CN110277577B - 燃料电池的氢气浓度的控制方法和控制系统 - Google Patents

燃料电池的氢气浓度的控制方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及控制燃料电池的氢气浓度的方法和系统，该方法包括：计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度；基于计算出的气体中的氢气浓度或氮气浓度，估计燃料电池的阳极处的氢气浓度或氮气浓度；以及基于估计出的阳极处的氢气浓度或氮气浓度来控制氢气供应单元，使得阳极处的氢气浓度或氮气浓度遵循期望的氢气浓度或期望的氮气浓度。

Description

燃料电池的氢气浓度的控制方法和控制系统
技术领域
本公开涉及燃料电池的氢气浓度的控制方法和控制系统，更具体地涉及使用燃料箱的氢气浓度来估计并控制燃料电池的阳极处的氢气浓度的方法和系统。
背景技术
燃料电池是一种装置，其使用分别从氢气供应装置和空气供应装置供应的氢气和氧气的氧化还原反应将化学能转换为电能，并且包括产生电能的燃料电池堆以及冷却燃料电池堆的冷却系统。
特别地，氢气被供应到燃料电池堆的阳极，并且氢气的氧化反应在阳极处发生，因此产生质子和电子。进一步地，质子和电子穿过电解质膜和隔膜移动到阴极。通过从阳极移动的质子和电子以及空气中的氧气的电化学反应在阴极处产生水，并且通过电子的流动产生电能。
被供应到燃料电池堆的阳极的氢气的浓度需要维持在适当的水平，因此在氢气再循环管线中进行适当的氢气净化(purge)控制。氢气净化控制通常实时估计氢气浓度，因此执行氢气净化控制以使氢气浓度维持在适当的水平。
在这种氢气浓度的估计中，假设100％纯度的氢气储存在燃料箱中并被供应到阳极。然而，由于诸如制造过程中的爆炸的安全问题，在填充氮气之后运送燃料箱。因此，在制造配备有燃料电池的燃料电池车辆的初期阶段，用氮气填充燃料箱并且用氢气重复填充氢气罐，由此氢气浓度收敛于100％。
当燃料电池启动时，不确定燃料箱中的氢气浓度是否为100％，因此不可能估计氢气浓度，并且因此在相关技术中已经使用基于电流积分(ampere-counting)的净化控制。
然而，即使根据不估计氢气浓度而基于电流积分的净化控制，当氢气浓度为预定水平或更低时，基于低电流积分值Q来执行净化控制。根据基于电流积分的净化控制，净化大量的氢气，因此引起燃料效率的问题，并且难以满足关于废气的环境标准。
以上作为本公开的相关技术提供的描述仅用于帮助理解本公开的背景，并且不应被解释为包括在本领域技术人员已知的相关技术中。
发明内容
本公开提供一种用于在驱动燃料箱中存在低氢气浓度的燃料电池的初期阶段，准确地估计燃料电池的阳极处的氢气浓度，从而控制燃料电池的阳极处的氢气浓度的方法和系统。
根据本公开的方面，提供一种控制燃料电池的氢气浓度的方法，该方法包括：通过气体浓度估计器计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度；基于计算出的气体中的氢气浓度或氮气浓度，通过气体浓度估计器估计燃料电池的阳极处的氢气浓度或氮气浓度；以及基于估计出的阳极处的氢气浓度或氮气浓度，通过控制器控制氢气供应单元，使得阳极处的氢气浓度或氮气浓度遵循期望的氢气浓度或期望的氮气浓度。
方法还可以包括：在计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度之前，累积测量向燃料箱中填充燃料的次数，其中，当测得的累积填充次数小于预定次数时，可以计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度。
方法还可以包括：在计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度之前，累积测量在燃料箱中填充的燃料量，其中，当测得的累积燃料量小于预定燃料量时，可以计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度。
在计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度时，在假设燃料箱中包括氢气和氮气并且可以在用燃料填充燃料箱时仅将纯氢喷射到燃料箱中的情况下计算氢气浓度或氮气浓度。
在计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度时，可以使用燃料填充前的氢气浓度、燃料填充前的填充率以及燃料填充后的填充率来计算燃料填充后的氢气浓度。
