JP7446831B2 - 水素供給システムの低圧状態推定器 - Google Patents

Description

背景
１．分野

本開示は、ビークル（車両、乗り物、輸送機関）の燃料電池スタック内へのガスフロー（流れ）を供給及び／又は制御するためのシステム及び方法に関する。

２．関連技術の説明

電気ビークルないし自動車（ＥＶ）などのビークルは、温度、ガス又は液体流量、或いは、抵抗値及び／又は圧力などの、特定の動作パラメータ内において動作する燃料電池及びその他のコンポーネントを有する。動作パラメータ内において動作する際に、ビークルは、ピーク効率において動作すると共に、ビークルのコンポーネントは、コンポーネントを損傷しないように、且つ／又は、電気エネルギを生成するときに非効率的に動作しないように、ハードウェア限度内において動作する。

従来の方式によれば、ビークルの燃料電池システムにおいて、燃料電池システムは、燃料電池システムの燃料電池スタックの出口などの、制御対象のコンポーネントの近傍の単一の地点において、圧力などの、ガス又は水蒸気又はその他のパラメータの量、流速、又は比率を推定する従来型コントローラを有する。燃料電池システムは、制御対象のコンポーネントの近傍の単一の地点における推定に基づいて、単一の地点におけるガス又は水蒸気、或いは、その他のパラメータ、の量、流速、又は比率を制御する。これらの１つだけの計算は、コンポーネント及びパラメータに固有のものであり、且つ、燃料電池システム内のその他のコンポーネントの状態を考慮したものではない。この結果、大きな可変性及び／又は不正確性を有する推定がもたらされる場合がある。例えば、燃料電池システムは、燃料電池の出口においてガスの量を推定することができると共に、推定されたガスの量に基づいて燃料電池を制御することができる。但し、これは、燃料電池と相互接続するその他のコンポーネント内に充満するガスについて考慮してはおらず、且つ、従って、この推定が提供するのは、概略的な、コンポーネントに固有の推定であるに過ぎない。更には、この推定は、コンポーネントに固有のものであることから、燃料電池システムは、更なるハードウェアセンサを伴うことなしには、その他のコンポーネント内の水又はその他のガスの量を決定することができない。

従って、燃料電池と相互接続されたそれぞれのコンポーネントにおける、液水、水蒸気、水素ガス、及び／又は非水素ガスなどの、様々なパラメータを決定又は予測するためのシステム、装置、及び／又は方法に対するニーズが存在する。

概要
概して、本明細書に記述されている主題の一態様は、制御システムにおいて実施される。制御システムは、ビークルの燃料電池スタックを通じたガスフローを制御する。制御システムは、１つ又は複数のアクチュエータ及び燃料電池を含む、２つ以上のコンポーネントを含む。制御システムは、２つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットを含む。制御システムは、初期値及び前の時間ステップにおける値を決定するように構成されている。制御システムは、初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて２つ以上のコンポーネントのそれぞれ内のガスフローの全圧を決定又は推定するように構成されている。制御システムは、２つ以上のコンポーネントのそれぞれ内のガスフローの全圧に基づいて１つ又は複数のアクチュエータを制御するように構成されている。

これらの及びその他の実施形態は、任意選択により、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含みうる。ガスは、水素ガス、水、及び非水素ガスの組成物であってよく、初期値及び前の時間ステップにおける値は、流量、圧力、濃度、温度、及び液水量のものである。制御システムは、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブを含むことができる。インジェクタは、燃料電池に噴射される水素ガスの量又は流速を制御することができる。水素ポンプは、燃料電池内に再循環される水素ガスの量又は流速を制御することができる。パージバルブは、ビークルから排出される非水素ガスの量又は流速を制御することができる。

