CN110635156B - 用于燃料电池水管理的闭环控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于维持燃料电池的目标电化学阻抗(ECI)的方法，该目标电化学阻抗对应于燃料电池的目标水合状态。该方法包括基于电流运行条件确定燃料电池的目标电化学阻抗(ECI)。该方法进一步包括确定燃料电池的实际ECI并将实际ECI与目标ECI进行比较。该方法进一步包括基于实际ECI与目标ECI的偏差，调节到达燃料电池的阴极流。

Description

用于燃料电池水管理的闭环控制
相关申请
本申请要求于2018年06月22日提交的美国临时申请号62/688,991的权益，该美国临时申请通过引用结合到本文中。
技术领域
本公开内容涉及在运行期间管理电化学电池、尤其是氢燃料电池的水合状态，更具体地，涉及通过测量和使用燃料电池堆中的每个电池的电化学阻抗 (electrochemicalimpedance,ECI)而管理氢燃料电池堆中的水合状态的系统和方法，以优化燃料电池性能。
背景技术
燃料电池系统将燃料的化学能转化为电能。对于氢燃料电池，主要副产物是水。燃料电池中的水含量影响该燃料电池的性能，并且可以主要通过阴极流系统而被控制。虽然本公开内容主要涉及氢燃料电池，但本公开内容的概念可以应用于其他合适的燃料电池和电化学电池。
燃料电池堆由串联连接在一起的多个燃料电池组成。氢燃料电池包括膜-电极组件，该膜-电极组件包含质子通过的电解质膜。阴极层和阳极层形成在电解质膜的相对侧上，并且通常形成为催化剂层，诸如氢的燃料和诸如氧的氧化剂在催化剂层彼此反应。气体扩散层形成在阴极和阳极的表面上。具有各自流场的分离器定位在气体扩散层附近，通过该分离器将燃料和氧化剂分别供应到阳极和阴极。燃料电池堆的部件包含在两个端板之间，以将所有部件保持在堆内。
对于氢燃料电池堆中的每个燃料电池，通过经由催化剂层的化学反应，氢和氧离子化。氧化反应在阳极发生，以产生氢离子和电子。氢离子通过电解质膜迁移到阴极，同时电子通过导体移动到阴极。由于氢离子通过电解质膜迁移到阴极以及电子移动到阴极，与氧离子的还原反应在阴极发生，该还原反应产生水和热。氢离子的移动还引发了在导线中流动的电流。
氢燃料电池的性能受燃料电池中的水的量和分布的影响。过多的水可能导致性能恶化，然而由于燃料电池的干涸而导致过少的水，也一样可能导致性能恶化。过多的水的极端情况可能导致燃料电池溢流，该溢流使得燃料电池无法使用。即使没有溢流，水位管理不善不仅会导致性能恶化，而且可能会缩短燃料电池的使用寿命。已经发现电化学阻抗(ECI)与燃料电池的水合状态很好地相关，更重要的是与性能相关。本公开内容涉及闭环动态系统，该闭环动态系统配置为实现电化学阻抗的高度连续控制。
典型的工业实践是使用开环控制系统而运行PEM燃料电池。燃料电池开环控制系统会测量堆冷却剂温度、环境条件、阴极流和堆电流。根据这些测量，开环系统将必要的阴极流确定为水管理的估计。然而，开环控制系统不具有验证水合状态的机制。Boskoski、Debenjak和Boshkoska提出了一种通过快速电化学阻抗谱(Electrochemical ImpedanceSpectroscopy,EIS)测量燃料电池实时水合状态的方法。在2017年，P.Boskoski、A.Debenjak和B.Boshkoska在Springer发表了快速电化学阻抗谱。这种方法不是最优的，因为该方法需要计算密集型设备以执行所需的高速测量和计算，以确定燃料电池层全阻抗谱，对工业燃料电池应用而言是不实用的。
发明内容
在一方面，本公开内容涉及一种确定燃料电池的电化学阻抗(ECI)的方法。该方法可包括：验证燃料电池的稳定运行条件，测量由燃料电池输出的电流并记录第一电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第一电压值，干扰从燃料电池输出的电流，验证由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压在电流干扰后已稳定，测量由燃料电池输出的电流并记录第二电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第二电压值，以及通过将第一电压值和第二电压值之间的差值除以第一电流值和第二电流值之间的差值而确定燃料电池的ECI，其中ECI是燃料电池的水合状态的指标。
在一些实施例中，该方法可包括在燃料电池运行期间重复该方法的步骤，以随时间监控燃料电池的水合状态。在一些实施例中，运行条件包括通过燃料电池的阴极流速、通过燃料电池的阳极流速、燃料电池的温度、由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压。在一些实施例中，验证运行条件是稳定的包括：验证通过阴极的流波动小于或等于约7％，验证阳极燃料压力波动小于或等于约10％，验证燃料电池堆温度波动小于或等于约0.2％，验证由燃料电池输出的电流波动小于或等于约5％，以及验证燃料电池两端的电压波动小于或等于约1％。在一些实施例中，干扰来自燃料电池的输出包括命令连接到燃料电池的DC/DC转换器改变燃料电池的电流输出。在一些实施例中，ECI是直流阻抗或ECI是单频ECI。在一些实施例中，单频ECI的频率大于约1000Hz。在一些实施例中，使用连接到燃料电池的模拟电路测量燃料电池的单频ECI的包络和相位。在一些实施例中，燃料电池是构成燃料电池堆的多个燃料电池中的一个。
在另一方面，本公开内容涉及一种识别燃料电池的目标电化学阻抗(ECI) 的方法，该目标电化学阻抗(ECI)对应于燃料电池的目标水合状态。该方法可包括：在横跨阴极流速的范围下确定燃料电池的ECI，在横跨阴极流的范围下确定ECI的变化率，以及将燃料电池的目标ECI识别为在ECI的变化率的变化是最大的点上的ECI。
在一些实施例中，在维持燃料电池的冷却剂温度和从燃料电池输出的电流稳定的同时，在横跨阴极流速的范围下确定燃料电池的ECI。在一些实施例中，该方法可以进一步包括通过在电流范围和冷却剂温度范围下重复该方法，产生一组目标ECI值。在一些实施例中，在每个阴极流确定燃料电池的ECI可包括：验证燃料电池的稳定运行条件，测量由燃料电池输出的电流并记录第一电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第一电压值，干扰从燃料电池输出的电流，验证由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压在电流干扰后已稳定，测量由燃料电池输出的电流并记录第二电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第二电压值，以及通过将第一电压值和第二电压值之间的差值除以第一电流值和第二电流值之间的差值而确定燃料电池的ECI。