在估计燃料电池的阳极处的氢气浓度或氮气浓度时，可以估计氢气量在通过对阳极处的氮气量、氢气量和水蒸气量进行求和而获得的总气体量中的比率。
可以使用阳极处的总气体的压力、体积和温度来估计阳极处的总气体量。
可以通过将初期氮气量与在时间上积分而得的氮气渗透 (crossover)量、氮气净化量以及从燃料箱供应的氮气量相加来估计阳极处的氮气量。
可以使用储存在燃料箱中的气体中计算出的氢气浓度或氮气浓度来估计来自燃料箱的在时间上积分而得的氮气量。
可以通过将初期水蒸气量与在时间上积分而得的水蒸气渗透量和水蒸气净化量相加来估计阳极处的水蒸气量。
可以通过从阳极处的总气体量中减去氮气量和水蒸气量来估计阳极处的氢气量。
在控制氢气供应单元时，可以控制阳极处的气体压力或者可以控制用于将阳极处的气体排放到外部的净化过程，以便改变阳极处的氢气浓度。
根据本公开的另一方面，提供一种用于控制燃料电池的氢气浓度的系统，该系统包括：燃料箱，其储存将被供应到燃料电池中的氢气；氢气供应单元，其将燃料箱中的氢气供应到燃料电池中；气体浓度估计器，其计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度，并且基于计算出的气体中的氢气浓度或氮气浓度来估计燃料电池的阳极处的氢气浓度或氮气浓度；以及控制器，其基于由气体浓度估计器估计出的阳极处的氢气浓度或氮气浓度来控制氢气供应单元，使得阳极处的氢气浓度或氮气浓度遵循期望的氢气浓度或期望的氮气浓度。
氢气供应单元可以包括设置在再循环管线和燃料供应管线之间的燃料喷射器和燃料供应阀，该再循环管线用于将通过燃料电池的氢气再次供应到燃料电池中，并且该燃料供应管线用于将燃料箱中的氢气供应到燃料电池中，控制器可以通过控制燃料喷射器和燃料供应阀来控制阳极处的气体压力，以便改变阳极处的氢气浓度。
氢气供应单元可以包括设置在再循环管线中并且将阳极处的气体排放到外部的净化阀，该再循环管线用于将通过燃料电池的气体再次供应到燃料电池中，并且控制器可以通过控制净化阀来控制用于将阳极处的气体排放到外部的净化过程，以便改变阳极处的氢气浓度。
根据控制燃料电池的氢气浓度的方法，在操作燃料电池的初期阶段，能够准确地估计供应到燃料箱中包括氮气的燃料电池中的氢气的浓度。
进一步地，防止燃料电池的不必要的氢气净化，因此提高了燃料效率，这有利于满足废气的规定。
进一步地，能够防止燃料电池被供应低浓度氢气进行操作，因此能够防止燃料电池的劣化加速并相应地改善燃料电池的耐久性。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本公开的上述和其他方面、特征和优点将更加明显，其中：
图1是示出根据实施例的控制燃料电池的氢气浓度的方法的流程图；
图2是示出根据向燃料箱中喷射燃料的次数的燃料箱中氢气浓度的曲线图；
图3是示出根据实施例的用于控制燃料电池的氢气浓度的系统的配置的示图；以及
图4是示出当应用本公开的用于控制燃料电池的氢气浓度的方法和系统时，根据向燃料箱中喷射燃料的次数的净化次数的示图。
具体实施方式
应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他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)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交通工具，飞行器，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、氢动力车辆以及其他替代燃料车辆(例如，源自除石油之外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力车辆和电动车辆。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制本公开。如本文所使用，单数形式“一个”、“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，当本说明书中使用词语“包括”和/或“包含”时，指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。如本文所使用的，词语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任何与全部组合。在整个说明书中，除非明确地相反描述，否则词语“包括”和诸如“包括”或“包含”的变体将被理解为暗示包括所述元件但不排除任何其他元件。另外，说明书中描述的术语“单元”、“-部”、“-器”和“模块”表示用于处理至少一种功能和操作的单元，并且可以由硬件组件或软件组件和其组合来实现。
