控制燃料電池系統的運行的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及控制燃料電池系統的運行的方法，更具體地，涉及根據燃料電池組的各個狀態來執行不同再生運行的用于控制燃料電池系統運行的方法。
【背景技術】
[0002]燃料電池系統用于燃料電池電動車(FCEV)，燃料電池電動車是一類環保車輛。燃料電池系統通常包括:從反應氣體的電化學反應生成電能的燃料電池組；向燃料電池組供應用作燃料的氫氣的氫饋送裝置；供應包括用作電化學反應中氧化劑的氧的空氣的空氣饋送裝置；以及通過消散來自燃料電池組中電化學反應的熱來保持燃料電池組的最佳運行溫度并執行水管理的熱和水管理系統。
[0003]燃料電池系統被供應有來自外部來源的氫氣和空氣，并且氫和氧的電化學反應在燃料電池系統的燃料電池組中發生。在電化學反應過程中，從電化學反應產生水，并且水的體積根據實時運行條件例如溫度和壓力隨著水變為水蒸氣、飽和液體或冰而波動。換言之，水通道會被改變。此外，水的波動體積也會影響隔板、氣體擴散層、催化劑層中的通道，并且氣體和電子隨著水的行進而經過電解質膜。水體積的波動會引起水溢出燃料電池組的泛溢狀態或使燃料電池組水合的水不足的脫水狀態。具體地，為防止脫水，有必要防止燃料電池組暴露于高溫運行條件，因此，需要充分的冷卻。
[0004]當由于環境因素例如相當高的外部溫度、車輛上坡行駛條件或其他因素例如冷卻組件如冷卻水栗、冷卻風扇、恒溫器等的故障導致燃料電池系統的最大散熱率下降時，燃料電池組的輸出電流被降低以將燃料電池組的運行溫度保持在最大極限。
[0005]在現有技術中，常規技術提供調節燃料電池系統的溫度的方法。例如，該方法通過使用溫度分布檢測單元和負荷狀態檢測單元，控制水栗和散熱器風扇使燃料電池組的入口與出口的溫差下降到特定溫度范圍。
[0006]在另一個實例中，常規技術提供一種控制方法，其包括以下步驟:將在燃料電池組出口中的冷卻水溫度的溫度范圍劃分為多個等級；設定對于各個等級的目標轉速；基于檢測到的燃料電池組出口中冷卻水的溫度對于冷卻水栗和冷卻風扇的轉速執行比例-積分(PI)控制，使得出口中冷卻水的溫度達到目標溫度；基于燃料電池組的熱值執行前饋控制；以及使用在PI控制和前饋控制中使用的值中的最大值調節冷卻水栗和冷卻風扇的轉速。
[0007]前述僅意在幫助理解本發明的背景，而不意在表明本發明落入本領域技術人員早已熟知的相關領域的范圍內。
【發明內容】
[0008]因此，本發明提供對于上面提到的現有技術中技術難題的技術方案。在一個方面，提供控制燃料電池系統的運行的方法。該方法可以通過預測燃料電池組的劣化并當燃料電池組劣化時使燃料電池組再生來防止燃料電池組的劣化。
[0009]在示例性實施方式中，控制燃料電池系統的運行的方法可以包括以下步驟:基于冷卻性能的下降和燃料電池組的劣化來診斷燃料電池組中的缺水狀態；基于所確定的燃料電池組的缺水狀態來確定燃料電池系統的診斷級別；以及通過選擇任何一種再生運行模式來執行再生運行。具體地，所選定的再生運行模式可以根據所確定的診斷級別而確定。
[0010]在燃料電池系統的診斷中，當燃料電池系統處于由冷卻性能的下降而發生缺水的第一狀態時，第一狀態可以被確定為診斷級別1。第一狀態也可以包括預測到由于冷卻系統的故障使燃料電池組處于缺水的狀態。此外，第一狀態可以是燃料電池組的運行溫度約等于或大于預設參考溫度和冷卻系統的故障持續約預設時間段或更久的狀態。
[0011]而且，第一狀態可以包括由于溫度或通風(draught)的空氣流量的增加或減少在燃料電池組中發生缺水的狀態。此外，第一狀態可以是燃料電池車的行駛速度、上坡行駛角和外部溫度中的至少任一因素持續大于或小于其預設參考值達預設時間段的狀態。
[0012]第一狀態也可以是行駛速度持續小于第一參考行駛速度達預設時間段、或上坡行駛角持續大于第一參考上坡行駛角達預設時間段、或外部溫度持續大于第一參考外部溫度達預設時間段的狀態。當使用燃料電池組的參考電流和燃料電池組的測量電流計算的值大于第一參考值時，第一狀態可以被確定。參考電流可以根據燃料電池組的溫度和可以是從燃料電池組輸出的實際電流的測量電流來獲得。
