CN109428095B - 控制燃料电池的氢气清除的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制燃料电池的氢气清除的方法和系统。所述方法包括计算氢气供应量和估算氢气消耗量。然后当计算的氢气供应量和估算的氢气使用量之间的差值大于预定阈值时，校正估算的氢气浓度。

Description

控制燃料电池的氢气清除的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于控制燃料电池的氢气清除的方法和系统，并且更具体地涉及通过估算燃料电池的氢气再循环线路中的氢气浓度来控制氢气清除的方法和系统。
背景技术
通常，燃料电池通过分别由氢气供应装置和空气供应装置供应的氢气和氧气之间的氧化还原反应将化学能转化为电能，并且包括产生电能的燃料电池堆和冷却燃料电池堆的冷却系统。换言之，将氢气供应至燃料电池堆的阳极侧，并且在阳极，氢气发生氧化反应以产生质子和电子。产生的质子和电子分别通过电解质膜和隔膜从阳极流向阴极。在阴极处，从阳极中得到的质子和电子参与和空气中的氧气的电化学反应，形成水。这种电子的流动产生电能。
其中，供应给燃料电池堆的阳极侧的氢气应保持在适当的氢气浓度水平，这需要氢气再循环线路中的氢气清除控制。氢气清除控制通常通过响应于氢气浓度的实时估算而维持适当的氢气浓度来进行。然而，由于用于估算氢气浓度的参数是基于初始状态的默认值，因此未被校正，而如果不校正的话，所述参数不能反映所有随燃料电池堆劣化而变化的情况。
图1是表示根据现有技术的随着燃料电池堆劣化的氢气消耗量的曲线图。参考图1，分别描绘了燃料电池膜电极组件(MEA)中健康膜和劣化膜的氢气消耗曲线。如曲线图所示，与健康膜相比，燃料电池堆的劣化膜随着堆的劣化而变薄，由此增加了通过MEA的交换(crossover)，结果加速了氢气的消耗速率。
因此，随着燃料电池MEA的膜劣化，在用于氢气浓度估算的氢气消耗量与在燃料电池中消耗的实际消耗的氢气量之间出现实质差异。换言之，当估算氢气浓度而不考虑随着燃料电池MEA膜的劣化而交换增加的现象时，不能保持适当的氢气浓度。因此，在向其中供应低浓度的氢气的情况下操作燃料电池时，劣化得到进一步加速。
应理解，背景技术的前述描述仅仅是为了促进对本发明的背景的理解，而不应被理解为承认现有技术是本领域技术人员已知的。
发明内容
本发明提供了一种用于控制氢气清除的方法和系统，其中对用于估算供应至燃料电池的氢气浓度的扩散参数进行校正，以防止燃料电池在低氢气浓度下操作。
根据本发明的方面，一种通过估算氢气浓度来控制燃料电池的氢气清除的方法可以包括：计算氢气供应量；估算氢气消耗量；以及当计算的氢气供应量与估算的氢气使用量之间的差值大于预定的阈值时，校正估算的氢气浓度。
氢气浓度可以基于根据燃料电池中发生的交换的扩散方程来估算。氢气供应量的计算可以基于氢气储存系统中的储存量来执行。氢气储存系统中的储存量可以基于氢气罐中的压力和温度来计算。此外，可以在第一储存量和第二储存量之间时间段内分别进行氢气供应量的计算和氢气消耗量的估算，以计算氢气供应量并估算的氢气消耗量，所述第一储存量和第二储存量都是在氢气储存系统中预先建立的。
氢气消耗量的估算可以通过对在燃料电池中反应的氢气的量、氢气交换的量，以及通过氢气清除排出的氢气的量进行求和来进行。在燃料电池中反应的氢气的量可以基于燃料电池产生的电流来估算。氢气交换的量可以基于扩散方程进行估算。扩散方程可以使用以下公式：
以及
其中，所用的符号如下：氮气交换率；/>氢气交换率；P：压力，[kPa]；R：气体常数，8.314[J/mol/K]；T：温度，[K]；D：扩散系数；A：催化剂面积；以及δ：扩散距离。
可以基于氢气供应线路的压力与外部压力之间的差值以及估算的氢气浓度来估算通过氢气清除所排放的氢气的量。可以对估算的氢气浓度进行校正以校正根据交换的扩散方程的扩散系数。随着计算的氢气供应量和估算的氢气使用量之间的差值增大，可以校正根据交换的扩散方程的扩散系数以进一步增大。