在另一方面，本公开内容涉及一种用于维持燃料电池的目标电化学阻抗(ECI) 的方法，该目标电化学阻抗(ECI)对应于燃料电池的目标水合状态。该方法可包括：基于电流运行条件确定燃料电池的目标电化学阻抗(ECI)，确定燃料电池的实际ECI，将实际ECI与目标ECI进行比较，以及基于实际ECI与目标ECI 的偏差调节到达燃料电池的阴极流。
在一些实施例中，所考虑的运行条件是由燃料电池输出的电流和燃料电池的冷却剂出口。在一些实施例中，用于确定燃料电池的实际ECI的方法包括：验证燃料电池的稳定运行条件，测量由燃料电池输出的电流并记录第一电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第一电压值，干扰从燃料电池输出的电流，验证由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压在电流干扰后已稳定，测量由燃料电池输出的电流并记录第二电流值，测量燃料电池两端的电压并记录第二电压值；以及通过将第一电压值和第二电压值之间的差值除以第一电流值和第二电流值之间的差值，确定燃料电池的ECI。在一些实施例中，确定燃料电池的目标ECI 的方法包括：在横跨阴极流速的范围下确定燃料电池的ECI，在横跨阴极流的范围下确定ECI的变化率，以及将燃料电池的目标ECI识别为在ECI的变化率的变化是最大的点上的ECI。在一些实施例中，控制器配置为利用闭环控制系统确定对到达燃料电池的阴极流的调节，并且其中闭环控制系统包括前馈回路和反馈回路，该前馈回路从燃料电池的电流的测量到达阴极流，该反馈回路基于实际 ECI到达阴极流。在一些实施例中，基于实际ECI的反馈回路配置为增强闭环控制系统的瞬态行为。在一些实施例中，当燃料电池的电流保持稳定时，阴极流和目标ECI将保持稳定，从而提供准线性化以促进利用闭环控制系统。在一些实施例中，控制器配置成使得阴极流和目标ECI对电流变化的瞬态响应时间是基于反馈回路的幅度而能够调节的。在一些实施例中，控制器配置为通过利用闭环控制系统的频域和时域表示而预测闭环控制系统的瞬态行为。在一些实施例中，当电流恒定时，频域表示反映阴极流和实际ECI之间的关系是线性且时不变的系统。在一些实施例中，闭环控制系统利用三个经过测量的系统参数，该系统参数取决于燃料电池的电流和控制器选择的至少三个控制参数，以便实现将实际ECI调节到目标ECI的目的。在一些实施例中，使用闭环控制系统的频域表示而确定控制参数。在一些实施例中，闭环控制系统进一步包括从ECI到燃料电池的电流的反馈回路。
在另一方面，本公开内容涉及一种燃料电池系统。燃料电池系统可包括燃料电池、电流传感器、电池电压监控器、温度传感器、阴极流传感器和阳极压力传感器。燃料电池系统可进一步包括氧化器系统和控制器，该氧化器系统配置为将阴极流供应到燃料电池的阴极，该控制器配置为：确定燃料电池的电化学阻抗 (ECI)(该电化学阻抗表示燃料电池的水合状态)，识别燃料电池的目标ECI(该目标ECI对应于燃料电池的目标水合状态)，以及基于ECI与目标ECI的偏差，调节到达燃料电池的阴极流。
在一些实施例中，控制器配置成利用闭环控制系统确定对到达燃料电池的阴极流的调节；并且其中闭环控制系统包括前馈回路和反馈回路，该前馈回路从燃料电池的电流的测量到达阴极流，该反馈回路基于ECI到达阴极流。在一些实施例中，基于ECI的反馈回路配置为增强闭环控制系统的瞬态行为。在一些实施例中，当燃料电池的电流保持稳定时，阴极流和目标ECI将保持稳定。在一些实施例中，控制器配置成使得阴极流和目标ECI对电流变化的瞬态响应时间是基于反馈回路的幅度而能够调节的。在一些实施例中，控制器配置为通过利用闭环控制系统的频域和时域表示而预测闭环控制系统的瞬态行为。在一些实施例中，当电流恒定时，频域表示反映阴极流和ECI之间的关系是线性且时不变的系统。在一些实施例中，闭环控制系统利用三个经过测量的系统参数，该系统参数取决于燃料电池的电流和控制器选择的至少三个控制参数，以便实现将ECI调节到目标 ECI的目的。在一些实施例中，使用闭环控制系统的频域表示而确定控制参数。在一些实施例中，闭环控制系统进一步包括从ECI到燃料电池的电流的反馈回路。
应当理解的是，前述的一般性描述和以下的详细描述都仅是示例性和说明性的，并非限制本公开内容所要求保护的。
附图结合在本说明书中并构成本说明书一部分，示出了本公开内容的实施例，并与说明书一起用于解释本公开内容的原理。
附图说明
图1是根据示例性实施例的燃料电池堆系统的示意图。
图2是根据示例性实施例的用于确定燃料电池的电化学阻抗的方法的流程图。
图3A是根据示例性实施例的燃料电池的电流相对于时间的曲线图。
图3B是根据示例性实施例的燃料电池的电压相对于时间的曲线图。
图4是根据示例性实施例的在各种阴极流下燃料电池中的电化学阻抗相对于阴极流的曲线图。
图5是根据示例性实施例的用于控制燃料电池的阴极流以维持目标电化学阻抗的方法的流程图，该目标电化学阻抗对应于燃料电池的目标水合状态。
图6是根据示例性实施例的在各种阴极流下燃料电池中的在四个不同电流 (45A、65A、85A和125A)下的电化学阻抗相对于阴极流的曲线图。
图7是根据示例性实施例的开环控制系统的第一实施例的框图。
图8是根据示例性实施例的闭环控制系统的第一实施例的框图。
图9是根据示例性实施例的开环控制系统的第二实施例的框图。
图10是根据示例性实施例的闭环控制系统的第二实施例的框图。
图11是根据示例性实施例的闭环控制系统的第三实施例的框图。
图12是根据示例性实施例对于两个不同电流(85A和125A)的电化学阻抗相对于阴极流的曲线图。
具体实施方式
图1是根据示例性实施例的燃料电池堆系统10的示意图，燃料电池堆系统 10配置为维持燃料电池堆的目标水合状态。参照图1，系统10可包括燃料电池堆100和电流传感器140，燃料电池堆100向电子负载110提供电流，电流传感器140检测提供给电子负载110的电流并将表示提供给电子负载110的电流的信号发送至控制器120。可选地，可包括DC/DC转换器作为电子负载的组件。氧化剂系统130与控制器120连通并向燃料电池堆的阴极侧提供氧化剂，例如，含氧的大气。在示例系统中，氧化剂系统130可包括与燃料电池堆100流体连通的空气增流器，例如风扇或鼓风机。电池电压监控(CVM)150可监控燃料电池堆 100中的每个单独电池的电压，并将表示每个单独燃料电池的电压的信号发送至控制器120。温度传感器160可检测燃料电池冷却剂流体温度，并将表示冷却剂温度的信号发送至控制器120。压力传感器170可检测燃料电池的燃料压力，并将表示燃料压力的信号发送至控制器120。在一些实施例中，除了压力传感器170 之外或代替压力传感器170，可利用流传感器检测通过燃料电池堆100的阳极侧的燃料的流速。阴极流传感器180可检测通过阴极的氧化剂的流，并将表示流的信号发送至控制器120。
虽然图1和本公开内容参考了燃料电池堆100，应当理解的是，说明书同样适用于单个燃料电池。
参照图2和3，示出了用于测量燃料电池或例如燃料电池堆100的燃料电池的电化学阻抗(ECI)的示例性方法。可选地，在一些实施例中，ECI可以是真实(直流)阻抗。在一些实施例中，ECI可包括真实(直流)和虚构(交流)阻抗。在一些实施例中，如本申请将进一步讨论的，ECI可包括单频ECI。
如图2所示，该方法可以随着燃料电池堆100的激活或启动而开始(步骤 200)。从步骤200，控制器120可开始监控由阴极流传感器180测量的通过阴极侧的流，并确定该流是否稳定(步骤205)。当流没有波动超过预定量时，可以认为通过阴极的流是稳定的，例如，对于约300slpm的流而言每秒加上或减去约20标准升每分钟(slpm)，或者大约加上或减去约7％或更少。如果阴极流不稳定(步骤205：否)，则控制器120可返回到步骤205。如果阴极流稳定 (步骤205：是)，则控制器120可进行到步骤210。在步骤210，控制器120 可以确定由传感器170测量的阳极燃料的压力或流是否稳定。当阳极燃料的压力或流没有波动超过预定量时，可以认为阳极燃料的压力或流是稳定的，例如，对于约200mbar的阳极燃料压力而言每秒加上或减去约20毫巴(mbar)，或者大约加上或减去约10％或更少。如果阳极的压力或流不稳定(步骤210：否)，则控制器120可返回到步骤205。如果压力或流稳定(步骤210：是)，则控制器 120可进行到步骤215。在步骤215，控制器120可确定由温度传感器160测量的燃料电池堆100的温度是否稳定。当燃料电池堆(冷却剂)的温度没有波动超过预定量时，可以认为燃料电池堆(冷却剂)的温度是稳定的，例如，对于大约 55℃至大约65℃的温度而言每秒加上或减去约0.1摄氏度(℃)，或者大约加上或减去约0.2％或更少。如果温度不稳定(步骤215：否)，则控制器120可返回到步骤205。如果流稳定(步骤215：是)，则控制器120可进行到步骤220。步骤205、步骤210和步骤215这样运行，使得如果阴极流、阳极的压力或流以及冷却剂温度中的一个或多个是不稳定的，则控制器120可延迟确定燃料电池堆 100中的电池的ECI，直到阴极流、阳极的压力或流以及冷却剂温度都是稳定的。
在步骤220，控制器120可以延迟直到由传感器140测量的燃料电池堆100 输出的电流是稳定的。当电流没有波动超过预定量时，可以认为电流是稳定的，例如，对于大约40A到大约125A的电流而言，每秒加上或减去约2安培(A)，或者大约加上或减去约5％或更少。一旦电流稳定，控制器120可进行到步骤225。在步骤225，控制器120可以延迟直到由CVM150测量的燃料电池堆100两端的总电压是稳定的。当电压没有波动超过预定量时，可以认为电压是稳定的，例如，对于大约500mV至约800mV的电流而言，对燃料电池堆100中的所有电池平均地在每个电池每秒加上或减去约5毫伏(mV)，或者大约加上或减去约1％或更少。
一旦电压稳定，控制器120可进行到步骤230。在步骤230，控制器120可读取并记录由传感器140测量的燃料电池堆100输出的电流，该电流可由点300 (图3A)表示。在步骤235，控制器120可读取并记录由CVM 150测量的燃料电池堆100中的每个电池两端的电压，该电压可由点320(图3B)表示。
在步骤240，控制器120可干扰通过燃料电池堆100的电流，例如，通过命令DC/DC转换器改变电流。可选地，通过使用串联连接在整个燃料电池堆100 的电阻器和继电器并根据需要打开和关闭继电器，或者通过任何其他合适的方式，可以改变电流。在步骤245，控制器120可以延迟直到由传感器140测量的燃料电池堆100输出的电流是稳定的。当电流没有波动超过预定量时，可以认为电流是稳定的，例如，大约加上或减去约5％或更少。一旦电流稳定，控制器120可进行到步骤250。在步骤250，控制器120可以延迟直到由CVM 150测量的燃料电池堆100两端的总电压是稳定的。当电压没有波动超过预定量时，可以认为电压是稳定的，例如，大约加上或减去约1％或更少。
在步骤255，控制器120可读取并记录由传感器140测量的燃料电池堆100 输出的电流，该电流可由点310(图3A)表示。在步骤260，控制器120可读取并记录由CVM 150测量的燃料电池堆100中的每个电池两端的电压，该电压可由点330(图3B)表示。
在步骤265，控制器120可确定燃料电池堆100中的每个电池的电化学阻抗 (ECI)。例如，控制器120可将点320和点330之间的每个电池的电压的差除以点300和点310之间的电池的电流差，这将为燃料电池堆100中的每个电池提供ECI。然后，只要燃料电池堆100产生电流，就可以重复该过程，以便继续监控燃料电池堆100的ECI。
在一些实施例中，可以利用单频ECI而非直流(DC)ECI，该单频ECI可提供优于DC-ECI的一些优点。例如，较高频率(例如，大于约1000Hz)的单频ECI可产生比DC-ECI更快的测量。此外，单频ECI可提供比DC-ECI更多的信息。例如，单频ECI提供两个值，包络和相位，而DC-ECI提供单个值。在一些实施例中，相位可用于瞬时解决可能在“太湿”和“太干”状态之间出现的不确定性，而DC-ECI可能需要在一段时间内进一步测量。
为简单起见，针对单电池的燃料电池，首先将描述单频ECI的实现。在时间 t来自燃料电池的电流可以表示为i(t)，其可以由下面的等式(1)表示：
i(t)＝I(t)+i0cos(2πf0t) (1)
其中I(t)表示负载电流，i0表示小正弦探头电流的幅度，f0表示以Hz为单位测量的正弦波的频率。在时间t电池两端的电压可表示为v(t)。电压v(t)可在频率f0下具有正弦分量，因此v(t)可由下面的等式(2)表示：
Figure BDA0002101839020000081
为了使等式(2)更精确，正弦分量可凭经验定义为与频率f0相比具有小带宽(例如，在1％下为-20db)的窄带滤波器的输出。实际上，v0和
Figure BDA0002101839020000082
都不是常数，而是t的缓慢变化的函数(即，v0(t)和
Figure BDA0002101839020000091
)。因此，在频率f0下的燃料电池的单频电化学阻抗(ECI)z(t)可由下面的等式(3)表示：
Figure BDA0002101839020000092
其中已知A(t)＝(v0(t)/i0)为z(t)的包络，而
Figure BDA0002101839020000093
为该z(t)的相位。例如通过使用无线电和信号处理技术中常见的模拟电路，ECI的包络和相位都可被简单快速地测量。
尽管针对单电池的燃料电池解释了该单频ECI技术，但该技术可用于包括多个电池的燃料电池堆。在一些实施例中，可以利用每个电池的电流和电压的并行测量。然而，对于具有大量电池的燃料电池堆，该并行测量可能不是实用或成本有效的方式。有几种解决这些潜在缺点的选择。例如，可以执行各个电池的电压的复用。在一些实施例中，可以将电池分成组，并且可以执行组之间的采样。在一些实施例中，还可以利用与一些并行测量信道的时分复用。
燃料电池堆100中的燃料电池的阻抗的测量可提供关于燃料电池的水合状态的信息。例如，图4是示出根据燃料电池堆100的示例性实施例的阴极流与电化学阻抗的关系的曲线图。如图4所示，如果燃料电池堆100的阴极流从大的流减少至逐渐变小的流，同时将由传感器160测量的冷却剂的温度保持在稳定值，并将由传感器140测量的通过燃料电池堆100的电流保持在稳定值，如在步骤 265中针对由传感器180测量的阴极流而确定的每个电池的阻抗，可以被观察到在第一斜率处减少，然后在某个流下变为第二斜率。换言之，ECI的变化率呈现出变化。该斜率或变化率的变化或最大变化在图4中标识为点400。在点400下的阻抗被认为与燃料电池堆100的目标水合状态相关，该目标水合状态提供了增强的性能。因此，对于由传感器140测量的给定的电流和由传感器160测量的冷却剂温度，在点400下的阻抗可被识别为燃料电池堆100中的所有电池的目标阻抗值。在一些实施例中，对于所有预期的运行燃料电池堆的电流和冷却剂温度，可以重复识别目标阻抗的过程，以产生一组针对所有预期运行条件的目标阻抗值。
利用为燃料电池堆100识别的目标阻抗，控制器120可配置成控制系统10 的操作(例如，阴极流速)，以便将燃料电池堆100维持在目标阻抗。例如，图 5中示出了用于控制燃料电池堆100的阴极流以维持目标阻抗的示例性方法。该方法可随着燃料电池堆100激活或启动而开始(步骤500)。在步骤510，控制器120可基于由传感器140测量的电流和由传感器160测量的冷却剂温度而识别目标ECI，例如，如上面参考图4所述的。在步骤520，控制器120可测量燃料电池堆100中的每个电池的ECI(例如，如从图2-步骤265获得的)，并将平均 ECI减去两个标准偏差与在步骤510识别的目标ECI进行比较。可以使用与测量的ECI有关的其他值，例如，平均ECI、最高ECI、最低ECI或其他合适的值。在步骤530，控制器120可确定平均ECI减去两个标准偏差是否大于目标ECI，或者可选地，是否大于目标ECI加上预定量。如果平均ECI减去两个标准偏差大于目标ECI(步骤530：是)，则控制器120可命令氧化器系统130减少阴极流(步骤540)。如果平均ECI减去两个标准偏差不大于目标阻抗(步骤530：否)，则控制器120可进行到步骤550。在步骤550，控制器120可确定平均ECI 减去两个标准偏差是否小于目标ECI，或者可选地，是否小于目标ECI减去预定量。如果平均ECI减去两个标准偏差小于目标ECI(步骤550：是)，则控制器 120可命令氧化剂系统130增加阴极流(步骤560)。如果平均ECI减去两个标准偏差不小于目标阻抗(步骤550：否)，则控制器120可命令氧化器系统维持阴极流(步骤570)。只要燃料电池堆100产生电流，就可以重复该过程。
与图4相似，图6是示出根据燃料电池堆100的示例性实施例的阴极流与 ECI的关系的曲线图。然而，图6示出在四个不同电流水平(45A、65A、85A 和125A)下ECI相对于阴极空气流的凭经验的测量。实线是凭经验的测量的近似值。如图6所示，对于每个电流，曲线图示出了峰值，在峰值处的运行条件可对应于在该电流下运行时燃料电池堆100的目标水合状态。如图6所示，四个不同电流的峰值对准以形成由虚线表示的峰值线410。根据示例性实施例，为了维持目标水合状态(即，防止燃料电池堆100的溢出或干涸)，控制器120可配置成控制阴极空气流，使得ECI维持在峰值线410处或附近。
电流的增加使ECI负得更多并表示更多的水正在产生。阴极流的增加使ECI 负得较小并表示更少的水在堆中，而阴极流的减少表示更多的水。如本文所述，本公开内容的意见是提供一种控制系统，该控制系统通过在电流和堆温度在运行期间不论环境条件变化时维持目标水合状态而增强燃料电池堆的性能。假设ECI 是水合状态的良好指标，这意味着控制ECI。控制ECI的一种方式是调节阴极流。以下示例描述了控制器120可利用以控制阴极空气流的控制系统，以便将阻抗 (ECI)维持在峰值线410(即，目标ECI)处或附近，从而维持燃料电池堆100 的目标水合状态。
不例1
示例1描述了开环控制系统，该开环控制系统由图7中的框图表示。根据示例1，控制方法可利用四个时变实体：(a)从燃料电池堆输出的电流，(b)根据从每个电池的电压计算的ECI，(c)燃料电池堆温度，以及(d)输入到堆的阴极流。假设温度对于示例1而言保持恒定。示例1的控制系统利用阴极流以控制 ECI，从而控制电化学电池100的水合状态。在其他实施例中，也可以实施电流控制。一般而言，示例1的控制系统通过确定是否有任何电池具有大于或小于目标ECI的ECI并且可选地具有大于或小于目标ECI加上或减去预定量的ECI，接着通过相应地调节阴极流以纠正ECI而运行。
示例1的系统变量可根据与参考运行点的偏差而定义如下：
x(t)＝(在t处的电流)＝85A
y(t)＝(在t处的气流)＝180slpm(在标准大气条件下空气的每分钟升数)
z(t)＝(在t处的目标电池ECI)＝-2mΩ
可以假设在x(t)的变化与z(t)的相应变化之间存在直接且线性的关系，而且没有延迟。阴极流的变化和导致的ECI的变化之间的关系由线性且时不变的系统建模。这意味着z(t)可由下面的等式(4)表示：
Figure BDA0002101839020000111
其中h(.)表示脉冲响应。给定t0＝0，等式(4)中描述的关系可概念化为如图7所示的框图。
函数H(s)可称为系统函数或传递函数。该函数H(s)是脉冲响应h(t)的拉普拉斯变换，即如下面的等式(5)所示：
Figure BDA0002101839020000112
X(s)、Y(s)和Z(s)可分别定义为x(t)、y(t)和z(t)的拉普拉斯变换。因此，等式(4)可用下面的代数方程(6)代替：
Z(s)＝KX(s)+H(s)Y(s) (6)
如果假设运行条件为：电流＝85A，阴极流＝180slpm，以及ECI目标＝-2m Ω，则可以推导出以下结果：
K＝-.02mΩA (7)
Figure BDA0002101839020000113
其中，a＝.05mΩ/slpm，且T＝80s。常数K、a和T可以是针对以上运行点测量的参数。实体之间的线性可限制到运行点的小区域。
示例2
示例2描述了闭环控制系统的第一实施例。基于直接来自电流测量的信号 (例如，前馈)，控制ECI可以通过调节阴极流而完成。该控制ECI也可以通过来自ECI测量的反馈而完成。这两种控制手段在如图8所示的框图中表示，其中K1和K2是设计参数，且假设为正。这意味着存在可以提供系统稳定性的负反馈。
就各种实体的拉普拉斯变换而言，我们可以用代数形式将图8中描绘的相互关系表达为等式(9)和等式(10)如下：
Y(s)＝K1X(s)-K2Z(s) (9)
Z(s)＝KX(s)+H(s)Y(s) (10)
这些等式可以从图8中的两个求和点导出。针对Y(s)和Z(s)，可以求解等式 (9)和等式(10)，并且得到等式(11)和等式(12)如下：
Figure BDA0002101839020000121
Figure BDA0002101839020000122
利用等式(8)给出的H(s)，可以将该H(s)结合以得到等式(13)如下：
Figure BDA0002101839020000123
乘积(product)K2a表示围绕反馈回路y→z→y的增益，可能有用的是，将K2a定义为单个参数如下：
β＝K2a (14)
这将称为循环增益。现在，等式(11)和等式(12)可被简化如下：
Figure BDA0002101839020000124
Figure BDA0002101839020000125
可以假设电流在足够的时间之后达到稳定状态。这意味着：
x(t)→x∞t→∞
通过分别用h1和h2表示对应于H1和H2的脉冲响应(逆拉普拉斯变换)，得到下面的等式(17)和等式(18)：
Figure BDA0002101839020000126
Figure BDA0002101839020000127
如果遵循t→∞的话，
Figure BDA0002101839020000131
Figure BDA0002101839020000132
从t＝0处的参考设置开始，y(0)和z(0)都是0。使用等式(15)和等式(16)，得到等式(21)和等式(22)如下：
Figure BDA0002101839020000133
Figure BDA0002101839020000134
可以注意到的是，对于示例2的闭环配置，如图8所示，如果电流达到稳态值，那么阴极流和ECI都将如此。这可称为调节器特性。
现在可以观察到的是，如果
Figure BDA0002101839020000135
则z∞＝0。这意味着无论新的电流设置如何，只要设置如下，ECI就可以恢复到初始设置：
Figure BDA0002101839020000136
这可以称为强调节器特性。这是图8描绘的示例2的闭环控制系统的稳定性特性，其中K1的值由等式(23)给出。使用示例1的等式(7)和等式(8)中给出的值，我们得到了
K1＝0.4slpm/A (24)
以及
y∞＝K1x∞＝0.4x∞ (25)
例如，如果电流的新稳态值是125安培(x∞＝40)，那么新的平衡设置可以是：电流＝125安培，阴极流＝260slpm，ECI＝-1.5mΩ。要注意的是，实现强调节器特性不需要反馈回路。然而，反馈回路可增强瞬态行为。
例如，假设电流立即从85安培变为85安培+x∞。这意味着
x(t)＝0，t＜0 (26)
＝x∞，t≥0
x(t)的拉普拉斯变换是
X(s)＝x∞/s (27)
如果新参数定义如下：
Figure BDA0002101839020000137
那么可以写出等式(29)和等式(30)如下：
Figure BDA0002101839020000138
Figure BDA0002101839020000139
如果电流变化为40A，那么我们可以获得气流和ECI的瞬态响应：
y(t)＝16[1+βe-αt] (31)
z(t)＝-0.8e-αt (32)
增加β将使z(t)更快地返回到0。例如，如果β＝0，则ECI将在80s内返回到约-2.3mohm，但是当B＝9时，可以在十分之一的时间内达到ECI中的相同值。
系统的开环(图7)和闭环(图8)表示都是基于一些简化假设的模型。这些示例旨在充分捕获底层交互以产生有效的闭环控制。
一个假设是系统的线性度。图7中所示的开环系统是线性且时不变的。物理状况表明，时不变不存在问题。线性度是部分基于固定电流的ECI相对于阴极流的测量。图12中描绘了预期结果的合理近似值。等式(26)直至等式(32)的示例的瞬态行为所采用的路径被表示。如图12所示，ECI和阴极流之间的关系在很大的运行范围内是非常线性的，但并非完全如此。对于瞬态示例，路径完全是线性的。然而，斜率取决于电流。这是非线性度的表示。这可能表明的是，对于电流为125A的瞬态分析，为处于85A的电流预估的参数a的值过高。在系统模型的未来改进中，可以尝试包括这种效果。但是，我们的控制系统的整体效果似乎没有受到影响。
另一个假设是燃料电池堆的电流、阴极流和ECI是非常非线性的，但可能是时不变的，因为与主要的相互作用的动力学相比，环境条件变化缓慢。非线性动力系统可能是难以分析的。但幸运的是，代表(电流、阴极流和ECI)的空间局部区域的线性近似值证明是非常有效的。利用稳定电流，阴极流和电流之间的关系是线性的，而且所得到的准线性化促进使用频域技术以对闭环系统建模。
另一个假设是电流的增加对ECI的影响是瞬时的。这不完全准确，因为产生水需要时间。然而，据信所涉及的时间常数将比阴极流与ECI的关系中假设的短得多。因此，假设电流对ECI的瞬时影响是合理的。此外，任何延迟都将难以测量并且对本文所述的控制系统的性能影响极小。
另一个假设是阴极流对ECI的影响的长时间常数(80s)。时间常数的长度主要反映计算时间。尽管如此，系统中的控制可能取决于实际的ECI信号，并且可能采用在信号中看到的任何时间常数。在这方面可以通过注入正弦探测电流 (例如，以100Hz)并检测最差电池上的正弦电压而进行改进。由简单模拟电路几乎瞬时产生的电压的包络直接测量ECI而不进行计算(参见例如，本文所讨论的单频ECI的讨论)。这种布置可使控制系统更具响应性。如果得到的时间常数与电流-ECI相互作用的时间常数相当，则结果将是较低水平的瞬态ECI和更快地将ECI恢复到规定的设定点。由此产生的改进可扩大水管理对系统施加的运行限制。
示例3
示例3描述了另一种开环控制系统。示例3的系统变量定义为：
x＝电流-85A
y＝气流-185lpm
z＝ECI-(-1.95mohm)
返回参考图6，峰值线410的近似值可以是：
y＝2x (33)
z＝.01x (34)
这反过来可以意味着：
z＝.005y (35)
三个系统变量的关系可在这三个系统变量随时间变化时建模。时间变化可以由x(t)、y(t)、z(t)表示。如果假设x(t)＝x是常数，那么y(t)和z(t)之间的动态关系可由线性且时不变的系统表示。系统的框图描绘如图9所示。在图9中，不利用时间变量t帮助说明框图是频域表示。包含k的块可表示具有等于k的增益的放大器。包含H(s)的块可表示具有由下面的等式(36)表示的传递函数的低通滤波器：
H(s)＝a/(1+sT) (36)
只要当电流恒定时利用图9的控制系统，三个参数k、a和T可以是常数。示例4
示例4描述了闭环控制系统，该闭环控制系统由图10中的框图表示。示例 4通过添加三个放大器和各种连接将示例3的控制系统转换为闭环控制系统，该连接包括从ECI到阴极气流的反馈回路。对于示例4，参数：k、a和T可以是经过测量的量并且可以取决于电流的x。参数：k1、k2和k3可以是为实现控制目标而选择的控制参数。如图10所示，在低通滤波器H(s)之前已经并入了具有增益k3的放大器。系统变量u(.)也已经被添加，该系统变量u(.)将用于本文进一步描述的时域表示。
可以通过使用频域分析而计算控制参数，以组合系统的各个部分。这可以通过引入实体x(.)、y(.)和z(.)的如下拉普拉斯变换而完成：
Figure BDA0002101839020000161
Figure BDA0002101839020000162
Figure BDA0002101839020000163
使图10中两个求和点处的输出与输入相等，得到：
Y(s)＝k1X(s)-k2Z(s) (40)
Z(s)＝kX(s)+k3H(s)Y(s) (41)
这可以根据X(s)立即求解Y(s)和Z(s)。解法的形式为：
Y(s)＝G1(s)X(s) (42)
Z(s)＝G2(s)X(s) (43)
其中
Figure BDA0002101839020000164
因此，在时域中：
Figure BDA0002101839020000165
其中gi是Gi的逆拉普拉斯变换，并且可称为脉冲函数。当x(t)＝x是常数时，这会导致：
Figure BDA0002101839020000166
由下面的等式给出稳态值：
Figure BDA0002101839020000167
从等式(33)和等式(34)我们知道的是，如果我们希望稳态值落在峰值线上，那么我们必须有
Figure BDA0002101839020000168
结合等式(44)、等式(47)和等式(48)并注意H(0)＝a，得到：
Figure BDA0002101839020000171
根据等式(49)：
k1＝2+.01k2 (50)
k3a＝.01-k (51)
可能有用的是，将反馈回路增益引入如下：
β＝k2k3a (52)
作为衡量反馈的程度的独立参数。等式(50)和等式(51)接着得到：
Figure BDA0002101839020000172
Figure BDA0002101839020000173
a和k都取决于电流。根据85安培(x＝0)的电流的测量
k(0)＝-.02mohm/amp anda(0)＝.05mohm/lpm
于是，
Figure BDA0002101839020000174
k3(0)＝.6 (56)
k(x)和a(x)的一般形式可能是未知的，而且可能需要从凭经验的测量和建模中确定。
各种系统参数的情况可归纳如下：存在两个依赖于电流的参数k(x)和a(x)。存在可调整以设置反馈水平的独立参数β。图10中的所有其他参数可根据这三个参数完全确定。
动态系统的标准时域表示可以是通过使用状态变量。出于本公开内容的目的，对状态变量的合适选择是实体u(.)，如图10所示，作为低通滤波器H(s)的输出。根据等式(36)，可以确定等式(57)：
Figure BDA0002101839020000175
考虑图10中求和点处的输入和输出，允许消除y(t)和z(t)单独获得u(t)和 x(t)的等式。在通过使用等式(51)至等式(53)进行简化时，该等式具有以下形式：
Figure BDA0002101839020000176
其中可以明确地包括k的电流依赖性。
根据凭经验的观察，我们注意到的是，时间常数T随电流变化非常小，因此我们应假设该时间常数T是近似值为80秒的常数。结果是，通过引入参数可以进一步简化等式(58)：
Figure BDA0002101839020000181
等式(58)可以改写为：
Figure BDA0002101839020000182
这是状态等式，该状态等式可满足状态表示的要求，即只有状态变量被区分。我们还可写出如图8所导出的输出等式如下：
Figure BDA0002101839020000183
在ECI闭环控制系统的标准状态表示中，等式(60)是状态等式，等式(61) 是输出等式。因为k(x(t))的存在，该表示是用于非线性系统。然而，对等式(60) 和等式(61)的检查揭示出非线性度可能只是表面的，而且可以被转换掉。这是有利的，因为它揭示了在处理之后，ECI闭环系统可表示为时间变且线性的系统，对于该系统，可以通过频域分析完全确定任何条件下的动态。所以，现在可以明确预测电流的任何变化对ECI和气流的影响。
为了表明控制系统可以完全表示为时不变且线性的系统，接下来的变量的变换可以被定义如下：
v(t)＝(.01-k(x(t)))x(t) (62)
w1(t)＝(.01-k(x(t)))y(t) (63)
w2(t)＝z(t)-.01x(t) (64)
通过将u(t)作为状态，v(t)作为输入，并且(w1(t)，w2(t))作为输出，状态- 输入-输出的方程可以写为：
Figure BDA0002101839020000184
Figure BDA0002101839020000185
应注意的是，状态变量u(t)在燃料电池内部，因此可能无法物理上访问。因此，由等式(65)和等式(66)描述的线性时不变系统仅是用于分析的模型，并且可能不适合于物理上重新排列控制系统。因此，图10是ECI闭环控制系统的优选的表示。尽管如此，等式(65)和等式(66)连同由等式(62)-(64)给出的变换可以提供强大的工具，该工具可用于在任何负载条件下预测闭环系统的全局行为。
在示例4的闭环系统的物理配置中，存在五个参数：k、a、k1、k2、k3。前两个a和k是在固定电流水平下测量的物理参数。我们引入反馈回路增益β作为独立的正参数，可以调整该参数以实现所需的反馈量。然后根据a、k和β计算参数ki，以实现在平衡时驱动(气流、ECI)到峰值线410的目的。ki的公式可表示如下：
Figure BDA0002101839020000191
Figure BDA0002101839020000192
Figure BDA0002101839020000193
