CN108206294B - 控制燃料电池系统的驱动的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制燃料电池系统的驱动的方法，包括：判断燃料电池系统是否进入停止对燃料电池组供应空气的怠速停止；在进入怠速停止时通过控制与输出燃料电池组的发电功率的直流‑链路端子连接的直流‑直流转换器的操作，使由直流‑直流转换器控制的直流‑链路端子电压一直降低到第一设定电压；并且在直流‑链路端子的电压降低之后，通过在怠速停止状态中打开氢气清扫阀执行氢气清扫，从而通过允许阳极废气流回到燃料电池组的阴极中，以使燃料电池组的电压降低以还原作为燃料电池的催化剂的铂的氧化物。

Description

控制燃料电池系统的驱动的方法
技术领域
本公开涉及一种控制燃料电池系统的驱动的方法。更具体地，本公开涉及一种控制燃料电池系统的驱动的方法，其在驱动燃料电池系统的同时在洗脱(elution)之前还原通过使铂(其是燃料电池的催化剂)氧化而产生的氧化铂，以恢复催化剂性能、防止铂损失，并且增加燃料电池组的耐久性性能。
背景技术
作为通过使燃料气体和氧化剂气体进行电化学反应而将燃料的化学能转换成电能的发电装置的燃料电池，可广泛地用作工业电源、家用电源和车载电源，甚至用于对小型电器/电子产品和便携装置供电。
目前，作为车载燃料电池，具有高功率密度的质子交换膜燃料电池或者聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)研究得最多。
PEMFC采用氢气作为燃料气体，并且采用氧气或包含氧气的空气作为氧化剂气体。
燃料电池包括多个电池，其通过使燃料气体和氧化剂气体起反应来产生电能并且通常以电池组类型使用，在该电池组类型中，将电池串联地堆叠并装配以满足所需输出水平。
甚至在安装于车辆上的燃料电池的情况中，当需要高输出时，将数百个各自产生电能的电池以电池组类型堆叠以满足这种要求。
在本文中，当描述PEMFC的单元电池构造时，将PEMFC构造为包括：膜电极组件(MEA)，其中，催化剂电极层基于氢离子在其中移动的聚合物电解质膜附接至膜的两侧；气体扩散层(GDL)，其将燃料气体和氧化剂气体作为反应气体供应至MEA并且转移所产生的电能；垫圈和连接机构，其用于保持气密性和反应气体与冷却水的适当的连接压力；以及分离板(双极板(BP))，其使反应气体和冷却水移动。
在本文中，MEA构造为包括：聚合物电解质膜，其能够使氢离子移动；以及阴极和阳极，其作为将催化剂应用于其的电极层，催化剂允许作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的空气(或者氧气)在电解质膜的两个平面上彼此起反应。
将用于均匀地分配燃料气体和氧化剂气体的气体扩散层堆叠在MEA的外部中，即，阴极和阳极的外部，并且BP被定位在气体扩散层的外部中，其提供了反应气体和冷却水通过的流路并且对气体扩散层供应反应气体。
将用于密封流体的垫圈等进行堆叠，以插在构成单元电池的部件之间，并且可在整体地模制至MEA或BP的同时提供垫圈。
通过使用这种构造作为单元电池来堆叠多个电池，然后，使用于支撑电池的端板耦接到最外侧的部分，并且在将电池堆叠并排列在端板之间以构造燃料电池组的同时，通过使用电池组连接机构而将端板和电池连接在一起。
安装在燃料电池车辆上的燃料电池系统包括燃料电池组和用于对燃料电池组供应反应气体的设备。
也就是说，燃料电池系统包括：燃料电池组，其从反应气体的电化学反应产生电能；氢气供应设备，其将氢气作为燃料气体供应至燃料电池组；空气供应设备，其将包含氧气的空气作为氧化剂气体供应至燃料电池组；热量和水管理系统，其控制燃料电池组的驱动温度并且执行热量和水管理功能；以及燃料电池系统控制器，其控制燃料电池系统的整体操作。
在一般的燃料电池系统中，氢气供应设备可包括氢气储存单元(氢气罐)、调节器、氢气压力控制阀、氢气再循环设备，等等，空气供应设备可包括鼓风机或空气压缩机、加湿器，等等，并且热量和水管理系统可包括脱水器(water trap)、电动水泵(冷却水泵)和水箱、散热器，等等。
在这种构造中，在调节器中的预定压力下使从氢气供应设备的氢气罐供应的高压氢气减压，然后，将其供应至燃料电池组，并且在此情况中，根据燃料电池组的驱动条件对减压的氢气进行压力控制，以在控制供应量的同时将该氢气供应至燃料电池组。
在燃料电池组中，将不反应但是仍留下的氢气通过电池组的阳极(氢电极)的出口排出，或者通过氢气再循环设备再循环至电池组的阳极的入口。
氢气再循环设备是一种能够增加氢气供应的可靠性并改进燃料电池的寿命的设备，并且提供多种再循环方法，但是使用排出器的方法、使用鼓风机的方法、使用排出器和鼓风机两者的方法等是已知的。
氢气再循环设备使无法使用的且留在燃料电池组的阳极中的未反应的氢气再次通过再循环管道再循环至电池组的阳极(氢电极)，以促进氢气的重新使用。
在燃料电池中，当通过电池组中的电解质膜流向阳极的包括氮气、水和蒸汽的外来物质增加时，阳极中的氢气的量减小，从而反应效率降低，结果，可通过打开安装在电池组阳极的排气管线上的氢气清扫阀(hydrogen purge valve，氢气净化阀)来执行氢气清扫。
