用于控制燃料电池堆的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于控制燃料电池堆的装置和方法，其中，一种用于控制燃料电池堆的装置包括：映射存储器，其存储目标相对湿度映射，其中记录了对应于燃料电池堆的蒸汽压力和燃料电池堆的冷却剂温度的目标相对湿度；压力传感器，其测量燃料电池堆的出口压力；电流传感器，其测量由燃料电池堆产生的电流；水温传感器，其测量燃料电池堆的冷却剂温度；以及燃料电池控制器，其配置为使用基于目标相对湿度映射使用燃料电池堆的相对湿度来确定燃料电池堆的状态，并且根据燃料电池堆的状态来设定气流量或冷却剂温度。

Device and method for controlling fuel cell stack

The present invention relates to a method and device for controlling the fuel cell stack wherein a device for controlling the fuel cell stack includes a memory mapping, the storage target relative humidity map, which records the corresponding to the fuel cell stack the steam pressure and the fuel cell stack coolant temperature target relative humidity; pressure sensor the measurement of the fuel cell stack outlet pressure; current sensor, the measuring current generated by the fuel cell stack; temperature sensor, measuring the coolant temperature of the fuel cell stack; and a fuel cell controller, which is configured to use the target relative humidity relative humidity mapping using the fuel cell stack is determined based on the fuel cell stack, and according to the fuel cell stack state to set the gas flow or coolant temperature.

