CN117352780A - 燃料电池系统及其关闭控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及燃料电池系统及其关闭控制方法。燃料电池系统包括：冷却剂控制阀，所述冷却剂控制阀用于切换穿过第一流体通道和第二流体通道的冷却剂的流动路径，所述第一流体通道穿过燃料电池堆，所述第二流体通道穿过阴极耗氧COD加热器；以及控制器，当请求关闭所述燃料电池堆时，所述控制器执行关闭序列并控制连接到所述第一流体通道和所述第二流体通道的所述冷却剂控制阀的阀开启量。所述冷却剂控制阀通过将用于切换流入泵的所述冷却剂的流动路径的第一阀与用于切换由所述泵泵送的冷却剂的流动路径的第二阀集成而形成。

Description

燃料电池系统及其关闭控制方法
技术领域
本公开涉及燃料电池系统及其关闭控制方法。
背景技术
燃料电池系统可以使用燃料电池堆产生电能。例如，当氢用作燃料电池堆的燃料时，氢可能是全球环境问题的替代。因此，已经连续地进行了燃料电池系统的研究和探讨。
燃料电池系统包括产生电能的燃料电池堆、向燃料电池堆供应燃料(氢)的燃料供应装置、供应用作电化学反应所需的氧化剂的空气中的氧的空气供应装置、以及从燃料电池堆去除反应热以将燃料电池堆的反应热排放到系统外部、控制燃料电池堆的操作温度并执行水管理功能的热管理系统(TMS)。
TMS是将用作冷却剂的防冻剂循环到燃料电池堆以维持适当温度(例如，60℃到70℃)的冷却装置类型。TMS可以包括用于使冷却剂循环的TMS管路、用于储存冷却剂的贮存器、用于使冷却剂循环的泵、用于去除包含在冷却剂中的离子的离子过滤器、以及用于将热从冷却剂排放到外部的散热器。另外，TMS可以包括用于加热冷却剂的加热器、以及通过使用冷却剂来加热和加温包括燃料电池系统的装置(例如，车辆)的内部部件的空调单元(例如，加温加热器)。TMS可以保持适合于车辆的功率电子部件以及燃料电池堆的温度。
在关闭时，TMS可以具有从燃料电池堆产生的功率和剩余的功率，或者可以具有流入TMS和剩余的氢和氧。当如上所述功率或氢和氧保留在燃料电池堆中时，燃料电池堆的阴极(氧电极)处的碳可能被腐蚀，使得电池堆的耐久性可能降低。
发明内容
本公开旨在解决现有技术中出现的上述问题，同时保持现有技术所实现的优点完整。
本公开的一个方面是提供燃料电池系统及其关闭控制方法，这能够通过去除剩余的氧来确保燃料电池堆的耐久性，因为当燃料电池堆关闭时，由阴极耗氧加热器通过燃料电池堆中剩余的氢和氧的反应产生的功率以热能的形式被消耗。
本公开的另一方面是提供燃料电池系统及其关闭控制方法，这能够在燃料电池堆的关闭中通过集成的冷却剂控制阀快速且容易地控制燃料电池堆与COD加热器之间的流动通道。
本公开所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从以下描述中将清楚地理解本文未提及的任何其他技术问题。
根据实施方式，一种燃料电池系统包括：冷却剂控制阀，所述冷却剂控制阀用于切换穿过第一流体通道和第二流体通道的冷却剂的流动路径，所述第一流体通道穿过燃料电池堆，所述第二流体通道穿过阴极耗氧COD加热器；以及控制器，当请求关闭所述燃料电池堆时，所述控制器执行关闭序列并控制连接到所述第一流体通道和所述第二流体通道的所述冷却剂控制阀的阀开启量。所述冷却剂控制阀通过将用于切换流入泵的所述冷却剂的流动路径的第一阀与用于切换由所述泵泵送的冷却剂的流动路径的第二阀集成而形成。
根据实施方式，所述关闭序列包括：第一操作，将所述泵的每分钟转数RPM设置为预设值；第二操作，控制所述冷却剂控制阀的所述阀开启量以关闭连接到所述燃料电池堆和散热器的阀；第三操作，将向冷却风扇和功率电子部件供应所述冷却剂的第二泵的RPM设置为预设最小值；第四操作，将所述COD加热器的继电器设置为接通；第五操作，将所述COD加热器的操作模式设置为关闭模式；第六操作，停用用于所述COD加热器的欠压保护逻辑；以及第七操作，将所述COD加热器的允许功率设置为预设值。
根据实施方式，所述冷却剂控制阀包括：第一端口，所述第一端口连接到穿过所述COD加热器的所述第二流体通道，所述第二流体通道被配置为允许所述冷却剂流入所述第一端口；第二端口，所述第二端口连接到穿过所述燃料电池堆的所述第一流体通道，所述第一流体通道被配置为允许所述冷却剂流入所述第二端口；第三端口，借助通过被配置为用作所述散热器的旁通管路的第五流体通道连接到所述泵的所述第二流体通道，所述第三端口排放通过所述第一端口流入的所述冷却剂；第四端口，借助通过所述第五流体通道连接到所述泵的所述第一流体通道，所述第四端口排放通过所述第二端口流入的所述冷却剂；以及第五端口，借助穿过所述散热器的第四流体通道，所述第五端口排放通过所述第二端口流入的所述冷却剂。
根据实施方式，当执行所述关闭序列的所述第二操作时，所述冷却剂控制阀被配置为关闭所述冷却剂控制阀的连接到所述第一流体通道的所述第二端口和所述第四端口的阀，并且被配置为开启所述冷却剂控制阀的连接到所述第二流体通道的所述第一端口和所述第三端口的阀。
根据实施方式，当执行所述关闭序列的所述第二操作时，所述冷却剂控制阀被配置为关闭所述冷却剂控制阀的连接到所述第四流体通道的所述第五端口的阀，以阻止所述冷却剂流入所述散热器。
根据实施方式，所述控制器重复所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作，直到所述燃料电池堆的监控电压等于或小于参考电压。