電子制御ユニットは、２つ以上のコンポーネント内のガスフローの全圧に基づいて２つ以上のコンポーネントのそれぞれ内のガスフローのそれぞれの要素の分圧を決定又は推定するように構成することができる。電子制御ユニットは、消費される水素ガスの量に対する水素ガスの量の比率を決定するように構成されうると共に、比率に基づいて水素ポンプの速度を調節することができる。電子制御ユニットは、水素ポンプの速度に基づいて水又は非水素ガスのうちの少なくとも１つを放出するべく、パージバルブの位置を調節することができる。電子制御ユニットは、一定の圧力において、ほぼ（１＋α）：１（ここで、０＜α＜１．５）という、燃料電池スタックにおいて消費される水素のモル数に対する水素ガス（Ｈ_２Ｏ）のモル数の比率を維持するべく、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブのうちの少なくとも１つを調節するように構成されていてもよい。電子制御ユニットは、燃料電池内への水素ガスの量が、電気エネルギを生成するために燃料電池によって消費される水素ガスの量以上であるのを許容するべく、燃料電池の出口における一定の圧力及び比率に基づいて、インジェクタの位置を調節することができる。

電子制御ユニットは、２つ以上のコンポーネントの水収支を決定するように構成することができる。電子制御ユニットは、水収支に基づいて１つ又は複数のアクチュエータを制御するように構成することができる。

別の態様においては、主題は、燃料電池内のガスフロー用の方法において実施されている。方法は、複数のコンポーネントのうちのそれぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前の時間ステップにおける値を取得するステップを含む。方法は、初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて複数のコンポーネントのうちのそれぞれのコンポーネントごとに全圧を決定するステップを含む。方法は、それぞれのコンポーネントの全圧に基づいて複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントごとにガスフロー内のそれぞれの要素ごとの分圧を決定するステップを含む。方法は、それぞれのコンポーネントごとの全圧及び分圧に基づいてインジェクタ、パージバルブ、又は水素ポンプのうちの少なくとも１つを制御するステップを含む。

別の態様においては、主題は、ビークルの燃料電池スタック内のガスフローを制御する制御システムにおいて実施されている。制御システムは、１つ又は複数のアクチュエータ及び燃料電池を含む、２つ以上の燃料電池コンポーネントを含む。制御システムは、２つ以上の燃料電池コンポーネントに接続された電子制御ユニットを含む。電子制御ユニットは、２つ以上のコンポーネントのうちのそれぞれのコンポーネントの流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前回値を決定するように構成されている。電子制御ユニットは、初期値及び前回値に基づいてそれぞれのコンポーネントごとに全圧を決定するように構成されている。電子制御ユニットは、全圧に基づいてそれぞれのコンポーネントの分圧を決定するように構成されている。電子制御コンポーネントは、それぞれのコンポーネントの温度及びそれぞれのコンポーネントの水収支を決定するように構成されている。電子制御ユニットは、全圧、分圧、温度、及び水収支に基づいて１つ又は複数のアクチュエータを制御するように構成されている。

図面の簡単な説明
本発明のその他のシステム、方法、特徴、及び利点については、以下の図及び詳細な説明を参照した際に、当業者に明らかとなり、或いは、当業者によって理解されることになろう。すべてのこのような更なるシステム、方法、特徴、及び利点は、本説明に含まれ、本発明の範囲に含まれ、且つ、添付の請求項によって保護される、ものと解釈されたい。図面内に示されているコンポーネント部分は、必ずしも、その縮尺が正確なものでなく、且つ、本発明の重要な特徴を相対的に良好に例示するべく、誇張されている場合がある。添付図面においては、同一の参照符号が、異なる図の全体を通じて、同一の部分を表記しており、添付図面は、以下の通りである。

本発明の一態様によるビークルの燃料電池スタック内への及びこれから外部へのガスフローを制御する水素供給及びフロー制御システム（「制御システム」）のブロック図である。

本発明の一態様による、図１の制御システムの１つ又は複数のコンポーネントの間の相互接続の概略図である。

本発明の一態様による、図１の制御システムのコンポーネントの様々なパラメータを決定するための縦列接続されたモジュールの概略図である。

本発明の一態様による、燃料電池スタック内において消費される水素ガスに対する水素ガスの比率を維持するべく、１つ又は複数のアクチュエータを制御するための例示用のプロセスのフロー図である。

詳細な説明
本開示に開示されているのは、燃料電池スタックの１つ又は複数のコンポーネントを通じたガスフローを推定するためのシステム、ビークル、及び方法である。制御システムは、燃料電池と相互接続された１つ又は複数のコンポーネントのそれぞれにおけるガスの様々な特性を推定する。