进一步地，本公开的控制逻辑可以体现为计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器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、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读介质还可以分布在网络耦合的计算机系统中，以便以分布式方式存储和执行计算机可读介质，例如，通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(CAN)。
本文描述的实施例可以以各种方式和各种形状改变，因此在附图中示出具体实施例，并且将在本说明书中详细描述该具体实施例。然而，应当理解，根据本公开的概念的示例性实施例不限于将在下文中参考附图描述的实施例，而是所有修改、等同物和替换都包括在本公开的范围和精神内。
以下将参考附图详细描述示例性实施例。附图中给出的相同附图标记指示相同的部件。
图1是示出根据实施例的控制燃料电池的氢气浓度的方法的流程图。
参考图1，根据实施例的控制燃料电池的氢气浓度的方法包括：计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度(S200)；基于计算出的氢气浓度或氮气浓度来估计燃料电池阳极处的氢气浓度或氮气浓度(S400)；以及基于估计出的氢气浓度或氮气浓度来控制氢气供应单元，使得阳极处的氢气浓度或氮气浓度遵循期望的氢气浓度或期望的氮气浓度(S500)。
因此，通过考虑储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度，能够提高估计燃料电池的阳极处的氢气浓度或氮气浓度的准确度，因此能够通过净化控制或加压控制来适当地维持燃料电池的阳极处的氢气浓度。
图2是示出根据向燃料箱中喷射燃料的次数的燃料箱中氢气浓度的曲线图。特别地，假设当燃料箱的填充率为警告灯开启时的24％时向燃料箱中填充氢气，并且一直向燃料箱中填充氢气，直到燃料箱的填充率达到80％。
参考图2，燃料箱在制造过程中仅填充有氮气，然后被运送和组装，并且当燃料电池车辆出库时，可以向燃料箱中填充氢气。在向燃料箱中填充一次氢气时，测得氢气浓度为99.730％，填充两次时为99.925％，填充三次时为99.993％，并且填充四次时为99.993％。也就是说，填充次数越多，混合的氢气越多，因此氢气浓度收敛于100％。
因此，当向燃料箱中反复填充氢气时，可以假设燃料箱中的氢气浓度为100％，但是在驱动燃料电池的初期阶段包含大量的氮气，因此不能假设氢气浓度为100％。也就是说，当向燃料箱中反复填充氢气时，燃料箱中的氢气浓度收敛于100％，因此可以假设燃料箱中的氢气浓度为100％，但在驱动燃料电池的初期阶段不能忽略燃料箱中的氮气。
为了确定氢气浓度是否为100％，该方法还包括在计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度(S200)之前，累积测量向燃料箱中填充氢气的次数(S100)。因此，当累积测量的填充次数小于预定次数时，可以计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度。当累积测量的填充次数为预定次数或更多时，能够假设储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度为100％(S300)。
也就是说，如图2所示，当向燃料箱中填充燃料的次数为五次以上时，燃料箱中的氢气浓度为99.998％，因此即使假设燃料箱中的氢气浓度为100％，但在估计燃料电池的阳极处的氢气浓度时几乎没有误差。因此，能够将预定次数设定为五次，并且仅当填充次数小于五次时才计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度。
作为另一示例，由于每次向燃料箱中填充燃料时喷射的氢气量可能不同，所以更准确地，在计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度(S200)之前，该方法还包括考虑到这一事实而累积测量燃料箱(未示出)中填充的燃料量。因此，当测得的累积燃料量小于预定燃料量时，能够计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度。
