CN105226308A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统以及用于控制燃料电池系统的方法。燃料电池系统包括被配置成供给空气的压缩机，以及包括供给部的加湿器，该供给部连接到压缩机和供气管，以将水分供给到供给空气并将加湿的空气供给到燃料电池堆。排气部被配置成接收从燃料电池堆排出的空气、将来自接收空气的水分排放到供给部，并将除去水分的空气排放到排气管。安装在供气管中的阀被设置在压缩机和加湿器之间，并且在所述阀处分支的旁通管连接到排气管。

Description

燃料电池系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统以及控制燃料电池系统的方法，该系统和方法控制被供给到燃料电池堆的空气的湿度。

背景技术

高分子电解质膜燃料电池系统已经被广泛地用于车辆。在高分子电解质膜中，水被用于将氢离子(H⁺)传递到设置在空气电极和阳极之间的膜，并且在电解质膜内维持预定的水含量，这与燃料电池的性能相关。

在供给的水低于预定水平的干燥条件下，电解质膜中的水含量减小，这增加了电极的电阻并使燃料电池的性能下降。在水量的供给大于预定水平的溢流条件下，水蒸汽可在将空气和氢气分别供给到空气电极和阳极的通道中冷凝，并且反应气体可能不能供给电极，从而导致燃料电池的电池电压的大幅度下降。

在相关技术领域中，传统方法是根据燃料电池的电极中的水含量或供给空气的湿度，调节被供给到燃料电池的空气和氢气的压力和增压比(superchargingratio)。尽管已经有效地使用了调节空气压力的方法，但由于基于喘振(surging)和堵塞(chocking)条件以及空气流量，可能限制通过压缩机或鼓风机供给的空气的压力范围，因此该效果可能不足。

进一步地，在控制电极膜中的水含量的传统方法中，在燃料电池堆的干燥条件下，可增大空气压力且减小增压比，并且在燃料电池堆中包含高水含量的溢流条件下，可减小空气压力且增大增压比。

可基于以下假设进行这种控制。由于水的饱和蒸汽压取决于温度，因此蒸汽的分压可在特定温度和湿度下为恒定。因此，当增大供给空气的压力时，用于维持预定湿度水平的每单位空气质量的水量会减少。这样，即使用少量的水，也能够提高供给空气的湿度。另一方面，当减小供给空气的压力时，可能增加用于维持预定湿度水平的水量。

图1示出相关技术领域中的示例性压缩机的性能曲线。压缩机用于将空气供给到燃料电池的空气电极。由于喘振和堵塞，压缩机仅能在可操作范围内控制空气的压力和流量。可操作范围指在图1中在喘振曲线以下和在堵塞曲线之上的区域。如图1所示，根据相关技术领域，当调节燃料电池中的水含量以控制供给空气的压力和流量时，可在可操作范围内进行空气的压力和流量控制。因此，效果可能不足。具体地，当减小被供给到燃料堆的空气的流量时，由于系统的限制，空气压力不能增加到超过图1的喘振曲线的点的压力。此外，由于可通过被施加到连接到延伸到空气电极的管道的部件的背压而确定最小操作曲线，因此可在喘振曲线以下操作范围的条件下，在有限压力范围内控制空气压力。

前述仅仅旨在帮助理解本发明的背景，并且不旨在表示本发明落入本领域技术人员已知的相关技术领域的范围内。

发明内容

本发明提供一种燃料电池系统以及控制燃料电池系统的方法，其迅速地并更准确地控制燃料电池系统中被供给到燃料电池堆的空气的湿度。

在一个方面中，用于车辆的燃料电池系统可包括：压缩机，其被配置成压缩将被供给到燃料电池堆的空气；阀，其安装在从压缩机连接到燃料电池堆的供气管中；旁通管，其在阀处分支并连接到燃料电池堆的排气管；以及控制器，具体地，当需要将从压缩机供给的空气压力增加到高于喘振曲线上的点的压力水平时，所述控制器被配置成增大从压缩机供给的空气的压力，并通过操作所述阀经由旁通管排出部分空气。

