CN103926535A - 经由调整性阴极加湿单元模型和高频电阻来估计瞬态入口相对湿度 - Google Patents

经由调整性阴极加湿单元模型和高频电阻来估计瞬态入口相对湿度 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用以确定燃料电池系统的相对湿度的设备和方法。控制器与第一装置和第二装置协同操作来接收阀信号和高频电阻值。控制器基于基于一个或多个算法的燃料电池堆的相对湿度的估计来控制燃料电池堆的相对湿度。控制器基于阀信号和高频电阻值中的至少一个通过阀的位置的变化来修改燃料电池堆的相对湿度。在一个形式中，不需要湿度传感器来确定燃料电池系统的相对湿度。

Description

经由调整性阴极加湿单元模型和高频电阻来估计瞬态入口相对湿度
技术领域
本发明总体上涉及提供对燃料电池堆入口和出口湿度水平的估计，并且更特别地涉及用于在不需要来自传感器的相对湿度反馈的情况下在燃料电池操作瞬态期间确定相对湿度的装置和方法。 
背景技术
在典型燃料电池系统中，氢或富氢气体被供给通过流动路径至燃料电池的阳极侧，而氧(比如呈大气氧气的形式)被供给通过分离的流动路径至燃料电池的阴极侧。通常呈比如铂等贵金属形式的催化剂被放置在阳极和阴极处，用以促进氢和氧向电子以及带正电离子(对于氢)和带负电离子(对于氧)的电化学转换。电子流动通过外部的导电性电路(比如负载)，用以执行有用的工作，然后去到阴极上。电解质层分离阳极与阴极，用以允许离子的选择性通过，来从阳极传至阴极。带正电和带负的电离子在阴极处的组合导致作为反应的副产品的无污染水的生成。在被称为质子交换膜片(PEM)燃料电池的一个形式的燃料电池中，电解质层呈质子透过性膜片的形式，由被夹持在阳极与阴极之间的该PEM形成的分层结构一般被称为PEM电极组件(MEA)。每个MEA形成单个燃料电池，并且许多这种单个电池单元可被组合而形成燃料电池堆，从而增加其动力输出。多个电池堆可被联接在一起，用以进一步增加动力输出。PEM燃料电池已对于交通工具及相关移动应用显示了特别的前景。 
在PEM燃料电池中需要平衡的湿气或湿度水平来确保恰当的操作和耐久性。例如，重要的是避免在燃料电池中具有过多的水，其可能导致反应物阻塞多孔性阳极和阴极。相反地，过少的水合作用限制膜片的电传导率，并且在极端情况下可导致它过早地耗尽。这样，有益的是了解燃料电池内的水合作用水平，尤其是频繁地以可能影响电池的水合作用水平的升高的温度操作的PEM燃料电池。 
高频电阻(HFR)是用于间接地测量MEA水合作用的公知诊断技术。在典型HFR构造中，传感器使用高频波纹电流来测量燃料电池电阻。尽管这种途径对相对湿度(RH)的变化特别敏感，但是它对其它燃料电池条件的敏感度可能导致错误测量。换言之，测量到的燃料电池电阻或HFR值是测量燃料电池的PEM中的水积累的电阻，而不是空气的湿度。空气必须干燥或润湿PEM，以在HFR值中发生变化。基于HFR的估计的一个特别的薄弱处是HFR的固有滞后，尤其是在HFR值中呈现出迟滞响应的低流动条件时。该迟滞响应意味着：在存在快速的入口湿度变化的情形下，这种变化将不匹配于常常滞后的平均电池堆HFR值。该滞后可能导致控制器过度干燥电池堆，这种过度干燥在阴极入口处特别普遍，在所述阴极入口处化学降解和随之发生的PEM薄化可能跟着发生。这样，仍然存在挑战并难以提供对燃料电池系统中的相对湿度水平的精确估计。这在基于交通工具的燃料电池系统中特别显著，其中可靠性、重量和成本进一步加剧了挑战。在常规构造中，为了实现监测电池堆的RH，单独的湿度传感器被使用来测量流动通过电池堆的空气的RH。湿度传感器允许控制系统来确定PEM的湿度，而不屈服于HFR传感器响应于操作瞬态的滞后或迟滞响应。不幸地，这种湿度传感器增加了系统的复杂性和成本。 
阴极加湿单元(CHU)模型算法被使用来解释和修改电池堆的RH。CHU模型的功效的波动可以是由于部分间的波动、降解或者甚至是泄漏。降解可以取决于使用轮廓，并且可以对不同交通工具来说是不同的。此外，CHU模型使用电池堆的出口RH值来计算电池堆的RH。如果出口RH值具有误差，(例如由于化学计量估计、温度反馈的误差或者甚至是阳极水交叉的波动)，这将影响CHU模型的用以计算电池堆的RH的能力，造成循环引用。 