在累积测量燃料箱(未示出)中填充的燃料量时，能够通过在向燃料箱中填充燃料时比较填充前和填充后的填充率来测量氢气的填充量，并且能够累积测量燃料箱中填充的燃料量。这是因为，当测得的累积燃料量为预定燃料量或更多时，即使储存在燃料箱中的气体是 100％的氢气，也存在较小的误差。
因此，通过仅在驱动燃料电池的初期阶段或在更换燃料箱之后的初期阶段计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度，能够精确地控制燃料电池的氢气浓度，然后由于几乎没有误差，所以能够在假设储存在燃料箱中的气体是100％的氢气的情况下省去不必要的计算并简化计算过程。
在计算储存在燃料箱中的气体中的氢气或氮气浓度(S200)时，能够计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度。本文可以假设燃料箱中仅存在氢气和氮气。
上面描述了通过计算和估计氢气浓度来控制氢气供应单元，但是可能能够以相同的方式来通过计算和估计氮气浓度来控制氢气供应单元。
特别地，在计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度时，可以在假设燃料箱中包括氢气和氮气，并且在向燃料箱中填充燃料时仅将纯氢喷射到燃料箱中的情况下，计算氢气浓度或氮气浓度。也就是说，通过假设在向燃料箱中填充燃料时喷射100％的纯氢，可以使用在不改变燃料箱中的氮气量的情况下仅增加氢气量的原理。
在计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度(S200) 时，能够使用燃料填充前的氢气浓度、燃料填充前的填充率以及燃料填充后的填充率来计算燃料填充后的氢气浓度。特别地，能够使用以下等式计算燃料箱中的氢气浓度。
其中，XTank,k是k次燃料填充之后的氢气浓度，XTank,k-1是(k-1)次燃料填充之后的氢气浓度，SOFk是第k次燃料填充之后的填充率，SOFk-1是第k次燃料填充之前的填充率，并且填充率(SOF)为进一步地，k是燃料箱的累积填充次数。特别地，填充率(SOF)是储存在燃料箱中的当前气体量(mol)与可以储存在燃料箱中的最大气体量(mol)的比率。
由于在供应燃料时仅喷射纯氢，所以等式使用以下原理：燃料箱中的气体中的氮气量(mol)在填充前和填充后维持在相同水平。根据该原理，基于填充前和填充后填充率(SOF)×氮气浓度恒定的事实，可以使用氮气浓度为(1-氢气浓度)来导出等式。
因此，能够使用燃料填充之前的氢气浓度、燃料填充之前的填充率和燃料填充之后的填充率来计算燃料填充之后的氢气浓度。燃料填充之前的氢气浓度可以是累积计算并在每次燃料填充时存储的值。关于填充率，可以将填充的气体量与可以填充的最大气体量的比率计算为填充率，例如，通过利用测量燃料箱中的压力的压力传感器来计算填充在燃料箱中的气体量。
由于假设氢气和氮气在燃料箱中以相同的浓度存在，所以假设在将氢气从燃料箱中供应到燃料电池的阳极时，供应与燃料箱中具有相同氢气浓度或氮气浓度的气体。
在估计燃料电池的阳极处的氢气浓度或氮气浓度(S400)时，能够估计氢气量在通过对氮气量氢气量/>和水蒸气量nV进行求和而获得的总气体量nAn中的比率。也就是说，假设燃料电池的阳极处仅存在氮气、氢气和水蒸气，并且氮气、氢气和水蒸气在阳极处以相同的浓度混合。
特别地，可以使用阳极处的总气体的压力P、体积V和温度T来估计阳极处的总气体量nAn，如下面的等式所示。
其中，R是气体常数8.314[J/mol/K]。
可以通过将初期氮气量与在时间上积分而得的氮气渗透量、氮气净化量以及从燃料箱供应的氮气量相加来估计阳极处的氮气量/>如以下等式所示。
其中，氮气的渗透移动速率氮气的净化移动速率/>和从燃料箱中供应的氮气的移动速率/>是物质随时间的移动量，因此能够通过在时间上积分来估计氮气的总移动量，并且通过将初期氮气量/>与总移动量相加来估计阳极处的氮气量/>
可以通过在时间上对氮气的渗透移动量进行积分来估计在时间上积分而得的氮气净化量。可以基于扩散等式来估计氮气的渗透移动速率/>
也就是说，穿过薄膜-电极组件(MEA)从燃料电池的阴极移动到阳极的氮气渗透量可以通过以下等式在预定时间段内对渗透移动速率进行积分来估计。例如，以下等式可以用作扩散等式。
该等式中的符号如下。
氮气的渗透移动速率；P：压力，[kPa]；R：气体常数，8.314[J/mol/K]；T：温度，[K]；D：扩散系数；A：催化面积；δ：扩散距离；PCa,N2：燃料电池阴极处的氮气分压；PAn,N2：燃料电池阳极处的氮气分压
