相關(guān)申請(qǐng)的引證

本申請(qǐng)要求于2016年3月15日提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)第10-2016-0030825號(hào)的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引證結(jié)合于此。

本發(fā)明涉及燃料電池車輛，并且更具體地，涉及通過(guò)估計(jì)燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的水量來(lái)增加燃料電池系統(tǒng)的輸出效率的方法和裝置。

背景技術(shù)：

燃料電池系統(tǒng)是在燃料電池堆內(nèi)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的一類發(fā)電系統(tǒng)。使用這種燃料電池系統(tǒng)的燃料電池車輛具有諸如減少?gòu)U氣和提高燃料效率的優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到燃料電池系統(tǒng)的缺點(diǎn)，諸如產(chǎn)生水和電力性能方面，采用具有電力存儲(chǔ)單元(即與燃料電池不同的另外的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備)的燃料電池混合系統(tǒng)。除了燃料電池作為主要?jiǎng)恿υ粗猓剂想姵鼗旌蟿?dòng)力車輛還會(huì)配備有電力存儲(chǔ)單元，即高壓電池或者超級(jí)電容器(超級(jí)電容)作為用于提供驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所必需的動(dòng)力的單獨(dú)的動(dòng)力源。

安裝在燃料電池混合動(dòng)力車輛中的燃料電池系統(tǒng)包括：燃料電池堆，生成電能；氫供應(yīng)設(shè)備，向燃料電池堆供應(yīng)氫作為燃料；空氣(氧)供應(yīng)設(shè)備，向燃料電池堆供應(yīng)空氣中的氧作為電化學(xué)反應(yīng)必需的氧化劑；熱管理系統(tǒng)(tms)，將燃料電池堆反應(yīng)的熱量排放到系統(tǒng)的外部，控制燃料電池堆的驅(qū)動(dòng)溫度并且執(zhí)行水管理功能；以及燃料電池系統(tǒng)控制器，控制燃料電池系統(tǒng)的全部操作。通過(guò)這種配置，燃料電池系統(tǒng)通過(guò)用作燃料的氫與空氣中的氧之間的反應(yīng)生成電，并且將熱量和水作為反應(yīng)的副產(chǎn)物排出。

質(zhì)子交換膜燃料電池或者聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(pemfc)已被確定為具有最高的電力密度的一類燃料電池供在車輛中使用，并且由于pemfc低操作溫度，其具有短的起動(dòng)時(shí)間和短的電力變換反應(yīng)時(shí)間。

安裝在pemfc中的燃料電池堆包括膜電極組件(mea)，其中，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的電極/催化劑層附接到聚合物電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面，氫離子向聚合物電解質(zhì)膜移動(dòng)；氣體擴(kuò)散層(gdl)，用來(lái)將反應(yīng)氣體均勻分布并且傳輸生成的電，墊片和夾鉗保持反應(yīng)氣體和冷卻水的氣密性以及適當(dāng)?shù)膴A緊壓力；以及雙極板，使反應(yīng)氣體和冷卻水移動(dòng)，并且當(dāng)供應(yīng)了氫和氧(空氣)時(shí)，通過(guò)燃料電池反應(yīng)生成電流。

在燃料電池堆中，將氫供應(yīng)給陽(yáng)極(稱為“燃料電極”)，并且將氧(空氣)供應(yīng)給陰極(稱為“空氣電極”或者“氧電極”)。

供應(yīng)給陽(yáng)極的氫被形成在電解質(zhì)膜的兩個(gè)表面上的電極層的催化劑分離為質(zhì)子(h+)和電子(e-)，并且僅質(zhì)子(h+)穿過(guò)電解質(zhì)膜(即陽(yáng)離子交換膜)并且傳輸?shù)疥帢O，并且同時(shí)，電子(e-)通過(guò)由導(dǎo)體形成的gdl和雙極板傳輸?shù)疥帢O。

具體地，在陰極中，通過(guò)電解質(zhì)膜供應(yīng)給陰極的質(zhì)子(h+)和通過(guò)雙極板傳輸?shù)疥帢O的電子(e-)遇到通過(guò)空氣供應(yīng)設(shè)備供應(yīng)給陰極的空氣中的氧，因此產(chǎn)生水。

根據(jù)質(zhì)子(h+)的運(yùn)動(dòng)生成了電子(e-)穿過(guò)外部線的流動(dòng)，并且這種電子(e-)的流動(dòng)生成電流。此外，在水產(chǎn)生反應(yīng)期間，附帶地生成熱量。

將描述在pemfc的電極的反應(yīng)如下。

[陽(yáng)極處的反應(yīng)]2h2→4h⁺+4e^-

[陰極處的反應(yīng)]o2+4h⁺+4e^-→2h2o

[整體反應(yīng)]2h2+o2→2h2o+電能+熱能

在以上反應(yīng)中，質(zhì)子(h+)應(yīng)該穿過(guò)聚合物膜，質(zhì)子(h+)的膜滲透性通過(guò)含水量的函數(shù)(function)確定，隨著反應(yīng)進(jìn)行，產(chǎn)生水并且使反應(yīng)氣體和膜濕潤(rùn)。

