CN103178281A - 用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的系统和方法。具体地，电子控制单元被配置为：确定包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和在阳极附近至少两个预定点之间的基准压差的运行信息；比较燃料电池系统的功率和基准功率，且在该功率低于基准功率时控制阳极内的压力使其成为振荡型目标压力；以及比较在至少两点之间测得的压差与基准压差，且在测量压差低于基准压差时，减小排放阀的运行周期。

Description

用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法。更具体地，本发明涉及一种用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法，其中电子控制单元(ECU)控制燃料电池组阳极内的目标压力使其周期性振荡。
背景技术
已经广泛认识到石油能源造成环境污染且其储备有限，因此对可替代能源的广泛研究最近已经在大多数国家展开以取代或减少石油的使用。在这些研究中，已提议一种使用氢能源的燃料电池系统，其利用的热效率比内燃机更高并产生清洁的副产品，因此作为环境友好的极好的可替换能源而吸引了更多的注意。
燃料电池系统是一种动力生成系统，其将燃料的化学能直接转换为电能，其通常包括：燃料电池组，用于通过电化学反应产生电力；氢气供给系统，用于将氢气作为燃料供给到燃料电池组；氧气(空气)供给系统，用于供应含氧空气作为燃料电池组内电化学反应所需的氧化剂；热管理系统(TMS)，配置为(1)将反应热从燃料电池组去除到燃料电池系统外部；(2)控制燃料电池组的运行温度；(3)执行水管理功能。此外，大部分燃料电池系统还包括系统控制器，其配置为控制燃料电池系统的整体运转。
通常，燃料电池系统的氢气供给系统可以以各种方式运转，例如，如在韩国专利第10-0836371号、韩国专利公开第10-2011-0029512号等中所描述的，且现在将参考图1A进行描述。
常规的氢气供给系统包括：氢气供给管线12，其与氢气储罐10连接；氢气再循环管线14，在燃料电池组30内未反应的氢气经其再循环；喷射泵16，其安装在电池组进口13与氢气再循环管线14之间以将新鲜氢气和再循环氢气泵入到阳极；压力传感器18，其安装在电池组进口以测定空气和氢气压力；电子控制单元(ECU)22，其配置为基于电池组进口处压力传感器18的检测信号来控制安装在氢气供给管线12内的调节器20的流量控制操作；以及排放阀(purge valve)26，其布置在与氢气再循环管线14连接的排出管线24内，以响应于从ECU22接收的信号而将氢氧之间进行反应所产生的凝结水排出到燃料电池外部；等等。这里，喷射泵16经由喷嘴将从高压储罐供给的压缩氢气喷出以产生真空并利用真空从燃料电池组30抽吸排出气体，从而再循环氢气。
作为用于输送压缩氢气并使未反应氢气再循环的喷射器(ejector)，可设置鼓风机15替代喷射泵16，如图1B所示。此外，在电池组出口处的压力传感器28的检测信号可以被ECU22利用。
从阳极供给的氢离子与从阴极供给的氧离子汇合而在燃料电池系统比如聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)的燃料电池组30内产生凝结水。凝结水通常在阴极产生并移动到阳极。这种凝结水可能会影响氢燃料供给，使燃料电池组的效率变差，并使燃料电池组的耐用性降低。
具体而言，当使用喷射泵16时，如可从图2的图中看出，其示出了燃料电池组功率与运行压力之间的关系，在低功率运行期间喷射泵16对氢气再循环的泵效较低，因此难以通过与氢气再循环管线14连接的排放阀26来排出凝结水。
而且，即使使用鼓风机15，当可能腐蚀鼓风机的轴承和其它部件的氢气再循环气体中的凝结水经排放阀26排出时，燃料电池组内的未反应氢气也被排出。此外，在常规的系统中，无法排出凝结水而不使用排放阀26。
上述在该背景技术部分公开的信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成该国本领域中普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供如下的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的系统和方法，其中电子控制单元(ECU)控制燃料电池组阳极内的目标压力使其周期性振荡或振动，以便在燃料电池系统的包括低功率运转的整个运转期间有效地控制氢气供给的流速、氢气再循环的流速以及排放阀的开启和关闭，从而整体改善燃料电池系统的燃料效率。
