力传感器21感测的压力信号或从燃料供应控制器40输出的用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号来感测燃料从燃料供应管线20通过排水阀32排放。
86.在实施方案中，在从燃料供应控制器40输出的用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号的变化率大于或等于预定变化率的情况下，排水控制器50可以感测到燃料已经排放。
87.在从燃料供应控制器40输出的用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号随时间的变化率突然变化为大于或等于预定变化率的情况下，可以确定燃料供应管线20中的压力突然改变，因此可以确定燃料已经通过出口31排放。
88.在另一个实施方案中，在从燃料供应控制器40输出的用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号与基于预映射输出信号图的输出信号参考值之间的差值大于或等于预定误差的情况下，可以感测燃料已经排放。
89.在预映射输出信号图中，可以基于燃料供应管线20中的目标压力和燃料供应管线20中的温度对输出信号参考值进行预映射，并且在基于预映射输出信号图的输出信号参考值与从燃料供应控制器40输出的用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号之间的差值大于或等于预定误差的情况下，可以确定燃料供应管线20中的压力突然改变，因此可以确定燃料已经通过出口31排放。
90.在另一个实施方案中，可以感测燃料已经在由于从燃料供应控制器40输出的用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号减小然后增加而形成的峰值的拐点处排放。
91.在实施方案中，排水阀32可以配置为当排水阀32打开时具有将燃料供应管线20中的燃料清除到外部的清除功能。即，排水阀32可以排放燃料供应管线20中积聚的冷凝水，并且同时执行清除阀70的功能，所述清除阀70能够将燃料供应管线20中流动的包括杂质的燃料清除到外部。
92.排水控制器50可以测量从感测到燃料从燃料供应管线20通过排水阀32排放的时间点到排水阀32关闭的时间点之间的清除时间。
93.排水控制器50可以测量从感测到燃料通过排水阀32排放的时间点到排水阀32关闭的时间点之间的清除时间，在清除时间期间包括燃料的气体从燃料供应管线20通过出口31排放。
94.在另一个实施方案中，清除阀70可以单独地位于燃料电池堆10下游的燃料供应管线20处。
95.可以进一步包括浓度估算器60，所述浓度估算器60配置为估算通过打开排水阀32而清除的量并且通过反映估算的清除量来估算燃料供应管线20中的燃料浓度。
96.浓度估算器60可以将随时间变化的排放速率乘以清除时间(从感测到燃料通过排水阀32排放的时间点到排水阀32关闭的时间点的时间)以估算通过打开排水阀32而清除的量。
97.具体地，浓度估算器60可以通过反映清除量和由于燃料供应管线20中的初始浓度的扩散而传输到空气供应管线的交叉量来实时估算燃料供应管线20中的燃料浓度。
98.具体地，可以基于如下假设估算燃料供应管线20中的燃料浓度：燃料供应管线20中仅存在氮、氢和蒸气同时在整个燃料供应管线20中具有均匀浓度，如以下数值公式所示。
[0099][0100]
在此，n
an
是燃料供应管线20中的气体总量，是氮的量，n
v
是蒸气的量，是氢的量。
[0101]
可以通过在燃料供应管线20中的初始浓度中反映通过交叉引入的氮的量和蒸气的量、通过交叉排放的氢的量、清除量和排放量来估算燃料供应管线20中的燃料浓度。
[0102]
可以通过使用燃料供应管线20中的压力p、体积v和温度t的异常气体状态方程来估算燃料供应管线20中的气体总量n
an
，如以下数值公式所示。
[0103][0104]
在此，r为气体常数8.314[j/mol k]。
[0105]
可以通过(通过交叉引入的氮的量/蒸气的量
‑
清除的氮的量/蒸气的量
‑
通过出口31排放的氮的量/蒸气的量)对时间的积分加上初始量来估算氮的量和蒸气的量，如以下数值公式所示。
[0106][0107][0108]
在燃料电池停止工作然后恢复的情况下，可以通过反映停止工作时间基于预映射图来估算氮或蒸气的初始量。
[0109]