【技术实现步骤摘要】
用于控制燃料电池堆的装置和方法相关申请的交叉引用本申请基于2016年4月19日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0047685号并要求其优先权权益，该申请的全部内容通过引用结合于此。
本申请涉及用于控制燃料电池堆的装置和方法，更具体而言，本申请涉及这样一种技术：其通过基于映射来确定燃料电池堆的状态(例如，干燥或满溢(flooding))，并且根据所确定的燃料电池堆的状态来控制气流量和冷却剂温度，从而优化燃料电池堆的工作效率，在所述映射记录了对应于燃料电池堆的蒸汽压力及燃料电池堆的冷却剂温度的目标相对湿度。
技术介绍
燃料电池是一种通过利用燃料电池堆中的电化学反应而将来自燃料的化学能转换为电能(而不是通过燃烧将来自燃料的化学能转换为热量)从而能够产生电力的设备。燃料电池不只可以为工业、家庭和车辆提供能源，还可以应用于向小型电动/电子产品(尤其是便携式设备)提供电力。目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为用于驱动车辆的动力源而受到广泛的研究，该质子交换膜燃料电池(PEMFC)又称作高分子电解质膜燃料电池，其具有燃料电池中最高的功率密度。由于低工作温度，PEMFC具有较快的起动时间和较快的电力转换响应时间。这种PEMFC包括：膜电极组件(MEA)，其具有催化剂电极层(该催化剂电极层处发生电化学反应)，所述催化剂电极层附接至固体高分子电解质膜的两侧，氢离子通过所述固体高分子电解质膜而移动；气体扩散层(gasdiffusionlayer，GDL)，其用于均匀地分配反应气体，并且输送所产生的电能；垫圈和联接件，其用于保持反应气体和冷却剂的气密性，并且用于保持合适的夹紧压力(clampingpressure)；以及双极板，其使反应气体和冷却剂可以穿透其而进行移动。当组装这种单元电池以形成燃料电池堆时，将主要部件(MEA和GDL)的结合设置于电池的最内部。MEA包括催化剂电极层，即，带有涂覆于高分子电解质膜的两个表面的催化剂的阳极和阴极，从而使氢气和氧气能够相互反应。GDL、垫圈等在电池的外部堆叠在阳极和阴极。双极板具有形成于其中的各自的流场，所述双极板位于GDL外部，所述流场供应反应气体(作为燃料的氢气和作为氧化剂的氧气或空气)，并且使冷却剂可以从其中穿过。在将多个具有上述结构的单元电池进行堆叠后，集电器、绝缘板和用于支撑堆叠的电池的端板在堆的最外部结合。单元电池在端板之间重复地进行堆叠和组装，从而形成燃料电池堆。为了获得车辆中所需的电势，需要将对应于电势能所需量的数量的单元电池进行堆叠，而被堆叠的单元电池称作堆。例如，由单个单元电池产生的电势为大约1.3V，而为了产生用于驱动车辆所需的动力，可以将多个电池进行串联堆叠。这种燃料电池堆在干燥的或满溢的状态下无法提供最佳的工作效率。常规来讲，当燃料电池堆的出口湿度(其是基于堆的湿度估算模型而估算得到的)在预定的时间段中维持为低于或等于参考值时，强制驱动散热器风扇和冷却泵以减小堆的冷却剂温度。当出口湿度增大并且在预定的时间中维持为超过参考值时，停止散热器风扇和冷却泵的驱动。根据现有技术，当堆的出口湿度在预定的时间中维持为低于或等于参考值时，或者在预定的时间中维持为超过参考值时，调整堆的冷却剂温度。由此，冷却剂温差(工作温度差)增大，这会因为热冲击而导致耐久性下降。另外，为了覆盖较大的冷却剂温差，散热器风扇和冷却泵的工作时间增加，这会导致电力消耗增加。
技术实现思路
本申请致力于解决在现有技术中发生的上述问题，同时完整地保留现有技术中实现的优点。本申请的一方面提供用于控制燃料电池堆的装置和方法，其可以基于映射(在所述映射中记录了对应于燃料电池堆的蒸汽压力以及其冷却剂温度的目标相对湿度)来确定燃料电池堆的状态(干燥或满溢)，并且根据所确定的燃料电池堆的状态来控制气流量和冷却剂温度，从而优化燃料电池堆的工作效率。本申请的目标并不限于前述目标，且根据下述说明，任何在此未提及的其它目标和优点将会得到清楚地理解。根据本申请的示例性实施方案，本专利技术构思将得到更清楚的理解。另外，这将是明显的：本申请的目标和优点能够通过权利要求书所要求的要素及其结合而实现。根据本申请的实施方案，一种用于控制燃料电池堆的装置包括：映射存储器，其存储目标相对湿度映射，所述目标相对湿度映射中记录了对应于燃料电池堆的蒸汽压力和燃料电池堆的冷却剂温度的目标相对湿度；压力传感器，其测量燃料电池堆的出口压力；电流传感器，其测量由燃料电池堆产生的电流；水温传感器，其测量燃料电池堆的冷却剂温度；以及燃料电池控制器，其基于目标相对湿度映射而使用燃料电池堆的相对湿度来确定燃料电池堆的状态，并且根据燃料电池堆的状态来设定气流量或冷却剂温度。映射存储器可以包括基于目标相对湿度映射而生成的最大相对湿度映射和最小相对湿度映射。当燃料电池堆的相对湿度在目标相对湿度映射和最小相对湿度映射之间时，燃料电池控制器可以减小气流量以增大燃料电池堆的相对湿度。当燃料电池堆的相对湿度为最小相对湿度时，燃料电池控制器可以减小冷却剂温度以增大燃料电池堆的相对湿度。燃料电池控制器可以将冷却剂温度设定为比目标相对湿度映射的冷却剂温度低一个阈值。当燃料电池堆的相对湿度在目标相对湿度映射和最大相对湿度映射之间时，燃料电池控制器可以增大气流量以减小燃料电池堆的相对湿度。当燃料电池堆的相对湿度为最大相对湿度时，燃料电池控制器可以增大冷却剂温度以减小燃料电池堆的相对湿度。燃料电池控制器可以将冷却剂温度设定为比目标相对湿度映射的冷却剂温度高一个阈值。根据本申请的另外一个实施方案，一种用于控制燃料电池堆的方法包括：存储目标相对湿度映射，所述目标相对湿度映射中记录了对应于燃料电池堆的蒸汽压力和燃料电池堆的冷却剂温度的目标相对湿度；使用从燃料电池堆排出的空气的蒸汽压力和在冷却剂温度下的饱和蒸汽压力来计算燃料电池堆的相对湿度；基于目标相对湿度映射而使用所计算的燃料电池堆的相对湿度来确定燃料电池堆的状态；以及根据燃料电池堆的状态来设定燃料电池堆的气流量或冷却剂温度。附图说明根据下述结合附图给出的具体实施方案，本申请的上述及其它目标、特征和优点将会更加明显。图1示出了根据本申请的示例性实施方案的用于控制燃料电池堆的装置的配置。图2示出了根据本申请的示例性实施方案的燃料电池堆的目标相对湿度映射。图3示出了根据本申请的示例性实施方案的对在干燥状态中的燃料电池堆的相对湿度进行控制的过程。图4示出了根据本申请的示例性实施方案的对在满溢状态中的燃料电池堆的相对湿度进行控制的过程。图5示出了根据本申请的示例性实施方案的用于控制燃料电池堆的方法的流程图。附图中每个元件的符号10映射存储器50燃料电池控制器60鼓风机710散热器740三通阀(3-wayvalve)760阀控制器501存储目标相对湿度映射，该映射中记录了对应于燃料电池堆的蒸汽压力和燃料电池堆的冷却剂温度的目标相对湿度502使用从燃料电池堆排出的空气的蒸汽压力和在冷却剂温度下的饱和蒸汽压力来计算燃料电池堆的相对湿度503基于目标相对湿度映射而使用所计算的燃料电池堆的相对湿度来确定燃料电池堆的状态504根据燃料电池堆的状态来设定燃料电池堆的气流量或冷却剂温度。具体实施方式根据下述结合附图给出的具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制燃料电池堆的装置，其包括：映射存储器，其存储目标相对湿度映射，所述目标相对湿度映射中记录对应于燃料电池堆的蒸汽压力和燃料电池堆的冷却剂温度的目标相对湿度；压力传感器，其测量燃料电池堆的出口压力；电流传感器，其测量由燃料电池堆产生的电流；水温传感器，其测量燃料电池堆的冷却剂温度；燃料电池控制器，其配置为基于目标相对湿度映射而使用燃料电池堆的相对湿度来确定燃料电池堆的状态，并且根据燃料电池堆的状态来设定气流量或冷却剂温度。

