CN106992310B - 燃料电池堆端口的相对湿度估计器 - Google Patents

燃料电池堆端口的相对湿度估计器 Download PDF

Info

Publication number
CN106992310B
CN106992310B CN201610853308.XA CN201610853308A CN106992310B CN 106992310 B CN106992310 B CN 106992310B CN 201610853308 A CN201610853308 A CN 201610853308A CN 106992310 B CN106992310 B CN 106992310B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
relative humidity
injector
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610853308.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN106992310A (zh
Inventor
本杰明·佩恩斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Publication of CN106992310A publication Critical patent/CN106992310A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106992310B publication Critical patent/CN106992310B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/045—Humidity; Ambient humidity; Water content of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04343—Temperature; Ambient temperature of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/0435—Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04402—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04425—Pressure; Ambient pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

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。

Description

燃料电池堆端口的相对湿度估计器
技术领域
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。
背景技术
诸如燃料电池车辆(fuel cell vehicle，FCV)或燃料电池电动车辆(fuel cellelectric vehicle，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。
发明内容
一种用于燃料电池堆(fuel cell stack,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(hydrogen recirculation system,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(polymer electrolyte membrane,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。
在系统的运转期间，控制策略可通过调节温度、流量、压力和电流消耗来改变水合状况，以改善系统的性能并延长系统的寿命。控制策略可使用对燃料电池的水合状态的精确测量或估计来促进其操作。如本文所讨论的，根据来自基于多项式混沌的估计器的输出而实时地估计阳极入口流的相对湿度的方法可消除对氢再循环系统内的相对湿度(或露点温度)传感器的需要。
图3示出了氢再循环系统的示例，通称为氢再循环系统200。氢再循环系统200可与燃料电池(诸如，上面描述的PEM燃料电池40)一起操作。氢再循环系统200可包括罐204、第一阀206、喷射器210、止回阀212、第一管214、燃料电池堆216、第二管218、分离器(knockoutdrain)222和第二阀224。罐204可包括干燥的氢气。第一阀206可以是压力控制阀，以便于将预定量的干燥的氢气引入到喷射器210。干燥的氢气可以与从分离器222进入喷射器210的氢气混合物混合。从喷射器210排出的气体混合物可经过止回阀212和第一管214，并取道流动至燃料电池堆216。气体混合物的一部分可被燃料电池堆216消耗，从阴极(未示出)经过的水和氮可在燃料电池堆216内与所述气体混合物结合，以限定燃料电池堆输出混合物。随后，燃料电池堆输出混合物可经过第二管218并取道流动至分离器222。燃料电池堆输出混合物的液态水可以通过分离器222去除。分离器222还可以去除一些氮气和氢气。可以基于阳极端口处的物质的化学计量比来清除预定量的氮和水。燃料电池堆输出混合物的剩余气体可被引导回到喷射器210。随后，第二阀224可清除氢再循环系统200中的任何剩余液体。
一组三个状态方程可协助提供氢再循环系统200的动态模型。所述三个状态是喷射器210的初始压力P1、第一管214中的压力Pup和第二管218中的压力Pds。喷射器210的静态模型可结合三个动态方程。估计器可使用氢再循环系统200的模型来计算燃料电池堆216内的反应物的消耗量和产物的生成量。所述模型可计算氢再循环系统200的气体组分的摩尔分数，并且可预测阳极端口(诸如阳极入口220或阳极出口221)处的氢气的相对湿度。估计器可使用线性化的模型或非线性化的模型。可以设想氢再循环系统200的模型可以在不使用第一管214和第二管218的体积计算的情况下运行。例如，使用喷射器210的静态模型的一组方程可包括0个、1个、2个或更多个动态方程。静态和/或动态方程可预测一次流量和二次流量。可通过参数估计和滤波降低预测中的不确定性。