而且，本发明提供如下的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的系统和方法，其中ECU通过比较在燃料电池系统内预定点测得的温度与基准温度来有效且高效地控制燃料电池组阳极内的目标压力，从而改善燃料电池系统的燃料效率。
一方面，本发明提供一种用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法，该方法包括：在电子控制单元处确定运行信息，运行信息包括基于燃料电池系统的运行压力映射出(mapped)的基准功率和在阳极附近至少两个预定点之间的基准压差；在电子控制单元处将燃料电池系统的功率与基准功率进行比较，在该功率低于基准功率时，控制阳极内的压力使其成为振荡型目标压力；以及在电子控制单元处将在该至少两点之间测得的压差与基准压差进行比较，当测得的压差低于基准压差时，减小排放阀运行周期。
在另一方面，本发明提供一种用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法，该方法包括：在电子控制单元处确定运行信息，运行信息包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和燃料电池系统中预定点处的基准温度；在电子控制单元处比较燃料电池系统的功率与基准功率，且在该功率低于基准功率时，将阳极内的压力控制使其成为振荡型目标压力；以及在电子控制单元处比较在预定点处测得的温度和基准温度，且在测得温度低于或等于基准温度时，增加压力振荡的幅度。
本发明的其它方面和示例性实施方式在下文中讨论。
附图说明
现在将参考在附图中图示的某些示例性实施方式对本发明的以上和其它特征进行详细说明，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：
图1A和1B示出常规的燃料电池系统用氢气供给系统的示意图。
图2是示出图1A中系统功率与运行压力之间的关系的图。
图3是示出根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法的流程图。
图4示出了相对于时间推移的根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法，且示出了喷射器的内部结构。
图5是示出根据本发明另一个示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法的流程图。
图6示出了相对于时间推移的根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法。
图7A和图7B是示出通过根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法而获得的测试结果的图。
图8是示出使用和不使用根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法而获得的测试结果的图。
在附图中提及的附图标记包括对以下在下文中进一步讨论的元件的参照：
100：氢气进口110：喷嘴
120：再循环进口130：混合区域
140：扩散器
应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。
在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例在附图中图示，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。
应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
除非具体说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。
以下电子控制单元可以实现为包括配置为执行一个或多个处理的处理器和配置为在其上存储多个数据的存储器的控制器，或任何其它能够执行一个或多个处理功能的装置。
此外，本发明的控制逻辑可以实现为包含可由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非瞬时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、快闪驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在连接网络的计算机系统中，以便，例如通过远程信息处理(telematics)服务器或控制器局域网(CAN)以分布式模式存储和执行计算机可读介质。