根据实施方式，所述关闭序列还包括：第八操作，将所述泵、所述第二泵和所述冷却风扇的RPM设置为零；以及第九操作，将所述冷却剂控制阀的所述阀开启量控制为连接到所述燃料电池堆和所述散热器的开启值。
根据实施方式，在所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作期间，当所述燃料电池堆的监控电压等于或小于参考电压时，所述控制器执行所述关闭序列的所述第八操作和所述第九操作。
根据实施方式，当所述关闭序列终止时，所述控制器终止所述燃料电池堆的关闭。
根据本公开的一个方面，一种用于控制燃料电池系统的关闭的方法包括以下步骤：当请求关闭燃料电池堆时，由控制器执行关闭序列；在执行所述关闭序列的同时，控制连接到穿过所述燃料电池堆的第一流体通道或穿过阴极耗氧COD加热器的第二流体通道的冷却剂控制阀的阀开启量；以及在所述控制器的控制下由所述冷却剂控制阀切换穿过所述第一流体通道或所述第二流体通道的冷却剂的流动路径。通过将用于切换流入泵的所述冷却剂的流动路径的第一阀与用于切换由所述泵泵送的冷却剂的流动路径的第二阀集成而形成所述冷却剂控制阀。
根据实施方式，执行关闭序列的步骤包括：执行第一操作，将所述泵的每分钟转数RPM设置为预设值；执行第二操作，控制所述冷却剂控制阀的所述阀开启量以关闭连接到所述燃料电池堆和散热器的阀；执行第三操作，将被配置为向冷却风扇和功率电子部件供应所述冷却剂的第二泵的RPM设置为预设最小值；执行第四操作，将所述COD加热器的继电器设置为接通；执行第五操作，将所述COD加热器的操作模式设置为关闭模式；执行第六操作，停用用于所述COD加热器的欠压保护逻辑；以及执行第七操作，将所述COD加热器的允许功率设置为预设值。
根据实施方式，所述冷却剂控制阀包括：第一端口，所述第一端口连接到穿过所述COD加热器的所述第二流体通道，所述第二流体通道被配置为允许所述冷却剂流入所述第一端口；第二端口，所述第二端口连接到穿过所述燃料电池堆的所述第一流体通道，所述第一流体通道被配置为允许所述冷却剂流入所述第二端口；第三端口，借助通过被配置为用作所述散热器的旁通管路的第五流体通道连接到所述泵的所述第二流体通道，所述第三端口排放通过所述第一端口流入的所述冷却剂；第四端口，借助通过所述第五流体通道连接到所述泵的所述第一流体通道，所述第四端口排放通过所述第二端口流入的所述冷却剂；以及第五端口，借助穿过所述散热器的第四流体通道，所述第五端口排放通过所述第二端口流入的所述冷却剂。
根据实施方式，执行第二操作的步骤包括：关闭所述冷却剂控制阀的连接到所述第一流体通道的所述第二端口和所述第四端口的阀；以及开启所述冷却剂控制阀的连接到所述第二流体通道的所述第一端口和所述第三端口的阀。
根据实施方式，执行第二操作的步骤包括：关闭所述冷却剂控制阀的连接到所述第四流体通道的所述第五端口的阀，以阻止所述冷却剂流入所述散热器。
根据实施方式，执行关闭序列的步骤包括：重复所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作，直到所述燃料电池堆的监控电压等于或小于参考电压。
根据实施方式，执行关闭序列的步骤包括：在所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作期间，当所述燃料电池堆的所述监控电压等于或小于所述参考电压时，执行第八操作，用于将所述泵、所述第二泵和所述冷却风扇的RPM设置为零；以及在所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作期间，当所述燃料电池堆的所述监控电压等于或小于所述参考电压时，执行第九操作，用于将所述冷却剂控制阀的所述阀开启量控制为连接到所述燃料电池堆和所述散热器的开启值。
根据实施方式，所述方法还包括以下步骤：当所述关闭序列终止时，执行所述燃料电池堆的关闭。
附图说明
从以下结合附图的详细描述中，本公开的上述和其他目的、特征和优点将更加明显：
图1是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的视图；
图2是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制结构的视图；
图3是示出根据本公开的实施方式的冷却剂控制阀的构造的视图；
图4是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制框图的视图；
图5A是示出根据本公开的实施方式的冷却剂控制阀的连接结构的视图；
图5B是示出根据图5A的冷却剂控制阀的连接结构的第一冷却剂的流动的视图；
图6A是示出根据本公开的实施方式的冷却剂控制阀的连接结构的视图；
图6B是示出根据图6A的冷却剂控制阀的连接结构的第一冷却剂的流动的视图；
图7是示出根据本公开的实施方式的用于控制燃料电池系统的关闭的方法的操作流程的视图；以及
图8是示出根据本公开的实施方式的关闭序列的操作流程的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的一些实施方式。在将附图标记添加到每个附图的部件时，应当注意，即使当相同或等同的部件显示在其他附图上时，它们也由相同的附图标记表示。此外，在描述本公开的实施方式时，将排除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。