根据本发明的另一方面，根据本发明的用于控制燃料电池的氢气清除的系统可以包括：氢气清除阀和控制器；氢气清除阀设置在氢气再循环线路中；所述控制器配置为通过估算氢气浓度来操作氢气清除阀，其中所述控制器可以配置为计算氢气供应量、估算氢气消耗量，并且当计算的氢气供应量与估算的氢气使用量之间的差值大于预定的阈值时，校正估算的氢气浓度。
根据本发明的用于燃料电池的氢气清除控制，即使当燃料电池堆劣化时，也可以更精确地预测供应至燃料电池的氢气浓度。此外，根据本发明的氢气清除控制可以防止燃料电池以低浓度供应的氢气进行操作，并因此防止了以加速模式进行劣化，由此可以改善燃料电池的耐久性。
附图说明
通过随后结合附图所呈现的详细描述，将会更清楚地理解本发明的上述和其它方面、特征以及优点，在这些附图中：
图1是表示根据现有技术的随着燃料电池堆的劣化的氢气消耗量的曲线图；
图2为显示根据本发明的示例性实施方案的用于控制燃料电池的氢气清除的方法的流程图；
图3示出了根据本发明的示例性实施方案的氢气储存量相对于燃料电池氢气罐中的压力和温度的图；以及
图4为显示根据本发明的示例性实施方案的用于控制燃料电池的氢气清除的系统的构造图。
具体实施方式
应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢气动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
尽管示例性实施方案被描述为使用多个单元来进行示例性过程，但是应理解，示例性过程也可以由一个或多个模块来进行。此外，应理解术语控制器/控制单元是指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置为存储模块，而处理器具体配置为运行所述模块以进行以下进一步描述的一个或更多个处理。
本文所使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的，并不旨在限制本发明。除非上下文中另外明确指出，如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“这个”旨在也包括复数形式。应当进一步了解，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一种或更多种其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个列出的相关项目的任意和全部组合。
除非特别指出或明显区别于上下文，如本文中所用的，术语“约”理解为在本领域内的正常公差的范围内，例如均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文明确说明，本文所提供的所有数值通过术语“约”进行修改。
说明书或申请中公开的本发明实施方案的具体结构或功能描述仅仅是为了描述根据本发明的实施方案的目的。因此，根据本发明的示例性实施方案可以以各种形式来实现，并且本发明不应被解释为限于说明书或申请中所描述的实施方案。
可以对根据本发明的示例性实施方案进行各种改变和修改，因此将在附图中说明并且将在说明书或申请中描述具体实施方案。然而，应理解的是，根据本发明的概念的示例性实施方案不限于具体公开的实施方案，而是本发明包括落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替换。尽管可以使用诸如第一、第二等的术语“序数”来描述各种元件，但是这些元件不应该由术语来限定。这些术语仅用于区分一个元件与另一元件，因此第一元件可以被称为第二元件，而第二元件可以被类似地称为第一元件，而不偏离根据本发明的概念的保护范围。
