CN110504468B - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种燃料电池系统及其控制方法，该燃料电池系统包括通过氢气和空气的电化学反应产生电能和水的燃料电池堆。燃料电池系统的控制器基于燃料电池堆的输出功率和燃料电池堆中的水量随着时间流逝而汇聚的最大残留水量，计算燃料电池堆中的水量。燃料电池系统可以实时检测燃料电池堆中的水量。

Description

燃料电池系统及其控制方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年5月17日提交的第10-2018-0056472号韩国专利申请的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种燃料电池系统及其控制方法。
背景技术
该部分中的描述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
作为解决全球环境问题的替代方案，已经研究并开发了一种燃料电池系统，该燃料电池系统通过连续供应的燃料的电化学反应连续产生电能。
燃料电池系统包括具有串联堆叠的数十至数百个电池的堆叠体。该堆叠体具有电池堆叠在端板之间的结构，并且每个电池包括将内部分成两半的电解质膜、电解质膜一侧上的阳极和电解质膜相反侧上的阴极。
当氢气被供应到阳极时，该氢气被催化剂分解成氢离子和电子。电子通过分离器移动到堆叠体外部以产生电力。氢离子穿过电解质膜并移动到阴极，之后氢离子与从外部供应的氧气和电子结合以产生水，然后排出到外部。
与此同时，由于剩余的水阻碍了氧气和氢气的流动，所以需要去除产生并留在燃料电池堆中而未排出的水。然而，所产生的水中的一部分可以通过氢气或空气的流动而排出，而其余部分可能留在燃料电池堆中而不排出。特别地，在燃料电池堆的阳极上存在大量水的情况下，水可能阻碍氢燃料的供应，从而降低燃料电池堆的发电性能并且可能导致燃料电池堆的部件损坏。
为了解决这些问题，将排气管连接到堆叠体中的阳极，以通过打开/关闭净化阀，每隔预定时间段将阳极中的气体排出到外部。然而，我们发现从阳极排出的净化气体包含具有相当高浓度(通常为60％至70％的水平)的氢气，并且由于氢气利用率的降低，氢气的排放可能导致燃料电池系统的效率降低。
发明内容
本公开致力于解决相关技术中出现的上述问题，同时保持相关技术所获得的优点不变。
本公开的方面提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够通过准确地预测燃料电池堆中的水量并在适当的时间从燃料电池堆排出水而有效地操作。
本公开要解决的技术问题不限于上述问题，并且本公开所属领域的技术人员将从以下描述中清楚地理解本文未提及的任何其他技术问题。
根据本公开的方面，燃料电池系统包括：燃料电池堆，通过氢气和空气的电化学反应产生电能和水；和控制器，基于燃料电池堆的输出功率和燃料电池堆中的水量随着时间流逝而汇聚的最大残留水量，计算燃料电池堆中的水量。
根据本公开的另一方面，用于控制燃料电池系统的方法包括以下步骤：基于燃料电池堆的输出功率，由控制器计算燃料电池堆中的水量随着时间流逝而汇聚的最大残留水量；和基于最大残留水量和燃料电池堆的输出功率，由控制器计算燃料电池堆中的水量。
具有上述配置的本公开的燃料电池系统可以实时准确地计算燃料电池堆中的水量，并且可以根据需要通过净化氢气来排出水，从而使排出到外部的氢气量最小化并实现有效的操作。
也就是说，本公开的燃料电池系统可以基于燃料电池堆中通过气流排出的水量以及燃料电池堆中产生的水量，实时准确地计算实际残留在燃料电池堆中的水量。
另外，本公开的燃料电池系统可以防止燃料电池堆的发电性能因燃料电池堆中的水所导致的燃料供应不足而劣化。
可应用的其他领域将从本文提供的描述中变得显而易见。应当理解，描述和具体示例旨在用于说明的目的，而非限制本公开的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图描述以示例的方式给出的本公开的各种实施方式，其中：