尽管以下示例性实施方式被描述为使用单个电子控制单元来执行以下处理，但可以理解的是，也可以由多个执行一个或多个以下处理的控制器或单元来执行以下处理。
本发明的以上和其它特征将在下文进行讨论。
图3是示出根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的系统和方法的流程图，且图4示出了相对于时间推移的根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的系统和方法，且示出了喷射器的内部结构。
根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法包括：在电子控制单元(ECU)处确定运行信息，运行信息包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和阳极附近至少两个预定点之间的基准压差；在ECU处比较燃料电池系统的功率和基准功率，且当该功率低于基准功率时，控制阳极内的压力使其成为振荡型目标压力；以及在ECU处比较在该至少两点之间测得的压差和基准压差，且当测量的压差低于基准压差时，减小排放阀运行周期。
首先，在上述的燃料电池系统中，一种将氢气作为燃料供给到燃料电池系统的装置开始运转(S10)。在本发明中，氢气供给系统包括使用图1A所示喷射泵16的系统和使用图1B所示鼓风机15的系统，以及一个已知系统，且优选电子控制单元，如图1A和1B中所示的ECU22，控制整体的氢气供给过程。
具体而言，根据本发明，ECU确定运行信息(包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和阳极附近至少两个预定点之间的基准压差)，以便控制阳极内的压力振荡(S20)，这不同于燃料电池系统的典型控制。具体地，可以产生该映射以便使阳极内的压差或氢气再循环的流速处于最大值，基准功率和基准压差与燃料电池系统的运行压力密切相关，且包括基准功率和基准压差的运行信息可以基于现有的运行数据准备。这里，该至少两个预定点优选为阳极的进口和出口，但是不限于这个两个特定点。
ECU连续地监测燃料电池系统的功率或负载并定期或实时地将该功率或负载与基准功率进行比较(S30)。当燃料电池系统的功率高于或等于基准功率时，ECU确定足够量的燃料被喷射到燃料电池组的阳极中并将振荡频率f设为0，如图2所示(S100)。当振荡频率f被设定为0时，除了流经燃料电池组的电流I之外的变量为0，ECU建立如下公式控制阳极内的目标压力Ptarget1(S110)。
[公式1]
Ptarget1＝func(I)
也就是，ECU仅仅基于流经燃料电池组的电流确定阳极内的目标压力。因此，电流I与燃料电池系统的功率成比例关系。
然后，ECU确定是否施加有指示系统连续运行的信号(S120)，并在系统连续运行的情况下再次比较燃料电池系统的输出与基准功率(S30)。结果，当燃料电池系统的功率高于或等于基准功率时，ECU重复以上操作(S100)，反之，则执行后续的操作(S200)。否则，ECU接收操作终止信号并关闭燃料电池系统(S40)。
同时，当燃料电池系统的功率低于基准功率时，ECU控制阳极内的压力使其成为振荡型目标压力。这里，如图2所示，ECU确定燃料电池系统处于低功率运行状态并将振荡频率f设定为0以外的值(S200)。同时，ECU控制阳极内的目标压力Ptarget2使其基于以下公式2确定(S210)。
[公式2]
Ptarget2＝func(f，p′，P，I，T，Tpurge)
也就是，ECU控制为通过参数如振荡频率f、振荡幅度p’、基于运行功率或运行负载映射出的基准压力(平均压力)P、流经燃料电池组的电流I、燃料电池组的运行温度T、和排放阀运行周期Tpurge的函数而确定阳极内的目标压力。这里，目标压力和基准压力可以通过图1A和1B中所示的压力传感器18来测量，但是压力传感器18应当安装在阳极进口侧以测量压力。此外，运行温度T可以是冷却剂温度、再循环氢气温度、空气温度等等。
当ECU基于以上公式控制阳极内的目标压力Ptarget2使其周期性波动时，如图1A和1B所示，控制氢气供给流速的流速控制阀20或调节器基于目标压力而运转。
如图4所示，流经流速控制阀的氢气经进口100而被输送到喷射器，其中流速控制阀根据从ECU传输的信号而打开和关闭。压缩氢气经喷嘴110喷射并在混合区域130与经再循环进口120引入的氢气相混合。扩散器140将混合氢气输送到燃料电池组的阳极。这里，流速控制阀基于目标压力而运转，因此流经喷嘴110的氢气的流速周期性地增大或减小。
具体地，在氢气流速增大期间，喷嘴110的不稳定流量使喷嘴110内的真空增加且进一步促进氢气与吸入气体在混合区域130和扩散器140内混合，因此使再循环氢气的流速增加。再循环氢气的流速增加可使排放阀运行周期Tpurge增大，由此经排放阀排出到系统外部的未反应气体的量可以降低。
