CN116487656A - 燃料电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法，其可以通过设置燃料电池的相对湿度及温度和压力条件以保持恒定的电流密度，从而调节燃料电池中冷凝水的产生，并且可以通过以下方式减轻燃料电池在运行期间的性能变差：通过向燃料电池中注入阴极压力脉冲来去除产生的过量冷凝水。

Description

燃料电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法，其可以通过设置燃料电池的相对湿度及温度和压力条件以保持恒定的(constant)电流密度，从而调节燃料电池中冷凝水的产生，并且可以通过以下方式减轻燃料电池在运行期间的性能变差：通过向燃料电池中注入阴极压力脉冲而去除产生的过量冷凝水。
背景技术
燃料电池通过作为燃料的氢气与空气中的氧气之间的电化学反应来产生电能。这些燃料电池适用于燃料电池车辆等，通过使用燃料电池产生的电能使电动机运行，从而对燃料电池车辆进行驱动。
通常，聚合物电解质燃料电池(polymer electrolyte fuel cell，PEFC)包括燃料电池堆，燃料电池堆包括多个单元电池。在每个单元电池中，阳极和阴极布置在电解质膜的两侧以形成膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)，并且MEA布置在隔板(separator)(双极板)之间。在燃料电池中，作为燃料的氢气被供应至阳极(即，燃料电极)，而氧气被供应至阴极(即，空气电极或氧电极)。
供应至阳极的氢气由阳极和阳极催化剂层中的催化剂分离成质子和电子。质子穿过作为阳离子交换膜的电解质膜迁移至阴极，而电子穿过气体扩散层(gas diffusionlayer，GDL)和隔板转移至阴极。穿过电解质膜供应的质子和穿过隔板转移的电子在阴极与氧气反应，从而产生水。
在此，产生的水(即，冷凝水)降低了催化剂层的活性表面积，从而导致电化学反应的损失，并且增加了传质阻力，从而导致压降并使燃料电池的性能变差。此外，燃料电池中的水用作质子的传递介质，因此，实质上需要适量的水以使燃料电池运行。
亦即，不仅在冷凝水溢出的溢流状态下，而且在冷凝水不足的干涸状态下，燃料电池的性能都会变差，因此，需要适当地调节燃料电池中产生的冷凝水。
为了解决这样的问题，在常规的燃料电池车辆以正常状态长时间行驶时，如果出现该问题时，燃料电池系统会暂时停止或变为空闲模式以维持水平衡,然后重新运行。
公开于该背景技术部分的以上信息仅用于增强对本发明的背景的理解，其不应解释为本领域技术人员已知的常规技术。
发明内容
因此，本发明致力于解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种燃料电池系统及其控制方法，其可以通过设置燃料电池的相对湿度及温度和压力条件以保持恒定的电流密度，从而调节燃料电池中冷凝水的产生，并且可以通过以下方式减轻燃料电池在运行期间的性能变差：通过向燃料电池中注入阴极压力脉冲来去除产生的过量冷凝水。
根据本发明的一个方面，上述目的和其他目的可以通过提供一种用于控制燃料电池系统的方法来实现，所述方法包括：由控制器推导燃料电池的目标相对湿度，由控制器推导燃料电池的运行条件以实现燃料电池的目标相对湿度，由控制器基于推导出的运行条件来控制燃料电池的运行，测量燃料电池的输出电压，以及在燃料电池的输出电压小于目标输出电压参考值时，由控制器控制燃料电池的空气供应器以形成脉冲，从而向燃料电池供应空气。
在推导目标相对湿度时，可以推导阳极和阴极的通道的目标相对湿度，并且可以根据通道的目标相对湿度来推导通道的目标温度和压力条件；在推导运行条件时，可以根据通道的推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
阳极和阴极的通道的目标相对湿度可以是配置为使根据所设定的车辆的目标输出电压参考值设置的电流密度保持均匀的相对湿度。
在推导目标相对湿度时，可以通过通道的推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的除通道之外的反应部分的预期相对湿度，并且可以校正通道的目标温度和压力条件以使得反应部分的预期相对湿度满足反应部分的目标相对湿度；在推导运行条件时，可以根据通道的经校正的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
