專利名稱：估算相對(duì)濕度和冷凝水的控制器,以及使用該控制器控制冷凝水排放的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，以及使用該估算器控制冷凝水排放的方法。更特別地，本發(fā)明涉及動(dòng)態(tài)估算燃料電池系統(tǒng)中相對(duì)濕度和冷凝水的估算器，以及使用該估算器控制燃料電池組的陽(yáng)極中冷凝水排放的方法。
背景技術(shù)：
理論上，燃料電池系統(tǒng)是從外部接收氫氣和空氣從而在電池組中生成電和水的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。然而，實(shí)際上，是電化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物的水根據(jù)實(shí)時(shí)操作條件例如溫度和壓力變?yōu)樗魵?、飽和液與冰的結(jié)合。由于這些物相的改變影響了水的傳遞特性，并同樣影響通過(guò)電池組的氣體擴(kuò)散層、催化劑層、膜和隔板通道的氣體和電子的傳遞特性，因此難以估算燃料電池系統(tǒng)的內(nèi)部現(xiàn)象。特別地，由于燃料電池系統(tǒng)是具有高非線性的系統(tǒng)，其中因分別表示水的溢出和缺乏的所謂溢流和干枯現(xiàn)象的共存而引起電池組性能改變，因此難以估算燃料電池系統(tǒng)的內(nèi)部現(xiàn)象。為此，安裝測(cè)量燃料電池系統(tǒng)中相對(duì)濕度的傳感器和感測(cè)冷凝水水位的冷凝水水位傳感器從而管理電池組中的水。然而，在使用相對(duì)濕度傳感器時(shí)，材料成本增加。同樣， 由于頻繁接觸水引起相對(duì)濕度傳感器和冷凝水水位傳感器容易損壞，因此可能要增加維護(hù)成本，而且，就控制而言，可能降低可靠性。因此，需要開(kāi)發(fā)確定相對(duì)濕度和冷凝水狀態(tài)從而管理燃料電池系統(tǒng)中水的技術(shù)， 以便克服上面限制。在本背景部分中公開(kāi)的上面的信息僅用來(lái)增強(qiáng)對(duì)本發(fā)明背景的理解，并因此它可包括不形成本國(guó)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)估算燃料電池系統(tǒng)中相對(duì)濕度(RH)和冷凝水的估算器， 以及使用該估算器控制陽(yáng)極中冷凝水排放的方法，以便克服表示水溢出的溢流現(xiàn)象，以及表示水缺乏的干枯現(xiàn)象，該兩個(gè)現(xiàn)象由根據(jù)燃料電池的操作條件例如操作溫度和壓力的改變而產(chǎn)生的傳遞的水的量和狀態(tài)的改變而產(chǎn)生。在一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種用于燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，包括使用氧氣、氮?dú)?、氫氣和水的流體動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量平衡方程式動(dòng)態(tài)估算燃料電池系統(tǒng)中相對(duì)濕度和冷凝水的控制器，其中相對(duì)濕度和冷凝水估算器通過(guò)輸出包括下列信號(hào)中至少兩個(gè)信號(hào)被用于燃料電池系統(tǒng)的控制，該燃料電池系統(tǒng)的控制涉及控制陽(yáng)極冷凝水排放，(1) 空氣側(cè)相對(duì)濕度；(2)氫氣側(cè)相對(duì)濕度；(3)空氣側(cè)瞬時(shí)或累積冷凝水；(4)氫氣側(cè)瞬時(shí)或累積冷凝水；( 加濕器的瞬時(shí)和累積冷凝水；(6)隔膜含水量；(7)催化劑層氧氣分壓； ⑶催化劑層氫氣分壓；(9)電池組或電池電壓；(10)空氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度；(11)氫氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度；(12)氧氣增壓比；(13)氫氣增壓比；(14)電池組中殘留水；以及 (15)加濕器中殘留水。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器可安裝在估算器中，并可包括計(jì)算流入量與相對(duì)濕度的空氣鼓風(fēng)機(jī)控制器和加濕器控制器。加濕器控制器包括通過(guò)估算目標(biāo)壓力(Pi)的比例禾只分(PI)控制(proportional-integral (PI) control for estimating a target pressure (Pl))計(jì)算加濕器的管道溢流，然后計(jì)算空氣和水平衡的管道控制單元。加濕器控制器也可包括通過(guò)估算目標(biāo)壓力(P》的PI控制計(jì)算加濕器的外殼溢流，然后計(jì)算空氣和水平衡的外殼控制單元。另外，估算器也可在其中具有包括通過(guò)估算目標(biāo)壓力(p;3)的PI控制計(jì)算電池組的陰極氣道的溢流，然后計(jì)算空氣和水平衡的陰極氣道(CGC)控制單元的電池組控制器。 除CGC控制單元之外，電池組控制器還可具有陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)控制單元、陰極催化劑層(CCL)控制單元、隔膜層(MEM)控制單元、陽(yáng)極催化劑層(ACL)控制單元和陽(yáng)極氣道 (AGC)控制單元。CGDL控制單元通過(guò)計(jì)算空氣和水的濃度計(jì)算由于氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散和毛細(xì)現(xiàn)象而產(chǎn)生的空氣和水的運(yùn)動(dòng)。CCL控制單元計(jì)算通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生成的水和電壓 (參數(shù)電流、溫度、氧氣分壓和氫氣分壓)以及殘留水。MEM控制單元計(jì)算由于滲透拖動(dòng) (osmotic drag)、反擴(kuò)散和熱管而產(chǎn)生的隔膜的水濃度，并計(jì)算運(yùn)動(dòng)到陰極和陽(yáng)極催化劑層的水的量。最終，ACL控制單元計(jì)算陽(yáng)極催化劑層的殘留水，AGDL控制單元通過(guò)計(jì)算氫氣和水的濃度計(jì)算由于氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散和毛細(xì)現(xiàn)象而產(chǎn)生的空氣和水的運(yùn)動(dòng)，并且AGC控制單元通過(guò)估算目標(biāo)壓力(PO的PI控制計(jì)算電池組陽(yáng)極氣道的溢流，然后計(jì)算空氣和水平衡。估算器還可包括燃料處理系統(tǒng)(FPQ控制器40，其具有通過(guò)估算目標(biāo)壓力P4的 PI控制計(jì)算氫氣流入量的氫氣供應(yīng)控制單元42、控制供應(yīng)的氫氣和再循環(huán)的氫氣之間的混合比的氫氣入口歧管控制單元44、執(zhí)行氫氣吹掃和冷凝水排放控制的氫氣出口歧管控制單元46，以及控制噴射器和再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)的氫氣再循環(huán)回路控制單元48。在另一方面中，本發(fā)明也提供使用燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。該方法是這樣開(kāi)始的，即基于水平衡方程式計(jì)算陽(yáng)極冷凝水收集器中的冷凝水的殘留量，然后如果冷凝水的殘留量大于冷凝水的密度(P [kg/m3])與冷凝水收集器的總?cè)莘e(Vl[m3])的乘積，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值tl，那么確定為冷凝水水位傳感器的警戒水位。然后，如果V_cell小于V_cell_TH，AV_cell大于Δ V_cell_TH，氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)RPM小于RPM_cmd_RPM_TH，陽(yáng)極電池組入口壓力大于入口正常壓力地圖加P_TH，或陽(yáng)極電池組出口壓力大于出口正常壓力地圖加P_TH，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值t2，那么系統(tǒng)確定冷凝水水位傳感器失效。作為響應(yīng)，基于陽(yáng)極水捕獲(anode water trap) (AffT) 估算值控制冷凝水排放閥。在另一方面中，本發(fā)明提供使用燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。更具體地，基于水平衡方程式計(jì)算在陽(yáng)極冷凝水收集器中的冷凝水殘留量，并且如果冷凝水殘留量等于或小于大約0，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值(t5)，那么確定冷凝水水位傳感器在警戒水位。如果計(jì)算的氫氣利用率小于通過(guò)從正常氫氣利用率地圖減去氫氣利用率可接受參考值所獲得的值，或氫氣泄漏傳感器開(kāi)啟，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值 (t6)，那么確定冷凝水水位傳感器失效。響應(yīng)這些確定，基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值控制冷凝水排放閥。在進(jìn)一步的方面中，本發(fā)明提供使用燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。在該方法中，基于陽(yáng)極冷凝水收集器中排放閥的操作計(jì)算冷凝水的累積量、生成水的累積量和累積冷凝水估算值。如果累積冷凝水比(AWT_rati0l)小于通過(guò)從累積冷凝水比(AWT_ratiM)減去累積冷凝水比差可接受參考值(AWT_TH)獲得的值，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值(tl)，那么確定冷凝水水位傳感器在警戒水位。然而，如果V_cell小于 V_cell_TH，Δ V_cell 大于 Δ V_cell_TH,氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī) RPM 小于 RPM_cmd_RPM_TH， 陽(yáng)極電池組入口壓力大于入口正常壓力地圖加P_TH，或陽(yáng)極電池組出口壓力大于出口正常壓力地圖加P_TH，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值(t2)，那么確定冷凝水水位傳感器失效。響應(yīng)這些確定，基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值控制冷凝水排放閥。在進(jìn)一步的方面中，本發(fā)明提供使用燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。在該方法中，基于陽(yáng)極冷凝水收集器中排放閥的操作計(jì)算冷凝水的累積量、生成水的累積量和累積冷凝水估算值。如果累積冷凝水比(AWT_rati0l)大于通過(guò)累積冷凝水比差可接受參考值(AWT_TH)加上累積冷凝水比(AWT_ratiM)獲得的值，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值(t5)，然后確定冷凝水水位傳感器在警戒水位。然而，如果計(jì)算的氫氣利用率小于通過(guò)從正常氫氣利用率地圖減去氫氣利用率可接受參考值H2_Util_TH獲得的值，或氫氣泄漏傳感器開(kāi)啟，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值(t6)，那么確定冷凝水水位傳感器失效。響應(yīng)這些確定，基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值控制冷凝水排放閥。本發(fā)明的其它方面和優(yōu)選實(shí)施例在下面討論。