様々な特性は、ガスの全圧、フロー抵抗値、フローの量又は流速、温度、及び／又は１つ又は複数の分圧及び／又は部分量である。ガスを提供する１つ又は複数のコンポーネントは、１つ又は複数の相互接続パイプ、水素ポンプなどの１つ又は複数のアクチュエータ、パージバルブ又はインジェクタ、及び／又は１つ又は複数のマニホルドを含みうる。１つ又は複数のコンポーネントは、燃料電池を含んでいてもよく、或いは、燃料電池と相互接続されていてもよく、或いは、これとは別個のものであってもよい。同様に、１つ又は複数のコンポーネントは、１つ又は複数のアクチュエータを含んでいてもよく、或いは、１つ又は複数のアクチュエータと相互接続されていてもよく、或いは、これとは別個のものであってもよい。様々な特性を推定することにより、制御システムは、燃料電池及び１つ又は複数のコンポーネント内への又はこれら外部へのガスのフローをリアルタイムでモデル化する。この結果、単一地点の推定ではなく、１つ又は複数のコンポーネントのそれぞれにおける推定において予測された相対的に正確なモデルが可能になっている。更には、制御システムは、相対的に正確な推定を提供するべく、推定の全体を通じて、質量保存の法則を維持する。

その他の利益及び利点は、燃料電池内への及びこれから外部へのガス及び／又は非水素ガスの比率を制御する能力を含む。１つ又は複数のコンポーネントは、一定の圧力において燃料電池スタック内の非水素ガスに対する水素ガスの比率を維持するべく、燃料電池スタック内への及びこれから外部へのガス又は液体の量又は容積を提供する。制御システムは、様々な特性を推定し、且つ、推定に基づいて比率を維持するべく１つ又は複数のアクチュエータを制御する。消費される非水素ガス又は水素ガスに対する水素ガスの比率を維持することにより、燃料電池スタックは、電気生成を相対的に効率的に提供する。

これに加えて、推定の１つ又は複数の計算は、リアルタイムで実施され、且つ、従って、制御システムは、現在の状態に対して相対的に迅速に調節することができるが、その理由は、１つ又は複数のコンポーネント内の様々な特性が常に変化するからである。

図１は、燃料電池スタック１０８内への及びこれから外部への１つ又は複数のガスのフローを制御する水素供給及びフロー制御ステム（「制御システム」）１００を示する。ガスは、水素ガス、又は窒素などの非水素ガス、水及び／又は水蒸気、並びに／或いは、これらの組合せであってよい。液体は、水であってよい。制御システム１００は、燃料電池スタックを相対的に効率的に動作させるべく、燃料電池スタックによって消費される水素ガスに対する水素ガスの比率を維持するように、ガスのフローを制御する。

制御システム１００は、ビークル１０２内に、含まれてもよく、統合されてもよく、組み込まれてもよく、後から取り付けられてもよく、或いは、その他の方法で接続されてもよい。制御システム１００は、ビークル１０２のコンポーネント内の温度、圧力、流量、及びその他のパラメータを管理、調節、及び／又は制御するべく、ビークル１０２内のガスフローに対する制御を提供する。制御システム１００は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０４などのプロセッサ、メモリ１２６及び／又は１つ又は複数のセンサ１３６、並びに、１つ又は複数のコンポーネント１１０を含む。制御システム１００は、ユーザインターフェイス１３０を含むことができる。

制御システム１００は、燃料電池スタック１０８、１つ又は複数のアクチュエータ１１２、１つ又は複数のパイプ１１４、液体蒸気セパレータ１１６、又はその他のコンポーネントなどの１つ又は複数のコンポーネント１１０内の温度、フロー抵抗値又は流速、及び圧力などの様々なパラメータを推定、予測、及び／又は決定する。