在推导目标相对湿度时，当阳极和阴极的通道的目标温度和压力条件不对应于最低温度和最高压力条件的范围时，可以校正阳极和阴极的通道的目标相对湿度，并且可以根据通道的经校正的目标相对湿度来重新推导通道的目标温度和压力条件；在推导运行条件时，可以根据对应于经校正的目标相对湿度的通道的重新推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
在推导目标相对湿度时，当阳极和阴极的通道的经校正的目标温度和压力条件不对应于最低温度和最高压力条件的范围时，可以校正阳极和阴极的通道的目标相对湿度，并且可以根据通道的经校正的目标相对湿度来重新推导通道的目标温度和压力条件；在推导运行条件时，可以根据对应于经校正的目标相对湿度的通道的重新推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
控制空气供应器可以包括：将测得的输出电压与目标输出电压参考值进行比较，根据比较结果通过控制燃料电池的空气供应器来形成阴极压力脉冲，以及将形成的阴极压力脉冲注入到燃料电池中。
本方法可以进一步包括：在将形成的阴极压力脉冲注入到燃料电池中之后，测量取决于阴极压力脉冲的注入的输出电压，将测得的输出电压与目标输出电压参考值进行比较，以及根据比较结果控制空气供应器以校正阴极压力脉冲。
由控制器测得的取决于阴极压力脉冲的注入的输出电压可以是每隔预定的时间测得的区段电压。
本方法可以进一步包括：在形成阴极压力脉冲之后，将形成的阴极压力脉冲的压力值与预定的极限压力值进行比较，以及根据比较结果确定是否将阴极压力脉冲注入到燃料电池中。
当形成的阴极压力脉冲的压力值达到预定的极限压力值时，控制器可以根据目标输出电压参考值来校正电流密度。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池系统，其包括：燃料电池堆，其包括阳极和阴极的通道以及在这两个通道之间的反应部分；氢气供应器，其配置为将氢气供应至燃料电池堆的阳极的通道；空气供应器，其配置为将空气供应至燃料电池堆的阴极的通道；以及控制器，其配置为推导燃料电池的目标相对湿度和燃料电池的取决于目标相对湿度的运行条件，基于推导出的运行条件来控制燃料电池的运行，测量燃料电池的输出电压，以及在燃料电池的输出电压小于目标输出电压参考值时，控制燃料电池的空气供应器以形成脉冲，从而向燃料电池供应空气。
附图说明
通过以下结合附图进行的详细描述将更为清楚地理解本发明的上述及其他目的、特征和其他优点，其中：
图1是示出根据本发明的一个实施方案的用于控制燃料电池系统的方法的流程图；
图2是示出在根据本发明的一个实施方案的燃料电池系统的燃料电池堆的各个内部位置的相对湿度的分布的曲线图；
图3是示出在根据本发明的一个实施方案的用于控制燃料电池系统的方法中、在注入阴极压力脉冲之前的燃料电池堆的内部状态的视图；
图4是示出通过应用基于根据本发明的一个实施方案的燃料电池系统及其控制方法的运行条件而得到的在压降方面的改善的曲线图来；以及
图5是示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池系统的视图。
具体实施方式
在以下对本发明的实施方案的描述中，术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指明存在所述的特征、数值、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合，但是不排除存在或加入一个或多个其他的特征、数值、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。
此外，诸如“第一”和“第二”的术语仅用于描述各种元件，而这些元件不应被解释为受这些术语的限制。这些术语仅旨在用于将一个元件与其他元件进行区分。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，在下文描述的第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，在下文描述的第二元件可以被称为第一元件。
