CN102569848A - 估算相对湿度和冷凝水的控制器,以及使用该控制器控制冷凝水排放的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器以及使用该估算器控制冷凝水排放的方法。这里，相对湿度和冷凝水估算器用于燃料电池系统的控制，该燃料电池系统的控制涉及通过输出包括下列信号中的至少两个信号控制阳极冷凝水排放，空气侧相对湿度、氢气侧相对湿度、空气侧瞬时或累积冷凝水、氢气侧瞬时或累积冷凝水、加湿器的瞬时和累积冷凝水、隔膜含水量、催化剂层氧气分压、催化剂层氢气分压、电池组或电池电压、空气侧催化剂层相对湿度、氢气侧催化剂层相对湿度、氧气增压比、氢气增压比、电池组中残留水，以及加湿器中残留水。

Description

估算相对湿度和冷凝水的控制器,以及使用该控制器控制冷凝水排放的方法
技术领域
本发明涉及用于燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器，以及使用该估算器控制冷凝水排放的方法。更特别地，本发明涉及动态估算燃料电池系统中相对湿度和冷凝水的估算器，以及使用该估算器控制燃料电池组的阳极中冷凝水排放的方法。 
背景技术
理论上，燃料电池系统是从外部接收氢气和空气从而在电池组中生成电和水的简单系统。然而，实际上，是电化学反应副产物的水根据实时操作条件例如温度和压力变为水蒸气、饱和液与冰的结合。由于这些物相的改变影响了水的传递特性，并同样影响通过电池组的气体扩散层、催化剂层、膜和隔板通道的气体和电子的传递特性，因此难以估算燃料电池系统的内部现象。 
特别地，由于燃料电池系统是具有高非线性的系统，其中因分别表示水的溢出和缺乏的所谓溢流和干枯现象的共存而引起电池组性能改变，因此难以估算燃料电池系统的内部现象。 
为此，安装测量燃料电池系统中相对湿度的传感器和感测冷凝水水位的冷凝水水位传感器从而管理电池组中的水。然而，在使用相对湿度传感器时，材料成本增加。同样，由于频繁接触水引起相对湿度传感器和冷凝水水位传感器容易损坏，因此可能要增加维护成本，而且，就控制而言，可能降低可靠性。 
因此，需要开发确定相对湿度和冷凝水状态从而管理燃料电池系统中水的技术，以便克服上面限制。 
在本背景部分中公开的上面的信息仅用来增强对本发明背景的理解，并因此它可包括不形成本国本领域技术人员已知的现有技术的信息。 
发明内容
本发明提供了一种动态估算燃料电池系统中相对湿度(RH)和冷凝水的估算器，以及使用该估算器控制阳极中冷凝水排放的方法，以便克服表示水溢出的溢流现象，以及表示水缺乏的干枯现象，该两个现象由根据燃料电池的操作条件例如操作温度和压力的改变而产生的传递的水的量和状态的改变而产生。 
在一个方面中，本发明提供了一种用于燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器，包括使用氧气、氮气、氢气和水的流体动力学和质量平衡方程式动态估算燃料电池系统中相对湿度和冷凝水的控制器，其中相对湿度和冷凝水估算器通过输出包括下列信号中至少两个信号被用于燃料电池系统的控制，该燃料电池系统的控制涉及控制阳极冷凝水排放，(1)空气侧相对湿度；(2)氢气侧相对湿度；(3)空气侧瞬时或累积冷凝水；(4)氢气侧瞬时或累积冷凝水；(5)加湿器的瞬时和累积冷凝水；(6)隔膜含水量；(7)催化剂层氧气分压；(8)催化剂层氢气分压；(9)电池组或电池电压；(10)空气侧催化剂层相对湿度；(11)氢气侧催化剂层相对湿度；(12)氧气增压比；(13)氢气增压比；(14)电池组中残留水；以及(15)加湿器中残留水。 
在一个实施例中，控制器可安装在估算器中，并可包括计算流入量与相对湿度的空气鼓风机控制器和加湿器控制器。加湿器控制器包括通过估算目标压力(P1)的比例积分(PI)控制(proportional-integral (PI)control for estimating a target pressure(P1))计算加湿器的管道溢流，然后计算空气和水平衡的管道控制单元。加湿器控制器也可包括通过估算目标压力(P2)的PI控制计算加湿器的外壳溢流，然后计算空气和水平衡的外壳控制单元。 
另外，估算器也可在其中具有包括通过估算目标压力(P3)的PI控制计算电池组的阴极气道的溢流，然后计算空气和水平衡的阴极气道(CGC)控制单元的电池组控制器。除CGC控制单元之外，电池组控制器还可具有阴极气体扩散层(CGDL)控制单元、阴极催化剂层(CCL)控制单元、隔膜层(MEM)控制单元、阳极催化剂层(ACL)控制单元和阳极气道(AGC)控制单元。CGDL控制单元通过计算空 气和水的浓度计算由于气体扩散层的扩散和毛细现象而产生的空气和水的运动。CCL控制单元计算通过电化学反应生成的水和电压(参数：电流、温度、氧气分压和氢气分压)以及残留水。MEM控制单元计算由于渗透拖动(osmotic drag)、反扩散和热管而产生的隔膜的水浓度，并计算运动到阴极和阳极催化剂层的水的量。最终，ACL控制单元计算阳极催化剂层的残留水，AGDL控制单元通过计算氢气和水的浓度计算由于气体扩散层的扩散和毛细现象而产生的空气和水的运动，并且AGC控制单元通过估算目标压力(P5)的PI控制计算电池组阳极气道的溢流，然后计算空气和水平衡。 
估算器还可包括燃料处理系统(FPS)控制器40，其具有通过估算目标压力P4的PI控制计算氢气流入量的氢气供应控制单元42、控制供应的氢气和再循环的氢气之间的混合比的氢气入口歧管控制单元44、执行氢气吹扫和冷凝水排放控制的氢气出口歧管控制单元46，以及控制喷射器和再循环鼓风机的氢气再循环回路控制单元48。 
在另一方面中，本发明也提供使用燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。该方法是这样开始的，即基于水平衡方程式计算阳极冷凝水收集器中的冷凝水的残留量，然后如果冷凝水的残留量大于冷凝水的密度(ρ[kg/m3])与冷凝水收集器的总容积(V1[m3])的乘积，并且其持续时间大于参考值t1，那么确定为冷凝水水位传感器的警戒水位。然后，如果V_cell小于V_cell_TH，ΔV_cell大于ΔV_cell_TH，氢气再循环鼓风机RPM小于RPM_cmd_RPM_TH，阳极电池组入口压力大于入口正常压力地图加P_TH，或阳极电池组出口压力大于出口正常压力地图加P_TH，并且其持续时间大于参考值t2，那么系统确定冷凝水水位传感器失效。作为响应，基于阳极水捕获(anode water trap)(AWT)估算值控制冷凝水排放阀。 
在另一方面中，本发明提供使用燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。更具体地，基于水平衡方程式计算在阳极冷凝水收集器中的冷凝水残留量，并且如果冷凝水残留量等于或小于大约0，并且其持续时间大于参考值(t5)，那么确定冷凝水水位传感器在警戒水位。如果计算的氢气利用率小于通过从正常氢气利用率地图减去氢气利用率可接受参考值所获得的值，或氢气泄漏传感器开 启，并且持续时间大于参考值(t6)，那么确定冷凝水水位传感器失效。响应这些确定，基于阳极水捕获(AWT)估算值控制冷凝水排放阀。 
在进一步的方面中，本发明提供使用燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。在该方法中，基于阳极冷凝水收集器中排放阀的操作计算冷凝水的累积量、生成水的累积量和累积冷凝水估算值。如果累积冷凝水比(AWT_ratio1)小于通过从累积冷凝水比(AWT_ratio2)减去累积冷凝水比差可接受参考值(AWT_TH)获得的值，并且其持续时间大于参考值(t1)，那么确定冷凝水水位传感器在警戒水位。然而，如果V_cell小于V_cell_TH，ΔV_cell大于ΔV_cell_TH，氢气再循环鼓风机RPM小于RPM_cmd_RPM_TH，阳极电池组入口压力大于入口正常压力地图加P_TH，或阳极电池组出口压力大于出口正常压力地图加P_TH，并且其持续时间大于参考值(t2)，那么确定冷凝水水位传感器失效。响应这些确定，基于阳极水捕获(AWT)估算值控制冷凝水排放阀。 
在进一步的方面中，本发明提供使用燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。在该方法中，基于阳极冷凝水收集器中排放阀的操作计算冷凝水的累积量、生成水的累积量和累积冷凝水估算值。如果累积冷凝水比(AWT_ratio1)大于通过累积冷凝水比差可接受参考值(AWT_TH)加上累积冷凝水比(AWT_ratio2)获得的值，并且其持续时间大于参考值(t5)，然后确定冷凝水水位传感器在警戒水位。然而，如果计算的氢气利用率小于通过从正常氢气利用率地图减去氢气利用率可接受参考值H2_Util_TH获得的值，或氢气泄漏传感器开启，并且持续时间大于参考值(t6)，那么确定冷凝水水位传感器失效。响应这些确定，基于阳极水捕获(AWT)估算值控制冷凝水排放阀。 