燃料电池系统可进一步包括加湿器，其可安装在供气管的阀的下游。加湿器可包括：供给部，其可连接到压缩机和供气管以将水分供应到供给空气，并且可被配置成将加湿的空气供给到燃料电池堆；以及排气部，其可被配置成接收从燃料电池堆排出的空气、将来自接收空气的水分供应到供给部，并将空气排放到排气管。

当以控制流量将空气供给到燃料电池堆时，响应于确定将压缩空气的目标压力增大到高于压缩机的喘振曲线上的点的压力，控制器可被配置成操作压缩机以便以大于控制流量的流量从压缩机供给空气，并操作阀经旁通管排出一部分空气。这样，可满足被供给到燃料电池堆的空气的调节流量以及压缩空气的目标压力两者。如本文所使用，术语“目标压力”是指用于维持预定湿度水平的供给空气的压力。本发明的另一个方面提供用于控制燃料电池系统的方法。该方法可包括：比较从压缩机供给的压缩空气的目标压力和压缩机的喘振曲线的压力；以及当目标压力大于喘振曲线的压力时，通过操作阀经旁通管排出一部分空气。

在排出空气期间，可将从压缩机供给的压缩空气的流量增大到压缩机的压力可达到目标压力的水平，并且可通过以对应于被供给到燃料电池堆的空气的调节流量和从压缩机供给的压缩空气的流量之间的差的程度打开阀，经旁通管排出一部分空气。

该方法可进一步包括：计算被供给到燃料电池堆的空气的调节流量以及从压缩机供给的压缩空气的目标压力；并可比较目标压力和极限压力。如本文所使用，术语“极限压力”是指在图1中的压力比较中，控制流量下的喘振曲线上的压力值或点。

在排出空气期间，当目标压力大于极限压力时，可操作阀以经旁通管排出一部分空气。此外，在排出空气期间，可将从压缩机供给的空气的流量增大到其中极限压力可达到目标压力的水平，并且可通过以对应于被供给到燃料电池堆的空气的调节流量和从压缩机供给的压缩空气的流量之间的差的程度打开阀，经旁通管排出一部分空气。

根据本发明的各种示例性实施例，燃料电池系统以及控制具有如上所述结构的燃料电池的方法，可通过改变被供给到燃料电池的空气的压力和流量，有效地调节燃料电池的电极膜中的水含量。另外，可通过维持可保持电极膜中的预定湿度水平的条件，改善燃料电池的耐用性和性能。此外，即使在可限制燃料电池系统操作的较高温度操作条件下，仍可通过有效地调节被供给到燃料电池的空气的湿度来维持燃料电池的性能。此外，能够满足在诸如相当高的温度、高速的恶劣操作条件中以及爬坡能力条件中的性能。

附图说明

本发明的以上和其他目的、特征及其他优点将从以下结合所附附图的详细描述中得到更加清楚的理解，其中：

图1示出相关技术领域中的示例性压缩机的性能曲线；

图2说明根据本发明的示例性实施例的用于车辆的示例性燃料电池系统；

图3示出根据本发明的示例性实施例的用于控制车辆的示例性燃料电池系统的示例性方法；以及

图4示出根据本发明的示例性实施例的用于车辆的示例性燃料电池系统的示例性压缩机的性能曲线。

具体实施方式

本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并非旨在限制本发明。如本文所使用，单数形式“一”、“一种”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。应当进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”，当在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所用，术语“和/或”包括关联的列出项目中的一个或多个的任何与全部组合。

应当理解的是，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它相似术语一般包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商业车辆、包括各种船只和船舶的水上车辆、飞行器，等等，并包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧插入式混合动力电动车辆、氢动力车辆，以及其它代用燃料车辆(例如得自除石油之外的资源的燃料)。如本文所参考，混合动力车辆为具有两种或更多种资源的动力车辆，例如汽油动力车辆和电动力车辆。

尽管示例性实施例被描述为使用多个单元以执行示例性过程，应当理解的是，还可通过一个或多个模块执行示例性过程。此外，应当理解的是，术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置成存储模块且处理器具体地被配置成执行所述模块，以便执行下面进一步描述的一个或多个过程。

此外，本发明的控制逻辑可被具体化为计算机可读介质上的非暂时性计算机可读媒介，该计算机可读介质包括通过处理器、控制器/控制单元等等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的示例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪盘驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质还可分布在网络耦合的计算机系统中，以便以分布式方式存储并执行计算机可读媒介，例如，通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)。