現(xiàn)在參考圖解僅為圖解在下面給出，并因此不限制本發(fā)明的附圖的本發(fā)明某些示范實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的上面和其它特征，并且其中圖1是圖解根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例的燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器的典型的輸入和輸出信號(hào)的框圖；圖2是圖解根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例的燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器的圖示；圖3是圖解根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例的燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器的空氣鼓風(fēng)機(jī)控制器的框圖； 圖4A和4B是圖解根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例的燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器的加濕器控制器的框圖；圖5A到5G是圖解根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例的燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器的電池組控制器的框圖；圖6A和6B是圖解根據(jù)本發(fā)明示范實(shí)施例的燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器的燃料處理系統(tǒng)控制器的框圖；圖7A和7B是圖解使用根據(jù)本發(fā)明第一和第二示范實(shí)施例的燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法的流程圖；以及圖8A和8B是圖解使用根據(jù)本發(fā)明第三和第四示范實(shí)施例的燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法的流程圖。
在圖中闡述的參考號(hào)包括以下元件的參考，如下面進(jìn)一步討論10 相對(duì)濕度和冷凝水估算器20 內(nèi)部估算器空氣鼓風(fēng)機(jī)控制器30 內(nèi)部估算器加濕器控制器40 內(nèi)部估算器燃料處理系統(tǒng)(FPQ控制器
50 內(nèi)部估算器電池組控制器應(yīng)當(dāng)理解附圖不必需按尺寸繪制，呈現(xiàn)圖解本發(fā)明基礎(chǔ)原理的各種優(yōu)選特征稍簡(jiǎn)化的表現(xiàn)。包括例如特定尺度、取向、位置和形狀的在此公開(kāi)的本發(fā)明特定設(shè)計(jì)特征部分地由特定的期望應(yīng)用和使用環(huán)境確定。在圖中，參考號(hào)遍及附圖中若干圖指代本發(fā)明的相同或等效零件。
具體實(shí)施例方式下面將詳細(xì)參考本發(fā)明各種實(shí)施例，其中的例子在附圖中圖解。盡管將連同示范實(shí)施例描述本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，不意在將本發(fā)明限制于這些示范性實(shí)施例。相反，本發(fā)明旨在不僅覆蓋示范性實(shí)施例，也覆蓋可包括在由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替換、修改、等效物和其它實(shí)施例。應(yīng)該理解，術(shù)語(yǔ)“車輛”或“車輛的”或這里使用的其他類似術(shù)語(yǔ)通常包括電動(dòng)車輛(諸如包括多功能運(yùn)動(dòng)車輛(SUV)、公共汽車、卡車、多種商業(yè)車輛的載客汽車)、包括多種船只和小船的水運(yùn)工具、航天器等，且包括混合動(dòng)力車輛、電動(dòng)車輛、插電混合電動(dòng)車輛、 氫能源車輛和其他可替換燃料車(例如除了石油的能源獲得的燃料)。如這里所述，混合動(dòng)力車輛是具有兩種或多種能源的車輛，例如汽油能源和電能源車輛。在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示范實(shí)施例。本發(fā)明涉及動(dòng)態(tài)估算燃料電池系統(tǒng)的相對(duì)濕度和冷凝水的估算器，以及使用該估算器控制存在于陽(yáng)極中的冷凝水排放的方法。估算燃料電池系統(tǒng)的相對(duì)濕度和冷凝水的估算器是一種為全面控制燃料電池系統(tǒng)基于空氣/氫氣/冷卻水的溫度/流速/壓力傳感器信號(hào)，動(dòng)態(tài)估算燃料電池系統(tǒng)中相對(duì)濕度和冷凝水的控制器。估算器的輸出信號(hào)可包括空氣側(cè)/氫氣側(cè)相對(duì)濕度、空氣側(cè)/ 氫氣側(cè)/加濕器瞬時(shí)和累積冷凝水比、隔膜含水量、催化劑層氧氣/氫氣分壓、電池組電壓、 空氣側(cè)/氫氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度、氧氣/氫氣增壓比、電池組中的殘留水，以及加濕器中的殘留水。如在圖1中示出，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的相對(duì)濕度和冷凝水估算器可接收輸入信號(hào)，包括環(huán)境溫度、大氣壓、大氣相對(duì)濕度(RH)、電池組電流、向電池組陰極供應(yīng)的空氣的流速、在加濕器入口 /出口和電池組入口 /出口的空氣溫度、在加濕器入口 /出口和電池組入口 /出口的空氣壓力、在電池組入口 /出口的冷卻水溫度、向電池組陽(yáng)極供應(yīng)的氫氣的流速、在供氫線和電池組入口 /出口的氫氣溫度、在電池組入口 /出口的氫氣壓力，以及包括氫氣鼓風(fēng)機(jī)速度和氫氣放氣(purge)/排放閥開(kāi)/關(guān)狀態(tài)的致動(dòng)器信號(hào)。相對(duì)濕度和冷凝水估算器可輸出信號(hào)，包括在電池組入口 /出口和加濕器入口 / 出口的陰極相對(duì)濕度(RH)、在電池組入口 /出口的陽(yáng)極相對(duì)濕度(RH)、陰極/陽(yáng)極/加濕器的瞬時(shí)和累積冷凝水比(基于CWT、AWT和SWT)、隔膜含水量、陰極和陽(yáng)極催化劑層的氧氣/氫氣分壓、電池組電壓、陰極/陽(yáng)極催化劑層的相對(duì)濕度、氧氣/氫氣增壓比、(每層的) 電池組的殘留水，以及(每管道/外殼的)加濕器的殘留水。相對(duì)濕度和冷凝水估算器可輸出包括以下信號(hào)中的至少兩個(gè)信號(hào)，(1)空氣側(cè)相對(duì)濕度；(2)氫氣側(cè)相對(duì)濕度；(3)空氣側(cè)瞬時(shí)或累積冷凝水；(4)氫氣側(cè)瞬時(shí)或累積冷凝水；(5)加濕器的瞬時(shí)和累積冷凝水；(6)隔膜含水量；(7)催化劑層氧氣分壓；(8)催化劑層氫氣分壓；(9)電池組或電池電壓；(10)空氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度；(11)氫氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度；(12)氧氣增壓比；(13)氫氣增壓比；(14)電池組中殘留水；以及(15)加濕器中殘留水，以便使用流體動(dòng)力學(xué)和氧氣、氮?dú)?、氫氣和水的質(zhì)量平衡方程式動(dòng)態(tài)估算燃料電池系統(tǒng)中相對(duì)濕度和冷凝水。為了參考，在每個(gè)圖中表示為橢圓形的部分代表相對(duì)濕度和冷凝水估算器的輸出信號(hào)。如在圖2中示出，如上面所述，接收和輸出信號(hào)的估算器10包括內(nèi)部估算器空氣鼓風(fēng)機(jī)控制器20、包括管道控制單元32和外殼控制單元34的內(nèi)部估算器加濕器控制器 30、內(nèi)部估算器燃料處理系統(tǒng)(FPQ控制器40和內(nèi)部估算器電池組控制器50。如在圖3中示出，計(jì)算流入量和相對(duì)濕度的空氣鼓風(fēng)機(jī)控制器20可在假設(shè)通過(guò)空氣鼓風(fēng)機(jī)供應(yīng)的蒸汽流守恒的基礎(chǔ)上，計(jì)算在加濕器入口的陰極相對(duì)濕度。即，空氣鼓風(fēng)機(jī)控制器20可(通過(guò)使用傳感器信號(hào)或?qū)嶒?yàn)地圖)接收環(huán)境溫度、大氣壓、大氣相對(duì)濕度，從而計(jì)算在加濕器入口的陰極相對(duì)濕度，并向加濕器控制器30發(fā)送計(jì)算的相對(duì)濕度作為信號(hào)。加濕器包括接收從電池組陰極排出的濕空氣的外殼，以及是允許干空氣從空氣鼓風(fēng)機(jī)流動(dòng)到電池組陰極的通路并也從外殼接收濕空氣從而使空氣濕潤(rùn)的管道(例如，空心纖維聚合物隔膜)。全面控制在加濕器中流動(dòng)的流體的加濕器控制器30圖解包括通過(guò)估算目標(biāo)壓力Pl的比例積分(PI)控制計(jì)算加濕器的管道流出量，然后計(jì)算空氣和水平衡的管道控制單元32，以及通過(guò)估算目標(biāo)壓力P2的PI控制計(jì)算加濕器的外殼流出量，然后計(jì)算空氣和水平衡的外殼控制單元34。如在圖4A中示出，加濕器控制器30的管道(tube)控制單元32包括干空氣平衡計(jì)算單元32-1、水平衡計(jì)算單元32-2和流出量計(jì)算單元32-3。干空氣平衡計(jì)算單元32_1圖解包括積分器，其接收在加濕器入口的干空氣流入量、在電池組陰極入口的空氣溫度和繞過(guò)加濕器管道而沒(méi)有濕潤(rùn)的干空氣流出量，而且計(jì)算在加濕器管道的干空氣分壓。水平衡計(jì)算單元32-2包括積分器，其接收在加濕器入口的蒸汽流入量、在電池組入口的源自加濕器外殼(shell)的蒸汽流出量、在電池組入口的氣溫，而且計(jì)算在加濕器管道的蒸汽分壓、 在電池組入口的陰極相對(duì)濕度和加濕器管道的殘留水。流出量計(jì)算單元32-3可基于在電池組入口的氣壓和目標(biāo)壓力Pl計(jì)算在電池組入口的干空氣流出量和在電池組入口的蒸汽流出量。在此情況下，可通過(guò)在加濕器管道和外殼的水活性之間的差使用擴(kuò)散方程式計(jì)算源自加濕器外殼的蒸汽流出量。流出量，即在電池組入口的干空氣流出量和在電池組入口的蒸汽流出量可通過(guò)應(yīng)用估算氣壓(在電池組入口)為目標(biāo)壓力Pi的PI控制計(jì)算。目標(biāo)壓力Pi可利用氣壓(電池組入口)傳感器數(shù)據(jù)或基于空氣流的地圖數(shù)據(jù)。如在圖4B中示出，加濕器控制器30的外殼控制單元34包括干空氣平衡計(jì)算單元34-1、水平衡計(jì)算單元34-2和流出量計(jì)算單元34-3。干空氣平衡計(jì)算單元34_1圖解包括積分器，其接收在電池組出口的干空氣流入量、在加濕器出口的干空氣流出量和在加濕器出口的氣溫，而且計(jì)算在加濕器外殼的干空氣分壓。水平衡計(jì)算單元34-2圖解包括積分器，其接收在電池組出口的蒸汽流入量、在加濕器出口的蒸汽流出量、輸送到加濕器管道的蒸汽輸送流、在電池組出口的液流入量、在加濕器出口的液流出量，以及在加濕器出口的氣溫，而且計(jì)算在加濕器外殼的蒸汽分壓、在加濕器出口的陰極相對(duì)濕度和加濕器外殼的殘留水。流出量計(jì)算單元34-3可基于在加濕器出口的氣壓和目標(biāo)壓力P2計(jì)算在加濕器出口的干空氣流出量和在加濕器出口的蒸汽流出量。在此情況下，輸送到加濕器管道的蒸汽輸送流可相同于從加濕器外殼輸送的蒸汽輸送流。流出量，即在加濕器出口的干空氣流出量和在加濕器出口的蒸汽流出量可通過(guò)應(yīng)用為目標(biāo)壓力P2的估算空氣壓力(在加濕器出口)的PI控制計(jì)算。同樣，目標(biāo)壓力P2可利用空氣壓力(在加濕器出口)傳感器數(shù)據(jù)或基于空氣流的地圖數(shù)據(jù)，并且空氣溫度(在加濕器出口)可利用基于能量平衡方程式，使用在加濕器入口和電池組入口 /出口的傳感器數(shù)據(jù)或空氣溫度傳感器值計(jì)算的值。另一方面，在電池組出口的液體流入量可表示在陰極水捕獲(CWT)中捕獲的水流，并且在加濕器出口的液體流出量可表示在加濕器外殼水捕獲(SWT)中捕獲的水流。如果在加濕器出口的陰極相對(duì)濕度小于大約100%，那么外殼水捕獲值(SWT)=陰極水捕獲值(CWT) X α，其中α范圍從大約0到大約1?？