如果反應(yīng)氣體是干燥的，通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生的全部的水用于使空氣濕潤(rùn)，并且因此聚合物膜變干。因此，為了適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)燃料電池，聚合物膜應(yīng)該保持濕潤(rùn)。其原因是質(zhì)子(h⁺)的膜滲透性由膜內(nèi)包含的水的函數(shù)確定。

另一方面，如果膜過(guò)度濕潤(rùn)，氣體擴(kuò)散層(在下文中稱為“gdl”)的氣孔被阻塞并且反應(yīng)氣體不能接觸催化劑。結(jié)果，保持膜內(nèi)合適的水量非常重要。

因此，為了提高硫化的含氟聚合物膜用來(lái)在聚合物電解質(zhì)膜燃料電池中執(zhí)行交換質(zhì)子(h⁺)的功能的性能，該膜應(yīng)該包含合適的水量。

雖然燃料電池接收大氣中的空氣而不是純氧作為氧化劑，但是大氣中的空氣一般沒(méi)有足夠濕潤(rùn)到使膜徹底濕潤(rùn)。因此，在向燃料電池供應(yīng)大氣中的空氣之前，必須使空氣充分濕潤(rùn)，以便平穩(wěn)地操作燃料電池。

由于這些特點(diǎn)，必須向燃料電池供應(yīng)包含合適量的水的空氣，并且在許多燃料電池車輛中，將通過(guò)加濕系統(tǒng)加濕的空氣供應(yīng)給堆。此外，在燃料電池車輛中使用的加濕器是無(wú)源類型的，其通過(guò)從堆中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水(蒸氣)持續(xù)地進(jìn)行加濕。

然而，在車輛的一般驅(qū)動(dòng)和在恒定電流模式兩者期間，在加濕器內(nèi)可能出現(xiàn)過(guò)量的水(即所產(chǎn)生的水)，恒定電流模式被稱為有利于加濕的模式(驅(qū)動(dòng)模式，其中燃料電池的輸出電流被固定到恒定值)。

在加濕器中過(guò)量的水的積聚可能引起問(wèn)題，諸如降低加濕效率、在車輛驅(qū)動(dòng)期間電池電壓突然下降、由于冬天加濕器內(nèi)的水凍結(jié)而阻塞到堆的空氣流路徑以及對(duì)加濕器的物理?yè)p害。

因此，需要有效控制燃料電池系統(tǒng)的方法，其中通過(guò)解決加濕器內(nèi)過(guò)量的水的積聚同時(shí)保持燃料電池堆的空氣的適當(dāng)?shù)臐穸葋?lái)防止上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種通過(guò)估計(jì)水量的燃料電池控制方法和裝置，其中通過(guò)估計(jì)在燃料電池系統(tǒng)的加濕器內(nèi)的水量并且適當(dāng)使用或者去除過(guò)度積聚的水，而有效控制燃料電池系統(tǒng)。

本發(fā)明的另外的優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將在以下描述中部分闡述，并且對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，部分經(jīng)以下的分析將變得明顯或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中了解到。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)書面描述及其權(quán)利要求以及附圖中具體指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。

為實(shí)現(xiàn)這些目的和其他優(yōu)點(diǎn)，并且根據(jù)本發(fā)明的目的，如本文中所體現(xiàn)和所概括描述的，一種燃料電池控制裝置包括：使用在燃料電池的陰極處的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極處的水的排放量，計(jì)算加濕器中的水量；使用車輛的狀態(tài)信息判斷車輛是否處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)；在判斷出車輛處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)中時(shí)判斷燃料電池堆中空氣的濕度，如果燃料電池堆中空氣的濕度滿足第一條件，當(dāng)加濕器內(nèi)的水量大于第一閾值并且第二條件被滿足時(shí)，將鼓風(fēng)機(jī)的rpm從第一rpm增加到第二rpm并且激活鼓風(fēng)機(jī)，并且如果燃料電池堆中的空氣的濕度不滿足第一條件，當(dāng)加濕器內(nèi)的水量大于第二閾值時(shí)，激活加濕器中的加熱器，其中，第一rpm基于空氣化學(xué)計(jì)量比(sr)而變化。

如果燃料電池堆中空氣的濕度高于閾值濕度，那么第一條件可被滿足。

如果車輛被制動(dòng)，那么第二條件可被滿足。

燃料電池控制方法還可以包括：在判斷出車輛不處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)中時(shí)，當(dāng)加濕器內(nèi)的水量大于第一閾值時(shí)，將鼓風(fēng)機(jī)的rpm從第一rpm增加到第二rpm并且激活鼓風(fēng)機(jī)。

使用在燃料電池的陰極處的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極處的水的排放量計(jì)算加濕器內(nèi)的水量可以包括：使用燃料電池堆的電流量和燃料電池堆中的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間計(jì)算陰極處的水的產(chǎn)生量。

使用在燃料電池的陰極處的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量和在陽(yáng)極處的水的排放量計(jì)算加濕器內(nèi)的水量可以包括：使用燃料電池堆的溫度和排放空氣的流速計(jì)算飽和水蒸汽的排放量，并且排放空氣的流速可以使用鼓風(fēng)機(jī)的rpm和空氣壓力調(diào)節(jié)閥的開度角來(lái)計(jì)算。