在下文中，将参考所附附图描述本发明的示例性实施例。

图2说明根据本发明的示例性实施例的用于车辆的示例性燃料电池系统；图3示出根据本发明的示例性实施例的用于控制车辆的示例性燃料电池系统的示例性方法；以及图4示出根据本发明的示例性实施例的用于车辆的示例性燃料电池系统的示例性压缩机的性能曲线。

图2中，用于车辆的燃料电池系统可包括：被配置成供给空气的压缩机200；加湿器400，其可包括供给部420和排气部440，其中供给部420连接到压缩机200和供气管300，并被配置成将水分供应到供给空气以及将加湿的空气供给到燃料电池堆，排气部440被配置成接收从燃料电池堆100排出的空气、将来自接收空气的水分排放到供给部420，以及将残余空气排放到排气管320；阀600，其安装在在压缩机200和加湿器400之间连接的供气管300中；以及旁通管700，其在阀600处分支并连接到排气管320。

在某些示例性实施例中，燃料电池车辆可包括如图2所示的示例性燃料电池的基本配置。在本示例性实施例中，阀、旁通管以及被配置成操作阀的控制器800可进一步包括在基本配置中。

具体地，三通阀和旁通管可连接到将空气供给到燃料电池的空气极的供气管，从而通过旁通作用将从压缩机供给的所需比例的空气提供到燃料电池堆。如此，可调节被供给到燃料电池堆的空气的压力和流量，并且可避免压缩机的喘振和堵塞条件，使得可提供被供给到燃料电池的空气的湿度的更有效和迅速的控制。

图2中示出了实施上述特征的示例性燃料电池系统的配置。系统可进一步包括：三通阀，其被配置为在压缩机的后端和燃料电池堆的空气电极的入口之间的管连接；以及旁通管，其在三通阀门处分支并连接到在燃料电池堆的空气电极的出口和加湿器之间连接的管路。通过使用三通阀和旁通管，可将从空气压缩机供给的空气流分成流至电池堆的空气电极的入口的空气流以及流至燃料电池堆的空气电极的出口的空气流。此外，可增大通过压缩机压缩并从压缩机供给的空气的压力，同时以减小的流量将空气供给到燃料电池堆。在如图2所示的示例性实施例中，旁通管可连接到加湿器的后端，该加湿器设置在空气电极的出口侧。当旁通管可选择地连接到在燃料电池堆的空气电极的出口和加湿器之间的管路时，可减小加湿器的排气侧上的空气的湿度，从而减弱加湿器的性能。因此，根据本发明，当安装旁通管以通过增加被供应到空气电极的空气压力来避免燃料电池堆中的干燥条件时，可如图2所示的安装旁通管。

此外，可包括被配置成供给空气的压缩机200。加湿器400可包括供给部420和排气部440。供给部420可连接到压缩机200和供气管300，并可被配置成将水分供应到供给空气并然后将加湿的空气供给到燃料电池堆100。排气部400可被配置成接收从燃料电池堆100排出的空气、将来自接收空气的水分排放到供给部420，以及将所排出的空气排放到排气管320。如此，加湿机400可被配置成将从所排出的空气获得的水分供给到空气，其中该空气将被供应到空气电极。换句话说，加湿器400可被配置成提供加湿的空气，所述加湿的空气将被供应到燃料电池堆100。

阀600可安装在在压缩机200和加湿器400之间连接的供气线路300中。旁通管700可在阀处分支并连接到排气管。当打开阀600时，空气流可被分为流至加湿器的空气流以及流至排气管的空气流。当确定将经压缩机供给的空气压力增大到高于喘振曲线上的点的预定的压力水平时，控制器800可通过控制阀600执行经旁通管排出一部分空气的控制。

具体地，响应于确定在以空气的调节流量将空气供应到燃料电池堆的条件下，将空气的目标压力增大到高于压缩机的喘振曲线上的点的压力，控制器800可被配置成操作压缩机以大于控制流量的流量经压缩机供给空气。另外，控制器800可被配置成操作阀经旁通管排出从压缩机供给的一部分空气，从而满足被供给到燃料电池堆的空气的调节流量和从压缩机供给的空气的目标压力两者。

