CN111129542A - 燃料电池的氢气供应控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于燃料电池的氢气供应控制系统和控制方法。该系统包括：燃料电池堆，使用供应的氢气和空气来产生电力；以及再循环管线，将从燃料电池堆的出口排出的氢气供回到燃料电池堆的入口。吹扫阀设置在再循环管线中位于燃料电池堆的出口侧的位置处，并且在出口打开时将再循环管线中的氢气排放到外部。再循环确定处理器确定再循环管线的再循环状态，并且浓度估计器基于确定的再循环状态来估计由吹扫阀吹扫的每种气体的吹扫量，并基于每种气体的估计吹扫量来估计再循环管线中的氢气浓度。

Description

燃料电池的氢气供应控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的氢气供应控制系统以及控制方法，更具体地，涉及一种直接估计供应到燃料电池堆的氢气的浓度并执行吹扫(purge)控制以及氢气压力控制的技术。
背景技术
燃料电池将化学能转换成电能，该化学能源自分别由氢气供应器和空气供应器供应的氢气和氧气的氧化还原反应。燃料电池包括产生电能的燃料电池堆和用于冷却燃料电池堆的冷却系统。
氢气被供应到燃料电池的阳极侧，并且在阳极处发生氢气的氧化反应，从而产生氢离子(质子)和电子。氢离子和电子分别通过电解质膜和隔板输送到阴极。阴极通过电化学反应产生水，该电化学反应涉及从阳极移动的氢离子和电子以及空气中的氧气，通过电子的流动产生电能。在此过程中，需要将供应到燃料电池的阳极侧的氢气保持在预定的浓度水平，从而在氢气再循环管线中实现氢气吹扫控制。氢气吹扫控制通常实时估计氢气浓度并进行氢气吹扫控制，从而保持预定氢气浓度水平。
通常，不能估计燃料电池堆的阳极侧上的氢气浓度。因此，通过燃料电池的输出电流随时间积分、通过将加权因子和积分值相乘来定义Q值以及当Q值达到实验调整的参考值时执行吹扫的方法(电流积分控制方法)，来调节以维持燃料电池堆的阳极侧上的氢气浓度。
然而，采用这种传统的吹扫控制方法，并不清楚Q值和作为实际控制目标的氢气浓度之间的关系。因此，目标氢气浓度或目标氢气压力的标准不明确，从而，无法以最佳方式调节氢气浓度。此外，在燃料电池的输出电流为零的情况下(例如，在怠速停止区段中)，Q值不会增加，因此，可能无法进行吹扫。此外，根据诸如高速行驶或在城市(例如，拥挤区域)中行驶的行驶情况，可能无法适当地维持燃料电池的氢气浓度。
特别地，在燃料电池停止(FC停止)模式或燃料电池消耗很少氢气的低流量控制模式中，燃料电池的喷射器对于再循环管线的再循环效果相对不显著。因此，通过再循环管线的扩散不能充分地实现，因此，吹扫的效果不完全对应于再循环效果显著的状态
前述内容仅旨在帮助理解本发明的背景，并不意味着本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围。
发明内容
因此，本发明提供一种通过根据再循环管线的再循环速率反映由吹扫阀吹扫的每种气体的吹扫量的方式来估计燃料电池堆的阳极侧的氢气浓度并随后调节燃料电池的氢气供应的技术。
为了实现上述目的，根据本发明，一种用于燃料电池的氢气供应控制系统可以包括：燃料电池堆，使用供应的氢气和空气产生电力；再循环管线，将从燃料电池堆的出口排出的氢气供回到燃料电池堆的入口；吹扫阀，设置在再循环管线中位于燃料电池堆的出口侧的位置处，并且当出口打开时，将再循环管线中的氢气排放到外部；再循环确定处理器，配置为确定再循环管线的再循环状态；以及浓度估计器，配置为基于由再循环确定处理器确定的再循环管线的再循环状态，估计由从再循环管线连接到外部的吹扫阀吹扫的每种气体的吹扫量，并且基于每种气体的估计吹扫量来估计再循环管线中的氢气浓度。
该系统可以进一步包括：喷射器，设置在再循环管线中位于燃料电池堆的入口侧的位置处，并且连接到燃料箱以将燃料箱中的氢气供应到再循环管线。再循环确定处理器可以配置为基于燃料电池堆的输出电流来确定再循环状态。浓度估计器随后可以配置为根据再循环管线的再循环状态，对基于再循环管线中的气体均匀分布的假设而估计的氮气或氢气的浓度进行校正，并且使用校正的氮气或氢气浓度来估计氮气的吹扫量或氢气的吹扫量。该系统可以进一步包括：吹扫控制器，配置为基于估计的氢气浓度来调节吹扫阀的开度。