也就是说，将用于氢气清扫的氢气清扫阀安装在位于燃料电池组的阳极的出口处的管道上，以允许将包括氮气、水等的外来物质与电池组的阳极中的氢气一起排出并移除，结果，将阳极中的氢气浓度控制并保持在适当的水平下以增加氢气利用率。
当排出燃料电池组中的外来物质时，存在若干优点，例如，阳极中的适当的氢气浓度的控制、氢气利用率的增加，以及气体扩散度和反应性的改进。
同时，燃料电池组的耐久性寿命是保证燃料电池车辆的可销售性的一个非常重要的要素。
因此，也竞争性地致力于多种用于增加燃料电池组的耐久性寿命(防止电池组劣化)的努力，并且也研究多种导致电池组劣化的原因。
形成其中大部分的一个原因是用作激活电池组中的氧气和氢气的反应的催化剂的铂(Pt)的损失。
当铂的损失在MEA中持续并加速时，氢气和氧气的反应性降低，结果，电池组的性能变差。
当持续驱动燃料电池时，持续地使铂氧化，并且几乎不可能从根本上防止洗脱氧化铂PtO或PtO2的现象，结果，铂消失。
因此，延迟铂的氧化速度，或者在洗脱氧化铂之前再次快速还原氧化铂以延迟铂的损失速度。
重要的是保持激活用于延迟铂的氧化速度并还原铂的对应反应的可能，并基于燃料电池组的电池的电位而将可使铂氧化的电位区域与可还原氧化铂的电位区域在一定程度上区分开。
更详细地，铂的氧化反应或还原反应根据燃料电池组的电池的电位而出现。
例如，在燃料电池组的电池中，铂的氧化反应主要出现在特定电位或更高(例如，0.8V或更高)的氧化段(电压增加方向段)中，铂的还原反应主要出现在0.8V或更低的还原段(例如，0到0.8V，电压减小方向)中。
当应用0.7到1.0V之间的驱动模式时，铂的氧化出现得比铂的还原更频繁，并且当在这种电位范围内继续驱动时，铂损失出现，其中当铂与水(H2O)起反应时，化学溶解出现，从而洗脱铂。
实验上和理论上表明，当电位降低时，还原反应更主动地进行，并且当分析实际驱动车辆的电压分布时，平均电池电压是0.8V或更高的氧化段主要占整个段中的50％或更大，结果，增加电压减小方向(还原段)的频率是非常重要的，以增加将还原氧化铂的可能性，以减少铂的损失。
然而，在现有的燃料电池混合系统中，电池组电压的控制自由度较低，并且电池组电压的主要被驱动的范围将是使铂氧化占主导的现象的电压范围的可能性高，结果，现有的燃料电池混合系统在电池组的耐久性方面非常不利。
在背景技术部分中公开的以上信息只是为了增强本发明的背景技术的理解，因此，其可包含不形成在本国对于本领域普通技术人员来说已经知道的现有技术的信息。
发明内容
本公开已经致力于解决与现有技术相关的上述问题。
因此，本公开提供一种控制燃料电池系统的驱动的方法，其在驱动燃料电池系统的同时在洗脱之前还原通过使铂(其是燃料电池的催化剂)氧化而产生的氧化铂，以恢复催化剂性能、防止铂损失，并且增加燃料电池组的耐久性性能。
在本公开的一个方面中，一种控制燃料电池系统(其中，通过打开氢气清扫阀以通过燃料电池组的阴极出口排出燃料电池组的阳极废气来执行氢气清扫)的驱动的方法，包括：由控制器判断燃料电池系统是否进入停止对燃料电池组供应空气的怠速停止(idlestop)；在进入怠速停止时，由控制器通过控制与输出燃料电池组的发电功率的直流-链路端子(DC-link terminal)连接的直流-直流转换器(DC-DC converter)的操作，使由直流-直流转换器控制的直流-链路端子电压一直降低到第一设定电压；并且在直流-链路端子的电压降低之后，由控制器通过在怠速停止状态中打开氢气清扫阀执行氢气清扫，从而通过允许阳极废气流回到燃料电池组的阴极中，使燃料电池组的电压降低以还原作为燃料电池的催化剂的铂的氧化物。
结果，通过根据本公开的控制燃料电池系统的驱动的方法，由在进入燃料电池系统的怠速停止时执行氢气清扫的方法来减小燃料电池组的电压，以在洗脱之前还原通过使铂(其是燃料电池组的电池的催化剂)氧化而产生的氧化铂。
可仅通过配置控制器中的控制逻辑，来简单地执行本公开的电池组电压减小控制和氧化铂还原过程，不用增加单独的硬件，并且提供以下效果：恢复催化剂性能、防止铂损失，并且增加燃料电池组的耐久性性能。
为了防止由于氢气清扫而增加氢气消耗，在燃料电池系统的正常驱动期间执行氢气清扫时执行缩短并补偿清扫时间的控制，缩短并补偿的清扫时间与怠速停止期间的氢气清扫时间一样多，以在保持与相关技术相同的水平的同时，执行铂还原和电池组电压减小控制，而不增加氢气清扫时间和整体清扫量。
在下文中讨论了本发明的其他方面和实施例。
应理解，术语“车辆”或“车辆的”或者其他如本文使用的类似术语包括一般的机动车辆，例如，包括运动型多用途车(SUV)、公共汽车、货车、多种商用车在内的客运汽车，包括多种船只和船舶在内的水运工具，飞机，等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆及其他替代燃料车辆(例如，来自除了石油以外的资源的燃料)。如本文中提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油驱动和电动驱动的车辆。
在下文中讨论了本公开的以上特征及其他特征。
附图说明
现在将参考在下面仅通过例证给出且由此不限制本公开的附图中举例说明的其某些代表性实施例详细描述本公开的以上特征及其他特征，并且其中：