【技术特征摘要】
2016.04.19 KR 10-2016-00476851.一种用于控制燃料电池堆的装置，其包括：映射存储器，其存储目标相对湿度映射，所述目标相对湿度映射中记录对应于燃料电池堆的蒸汽压力和燃料电池堆的冷却剂温度的目标相对湿度；压力传感器，其测量燃料电池堆的出口压力；电流传感器，其测量由燃料电池堆产生的电流；水温传感器，其测量燃料电池堆的冷却剂温度；燃料电池控制器，其配置为基于目标相对湿度映射而使用燃料电池堆的相对湿度来确定燃料电池堆的状态，并且根据燃料电池堆的状态来设定气流量或冷却剂温度。2.根据权利要求1所述的用于控制燃料电池堆的装置，其中，映射存储器包括基于目标相对湿度映射而生成的最大相对湿度映射和最小相对湿度映射。3.根据权利要求2所述的用于控制燃料电池堆的装置，其中，当燃料电池堆的相对湿度在目标相对湿度映射和最小相对湿度映射之间时，燃料电池控制器减小气流量以增大燃料电池堆的相对湿度。4.根据权利要求3所述的用于控制燃料电池堆的装置，其中，当燃料电池堆的相对湿度为最小相对湿度时，燃料电池控制器减小冷却剂温度以增大燃料电池堆的相对湿度。5.根据权利要求4所述的用于控制燃料电池堆的装置，其中，燃料电池控制器将冷却剂温度设定为低于目标相对湿度映射的冷却剂温度。6.根据权利要求2所述的用于控制燃料电池堆的装置，其中，当燃料电池堆的相对湿度在目标相对湿度映射和最大相对湿度映射之间时，燃料电池控制器增大气流量以减小燃料电池堆的相对湿度。7.根据权利要求6所述的用于控制燃料电池堆的装置，其中，当燃料电池堆的相对湿度为最大相对湿度时，燃料电池控制器增大冷却剂温度以减小燃料电池堆的相对湿度。8.根据权利要求7所述的用于控制燃料电池堆的装置，其中，燃料电池控制器将冷却剂温度设定为高于目标相对湿度映射的冷却剂温度。9.根据权利要求1所述的用于控制燃料电池堆的装置，其中，燃料电池控制器使用从燃料电池堆排出的空气的蒸汽压力和在冷却剂温度下的饱和蒸气压力来计算燃料电池堆的相对湿度。10.根据权利要求9所述的用于控制燃料电池堆的装置，其中，燃料电池控制器使用供应至燃料电池堆的气流量、由压力传感器测量的压力、与电流传感器测量的电流值成比例地产生的水分量以及对应于水分量的水的排出量来计...

【专利技术属性】
技术研发人员：全义植，
申请(专利权)人：现代自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国,KR