与阳极内目标压力的变化对应的氢气供给流速和氢气再循环流速的变化将参考图4中的曲线图进行详细描述。如图4中第一幅图所示，各频率f(周期的倒数)下的目标压力相对于阳极内的基准压力以振荡幅度p’变化。通过另外的参数如基于运行负载映射的基准压力P、电流I、运行温度T、排放阀运行周期Tpurge等等以及p’和f来确定目标压力。当ECU控制阳极内的压力振荡时，实际压力基于目标压力以预定偏差变化。
如图4中第二和第三幅图所示，当ECU控制阳极内的目标压力振荡时，供给氢气的流速随着基于目标压力的流速控制阀的打开和关闭而变化，且阳极进口和出口之间的压差的最大值也发生变化。这里，阳极进口和出口之间的压差与氢气再循环的流速相关。
图4第二幅图中的点①与喷射器的左视图相关，且点②与喷射器的右视图相关。
在点①，经由进口100引入的氢气量增加，因此流经喷嘴110的压缩氢气的量也增加。结果，可以看出引入到阳极中的氢气的流速和经再循环进口120而再循环的氢气的流速增加。
此外，在点②，经由进口100引入的氢气量减少，因此流经喷嘴110的压缩氢气的量也减少。结果，可以看出引入到阳极中的氢气的流速和经再循环进口120而再循环的氢气的流速减小。
这样，当再循环氢气的流速增加时，排放阀运行周期的长度增加，因此可以使排到外部的氢气量减少。此外，在阳极进口和出口处的压力振荡和流速脉冲可以使从燃料电池组排出的凝结水的量增加，因此可以减小所需的排放阀运行周期数。
随后，ECU监测在燃料电池组阳极内至少两个预定点处测量的压差(S220)。这里，优选所测的两预定点间压差是阳极进口压力与阳极出口压力的差，且该压差由ECU计算。然后，ECU定期地或实时地比较阳极内压差的监测结果和基准压力(S230)。
当以这种方式测量的压差低于基准压差时，ECU确定氢气再循环的流速不足并减小排放阀运行周期Tpurge(S231)。排放阀运行周期Tpurge减小表示排放阀更加频繁地打开和关闭，其可以使排出的冷凝水量和再循环氢气的流速增加。
与此相反，当测得的压差高于或等于基准压差时，ECU确定再循环氢气的流速足够或过大并增大排放阀运行周期Tpurge(S232)。排放阀运行周期Tpurge增大表示排放阀打开和关闭的频率更低，其可以使排出的冷凝水量减少并降低或维持再循环氢气的流速。与此响应，ECU再次比较燃料电池系统的功率与基准功率(S30)并重复以上操作(S200)或将振荡频率f设为0(S100)。否则，ECU接收操作终止信号并关闭燃料电池系统(S40)。
这样，根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法和系统，阳极内的目标压力由ECU控制，因此可以通过控制流速控制阀和排放阀的打开和关闭来控制氢气供给的流速和氢气再循环的流速，从而改善整个燃料电池系统的效率和燃料电池组的燃料效率和耐用性。
在以上示例性实施方式中，可以将燃料电池系统的输出与基准功率进行比较，且当燃料电池系统的输出低于基准功率时，电子控制单元控制阳极内的压力使其成为振荡型目标压力。然而，尽管图中没有示出，在测得的压差低于基准压差时，电子控制单元也可以控制阳极内压力使其成为振荡型目标压力。
当供给到喷射泵(喷射器)的氢气量高时，燃料电池组内再循环的氢气量增加，因此阳极进口和出口之间的压差也增加。相应地，基于测得的该至少两点间的压差来确定是否要来执行将阳极内压力控制为振荡型目标压力的压力振荡控制(例如，当测得的压差低于基准压差时执行压力振荡控制)。这样，在测得的压差低于基准压差时，也可以控制阳极内压力使其成为振荡型目标压力(压力振荡控制)，同时，由于测得的压差低于基准压差，电子控制单元控制排放阀运行周期使其减小。当然，在这种情况下，目标压力Ptarget2也可以被设定为通过如上所述的公式2而确定。
同时，根据本发明另一个示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法包括，在电子控制单元(ECU)处确定运行信息(包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和燃料电池系统内预定点处的基准温度)；在ECU处比较燃料电池系统的功率和基准功率，当该功率低于基准功率时，控制阳极内的压力使其成为振荡型目标压力；以及在ECU处比较在预定点测得的温度与基准温度，且当测得温度低于或等于基准温度时，增加压力振荡的幅度。就此而言，图5示出了根据本发明另一个示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法。