具体地，可以通过应用以下的菲克定律(扩散定律)来计算气体的交叉量。气体的扩散率可以与燃料电池堆10的电解质膜的厚度成反比，并且可以与阳极和阴极之间的气体分压的差值成正比。
[0110][0111]
在此，是气体的质量扩散率(g/s)，a是扩散面积，d是气体的扩散系数，x是扩散距离，c是气体的浓度，r是通用气体常数(8.314j/mol k)，p是气体的压力，t是气体的温度，m是气体的摩尔质量(g/mol)，其可以设置如下。
[0112][0113][0114]
在此，是气体的扩散率(mol/s)。
[0115]
即，可以通过以下数值公式计算通过燃料电池堆10的电解质膜的气体的交叉量。
[0116][0117]
在此，是氮的扩散率，p是压力(kpa)，r是气体常数(8.314(j/mol k))，t是温度(k)，d是扩散系数，a是电解质膜的面积，δ是电解质膜的厚度，p
ca,n2
是燃料电池的阴极处的氮的分压，p
an,n2
是燃料电池的阳极处的氮的分压。
[0118][0119]
在此，是蒸气的扩散率，p是压力(kpa)，r是气体常数(8.314(j/mol k))，t是温度(k)，d是扩散系数，a是电解质膜的面积，δ是电解质膜的厚度，p
ca,v
是燃料电池的阴极处的蒸气的分压，p
an,v
是燃料电池的阳极处的蒸气的分压。
[0120]
相反，氢可以从燃料电池的阳极穿越到达阴极。
[0121][0122]
在此，是氢的扩散率，p是压力(kpa)，r是气体常数(8.314(j/mol k))，t是温度(k)，d是扩散系数，a是电解质膜的面积，δ是电解质膜的厚度，p
an，h2
是阳极处的氢的分压，p
ca，h2
是阴极处的氢的分压。
[0123]
另外，气体的扩散率可以与气体的扩散系数成正比，并且气体的扩散系数可以根据位于燃料电池的阳极和阴极之间的电解质膜的水含量和温度而变化。
[0124]
为了提高精度，尽管可以使用固定的恒定值作为气体的扩散系数d，但是也可以使用根据燃料电池的状态(例如退化程度或温度)而变化的值作为气体的扩散系数d。具体地，可以使用根据位于燃料电池的阳极和阴极之间的电解质膜的水含量和温度而变化的值来计算气体的扩散系数d。另外，可以使用取决于燃料电池堆10的电解质膜的退化的变量值来计算气体的扩散系数d。
[0125]
可以通过将随时间变化的排放速率对时间积分或将随时间变化的排放速率乘以清除时间来估算清除量。
[0126]
随时间变化的排放速率可以与阳极处的气体压力p
an
和外部气体压力p
out
之间的差值成正比。外部气体压力p
out
可以是阴极处的气体压力。具体的数值公式可以如下。
[0127]
[0128]
在此，c是清除增益值，其可以基于清除时清除阀70的打开程度来设定。
[0129]
如以下数值公式所示，随时间变化的排放速率可以与燃料供应管线20与外部之间的压力差值成正比，并且可以乘以作为比例常数的排放增益。排放增益可以与集水器30的出口31的直径或面积成正比。
[0130][0131]
在此，是随时间变化的排放速率，cd是排放增益，p
an
是燃料供应管线20中的压力，p
stk_out
是外部压力。
[0132]
另外，可以通过将总清除量乘以燃料供应管线20中的每种气体的浓度来估算每种气体的清除量。
[0133]
此外，使用由浓度估算器60估算的燃料供应管线20中的燃料浓度，可以进行控制使得燃料供应管线20中的浓度遵循目标浓度。具体地，可以通过控制清除阀70的打开、控制具有清除功能的排水阀32的打开或控制燃料供应阀42来调节燃料供应管线20中的燃料浓度。
[0134]
因此，可以防止燃料电池堆10由于燃料供应管线20中的燃料浓度降低而退化，从而可以提高耐久性，并且可以防止燃料效率由于燃料浓度过高而降低。
[0135]
在本发明的示例性实施方案中，燃料供应控制器40、排水控制器50和浓度估算器60可以通过非易失性存储器(未示出)和处理器(未示出)实现，所述非易失性存储器配置为存储用于控制车辆各种元件的操作的算法或用于执行该算法的软件命令的数据，所述处理器配置为使用存储器中存储的数据进行以下描述的操作。在此，存储器和处理器可以以单独芯片的形式实现。或者，存储器和处理器可以实现为单个集成芯片。处理器可以包括一个或更多个处理器。
[0136]
图3是示出根据本发明实施方案的用于燃料电池的冷凝水排水控制方法的流程图。
[0137]