商鎿Q地，如果在加濕器出口的陰極相對(duì)濕度等于或大于大約100%，那么外殼水捕獲(SWT)=陰極水捕獲(CWT) X α +水捕獲外殼凈水流X β，其中α范圍從大約0到大約1，并且β范圍從大約0到大約1。這里，電池組控制器50，如在圖2中示出，包括陰極氣道(CGC)控制單元51、陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)控制單元52、陰極催化劑層(CCL)控制單元53、隔膜層(MEM)控制單元Μ、陽(yáng)極催化劑層(ACL)控制單元55、陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)控制單元56和陽(yáng)極氣道 (AGC)控制單元57。CGC控制單元51通過(guò)估算目標(biāo)壓力Ρ3的PI控制計(jì)算電池組陰極氣道的流出量，然后計(jì)算空氣和水平衡。CGDL控制單元52通過(guò)計(jì)算空氣和水的濃度計(jì)算由于氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散和毛細(xì)現(xiàn)象的空氣和水移動(dòng)。CCL控制單元53計(jì)算通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生成的水并計(jì)算電壓(參數(shù)電流、溫度、氧氣分壓和氫氣分壓)和殘留水。MEM控制單元M通過(guò)滲透拖動(dòng)、反擴(kuò)散和熱管計(jì)算隔膜的水濃度，并計(jì)算移動(dòng)到陰極和陽(yáng)極催化劑層的水的量。 ACL控制單元55計(jì)算陽(yáng)極催化劑層的殘留水，AGDL控制單元56通過(guò)計(jì)算氫氣和水的濃度計(jì)算由于氣體擴(kuò)散層擴(kuò)散和毛細(xì)現(xiàn)象的空氣和水移動(dòng)。最終，AGC控制單元57通過(guò)估算目標(biāo)壓力Ρ5的PI控制計(jì)算電池組陽(yáng)極氣道的流出量，并計(jì)算空氣和水平衡。如在圖5Α中示出，電池組控制器50的陰極氣道(CGC)控制單元51包括干空氣平衡計(jì)算單元51-1，其包括積分器，該積分器接收在電池組入口的干空氣流入量、在電池組出口的干空氣流出量、關(guān)于陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的氧氣流出量和在電池組出口的空氣溫度，從而計(jì)算氧氣增壓比、陰極氣道的氧氣濃度和陰極氣道的干空氣分壓。電池組CGC控制單元51也包括水平衡計(jì)算單元51-2和流出量計(jì)算單元51-3。更具體地，水平衡計(jì)算單元 51-2包括積分器，其接收在電池組入口的蒸汽流入量、在電池組出口的蒸汽流出量、源自陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的蒸汽流、在電池組出口的液流出量、源自陰極氣體擴(kuò)散層的液流和
14在電池組出口的空氣溫度，從而計(jì)算陰極氣道的蒸汽分壓、在電池組出口的陰極相對(duì)濕度、 陰極氣道的殘留水、陰極氣道的蒸汽濃度和液體S (CGC Liquid S= (s-s_im) / (l-s_im))。 流出量計(jì)算單元51-3基于陰極氣道(CGC)的目標(biāo)壓力P3和空氣壓力，計(jì)算在電池組出口的干空氣流出量和在電池組出口的蒸汽流出量。在此情況下，流出量，即在電池組出口的干空氣流出量和在電池組出口的蒸汽流出量可通過(guò)應(yīng)用估算空氣壓力(在電池組出口)為目標(biāo)壓力P3的PI控制計(jì)算。同樣，目標(biāo)壓力P3可利用空氣壓力(在電池組出口)傳感器數(shù)據(jù)和基于空氣流的地圖數(shù)據(jù)，并且空氣溫度(在電池組出口)可利用傳感器數(shù)據(jù)或基于電池組冷卻水入口 /出口溫度的地圖數(shù)據(jù)(map data)。電池組出口的液體流出量是在陰極水捕獲(cathode water trap) (CffT)中捕獲的流量。如果電池組出口的陰極相對(duì)濕度小于大約100%，那么陰極水捕獲值(CWT)=源自陰極氣體擴(kuò)散層的液體流量χ α，其中α范圍從大約0到大約1。如果電池組出口的陰極相對(duì)濕度大于大約100%，那么陰極水捕獲(CWT)=源自陰極氣體擴(kuò)散層的液體流量χ α +陰極氣道(CGC)外殼凈水流量X β，其中α范圍從大約 0到大約1，并且β范圍從大約0到大約1。如果s > s_im，那么陰極氣道液體 S (CGC Liquid S) = (s_s_im) / (l_s_im)。如果s ( s_im，那么S (CGC Liquid S) = 0。這里，S =陰極氣道的殘留液體容積除以陰極氣道容積，并且s_im表示是其中在毛細(xì)現(xiàn)象中生成液流的參考條件的固定飽和度。如在圖5B中示出，電池組控制器50的陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)控制單元52包括氧氣平衡控制單元52-1、蒸汽平衡控制單元52-2、液體平衡控制單元52-3、冷凝計(jì)算單元 52-4、液體流量計(jì)算單元52-5、氧氣擴(kuò)散計(jì)算單元52-6和蒸汽擴(kuò)散計(jì)算單元52_7。氧氣平衡控制單元52-1包括積分器，其基于源自陰極氣道的氧氣流入量和到陰極催化劑層(CCL) 的氧氣流出量計(jì)算陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的氧氣濃度。蒸汽平衡控制單元52-2包括積分器，其基于源自陰極催化劑層(CCL)的蒸汽流入量和到陰極氣道(CGC)的蒸汽流出量計(jì)算陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的蒸汽殘留量。另外，液體平衡控制單元52-3包括積分器，其基于陰極氣體擴(kuò)散層的冷凝率和到陰極氣道的液流計(jì)算陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的液體殘留量。此外，冷凝計(jì)算單元52-4基于陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的溫度和蒸汽濃度計(jì)算陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的冷凝率，并且液體流量計(jì)算單元52-5基于陰極氣體擴(kuò)散層的液體S (CGDL Liquid S= (8-8_加)/(1-8_加))和溫度，以及陰極氣道液體5(〇6〇Liquid S)計(jì)算陰極氣道的液體流量，氧氣擴(kuò)散計(jì)算單元52-6基于陰極氣體擴(kuò)散層的氧氣濃度、陰極氣道的氧氣濃度和陰極氣體擴(kuò)散層的氧氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算源自陰極氣道的氧氣流入量。最終，蒸汽擴(kuò)散計(jì)算單元52-7基于陰極氣體擴(kuò)散層的蒸汽濃度、陰極氣道的蒸汽濃度和陰極氣體擴(kuò)散層的蒸汽擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算到陰極氣道的蒸汽流出量。在此情況下，陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的溫度可利用基于電池組冷卻水入口 /出口溫度的地圖數(shù)據(jù)。如果s > s_im，那么陰極氣體擴(kuò)散層液體 S(CGDL Liquid S) = (s-s_im) / (l-s_ im)。如果s≤s_im，那么S(CGDL Liquid S) = 0。這里，s等于陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的殘留液體容積除以陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的孔隙容積，并且s_im表示是其中在毛細(xì)現(xiàn)象中生成液流的參考條件的固定飽和度。在毛細(xì)現(xiàn)象下，如果s > s_im，那么可通過(guò)鄰近層的液體S的差生成液流。
另一方面，陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的冷凝率可與根據(jù)陰極氣體擴(kuò)散層溫度的飽和壓力和根據(jù)陰極氣體擴(kuò)散層蒸汽(CGDL蒸汽)濃度的蒸汽壓力之間的差成比例生成。同樣，在陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的液體增加(即，CGDL液體s增加)時(shí)，可減小氧氣和蒸汽的擴(kuò)散系數(shù)。如在圖5C中示出，電池組控制器50的陰極催化劑層(CCL)控制單元53包括氧氣分壓計(jì)算單元53-1、相對(duì)濕度計(jì)算單元53-2、殘留蒸汽計(jì)算單元53-3、蒸汽流計(jì)算單元 53-4和電壓計(jì)算單元53-5。氧氣分壓計(jì)算單元53-1基于陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的氧氣濃度和陰極催化劑層(CCL)的溫度計(jì)算陰極催化劑層(CCL)的氧氣分壓。相對(duì)濕度計(jì)算單元53-2基于陰極催化劑層(CCL)的溫度計(jì)算陰極催化劑層(CCL)的相對(duì)濕度。殘留蒸汽計(jì)算單元53-3基于陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的蒸汽濃度計(jì)算陰極催化劑層(CCL)的蒸汽殘留量。蒸汽流計(jì)算單元53-4通過(guò)電池組電化學(xué)反應(yīng)和到隔膜的蒸汽流，基于生成的水流計(jì)算到陰極氣體擴(kuò)散層的蒸汽流。最后，電壓計(jì)算單元53-5通過(guò)電池組的電化學(xué)反應(yīng)基于電池組電流、陰極催化劑層溫度、隔膜電阻、陰極催化劑層的氧氣分壓和陽(yáng)極催化劑層氫氣分壓計(jì)算電壓。如在圖5D中示出，電池組控制器50的隔膜層(MEM)控制單元M包括基于隔膜的工作電流和含水量，輸出陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層的電滲拖動(dòng)的電滲拖動(dòng)檢測(cè)單元 M-1、反擴(kuò)散檢測(cè)單元M-2、熱管檢測(cè)單元M-3和水平衡檢測(cè)單元M-4。反擴(kuò)散檢測(cè)單元 M-2基于陰極催化劑層的相對(duì)濕度、陽(yáng)極催化劑層的相對(duì)濕度和隔膜的溫度與含水量，檢測(cè)陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層的反擴(kuò)散。熱管檢測(cè)單元M-3基于隔膜的溫度、在陰極催化劑層和陰極氣體擴(kuò)散層之間的溫差與在陰極催化劑層和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層之間的溫差，檢測(cè)熱管機(jī)制的水移動(dòng)狀態(tài)。最后，水平衡檢測(cè)單元M-4包括積分器，其接收電滲拖動(dòng)檢測(cè)單元M-I的電滲拖動(dòng)輸出信號(hào)和反擴(kuò)散檢測(cè)單元M-2的反擴(kuò)散輸出信號(hào)、熱管檢測(cè)單元 M-3的輸出信號(hào)以及隔膜的溫度，從而計(jì)算隔膜的殘留水量、電阻和含水量。在隔膜層(MEM)控制單元M中，隔膜層(MEM)的溫度可利用基于電池組冷卻水入口 /出口溫度的地圖數(shù)據(jù)。在陰極催化劑層(CCL)和陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)之間的溫差、 在陰極催化劑層(CCL)和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)之間的溫差可利用工作電流和基于電池組冷卻水入口 /出口溫度的地圖數(shù)據(jù)，并且可通過(guò)使陰極催化劑層與陽(yáng)極催化劑層的電滲拖動(dòng)、反擴(kuò)散率和熱管輸出值分別相加，計(jì)算源自陰極催化劑層的蒸汽流和到陽(yáng)極催化劑層的蒸汽流。另一方面，電滲拖動(dòng)水移動(dòng)機(jī)制指代根據(jù)工作電流的其中氫離子(H+)穿過(guò)隔膜的水移動(dòng)，并且反擴(kuò)散水移動(dòng)機(jī)制指代根據(jù)隔膜兩個(gè)末端的陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層水活度的水移動(dòng)。