在元件被称为“连接”或“接入”到其他元件的情况下，应理解，元件不仅直接连接或接入其他元件，而且在其间还可以存在另一个元件。同时，在组件被称为“直接连接”或“直接接入”到其他组件的情况下，应理解的是在其间没有组件。描述结构元件(即“之间”和“仅仅在...之间”或“相邻”和“直接相邻”)之间的关系的其它表述应该类似于以上描述来解释。
在本说明书中，除非有不同的定义，否则本文所使用的包括技术术语或科学术语的所有术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。应该解释的是，与常用字典中所定义的术语相同的术语具有与相关技术的背景下相同的含义。除非没有明确的定义，否则这些术语不应被理想地或过度地解释为具有正式的含义。
下面将参考附图对本发明的示例性实施方案进行详细描述。在附图中表示的类似的附图标记表示相似的元件。
图2为显示根据本发明的示例性实施方案的用于控制燃料电池的氢气清除的方法的流程图。下文描述的方法可以由具有处理器和存储器的控制器来执行。参考图2，根据本发明的示例性实施方案的通过估算氢气浓度来控制燃料电池的氢气清除的方法可以包括：计算氢气供应量(S400)；估算氢气消耗量(S500)；以及当计算的氢气供应量与估算的氢气使用量之间的差值大于预定阈值(S700)时，校正估算的氢气浓度(S800)。
对于氢气清除，可以估算氢气浓度，并且可以打开或关闭氢气清除阀以将估算的氢气浓度调节到预定范围内。特别地，可以操作清除阀以在估算的氢气浓度值小于下限的情况下打开，并且在估算的氢气浓度值大于上限的情况下关闭。燃料电池的氢气浓度可以基于各个气体的交换水平、清除量等来估算。如本文所使用的，术语“交换”是指在燃料电池堆中通过膜从氢气电极到氧气电极或反之亦然的气体扩散。
换言之，可以使用来自设置在氢气供应系统和空气供应系统中的传感器的信息来估算要提供给氢气电极的氢气浓度。这种用于估算氢气浓度的技术是众所周知的，因此将省略其详细描述。可以根据在燃料电池中发生的交换的扩散方程来估算该氢气浓度。在一个示例性实施方案中，扩散方程可以使用下列公式：
以及
其中所用的符号如下：氮气交换率；/>氢气交换率；P：压力，[kPa]；R：气体常数，8.314[J/mol/K]；T：温度，[K]；D：扩散系数；A：催化剂面积；以及δ：扩散距离。上述方程中使用的扩散系数D是早期默认的参数，因此不能够反映燃料电池堆劣化，使膜变薄，从而增加扩散速率。因此，在本发明中，扩散系数可以根据燃料电池堆的劣化而进行校正。
在氢气供应量的计算(S400)中，可以计算从氢气储存系统到燃料电池的氢气供应量。氢气储存系统可以包括氢气罐等。具体地，氢气供应量可以基于氢气储存系统中的储存量来进行计算。换言之，在氢气储存系统中储存的氢气量的变化可以计算为氢气供应量。氢气储存系统中的储存量可以基于氢气罐中的压力和温度(S100)来估算。
图3示出了根据本发明的示例性实施方案的氢气储存量相对于燃料电池氢气罐中的压力和温度的图。进一步参考图3，如图3所示，与氢气罐中的压力和温度相对应的储存量预先储存在图中。当通过设置在氢气罐中的压力传感器和温度传感器测量氢气罐中的压力和温度时，可以估算氢气罐中的氢气储存量。
可以在第一储存量和第二储存量之间时间段内分别进行氢气供应量的计算(S400)和氢气消耗量的估算(S500)，以计算氢气供应量并估算氢气消耗量，第一储存量和第二储存量都是在氢气储存系统中预先建立的。例如，当氢气系统具有约30％至80％的储存量时，可以通过计算或估算氢气供应量和氢气消耗量来计算误差。
在示例性实施方案中，如图2所示，当氢气罐具有约600巴到100巴的压力时，可以通过计算或估算氢气供应量和氢气消耗量来计算误差。在测量氢气罐中的压力和温度(S100)时，可以连续测量氢气罐中的压力和温度，并且可以确定氢气罐中的压力是否大于约600巴(S210)。当压力大于约600巴时，在返回至氢气罐中的压力和温度的测量(S100)之前，可以计算氢气罐中的氢气量(T0)，并开始整合该状态下的氢气消耗量(S300)。因此，可以基于大于600巴的状态中的最接近600巴的状态来计算氢气供应量和氢气消耗量。
