控制燃料电池系统的运行的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及控制燃料电池系统的运行的方法，更具体地，涉及根据燃料电池组的各个状态来执行不同再生运行的用于控制燃料电池系统运行的方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池系统用于燃料电池电动车(FCEV)，燃料电池电动车是一类环保车辆。燃料电池系统通常包括:从反应气体的电化学反应生成电能的燃料电池组；向燃料电池组供应用作燃料的氢气的氢馈送装置；供应包括用作电化学反应中氧化剂的氧的空气的空气馈送装置；以及通过消散来自燃料电池组中电化学反应的热来保持燃料电池组的最佳运行温度并执行水管理的热和水管理系统。
[0003]燃料电池系统被供应有来自外部来源的氢气和空气，并且氢和氧的电化学反应在燃料电池系统的燃料电池组中发生。在电化学反应过程中，从电化学反应产生水，并且水的体积根据实时运行条件例如温度和压力随着水变为水蒸气、饱和液体或冰而波动。换言之，水通道会被改变。此外，水的波动体积也会影响隔板、气体扩散层、催化剂层中的通道，并且气体和电子随着水的行进而经过电解质膜。水体积的波动会引起水溢出燃料电池组的泛溢状态或使燃料电池组水合的水不足的脱水状态。具体地，为防止脱水，有必要防止燃料电池组暴露于高温运行条件，因此，需要充分的冷却。
[0004]当由于环境因素例如相当高的外部温度、车辆上坡行驶条件或其他因素例如冷却组件如冷却水栗、冷却风扇、恒温器等的故障导致燃料电池系统的最大散热率下降时，燃料电池组的输出电流被降低以将燃料电池组的运行温度保持在最大极限。
[0005]在现有技术中，常规技术提供调节燃料电池系统的温度的方法。例如，该方法通过使用温度分布检测单元和负荷状态检测单元，控制水栗和散热器风扇使燃料电池组的入口与出口的温差下降到特定温度范围。
[0006]在另一个实例中，常规技术提供一种控制方法，其包括以下步骤:将在燃料电池组出口中的冷却水温度的温度范围划分为多个等级；设定对于各个等级的目标转速；基于检测到的燃料电池组出口中冷却水的温度对于冷却水栗和冷却风扇的转速执行比例-积分(PI)控制，使得出口中冷却水的温度达到目标温度；基于燃料电池组的热值执行前馈控制；以及使用在PI控制和前馈控制中使用的值中的最大值调节冷却水栗和冷却风扇的转速。
[0007]前述仅意在帮助理解本发明的背景，而不意在表明本发明落入本领域技术人员早已熟知的相关领域的范围内。
【发明内容】
[0008]因此，本发明提供对于上面提到的现有技术中技术难题的技术方案。在一个方面，提供控制燃料电池系统的运行的方法。该方法可以通过预测燃料电池组的劣化并当燃料电池组劣化时使燃料电池组再生来防止燃料电池组的劣化。
[0009]在示例性实施方式中，控制燃料电池系统的运行的方法可以包括以下步骤:基于冷却性能的下降和燃料电池组的劣化来诊断燃料电池组中的缺水状态；基于所确定的燃料电池组的缺水状态来确定燃料电池系统的诊断级别；以及通过选择任何一种再生运行模式来执行再生运行。具体地，所选定的再生运行模式可以根据所确定的诊断级别而确定。
[0010]在燃料电池系统的诊断中，当燃料电池系统处于由冷却性能的下降而发生缺水的第一状态时，第一状态可以被确定为诊断级别1。第一状态也可以包括预测到由于冷却系统的故障使燃料电池组处于缺水的状态。此外，第一状态可以是燃料电池组的运行温度约等于或大于预设参考温度和冷却系统的故障持续约预设时间段或更久的状态。
[0011]而且，第一状态可以包括由于温度或通风(draught)的空气流量的增加或减少在燃料电池组中发生缺水的状态。此外，第一状态可以是燃料电池车的行驶速度、上坡行驶角和外部温度中的至少任一因素持续大于或小于其预设参考值达预设时间段的状态。
[0012]第一状态也可以是行驶速度持续小于第一参考行驶速度达预设时间段、或上坡行驶角持续大于第一参考上坡行驶角达预设时间段、或外部温度持续大于第一参考外部温度达预设时间段的状态。当使用燃料电池组的参考电流和燃料电池组的测量电流计算的值大于第一参考值时，第一状态可以被确定。参考电流可以根据燃料电池组的温度和可以是从燃料电池组输出的实际电流的测量电流来获得。
[0013]具体地，参考电流可以随着燃料电池组的温度升高而增加。第一状态可以基于阴极侧剩余水量的变化而确定。变化的量可以使用在燃料电池组阴极侧的相对湿度的估算值进行计算。在燃料电池组阴极侧的相对湿度的估算值可以基于燃料电池组阴极侧的入口和出口中的温度、燃料电池组入口中的空气流量以及从燃料电池组输出的产生电流进行计笪弁ο
[0014]分别地，当阴极侧出口中的相对湿度是估算值时，以及当阴极侧出口中的相对湿度在约90%到约110%的范围内时，剩余水量的变化也可以使用阴极侧出口中的水蒸气的流量进行计算。阴极侧出口中的水蒸气的流量可以使用阴极侧出口中的水蒸气压力、取决于燃料电池组入口中空气流量的阴极侧出口中的空气压力、以及燃料电池组入口中的空气流量进行计算。
[0015]燃料电池系统的诊断级别的确定可以包括将第二状态确定为诊断级别2。在第二状态中，由于燃料电池组的劣化，燃料电池组的热值会增加，而且燃料电池组的劣化由缺水引起。燃料电池组的劣化可以使用燃料电池组的电压-电流曲线或阻抗或电流分断法进行确定。此外，在执行再生运行时，再生运行模式可以包括:用于降低燃料电池组的运行极限温度的第一再生运行模式；用于增加燃料电池组阴极侧的空气压力或降低空气化学计量比的第二再生运行模式；以及用于降低燃料电池组阳极侧的氢气压力或增加氢化学计量比的第三再生运行模式。
[0016]在诊断级别1被确定时，在执行再生运行中，可以改变选定的再生运行模式中的再生运行的强度而进行再生运行。在诊断级别2被确定时，在执行再生运行中，可以通过将再生运行的强度增加到选定的再生运行模式中的允许最大值而进行再生运行。
[0017]当再生运行以用于降低燃料电池组的运行极限温度的第一再生运行模式执行时，运行极限温度可以根据所确定的诊断级别而改变。当再生运行以用于增加阴极侧的空气压力或降低空气化学计量比的第二再生运行模式执行时，阴极侧的空气压力的增加量或空气化学计量比的减少量可以根据所确定的诊断级别而改变。
[0018]基于针对空气流量或燃料电池输出的预设空气出口阀开度映射，根据所确定的诊断级别，空气出口阀的开度可以增加或空气化学计量比的可变范围可以减少。当再生运行以用于降低燃料电池组的阳极侧的氢气压力或增加氢化学计量比的第三再生运行模式执行时，在阳极侧的氢气压力的减少量或氢化学计量比的增加量可以根据所确定的诊断级别而改变。
[0019]此外，基于针对空气流量或燃料电池的输出电流的预设目标氢气压力映射，根据所确定的诊断级别，目标氢气压力可以降低或氢化学计量比的增加量可以改变。当诊断级别1被确定时，再生运行可以执行，以根据选定的再生运行模式降低运行极限温度、增加阴极侧的空气压力或减少空气化学计量比的可变范围。
[0020]当诊断级别2被确定时，再生运行可以执行，以根据选定的再生运行模式将运行极限温度降低到预设下限温度、将阴极侧的空气压力增加到预设上限空气压力、将空气化学计量比减少到下限比、将阳极侧的氢气压力减少到下限氢气压力或将氢化学计量比增加到上限比。在执行再生运行中，可以根据所确定的诊断级别改变选定的再生运行模式的数量而执行再生运行。
[0021]根据控制燃料电池系统的运行的示例性方法，通过在燃料电池组脱水时执行再生运行，可以防止燃料电池组的脱水并改善燃料电池的耐久性。此外，可以防止由燃料电池组中发生的任何故障或特定运行模式引起的燃料电池组性能的劣化，从而保持燃料电池组的初始运行性能。
【附图说明】
[0022]基于以下结合附图的详细说明，将更清晰地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中:
[0023]图1示出根据本发明的示例性实施方式的示例性燃料电池系统的电力网络的示例性配置；
[0024]图2示出根据本发明的示例性实施方式的包括示例性诊断级别的表格，该示例性诊断级别基于缺水的严重程度进行分类并用在控制示例性燃料电池系统的运行的示例性方法中；
[0025]图3示出表明根据本发明的示例性实施方式的如图2所述的基于冷却性能的下降和缺水的发生来控制示例性燃料电池系统的运行的示例性方法的