此外，在根据本公开的实施方式的组件的以下描述中，可以使用术语“第一”、“第二”、“A”、“B”、“(a)”和“(b)”。这些术语仅旨在将一个组件与另一组件区分开，并且这些术语不限制构成组件的性质、顺序或次序。此外，除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的那些相同的含义。在通常使用的字典中定义的那些术语被解释为具有与相关领域中的上下文含义相同的含义，并且不被解释为具有理想的或过度正式的含义，除非在本申请中被清楚地定义为具有这样的含义。
图1是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的视图，图2是示出根据本公开的实施方式的燃料电池系统的控制结构的视图，图3是示出根据本公开的实施方式的冷却剂控制阀的视图。
参照图1，用于车辆的燃料电池系统可包括允许穿过车辆的燃料电池堆10的第一冷却剂循环的第一冷却管路和允许穿过功率电子部件200的第二冷却剂循环的第二冷却管路160。根据实施方式，燃料电池系统可以还包括热交换器300，以在第一冷却剂和第二冷却剂之间相互交换热量。
燃料电池系统可包括形成第一冷却管路的多个流体通道(例如，第一流体通道110到第五流体通道150)。第一冷却剂可以在通过第一流体通道110循环到第五流体通道150的同时被冷却和加热。
燃料电池堆10、阴极耗氧加热器20、第一泵30、冷却剂离子过滤器(CIF)40和第一散热器50可以被配置为设置在第一流体通道110到第五流体通道150上，用于使第一冷却剂循环。
燃料电池堆10(或其可称为“燃料电池”)具有能够通过燃料(例如，氢)和氧化剂(例如，空气)之间的氧化还原反应产生电的结构。例如，燃料电池堆10可以包括：膜电极组件(MEA)，其中进行电化学反应的催化剂电极层附着到用于移动氢离子的电解质膜的相对两侧；气体扩散层(GDL)，其均匀地分配反应气体并传递产生的电能；垫圈和紧固机构，其用于保持反应气体和第一冷却剂的气密性和适当的紧固压力；以及双极板，其用于移动反应气体和第一冷却剂。
在燃料电池堆10中，用作燃料的氢和用作氧化剂的空气(氧)可以通过双极板的流体通道供应到MEA的阳极和阴极。例如，可以将氢供应到阳极，将空气供应到阴极。供应到阳极的氢通过设置在电解质膜相对两侧的催化剂分解成质子和电子。其中，只有氢离子选择性地通过作为阳离子交换膜的电解质膜，并传输到阴极，而电子通过气体扩散层和双极板传输到阴极。在阴极中，通过电解质膜供应的氢离子和通过双极板接收的电子与通过空气供应装置供应到阴极的空气中的氧接触，从而产生水。在这种情况下，由于氢离子的转移，电子可以流过外部导线，并且电子的流动可以产生电流。
当第一冷却剂的电导率由于系统的腐蚀或渗出而增加时，电流流向第一冷却剂，使得燃料电池堆10可能短路或电流可能流向第一冷却剂。因此，第一冷却剂应保持较低的电导率。为此，离子过滤器40可过滤第一冷却剂的离子。离子过滤器40可以设置为从第一冷却剂中去除离子，以将第一冷却剂的电导率保持在特定水平或更低。
第一散热器50可以设置为冷却沿多个流体通道移动的第一冷却剂，并且冷却风扇60可以设置为将外部空气吹向第一散热器50。第一散热器50可以形成为各种结构以冷却第一冷却剂，并且本公开不受第一散热器50的类型和结构的限制。第一散热器50可以连接到贮存器52以储存第一冷却剂。
移动第一冷却剂的流体通道可包括穿过燃料电池堆10的第一流体通道110、穿过COD加热器20的第二流体通道120和穿过离子过滤器40的第三流体通道130。替代地，用于移动第一冷却剂的流体通道还可以包括第四流体通道140和第五流体通道150，第四流体通道140穿过第一散热器50，使得由燃料电池堆加热的第一冷却剂被冷却，第五流体通道150通过绕过第一散热器50而穿过第一散热器50。
此外，燃料电池系统还可包括冷却剂控制阀70，以切换穿过第一流体通道110到第五流体通道150的第一冷却剂的移动路径。例如，冷却剂控制阀70可以被配置为集成冷却剂温度控制阀(ICTV)的形式，其中，用于切换流入第一泵30的第一冷却剂的流动路径的第一阀(例如，冷却剂温度控制阀(CTV))与用于切换由第一泵30泵送的第一冷却剂的流动路径的第二阀(例如，冷却剂旁通阀(CBV))集成。在这种情况下，第一泵30可以是冷却剂供应泵(CSP)。
冷却剂控制阀70可以包括连接到第一流体通道110到第五流体通道150的多个端口，并且每个阀的阀开启状态可以由控制器400控制。
参照图2，控制器400可连接到燃料电池系统的部件以控制燃料电池系统的整体功能。控制器400可以是硬件设备，例如处理器或中央处理单元(CPU)，或由处理器实现的程序。例如，控制器400可以是燃料电池系统的上部控制器。
控制器400可向燃料电池堆10、COD加热器20、第一泵30、离子过滤器40、第一散热器50和冷却风扇60的驱动单元发送信号或从驱动单元接收信号，可确定每个驱动单元的控制量，并可管理每个驱动单元的操作状态。
控制器400可向燃料电池堆10、COD加热器20、第一泵30、离子过滤器40、第一散热器50和冷却风扇60的驱动单元发送信号或从驱动单元接收信号，可确定每个驱动单元的控制量，并可管理每个驱动单元的操作状态。控制器400可以在燃料电池系统开启时确定用于热管理控制的燃料电池堆10的目标冷却性能，并且可以在热管理控制操作期间驱动每个驱动单元时确定是否满足燃料电池堆10的目标冷却性能。
当确定燃料电池堆10的目标冷却性能以执行热管理控制操作时，控制器400可基于所确定的燃料电池堆10的目标冷却性能来确定第一泵30的每分钟转数(RPM)和冷却风扇60的RPM。