图1是燃料电池系统的框图；
图2是示出用于控制燃料电池系统的方法的控制流程图；
图3是用于更详细地说明图2的控制方法的控制流程图；以及
图4至图9是用于说明燃料电池系统的曲线图。
本文描述的附图仅用于说明的目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
以下描述在本质上仅是示例性的，而不旨在限制本公开、应用或使用。应当理解，贯穿附图，对应的附图标记指示类似或对应的部件或特征。
另外，将排除对公知特征或功能的详细描述，以免不必要地模糊本公开的要旨。
图1是根据本公开的一种实施方式的燃料电池系统的框图。
根据本公开的一种实施方式的燃料电池系统可以包括通过氢气和空气的电化学反应产生电能和水的燃料电池堆10、控制器20、存储器30、调节从燃料电池堆10排出的水、氢气等的排放-净化阀40、向燃料电池堆10供应包括氧气的空气的鼓风机50以及向燃料电池堆10供应氢气的氢气供应设备60。
根据一种实施方式，燃料电池系统可以不包括一些部件或者还可以包括附加部件。然而，在任意一种情况下，该燃料电池系统包括燃料电池堆10和控制器20。
燃料电池堆10可以具有彼此堆叠的多个燃料电池，每个燃料电池包括电解质膜和设置在电解质膜相反侧上的一对电极(阴极和阳极)。燃料电池堆10可以通过氢气和氧气的电化学反应产生电能。
当燃料电池系统操作时，包括氧气的空气可以被供应到燃料电池堆10的阴极，而氢气可以被供应到燃料电池堆10的阳极。此时，空气和氢气可以被加热到适于反应的高温，然后被供应到燃料电池堆10。此外，空气可以被加湿然后供应到燃料电池堆10，以将燃料电池堆10维持在预定的湿度或更高的湿度，用于电化学反应。
加湿的空气可以沿着燃料电池堆10中的流道移动，并且可以与氢气反应以产生水。供应到燃料电池堆10的氢气可以与氧气反应，并且未经反应的残留氢气可以朝向阳极的出口端排出，在这种情况下，残留氢气可以与湿气一起排出。
与此同时，由于剩余的水阻碍了氧气和氢气的流动，所以需要去除产生并留在燃料电池堆10中而未排出的水。然而，所产生的水中的一部分可以通过氢气或空气的流动而排出，而其余部分可能留在燃料电池堆10中而不排出。特别地，在燃料电池堆10的阳极上存在大量水的情况下，水可能阻碍氢燃料的供应，从而降低燃料电池堆10的发电性能并且可能导致燃料电池堆10的部件损坏。
通过增加燃料电池堆10中的流量来增加燃料电池堆10中的流体(包含水分的气体混合物)的流速的方法可以用于排出燃料电池堆10中的水。最常用的方法是定期净化(purge)氢气。为了去除燃料电池堆10中的水分，可以通过排放-净化阀40净化氢气来增加燃料电池堆10中的氢气流速。氢气的净化可以去除燃料电池堆10中的水分，但是向外部排出氢气可能降低燃料效率并增加爆炸的风险。
根据本公开的一种实施方式的燃料电池系统涉及一种技术，该技术准确地确定排出燃料电池堆10中的水的时间，以避免或防止燃料电池堆10的发电性能下降，并通过净化氢气使排出水时的缺点最小化。更具体地，本公开的示例性实施方式中的燃料电池系统的基本特征在于，基于燃料电池堆10中剩余的最大残留水量和燃料电池堆10的输出功率，实时计算燃料电池堆10中的水量。
此外，根据本公开的一种实施方式的燃料电池系统的特征在于，基于燃料电池堆10中产生的水量和通过燃料电池堆10中的气流(例如，氢气)从燃料电池堆10排出的水量，计算燃料电池堆10中剩余的水量。
下面将更详细地描述根据本公开的一种实施方式的燃料电池系统。
燃料电池系统中的一些部件在本公开所属的领域中通常是已知的，因此将省略其描述。
控制器20可以控制燃料电池系统的部件。控制器20可以获得关于燃料电池系统的信息或来自燃料电池系统的部件的信号。
控制器20可以用以下中的至少一个来实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器以及用于实现其他功能的电气单元。