首先，在燃料电池系统内，将氢气作为燃料供给到燃料电池系统的装置开始运转(S10)。然后，根据本发明，ECU确定包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和燃料电池系统内预定点处的基准温度的运行信息，以便控制阳极内的压力振荡(S20)，其不同于燃料电池系统的典型控制。
该映射可以为，使得阳极内的压差或氢气再循环的流速处于最大值，基准功率和基准温度与燃料电池系统的运行压力密切相关，且包括基准功率和基准温度的运行信息可以基于现有的运行数据准备。这里，测量基准温度的预定点优选为冷却剂管线、阳极的进口或出口，但是不限于该特定点。
ECU连续地监测燃料电池系统的功率或负载并定期或实时地将该功率或负载与基准功率进行比较(S30)。当燃料电池系统的功率高于或等于基准功率时，ECU确定足够量的燃料被喷射到燃料电池组的阳极中并将振荡频率f设为0(S300)。当振荡频率f被设定为0时，除了流经燃料电池组的电流I之外的变量为0，ECU建立如上述公式1的控制阳极内目标压力Ptarget1的公式。
然后，ECU确定是否施加有指示系统连续运行的信号(S320)，并在系统连续运行的情况下再次比较燃料电池系统的输出与基准功率(S30)。结果，当燃料电池系统的功率高于或等于基准功率时，ECU重复以上操作(S300)，反之，则执行后续的操作(S400)。否则，ECU接收操作终止信号并关闭燃料电池系统(S40)。
同时，当燃料电池系统的功率低于基准功率时，ECU控制阳极内的压力使其成为振荡型目标压力。这里，如图2所示，ECU确定燃料电池系统处于低功率运行状态并将振荡频率f设定为0以外的值(S400)。同时，ECU控制阳极内的目标压力Ptarget2使其基于上述公式2被确定(S410)。当ECU控制阳极内的目标压力Ptarget2使其基于公式2周期性波动时，控制氢气供给流速的流速控制阀20或调节器基于目标压力运转，如图1A和1B所示。
在根据本发明另一个示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法中，以与本发明示例性实施方式的控制方法相同的方式执行对目标压力Ptarget2的控制，因此将省略其详细说明。
然后，ECU监测在燃料电池系统内预定点处测量的温度(S420)。这里，在预定点测量的温度在与基准温度相同的点测量，且测量基准温度的预定点优选为冷却剂管线、阳极的进口或出口，但不限于该特定点。然而，应当注意的是阳极没有必要限制为空气或氢气，且温度由ECU计算。响应于这些测量结果，ECU定期或实时地将测量温度的监测结果与基准温度进行比较(S430)。
当以这种方式测量的温度低于或等于基准温度时，ECU增大压力振荡的幅度(S431)。也就是说，当压力振荡的幅度，例如随以上公式2中的变量T增加时，可以在初始启动期间或在冬季低温条件下将在未达到最佳运行温度(大约55至70℃)的燃料电池系统中不必要产生的冷凝水有效地排出而没有排放阀的操作。
与此相反，当测量温度高于基准温度时，ECU可以定期运行排放阀(S432)。这里，优选当测量温度的预定点是冷却剂管线时，基准温度被设定为大约40℃。
然后，ECU再次比较燃料电池系统的功率与基准功率(S30)并重复以上操作(S400)或将振荡频率f设定为0(S300)。否则，ECU接收操作终止信号并关闭燃料电池系统(S40)。
这样，根据本发明另一个示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法，阳极内的目标压力由ECU控制，因此可以有效地将在初始启动期间或在低温条件例如冬季温度下在阳极中不必要产生的冷凝水排出而没有排放阀操作，因此改善了整个燃料电池系统的效率和燃料电池组的燃料效率和耐用性。
在根据本发明的上述各个实施方式中，ECU可以同时控制阳极内目标压力变化，如图6所示。图6示出了相对于时间推移的根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法。
为了在燃料电池系统的功率低于基准功率时通过控制阳极内的压力振荡来设定目标压力，当与振荡频率f相关的振荡周期1/f(确定目标压力的参数之一)受到控制时，振荡周期内的峰值时间(peak time)可以基于运行功率而变化。
然而，当燃料电池系统的功率或负载非常低时，ECU在控制目标压力的变化时控制峰值时间使其减小。也就是说，通过如图6上部分曲线图所示控制占空(duty)使一个周期内的峰值时间减小，由此可以控制由于氢气消耗引起的压力下降在合适的水平内并在后来目标压力增加时有效地增大氢气供给流速。
此外，当燃料电池系统的功率或负载比较高时，ECU在控制目标压力的变化时控制峰值时间使其增加。也就是说，通过如图6下部分曲线图所示控制占空使一个周期内的峰值时间增加，由此可以控制氢气供给的流速使其更加平稳地增加。
测试例
图7A是示出在将根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法应用到喷射器型氢气供给系统的情况下的泵效曲线的曲线图且示出了基于氢气供给流速的变化的吸入效率的变化。具体地，将参考图7B描述吸入效率和氢气供给流速在点1和点2的变化。
图7B是示出在应用了本发明示例性实施方式的控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法的燃料电池系统内，目标压力、燃料电池组内实际压力和氢气供给流速的变化、以及排放阀运行时间相对于时间推移的曲线图。
根据本发明，当ECU控制振荡频率f为0以外的值时，目标压力周期性地变化，如图7B所示。也就是说，ECU控制燃料电池组阳极内的压力使其周期性振荡或振动，如目标压力一样。当然，在目标压力与电池组内实际压力之间存在一定差值。可以看出氢气供给流速基于目标压力或实际压力而变化，且氢气供给流速在排放阀运行周期内快速增加。因此，可以看出可以通过控制排放阀运行周期来控制氢气供给流速。
另外，在图7B中示出的点2，当没有喷射器泵吸时，可以从图6A中看出，吸入效率比较低。然而，在有喷射器泵吸的点1，吸入效率比较高。吸入效率的平均值高于整个操作期间振荡频率f被设定为9时的运行期间的吸入效率，由此可以看出应用本发明控制方法的燃料电池系统更加有效。
图8是示出使用和不使用根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法而获得的测试结果的图。进行该测试以确定控制压力振荡的效果，其中在施加恒定负载电流和基准压力的状态下测量随着时间推移而出现的电压降低，并比较该结果。
图中示出了在不控制阳极内压力振荡且不使用排放阀的情形中的测试结果，从中可以看出在较短时间内出现电压降低。而且，该图示出了在控制阳极内压力振荡且不使用排放阀的情形中的测试结果，从中可以看出波动范围过大，同时在与以上测试相同的时间内有显著的电压降低，可以说性能恶化的原因是产生的冷凝水未被平稳排放。
相比之下，该图示出了通过应用本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法所获得的测试结果，从中可以看出即使测试执行长于大约两倍以上测试的时间也没有发生电压降低。此外，可以看出当在各个排放阀运行周期Tpurge内打开和关闭排放阀时，电压增长至预定水平。
这样，当控制阳极内的压力使其波动时，如上述本发明实施方式中的各实施方式一样，可以在燃料电池系统的整体运行期间保持高度效率并改善燃料电池组的燃料效率和耐用性以便增加化学计量比(SR)。SR被定义为氢气供给量与燃料电池组内产生电力所需氢气量的比值。当SR增加时，可以增加氢气在阳极精细通道内的流速，使通道内的氢气流动均匀，促进冷凝水和其它气体的排出，并减小燃料电池组的进口和出口之间的温差、湿度差异等等。
如上所述，根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的系统和方法，可以将排放阀的运行周期增大多于3到4倍，由此可以减少排出到外部的未反应氢气的量，从而改善燃料效率。
而且，当将本发明应用至装配有产生泵吸作用的喷射器的燃料电池系统时，可以防止在低功率运行期间出现吸入性能恶化，并通过暂时增加氢气供给流速来促进氢气在混合区域内混合，从而改善泵吸性能并增加化学计量比(SR)。
此外，根据本发明另一示例性实施方式的用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的系统和方法，可以通过增加压力幅度排出冷凝水(其在燃料电池系统达到最佳运行温度之前产生)而不使用排放阀，从而减小燃料电池组内的电压降低，使燃料电池组的效率增加，并改善燃料电池的耐用性。
已经参考本发明的示例性实施方式详细描述本发明。然而，本领域的技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式做出改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。

Claims (14)

1.一种用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法，所述方法包括：
在电子控制单元处确定运行信息，所述运行信息包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和在所述阳极附近至少两个预定点之间的基准压差；
在所述电子控制单元处将所述燃料电池系统的功率与所述基准功率进行比较，且当所述功率低于所述基准功率时，控制所述阳极内的压力使其成为振荡型目标压力；以及