线性化的模型可将不确定性加入到模型预测的通过喷射器(诸如喷射器210)的二次喷嘴的流量。可使用基于多项式混沌的估计技术来降低不确定性并改善相对湿度估计。图4示出了针对改善湿度预测的参数估计的算法的示例，通称为算法250。在操作254处，传感器可测量罐的压力。在操作256中，可测量燃料电池堆的入口压力值。在操作258中，可以基于氢再循环系统模型预测阳极端口的压力。在操作260中，可以基于罐压力和入口压力计算湿度值。在操作262中，可以将测量的入口压力和预测的压力进行比较以获得误差值。在操作264中，可应用参数估计或滤波来估计模型的不确定性。随后，在操作266中，可以基于参数估计或滤波更新模型，以改善模型的预测的湿度值。
图5示出了用于估计器使用的喷射器210的模型的示例。来自罐204的氢气的一次流可在位置1处进入喷射器210的第一入口300。来自分离器222的二次流可在位置2处进入喷射器210的第二入口304。一次流可在位置3处的一次喷嘴306中加速到音速。位置4与位置5之间的虚线可表示虚拟喷嘴310。一次流和二次流均都可在虚拟喷嘴310内的位置5处达到音速。虚拟喷嘴310的面积可基于喷射器210的几何形状、一次流的马赫数、第一入口300和第二入口304处的压力值以及一次流和二次流的流体的属性。对于不同的压力比，可将线性拟合应用到位置5处的二次流喷嘴的面积以及马赫数。氢再循环系统200的动态方程可以通过应用线性拟合而被线性化。
例如，
Figure BDA0001120739210000061
Figure BDA0001120739210000062
其中，P1是喷射器的一次入口处的流体的压力，Pup是燃料电池堆阳极的入口处的流体的压力(即，上游压力)，Pds是燃料电池堆阳极的出口处的流体的压力(即，下游压力)，PR是测量的受控的罐(或氢源)压力，kT是将喷射器入口压力关联到从罐(或氢源)流出的流体的质量流量的系数，k1是与一次流体的属性和喷射器一次喷嘴的几何形状有关的系数，kup是与上游流体的体积、温度、摩尔质量和其它属性有关的系数，kΔP是将燃料电池堆阳极的压降关联到流过燃料电池堆的流量的系数，kds是与下游流体的体积、温度、摩尔质量和其它属性有关的系数，A0是线性拟合到喷射器二次喷嘴面积的y轴截距，kA是线性拟合到喷射器二次喷嘴面积的斜率，kI将阳极压降关联到燃料电池堆的电流，Wx是在燃料电池堆内部从阴极到阳极的流体的流量，WKO是从分离器流出的流体的质量流量，θ是估计参数。
效率低下和建模简化会在二次喷嘴面积和流入喷射器210中的二次流的质量流量的计算中增加不确定性。该不确定性通过包含参数θ而建模在方程(2)中。以多项式混沌理论为基础的最大似然估计技术可用于估计不确定参数θ。例如，θ可以依据混沌变量ξ项展开，混沌变量ξ是已知先验分布的随机变量。如果θ具有已知的下限θmin和上限θmax，则ξ可以是在区间[-1,1]上均匀分布的随机变量。未知的变量θ可以根据ξ写成如下
Figure BDA0001120739210000063
方程(2)的状态方程可以近似为混沌变量的正交多项式函数φ(ξ)的展开。
Figure BDA0001120739210000064
Figure BDA0001120739210000071
可将方程(4)的展开代入回到方程(2)中，并随后投影到正交基函数φ(ξ)上。这生成一组展开的状态方程，其中，展开系数xup,i和xds,i，i＝0，…，S-1是系统状态。
在方程(5)中，Ⅱ是S×S单位矩阵。例如，
Figure BDA0001120739210000072
方程(5)还可以使用下面的定义
Figure BDA0001120739210000073
Figure BDA0001120739210000074
Figure BDA0001120739210000075
Figure BDA0001120739210000076
Figure BDA0001120739210000077
由于投影方面，方程(5)不是ξ的函数，而是确定的。由于线性，一旦初始条件已知，则假设零阶保持的精确数值积分可用于求解。当喷射器的电磁阀上游打开时可使用方程(5)。当电磁阀关闭时，压力P1和Pds可变为与测量的压力Pup相等。因此，对于初始条件，每当上游阀关闭(由于喷射器的脉冲运转上游阀关闭会是频繁的)时，方程(5)的状态可设置为下面的值。
xup,0＝Pup,xup,i＝0,i＝1,…,S-1
xds,0＝Pup,xds,i＝0,i＝1,…,S-1
P1＝Pup (11)
喷射器的运转可以是脉冲的，因此，方程可被频繁地重置到方程(11)中的它们的测量值。重置到方程(11)的测量值可有助于避免方程(5)和方程(1)的状态轨迹的漂移。实时地求解方程(5)为方程(4)提供展开系数，因此，随机过程Pup和Pds(近似地)为实时已知。估计的一个目标是确定随机变量ξ的最可能的实现值(most likely realization)。给定ξ的实现值
Figure BDA0001120739210000081
随机过程可压缩到确定性的轨迹中。因此，最大似然估计旨在选择ξ的实现值，使得生成的轨迹
Figure BDA0001120739210000082
最像测量的变量Pup。假设测量噪声为累加的并且为高斯噪声，则最大似然估计将使下列优化最小化。
Figure BDA0001120739210000083
其中，β是遗忘因子并等效于使函数最小化。
Figure BDA0001120739210000084
其中
Figure BDA0001120739210000085
并且
Φ(ξ)：＝[φ0 φ1 … φS-1] (15)
由于方程(14)不依赖于未知参数ξ，因此在前一时间步长tk-1的估计
Figure BDA0001120739210000086
对在当前时间步长tk的估计
Figure BDA0001120739210000087
