燃料电池堆端口的相对湿度估计器制造技术

公开了燃料电池堆端口的相对湿度估计器。提供一种用于燃料电池堆(FCS)的水管理方法。方法可包括：基于FCS中的反应物的消耗量和产物的生成量而通过控制器输出FCS阳极端口的估计的相对湿度值，并基于所述值调整加湿控制策略。所述输出可以是响应于从FCS的氢再循环系统(HRS)的模型预测的FCS阳极端口的相对湿度值出现在预定范围内的。还提供一种包括HRS和控制器的燃料电池车辆。HRS可包括喷射器和具有阳极端口的燃料电池堆。控制器可被配置为：激活HRS模型以基于喷射器的二次喷嘴的估计的流量来计算阳极端口的相对湿度的实时估计值。

Relative humidity estimator for fuel cell stack ports

A relative humidity estimator for a fuel cell stack port is disclosed. A water management method for a fuel cell stack (FCS) is provided. The method may include estimating an estimated relative humidity of the FCS anode port via a controller based on the amount of reactant consumption in the FCS and the amount of product generated, and adjusting the humidification control strategy based on the value. The output may be in a predetermined range in response to a relative humidity value of the FCS anode port predicted from the model of the hydrogen recycling system (HRS) of the FCS. A fuel cell vehicle comprising a HRS and a controller is also provided. The HRS may include an injector and a fuel cell stack having an anode port. The controller can be configured to activate the HRS model to calculate the relative humidity of the anode port based on the estimated flow of the injector's two nozzle.