在所述电子控制单元处将所述至少两点之间的测量压差与所述基准压差进行比较，并在所述测量压差低于所述基准压差时减小排放阀运行周期。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在比较所述测量压差时，所述电子控制单元在所述测量压差高于所述基准压差的情况下控制所述排放阀运行周期使其增加，并在所述测量压差低于或等于所述基准压差的情况下控制所述排放阀运行周期使其被保持。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少两点是所述阳极的进口和出口。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述至少两点之间的测量压差与所述基准压差进行比较，并在所述测量压差低于所述基准压差时，在所述电子控制单元处将所述阳极内的压力控制为振荡型目标压力，同时在所述电子控制单元处减小所述排放阀运行周期。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在第二步骤中，通过参数例如振荡频率f、振荡幅度p’、基于运行功率映射的阳极内的基准压力P、流经燃料电池组的电流I、燃料电池组的运行温度T、和排放阀运行周期Tpurge的函数来确定目标压力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中如果所述功率高于所述基准功率，则所述电子控制单元控制所述阳极内的压力使其由流经所述燃料电池组的电流I确定。
7.一种用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的方法，所述方法包括：
在电子控制单元处确定运行信息，所述运行信息包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和燃料电池系统中预定点处的基准温度；
在所述电子控制单元处将所述燃料电池系统的功率与所述基准功率进行比较，且当所述功率低于所述基准功率时，控制所述阳极内的压力使其成为振荡型目标压力；以及
在所述电子控制单元处将所述预定点处的测量温度与所述基准温度进行比较，且当所述测量温度低于或等于所述基准温度时，增大压力振荡的幅度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述电子控制单元在所述测量温度高于所述基准温度时定期运行排放阀。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述预定点是冷却剂管线、所述阳极的进口或出口。
10.根据权利要求7所述的方法，其中通过参数例如振荡频率f、振荡幅度p’、基于运行功率映射出的阳极内的基准压力P、流经燃料电池组的电流I、燃料电池组的运行温度T、和排放阀运行周期Tpurge的函数来确定目标压力。
11.根据权利要求7所述的方法，其中如果所述功率高于所述基准功率，则所述电子控制单元控制所述阳极内的压力使其由流经所述燃料电池组的电流I确定。
12.根据权利要求8所述的方法，其中当与振荡频率f相关的振荡周期受到控制时，振荡周期内的峰值时间基于运行功率而变化。
13.一种用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包含由控制器执行的程序指令，所述计算机可读介质包括：
确定包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和燃料电池系统中预定点处的基准温度的运行信息的程序指令；
将所述燃料电池系统的功率与所述基准功率进行比较，且当所述功率低于所述基准功率时，控制所述阳极内的压力使其成为振荡型目标压力的程序指令；和
将在所述预定点处的测量温度与所述基准温度进行比较，且当所述测量温度低于或等于所述基准温度时，增大压力振荡的幅度的程序指令。
14.一种用于控制燃料电池组阳极内压力振荡的非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质包含由控制器执行的程序指令，所述计算机可读介质包括：
确定包括基于燃料电池系统的运行压力映射出的基准功率和在所述阳极附近至少两个预定点之间的基准压差的运行信息的程序指令；
将所述燃料电池系统的功率与所述基准功率进行比较，且当所述功率低于所述基准功率时，控制所述阳极内的压力使其成为振荡型目标压力的程序指令；和
将所述至少两点之间的测量压差与所述基准压差进行比较，并在所述测量压差低于所述基准压差时减小排放阀运行周期的程序指令。
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