在下文，将参考附图来详细地描述本发明的各个实施方案的配置和功能原理。
图1是示出根据本发明的一个实施方案的用于控制燃料电池系统的方法的流程图，图3是示出在根据本发明的一个实施方案的用于控制燃料电池系统的方法中、在注入阴极压力脉冲之前的燃料电池堆的内部状态的视图，图5是示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池系统的视图。
参考图1，根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法包括：由控制器推导燃料电池的目标相对湿度(S200、S210、S220、S230和S240)，由控制器推导燃料电池的运行条件以实现燃料电池的目标相对湿度(S300)，由控制器基于推导出的运行条件来控制燃料电池的运行，测量燃料电池的输出电压(S400)，以及在燃料电池的输出电压小于目标输出电压参考值时，由控制器控制燃料电池的空气供应器以形成脉冲，从而向燃料电池供应空气(S500、S510、S511、S520和S530)。
根据本发明的一个示例性实施方案的控制器可以通过非易失性存储器(未示出)和处理器(未示出)来实施，所述非易失性存储器配置为存储算法(其配置为控制车辆的各种元件的操作)或与再现所述算法的软件指令有关的数据，所述处理器配置为使用存储在相应存储器中的数据来执行下面描述的操作。在此，存储器和处理器可以实施为单独的芯片。或者，存储器和处理器可以实施为单个集成芯片，并且处理器可以以一个或多个处理器的形式提供。
通常，燃料电池堆包括阳极、阴极、催化剂层、扩散层和膜。供应至燃料电池堆的阳极的氢气由阳极和阳极催化剂层中的催化剂分离成质子和电子，质子和电子在阴极与氧气反应生成水。产生的水(即，冷凝水)增加了传质阻力，从而导致压降，这种压降往往与阴极和阴极催化剂层之间的界面处的相对湿度成比例。
压降与燃料电池的性能变差直接相关，因此，执行根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法，使得控制器推导燃料电池的目标相对湿度，以改善这种压降。亦即，在S300根据用于改善压降的目标相对湿度来推导燃料电池的运行条件，并且基于推导出的运行条件来控制燃料电池的运行，从而能够改善燃料电池的性能变差。
作为参考，在本发明的以下描述中，基于对应于目标相对湿度的运行条件来控制燃料电池的运行的状态将被定义为正常状态或正常状态运行。
根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法可以应用于燃料电池车辆等，并且燃料电池的所需目标输出电压根据在车辆行驶过程中车辆的行驶速度或道路的坡度而改变。因此，取决于各种行驶情况，需要在燃料电池以正常状态运行期间测量燃料电池的实际输出电压并且将测得的实际输出电压与目标输出电压参考值进行比较。
亦即，可以理解，在S400基于推导出的运行条件控制燃料电池并测量燃料电池的输出电压的原因是：为了应对在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法所适用的车辆行驶过程中可能引起的各种行驶情况。
根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法包括：在燃料电池的输出电压小于目标输出电压参考值时，由控制器控制燃料电池的空气供应器以形成脉冲，从而向燃料电池供应空气(S500、S510、S511、S520和S530)。
当燃料电池系统以正常状态长时间运行时，冷凝水会积聚在燃料电池的单元电池中。如上所述，冷凝水增加了传质阻力并因此导致压降，从而在过量冷凝水积聚的溢流状态下，测得的燃料电池的输出电压低于目标输出电压参考值。
因此，在这种情况下，需要适当地去除积聚的过量冷凝水。出于该目的，根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法包括：控制燃料电池的空气供应器以形成脉冲，从而向燃料电池供应空气(S500、S510、S511、S520和S530)，从而通过形成的脉冲去除积聚的过量冷凝水。图3示出在去除冷凝水之前的燃料电池堆的状态，下面将参考根据本发明的方法的各个步骤及其功能原理对这种状态进行进一步的详细描述。