【技术实现步骤摘要】
燃料电池堆端口的相对湿度估计器
本公开涉及用于车辆的燃料电池系统的氢流的湿度状况，在该车辆的燃料电池系统中，喷射器使氢气混合物再循环。
技术介绍
诸如燃料电池车辆(fuelcellvehicle，FCV)或燃料电池电动车辆(fuelcellelectricvehicle，FCEV)的车辆可包括诸如燃料电池堆的能量存储装置，以对车辆部件提供动力。燃料电池堆可以与用于协助管理车辆性能和运转的系统集成在一起。燃料电池堆可与氢再循环系统一起使用以协助管理燃料电池堆的水状况。高分子电解质膜燃料电池是可以与燃料电池堆一起使用的燃料电池的示例。
技术实现思路
一种用于燃料电池堆(fuelcellstack,FCS)的水管理方法包括：基于FCS中的反应物的消耗量和产物的生成量而通过控制器输出FCS阳极端口的估计的相对湿度值，并基于所述估计的相对湿度值调整加湿控制策略。所述输出是响应于从FCS的氢再循环系统(hydrogenrecirculationsystem,HRS)模型预测的FCS阳极端口的相对湿度值出现在预定的范围内的。预测的相对湿度值可基于测量的HRS罐压力、测量的FCS阳极端口压力和从所述模型预测的FCS阳极端口压力。所述方法还可包括：基于限定所述模型的线性化的动态方程预测HRS的喷射器的二次喷嘴的流量。所述预测可包括：将多项式混沌估计应用到所述加湿控制策略以补偿不确定性。所述预测可包括：对所述加湿控制策略的输出进行滤波以补偿不确定性。所述方法可包括：基于HRS的喷射器的虚拟喷嘴的面积计算喷射器流量，所述喷射器的虚拟喷嘴的面积是从喷射器的几何形状、一次流的马赫数、喷射器的两个入口处的压力值以及一次流体和二次流体的属性得出的。所述方法还可包括：基于所述估计的相对湿度值辨识FCS的膜的状态，并可输出所述状态。所述方法还可包括：通过HRS的时变模型辨识FCS中的反应物的消耗量和产物的生成量。所述方法还可包括：通过反馈控制器调节所述模型的受控的氢压力信号，使得所述信号的值以一定值收敛，并且收敛到与实际的压力测量值大致相等的值。一种用于FCS的阳极端口的湿度估计方法包括：根据从基于多项式混沌的估计器接收的数据而通过控制器输出用于HRS的喷射器的激活顺序，以控制所述端口处冷却剂的流量。所述输出是响应于端口处出现预定的湿度状况的。所述方法还可包括：基于HRS的模型的线性化的动态方程估计喷射器的二次喷嘴的流量。所述方法还可包括：基于喷射器的几何形状、一次流的马赫数、喷射器的两个入口处的压力值以及一次流体和二次流体的属性来计算喷射器流量。所述方法还可包括：基于预测的喷射器的流量估计HRS内的燃料的化学计量比。一种燃料电池车辆包括HRS和控制器。HRS包括喷射器和具有阳极端口的FCS。控制器被配置为：激活HRS模型以基于喷射器的二次喷嘴的估计的流量来计算阳极端口的相对湿度的实时估计值。相对湿度估计可基于罐压力、阳极入口压力、FCS入口温度和出口温度以及FCS电流。控制器可被进一步配置为：将滤波技术应用到加湿控制策略的输出，以补偿相对湿度计算的不确定性。控制器可被进一步配置为：运行HRS使得基于阳极端口处的物质的化学计量比将预定量的氮和水从HRS中清除。控制器可被进一步配置为：应用状态和参数估计技术，以补偿相对湿度估计的不确定性。控制器可被进一步配置为：将所述模型的动态方程线性化，以预测喷射器的二次喷嘴的流量。控制器还可被进一步配置为：基于喷射器的几何形状、喷射器的一次流的马赫数、喷射器的入口处的压力值以及一次流体和二次流体的属性来计算喷射器的流量。附图说明图1是示出燃料电池车辆的示例的示意图。图2是示出燃料电池的示例的示意图。图3是示出燃料电池车辆的氢再循环系统的示例的示意图。图4是示出用于燃料电池堆的阳极端口的相对湿度估计架构的操作的算法示例的流程图。图5是示出图2的氢再循环系统的喷射器的示例的示意图。图6是示出用于燃料电池堆的阳极端口的相对湿度估计架构的操作的算法示例的流程图。具体实施方式在此描述了本公开的实施例。然而，应当理解，公开的实施例仅仅为示例并且其它实施例可采取各种和可替代的形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可被放大或缩小以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本公开的实施例的代表性基础。如本领域中普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各种特征可与一幅或更多副其它附图中示出的特征结合以形成未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可期望用于特定应用或实施方式。图1示出了燃料电池车辆(FCV)的示例的示意图，在此通称为车辆10。车辆10可包括机械地连接到变速器14的一个或更多个电机12。电机12能够作为马达或发电机运转。变速器14还可以机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到一组前车轮22。电机12可提供推进和减速能力。燃料电池堆24可产生电流以对车辆10的部件提供动力。例如，氢再循环系统可与燃料电池堆一起运行，以将氢气和氧气转化为电流从而对电机12提供电力。电流可被称为负载。燃料电池堆24可包括一个或更多个燃料电池，诸如高分子电解质膜(polymerelectrolytemembrane,PEM)燃料电池。电力控制单元26可管理车辆10内的电力流动。例如，电力控制单元26可管理燃料电池堆24与电机12之间的电力流动。储氢罐30可储存用于燃料电池堆24使用的氢气。高输出电池32可储存(例如)从再生制动系统产生的能量并可将补充功率提供到电机12。上面描述的各个部件可具有一个或更多个相关联的控制器，以控制并监测部件的运转。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由离散导体进行通信。图2示出了PEM燃料电池的示例的示意图，在此通称为PEM燃料电池40。PEM燃料电池40是可以在上面描述的燃料电池堆24中操作的燃料电池的一个示例。PEM燃料电池40可包括阳极42、电解质44和阴极46。可分别在阳极42、电解质44和阴极46之间的各个界面处发生化学反应。例如，阳极42可接收诸如氢的燃料，并将燃料氧化以将燃料转换为带正电荷的离子和带负电荷的电子。电解质44可允许离子穿过到达阴极46同时使电子在电解质44周围重新定向以生成负载。这些电子可在阴极46内与这些离子重新结合。阴极46可接收诸如氧的化学物，以与这些离子和电子发生反应，从而生成(例如)水或二氧化碳。双极板48可协助PEM燃料电池40内的燃料和氧化剂的分布、促进PEM燃料电池40的水管理、将燃料电池堆内的燃料电池隔开以及促进PEM燃料电池40的热管理。关于包括燃料电池(诸如PEM燃料电池40)的系统的水管理可影响系统的性能。例如，燃料电池的电极可能会被具有高于正常状态的过多水合作用的液态水淹没，这会引起燃料不足、电池电势或电流反向或者腐蚀电极和双极板。相反，太少的水合作用会使质子在燃料电池的膜(例如，电解质)中的传输阻力更高，并且会促进清除膜的自由基。系统的水合状态的改变会在膜中引起机械应力，这也会导致过早的膜失效。燃料电池的启动和关闭状态也会依赖水管理，尤其是在低温条件下。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池堆的水管理方法，包括：响应于通过燃料电池堆的氢再循环系统的模型预测的燃料电池堆阳极端口的相对湿度值在预定的范围内，基于燃料电池堆中的反应物的消耗量和产物的生成量而通过控制器输出燃料电池堆阳极端口的估计的相对湿度值，并基于所述估计的相对湿度值调整加湿控制策略。

【技术特征摘要】
2015.09.25 US 14/866,0901.一种用于燃料电池堆的水管理方法，包括：响应于通过燃料电池堆的氢再循环系统的模型预测的燃料电池堆阳极端口的相对湿度值在预定的范围内，基于燃料电池堆中的反应物的消耗量和产物的生成量而通过控制器输出燃料电池堆阳极端口的估计的相对湿度值，并基于所述估计的相对湿度值调整加湿控制策略。2.根据权利要求1所述的用于燃料电池堆的水管理方法，其中，所述预测的相对湿度值是基于测量的氢再循环系统的罐压力、测量的燃料电池堆阳极端口压力以及通过所述模型预测的燃料电池堆阳极端口压力的。3.根据权利要求1所述的用于燃料电池堆的水管理方法，还包括：基于限定所述模型的线性化的动态方程预测氢再循环系统的喷射器的二次喷嘴的流量。4.根据权利要求3所述的用于燃料电池堆的水管理方法，其中，所述预测包括：将多项式混沌估计应用到所述加湿控制策略，以补偿不确定性。5.根据权利要求3所述的用于燃料电池堆的水管理方法，其中，所述预测包括：对所述加湿控制策略的输出进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·佩恩斯，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US