CN109216728A - 用于燃料电池系统的氢气供应方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于燃料电池系统的氢气供应方法，用于当使燃料电池系统开始工作时根据燃料电池系统的状态供应氢气，包括以下步骤：(a)测量在使燃料电池系统停止工作之后所经过的直到使燃料电池系统开始工作的停止时间周期，(b)判断自从使燃料电池系统停止工作开始到完成留在燃料电池组中的残余氢气和残余氧气的反应所消耗的反应时间周期是否不大于停止时间周期；以及(c)当在步骤(b)中确定停止时间周期小于反应时间周期时，关闭能够从阳极排出阳极中容纳的气体的清除阀，且同时对阳极供应氢气，使得阳极的内部压力变成预定的第一目标压力。

Description

用于燃料电池系统的氢气供应方法
对相关申请的交叉引证
本申请以2017年7月3日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0084349号为基础并要求其优先权，其全部公开内容通过引证结合于此。
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池系统的氢气供应方法，以用于对燃料电池系统供应氢气。
背景技术
燃料电池一直是燃料电池系统的动力供应源，并且通过氢气和氧气的氧化/还原反应来发电。
从储氢罐向燃料电池组(在下文中叫做“组”)的阳极供应高纯度的氢气，并且将由空气压缩机或其他供应装置供应的大气中的空气引入燃料电池组的阴极。
在阳极中进行氢气的氧化反应以产生氢离子(例如氢核(protons，质子))和电子，并且这样产生的氢离子和电子通过聚合物电解质膜和分离器移动到阴极。进一步，在阴极进行还原反应，从阳极移动的氢离子和电子与由空气供应装置供应的空气中的氧气参与该还原反应，使得产生水且同时产生由于电子流动而导致的电能。
然而，将通过阳极的氢气沿着氢气再循环管线重新供应到阳极，并且使氮气和其他包含在通过阴极的空气中的气体穿过聚合物电解质膜并将其通过聚合物电解质膜引入阳极。因此，当燃料电池系统的操作时间增加时，阳极中的氢气的浓度逐渐减小。
当阳极中的氢气的浓度是70％或更大时，将燃料电池系统的性能保持在最高水平没有困难。然而，如果阳极的氢气的浓度降低到小于70％，那么燃料电池系统的性能变差。为了解决此问题，现有的电池系统执行将通过氢气再循环管线的氢气和其他气体排出到燃料电池系统外部的氢气清除操作，以调节阳极中的氢气的浓度。
进一步，当使燃料电池系统停止工作时，因为燃料电池系统由于残余氢气和残余氧气的反应、氮气和其他气体的穿过、通过阀或其他构件引入外部空气而停止工作，所以阳极中的氢气的浓度根据已经过去的时间周期而变化。然而，当使燃料电池系统开始工作时，现有的燃料电池系统共同执行氢气清除操作，不考虑阳极中的氢气的浓度根据停止时间周期的变化。因此，在现有的燃料电池系统中，氢气的供应压力增加，因为当使燃料电池系统开始工作时执行过度的氢气清除操作，所以排出到燃料电池系统外部的氢气的量增加，从而难以满足废气的氢气浓度的调节。
发明内容
本发明提供一种改进的用于燃料电池系统的氢气供应方法，其可减少当使燃料电池系统开始工作时执行的氢气清除操作。
本发明还提供一种改进的用于燃料电池系统的氢气供应方法，其可减少当使燃料电池系统开始工作时排出到燃料电池系统外部的氢气的量。
本发明还提供一种改进的用于燃料电池系统的氢气供应方法，其可减小当使燃料电池系统开始工作时供应的氢气的压力。
本发明还提供一种改进的用于燃料电池系统的氢气供应方法，其可减小当使燃料电池系统开始工作时排出的废气的氢气浓度。
本发明还提供一种用于控制车辆和车辆系统的自主驾驶的设备和方法，当参考驾驶员的容许颤动在车辆的驾驶过程中计算的驾驶员的预测颤动超过驾驶员的容许颤动时，可通过该设备和方法输出警报。
本发明的技术目的不限于上述技术目的，对于本领域技术人员来说，从以下描述中其他未提到的技术目的将变得显而易见。
根据本发明的一个方面，提供一种用于燃料电池系统的氢气供应方法，以当使燃料电池系统开始工作时根据燃料电池系统的状态供应氢气。氢气供应方法包括以下步骤：(a)测量在使燃料电池系统停止工作之后所经过的直到使燃料电池系统开始工作的停止时间周期，(b)判断自从使燃料电池系统停止工作开始完成留在燃料电池组中的残余氢气和残余氧气的反应所消耗的反应时间周期是否不大于停止时间周期，以及(c)当在步骤(b)中确定停止时间周期小于反应时间周期时，关闭能够从阳极排出阳极中容纳的气体的清除阀，且同时对阳极供应氢气，使得阳极的内部压力变成预定的第一目标压力。
可这样设置预定的第一目标压力，使得阳极中的氢气的浓度变成预定的第一目标浓度。
氢气供应方法在步骤(b)之前可进一步包括步骤(d)，测量阳极的内部压力。
氢气供应方法可进一步包括步骤(e)和(f)，步骤(e)判断在步骤(d)中测量的阳极的内部压力是否小于预定的异常压力，步骤(f)是，当在步骤(e)中确定内部压力不小于预定的异常压力时，打开清除阀且同时对阳极供应氢气，使得阳极的内部压力变成预定的最大容许压力。
氢气供应方法可进一步包括(g)、(h)和(i)，步骤(g)是，当在步骤(e)中确定阳极的内部压力小于预定的异常压力时，判断在使燃料电池系统停止工作之后穿过聚合物电解质膜和阳极及阴极的留在燃料电池组中的残余气体处于压力平衡的穿过时间周期是否不小于停止时间周期，步骤(h)是，当在步骤(g)中确定停止时间周期小于穿过时间周期时，参考在步骤(d)中测量的阳极的内部压力，估计阳极中容纳的气体的排除氢气的剩余气体的分压力，步骤(i)是，关闭清除阀且同时对阳极供应一定量的氢气，该量对应于在步骤(h)中估计的剩余气体的分压力。