下面将参照图2和所附附图更详细地描述控制器20的控制方法。
排放-净化阀40可以是用于排出燃料电池堆10中的水或气体混合物的阀。水未从燃料电池堆10中很好地排出的溢流(flooding)状态可能阻碍氢燃料的供应，从而降低燃料电池堆10的发电性能，并且在严重的情况下，可能导致燃料电池堆10的部件损坏。
排放-净化阀40可以部分地打开，使得燃料电池堆10中的一部分水通过在操作时引入燃料电池系统的空气或氢气的压力而排出。排放-净化阀40可以完全打开，以使当净化氢气时将燃料电池堆10中的水排放到外部的流动阻力最小化。
氢气供应设备60可以是普通的氢气罐，并且可以储存高压氢气并向燃料电池堆10供应高压氢气。来自氢气供应设备60的高压氢气可以通过压力调节器、压力控制阀、喷射器以及压力控制致动器(未示出)减压，然后供应到燃料电池堆10。
图2是示出根据本公开的一种实施方式的用于控制燃料电池系统的方法的控制流程图，并且图3是用于更详细地说明图2的控制方法的控制流程图。
参照图2，控制器20可以启动控制逻辑，以在启动燃料电池系统时或在通过净化氢气排出燃料电池堆10中的水之后，计算燃料电池堆10中的水量(步骤S100)。
控制器20可以计算在净化氢气之后即时的留在燃料电池堆10中的残留水量(步骤S200)。
在氢气净化之后即时的燃料电池堆10中的残留水量可以根据燃料电池堆10的温度、净化期间氢气的流速等而变化。
可以通过使用中子射线照相术(NR)的实验，获得关于氢气净化之后即时的燃料电池堆10中的残留水量的信息。也就是说，控制器20可以在改变净化条件(例如，燃料电池堆10的温度、净化期间氢气的流入速率、净化时间、排放-净化阀40打开的时间段、燃料电池堆10的输出功率等)的同时，通过使用中子射线照相术来拍摄燃料电池堆10的图像，并且可以将通过拍摄图像获得的结果值制成表格。控制器20可以将获得的表格存储在存储器30中。
控制器20可以从燃料电池系统的部件获得至少一些净化条件，并且可以基于获得的净化条件和存储在存储器30中的表格，获得在净化氢气之后即时的燃料电池堆10中的残留水量。
参照图2和图3，控制器20可以计算预定时间段内的燃料电池堆10的平均温度和平均输出功率(步骤S300)。
参照图4，在燃料电池堆10启动和停止的一个循环期间，燃料电池堆10的输出功率(kW)可以在0到预设最大值的范围内变化。也就是说，在燃料电池堆10进行操作的一个循环期间，燃料电池堆10的输出电流A可以在0到预设最大值的范围内变化。
燃料电池堆10中产生的水量也可以随着输出功率(或输出电流)的变化而变化。这是因为通过燃料电池堆10中的氢气和氧气的电化学反应而产生电能，并且当驱动更多的电化学反应时产生更大量的水。
另外，通过燃料电池堆10中的气流而从燃料电池堆10排出的水量也可以随着输出功率(或输出电流)的变化而变化。例如，为了提高燃料电池堆10的输出功率，必须增加每单位时间喷射到燃料电池堆10中的氢气的流速，这导致通过在燃料电池堆10中流动的氢气的压力而排出的水量增加。
此外，即使燃料电池堆10以相同的输出功率(或输出电流)进行操作，燃料电池堆10中产生的水量和从燃料电池堆10排出的水量也可以根据操作条件而变化。
例如，在以相同输出功率(或输出电流)进行操作的燃料电池堆10中产生的水量和从燃料电池堆10排出的水量可以根据燃料电池堆10的温度、环境压力、燃料电池堆10中流道的形状以及所得流动阻力和速率而变化。
因此，在本公开中，为了根据燃料电池堆10的输出功率获得燃料电池堆10中剩余的水量，可以通过对燃料电池堆10进行的实验，获得关于根据输出功率和操作条件的燃料电池堆10中残留水量的数据。控制器20可以基于存储的数据和实时计算的条件(诸如燃料电池堆10的输出功率、温度等)，计算燃料电池堆10中的残留水量。
以预设时间间隔△t计算水的增加量/减少量并将水的增加量/减少量相加的方法可以用于获得燃料电池堆10中的总残留水量。该方法可以理解为与积分学原理具有数学相似性。