本发明的其它方面和优选实施例在下面讨论。 
附图说明
现在参考图解仅为图解在下面给出，并因此不限制本发明的附图的本发明某些示范实施例详细描述本发明的上面和其它特征，并且其中： 
图1是图解根据本发明示范实施例的燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器的典型的输入和输出信号的框图； 
图2是图解根据本发明示范实施例的燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器的图示； 
图3是图解根据本发明示范实施例的燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器的空气鼓风机控制器的框图； 
图4A和4B是图解根据本发明示范实施例的燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器的加湿器控制器的框图； 
图5A到5G是图解根据本发明示范实施例的燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器的电池组控制器的框图； 
图6A和6B是图解根据本发明示范实施例的燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器的燃料处理系统控制器的框图； 
图7A和7B是图解使用根据本发明第一和第二示范实施例的燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法的流程图；以及 
图8A和8B是图解使用根据本发明第三和第四示范实施例的燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法的流程图。 
在图中阐述的参考号包括以下元件的参考，如下面进一步讨论： 
10：相对湿度和冷凝水估算器 
20：内部估算器空气鼓风机控制器 
30：内部估算器加湿器控制器 
40：内部估算器燃料处理系统(FPS)控制器 
50：内部估算器电池组控制器 
应当理解附图不必需按尺寸绘制，呈现图解本发明基础原理的各种优选特征稍简化的表现。包括例如特定尺度、取向、位置和形状的在此公开的本发明特定设计特征部分地由特定的期望应用和使用环境确定。 
在图中，参考号遍及附图中若干图指代本发明的相同或等效零件。 
具体实施方式
下面将详细参考本发明各种实施例，其中的例子在附图中图解。 尽管将连同示范实施例描述本发明，但应当理解，不意在将本发明限制于这些示范性实施例。相反，本发明旨在不仅覆盖示范性实施例，也覆盖可包括在由权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替换、修改、等效物和其它实施例。 
应该理解，术语“车辆”或“车辆的”或这里使用的其他类似术语通常包括电动车辆(诸如包括多功能运动车辆(SUV)、公共汽车、卡车、多种商业车辆的载客汽车)、包括多种船只和小船的水运工具、航天器等，且包括混合动力车辆、电动车辆、插电混合电动车辆、氢能源车辆和其他可替换燃料车(例如除了石油的能源获得的燃料)。如这里所述，混合动力车辆是具有两种或多种能源的车辆，例如汽油能源和电能源车辆。 
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示范实施例。 
本发明涉及动态估算燃料电池系统的相对湿度和冷凝水的估算器，以及使用该估算器控制存在于阳极中的冷凝水排放的方法。 
估算燃料电池系统的相对湿度和冷凝水的估算器是一种为全面控制燃料电池系统基于空气/氢气/冷却水的温度/流速/压力传感器信号，动态估算燃料电池系统中相对湿度和冷凝水的控制器。估算器的输出信号可包括空气侧/氢气侧相对湿度、空气侧/氢气侧/加湿器瞬时和累积冷凝水比、隔膜含水量、催化剂层氧气/氢气分压、电池组电压、空气侧/氢气侧催化剂层相对湿度、氧气/氢气增压比、电池组中的残留水，以及加湿器中的残留水。 
如在图1中示出，根据本发明实施例的相对湿度和冷凝水估算器可接收输入信号，包括环境温度、大气压、大气相对湿度(RH)、电池组电流、向电池组阴极供应的空气的流速、在加湿器入口/出口和电池组入口/出口的空气温度、在加湿器入口/出口和电池组入口/出口的空气压力、在电池组入口/出口的冷却水温度、向电池组阳极供应的氢气的流速、在供氢线和电池组入口/出口的氢气温度、在电池组入口/出口的氢气压力，以及包括氢气鼓风机速度和氢气放气(purge)/排放阀开/关状态的致动器信号。 
相对湿度和冷凝水估算器可输出信号，包括在电池组入口/出口和加湿器入口/出口的阴极相对湿度(RH)、在电池组入口/出口的阳极相对湿度(RH)、阴极/阳极/加湿器的瞬时和累积冷凝水比(基于CWT、 AWT和SWT)、隔膜含水量、阴极和阳极催化剂层的氧气/氢气分压、电池组电压、阴极/阳极催化剂层的相对湿度、氧气/氢气增压比、(每层的)电池组的残留水，以及(每管道/外壳的)加湿器的残留水。 
相对湿度和冷凝水估算器可输出包括以下信号中的至少两个信号，(1)空气侧相对湿度；(2)氢气侧相对湿度；(3)空气侧瞬时或累积冷凝水；(4)氢气侧瞬时或累积冷凝水；(5)加湿器的瞬时和累积冷凝水；(6)隔膜含水量；(7)催化剂层氧气分压；(8)催化剂层氢气分压；(9)电池组或电池电压；(10)空气侧催化剂层相对湿度；(11)氢气侧催化剂层相对湿度；(12)氧气增压比；(13)氢气增压比；(14)电池组中残留水；以及(15)加湿器中残留水，以便使用流体动力学和氧气、氮气、氢气和水的质量平衡方程式动态估算燃料电池系统中相对湿度和冷凝水。 
为了参考，在每个图中表示为椭圆形的部分代表相对湿度和冷凝水估算器的输出信号。 
如在图2中示出，如上面所述，接收和输出信号的估算器10包括内部估算器空气鼓风机控制器20、包括管道控制单元32和外壳控制单元34的内部估算器加湿器控制器30、内部估算器燃料处理系统(FPS)控制器40和内部估算器电池组控制器50。 
如在图3中示出，计算流入量和相对湿度的空气鼓风机控制器20可在假设通过空气鼓风机供应的蒸汽流守恒的基础上，计算在加湿器入口的阴极相对湿度。即，空气鼓风机控制器20可(通过使用传感器信号或实验地图)接收环境温度、大气压、大气相对湿度，从而计算在加湿器入口的阴极相对湿度，并向加湿器控制器30发送计算的相对湿度作为信号。 
加湿器包括接收从电池组阴极排出的湿空气的外壳，以及是允许干空气从空气鼓风机流动到电池组阴极的通路并也从外壳接收湿空气从而使空气湿润的管道(例如，空心纤维聚合物隔膜)。全面控制在加湿器中流动的流体的加湿器控制器30图解包括通过估算目标压力P1的比例积分(PI)控制计算加湿器的管道流出量，然后计算空气和水平衡的管道控制单元32，以及通过估算目标压力P2的PI控制计算加湿器的外壳流出量，然后计算空气和水平衡的外壳控制单元34。 
如在图4A中示出，加湿器控制器30的管道(tube)控制单元32包括干空气平衡计算单元32-1、水平衡计算单元32-2和流出量计算单元32-3。干空气平衡计算单元32-1图解包括积分器，其接收在加湿器入口的干空气流入量、在电池组阴极入口的空气温度和绕过加湿器管道而没有湿润的干空气流出量，而且计算在加湿器管道的干空气分压。水平衡计算单元32-2包括积分器，其接收在加湿器入口的蒸汽流入量、在电池组入口的源自加湿器外壳(shell)的蒸汽流出量、在电池组入口的气温，而且计算在加湿器管道的蒸汽分压、在电池组入口的阴极相对湿度和加湿器管道的残留水。流出量计算单元32-3可基于在电池组入口的气压和目标压力P1计算在电池组入口的干空气流出量和在电池组入口的蒸汽流出量。 
在此情况下，可通过在加湿器管道和外壳的水活性之间的差使用扩散方程式计算源自加湿器外壳的蒸汽流出量。流出量，即在电池组入口的干空气流出量和在电池组入口的蒸汽流出量可通过应用估算气压(在电池组入口)为目标压力P1的PI控制计算。目标压力P1可利用气压(电池组入口)传感器数据或基于空气流的地图数据。 
如在图4B中示出，加湿器控制器30的外壳控制单元34包括干空气平衡计算单元34-1、水平衡计算单元34-2和流出量计算单元34-3。干空气平衡计算单元34-1图解包括积分器，其接收在电池组出口的干空气流入量、在加湿器出口的干空气流出量和在加湿器出口的气温，而且计算在加湿器外壳的干空气分压。水平衡计算单元34-2图解包括积分器，其接收在电池组出口的蒸汽流入量、在加湿器出口的蒸汽流出量、输送到加湿器管道的蒸汽输送流、在电池组出口的液流入量、在加湿器出口的液流出量，以及在加湿器出口的气温，而且计算在加湿器外壳的蒸汽分压、在加湿器出口的阴极相对湿度和加湿器外壳的残留水。流出量计算单元34-3可基于在加湿器出口的气压和目标压力P2计算在加湿器出口的干空气流出量和在加湿器出口的蒸汽流出量。 