图3示出根据本发明的实施例的通过控制示例性燃料电池系统的控制器执行的示例性方法的过程。用于控制燃料电池系统的方法可包括：比较从压缩机供给的空气的目标压力和压缩机的喘振曲线的压力(S300)；以及当目标压力大于喘振曲线的压力时，通过操作阀经旁通管排出空气(S500)。

具体地，在经旁通管排出空气的过程中，可增大从压缩机供给的空气的流量(S400)，以使从压缩机供给的空气压力达到目标压力，并然后通过以对应于被供给到燃料电池堆的空气的调节流量和从压缩机供给的空气的流量之间的差的程度打开阀，经旁通管排出空气。当目标压力小于极限压力时，压缩机可以在喘振曲线以下的压力下正常地工作。

此外，该方法可包括，计算调节流量和目标压力。在该计算中，调节流量可为被供给到燃料电池堆的空气的流量，并且目标压力可为从压缩机供给的压缩空气的压力。在比较步骤(S300)中，所计算的目标压力可与极限压力比较(S200)，该极限压力对应于调节流量下的喘振曲线上的点。在旁通步骤S500中，当目标压力大于极限压力时，可调节阀以使空气可经旁通管排出。

可当在干燥条件下操作燃料电池系统时，执行该控制。可选择地，由于水含量传感器指示电极膜为干燥的，因此当确定将从压缩机供给的空气的压力增大到高于喘振曲线的点的压力时，执行这种控制，其中该水含量传感器测量燃料电池堆的电极膜中的水含量。

在旁通步骤中，可增大从压缩机供给的空气流量直至极限压力达到目标压力，并且可通过以对应于控制流量和从压缩机供给的空气流量之间的差的程度打开阀，经旁通管排出空气。根据如以上所描述的控制方法，可在将空气供给到空气电极之前，压缩空气使其具有所需的高压，并且进一步地，可同时将流量减小到所需水平。因此，可有效地管理干燥条件并且可不发生干燥条件。

由于燃料电池系统在干燥条件下操作或者由于测量燃料电池堆的电极膜中水含量的水含量传感器指示电极膜为干燥的，响应于确定执行将从压缩机供给的空气的压力增大到高于喘振曲线的点的压力的控制，可在范围内以增大的流量下经压缩机供给足够量的空气，从而避免喘振。具体地，可通过操作三通阀将燃料电池所要求的所需量的空气供应到燃料电池堆的空气电极的入口侧，并且可经旁通管将经压缩机供给的以用于增大空气的压力的空气排放到燃料电池堆的出口侧。

进一步地，由于可通过空气流量与压缩机入口和出口处压力之间的压差的组合获得通过压缩机消耗的能量，并且喘振曲线的条件可导致在相同压力下使用的最小空气量，因此沿喘振曲线的控制可为调节用于维持目标压力的空气的流量的更有效方式。

根据本发明的各种示例性实施例，从干燥条件恢复燃料电池堆的方法可增大空气的流量，以增大空气的压力。尽管本方法可通过压缩机增加能量消耗，但当车辆的燃料电池堆的温度升高并且其电极膜可在大约40℃的超级喘振条件下干燥时，本方法可用于当前可用的燃料电池车辆。

在相关技术领域中，许多车辆制造商已经使用在高温操作期间通过使用压缩机增大被供应到空气电极的空气的压力的传统方法。然而，由于压缩机的压力控制范围的上限可为喘振曲线的值，因此在燃料电池的低输出水平下操作压力控制可能不充分，并且由于有限的可操作范围，可限制使用压力控制方法的效果，并且传统方法没有提供适当的解决方案。然而，本发明的各种示例性实施例中的方法可使压缩机供给具有更大压力的空气，从而为燃料电池堆中的干燥提供有效的解决方案，其中可在系统操作的极限条件下，例如超喘振条件下，通过压缩机产生具有更大压力的空气，而与燃料电池的输出水平无关。

图4示出根据本发明的示例性实施例的示例性燃料电池系统的示例性压缩机的性能曲线。因此，可使用本发明的管线结构扩大被供给到燃料电池的空气电极的空气的流量和压力的范围。在相关技术领域部分，传统技术可仅在未使用旁通的可操作范围内调节空气流量和压力。相反，根据本发明的示例性实施例，可在减小被供给到燃料电池堆的空气流量的条件下，响应于确定将从压缩机供给的空气的压力增大到高于喘振曲线上的点的压力，可经压缩机供给具有目标压力的足够量的空气。具体地，可使用三通阀将燃料电池堆所要求的所需量的空气供给到燃料电池堆的空气电极的入口侧，并且可经旁通管将残余空气排到燃料电池堆的出口侧。因此，可将被供给到燃料电池的空气的压力和流量扩大到使用旁通的可操作范围。

根据本发明的各种示例性实施例，燃料电池系统以及控制具有如上所述结构的燃料电池的方法，可通过改变被供给到燃料电池的空气的压力和流量，有效地调节电极膜中的水含量。

另外，可通过维持能提供电极膜中的最佳水含量的条件，改善燃料电池的耐用性和性能。此外，即使在用于操作燃料电池系统的较高温度操作条件下，可通过调节被供给到燃料电池的空气的湿度来有效地维持燃料电池的性能。例如，可即使在诸如高温、高速度的恶劣操作条件下和爬坡能力条件下维持燃料电池的性能。

已经出于说明性目的描述了本发明的示例性实施例，本领域的技术人员应当理解的是，在不脱离如随附权利要求中所公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (8)

1.一种用于车辆的燃料电池系统，包括：

压缩机，所述压缩机被配置成压缩将被供给到燃料电池堆的空气；

阀，所述阀被安装在从所述压缩机连接到所述燃料电池堆的供气管中；

旁通管，所述旁通管在所述阀处分支并连接到所述燃料电池堆的排气管；以及

控制器，所述控制器被配置成响应于确定将从所述压缩机供给的空气的压力增加到高于喘振曲线上的点的压力，增加从所述压缩机供给的空气的压力，并通过操作所述阀经所述旁通管排出一部分空气。

2.根据权利要求1所述的用于车辆的燃料电池系统，还包括：

加湿器，所述加湿器被安装在所述供气管的所述阀的下游，包括：

供给部，其连接到所述压缩机和所述供气管，以将水分供给到供给空气并将加湿的空气供给到所述燃料电池堆；以及

排气部，其被配置成接收从所述燃料电池堆排出的空气、将来自所接收的空气的水分供给到所述供给部，并将排出的空气排放到排气管。

3.根据权利要求1所述的用于车辆的燃料电池系统，其中所述控制器被配置成，在以空气的调节流量将空气供给到所述燃料电池堆的条件下，响应于确定将压缩空气的目标压力增加到高于所述压缩机的所述喘振曲线上的点的压力，操作所述压缩机，以便以大于调节流量的流量从所述压缩机供给空气，并操作所述阀，以便经所述旁通管排出一部分空气，从而满足被供给到所述燃料电池堆的空气的调节流量和通过所述压缩机压缩的空气的目标压力两者。

4.控制如权利要求1所述的燃料电池系统的方法，包括：

通过控制器比较将被供给到所述燃料电池堆的压缩空气的目标压力和压缩机的喘振曲线的压力；和

当目标压力大于喘振曲线的压力时，通过所述控制器操作所述阀门，经所述旁通管排出一部分空气。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在排出空气期间，增加从所述压缩机供给的空气的流量，使得从所述压缩机供给的空气压力达到目标压力，并且通过以对应于被供给到所述燃料电池堆的空气的控制流量和从所述压缩机供给的空气的流量之间的差的程度打开所述阀，经所述旁通管排出从所述压缩机供给的一部分空气。

6.根据权利要求4所述的方法，还包括：

通过所述控制器计算被供给到所述燃料电池堆的空气的调节流量和被供给到所述燃料电池堆的压缩空气的目标压力，其中在比较期间，将目标压力与极限压力进行比较，该极限压力对应于调节流量下的喘振曲线上的点。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在排出空气期间，当目标压力大于极限压力时，通过操作所述阀经所述旁通管排出空气。

8.根据权利要求6所述的方法，其中在排出空气期间，增大从所述压缩机供给的空气的流量，使得极限压力达到目标压力，以及通过以对应于调节流量和从所述压缩机供给的空气流量之间的差的程度打开所述阀，经所述旁通管排出一部分空气。