基准信号将有利于CHU模型计算电池堆的RH，而不需要湿度传感器。 
发明内容
依据本发明的教导的一个方面，一种设备用以确定燃料电池系统的相对湿度。燃料电池系统依赖于相对湿度控制设备来控制燃料电池堆的相对湿度。相对湿度控制设备使用控制器、阴极加湿单元、阀、第一装置、第二装置和多个燃料电池来估计燃料电池堆的相对湿度。控制器与第一装置和第二装置协同操作，并分别从两个装置接收阀信号和高频电阻值。控制器基于阀信号和高频电阻值中的至少一个通过流体地设置在燃料电池系统的多个流动路径中的阀的位置的变化来控制相对湿度。在一个形式中，不需要湿度传感器来确定燃料电池系统的相对湿度。 
依据本发明的教导的另一方面，公开了一种估计燃料电池系统的操作瞬态期间的相对湿度的方法。通过接收来自第一装置的阀信号和来自第二装置的高频电阻值来估计相对湿度。第一装置被构造成用以传输阀信号，其中阀信号与流体地设置在燃料电池系统的多个流动路径中的阀的位置相对应。第二装置被构造成用以传输来自燃料电池堆的高频电阻值。通过在控制器的处理器中执行多个算法来估计相对湿度。第一算法是阴极加湿单元(CHU)模型，而第二算法是调整性算法(adaptive algorithm)。调整性算法通过评价阀信号和高频电阻来修改CHU模型。 
依据本发明的教导的又一方面，公开了一种操作相对湿度控制设备并估计燃料电池系统的操作瞬态期间的相对湿度的方法。相对湿度控制设备使用控制器、阴极加湿单元、阀、第一装置、第二装置和多个燃料电池来估计燃料电池堆的相对湿度。控制器与第一装置和第二装置协同操作，并从两个装置接收阀信号和高频电阻值。相对湿度通过在与第一装置和第二装置协同操作的控制器的处理器中执行阴极加湿单元模型和调整性算法来估计多个燃料电池的相对湿度。调整性算法通过评价阀信号和高频电阻值来修改阴极加湿单元模型，用以估计燃料电池堆的相对湿度。控制器基于燃料电池堆的相对湿度的估计，通过流体地设置在燃料电池系统的多个流动路径中的阀的位置的变化来控制相对湿度。 
附图说明
当结合以下附图阅读时，能最佳地了解对本发明的优选实施例的以下详细描述，附图中相似结构用相似附图标记来指示，并且附图中： 
图1示出了交通工具的图示；
图2示出了通过燃料电池系统的空气的流动路径；
图3是CHU模型的示意图；并且
图4示出了调制阀来调节燃料电池系统中的电池堆的相对湿度的CHU模型。
具体实施方式
本公开中描述的发明的实施例不依赖于分离的和独特的湿度传感器来确定燃料电池堆的RH。相反，它利用来自监测电池堆的传感器的信号或“电池堆作为传感器”途径，来确定燃料电池堆的RH值，而不需要湿度传感器。“电池堆作为传感器”途径使用燃料电池堆的HFR值，加之知道阀位置和调整性CHU模型，燃料电池堆的RH可以得到确定。 
HFR值使用第二装置(下面描述)来测量燃料电池的PEM中的水合作用或水的量。第二装置可以是被使用来测量PEM的水合作用或水的量的电阻的电阻传感器。流动通过PEM的空气的RH可以由HFR值直接地确定。PEM中的水的量的变化可以发生用于被反映在HFR值中的变化。空气干透PEM或以水饱和PEM所花费的时间可以在HFR值中呈现为空气的RH的变化与HFR值的变化之间的时间滞后。 
首先参考图1，其中示出了由燃料电池系统提供动力的交通工具10(例如，汽车、巴士、卡车或摩托车)。燃料电池系统的一些部件可以包括多个燃料电池(优选地被布置为一个或多个电池堆20)，其将来自罐30的存储气体燃料转换成电力来提供电动力至发动机(未示出)，其可以是全电动或混合动力电动发动机(例如，使用电力和基于的石油的燃烧来用于推进动力的发动机)，利用来自燃料电池系统的动力来推动交通工具10。燃料电池系统还可以包括任意数量的阀、压缩器、管道系统、温度调控器、电力存储装置(例如，电池、超级电容器或类似物)、和控制器，所述控制器用以将来自一个罐30或多个罐的燃料输送至燃料电池系统，以及用以提供对燃料电池系统的操作的控制。这类控制器将在下面被更详细地论述。 
任意数量的不同类型的燃料电池可以被使用在燃料电池系统中(例如，金属氢化物燃料电池、碱性燃料电池、电镀锌燃料电池、或任何其它类型的公知燃料电池)。多个燃料电池还可以在燃料电池系统内串联和/或并联地组合为电池堆20，以便通过燃料电池系统产生更高的电压和/或电流产量。产生的电动力可以被直接地供给至发动机(未示出)，或被存储在电力存储装置(未示出)内，以供交通工具10在以后使用。 