没有影响。可以使用各种技术确定
Figure BDA0001120739210000088
的估计。作为示例，在每个时间步长，可以从区间[-1,1]中随机地选择ξ的实现值
Figure BDA0001120739210000089
并且相应的代价可与先前最佳的实现值ξk-1的代价比较。算法可以以具有最低的代价保持实现值。
Figure BDA0001120739210000091
结果可代入到方程(3)中，变为θ的当前估计
Figure BDA0001120739210000092
的方程
Figure BDA0001120739210000093
随着估计器获得更多的信息，它对θ的预测得到改善，并且模型中的不确定性降低以提高模型精确地预测(例如)燃料电池堆216的阳极入口220或阳极出口221处的流体相对湿度的能力。
在另一个示例中，估计器可使用氢再循环系统的非线性模型和时变模型来预测阳极端口(诸如阳极入口220或阳极出口221)处的氢气的相对湿度。在该示例中，所述模型可计算燃料电池堆216中的反应物的消耗量和产物的生成量，诸如气体组分的摩尔分数。为了改善相对湿度预测，反馈控制器可将模型的受控的氢压力信号调整为测量的压力附近，使得阳极入口压力的模型预测值与测量值之间的差收敛到零。反馈控制器可以是(例如)比例积分微分控制器、模型预测控制器或状态观测器/反馈器。
图6示出了针对用于改善氢再循环系统的一部分的湿度预测的参数估计或滤波估计的算法的示例，通称为算法400。在操作402中，可以获取用于车辆的燃料电池堆的氢再循环系统的传感器和致动器数据。在操作404中，控制器可激活氢再循环系统的数值模型，可使用所获取的数据来运行所述数值模型以辨识系统的阳极端口压力的预测值，从而获得阳极端口的湿度、反应物气体和惰性气体的浓度。例如，反应物气体可包括阳极端口的物质的化学计量比。此外，在操作406中，控制器可将阳极端口的测量压力与模型的预测值进行比较，以确定压力是否匹配。如果压力不匹配，则在操作408中，控制器可激活参数估计或滤波以估计模型的不确定性。在操作410中，可以更新模型以补偿不确定性，从而可以以更新的数据再次激活操作404中的数值模型。如果在操作406中压力匹配，可以信任模型预测的阳极端口湿度、反应物气体和惰性气体的浓度，以计算系统的阳极端口的相对湿度值。
虽然上文描述了各个实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可作出各种改变。如之前描述的，可组合各个实施例的特征以形成本公开的可能未被明确描述或示出的进一步实施例。虽然各个实施例已经被描述在一个或更多个期望的特性方面提供优点或优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，根据特定的应用和实施方式一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于：市场可用性、外观、一致性、稳健性、用户可接受性、可靠性、精确性等。因此，所描述的在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并且可期望用于特定应用。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池堆的水管理方法，包括：
测量氢再循环系统的罐压力和燃料电池堆阳极入口的压力；
基于测量的罐压力和燃料电池堆阳极入口的压力，通过氢再循环系统的模型预测燃料电池堆阳极端口的相对湿度值；以及
响应于预测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，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。
3.根据权利要求2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。
4.根据权利要求2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滤波，以补偿不确定性。
5.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：基于氢再循环系统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所述喷射器的几何形状、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。
6.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：基于所述估计的相对湿度值辨识燃料电池堆的膜的状态，并输出所述状态。
7.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：通过氢再循环系统的时变模型辨识燃料电池堆中的反应物的消耗量和产物的生成量。
8.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：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，并收敛到与实际的压力测量值大致相等的值。
CN201610853308.XA 2015-09-25 2016-09-26 燃料电池堆端口的相对湿度估计器 Active CN106992310B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/866,090 US9997795B2 (en) 2015-09-25 2015-09-25 Relative humidity estimators for fuel cell stack ports
US14/866,090 2015-09-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106992310A CN106992310A (zh) 2017-07-28
CN106992310B true CN106992310B (zh) 2021-05-28