另外，控制器400可以基于第一冷却剂的温度确定设置在冷却剂控制阀70中的每个端口的阀开启量。控制器400可以基于冷却风扇60的RPM、燃料电池堆10的入口和出口中的第一冷却剂的温度以及第一散热器50的出口中的第一冷却剂的温度来确定第一冷却剂的流速，并且可以基于所确定的第一冷却剂的流速来确定冷却剂控制阀70的开度。在这种情况下，控制器400可基于由设置在图1所示的第一流体通道110到第五流体通道150上的温度传感器(未示出)测量的第一冷却剂的温度来确定沿每个流体通道流动的第一冷却剂的流速。例如，温度传感器可测量燃料电池堆10的入口和出口中的第一冷却剂的温度、第一散热器50的出口中的第一冷却剂的温度以及COD加热器20中的第一冷却剂的温度。
当沿特定流体通道循环的第一冷却剂的测量温度低于预设目标温度时，控制器400可将第一冷却剂的流入流速控制为低于预设流速。如上所述，当第一冷却剂的测量温度较低时，流入燃料电池堆10的第一冷却剂的流入流速被控制为较低，从而使由于在燃料电池堆10内分级的第一冷却剂的温度和流入燃料电池堆10的第一冷却剂的温度之间的差异而引起的热影响和性能劣化最小化。
参照图3，冷却剂控制阀70可以是5通阀。例如，冷却剂控制阀70可以包括允许第一冷却剂流入的第一端口71和第二端口72，并且可以包括第三端口73、第四端口74和第五端口75，第三端口73、第四端口74和第五端口75用于排放通过第一端口71或第二端口72流入的第一冷却剂。在这种情况下，第一端口71和第三端口73可以被调节成具有范围从第一值θ1到第二值θ2的阀的开度。同时，可以调节第二端口72、第四端口74和第五端口75以使得阀的开度在第二值θ2到第三值θ3的范围内。
第一端口71可连接到第二流体通道120以穿过COD加热器20，并且连接到第三流体通道130以穿过离子过滤器40，使得当第一端口71打开时，第一冷却剂在穿过第二流体通道120和第三流体通道130之后流入第一端口71。
第二端口72可以连接到第一流体通道110以穿过燃料电池堆10，并且连接到第三流体通道130以穿过离子过滤器40，使得当第二端口72打开时，第一冷却剂在穿过第一流体通道110和第三流体通道130之后流入第二端口72。在这种情况下，根据第一端口71和第二端口72的打开/关闭状态，穿过离子过滤器40的第一冷却剂可流入第一端口71或第二端口72。
第三端口73和第四端口74连接到第五流体通道150，以允许第一冷却剂流入第一泵30的入口而不穿过第一散热器50。例如，当第一端口71打开时，第三端口73可以与第一端口71一起打开，以将通过第一端口71流入的第一冷却剂排放到第五流体通道150。当第二端口72打开时，第四端口74可以打开，以将通过第二端口72流入的第一冷却剂的一部分或全部排放到第五流体通道150。
第五端口75可以连接到第四流体通道140以穿过第一散热器50，从而当第五端口75打开时将第一冷却剂排放到第四流体通道140。当第二端口72打开时，第五端口75可以打开，以将通过第二端口72流入的第一冷却剂的一部分或全部排放到第四流体通道140。
通过第五端口75排放的第一冷却剂可以在沿着第四流体通道140流动的同时通过第一散热器50冷却，并且可以流入第一泵30。
冷却剂控制阀70的第一端口71到第五端口75可由控制器400控制为打开或关闭。换言之，控制器400可以确定图1所示的第一流体通道110到第五流体通道150中的第一冷却剂的流动路径，并且可以沿着所确定的第一冷却剂的流动路径控制设置在冷却剂控制阀70中的每个端口的阀的打开或关闭状态。
冷却剂控制阀70可以通过响应于来自控制器400的控制信号打开第一端口71到第五端口75的一些端口的阀来切换使燃料电池系统循环的第一冷却剂的流动路径。在这种情况下，第一冷却剂可以在沿着第一流体通道110、第二流体通道120、第三流体通道130、第四流体通道140和第五流体通道150中的一些流体通道循环的同时被冷却或加热。
同时，第二冷却管路160可以形成为穿过车辆的功率电子部件200，并且第二冷却剂可以沿着第二冷却管路160循环。在这种情况下，车辆的功率电子部件200可以理解为用作车辆的电力的能量源的部件，并且本公开不受功率电子部件200的类型和数量的限制。
例如，功率电子部件200可以包括双向高压DC-DC转换器210、鼓风机泵控制单元220、低压DC-DC转换器230、空气压缩机(ACP)240和空气冷却器250中的至少一个，双向高压DC-DC转换器210插入在燃料电池堆10和车辆的高压电池(未示出)之间，鼓风机泵控制单元220控制鼓风机(未示出)以供应用于驱动燃料电池堆10的外部空气，低压DC-DC转换器230将从高压电池接收的DC高压转换成DC低压，空气压缩机(ACP)240用于压缩供应到燃料电池堆10的空气。尽管未在图1中示出，功率电子部件200还可以包括DC-DC降压/升压转换器。
第二泵205可设置在第二冷却管路160上以迫使第二冷却剂流动。第二泵205可以包括泵送第二冷却剂的泵送装置，但是本公开不限于第二泵205的类型和特性。
第二散热器55可以设置在第二冷却管路160上以冷却第二冷却剂。第二散热器55可以形成为各种结构以冷却第二冷却剂，并且本公开不受第二散热器55的类型和结构的限制。第二散热器55可以连接到贮存器57以储存第二冷却剂。