参考图3，根据本发明实施方案的用于燃料电池的冷凝水排水控制方法包括：确定燃料供应阀42是否被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持的步骤(s300)，所述燃料供应管线20配置为使从燃料电池堆10排放的燃料再循环并与从燃料供应阀42引入的燃料一起供应到燃料电池堆10；打开排水阀32的步骤(s400)，所述排水阀32位于燃料供应管线20中的集水器30的出口31，所述集水器配置为收集从燃料电池堆10排放的冷凝水，所述排水阀配置为在打开时将集水器30中储存的冷凝水排放到外部；以及在确定步骤(s300)中确定压力得以维持时，感测燃料从燃料供应管线20通过排水阀32排放的步骤(s500)。
[0138]
在确定燃料供应阀42是否被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持的步骤(s300)中，可以在排水阀32关闭的状态下基于燃料供应管线20中压力的变化或燃料供应阀42打开程度的变化来确定燃料供应阀42是否被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持。
[0139]
在确定燃料供应阀42是否被控制成使得燃料供应管线20中的压力得以维持的步骤(s300)之前，可以进一步包括：确定是否需要打开排水阀32的步骤(s100)，以及步骤(s200)，其包括在确定需要打开排水阀32时固定燃料供应管线20中的目标压力的步骤(s210)或固定燃料电池堆10的所需电流或所需功率的步骤(s220)。
[0140]
在感测燃料排放的步骤(s500)之后，可以进一步包括：测量从感测到燃料从燃料
供应管线20通过排水阀32排放的时间点到排水阀32关闭的时间点之间的清除时间的步骤(s600)；基于测量的清除时间估算通过打开排水阀32而清除的量的步骤(s700)；以及通过反映估算的清除量来估算燃料供应管线20中的燃料浓度的步骤(s800)。
[0141]
根据本发明另一个实施方案的用于燃料电池的冷凝水排水控制系统可以包括：燃料电池堆10、燃料供应管线20、集水器30、排水阀32、排水控制器50和燃料供应控制器40，所述燃料电池堆10配置为通过燃料电池堆10中的化学反应发电，所述燃料供应管线20配置为使从燃料电池堆10排放的燃料再循环并与从燃料供应阀42引入的燃料一起供应到燃料电池堆10，所述集水器30位于燃料供应管线20中并且配置为收集从燃料电池堆10排放的冷凝水，所述排水阀32位于集水器30的出口31并且配置为在打开时将集水器30中储存的冷凝水排放到外部，所述排水控制器50配置为感测燃料从燃料供应管线20通过排水阀32排放，所述燃料供应控制器40配置为当排水阀32在排水控制器50的控制下打开时控制燃料供应阀42使得燃料供应管线20中的压力得以维持。
[0142]
排水控制器50可以进行控制使得在需要排放集水器30中储存的冷凝水的情况下打开排水阀32。即，在需要打开排水阀32的情况下可以打开排水阀32。
[0143]
另外，排水控制器50可以在排水阀32打开的状态下感测燃料从燃料供应管线20通过排水阀32排放。具体地，排水控制器50可以基于由压力传感器21感测的压力信号或从燃料供应控制器40输出的用于控制燃料供应阀42的打开程度的信号来感测燃料从燃料供应管线20排放。
[0144]
燃料供应控制器40可以控制燃料供应阀42，从而在排水阀32打开时或在排水阀32打开之前，燃料供应管线20中的压力得以维持。
[0145]
具体地，燃料供应控制器40可以控制燃料供应阀42，从而在排水阀32打开时或在排水阀32打开之前，通过固定燃料供应管线20中的目标压力或燃料电池堆10的所需电流或所需功率使得燃料供应管线20中的压力得以维持。
[0146]
从以上描述中显而易见的是，根据本发明的用于燃料电池的冷凝水排水控制系统和方法的效果在于：使由于水位传感器的不准确和缓慢响应导致的氢从集水器通过出口的排放最小化。
[0147]
另外，根据本发明的用于燃料电池的冷凝水排水控制系统和方法的效果在于：可以准确估算燃料供应管线中的燃料浓度以用于清除控制等，从而提高了控制燃料供应管线中的燃料浓度的准确性，并且避免了不必要的清除控制，从而提高了燃料经济性。
[0148]
另外，根据本发明的用于燃料电池的冷凝水排水控制系统和方法的效果在于：可以进行控制使得燃料供应管线中的压力可变，从而解决了错误地检测到燃料通过排水阀排放的问题，从而准确地估算燃料供应管线中的燃料浓度，进而提高了耐用性。
[0149]
尽管上文参考附图描述了本发明的优选实施方案，本领域技术人员将理解本发明可以以各种其它实施方案实施而不改变其技术理念或特征。