Family

ID=58282113

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610853308.XA Active CN106992310B (zh) 2015-09-25 2016-09-26 燃料电池堆端口的相对湿度估计器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9997795B2 (zh)
CN (1) CN106992310B (zh)
DE (1) DE102016117366A1 (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6447838B2 (ja) * 2016-11-21 2019-01-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
US10871519B2 (en) 2017-11-07 2020-12-22 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell stack prediction utilizing IHOS
US10714767B2 (en) 2017-12-07 2020-07-14 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell air system safe operating region
US10971748B2 (en) 2017-12-08 2021-04-06 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Implementation of feedforward and feedback control in state mediator
US11482719B2 (en) 2017-12-08 2022-10-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Equation based state estimate for air system controller
US10590942B2 (en) 2017-12-08 2020-03-17 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Interpolation of homotopic operating states
US10665875B2 (en) 2017-12-08 2020-05-26 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Path control concept
US10985391B2 (en) 2018-03-06 2021-04-20 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Real time iterative solution using recursive calculation
US10547070B2 (en) 2018-03-09 2020-01-28 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. STL actuation-path planning
KR20200071255A (ko) * 2018-12-11 2020-06-19 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소 공급 제어 방법
CN109827866B (zh) * 2019-02-28 2022-05-10 东南大学 一种质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量及闭环控制方法
CN113707916B (zh) * 2021-07-23 2023-08-04 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池湿度估算方法及估算系统
CN115954509B (zh) * 2023-02-16 2023-06-02 江苏重塑能源科技有限公司 一种电堆入口湿度的计算方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1606187A (zh) * 2003-10-10 2005-04-13 现代自动车株式会社 用于燃料电池堆的温度/湿度控制系统及其方法
CN102110828A (zh) * 2009-11-19 2011-06-29 通用汽车环球科技运作公司 从电池堆平均hfr在线估计阴极进口和出口rh
CN102170005A (zh) * 2010-02-10 2011-08-31 通用汽车环球科技运作有限责任公司 恢复pem燃料电池堆的电压损失的方法和过程
CN103926535A (zh) * 2013-01-15 2014-07-16 通用汽车环球科技运作有限责任公司 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
CN104134809A (zh) * 2013-05-03 2014-11-05 福特全球技术公司 燃料电池系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7862935B2 (en) 2005-05-17 2011-01-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Management via dynamic water holdup estimator in a fuel cell
US8603688B2 (en) * 2010-10-27 2013-12-10 GM Global Technology Operations LLC Anode gas composition utilizing H2 injection pressure wave propagation rates
US20130252116A1 (en) 2012-03-21 2013-09-26 GM Global Technology Operations LLC Model Based Approach For In-Situ WVTD Degradation Detection In Fuel Cell Vehicles
US9502726B2 (en) 2013-03-14 2016-11-22 GM Global Technology Operations LLC Cathode humidification unit adapting degradation factor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1606187A (zh) * 2003-10-10 2005-04-13 现代自动车株式会社 用于燃料电池堆的温度/湿度控制系统及其方法
CN102110828A (zh) * 2009-11-19 2011-06-29 通用汽车环球科技运作公司 从电池堆平均hfr在线估计阴极进口和出口rh
CN102170005A (zh) * 2010-02-10 2011-08-31 通用汽车环球科技运作有限责任公司 恢复pem燃料电池堆的电压损失的方法和过程
CN103926535A (zh) * 2013-01-15 2014-07-16 通用汽车环球科技运作有限责任公司 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
CN104134809A (zh) * 2013-05-03 2014-11-05 福特全球技术公司 燃料电池系统