根据实施方式，如图1所示，第一散热器50和第二散热器55可被配置为由一个冷却风扇60同时执行冷却。例如，第一散热器50和第二散热器55可以彼此平行地设置，并且冷却风扇60可以设置成将外部空气吹向第一散热器50和第二散热器55。当第一散热器50和第二散热器55由一个冷却风扇60同时冷却时，燃料电池系统的结构可以被简化，或者设计的自由度、空间的利用可以被改善，并且冷却第一散热器50和第二散热器55的功率消耗可以被最小化。替代地，用于冷却第一散热器50的第一冷却风扇和用于冷却第二散热器55的第二冷却风扇可以分开设置。在这种情况下，当燃料电池系统控制第一冷却风扇的RPM时，可以排除与功率电子部件200的热负载相关的参数。
热交换器300可以设置为在第一冷却剂和第二冷却剂之间相互交换热量。当设置热交换器300时，包括第一流体通道110到第五流体通道150的第一冷却管路以及第二冷却管路160可形成热管理系统(TMS)管路，用于允许第一冷却剂和第二冷却剂流动，同时在第一冷却剂和第二冷却剂之间相互交换热量。在这种情况下，第一冷却剂或第二冷却剂可以用作TMS管路上的冷却介质或加热介质。例如，由于用于冷却功率电子部件200的第二冷却剂的温度形成为低于用于冷却燃料电池堆10的第一冷却剂的温度，所以燃料电池系统可以降低第一冷却剂的温度而不增加第一散热器50和冷却风扇60的容量，可以提高燃料电池堆10的冷却效率，并且可以提高稳定性和可靠性，这是因为在第一冷却剂和第二冷却剂之间相互交换热量。
根据实施方式，热交换器300可以连接到第一散热器50的出口和燃料电池堆10之间的第一冷却管路，并且第二冷却管路160可以将第二散热器55的出口连接到功率电子部件200，使得第二冷却管路160穿过热交换器300。例如，第一冷却剂可以沿着连接到第一冷却管路的热交换器300流动，并且第二冷却管路160可以穿过热交换器300的内部部分以暴露于第一冷却剂(例如，用于第一冷却剂沿着第二冷却管路160的周向流动)。
如上所述，当在第一冷却剂和第二冷却剂之间相互交换热量时，燃料电池系统可以降低引入到燃料电池堆10中的第一冷却剂的温度。穿过第一散热器50的第一冷却剂的第一温度可以形成为高于穿过第二散热器55的第二冷却剂的第二温度，并且穿过热交换器300的第一冷却剂的第三温度可以形成为低于第一温度。例如，第一冷却剂的第一温度可以形成为比第二冷却剂的第二温度高10℃，并且穿过热交换器300的第一冷却剂(与第二冷却剂热交换)的第三温度可以形成为比第一温度低1℃。尽管热交换器300与第一散热器50分开设置，但是根据实施方式，热交换器300可以直接连接到第一散热器50。
图4是根据本公开的实施方式的用于控制燃料电池系统的控制框图。图4所示的控制框图示出了控制燃料电池系统的关闭的控制结构。
参照图4，当在燃料电池堆10的操作期间作出关闭请求时，控制器400通过执行预先限定的关闭序列来停止关闭燃料电池系统。在这种情况下，控制器400可以根据外部温度确定是执行冷关闭操作还是执行正常关闭操作。
因此，燃料电池系统可以还包括外部温度传感器410以测量车辆的外部温度。当在燃料电池堆10的驱动期间作出关闭请求时，控制器400接收关于由外部温度传感器410测量的外部温度的信息。在这种情况下，当从外部温度传感器410接收的外部空气的温度等于或小于特定温度时，控制器400可以执行用于冷关闭的第一关闭序列，否则，控制器400可以执行用于正常关闭的第二关闭序列。在这种情况下，第一关闭序列和第二关闭序列可以包括共同执行的关闭序列。同时，第一关闭序列还可以包括与第二关闭序列分离的附加操作。然而，根据本公开的实施方式，可以省略在第一关闭序列和第二关闭序列中分别执行的操作的细节。
控制器400可控制COD加热器20、第一泵(CSP)30和第二泵(CPP)205、冷却风扇(C/FAN)60和冷却剂控制阀(ICTV)70。
首先，控制器400可以将第一泵30的RPM设置为第一设定值w1，作为关闭序列的第一操作。
此外，作为关闭序列的第二操作，控制器400可通过冷却剂控制阀(ICTV)70将每个端口的阀开启量设置为特定角度。在这种情况下，控制器400可以在关闭序列的操作期间阻止第一冷却剂流入燃料电池堆10，并且可以控制冷却剂控制阀(ICTV)70的阀开启量，使得流过第一散热器50的第一冷却剂被旁通以防止第一冷却剂被冷却。在这种情况下，控制器400可以允许第一冷却剂流入连接到燃料电池堆10的入口和出口的COD加热器20。
因此，将参照图5A和图5B描述冷却剂控制阀70的连接结构和基于关闭序列的冷却剂的流动。
图5A是示出根据本公开的实施方式的关闭时的冷却剂控制阀的连接结构的视图，并且图5B是示出基于图5A的冷却剂控制阀的连接结构的第一冷却剂的流动的视图。
参照图5A，控制器400可关闭连接到穿过燃料电池堆10的第一流体通道110的冷却剂控制阀70的第二端口72和第四端口74以阻止第一冷却剂被供应到燃料电池堆10，并且可打开连接到第二流体通道的冷却剂控制阀70的第一端口71和第三端口73的阀以将第一冷却剂供应到COD加热器20。另外，控制器400可以关闭连接到第四流体通道140的冷却剂控制阀70的第五端口75的阀以绕过流入第一散热器50的第一冷却剂，并且可以打开连接到作为第一散热器50的旁通管路的第五流体通道的第三端口73的阀。
如上所述，冷却剂控制阀(ICTV)70关闭第二端口72、第四端口74和第五端口75以防止第一冷却剂流入燃料电池堆10和第一散热器50，并且打开第一端口71和第三端口73以防止第一冷却剂流入COD加热器20和离子过滤器40。因此，形成加热回路，使得第一冷却剂沿着第二流体通道120和第五流体通道150循环。
