CN109994756B - 控制用于燃料电池系统的氢气分压的方法 - Google Patents

控制用于燃料电池系统的氢气分压的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种控制氢气分压的方法，其可在包括具有氢电极和空气电极的电池堆的燃料电池系统中进行。所述方法包括：利用氢电极出口处的氢浓度或电池堆中产生的蓄积电荷量确定吹扫氢电极的时间点；并且设定供应至电池堆的氢气的目标供应压力，鉴于氢气压力和电池堆中渗透导致的氮气分压，从而设定目标供氢压力。

Description

控制用于燃料电池系统的氢气分压的方法
技术领域
本公开总体上涉及一种控制燃料电池系统的燃料电池堆中的氢气分压的方法，更具体地，涉及一种控制燃料电池堆中的氢电极的氢气分压的方法，其能够基于从空气电极渗透(crossover)到氢电极而导致的氮气分压、燃料电池堆的温度、工作条件等保持氢电极的氢气分压恒定。
背景技术
燃料电池系统应用于氢燃料电池车辆，氢燃料电池车辆是一种环境友好型车辆。燃料电池系统包括：根据反应性气体(氢气作为燃料，氧气作为氧化剂)的电化学反应产生电能的燃料电池堆；向燃料电池堆供应氢气作为燃料的氢气供应器；向燃料电池堆供应含氧空气的空气供应器；用于将燃料电池堆的热量排放到外部以控制操作温度并执行水管理功能的热和水管理系统；以及用于控制燃料电池系统的整体操作的燃料电池系统控制器。
图1是示出燃料电池系统的示意图，其中氢气供应器包括用于存储氢气的高压容器(氢气罐)21、高压/低压调节器(未示出)、氢气供应阀23、氢气再循环器等，并且空气供应器包括鼓风机31、加湿器32等，并且热和水管理系统(未示出)包括电动水泵(冷却剂泵)、水箱、散热器等。
从氢气供应装置的氢气罐21供应的高压氢气在依次经过高压/低压调节器(未示出)后以低压供应至燃料电池堆10(这里也简称为“电池堆”)，并且氢气再循环器具有安装在再循环管线24中的喷射器25和/或再循环鼓风机，使得在燃料电池堆10的氢电极(燃料电极、阳极)使用后未反应的剩余氢气循环回到氢电极，从而促进氢气的再利用。
另一方面，根据燃料电池系统中的燃料电池堆10的操作，供应至空气电极(阴极)的空气中的氮和在电池堆的空气电极中产生的水(水和蒸汽)通过渗透穿过电池堆内的电解质膜移动并到达氢电极。
此时，由于氮气降低了氢气分压，因而降低了电池堆的性能，并且产生的水堵塞了流路，因而阻碍了氢气的流动，因此需要通过定期吹扫氢电极以确保电池堆的稳定性能。
在燃料电池中，随着通过电池堆内的电解质膜到氢电极的诸如氮气、水和水蒸气等异物的量增加，氢电极中的氢气的量减少，从而反应效率降低。因此，氢气吹扫阀40以固定的周期打开，以便在空气电极的后端进行吹扫。
具体而言，用于吹扫氢气的氢气吹扫阀40安装在燃料电池堆10的氢电极的出口侧，使得存在于氢电极中的气体可以周期性地排放，由此将燃料电池堆内的分离板的诸如水和氮气的异物一起排出并清除，从而提高氢电极的氢浓度。由于燃料电池堆中的异物被排出，因此优点在于氢浓度增加，并且实现气体扩散度和反应性的改善。
另一方面，氢气吹扫阀40是电子控制阀，其响应于来自燃料电池系统控制器(未示出)的命令而周期性地打开/关闭以控制氢浓度。当氢气吹扫阀40打开时，燃料电池堆10中的诸如水气、氮气等异物可以通过车辆排气口34排放到大气中。
如果在车辆行驶时氢气吹扫阀40打开，则氢气可以通过空气电极的后端和排气管线33以及排气口33与异物一起排出至外部，由于燃料电池堆10中的氢电极(相对高压)与空气电极之间的压力差，从而保持燃料电池堆的输出恒定。
发明内容
在传统氢气吹扫的情况下，周期性地吹扫氢气，使得在氢电极蓄积的氮气排放至燃料电池系统的外部，以便在氢电极保持恒定的氢浓度。然而，随着从一次吹扫过程到下一次吹扫过程(吹扫周期)中从空气电极渗透到氢电极而导致的氮浓度增加，氢电极的氢气分压降低。此外，降低的氢气分压可能对包括电池堆的整个燃料电池系统的耐久性产生影响。因此，本公开的目的是提供一种控制用于燃料电池系统的氢气分压的方法，其通过保持供应至氢电极的氢气的目标压力恒定，或通过控制诸如氮气分压、电池堆的温度和电流等各种控制变量来可变地控制目标氢气压力，而使得氢气分压在氢电极保持恒定，以防止在吹扫周期氢气分压在氢电极减少。