附加地，根据本发明，一种用于燃料电池的氢气供应控制方法可以包括：确定再循环管线的再循环状态，该再循环管线将从燃料电池堆的出口排出的氢气供回到燃料电池堆的入口；基于确定的再循环管线的再循环状态，估计由从再循环管线连接到外部的吹扫阀吹扫的每种气体的吹扫量；以及根据每种气体的估计吹扫量，估计再循环管线中的氢气浓度。
在确定再循环管线的再循环状态的步骤中，可以基于燃料电池堆的输出电流来确定再循环状态。在确定再循环管线的再循环状态的步骤中，当燃料电池堆的输出电流等于或大于预定第一电流的状态持续预定时间或更长时间时，可以确定再循环被激活。在确定再循环管线的再循环状态的步骤中，当燃料电池堆的输出电流等于或小于预定第二电流的状态持续预定时间或更长时间时，可以确定再循环被去激活。
在估计每种气体的吹扫量的步骤中，根据再循环管线的再循环状态，可以对基于再循环管线中的气体均匀分布的假设而估计的氮气或氢气浓度进行校正。此外，可以使用校正的氮气或氢气浓度来估计氮气的吹扫量或氢气的吹扫量。在估计每种气体的吹扫量的步骤中，假设再循环管线中的气体均匀分布而估计的氮气浓度可以通过反映根据再循环状态预先确定的非均匀性因子的方式被校正为降低或增加。
在估计每种气体的吹扫量的步骤中，响应于确定再循环被激活，可以使用实际估计的气体浓度(假设再循环管线中的气体均匀分布而估计的气体浓度)来估计每种气体的吹扫量。附加地，在估计再循环管线中的氢气浓度的步骤中，可以基于再循环管线中的总气体量、引入的渗透(crossover)氮气量、引入的渗透蒸汽量以及每种气体的估计吹扫量来估计氢气浓度。在估计再循环管线中的氢气浓度的步骤之后，该方法可以进一步包括：基于估计的氢气浓度来调节吹扫阀的开度。
根据本发明的用于燃料电池的氢气供应控制系统和控制方法，可以根据在再循环管线中再循环的气体量来更准确地估计由吹扫阀吹扫的气体的浓度。此外，通过反映每种气体的吹扫量，可以改善对再循环管线中的氢气浓度的估计的准确度。此外，可以确保系统的耐久性，并且可以通过改进的吹扫控制来改善燃料效率。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池的氢气供应控制系统的配置的视图；以及
图2是根据本发明的示例性实施例的燃料电池的氢气供应控制方法的流程图。
具体实施方式
可以理解的是，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他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)、公共汽车的客车、卡车、各种商用车辆；包括各种艇、船只的船舶，航空器等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧车辆、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)。
虽然示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是应理解，示例性过程也可以由一个或多个模块执行。另外，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装置。存储器配置为存储模块，并且处理器具体配置为执行所述模块，以执行下面进一步说明的一个或多个过程。
本文所使用的术语仅用于说明特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在同样包括复数形式，除非上下文另外明确指明。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”规定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有的组合。
除非特别说明或从上下文明显可见，如本文所使用的，词语“约”应理解为在本领域的正常容差范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“约”可理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文另外明确，否则本文提供的所有数值均由词语“约”修饰。