[0013]具體地，參考電流可以隨著燃料電池組的溫度升高而增加。第一狀態可以基于陰極側剩余水量的變化而確定。變化的量可以使用在燃料電池組陰極側的相對濕度的估算值進行計算。在燃料電池組陰極側的相對濕度的估算值可以基于燃料電池組陰極側的入口和出口中的溫度、燃料電池組入口中的空氣流量以及從燃料電池組輸出的產生電流進行計笪弁ο
[0014]分別地，當陰極側出口中的相對濕度是估算值時，以及當陰極側出口中的相對濕度在約90%到約110%的范圍內時，剩余水量的變化也可以使用陰極側出口中的水蒸氣的流量進行計算。陰極側出口中的水蒸氣的流量可以使用陰極側出口中的水蒸氣壓力、取決于燃料電池組入口中空氣流量的陰極側出口中的空氣壓力、以及燃料電池組入口中的空氣流量進行計算。
[0015]燃料電池系統的診斷級別的確定可以包括將第二狀態確定為診斷級別2。在第二狀態中，由于燃料電池組的劣化，燃料電池組的熱值會增加，而且燃料電池組的劣化由缺水引起。燃料電池組的劣化可以使用燃料電池組的電壓-電流曲線或阻抗或電流分斷法進行確定。此外，在執行再生運行時，再生運行模式可以包括:用于降低燃料電池組的運行極限溫度的第一再生運行模式；用于增加燃料電池組陰極側的空氣壓力或降低空氣化學計量比的第二再生運行模式；以及用于降低燃料電池組陽極側的氫氣壓力或增加氫化學計量比的第三再生運行模式。
[0016]在診斷級別1被確定時，在執行再生運行中，可以改變選定的再生運行模式中的再生運行的強度而進行再生運行。在診斷級別2被確定時，在執行再生運行中，可以通過將再生運行的強度增加到選定的再生運行模式中的允許最大值而進行再生運行。
[0017]當再生運行以用于降低燃料電池組的運行極限溫度的第一再生運行模式執行時，運行極限溫度可以根據所確定的診斷級別而改變。當再生運行以用于增加陰極側的空氣壓力或降低空氣化學計量比的第二再生運行模式執行時，陰極側的空氣壓力的增加量或空氣化學計量比的減少量可以根據所確定的診斷級別而改變。
[0018]基于針對空氣流量或燃料電池輸出的預設空氣出口閥開度映射，根據所確定的診斷級別，空氣出口閥的開度可以增加或空氣化學計量比的可變范圍可以減少。當再生運行以用于降低燃料電池組的陽極側的氫氣壓力或增加氫化學計量比的第三再生運行模式執行時，在陽極側的氫氣壓力的減少量或氫化學計量比的增加量可以根據所確定的診斷級別而改變。
[0019]此外，基于針對空氣流量或燃料電池的輸出電流的預設目標氫氣壓力映射，根據所確定的診斷級別，目標氫氣壓力可以降低或氫化學計量比的增加量可以改變。當診斷級別1被確定時，再生運行可以執行，以根據選定的再生運行模式降低運行極限溫度、增加陰極側的空氣壓力或減少空氣化學計量比的可變范圍。
[0020]當診斷級別2被確定時，再生運行可以執行，以根據選定的再生運行模式將運行極限溫度降低到預設下限溫度、將陰極側的空氣壓力增加到預設上限空氣壓力、將空氣化學計量比減少到下限比、將陽極側的氫氣壓力減少到下限氫氣壓力或將氫化學計量比增加到上限比。在執行再生運行中，可以根據所確定的診斷級別改變選定的再生運行模式的數量而執行再生運行。
[0021]根據控制燃料電池系統的運行的示例性方法，通過在燃料電池組脫水時執行再生運行，可以防止燃料電池組的脫水并改善燃料電池的耐久性。此外，可以防止由燃料電池組中發生的任何故障或特定運行模式引起的燃料電池組性能的劣化，從而保持燃料電池組的初始運行性能。
【附圖說明】
[0022]基于以下結合附圖的詳細說明，將更清晰地理解本發明的上述和其他目的、特征和其他優點，其中:
[0023]圖1示出根據本發明的示例性實施方式的示例性燃料電池系統的電力網絡的示例性配置；
[0024]圖2示出根據本發明的示例性實施方式的包括示例性診斷級別的表格，該示例性診斷級別基于缺水的嚴重程度進行分類并用在控制示例性燃料電池系統的運行的示例性方法中；
[0025]圖3示出表明根據本發明的示例性實施方式的如圖2所述的基于冷卻性能的下降和缺水的發生來控制示例性燃料電池系統的運行的示例性方法的