在此情况下，输送到加湿器管道的蒸汽输送流可相同于从加湿器外壳输送的蒸汽输送流。流出量，即在加湿器出口的干空气流出量和在加湿器出口的蒸汽流出量可通过应用为目标压力P2的估算空气压力(在加湿器出口)的PI控制计算。同样，目标压力P2可利用空气压 力(在加湿器出口)传感器数据或基于空气流的地图数据，并且空气温度(在加湿器出口)可利用基于能量平衡方程式，使用在加湿器入口和电池组入口/出口的传感器数据或空气温度传感器值计算的值。 
另一方面，在电池组出口的液体流入量可表示在阴极水捕获(CWT)中捕获的水流，并且在加湿器出口的液体流出量可表示在加湿器外壳水捕获(SWT)中捕获的水流。如果在加湿器出口的阴极相对湿度小于大约100％，那么外壳水捕获值(SWT)＝阴极水捕获值(CWT)×α，其中α范围从大约0到大约1。 
可替换地，如果在加湿器出口的阴极相对湿度等于或大于大约100％，那么外壳水捕获(SWT)＝阴极水捕获(CWT)×α+水捕获外壳净水流×β，其中α范围从大约0到大约1，并且β范围从大约0到大约1。 
这里，电池组控制器50，如在图2中示出，包括阴极气道(CGC)控制单元51、阴极气体扩散层(CGDL)控制单元52、阴极催化剂层(CCL)控制单元53、隔膜层(MEM)控制单元54、阳极催化剂层(ACL)控制单元55、阳极气体扩散层(AGDL)控制单元56和阳极气道(AGC)控制单元57。CGC控制单元51通过估算目标压力P3的PI控制计算电池组阴极气道的流出量，然后计算空气和水平衡。CGDL控制单元52通过计算空气和水的浓度计算由于气体扩散层的扩散和毛细现象的空气和水移动。CCL控制单元53计算通过电化学反应生成的水并计算电压(参数：电流、温度、氧气分压和氢气分压)和残留水。MEM控制单元54通过渗透拖动、反扩散和热管计算隔膜的水浓度，并计算移动到阴极和阳极催化剂层的水的量。ACL控制单元55计算阳极催化剂层的残留水，AGDL控制单元56通过计算氢气和水的浓度计算由于气体扩散层扩散和毛细现象的空气和水移动。最终，AGC控制单元57通过估算目标压力P5的PI控制计算电池组阳极气道的流出量，并计算空气和水平衡。 
如在图5A中示出，电池组控制器50的阴极气道(CGC)控制单元51包括干空气平衡计算单元51-1，其包括积分器，该积分器接收在电池组入口的干空气流入量、在电池组出口的干空气流出量、关于阴极气体扩散层(CGDL)的氧气流出量和在电池组出口的空气温度，从 而计算氧气增压比、阴极气道的氧气浓度和阴极气道的干空气分压。电池组CGC控制单元51也包括水平衡计算单元51-2和流出量计算单元51-3。更具体地，水平衡计算单元51-2包括积分器，其接收在电池组入口的蒸汽流入量、在电池组出口的蒸汽流出量、源自阴极气体扩散层(CGDL)的蒸汽流、在电池组出口的液流出量、源自阴极气体扩散层的液流和在电池组出口的空气温度，从而计算阴极气道的蒸汽分压、在电池组出口的阴极相对湿度、阴极气道的残留水、阴极气道的蒸汽浓度和液体S(CGC Liquid S＝(s-s_im)/(1-s_im))。流出量计算单元51-3基于阴极气道(CGC)的目标压力P3和空气压力，计算在电池组出口的干空气流出量和在电池组出口的蒸汽流出量。在此情况下，流出量，即在电池组出口的干空气流出量和在电池组出口的蒸汽流出量可通过应用估算空气压力(在电池组出口)为目标压力P3的PI控制计算。同样，目标压力P3可利用空气压力(在电池组出口)传感器数据和基于空气流的地图数据，并且空气温度(在电池组出口)可利用传感器数据或基于电池组冷却水入口/出口温度的地图数据(map data)。 
电池组出口的液体流出量是在阴极水捕获(cathode water trap)(CWT)中捕获的流量。如果电池组出口的阴极相对湿度小于大约100％，那么阴极水捕获值(CWT)＝源自阴极气体扩散层的液体流量×α，其中α范围从大约0到大约1。 
如果电池组出口的阴极相对湿度大于大约100％，那么阴极水捕获(CWT)＝源自阴极气体扩散层的液体流量×α+阴极气道(CGC)外壳净水流量×β，其中α范围从大约0到大约1，并且β范围从大约0到大约1。 
如果s＞s_im，那么阴极气道液体S(CGC Liquid S)＝(s-s_im)/(1-s_im)。如果s≤s_im，那么S(CGC Liquid S)＝0。这里，S＝阴极气道的残留液体容积除以阴极气道容积，并且s_im表示是其中在毛细现象中生成液流的参考条件的固定饱和度。 
如在图5B中示出，电池组控制器50的阴极气体扩散层(CGDL)控制单元52包括氧气平衡控制单元52-1、蒸汽平衡控制单元52-2、液体平衡控制单元52-3、冷凝计算单元52-4、液体流量计算单元52-5、 氧气扩散计算单元52-6和蒸汽扩散计算单元52-7。氧气平衡控制单元52-1包括积分器，其基于源自阴极气道的氧气流入量和到阴极催化剂层(CCL)的氧气流出量计算阴极气体扩散层(CGDL)的氧气浓度。蒸汽平衡控制单元52-2包括积分器，其基于源自阴极催化剂层(CCL)的蒸汽流入量和到阴极气道(CGC)的蒸汽流出量计算阴极气体扩散层(CGDL)的蒸汽残留量。另外，液体平衡控制单元52-3包括积分器，其基于阴极气体扩散层的冷凝率和到阴极气道的液流计算阴极气体扩散层(CGDL)的液体残留量。此外，冷凝计算单元52-4基于阴极气体扩散层(CGDL)的温度和蒸汽浓度计算阴极气体扩散层(CGDL)的冷凝率，并且液体流量计算单元52-5基于阴极气体扩散层的液体S(CGDL Liquid S＝(s-s_im)/(1-s_im))和温度，以及阴极气道液体S(CGC Liquid S)计算阴极气道的液体流量，氧气扩散计算单元52-6基于阴极气体扩散层的氧气浓度、阴极气道的氧气浓度和阴极气体扩散层的氧气扩散系数计算源自阴极气道的氧气流入量。最终，蒸汽扩散计算单元52-7基于阴极气体扩散层的蒸汽浓度、阴极气道的蒸汽浓度和阴极气体扩散层的蒸汽扩散系数计算到阴极气道的蒸汽流出量。 
在此情况下，阴极气体扩散层(CGDL)的温度可利用基于电池组冷却水入口/出口温度的地图数据。 
如果s＞s_im，那么阴极气体扩散层液体S(CGDL Liquid S)＝(s-s_im)/(1-s_im)。如果s≤s_im，那么S(CGDL Liquid S)＝0。这里，s等于阴极气体扩散层(CGDL)的残留液体容积除以阴极气体扩散层(CGDL)的孔隙容积，并且s_im表示是其中在毛细现象中生成液流的参考条件的固定饱和度。在毛细现象下，如果s＞s_im，那么可通过邻近层的液体S的差生成液流。 
另一方面，阴极气体扩散层(CGDL)的冷凝率可与根据阴极气体扩散层温度的饱和压力和根据阴极气体扩散层蒸汽(CGDL蒸汽)浓度的蒸汽压力之间的差成比例生成。同样，在阴极气体扩散层(CGDL)的液体增加(即，CGDL液体s增加)时，可减小氧气和蒸汽的扩散系数。 
如在图5C中示出，电池组控制器50的阴极催化剂层(CCL)控 制单元53包括氧气分压计算单元53-1、相对湿度计算单元53-2、残留蒸汽计算单元53-3、蒸汽流计算单元53-4和电压计算单元53-5。氧气分压计算单元53-1基于阴极气体扩散层(CGDL)的氧气浓度和阴极催化剂层(CCL)的温度计算阴极催化剂层(CCL)的氧气分压。相对湿度计算单元53-2基于阴极催化剂层(CCL)的温度计算阴极催化剂层(CCL)的相对湿度。残留蒸汽计算单元53-3基于阴极气体扩散层(CGDL)的蒸汽浓度计算阴极催化剂层(CCL)的蒸汽残留量。蒸汽流计算单元53-4通过电池组电化学反应和到隔膜的蒸汽流，基于生成的水流计算到阴极气体扩散层的蒸汽流。最后，电压计算单元53-5通过电池组的电化学反应基于电池组电流、阴极催化剂层温度、隔膜电阻、阴极催化剂层的氧气分压和阳极催化剂层氢气分压计算电压。 
如在图5D中示出，电池组控制器50的隔膜层(MEM)控制单元54包括基于隔膜的工作电流和含水量，输出阴极催化剂层和阳极催化剂层的电渗拖动的电渗拖动检测单元54-1、反扩散检测单元54-2、热管检测单元54-3和水平衡检测单元54-4。反扩散检测单元54-2基于阴极催化剂层的相对湿度、阳极催化剂层的相对湿度和隔膜的温度与含水量，检测阴极催化剂层和阳极催化剂层的反扩散。热管检测单元54-3基于隔膜的温度、在阴极催化剂层和阴极气体扩散层之间的温差与在阴极催化剂层和阳极气体扩散层之间的温差，检测热管机制的水移动状态。最后，水平衡检测单元54-4包括积分器，其接收电渗拖动检测单元54-1的电渗拖动输出信号和反扩散检测单元54-2的反扩散输出信号、热管检测单元54-3的输出信号以及隔膜的温度，从而计算隔膜的残留水量、电阻和含水量。 