当氢气罐中的压力变得小于约600巴时，可以确定氢气罐中的压力是否小于约100巴(S220)。当氢气罐中的压力大于约100巴时，该过程可以再次返回至氢气罐中的压力和温度的测量(S100)。然而，当氢气罐中的压力变得小于约100巴时，可以计算该状态下的氢气罐中的氢气量(Tf)，氢气罐中的氢气量(T0)与氢气量(Tf)之间的差值可以计算为氢气供应量(S400)，并且可以停止氢气消耗量的整合而可以估算氢气消耗量(S500)。
此外，在氢气消耗量的估算(S500)中，可以通过对在燃料电池中反应的氢气的量、氢气交换的量，以及通过氢气清除排出的氢气的量进行求和来估算氢气消耗量。在燃料电池中反应的氢气的量可以基于燃料电池产生的电流来进行估算。换言之，在燃料电池中产生的电流可以在预定时间段内进行整合，并且可以基于整合的电流估算在燃料电池中反应的氢气的量。氢气交换的量可以基于扩散方程进行估算。根据上述方程，可以通过在预定时间段内随着时间对氢气交换率进行整合来估算在燃料电池中从氢气电极到氧气电极的氢气交换量。
此外，可以基于氢气供应线路中的压力与外部压力之间的差值、以及估算的氢气浓度来估算通过氢气清除所排出的氢气的量。具体地，可以在氢气清除阀打开期间进行氢气清除。因此，可以通过对氢气清除阀打开期间的氢气供应线路中的压力与外部压力之间的差值进行整合来估算通过氢气清除而排出的气体的量，并且可以通过进一步使用排出气体中估算的氢气浓度来估算通过氢气清除所排出的氢气的量。
当计算的氢气供应量与估算的氢气使用量之间的差值大于预设的阈值(S700)时，可以校正估算的氢气浓度(S800)。特别地，考虑到测量和估算中的误差的可能性，阈值可以被预设为具有适当的大小。此外，也可以预设多个阈值，在这种情况下，估算的氢气浓度或扩散系数的校正量可以在多个步骤中相应地预设，并且因此可以基于计算的氢气供应量与估算的氢气使用量之间的差值的水平、以逐步的方式校正估算的氢气浓度或扩散系数。
在估算的氢气浓度的校正(S800)中，可以校正根据交换的扩散方程的扩散系数。换言之，可以校正在扩散方程中使用的扩散系数以更准确地估算氢气浓度。具体地，随着计算的氢气供应量和估算的氢气使用量之间的差值增大，可以校正根据交换的扩散方程的扩散系数以进一步增大。当估算的氢气使用量小于计算的氢气供应量时，由于燃料电池堆等的劣化，氢气交换的量可能会增加。因此，随着计算的氢气供应量与估算的氢气使用量的差值增大，需要扩散方程中的扩散系数的更多校正。此外，实际的氢气交换的量大于估算的氢气交换的量，因此氢气交换的量应该估算为更大。因此，可以校正扩散系数以增大。在确定计算的氢气供应量与估算的氢气使用量之间的差值是否大于预设阈值的时，当所述差值等于或小于预设阈值时，可以将扩散系数维持在现有的值(S900)。
图4为显示根据本发明的示例性实施方案的用于控制燃料电池的氢气清除的系统的构造图。参考图4，根据本发明的示例性实施方案的用于控制燃料电池的氢气清除的系统可以包括：设置在氢气再循环线路中的氢气清除阀30，以及控制器40；所述控制器40配置为通过估算氢气浓度来操作氢气清除阀30。特别地，控制器40可以配置为计算氢气供应量、估算氢气消耗量，以及当计算的氢气供应量与估算的氢气使用量之间的差值大于预定阈值时，校正估算的氢气浓度。
氢气储存系统20可以配置为将氢气供应至燃料电池10的阳极侧。具体地，氢气储存系统20可以包括氢气罐21，并且或者可以提供多个氢气罐。此外，氢气储存系统20还可以包括配置为测量氢气罐21中的压力的压力传感器22和配置为测量氢气罐21中的温度的温度传感器23，并且控制器40可以配置为基于从传感器接收到的信息而估算氢气罐21中的氢气储存量。控制器40可以进一步配置为估算氢气浓度并调节氢气清除阀30的打开和关闭以将氢气浓度限制或保持在合适的范围内。用于控制燃料电池的氢气清除的系统的描述与控制方法的描述相重叠，因此被省略。