图2示出了通过燃料电池系统的空气50的流动路径。空气50进入压缩器40，在这里空气50可以被压缩。空气50离开压缩器40并进入热交换器45，在这里空气50的RH被降低用以产生干燥空气47。干燥空气47进入阀55，在这里干燥空气47可以被转向而进入阴极加湿单元(CHU)65的管侧60，或被转向绕过管侧60。阀55可以按范围为0～100%的开口百分比来改变被转向绕过管侧60的干燥空气47的量。CHU 65可以被使用来增加干燥空气47的RH，用以产生潮湿空气70。阀55的开口百分比受到如图3中示出的控制器110的控制。在混合点75处，干燥空气47和潮湿空气70混合，用以生成如控制模块所确定的特定RH的混合空气80。 
混合空气80进入电池堆20并参与如在背景部分中描述的能量产生过程。退出空气90以较高的RH或较低的RH离开电池堆20，取决于PEM中的水的量、PEM之上的空气流速度、和混合空气80的RH。退出空气90可以在壳侧95被CHU 65使用，来增加空气50的RH从而产生潮湿空气70。退出空气90作为排气100而从交通工具排出。 
图3是被控制器110使用来确定如图2中示出的电池堆20的水合作用的CHU模型115的示意图。来自第二装置的HFR值120可以被输入到基于HFR的估计算法(algorithm)125中。基于HFR的估计算法125使用空气流131、温度132、压力133、和如下面以更详细的细节描述的电流输入来计算电池堆出口RH值130。电池堆出口RH值130被输入到第一温度校正算法135中，其可以调节HFR RH估计值130来确定RH壳值140。RH壳值140可以是退出空气90的RH，在它退出电池堆20时对于在电池堆20与CHU 65的壳侧95之间的管道网络(未示出)中的任何热损失得到校正。RH壳值140可以被CHU模型115使用来确定RH管值145。RH管值145是退出CHU 65的管侧60的潮湿空气70的RH的估计值。RH管值145基于CHU模型被计算出，如下面描述的。 
第一装置220产生与阀55的开口百分比相对应的阀信号155。替代地，第一装置220还可以产生与阀命令信号250相对应的阀信号155，如下面描述的。混合算法150可以使用RH管值145和阀信号155来确定混合空气RH值160。阀信号155是旁通率(α)，其可以指示阀55的开口的百分比。混合空气RH值160是混合空气80在混合点75处的RH。第二温度算法165可以被使用来使混合空气RH值160正态化，用以确定最终RH值170，其是电池堆20的入口温度，如下面以更详细的细节描述的。 
调整性算法175可以使用最终RH值170和电池堆入口RH值180来输出参数185，其可以被CHU模型115使用来修改RH管值145。通过修改RH管值145，最终RH值170可以更精确地指示接近电池堆20中的实际RH值的RH值。基于在基于HFR的入口RH估计是有效时的确定，当调整性算法175可以修改RH管值145时，调整允许算法(adapt enable algorithm)限定出触发标准。所述调整允许190允许经由允许信号195的调整性算法175。当加载值200或阀信号155在快速地变化时，调整允许190可以停止调整性算法175。此外，如果电池堆温度值205过低或者如果电池堆淹没值210指示电池堆过湿，则调整允许190可以停止调整性算法175。 
水缓冲模型191(WBM)是通过以下方式输出水值193的算法：采取电池堆入口RH值180并限定出向电池堆20添加多少水来达到最终RH值170。控制器110使用水值193来向干燥空气47添加一定量的水来改变电池堆20的RH。 
HFR值120中的滞后是驾驶周期中的动态问题，具有在空转到最大动力的75%之间的大过渡。该滞后不明显地影响典型的驾驶周期，比如环境保护局(EPA)城市和高速路周期，原因是这些周期是低动力周期。当存在低动力请求并且产生较少热时，电池堆20由于慢的热响应而潮湿地操作。在驾驶周期的结束时，操作进入接近空转，其中HFR值120中的滞后大。因此，潮湿地操作的电池堆20与向空转的过渡的组合使滞后更糟。阀55被使用来估计旁通率(α)。滞后问题的解决方案的关键是将在旁通率(α)改变时改变阀信号155的上游的阀55作为因素之一，以改善最终RH值170的精确性。例如，如果电池堆20正以低空气流操作(空转)并且电池堆20正指示它是含水的，则HFR值120低。相反，如果阀55的位置正指示所有的空气流都被转向绕过CHU 65(即α=0)，则混合空气80可能是干燥的，并且随时间推移，电池堆20的入口将变干，并最终可能显示在HFR值120的改变中。 