使用在燃料電池的陰極處的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極處的水的排放量計(jì)算加濕器內(nèi)的水量還可以包括：使用取決于燃料電池堆的溫度和排放空氣的流速的飽和水蒸汽分布的圖，來(lái)計(jì)算飽和水蒸汽的量，并且使用取決于鼓風(fēng)機(jī)的rpm和空氣壓力調(diào)節(jié)閥的開度角的排放空氣的流速的圖，來(lái)計(jì)算排放空氣的流速。

使用在燃料電池的陰極處的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極處的水的排放量計(jì)算加濕器內(nèi)的水量還可以包括：基于水排放量修正因子計(jì)算飽和水蒸汽的排放量，水排放量修正因子基于車輛的坡度(gradient)。

使用在燃料電池的陰極處的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極處的水的排放量計(jì)算加濕器內(nèi)的水量可以包括：使用排水閥的操作數(shù)量、排水閥的操作時(shí)間以及排放壓力計(jì)算在陽(yáng)極處的水的排放量。

使用排水閥的操作數(shù)量、排水閥的操作時(shí)間以及排放壓力計(jì)算在陽(yáng)極處的水的排放量還可以包括：使用取決于排水閥的操作數(shù)量、排水閥的操作時(shí)間以及排放壓力的在陽(yáng)極處的水的排放量的圖，計(jì)算在陽(yáng)極處的水的排放量。

在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)來(lái)記錄程序，以執(zhí)行上述燃料電池控制方法。

在本發(fā)明的又一個(gè)方面中，一種燃料電池控制裝置包括：通信單元，被配置為接收有關(guān)燃料電池堆的信息和車輛的狀態(tài)信息；存儲(chǔ)器，被配置為存儲(chǔ)從通信單元接收的信息；以及控制器，被配置為使用在燃料電池的陰極處的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極處的水的排放量，計(jì)算加濕器內(nèi)的水量，如果車輛處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)則判斷燃料電池堆中的空氣的濕度，以及如果燃料電池堆中的空氣的濕度滿足第一條件，當(dāng)加濕器內(nèi)的水量大于第一閾值并且第二條件被滿足時(shí)，將鼓風(fēng)機(jī)的rpm從第一rpm增加到第二rpm并且激活鼓風(fēng)機(jī)，或者如果燃料電池堆中的空氣的濕度不滿足第一條件，當(dāng)加濕器中的水量大于第二閾值時(shí)，激活加濕器內(nèi)的加熱器，其中，第一rpm基于空氣化學(xué)計(jì)量比(sr)而變化。

如果燃料電池堆中的空氣的濕度高于閾值濕度，控制器可以判斷出滿足了第一條件。

如果車輛制動(dòng)，控制器可以判斷出滿足了第二條件。

如果車輛不處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)加濕器內(nèi)的水量大于第一閾值時(shí)，控制器可以將鼓風(fēng)機(jī)的rpm從第一rpm增加到第二rpm并且激活鼓風(fēng)機(jī)。

控制器可以使用燃料電池堆的電流量和燃料電池堆中的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間計(jì)算在陰極處的水的產(chǎn)生量。

控制器可以使用燃料電池堆的溫度和排放空氣的流速計(jì)算飽和水蒸汽的排放量，并且使用鼓風(fēng)機(jī)的rpm和空氣壓力調(diào)節(jié)閥的開度角計(jì)算排放空氣的流速。

控制器可以使用取決于燃料電池堆的溫度和排放空氣的流速的飽和水蒸汽分布的圖，來(lái)計(jì)算飽和水蒸汽的量，并且使用取決于鼓風(fēng)機(jī)的rpm和空氣壓力調(diào)節(jié)閥的開度角的排放空氣的流速的圖，計(jì)算排放空氣的流速。

控制器可以基于水排放量修正因子計(jì)算飽和水蒸汽的排放量，水排放量修正因子基于車輛的坡度。

控制器可以使用排水閥的操作數(shù)量、排水閥的操作時(shí)間以及排放壓力計(jì)算在陽(yáng)極處的水的排放量。

控制器可以根據(jù)排水閥的操作數(shù)量、排水閥的操作時(shí)間以及排放壓力，使用在陽(yáng)極處的水的排放量的圖計(jì)算在陽(yáng)極的水的排放量。

應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明以上的總體描述和以下的詳細(xì)描述都是示例性的和說(shuō)明性的，并且旨在提供對(duì)所要求保護(hù)的本發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

為提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解而包括并且并入本申請(qǐng)中且構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖，示出本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，并且與說(shuō)明書一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。在附圖中：

圖1是示出在常規(guī)的燃料電池系統(tǒng)中，在各情況下由加濕器內(nèi)過(guò)度積聚的水引起的溢流的示圖；

圖2是示出由于圖1的常規(guī)的燃料電池系統(tǒng)中發(fā)生溢流而導(dǎo)致的電池電壓突然下降的示圖；

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的通過(guò)估計(jì)水量的燃料電池控制方法的流程圖；

圖4是與圖3相比，更詳細(xì)地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的通過(guò)估計(jì)水量的燃料電池控制方法的流程圖；

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式估計(jì)加濕器內(nèi)的水量的方法的示圖；以及

圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的燃料電池控制裝置的框圖。

具體實(shí)施方式

應(yīng)理解，如本文中使用的術(shù)語(yǔ)“車輛”或者“車輛的”或者其他類似術(shù)語(yǔ)包括廣義的機(jī)動(dòng)車輛，諸如包括運(yùn)動(dòng)型多用途車輛(suv)、公共汽車、卡車、各種商用車輛的載客車輛、包括各種船只和艦船的船舶、航天器等，并且包括混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)車輛、插電式混合電動(dòng)車輛、氫動(dòng)力車輛以及其他可替代燃料車輛(例如來(lái)源于除石油以外的資源的燃料)。作為本文中所指代的混合動(dòng)力車輛是具有兩種或更多種動(dòng)力源的車輛，例如，汽油動(dòng)力和電動(dòng)的車輛。

本文使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述具體實(shí)施方式的目的，并不旨在限制本發(fā)明。除非上下文另外明確指示，否則如本文中所使用的單數(shù)形式“一(a)”、“一個(gè)(an)”以及“該(the)”旨在也包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)進(jìn)一步理解，當(dāng)在本說(shuō)明書中使用術(shù)語(yǔ)“包含(comprises)”和/或“包括(comprising)”時(shí)，指定述及的特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或其組合的存在或添加。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括相關(guān)所列項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)的任何和所有的組合。貫穿本說(shuō)明書，除非明確描述為相反，否則詞語(yǔ)“包含(comprise)”以及諸如“包含(comprises)”或“包括(comprising)”的變形應(yīng)被理解為暗示包括所述及的元件，但并不排除還包括任何其他元件。此外，在說(shuō)明書中描述的術(shù)語(yǔ)“單元(unit)”、“…器(-er)”、“…裝置(-or)”或者“模塊(module)”意指用于處理至少一個(gè)功能和操作的單元，并且可以通過(guò)硬件組件或軟件組件及其組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步，本發(fā)明的控制邏輯可被體現(xiàn)為包含由處理器、控制器等執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的非瞬時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的實(shí)例包括但不限于rom、ram、光盤(cd)-rom、磁帶、軟盤、閃存驅(qū)動(dòng)器、智能卡以及光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)還可以分布在耦接網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，使得以分布形式(例如，通過(guò)遠(yuǎn)程信息處理服務(wù)器或者控制器局域網(wǎng)(can))存儲(chǔ)并執(zhí)行計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

本發(fā)明提供了一種方法和裝置，其在適當(dāng)保持燃料電池堆中的空氣的濕度的同時(shí)計(jì)算在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的加濕器中積聚的水量，并且因此使用或去除在燃料電池反應(yīng)中所產(chǎn)生的水量，以便增加燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率。

在本發(fā)明的詳細(xì)描述之前，將參考圖1和圖2描述在常規(guī)的燃料電池系統(tǒng)中由積聚的水所引起的問(wèn)題，并且然后，將參考圖3到圖6描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的通過(guò)估計(jì)水量的燃料電池的控制方法和裝置。

圖1是示出在常規(guī)的燃料電池系統(tǒng)中在各情況下由加濕器內(nèi)過(guò)度積聚的水引起的溢流的示圖，并且圖2是示出由于圖1的常規(guī)的燃料電池系統(tǒng)中的溢流而導(dǎo)致的電池電壓突然下降的示圖。

參考圖1，燃料電池系統(tǒng)可以包括連接到堆的加濕器100和鼓風(fēng)機(jī)。鼓風(fēng)機(jī)用于將空氣供應(yīng)到堆中，并且由安裝在鼓風(fēng)機(jī)和堆之間的加濕器適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)供應(yīng)給堆的空氣的濕度。

鼓風(fēng)機(jī)可以根據(jù)氫與氧的氣體比率改變每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)，并且因此改變供應(yīng)到陰極的空氣的量，以便在燃料電池中適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。就是說(shuō)，鼓風(fēng)機(jī)的rpm根據(jù)取決于給定情況下的空氣的化學(xué)計(jì)量比(sr)，連續(xù)適當(dāng)?shù)卦黾雍蜏p少。

根據(jù)本發(fā)明，加濕器是無(wú)源型加濕器，其將在殼程(shellside，殼側(cè))中積聚的水蒸發(fā)到空氣中，并且將由蒸氣加濕的空氣提供給堆。

在圖1的操作s110中，在燃料電池堆的陰極處通過(guò)氫與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水，在加濕器的殼程處積聚。

在一般驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和被稱為是有利于加濕的狀態(tài)的恒定電流狀態(tài)(沒(méi)有突然加速的驅(qū)動(dòng)狀態(tài))兩種狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)過(guò)量的產(chǎn)生的水的積聚。

在圖1的操作s120中，在具有燃料電池系統(tǒng)的燃料電池車輛停止達(dá)指定的時(shí)間之后，管程從加濕器的殼程吸收水。

此后，在圖1的操作s130中，如果鼓風(fēng)機(jī)向堆供應(yīng)空氣，那么可以將管程處的水引入到堆中。

就是說(shuō)，在圖1的操作s130中，會(huì)發(fā)生以下溢流，其中在加濕器中所產(chǎn)生的水過(guò)度積聚而沒(méi)有去除的條件下，殼程處的水被用作朝向堆的空氣流路徑的管程吸收，并且因此當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，水被引入到堆中。

參考圖2，由溢流引起的代表性問(wèn)題之一是電池電壓突然下降。

電池電壓突然下降是指多個(gè)單元電池中的一些的電力輸出突然下降，并且這種電池電壓突然下降是由鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)水引入到堆中所導(dǎo)致。