尽管已经参考本发明的示例性实施方案描述和说明了本发明，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离由所附权利要求提供的本发明的技术思想的情况下，可以对本发明进行各种改进和修改。

Claims (10)

1.一种通过估算氢气浓度控制燃料电池的氢气清除的方法，所述方法包括：
通过控制器计算氢气供应量；
通过控制器估算氢气消耗量；以及
当计算的氢气供应量和估算的氢气使用量之间的差值大于预定阈值时，通过控制器校正估算的氢气浓度，
其中，氢气浓度基于根据燃料电池中发生的交换的扩散方程来估算，
氢气消耗量的估算通过对在燃料电池中反应的氢气的量、氢气交换的量，以及通过氢气清除排出的氢气的量进行求和来进行，
在燃料电池中反应的氢气的量基于燃料电池产生的电流来估算，
氢气交换的量基于扩散方程来估算，
对估算的氢气浓度进行校正以校正根据交换的扩散方程的扩散系数，
交换是在燃料电池堆中通过膜从氢气电极到氧气电极或反之亦然的气体扩散。
2.根据权利要求1所述的通过估算氢气浓度控制燃料电池的氢气清除的方法，其中，氢气供应量的计算基于氢气储存系统的储存量来进行。
3.根据权利要求2所述的通过估算氢气浓度控制燃料电池的氢气清除的方法，其中，所述氢气储存系统中的储存量基于氢气罐中的压力和温度来估算。
4.根据权利要求2所述的通过估算氢气浓度控制燃料电池的氢气清除的方法，其中，在氢气储存量中预先建立的第一储存量和第二储存量之间时间段内分别进行氢气供应量的计算和氢气消耗量的估算，以计算氢气供应量并估算的氢气消耗量。
5.根据权利要求1所述的通过估算氢气浓度控制燃料电池的氢气清除的方法，其中，所述扩散方程使用以下公式：
以及
其中，所用的符号如下：氮气交换率；/>氢气交换率；P：压力，单位为kPa；R：气体常数，8.314；T：温度，单位为K；D：扩散系数；A：催化剂面积；以及δ：扩散距离。
6.根据权利要求1所述的通过估算氢气浓度控制燃料电池的氢气清除的方法，其中，基于氢气供应线路中的压力与外部压力之间的差值以及估算的氢气浓度来估算通过氢气清除所排出的氢气的量。
7.根据权利要求6所述的通过估算氢气浓度控制燃料电池的氢气清除的方法，其中，随着计算的氢气供应量和估算的氢气使用量之间的差值增大，校正根据交换的扩散方程的扩散系数以进一步增大。
8.一种用于控制燃料电池的氢气清除的系统，所述系统包括：
氢气清除阀，其设置在氢气再循环线路中；以及
控制器，其配置为通过估算氢气浓度而操作氢气清除阀，
其中，所述控制器配置为计算氢气供应量、估算氢气消耗量，以及当计算的氢气供应量与估算的氢气使用量之间的差值大于预定阈值时，校正估算的氢气浓度，
氢气浓度基于根据燃料电池中发生的交换的扩散方程来估算，
氢气消耗量的估算通过对在燃料电池中反应的氢气的量、氢气交换的量，以及通过氢气清除排出的氢气的量进行求和来进行，
在燃料电池中反应的氢气的量基于燃料电池产生的电流来估算，
氢气交换的量基于扩散方程来估算，
对估算的氢气浓度进行校正以校正根据交换的扩散方程的扩散系数，
交换是在燃料电池堆中通过膜从氢气电极到氧气电极或反之亦然的气体扩散。
9.根据权利要求8所述的用于控制燃料电池的氢气清除的系统，其中，所述扩散方程使用以下公式：
以及
其中，所用的符号如下：氮气交换率；/>氢气交换率；P：压力，单位为kPa；R：气体常数，8.314；T：温度，单位为K；D：扩散系数；A：催化剂面积；以及δ：扩散距离。
10.根据权利要求8所述的用于控制燃料电池的氢气清除的系统，其中，基于氢气供应管线中的压力与外部压力之间的差值以及估算的氢气浓度来估算通过氢气清除所排出的氢气的量。
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