扩散系数D可以是在初期阶段调整的参数，或者可以是根据MEA 的劣化程度而改变的参数。
可以根据由设置在再循环管线中并且将阳极处的气体排放到外部的净化阀排放到外部的气体量来计算在时间上积分而得的氮气净化量，该再循环管线用于将氢气供应单元的通过燃料电池的气体再次供应到燃料电池中。
即，可以通过计算由净化阀从燃料电池的阳极排放到外部的气体的移动速率并使用排放气体中的氮气浓度来计算氮气的净化移动速率可以使用外部气体压力和阳极处的气体压力之间的差值以及净化阀的开度来计算排放到外部的气体量，并且排放气体中的氮气浓度可以被假设为与在阳极处估计的氮气浓度相同。
可以使用储存在燃料箱中的气体中计算出的氢气浓度或氮气浓度来估计从燃料箱中供应的氮气的移动速率特别地，如以下等式所示，从燃料箱中供应的氮气的移动速率/>可以由储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度XTank,k和从燃料箱中供应的氢气的移动速率/>表示。
如以下等式所示，可以计算在燃料电池的阳极处消耗或从燃料电池的阳极排放到外部的速率，并且可以假设从燃料箱供应的氢气的移动速率与在燃料电池的阳极处消耗或从燃料电池的阳极排放的速率相同。
进一步地，通过使用传感器测量从燃料箱流到阳极的总气体的移动速率，或者通过根据储存在燃料箱中的气体量的变化间接测量从燃料箱流到阳极的总气体的移动速率，可以获得从燃料箱供应的氢气的移动速率
可以通过将初期水蒸气量与在时间上积分而得的水蒸气渗透量和净化量相加来估计阳极处的水蒸气量nV，如以下等式所示。
与氮气的渗透相似，可以假设水蒸气从燃料电池的阴极移动到阳极，并且可以通过以下等式来估计水蒸气的渗透量
其中，水蒸气渗透速度；P：压力，[kPa]；R：气体常数，8.314[J/mol/K]；T：温度，[K]；D：扩散系数；A：催化面积；δ：扩散距离；PCa,V：燃料电池阴极处的水蒸气分压；PAn,V：燃料电池阳极处的水蒸气分压。
可以根据由设置在再循环管线中并且将阳极处的气体排放到外部的净化阀排放到外部的气体量来计算水蒸气的净化量，该再循环管线用于将氢气供应单元的通过燃料电池的气体再次供应到燃料电池中。
也就是说，能够计算通过净化阀从燃料电池的阳极排放到外部的气体量，并且使用排放气体中的水蒸气浓度(水蒸气的摩尔分数)来计算水蒸气的净化量
燃料电池阴极处的水蒸气分压PCa,V、燃料电池阳极处的水蒸气分压 PAn,V以及燃料电池阳极处的水蒸气摩尔分数可以是根据燃料电池中的温度、压力等改变的值，并且可以通过简单地假设饱和来使用饱和水蒸气压力。然而，更准确地，能够使用其中按照实验数据绘制的与燃料电池中的温度和压力对应的水蒸气分压或水蒸气摩尔分数的映射，根据状态来计算水蒸气的分压或水蒸气的摩尔分数。
进一步地，可以使用燃料电池重启时的状态信息(压力、温度等) 和停止时间，根据该映射来计算初期氮气量或初期水蒸气量 nV_init。
可以通过从阳极处的总气体量nAn中减去氮气量和水蒸气量nV来估计阳极处的氢气量/>根据初期值、渗透量、从燃料箱中供应的氢气量以及净化量等，也可以估计阳极处的氢气量/>这类似于氮气量/>或水蒸气量nV，但是还可以通过从阳极处的总气体量nAn中减去估计出的氮气量/>和水蒸气量nV来估计。
因此，可以简化计算过程，并且特别地，可以消除由于估计氮气量和水蒸气量nV引起的误差，因此能够稳定且强烈地控制氢气供应单元。
在控制氢气供应单元(S500)时，能够控制阳极处的气体压力，或者控制用于将阳极处的气体排放到外部的净化过程，以便改变阳极处的氢气浓度。
图3是示出根据实施例的用于控制燃料电池的氢气浓度的系统的配置的示图。
参考图3，根据实施例的用于控制燃料电池的氢气浓度的系统可以包括：燃料箱30，其储存将被供应到燃料电池10中的氢气；氢气供应单元20，其将燃料箱30中的氢气供应到燃料电池10中；气体浓度估计器40，其计算储存在燃料箱30中的气体中的氢气浓度或氮气浓度，并且基于计算出的氢气浓度或氮气浓度来估计燃料电池10的阳极处的氢气浓度或氮气浓度；以及控制器50，其基于由气体浓度估计器40估计出的阳极处的氢气浓度或氮气浓度来控制氢气供应单元20，使得阳极处的氢气浓度或氮气浓度遵循期望的氢气浓度或期望的氮气浓度。
氢气供应单元20可以包括：再循环管线，用于将通过燃料电池10 的氢气再次供应到燃料电池10中；和燃料供应管线，用于将燃料箱30 中的氢气与再循环管线中的气体一起供应到燃料电池10中。
氢气供应单元还包括设置在再循环管线和燃料供应管线之间的燃料喷射器和燃料供应阀22，该再循环管线用于将通过燃料电池10的氢气再次供应到燃料电池10中，并且该燃料供应管线用于将燃料箱30 中的氢气供应到燃料电池10中，并且控制器50可以通过控制燃料喷射器和燃料供应阀22来控制阳极处的气体压力，以便改变阳极处的氢气浓度。
替代地，氢气供应单元20可以包括设置在再循环管线中并且将阳极处的气体排放到外部的净化阀21，该再循环管线用于将通过燃料电池10的气体再次供应到燃料电池10中，并且控制器50可以通过控制净化阀21来控制用于将阳极处的气体排放到外部的净化过程，以便改变阳极处的氢气浓度。
如上所述，气体浓度估计器40可以计算储存在燃料箱30中的气体中的氢气浓度或氮气浓度，并且可以基于储存在燃料箱30中的气体中计算出的氢气浓度或氮气浓度来估计燃料电池10的阳极处的氢气浓度或氮气浓度。
控制器50可以映射和存储针对燃料电池10的输出电流的最佳氢气浓度，并且可以将燃料电池10阳极处的氢气浓度控制在针对燃料电池10的输出电流的最佳氢气浓度。当燃料电池10的阳极处的氢气浓度较高时，氢气渗透量增加，因此燃料效率降低。进一步地，当燃料电池10的阳极处的氢气浓度较低时，氢气不足以进行反应，因此燃料电池10的堆的寿命减少。考虑到所有这些情况确定最佳氢气浓度，可以映射最佳浓度的上限和下限，并且可以将燃料电池10的阳极处的氢气浓度控制在上限和下限之间的范围内。
控制器50可以使用闭环控制，通过反馈控制使得由气体浓度估计器40估计出的燃料电池10阳极处的氢气浓度或氮气浓度遵循期望的氢气浓度或期望的氮气浓度。因此，如果由气体浓度估计器40估计出的氢气浓度是准确的，则即使在外部干扰的情况下也可以稳定地进行氢气浓度净化。
通常，为了控制阳极处的氢气浓度，能够在操作燃料电池10时控制净化阀21，该净化阀设置在燃料电池10的再循环管线中并且将阳极处的气体排放到外部。例如，能够使用当在操作燃料电池10的同时，由气体浓度估计器40估计出的燃料电池10阳极处的氢气浓度达到最佳氢气浓度的下限时打开净化阀21的方法，并且能够使用当燃料电池 10的阳极处的氢气浓度达到最佳氢气浓度的上限时关闭净化阀21的方法。
因此，能够通过打开和关闭净化阀21来立即控制燃料电池10的阳极处的氢气浓度。
进一步地，控制器50可以控制设置在再循环管线和燃料供应管线之间的燃料喷射器和燃料供应阀22以便改变阳极处的氢气浓度，该再循环管线用于将通过燃料电池10的氢气再次供应到燃料电池10中，并且该燃料供应管线用于将燃料箱30中的氢气供应到燃料电池10中。
当驱动车辆时，如果在停止之后重启燃料电池10的系统，或者在停止发电(FC停止)之后重启燃料电池10，则燃料电池10的阳极处的氢气浓度可能快速降低，因此能够通过增加燃料电池10的阳极处的气体压力来快速增加燃料电池10的阳极处的氢气浓度。也就是说，能够通过控制燃料喷射器和燃料供应阀22来增加燃料箱30中要被供应到燃料电池10的氢气量，从而增加燃料电池10的阳极处的气体压力。
进一步地，还可以以其他方式控制氢气供应单元20以改变阳极处的氢气浓度。
图4是示出当应用本公开的用于控制燃料电池的氢气浓度的方法和系统时，根据向燃料箱中喷射燃料的次数的净化次数的示图。
参考图4，根据本公开，可以看出，当燃料箱的填充次数为五次或更多次时，净化次数累积约三十一次，并且当燃料箱的填充次数小于五次时，净化次数收敛于约三十一次，其中从约四十二次净化开始，填充次数增加。
也就是说，可以看出，燃料箱中的氢气浓度越高，净化次数的累积值越小，并且该趋势与经验知识一致，因此适当地控制净化过程。因此，可以看出，防止了燃料电池的不必要的氢气净化，因此提高了燃料效率，这有利于满足废气的规定。
尽管以上结合附图中所示的特定实施例提供了本公开，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所附权利要求中描述的本公开的范围的情况下，可以以各种方式改变和修改本公开。

Claims (14)

1.一种控制燃料电池的氢气浓度的方法，所述方法包括以下步骤：
通过气体浓度估计器计算储存在燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度；
基于计算出的气体中的氢气浓度或氮气浓度，通过所述气体浓度估计器估计所述燃料电池的阳极处的氢气浓度或氮气浓度；以及
基于估计出的阳极处的氢气浓度或氮气浓度，通过控制器控制氢气供应单元，使得所述阳极处的氢气浓度或氮气浓度遵循期望的氢气浓度或期望的氮气浓度，
其中，在计算储存在所述燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度之前，累积测量向所述燃料箱中填充燃料的次数，并且
其中，当测得的累积填充次数小于预定次数时，计算储存在所述燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在计算储存在所述燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度之前，累积测量在所述燃料箱中填充的燃料量，
其中，当测得的累积燃料量小于预定燃料量时，计算储存在所述燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在计算储存在所述燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度时，在假设所述燃料箱中包括氢气和氮气，并且在向所述燃料箱中填充燃料时，仅将纯氢喷射到所述燃料箱中的情况下，计算氢气浓度或氮气浓度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在计算储存在所述燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度时，使用燃料填充前的氢气浓度、燃料填充前的填充率以及燃料填充后的填充率来计算燃料填充后的氢气浓度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在估计所述燃料电池的阳极处的氢气浓度或氮气浓度时，估计氢气量在通过对所述阳极处的氮气量、氢气量和水蒸气量进行求和而获得的总气体量中的比率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用所述阳极处的总气体的压力、体积和温度来估计所述阳极处的总气体量。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，通过将初期氮气量与在时间上积分而得的氮气渗透量、氮气净化量以及从所述燃料箱供应的氮气量相加来估计所述阳极处的氮气量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用储存在所述燃料箱中的气体中计算出的氢气浓度或氮气浓度来估计来自所述燃料箱的在时间上积分而得的氮气量。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，通过将初期水蒸气量与在时间上积分而得的水蒸气渗透量和水蒸气净化量相加来估计所述阳极处的水蒸气量。
10.根据权利要求5所述的方法，其中，通过从所述阳极处的总气体量中减去所述氮气量和所述水蒸气量来估计所述阳极处的氢气量。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，在控制氢气供应单元时，控制所述阳极处的气体压力或者控制用于将所述阳极处的气体排放到外部的净化过程，以便改变所述阳极处的氢气浓度。
12.一种用于控制燃料电池的氢气浓度的系统，所述系统包括：
燃料箱，储存要被供应到所述燃料电池中的氢气；
氢气供应单元，将所述燃料箱中的氢气供应到所述燃料电池中；
气体浓度估计器，累积测量向所述燃料箱中填充燃料的次数，并且当测得的累积填充次数小于预定次数时，计算储存在所述燃料箱中的气体中的氢气浓度或氮气浓度，并且基于计算出的气体中的氢气浓度或氮气浓度来估计所述燃料电池的阳极处的氢气浓度或氮气浓度；以及
控制器，基于由所述气体浓度估计器估计出的阳极处的氢气浓度或氮气浓度来控制所述氢气供应单元，使得所述阳极处的氢气浓度或氮气浓度遵循期望的氢气浓度或期望的氮气浓度。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述氢气供应单元包括设置在再循环管线和燃料供应管线之间的燃料喷射器和燃料供应阀，所述再循环管线用于将通过所述燃料电池的氢气再次供应到所述燃料电池中，并且所述燃料供应管线用于将所述燃料箱中的氢气供应到所述燃料电池中，并且
所述控制器通过控制所述燃料喷射器和所述燃料供应阀来控制所述阳极处的气体压力，以便改变所述阳极处的氢气浓度。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述氢气供应单元包括设置在再循环管线中并且将所述阳极处的气体排放到外部的净化阀，所述再循环管线用于将通过所述燃料电池的气体再次供应到所述燃料电池中，并且
所述控制器通过控制所述净化阀来控制用于将所述阳极处的气体排放到外部的净化过程，以便改变所述阳极处的氢气浓度。
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