在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，在推导目标相对湿度(S200、S210、S220、S230和S240)时，可以推导阳极和阴极的通道的目标相对湿度(S200)，并且可以根据通道的目标相对湿度来推导通道的目标温度和压力条件(S210)；在推导运行条件(S300)时，可以根据通道的推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
相对湿度意指通过将特定温度下的蒸气压除以该温度下的饱和蒸气压而获得的值，因此表示为温度和压力的函数。因此，当设定有目标相对湿度时，根据目标相对湿度推导目标温度和压力条件。
具体地，在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，在推导目标相对湿度(S200、S210、S220、S230和S240)时，推导燃料电池的阳极和阴极的通道的目标相对湿度(S200)，并且根据通道的目标相对湿度来推导通道的目标温度和压力条件(S210)。此外，在推导运行条件(S300)时，根据通道的推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。因此，燃料电池被控制为基于推导出的运行条件在正常状态下运行，因此燃料电池的性能变差可以得到改善。
在此，根据通道的目标温度和压力条件推导出的运行条件通过以下方式来实现：使用单独设置、冷却剂在其中流动的冷却装置调节温度，并且调节从氢气供应器和空气供应器供应至燃料电池的气体的压力。
阳极和阴极的通道的目标相对湿度可以是配置为使电流密度保持均匀的相对湿度，所述电流密度是在S100根据设定的车辆的目标输出电压参考值设置的。
作为燃料电池的核心部分的催化剂层在催化剂层的具有高电流密度的部分变差得更快。因此，为了确保燃料电池的耐久性和燃料电池的稳定运行，可以在燃料电池的整个反应区域中实现电流密度的均匀分布。电流密度的分布受到阳极和阴极的通道的相对湿度的影响，因此为了提高电流密度的均匀性，需要调节通道的相对湿度。
因此，在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，设置恒定的电流密度，并且基于使设定的电流密度保持均匀性的、阳极和阴极的通道的目标相对湿度来控制燃料电池的运行，从而最终实现燃料电池在正常状态下的稳定运行并确保燃料电池的耐久性。
如上所述，燃料电池的所需目标输出电压根据车辆的各种行驶情况而变化。基于根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法所设定的恒定的电流密度可以理解为对应于在车辆行驶过程中频繁变化的燃料电池的目标输出电压参考值而推导出的电流密度。
在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，在推导目标相对湿度(S200、S210、S220、S230和S240)时，在S220通过通道的推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的除通道之外的反应部分的预期相对湿度，校正通道的目标温度和压力条件以使得在S230反应部分的预期相对湿度满足反应部分的目标相对湿度；在S300推导运行条件时，可以根据通道的经校正的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
在此，反应部分是指燃料电池堆的除了阳极和阴极的通道之外的其余部分。亦即，在本发明的描述中，在一般的燃料电池堆的元件中，除了阳极和阴极之外的包括催化剂层、扩散层和膜的区域将被定义为反应部分。
此外，将参考图2对反应部分的预期相对湿度进行进一步的描述。图2是示出在根据本发明的一个实施方案的燃料电池系统的燃料电池堆的各个内部位置的相对湿度的曲线图。
如上所述，供应至阳极的氢气由催化剂分离成质子和电子，质子和电子在阴极与氧气反应生成水，从而将阴极的通道的目标相对湿度设置为高于阳极的通道的目标相对湿度。