CHU模型115利用旁通率(α)来确定混合空气80的RH。此外，CHU模型115可以具有这样一些参数，其可以基于电池堆20的电池堆入口RH值180在线得到调整。CHU模型115被利用，其使壳侧95与管侧60相关为如下面在式1中示出的平衡关系： 
                 (1)
其中，ε是平衡关系，其是空气流量的函数，用以解释CHU 65在高空气流量时的低“功效”。该平衡关系可以对于CHU模型115被校准，并且可以不随时间推移而降解。可以基于阀命令而不是阀位置反馈来计算旁通率(α)。
调整性算法175可以对于不同流动条件估计CHU参数()，使得当HFR值120可以被信任时，CHU模型115的估计匹配于电池堆20的基准入口RH。本质上，调整性算法(ε)175可以解决在下式2中找到的以下优化： 
                   (2)
该优化被分解成跨越低流量与高流量的值域(bin)。该优化问题经由PIA算法被在线解决。关于系统中的空气流限制(Kv)或通过在阳极子系统中学习阀Kv并修改它以用于CHU调整来做出假设。
控制器110与第一装置220和第二装置225协同操作来接收阀信号155和HFR值120。控制器110与第一装置220和第二装置225电气地、光学地、无线地或机械地协同操作。控制器110包括至少一个处理器(未示出)和计算机可读介质(未示出)，使得存储在计算机可读介质中的指令被所述至少一个处理器执行，用以基于阀信号155和HFR值120中的至少一个通过阀55的位置的变化来控制多个燃料电池的RH。 
图4示出了调制阀55来调节电池堆20的RH的CHU模型115。参考图2和3。CHU模型图252绘出了CHU模型115，其纯粹只基于HFR值120来估计电池堆入口RH值180和电池堆出口RH值130两者，并将阀命令信号250发送至阀55用以调节电池堆20的RH。调整性CHU模型图254绘出了CHU模型115，其基于HFR值120并使用调整性算法175确定电池堆20的RH来估计电池堆入口RH值180和电池堆出口RH值130两者，并将阀命令信号250发送至阀55用以调节电池堆20的RH。 
图4附加地示出了使用调整性算法175比使用作为独立算法的CHU模型115更稳定的阀命令信号250。此外，调整性算法175可以降低滞后对阀命令信号250的影响，如缺少如第一凹部255、第二凹部260和峰顶265所示的极值阀命令信号250示出的。第一凹部255和第二凹部260示出了CHU模型115可以赶上电池堆20的实际RH值并以峰顶265超越实际值的地方。 
调整性算法175可以降低干透电池堆的PEM的机会，并且可以显示出在干透防止中的改进。用于阀55的阀命令信号250是平稳的，并且可以降低装备疲劳并促进更长的使用寿命。例如，在阴极清洗期间，控制器110可以试图将电池堆20的RH带至大约35%湿度的RH值。在没有协助CHU模型115的调整性算法175的情况下，电池堆20可能达到20%的RH值，并且可能严重地干透电池堆20。在具有协助CHU模型115的调整性算法175的情况下，电池堆20维持35%的RH值。此外，在正常驾驶周期中，阀命令信号250的波动可以被极大地降低。 
CHU模型115由于HFR值120的滞后而超越所需的控制点。这由于以下因素而发生：驾驶周期中的快速瞬变现象，以及HFR值120所花费来记录图2的电池堆20的RH的变化的时间量。CHU模型115侧示出了：发生在第一凹部255和第二凹部260处的湿超越(0%水蒸汽传递单元(WVT)旁通)，以及在峰顶265处发生的干透(饱和的75%WVT旁通)。图4的调整性算法175侧示出了在阀信号155中没有极端偏移的相同驾驶周期。 
