CN104733751A - 用于控制氢排放的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于控制氢排放的装置和方法。该装置包括：被设置用于邻近燃料电池堆的阳极布置的出口并且被配置为调节燃料电池堆的水的流出的排放阀。此外，控制器被配置为根据通过积分燃料电池堆的电流容量而获得的电荷容量调节排放阀的开度。当燃料电池堆的输出电流的负载小于预先设定的第一参考负载时控制器被配置为通过将燃料电池堆的电流容量乘以比例因子计算电荷容量。

Description

用于控制氢排放的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于控制氢排放的装置和方法，并且更具体地涉及通过改变电流容量改变氢排放的时间段的一种用于氢排放的装置和方法。

背景技术

燃料电池车辆包括：其中多个单独的燃料电池堆叠的燃料电池堆，向燃料电池堆供给操作为燃料的氢气等的燃料供给系统，供给操作为发生电化学反应所需要的氧化剂的氧气的供气系统，以及调节燃料电池的温度的水和热量管理系统。

燃料供给系统通过降低存储于氢气罐中的压缩氢气的压力来向燃料电池堆的燃料电极(例如，阳极)提供氢气，并且供气系统使用鼓风机向燃料电池堆的空气电极(例如，阴极)提供外部空气。当氧气被提供给燃料电池堆的燃料电极时并且当空气被提供给空气电极时，燃料电极上通过催化反应产生氢离子。所产生的氢离子通过电解质膜迁移并且到达操作为氧化电极的空气电极。在氧化电极中，氢离子与电子和氧发生电化学反应产生能量。具体地，在燃料电极上发生与氢的电化学氧化反应并且在空气电极上发生与氧的电化学还原反应。因此，由于通过氢气和氧气之间的化学反应产生的电子移动和蒸汽或水，产生了电力和热量。

燃料电池车辆还包括排放副产物的排放装置，诸如在能量的产生过程中产生的蒸汽、水、和热量以及未使用的气体，诸如氢气和氧气。蒸汽和诸如氢气和氧气的气体通过排气管排出。鼓风机、氢气循环风机、以及水泵被连接到主总线以便于启动燃料电池。主总线也连接到便于电力的中断和供给的各种继电器(relay)，并连接到防止反向电流流动到燃料电池的二极管。加湿器使鼓风机提供的干燥空气潮湿，并且然后将潮湿空气提供给燃料电池堆的空气电极(阴极)。阴极产生的废气是潮湿气体并被提供给加湿器，以便其被用于使被鼓风机提供给阴极的干燥空气变潮湿。

上述内容仅旨在帮助对本发明的背景技术进行理解，而并非旨在表示本发明落入已为本领域中技术人员所知的现有技术的范围内。

发明内容

因此，本发明提供一种通过改变电流容量改变氢排放(hydrogenpurging)的时间段的用于控制氢排放的装置和方法。

根据一个方面，一种用于控制氢排放的装置可包括：排放阀，为接近(例如，邻近)燃料电池堆的阳极布置的出口而设置，并被配置为调节来自燃料电池堆的水的流出；以及控制器，被配置为基于通过对燃料电池堆的电流容量积分获得的电荷容量(charge capacity)调节排放阀的开度(opening)，其中当燃料电池堆的输出电流的负载小于预先设定的第一参考负载时，控制器被配置为通过燃料电池堆的电流容量与比例因子相乘计算电荷容量。

当所计算的电荷容量大于预先设定的电荷容量时，控制器也可以被配置为打开排放阀。当燃料电池堆的输出电流的负载大于预先设定的第二参考负载时，控制器可被配置为将比例因子设置为1。当负载大于第一参考负载且小于第二参考负载时，控制器可被配置为从负载变为大于第一参考负载的时间点利用预定梯度减小比例因子。

根据本发明的另一方面，用于控制氢排放的方法可包括将燃料电池堆的输出电流的负载与预先设定的第一参考负载进行比较，并且当该负载小于预先设定的第一参考负载时，通过燃料电池堆的输出电流容量与比例因子相乘计算电荷容量。