制御システム１００は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０４などの１つ又は複数のプロセッサを含む。ＥＣＵ１０４は、単一のＥＣＵとして又は複数のＥＣＵとして実装することができる。ＥＣＵ１０４は、ジェネレータ１３２及び／又はモータ１３４などの、ビークル１０２のコンポーネントのいくつか又はすべてに電気的に結合することができる。ＥＣＵ１０４は、１つ又は複数のコンポーネント１１０内のガス又は液体の、例えば、速度、圧力、流量、又は抵抗値、及び／又は温度などの、様々なターゲットを充足するべく、１つ又は複数のアクチュエータ１１２を制御又は調節するように、１つ又は複数のアクチュエータ１１２を制御すると共に、１つ又は複数のセンサ１３６からデータを取得するべく、特別に設計された１つ又は複数のプロセッサ又はコントローラを含みうる。ＥＣＵ１０４は、メモリ１２６に結合されうると共に、メモリ１２６内において保存されている命令を実行することができる。

メモリ１２６は、ＥＣＵ１０４に結合されうると共に、ＥＣＵ１０４が実行する命令を保存することができる。メモリ１２６は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）又はその他の揮発性又は不揮発性メモリのうちの１つ又は複数を含みうる。メモリ１２６は、ハードディスクドライブ、半導体ディスクドライブ、ハイブリッドディスクドライブ、又はその他の適切なデータストレージなどの、一時的ではないメモリ又はデータストレージ装置でありうると共に、ＥＣＵ１０４によって読取り及び実行されうる機械可読命令を更に保存することができる。

制御システム１００は、ユーザインターフェイス１３０を含むことができる。制御システム１００は、ガス又は液体のフローを管理及び／又は制御する際に、制御システム１００の初期化及び制御システム１００による調節について通知する１つ又は複数の通知をユーザインターフェイス１３０上において表示することができる。制御システム１００は、１つ又は複数のコンポーネント１１０を通じて流れるガスの実際の又は推定された温度、フロー抵抗値、流速又は量、及び／又は圧力を表示することができる。

制御システム１００は、制御システム１００内の１つ又は複数のコンポーネントの様々な境界条件の値を計測又は決定する１つ又は複数のセンサ１３６を含みうる。１つ又は複数のセンサ１３６は、例えば、インジェクタ１２０の出口、燃料電池スタック１０８の出口、又は水素排気バルブ（又は、「パージバルブ」）の出口において、ガス又は液体の周辺温度を計測する温度センサを含むことができる。別の例においては、１つ又は複数のセンサ１３６は、インジェクタ１２０の出口、燃料電池スタック１０８の出口、又はパージバルブ１２４の出口においてガスの周辺圧力を計測する圧力センサを含みうる。別の例においては、１つ又は複数のセンサ１３６は、水素ポンプ１２２の速度を計測する速度センサを含みうる。

制御システム１００は、１つ又は複数のコンポーネント１１０を含む。１つ又は複数のコンポーネント１１０は、燃料電池スタック１０８、１つ又は複数のアクチュエータ１１２、１つ又は複数のパイプ１１４、液体蒸気セパレータ（ＬＶＳ）１１６、及び／又は１つ又は複数の燃料電池スタック入口／出口マニホルド１１８を含むことができる。１つ又は複数のアクチュエータ１１２は、インジェクタ１２０、又は１つ又は複数のコンポーネント１１０内に水素ガスを噴射又は許容するその他の開／閉装置を含みうる。１つ又は複数のパイプ１１４は、ガスフローを１つ又は複数のコンポーネント１１０に供給するべく、燃料電池スタック１０８、１つ又は複数のアクチュエータ１１２、水素ポンプ（ＨＰ）、ＬＶＳ１１６、及び／又は１つ又は複数の燃料電池スタック入口／出口マニホルド１１８などの、様々なコンポーネントを相互接続することができる。図２は、１つ又は複数のパイプ１１４を通じた、１つ又は複数のアクチュエータ１１２との間における、燃料電池スタック１０８を含む１つ又は複数のコンポーネント１１０の相互接続を示する。

１つ又は複数のコンポーネント１１０は、複数の燃料電池を有する燃料電池スタック１０８を含むことができる。燃料電池は、酸素又は別の酸化剤との間における水素ガスの電気化学反応を通じて、水素ガスなどの燃料からの化学的エネルギを電気に変換する。燃料電池は、燃料及び酸素が供給されている限り、継続的に電気を生成するべく、化学反応を維持するための燃料及び酸素の連続的な供給源を必要とする。