在隔膜层(MEM)控制单元54中，隔膜层(MEM)的温度可利用基于电池组冷却水入口/出口温度的地图数据。在阴极催化剂层(CCL)和阴极气体扩散层(CGDL)之间的温差、在阴极催化剂层(CCL)和阳极气体扩散层(AGDL)之间的温差可利用工作电流和基于电池组冷却水入口/出口温度的地图数据，并且可通过使阴极催化剂层与阳极催化剂层的电渗拖动、反扩散率和热管输出值分别相加，计算源自阴极催化剂层的蒸汽流和到阳极催化剂层的蒸汽流。 
另一方面，电渗拖动水移动机制指代根据工作电流的其中氢离子 (H+)穿过隔膜的水移动，并且反扩散水移动机制指代根据隔膜两个末端的阴极催化剂层和阳极催化剂层水活度的水移动。热管水移动机制指代由于在隔膜的饱和状态中的层之间温度梯度的水移动(从热层到冷层)。 
同样，是确定隔膜干透和溢流的代表因数的隔膜含水量是在大约0和大约16.8之间的无量纲因数。在隔膜含水量减少时，隔膜变得干透。 
如在图5E中示出，计算阳极催化剂层的残留水的电池组控制器50的阳极催化剂层(ACL)控制单元55图解包括氢气分压计算单元55-1、相对湿度计算单元55-2、残留蒸汽计算单元55-3和蒸汽流计算单元55-4。氢气分压计算单元55-1基于阳极气体扩散层(AGDL)的氢气浓度和阳极催化剂层(ACL)的温度计算阳极催化剂层(ACL)的氢气分压。相对湿度计算单元55-2基于阳极气体扩散层(AGDL)的蒸汽浓度和阳极催化剂层(ACL)的温度计算阳极催化剂层(ACL)的相对湿度。残留蒸汽计算单元55-3基于阳极气体扩散层(AGDL)的蒸汽浓度计算阳极催化剂层(ACL)的蒸汽残留量，并且蒸汽流计算单元55-4基于源自隔膜的蒸汽流计算进入阳极气体扩散层的蒸汽流量。 
在此情况下，阳极催化剂层的温度可利用基于电池组冷却水入口/出口温度的地图数据。 
如在图5F中示出，电池组控制器50的阳极气体扩散层(AGDL)控制单元56图解包括氢气平衡控制单元56-1、蒸汽平衡控制单元56-2、液体平衡控制单元56-3、冷凝计算单元56-4和液流计算单元56-5。氢气平衡控制单元56-1包括积分器，其基于源自阳极气道(AGC)的氢气流入量和到阳极催化剂层(ACL)的氢气流出量计算阳极气体扩散层(AGDL)的氢气浓度。蒸汽平衡控制单元56-2包括积分器，其基于源自阳极催化剂层(ACL)的蒸汽流入量和到阳极气道(AGC)的蒸汽流出量计算阳极气体扩散层(AGDL)的残留水和蒸汽浓度。液体平衡控制单元56-3包括积分器，从而基于阳极气体扩散层(AGDL)的冷凝率和到阳极气道(AGC)的液体流量计算阳极气体扩散层(AGDL)的液体残留量。冷凝计算单元56-4基于阳极气体扩散层(AGDL)的温度和蒸汽浓度计算阳极气体扩散层(AGDL)的冷凝率。 液体流量计算单元56-5基于阳极气体扩散层的液体S(AGDL Liquid S＝(s-s_im)/(1-s_im))和温度，以及阳极气道液体S(AGC Liquid S)计算阳极气道的液体流量。氢气扩散计算单元56-6基于阳极气体扩散层的氢气浓度、阳极气道的氢气浓度和阳极气体扩散层的氢气扩散系数计算源自阳极气道的氢气流入量。蒸汽扩散计算单元56-7基于阳极气体扩散层的蒸汽浓度、阳极气道的蒸汽浓度和阳极气体扩散层的蒸汽扩散系数计算到阳极气道的蒸汽流出量。 
在此情况下，阳极气体扩散层(AGDL)的温度可利用基于电池组冷却水入口/出口温度的地图数据。 
如果s＞s_im，那么阳极气体扩散层液体S(AGDL Liquid S)＝(s-s_im)/(1-s_im)。如果s≤s_im，那么S(AGDL Liquid S)＝0。这里，s(AGDL Liquid S)＝阳极气体扩散层(AGDL)的残留液体容积除以阳极气体扩散层(AGDL)的孔隙容积，并且s_im表示是其中在毛细现象中生成液流的参考条件的固定饱和度。在毛细现象下，如果s＞s_im，那么可通过邻近层的液体S的差生成液流。 
另一方面，阳极气体扩散层(AGDL)的冷凝率可与根据阳极气体扩散层温度的饱和压力和根据阳极气体扩散层蒸汽(AGDL蒸汽)浓度的蒸汽压力之间的差成比例生成。同样，在阳极气体扩散层(AGDL)的液体增加(即，AGDL液体s增加)时，可减小氢气和蒸汽的扩散系数。 
如在图5G中示出，电池组控制器50的阳极气道(AGD)控制单元57图解包括氢气平衡计算单元57-1、水平衡计算单元57-2和流出量计算单元57-3。氢气平衡计算单元57-1包括积分器，其接收在电池组入口的氢气流入量、在电池组出口的氢气流出量、到阳极气体扩散层的氢气流出量、在电池组出口的阳极气道(AGC)温度和在电池组出口的氢气流出量，从而计算氢气增压比、阳极气道的氢气浓度和阳极气道的氢气分压。水平衡计算单元57-2包括积分器，其接收在电池组入口的蒸汽流入量、在电池组出口的蒸汽流出量、源自阳极气体扩散层(AGDL)的蒸汽流、在电池组出口的液体流出量、源自阳极气体扩散层的液体流入量和在电池组出口的阳极气道(AGC)温度，从而计算阳极气道的蒸汽分压、在电池组出口的阳极相对湿度、阳极气道 的残留水，以及阳极气道的蒸汽浓度和液体S(AGC液体S＝(s-s_im)/(1-s_im))。最终，流出量计算单元57-3基于在电池组出口的目标压力P5和阳极气道(AGC)压力，计算在电池组出口的氢气流出量和蒸汽流出量。 
在此情况下，流出量，即在电池组出口的氢气流出量和蒸汽流出量可通过应用估算阳极气道压力(在电池组出口)为目标压力P5的PI控制计算。目标压力P5可利用阳极气道压力(在电池组出口)传感器数据或基于阳极气道流的地图数据。阳极气道温度(在电池组出口)可利用传感器数据或基于电池组冷却水入口/出口温度的地图数据。 
在电池组出口的液体流出量是在阳极水捕获(anode water trap)(AWT)中捕获的流量。如果在电池组出口的阳极相对湿度小于大约100％，那么阳极水捕获(AWT)＝源自阳极气体扩散层的液体流量×α，其中α范围从大约0到大约1。 
另一方面，如果在电池组出口的阳极相对湿度大于大约100％，那么阳极水捕获(AWT)＝源自阳极气体扩散层的液体流量×α+阳极气道(AGC)净水流×β，其中α范围从大约0到大约1，并且β范围从大约0到大约1。 
如果s＞s_im，那么阳极气道液体S(AGC Liquid S)＝(s-s_im)/(1-s_im)。如果s≤s_im，那么AGC Liquid S＝0。这里，S＝阳极气道的残留液体容积除以阳极气道容积，并且s_im表示是其中在毛细现象中生成液流的参考条件的固定饱和度。 
如在图6A和6B中示出，燃料处理系统(FPS)控制器40图解包括通过估算目标压力P4的PI控制计算氢气流入量的氢气供应控制单元42、控制供应氢气和再循环氢气之间混合比的氢气入口歧管控制单元44、执行氢气吹扫和冷凝水排放控制的氢气出口歧管控制单元46，以及控制喷射器和再循环鼓风机的氢气再循环回路控制单元48。 
更具体地，燃料处理系统控制器40图解包括氢气供应控制单元42，其接收目标压力P4、在电池组出口的阳极气道压力、氢气供应温度和供应氢气的相对湿度，从而向氢气入口歧管控制单元44输出氢气流入量、氢气供应压力、氢气供应温度和供应的氢气的相对湿度。氢气入口歧管控制单元44从氢气供应控制单元42接收氢气流入量、氢气供 应压力、氢气供应温度和供应氢气的相对湿度，并同时从氢气再循环回路控制单元48接收氢气再循环流、蒸汽再循环流、氢气第二再循环回路温度、氢气第二再循环回路压力和氢气第二再循环回路相对湿度，从而向阳极气道(AGC)控制单元57输出在电池组入口的氢气流、在电池组入口的蒸汽流、阳极气道温度和在电池组入口的压力，以及在电池组入口的阳极相对湿度。氢气出口歧管控制单元46从阳极气道(AGC)控制单元57接收在电池组出口的氢气流、在电池组出口的蒸汽流、在电池组出口的液体流量、在电池组出口的阳极气道温度和压力，以及在电池组出口的阳极相对湿度，从而向氢气再循环回路控制单元输出氢气再循环流、蒸汽再循环流、氢气第一再循环回路温度、氢气第一再循环回路压力、氢气第一再循环回路相对湿度，并且氢气再循环回路控制单元48从氢气出口歧管控制单元46接收氢气再循环流、蒸汽再循环流、氢气第一再循环回路温度、氢气第一再循环回路压力、氢气第一再循环回路相对湿度，从而输出氢气再循环流、蒸汽再循环流、氢气第二再循环回路温度、氢气第二再循环回路压力、氢气第二再循环回路相对湿度。 