熱管水移動(dòng)機(jī)制指代由于在隔膜的飽和狀態(tài)中的層之間溫度梯度的水移動(dòng)(從熱層到冷層)。同樣，是確定隔膜干透和溢流的代表因數(shù)的隔膜含水量是在大約0和大約16. 8之間的無(wú)量綱因數(shù)。在隔膜含水量減少時(shí)，隔膜變得干透。如在圖5E中示出，計(jì)算陽(yáng)極催化劑層的殘留水的電池組控制器50的陽(yáng)極催化劑層(ACL)控制單元55圖解包括氫氣分壓計(jì)算單元55-1、相對(duì)濕度計(jì)算單元55-2、殘留蒸汽計(jì)算單元55-3和蒸汽流計(jì)算單元55-4。氫氣分壓計(jì)算單元55-1基于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層 (AGDL)的氫氣濃度和陽(yáng)極催化劑層(ACL)的溫度計(jì)算陽(yáng)極催化劑層(ACL)的氫氣分壓。相對(duì)濕度計(jì)算單元陽(yáng)-2基于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的蒸汽濃度和陽(yáng)極催化劑層(ACL)的溫度計(jì)算陽(yáng)極催化劑層(ACL)的相對(duì)濕度。殘留蒸汽計(jì)算單元55-3基于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層 (AGDL)的蒸汽濃度計(jì)算陽(yáng)極催化劑層(ACL)的蒸汽殘留量，并且蒸汽流計(jì)算單元55-4基于源自隔膜的蒸汽流計(jì)算進(jìn)入陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的蒸汽流量。在此情況下，陽(yáng)極催化劑層的溫度可利用基于電池組冷卻水入口 /出口溫度的地圖數(shù)據(jù)。如在圖5F中示出，電池組控制器50的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)控制單元56圖解包括氫氣平衡控制單元56-1、蒸汽平衡控制單元56-2、液體平衡控制單元56-3、冷凝計(jì)算單元56-4和液流計(jì)算單元56-5。氫氣平衡控制單元56-1包括積分器，其基于源自陽(yáng)極氣道 (AGC)的氫氣流入量和到陽(yáng)極催化劑層(ACL)的氫氣流出量計(jì)算陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的氫氣濃度。蒸汽平衡控制單元56-2包括積分器，其基于源自陽(yáng)極催化劑層(ACL)的蒸汽流入量和到陽(yáng)極氣道(AGC)的蒸汽流出量計(jì)算陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的殘留水和蒸汽濃度。 液體平衡控制單元56-3包括積分器，從而基于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的冷凝率和到陽(yáng)極氣道(AGC)的液體流量計(jì)算陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的液體殘留量。冷凝計(jì)算單元56-4基于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的溫度和蒸汽濃度計(jì)算陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的冷凝率。液體流量計(jì)算單元56-5基于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的液體S (AGDL Liquid S= (s-s_im) / (l-s_im)) 和溫度，以及陽(yáng)極氣道液體S(AGC Liquid幻計(jì)算陽(yáng)極氣道的液體流量。氫氣擴(kuò)散計(jì)算單元
56-6基于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的氫氣濃度、陽(yáng)極氣道的氫氣濃度和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的氫氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算源自陽(yáng)極氣道的氫氣流入量。蒸汽擴(kuò)散計(jì)算單元56-7基于陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的蒸汽濃度、陽(yáng)極氣道的蒸汽濃度和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的蒸汽擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算到陽(yáng)極氣道的蒸汽流
Hjfio在此情況下，陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的溫度可利用基于電池組冷卻水入口 /出口溫度的地圖數(shù)據(jù)。如果s > s_im，那么陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層液體 S(AGDL Liquid S) = (s-s_im) / (l-s_ im)。如果8彡8_土111，那么3(八0^ Liquid S) =0。這里，s (AGDL Liquid S)=陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的殘留液體容積除以陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的孔隙容積，并且s_im表示是其中在毛細(xì)現(xiàn)象中生成液流的參考條件的固定飽和度。在毛細(xì)現(xiàn)象下，如果s > s_im，那么可通過(guò)鄰近層的液體S的差生成液流。另一方面，陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的冷凝率可與根據(jù)陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層溫度的飽和壓力和根據(jù)陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層蒸汽(AGDL蒸汽)濃度的蒸汽壓力之間的差成比例生成。同樣，在陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的液體增加(S卩，AGDL液體s增加)時(shí)，可減小氫氣和蒸汽的擴(kuò)散系數(shù)。如在圖5G中示出，電池組控制器50的陽(yáng)極氣道(AGD)控制單元57圖解包括氫氣平衡計(jì)算單元57-1、水平衡計(jì)算單元57-2和流出量計(jì)算單元57-3。氫氣平衡計(jì)算單元
57-1包括積分器，其接收在電池組入口的氫氣流入量、在電池組出口的氫氣流出量、到陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的氫氣流出量、在電池組出口的陽(yáng)極氣道(AGC)溫度和在電池組出口的氫氣流出量，從而計(jì)算氫氣增壓比、陽(yáng)極氣道的氫氣濃度和陽(yáng)極氣道的氫氣分壓。水平衡計(jì)算單元 57-2包括積分器，其接收在電池組入口的蒸汽流入量、在電池組出口的蒸汽流出量、源自陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的蒸汽流、在電池組出口的液體流出量、源自陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的液體流入量和在電池組出口的陽(yáng)極氣道(AGC)溫度，從而計(jì)算陽(yáng)極氣道的蒸汽分壓、在電池組出口的陽(yáng)極相對(duì)濕度、陽(yáng)極氣道的殘留水，以及陽(yáng)極氣道的蒸汽濃度和液體S (AGC液體S =(s-s_im)/(l-s_im))0最終，流出量計(jì)算單元57_3基于在電池組出口的目標(biāo)壓力P5和陽(yáng)極氣道(AGC)壓力，計(jì)算在電池組出口的氫氣流出量和蒸汽流出量。在此情況下，流出量，即在電池組出口的氫氣流出量和蒸汽流出量可通過(guò)應(yīng)用估算陽(yáng)極氣道壓力(在電池組出口)為目標(biāo)壓力P5的PI控制計(jì)算。目標(biāo)壓力P5可利用陽(yáng)極氣道壓力(在電池組出口)傳感器數(shù)據(jù)或基于陽(yáng)極氣道流的地圖數(shù)據(jù)。陽(yáng)極氣道溫度(在電池組出口)可利用傳感器數(shù)據(jù)或基于電池組冷卻水入口/出口溫度的地圖數(shù)據(jù)。在電池組出口的液體流出量是在陽(yáng)極水捕獲(anode water trap) (AffT)中捕獲的流量。如果在電池組出口的陽(yáng)極相對(duì)濕度小于大約100%，那么陽(yáng)極水捕獲(AWT)=源自陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的液體流量X α，其中α范圍從大約0到大約1。另一方面，如果在電池組出口的陽(yáng)極相對(duì)濕度大于大約100%，那么陽(yáng)極水捕獲 (AffT)=源自陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的液體流量X α +陽(yáng)極氣道(AGC)凈水流X β，其中α范圍從大約0到大約1，并且β范圍從大約0到大約1。如果s > s_im，那么陽(yáng)極氣道液體 S (AGC Liquid S) = (s_s_im) / (l_s_im)。如果s ( s_im，那么AGC Liquid S = 0。這里，S =陽(yáng)極氣道的殘留液體容積除以陽(yáng)極氣道容積，并且s_im表示是其中在毛細(xì)現(xiàn)象中生成液流的參考條件的固定飽和度。如在圖6A和6B中示出，燃料處理系統(tǒng)(FPQ控制器40圖解包括通過(guò)估算目標(biāo)壓力P4的PI控制計(jì)算氫氣流入量的氫氣供應(yīng)控制單元42、控制供應(yīng)氫氣和再循環(huán)氫氣之間混合比的氫氣入口歧管控制單元44、執(zhí)行氫氣吹掃和冷凝水排放控制的氫氣出口歧管控制單元46，以及控制噴射器和再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)的氫氣再循環(huán)回路控制單元48。更具體地，燃料處理系統(tǒng)控制器40圖解包括氫氣供應(yīng)控制單元42，其接收目標(biāo)壓力P4、在電池組出口的陽(yáng)極氣道壓力、氫氣供應(yīng)溫度和供應(yīng)氫氣的相對(duì)濕度，從而向氫氣入口歧管控制單元44輸出氫氣流入量、氫氣供應(yīng)壓力、氫氣供應(yīng)溫度和供應(yīng)的氫氣的相對(duì)濕度。氫氣入口歧管控制單元44從氫氣供應(yīng)控制單元42接收氫氣流入量、氫氣供應(yīng)壓力、 氫氣供應(yīng)溫度和供應(yīng)氫氣的相對(duì)濕度，并同時(shí)從氫氣再循環(huán)回路控制單元48接收氫氣再循環(huán)流、蒸汽再循環(huán)流、氫氣第二再循環(huán)回路溫度、氫氣第二再循環(huán)回路壓力和氫氣第二再循環(huán)回路相對(duì)濕度，從而向陽(yáng)極氣道(AGC)控制單元57輸出在電池組入口的氫氣流、在電池組入口的蒸汽流、陽(yáng)極氣道溫度和在電池組入口的壓力，以及在電池組入口的陽(yáng)極相對(duì)濕度。氫氣出口歧管控制單元46從陽(yáng)極氣道(AGC)控制單元57接收在電池組出口的氫氣流、在電池組出口的蒸汽流、在電池組出口的液體流量、在電池組出口的陽(yáng)極氣道溫度和壓力，以及在電池組出口的陽(yáng)極相對(duì)濕度，從而向氫氣再循環(huán)回路控制單元輸出氫氣再循環(huán)流、蒸汽再循環(huán)流、氫氣第一再循環(huán)回路溫度、氫氣第一再循環(huán)回路壓力、氫氣第一再循環(huán)回路相對(duì)濕度，并且氫氣再循環(huán)回路控制單元48從氫氣出口歧管控制單元46接收氫氣再循環(huán)流、蒸汽再循環(huán)流、氫氣第一再循環(huán)回路溫度、氫氣第一再循環(huán)回路壓力、氫氣第一再循環(huán)回路相對(duì)濕度，從而輸出氫氣再循環(huán)流、蒸汽再循環(huán)流、氫氣第二再循環(huán)回路溫度、氫氣第二再循環(huán)回路壓力、氫氣第二再循環(huán)回路相對(duì)濕度。