该方法进一步可以包括当计算的电荷容量大于预先设定的电荷容量时打开连接到燃料电池堆的阳极的输出端的排放阀；以及当负载大于预先设定的第二参考负载时将比例因子设置为1。该方法可以进一步包括当负载大于第一参考负载并小于第二参考负载时从负载变成大于第一参考负载的时间点利用预定梯度减小比例因子。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述以及其他目的、特征以及其他优点，附图中：

图1是示出根据本发明一个示例性实施方式的燃料电池系统的示例性方框图；

图2A是示出根据现有技术的电流容量的积分值的示例性柱状图；

图2B是示出根据本发明一个示例性实施方式的用于控制氢排放的方法中所用的电流容量的积分值的示例性柱状图；以及

图3是示出根据本发明一个示例性实施方式的用于控制氢排放的方法中所用的比例因子α_scale的变化的示例性折线图。

具体实施方式

应当理解，本文中所使用的术语“车辆(vehicle)”或“车辆的(vehicular)”或其他类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆；包括各种小船、海船的船只；航天器等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、燃油车、插电混合动力车、燃料电池车辆和其他替代燃料车辆(例如，燃料来源于非汽油能源)。如本文所指，混合动力车辆是具有两个以上动力源的车辆，例如，汽油动力和电动力的车辆。

尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元来执行示例性处理，但是应当理解，也可由一个或者多个模块执行该示例性处理。此外，应当理解，术语控制器/控制单元指代包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置为对模块进行存储，并且处理器具体地被配置为执行所述模块以执行下面进一步描述的一个或多个处理。

进一步地，本发明的控制逻辑可体现为非暂存性计算机可读介质，在计算机可读介质上包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的实例包括但并不限于：ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动、智能卡和光学数据内存设备。计算机可读介质也可分布在网络耦合的计算机系统中，从而以分布式方式存储并且例如由远程信息处理服务器(telematics server)或控制器局域网络(CAN)执行该计算机可读介质。

本文中所使用的措辞仅是为了描述特定实施方式而并不旨在对本发明进行限制。除非上下文另有明确说明，否则如本文中所使用的单数形式“一(a)”、“一(an)”及“该”也旨在包括复数形式。还应当理解，当术语“包括”和/或“包含”用于本说明书时，其描述了存在所述特征、整体、步骤、操作、元件及/或组件，但并不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件及/或其组合。作为本文中所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项的任何及所有组合。

本文所公开的本发明的示例性实施方式的特定结构和功能的说明仅用于本发明实施方式的说明性目的。在不脱离本发明的精神和显著特征的情况下，本发明可以以很多不同的形式来实施。因此，所公开的本发明的实施方式仅用于说明性目的，并不应被解释为对本发明的限制。

由于本发明的示例性实施方式可以以多种不同的形式进行各种修改，所以以下将详细地作出本发明的各种示例性实施方式的参考，其各种实施方式的实例在附图中示出并在下面进行描述。尽管将结合其示例性实施方式描述本发明，但将理解，本说明书不旨在将本发明限定于那些示例性实施方式。相反，本发明旨在不仅覆盖示例性实施方式，而且覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代、变形、等价物以及其他实施方式。

应当理解，尽管本文中可以使用术语“第一”、“第二”等来于描述各种元件，但是这些元件并不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个相区分。例如，在不偏离本发明的教导的情况下，以下讨论的第一元件可以被称为第二元件。类似地，第二元件也可被称为第一元件。

应当理解，当元件被称为被“耦接”或“连接”至另一个元件时，其可以直接耦接或连接至另一个元件或者其间可以存在中间元件。相反，应理解，当元件被称为被“直接耦接”或“直接连接”至另一元件时，则不存在中间元件。解释元件之间的关系的其他表述，诸如“在…之间”、“直接在…之间”、“相邻”或“直接相邻”应当以相同的方式解释。

除非另外有定义，包括技术术语和科学术语等本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应当进一步理解，诸如通常使用词典中所定义的那些术语应当解释为具有与它们在现有技术和本发明的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确进行如此限定，否则不应解释为理想的或过于正式的意义。

在下文中，将参照附图详细地描述本发明的示例性实施方式。贯穿附图，相同的参考标号指代相同或者相似的部件。图1是示出根据本发明一个示例性实施方式的燃料电池系统100的示例性方框图。

参考图1，根据本发明一个示例性实施方式的燃料电池系统100可以包括：燃料电池堆10、喷射器20、鼓风机30、加湿器40、氢气供给单元50、排水阀60、排放阀70、脱水器(water trap)80、控制器90。在图1中示出的燃料电池系统100的一些部件对于本领域普通技术人员来说是已知的元件。因此，本文中将不会描述这种部件。

氢气供给单元50可以是被配置为利用基本高压存储氢气并且被配置为向燃料电池堆10供应氢气的普通的氢气罐。从氢气供给单元50可输出的受到高压的氢气可通过调压器、调压阀、注入器、调压致动器(未示出)等减小压力并且然后与由喷射器20吸入的循环气一起供应给燃料电池堆。喷射器20可被配置为向燃料电池堆10提供减小的压力的氢气，并且通过吸入未使用的氢气循环未使用的氢气，当受到高压的氢气通过喷嘴(例如，渐缩喷嘴或渐扩喷嘴)时使用氢气喷射流引起的低压，未使用的氢气可保持在燃料电池堆的阳极周围(例如，围绕)。

排放阀70可以是用于除去燃料电池堆10的阳极中的杂质的阀。燃料电池中通过电化学反应产生的水聚集在燃料电池堆10内并且可被有效地排出到燃料电池堆外部。当水不能排出到燃料电池堆10外时，即，当发生溢出时，可能阻止作为燃料的氢气的供给，因而降低燃料电池堆10的发电效率。当水的排放明显不佳(例如，排水困难)时，燃料电池堆10的部件可能受到损害并可能出现故障。

为了便于水从阳极排出，可提高燃料电池堆10中的氢气流速以增加燃料电池堆中液体流(例如，包括湿气的气体混合物)。因此，可执行周期性的燃料排放(fuel purging)。换言之，为了除去保留在燃料电池堆10中的湿气，可打开排放阀70以暂时提高燃料电池堆10中氢气的流速。通过打开排放阀70启动排放的主要目的是减小吸到阳极的氢气的浓度并排放燃料电池堆10中收集的水。然而，因为这种排放可能造成氢气排放到燃料电池堆10外，燃料效率可能会劣化并且可能会污染环境。

控制器90可被配置为操作排放阀70的开度以调节排放程度。具体地，控制器90可被配置为对燃料电池堆10中产生的电流容量积分并且在电荷容量超过预定电荷容量时调节排放阀70以使得执行排放。该操作是基于通过电化学反应产生的电流容量与生成水的量成比例的原理。然而，因为在操作中未考虑到与燃料浓度有关的氢气流的特性，所以燃料电池系统100中氢气的流动在大致低负载(low load)比在大致高负载(high load)时可能较弱，因而使燃料电池堆100中的水量增加。

因此，控制器90可被配置为确定负载是否大于预定值并且响应于负载小于预定值的确定，控制器90可被配置为通过将电流容量乘以比例因子并积分来计算实际电流容量的电荷容量。当所计算的电荷容量超过预定值时，控制器90可被配置为调节排放阀70以进行排放。在基本低负载状态下，实际电流容量可乘以比例因子以产生电荷容量。因此，排放阀70的开度次数可能会增加(例如，阀门被打开的次数可能会增加)。当打开排放阀70以促使执行排放时，可除去燃料电池堆10中的湿气因而提高燃料电池堆10中氢气的流速。

图2A和2B是示出电流容量的积分值的示例性曲线图。具体地，图2A是根据现有技术的示例性曲线图，以及图2B是根据本发明一个示例性实施方式的示例性曲线图。

如图2A所示，根据现有技术的电流容量的积分逻辑，实际电流容量和积分运算中所用的电流容量是相同的。当通过电流容量的积分运算计算电荷容量时，并且当计算的电荷容量等于或大于预定电荷容量时，控制器90通过打开排放阀70进行排放。

此外，如图2B所示，根据本发明一个示例性实施方式的积分逻辑，因为可以乘以比例因子α_scale，实际电流容量和积分运算中所用的电流容量是不同的。当所计算的电荷容量等于或大于预定电荷容量时，基于其中通过对电流容量乘以比例因子α_scale执行积分运算可获得的电荷容量的积分逻辑，通过打开排放阀70执行排放。随着电流容量增加，通过积分运算获得的电荷容量同样可以对应地增加。因此，与图2A中所示的方法不同，可用较短的时间段内执行本发明中的排放。该方法可通过式1来表示。

式1

Q＝∫(α_scalei_low+i_high)dt

其中，Q是电荷容量，α_scale是比例因子，i_low是低负载的条件下的电流容量，并且i_high是高负载的条件下的电流容量。换言之，仅在基本上低负载的条件下，乘以比例因子产生总电荷容量。

图3是示出根据本发明一个示例性实施方式的用于控制氢排放的方法中所用的比例因子α_scale变化的示例性线形图。如图3所示，比例因子α_scale在基本低负载区域中可具有约α的值以及高负载区域中可具有约1的值。基本低负载区域和基本高负载区域之间存在过渡区域。比例因子α_scale的值在低负载区域内随着式2计算的斜率下降，并在进入高负载区域时集中于1。

式2

$\frac{1-\mathrm{\α}}{H-L}$

其中，H是表示高负载区域的参考电流值，L是表示低负载区域的参考电流值，以及α是低负载区域中的比例因子。

尽管已出于说明性的目的描述了本发明的示例性实施方式，然而本领域技术人员应当认识到的是，在不背离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加以及替换是可能的。

Claims (12)

1.一种用于控制氢排放的装置，所述装置包括：

排放阀，被设置用于布置在与燃料电池堆的阳极相邻的出口并且被配置为调节水从所述燃料电池堆的流出；以及

控制器，被配置为：

基于通过积分所述燃料电池堆的电流容量获得的电荷容量来调节所述排放阀的开度；以及

当所述燃料电池堆的输出电流的负载小于预先设定的第一参考负载时，通过将所述燃料电池堆的所述电流容量乘以比例因子来计算所述电荷容量。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器被配置为当所计算出的电荷容量大于预先设定的电荷容量时打开所述排放阀。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，当所述燃料电池堆的所述输出电流的所述负载大于预先设定的第二参考负载时，所述控制器被配置为将所述比例因子设定为1。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，当所述负载大于所述第一参考负载且小于所述第二参考负载时，所述控制器被配置为从所述负载变为大于所述第一参考负载的时间点以预定梯度减小所述比例因子。

5.一种用于控制氢排放的方法，所述方法包括：

由控制器比较燃料电池堆的输出电流的负载与预先设定的第一参考负载；以及

当所述负载小于预先设定的第一参考负载时，由控制器通过将所述燃料电池堆的输出电流容量乘以比例因子来计算电荷容量。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：

当所计算出的电荷容量大于预先设定的电荷容量时，由所述控制器打开连接到所述燃料电池堆的阳极的输出端的排放阀。

7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：

当所述负载大于预先设定的第二参考负载时，由所述控制器将所述比例因子设定为1。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

当所述负载大于所述第一参考负载且小于所述第二参考负载时，由所述控制器从所述负载变为大于所述第一参考负载的时间点以预定梯度减小所述比例因子。

9.一种包含由控制器执行的程序指令的非暂存性计算机可读介质，所述计算机可读介质包括：

比较燃料电池堆的输出电流的负载与预先设定的第一参考负载的程序指令；以及

当所述负载小于预先设定的第一参考负载时，通过将所述燃料电池堆的输出电流容量乘以比例因子来计算电荷容量的程序指令。

10.根据权利要求9所述的非暂存性计算机可读介质，进一步包括：

当所计算出的电荷容量大于预先设定的电荷容量时，打开连接到所述燃料电池堆的阳极的输出端的排放阀的程序指令。

11.根据权利要求9所述的非暂存性计算机可读介质，进一步包括：

当所述负载大于预先设定的第二参考负载时将所述比例因子设定为1的程序指令。

12.根据权利要求11所述的非暂存性计算机可读介质，进一步包括：

当所述负载大于所述第一参考负载且小于所述第二参考负载时，从所述负载变为大于所述第一参考负载的时间点以预定梯度减小所述比例因子的程序指令。