控制器20可以计算从ti到ti+1的时间间隔内的燃料电池堆10的平均温度Tavg和平均输出功率Pavg(步骤S300)。
控制器20可以基于计算出的平均温度和输出功率，计算从ti到ti+1的时间间隔内的燃料电池堆10中的最大残留水量Ci(步骤S400)。
最大残留水量Ci可以被定义为当燃料电池堆10在预定温度下以预定输出功率进行操作时，燃料电池堆10中的水量随着时间流逝而汇聚的值。
燃料电池堆10中的水量汇聚到预定值的原因在于，燃料电池堆10进行操作时产生的一部分水通过出口端从燃料电池堆10排出。当燃料电池堆10进行操作时，包括氢气和空气的燃料可以在预定压力下喷射到燃料电池堆10中，并且燃料电池堆10中的一部分水可以通过燃料和/或空气的压力排出到外部。因此，在燃料电池堆10以预定输出功率进行操作的情况下，燃料电池堆10中产生的水量可以与从燃料电池堆10排出的水量平衡，并且此时燃料电池堆10中的水量可以被定义为最大残留水量Ci。
图5是描述燃料电池堆10中的水量根据时间变化的曲线图。
参照图5，最大残留水量Ci可以根据燃料电池堆10的输出功率而变化。
例如，在燃料电池堆10的输出电流为57A的情况下，燃料电池堆10中的水量可以在没达到最大残留水量Ci的情况下继续增加。这是因为引入到燃料电池堆10中的氢气或空气的压力不足以有效地排出燃料电池堆10中的水。
例如，在燃料电池堆10的输出电流为115A的情况下，最大残留水量Ci可以是C2。
例如，在燃料电池堆10的输出电流为216A的情况下，最大残留水量Ci可以是小于C2的C1。如上所述，最大残留水量Ci可以随着燃料电池堆10的输出功率或电流的增大而减小。
与此同时，图5的曲线图中的输出电流值是说明性的，并且可以根据燃料电池堆10的形状、结构、操作条件等而变化。例如，根据燃料电池堆的类型或燃料电池系统的操作条件，即使在燃料电池堆10的输出电流为57A的情况下也可以存在最大残留水量Ci，或者即使在燃料电池堆10的输出电流为115A的情况下也可以不存在最大残留水量Ci。
上述数据可以通过使用中子射线照相术(NR)的实验来获得。也就是说，因为最大残留水量Ci根据燃料电池堆10的形状、结构、操作条件等而变化，所以可以在改变燃料电池堆10的输出功率(或温度)的同时，通过使用中子射线照相术拍摄燃料电池堆10的图像来获得最大残留水量Ci。
关于根据燃料电池堆10的类型和操作环境的最大残留水量Ci的信息可以通过使用中子射线照相术的实验获得，并且可以基于该信息准确地获得操作时燃料电池堆10中的水量。
图6是描绘最大残留水量Ci根据燃料电池堆10的输出功率而变化的曲线图。
参照图6，最大残留水量Ci可以随着燃料电池堆10的输出功率增大而减小。然而，当输出功率超过预定值时，最大残留水量Ci可能收敛。随着燃料电池堆10的输出功率的增大，燃料电池堆10中产生的水量可以增大，并且引入燃料电池堆10中的气体(氢气、空气等)的压力(或流速)也可以增大。这是因为在一部分中，随着输出功率的增加，水被有效地排出，而超过预定输出功率，这种效果由于结构限制(诸如燃料电池堆10中的流道的形状)而降低。
图7是描绘最大残留水量Ci根据燃料电池堆10的温度而变化的曲线图。
参照图7，最大残留水量Ci可以随着燃料电池堆10的温度升高而减小。然而，高温下最大残留水量Ci减小的量可能小于低温下的量。这是因为随着燃料电池堆10的温度升高，水变成气体并随着残留氢一起排出，并且燃料电池堆10中的气体也主动排出。
图6和图7所示表示燃料电池堆10的输出功率和温度与最大残留水量之间的关系的实验数据，可以作为表格存储在存储器30中。控制器20可以获得燃料电池堆10的温度和输出功率，并且可以获得与燃料电池堆10的存储温度和输出功率对应的最大残留水量Ci。
替代地，根据燃料电池堆10的温度和输出功率的最大残留水量Ci的公式可以存储在存储器30中。控制器20可以在存储器30中存储基于关于燃料电池堆10的温度和最大残留水量之间的关系的实验数据而获得的公式，并且可以通过将感测的温度和输出功率代入存储在存储器30中的关于最大残留水量Ci的公式中来计算最大残留水量Ci。在这种情况下，存在的优点在于，还在通过实验不能获得的范围内计算最大残留水量Ci。