１つ又は複数のコンポーネント１１０は、ＬＶＳ１１６を含みうる。ＬＶＳ１１６は、１つ又は複数のコンポーネント１１０の全体を通じて流れているガスから、水などの、蒸気液体混合物を分離する。ＬＶＳ１１６は、パージバルブ１２４が過剰な水を排気から外部に放出しうるように、ガスストリームから水を分離する。

１つ又は複数のコンポーネント１１０は、１つ又は複数の燃料電池スタック入口／出口マニホルド１１８を含みうる。１つ又は複数の燃料電池スタック入口／出口マニホルド１１８は、ビークル１０２の全体を通じて空気を分配する。空気は、水素と化学的に反応するべく、且つ、電気エネルギを生成するべく、ジェネレータ１３２、モータ１３４、及び／又は燃料電池スタック１０８が必要とする酸素を含む。

１つ又は複数のアクチュエータ１１２は、ＥＣＵ１０４に接続することができる。ＥＣＵ１０４は、１つ又は複数のアクチュエータ１１２を調節、監視、管理、又はその他の方法で制御することができる。１つ又は複数のアクチュエータは、インジェクタ１２０、水素ポンプ１２２、及び／又はパージバルブ１２４を含むことができる。

インジェクタ１２０は、例えば、ソレノイドバルブ制御装置又はその他の開／閉装置を有する天然ガスインジェクタであってよい。ＥＣＵ１０４は、燃料電池スタック１０８を含む１つ又は複数のその他のコンポーネント１１０内へのガスのフローを制御するべく、インジェクタ１２０を位置決めする。ＥＣＵ１０４は、インジェクタ１２０によって噴射される水素ガスの量又は値を制御するべく、インジェクタ１２０を開放してもよく、部分的に開放してもよく、閉鎖してもよく、且つ／又は、その他の方法で位置決めしてもよい。インジェクタ１２０は、燃料電池スタック１０８の入口における全圧ターゲットを充足するべく、且つ、非水素ガスに対する水素ガスの比率を維持するべく、水素ガスを噴射する。燃料電池スタック１０８の入口における全圧ターゲットは、燃料電池が必要とする水素ガスの量と、燃料電池スタック１０８の出口において必要とされている圧力の量と、燃料電池スタック１０８内の非水素ガスの量と、の関数である。例えば、燃料電池スタック１０８に噴射される水素ガスの量は、燃料電池スタック１０８の出口における一定の圧力によって消費される水素ガスに対する入力された水素ガスの、少なくともほぼ１：１の比率が存在するように、電気エネルギを生成するべく消費される水素ガスの量以上であってよい。

水素ポンプ１２２は、燃料電池スタック１０８と相互接続された１つ又は複数のコンポーネント１１０の全体を通じて水素ガスを移動させるポンプ、コンプレッサ、又はその他のブロアであってよい。水素ポンプ１２２は、ほぼ（１＋α）：１という燃料電池スタックにおいて消費される水素のモル数に対する水素ガスの比率を維持するべく、水素ガスを燃料電池スタック１０８に戻るように再循環させ、ここで、０＜α＜１．５である（以下においては、「比率」と呼称される）。その他の変数を考慮するべく、ＥＣＵ１０４は、比率を維持するために十分な水素ガスをポンピングするべく、水素ポンプ１２２を使用することができる。水素ポンプ１２２の速度を増大させることにより、より多くの水素ガスが、非水素ガスに対する水素ガスの比率を増大させるべく燃料電池スタック１０８内にポンピング又は再循環される。

パージバルブ１２４は、１つ又は複数のコンポーネント１１０内に蓄積され、ＬＶＳ１１６によって分離された水を、排出又は放出する。ＥＣＵ１０４は、ＬＶＳ１１６内において蓄積した所定の量又は値の水を放出するべく、パージバルブ１２４を開放、閉鎖、及び／又は部分開放位置に位置決めすることができる。更には、ＥＣＵ１０４は、パージバルブ１２４が、１つ又は複数のコンポーネント内の非水素ガスの量を制御するべく、水及び／又はその他の非水素ガスを放出又は排出するようにする。このことは、制御システム１１０が、燃料電池スタックによって消費される１モルの水素ガスごとに、水素ガスのほぼ（１＋α）モル（ここで、０＜α＜１．５）の化学量論を維持することをアシストする。

制御システム１００は、ビークル１０２に接続され、その内部において後から取り付けられ、且つ／又は、その内部において含まれる。ビークル１０２は、人物、物体、又は永久的に又は一時的に付着した装置を搬送する能力を有する輸送手段である。ビークル１０２は、自動車、スポーツユティリティビークル、トラック、バス、バン、或いは、その他の原動機又は電池によって駆動される又は燃料電池によって駆動されるビークルなどの、自己推進型の、車輪を有する輸送手段であってよい。例えば、ビークル１０２は、電気ビークル、ハイブリッドビークル、水素燃料電池ビークル、プラグインハイブリッドビークル、或いは、燃料電池スタック１０８、モータ１３４、及び／又はジェネレータ１３２を有する任意のその他のタイプのビークルであってよい。ビークルのその他の例は、自転車、列車、飛行機、又はボート、並びに、搬送の能力を有する任意のその他の形態の輸送手段を含む。ビークル１０２は、半自律型又は自律型であってよい。即ち、ビークル１０２は、自己操作型であってよく、且つ、人間の入力を伴うことなしにナビゲートすることができる。自律型ビークルは、自律的に運転するべく、１つ又は複数のセンサ１３６及び／又はナビゲーションユニット１２８９を有することができると共に使用することができる。

ビークル１０２は、モータ１３４及び／又はジェネレータ１３２を含みうる。モータ１３４及び／又はジェネレータ１３２は、電気エネルギをトルクなどの機械的パワーに変換する、且つ、機械的パワーを電気エネルギに変換する、電気モータ及びジェネレータであってよい。ビークル１０２は、ビークル１０２を自律的にナビゲートすると共に／又は、ユーザインターフェイス１３０を通じてユーザに表示するべくナビゲーションマップ情報及び／又はビークル情報を取得する、ナビゲーションユニット１２８を含みうる。ナビゲーションマップ情報は、ビークル１０２をナビゲートするべく、道路、地形、及びその他の目標物を識別するマップを含みうる。ナビゲーションマップ情報は、ビークル１０２の出発地点、目的地点、並びに、出発地点から目的地点までの移動の経路を含む、ルート情報を含みうる。ビークル情報は、ビークル１０２の現時点の場所、ビークル１０２の移動の現時点の方向、及び／又はビークル１０２の現時点の速度を含みうる。

図２は、様々な相互接続されたパイプ１１４を通じた、１つ又は複数のコンポーネント１１０のうちのその他のコンポーネントとの間における、１つ又は複数のアクチュエータ１１２の相互接続を示する。ＥＣＵ１０４は、１つ又は複数のアクチュエータ１１２に電気的に結合されうると共に、これに対して命令を提供することができる。

１つ又は複数のパイプ１１４は、１つ又は複数のパイプ結合部２０２ａ～ｃを形成するべく、相互接続しており、且つ、１つ又は複数のアクチュエータ１１２を燃料電池スタック１０８を含むその他のコンポーネント１１０と接続する。１つ又は複数のパイプ結合部２０２ａ～ｃは、単一のパイプが複数のパイプに分岐するところ、或いは、複数のパイプが単一のパイプを形成するべく統合されているところである。又、パイプ結合部２０２ａ～ｃは、パイプスプリットとも呼称されうる。パイプは、任意の数のパイプにスプリット又は分岐しうる。オリジナルのパイプからスプリット又は分岐したパイプは、平行に延在することができると共に、平行に延在するパイプにわたって同一の圧力降下を有しうる。

１つ又は複数のパイプ１１４は、ガスがその他のコンポーネント１１０まで流れることを許容する。例えば、インジェクタ１２０は、燃料電池スタック入口／出口マニホルド１１８にパイプ１１４ａ及び１つ又は複数のパイプ結合部２０２ａ～ｂを通じて接続されており、且つ、ガスをこれに噴射する。燃料電池スタック入口／出口マニホルド１１８は、空気及びガスを燃料電池スタック１０８に伝達し、ここで、水素ガスが、電気エネルギを形成するべく、酸素と反応する。燃料電池スタック１０８は、電気エネルギを生成するための化学反応の副産物として、水及び／又は水蒸気を含むガスストリームを排出及び／又は放出する。ガスストリームは、燃料電池スタック入口／出口マニホルド１１８及び１つ又は複数のパイプ１１４ｃを通じてＬＶＳ１１６に到る。ＬＶＳ１１６は、ガスストリームから水及び／又は水蒸気を分離し、且つ、パージバルブ１２４は、水及び／又は水蒸気を排気管から放出す。水素ポンプ１２２は、任意の残りの水素ガスを含むガスストリームを１つ又は複数のパイプ１１４ｂ及び／又は１つ又は複数のパイプ結合部２０２ｂ～ｃを通じて燃料電池スタック１０８に再循環させる。

ＥＣＵ１０４は、１つ又は複数のパイプ結合部２０２ａ～ｃ、１つ又は複数のアクチュエータ１１２、１つ又は複数のパイプ１１４、又はその他のコンポーネントを含む、１つ又は複数のコンポーネント１１０における温度、フロー抵抗値、又は圧力などのパラメータを推定、予測、又はモデル化することができる。ＥＣＵ１０４は、推定、予測、又はモデル化されたパラメータに基づいて燃料電池スタック１０８内への水素ガスの量又は流速及び／又は燃料電池スタック１０８内への非水素に対する水素の比率を調節するべく、１つ又は複数のコンポーネント１１０を通じたガスフローの量又は流速を制御する。

図３は、図１の制御システム１００のコンポーネント１１０内の、全圧収支、分圧収支、エネルギ収支、及び液水収支を決定するためのモジュールの概略図である。制御システム１００は、インジェクタ、水素ポンプ、及び／又は水素排気バルブ流量を決定するべく、インジェクタ、水素ポンプ、及び水素排気バルブモデル３０１と共に、センサ値及び前の時間ステップにおける値を使用する。次いで、制御システム１００は、全圧収支モジュール３０２内のそれぞれのコンポーネント１１０ごとに全圧収支を決定するべく、温度、ガスフローの量又は流速、圧力、並びに、インジェクタ、水素ポンプ及び水素排気バルブ流量を含む、様々なパラメータのセンサ値及び前の時間ステップにおける値を使用する。制御システム１００は、分圧収支モジュール３０４内のそれぞれのコンポーネント１１０ごとに分圧収支を決定するべく、入力として、それぞれのコンポーネント１１０ごとの全圧収支及び様々なパラメータの前の時間ステップにおける値を使用する。エネルギ収支モジュール３０６内のそれぞれのコンポーネント１１０ごとのエネルギ収支及びそれぞれのコンポーネント１１０における対応する温度を決定するべく、制御システム１００は、それぞれのコンポーネント１１０における全圧収支及び分圧収支と、様々なパラメータの前の時間ステップにおける値と、を入力として使用する。更には、制御システム１００は、液水又は水蒸気の量を規定するべく、液体収支モジュール３０８内の液水収支を決定するために、様々なパラメータの前の時間ステップにおける値と共に、それぞれのコンポーネントごとのエネルギ収支、分圧収支、及び全圧収支を使用する。

図４は、１つ又は複数のアクチュエータ１１２を制御するためのプロセス４００のフロー図である。制御システム１００は、水素ガスの量又は流速及び／又は燃料電池スタック１０８内において消費される水素ガスに対する水素ガスの比率を調節するべく、１つ又は複数のアクチュエータ１１２を制御するために、全圧収支を使用する。例えば、ＥＣＵ１０４などの、１つ又は複数のプロセッサなどの、１つ又は複数のコンピュータ又は１つ又は複数のデータ処理装置が、プロセス４００を実装することができる。

制御システム１００は、初期化要求を獲得する（４０２）。初期化要求は、制御システム１００を起動するか、或いは、これを動作状態とする。制御システム１００は、例えば、ビークル１０２がパワーオンされた際などのように、ユーザが制御システム１００を起動した際に、初期化要求を受け取ることができる。制御システム１００は、１つ又は複数のセンサ１３６から初期化要求を受け取ることができる。例えば、燃料電池電気ビークル（ＦＣＥＶ）がターンオンされた際に、燃料電池センサは、ビークル１０２が動作状態にあることを検出することができると共に、初期化要求を制御システム１００に送信することができる。