在氢气再循环回路中，可根据氢气再循环鼓风机的每分钟转数(RPM)基于加热图计算第二再循环回路温度/压力/相对湿度。可通过氢气放气阀打开时的压力差从喷嘴计算公式计算氢气和蒸汽放气流。可基于按单位时间的冷凝水排出测试图计算冷凝水排放流。可从考虑输入到冷凝水排放流的阳极水捕获(AWT)的液体平衡方程式计算在冷凝排放口中剩余的残留水的量。 
同样，可通过应用估算在电池组入口的阳极气道压力(利用基于电池组出口气道压力的地图)的PI控制计算氢气流入量。目标压力P4可利用阳极气道压力(在电池组入口)传感器数据或基于阳极气道流的地图数据。氢气供应温度可利用传感器数据或基于环境温度、氢储箱温度和电池组冷却水入口/出口温度的地图数据。 
在此情况下，考虑纯氢气条件，供应的氢气的相对湿度可设定为大约0％。可从供应的氢气加蒸汽热和再循环氢气加蒸汽热的能量平衡方程式计算阳极气道温度(在电池组入口)。可基于定义为蒸汽流对氢气流的比的湿度比计算阳极相对湿度(在电池组入口)。 
在下文中，详细描述使用基于上面描述配置的燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法。 
如在图中使用椭圆形表示，控制冷凝水排放的方法可使用在相对湿度和冷凝水估算器的输出信号中的空气侧/氢气侧相对湿度、空气侧/氢气侧/加湿器瞬时和累积冷凝水比、隔膜含水量、催化剂层氧气/氢气分压、电池组电压、空气侧/氢气侧催化剂层相对湿度、氧气/氢气增压比、电池组中残留水，以及加湿器中残留水实现。 
使用根据本发明第一和第二实施例的相对湿度和冷凝水估算器控制阳极冷凝水排放的方法可通过计算阳极冷凝水收集器中冷凝水残留量，使用在估算器中计算的阳极冷凝水的量和排放阀(drain valve)的开/关信号，然后确定如在图6B中示出的冷凝水收集器43中水位传感器45是否正常，基于水位传感器45异常时的冷凝水估算值，执行排放阀开/关的控制。 
更具体地，该方法包括通过基于在上面估算器中计算的阳极冷凝水(输入流，AWT)和使用排放阀开/关信号计算的流出量(阳极冷凝水排放阀开启×每秒的冷凝水流出量)，通过计算阳极冷凝水收集器中冷凝水残留量来确定冷凝水收集器中水位传感器是否正常，并且如果异常，那么基于残留冷凝水估算执行排放阀开/关控制。 
在此情况下，冷凝水残留量(计算值＝估算值)大于对应的阳极冷凝水收集器总容积V1的量，具有由于水位传感器失效而产生的排放阀过度关闭的可能性。因此，如果由于电池组中严重溢流而发生电池电压下降、氢气再循环鼓风机的异常操作和阳极侧电池组入口/出口压力的异常，那么确定水位传感器失效。然后，可基于阳极水捕获(AWT)估算控制冷凝水排放阀开/关，从而维持残留冷凝水接近水位传感器。 
同样，在冷凝水残留量(计算值＝估算值)等于或小于大约0时，具有由于水位传感器失效而使排放阀过度打开的可能性。因此，如果由于氢气而不是冷凝水泄漏而使氢气利用率降低并且氢气泄漏传感器报警，那么可确定水位传感器失效。然后，可基于阳极水捕获(AWT)估算控制冷凝水排放阀开/关控制，从而维持残留冷凝水接近水位传感器。 
下面进一步详细描述使用根据本发明第一和第二实施例的相对湿 度和冷凝水估算器控制阳极冷凝水排放的方法。 
第一实施例 
如在图7A的流程图中示出，在第一步骤(S101)中，可使用方程式(1)计算在阳极冷凝水收集器中基于水平衡的冷凝水残留量。 
Figure BSA00000521466100181
在下一步的步骤(S102)中，冷凝水的残留量可与冷凝水的密度(ρ[kg/m3])和冷凝水收集器总容积(V1[m3])的乘积比较，并且持续时间(Δt)可与参考值(t1)比较。 
在下一步的步骤(S103)中，如果冷凝水的残留量大于冷凝水的密度(ρ[kg/m3])和冷凝水收集器总容积(V1[m3])的乘积，并且持续时间(Δt)大于参考值(t1)，那么确定为冷凝水水位传感器的警戒水位。 
在由于水位传感器失效而使排放阀过度关闭时，由于电池组中严重溢流，因此可发生电池电压下降、氢气再循环鼓风机的异常操作和阳极电池组入口/出口压力异常。 
因此，如果在接下来的步骤(S104)中，V_cell小于V_cell_TH，ΔV_cell大于ΔV_cell_TH，氢气再循环鼓风机RPM小于RPM_cmd_RPM_TH，阳极电池组入口压力大于入口正常压力地图加P_TH，或阳极电池组出口压力大于出口正常压力地图加P_TH，并且持续时间大于参考值t2，那么在接下来的步骤(S105)中可确定为冷凝水水位传感器失效。这里，V_TH、V_cell、V_cell_TH、ΔV_cell、ΔV_cell_TH、RPM_cmd、RPM_TH和P_TH分别表示冷凝水差可接受参考值(m3)、电池组电池电压、电池组电池电压最下限参考值、电池组电池电压偏差、电池组电池电压偏差最上限参考值、氢气再循环鼓风机RPM命令值、氢气再循环鼓风机RPM差可接受参考值和压差可接受参考值。 
在接下来的步骤(S106)中，可基于阳极水捕获(AWT)估算值启动冷凝水排放阀控制(初始值：关闭)。 
排放阀控制时，如果在接下来的步骤(S107)中冷凝水残留量大于冷凝水密度(ρ[kg/m3])和冷凝水收集器从其底部到水传感器位置的容积(V2[m3])的乘积，并且持续时间(Δt)大于参考值(t3)，那么 在接下来的步骤(S108)中可执行打开冷凝水排放阀的控制。 
另一方面，如果在接下来的步骤(S109)中冷凝水残留量小于冷凝水密度(ρ[kg/m3])和通过从冷凝水收集器从其底部到水传感器位置的容积(V2[m3])减去冷凝水差可接受参考值(V_TH)获得的值的乘积，或排放阀打开持续时间大于参考值(t4)，那么在接下来的步骤(S110)中可执行关闭冷凝水排放阀的控制。 
第二实施例 
如在图7B的流程图中示出，在第一步骤(S201)中，可使用方程式(1)计算在阳极冷凝水收集器中基于水平衡的冷凝水残留量。 
接下来，如果在下一步的步骤(S202)中冷凝水残留量等于或小于大约0，并且持续时间大于参考值(t5)，那么在接下来的步骤(S203)中可确定为冷凝水水位传感器的警戒水位。 
即，在由于水位传感器失效而使排放阀过度打开时，确定可降低车辆燃料效率(氢气利用率降低)，并且由于是氢气而不是冷凝水泄漏而使氢气泄漏传感器可能报警。 
因此，在接下来的步骤(S204)中如果计算的氢气利用率小于通过从正常氢气利用率地图减去氢气利用率可接受参考值(H2_Util_TH)获得的值，或氢气泄漏传感器开启，并且持续时间大于参考值(t6)，那么在接下来的步骤(S205)中可确定冷凝水水位传感器失效。 
正常氢气利用率地图可利用基于电池组电流的氢气利用率测试地图，并且计算的氢气利用率可通过方程式(2)计算。 
Figure BSA00000521466100191
因此，在接下来的步骤(S206)中可基于阳极水捕获(AWT)估算值启动冷凝水排放阀控制(初始值：关闭)。 
在排放阀控制时，如在第一实施例中描述，在接下来的步骤(S207)中如果冷凝水残留量大于冷凝水密度(ρ[kg/m3])和冷凝水收集器从其底部到水传感器位置的容积(V2[m3])的乘积，并且持续时间(Δt)大于参考值(t3)，那么在接下来的步骤(S208)中可执行打开冷凝水排放阀的控制。 
另一方面，在接下来的步骤(S209)中如果冷凝水残留量小于冷凝水密度(ρ[kg/m3])和通过从冷凝水收集器从其底部到水传感器位置的容积(V2[m3])减去冷凝水差可接受参考值(V_TH)获得的值的乘积，或排放阀打开持续时间大于参考值(t4)，那么在接下来的步骤(S210)中可执行关闭冷凝水排放阀的控制。 
使用根据本发明第三和第四实施例的相对湿度和冷凝水估算器控制阳极冷凝水排放的方法可基于在阳极冷凝水收集器中生成水累积量，例如冷凝水累积量对生成水累积量的比差执行排放阀开/关控制，不同于第一和第二实施例。 
根据本发明第三和第四实施例控制阳极冷凝水排放的方法图解包括基于比差确定冷凝水收集器中水位传感器是否正常，该比差通过计算基于生成水累积量的基于排放阀操作的累积冷凝水比(AWT_ratio1)和基于估算器的累积冷凝水比(AWT_ratio2)获得，并如果异常，那么执行基于残留冷凝水估算值的排放阀开/关控制。 
在此情况下，在基于排放阀操作的累积冷凝水比(AWT_ratio1)小于基于估算器的累积冷凝水比(AWT_ratio2)可接受参考值时，由于水位传感器失效而使排放阀可过度关闭。因此，如果由于电池组中严重溢流而发生电池电压下降、氢气再循环鼓风机的异常操作和阳极侧电池组入口/出口压力的异常，那么确定水位传感器失效。然后，可基于阳极水捕获(AWT)估算值执行冷凝水排放阀开/关控制，从而维持残留冷凝水接近水位传感器。 
同样，在基于排放阀操作的累积冷凝水比(AWT_ratio1)大于基于估算器的累积冷凝水比(AWT_ratio2)可接受参考值时，由于水位传感器失效而使排放阀可过度打开。因此，如果由于氢气而不是冷凝水泄漏而使氢气利用率降低并且氢气泄漏传感器报警，那么可确定水位传感器失效。然后，可基于阳极水捕获(AWT)估算值执行冷凝水排放阀开/关控制，从而维持残留冷凝水接近水位传感器。 