为了实现上述目的，本公开提供一种控制燃料电池系统中的电池堆的方法，所述电池堆包括氢电极和空气电极，所述方法包括：在目标供氢压力下向电池堆供应氢气；计算氢电极出口处的氢浓度或电池堆中产生的蓄积电荷量；以及更新供应至电池堆的氢气的目标供氢压力，其中，鉴于目标供氢压力和电池堆中渗透产生的氮气分压，从而设定更新的目标供氢压力。
可通过将氮气分压与电池堆中的氢气压力相加以设定目标供氢压力。
鉴于氮气分压的增加速率，目标供氢压力可随时间可变地设定。
所述方法可进一步包括：当氢电极出口处的氢浓度超过预定氢浓度或者电池堆中产生的蓄积电荷量超过预定目标电荷量时，确定吹扫氢电极。
可鉴于氮气分压以及电池堆的温度、燃料电池系统中所需的电流状态和氢电极中的氢浓度中的至少一个以设定目标供氢压力。
可通过电池堆中的浓度传感器直接测量氢浓度或通过使用经由浓度估测器估测的值确定氢浓度。
本公开可以提供以下效果。
根据本公开，氢电极的氢气分压可以保持恒定，以便增加吹扫周期并且减小打开吹扫阀的次数，从而改善氢气的使用效率和电池堆的燃料效率。
此外，根据本公开，由于氢电极处的氢气分压保持恒定，因此可以改善电池堆的耐久性
此外，根据本公开，氢电极的目标供氢气压力由基于包括电池堆的温度、电流以及氮气分压的工作条件的映射图数据(map data)确定，由此可以在各种驱动环境中主动控制氢电极的氢气分压。
附图说明
通过下面的详细描述，并结合附图，本发明的上述及其它目的、特征和优点将会更加显而易见，其中：
图1是示出根据本公开的实施例的用于执行控制氢气分压的方法的燃料电池系统的结构和连接关系的示意图；
图2是示出按照一般方法进行氢气吹扫时的各压力和分压的变化的曲线图；
图3是示出根据本公开的实施例的控制氢气分压的方法的顺序的流程图；
图4是示出在燃料电池系统中多次进行氢气吹扫时的各压力的变化的曲线图；以及
图5至图7是示出在计算目标供氢压力时取决于由渗透导致的氮气分压的考虑程度的各氢气分压的变化的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的实施例。可以以各种形式修改本公开的实施例，并且本公开的范围不应被解释为限于以下实施例。提供该实施例是为了向本领域技术人员更充分地解释本公开。
可以理解的是，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它相似的术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多功能车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的客车；包括各种艇、船只、航空器等的船舶，并包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，来自非石油资源的燃料)。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两个或更多动力源的车辆，例如兼备汽油动力和电动力的车辆。
在此使用的术语仅用于说明特定实施例，而非旨在限制本发明。如在本文使用的，单数形式“一”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确指示。要进一步理解的是，当在本说明书中使用“包括”和/或“包含”时，是指陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如在本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和全部的组合。如在本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和全部的组合。在整个说明书中，除非有明确相反地描述，否则“包括”一词及其变化诸如“包括”或“包含”都将被理解为暗示包含所述的元件但不排除任何其他元件。此外，在说明书中描述的术语“单元”、“-机”、“-器”以及“模块”是指处理至少一个功能和操作的单元，并且可以通过硬件或软件及其组合来实现。