在这种情况下，基于冷却剂控制阀70的控制的第一冷却剂的流动在图5B中示出。如图5B所示，在关闭时，第一冷却剂可由COD加热器20加热，同时使加热回路沿第二流体通道120和第五流体通道150循环。另外，当第一冷却剂在使第二流体通道120和第五流体通道150循环的同时沿第三流体通道130循环时，第一冷却剂的电导率可通过由设置在第三流体通道130上的离子过滤器40过滤(去除包含在冷却剂中的离子)而保持在特定水平。
此外，作为关闭序列的第三操作，控制器400可以将冷却风扇(C/FAN)60和第二泵(CPP)的RPM设置为最小设定值MIN。
替代地，当关闭序列的第一操作到第三操作已完成时，控制器400控制COD加热器(CODHTR)20的继电器接通(作为第四操作)，然后将COD加热器20的操作模式设置为关闭模式(作为第五操作)。在这种情况下，COD加热器20的继电器可以设置在将燃料电池堆10连接到COD加热器20的管路上。当控制COD加热器20的继电器接通时，燃料电池堆10可以连接到COD加热器20。
在关闭时，当从燃料电池堆10产生的功率留在燃料电池堆10中时，燃料电池堆10的安全性可能降低，并且燃料电池堆10的耐久性可能降低。因此，在关闭时，COD加热器20连接到燃料电池堆10的入口和出口，并且剩余在燃料电池堆10中的功率以热能的形式排放，使得剩余在燃料电池堆10中的功率可以被完全消耗。因此，可以防止燃料电池堆10的耐久性降低。
当燃料电池堆10的电压下降到COD加热器20的最小工作电压时，COD加热器20的工作时间增加，因此COD加热器20的耐久性降低。为了防止COD加热器20的耐久性降低，在COD加热器20的操作中激活电压保护逻辑420。例如，当燃料电池堆10的电压下降到COD加热器20的最小工作电压时，通过激活欠压保护逻辑，燃料电池系统可以停止COD加热器20的操作，从而防止COD加热器20的耐久性降低。然而，在关闭时，燃料电池堆10的发电停止。因此，燃料电池堆10的电压逐渐下降。在这种情况下，即使燃料电池堆10的电压下降到COD加热器20的最小工作电压，也不应停止COD加热器20的操作以去除在燃料电池堆10中剩余的氢、氧或功率。因此，作为第六操作，控制器400停用欠压保护逻辑，使得COD加热器20在关闭模式的操作期间不停止。
在这种情况下，作为第七操作，控制器400将COD加热器20的允许功率设置为第一功率值P1。在这种情况下，控制器400可以将COD加热器20的允许功率设置为更高的值，以消耗燃料电池堆10中剩余的氢、氧和功率。
控制器400在执行关闭序列的第一操作到第七操作之后监控燃料电池堆10的电压。在这种情况下，当燃料电池堆10的监控电压(VSVM)超过预设参考电压V1时，控制器400重复第一操作到第七操作。
同时，当燃料电池堆10的监控电压VSVM下降到参考电压V1或更低时，控制器400可以或多或少地确定燃料电池堆10中剩余的氢、氧或功率。因此，控制器400将冷却风扇(C/FAN)60、第一泵30和第二泵205的RPM设置为“0”(作为第八操作)，并且打开连接到燃料电池堆10和第一散热器50的端口的所有阀(作为第九操作)。
冷却剂控制阀70打开连接到燃料电池堆10和第一散热器50的端口的所有阀。因此，将参照图6A和图6B描述冷却剂控制阀70的连接结构和基于关闭序列的冷却剂的流动。
参照图6A，冷却剂控制阀70打开连接到燃料电池堆10和第一散热器50的端口(即，第二端口72和第五端口75)的阀。在这种情况下，控制器400可以打开第四端口74的阀。在这种情况下，第一冷却剂的一部分可沿第四流体通道140穿过第一散热器50，而第一冷却剂的其余部分可沿第五流体通道150流动。
同时，冷却剂控制阀70可关闭连接到第二流体通道120的第一端口71和第三端口73的阀，以防止第一冷却剂流入COD加热器20。在这种情况下，如图6B所示，可以形成冷却回路以允许第一冷却剂沿着第一流体通道110、第三流体通道130、第四流体通道140和第五流体通道150循环。
当执行在关闭序列中限定的所有操作时，控制器400可以关闭燃料电池系统。
在下文中，将更详细地描述根据本公开的具有上述结构的燃料电池系统的热管理控制的操作流程。
图7是示出根据本公开的实施方式的用于控制燃料电池系统的关闭的方法的操作流程的视图，并且图8是示出根据本公开的实施方式的关闭序列的操作流程的视图。
首先，参照图7，当在燃料电池堆10的操作期间请求关闭时，燃料电池系统确定从外部温度传感器410接收的外部空气的温度(S110和S120)。在这种情况下，当所确定的外部空气的温度等于或小于特定温度T时(S130)，燃料电池系统确定满足冷关闭条件以执行冷关闭(S140)。否则，燃料电池系统执行正常关闭(S150)。
在这种情况下，燃料电池系统可以在冷关闭或正常关闭中执行图8的关闭序列。
参照图8，燃料电池系统将第一泵(CSP)30的RPM设置为第一设定值(ω1)(S210)，在关闭序列期间阻止第一冷却剂流入燃料电池堆10，并控制冷却剂控制阀(ICTV)的阀开启量，使得流入第一散热器50的第一冷却剂被旁通以防止第一冷却剂被冷却(S220)。
替代地，燃料电池系统可将冷却风扇(C/FAN)60的RPM和第二泵(CPP)的RPM设置为最小设定值(MIN)(S230)，并可控制COD加热器(CODHTR)20的继电器接通(S240)。在这种情况下，COD加热器20的继电器可以设置在将燃料电池堆10连接到COD加热器20的管路上。当COD加热器20的继电器被控制为接通时，燃料电池堆10可以连接到COD加热器20。因此，在关闭时，COD加热器20连接到燃料电池堆10的入口和出口，并且在燃料电池堆10中剩余的功率以热能的形式排放，使得在燃料电池堆10中剩余的功率可以被完全消耗。因此，可以防止燃料电池堆10的耐久性降低。
