燃料电池的启动控制系统和方法与流程

1.本发明涉及一种燃料电池的启动控制系统和方法，并且更具体地，涉及在发电停止的情况下重新启动燃料电池时的顺序。


背景技术：

2.燃料电池被用作发电设备，其中电池直接将通过燃料的氧化产生的化学能转换成电能。燃料电池的反应类似于关于使用氧化和还原反应的化学电池，但与在密闭系统内部进行电池反应的化学电池不同，在燃料电池中，反应物是从外部连续供应的，反应产物是从系统连续去除的。近来，燃料电池发电系统已经投入实际使用，并且由于燃料电池的反应产物是纯净水，因此已经积极进行了将燃料电池用作环保车辆的能源的研究。
3.燃料电池系统包括通过化学反应产生电能的燃料电池堆、将空气供应到燃料电池堆的阴极的空气供应设备、以及将氢气供应到燃料电池堆的阳极的氢气供应设备。即，将包含氧气的空气供应到燃料电池堆的阴极，并且将氢气供应到燃料电池堆的阳极。
4.在燃料电池中，在发电停止的情况下，由于交叉以及残余氢气和氧气的反应而降低了阳极中的氢气浓度。因此，当重新启动燃料电池时，需要增加在燃料电池发电停止时被降低的阳极的氢气浓度。具体地，需要最佳的启动顺序以快速地确保阳极中的氢气浓度，同时满足排放规定。
5.被描述为现有技术的内容仅被提供用于帮助理解本发明的背景，并且不应被认为与本领域普通技术人员已知的现有技术相对应。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的是提供一种燃料电池的启动控制系统和方法，其能够迅速地恢复燃料电池的发电，同时满足排放规定。
7.根据本发明的实施方式，一种燃料电池的启动控制系统包括：燃料电池，被配置为在接收到空气和燃料时发电；空气供应系统，被配置为通过空气供应管线将空气供应到燃料电池的阴极；燃料供应系统，被配置为通过燃料供应管线将燃料供应到燃料电池的阳极，燃料供应管线将从燃料电池的阳极的出口排出的燃料再循环到阳极的入口以供应燃料；空气控制器，被配置为控制空气供应系统，使得当输入启动on信号时，流入空气供应管线的空气绕过燃料电池的阴极；以及燃料控制器，被配置为当输入启动on信号时将新燃料供应到燃料供应管线，并且在空气供应管线的空气绕过燃料电池的阴极的情况下，控制燃料供应系统以清除燃料供应管线的燃料。
8.空气供应系统可以包括：空气压缩机，被配置为将空气供应到空气供应管线；以及旁路管线，旁路管线在燃料电池的阴极的入口处从空气供应管线分支，并且被配置为通过绕过燃料电池在阴极的出口处接合到空气供应管线。
9.空气供应系统可以包括控制阀，控制阀设置在燃料电池的阴极的入口或出口处的空气供应管线中，并且被配置为控制通过空气供应管线流入燃料电池的阴极的空气量。
10.空气控制器可以控制控制阀，使得流入燃料电池的阴极的空气量或控制阀的开度根据预设的增加率逐步地增加。
11.空气控制器还可以包括功率控制器，功率控制器被配置为控制空气供应系统，使得当燃料供应管线的氢气浓度大于或等于预设浓度时或者当完成燃料供应管线的清除时，通过空气供应管线将空气供应到燃料电池的阴极，并且功率控制器被配置为将燃料电池的输出电压控制为预设电压或者将燃料电池的输出电流控制为保持在预设电流以下。
12.燃料供应系统可以包括：排放管线，排放管线在燃料电池的阳极的出口处从燃料供应管线分支并连接到阴极的出口；以及排放阀，设置在排放管线处；并且燃料控制器被配置为通过打开排放阀来将燃料供应管线的燃料清除到空气供应管线。
13.排放管线可以连接到收集燃料供应管线中的水分的集水器，并且其中，燃料控制器被配置为基于集水器的水位和集水器的压力来控制排放阀的打开时间。