由于阳极的通道的目标相对湿度和阴极的通道的目标相对湿度设置为不同的值，反应部分的相对湿度分布可以形成恒定的(constant)梯度，如在图2的区域A中所示。亦即，可以通过多次实验对梯度值进行测量来获取反应部分的目标相对湿度的误差范围分布数据。
以这种方式数据化的分布值(distribution value)作为反应部分的目标相对湿度存储在控制器的主存储器中。将通过通道的目标温度和压力条件推导出的反应部分的预期相对湿度与反应部分的目标相对湿度进行比较。当反应部分的预期相对湿度偏离反应部分的目标相对湿度的范围作为比较结果时，重复如下过程：通过校正通道的目标温度和压力条件来重新推导反应部分的预期相对湿度，将重新推导出的预期相对湿度与目标相对湿度的范围进行比较，直到重新推导出的预期相对湿度满足目标相对湿度的范围。
当预期相对湿度满足目标相对湿度的范围时，根据此时通道的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。因此，基于推导出的运行条件来控制燃料电池以使其在正常状态下运行，从而燃料电池的性能变差可以得到改善。
此外，在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，在推导目标相对湿度(S200、S210、S220、S230和S240)时，当在S240阳极和阴极的通道的目标温度和压力条件不对应于最低温度和最高压力条件的范围时，校正阳极和阴极的通道的目标相对湿度，并且根据通道的经校正的目标相对湿度来重新推导通道的目标温度和压力条件；在S300推导运行条件时，可以根据对应于经校正的目标相对湿度的通道的重新推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
相对湿度随着气体的温度降低和气体的压力增加而增加，并且随着气体的温度增加和气体的压力降低而降低。亦即，在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，将阳极和阴极的通道的最低温度和最高压力条件设置为限制条件，以使得阳极和阴极的通道的目标相对湿度不会增加到指定值或更高，从而防止目标相对湿度过度增加。
此外，在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，在推导目标相对湿度(S200、S210、S220、S230和S240)时，当在S240阳极和阴极的通道的经校正的目标温度和压力条件不对应于最低温度和最高压力条件的范围时，校正阳极和阴极的通道的目标相对湿度，并且根据通道的经校正的目标相对湿度来重新推导通道的目标温度和压力条件；在S300推导运行条件时，可以根据对应于经校正的目标相对湿度的通道的重新推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
为了防止阳极和阴极的通道的目标相对湿度即使在通道的目标温度和压力条件被校正为使得反应部分的预期相对湿度满足反应部分的目标相对湿度的情况下还增加到指定值或更高，将上述限制条件应用于通道的经校正的目标温度和压力条件以防止通道的目标相对湿度过度增加。
亦即，防止包括催化剂层的反应部分的目标相对湿度过度增加，从而可以在指定范围内减轻与催化剂层的界面的相对湿度成比例的压降。
此外，在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，控制空气供应器(S500、S511、S520和S530)可以包括：在S500将测得的输出电压与目标输出电压参考值进行比较，在S510根据比较结果通过控制燃料电池的空气供应器来形成阴极压力脉冲，以及在S520将形成的阴极压力脉冲注入到燃料电池中。
如上所述，当燃料电池系统以正常状态长时间运行时，冷凝水会积聚在燃料电池的单元电池中。此外，在过量冷凝水积聚的溢流状态下，测得的燃料电池的输出电压低于目标输出电压参考值。因此，在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，测量燃料电池的输出电压，并且在S500确定输出电压是否满足目标输出电压参考值的范围。
具体地，当输出电压满足目标输出电压参考值的范围时，保持燃料电池在正常状态下的运行。当输出电压偏离目标输出电压参考值的范围时，确定出燃料电池处于溢流状态，因此，为了去除积聚的过量冷凝水，控制器控制燃料电池的空气供应器。