在下文中，进一步详细描述使用根据第三和第四实施例的相对湿度和冷凝水估算器控制阳极冷凝水排放的方法。 
第三实施例 
如在图8A的流程图中示出，在第一步骤(S301)中可基于阳极冷 凝水收集器中排放阀的操作，使用方程式(3)、(4)和(5)计算冷凝水累积量、生成水累积量和累积冷凝水估算值。 
Figure BSA00000521466100211
Figure BSA00000521466100212
Figure BSA00000521466100213
在此情况下，可通过下面的方程式(6)和(7)计算基于排放阀操作的累积冷凝水比(AWT_ratio1)和基于估算器的累积冷凝水比(AWT_ratio2)。 
Figure BSA00000521466100214
Figure BSA00000521466100215
在进一步的步骤(S302)中如果冷凝水比(AWT_ratio1)小于通过从累积冷凝水比(AWT_ratio2)减去累积冷凝水比差可接受参考值(AWT_TH)获得的值，并且持续时间大于参考值t1，那么在接下来的步骤(S303)中可确定为冷凝水水位传感器的警戒水位。 
在由于水位传感器失效而使排放阀过度关闭时，由于电池组中严重溢流，因此可发生电池电压下降、氢气再循环鼓风机的异常操作和阳极电池组入口/出口压力异常。 
因此，在接下来的步骤(S304)中如果V_cell小于V_cell_TH，ΔV_cell大于ΔV_cell_TH，氢气再循环鼓风机RPM小于RPM_cmd_RPM_TH，阳极电池组入口压力大于入口正常压力地图加P_TH，或阳极电池组出口压力大于出口正常压力地图加P_TH，并且持续时间大于参考值(t2)，那么在接下来的步骤(S305)中可确定为冷凝水水位传感器失效。 
这里，V_TH、V_cell、V_cell_TH、ΔV_cell、ΔV_cell_TH、RPM_cmd、RPM_TH和P_TH分别表示冷凝水差可接受参考值(m3)、电池组电池电压、电池组电池电压最下限参考值、电池组电池电压偏差、电池组电池 电压偏差最上限参考值、氢气再循环鼓风机RPM命令值、氢气再循环鼓风机RPM差可接受参考值和压差可接受参考值。 
在接下来的步骤(S306)中可基于阳极水捕获(AWT)估算值启动冷凝水排放阀控制(初始值：关闭)。 
在排放阀控制时，在接下来的步骤(S307)中如果冷凝水残留量大于冷凝水密度(ρ[kg/m3])和冷凝水收集器从其底部到水传感器位置的容积(V2[m3])的乘积，并且持续时间(Δt)大于参考值(t3)，那么在接下来的步骤(S308)中可执行打开冷凝水排放阀的控制。 
另一方面，在接下来的步骤(S309)中如果冷凝水残留量小于冷凝水密度(ρ[kg/m3])和通过从冷凝水收集器从其底部到水传感器位置的容积(V2[m3])减去冷凝水差可接受参考值(V_TH)获得的值的乘积，或排放阀打开持续时间大于参考值t4，那么在接下来的步骤(S310)中可执行关闭冷凝水排放阀的控制。 
第四实施例 
如在图8B的流程图中示出，在第一步骤(S401)中可基于阳极冷凝水收集器中排放阀的操作，使用第三实施例的方程式(2)、(3)和(4)计算冷凝水累积量、生成水累积量和累积冷凝水估算值。 
在进一步的步骤(S402)中如果冷凝水比(AWT_ratio1)大于累积冷凝水比差可接受参考值(AWT_TH)加累积冷凝水比(AWT_ratio2)获得的值，并且持续时间大于参考值(t5)，那么在接下来的步骤(S403)中可确定为冷凝水水位传感器的警戒水位。 
即，在由于水位传感器失效而使排放阀过度打开时，由于氢气而不是冷凝水泄漏，因此确定可降低交通工具燃料效率(氢气利用率降低)，并且氢气泄漏传感器可报警。 
因此，在接下来的步骤(S404)中如果计算的氢气利用率小于通过从正常氢气利用率地图减去氢气利用率可接受参考值(H2_Util_TH)获得的值，或氢气泄漏传感器开启，并且持续时间大于参考值t6，那么在接下来的步骤(S405)中可确定冷凝水水位传感器失效。 
如在第二实施例中描述，正常氢气利用率地图可利用基于电池组电流的氢气利用率测试地图，并且计算的氢气利用率可通过方程式(2)计算。 
在接下来的步骤(S406)中可基于阳极水捕获(AWT)估算值启动冷凝水排放阀控制(初始值：关闭)。 
在排放阀控制时，在接下来的步骤(S407)中如果冷凝水残留量大于冷凝水密度(ρ[kg/m3])和冷凝水收集器从其底部到水传感器位置的容积(V2[m3])的乘积，并且持续时间(Δt)大于参考值(t3)，那么在接下来的步骤(S408)中可执行打开冷凝水排放阀的控制。 
另一方面，如果在接下来的步骤(S409)中冷凝水残留量小于冷凝水密度(ρ[kg/m3])和通过从冷凝水收集器从其底部到水传感器位置的容积(V2[m3])减去冷凝水差可接受参考值(V_TH)获得的值的乘积，或排放阀打开持续时间大于参考值t4，那么在接下来的步骤(S410)中可执行关闭冷凝水排放阀的控制。 
有利地，根据本发明实施例的估算器可基于传感器信号而没有分离传感器估算燃料电池系统中相对湿度和冷凝水。此外，估算器可基于通常的阳极冷凝水水位传感器的失效确定，在失效安全性方面改善控制冷凝水排放阀的可靠性。另外，在冷凝水排放阀的水位传感器失效时，可防止电池组中溢流，并且可防止氢气再循环鼓风机单元断路。同样，可通过防止过多氢气泄漏而改善燃料效率和安全性。 
本发明参考其优选实施例详细描述。然而，本领域技术人员认识到在这些实施例中可做出改变而不背离范畴在权利要求和它们的等效中定义的本发明的原理和精神。 

Claims (42)

1.一种用于燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器，包括：
使用流体动力学和氧气、氮气、氢气和水的质量平衡方程式动态估算燃料电池系统中相对湿度和冷凝水的多个控制器，
其中所述相对湿度和冷凝水估算器通过输出包括下列信号中的至少两个信号而被用于所述燃料电池系统的控制，所述燃料电池系统的控制涉及控制阳极冷凝水排放：(1)空气侧相对湿度；(2)氢气侧相对湿度；(3)空气侧瞬时或累积冷凝水；(4)氢气侧瞬时或累积冷凝水；(5)加湿器的瞬时和累积冷凝水；(6)隔膜含水量；(7)催化剂层氧气分压；(8)催化剂层氢气分压；(9)电池组或电池电压；(10)空气侧催化剂层相对湿度；(11)氢气侧催化剂层相对湿度；(12)氧气增压比；(13)氢气增压比；(14)电池组中残留水；以及(15)加湿器中残留水。
2.根据权利要求1所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述控制器被安装在所述估算器中，并且包括：
计算流入量和相对湿度的空气鼓风机控制器；
加湿器控制器，包括：
管道控制单元，被配置成通过估算目标压力(P1)的比例积分(PI)控制计算所述加湿器的管道流出量，然后计算空气和水平衡，以及
外壳控制单元，被配置成通过估算目标压力(P2)的PI控制计算所述加湿器的外壳流出量，然后计算空气和水平衡；
电池组控制器，包括：
阴极气道(CGC)控制单元，被配置成通过估算目标压力(P3)的PI控制计算所述电池组的阴极气道的流出量，并被配置成计算所述空气和水平衡，
阴极气体扩散层(CGDL)控制单元，被配置成通过计算空气和水的浓度，计算由于气体扩散层的扩散和毛细现象产生的空气和水运动，
阴极催化剂层(CCL)控制单元，被配置成计算通过电化学反应的生成水并计算电压和残留水，
隔膜层(MEM)控制单元，被配置成通过电渗拖动、反扩散和热管计算隔膜的水浓度，并计算运动到所述阴极催化剂层和阳极催化剂层的水的量，
阳极催化剂层(ACL)控制单元，被配置成计算所述阳极催化剂层的残留水，
阳极气体扩散层(AGDL)控制单元，被配置成通过计算氢气和水的浓度计算由于所述气体扩散层的扩散和毛细现象而产生的空气和水的运动，以及
阳极气道(AGC)控制单元，被配置成通过估算目标压力(P5)的PI控制计算电池组的阳极气道的流出量，然后计算空气和水平衡；以及
燃料处理系统(FPS)控制器40，包括：
氢气供应控制单元42，被配置成通过估算目标压力P4的PI控制计算氢气流入量，
氢气入口歧管控制单元44，被配置成控制供应的氢气和再循环的氢气之间的混合比，
氢气出口歧管控制单元46，被配置成执行氢气放气和冷凝水排放控制，以及
氢气再循环回路控制单元48，被配置成控制喷射器和再循环鼓风机。