在氫氣再循環(huán)回路中，可根據(jù)氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)基于加熱圖計(jì)算第二再循環(huán)回路溫度/壓力/相對(duì)濕度?？赏ㄟ^(guò)氫氣放氣閥打開(kāi)時(shí)的壓力差從噴嘴計(jì)算公式計(jì)算氫氣和蒸汽放氣流?？苫诎磫挝粫r(shí)間的冷凝水排出測(cè)試圖計(jì)算冷凝水排放流?？蓮目紤]輸入到冷凝水排放流的陽(yáng)極水捕獲(AWT)的液體平衡方程式計(jì)算在冷凝排放口中剩余的殘留水的量。同樣，可通過(guò)應(yīng)用估算在電池組入口的陽(yáng)極氣道壓力(利用基于電池組出口氣道壓力的地圖)的PI控制計(jì)算氫氣流入量。目標(biāo)壓力P4可利用陽(yáng)極氣道壓力(在電池組入口)傳感器數(shù)據(jù)或基于陽(yáng)極氣道流的地圖數(shù)據(jù)。氫氣供應(yīng)溫度可利用傳感器數(shù)據(jù)或基于環(huán)境溫度、氫儲(chǔ)箱溫度和電池組冷卻水入口/出口溫度的地圖數(shù)據(jù)。在此情況下，考慮純氫氣條件，供應(yīng)的氫氣的相對(duì)濕度可設(shè)定為大約0%?？蓮墓?yīng)的氫氣加蒸汽熱和再循環(huán)氫氣加蒸汽熱的能量平衡方程式計(jì)算陽(yáng)極氣道溫度(在電池組入口)。可基于定義為蒸汽流對(duì)氫氣流的比的濕度比計(jì)算陽(yáng)極相對(duì)濕度(在電池組入 Π )。在下文中，詳細(xì)描述使用基于上面描述配置的燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。如在圖中使用橢圓形表示，控制冷凝水排放的方法可使用在相對(duì)濕度和冷凝水估算器的輸出信號(hào)中的空氣側(cè)/氫氣側(cè)相對(duì)濕度、空氣側(cè)/氫氣側(cè)/加濕器瞬時(shí)和累積冷凝水比、隔膜含水量、催化劑層氧氣/氫氣分壓、電池組電壓、空氣側(cè)/氫氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度、氧氣/氫氣增壓比、電池組中殘留水，以及加濕器中殘留水實(shí)現(xiàn)。使用根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制陽(yáng)極冷凝水排放的方法可通過(guò)計(jì)算陽(yáng)極冷凝水收集器中冷凝水殘留量，使用在估算器中計(jì)算的陽(yáng)極冷凝水的量和排放閥(drain valve)的開(kāi)/關(guān)信號(hào)，然后確定如在圖6B中示出的冷凝水收集器43中水位傳感器45是否正常，基于水位傳感器45異常時(shí)的冷凝水估算值，執(zhí)行排放閥開(kāi)/關(guān)的控制。更具體地，該方法包括通過(guò)基于在上面估算器中計(jì)算的陽(yáng)極冷凝水(輸入流， AffT)和使用排放閥開(kāi)/關(guān)信號(hào)計(jì)算的流出量(陽(yáng)極冷凝水排放閥開(kāi)啟X每秒的冷凝水流出量)，通過(guò)計(jì)算陽(yáng)極冷凝水收集器中冷凝水殘留量來(lái)確定冷凝水收集器中水位傳感器是否正常，并且如果異常，那么基于殘留冷凝水估算執(zhí)行排放閥開(kāi)/關(guān)控制。在此情況下，冷凝水殘留量(計(jì)算值=估算值)大于對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極冷凝水收集器總?cè)莘eVl的量，具有由于水位傳感器失效而產(chǎn)生的排放閥過(guò)度關(guān)閉的可能性。因此，如果由于電池組中嚴(yán)重溢流而發(fā)生電池電壓下降、氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)的異常操作和陽(yáng)極側(cè)電池組入口 /出口壓力的異常，那么確定水位傳感器失效。然后，可基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算控制冷凝水排放閥開(kāi)/關(guān)，從而維持殘留冷凝水接近水位傳感器。同樣，在冷凝水殘留量(計(jì)算值=估算值)等于或小于大約0時(shí)，具有由于水位傳感器失效而使排放閥過(guò)度打開(kāi)的可能性。因此，如果由于氫氣而不是冷凝水泄漏而使氫氣利用率降低并且氫氣泄漏傳感器報(bào)警，那么可確定水位傳感器失效。然后，可基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算控制冷凝水排放閥開(kāi)/關(guān)控制，從而維持殘留冷凝水接近水位傳感器。下面進(jìn)一步詳細(xì)描述使用根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制陽(yáng)極冷凝水排放的方法。第一實(shí)施例如在圖7A的流程圖中示出，在第一步驟(SlOl)中，可使用方程式(1)計(jì)算在陽(yáng)極冷凝水收集器中基于水平衡的冷凝水殘留量。
殘留冷凝水[Kg] = ξ [AWT -(陽(yáng)極冷凝水排放閥開(kāi)啟)X (每秒冷凝水流出量)]xAt +殘留冷凝水初始值
t=0
...(1)在下一步的步驟(S102)中，冷凝水的殘留量可與冷凝水的密度(P [kg/m3])和冷凝水收集器總?cè)莘e(Vl[m3])的乘積比較，并且持續(xù)時(shí)間(At)可與參考值(tl)比較。在下一步的步驟(S103)中，如果冷凝水的殘留量大于冷凝水的密度(P [kg/m3]) 和冷凝水收集器總?cè)莘e(VI [m3])的乘積，并且持續(xù)時(shí)間(At)大于參考值(tl)，那么確定為冷凝水水位傳感器的警戒水位。在由于水位傳感器失效而使排放閥過(guò)度關(guān)閉時(shí)，由于電池組中嚴(yán)重溢流，因此可發(fā)生電池電壓下降、氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)的異常操作和陽(yáng)極電池組入口 /出口壓力異常。因此，如果在接下來(lái)的步驟(S104)中，V_cell小于V_cell_TH，AV_cell大于 Δ V_cell_TH,氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)RPM小于RPM_cmd_RPM_TH，陽(yáng)極電池組入口壓力大于入口正常壓力地圖加P_TH，或陽(yáng)極電池組出口壓力大于出口正常壓力地圖加P_TH，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值t2，那么在接下來(lái)的步驟610 中可確定為冷凝水水位傳感器失效。這里， V_TH、V_cell、V_cel 1_ΤΗ、Δ V_cell、Δ V_cel 1_TH、RPM_cmd、RPM_TH 和 P_TH 分別表示冷凝水差可接受參考值(m3)、電池組電池電壓、電池組電池電壓最下限參考值、電池組電池電壓偏差、電池組電池電壓偏差最上限參考值、氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)RPM命令值、氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)RPM差可接受參考值和壓差可接受參考值。在接下來(lái)的步驟(S106)中，可基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值啟動(dòng)冷凝水排放閥控制(初始值關(guān)閉)。排放閥控制時(shí)，如果在接下來(lái)的步驟(S107)中冷凝水殘留量大于冷凝水密度 (P [kg/m3])和冷凝水收集器從其底部到水傳感器位置的容積(V2[m3])的乘積，并且持續(xù)時(shí)間(At)大于參考值(t3)，那么在接下來(lái)的步驟(S108)中可執(zhí)行打開(kāi)冷凝水排放閥的控制。另一方面，如果在接下來(lái)的步驟(S109)中冷凝水殘留量小于冷凝水密度(P [kg/ m3])和通過(guò)從冷凝水收集器從其底部到水傳感器位置的容積(V2[m3])減去冷凝水差可接受參考值(V_TH)獲得的值的乘積，或排放閥打開(kāi)持續(xù)時(shí)間大于參考值(t4)，那么在接下來(lái)的步驟(SllO)中可執(zhí)行關(guān)閉冷凝水排放閥的控制。第二實(shí)施例如在圖7B的流程圖中示出，在第一步驟(S201)中，可使用方程式(1)計(jì)算在陽(yáng)極冷凝水收集器中基于水平衡的冷凝水殘留量。接下來(lái)，如果在下一步的步驟(S202)中冷凝水殘留量等于或小于大約0，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值(t5)，那么在接下來(lái)的步驟(S2(X3)中可確定為冷凝水水位傳感器的警戒水位。S卩，在由于水位傳感器失效而使排放閥過(guò)度打開(kāi)時(shí)，確定可降低車輛燃料效率 (氫氣利用率降低)，并且由于是氫氣而不是冷凝水泄漏而使氫氣泄漏傳感器可能報(bào)警。因此，在接下來(lái)的步驟(S204)中如果計(jì)算的氫氣利用率小于通過(guò)從正常氫氣利用率地圖減去氫氣利用率可接受參考值(H2_Util_TH)獲得的值，或氫氣泄漏傳感器開(kāi)啟， 并且持續(xù)時(shí)間大于參考值(t6)，那么在接下來(lái)的步驟620 中可確定冷凝水水位傳感器失效。正常氫氣利用率地圖可利用基于電池組電流的氫氣利用率測(cè)試地圖，并且計(jì)算的氫氣利用率可通過(guò)方程式( 計(jì)算。 [(電池組電流χ電池組數(shù)量χ 0.002) + (2 χ法拉第常數(shù)〉]x At] 1 °l=[h +[根據(jù)氫罐壓力，溫度而得到的氫氣的使用量(范德瓦爾斯方程式)|因此，在接下來(lái)的步驟(S206)中可基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值啟動(dòng)冷凝水排放閥控制(初始值關(guān)閉)。在排放閥控制時(shí)，如在第一實(shí)施例中描述，在接下來(lái)的步驟(S207)中如果冷凝水殘留量大于冷凝水密度(P [kg/m3])和冷凝水收集器從其底部到水傳感器位置的容積 (V2[m3])的乘積，并且持續(xù)時(shí)間(At)大于參考值(t3)，那么在接下來(lái)的步驟(S208)中可執(zhí)行打開(kāi)冷凝水排放閥的控制。另一方面，在接下來(lái)的步驟(S209)中如果冷凝水殘留量小于冷凝水密度(P [kg/ m3])和通過(guò)從冷凝水收集器從其底部到水傳感器位置的容積(V2[m3])減去冷凝水差可接受參考值(V_TH)獲得的值的乘積，或排放閥打開(kāi)持續(xù)時(shí)間大于參考值(t4)，那么在接下來(lái)的步驟(S210)中可執(zhí)行關(guān)閉冷凝水排放閥的控制。使用根據(jù)本發(fā)明第三和第四實(shí)施例的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制陽(yáng)極冷凝水排放的方法可基于在陽(yáng)極冷凝水收集器中生成水累積量，例如冷凝水累積量對(duì)生成水累積量的比差執(zhí)行排放閥開(kāi)/關(guān)控制，不同于第一和第二實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明第三和第四實(shí)施例控制陽(yáng)極冷凝水排放的方法圖解包括基于比差確定冷凝水收集器中水位傳感器是否正常，該比差通過(guò)計(jì)算基于生成水累積量的基于排放閥操作的累積冷凝水比(AWT_ratiol)和基于估算器的累積冷凝水比(AWT_ratiM)獲得，并如果異常，那么執(zhí)行基于殘留冷凝水估算值的排放閥開(kāi)/關(guān)控制。在此情況下，在基于排放閥操作的累積冷凝水比(AWT_ratiol)小于基于估算器的累積冷凝水比(AWT_ratiM)可接受參考值時(shí)，由于水位傳感器失效而使排放閥可過(guò)度關(guān)閉。因此，如果由于電池組中嚴(yán)重溢流而發(fā)生電池電壓下降、氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)的異常操作和陽(yáng)極側(cè)電池組入口 /出口壓力的異常，那么確定水位傳感器失效。然后，可基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值執(zhí)行冷凝水排放閥開(kāi)/關(guān)控制，從而維持殘留冷凝水接近水位傳感器。同樣，在基于排放閥操作的累積冷凝水比(AWT_rati0l)大于基于估算器的累積冷凝水比(AWT_ratiM)可接受參考值時(shí)，由于水位傳感器失效而使排放閥可過(guò)度打開(kāi)。因此，如果由于氫氣而不是冷凝水泄漏而使氫氣利用率降低并且氫氣泄漏傳感器報(bào)警，那么可確定水位傳感器失效。然后，可基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值執(zhí)行冷凝水排放閥開(kāi)/關(guān)控制，從而維持殘留冷凝水接近水位傳感器。在下文中，進(jìn)一步詳細(xì)描述使用根據(jù)第三和第四實(shí)施例的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制陽(yáng)極冷凝水排放的方法。