将参考图3描述其中过量冷凝水积聚的溢流状态。图3是示出在根据本发明的一个实施方案的用于控制燃料电池系统的方法中、在注入阴极压力脉冲之前的燃料电池堆的内部状态的视图。
在燃料电池的气体扩散层中通常形成有多个微孔层，这些微孔层用于将催化剂层中产生的水排放到燃料电池的外部。如在图3中所示的微孔层可以分为有限电化学反应区(limited electrochemical reaction region)(即，包括闭孔(closed pore，CP))、活化电化学反应区(activated electrochemical reaction region)(即，包括输送孔(transportpore，TP))和部分有限电化学反应区(partially limited electrochemical reactionregion)(即，包括闭端孔(dead-end pore，DP))。在燃料电池运行期间产生的冷凝水积聚在闭端孔DP中。
可以通过由空气供应器注入高压空气而将积聚的冷凝水从闭端孔DP排放到输送孔TP，并且可以通过高压空气的流动而输送积聚的冷凝水，从而能够去除积聚的冷凝水。
具体地，控制器产生脉冲，从而空气供应器定期形成高压空气。亦即，控制器形成阴极压力脉冲并将形成的脉冲注入到燃料电池中，从而去除积聚的过量冷凝水。
在S520向燃料电池注入形成的阴极压力脉冲之后，在S530，可以测量取决于阴极压力脉冲的注入的燃料电池的输出电压，可以将测得的输出电压与目标输出电压参考值进行比较，并且可以根据比较结果、通过控制燃料电池的空气供应器来校正阴极压力脉冲。
亦即，在将形成的阴极压力脉冲注入到燃料电池中之后，确定根据阴极压力脉冲的注入而变化的输出电压是否满足目标输出电压参考值的范围，从而可以确定积聚的过量冷凝水是否被适当地排出。
具体地，当根据阴极压力脉冲的注入而变化的输出电压满足目标输出电压参考值的范围时，不再需要形成和注入阴极压力脉冲，因此控制器停止对燃料电池的空气供应器进行的控制，并且保持燃料电池在正常状态下的运行。当根据阴极压力脉冲的注入而变化的输出电压偏离目标输出电压参考值的范围时，确定出燃料电池仍处于溢流状态，因此，为了去除积聚的过量冷凝水，控制器继续对燃料电池的空气供应器进行控制。
控制器对阴极压力脉冲进行校正以增加其压力值，并且将经校正的阴极压力脉冲注入到燃料电池中，以进一步去除剩余的未通过先前注入的阴极压力脉冲排出的冷凝水量。
在此，由控制器测得的取决于阴极压力脉冲的注入的输出电压可以是每隔预定的时间测得的区段电压。
在车辆行驶过程中测得的输出电压值通常以波的形式测量，因此，每时每刻测得的电压值都会出现偏差。因此，需要为区段设定指定的时间段，并在该时间段内测量区段电压。亦即，将测得的区段电压的平均值定义为输出电压，通过将输出电压与目标输出电压参考值进行比较来确定输出电压是否满足目标输出电压参考值的范围。
当使用区段电压作为输出电压时，可以减少由输出电压的偏差引起的误差。亦即，通过将更精确地测得的输出电压与目标输出电压参考值进行比较，可以提高根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法的可靠性。
在S510形成阴极压力脉冲之后，在S511，将形成的阴极压力脉冲的压力值与预定的极限压力值进行比较，并且根据比较结果来确定是否将阴极压力脉冲注入到燃料电池中。
燃料电池中的水用作质子的传递介质。因此，绝对需要适量的水以使燃料电池运行，并且燃料电池的性能变差不仅发生在冷凝水溢出的溢流状态，而且还发生在没有足够的冷凝水的干涸状态。
为了防止出现干涸状态，用于控制燃料电池系统的方法进一步包括：在S511，将注入到燃料电池中的阴极压力脉冲的压力值与预定的极限压力值进行比较，并且根据比较结果来确定是否进一步将阴极压力脉冲注入到燃料电池中。
具体地，当注入到燃料电池中的阴极压力脉冲达到预定的极限压力值时，停止注入阴极压力脉冲，从而防止燃料电池处于没有足够的冷凝水的干涸状态。当注入到燃料电池中的阴极压力脉冲未达到预定的极限压力值时，燃料电池被确定为仍处于溢流状态，控制器对阴极压力脉冲进行校正以增加其压力值，并且将经校正的阴极压力脉冲注入到燃料电池中，以进一步去除剩余的未通过先前注入的阴极压力脉冲排出的冷凝水的量。