Also Published As

Publication number Publication date
DE102016117366A1 (de) 2017-03-30
CN106992310A (zh) 2017-07-28
US20170092972A1 (en) 2017-03-30
US9997795B2 (en) 2018-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106992310B (zh) 燃料电池堆端口的相对湿度估计器
Liu et al. Robust model-based fault diagnosis for PEM fuel cell air-feed system
US9985303B2 (en) Validation and correction of gen 2 anode H2 concentration estimation
Saleh et al. Simplified mathematical model of proton exchange membrane fuel cell based on horizon fuel cell stack
Pukrushpan et al. Control of fuel cell breathing
Yuan et al. A novel model-based internal state observer of a fuel cell system for electric vehicles using improved Kalman filter approach
US8470479B2 (en) Sensorless relative humidity control in a fuel cell application
Wang et al. Real-time control for air excess ratio of a PEM fuel cell system
US10329150B2 (en) Fuel cell system and method for determining purity level of hydrogen gas provided to an anode side of the fuel cell
Zhang et al. An Unscented Kalman Filter based on-line Diagnostic approach for PEM fuel cell Flooding
US7537848B1 (en) Method for model based exhaust mixing control in a fuel cell application
JP2006269223A (ja) 燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法
Matraji et al. Cascade control of the moto-compressor of a PEM fuel cell via second order sliding mode
JP2008293805A (ja) 燃料電池面内状態推定システム及び燃料電池面内状態推定方法
Hu et al. Model-based estimation of liquid saturation in cathode gas diffusion layer and current density difference under proton exchange membrane fuel cell flooding
Liu et al. Nonlinear observer design for PEM fuel cell power systems via second order sliding mode technique
Kazmi et al. Parameter estimation of proton exchange membrane fuel cell system using sliding mode observer
Piffard et al. Control by state observer of PEMFC anodic purges in dead-end operating mode
US20050175871A1 (en) Recursive kalman filter for feedback flow control in pem fuel cell
CN114300712A (zh) 用于确定燃料电池系统的状态的设备和计算机实现的方法
US9564648B2 (en) Anode leak location detection
US9172103B2 (en) Transient inlet relative humidity estimation via adaptive cathode humidification unit model and high frequency resistance
Baroud et al. Algebraic observer design for PEM fuel cell system
CN115832368A (zh) 测量或控制燃料电池堆过量氢气流量的系统和方法
Liu et al. Differential flatness-based observer design for a PEM fuel cell using adaptive-gain sliding mode differentiators

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant