CN104747909A

CN104747909A - 用于控制氢存储系统中的净化的装置及其方法

Info

Publication number: CN104747909A
Application number: CN201410837447.4A
Authority: CN
Inventors: 沈志炫; 金亨基; 金相铉; 金昌浩
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2034-12-29
Also published as: JP6556449B2; DE102014227007A1; JP2015130339A; CN104747909B; US10211471B2; US20150188165A1; KR101519764B1

Abstract

本发明提供只用于控制氢存储系统中的净化的方法，包括确定氢储罐的内部氢纯度，并根据所确定的内部氢纯度调整氢储罐的氢净化周期。本发明还提供一种用于控制氢存储系统中的净化的装置。

Description

用于控制氢存储系统中的净化的装置及其方法

技术领域

本发明构思涉及用于控制氢存储系统中的净化的装置及其方法。具体地，本发明构思涉及通过使用净化阀能够从氢存储系统排出包括杂质的气体，以排出残留在其中的杂质的装置及其方法。

背景技术

氢燃料电池车辆为使用氢作为燃料并通过使用当氢与氧反应时所生成的电荷驱动电机来生成推进力的车辆。

氢燃料电池车辆必须装备有氢存储系统。最近，根据全球趋势，已经在许多车辆中安装了表示最高商业化性能的700巴高压氢存储系统。由于空气包含可损害燃料电池堆的成分，因此完全氢存储系统中的空气气氛必须被转换为氢气氛。为了以氢替换储罐中的空气，必须重复高压充气/排气过程超过六小时到八小时。目前需要一种减少以氢完全替换氢存储系统中的空气所需的时间或过程的方法。

如果可实施保证氢纯度的另一个更快方法，或者如果可省略增强氢纯度的现有过程的一部分，则不仅可减小整个过程的长度，还可显著地降低制造成本。

发明内容

因此，本发明已经作出努力以解决上述问题。本公开的目的是提供能够基于氢纯度有效地控制氢净化的装置及其方法，其中经由重复的充氢过程改善氢纯度。本公开的进一步目的是消除先前所需的用于增强氢纯度从而将氢存储系统中的内部氢纯度操纵到预定水平的附加过程的需求。本发明构思进一步提供控制氢存储系统中的净化的方法。该方法包括a)计算氢储罐的内部氢纯度以及b)根据所计算的内部氢纯度调整氢储罐的氢净化周期。

在以上方法的步骤a)中，一旦已经确定充氢已经停止，则可计算氢储罐的内部氢纯度。确定充氢状态包括以下步骤：1)确定燃料门是否打开，2)当燃料门打开时，监测储罐压力，3)如果储罐压力变化等于或大于参考值，则确定充氢已经开始，其中储罐压力变化为燃料门打开之前和之后的压力差，以及4)通过检测燃料门何时已经关闭来确定充氢何时已经停止。

如下(公式1)计算氢储罐的内部氢纯度：公式1：

\frac{(A + 0.1 MPa) \times X 1 + (B - A) \times X 2}{(A + 0.1 MPa)} = X_{c}

其中A表示氢储罐的内部初始压力，B表示氢储罐在充氢之后的压力，X1表示充氢之前的氢浓度，X2表示所充氢的浓度，以及X_c表示充氢之后的氢浓度。充氢之后的氢浓度(X_c)为氢储罐的内部氢纯度的值。根据所计算的氢纯度调整氢储罐的氢净化周期(以上公开的方法的步骤b)可进一步包括以下步骤：1)比较所计算的内部氢纯度值与参考值，以及2)设置氢净化周期，使得当所计算的氢纯度值等于或大于参考值时氢净化的执行频率比当所计算的氢纯度值小于参考值时氢净化的执行频率小。

如果所生成的电荷量达到参考电荷量，则用于氢净化的净化阀可打开一段时间，并且当氢纯度值小于参考值时以及当氢纯度值等于或大于参考值时，参考电荷量被分别设置为相互不同的不同值，同时净化阀的打开时间在每种情况下被设置为相等时间。

另外，如果氢纯度值小于参考值，则参考电荷量可被设置为第一参考电荷量，并且如果氢纯度值等于或大于参考值，则参考电荷量可被设置为第二参考电荷量，其中第二参考电荷量被设置为大于第一参考电荷量值的值。净化阀的打开时间可被设置为选自0.1秒到1.0秒范围中的值。

进一步地，在根据所计算的氢纯度调整氢储罐的氢净化周期中，可从净化周期映射图确定氢净化周期，该净化周期映射图包括映射有氢储罐的内部氢纯度和氢净化周期的数据。

另外，净化周期映射图可被设置为当氢纯度降低时缩短净化周期。

另外，净化周期映射图可被设置为当氢纯度降低时延长打开时间。

根据本发明构思的另一个方面，提供用于控制氢存储系统中的净化的装置。该装置包括氢储罐、用于氢储罐中氢净化的净化阀、以及调整氢净化周期的控制器。控制器计算氢储罐的内部氢纯度，并基于所计算的内部氢纯度调整氢储罐的净化周期。

另外，可进一步提供压力传感器用于测量氢储罐的内部压力。控制器可基于使用充氢之前和之后的压力值的公式1确定氢储罐的内部氢纯度，其中可从压力传感器接收该压力值，

公式1

\frac{(A + 0.1 MPa) \times X 1 + (B - A) \times X 2}{(A + 0.1 MPa)} = X_{c}

其中分别地，A表示氢储罐的内部初始压力，B表示氢储罐在充氢之后的压力，X1表示充氢之前的氢浓度，X2表示所充氢的浓度，并且X_c表示充氢之后的氢浓度。充氢之后的氢浓度(X_c)为氢储罐的内部氢纯度的值。

另外，可进一步提供燃料门传感器用于检测燃料门的打开/关闭状态。如果检测到燃料门的打开状态，则控制器可监测储罐压力，如果在打开燃料门之前和之后发生的储罐压力变化值等于或大于参考值，则确定充氢开始，并且如果燃料门关闭，则确定充氢停止。

另外，控制器可比较氢纯度的参考值与所计算的内部氢纯度值，并调整净化周期，使得当所计算的氢纯度值小于参考值时氢净化的执行与当所计算的氢纯度值等于或大于参考值时氢净化的执行相比更加频繁。

此外，如果在电池堆中生成的电荷量达到参考电荷量，则控制器可将净化阀控制为打开一段时间，并且当所计算的氢纯度值小于参考值时以及当所计算的氢纯度值等于或大于参考值时，将参考电荷量分别设置为相互不同的值，同时净化阀的打开时间在每种情况下可被设置为相等时间。

另外，如果氢纯度值小于参考值，则参考电荷量可被设置为第一参考电荷量，并且如果氢纯度值等于或大于参考值，则参考电荷量可被设置为第二参考电荷量，其中第二参考电荷量被设置为大于第一参考电荷量值的值，并且净化阀的打开时间被设置为选自0.1秒到1.0秒范围中的值。

另外，控制器可包括净化周期映射图，并可基于净化周期映射图确定净化周期，其中净化周期映射图包括映射有氢储罐的内部氢纯度和净化周期的数据。

或者，净化周期映射图可被设置为当氢纯度降低时延长打开时间。

如上所述，在根据本发明构思的用于控制氢存储系统中的净化的装置及其方法中，基于氢存储系统的内部氢纯度计算净化周期，使得可确定净化定时，从而实现最佳的氢净化。

另外，根据通过使用消耗电流确定净化定时的常规方法，在储罐系统的制造过程或者储罐系统的初始操作过程中必须执行增强氢纯度的过程，其需要长时间和高成本。然而，根据本发明构思，可省略增强氢纯度的过程，使得可降低氢存储系统的生产成本，并且可减少制造氢存储系统所需的时间。

附图说明

现将参考通过所附附图说明的其某些示例性实施例详细描述本发明构思的以上和其他特征，其中在下文中仅通过举例说明的方式给出实施例，并且因此不限制本发明构思，并且其中：

图1为示出根据本发明构思的示例性实施例的用于控制氢存储系统中的净化的装置的示意图；

图2为示意性地示出根据本发明构思的示例性实施例的用于控制氢存储系统中的净化的方法的流程图；

图3为示出根据本发明构思当计算氢纯度时确定充气停止的过程的流程图；以及

图4为示出净化周期的长度与氢储罐的氢纯度之间的关系的概念映射。

应当理解的是，所附附图不必按比例绘制，而是呈现说明本发明构思的基本原理的各种优选特征的一定程度上的简化表示。本文所描述的本发明构思的具体设计特征，包括例如具体尺寸、方向、位置和形状，将部分地由特定的既定应用和使用环境确定。

在图示中，贯穿附图的若干图示的参考数字指代本发明构思的相同或等同部件。

具体实施方式

由于重复地填充氢，氢存储系统的内部氢纯度会聚为注入氢的纯度，并且根据填充氢的量确定氢纯度。

由于氢净化为排出残留在氢储罐中的杂质的过程，因此可通过使用氢储罐的内部氢纯度调整氢净化周期。

因此，本公开提供用于控制氢存储系统中的净化的装置及其方法，其中测量氢存储系统的内部氢纯度，并根据所测量的内部氢纯度可变地控制氢净化，从而实现最佳净化定时。

在下文中，将参考所附附图详细描述根据本发明构思的一个示例性实施例的用于控制氢存储系统中的净化的装置及其方法。

图1为示出根据本发明构思的示例性实施例的用于控制氢存储系统中的净化的装置的示意图。

根据图1所示的实施例，除了氢存储系统的其他部件，诸如氢储罐10、压力传感器50、压力调节器20、燃料电池堆30和净化阀40之外，用于控制氢存储系统中的净化的装置还包括控制器60，以控制净化周期，以及燃料门传感器70，以检测燃料门的打开/关闭状态。

压力传感器50检查存储在氢储罐10中的氢的压力，并且压力调节器20将氢的压力从高压降低到低压，并将氢供应到燃料电池堆30。

根据该实施例，用于控制氢存储系统中的净化的装置包括用于氢储罐10中的氢净化的净化阀40，以及用于调整氢净化周期的控制器60。

在这种情况下，控制器60经配置计算氢储罐10的内部氢纯度，并基于所计算的氢纯度调整氢储罐10中的净化周期。

调整净化周期可包括各种操作，诸如改变净化频率以及调整净化阀在每个周期中打开的时间量，其确定每个周期中所净化的气体量。

因此，本领域技术人员应当理解的是，根据本发明构思的用于控制氢存储系统中的净化的装置及其方法包括用于调整净化周期的各种实施例，其可包括但不限于，调整净化频率以及调整净化阀在每个净化周期期间打开的时间量。

另外，燃料门传感器70将关于燃料门的打开/关闭状态的信息传输到控制器60，并且控制器60基于关于燃料门的打开/关闭状态以及氢储罐10的内部压力变化的信息确定充气停止。

因此，控制器60基于下列信息确定当前氢纯度：a)关于充氢之前和之后发生的压力变化的信息、以及b)关于充氢之前的氢浓度的信息。

控制器60随后基于所计算的氢纯度控制净化阀40的净化周期。

当在下面描述用于控制氢存储系统中的净化的方法时，将详细描述氢纯度和净化控制的确定。

图2为示意性地示出根据本发明构思的示例性实施例的用于控制氢存储系统中的净化的方法的流程图。

如图2所示，根据本发明构思的示例性实施例的用于控制氢存储系统中的净化的方法包括监测氢纯度(S110)以及基于所计算的氢纯度调整净化周期(S130)。

在实施例中，比较所监测的氢纯度值与氢纯度的参考值(T_p)(S120)。

可存在基于参考值划分的两个氢纯度范围。两个氢纯度范围可具有相互不同的氢净化周期。

因此，根据本实施例，基于所监测的氢纯度值与参考值的比较调整氢净化周期(S130)。图2示出实施例，其中在过程的开始，氢储罐具有低于氢纯度的参考值的内部氢纯度。在与氢纯度的参考值比较之后(S120)，如果所监测的氢纯度值等于或大于氢纯度的参考值(是)，则确定净化控制参考状态改变，使得调整氢净化频率。

然而，根据与氢纯度的参考值的比较(S120)，如果所监测的氢纯度值小于氢纯度的参考值，由于维持相同的状态，因此没有必要调整氢净化频率。因此，过程返回到氢净化的监测(S110)。

在另一个实施例(未示出)中，在过程的开始，氢储罐的内部氢纯度大于氢纯度的参考值。在这种情况下，仅在如果所监测的氢纯度值小于氢纯度的参考值时调整净化频率，并且如果所监测的氢纯度值等于或大于氢纯度的参考值则维持净化频率。

在图2的氢纯度的监测(S110)中，可使用公式1计算氢纯度。

公式1

\frac{(A + 0.1 MPa) \times X 1 + (B - A) \times X 2}{(A + 0.1 MPa)} = X_{c}

其中A表示氢储罐的内部初始压力，B表示氢储罐在充氢之后的压力，X1表示充氢之前的氢浓度，X2表示所充氢的浓度，并且X_c表示充氢之后的氢浓度。

在公式1中计算的充氢之后的氢浓度(X_c)变为氢储罐的内部氢纯度值。

因此，在根据本实施例的用于控制氢存储系统中的净化的方法中，测量充氢之前和之后的压力A和B，并基于在充氢之前和之后所测量的压力值以及充氢之前的氢储罐的内部氢浓度(X1)和所充氢的浓度(X2)计算氢储罐的内部氢纯度值。

同时，当充氢时，氢纯度发生变化，并且需要测量充氢之前和之后的压力，以便计算氢纯度。因此，根据本发明构思的示例性实施例，可进一步包括确定氢向氢存储系统中的充入状态。

如图3所示，可基于燃料门的打开/关闭状态确定氢向氢存储系统中的充入状态。

具体地，氢向氢存储系统中的充入状态的确定包括感应燃料门的打开/关闭状态(S210)，确定燃料门的打开状态(S220)，以及监测储罐压力(S230)。在这种情况下，储罐压力的监测被执行用于排除在燃料门已经打开之后没有充氢的情况。因此，如果所监测的储罐压力表示大于参考值的值，则确定充氢开始(S240和S250)。如果充气停止并且燃料门关闭，则确定充氢完全停止(S260和S270)。

如果确定充氢已经完全停止，控制净化阀的打开和关闭的控制器接收充氢之前和之后的氢储罐的内部压力值，以通过以上过程计算氢存储系统的内部氢纯度。

根据实施例，通过以上过程获得的氢纯度值与氢纯度的参考值进行比较，并根据比较结果控制氢净化周期。例如，在某些实施例中，可根据比较结果控制氢净化周期的频率。在某些实施例中，还可控制氢净化周期期间的净化阀的打开时间。

可通过以该种方式考虑氢纯度来控制氢净化周期，即当先前所计算的氢纯度值大于或等于参考值时氢净化的执行频率，比当氢纯度值小于参考值时氢净化的执行频率小。

可基于从燃料电池堆30生成的电荷量附加地或另选地控制净化周期。可以以这种方式设置净化周期，即如果所生成的电荷量达到参考电荷量，则将净化阀打开一段打开时间。

特别地，在根据本发明构思的用于控制氢存储系统中的净化的方法中，当所计算的氢纯度值小于参考值以及当所计算的氢纯度值等于或大于参考值时，氢净化必须分别被执行为相互不同的周期时间组。

为此，优选地，当氢纯度值小于参考值时以及当氢纯度值等于或大于参考值时，参考电荷量被分别设置为相互不同的值，同时净化阀的打开时间在每种情况下被设置为相等时间。

如果氢纯度值小于参考值，则参考电荷量可被设置为第一参考电荷量，并且如果氢纯度值等于或大于参考值，则参考电荷量可被设置为不同于第一参考电荷量的第二参考电荷量。如果对于两种情况如上所述将参考电荷量设置为相互不同的值，则净化阀的打开时间可选自0.1秒到1.0秒的范围，并且在每种情况中可被设置为相同时间。

因此，在氢纯度小于参考值的情况下，每当燃料电池堆中所生成的电荷量达到第一参考电荷量，净化阀打开一段净化阀的打开时间。在氢纯度等于或大于参考值的情况下，每当燃料电池堆中所生成的电荷量达到第二参考电荷量，净化阀打开一段净化阀的打开时间。在这种情况下，第二参考电荷量必须被设置为大于第一参考电荷量的值。

如上所述，可提供另一个实施例，其中净化阀的打开时间可被设置为不同值，以便控制净化周期。

同时，还根据本发明构思的另一个实施例，可通过用于控制净化周期的净化周期映射图来控制净化周期。净化周期映射图存储在控制ROM内部，该控制ROM使用基于所计算的氢纯度的映射值确定净化周期。如图4所示，氢纯度随着净化周期长度的减小而降低。如果增大净化周期，则氢纯度将增加。

可以以这种方式设置净化周期映射图，即当氢纯度降低时，缩短净化周期或者延长净化阀的打开时间。

因此，净化周期映射图可包括各种参考电荷值以及净化阀的各种打开时间。

如上所述，在根据本发明构思的用于控制氢存储系统中的净化的装置及其方法中，可监测氢纯度并且可基于所监测的氢纯度值控制净化阀的净化周期。因此，由于没有必要将氢纯度维持在预定水平处，因此可在诸如氢储罐的制造或氢储罐的初始操作的情况下省略增强氢纯度的过程。

尽管在上文中已经详细描述了本发明构思，本发明构思的范围不限于该描述。由本领域技术人员使用如权利要求定义的本基本发明构思做出的各种修改也落在本发明构思的范围内。

Claims

1.一种控制氢存储系统中的净化的方法，所述方法包括以下步骤：

计算氢储罐的内部氢纯度；以及

根据所述所计算的内部氢纯度调整所述氢储罐的氢净化周期。

2.根据权利要求1所述的方法，在计算所述氢储罐的内部氢纯度的步骤之前还包括确定充氢状态的步骤，并且如果确定停止充氢则计算所述氢储罐的内部氢纯度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中使用公式1计算所述氢储罐的内部氢纯度：

公式1

\frac{(A + 0.1 MPa) \times X 1 + (B - A) \times X 2}{(A + 0.1 MPa)} = X_{c}

其中A表示所述氢储罐的内部初始压力，B表示所述氢储罐在充氢之后的压力，X1表示充氢之前的氢浓度，X2表示所充氢的浓度，并且X_c表示充氢之后的氢浓度，并且其中充氢之后的所述氢浓度X_c为所述氢储罐的内部氢纯度的值。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述确定充氢状态的步骤包括：

检测燃料门的打开状态；

当所述燃料门打开时，监测储罐压力；

如果储罐压力变化等于或大于参考值，则确定所述充氢已经开始，其中所述储罐压力变化为所述燃料门打开之前和之后的压力差；以及

检测所述燃料门的关闭状态，指示所述充氢已经停止。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述根据所计算的氢纯度调整所述氢储罐的氢净化周期的步骤包括：比较所计算的内部氢纯度值与参考值，并设置氢净化周期，使得当所计算的氢纯度值小于所述参考值时与当所计算的氢纯度值等于或大于所述参考值时相比，更加频繁地执行氢净化。

6.根据权利要求5所述的方法，其中如果所生成的电荷量达到参考电荷量，则打开用于氢净化的净化阀一段时间，并且当所述氢纯度值小于所述参考值时以及当所述氢纯度值等于或大于所述参考值时，将所述参考电荷量分别设置为相互不同的不同值，同时将所述净化阀的打开时间在每种情况下设置为相等时间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中如果所述氢纯度值小于所述参考值，则将所述参考电荷量设置为第一参考电荷量，并且如果所述氢纯度值等于或大于所述参考值，则将所述参考电荷量设置为第二参考电荷量，其中所述第二参考电荷量为大于所述第一参考电荷量值的值，并且所述净化阀的打开时间为选自0.1秒到1.0秒范围中的值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述根据所计算的氢纯度调整所述氢储罐的氢净化周期的步骤包括从净化周期映射图确定所述氢净化周期，所述净化周期映射图包括映射有所述氢储罐的内部氢纯度和氢净化周期的数据。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述净化周期映射图被设置为当所述氢纯度降低时缩短所述净化周期。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述净化周期映射图被设置为当所述氢纯度降低时延长所述打开时间。

11.一种用于控制氢存储系统中的净化的装置，所述装置包括：

氢储罐；

用于所述氢储罐中的氢净化的净化阀；以及

用于调整氢净化周期的控制器，

其中所述控制器计算所述氢储罐的内部氢纯度，并基于所计算的内部氢纯度调整所述氢储罐的净化周期。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括压力传感器以测量所述氢储罐的内部压力，其中所述控制器使用基于充氢之前和之后的压力值的公式1计算所述氢储罐的内部氢纯度，其中从所述压力传感器接收所述压力值，

公式1

\frac{(A + 0.1 MPa) \times X 1 + (B - A) \times X 2}{(A + 0.1 MPa)} = X_{c}

其中A表示所述氢储罐的内部初始压力，B表示所述氢储罐在充氢之后的压力，X1表示充氢之前的氢浓度，X2表示所充氢的浓度，并且X_c表示充氢之后的氢浓度。

13.根据权利要求12所述的装置，还包括燃料门传感器以检测燃料门的打开/关闭状态，其中如果检测到所述燃料门的打开状态，则所述控制器监测储罐压力，如果在打开所述燃料门之前和之后发生的储罐压力变化值等于或大于参考值，则确定充氢开始，并且如果所述燃料门关闭，则确定充氢停止。

14.根据权利要求11所述的装置，其中所述控制器比较氢纯度的参考值与所计算的内部氢纯度值，并调整净化周期，使得当所计算的氢纯度值小于所述参考值时与当所计算的氢纯度值等于或大于所述参考值时相比，更加频繁地执行氢净化。

15.根据权利要求14所述的装置，其中如果电池堆中生成的电荷量达到参考电荷量，则所述控制器将所述净化阀控制为打开一段时间，并且当所计算的氢纯度值小于所述参考值时以及当所计算的氢纯度值等于或大于所述参考值时，将参考电荷量分别设置为相互不同的值，同时将所述净化阀的打开时间在每种情况下设置为相等时间。

16.根据权利要求15所述的装置，其中如果所述氢纯度值小于所述参考值，则将所述参考电荷量设置为第一参考电荷量，并且如果所述氢纯度值等于或大于所述参考值，则将所述参考电荷量设置为第二参考电荷量，其中所述第二参考电荷量被设置为大于所述第一参考电荷量值的值，并且将所述净化阀的打开时间设置为选自0.1秒到1.0秒范围中的值。

17.根据权利要求11所述的装置，其中所述控制器包括净化周期映射图，并基于所述净化周期映射图确定所述净化周期，所述净化周期映射图包括映射有所述氢储罐的内部氢纯度和净化周期的数据。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述净化周期映射图被设置为当所述氢纯度降低时缩短所述净化周期。

19.根据权利要求17所述的装置，其中所述净化周期映射图被设置为当所述氢纯度降低时延长所述打开时间。