(i)可包括(i1)和(i2)，(i1)是参考阳极中容纳的氢气的预定的第二目标浓度和在步骤(h)中估计的剩余气体的分压力，设定阳极的第二目标压力，(i2)是关闭清除阀且同时对阳极供应氢气，使得阳极的内部压力变成第二目标压力。
氢气供应方法可进一步包括(j)、(k)和(l)，(j)是当在步骤(g)中确定停止时间周期是穿过时间周期或更长时，判断当使燃料电池系统停止工作时完成留在阳极中的蒸汽的冷凝所消耗的冷凝时间周期是否是停止时间周期或更长，(k)是当在步骤(j)中确定停止时间周期小于冷凝时间周期时，估计阳极中容纳的气体的剩余气体(排除氢气)的分压力，(l)是关闭清除阀且同时对阳极供应一定量的氢气，该量对应于在步骤(k)中估计的剩余气体的分压力。
步骤(k)可包括，参考在步骤(d)中测量的阳极的内部压力估计剩余气体的分压力。
氢气供应方法在步骤(j)和步骤(k)之间可进一步包括(m)，估计阳极中容纳的蒸汽的量，该蒸汽在停止时间周期过程中已经冷凝，并且步骤(k)可进一步包括，参考在步骤(d)中测量的阳极的内部压力和在步骤(m)中估计的冷凝蒸汽的量，估计剩余气体的分压力。
步骤(m)可包括，参考阳极的内部压力估计冷凝蒸汽的量。
步骤(l)可包括(l1)和(l2)，(l1)是参考阳极中容纳的氢气的预定的第三目标浓度和在步骤(k)中估计的剩余气体的分压力，设置阳极的第三目标压力，(l2)是关闭清除阀且同时对阳极供应氢气，使得阳极的内部压力变成第三目标压力。
氢气供应方法可进一步包括步骤(n)、(o)和(p)，(n)是当在步骤(j)中确定停止时间周期比冷凝时间周期长时，参考在步骤(d)中测量的阳极的内部压力设置阳极的第四目标压力，(o)是判断第四目标压力是否超过预定的最大容许压力，(p)是当在步骤(o)中确定第四目标压力不大于最大容许压力时，关闭清除阀且同时对阳极供应氢气，使得阳极的内部压力变成第四目标压力。
可这样设置第四目标压力，使得阳极的氢气的浓度变成预定的第四目标浓度。
氢气供应方法在步骤(j)和步骤(n)之间可进一步包括(q)，当在步骤(j)中确定停止时间周期比冷凝时间周期长时，判断是否完成蒸汽的冷凝。当在步骤(q)中确定完成蒸汽的冷凝时，可执行步骤(n)，并且当在步骤(q)中确定正在执行蒸汽的冷凝时，可执行步骤(k)。
步骤(q)可包括，判断在步骤(d)中测量的阳极的内部压力是否是预定的冷凝结束压力或更大。
氢气供应方法可进一步包括，当在步骤(o)中确定第四目标压力小于最大容许压力时，打开清除阀且同时对阳极供应氢气，使得阳极的内部压力变成最大容许压力。
附图说明
从结合附图的以下详细描述中，本发明的以上目的、特征和优点及其他目的、特征和优点将更显而易见：
图1是示出了燃料电池系统的示意性构造的说明性视图；
图2是描绘了在使燃料电池系统停止工作之后的阳极的内部压力的变化的形势的曲线图；
图3是描绘了图2的曲线图的第一段到第三段的曲线图；
图4是图示了根据本发明的一个实施例的用于燃料电池系统的氢气供应方法的流程图；
图5是图示了图4的第二模式的流程图；
图6是图示了图4的第三模式的流程图；以及
图7是图示了图4的第四模式的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细地描述本发明的代表性实施例。在说明书中，应注意相同或相似的参考数字表示相同或相似的部件，即使其在不同的图中提供。进一步，在本发明的以下描述中，当结合于此的已知功能和构造的详细描述可能使本发明的主题相当模糊时，将省略该详细描述。
另外，当描述本发明的部件时，可在本文中使用诸如第一、第二、A、B、(a)、(b)等的术语。这些术语仅用来将元件与其他元件区分开，并且元件的实质、顺序、次序和数量不受术语限制。另外，除非以其他方式定义，否则所有本文中使用的术语，包括技术术语或科学术语，都具有与本发明所属领域中的技术人员通常理解的含义相同的含义。在常用字典中定义的术语应解释为具有与相关技术的背景的含义一致的含义，并且不应解释为是理想的或过于正式的含义，除非在本发明的说明书中清楚地定义。
图1是示出了燃料电池系统的示意性构造的说明性视图。
本发明涉及一种用于燃料电池系统的氢气供应方法，用于当使燃料电池系统开始工作时根据燃料电池系统的状态对阳极供应氢气。在下文中，将参考图1描述燃料电池系统的示意性构造。
燃料电池系统1可包括燃料电池组10(在下文中，叫做“组10”)、氢气供应装置20、氢气供应阀30、氢气清除阀40、空气供应装置50、空气供应阀60、加湿器70，以及空气排气阀80。
首先，燃料电池组10可包括聚合物电解质膜11、通过氢气的氧化反应产生氢离子和电子的阳极12，以及通过还原反应产生电能和水的阴极13，从阳极12移动的氢离子和电子与由空气供应装置50供应的空气中的氧气参与该还原反应。
阳极12可包括氢气入口14和氢气出口15，氢气入口14连接到氢气供应管线90，将通过氢气供应管线90的氢气通过氢气入口14引入，氢气出口15连接到氢气再循环管线100，将通过阳极12的氢气通过氢气出口15排出。这里，氢气再循环管线100连接氢气出口15和氢气供应管线90，使得将从阳极12通过氢气出口15排出的氢气再次运送到氢气供应管线90。因此，可将从氢气供应装置供应的氢气和通过氢气再循环管线100再循环的氢气一起通过氢气入口14引入。
阴极13可包括空气入口16和湿空气出口17，空气入口16连接到空气供应管线110，将空气通过空气入口16引入，湿空气出口17连接到湿空气排出管线120，将湿空气通过湿空气出口17排出，使通过阴极13的空气和在阴极13中产生的水在湿空气中混合。这里，空气供应管线110可包括第一空气供应管线112和第二空气供应管线114，第一空气供应管线112与大气空气和加湿器70的空气入口72连通，第二空气供应管线114与加湿器70的空气出口74和阴极13的空气入口16连通。进一步，湿空气排出管线120可包括第一湿空气排出管线122和第二湿空气排出管线124，第一湿空气排出管线122与阴极13的湿空气出口17和加湿器70的湿空气入口76连通，第二湿空气排出管线124与加湿器70的湿空气出口78和外部连通。因此，可将在加湿器70中变湿之后通过第二空气供应管线114的空气通过空气入口16引入，并且可将湿空气通过湿空气出口17排出到第一湿空气排出管线122。
接下来，氢气供应装置20可包括在其中储存氢气的储氢罐22。储氢罐22通过氢气供应管线90连接到阳极12的氢气入口14，并且供应在燃料电池组10中发电所必需的氢气。将从储氢罐供应的氢气在沿着氢气供应管线90流动的同时引入阳极12的氢气入口14。
接下来，氢气供应阀30安装在氢气供应管线90中，并且可通过调节氢气供应阀30的打开度来调节供应到阳极12的氢气的量。
接下来，氢气清除阀40构造为将通过氢气再循环管线100的氢气排出到外部。为了解决此问题，氢气再循环管线100通过氢气清除管线130连接到湿空气排出管线120，并且氢气清除阀40安装在氢气清除管线130中以打开和关闭氢气清除管线130。当满足预定的氢气清除条件时，氢气清除阀40可选择性地打开氢气清除管线130。不特别限制氢气清除条件。例如，氢气清除条件可以是阳极12中的氢气的浓度是否是预定的参考浓度或更小的条件。当通过氢气清除阀40打开氢气清除管线130时，可在通过氢气清除管线130运送到湿空气排出管线120之后，将通过氢气再循环管线100的氢气和其他气体沿着湿空气排出管线120排出到外部。
接下来，空气供应装置50可包括空气压缩机52，其安装在第一空气供应管线112中并构造为泵送并供应大气空气。在沿着第一空气供应管线112流动的同时由加湿器70变湿之后，可在沿着第二空气供应管线114流动的同时，将通过空气压缩机52所供应的空气引入阴极13的空气入口16。
接下来，空气供应阀60安装在第一空气供应管线112中，并且可通过调节空气供应阀30的打开度来调节供应到阴极13的空气的量。
接下来，加湿器70可以是空心纤维加湿器70，其可通过交换由空气压缩机52供应的空气和从阴极13排出的湿空气之间的湿气来使空气变湿。加湿器70可包括：连接到第一空气供应管线112的空气入口72、连接到第二空气供应管线114的空气出口74、连接到第一湿空气排出管线122的湿空气入口76，以及连接到第二湿空气排出管线124的湿空气出口78。在通过空气入口72引入的空气和通过湿空气入口76引入的湿空气之间交换湿气并使空气变湿之后，加湿器70通过空气出口74排出空气，并且通过湿空气出口78排出湿空气。
接下来，空气排气阀80安装在第二湿空气排出管线124中，并且可通过调节空气排气阀80的打开度来调节从湿空气出口17排出的湿空气和从氢气清除管线130运送的氢气及其他气体的排放。
图2是描绘了在使燃料电池系统停止工作之后的阳极的内部压力的变化的形势的曲线图。图3是描绘了图2的曲线图的第一段到第三段的曲线图。这里，图2是描绘了当使燃料电池系统停止工作之后过去相对长时间时阳极12的内部压力Pa的变化的形势的视图。进一步，图3是描绘了在使燃料电池系统停止工作之后过去相对短时间时阳极12的内部压力Pa的变化的形势的视图。
当使燃料电池系统1停止工作时，阳极12的内部压力和阳极12的内部中容纳的气体的成分根据在使燃料电池系统1停止工作之后过去的总停止时间周期Ts而变化。因此，如图2中图示的，可根据燃料电池组10的内部压力Pa和燃料电池组10的内部中容纳的气体的成分，将停止时间周期Ts分成第一段①到第四段④。
例如，如图3中图示的，第一段①可以是使燃料电池系统1停止工作的开始时间点T0和预定反应时间周期Tr的结束时间点之间的燃料电池系统1的总停止时间周期Ts的一段。反应时间周期Tr指的是在使燃料电池系统1停止工作之后完成留在阳极12中的氢气和留在阴极13中的氧气的反应(在下文中，叫做“残余氢气和残余氧气的反应”)所消耗的时间周期。
在相对短的时间内完成残余氢气和残余氧气的反应。因此，当残余氢气和残余氧气的反应进行时，仅出现这样的现象，例如气体穿过聚合物电解质膜11，蒸汽冷凝，以及通过阀60和80及其他构件引入外部空气。
然而，通过残余氢气和残余氧气的反应消耗所有残余氢气并且留下残余氧气，残余氧气可能损坏燃料电池组10。为了获得此效果，通常，调节当使燃料电池系统停止工作时留在燃料电池组中的残余氢气和残余氧气的量，使得由于残余氢气和残余氧气的反应而消耗所有残余氧气并且仅留下残余氢气。
如图3中图示的，因为残余氢气和残余氧气的反应在第一段①是主要的，所以阳极12和阴极13的内部压力Pa快速减小。如果第一段①结束，那么在阳极12中容纳残余氢气的一部分、蒸汽等，并且消耗在阴极13中容纳的所有残余氧气时当使燃料电池系统1停止工作时留下的氮气和其他气体。因此，当第一段①结束时，阳极12的内部压力Pa在燃料电池系统1的总停止时间周期Ts中最低。
例如，如图3中图示的，第二段②可以是上述反应时间周期Tr的结束时间点和预定穿过时间周期To的结束时间点之间的燃料电池系统1的总停止时间周期Ts的一段。穿过时间周期To指的是，通过将未与氧气起反应且留在阳极12中的氢气通过聚合物电解质膜引入阴极13，并且将燃料电池系统1停止工作时留在阴极13中的氮气和其他气体通过聚合物电解质膜11引入阳极12，而使阳极12和阴极13的压力平衡所消耗的时间周期。
通常，在出现蒸汽的冷凝和通过阀60和80及其他构件引入外部空气之前，完成氢气和氮气的穿过。进一步，因为氢气和氮气的穿过所消耗的时间周期比残余氢气和残余氧气彼此反应所消耗的时间周期长，所以氢气和氮气的穿过很少出现在第一段①中。因此，如图3中图示的，因为氢气和氮气的穿过在第二段②中是主要的，所以阳极12的内部压力Pa由于从阴极13引入的氮气的原因而逐渐增加。因为第二段②与第一段①相比相对较长，所以与第一段①中的阳极12的内部压力Pa的减小速度相比，第二段②中的阳极12的内部压力Pa的增加速度相对较慢。如果第二段②结束，那么氢气、氮气和蒸汽主要容纳于阳极12的内部中。
例如，如图3中图示的，第三段③可以是上述穿过时间周期To的结束时间点和预定冷凝周期Tc的结束时间点之间的燃料电池系统1的总停止时间周期Ts的一段。冷凝时间周期Tc指的是使阳极12中容纳的蒸汽冷凝所消耗的时间周期。
通常，在氢气和氮气穿过彼此之后，容纳于阳极12中的蒸汽开始冷凝。这样，在使蒸汽冷凝过程中的时间周期中，可出现将外部空气通过阀60和80及其他构件引入燃料电池组10的现象。然而，在使蒸汽冷凝的同时引入燃料电池组10的外部空气的量比冷凝蒸汽Sc的量小得多。因此，如图3中图示的，因为蒸汽的冷凝在第三段③中是主要的，所以阳极12的内部压力Pa根据蒸汽的冷凝的形势而逐渐减小。因为第三段③与第二段②相比相对较长，所以第三段③中的阳极12的内部压力Pa的减小速度与第二段②中的阳极12的内部压力Pa的增加速度相比相对较慢。如果第三段③结束，那么氢气和氮气主要容纳于阳极12的内部中。
例如，如图2中图示的，第四段④可以是预定冷凝周期Tc的结束时间点之后的燃料电池系统1的总停止时间周期Ts的一段。
通常，当使燃料电池系统1停止工作时，空气供应管线110和湿空气排出管线120分别由空气供应阀60和空气排气阀80关闭。然而，因为在空气供应阀60和空气排气阀80的密封性能中存在预定限制，所以将在燃料电池系统1停止工作时通过空气供应阀60和空气排气阀80的外部空气通过空气供应管线110和空气排出管线120引入阴极13。进一步，这样，将引入阴极13的外部空气的氮气接着通过聚合物电解质膜11引入阳极12。外部空气的引入现象在第一段①至第四段④上连续出现。然而，因为残余氢气和残余氧气的反应、氢气和氮气的穿过、蒸汽的冷凝等在第一段①至第三段③中是主要的，所以外部空气对阳极12的内部压力Pa的变化及阳极12的内部中容纳的气体成分的变化的影响是有限的。同时，因为外部空气的引入在第四段④中是主要的，所以阳极12的内部压力Pa由于从外部通过阀60和80引入氮气的原因而逐渐增加。因此，第四段④中的阳极12的内部压力Pa比第三段③中的阳极12的内部压力Pa高，并且第四段④中的阳极12的氢气的浓度Ca比第三段③中的阳极12的浓度Ca低。
图4是图示了根据本发明的一个实施例的用于燃料电池系统1的氢气供应方法的流程图。
根据本发明的实施例的用于燃料电池系统的氢气供应方法可包括，施加用于使燃料电池系统1开始工作的开始信号(S10)，测量在使燃料电池系统1停止工作之后所经过直到使燃料电池系统1开始工作为止的停止时间周期Ts(S20)，测量阳极12的内部压力Pa(S30)，判断在使燃料电池系统1停止工作之后完成留在燃料电池组10中的残余氢气和残余氧气的反应所消耗的反应时间周期Tr是否大于等于在操作S20中测量的停止时间周期Ts(S40)，并且当在操作S40中确定停止时间周期Ts小于反应时间周期Tr时，根据预定的第一模式对阳极12供应氢气(S50)。
首先，在操作S10中，可判断是否对燃料电池系统1的燃料电池控制单元施加开始信号。不特别限制开始信号。例如，开始信号可以是接通信号、制动踏板关闭信号、油门踏板打开信号，等等。
接下来，在操作S20中，在测量在使燃料电池系统1停止工作之后所经过直到对控制单元施加开始信号为止的时间周期之后，可将所测量的时间周期设置为停止时间周期Ts。
然后，在操作S30中，可通过使用安装在燃料电池组10中的压力传感器(未图示)，来测量阳极12的内部压力Pa。
接下来，在操作S40中，可比较提前储存在控制单元中的反应时间周期Tr和在操作S20中测量的停止时间周期Ts。
然后，在操作S50中，当在操作S40中确定停止时间周期Ts小于反应时间周期Tr时，可根据提前储存在燃料电池系统1的控制单元中的第一模式对阳极12供应氢气。
不特别限制执行第一模式的方法。例如，可通过关闭可从阳极12排出阳极12中容纳的气体的清除阀40，并对阳极12供应氢气使得阳极12的内部压力Pa变成预定的第一目标压力P1，来执行第一模式。
可将第一目标压力P1设置为使得阳极12的氢气的浓度Ca通过供应氢气而变成预定的第一目标浓度。优选地，第一目标浓度是可最佳地保持燃料电池系统1的性能的浓度。例如，第一目标浓度可以是70％。
因为当停止时间周期Ts小于反应时间周期Tr时执行第一模式，所以第一模式中的阳极12的内部压力Pa和阳极12的内部中容纳的气体的成分与第一段①中阳极12的内部压力Pa和阳极12的内部中容纳的气体的成分相同。因此，当执行第一模式时，氢气和蒸汽主要容纳在阳极12的内部中。然后，阳极12中容纳的氢气的量根据在使燃料电池系统1停止工作之后产生的氢气和氧气的反应的形势而变化。因此，阳极12中容纳的氢气的量根据停止时间周期Ts而变化，并且随停止时间周期Ts和反应时间周期Tr变得更接近而减小。
因为当执行第一模式时氢气和氮气的穿过及外部空气的引入很少出现，所以仅由于氢气和氧气的反应的原因而引起的氢气的消耗现象在阳极12的内部是主要的。因此，即使在关闭清除阀40的同时对阳极12供应氢气，在执行第一模式的同时，阳极12的内部压力Pa超过阳极12的预定最大容许压力Pmax的可能性也较低。因此，可在关闭清除阀40的状态中执行第一模式。
在这点上，在关闭清除阀40的同时，控制单元参考在操作S20中测量的阳极12的内部压力Pa，估计由于在使燃料电池系统1停止工作之后发生氢气和氧气的反应的原因而失去的氢气的量及阳极12的氢气的浓度Ca。进一步，在参考已这样估计的失去的氢气的量和阳极12的氢气的浓度设置第一目标压力P1之后，控制单元可通过对阳极12供应氢气，将阳极12的氢气的浓度Ca增加至第一目标浓度，使得阳极12的内部压力Pa变成第一目标压力P1。
图5是图示了图4的第二模式的流程图。
同时，用于燃料电池车辆的氢气供应方法可进一步包括，当在操作S40中确定停止时间周期Ts大于等于反应时间周期Tr时，判断在操作S20中测量的阳极12的内部压力Pa是否是预定的异常压力Pu或者更高(S60)，当在操作S60中确定阳极12的内部压力Pa小于异常压力Pu时，确定在使燃料电池系统1停止工作之后留在燃料电池组10中的残余气体穿过聚合物电解质膜11使得阳极12和阴极13的压力处于平衡状态所需的穿过时间周期To不小于在操作S20中测量的停止时间周期Ts(S70)，并且当在操作S70中确定停止时间周期Ts小于穿过时间周期To时，执行预定的第二模式(S80)。
首先，在操作S60中，可比较在操作S30中测量的阳极12的内部压力Pa和提前储存在控制单元中的异常压力Pu。异常压力Pu指的是用于判断空气供应阀60和空气排气阀80是否正常密封的参考压力。当在操作S30中测量的阳极12的内部压力Pa小于异常压力Pu时，可确定空气供应阀60和空气排气阀80的密封性能是正常的。
接下来，在操作S70中，当在操作S60中确定阳极12的内部压力Pa小于异常压力Pu时，可比较在操作S20中测量的停止时间周期Ts和提前储存在控制单元中的穿过时间周期To。
然后，在操作S80中，当在操作S70中确定停止时间周期Ts小于穿过时间周期To时，可执行提前储存在控制单元中的第二模式。
因为当停止时间周期Ts不小于反应时间周期Tr且小于穿过时间周期To时执行第二模式，所以第二模式中的阳极12的内部压力Pa和阳极12的内部中容纳的气体的成分与第二段②中的阳极12的内部压力Pa和阳极12的内部中容纳的气体的成分相同。因此，当执行第二模式时，氢气、蒸汽和氮气主要容纳在阳极12的内部中。
因为在主要在燃料电池组10的内部中执行氢气和氮气的穿过的同时执行第二模式，所以随着停止时间周期Ts变得更接近穿过时间周期To，阳极12的内部中容纳的氮气的量变得更大，并且随着停止时间周期Ts变得更接近穿过时间周期To，阳极12的氢气的浓度Ca变得更低。因此，当随着停止时间周期Ts变得更接近穿过时间周期To，可估计阳极12的所容纳的气体的剩余气体(除了氢气以外)的分压力Pp变得更高，同时阳极12的氢气的浓度变得更低。在执行氢气和氮气的穿过的同时，阳极12的内部压力Pa根据氢气和氮气的穿过的进行程度而变化。在这点上，在第二模式中，在参考在操作S30中测量的阳极12的内部压力Pa估计阳极12中容纳的气体的剩余气体(除了氢气以外)的分压力Pp之后，可对阳极12供应氢气，使得阳极12的浓度Ca变成适合于保持燃料电池系统1的性能的浓度。
例如，操作S80可包括以下操作：参考在操作S30中测量的阳极12的内部压力Pa而估计阳极12中容纳的气体的剩余气体(除了氢气以外)的分压力Pp(S82)，同时关闭清除阀40并对阳极12供应氢气，供应的量对应于在操作S82中估计的剩余气体的分压力Pp(S84)。
在操作S82中，如等式1中表现的，可通过使用在操作S30中测量的阳极12的内部压力Pa和阳极12的氢气的浓度Ca，来估计阳极12中容纳的气体的剩余气体(除了氢气以外)的浓度。可通过使用当使燃料电池系统1停止工作时留在阳极12和阴极13中的氢气和空气的量、停止时间周期Ts，以及氢气和氮气的穿过速度，来估计阳极12的浓度Ca。
[等式1]
Pp＝Pa-0.01Ca[Pa]
操作S84可包括参考阳极12中容纳的氢气的预定第二目标浓度和在操作S82中估计的剩余气体的分压力Pp来设置阳极12的第二目标压力P2的操作(S86)，以及关闭清除阀40并对阳极12供应氢气使得阳极12的内部压力Pa变成在操作S86中设置的第二目标压力P2的操作(S88)。
在操作S86中，如等式2中表现的，可通过使用在操作S82中估计的剩余气体的分压力Pp和提前储存在控制单元中的第二目标浓度来设置阳极12的第二目标压力P2。优选地，第二目标浓度是可最佳地保持燃料电池系统1的性能的氢气的浓度。例如，第二目标浓度可以是70％。
[等式2]
在操作S88中，可关闭清除阀40并可对阳极12供应氢气，使得阳极12的内部压力Pa变成在操作S86中设置的第二目标压力P2。因为当执行第二模式时很少地将外部空气通过阀60和80及其他构件引入燃料电池组10，所以阳极12的内部压力Pa超过阳极12的最大容许压力Pmax的可能性较低，即使在关闭清除阀40的同时对阳极12供应氢气。因此，可在关闭清除阀40的状态中执行操作S88。根据操作S88，阳极12的内部压力Pa可以是小于最大容许压力的第二目标压力P2，并且阳极12的氢气的浓度可以是可最佳地保持燃料电池系统1的性能的第二目标浓度。
图6是图示了图4的第三模式的流程图。
同时，用于燃料电池系统的氢气供应方法可进一步包括这样的操作：当在操作S70中确定停止时间周期Ts不小于穿过时间周期To时，判断完成阳极12中容纳的蒸汽的冷凝所必需的冷凝时间周期Tc是否不小于在操作S20中测量的停止时间周期Ts(S90)，并且，当在步骤S70中确定停止时间周期Ts小于穿过时间周期To时，执行预定的第三模式(S100)。
首先，在操作S90中，当在操作S70中确定停止时间周期Ts不小于穿过时间周期To时，可比较在操作S20中测量的停止时间周期Ts和提前储存在控制单元中的冷凝时间周期Tc。
然后，在操作S100中，当在操作S90中确定停止时间周期Ts小于冷凝时间周期Tc时，可执行提前储存在控制单元中的第三模式。
因为当停止时间周期Ts不小于穿过时间周期To且小于冷凝时间周期Tc时执行第三模式，所以第三模式中的阳极12的内部压力Pa和阳极12的内部中容纳的气体的成分与第三段③中的阳极12的内部压力Pa和阳极12的内部中容纳的气体的成分相同。
因为在蒸汽的冷凝在燃料电池组10的内部中是主要的时执行第三模式，所以随着停止时间周期Ts变得更接近冷凝时间周期Tc，保持阳极12的内部中容纳的氮气的量且阳极12的内部中容纳的蒸汽的量变得更小。因此，随着停止时间周期Ts变得更接近冷凝时间周期Tc，可估计阳极12的所容纳的气体的剩余气体(除了氢气以外)的分压力Pp变得更低，同时阳极12的氢气的浓度变得更高。这样，当蒸汽的浓度升高时，阳极12的内部压力Pa根据蒸汽的冷凝进行程度而变化。在这点上，在第三模式中，在操作S30中测量的阳极12的内部压力Pa和在操作S20中测量的停止时间周期Ts过程中冷凝的蒸汽的量Sc之后，可对阳极12供应氢气，使得阳极12的浓度Ca变成适合于保持燃料电池系统1的性能的浓度。
例如，操作S100可包括估计在操作S20中测量的停止时间周期Ts过程中冷凝的蒸汽的量Sc的操作(S101)，参考在操作S30中测量的阳极12的内部压力Pa和在操作S101中估计的冷凝蒸汽的量Sc来估计阳极12中容纳的气体的剩余气体(除了氢气以外)的分压力Pp的操作(S103)，以及供应氢气的操作，供应的量对应于在操作S103中估计的剩余气体的分压力Pp(S105)。
在操作S101中，可参考通过安装在燃料电池组10中的温度传感器(未图示)测量的阳极12的内部温度估计冷凝蒸汽的量Sc。通常，随着蒸汽的量Sc在大气压力变得更低时增加，可参考阳极12的内部温度估计冷凝蒸汽的量Sc。
在操作S103中，如等式3中表现的，可通过使用在操作S30中测量的阳极12的内部压力Pa和阳极12的氢气的浓度Ca，来估计阳极12中容纳的气体的剩余气体(除了氢气以外)的分压力Pp。可通过使用当使燃料电池系统1停止工作时留在阳极12和阴极13中的氢气和空气的量、停止时间周期Ts，以及在操作S101中估计的冷凝蒸汽的量Sc，来估计阳极12的浓度Ca。
[等式3]
Pp＝Pa-0.01Ca[Pa]
操作S105可包括参考阳极12中容纳的氢气的预定的第三目标浓度和在操作S103中估计的剩余气体的分压力Pp而设置阳极12的第三目标压力P3的操作(S107)，以及关闭清除阀40并对阳极12供应氢气使得阳极12的内部压力Pa变成在操作S107中设置的第三目标压力P3的操作(S109)。
在操作S107中，如等式4中表现的，可通过使用在操作S103中估计的剩余气体的分压力Pp和提前储存在控制单元中的第三目标浓度，来设置阳极12的第三目标压力P3。优选地，第三目标浓度是可最佳地保持燃料电池系统1的性能的氢气的浓度。例如，第三目标浓度可以是70％。
[等式4]
在操作S109中，可关闭清除阀40并可对阳极12供应氢气，使得阳极12的内部压力Pa变成在操作S107中设置的第三目标压力P3。因为当执行第三模式时很少将外部空气通过阀60和80及其他构件引入燃料电池组10，所以阳极12的内部压力Pa超过阳极12的最大容许压力Pmax的可能性较低，即使在关闭清除阀40的同时对阳极12供应氢气。因此，可在关闭清除阀40的状态中执行操作S109。根据操作S109，阳极12的内部压力Pa可以是小于最大容许压力的第三目标压力P3，并且阳极12的氢气的浓度可以是可最佳地保持燃料电池系统1的性能的第三目标浓度。
图7是图示了图4的第四模式的流程图。
同时，用于燃料电池系统的氢气供应方法可进一步包括这样的操作，当在操作S90中确定停止时间周期Ts不小于冷凝时间周期Tc时，执行预定的第四模式(S110)。
因为当停止时间周期Ts不小于冷凝时间周期Tc时执行第四模式，所以第四模式中的阳极12的内部压力Pa和阳极12的内部中容纳的气体的成分与第四段④中的阳极12的内部压力Pa和阳极12的内部中容纳的气体的成分相同。
因为在通过阀60和80及气体构件引入外部空气是主要的时执行第四模式，所以随着停止时间周期Ts变得更长而阳极12的内部压力Pa增加，且随着停止时间周期Ts变得更长时阳极12的浓度Ca减小。在这点上，可通过根据由于外部空气的引入而带来的阳极的内部压力Pa的增加度而调节清除阀40的打开/关闭和供应至阳极12的氢气的量，来执行第四模式。
例如，操作S110可包括以下操作：当在操作S111中确定完成蒸汽的冷凝时判断蒸汽的冷凝是否完成(S111)，参考在操作S30中估计的内部压力Pa设置第四目标压力P4(S112)，判断在操作S112中设置的第四目标压力P4是否超过阳极12的最大容许压力Pmax(S113)，当在操作S112中确定第四目标压力P4不大于最大容许压力Pmax时，关闭清除阀40并对阳极12供应氢气，使得阳极12的内部压力Pa变成第四目标压力P4，并且当在操作S113中确定第四目标压力P4大于最大容许压力Pmax时，关闭清除阀40并对阳极12供应氢气，使得阳极12的内部压力Pa变成最大容许压力Pmax(S114)。
在操作S111中，可判断在操作S30中测量的内部压力Pa是否不小于阳极12的预定的冷凝结束压力Pc。这里，冷凝结束压力Pc是当完成阳极12中容纳的蒸汽的冷凝时的阳极12的内部压力Pa，并且优选地，冷凝结束压力Pc是当完成第三段③时的阳极12的内部压力Pa。
当蒸汽的冷凝尚未完成时，即使在操作S90中确定停止时间周期Ts不小于冷凝时间周期Tc，蒸汽在阳极12中的冷凝也是主要的，直到完成蒸汽的冷凝为止。因此，当在操作S111中确定阳极12的内部压力Pa小于冷凝结束压力Pc时，可通过确定蒸汽的冷凝尚未完成来执行上述第三模式的操作(S100)。
在操作S112中，当在操作S111中确定阳极12的内部压力Pa不小于冷凝结束压力Pc时，可参考在操作S30中测量的阳极12的内部压力Pa来设置第四目标压力P4。通过使用阳极12的内部压力Pa，可估计阳极12中容纳的气体的剩余气体(除了氢气以外)的分压力Pp。可参考剩余气体的分压力Pp设置第四目标压力P4，使得阳极12的氢气的浓度Ca通过对阳极12供应氢气而变成预定的第四目标浓度。优选地，第四目标浓度是可最佳地保持燃料电池系统4的性能的氢气的浓度。例如，第四目标浓度可以是70％。
在操作S113中，可将在操作S112中设置的阳极12的第四目标压力P4与阳极12的最大容许压力Pmax进行比较。
在操作S114中，在关闭清除阀40的同时可对阳极12供应氢气，使得阳极12的内部压力Pa变成在操作S112中设置的第四目标压力P4。当阳极12的第四目标压力P4不大于阳极12的最大容许压力Pmax时，阳极12的耐久性不会变弱，即使对阳极12供应氢气使得阳极12的氢气的浓度Ca足够高以最佳地保持燃料电池系统1的性能。因此，可在关闭清除阀40的状态中执行操作S114。根据操作S114，阳极12的内部压力Pa可以是小于最大容许压力Pmax的第四目标压力P4，并且阳极12的氢气的浓度可以是可最佳地保持燃料电池系统1的性能的第四目标浓度。
在操作S115中，可在打开清除阀40的同时对阳极12供应氢气，使得阳极12的内部压力Pa变成最大容许压力Pmax。当阳极12的第四目标压力P4超过阳极12的最大容许压力Pmax时，如果对阳极12供应氢气使得阳极12的内部压力Pa变成第四目标压力P4，那么可使阳极12的耐久性变弱。因此，在打开清除阀40的同时，可在阳极12的内部压力Pa增加到最大容许压力Pmax且阳极12的氢气的浓度Ca增加到最大的状态中，执行操作S114。根据操作S115，可不妨碍阳极12的耐久性地最佳地调节阳极12的氢气的内部压力Pa和浓度Ca。
同时，用于燃料电池系统的氢气供应方法可进一步包括这样的操作，当在操作S60中确定阳极12的内部压力Pa超过预定的异常压力Pu时，打开清除阀40并对阳极12供应氢气，使得阳极12的内部压力Pa变成最大容许压力Pmax(S120)。
当在操作S60中确定阳极12的内部压力Pa不小于异常压力Pu时，阀60和80中的至少一个的密封性能可能变得异常，使得很可能将外部空气通过阀60和80中的至少一个快速地引入阳极12。因此，在打开清除阀40的同时，可在阳极12的内部压力Pa增加到最大容许压力Pmax且阳极12的氢气的浓度Ca增加到最大的状态中，执行操作S120。根据操作S120，可不妨碍阳极12的耐久性地最佳地调节阳极12的内部压力Pa和阳极12的氢气的浓度Ca。
在用于燃料电池系统的氢气供应方法中，因为在当使燃料电池系统1开始工作时对阳极12供应氢气的同时，仅当阳极12的内部压力可能超过最大容许压力Pmax时选择性地清除氢气，所以可将当使燃料电池系统1开始工作时清除氢气的频率减到最小。通过这样做，根据用于燃料电池系统的氢气供应方法，可将当使燃料电池系统1开始工作时通过清除氢气而排出到外部的氢气的量减到最小，可将当使燃料电池系统1开始工作时对阳极12供应的氢气的压力减到最小，并且可将当使燃料电池系统1开始工作时排出到外部的废气的氢气的浓度减到最小。
根据本发明的用于燃料电池系统的氢气供应方法具有以下效果。
首先，根据本发明，因为在当使燃料电池系统开始工作时对阳极供应氢气的同时，仅当阳极的内部压力可超过最大容许压力时选择性地清除氢气，所以可将当使燃料电池系统开始工作时清除氢气的频率减到最小。
其次，可将当使燃料电池系统开始工作时通过清除氢气而排出到外部的氢气的量减到最小。
第三，可将当使燃料电池系统开始工作时对阳极供应的氢气的压力减到最小。
第四，可将当使燃料电池系统开始工作时排出到外部的废气的氢气的浓度减到最小。
以上描述是本发明的技术实质的简单例证，在不脱离本发明的本质特征的情况下，本发明所属领域中的技术人员可对本发明进行各种校正和修改。
因此，本发明的所公开的实施例不限制本发明的技术实质，而是说明性的，并且本发明的技术实质的范围不受本发明的实施例限制。本发明的范围应由权利要求书解释，并且将理解，等价范围内的所有技术实质落在本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种用于燃料电池系统的氢气供应方法，用于当使所述燃料电池系统开始工作时根据所述燃料电池系统的状态供应氢气，所述氢气供应方法包括以下步骤：
步骤(a)，测量在使所述燃料电池系统停止工作之后所经过直到使所述燃料电池系统开始工作为止的停止时间周期；
步骤(b)，判断自所述燃料电池系统停止工作开始至完成留在燃料电池组中的残余氢气和残余氧气的反应所消耗的反应时间周期是否不大于所述停止时间周期；以及
步骤(c)，当在步骤(b)中确定所述停止时间周期小于所述反应时间周期时，关闭能够从阳极排出所述阳极中容纳的气体的清除阀，且同时对所述阳极供应氢气，使得所述阳极的内部压力变成预定的第一目标压力。
2.根据权利要求1所述的氢气供应方法，其中，所述预定的第一目标压力设置成，使得所述阳极中的氢气浓度变成预定的第一目标浓度。
3.根据权利要求1所述的氢气供应方法，进一步包括以下步骤：
步骤(d)，在步骤(b)之前，测量所述阳极的内部压力。
4.根据权利要求3所述的氢气供应方法，进一步包括以下步骤：
步骤(e)，判断在步骤(d)中测量的所述阳极的内部压力是否小于预定的异常压力；以及
步骤(f)，当在步骤(e)中确定所述内部压力不小于所述预定的异常压力时，打开所述清除阀且同时对所述阳极供应氢气，使得所述阳极的内部压力变成预定的最大容许压力。
5.根据权利要求3所述的氢气供应方法，进一步包括：
步骤(g)，当在步骤(e)中确定所述阳极的内部压力小于所述预定的异常压力时，判断在使所述燃料电池系统停止工作之后穿过聚合物电解质膜和所述阳极及阴极的留在所述燃料电池组中的残余气体处于压力平衡的穿过时间周期是否不小于所述停止时间周期；
步骤(h)，当在步骤(g)中确定所述停止时间周期小于所述穿过时间周期时，参考在步骤(d)中测量的所述阳极的内部压力，估计所述阳极中所容纳气体的除氢气外剩余气体的分压力；以及
步骤(i)，关闭所述清除阀且同时对所述阳极供应一氢气的量，该量对应于在步骤(h)中估计的剩余气体的分压力。
6.根据权利要求5所述的氢气供应方法，其中，步骤(i)包括：
步骤(i1)，参考所述阳极中容纳的氢气的预定的第二目标浓度和在步骤(h)中估计的剩余气体的分压力，设置所述阳极的第二目标压力；以及
步骤(i2)，关闭所述清除阀且同时对所述阳极供应氢气，使得所述阳极的内部压力变成所述第二目标压力。
7.根据权利要求6所述的氢气供应方法，进一步包括：
步骤(j)，当在步骤(g)中确定所述停止时间周期不小于所述穿过时间周期，判断当使所述燃料电池系统停止工作时完成留在所述阳极中的蒸汽的冷凝所消耗的冷凝时间周期是否不小于所述停止时间周期；
步骤(k)，当在步骤(j)中确定所述停止时间周期小于所述冷凝时间周期时，估计所述阳极中所容纳气体除氢气外的剩余气体的分压力；以及
步骤(l)，关闭所述清除阀且同时对所述阳极供应一氢气的量，该量对应于在步骤(k)中估计的剩余气体的分压力。
8.根据权利要求7所述的氢气供应方法，其中，步骤(k)包括：
参考在步骤(d)中测量的所述阳极的内部压力而估计剩余气体的分压力。
9.根据权利要求8所述的氢气供应方法，进一步包括：
步骤(m)，在步骤(j)和步骤(k)之间，估计所述阳极中容纳的蒸汽的量，该蒸汽在所述停止时间周期过程中已经冷凝，
其中，步骤(k)进一步包括：
参考在步骤(d)中测量的所述阳极的内部压力和在步骤(m)中估计的冷凝蒸汽的量，估计剩余气体的分压力。
10.根据权利要求9所述的氢气供应方法，其中，步骤(m)包括：
参考所述阳极的内部压力而估计冷凝蒸汽的量。
11.根据权利要求7所述的氢气供应方法，其中，步骤(l)包括：
步骤(l1)，参考所述阳极中容纳的氢气的预定的第三目标浓度和在步骤(k)中估计的剩余气体的分压力，设置所述阳极的第三目标压力；以及
步骤(l2)，关闭所述清除阀且同时对所述阳极供应氢气，使得所述阳极的内部压力变成所述第三目标压力。
12.根据权利要求7所述的氢气供应方法，进一步包括：
步骤(n)，当在步骤(j)中确定所述停止时间周期比所述冷凝时间周期长时，参考在步骤(d)中测量的所述阳极的内部压力设置所述阳极的第四目标压力；
步骤(o)，判断所述第四目标压力是否超过预定的最大容许压力；以及
步骤(p)，当在步骤(o)中确定所述第四目标压力不大于所述最大容许压力时，关闭所述清除阀且同时对所述阳极供应氢气，使得所述阳极的内部压力变成所述第四目标压力。
13.根据权利要求12所述的氢气供应方法，其中，所述第四目标压力设置成，使得所述阳极的氢气的浓度变成预定的第四目标浓度。
14.根据权利要求12所述的氢气供应方法，进一步包括：
步骤(q)，在步骤(j)和步骤(n)之间，当在步骤(j)中确定所述停止时间周期比所述冷凝时间周期长时，判断是否完成了蒸汽的冷凝，
其中，当在步骤(q)中确定完成了蒸汽的冷凝时，执行步骤(n)，并且
当在步骤(q)中确定正在执行蒸汽的冷凝时，执行步骤(k)。
15.根据权利要求14所述的氢气供应方法，其中，步骤(q)包括：
判断在步骤(d)中测量的所述阳极的内部压力是否不小于预定的冷凝结束压力。
16.根据权利要求12所述的氢气供应方法，进一步包括：
当在步骤(o)中确定所述第四目标压力小于所述最大容许压力时，打开所述清除阀且同时对所述阳极供应氢气，使得所述阳极的内部压力变成所述最大容许压力。
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