此后，燃料电池系统将COD加热器20的操作模式设置为关闭模式(S250)。在此情况下，燃料电池系统停用欠压保护逻辑，使得COD加热器20在关闭模式的操作期间不停止(S260)，以去除燃料电池堆10中剩余的氢和氧或功率，即使燃料电池堆10的电压下降到COD加热器20的最低工作电压也如此，燃料电池堆10的发电停止(S260)，并且将COD加热器20的允许功率设置为第一功率值P1(S270)。在这种情况下，燃料电池系统可以将COD加热器20的允许功率设置为更高的值，以消耗燃料电池堆10中剩余的氢和氧或功率。
燃料电池系统在执行S210到S270的操作之后监控燃料电池堆10的电压，并且当燃料电池堆10的监控电压(VSVM)超过预设参考电压V1时，可以重复S210到S270的操作(S280)。
同时，在S280中，当燃料电池堆10的监控电压VSVM下降到参考电压V1或更低时，燃料电池系统可以确定在燃料电池堆10中剩余的氢和氧或功率被或多或少地去除，以将冷却风扇(C/FAN)60、第一泵(CSP)30和第二泵(CPP)205的RPM设置为“0”(S290)，并且打开通过冷却剂控制阀70连接到燃料电池堆10和第一散热器50的端口的所有阀(S300)。
当执行图8所示的关闭序列中限定的所有操作时，燃料电池系统关闭(S160)。
根据本公开的实施方式，在关闭燃料电池堆时，由于通过在燃料电池堆中剩余的氢和氧之间的反应产生的功率以热能的形式被COD加热器消耗以去除所有剩余的氧，从而确保燃料电池堆的耐久性。
此外，根据本公开的实施方式，在关闭燃料电池堆时，可通过集成的冷却剂控制阀快速且容易地控制燃料电池堆与COD加热器之间的流体通道。
以上描述仅仅是本公开的技术思想的示例，并且在不脱离本发明的基本特征的情况下，本领域技术人员可以进行各种修改和变型。
因此，本公开的实施方式不旨在限制而是解释本公开的技术思想，并且本发明的范围和精神不受上述实施方式的限制。本公开的保护范围应由所附权利要求书来解释，且其所有等效物应解释为包括在本公开的范围内。
在上文中，虽然已经参照示例性实施方式和附图描述了本公开，但是本公开不限于此，而是可以由本公开所属领域的技术人员进行各种修改和改变，而不脱离所附权利要求中要求保护的本公开的精神和范围。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2022年7月5日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2022-0082378的优先权，其全部内容在此通过引用并入本文。

Claims (17)

1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括：
冷却剂控制阀，所述冷却剂控制阀被配置为切换穿过第一流体通道和第二流体通道的冷却剂的流动路径，所述第一流体通道穿过燃料电池堆，所述第二流体通道穿过阴极耗氧COD加热器；以及
控制器，所述控制器被配置为当请求关闭所述燃料电池堆时，执行关闭序列并控制连接到所述第一流体通道和所述第二流体通道的所述冷却剂控制阀的阀开启量，
其中，所述冷却剂控制阀通过将用于切换流入泵的所述冷却剂的流动路径的第一阀与用于切换由所述泵泵送的冷却剂的流动路径的第二阀集成而形成。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述关闭序列包括：
第一操作，将所述泵的每分钟转数RPM设置为预设值；
第二操作，控制所述冷却剂控制阀的所述阀开启量以关闭连接到所述燃料电池堆和散热器的阀；
第三操作，将向冷却风扇和功率电子部件供应所述冷却剂的第二泵的RPM设置为预设最小值；
第四操作，将所述COD加热器的继电器设置为接通；
第五操作，将所述COD加热器的操作模式设置为关闭模式；
第六操作，停用用于所述COD加热器的欠压保护逻辑；以及
第七操作，将所述COD加热器的允许功率设置为预设值。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述冷却剂控制阀包括：
第一端口，所述第一端口连接到穿过所述COD加热器的所述第二流体通道，所述第二流体通道被配置为允许所述冷却剂流入所述第一端口；
第二端口，所述第二端口连接到穿过所述燃料电池堆的所述第一流体通道，所述第一流体通道被配置为允许所述冷却剂流入所述第二端口；
第三端口，所述第三端口被配置为借助通过被配置为用作所述散热器的旁通管路的第五流体通道连接到所述泵的所述第二流体通道，排放通过所述第一端口流入的所述冷却剂；
第四端口，所述第四端口被配置为借助通过所述第五流体通道连接到所述泵的所述第一流体通道，排放通过所述第二端口流入的所述冷却剂；以及
第五端口，所述第五端口被配置为借助穿过所述散热器的第四流体通道，排放通过所述第二端口流入的所述冷却剂。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，当执行所述关闭序列的所述第二操作时，所述冷却剂控制阀被配置为关闭所述冷却剂控制阀的连接到所述第一流体通道的所述第二端口和所述第四端口的阀，并且被配置为开启所述冷却剂控制阀的连接到所述第二流体通道的所述第一端口和所述第三端口的阀。
5.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，当执行所述关闭序列的所述第二操作时，所述冷却剂控制阀被配置为关闭所述冷却剂控制阀的连接到所述第四流体通道的所述第五端口的阀，以阻止所述冷却剂流入所述散热器。