应指出的是：如“优选”、“一般”和“通常”之类的术语在本文中不是被采用来限制所要求发明的范围，或暗示某些特征对所要求发明的结构或功能来说是关键的、必要的或者甚至是重要的。相反，这些术语仅仅旨在强调替代的或附加的特征，其可以也可以不被采用在本发明的特定实施例中。同样，为了描述和限定本发明的目的，应指出的是：术语“装置”在本文中被采用来表示部件的组合和个体部件，而不管这些部件是否与其它部件组合。例如，根据本发明的“装置”可以包括电化学转换组件或燃料电池，以及包含根据本发明的电化学转换组件的更大结构(比如交通工具)。而且，术语“基本上(大致)”在本文中被采用来表示固有程度的不确定性，其可以归因于任何定量比较、值、测量或其它表示。这样，它可以表示一定程度，定量表示可以不同于所陈述的基准达该程度，而不会导致所涉及主题的基本功能的变化。 
虽然已通过参考本发明的具体实施例详细地描述了本发明，但是应该理解的是：在不背离在所附权利要求书中限定出的本发明的范围的情况下，变型和变更是可能的。更具体地，尽管本发明的一些方面在本文中被识别为优选的或特别有利的，但是可以想到的是本发明并不一定局限于本发明的这些优选方面。 

Claims (7)

1. 一种燃料电池系统，包括：
多个燃料电池，燃料电池中的每个包括阳极、阴极、设置于阳极与阴极之间的质子交换膜片、和被构造成用以分别将氢和氧传输至阳极和阴极的多个流动路径；和
相对湿度控制设备，其包括：
       阴极加湿单元；
       阀，其被构造成用以通过使氧选择性地旁通绕过阴极加湿单元并至所述多个流动路径来改变质子交换膜片的相对湿度；
       第一装置，其被构造成用以产生与阀的位置相对应的阀信号；
       第二装置，其被构造成用以产生与质子交换膜片的相对湿度相对应的高频电阻值；和
       控制器，其与第一装置和第二装置协同操作来接收阀信号和高频电阻值，所述控制器包括至少一个处理器和计算机可读介质，使得存储在计算机可读介质中的指令被所述至少一个处理器执行，用以基于阀信号和高频电阻值中的至少一个通过阀的位置的变化来控制质子交换膜片的相对湿度。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一装置和第二装置被构造为所述控制器的一部分。
3. 如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，不使用湿度传感器。
4. 一种估计燃料电池系统的操作瞬态期间的相对湿度的方法，所述方法包括：
接收来自被构造成用以传输阀信号的第一装置的阀信号，所述阀信号与阀的位置相对应；
接收来自被构造成用以传输高频电阻值的第二装置的高频电阻值；
通过在与第一装置和第二装置协同操作的控制器的处理器中执行阴极加湿单元模型和调整性算法来估计多个燃料电池的相对湿度，所述调整性算法通过评价阀信号和高频电阻值来修改阴极加湿单元模型从而估计多个燃料电池的相对湿度。
5. 一种控制燃料电池系统的操作瞬态期间的相对湿度的方法，所述方法包括：
操作相对湿度控制设备，该设备包括：
       多个燃料电池，燃料电池中的每个包括阳极、阴极、设置于阳极与阴极之间的质子交换膜片、和被构造成用以分别将氢和氧传输至阳极和阴极的多个流动路径；
       阴极加湿单元；
       阀，其被构造成用以通过使氧选择性地旁通绕过阴极加湿单元并至所述多个流动路径来改变质子交换膜片的相对湿度；
       第一装置，其被构造成用以产生与阀的位置相对应的阀信号；
       第二装置，其被构造成用以产生与所述多个燃料电池的相对湿度相对应的高频电阻值；和
       控制器，其与第一装置和第二装置协同操作来接收阀信号和高频电阻值，所述控制器包括至少一个处理器和计算机可读介质；以及
通过在控制器的所述至少一个处理器中执行阴极加湿单元模型和调整性算法来估计质子交换膜片的相对湿度，所述调整性算法评价阀信号和高频电阻值来估计质子交换膜片的相对湿度，并传输调整性信号来修改阴极加湿单元模型；以及
使用阴极加湿单元模型来改变阀位置从而调节质子交换膜片的相对湿度。
6. 如权利要求5所述的方法，进一步包括：接收来自调整允许算法的允许信号，其允许调整性算法传输调整性信号。
7. 如权利要求5所述的方法，其中，所述相对湿度控制设备不使用湿度传感器。
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