图1和图2是举例说明了传统燃料电池蓄电池混合系统的高压电网构造的图示；
图3是举例说明了传统燃料电池系统中的怠速停止期间的燃料电池电压的减小模式的图示；
图4是示意性地举例说明了传统燃料电池系统中的空气和氢气的运动路径的图示；
图5是举例说明了比较并示出执行本公开中的氢气清扫和相关技术中的氢气清扫的状态的时序图的图示；
图6是比较并举例说明相关技术和本公开中的怠速停止模式中的电压行为的图示；
图7是举例说明了根据本公开的一个实施例的控制燃料电池系统的驱动的方法的流程图；并且
图8是更详细地举例说明了燃料电池系统的正常驱动和怠速停止期间的氢气清扫过程的流程图。
在图中展示的参考数字包括对如在下面进一步讨论的以下元件的参考。
应理解，附图并非必须是按比例的，提供多种说明本发明的基本原理的特征的稍微简化的描绘。如本文所公开的本公开的具体设计特征，包括例如具体尺寸、方向、位置和形状，将部分地由特殊的预期应用和使用环境决定。
在图中，参考数字在附图的若干张图中指的是本公开的相同或等价的零件。
具体实施方式
现在将在下文中详细参考本公开的多个实施例，其实例在附图中举例说明并在下面进行描述。虽然将结合代表性实施例描述本发明，但是将理解的是，本描述并非旨在将本发明限制于那些代表性实施例。相反，本发明的目的是不仅覆盖代表性实施例，而且覆盖各种可包含在本发明的实质和范围内的替代方式、修改、等价物和其他实施例，如由所附权利要求所定义的。
在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施例，以使得本领域技术人员可简单地实施本公开的实施例。然而，本公开并不限于下述实施例，而是可体现为另一种形式。
在说明书全文中，除非明确地描述为是相反的，否则词语“comprise(包括)”和诸如“comprises(包含)”或“comprising(含有)”的变型将理解为意味着包含所述元件，但并不排除任何其他元件。
本公开已经致力于提供一种控制燃料电池系统的驱动的方法，其在驱动燃料电池系统的同时在洗脱之前还原通过使铂(其是燃料电池的催化剂)氧化而产生的氧化铂，以恢复催化剂性能、防止铂损失，并且增加燃料电池组的耐久性性能。
如已经知道的，聚合物电解质膜燃料电池的单元电池包括膜电极组件(MEA)，其中，催化剂电极层基于作为主要部件的电解质膜附接至膜的两侧，并且附接至膜的两侧的催化剂电极层分别变成阴极电极和阳极电极，对阴极电极供应氧气(空气)，对阳极电极供应燃料气体(氢气)。
铂(Pt)广泛地用作催化剂电极层的催化剂，在驱动燃料电池系统的同时可根据电池电位而使铂(其是一种珍贵的金属催化剂)氧化，并且进一步，可出现铂损失现象，在该现象中洗脱并损失所产生的氧化物PtO或PtO2。
当出现铂的损失时，催化剂性能变差并且电池组的耐久性变差(电池组劣化)，结果，在洗脱氧化铂催化剂颗粒之前必须通过还原氧化铂催化剂颗粒来恢复催化剂性能。
因此，本公开包括一种控制燃料电池的驱动的方法，其在驱动燃料电池系统的同时还原氧化铂。
作为一种用于限制燃料电池组的上限电压的方法，提出了用于延迟铂的氧化速度的方法，但是需要更积极的用于还原已经氧化的铂的驱动控制方法，并且此方法变成一种可改进电池组的耐久性性能的方法。
在驱动燃料电池系统的同时，铂的氧化和还原连续出现，但是氧化和还原反应的出现程度根据其电位而变化。
也就是说，当电位增加时，氧化反应是主导的，而当电位减小时，还原反应是主导的。
因此，电池组电压需要降低到还原反应占主导的电位，以恢复铂的氧化，这在驱动燃料电池系统的同时出现，并且在现有燃料电池混合系统(即，非增压型燃料电池混合系统)的情况中，难以通过将电池组电压降低到预期区域来驱动系统。
即使通过将电池组电压降低到预期区域来驱动系统，这种驱动状态也会变成好像通过降低燃料电池的效率来驱动系统一样的状态，结果，效率可能变差。
因此，必须在不降低燃料电池系统的效率的情况下，通过降低电池组的电压来驱动燃料电池系统，为此，本公开提出这样一种驱动燃料电池系统的方法，其通过间歇地且主动地将电池组电压降低到一定水平来驱动燃料电池系统，以通过使用怠速停止状态暂时停止燃料电池的发电而根据情况还原氧化铂。
因此，在不降低燃料电池系统的驱动效率的情况下，再次还原氧化铂，以防止铂的损失并改进催化剂性能和电池组的耐久性性能。
在下文中，将描述增压型和非增压型燃料电池混合系统以帮助理解本公开内容。
当仅将燃料电池用作车辆的车载燃料电池系统中的功率源(电源)时，由于燃料电池需要负责车辆中的所有负载，所以可能在效率低的驱动区域中驱动燃料电池，结果，在燃料电池的效率低的驱动区域中，性能可能变差。
当对燃料电池施加径向负载时，燃料电池的输出电压立刻快速降低，结果，可能无法对驱动电机供应足够的电功率以驱动车辆，从而使车辆的性能下降。
由于燃料电池通过电化学反应产生电能，所以难以处理快速负载波动，并且由于燃料电池最主要的是具有单向输出特征(仅可放电)，所以在使车辆制动或滑行驾驶中可能无法恢复电机产生的再生能量，结果，系统效率降低。