第三實(shí)施例如在圖8A的流程圖中示出，在第一步驟(S301)中可基于陽(yáng)極冷凝水收集器中排放閥的操作，使用方程式(3)、(4)和( 計(jì)算冷凝水累積量、生成水累積量和累積冷凝水估算值。
累積冷凝水[Kg] = 2[(陽(yáng)極冷凝水排放閥開(kāi)啟)χ(每秒冷凝水流出量)]xAt …(3)
t=o
累積生成水[Kg] = ξ[(電池組電流χ電池組數(shù)量χ0.018)^(2x法拉第常數(shù))jxΔ ... (4)
t=0
t=co
累積冷凝水估算值[Kg] = Z[AWT]xAt... (5)
t=0在此情況下，可通過(guò)下面的方程式(6)和(7)計(jì)算基于排放閥操作的累積冷凝水比(AWT_ratiol)和基于估算器的累積冷凝水比(AWT_ratio2)。
AWT^ffgf xlOQQ/o... (6)
-累積生成水
AWT &2=累 二古算值χ1·... (7)
-累積生成水在進(jìn)一步的步驟(S302)中如果冷凝水比(AWT_ratiol)小于通過(guò)從累積冷凝水比 (AWT_ratio2)減去累積冷凝水比差可接受參考值(AWT_TH)獲得的值，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值tl，那么在接下來(lái)的步驟(S30;3)中可確定為冷凝水水位傳感器的警戒水位。在由于水位傳感器失效而使排放閥過(guò)度關(guān)閉時(shí)，由于電池組中嚴(yán)重溢流，因此可發(fā)生電池電壓下降、氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)的異常操作和陽(yáng)極電池組入口 /出口壓力異常。因此，在接下來(lái)的步驟(S304)中如果V_cell小于V_cell_TH，AV_cell大于Δν_ cell_TH,氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)RPM小于RPM_cmd_RPM_TH，陽(yáng)極電池組入口壓力大于入口正常壓力地圖加P_TH，或陽(yáng)極電池組出口壓力大于出口正常壓力地圖加P_TH，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值(t2)，那么在接下來(lái)的步驟630 中可確定為冷凝水水位傳感器失效。這里，V_TH、V_cell、V_cell_TH、AV_cell、ΔV_cell_TH、RPM_cmd、RPM_TH 禾口 P_TH 分別表示冷凝水差可接受參考值(m3)、電池組電池電壓、電池組電池電壓最下限參考值、電池組電池電壓偏差、電池組電池電壓偏差最上限參考值、氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)RPM命令值、 氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)RPM差可接受參考值和壓差可接受參考值。在接下來(lái)的步驟(S306)中可基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值啟動(dòng)冷凝水排放閥控制(初始值關(guān)閉)。在排放閥控制時(shí)，在接下來(lái)的步驟(S307)中如果冷凝水殘留量大于冷凝水密度 (P [kg/m3])和冷凝水收集器從其底部到水傳感器位置的容積(V2[m3])的乘積，并且持續(xù)時(shí)間(At)大于參考值(t3)，那么在接下來(lái)的步驟(S308)中可執(zhí)行打開(kāi)冷凝水排放閥的控制。
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另一方面，在接下來(lái)的步驟(S309)中如果冷凝水殘留量小于冷凝水密度(P [kg/ m3])和通過(guò)從冷凝水收集器從其底部到水傳感器位置的容積(V2[m3])減去冷凝水差可接受參考值(V_TH)獲得的值的乘積，或排放閥打開(kāi)持續(xù)時(shí)間大于參考值t4，那么在接下來(lái)的步驟(S310)中可執(zhí)行關(guān)閉冷凝水排放閥的控制。第四實(shí)施例如在圖8B的流程圖中示出，在第一步驟(S401)中可基于陽(yáng)極冷凝水收集器中排放閥的操作，使用第三實(shí)施例的方程式( 、(；3)和(4)計(jì)算冷凝水累積量、生成水累積量和累積冷凝水估算值。在進(jìn)一步的步驟(S402)中如果冷凝水比(AWT_ratiol)大于累積冷凝水比差可接受參考值(AWT_TH)加累積冷凝水比(AWT_ratiM)獲得的值，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值 (t5)，那么在接下來(lái)的步驟(S40;3)中可確定為冷凝水水位傳感器的警戒水位。S卩，在由于水位傳感器失效而使排放閥過(guò)度打開(kāi)時(shí)，由于氫氣而不是冷凝水泄漏， 因此確定可降低交通工具燃料效率(氫氣利用率降低)，并且氫氣泄漏傳感器可報(bào)警。因此，在接下來(lái)的步驟(S404)中如果計(jì)算的氫氣利用率小于通過(guò)從正常氫氣利用率地圖減去氫氣利用率可接受參考值(H2_Util_TH)獲得的值，或氫氣泄漏傳感器開(kāi)啟， 并且持續(xù)時(shí)間大于參考值t6，那么在接下來(lái)的步驟640 中可確定冷凝水水位傳感器失效。如在第二實(shí)施例中描述，正常氫氣利用率地圖可利用基于電池組電流的氫氣利用率測(cè)試地圖，并且計(jì)算的氫氣利用率可通過(guò)方程式( 計(jì)算。在接下來(lái)的步驟(S406)中可基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值啟動(dòng)冷凝水排放閥控制(初始值關(guān)閉)。在排放閥控制時(shí)，在接下來(lái)的步驟(S407)中如果冷凝水殘留量大于冷凝水密度 (P [kg/m3])和冷凝水收集器從其底部到水傳感器位置的容積(V2[m3])的乘積，并且持續(xù)時(shí)間(At)大于參考值(t3)，那么在接下來(lái)的步驟(S408)中可執(zhí)行打開(kāi)冷凝水排放閥的控制。另一方面，如果在接下來(lái)的步驟(S409)中冷凝水殘留量小于冷凝水密度(P [kg/ m3])和通過(guò)從冷凝水收集器從其底部到水傳感器位置的容積(V2[m3])減去冷凝水差可接受參考值(V_TH)獲得的值的乘積，或排放閥打開(kāi)持續(xù)時(shí)間大于參考值t4，那么在接下來(lái)的步驟(S410)中可執(zhí)行關(guān)閉冷凝水排放閥的控制。有利地，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的估算器可基于傳感器信號(hào)而沒(méi)有分離傳感器估算燃料電池系統(tǒng)中相對(duì)濕度和冷凝水。此外，估算器可基于通常的陽(yáng)極冷凝水水位傳感器的失效確定，在失效安全性方面改善控制冷凝水排放閥的可靠性。另外，在冷凝水排放閥的水位傳感器失效時(shí)，可防止電池組中溢流，并且可防止氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)單元斷路。同樣，可通過(guò)防止過(guò)多氫氣泄漏而改善燃料效率和安全性。本發(fā)明參考其優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到在這些實(shí)施例中可做出改變而不背離范疇在權(quán)利要求和它們的等效中定義的本發(fā)明的原理和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，包括使用流體動(dòng)力學(xué)和氧氣、氮?dú)?、氫氣和水的質(zhì)量平衡方程式動(dòng)態(tài)估算燃料電池系統(tǒng)中相對(duì)濕度和冷凝水的多個(gè)控制器，其中所述相對(duì)濕度和冷凝水估算器通過(guò)輸出包括下列信號(hào)中的至少兩個(gè)信號(hào)而被用于所述燃料電池系統(tǒng)的控制，所述燃料電池系統(tǒng)的控制涉及控制陽(yáng)極冷凝水排放(1)空氣側(cè)相對(duì)濕度；(2)氫氣側(cè)相對(duì)濕度；(3)空氣側(cè)瞬時(shí)或累積冷凝水；(4)氫氣側(cè)瞬時(shí)或累積冷凝水；( 加濕器的瞬時(shí)和累積冷凝水；(6)隔膜含水量；(7)催化劑層氧氣分壓；(8) 催化劑層氫氣分壓；(9)電池組或電池電壓；(10)空氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度；(11)氫氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度；(12)氧氣增壓比；(13)氫氣增壓比；(14)電池組中殘留水；以及(15) 加濕器中殘留水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述控制器被安裝在所述估算器中，并且包括計(jì)算流入量和相對(duì)濕度的空氣鼓風(fēng)機(jī)控制器； 加濕器控制器，包括管道控制單元，被配置成通過(guò)估算目標(biāo)壓力(Pl)的比例積分(PI)控制計(jì)算所述加濕器的管道流出量，然后計(jì)算空氣和水平衡，以及外殼控制單元，被配置成通過(guò)估算目標(biāo)壓力(P》的PI控制計(jì)算所述加濕器的外殼流出量，然后計(jì)算空氣和水平衡； 電池組控制器，包括陰極氣道(CGC)控制單元，被配置成通過(guò)估算目標(biāo)壓力(P； )的PI控制計(jì)算所述電池組的陰極氣道的流出量，并被配置成計(jì)算所述空氣和水平衡，陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)控制單元，被配置成通過(guò)計(jì)算空氣和水的濃度，計(jì)算由于氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散和毛細(xì)現(xiàn)象產(chǎn)生的空氣和水運(yùn)動(dòng)，陰極催化劑層(CCL)控制單元，被配置成計(jì)算通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)的生成水并計(jì)算電壓和殘留水，隔膜層(MEM)控制單元，被配置成通過(guò)電滲拖動(dòng)、反擴(kuò)散和熱管計(jì)算隔膜的水濃度，并計(jì)算運(yùn)動(dòng)到所述陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層的水的量，陽(yáng)極催化劑層(ACL)控制單元，被配置成計(jì)算所述陽(yáng)極催化劑層的殘留水， 陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)控制單元，被配置成通過(guò)計(jì)算氫氣和水的濃度計(jì)算由于所述氣體擴(kuò)散層的擴(kuò)散和毛細(xì)現(xiàn)象而產(chǎn)生的空氣和水的運(yùn)動(dòng)，以及陽(yáng)極氣道(AGC)控制單元，被配置成通過(guò)估算目標(biāo)壓力(PO的PI控制計(jì)算電池組的陽(yáng)極氣道的流出量，然后計(jì)算空氣和水平衡；以及燃料處理系統(tǒng)(FPQ控制器40，包括氫氣供應(yīng)控制單元42，被配置成通過(guò)估算目標(biāo)壓力P4的PI控制計(jì)算氫氣流入量， 氫氣入口歧管控制單元44，被配置成控制供應(yīng)的氫氣和再循環(huán)的氫氣之間的混合比， 氫氣出口歧管控制單元46，被配置成執(zhí)行氫氣放氣和冷凝水排放控制，以及氫氣再循環(huán)回路控制單元48，被配置成控制噴射器和再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述空氣鼓風(fēng)機(jī)控制器接收環(huán)境溫度、大氣壓和大氣相對(duì)濕度，以便在假設(shè)通過(guò)空氣鼓風(fēng)機(jī)供應(yīng)的蒸汽流量守恒的條件下，計(jì)算在所述加濕器的所述入口的陰極相對(duì)濕度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述加濕器控制器包括管道控制單元，所述管道控制單元接收在所述加濕器的所述入口的蒸汽流入量、在所述電池組的所述入口的從加濕器外殼輸送的蒸汽流出量和在所述電池組的所述入口的空氣溫度，并計(jì)算在所述電池組的所述入口的陰極相對(duì)濕度和加濕器管道的殘留水；外殼控制單元，所述外殼控制單元接收在所述電池組的所述出口的蒸汽流入量、在所述加濕器的所述出口的蒸汽流出量、輸送到所述加濕器管道的蒸汽輸送流量、在所述電池組的所述出口的液體流入量、在所述加濕器的所述出口的液體流出量和在所述加濕器的所述出口的空氣溫度，并計(jì)算在所述加濕器的所述出口的陰極相對(duì)濕度和所述加濕器外殼的殘留水。