就是說(shuō)，在沒(méi)有突然加速地驅(qū)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間(2-4小時(shí))之后，加濕器的殼程處積聚的所產(chǎn)生的水被管程吸收達(dá)指定時(shí)間，并且此后，如果在驅(qū)動(dòng)的初始階段，管程處積聚和收集的水被暫時(shí)引入到堆中，那么在鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)在電池處發(fā)生溢流，從而可能發(fā)生突然的電流限制。這種溢流會(huì)降低車輛驅(qū)動(dòng)性能，并且對(duì)堆耐久性產(chǎn)生不良影響。

此外，在寒冷天氣(例如冬天狀況)下，當(dāng)由管程吸收的殼程處的水在加濕器內(nèi)凍結(jié)時(shí)，由于體積膨脹，中空纖維膜可能變形，并且用作朝向堆的空氣流路徑的管程可能由于水的凍結(jié)而關(guān)閉，從而妨礙將空氣引入到燃料電池堆中，并且降低輸出效率。

在常規(guī)的燃料電池系統(tǒng)中，考慮在加濕器中積聚的水(所產(chǎn)生的水)的技術(shù)尚未已知，但是使用了以下冷停堆(coldshutdown)(csd)技術(shù)，其中當(dāng)在冬天車輛的起動(dòng)關(guān)閉時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行為以特定rpm鼓吹空氣達(dá)指定時(shí)間以上，以防止堆中的水(剩余的水)凍結(jié)(以確保冷起動(dòng)增強(qiáng))。

然而，當(dāng)應(yīng)用csd技術(shù)時(shí)，在所產(chǎn)生的水的排放量之中，在堆中的水僅占小于10％，并且在加濕器中積聚的水占90％或更多。此外，為了減少由鼓風(fēng)機(jī)引起的噪聲，正在考慮避免采用csd技術(shù)的措施，但是除非克服了在加濕器中所產(chǎn)生的水的凍結(jié)，否則沒(méi)有其他方式。此外，在堆中的水量的積聚趨勢(shì)和在加濕器中的水量的積聚趨勢(shì)是不同的，并且由于應(yīng)用基于堆中的水量的常規(guī)csd技術(shù)，因而在冬天加濕器中的水凍結(jié)的可能性依然存在。

因此，本發(fā)明提供了通過(guò)估計(jì)水量的燃料電池控制方法和裝置，其中估計(jì)在加濕器中的水量而不是在堆中的水量，并且根據(jù)估計(jì)的加濕器中的水量，使用由燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的水通過(guò)加熱器來(lái)調(diào)節(jié)供應(yīng)到堆的空氣的濕度，或者通過(guò)高rpm的鼓風(fēng)機(jī)去除過(guò)度積聚的水。

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的通過(guò)估計(jì)水量的燃料電池控制方法的流程圖。

燃料電池控制裝置使用在燃料電池的陰極處水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極的水的排放量，計(jì)算加濕器中的水量(操作s310)。

加濕器中的水量可以通過(guò)在燃料電池的陰極的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極的水的排放量確定。

在陰極，透過(guò)電解質(zhì)膜供應(yīng)的質(zhì)子和通過(guò)雙極板傳輸?shù)碾娮佑龅接晒娘L(fēng)機(jī)供應(yīng)到陰極的空氣中的氧，并且因此產(chǎn)生水。因此，在計(jì)算加濕器中的水量時(shí)，考慮在陰極處水的產(chǎn)生量。

飽和水蒸汽的排放量被認(rèn)為是從加濕器的水量中排出的水量。

在陽(yáng)極的水的排放量用于考慮在陰極產(chǎn)生、透過(guò)電解質(zhì)膜移動(dòng)到陽(yáng)極、然后從陽(yáng)極排放的水。從陽(yáng)極排放的水可以通過(guò)排水管存儲(chǔ)在脫水器中，并且通過(guò)排水閥排放。

下面將參考圖5描述計(jì)算加濕器中的水量的方法。

燃料電池控制裝置使用車輛的狀態(tài)信息判斷燃料電池車輛是否處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)(操作s320)。

如果車輛沒(méi)有處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)加濕器中的水量為使用cds時(shí)的指定量或更多時(shí)，可以增加鼓風(fēng)機(jī)的rpm以將水排放到外部。

然而，本發(fā)明的主要目的是操作加濕器中的加熱器或者鼓風(fēng)機(jī)，以便即使車輛在驅(qū)動(dòng)中，也防止由于加濕器中的水量而使得生成的電池電壓突然下降，同時(shí)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)燃料電池堆中的空氣的濕度。

如果車輛處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，燃料電池控制裝置判斷燃料電池堆中的空氣的濕度(操作s330)。

在堆中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)中，質(zhì)子應(yīng)該穿過(guò)聚合物膜，質(zhì)子的膜滲透性由含水量的函數(shù)確定，并且為了適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)燃料電池，聚合物膜應(yīng)該保持濕潤(rùn)。

如果反應(yīng)氣體是干燥的，由反應(yīng)產(chǎn)生的全部水量用于使空氣濕潤(rùn)，并且因此聚合物膜變干。相反，如果膜過(guò)度濕潤(rùn)，氣體擴(kuò)散層的氣孔(在下文中稱為“gdl”)被阻塞，并且反應(yīng)氣體不能接觸催化劑。因此，保持膜的適當(dāng)?shù)暮渴欠浅Ｖ匾摹?/p>