以这种方式确定是否将阴极压力脉冲注入到燃料电池中，从而可以适当地调节燃料电池中产生的冷凝水以防止溢流状态和干涸状态。
此外，在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，当形成的阴极压力脉冲的压力值达到预定的极限压力值时，控制器可以根据目标输出电压参考值来校正电流密度。
当注入到燃料电池中的阴极压力脉冲的压力值达到预定的极限压力值时，虽然停止了阴极压力脉冲的注入，但是已经出现了干涸状态。此外，尽管没有出现干涸状态，但是燃料电池中的相对湿度已经降低，因此需要将相对湿度调节到适当的相对湿度以满足目标输出电压参考值。
当将阴极压力脉冲注入到燃料电池中时，在燃料电池的阴极的空气入口的电流密度在阴极压力脉冲注入之后立即暂时增加。因此，在一次或多次注入阴极压力脉冲之后，需要根据目标输出电压参考值重新设置电流密度，以便再次调节阳极和阴极的通道的相对湿度。
因此，在根据本发明的用于控制燃料电池系统的方法中，当形成的阴极压力脉冲的压力值达到预定的极限压力值时，控制器根据目标输出电压参考值来校正电流密度，从而再次将阳极和阴极的通道的目标相对湿度调节到合适的相对湿度。
图4是示出通过应用基于根据本发明的一个实施方案的燃料电池系统及其控制方法的运行条件而得到的在压降方面的改善的曲线图；图5是示出根据本发明的一个实施方案的燃料电池系统的视图。
参考图5，根据本发明的燃料电池系统可以包括：燃料电池堆100，其包括阳极和阴极的通道110和120以及在这两个通道110和120之间的反应部分130；氢气供应器200，其配置为将氢气供应至燃料电池堆100的阳极的通道110；空气供应器300，其配置为将空气供应至燃料电池堆100的阴极的通道120；以及控制器400，其配置为推导燃料电池的目标相对湿度和燃料电池的取决于目标相对湿度的运行条件，基于推导出的运行条件来控制燃料电池的运行，测量燃料电池的输出电压，以及在燃料电池的输出电压小于目标输出电压参考值时，控制燃料电池的空气供应器300以形成脉冲，从而向燃料电池供应空气。
在此，反应部分130意指燃料电池堆100的除了阳极和阴极的通道110和120之外的其余部分，如上所述。将氢气从氢气供应器200供应至燃料电池堆100的阳极的通道110，并且将空气从空气供应器300供应至燃料电池堆100的阴极的通道120。控制器400推导燃料电池的目标相对湿度以及取决于目标相对湿度的燃料电池的运行条件，基于推导出的运行条件来控制燃料电池的运行，测量在燃料电池运行期间的燃料电池的输出电压，并且在燃料电池的输出电压小于目标输出电压参考值时，控制燃料电池的空气供应器300以形成阴极压力脉冲，从而向燃料电池供应空气。上面已经描述了由控制器400执行的如下过程：推导目标相对湿度和运行条件，根据运行条件来控制燃料电池的运行，测量输出电压，以及控制空气供应器300。
参考图4，可以确定每个电池的电压随着时间的推移趋于降低。其原因是当燃料电池长时间运行时，由于冷凝水在燃料电池中积聚而发生压降。
在此，根据在应用根据本发明的运行条件的情况10与未应用根据本发明的运行条件的情况20之间比较的结果，可以看出当应用根据本发明的运行条件时发生较少的压降。
因此，当应用基于根据本发明的一个实施方案的燃料电池系统及其控制方法的运行条件时，可以改善在燃料电池系统以正常状态长时间运行期间出现的压降，从而可以恢复燃料电池系统的输出并且可以减轻燃料电池系统的性能变差。
根据以上描述明显的是，根据本发明的燃料电池系统及其控制方法可以通过设置燃料电池的相对湿度及温度和压力条件以保持恒定的电流密度，从而调节燃料电池中冷凝水的产生，并且可以通过以下方式减轻燃料电池在运行期间的性能变差：通过向燃料电池中注入阴极压力脉冲来去除产生的过量冷凝水。
尽管已经出于说明性目的公开了本发明的示例性实施方案，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种变型、增加和替换。

Claims (12)

1.一种用于控制燃料电池系统的方法，所述方法包括：
由控制器推导燃料电池的目标相对湿度；
由控制器推导燃料电池的运行条件以实现燃料电池的目标相对湿度；
由控制器基于推导出的运行条件来控制燃料电池的运行，并且测量燃料电池的输出电压；以及