作为用于补救这些缺点的对策，除了燃料电池(fuel cell)10(其是如图1和图2中举例说明的主要电源)以外，还安装能量储存设备，其是单独的用于对驱动电机30和高压部件40进行驱动(例如，可充电/可放电高压蓄电池(battery)20或超级电容器(supercap))的辅助电源。
图1和图2是举例说明了燃料电池混合系统的高压电网构造的图示，燃料电池混合系统具有作为主要电源的燃料电池10和作为辅助电源的高压蓄电池20。图1举例说明了具有增压器(booster)11的增压型燃料电池混合系统，并且图2举例说明了没有增压器的非增压型燃料电池混合系统。
如在图1和图2中举例说明的，燃料电池10和用于驱动车辆的电机(驱动电机)30通过直流-链路端子12彼此连接，并且高压蓄电池(主电池)20经由用于转换电功率的直流转换设备(即，直流-直流转换器21)连接到直流-链路端子12。
通过使用燃料电池10和高压蓄电池20作为电源(功率源)，使车辆中的高压负载与两个功率源并联地连接到与功率源连接的直流-链路端子12。
作为高压负载，电机30变成用于驱动车辆的驱动源，即，驱动电机30经由换流器(inverter)31连接到直流-链路端子12，并且换流器31将燃料电池10或蓄电池20的直流电流转换成三相交流电流并将该三相交流电流施加至电机30以驱动电机。
在这种构造中，蓄电池20连接到电机30以可充电和放电，结果，在驱动电机时(在驱动模式中)通过直流-直流转换器21从蓄电池供应电机驱动动力，并且在此情况中，换流器31将蓄电池的电功率转换成三相交流功率并将该三相交流功率施加至电机。
当使车辆制动或在滑行驾驶中时，当使电机再生时(在再生模式中)，将由用作发电机的电机30产生的电能通过直流-直流转换器21转移到蓄电池20，以对蓄电池充电。
燃料电池系统的高压驱动部件40(其在驱动燃料电池的同时需要受驱动)，即，诸如鼓风机或再循环风机等的周边设施(BOP，balance of plant)，通过直流-链路端子12连接到变成电源的燃料电池10和蓄电池20。
通过接收燃料电池10的所产生的功率或蓄电池20的充电功率，来驱动BOP 40。
在增压型燃料电池混合系统中，在燃料电池的输出端子上安装增压器11，其转换并控制从燃料电池10输出的电功率，并且在非增压型燃料电池混合系统中，不提供增压器。
两个系统之间的一个差异是燃料电池电压控制的自由度。
也就是说，由于增压型系统可通过使用增压器11来增加燃料电池10的电压，所以即使燃料电池的电压保持得非常低，增压型系统也可保持这样的电压：BOP 40或直流-直流转换器21和用于驱动电机30的换流器31在驱动燃料电池系统的同时可通过该电压正常操作。
然而，在非增压型系统中，由于燃料电池10的电压直接变成BOP 40、直流-直流转换器21、换流器31等的驱动电压，所以燃料电池的电压需要保持在特定电压或更高，以使得能够驱动燃料电池系统。
当BOP、直流-直流转换器、换流器等设计为在低压下受驱动时，使所需电压(电流)规格的区域过宽以导致成本增加，结果，非增压型系统通常以这样的方式构造，即，使得部件仅可在预定电压范围内操作。
在此情况中，存在燃料电池的电压需要保持在特定电压或更高的约束。
因此，增压型系统在燃料电池的电压的驱动自由度方面更有利，即，在电池组的耐久性较少变差的电压下驱动的方面更有利。
在非增压型燃料电池混合系统中，开发出一种可减小可驱动电压以保持电池组的耐久性性能的方法(电压扫描方法)是非常重要的。
在非增压型燃料电池混合系统的情况中，燃料电池的电压(电池组电压)可能不降低到系统可接受的下限(例如，250V)或更低，以保证高压电气部件的可操作性，即，变成燃料电池的电负载的BOP、直流-直流转换器、换流器等的可操作性。
作为电池组电压可降低到系统可接受的下限或更小的独特状态，当车辆停止时，车辆经历下坡行驶(其中车辆在下坡上行驶)，或者所需输出非常小，或者其他燃料电池不需要进行输出，燃料电池可保持在怠速模式的驱动状态中以通过停止驱动空气供应设备来中断空气的供应，即，停止驱动鼓风机或空气压缩机。
在本说明书中，燃料电池驱动状态和这种条件下的模式将共同叫做怠速停止状态和模式。
图3是举例说明了怠速停止期间的燃料电池电压的减小模式的图示。
当燃料电池系统的驱动模式进入怠速停止模式时，不再对燃料电池组供应空气，而且，如在图3中举例说明的，通过直流-直流转换器将直流-链路端子12(其是高压端子)的电压保持在预定水平。
在此情况中，在对高压蓄电池充电的同时，电池组的电压一直降低到由直流-直流转换器控制的电压，然后，当电池组中的空气稀少时，电池组的电压降低到低于由直流-直流转换器控制的电压的电压。
如图3所示，当燃料电池电压在进入怠速停止模式时逐渐降低且长时间过去时，燃料电池可到达一电位以还原铂。
然而，时间可根据电池组的状态而变化，但是需要大约20秒的时间直到电压降低到0.7V或更低为止，在该电压下，激活PtO的还原反应，并且对于激活PtO2的还原的0.4V或更低的电压，需要40秒到1分钟的时间。
在应用非增压燃料电池混合系统的车辆的实际驱动段中，电压一直降低到激活PtO和PtO2的还原的区域的频率不高。
驱动模式频繁达到怠速停止状态的情况可能时而出现，但是存在许多驾驶员在传统驾驶模式的情况中使车辆再加速的情况，结果，实际上是这样的情况：在保持车辆长时间停止之前，通常不会出现电池组电压的降低。
因此，在实际负载所存在的驱动段中电压的积极下降(positive drop)是不可能的情况中，需要积极地使用燃料电池系统的怠速停止状态。
一种用于在怠速停止状态中主动地降低电池组的电压的方法包括1)一种用于将直流-直流控制电压(由直流-直流转换器控制的直流-链路端子电压)一直降低到系统可接受的下限的电压的方法；或者2)一种用于执行氢气清扫的方法。
在此情况中，将直流-直流控制电压一直降低到PtO的还原可主动出现的区域，这在电池组的耐久性方面是有利的。
通过使用氢气清扫来降低电压需要与燃料电池系统构造的特性并行地执行，并且可仅通过增加恢复通过排出氢气所消耗的氢气的量的功能来应用。
结果，本公开提出一种可有效地减小怠速停止中的电池组电压以补偿产生的效率减小的方法，特别是一种可不增加氢气的消耗而仅降低电压的方法。
图4是示意性地举例说明了燃料电池系统中的空气和氢气的运动路径的图示，并且将由氢气供应设备供应的氢气通过排出器8供应至电池组的阳极，并在与通过再循环管道9再循环的阳极废气(即，包含氢气的再循环气体)混合的同时供应至电池组10a的阳极入口歧管4。
同时，使由空气供应设备供应的空气变湿，然后，将其通过电池组10a的阴极入口歧管5供应至电池组的阴极。
在氢气清扫中，使通过电池组10a的阳极出口歧管6排出的阳极废气与通过电池组的阴极出口歧管7排出的阴极废气混合，然后，将其排出至外部。
如已经知道的，为了在驱动燃料电池的同时将电池组10a的阳极中的氢气浓度控制并保持在预定水平或更高，需要在阳极处将气体和水分排出的过程，在该过程中，氢气浓度降低并注入一样多的新的氢气，此处理叫做氢气清扫。
氢气清扫可基于阳极中的氢气浓度的估计而定期执行，或者每当通过对从电池组产生的电流进行积分而获得的电流积分值(current integration value)达到预定参考值时，可执行氢气清扫。
参考图4，在氢气清扫中，从阳极出口排出的气体和水分进入阴极出口歧管7，然后，在与阴极废气混合的同时排出到外部，并且用从电池组10a的阴极排出的空气来稀释包含氢气的阳极废气(清扫气体)，以将用空气稀释的阳极废气排出到外部，同时减小气体中的氢气浓度(阳极废气需要满足排出气体的浓度规则)。
然而，当从电池组10a的阴极发出的空气流是预定量或更大时，通常可用阴极废气来稀释阳极废气，然后将其排出，但是当从阴极发出的空气流小于预定量时，包含氢气的阳极废气可流回到电池组的阴极中。
当这种现象出现时，电池组的电压快速降低，同时在阴极中出现氢气和氧气的直接反应(H2+O2→H2O)。
然而，如果当燃料电池需要正常进行输出时出现这种现象，那么在保持燃料电池的正常输出时可能出现问题。
然而，当在需要降低电池组电压的情况中适当地使用这种现象时，这种现象可明显有助于改进电池组的耐久性(还原氧化铂)。
当在怠速停止模式中对电池组的阴极供应空气停止的同时，当通过使用氢气清扫而将氢气直接注入电池组的阴极时，可使电池组电压在短时间内一直降低到预期区域。
在此情况中，当阴极中的氧气的浓度更稀少时，电压下降效果明显增加。
因此，在本公开中，在怠速停止期间执行使用氢气清扫的电压下降控制，并且电池组的阴极中的氧气(空气)的浓度在一定程度上变得稀少，即，证实电池组电压比预定电压低，然后，使电池组电压降低到出现PtO2的还原的电位或更低的电位。
在此情况中，在电池组的阴极出口关闭空气截止阀3可能更有效，以使电压下降效果最大化，即使是对于较小的氢气清扫量。
然而，当为了降低电池组电压的目的而使用氢气清扫时，可能比现有驱动条件下的氢气损失更多的氢气。
氢气的损失导致系统效率和燃料效率下降，但是氢气清扫的目的是通过将电池组的阳极中的氢气浓度保持在预定水平或更高而允许电池组表现出正常性能，尽管损失氢气，通过必然地执行氢气清扫来将氢气浓度保持在预定水平或更高。
在本公开中，即使在怠速停止期间为了降低电池组电压的目的而执行氢气清扫，增加电池组的阳极中的氢气浓度的效果仍是有效的。
因此，在本公开中，如果在怠速停止期间为了电压下降的目的而执行氢气清扫，那么在达到正常氢气清扫时间点时其可能补偿已经为了电压下降的目的而执行氢气清扫的清扫时间。
也就是说，在燃料电池系统的正常驱动期间，执行用于控制电池组的阳极中的氢气浓度的正常氢气清扫，并且通过缩短时间来执行氢气清扫，直到当在到达正常氢气清扫时间时执行之前的用于电压下降的氢气清扫时为止。因此，可能在保持总氢气清扫时间的同时保持氢气浓度，并且在不必浪费氢气的情况下实现电压下降的目的。
如此，在本公开中，分别执行在怠速停止期间为了电池组电压下降而执行的氢气清扫和正常驱动期间用于控制电池组的阳极中的氢气浓度的正常氢气清扫，并且在正常驱动期间的氢气清扫的期间，可通过缩短时间来执行氢气清扫，直到怠速停止期间用于电压下降的氢气清扫时间为止。
在本文中，在燃料电池系统的正常驱动期间执行的氢气清扫表示一般氢气清扫，其中，在通过打开空气截止阀3而与阴极废气混合的同时将电池组的阳极废气排出到外部。
每当进入怠速停止驱动时，通过执行氢气清扫来降低电压是效率低的。
如果在怠速停止期间执行的清扫次数的数量大于正常驱动期间的氢气清扫操作次数的数量，那么可不执行上述清扫时间缩短的补偿控制，从而可导致不必要的氢气损失。
因此，仅当在特定条件(例如，特定时间或电池组电压条件)下保持怠速停止模式时，可执行使用氢气清扫的电压下降。
图5是举例说明了执行本发明中的氢气清扫和相关技术中的氢气清扫的状态的比较的时序图，众所周知，通过打开安装在电池组阳极排气管线中的氢气清扫阀2来执行氢气清扫，并且可将已知的一般氢气清扫设置为每当通过对在电池组中产生的电流进行积分来获得的电流积分值达到预定电流积分参考值时便执行。
当通过将外来物质(例如存在于电池组的阳极中的氮气、水和水蒸汽)排出到外部而将阳极中的氢气浓度保持在合适的水平的同时，执行这种一般氢气清扫以增强氢气的使用效率。
在本公开中，在中断燃料电池组的空气供应以为了电池组电压下降的目的而执行氢气清扫的怠速停止段中，打开氢气清扫阀2，并且在下一个一般氢气清扫时间点，仅对缩短了并由为了在之前的怠速停止期间已经执行的电压下降的氢气清扫的时间补偿的时间执行氢气清扫。
也就是说，在怠速停止期间执行了用于电压下降的氢气清扫之后，当电流积分值在正常驱动期间达到电流积分参考值以执行正常氢气清扫时，将清扫时间缩短了由之前执行的用于电压下降的氢气清扫时间。
图6是举例说明了相关技术和本发明中的怠速停止模式中的电压行为的比较的图示，其中，V4代表传统怠速停止中的直流-直流控制电压，并且V2代表本发明中的怠速停止期间的直流-直流控制电压。
如在图6中举例说明的，可将V2设置为电位区域中的电压值，在该电位区域中，可在燃料电池中出现PtO的还原反应。
V3代表作为氧化铂的PtO的还原可开始的电位，并且V1代表作为另一氧化铂的PtO2的还原可开始的电位。
V3是PtO的还原正规化的参考电位，并且是在如下所述的实际控制过程中不使用的电压值。
V1是PtO2的还原正规化的参考电位，其是在控制器(在本发明中其可以是燃料电池系统控制器)中预设并输入的电压值，并且用来判断是否执行如下所述的用于电池组电压下降的氢气清扫。
低于V3的电池组电压范围是可出现PtO的还原的电位范围，并且低于V1的电池组电压范围是可出现PtO2的还原的电位范围。
如在图中举例说明的，在本发明中，当燃料电池系统进入怠速停止模式时，将由直流-直流转换器21控制的直流-链路端子电压(即，直流-直流控制电压)设置在比相关技术的水平低的水平，特别地，将直流-直流控制电压设置为一直低到可主动出现PtO的还原的水平。
因此，当燃料电池系统进入实际怠速停止模式时，控制器在停止对燃料电池组供应空气的状态中控制直流-直流转换器21的驱动，以将直流-直流控制电压(直流-链路端子电压)一直减小到可主动地出现PtO的还原的图6的电压V2，从而允许电池组的电压快速地且突然地降低到电压V2。
如此，当电池组的电压降低到设定值V2(其是怠速停止期间的直流-直流控制电压)时，电池组的电压在电池组中的空气变得稀少的同时进一步从V2下降。
然后，在保持燃料电池系统的怠速停止模式且然后停止空气的供应的同时，电池组的电压下降以一直降低到预定电压V1，控制器控制氢气清扫阀2的操作以执行氢气清扫，从而电池组的电压迅速地且快速地下降到可主动地出现PtO2的还原的水平下的电压。
如上所述，在本发明中，当进入燃料电池系统的怠速停止时，控制直流-直流转换器21以将直流-直流控制电压降低到PtO主动还原的区域(电压V2)，从而电池组的电压快速地一直下降到直流-直流控制电压V2以引起PtO的还原反应。
随后，在停止空气供应的同时长时间保持怠速停止状态，并且仅在怠速停止保持时间从当进入怠速停止时的时间开始超过设定时间的条件下，及电池组的电压一直下降到预设值V1(可出现PtO2的还原的电位区域)的条件下，执行氢气清扫，以引起PtO2和PtO的还原更主动地出现。
图7是举例说明了根据本发明的实施例的控制燃料电池系统的驱动的方法的流程图，并且下面将参考图7描述控制过程。
在本发明中，将电池组电压下降和补偿方法主要分成三个过程。
也就是说，根据本发明的控制过程包括：当怠速停止进入可主动地出现PtO的还原的电压时降低直流-直流控制电压(由直流-直流转换器控制的直流-链路端子电压)的过程、当将怠速停止状态保持预定时间且电池组的电压比直流-直流控制电压低预定水平或更大时通过执行预定时间的用于电池组电压降低的氢气清扫而将电池组的电压降低到PtO2的还原可主动出现的电压水平的过程，以及当正常氢气清扫时间到来时仅在通过用预定氢气清扫时间减去用于电池组电压降低的氢气清扫时间来获得的时间内执行氢气清扫的过程。
参考图7，当控制器确认在燃料电池系统的正常驱动期间进入怠速停止模式时(S1)，控制器控制直流-直流转换器21的操作以将由直流-直流转换器21控制的电压(即，直流-直流控制电压)降低到第一设定电压V2的水平(S12和S13)。
接下来，当随着时间推移使得怠速停止保持时间超过第一设定时间T1时，控制器验证怠速停止状态(对电池组的空气供应停止状态)中的电池组电压的下降是否降低到第二设定电压V1或更低(V1＜V2)(S14和S15)。
在本文中，当电池组的电压低于第二设定电压时，控制器关闭安装在电池组的阴极出口侧处的空气截止阀3或者减小打开量(S16)，随后，通过将氢气清扫阀2打开第二设定时间(B秒)，来执行用于电池组电压下降的氢气清扫(S17)。
如此，当执行氢气清扫时，电池组的电压快速地下降以变成PtO2的还原可主动地出现的水平。
然后，释放怠速停止模式并且执行燃料电池系统的正常驱动(S18)，然后当通过对在电池组中产生的电流进行积分来获得的电流积分值达到预定电流积分参考值时，控制器打开氢气清扫阀2以执行正常氢气清扫，从而控制电池组的阳极中的氢气浓度(S19和S20)。
此时，如果正好在预定的一般氢气清扫时间之前执行在怠速停止时用于电池组电压下降的氢气清扫，那么通过打开氢气清扫阀2一段时间(A-B秒)来执行氢气清扫，该一段时间是通过用用于一般氢气清扫的第三设定时间(A秒)减去为了之前的电池组电压下降而执行的氢气清扫时间(作为第二设定时间的B秒)来获得的。
第一设定时间T1是在进入能够执行用于电池组电压下降的氢气清扫的怠速停止之后经历的时间的参考值，并且是在控制器中预设的时间。如上所述，在本发明中，在从当进入怠速停止模式时的时间开始的时间超过T1的条件下，可执行用于电池组电压下降的氢气清扫。
第二设定时间B是在控制器中预设的在怠速停止期间的用于电池组电压下降的氢气清扫期间打开氢气清扫阀2的时间(B＜A)，并且第三设定时间A是在控制器中预设的在正常驱动以控制电池组的阳极中的氢气浓度时在氢气清扫期间打开氢气清扫阀2的时间。
同时，图8是更详细地举例说明了燃料电池系统的正常驱动期间和怠速停止期间的氢气清扫过程的流程图。
图7仅举例说明了这样的基本情况：在燃料电池系统的怠速停止期间执行用于电池组电压下降控制的氢气清扫之后的正常驱动期间的氢气清扫期间缩短并补偿清扫时间。
另一方面，图8举例说明了更详细的控制过程，其包括当在燃料电池系统的正常驱动时执行氢气清扫之前再次满足怠速停止期间的电压下降控制条件时的情况，即，重复地进入和取消怠速停止的情况。
当重复怠速停止的进入和取消并且重复地满足怠速停止期间的电池组电压下降控制条件时，用于电池组电压下降的氢气清扫的执行仅连续出现两次，而用于电池组电压下降的氢气清扫不执行连续三次出现的情况。
在连续出现两次的情况中，首先，执行B秒的氢气清扫，然后执行A-B秒的氢气清扫。
在重置用于电池组电压下降的氢气清扫次数的数量的状态中(在前一个正常氢气清扫之后没有执行用于电池组电压下降的氢气清扫的历史)，当执行正常氢气清扫时在一般设定时间内执行氢气清扫，即，第三设定时间A秒，然而如果正好在氢气清扫之前执行了一次(B秒)用于电池组电压下降的氢气清扫，那么在正常氢气清扫期间执行A-B秒的氢气清扫。
当在燃料电池系统的正常驱动期间需要通过满足氢气清扫条件来执行正常氢气清扫时，如果用于电池组电压下降的氢气清扫已经正好在氢气清扫之前连续执行两次或更多次，那么在即使满足正常驱动期间的氢气清扫条件时，跳过一次正常氢气清扫。
这是因为可能认为，电池组的阳极中的氢气浓度已经由于之前的用于电池组电压下降的氢气清扫而是足够的，跳过一次正常氢气清扫。因此，总氢气清扫时间和清扫量不增加，但是与相关技术相比保持在相同水平，以在保持相同水平下执行电池组电压下降控制。
图8中的步骤S11至S16与图7中描述的步骤相同。
然而，当描述图8中的步骤S17-1至S17-5时，没有燃料电池系统的正常驱动期间的氢气清扫过程，当连续满足怠速停止期间的用于电池组电压下降的氢气清扫条件时，首先(当N＝0时)，执行B秒的氢气清扫(S17-1和S17-2)，然后(当N＝1时)，执行A-B秒的氢气清扫(S17-3和S17-4)。
在满足两次或更多次连续条件的情况中，从第三次开始，不执行氢气清扫(S17-5)。
当描述正常操作燃料电池系统时的氢气清扫过程时，当需要通过满足正常驱动期间的氢气清扫条件来执行氢气清扫时，如果在怠速停止时正好在氢气清扫之前没有执行氢气清扫(N＝0)，那么执行B秒的氢气清扫(S21、S22和S23)。
另一方面，如果在怠速停止时正好在氢气清扫之前执行一次氢气清扫(N＝1)，那么执行A-B秒的氢气清扫(S24和S25)，并且如果在怠速停止时正好在氢气清扫之前执行两次或更多次氢气清扫(N＝1)，那么在正常驱动期间跳过一次氢气清扫，并且重置电流积分值(S26)。
已经参考本发明的实施例详细描述了本发明。然而，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的原理和实质的情况下可在这些实施例中进行变化，本发明的范围在所附权利要求及其等价内容中定义。

Claims (17)

1.一种控制燃料电池系统的驱动的方法，其中，通过打开氢气清扫阀来执行氢气清扫以将燃料电池组的阳极废气通过所述燃料电池组的阴极出口排出，所述方法包括：
由控制器判断所述燃料电池系统是否进入停止对所述燃料电池组供应空气的怠速停止；
当进入所述怠速停止时，由所述控制器通过控制与输出所述燃料电池组的发电功率的直流-链路端子连接的直流-直流转换器的操作，使由所述直流-直流转换器控制的直流-链路端子的电压一直降低到第一设定电压；并且
在所述直流-链路端子的电压降低之后，由所述控制器通过在怠速停止状态中打开所述氢气清扫阀执行氢气清扫，从而通过允许阳极废气流回到所述燃料电池组的阴极中，使所述燃料电池组的电压降低以还原作为燃料电池的催化剂的铂的氧化物。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在降低所述直流-链路端子的电压之后、执行氢气清扫之前，由所述控制器关闭所述燃料电池组的阴极出口处的空气截止阀或者减小所述空气截止阀的打开程度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一设定电压是能够在所述燃料电池组的电池中出现作为铂的氧化物的PtO的还原反应的电位区域中的电压值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制器执行以下步骤：在所述燃料电池系统进入所述怠速停止时，当在所述直流-链路端子的电压下降之后满足确定的燃料电池驱动条件时，执行用于降低所述燃料电池组的电压的氢气清扫。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，确定的燃料电池驱动条件包括这样的条件：从所述燃料电池系统进入所述怠速停止时的时间开始的怠速停止保持时间大于第一设定时间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定的燃料电池驱动条件包括这样的条件：所述燃料电池组的电压降低到第二设定电压或更小，并且
其中，所述第二设定电压小于所述第一设定电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二设定电压是在所述燃料电池组的电池中开始出现作为铂的氧化物的PtO2的还原反应的电压值。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，确定的燃料电池驱动条件包括这样的条件：所述燃料电池组的电压降低到是第二设定电压或更小，
其中，所述第二设定电压小于所述第一设定电压。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述控制器中将所述第二设定电压设置为作为铂的氧化物的PtO2的还原反应开始在所述燃料电池组的电池中出现的电压值。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，将在执行用于降低所述燃料电池组的电压的氢气清扫时打开所述氢气清扫阀的清扫时间设置为第二设定时间。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
由所述控制器在正常驱动期间执行氢气清扫，这允许当在取消所述怠速停止状态且将所述燃料电池系统切换到正常驱动状态之后满足氢气清扫条件时，将所述燃料电池组的阳极废气在与阴极废气混合的同时排出到外部。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述控制器中将所述氢气清扫阀在所述燃料电池系统的正常驱动期间打开时的氢气清扫时间设置为第三设定时间，并且
在取消所述怠速停止状态并将所述燃料电池系统切换到正常驱动状态之后，在正常驱动期间执行一段时间的第一氢气清扫，所述一段时间是通过从所述第三设定时间减去所述第二设定时间来获得。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述控制器执行以下操作：在所述燃料电池系统进入所述怠速停止时，在所述直流-链路端子的电压降低之后，当满足确定的燃料电池驱动条件时执行用于降低电池组电压的氢气清扫；并且在取消所述怠速停止状态并将所述燃料电池系统切换到正常驱动状态之后，当在正常驱动期间执行所述第一氢气清扫时、在之前的怠速停止进入状态中没有执行用于降低电池组电压的氢气清扫的情况下，执行持续所述第三设定时间的氢气清扫。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述控制器打开所述燃料电池组的阴极出口处的空气截止阀，以在正常驱动期间的氢气清扫中将所述燃料电池组的阳极废气在与阴极废气混合的同时排出到外部。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述控制器中将所述氢气清扫阀在所述燃料电池系统的正常驱动期间打开时的氢气清扫时间设置为第三设定时间，并且
当在所述怠速停止状态中连续重复地执行用于降低电池组电压的氢气清扫、而不执行在所述燃料电池系统的正常驱动期间的氢气清扫时，所述控制器执行一段时间的用于第二次电池组电压下降的氢气清扫，所述一段时间是通过从所述第三设定时间减去所述第二设定时间来获得。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述控制器在所述怠速停止状态中连续地执行氢气清扫直到最多两次。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，当在所述怠速停止状态中连续重复地执行用于降低电池组电压的氢气清扫、而不执行在所述燃料电池系统的正常驱动期间的氢气清扫时，在将所述燃料电池系统切换到正常驱动状态时，即使然后满足确定的氢气清扫条件，所述控制器在正常驱动期间跳过一次氢气清扫。
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