作為判斷燃料電池堆中的空氣的濕度的結(jié)果，如果在燃料電池堆中的合適的濕度沒(méi)有保持的情況下(在干燥狀態(tài)下)，加濕器中的水量大，那么由加熱器蒸發(fā)加濕器中的水；并且如果在燃料電池堆中的合適的濕度被保持的情況下，加濕器中的水量大，那么由高rpm的鼓風(fēng)機(jī)將水排放到外部，從而保持合適的濕度。

如果燃料電池堆中的空氣的濕度滿足第一條件，當(dāng)加濕器中的水量大于第一閾值并且滿足一個(gè)或多個(gè)第二條件時(shí)，燃料電池控制裝置增加鼓風(fēng)機(jī)的rpm并且然后激活(activate)鼓風(fēng)機(jī)(操作s340)。

可以基于閾值濕度判斷第一條件(即，燃料電池堆中的空氣是否是干燥的，以及燃料電池堆中的空氣是干燥的還是濕潤(rùn)的)。如果燃料電池堆中的空氣不干燥，那么可以滿足第一條件。

當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)可以滿足一個(gè)或多個(gè)第二條件(例如車輛是否制動(dòng))，從而利用來(lái)自制動(dòng)的再生制動(dòng)能量增加鼓風(fēng)機(jī)的rpm。

如果燃料電池堆中的空氣具有合適的濕度，那么可以滿足第一條件，并且如果滿足第一條件且加濕器中的水量大于第一閾值，那么判斷出積聚的水量大，將鼓風(fēng)機(jī)的rpm從第一rpm增加到第二rpm并且然后激活鼓風(fēng)機(jī)，并且因此將積聚的水排放到外部。

在此，第一rpm是基于空氣sr、車輛速度等的鼓風(fēng)機(jī)的rpm，以便適當(dāng)激活燃料電池堆中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，并且第二rpm是比第一rpm更高的rpm，以便將加濕器中的水排放到外部。

在此，如果車輛制動(dòng)，那么可以滿足第二條件，并且可以使用當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量，以從第一rpm升高的第二rpm激活鼓風(fēng)機(jī)。

燃料電池控制裝置可以使用車輛的狀態(tài)信息判斷車輛是否制動(dòng)。車輛的狀態(tài)信息可以包括車輛的速度信息和變速箱信息等。然而，燃料電池控制裝置可不判斷車輛是否制動(dòng)，而是可以從外部裝置接收車輛是否制動(dòng)的信息。

如果燃料電池堆中的空氣的濕度不滿足第一條件，當(dāng)加濕器中的水量大于第二閾值時(shí)，燃料電池控制裝置激活加濕器的內(nèi)部加熱器(操作s350)。

如果燃料電池堆中的空氣是干燥的并且因此不滿足第一條件，并且判斷出加濕器中的水過(guò)度積聚，那么燃料電池控制裝置激活加濕器中的加熱器，并且因此引起加濕器中的水的蒸汽。

圖4是更詳細(xì)地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的通過(guò)估計(jì)水量的燃料電池控制方法的流程圖。

參考圖4，燃料電池控制裝置估計(jì)加濕器中的水(所產(chǎn)生的水)量(操作s410)。如上參考圖3所述，燃料電池控制裝置使用在燃料電池的陰極處的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極處的水的排放量，計(jì)算加濕器中的水量。

燃料電池控制裝置使用燃料電池車輛的狀態(tài)信息判斷車輛是處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)還是停車狀態(tài)(操作s420)。

如果車輛處于停車狀態(tài)，可以應(yīng)用csd技術(shù)，其中激活鼓風(fēng)機(jī)以防止燃料電池堆中的水凍結(jié)。此外，判斷車輛是否處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，以即使在與車輛的停車狀態(tài)區(qū)別(separately)的車輛的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，通過(guò)激活鼓風(fēng)機(jī)或者加濕器中的加熱器，使用或者去除加濕器中過(guò)度積聚的水。

如果車輛沒(méi)有處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)(操作s420中的否)，燃料電池控制裝置判斷加濕器中的水量是否大于第一閾值(操作s421)。

如果在車輛的停車狀態(tài)下，加濕器中的水量大于第一閾值，那么在加濕器的殼程積聚的水被管程吸收，并且因此當(dāng)車輛起動(dòng)時(shí)可能發(fā)生電池電壓突然下降，并且因此，燃料電池控制裝置將鼓風(fēng)機(jī)的rpm從第一rpm增加到第二rpm并且以第二rpm激活鼓風(fēng)機(jī)，以將加濕器中的水排放到外部(操作s422)。

車輛的狀態(tài)信息可以包括車輛的速度信息和變速器信息等，并且燃料電池控制裝置可以基于狀態(tài)信息判斷車輛是處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)還是處于停車狀態(tài)。

如果車輛處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，那么燃料電池控制裝置判斷燃料電池堆中的空氣的濕度是否滿足第一條件(操作s430)。

燃料電池堆中的空氣應(yīng)該保持允許燃料電池中適當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)反應(yīng)的濕度。因此，燃料電池控制裝置可以通過(guò)判斷燃料電池堆中的空氣的濕度是否高于閾值濕度，判斷燃料電池堆中的空氣是干燥的還是濕潤(rùn)的。

此外，安裝在燃料電池系統(tǒng)中的堆診斷器可以判斷堆中的空氣是否是干燥的/濕潤(rùn)的，并且將判斷的結(jié)果傳輸?shù)饺剂想姵乜刂蒲b置。

如果堆中的空氣的濕度低于閾值濕度并且因此滿足第一條件(s430的操作中的是)，那么燃料電池控制裝置判斷出堆中的空氣是干燥的，并且判斷加濕器中的水量是否大于第二閾值(操作s431)。如果加濕器中的水量大于第二閾值(操作s431中的是)，那么燃料電池控制裝置可以激活加濕器中的加熱器以便引起加濕器中的水的蒸發(fā)，由蒸發(fā)而降低加濕器中的水量并且增加堆中的空氣的濕度(操作s432)。

如果堆中的空氣的濕度高于閾值濕度并且因此不滿足第一條件(s430中的否)，那么燃料電池控制裝置可以判斷出堆中的空氣具有適當(dāng)?shù)臐穸葋?lái)激活(活化)堆中的電化學(xué)反應(yīng)。

如果堆中的空氣的濕度不滿足第一條件并且加濕器中的水量大于第一閾值(操作s440中的是)，那么燃料電池控制裝置可以增加鼓風(fēng)機(jī)的rpm并且然后激活鼓風(fēng)機(jī)，以便將加濕器中的水排放到外部(操作s442)。

在此，燃料電池控制裝置可以判斷車輛是否處于制動(dòng)狀態(tài)(操作s441中的是)，并且使用制動(dòng)狀態(tài)下生成的再生制動(dòng)能量將鼓風(fēng)機(jī)的rpm從第一rpm增加到第二rpm(操作s442)。

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的估計(jì)在加濕器內(nèi)的水量的方法的示圖。

參考圖5，用于估計(jì)加濕器中的水量的因子包括：在燃料電池的陰極處的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極處的水的排放量。

在陰極的水的產(chǎn)生量可以通過(guò)燃料電池堆的電流量(i)和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間確定。

由化學(xué)反應(yīng)在陰極的水的產(chǎn)生量(waterproduction_cathode，wprd)可以由以下等式1計(jì)算(操作s510)。

[等式1]

例如，如果電池的數(shù)量是434，燃料電池堆的電流量(i)是100a，根據(jù)堆和加濕器的形狀的修正因子(α)是0.75，并且化學(xué)反應(yīng)時(shí)間是1s，那么基于等式1可以產(chǎn)生3g的水。

在陽(yáng)極的水的排放量可以通過(guò)排水閥的操作數(shù)量、排放壓力以及排放時(shí)間確定(操作s520)。

在陽(yáng)極的水的排放量用于考慮在陰極產(chǎn)生、透過(guò)電解質(zhì)膜移動(dòng)到陽(yáng)極并且然后從陽(yáng)極排放的水。從陽(yáng)極排放的水可以由排水管存儲(chǔ)在脫水器中，并且通過(guò)排水閥排放。

排水管可以用于汲取從陽(yáng)極排放的水并且將水存儲(chǔ)在脫水器中，并且根據(jù)排水閥的操作數(shù)量、閥的操作時(shí)間以及排放壓力，可以增加在陽(yáng)極的水的排放量。

根據(jù)示例性實(shí)施方式，燃料電池控制裝置可以使用取決于操作s520的排水閥的操作數(shù)量、閥的操作時(shí)間以及排放壓力的在陽(yáng)極處的水的排放量圖，計(jì)算在陽(yáng)極的水的排放量。

在陽(yáng)極的水的排放量圖可以存儲(chǔ)在燃料電池控制裝置的存儲(chǔ)器中，并且可以使用在陽(yáng)極的水的排放量圖檢測(cè)每排水管從陽(yáng)極排放到加濕器的水量。

飽和水蒸汽的排放量可以通過(guò)燃料電池堆的溫度和排放空氣的流速確定(操作s530)。

飽和水蒸汽的排放量可以被認(rèn)為是從加濕器的水量中排放出的水量。

有關(guān)燃料電池堆的溫度的信息可以從溫度傳感器接收，并且排放空氣的流速可以使用鼓風(fēng)機(jī)的rpm和空氣壓力調(diào)節(jié)閥的開度角計(jì)算(操作s540)。

燃料電池控制裝置可以使用取決于操作s530的燃料電池堆的溫度和排放空氣的流速的飽和水蒸汽(即飽和水蒸汽的量)的分布的圖，來(lái)計(jì)算飽和水蒸汽的量。

此外，燃料電池控制裝置可以使用取決于操作s540的鼓風(fēng)機(jī)的rpm和空氣壓力調(diào)節(jié)閥的開度角的排放空氣的流速的圖，來(lái)計(jì)算排放空氣的流速。

飽和水蒸汽的排放量可以根據(jù)基于車輛的坡度(gradient，梯度)的水排放量修正因子來(lái)計(jì)算(操作s550)。

這樣做的原因是，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)排放到外部的水量根據(jù)坡度而變化，并且用于測(cè)量坡度的g傳感器可以是陀螺儀傳感器。

圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的燃料電池控制裝置600的框圖。

參考圖6，燃料電池控制裝置600可以包括通信單元610、控制器620以及存儲(chǔ)器630。

圖6中示出的元件不是必要的，并且燃料電池控制裝置600可以包括更多數(shù)量的元件或者更少數(shù)量的元件。

在下文中，將詳細(xì)描述上述元件。

通信單元610接收有關(guān)燃料電池堆的信息以計(jì)算加濕器中的水量，并且接收車輛的狀態(tài)信息以判斷車輛的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

根據(jù)示例性實(shí)施方式，通信單元610從多個(gè)傳感器接收對(duì)于燃料電池控制裝置計(jì)算加濕器中的水量必要的信息，并且傳輸控制加濕器中的加熱器和鼓風(fēng)機(jī)的激活的控制信號(hào)。

控制器620可以執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，以控制燃料電池控制裝置600的全部操作。

根據(jù)示例性實(shí)施方式，控制器620使用在燃料電池的陰極的水的產(chǎn)生量、飽和水蒸汽的排放量以及在陽(yáng)極的水的排放量，計(jì)算加濕器中的水量，如果車輛處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)那么判斷燃料電池堆中的空氣的濕度，并且如果燃料電池堆中的空氣的濕度滿足第一條件，當(dāng)加濕器中的水量大于第一閾值并且滿足第二條件時(shí)，將鼓風(fēng)機(jī)的rpm從第一rpm增加到第二rpm并且然后激活鼓風(fēng)機(jī)，或者如果燃料電池堆中的空氣的濕度不滿足第一條件，當(dāng)加濕器中的水量大于第二閾值時(shí)，激活加濕器中的加熱器。

存儲(chǔ)器630是存儲(chǔ)指定的程序代碼的一般空間和/或存儲(chǔ)區(qū)域，當(dāng)由程序代碼執(zhí)行操作時(shí)，程序代碼控制燃料電池控制裝置600的全部操作和數(shù)據(jù)輸入/輸出。存儲(chǔ)器630被設(shè)置為電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(eeprom)、閃存(fm)或者硬盤驅(qū)動(dòng)器。

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，存儲(chǔ)器630存儲(chǔ)車輛的狀態(tài)信息，和用來(lái)計(jì)算加濕器中的水量的水在陽(yáng)極的排放量圖、飽和水蒸汽量圖以及排放空氣的流速的圖。

根據(jù)上述實(shí)施方式的方法可以實(shí)現(xiàn)為計(jì)算機(jī)可執(zhí)行程序并且存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)中。計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)可以是rom、ram、cd-rom、磁帶、軟盤、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備等中的之一。此外，計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)可以以載波(例如在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸)的形式實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)可以分布為由網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且以分布方式作為計(jì)算機(jī)可讀的代碼進(jìn)行存儲(chǔ)和執(zhí)行。此外，實(shí)現(xiàn)上述方法的功能程序、代碼以及代碼片段可以很容易地由各實(shí)施方式所屬領(lǐng)域內(nèi)的程序員演繹出。

作為根據(jù)以上描述顯然的是，根據(jù)本發(fā)明的通過(guò)估計(jì)水量的燃料電池控制方法和裝置具有如下效果。

第一，本發(fā)明的燃料電池控制方法和裝置估計(jì)加濕器中的水量并且去除不必要的水(所產(chǎn)生的水)，因此防止在冬天的停車期間由于水凍結(jié)所導(dǎo)致的加濕器的空氣流路徑(管程)的關(guān)閉或者對(duì)加濕器的物理?yè)p害。

第二，本發(fā)明的燃料電池控制方法和裝置去除過(guò)度積聚的水，因此防止在長(zhǎng)時(shí)間停車之后在驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，由于加濕器中的水所導(dǎo)致的溢流(在加濕器中過(guò)度積聚的水沒(méi)有被去除，并且在殼程的水被吸收到加濕器的管程里，并且因此在鼓風(fēng)期間水被引入到燃料電池堆里)。

第三，如果在驅(qū)動(dòng)期間需要排放加濕器中的水，本發(fā)明的燃料電池控制方法和裝置在制動(dòng)時(shí)間增加鼓風(fēng)機(jī)的rpm，以便最小化驅(qū)動(dòng)中的噪聲的生成和差異的感覺(jué)，并且特別使用再生制動(dòng)能量，因此預(yù)期增強(qiáng)燃料效率。

第四，本發(fā)明的燃料電池控制方法和裝置估計(jì)加濕器中的水量，判斷安裝在車輛中的燃料電池堆中的空氣的濕度，并且如果判斷出燃料電池堆中的空氣不適合于燃料電池的反應(yīng)(在干燥狀態(tài)下)，那么使用加濕器中的加熱器來(lái)防止由積聚的水(所產(chǎn)生的水)引起的燃料電池車輛的加濕效率的降低，從而增強(qiáng)燃料電池堆的性能和耐久性。

第五，本發(fā)明的燃料電池控制方法和裝置使用安裝在常規(guī)車輛中的傳感器的信息、以及由邏輯獲取的圖和車輛測(cè)試的結(jié)果，估計(jì)加濕器中的水量，從而實(shí)現(xiàn)成本降低。

對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員將顯然的是，可以對(duì)本發(fā)明作出各種修改和變化，而不背離本發(fā)明的精神或者范圍。因此，倘若本發(fā)明的修改和變化在所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)，本發(fā)明也旨在覆蓋該修改和變化。