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中在所述加濕器控制器的輸入因數(shù)中，在所述電池組的所述出口的所述液體流入量表示在所述陰極水捕獲(CWT)中捕獲的流量，并且在所述加濕器的所述出口的所述液體流出量表示在所述加濕器外殼水捕獲(SWT)中捕獲的流量，其中，如果在所述加濕器的所述出口的所述陰極相對(duì)濕度小于 100%，那么外殼水捕獲(SWT)=陰極水捕獲(CWT) X α，其中α范圍從0到1。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中，如果在所述加濕器的所述出口的所述陰極相對(duì)濕度等于或大于100%，那么外殼水捕獲(SWT)=陰極水捕獲 (CWT) X α +加濕器外殼凈水流量X β，其中α范圍從0到1，并且β范圍從0到1。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述電池組控制器的所述陰極氣道控制單元接收在所述電池組的所述入口的蒸汽流入量、在所述電池組的所述出口的蒸汽流出量、源自陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的蒸汽流量、在所述電池組的所述出口的液體流出量、源自所述陰極氣體擴(kuò)散層的液體流量和在所述電池組的所述出口的空氣溫度，從而計(jì)算在所述電池組的所述出口的陰極相對(duì)濕度和所述陰極氣道的殘留水量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中在所述陰極氣道(CGC)控制單元的輸入因數(shù)中，所述電池組的所述出口的液體流出量是在所述陰極水捕獲(CWT)中捕獲的流量，并且，如果所述電池組的所述出口的陰極相對(duì)濕度小于100%，那么陰極水捕獲值(CWT)=源自陰極氣體擴(kuò)散層的液體流量X α，其中α范圍從0到1。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中，如果所述電池組的所述出口的陰極相對(duì)濕度等于或大于100%，那么陰極水捕獲(CWT)=源自陰極氣體擴(kuò)散層的液體流量Xa +陰極氣道(CGC)外殼凈水流量Χβ，其中α范圍從0到1，并且β范圍從0 到1。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述電池組控制器50的所述陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)控制單元52包括蒸汽平衡控制單元，基于源自陰極催化劑層(CCL)的蒸汽流入量和到陰極氣道(CGC) 的蒸汽流出量計(jì)算陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的蒸汽殘留量；以及液體平衡控制單元，基于所述陰極氣體擴(kuò)散層的冷凝率和到所述陰極氣道的液體流量計(jì)算所述陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的液體殘留量。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述電池組控制器的所述陰極催化劑層(CCL)控制單元包括氧氣分壓計(jì)算單元，基于陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的氧氣濃度和所述陰極催化劑層 (CCL)的溫度計(jì)算陰極催化劑層(CCL)的氧氣分壓；相對(duì)濕度計(jì)算單元，基于所述陰極催化劑層(CCL)的溫度計(jì)算所述陰極催化劑層 (CCL)的相對(duì)濕度；殘留蒸汽計(jì)算單元，基于所述陰極氣體擴(kuò)散層(CGDL)的蒸汽濃度計(jì)算所述陰極催化劑層(CCL)的蒸汽殘留量；以及電壓計(jì)算單元，通過(guò)基于電池組電流、所述陰極催化劑層的溫度、所述隔膜的電阻、所述陰極催化劑層的氧氣分壓和所述陽(yáng)極催化劑層的氫氣分壓計(jì)算所述電池組的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述電池組控制器的所述隔膜層(MEM)控制單元包括水平衡計(jì)算單元，所述水平衡計(jì)算單元接收所述電滲拖動(dòng)檢測(cè)單元的電滲拖動(dòng)輸出信號(hào)和所述反擴(kuò)散檢測(cè)單元的反擴(kuò)散輸出信號(hào)、所述熱管檢測(cè)單元的輸出信號(hào)以及所述隔膜的溫度，從而計(jì)算所述隔膜的所述殘留水、電阻和含水量。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述電池組控制器50的所述陽(yáng)極催化劑層(ACL)控制單元包括氫氣分壓計(jì)算單元，基于所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的氫氣濃度和所述陽(yáng)極催化劑層(ACL)的溫度計(jì)算所述陽(yáng)極催化劑層(ACL)的氫氣分壓；相對(duì)濕度計(jì)算單元，基于所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的蒸汽濃度和所述陽(yáng)極催化劑層(ACL)的溫度計(jì)算所述陽(yáng)極催化劑層(ACL)的相對(duì)濕度；以及殘留蒸汽計(jì)算單元，基于所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的蒸汽濃度計(jì)算所述陽(yáng)極催化劑層(ACL)的蒸汽殘留量。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述電池組控制器50的所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)控制單元包括蒸汽平衡控制單元，基于源自所述陽(yáng)極催化劑層(ACL)的蒸汽流入量和到所述陽(yáng)極氣道(AGC)的蒸汽流出量計(jì)算所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的殘留水和蒸汽濃度；以及液體平衡控制單元，基于所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的冷凝率和到所述陽(yáng)極氣道 (AGC)的液體流量計(jì)算所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的液體殘留量。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述電池組控制器50的所述陽(yáng)極氣道(AGD)控制單元包括氫氣平衡計(jì)算單元，所述氫氣平衡計(jì)算單元接收在所述電池組的所述入口的氫氣流入量、在所述電池組的所述出口的氫氣流出量、到所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的氫氣流出量、在所述電池組的所述出口的陽(yáng)極氣道(AGC)溫度和在所述電池組的所述出口的氫氣流出量，從而計(jì)算氫氣增壓比；以及水平衡計(jì)算單元，所述水平衡計(jì)算單元接收在所述電池組的所述入口的蒸汽流入量、 在所述電池組的所述出口的蒸汽流出量、源自所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層(AGDL)的蒸汽流量、在所述電池組的所述出口的液體流出量、源自所述陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的液體流入量和在所述電池組的所述出口的陽(yáng)極氣道(AGC)溫度，從而計(jì)算在所述電池組的所述出口的陽(yáng)極相對(duì)濕度和所述陽(yáng)極氣道的殘留水量。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中在所述電池組控制器的所述陽(yáng)極氣道控制單元的輸入因數(shù)中，在所述電池組的所述出口的所述液體流出量是在陽(yáng)極水捕獲(AWT)中捕獲的流量，其中，如果在所述電池組的所述出口的所述陽(yáng)極相對(duì)濕度小于100%，那么陽(yáng)極水捕獲值(AWT)=源自陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的液體流量X α，其中α范圍從0到1。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中，如果在所述電池組的所述出口的所述陽(yáng)極相對(duì)濕度大于100%，那么陽(yáng)極水捕獲(AWT)=源自陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層的液體流量X α +陽(yáng)極氣道(AGC)凈水流量X β，其中α范圍從0到1，并且β范圍從0到 1。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中所述燃料處理系統(tǒng)控制器 40包括氫氣入口歧管控制單元44，所述氫氣入口歧管控制單元44接收從所述氫氣供應(yīng)控制單元供應(yīng)的氫氣的氫氣流入量、氫氣供應(yīng)壓力、氫氣供應(yīng)溫度和相對(duì)濕度，并同時(shí)從所述氫氣再循環(huán)回路控制單元48接收氫氣再循環(huán)流量、蒸汽再循環(huán)流量、氫氣第二再循環(huán)回路溫度、氫氣第二再循環(huán)回路壓力和氫氣第二再循環(huán)回路相對(duì)濕度，從而向所述陽(yáng)極氣道(AGC) 控制單元輸出在所述電池組的所述入口的陽(yáng)極相對(duì)濕度；以及氫氣出口歧管控制單元46，所述氫氣出口歧管控制單元46從所述陽(yáng)極氣道(AGC)控制單元接收在所述電池組的所述出口的氫氣流量、在所述電池組的所述出口的蒸汽流量、在所述電池組的所述出口的液體流量、在所述電池組的所述出口的陽(yáng)極氣道溫度和壓力，以及在所述電池組的所述出口的陽(yáng)極相對(duì)濕度，并同時(shí)接收冷凝水排放閥的開(kāi)/關(guān)信號(hào)從而確定冷凝水排放流量。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的相對(duì)濕度和冷凝水估算器，其中在冷凝水排放閥開(kāi)啟時(shí)， 基于按單位時(shí)間的冷凝水排出測(cè)試地圖計(jì)算由所述燃料處理系統(tǒng)控制器的所述氫氣出口歧管控制單元確定的所述冷凝水排放流量，并且在考慮到輸入到所述冷凝水排放流量的陽(yáng)極水捕獲(AWT)的情況下，由所述液體平衡方程式計(jì)算在冷凝排放口中剩余的冷凝水的量。
20.一種使用燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法，所述方法包括在陽(yáng)極冷凝水收集器中基于水平衡方程式計(jì)算冷凝水的殘留量；如果所述冷凝水的殘留量大于冷凝水的密度(P [kg/m3])和所述冷凝水收集器的總?cè)莘e(Vl[m3])的乘積，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值tl，那么確定冷凝水水位傳感器在警戒水位；如果V_cell小于V_cell_TH，AV_cell大于Δ V_cell_TH，氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)RPM小于RPM_cmd_RPM_TH，陽(yáng)極電池組入口壓力大于入口正常壓力地圖加P_TH，或陽(yáng)極電池組出口壓力大于出口正常壓力地圖加P_TH，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值t2，那么確定所述冷凝水水位傳感器失效；以及基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值執(zhí)行冷凝水排放閥的控制。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中通過(guò)下面的方程式計(jì)算冷凝水的殘留量t=QO殘留冷凝水[Kg] = Yd [AWT -(陽(yáng)極冷凝水排放閥幵啟)X (每秒冷凝水流出量)]XAt +殘留冷凝水初始值。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，在排放閥控制時(shí)，如果冷凝水殘留量大于冷凝水的密度(P [kg/m3])與所述冷凝水收集器的從其底部到所述水傳感器的位置的容積 (V2[m3])的乘積，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值(t3)，那么執(zhí)行打開(kāi)所述冷凝水排放閥的控制。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，在排放閥控制時(shí)，如果冷凝水殘留量小于冷凝水的密度(P [kg/m3])與通過(guò)從所述冷凝水收集器的底部到所述水傳感器的位置的容積 (V2[m3])中減去冷凝水差可接受參考值(V_TH)獲得的值的乘積，或排放閥打開(kāi)持續(xù)時(shí)間大于參考值(t4)，那么執(zhí)行關(guān)閉所述冷凝水排放閥的控制。
24.一種使用燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法，所述方法包括在陽(yáng)極冷凝水收集器中基于水平衡方程式計(jì)算冷凝水的殘留量；如果所述冷凝水的殘留量等于或小于0，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值(t5)，那么確定為冷凝水水位傳感器的警戒水位；如果計(jì)算的氫氣利用率小于通過(guò)從正常氫氣利用率地圖中減去氫氣利用率可接受參考值所獲得的值，或氫氣泄漏傳感器開(kāi)啟，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值(t6)，那么確定為冷凝水水位傳感器失效；以及基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值執(zhí)行冷凝水排放閥的控制。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中通過(guò)下面的方程式計(jì)算冷凝水的殘留量殘留冷凝水[Kg] = ￡[AWT-(陽(yáng)極冷凝水排放閥開(kāi)啟)x(每秒冷凝水流出量)]xAt +殘留冷凝水初始值。t=0
26.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述正常氫氣利用率地圖利用基于電池組電流的氫氣利用率測(cè)試地圖，并且通過(guò)下面的方程式計(jì)算所述計(jì)算的氫氣利用率、+笪的"戶刺M /l-丨電池組電流x電池組數(shù)量x0.002)+(2x法拉第常數(shù)根據(jù)氫罐壓力，溫度而得到的氫氣的使用量(范德瓦爾斯方程式°
27.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，在排放閥控制時(shí)，如果所述冷凝水的殘留量大于冷凝水的密度(P [kg/m3])與所述冷凝水收集器從其底部到所述水傳感器的位置的容積 (V2[m3])的乘積，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值(t3)，那么執(zhí)行打開(kāi)所述冷凝水排放閥的控制。
28.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，在著排放閥控制時(shí)，如果所述冷凝水殘留量小于冷凝水的密度(P [kg/m3])與通過(guò)從所述冷凝水收集器的底部到所述水傳感器的位置的容積(V2[m3])中減去冷凝水差可接受參考值(V_TH)所獲得的值的乘積，或排放閥打開(kāi)持續(xù)時(shí)間大于參考值(t4)，那么執(zhí)行關(guān)閉所述冷凝水排放閥的控制。
29.一種使用燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法，所述方法包括基于陽(yáng)極冷凝水收集器中排放閥的操作計(jì)算冷凝水的累積量、生成水的累積量和累積冷凝水估算值；如果累積冷凝水比(AWT_ratiol)小于通過(guò)從累積冷凝水比(AWT_ratio2)減去累積冷凝水比差可接受參考值(AWT_TH)所獲得的值，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值(tl)，那么確定為冷凝水水位傳感器的警戒水位；如果V_cell小于V_cell_TH，V_cell中的變化大于V_cell_TH中的變化，氫氣再循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)小于RPM_cmd_RPM_TH，陽(yáng)極電池組入口壓力大于入口正常壓力地圖加P_TH，或陽(yáng)極電池組出口壓力大于出口正常壓力地圖加P_TH，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值(t2)，那么確定為所述冷凝水水位傳感器失效；基于陽(yáng)極水捕獲估算值執(zhí)行冷凝水排放閥的控制。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中通過(guò)下面的方程式計(jì)算所述冷凝水的累積量
31.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中通過(guò)下面的方程式計(jì)算所述生成水的累積量
32.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中通過(guò)下面的方程式計(jì)算所述累積冷凝水估算值
33.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中，在排放閥控制時(shí)，如果冷凝水的殘留量大于冷凝水的密度與所述冷凝水收集器從其底部到所述水傳感器的位置的容積的乘積，并且持續(xù)時(shí)間大于參考值，那么執(zhí)行打開(kāi)所述冷凝水排放閥的控制。
34.根據(jù)權(quán)利要求四所述的方法，其中，在排放閥控制時(shí)，如果冷凝水的殘留量小于冷凝水的密度與通過(guò)從所述冷凝水收集器的底部到所述水傳感器的位置的容積中減去冷凝水差可接受參考值所獲得的值的乘積，或排放閥打開(kāi)持續(xù)時(shí)間大于參考值，那么執(zhí)行關(guān)閉所述冷凝水排放閥的控制。
35.一種使用燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法，所述方法包括基于陽(yáng)極冷凝水收集器中排放閥的操作計(jì)算冷凝水的累積量、生成水的累積量和累積冷凝水估算值；如果累積冷凝水比(AWT_rati0l)大于由累積冷凝水比差可接受參考值(AWT_TH)加上累積冷凝水比(AWT_rati0 2)所獲得的值，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值(t5)，那么確定為冷凝水水位傳感器的警戒水位；如果計(jì)算的氫氣利用率小于通過(guò)從正常氫氣利用率地圖中減去氫氣利用率可接受參考值H2_Util_TH獲得的值，或氫氣泄漏傳感器開(kāi)啟，并且其持續(xù)時(shí)間大于參考值(t6)，那么確定為冷凝水水位傳感器失效；基于陽(yáng)極水捕獲(AWT)估算值執(zhí)行冷凝水排放閥的控制。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中通過(guò)下面的方程式計(jì)算冷凝水的累積量
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中通過(guò)下面的方程式計(jì)算生成水的累積量
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中通過(guò)下面的方程式計(jì)算累積冷凝水估算值累積冷凝水估算值
39.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中所述正常氫氣利用率地圖利用基于電池組電流的氫氣利用率測(cè)試地圖，并且通過(guò)下面的方程式計(jì)算所述計(jì)算的氫氣利用率計(jì)算的氫“利用丨。/1 =丨f [(電池組電流x電池組數(shù)量x⑶吻+(2 x法拉第常數(shù)小Δ ] ι 、 ^ 1 μ=+[根據(jù)氫罐壓力，溫度而得到的氫氣的使用量(范德瓦爾斯方程式)j 。
40.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，在排放閥控制時(shí)，如果冷凝水的殘留量大于冷凝水的密度與所述冷凝水收集器從其底部到所述水傳感器的位置的容積(V2[m3])的乘積， 并且所述持續(xù)時(shí)間大于參考值(t3)，那么執(zhí)行打開(kāi)所述冷凝水排放閥的控制。
41.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，在排放閥控制時(shí)，如果冷凝水的殘留量小于冷凝水的密度與通過(guò)從所述冷凝水收集器的底部到所述水傳感器的位置的容積(V2[m3])中減去冷凝水差可接受參考值(V_TH)所獲得的值的乘積，或排放閥打開(kāi)持續(xù)時(shí)間大于參考值(t4)，那么執(zhí)行關(guān)閉所述冷凝水排放閥的控制。
42.一種使用根據(jù)任一權(quán)利要求的用于燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法，其中在2毫秒到500毫秒的間隔動(dòng)態(tài)計(jì)算用于估算燃料電池系統(tǒng)中相對(duì)濕度和冷凝水的輸出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于燃料電池的相對(duì)濕度和冷凝水估算器以及使用該估算器控制冷凝水排放的方法。這里，相對(duì)濕度和冷凝水估算器用于燃料電池系統(tǒng)的控制，該燃料電池系統(tǒng)的控制涉及通過(guò)輸出包括下列信號(hào)中的至少兩個(gè)信號(hào)控制陽(yáng)極冷凝水排放，空氣側(cè)相對(duì)濕度、氫氣側(cè)相對(duì)濕度、空氣側(cè)瞬時(shí)或累積冷凝水、氫氣側(cè)瞬時(shí)或累積冷凝水、加濕器的瞬時(shí)和累積冷凝水、隔膜含水量、催化劑層氧氣分壓、催化劑層氫氣分壓、電池組或電池電壓、空氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度、氫氣側(cè)催化劑層相對(duì)濕度、氧氣增壓比、氫氣增壓比、電池組中殘留水，以及加濕器中殘留水。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102569848SQ20111016640
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者全淳一, 李東勛, 金大鐘 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社, 起亞自動(dòng)車株式會(huì)社