所有这些参数都取决于电流。k对电流的依赖性可能对闭环控制系统的实现和分析而言都是重要的计算。对于一系列增加的电流水平：x1，x2，...，ECI和气流可被测量和绘制，这可使得能够收集以下数据：
电流＝xi
观察到的ECI的峰值＝zp(xi)
ECI峰值处的气流＝yp(xi)
观察到的ECI的最小值＝zm(xi)
最小ECI处的气流＝ym(xi)
可以绘制由斜率λ(xi)和截距μ(xi)定义的、连接(ym(xi)，zm(xi))和 (yp(xi)，zp(xi))的线。该线的等式是：
λty+z＝μ (70)
为了计算k(xi)，可以假设系统处于(xi，yp(xi)，zp(xi))，并且电流从xi瞬间增加到xi+1。由于气流不会瞬间改变，系统可以移动到对应于yp(xi)的xi+1的线上的点。k(xi)的值可以由导致的ECI的变化除以电流的变化而给出如下：
k(xi)＝[λ(xi+1)yp(xi)+μ(xi+1)-zp(xi)]/(xi+1-xi) (71)
以下的计算是基于下面的图表1中的数据：
Figure BDA0002101839020000194
Figure BDA0002101839020000201
虽然我们只有3个k(x)值以得出一般性结论，但这3个点接近于直线，该直线具有等式：
k(x)＝-.016+.0031x (72)
因此，该公式可用于闭环系统的时域模型中。时域公式的优点是可以计算对任何电流x(t)的响应。例如，等式(65)可重写为：
Figure BDA0002101839020000202
整合两侧，得到：
Figure BDA0002101839020000203
以及
Figure BDA0002101839020000204
将等式(62)结合到等式(75)中得到：
Figure BDA0002101839020000205
根据等式(63)、等式(64)和等式(66)，可以获得等式(77)和等式(78) 如下：
Figure BDA0002101839020000206
以及
z(t)＝u(t)+k(x(t))x(t) (78)
等式(76)-(78)为示例4的ECI闭环系统完成了状态-输出-输入关系的显式表达。
示例5
示例5描述了闭环控制系统，该闭环控制系统由图11中的框图表示。示例 5类似于示例2的控制系统，只不过示例5添加了从ECI到电流的附加反馈回路。对于示例5，参数：k、a和T可以是经过测量的量，并且可以取决于电流x。参数： k1、k2、k3和k4可以是可调节以实现控制目标的控制参数。如图11所示，在低通滤波器H(s)之前已经并入具有增益k3的放大器。此外，具有增益-k4的放大器已经并入从ECI到电流的反馈回路中。
对于示例5，系统变量可以定义如下：
x(t)＝(在t处的电流)＝85A
y(t)＝(在t处的气流)＝180slpm
z(t)＝(在t处的目标电池ECI)＝-2mΩ
系统变量可以根据固定的运行点测量。如上所述，函数H(s)可称为系统函数或传递函数，并且可以如以上参考示例2所解释的导出，这可以得到：
Figure BDA0002101839020000211
其中，a＝.05mΩ/slpm，T＝80s。常数K、a和T可以是针对上述运行点测量的参数。
当利用示例5的控制系统时，如果将-k4设置为零，则将不存在从ECI到电流回路的反馈。添加该电流反馈回路可以使电流减小，并且还能减小时间常数，这应该改善系统的响应时间。
如本文所述，这些闭环控制系统已被构造为用于三个变量之间的相互作用，这三个变量是：从燃料电池堆中汲取的电流、阴极流和堆中的电池的ECI。控制器120可以执行本文描述的闭环控制系统，以便维持燃料电池堆100的目标水合状态。本文描述的闭环控制系统具有很多好处。例如，它们不需要高速的测量和计算，也不需要昂贵的计算密集型设备而确定ECI。
尽管本公开内容专注于基于燃料电池堆的ECI维持目标水合状态的控制系统，应当理解，在其他实施例中，控制系统可以利用除ECI之外的水合状态的其他指标。例如，电压、阴极湿度或其他合适的指标。
前文是使用特定术语和表达的本发明的示例性实施例的详细描述。在不脱离其精神和范围的情况下，可以进行各种修改和添加。因此，本发明不受上述术语和表达的限制，而且本发明不限于所示和所述的确切结构和运行。例如，所描述的燃料电池10的实施例可适用于各种电化学电池。类似地，本文所描述的电池和电化学堆的排列仅仅是示例性的，并且可以应用于一系列其他燃料电池配置。
此外，虽然本文已经描述了示例性实施例，但是在本公开内容的基础上，保护范围包括了具有等效的元件、修改、省略、组合(例如，跨越各个实施例的方面)、适应和/或改变的任何和所有实施例。权利要求中的元件将基于权利要求中采用的语言进行广义解释，并且不限于在本说明书中或在本申请的审查期间描述的示例，这些示例应被解释为非排他性的。此外，所公开的方法的步骤可以通过任何方式被修改，包括重新排序步骤和/或插入或删除步骤。
本公开内容的特征和优点从详细的本申请文本中显而易见，因此，所附权利要求旨在涵盖落入本公开内容的真实精神和范围内的所有电池和电池堆。如本文所使用的，不定冠词“一”意为“一个或多个”。类似地，使用复数术语不一定表示多个，除非在给定的上下文中是明确的。诸如“和”或“或”的词语表示“和 /或”，除非另外特别指出。此外，由于许多修改和变化将通过研究本公开内容而容易发生，将本公开内容限制于所示和所述的确切构造和运行不是本文所期望的，因此所有合适的修改和等同物可以诉诸落入本公开内容的范围之内。
如本文所使用的，术语“约”用于以25％、20％、15％、10％、5％或1％的方差修改所述值之上和之下的数值。在一些实施例中，术语“约”用于以10％的方差修改所述值之上和之下的数值。在一些实施例中，术语“约”用于以15％的方差修改所述值之上和之下的数值。在一些实施例中，术语“约”用于以10％的方差修改所述值之上和之下的数值。在一些实施例中，术语“约”用于以5％的方差修改所述值之上和之下的数值。在一些实施例中，术语“约”用于以1％的方差修改所述值之上和之下的数值。
如本文所使用的，术语“燃料电池”和“电化学燃料电池”及其复数变体可互换使用，并且应理解为含义相同。如本文所使用的，术语“阻抗”和“电化学阻抗(ECI)”是互换使用的，并且应理解为含义相同。
基于本申请文本的书面说明的计算机程序、程序模块和代码，诸如那些由微控制器使用的，容易处于软件开发者的范围内。计算机程序、程序模块或代码可以通过使用各种编程技术创建。例如，它们可以通过MatLab/Simulink、LabVIEW、 Java、C、C++、汇编语言或任何此类编程语言进行设计。可以将一个或多个的这种程序、模块或代码集成到设备系统或现有通信软件中。程序、模块或代码也可以作为固件或电路逻辑而实施或复制。
在本文中，考虑到本公开内容的申请文本和实践，本公开内容的其他实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。本申请文本和示例旨在仅被视为示例性的，本公开内容的真实保护范围和精神由所附权利要求表示。

Claims (22)

1.一种用于维持燃料电池的目标电化学阻抗(ECI)的方法，该目标电化学阻抗对应于燃料电池的目标水合状态，该方法包括：
基于电流运行条件，确定燃料电池的目标电化学阻抗(ECI)；
确定燃料电池的实际电化学阻抗；
将实际电化学阻抗与目标电化学阻抗进行比较；以及
基于实际电化学阻抗与目标电化学阻抗的偏差，调节到达燃料电池的阴极流；
其中，确定燃料电池的目标电化学阻抗的方法包括：
在横跨阴极流速的范围下确定燃料电池的电化学阻抗；
在横跨阴极流的范围下确定电化学阻抗的变化率；以及
将燃料电池的目标电化学阻抗识别为在电化学阻抗的变化率的变化是最大的点上的电化学阻抗。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所考虑的运行条件是由燃料电池输出的电流和燃料电池的冷却剂出口。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，用于确定燃料电池的实际电化学阻抗的方法包括：
验证燃料电池的稳定运行条件；
测量由燃料电池输出的电流并记录第一电流值；
测量燃料电池两端的电压并记录第一电压值；
干扰从燃料电池输出的电流；
验证由燃料电池输出的电流和燃料电池两端的电压在电流干扰后已稳定；
测量由燃料电池输出的电流并记录第二电流值；
测量燃料电池两端的电压并记录第二电压值；以及
通过将第一电压值和第二电压值之间的差值除以第一电流值和第二电流值之间的差值，确定燃料电池的电化学阻抗。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，控制器配置为利用闭环控制系统确定对到达燃料电池的阴极流的调节；以及
其中，闭环控制系统包括前馈回路和反馈回路，该前馈回路从燃料电池的电流的测量到达阴极流，该反馈回路基于实际电化学阻抗到达阴极流。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，基于实际电化学阻抗的反馈回路配置为增强闭环控制系统的瞬态行为。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，当燃料电池的电流保持稳定时，阴极流和目标电化学阻抗将保持稳定，从而提供准线性化以促进利用闭环控制系统。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，控制器配置成使得阴极流和目标电化学阻抗对电流变化的瞬态响应时间是基于反馈回路的幅度而能够调节的。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，控制器配置为通过利用闭环控制系统的频域和时域表示而预测闭环控制系统的瞬态行为。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，当电流恒定时，频域表示反映阴极流和实际电化学阻抗之间的关系是线性且时不变的系统。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，闭环控制系统利用三个经过测量的系统参数，该系统参数取决于燃料电池的电流和控制器选择的至少三个控制参数，以便实现将实际电化学阻抗调节到目标电化学阻抗的目的。
11.根据权利要求4所述的方法，其中，使用闭环控制系统的频域表示而确定控制参数。
12.根据权利要求4所述的方法，其中，闭环控制系统进一步包括从电化学阻抗到燃料电池的电流的反馈回路。
13.一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：
燃料电池；
电流传感器、电池电压监控器、温度传感器、阴极流传感器和阳极压力传感器；
氧化器系统，该氧化器系统配置为将阴极流供应到燃料电池的阴极；以及控制器，该控制器配置为：
确定燃料电池的电化学阻抗(ECI)，该电化学阻抗表示燃料电池的水合状态，识别燃料电池的目标电化学阻抗，该目标电化学阻抗对应于燃料电池的目标水合状态；以及
基于电化学阻抗与目标电化学阻抗的偏差，调节到达燃料电池的阴极流；
其中，确定燃料电池的目标电化学阻抗包括：
在横跨阴极流速的范围下确定燃料电池的电化学阻抗；
在横跨阴极流的范围下确定电化学阻抗的变化率；以及
将燃料电池的目标电化学阻抗识别为在电化学阻抗的变化率的变化是最大的点上的电化学阻抗。
14.根据权利要求13所述的燃料电池系统，其中，控制器配置成利用闭环控制系统确定对到达燃料电池的阴极流的调节；以及
其中，闭环控制系统包括前馈回路和反馈回路，该前馈回路从燃料电池的电流的测量到达阴极流，该反馈回路基于电化学阻抗到达阴极流。
15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，基于电化学阻抗的反馈回路配置为增强闭环控制系统的瞬态行为。
16.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，当燃料电池的电流保持稳定时，阴极流和目标电化学阻抗将保持稳定。
17.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，控制器配置成使得阴极流和目标电化学阻抗对电流变化的瞬态响应时间是基于反馈回路的幅度而能够调节的。
18.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，控制器配置为通过利用闭环控制系统的频域和时域表示而预测闭环控制系统的瞬态行为。
19.根据权利要求18所述的燃料电池系统，其中，当电流恒定时，频域表示反映阴极流和电化学阻抗之间的关系是线性且时不变的系统。
20.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，闭环控制系统利用三个经过测量的系统参数，该系统参数取决于燃料电池的电流和控制器选择的至少三个控制参数，以便实现将电化学阻抗调节到目标电化学阻抗的目的。
21.根据权利要求20所述的燃料电池系统，其中，使用闭环控制系统的频域表示而确定控制参数。
22.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中，闭环控制系统进一步包括从电化学阻抗到燃料电池的电流的反馈回路。
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