这里公开的本发明的示例性实施例的具体结构和功能描述仅用于说明本发明的示例性实施例的目的。在不脱离本发明的精神和重要特征的情况下，本发明可以以许多不同的形式实施。因此，仅出于说明性目的公开了本发明的示例性实施例，并且不应将其解释为限制本发明。
由于本发明的示例性实施例可以以许多不同的形式进行各种修改，因此现在将详细参照本发明的各种示例性实施例，其具体示例在附图中示出并在下面描述。虽然将结合本发明的示例性实施例描述本发明，但是应该理解，本说明书并不旨在将本发明限制于那些示例性实施例。相反，本发明不仅涵盖示例性实施例，还涵盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替换、修改、等同物和其他实施例。
应当理解，尽管第一、第二等词语可以用于描述各种元件，但这些元件不应限于该词语。这些词语仅用于将一元件与另一元件区分开。例如，在不脱离本发明的教导的情况下，第一元件可以被称为第二元件。类似地，第二元件也可以被称为第一元件。
应当理解，当一元件被称为“耦合”或“连接”到另一元件时，其可以直接耦合或连接到另一元件，或者可以在它们之间存在中间元件。相反，应该理解，当一元件被称为“直接耦合”或“直接连接”到另一元件时，不存在中间元件。此外，这里用来描述元件之间的关系的词语，例如，“在…之间”、“直接在…之间”、“相邻”或“直接相邻”，应该以与上述相同的方式解释。
除非以不同方式定义，否则这里使用的包括技术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。将进一步理解，诸如在通常使用的词典中定义的那些术语应被解释为具有与相关领域中的上下文含义相同的含义。除非在本申请中明确定义，否则不应将这些术语解释为具有理想或过于正式的含义。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。附图中相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图1是示出根据本发明示例性实施例的用于燃料电池的氢气供应控制系统的配置的视图。参照图1，根据本发明示例性实施例的用于燃料电池的氢气供应控制系统可以包括：燃料电池堆10，使用供应的氢气和空气来产生电力；再循环管线20，将从燃料电池堆10的出口排出的氢气供回到燃料电池堆10的入口；吹扫阀40，设置在再循环管线20中位于燃料电池堆10的出口侧的位置处，并且在出口打开时将再循环管线20中的氢气排放到外部；再循环确定处理器50，配置为确定再循环管线20的再循环状态；以及浓度估计器60，配置为基于由再循环确定处理器50确定的再循环管线20的再循环状态，估计由从再循环管线20连接到外部的吹扫阀40吹扫的每种气体的吹扫量，并且基于每种气体的估计吹扫量来估计再循环管线20中的氢气浓度。
燃料电池堆10中具有膜电极组件(MEA)，并且通过氢气和空气中的氧气之间的化学反应来产生电力。再循环管线20可以连接到燃料电池堆10的阳极侧并且可以将氢气供应到燃料电池堆10。具体地，再循环管线20可以连接为用于将从燃料电池堆10的出口排出的氢气供回到燃料电池堆10的入口。
吹扫阀40可以设置在再循环管线20中位于燃料电池堆10的出口侧的位置处。根据打开吹扫阀40的吹扫控制，可以将再循环管线20中包含氢气的气体排放到外部。根据吹扫控制，可以将再循环管线20中包含杂质的气体排放到外部，并且可以供应纯氢以维持再循环管线20中的氢气浓度。
特别地，再循环确定处理器50可以配置为确定再循环管线20的再循环状态。具体地，再循环确定处理器50可以配置为确定再循环管线20中的气体在快速循环时是否保持均匀状态或者再循环管线20中的气体是否几乎稳定在非均匀状态。由于在发动机关闭阶段或FC停止模式中很少发生再循环管线20的再循环并且由于氢气、氧气和蒸汽渗透穿过MEA而导致局部引入杂质的影响，所以出现浓度的非均匀状态。
此外，在再循环管线20中的气体被排放到外部的吹扫控制期间，通过吹扫阀40排出的相应吹扫气体的浓度可能受到再循环状态的影响。因此，浓度估计器60可以配置为基于由再循环确定处理器50确定的再循环管线20的再循环状态来估计由从再循环管线20连接到外部的吹扫阀40吹扫的每种气体的吹扫量。此外，浓度估计器60可以配置为基于每种气体的估计吹扫量来估计再循环管线20中的氢气浓度。
根据本发明，可以根据再循环管线20中再循环气体的量来更准确地估计通过吹扫阀40吹扫的气体的浓度。因此，可以通过反映每种气体更准确的吹扫量来改善对再循环管线20中的氢气浓度进行估计的准确度。特别地，根据相关技术估计氢气浓度的技术假设再循环管线20中的气体浓度相同。通过该技术，在燃料电池车辆的行驶期间经常出现FC停止的行驶模式中，氢气的实际浓度与氢气的估计浓度之间存在显著误差。然而，根据本发明，通过在FC停止模式或低流量控制模式中改变再循环管线20中吹扫的气体的浓度，可以改善估计的准确度，从而减少误差。
该系统可以进一步包括喷射器30，其设置在再循环管线20中位于燃料电池堆10的入口侧的位置处，并且连接到燃料箱以将燃料箱中的氢气供应到再循环管线20。喷射器30可以设置在再循环管线20和燃料箱之间。根据喷射器30的特性，由于再循环管线20中在燃料电池堆10的入口侧和出口侧之间的压差，从而出现再循环管线20的再循环。因此，在FC停止模式或低流量控制模式期间，其中燃料电池堆10的入口侧和出口侧之间的压差最小，再循环管线20的再循环状态可以被去激活并且可以发生回流。因此，可以确定再循环状态以反映每种气体的吹扫量的估计结果。
再循环确定处理器50可以配置为基于燃料电池堆10的输出电流来确定再循环状态。然后，浓度估计器60可以配置为根据再循环管线20的再循环状态，对基于再循环管线20中的气体均匀分布的假设而估计的氮气或氢气的浓度进行校正，并且使用校正的氮气或氢气浓度来估计氮气的吹扫量或氢气的吹扫量。
该系统可以进一步包括吹扫控制器70，其配置为基于估计的氢气浓度来调节吹扫阀40的开度。根据具有改进的准确度的氢气浓度的估计，通过改进的吹扫控制，吹扫控制器70确保系统的耐久性，并且改善燃料效率。
在下文中，将详细描述其控制方法。下面描述的控制方法可以由具有处理器和存储器的系统的控制器执行。
图2是根据本发明的示例性实施例的燃料电池的氢气供应控制方法的流程图。再次参照图2，根据本发明示例性实施例的用于燃料电池的氢气供应控制方法可以包括：确定再循环管线20的再循环状态，该再循环管线将从燃料电池堆10的出口排出的氢气供回到燃料电池堆10的入口(S400)；基于确定的再循环管线20的再循环状态，估计由从再循环管线20连接到外部的吹扫阀40吹扫的每种气体的吹扫量(S410、S420和S500)；以及基于每种气体的估计吹扫量来估计再循环管线20中的氢气浓度(S600)。
具体地，在确定再循环管线20的再循环状态的步骤(S400)中，可以基于燃料电池堆10的输出电流来确定再循环状态。燃料电池堆10的输出电流与燃料电池堆10中消耗的氢气量成比例。燃料电池堆10中消耗的氢气量可以是产生的氢气量和氢气渗透量之和。特别地，产生的氢气量直接与燃料电池堆10的输出电流成比例。
当消耗的氢气量增加时，通过喷射器30从燃料箱供应的氢气量增加。结果，燃料电池堆10的入口侧和出口侧之间的压差增大，由此再循环管线20的流量增大。换句话说，当燃料电池堆10的输出电流增大时，可以确定再循环管线20的再循环状态被激活。更具体地，在确定再循环管线20的再循环状态的步骤(S400)中，当燃料电池堆10的输出电流等于或大于预定第一电流的状态持续预定时间或更长时间时，可以确定再循环状态被激活。
在确定再循环管线20的再循环状态的步骤(S400)中，当燃料电池堆10的输出电流等于或小于预定第二电流的状态持续预定时间或更长时间时，可以确定再循环状态被去激活。预定时间反映了取决于气体惯性的延迟效应。即使当消耗的氢气量瞬间增加时，根据通过喷射器30的氢气供应反映再循环管线20的再循环效果也会发生时间延迟。预定时间可以是通过实验测量的延迟时间，并且可以例如约为三秒。
可以将第一电流设定为使得燃料电池堆10的输出电流足够大以使燃料电池堆10中消耗的氢气量显著增加的程度。相反，第二电流可以设定为燃料电池堆10的输出电流较小以使得燃料电池堆10中消耗的氢气量较小的状态。
例如，第一电流可以设定为5[A]，以及第二电流可以设定为3[A]。第一电流和第二电流可以根据燃料电池堆10的尺寸来设定。
在估计每种气体的吹扫量的步骤(S410、S420和S500)中，可以根据再循环管线20的再循环状态，对基于再循环管线20中的气体均匀分布的假设而估计的氮气或氢气的浓度进行校正。随后，可以使用校正的氮气或氢气浓度来估计氮气的吹扫量或氢气的吹扫量。
假设再循环管线20中的气体均匀分布，可以估计氮气或氢气的浓度。具体地，可以使用再循环管线20中的总气体量、引入的渗透氮气量、引入的渗透蒸汽量以及每种气体的估计吹扫量来估计氮气或氢气的浓度。
再循环管线20中的气体总量nAn可以根据理想气体定律使用再循环管线20的气体压力P、体积V和温度T估计，如下式所示。
Figure BDA0002031952210000091
其中，R是气体常数，8.314[J/mol·K]。
气体扩散速率可以与燃料电池堆10的电解质膜的厚度成反比，并且可以与阳极侧和阴极侧之间的气体分压的差成正比。具体而言，通过应用以下菲克扩散定律计算渗透气体的量。
Figure BDA0002031952210000092
其中，
Figure BDA0002031952210000093
是气体扩散的质量比率，A是扩散面积，D是气体的扩散系数，x是扩散长度，c是气体浓度，R是气体常数(8.314J/mol·K)，P是气体压力，T是气体温度，以及M是气体摩尔质量[g/mol]。总结如下。
Figure BDA0002031952210000094
Figure BDA0002031952210000095
其中，
Figure BDA0002031952210000096
是气体扩散速率[mol/s]。
换句话说，可以通过以下等式计算在燃料电池堆10的电解质膜之间渗透的气体量。
Figure BDA0002031952210000097
其中
Figure BDA0002031952210000098
是氮的扩散速率，P是压力[kPa]，R是气体常数(8.314J/mol·K)，T是温度[K]，D是扩散系数，A是电解质膜的面积，δ是电解质膜的厚度，PCa,N2是燃料电池阴极侧的氮气分压，以及PAn,N2是燃料电池阳极侧的氮气分压。
Figure BDA0002031952210000101
其中，
Figure BDA0002031952210000102
是蒸汽的扩散速率，P是压力[kPa]，R是气体常数(8.314J/mol·K)，T是温度[K]，D是扩散系数，A是电解质膜的面积，δ是电解质膜的厚度，PCa,V是燃料电池阴极侧的蒸汽分压，以及PAn,V是燃料电池阳极侧的蒸汽分压。
与氮气和蒸汽相反，氢气可以从燃料电池的阳极侧渗透到阴极侧。
Figure BDA0002031952210000103
其中，
Figure BDA0002031952210000104
是氢气扩散速率，P是压力[kPa]，R是气体常数(8.314J/mol·K)，T是温度[K]，D是扩散系数，A是电解质膜的面积，δ是电解质膜的厚度，PAn,H2是燃料电池阳极侧的氢气分压，以及PCa,H2是燃料电池阴极侧的氢气分压。
此外，气体扩散速率与气体扩散系数成比例，并且气体扩散系数可以根据设置在燃料电池的阳极侧和阴极侧之间的电解质膜的水含量和温度而变化。
尽管气体扩散系数D可以是固定的恒定值，但是气体扩散系数D可以根据例如燃料电池的劣化程度和温度的燃料电池状态而变化，以提高计算的准确度。更具体地，可以使用根据设置在燃料电池的阳极侧和阴极侧之间的电解质膜的水含量和温度而变化的值来计算气体扩散系数D。此外，当燃料电池堆10的电解质膜劣化时，可以计算气体扩散系数D发生变化。
气体的吹扫速率
Figure BDA0002031952210000105
可以与阳极侧的气体压力(PAn)和其外部的气体压力(Pout)之间的差值成比例。外部的气体压力(Pout)可以是阴极侧的气体压力。详细等式可以如下。
Figure BDA0002031952210000106
其中，C是吹扫增益值，其可以是由吹扫周期、吹扫期间吹扫阀40的开度和吹扫阀的打开时间确定的值。
具体地，每种气体的吹扫速率可以通过以下等式计算(氮气的吹扫速率
Figure BDA0002031952210000107
蒸汽的吹扫速率
Figure BDA0002031952210000108
和氢气的吹扫速率
Figure BDA0002031952210000111
Figure BDA0002031952210000112
Figure BDA0002031952210000113
Figure BDA0002031952210000114
可以估计再循环管线20中的初始氮气和蒸汽量。可以分别计算阳极侧上的渗透氮气量和渗透蒸汽量以及氮气和蒸汽的吹扫量。可以基于渗透氮气量和氮气的吹扫量来计算再循环管线20中的当前氮气量。因此，可以基于预测的初始蒸汽量、渗透蒸汽量和蒸汽吹扫量来计算再循环管线20中的当前蒸汽量。
换句话说，可以使用上述等式，通过每单位时间对扩散速率和吹扫速率进行积分并与初始量相加来计算氮气和蒸汽的当前量。当前氢气量可以通过从再循环管线20中的气体量中减去氮气和蒸汽的当前量来计算。因此，假设气体在再循环管线20中均匀分布，可以通过计算再循环管线20中的气体量以及氮气、蒸汽和氢气的当前量，分别估计氮气浓度和氢气浓度。
具体地，能够基于再循环管线20的再循环状态来校正估计的氮气浓度和估计的氢气浓度，并且使用校正的氮气或氢气的浓度来估计氮气的吹扫量和氢气的吹扫量。当再循环管线20中的气体均匀分布时，可以如下估计每种气体的吹扫量。
氢气吹扫量＝(总吹扫量)*(氢气量/再循环管线20中的气体量)
氮气吹扫量＝(总吹扫量)*(氮气量/再循环管线20中的气体量)
蒸汽吹扫量＝(总吹扫量)*(蒸汽量/再循环管线20中的气体量)
然而，当再循环状态被去激活时，可能无法假设再循环管线20中的气体均匀分布。因此，能够通过反映非均匀性因子来校正再循环管线20中的氮气或氢气的浓度。非均匀性因子可以是正数预定固定值，或者可以是取决于再循环的去激活水平的多个变量值。
具体地，以反映根据再循环状态预先确定的非均匀性因子的方式，如下面的等式，能够将假设再循环管线20中的气体均匀分布而估计的氮气浓度校正为降低。相反，能够将假设再循环管线20中的气体均匀分布而估计的氢气浓度校正为增加。
氢气吹扫量＝(1+非均匀性因子)*(总吹扫量)*(氢气量/再循环管线20中的气体量)
氮气吹扫量＝(1+非均匀性因子)*(总吹扫量)*(氮气量/再循环管线20中的气体量)
蒸汽吹扫量＝(总吹扫量)*(蒸汽量/再循环管线20中的气体量)
当再循环管线20的再循环被去激活时，由于没有从燃料电池堆10侧扩散渗透氮气并且渗透氮气没有因惯性而移动，所以由吹扫阀40吹扫的氮气的浓度降低。相反，氢气的浓度大于假设的氢气浓度。但是，可以假设蒸汽浓度没有差异。
相反，在估计每种气体的吹扫量的步骤(S410、S420和S500)中，响应于确定再循环状态被激活，能够使用实际估计的气体浓度来估计每种气体的吹扫量。换句话说，响应于确定再循环被激活，可以假设再循环管线20中的气体均匀分布。因此，能够以非均匀性因子为零来代替。
在估计再循环管线20中的氢气浓度的步骤(S600)中，可以基于再循环管线20中的总气体量、引入的渗透氮气量、引入的渗透蒸汽量、以及每种气体的估计吹扫量来估计氢气浓度。当如上所述估计再循环管线20中的总气体量、引入的渗透氮气量和引入的渗透蒸汽量时，可以考虑非均匀性因子来估计每种气体的吹扫量，从而估计氮气吹扫量或氢气吹扫量。
具体地，估计再循环管线20中的氢气浓度的方法可以包括使用压力传感器测量再循环管线20的压力并使用理想气体定律计算再循环管线20中的气体总量(S100)。此外，如上所述，可以使用扩散方程计算渗透氮气量和渗透蒸汽量(S200)。
此外，可以计算由再循环管线20与外部之间的压力差吹扫的气体量(S300)，其中，吹扫阀40介于两者之间。基于再循环状态，可以根据吹扫的气体量估计氮气量和蒸汽量(S410、S420和S500)。当再循环状态被激活时，可以原样使用估计的氮气浓度(S410)。当再循环状态被去激活时，吹扫氮气量可以反映非均匀性因子(S420)。
再循环管线20中的蒸汽量和氮气量可以通过将再循环管线20中的初始蒸汽量和初始氮气量与渗透量和吹扫量(通过关于时间对扩散速率和吹扫速率进行积分而获得)相加来估计，并且因此，可以估计氢气量和氢气浓度(S600)。在估计再循环管线20中的氢气浓度(S600)之后，该方法可以进一步包括基于估计的氢气浓度来调节吹扫阀40的开度(S700)。
此外，当氢气浓度处于预定下限值时，为了将再循环管线20中的氢气浓度保持在预定范围内，可以将吹扫阀40保持在打开状态达预定时间或保持打开直到氢气浓度达到预定上限值。因此，能够以改进的准确度估计氢气浓度，从而防止进行不必要的吹扫。此外，能够适当地控制吹扫的执行以将氢气浓度维持在预定浓度或更高浓度，从而改善燃料效率并改善燃料电池堆10的耐久性。
尽管已经参照附图描述了本发明的特定示例性实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，能够进行各种修改、添加和替换。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池的氢气供应控制系统，包括：
燃料电池堆，使用供应的氢气和空气产生电力；
再循环管线，将从所述燃料电池堆的出口排出的氢气供回到所述燃料电池堆的入口；
吹扫阀，设置在所述再循环管线中位于所述燃料电池堆的出口侧的位置处，并且当所述出口打开时，将所述再循环管线中的氢气排放到外部；
再循环确定处理器，配置为确定所述再循环管线的再循环状态；以及
浓度估计器，配置为基于由所述再循环确定处理器确定的再循环管线的再循环状态，估计由从所述再循环管线连接到外部的吹扫阀吹扫的每种气体的吹扫量，并且基于每种气体的估计吹扫量来估计所述再循环管线中的氢气浓度。
2.如权利要求1所述的系统，还包括：
喷射器，设置在所述再循环管线中位于所述燃料电池堆的入口侧的位置处，并且连接到燃料箱以将所述燃料箱中的氢气供应到所述再循环管线。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述再循环确定处理器配置为基于所述燃料电池堆的输出电流来确定再循环状态。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述浓度估计器配置为根据所述再循环管线的再循环状态，对基于所述再循环管线中的气体均匀分布的假设而估计的氮气或氢气的浓度进行校正，并且使用校正的氮气或氢气浓度来估计氮气的吹扫量或氢气的吹扫量。
5.如权利要求1所述的系统，还包括：
吹扫控制器，配置为基于估计的氢气浓度来调节所述吹扫阀的开度。
6.一种用于燃料电池的氢气供应控制方法，包括以下步骤：
通过控制器确定再循环管线的再循环状态，所述再循环管线将从燃料电池堆的出口排出的氢气供回到所述燃料电池堆的入口；
基于确定的再循环管线的再循环状态，通过所述控制器估计由从所述再循环管线连接到外部的吹扫阀吹扫的每种气体的吹扫量；以及
基于每种气体的估计吹扫量，通过所述控制器估计所述再循环管线中的氢气浓度。
7.如权利要求6所述的方法，其中，在确定所述再循环管线的再循环状态的步骤中，基于所述燃料电池堆的输出电流来确定再循环状态。
8.如权利要求7所述的方法，其中，在确定所述再循环管线的再循环状态的步骤中，当所述燃料电池堆的输出电流等于或大于预定第一电流的状态持续预定时间或更长时间时，确定所述再循环状态被激活。
9.如权利要求7所述的方法，其中，在确定所述再循环管线的再循环状态的步骤中，当所述燃料电池堆的输出电流等于或小于预定第二电流的状态持续预定时间或更长时间时，确定所述再循环状态被去激活。
10.如权利要求6所述的方法，其中，在估计每种气体的吹扫量的步骤中，根据所述再循环管线的再循环状态，对基于所述再循环管线中的气体均匀分布的假设而估计的氮气或氢气的浓度进行校正，并且使用校正的氮气或氢气浓度来估计氮气的吹扫量或氢气的吹扫量。
11.如权利要求10所述的方法，其中，在估计每种气体的吹扫量的步骤中，通过反映根据所述再循环状态预先确定的非均匀性因子来将假设所述再循环管线中的气体均匀分布而估计的氮气浓度校正为降低或增加。
12.如权利要求6所述的方法，其中，在估计每种气体的吹扫量的步骤中，当确定所述再循环状态被激活时，使用实际估计的气体浓度来估计每种气体的吹扫量，该估计的气体浓度为假设所述再循环管线中的气体均匀分布而估计的气体浓度。
13.根据权利要求6所述的方法，其中，在估计所述再循环管线中的氢气浓度的步骤中，基于所述再循环管线中的总气体量、引入的渗透氮气量、引入的渗透蒸汽量以及每种气体的估计吹扫量来估计氢气浓度。
14.根据权利要求6所述的方法，还包括：
在估计所述再循环管线中的氢气浓度之后，基于估计的氢气浓度，通过所述控制器调节所述吹扫阀的开度。
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