3.根据权利要求1所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述空气鼓风机控制器接收环境温度、大气压和大气相对湿度，以便在假设通过空气鼓风机供应的蒸汽流量守恒的条件下，计算在所述加湿器的所述入口的阴极相对湿度。
4.根据权利要求1所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述加湿器控制器包括：
管道控制单元，所述管道控制单元接收在所述加湿器的所述入口的蒸汽流入量、在所述电池组的所述入口的从加湿器外壳输送的蒸汽流出量和在所述电池组的所述入口的空气温度，并计算在所述电池组的所述入口的阴极相对湿度和加湿器管道的残留水；
外壳控制单元，所述外壳控制单元接收在所述电池组的所述出口的蒸汽流入量、在所述加湿器的所述出口的蒸汽流出量、输送到所述加湿器管道的蒸汽输送流量、在所述电池组的所述出口的液体流入量、在所述加湿器的所述出口的液体流出量和在所述加湿器的所述出口的空气温度，并计算在所述加湿器的所述出口的阴极相对湿度和所述加湿器外壳的残留水。
5.根据权利要求4所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中在所述加湿器控制器的输入因数中，在所述电池组的所述出口的所述液体流入量表示在所述阴极水捕获(CWT)中捕获的流量，并且在所述加湿器的所述出口的所述液体流出量表示在所述加湿器外壳水捕获(SWT)中捕获的流量，其中，如果在所述加湿器的所述出口的所述阴极相对湿度小于100％，那么外壳水捕获(SWT)＝阴极水捕获(CWT)×α，其中α范围从0到1。
6.根据权利要求5所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中，如果在所述加湿器的所述出口的所述阴极相对湿度等于或大于100％，那么外壳水捕获(SWT)＝阴极水捕获(CWT)×α+加湿器外壳净水流量×β，其中α范围从0到1，并且β范围从0到1。
7.根据权利要求2所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述电池组控制器的所述阴极气道控制单元接收在所述电池组的所述入口的蒸汽流入量、在所述电池组的所述出口的蒸汽流出量、源自阴极气体扩散层(CGDL)的蒸汽流量、在所述电池组的所述出口的液体流出量、源自所述阴极气体扩散层的液体流量和在所述电池组的所述出口的空气温度，从而计算在所述电池组的所述出口的阴极相对湿度和所述阴极气道的残留水量。
8.根据权利要求7所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中在所述阴极气道(CGC)控制单元的输入因数中，所述电池组的所述出口的液体流出量是在所述阴极水捕获(CWT)中捕获的流量，并且，如果所述电池组的所述出口的阴极相对湿度小于100％，那么阴极水捕获值(CWT)＝源自阴极气体扩散层的液体流量×α，其中α范围从0到1。
9.根据权利要求8所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中，如果所述电池组的所述出口的阴极相对湿度等于或大于100％，那么阴极水捕获(CWT)＝源自阴极气体扩散层的液体流量×α+阴极气道(CGC)外壳净水流量×β，其中α范围从0到1，并且β范围从0到1。
10.根据权利要求2所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述电池组控制器50的所述阴极气体扩散层(CGDL)控制单元52包括：
蒸汽平衡控制单元，基于源自阴极催化剂层(CCL)的蒸汽流入量和到阴极气道(CGC)的蒸汽流出量计算阴极气体扩散层(CGDL)的蒸汽残留量；以及
液体平衡控制单元，基于所述阴极气体扩散层的冷凝率和到所述阴极气道的液体流量计算所述阴极气体扩散层(CGDL)的液体残留量。
11.根据权利要求2所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述电池组控制器的所述阴极催化剂层(CCL)控制单元包括：
氧气分压计算单元，基于阴极气体扩散层(CGDL)的氧气浓度和所述阴极催化剂层(CCL)的温度计算阴极催化剂层(CCL)的氧气分压；
相对湿度计算单元，基于所述阴极催化剂层(CCL)的温度计算所述阴极催化剂层(CCL)的相对湿度；
残留蒸汽计算单元，基于所述阴极气体扩散层(CGDL)的蒸汽浓度计算所述阴极催化剂层(CCL)的蒸汽残留量；以及
电压计算单元，通过基于电池组电流、所述阴极催化剂层的温度、所述隔膜的电阻、所述阴极催化剂层的氧气分压和所述阳极催化剂层的氢气分压计算所述电池组的电化学反应产生的电压。
12.根据权利要求2所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述电池组控制器的所述隔膜层(MEM)控制单元包括水平衡计算单元，所述水平衡计算单元接收所述电渗拖动检测单元的电渗拖动输出信号和所述反扩散检测单元的反扩散输出信号、所述热管检测单元的输出信号以及所述隔膜的温度，从而计算所述隔膜的所述残留水、电阻和含水量。
13.根据权利要求2所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述电池组控制器50的所述阳极催化剂层(ACL)控制单元包括：
氢气分压计算单元，基于所述阳极气体扩散层(AGDL)的氢气浓度和所述阳极催化剂层(ACL)的温度计算所述阳极催化剂层(ACL)的氢气分压；
相对湿度计算单元，基于所述阳极气体扩散层(AGDL)的蒸汽浓度和所述阳极催化剂层(ACL)的温度计算所述阳极催化剂层(ACL)的相对湿度；以及
残留蒸汽计算单元，基于所述阳极气体扩散层(AGDL)的蒸汽浓度计算所述阳极催化剂层(ACL)的蒸汽残留量。
14.根据权利要求2所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述电池组控制器50的所述阳极气体扩散层(AGDL)控制单元包括：
蒸汽平衡控制单元，基于源自所述阳极催化剂层(ACL)的蒸汽流入量和到所述阳极气道(AGC)的蒸汽流出量计算所述阳极气体扩散层(AGDL)的残留水和蒸汽浓度；以及
液体平衡控制单元，基于所述阳极气体扩散层(AGDL)的冷凝率和到所述阳极气道(AGC)的液体流量计算所述阳极气体扩散层(AGDL)的液体残留量。
15.根据权利要求2所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述电池组控制器50的所述阳极气道(AGD)控制单元包括：
氢气平衡计算单元，所述氢气平衡计算单元接收在所述电池组的所述入口的氢气流入量、在所述电池组的所述出口的氢气流出量、到所述阳极气体扩散层的氢气流出量、在所述电池组的所述出口的阳极气道(AGC)温度和在所述电池组的所述出口的氢气流出量，从而计算氢气增压比；以及
水平衡计算单元，所述水平衡计算单元接收在所述电池组的所述入口的蒸汽流入量、在所述电池组的所述出口的蒸汽流出量、源自所述阳极气体扩散层(AGDL)的蒸汽流量、在所述电池组的所述出口的液体流出量、源自所述阳极气体扩散层的液体流入量和在所述电池组的所述出口的阳极气道(AGC)温度，从而计算在所述电池组的所述出口的阳极相对湿度和所述阳极气道的残留水量。
16.根据权利要求15所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中在所述电池组控制器的所述阳极气道控制单元的输入因数中，在所述电池组的所述出口的所述液体流出量是在阳极水捕获(AWT)中捕获的流量，其中，如果在所述电池组的所述出口的所述阳极相对湿度小于100％，那么阳极水捕获值(AWT)＝源自阳极气体扩散层的液体流量×α，其中α范围从0到1。
17.根据权利要求16所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中，如果在所述电池组的所述出口的所述阳极相对湿度大于100％，那么阳极水捕获(AWT)＝源自阳极气体扩散层的液体流量×α+阳极气道(AGC)净水流量×β，其中α范围从0到1，并且β范围从0到1。
18.根据权利要求2所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中所述燃料处理系统控制器40包括：
氢气入口歧管控制单元44，所述氢气入口歧管控制单元44接收从所述氢气供应控制单元供应的氢气的氢气流入量、氢气供应压力、氢气供应温度和相对湿度，并同时从所述氢气再循环回路控制单元48接收氢气再循环流量、蒸汽再循环流量、氢气第二再循环回路温度、氢气第二再循环回路压力和氢气第二再循环回路相对湿度，从而向所述阳极气道(AGC)控制单元输出在所述电池组的所述入口的阳极相对湿度；以及
氢气出口歧管控制单元46，所述氢气出口歧管控制单元46从所述阳极气道(AGC)控制单元接收在所述电池组的所述出口的氢气流量、在所述电池组的所述出口的蒸汽流量、在所述电池组的所述出口的液体流量、在所述电池组的所述出口的阳极气道温度和压力，以及在所述电池组的所述出口的阳极相对湿度，并同时接收冷凝水排放阀的开/关信号从而确定冷凝水排放流量。
19.根据权利要求18所述的相对湿度和冷凝水估算器，其中在冷凝水排放阀开启时，基于按单位时间的冷凝水排出测试地图计算由所述燃料处理系统控制器的所述氢气出口歧管控制单元确定的所述冷凝水排放流量，并且在考虑到输入到所述冷凝水排放流量的阳极水捕获(AWT)的情况下，由所述液体平衡方程式计算在冷凝排放口中剩余的冷凝水的量。
20.一种使用燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法，所述方法包括：
在阳极冷凝水收集器中基于水平衡方程式计算冷凝水的残留量；
如果所述冷凝水的残留量大于冷凝水的密度(ρ[kg/m3])和所述冷凝水收集器的总容积(V1[m3])的乘积，并且其持续时间大于参考值t1，那么确定冷凝水水位传感器在警戒水位；
如果V_cell小于V_cell_TH，ΔV_cell大于ΔV_cell_TH，氢气再循环鼓风机RPM小于RPM_cmd_RPM_TH，阳极电池组入口压力大于入口正常压力地图加P_TH，或阳极电池组出口压力大于出口正常压力地图加P_TH，并且其持续时间大于参考值t2，那么确定所述冷凝水水位传感器失效；以及
基于阳极水捕获(AWT)估算值执行冷凝水排放阀的控制。
21.根据权利要求20所述的方法，其中通过下面的方程式计算冷凝水的残留量：
Figure FSA00000521466000081
22.根据权利要求20所述的方法，其中，在排放阀控制时，如果冷凝水残留量大于冷凝水的密度(ρ[kg/m3])与所述冷凝水收集器的从其底部到所述水传感器的位置的容积(V2[m3])的乘积，并且持续时间大于参考值(t3)，那么执行打开所述冷凝水排放阀的控制。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，在排放阀控制时，如果冷凝水残留量小于冷凝水的密度(ρ[kg/m3])与通过从所述冷凝水收集器的底部到所述水传感器的位置的容积(V2[m3])中减去冷凝水差可接受参考值(V_TH)获得的值的乘积，或排放阀打开持续时间大于参考值(t4)，那么执行关闭所述冷凝水排放阀的控制。
24.一种使用燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法，所述方法包括：
在阳极冷凝水收集器中基于水平衡方程式计算冷凝水的残留量；
如果所述冷凝水的残留量等于或小于0，并且其持续时间大于参考值(t5)，那么确定为冷凝水水位传感器的警戒水位；
如果计算的氢气利用率小于通过从正常氢气利用率地图中减去氢气利用率可接受参考值所获得的值，或氢气泄漏传感器开启，并且持续时间大于参考值(t6)，那么确定为冷凝水水位传感器失效；以及
基于阳极水捕获(AWT)估算值执行冷凝水排放阀的控制。
25.根据权利要求24所述的方法，其中通过下面的方程式计算冷凝水的残留量：
Figure FSA00000521466000082
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述正常氢气利用率地图利用基于电池组电流的氢气利用率测试地图，并且通过下面的方程式计算所述计算的氢气利用率：
Figure FSA00000521466000091
27.根据权利要求24所述的方法，其中，在排放阀控制时，如果所述冷凝水的残留量大于冷凝水的密度(ρ[kg/m3])与所述冷凝水收集器从其底部到所述水传感器的位置的容积(V2[m3])的乘积，并且持续时间大于参考值(t3)，那么执行打开所述冷凝水排放阀的控制。
28.根据权利要求24所述的方法，其中，在着排放阀控制时，如果所述冷凝水残留量小于冷凝水的密度(ρ[kg/m3])与通过从所述冷凝水收集器的底部到所述水传感器的位置的容积(V2[m3])中减去冷凝水差可接受参考值(V_TH)所获得的值的乘积，或排放阀打开持续时间大于参考值(t4)，那么执行关闭所述冷凝水排放阀的控制。
29.一种使用燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法，所述方法包括：
基于阳极冷凝水收集器中排放阀的操作计算冷凝水的累积量、生成水的累积量和累积冷凝水估算值；
如果累积冷凝水比(AWT_ratio1)小于通过从累积冷凝水比(AWT_ratio2)减去累积冷凝水比差可接受参考值(AWT_TH)所获得的值，并且其持续时间大于参考值(t1)，那么确定为冷凝水水位传感器的警戒水位；
如果V_cell小于V_cell_TH，V_cell中的变化大于V_cell_TH中的变化，氢气再循环鼓风机每分钟转数(RPM)小于RPM_cmd_RPM_TH，阳极电池组入口压力大于入口正常压力地图加P_TH，或阳极电池组出口压力大于出口正常压力地图加P_TH，并且其持续时间大于参考值(t2)，那么确定为所述冷凝水水位传感器失效；
基于阳极水捕获估算值执行冷凝水排放阀的控制。
30.根据权利要求29所述的方法，其中通过下面的方程式计算所述冷凝水的累积量：
Figure FSA00000521466000101
31.根据权利要求29所述的方法，其中通过下面的方程式计算所述生成水的累积量：
Figure FSA00000521466000102
32.根据权利要求29所述的方法，其中通过下面的方程式计算所述累积冷凝水估算值：
Figure FSA00000521466000103
33.根据权利要求29所述的方法，其中，在排放阀控制时，如果冷凝水的残留量大于冷凝水的密度与所述冷凝水收集器从其底部到所述水传感器的位置的容积的乘积，并且持续时间大于参考值，那么执行打开所述冷凝水排放阀的控制。
34.根据权利要求29所述的方法，其中，在排放阀控制时，如果冷凝水的残留量小于冷凝水的密度与通过从所述冷凝水收集器的底部到所述水传感器的位置的容积中减去冷凝水差可接受参考值所获得的值的乘积，或排放阀打开持续时间大于参考值，那么执行关闭所述冷凝水排放阀的控制。
35.一种使用燃料电池的相对湿度和冷凝水估算器控制冷凝水排放的方法，所述方法包括：
基于阳极冷凝水收集器中排放阀的操作计算冷凝水的累积量、生成水的累积量和累积冷凝水估算值；
如果累积冷凝水比(AWT_ratio1)大于由累积冷凝水比差可接受参考值(AWT_TH)加上累积冷凝水比(AWT_ratio 2)所获得的值，并且其持续时间大于参考值(t5)，那么确定为冷凝水水位传感器的警戒水位；
如果计算的氢气利用率小于通过从正常氢气利用率地图中减去氢气利用率可接受参考值H2_Util_TH获得的值，或氢气泄漏传感器开启，并且其持续时间大于参考值(t6)，那么确定为冷凝水水位传感器失效；
基于阳极水捕获(AWT)估算值执行冷凝水排放阀的控制。
36.根据权利要求35所述的方法，其中通过下面的方程式计算冷凝水的累积量：
Figure FSA00000521466000111
37.根据权利要求35所述的方法，其中通过下面的方程式计算生成水的累积量：
38.根据权利要求35所述的方法，其中通过下面的方程式计算累积冷凝水估算值：
39.根据权利要求35所述的方法，其中所述正常氢气利用率地图利用基于电池组电流的氢气利用率测试地图，并且通过下面的方程式计算所述计算的氢气利用率：
Figure FSA00000521466000114
40.根据权利要求35所述的方法，其中，在排放阀控制时，如果冷凝水的残留量大于冷凝水的密度与所述冷凝水收集器从其底部到所述水传感器的位置的容积(V2[m3])的乘积，并且所述持续时间大于参考值(t3)，那么执行打开所述冷凝水排放阀的控制。
41.根据权利要求35所述的方法，其中，在排放阀控制时，如果冷凝水的残留量小于冷凝水的密度与通过从所述冷凝水收集器的底部到所述水传感器的位置的容积(V2[m3])中减去冷凝水差可接受参考值(V_TH)所获得的值的乘积，或排放阀打开持续时间大于参考值(t4)，那么执行关闭所述冷凝水排放阀的控制。
42.一种使用根据任一权利要求的用于燃料电池的相对湿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毫秒的间隔动态计算用于估算燃料电池系统中相对湿度和冷凝水的输出信号。
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