6.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被配置为：
重复所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作，直到所述燃料电池堆的监控电压等于或小于参考电压。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，所述关闭序列还包括：
第八操作，将所述泵、所述第二泵和所述冷却风扇的RPM设置为零；以及
第九操作，将所述冷却剂控制阀的所述阀开启量控制为连接到所述燃料电池堆和所述散热器的开启值。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被配置为：
在所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作期间，当所述燃料电池堆的监控电压等于或小于参考电压时，执行所述关闭序列的所述第八操作和所述第九操作。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被配置为：
当所述关闭序列终止时，终止所述燃料电池堆的关闭。
10.一种用于控制燃料电池系统的关闭的方法，所述方法包括以下步骤：
当请求关闭燃料电池堆时，由控制器执行关闭序列；
在执行所述关闭序列的同时，控制连接到穿过所述燃料电池堆的第一流体通道或穿过阴极耗氧COD加热器的第二流体通道的冷却剂控制阀的阀开启量；以及
在所述控制器的控制下由所述冷却剂控制阀切换穿过所述第一流体通道或所述第二流体通道的冷却剂的流动路径，
其中，通过将用于切换流入泵的所述冷却剂的流动路径的第一阀与用于切换由所述泵泵送的冷却剂的流动路径的第二阀集成而形成所述冷却剂控制阀。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，执行关闭序列的步骤包括：
执行第一操作，将所述泵的每分钟转数RPM设置为预设值；
执行第二操作，控制所述冷却剂控制阀的所述阀开启量以关闭连接到所述燃料电池堆和散热器的阀；
执行第三操作，将被配置为向冷却风扇和功率电子部件供应所述冷却剂的第二泵的RPM设置为预设最小值；
执行第四操作，将所述COD加热器的继电器设置为接通；
执行第五操作，将所述COD加热器的操作模式设置为关闭模式；
执行第六操作，停用用于所述COD加热器的欠压保护逻辑；以及
执行第七操作，将所述COD加热器的允许功率设置为预设值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述冷却剂控制阀包括：
第一端口，所述第一端口连接到穿过所述COD加热器的所述第二流体通道，所述第二流体通道被配置为允许所述冷却剂流入所述第一端口；
第二端口，所述第二端口连接到穿过所述燃料电池堆的所述第一流体通道，所述第一流体通道被配置为允许所述冷却剂流入所述第二端口；
第三端口，所述第三端口被配置为借助通过被配置为用作所述散热器的旁通管路的第五流体通道连接到所述泵的所述第二流体通道，排放通过所述第一端口流入的所述冷却剂；
第四端口，所述第四端口被配置为借助通过所述第五流体通道连接到所述泵的所述第一流体通道，排放通过所述第二端口流入的所述冷却剂；以及
第五端口，所述第五端口被配置为借助穿过所述散热器的第四流体通道，排放通过所述第二端口流入的所述冷却剂。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，执行第二操作的步骤包括：
关闭所述冷却剂控制阀的连接到所述第一流体通道的所述第二端口和所述第四端口的阀；以及
开启所述冷却剂控制阀的连接到所述第二流体通道的所述第一端口和所述第三端口的阀。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，执行第二操作的步骤包括：
关闭所述冷却剂控制阀的连接到所述第四流体通道的所述第五端口的阀，以阻止所述冷却剂流入所述散热器。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，执行关闭序列的步骤包括：
重复所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作，直到所述燃料电池堆的监控电压等于或小于参考电压。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，执行关闭序列的步骤包括：
在所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作期间，当所述燃料电池堆的所述监控电压等于或小于所述参考电压时，执行第八操作，用于将所述泵、所述第二泵和所述冷却风扇的RPM设置为零；以及
在所述关闭序列的所述第一操作到所述第七操作期间，当所述燃料电池堆的所述监控电压等于或小于所述参考电压时，执行第九操作，用于将所述冷却剂控制阀的所述阀开启量控制为连接到所述燃料电池堆和所述散热器的开启值。
17.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
当所述关闭序列终止时，执行所述燃料电池堆的关闭。
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