此外，本发明的控制逻辑可以体现为包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。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、闪存驱动器、智能卡以及光学数据存储设备。计算机可读介质还可以分布在网络连接的计算机系统中，使得计算机可读介质以分布式方式存储和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)。
安装于车辆上的燃料电池系统包括：燃料电池堆，其用于产生电能；燃料供应器，其用于向燃料电池堆供应燃料(氢气)；空气供应器，其用于向燃料电池堆供应作为电化学反应所必需的氧化剂的空气中的氧气；冷却系统，其用于将反应热从燃料电池堆移除到系统外部并控制燃料电池堆的操作温度；等。
燃料电池系统的燃料供应器可以具有作为燃料储存罐的填充有燃料的高压容器。高压容器可以优选地填充约700巴的高压的氢气作为燃料。
从高压容器供应的氢气可以流入电池堆中。具体而言，电池堆的氢气入口与高压容器连接，使得氢气可以流入电池堆的氢气入口中。电池堆的氢气入口可以与氢电极连接，并因此，高压容器中的氢气可以供应至氢电极。此外，空气电极与大气连接，并且含氧空气可以通过鼓风机从大气引入至电池堆的空气电极中。
因此，电池堆的氢电极中的氢气可以与空气电极中的氧气彼此接触，并且在可设置在氢电极和空气电极之间的膜电极组件(MEA)中可能产生电流。
然而，如上所述，电池堆中可能发生气体从氢电极到空气电极的渗透，反之亦然，并且由于压力差可能引起空气从空气电极到氢电极的渗透。具体而言，可能发生构成空气的气体中的氮气到氢电极的渗透。
随氮气在氢电极中蓄积，氢电极的氢浓度和氢气分压不可避免地降低。因此，为了将氮气排出至外部，可以根据本公开的一个实施例周期性地进行吹扫。在本公开中进行的吹扫可以通过打开吹扫阀实现，并且氢气吹扫阀可以从氢电极的排气管的一点处分支并且与空气电极的排气管的一点连接。换言之，氢气吹扫阀可以设置成将氢电极的后端和空气电极的后端彼此连接。氢气吹扫可以以本领域技术人员已知的方式进行，并且可以省略其详细描述。
图2是示出氢气吹扫的典型实施例的曲线图。如图2所示，可以理解的是，供应至氢电极的目标压力保持恒定。此外，当供应至氢电极的目标压力保持恒定时，可以看出在进行氢气吹扫时氢气分压降低。
从驱动电池堆的方面看，重要的是氢电极中存在的氢气的浓度(或分压)保持恒定。因此，根据本公开，下面将详细描述一种控制燃料电池系统的氢气分压的方法，该方法能够通过控制器保持氢电极的氢浓度恒定。
图3是示出根据本公开的实施例的控制氢气分压的方法的流程图。
根据本公开，配备有燃料电池系统的环境友好型车辆的启动可以切换到“开启”状态。当车辆的起动变为“开启”时，燃料电池可以开始运行。换言之，氢气和氧气在燃料电池的电池堆中反应以产生电流。
此后，配备有燃料电池系统的车辆的控制器可以计算应该在包括车辆的驱动系统和电气系统在内的电池堆中产生的电流量。此外，可以计算要供应至电池堆的氢气的量以对应于计算的电流或功率量，并且可以通过调节从高压容器供应至电池堆的氢气的压力控制氢气的量。换言之，在根据本公开的燃料电池系统中，可以根据温度、电流以及电池堆的其他条件而可变地设定电池堆中所需的氢气的压力。
因此，在该步骤中，当计算电池堆中产生的电流量时，根据电流量以目标供氢压力将氢气供应至电池堆(S101)。
根据本公开的一个实施例，可以通过浓度传感器直接测量氢电极出口处的氢浓度，并且根据另一实施例，可以通过设置在燃料电池系统中的浓度估测器估测氢浓度。
此外，当驱动电池堆一定时间以使得从空气电极渗透到氢电极的氮气的量如上所述增加时，可以根据本公开的一个实施例进行吹扫。在吹扫的情况下，可以通过利用氢电极出口处的氢浓度或通过驱动电池堆产生的电荷量作为压力计以确定氢气吹扫阀是否打开。
根据本公开的实施例，可以通过利用氢电极出口处的氢浓度和/或电池堆中产生的蓄积电荷量中的至少一个确定是否进行氢气吹扫并且可以确定其时间点。具体而言，当氢电极出口处的氢浓度下降至低于预定氢浓度时，或者当通过驱动电池堆而产生的电荷累计量超过预定蓄积电荷量时，氢气吹扫阀打开，从而可以将氢电极中含有氮气和异物的气体从系统中排出。换言之，根据本公开，计算氢电极的氢浓度或者通过驱动电池堆而产生的蓄积电荷量(S102)，并且使用计算的氢电极出口处的氢浓度或在电池堆产生的蓄积电荷量确定在氢电极进行吹扫的时间点(S103)。
可以选择性地包括确定在氢电极进行吹扫的时间点的步骤(S103)，其中可以将吹扫周期设置为预定值并且其可以根据设定的吹扫周期确定是否到达进行吹扫的时间点。如图3所示，确定吹扫时间点的步骤可以通过氢电极出口处的氢浓度或电池堆中产生的蓄积电荷量而确定。
根据本公开的一个实施例，计算氢电极的氢浓度的方法可以通过当设置有浓度传感器时直接测量氢浓度，而当设置有浓度估测器时估测氢浓度来执行。优选地，可以测量或估测氢电极出口处的氢浓度。此外，在本公开中，当未提供浓度传感器或浓度估测器时，可以基于利用包括电池堆的温度和电流的因素预先设置的映射图数据估测氢电极的氢浓度。
当确定了吹扫时间点时，可以在先前时间点和新时间点之间计算由空气电极到氢电极的渗透导致的氮气分压。根据本公开的实施例，可以通过设置在电池堆内部的浓度传感器或浓度计测量氮气分压。此外，根据另一实施例，可以使用可根据电池堆的工作条件(压力、温度和产生的电流)根据可以估计为已渗透到氢电极的预定值计算由渗透导致的氮气分压。
此外，鉴于由渗透导致的氮气分压，可以更新目标供氢压力(S104)。具体而言，在吹扫时或到达吹扫时间点之前，鉴于由渗透导致的氮气分压，重置要供应至电池堆的氢气的目标供应压力，并且根据重置的目标供氢压力供应氢气。结果，氢电极的氢气分压可以保持恒定。具体而言，根据本公开的一个实施例，可以通过将电池堆中所需的氢气压力与在先前吹扫时间点和新吹扫时间点之间在电池堆内的渗透导致的氮气分压相加以计算目标供氢压力。因此，目标供氢压力可以更新为增加了由渗透导致的氮气分压的量的目标供氢压力。
根据本公开的另一实施例，鉴于由于从电池堆内的空气电极渗透到氢电极而导致的氮气分压的增加速率，目标供氢压力随时间可变地设定，即使未到吹扫时间点。
此外，根据本公开的另一实施例，可以考虑从空气电极渗透到氢电极而导致的氮气分压和在多个吹扫时间点之间的氮气分压的增加速率两者设定目标供氢压力。
此外，根据本公开的另一实施例，本公开中的目标供氢压力可以通过在进行多次吹扫时一个周期(cycle)内增加的氮气分压、以及电池堆的温度、燃料电池系统所需的电流条件、和氢电极的氢浓度等中的至少一个来确定。此外，可以通过由预设数据映射的除氮气分压之外的因素确定目标供氢压力。
具体而言，可以建立先前映射的数据，以确定应该对应于电池堆的温度、燃料电池系统中所需的电流条件或氢电极的浓度增加多少氢气压力，并最终鉴于增加的氮气分压和数据，确定目标供氢压力。
因此，根据本公开的一个实施例，通过将电池堆中所需的氢气的压力与考虑了由渗透导致的氢电极的氮气分压增加和/或氮气分压的增加速率的修正压力相加，以计算目标供氢压力。
再次参照图3，确定是否到达吹扫时间点(S105)，并且根据确定结果进行吹扫。然后，可以重置在一次吹扫和下一次吹扫之间的一个周期内蓄积的电荷量和更新的目标供氢压力(S106)。换言之，在进行吹扫之后，可以再次计算电池堆中所需的电荷量，并且蓄积电荷量也可以减少至“0”或预设的默认值。
根据本公开的实施例，在进行吹扫之后，该方法返回到计算电池堆中所需的电流值以确定要供应至电池堆的氢气的量和与其对应的氢气的压力的步骤。此后，可以在预定时间段内反复执行步骤(S102)，即累积地测量氢电极(燃料电极)出口处的氢浓度和在电池堆中产生的电流累积量。如果确定吹扫时间点，则可以根据上述方法更新目标供氢压力(S104)。
图4是示出根据本公开的实施例的氢气分压、吹扫周期和电池堆的压力的曲线图。图4上部所示的曲线图示出根据多次吹扫的燃料电池堆的压力和氢气分压。
参照图4下部所示的曲线图，根据本公开的一个实施例，随着供应的目标氢气压力增加，氢电极出口处的氢浓度的降低速率相对降低，同时氢气分压保持恒定，其优点在于氢气的吹扫周期显着增加。
图5至7是示出根据供应至电池堆的氢气的目标供应压力的增加程度的氢电极出口处的氢浓度、氮气分压和氢气分压的曲线图。
图5是示出发生了由渗透导致的氮气分压但不考虑该分压的状态的曲线图。图6是示出鉴于由渗透导致的氮气分压和/或电池堆的工作条件(电流、温度)而使氢电极的氢气分压保持恒定的状态的曲线图，并且图7是示出当目标供氢压力相比图6的情况过度增加时的曲线图。
相互比较图5至图7，如图5所示，当不考虑由渗透导致的氮气分压时，氢气通过吹扫排出，使得氢气分压降低，从而降低电池堆的效率。相反，如图7所示，当通过过度增加供应的氢气的压力而使氢电极的氢气分压增加时，在吹扫期间由于向外部排出而导致的氢气损失量可能增加，这在驱动电池堆时效率较低。因此，在电池堆的驱动中最有效的是如图6所示，鉴于包括由渗透导致的氮气分压在内的各种变量(电池堆的温度、工作条件和氢气的供应压力)，使氢电极的氢气分压保持恒定。
总之，本公开的关键思想是，在多次吹扫中，通过将两次吹扫之间的一个周期中从电池堆中的空气电极渗透到氢电极而导致的氮气分压与供应至电池堆的氢气压力相加来更新目标供氢压力，并因此尽管在电池堆中进行吹扫，氢气分压也可保持恒定。特别地，应当注意的是，提供本公开使得，鉴于氢电极的氢浓度的变化或排出的氢气的量可能根据吹扫条件和燃料电池系统的环境而变化的事实，可以通过将从根据电池堆的条件(例如温度和电流)预设的映射图数据计算的值与电池堆中所需的氢气压力相加来设定目标供氢压力，并且可以可变地控制目标供氢压力。
虽然已经参考其示例性实施例详细地示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离如在所附权利要求中限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变和修改，诸如组成元件的添加、改变或删除，并且这些改变和修改包括在本公开的范围内。
在以上描述中，未详细描述公知的功能或构造以避免不必要地模糊本公开的主题。考虑到本公开的实施例中的功能来定义以上描述中使用的术语，其可以根据用户、操作者的意图或习惯而变化。因此，应基于整个说明书中的内容对其进行定义。因此，本公开的详细描述不应被解释为将本公开限制于所公开的实施例，并且所附权利要求应被解释为包括其他实施例。

Claims (6)

1.一种控制燃料电池系统中的电池堆的方法，所述电池堆包括氢电极和空气电极，所述方法包括：
在目标供氢压力下向所述电池堆供应氢气；
计算所述氢电极出口处的氢浓度或所述电池堆中产生的蓄积电荷量；以及
更新供应至所述电池堆的氢气的所述目标供氢压力，
其中，鉴于所述目标供氢压力和所述电池堆中渗透导致的氮气分压，从而设定更新的所述目标供氢压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将所述氮气分压与所述电池堆中的氢气压力相加以设定所述目标供氢压力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，鉴于所述氮气分压的增加速率，所述目标供氢压力随时间可变地设定。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
当所述氢电极出口处的所述氢浓度低于预定氢浓度或者所述电池堆中产生的所述蓄积电荷量超过预定目标电荷量时，确定吹扫所述氢电极。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，鉴于所述氮气分压以及所述电池堆的温度、所述燃料电池系统中所需的电流状态和所述氢电极中的所述氢浓度中的至少一个以设定所述目标供氢压力。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过所述电池堆中的浓度传感器直接测量所述氢浓度或通过使用经由浓度估测器估测的值确定所述氢浓度。
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