14.根据本发明的另一个实施方式，一种燃料电池的启动控制方法包括以下步骤：在燃料电池的发电停止的情况下，接收启动on信号；控制空气供应系统，使得流入空气供应管线的空气绕过燃料电池的阴极，同时响应于接收到启动on信号而将新燃料供应到燃料供应管线，燃料供应管线将燃料供应到燃料电池的阳极；以及控制燃料供应系统，使得在空气供应管线的空气绕过燃料电池的阴极的情况下清除燃料供应管线的燃料。
15.启动控制方法还可以包括：在控制燃料供应系统以清除燃料供应管线的燃料之后，当燃料供应管线的氢气浓度高于或等于预设浓度时或者当完成燃料供应管线的清除时，控制空气供应系统以通过空气供应管线将空气供应到燃料电池的阴极。
16.在控制空气供应系统以将空气供应到燃料电池的阴极中，可以基于供应到燃料供应管线的燃料量、在燃料供应管线中所清除的燃料量以及在阳极和阴极之间的交叉量，来估计燃料供应管线的氢气浓度。
17.在控制空气供应系统以将空气供应到燃料电池的阴极中，可以对设置在燃料电池的阴极的入口或出口处的空气供应管线中的控制阀进行控制，使得流入燃料电池的阴极的空气量或控制阀的开度根据预设的增加率逐步地增加。
18.启动控制方法还可以包括：在控制空气供应系统以将空气供应到燃料电池的阴极之后，将燃料电池的输出电压控制为预设电压或者将燃料电池的输出电流控制为保持在预设电流以下。
19.启动控制方法还可以包括：在接收到启动on信号之后，将燃料电池连接至阴极耗氧(cod)电阻器以消耗输出电压；以及使在燃料电池的输出端子与消耗燃料电池所发电力的消耗设备之间进行中继连接的继电器连接。
20.控制燃料供应系统以清除燃料供应管线的燃料中，通过打开排放阀来将燃料供应管线的燃料清除到空气供应管线，排放阀设置在从燃料供应管线连接到空气供应管线的排放管线处。
21.在控制燃料供应系统以清除燃料供应管线的燃料中，基于收集燃料供应管线的水分的集水器的水位和集水器的压力，来控制排放阀的打开时间。
附图说明
22.图1示出了根据现有技术的燃料电池的启动控制顺序。
23.图2示出根据本发明的实施方式的用于燃料电池的启动控制系统的配置。
24.图3示出根据本发明的实施方式的燃料电池的启动控制顺序。
25.图4示出根据本发明的实施方式的、根据排放阀的打开的净化控制。
26.图5是根据本发明的实施方式的燃料电池的启动控制方法的流程图。
具体实施方式
27.在本说明书中公开的本发明的实施方式的特定结构以及功能性描述仅用于示例描述本发明的实施方式，并且本发明的实施方式可以通过各种方式实施，并不被解释为限制本文描述的实施方式。
28.在本发明中，可以实施各种变形，以及可以实现各种方式，并且因此在附图中将示例出特定的实施方式，并在本说明书中详细地描述。但是并不意在将本发明限定为特定公开形式，并且将认识到本发明包括在本发明的思想以及技术范围内包括的所有变更、等同物以及代替物。
29.可以理解，虽然术语第一、第二等在本文中可以使用来描述各种元件，但这些元件不应该被这些术语限制。这些术语仅使用来将一个元件与其他元件加以区别。例如，在未脱离本发明范围的情况下，第一元件可以被命名为第二元件，类似地，第二元件可以被命名为第一元件。
30.当提及某个元件“连接到”或“电连接到”第二元件时，第一元件可以直接连接或电连接到第二元件，但是应该理解第三元件可以介入在它们之间。另一方面，当提及某个元件“直接连接到”或“直接电连接到”第二元件时，应该理解没有第三元件介入在它们之间。用于描述在组成元件之间的关系的其他术语，例如“在
…
之间”与“直接在
…
之间”或者“与
…
相邻”与“与
…
直接相邻”以相同的方式来解释。
31.本技术中使用的术语仅用于描述特定的实施方式，并不意在限定本发明。只要在上下文中可以清楚地区分，单数表达就包括复数表达。在本技术中，应该理解，例如“包含”、“包括”的术语旨在表示存在在说明书中所描述的特征、数量、步骤、操作、组成元件、部件或其组合，并且不排除存在或增加一个或一个以上的其他特征、数量、步骤、操作、组成元件、部件或其组合。
32.除非以不同的方式定义，否则本文所使用的包括技术术语和科学术语的所有术语具有与本发明所属领域的技术人员所理解的相同的含义。如在通常使用的词典中定义的这些术语应被解释为具有与相关技术的上下文相同的含义，并且除非在本技术中明确定义，否则不应将其解释为具有理想或过度形式上的含义。
33.在下文中，将参考附图详细地描述本发明的实施方式。附图中相同的组成元件由相同的附图标记表示。
34.图1示出了根据现有技术的燃料电池的启动控制顺序。
35.参考图1，当输入燃料电池的启动控制信号时，将氢气和空气供应到燃料电池。
36.具体地，通过参考图2来仅帮助理解结构，在将空气供应到燃料电池10的阴极的空气供应管线21的控制阀24关闭的情况下，将空气供应到绕过燃料电池10的阴极的旁路管线23以去除空气供应管线21中的残余氢气。
37.此后，排放燃料电池10的阴极中残留的氢气，同时在通过打开控制阀24通过空气
供应管线21将空气供应到燃料电池10的阴极，然后，执行对燃料供应管线31的清除控制。
38.然而，根据现有技术，由于不能充分地确保通过燃料供应管线31供应到燃料电池10的阳极的氢气的浓度，因此即使空气被供应到燃料电池10的阴极，也花费了不必要的时间段来增加燃料电池10的输出电压。
39.图2是根据本发明的实施方式的燃料电池10的启动控制系统的配置，并且图3示出根据本发明的实施方式的燃料电池10的启动控制顺序。
40.参考图2和图3，根据本发明的实施方式的一种燃料电池的启动控制系统包括：燃料电池10，被配置为根据接收到的空气和燃料而发电；空气供应系统20，被配置为通过空气供应管线21将空气供应到燃料电池10的阴极；燃料供应系统30，被配置为通过燃料供应管线31将燃料供应到燃料电池10的阳极，该燃料供应管线31将从燃料电池10的阳极的出口排出的燃料再循环到阳极的入口以供应燃料；空气控制器，被配置为控制空气供应系统20，使得当输入启动on信号时，流入空气供应管线21的空气绕过燃料电池10的阴极；以及燃料控制器50，被配置为当输入启动on信号时将新燃料供应到燃料供应管线31，并且在空气供应管线21的空气绕过燃料电池10的阴极的情况下控制燃料供应系统30以清除燃料供应管线31的燃料。
41.根据本发明的示例性实施方式的空气控制器40、燃料控制器50和功率控制器70可以通过被配置为控制车辆的各种组件的算法、被配置为存储关于再现该算法的软件命令的数据的非易失性存储器(未示出)、以及被配置为使用存储在相应存储器中的数据执行下面描述的操作的处理器(未示出)来实现。这里，存储器和处理器可以被实现为单独的芯片。可替代地，存储器和处理器可以被实现为彼此集成的单个芯片。处理器可以采用一个或多个处理器的形式。
42.燃料电池10可以是在其中包括膜电极组件(mea)的燃料电池10堆。当分别从空气供应系统20和燃料供应系统30供应的空气中的氧气和氢气在燃料电池10中彼此化学反应时，可以产生电能。
43.空气供应系统20可以连接到燃料电池10的阴极以将空气供应到燃料电池10的内部。具体地，空气供应系统20可以吸入外部空气并将空气供应到燃料电池10并且可以将从燃料电池10排放的空气再次排放到外部。
44.燃料供应管线31可以连接到燃料电池10的阳极以将燃料供应到燃料电池10的内部。具体地，供应到阳极的燃料可以是氢气。更具体地，燃料供应系统30可以包括在其中存储有氢气的氢气罐，并且可以将存储在氢气罐中的氢气供应到燃料供应管线31，该燃料供应管线31使从阳极排放的包含氢气的气体再次再循环到阳极。
45.当输入启动on信号时，空气控制器40可以立即控制将空气供应到空气供应管线21。可以通过驱动连接到后面要描述的空气供应管线21的空气压缩机22等来控制将空气供应到空气供应管线21。具体地，空气控制器40可以控制空气供应，以绕过燃料电池10的阴极，同时排放或稀释空气供应管线21中残余的氢气。
46.燃料控制器50可以将新燃料供应到燃料供应管线31，使得燃料通过燃料供应管线31被循环。具体地，燃料控制器50可以通过打开连接到氢气罐的氢气供应阀来控制燃料供应。在一个实施方式中，氢气罐可以通过喷射器连接到燃料供应管线31，使得氢气罐的氢气可以被供应到燃料供应管线31，并且在燃料供应管线31内部的包含氢气的气体可以被循
环。
47.与此同时，燃料控制器50可以控制燃料供应系统30来清除燃料供应管线31的燃料。在一个实施方式中，在燃料供应系统30的清除控制中，来自燃料供应管线31的包含燃料的气体被排放到空气供应管线21。因此，可以增加在再循环的燃料供应管线31中的氢气浓度。
48.对于根据本发明的实施方式的启动控制，当输入启动on信号时，可以快速地确保在燃料电池10的阳极中的氢气浓度，并且与此同时，在绕过燃料电池10的阴极的空气中稀释氢气，从而获得满足排放规定的效果。
49.更具体地，空气供应系统20可包括：空气压缩机22，其将空气供应到空气供应管线21；以及旁路管线23，其在燃料电池10的阴极的入口处从空气供应管线21分支并通过绕过燃料电池10在阴极的出口处接合到空气供应管线21。
50.空气压缩机22可以位于空气供应管线21的入口处，吸入外部空气并且将所吸入的空气供应到空气供应管线21。
51.旁路管线23可以从空气供应管线21分支，并通过绕过燃料电池10的阴极而再次接合空气供应管线21。即，流入空气供应管线21的空气可以流入燃料电池10的阴极或者可以通过旁路管线23绕过燃料电池10而排放到外部。
52.空气供应系统20可以包括控制阀24，该控制阀24位于燃料电池10的阴极的入口或出口处的空气供应管线21中，并控制通过空气供应管线21流入燃料电池10的阴极的空气量。
53.在一个实施方式中，控制阀24可以是位于以下位置的二通阀：位于在与从旁路管线23分支的点相比的下游点处的燃料电池10的阴极的入口处，或者位于在与旁路管线23接合的点相比的上游点处的燃料电池10的阴极的出口处。可以通过打开控制阀24而使流入空气供应管线21的空气流入燃料电池10的阴极。
54.在另一个实施方式中，控制阀24可以是位于空气供应管线21和旁通管线23分支或接合的点处的三通阀。
55.空气控制器40可以控制控制阀24，使得流入燃料电池10的阴极的空气量或控制阀24的开度根据预设的增加率逐步地增加。
56.在一个实施方式中，空气控制器40可以控制控制阀24，使得从空气供应管线21流到燃料电池10的阴极的空气量根据预设的增加率逐步地增加。
57.在另一个实施方式中，空气控制器40可以控制控制阀24，使得控制阀24的开度根据预设的增加率逐步地增加。空气控制器40可以控制控制阀24的开度，随着经过时间以恒定速率线性地增加，如图3所示。
58.空气控制器40还可以包括功率控制器70，该功率控制器70在燃料供应管线31的氢气浓度高于或等于预设浓度时或者在完成燃料供应管线31的清除时，控制空气供应系统20以通过空气供应管线21将空气供应到燃料电池10的阴极，将燃料电池10的输出电压控制为预设电压，或将燃料电池10的输出电流控制为保持在预设电流以下一定水平。
59.当燃料供应管线31的氢气浓度大于或等于预设浓度时，燃料控制器50可以确定完成了燃料供应管线31的清除。在完成燃料供应管线31的清除之后，空气控制器40可以通过空气供应管线21将空气供应到燃料电池10的阴极。
60.当将空气供应到燃料电池10的阴极时，通过空气中的氧气与阳极的燃料之间的化学反应可在燃料电池10内部发电。功率控制器70可以控制燃料电池10的输出功率。
61.具体地，当输入启动on信号时，将空气供应到空气供应管线21，同时将氢气供应到燃料供应管线31，并且与此同时，功率控制器70可以将燃料电池10连接到阴极耗氧(cod)电阻器以消耗输出电压。
62.当完成用于将燃料电池10连接到cod电阻的cod的控制时，功率控制器70可以使在燃料电池10的输出端子与消耗燃料电池10所发电力的消耗装置61之间进行中继连接的继电器60连接。
63.这里，作为消耗燃料电池10所发电力的设备的消耗设备61可以是驱动马达、辅助装置或高压电池(处于充电状态中)。
64.具体地，在开始将空气供应到燃料电池10的阴极之后，功率控制器70可以将燃料电池10的输出电压控制为预设电压或将燃料电池10的输出电流控制为保持在预设电流以下。
65.这里，预设电压可以是这样的电压：在燃料电池10的轻负载输出区间中随着燃料电池10的输出电压增加，燃料电池10的耐久性不会劣化的电压。例如，该电压可以是燃料电池10的单元电池电压为约0.8v电压，在该电压下防止了耐久性劣化。
66.具体地，功率控制器70可以增加燃料电池10的输出电压以跟随预设电压，并控制燃料电池10的输出电压不超过预设电压。
67.另外，功率控制器70可以控制燃料电池10的输出电流以保持在预设电流以下。具体地，功率控制器70可以限制燃料电池10的输出电流，使得燃料电池10的输出电流不会增加变成燃料电池10的输出电压。
68.在一个实施方式中，预设电流可以这样的电流，在该电流下根据燃料电池10的性能曲线i-v使燃料电池10的输出最大化。在燃料电池10的输出电流是预设电流的情况下，燃料电池10的输出电压可以小于预设电压。
69.燃料供应系统30可以包括排放管线32，排放管线32在燃料电池10的阳极的出口处从燃料供应管线31分支并连接到燃料电池10的阴极的出口，以及排放阀33，设置在排放管线32处；并且燃料控制器50可以通过打开排放阀33来将燃料供应管线31中的燃料清除到空气供应管线21。
70.更具体地，排放管线32可以连接到收集燃料供应管线31中的水分的集水器34。集水器34可以位于燃料供应管线31中在燃料电池10的阳极的下游，并且可以收集由燃料电池10中的发电产生的水分并转移到阳极侧。排放管线32可将集水器34的水分排放到空气供应管线21。
71.燃料控制器50可以通过打开排放阀33将燃料供应管线31的包含燃料的气体清除到空气供应管线21。当打开排放阀33时，集水器34收集的水分可以最初被排放，并且当完成水分排放时，包含燃料的气体可以被排放。
72.图4示出了根据本发明的实施方式的、根据排放阀33的打开的净化控制。
73.参考图4，燃料控制器50可以基于集水器34的水位和集水器34的压力来控制排放阀33的打开时间。
74.具体地说，集水器34还可以包括用于感测收集到的水分的水位传感器，燃料控制
器50可基于集水器34的水位来控制排放阀33的打开时间。
75.更具体地，当集水器34的水位小于水位传感器的预设最小测量值时，燃料控制器50可基于先前映射的控制图来控制初始清除时间(a+t)。
76.相反，当集水器34的水位高于或等于水位传感器的预设最小测量值时，燃料控制器50可基于水位传感器感测到的水位和预设的控制图来控制初始清除时间(a+b+t)。
77.具体地，燃料控制器50可根据由水位传感器感测到的水位以及集水器34的压力与大气压之间的压差来预测排放水分时的时间。
78.燃料控制器50可以控制在第一次清除时去除收集在集水器34中的水分，并且在第一次清除之后，假设在燃料电池10中不存在新产生的水分的情况下，燃料控制器50可以利用预设的清除时间来进行控制。
79.可以基于供应到空气供应管线21的空气量预先设置清除时间和清除间隔。可以基于燃料供应管线31中的氢气浓度来设置清除时间的数量。具体地，燃料控制器50可以执行清除，直到燃料供应管线31中的氢气浓度高于或等于预设浓度为止。
80.另外，排放阀33可以基于集水器34的压力来控制排放阀33的打开时间。具体地，排放阀33可以基于集水器34的压力与大气压之间的压差，估计排放阀33随着时间经过被打开时排放的包含氢气的气体的量，并且基于估计的气体的量来控制排放阀33的打开时间。
81.在另一个实施方式中，可以进一步与排放阀33分开地设置排放管线35和排放阀36，并且燃料控制器50可以单独地控制排放阀33和排放阀36。
82.燃料控制器50可基于供应到燃料供应管线31的燃料量、在燃料供应管线31处清除的燃料量、以及在阳极与阴极之间的交叉量来估计燃料供应管线31的氢气浓度。
83.具体地，当使用在燃料电池10的启动时估计的燃料供应管线31的氢气浓度重新启动燃料电池10时，燃料控制器50可以估计氮气的量(氮气的摩尔数)和蒸气的量(蒸汽的摩尔数)，并且通过反映估计的氮气和蒸气的量、氮气和蒸气的交叉量、以及氮气和蒸气的清除量来监视燃料供应管线31的氢气浓度。
84.在一个实施方式中，可以通过根据在其期间燃料电池10停止发电的时间预先映射的映射图来估计在燃料电池10的启动时估计的燃料供应管线31的氢气浓度。
85.燃料供应管线31的氢气浓度可以使用通过从燃料供应管线31的气体总量中减去氮气量和蒸汽量而计算出的氢气量来监测。
86.可以使用燃料供应管线31的气压(p)、体积(v)和温度(t)从如以下等式中所示的理想气体状态方程估计燃料供应管线31的气体总量(n
an
)。
87.n
an
＝(p
an
·van
)rt[mol]
[0088]
这里，r是气体常数，为8.314[j/molk]。
[0089]
气体扩散速率可以与燃料电池10堆的电解质膜的厚度成反比，并且可以与阳极侧和阴极侧之间的气体分压差成正比。具体地，可以通过如下应用fick定律(扩散定律)来计算交叉气体量。
[0090][0091]
这里，是气体的质量扩散速率(g/s)，a是扩散面积，d是气体扩散系数，x是扩散
距离，c是气体浓度，r是通用气体常数(8.314j/mol)，p是气压，t是气体温度，并且m是气体的摩尔质量(g/mol)。这可以总结如下。
[0092][0093][0094]
这里，是气体扩散速率(mol/s)。
[0095]
即，可以通过以下等式计算燃料电池10的电解质膜之间的气体交叉量。
[0096][0097]
这里，是氮气的扩散速率，p是压力，[kpa]，r是气体常数δ8.314[j/mol/k]，t是温度，[k]，d是扩散系数，a是电解质膜的面积，是电解质膜的厚度，p
ca,n2
是燃料电池10的阴极侧上的氮气的分压，以及p
an,n2
是燃料电池10的阳极侧上的氮气的分压。
[0098][0099]
这里，是蒸气的扩散速率；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
是在燃料电池10的阴极侧上的蒸气的分压；以及p
an,v
是在燃料电池10的阳极侧上的蒸气的分压。
[0100]
相反，氢气可以从燃料电池10的阳极侧交叉到阴极侧。
[0101][0102]
这里，是氢气的扩散速率，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
是阳极侧的氢气分压，以及p
ca,h2
是阴极侧的氢气分压。
[0103]
另外，气体扩散速率可以与气体扩散系数成正比，并且气体扩散系数可以根据位于燃料电池10的阳极侧和阴极侧之间的电解质膜的水分含量和温度而变化。
[0104]
气体扩散系数d可以是固定的恒定值，但是为了进一步提高精度，气体扩散系数d可以是根据例如燃料电池10的劣化程度和温度的条件而变化的值。更具体地，气体扩散系数d可以使用依赖于位于燃料电池10的阳极侧和阴极侧之间的电解质膜的水分含量和温度而变化的值来计算。另外，气体扩散系数d可以被计算为随着燃料电池10的电解质膜的劣化而变化。
[0105]
气体清除速率可以和阳极侧的气压(p
an
)与外部气压(p
out
)之间的压差成正比。外部气压(p
out
)可以是在阴极侧上的气压。具体的方程式可以如下。
[0106][0107]
这里，p
wt
是集水器34的压力，p
amb
是大气压，并且c是根据清除周期、排放阀33的打开、以及排放阀33在清除时的打开时间确定的清除增益值。
[0108]
具体地，可以通过以下等式(氮气清除速率蒸气清除速率氢气清除速率来计算针对每种气体的清除速率。
[0109][0110][0111][0112]
可以分别预测燃料供应管线31的氮气初始量和蒸汽初始量，可以分别计算在阳极侧交叉的氮气和蒸汽的量和在阳极侧清除的氮气和蒸汽的量，以及可以基于交叉氮气的量和清除氮气的量来计算燃料供应管线31中氮气的当前量，并且可以基于预测的蒸气初始量、交叉氮气的量以及清除的蒸气量来计算燃料供应管线31中蒸气的当前量。
[0113]
即，可以通过使用上述等式将每单位时间的扩散速率和清除速率对初始量随着时间过去进行积分来计算氮气的当前量和蒸汽的当前量。
[0114]
氢气的当前量可以通过从燃料供应管线31中的气体量中减去氮气的当前量和蒸汽的当前量来计算。
[0115]
因此，在假设燃料供应管线31的气体浓度是均匀的情况下，可以通过计算燃料供应管线31所有的气体量，氮气的当前量、蒸气的当前量以及氢气的当前量来监视燃料供应管线31的氢气浓度。
[0116]
因此，可以通过计算氢气浓度来连续监测氢气浓度，该氢气浓度由于与氧气的反应是难以通过氮气量和蒸气量估计的。
[0117]
另外，当在打开排放阀33之后水位根据临界时间没有变化时，可以通过添加临界时间来估计氢气浓度。
[0118]
燃料控制器50可以通过将估计的燃料供应管线31的氢气浓度与预设浓度进行比较来设置清除的数量。这里，预设浓度可以设置为例如大约60％。
[0119]
图5是根据本发明的实施方式的燃料电池10的启动控制方法的流程图。
[0120]
进一步参考图5，根据本发明的实施方式的燃料电池10的启动控制方法包括：在燃料电池10的发电停止的情况下，接收启动on信号的步骤(s100)；控制空气供应系统20，使得流入空气供应管线21的空气绕过燃料电池10的阴极，同时在输入了启动on信号时将新燃料
供应到燃料供应管线31的步骤(s200)，燃料供应管线31将燃料供应到燃料电池10的阳极；以及控制燃料供应系统30，使得在空气供应管线21的空气绕过燃料电池10的阴极的情况下清除燃料供应管线31的燃料的步骤(s500)。
[0121]
在接收启动on信号的步骤(s100)中，可以从电子控制单元(ecu)输入启动点火信号。
[0122]
启动控制方法还可以包括在控制燃料供应系统30以清除燃料供应管线31的燃料(s500)之后，当燃料供应管线31的氢气浓度高于或等于预设浓度时或者当完成燃料供应管线31的清除(s600)时，控制空气供应系统20以通过空气供应管线21将空气供应到燃料电池10的阴极的步骤(s700)。
[0123]
在控制空气供应系统20以将空气供应到燃料电池10的阴极的步骤(s700)中，可以基于供应给燃料供应管线31的燃料量、在燃料供应管线31中清除的燃料量、以及阳极和阴极之间的交叉量，来估计燃料供应管线31的氢气浓度。
[0124]
在控制空气供应系统20以将空气供应到燃料电池10的阴极的步骤(s700)中，可以对位于燃料电池10的阴极的入口或出口处的空气供应管线21中的控制阀24进行控制，使得流入燃料电池10的阴极的空气量或控制阀24的开度根据预设的增加率逐步地增加。
[0125]
燃料电池10的启动控制方法还可以包括在控制空气供应系统20以将空气供应到燃料电池的阴极的步骤(s700)之后，将燃料电池10的输出电压控制为预设电压或者将燃料电池10的输出电流控制为保持在预设电流以下的步骤(s800)。
[0126]
燃料电池10的启动控制方法还可以包括在接收到启动on信号(s100)之后，将燃料电池10连接到阴极耗氧(cod)电阻器以消耗输出电压的步骤(s310)，以及使在燃料电池10的输出端子与消耗燃料电池10所发电力的消耗设备61之间进行中继连接的继电器连接的步骤(s320)。
[0127]
在控制燃料供应系统30以清除燃料供应管线31的燃料的步骤(s500)中，可以通过打开排放阀33来将燃料供应管线31的燃料清除到空气供应管线21，排放阀33设置在从燃料供应管线31连接到空气供应管线21的排放管线32处。
[0128]
燃料电池10的启动控制方法还可以包括在控制燃料供应系统30以清除燃料供应管线31的燃料的步骤(s500)之前，确定是否可以控制燃料供应管线31的排放的步骤(s400)。
[0129]
在确定是否可以控制燃料供应管线31的排放的步骤(s400)中，可以确定其是否低于水分冻结的温度(0℃)，并且如果该温度低于水分冻结的温度，如果在启动之前已被关闭时集水器34的水位低于或等于预设水位(例如5mm)，则可以确定不能控制排放。
[0130]
另外，可以接收车辆的斜度，并且当车辆的斜度大于或等于预设斜度时，确定存储在集水器34中的水分被冻结并且排放阀33被关闭，因此不能控制排放。
[0131]
在控制燃料供应系统30以清除燃料供应管线31的燃料的步骤(s500)中，可以基于收集在燃料供应管线31中的水分的集水器34的水位和集水器34的压力来控制排放阀33的打开时间。
[0132]
根据本发明的燃料电池的启动控制系统和方法，当输入启动on信号时，在燃料电池的阳极处快速地确保了氢气浓度。
[0133]
另外，由于稀释了在绕过燃料电池的阴极的空气中被清除的氢气，因此可以满足
排放规定。
[0134]
另外，通过估计燃料供应管线中的氢气浓度并在启动开始时执行清除控制，防止了不必要的氢气排放，从而提高了燃料效率。
[0135]
尽管已经关于具体实施方式示出和描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离如下面权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。