在燃料电池的输出电压小于目标输出电压参考值时，由控制器控制燃料电池的空气供应器以形成脉冲，从而向燃料电池供应空气。
2.根据权利要求1所述的用于控制燃料电池系统的方法，其中：
在推导目标相对湿度时，推导阳极和阴极的通道的目标相对湿度，并且根据通道的目标相对湿度来推导通道的目标温度和压力条件；
在推导运行条件时，根据通道的推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
3.根据权利要求2所述的用于控制燃料电池系统的方法，其中，阳极和阴极的通道的目标相对湿度是如下的相对湿度：该相对湿度配置为使根据所设定的车辆的目标输出电压参考值设置的电流密度保持均匀。
4.根据权利要求2所述的用于控制燃料电池系统的方法，其中：
在推导目标相对湿度时，通过通道的推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的除通道之外的反应部分的预期相对湿度，并且校正通道的目标温度和压力条件以使得反应部分的预期相对湿度满足反应部分的目标相对湿度；
在推导运行条件时，根据通道的经校正的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
5.根据权利要求2所述的用于控制燃料电池系统的方法，其中：
在推导目标相对湿度时，当阳极和阴极的通道的目标温度和压力条件不对应于最低温度和最高压力条件的范围时，校正阳极和阴极的通道的目标相对湿度，并且根据通道的经校正的目标相对湿度来重新推导通道的目标温度和压力条件；
在推导运行条件时，根据对应于经校正的目标相对湿度的通道的重新推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
6.根据权利要求4所述的用于控制燃料电池系统的方法，其中：
在推导目标相对湿度时，当阳极和阴极的通道的经校正的目标温度和压力条件不对应于最低温度和最高压力条件的范围时，校正阳极和阴极的通道的目标相对湿度，并且根据通道的经校正的目标相对湿度来重新推导通道的目标温度和压力条件；
在推导运行条件时，根据对应于经校正的目标相对湿度的通道的重新推导出的目标温度和压力条件来推导燃料电池的运行条件。
7.根据权利要求1所述的用于控制燃料电池系统的方法，其中，控制空气供应器可以包括：
将测得的输出电压与目标输出电压参考值进行比较，根据比较结果、通过控制燃料电池的空气供应器来形成阴极压力脉冲；以及
将形成的阴极压力脉冲注入到燃料电池中。
8.根据权利要求7所述的用于控制燃料电池系统的方法，在将形成的阴极压力脉冲注入到燃料电池中之后，所述方法进一步包括：
测量取决于阴极压力脉冲的注入的输出电压，将测得的输出电压与目标输出电压参考值进行比较，以及根据比较结果控制空气供应器以校正阴极压力脉冲。
9.根据权利要求8所述的用于控制燃料电池系统的方法，其中，由控制器测得的取决于阴极压力脉冲的注入的输出电压是每隔预定的时间测得的区段电压。
10.根据权利要求7所述的用于控制燃料电池系统的方法，在形成阴极压力脉冲之后，所述方法进一步包括：
将形成的阴极压力脉冲的压力值与预定的极限压力值进行比较，以及根据比较结果确定是否将阴极压力脉冲注入到燃料电池中。
11.根据权利要求10所述的用于控制燃料电池系统的方法，其中，当形成的阴极压力脉冲的压力值达到预定的极限压力值时，控制器根据目标输出电压参考值来校正电流密度。
12.一种燃料电池系统，其包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极和阴极的通道以及在这两个通道之间的反应部分；
氢气供应器，所述氢气供应器配置为将氢气供应至燃料电池堆的阳极的通道；
空气供应器，所述空气供应器配置为将空气供应至燃料电池堆的阴极的通道；以及
控制器，所述控制器配置为推导燃料电池的目标相对湿度和燃料电池的取决于目标相对湿度的运行条件，基于推导出的运行条件来控制燃料电池的运行，测量燃料电池的输出电压，并且在燃料电池的输出电压小于目标输出电压参考值时，控制燃料电池的空气供应器以形成脉冲，从而向燃料电池供应空气。
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