控制器20可以基于最大残留水量Ci获得燃料电池堆10中的水增加量/减少量(步骤S500)。
燃料电池堆10中的水增加量/减少量可以是燃料电池堆10中的水量增加或减少的量，并且可以不同于燃料电池堆10中产生的水量。也就是说，水增加量/减少量可以由公式“(堆叠体中产生的水量)-(从堆叠体排出的水量)”来计算。
控制器20可以确定在时间ti处燃料电池堆10中的水量Y(ti)是否小于最大残留水量Ci(步骤S510)。
当确定水量Y(ti)小于最大残留水量Ci时，控制器20可以通过以下公式计算从ti到ti+1的时间间隔内的水增加量/减少量Δyi+1(步骤S511)。在下面的公式中，用粗体突出显示的字符是变量而不是常量。
[公式1]
Δyi+1＝ai+1·Δt,ai+1＝f(Tavg,Pavg)>0
水增加量/减少量△yi+1可以通过水增加速率ai+1和预设单位时间的乘积来计算。水增加速率ai+1可以由从ti到ti+1的时间间隔内的燃料电池堆10的平均温度和平均输出功率的公式来表示。
当确定水量Y(ti)小于最大残留水量Ci时，控制器20可以以预设单位时间△t内的水量以恒定斜率ai+1增加来进行计算。也就是说，控制器20可以以水增加速率ai+1在预设单位时间△t内是恒定的来进行计算。
水增加速率ai+1可以根据燃料电池堆10的温度和输出功率而变化。水增加速率ai+1可以由燃料电池堆10的输出功率的线性公式来表示。也就是说，水增加量/减少量△yi+1可以表示如下：
[公式2]
Δyi+1＝ai+1·Δt＝(a'·Pavg+C1)·Δt,a'＝a”·Tavg+C2>0
由于水增加速率ai+1由燃料电池堆10的输出功率Pavg的线性公式来表示，所以水增加量/减少量△yi+1可以通过输出功率Pavg的线性公式来计算。
与此同时，与作为变量的输出功率相乘的值a'可以根据燃料电池堆10的温度Tavg获得。也就是说，值a'可以通过温度Tavg的公式来计算。该值a'可以由温度Tavg的线性公式来表示，如公式2所示。
图8是描述当燃料电池堆中的水量Y(ti)小于最大残留水量Ci时，燃料电池堆中的水量根据时间而变化的曲线图。
参照图8，当燃料电池堆10中的水量Y(ti)小于最大残留水量Ci时，根据时间的燃料电池堆10中的水量Y(ti)的实验值可以由虚线示出。
基于实验值，燃料电池堆10中的水量可以近似于根据时间以恒定斜率(a)增加，如实线所示。在这种情况下，斜率(a)可以根据燃料电池堆10的温度和输出功率而变化。斜率(a)可以由燃料电池堆10的温度的线性公式和燃料电池堆10的输出功率的线性公式来表示。
也就是说，当燃料电池堆10中的水量Y(ti)小于最大残留水量Ci时，水增加量/减少量△yi+1可以与燃料电池堆10的输出功率成比例地增加。另外，当燃料电池堆10中的水量Y(ti)小于最大残留水量Ci时，水增加量/减少量△yi+1可以与燃料电池堆10的温度成比例地增加。
与此同时，图8中所示关于操作条件(燃料电池堆10的输出功率、温度等)下根据时间的燃料电池堆10中的水量的数据可以通过中子射线照相术实验获得。
控制器20可以通过使用中子射线照相术，拍摄在不同操作条件(燃料电池堆10的输出功率、温度等)下的燃料电池堆10的图像，并且可以基于实验数据获得水增加量/减少量△yi+1的公式。
获得的公式可以存储在存储器30中，并且控制器20可以通过将每个时间间隔的燃料电池堆10的平均输出功率和平均温度代入存储在存储器30中的水增加量/减少量△yi+1的公式，获得从ti到ti+1的时间间隔内的水增加量/减少量△yi+1。
当确定水量Y(ti)不小于最大残留水量Ci时，控制器20可以确定水量Y(ti)是否超过最大残留水量Ci。
当确定水量Y(ti)超过最大残留水量Ci时，控制器20可以通过以下公式计算从ti到ti+1的时间间隔内的水增加量/减少量△yi+1。
[公式3]
Δyi+1＝bi+1·Δt,bi+1＝f(Tavg,Pavg)<0
水增加量/减少量△yi+1可以通过水减少速率bi+1和预设单位时间的乘积来计算。水减少速率bi+1可以由在从ti到ti+1的时间间隔内的燃料电池堆10的平均温度和平均输出功率的公式来表示。
当确定水量Y(ti)超过最大残留水量Ci时，控制器20可以以预设单位时间△t内的水量以恒定斜率bi+1减少来进行计算。
水减少速率bi+1可以根据燃料电池堆10的温度和输出功率而变化。水减少速率bi+1可以由燃料电池堆10的输出功率的线性公式来表示。也就是说，水增加量/减少量△yi+1可以表示如下：
[公式4]
Δyi+1＝bi+1·Δt＝(b'·Pavg+C3)·Δt,b'＝b”·Tavg+C4>0
由于水减少速率bi+1由燃料电池堆10的输出功率Pavg的线性公式来表示，所以水增加量/减少量△yi+1可以通过输出功率Pavg的线性公式来计算。
与此同时，与作为变量的输出功率相乘的值b'可以根据燃料电池堆10的温度Tavg获得。也就是说，值b'可以通过温度Tavg的公式来计算。该值b'可以由温度Tavg的线性公式来表示，如公式4所示。
图9是描述当燃料电池堆中的水量Y(ti)超过最大残留水量Ci时，燃料电池堆中的水量根据时间而变化的曲线图。
参照图9，当燃料电池堆10中的水量Y(ti)超过最大残留水量Ci时，根据时间的燃料电池堆10中的水量Y(ti)的实验值可以由虚线示出。
基于实验值，燃料电池堆10中的水量可以近似于根据时间以恒定斜率(-c)减少，如实线所示。在这种情况下，斜率(-c)可以根据燃料电池堆10的温度和输出功率而变化。斜率(-c)可以由燃料电池堆10的温度的线性公式和燃料电池堆10的输出功率的线性公式来表示。
也就是说，当燃料电池堆10中的水量Y(ti)超过最大残留水量Ci时，水增加量/减少量△yi+1可以与燃料电池堆10的输出功率成比例地减少。另外，当燃料电池堆10中的水量Y(ti)超过最大残留水量Ci时，水增加量/减少量△yi+1可以与燃料电池堆10的温度成比例地减少。
在确定水量Y(ti)不小于最大残留水量Ci并且不超过最大残留水量Ci的情况下，控制器20可以确定水增加量/减少量△yi+1为0(步骤S523)。
也就是说，当确定水量Y(ti)等于最大残留水量Ci时，控制器20可以以燃料电池堆10中的水量在从ti到ti+1的时间间隔内恒定来进行计算。
与此同时，虽然未示出，但是根据本公开的另一实施方式，控制器20可以基于根据输出功率和温度的存储在存储器30中的水增加量/减少量的表格，获得每预设单位时间的水增加量/减少量△yi+1。
通过中子射线照相术实验获得的关于根据燃料电池堆10的输出功率和温度的变化的水增加量/减少量的数据可以作为表格存储在存储器30中。中子射线照相术实验可以通过在燃料电池堆10中的水量小于最大残留水量Ci的条件下改变燃料电池堆10的输出功率和温度来进行。另外，中子射线照相术实验可以通过在燃料电池堆10中的水量超过最大残留水量Ci的条件下改变燃料电池堆10的输出功率和温度来进行。关于通过实验获得的根据燃料电池堆10的操作条件(燃料电池堆10中的水量是否超过或小于最大残留水量、输出功率和温度)的水增加量/减少量的数据，可以作为表格存储在存储器30中。
控制器20可以获得从ti到ti+1的时间间隔内的燃料电池堆10的平均输出功率和平均温度，并且可以基于水量Y(ti)是否超过或小于最大残留水量Ci，从存储在存储器30中的表格中获得与平均输出功率和平均温度对应的水增加量/减少量△yi+1。
如上所述，控制器20可以基于存储在存储器30中的公式来计算水增加量/减少量△yi+1，或者可以基于存储在存储器30中的表格加载水增加量/减少量△yi+1，从而获得从ti到ti+1的时间间隔内的水增加量/减少量△yi+1。
如在以下公式中，控制器20可以通过将从ti到ti+1的时间间隔内的水增加量/减少量△yi+1与时间ti处的水量Y(ti)相加，获得时间ti+1处的水量Y(ti+1)(步骤S600)。
[公式5]
Y(ti+1)＝Y(ti)+Δyi+1
控制器20可以通过将每预设时间间隔△t的水增加量/减少量△yi+1与用以上所述方式净化氢气之后即时的燃料电池堆10中的残留水量相加，获得时间tn处的燃料电池堆10中的水量Y(tn)。
控制器20可以基于燃料电池堆10中的水量，控制排放-净化阀40以净化燃料电池堆10中的氢气(步骤S700)。
上述配置的燃料电池系统可以获得每个预设时间间隔的水增加量/减少量，并且可以相应地获得每个预设时间间隔的燃料电池堆10中的水量。
也就是说，本公开的燃料电池系统可以获得实际留在燃料电池堆10中的水量，该水量对应于燃料电池堆10中产生的水量与由燃料电池堆10中的气流通过出口排出的水量之间的差值。因此，与仅计算燃料电池堆10中产生的水量的常规技术相比，本公开的燃料电池系统可以实时准确地获得实际留在燃料电池堆10中的水量。
基于实时检测到的燃料电池堆10中的水量，燃料电池系统可以确定燃料电池堆10中的水是否需要排出，并且可以在适当的时间排出水，从而防止燃料电池堆10的发电性能下降，并且提高燃料电池系统的耐久性。
虽然上面已参照附图描述了本公开的示例性实施方式，但是应当理解本公开不限于此，并且本公开所属领域的技术人员可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种修改和改变。

Claims (19)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，配置为通过氢气和空气的电化学反应产生电能和水；和
控制器，配置为基于所述燃料电池堆的输出功率和所述燃料电池堆中的水量随着时间流逝而汇聚的最大残留水量，计算所述燃料电池堆中的水量，
其中，所述控制器配置为还基于水从所述燃料电池堆排出之后即时的所述燃料电池堆中的残留水量，计算所述燃料电池堆中的水量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器配置为基于所述燃料电池堆的温度和所述燃料电池堆的输出功率，计算所述最大残留水量。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器配置为基于所述燃料电池堆中的水增加速率来计算所述燃料电池堆中的水量，所述水增加速率基于所述燃料电池堆的温度和所述燃料电池堆的输出功率。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，还包括：
存储器，配置为存储关于所述燃料电池堆的温度与所述水增加速率之间的关系和所述燃料电池堆的输出功率与所述水增加速率之间的关系的信息，
其中，所述控制器配置为基于存储在所述存储器中的所述信息、所述燃料电池堆的温度和所述燃料电池堆的输出功率，计算所述水增加速率。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器配置为在所述燃料电池堆中的水量小于所述最大残留水量时，以所述燃料电池堆中的水量在预设单位时间内以恒定斜率增加来进行计算。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器配置为在所述燃料电池堆中的水量超过所述最大残留水量时，以所述燃料电池堆中的水量在预设单位时间内以恒定斜率减少来进行计算。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器配置为在所述燃料电池堆中的水量等于所述最大残留水量时，以所述燃料电池堆中的水量在预设单位时间内恒定来进行计算。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器配置为在所述燃料电池堆中的水量小于所述最大残留水量时，通过使用所述燃料电池堆的输出功率的线性公式，计算所述燃料电池堆中的水量。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，在所述输出功率的线性公式中，基于所述燃料电池堆的温度获得与作为变量的输出功率相乘的值。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器配置为还基于自水从所述燃料电池堆排出时起经过的时间，计算所述燃料电池堆中的水量。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器配置为：
控制所述燃料电池堆执行氢气净化以从所述燃料电池堆排出水；并且
基于所述燃料电池堆的温度和所述氢气净化期间的氢气流量，计算所述燃料电池堆中的残留水量。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器配置为：
计算自水从所述燃料电池堆排出时起每个预设时间间隔内的所述燃料电池堆中的水增减量；并且
通过累加所述燃料电池堆中的残留水量和每个时间间隔内的水增减量，计算所述燃料电池堆中的水量。
13.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
阀，配置为打开/关闭所述燃料电池堆中的排水通道，
其中，所述控制器还配置为在所述燃料电池堆中的水量大于或等于预设阈值时，控制所述阀以将水从所述燃料电池堆排出。
14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池堆中的水量基于所述燃料电池堆中产生的水量与通过所述燃料电池堆中的气流从所述燃料电池堆排出的水量之间的差值。
15.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池堆，配置为通过氢气和空气的电化学反应产生电能和水；和
控制器，配置为基于所述燃料电池堆的输出功率和所述燃料电池堆中的水量随着时间流逝而汇聚的最大残留水量，计算所述燃料电池堆中的水量，
存储器，配置为存储关于所述燃料电池堆中的水增加速率的信息，并且存储关于水从所述燃料电池堆排出之后即时的残留水量的信息，两个信息都基于通过使用中子射线照相术拍摄所述燃料电池堆的图像而获得的数据。
16.一种用于控制燃料电池系统的方法，所述方法包括以下步骤：
基于燃料电池堆的输出功率，由控制器计算所述燃料电池堆中的水量随着时间流逝而汇聚的最大残留水量；和
基于所述最大残留水量和所述燃料电池堆的输出功率，由所述控制器计算所述燃料电池堆中的水量，
其中，计算所述燃料电池堆中的水量的步骤包括：
基于每个预设时间间隔内的最大残留水量和所述每个预设时间间隔内的所述燃料电池堆的平均输出功率，计算所述每个预设时间间隔内的所述燃料电池堆中的水增加速率；
基于所述每个预设时间间隔内的所述燃料电池堆中的水增加速率，计算所述每个预设时间间隔内的所述燃料电池堆中的水增减量；以及
通过累加水从所述燃料电池堆排出之后即时的所述燃料电池堆中的残留水量和所述每个预设时间间隔内的水增减量，计算所述燃料电池堆中的水量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，计算所述燃料电池堆中的水量的步骤包括：
基于所述燃料电池堆的温度和所述燃料电池堆的输出功率，由所述控制器计算所述燃料电池堆中的水增加速率；和
基于所述水增加速率，由所述控制器计算所述燃料电池堆中的水量。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：
由所述控制器计算自水从所述燃料电池堆排出时起每个预设时间间隔内的所述燃料电池堆的平均输出功率，
其中，计算所述最大残留水量的步骤包括：
基于每个预设时间间隔内的所述燃料电池堆的平均输出功率，计算每个预设时间间隔内的最大残留水量。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，还基于所述燃料电池堆的温度来计算所述最大残留水量。
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