初期化要求の取得に応答して、制御システム１００は、それぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値を計測する、検出する、又はその他の方法で決定する（４０４）。制御システム１００は、例えば、図２に示されているように、パイプ１１４ａなどの、１つ又は複数のその他のコンポーネント１１０内へのガスの初期圧力を計測するべく、インジェクタ１２０の出口において、その近傍において、且つ／又は、その直接下流において、位置決めされた、圧力センサなどの、１つ又は複数のセンサ１３６を使用することができる。１つ又は複数のセンサ１３６のうちのその他のセンサは、１つ又は複数のコンポーネントのそれぞれにおける流量、濃度、温度、及び／又は液体量の初期値を計測してもよく、検出してもよく、又はその他の方法で決定してもよい。

例えば、制御システム１００は、初期温度を検出するべく、センサを使用することにより、ガスの初期温度

を取得してもよく、或いは、初期温度として、ガスの既定の周辺温度を使用してもよい。いくつかの実装形態においては、コンポーネントにおける流量、濃度、温度、及び／又は液体量の初期値は、制御システム１００の初期化の際に、事前構成されるか、既定されるか、或いは、その他の方法で設定されている。

制御システム１００は、流量、圧力、濃度、温度、及び／又は液水量の前の時間ステップにおける値を決定する（４０６）。それぞれのコンポーネントの流量、圧力、濃度、温度、及び／又は液水量の出力値は、後続のコンポーネント用の入力値又は前の時間ステップにおける値として供給される。

制御システム１００は、インジェクタ１２０、水素ポンプ１２２、パージバルブ１２４、及び／又は燃料電池スタック１０８用の制御システム１００の境界における流量を推定又は決定する（４０８）。流量は、初期値及び／又は前の時間ステップにおける値に基づいたものであってよい。例えば、パイプ１１４ａなどの、その他のコンポーネント１１０内へのインジェクタ１２０からのガスフローの初期量又は流速は、インジェクタ１２０の出口における初期圧力及び／又は初期温度に基づいたものである。制御システム１００は、インジェクタ１２０の初期圧力、温度、デューティサイクル、及び／又はモデルに基づいて、ガスフローの初期量又は流速

を算出してもよく、これは、例えば、インジェクタ１２０からパイプ１１４ａ内に流出するするガスフローの量又は流速の推定値を提供する。デューティサイクルは、インジェクタ１２０が、エンジンサイクルにおいてオン状態にある時間、或いは、エネルギ供給されている時間の量である。

同様に、制御システム１００は、時間に伴う、パージバルブ１２４から離脱するガスフローの量又は流速

と、燃料電池スタック１０８の出口におけるガスフローの量又は流速

と、を決定又は推定することもできる。水素ガス、非水素ガス、水、及び／又はその他のガス塊は、パージバルブ１２４、燃料電池スタック１０８、及び／又はインジェクタ１２０を離脱するか又はこれに進入し、且つ、従って、制御システム１００は、その他のコンポーネント１１０へのガスフローの量又は流速を決定又は推定するべく、インジェクタ１２０、パージバルブ１２４、燃料電池スタック１０８の出口、或いは、境界条件であるその他のコンポーネント１１０を離脱するガスの初期圧力を計測し、検出し、又はその他の方法で計測する。

制御システム１００は、それぞれのコンポーネントの有効フロー抵抗値Ｋ_{ｄ＿ｅｆｆ}を決定し、算出し、或いは、これについて解く（４１０）。有効フロー抵抗値は、第１コンポーネントの一部分（即ち、半分）を通じたフロー抵抗値

と、第２コンポーネントの一部分（即ち、半分）を通じた、即ち、第１コンポーネントの下流の、フロー抵抗値

と、の関数であってよい。即ち、有効フロー抵抗値は、異なるコンポーネントの２つの部分のフロー抵抗値の逆数加算であり、且つ、次式によって定義することができる。

それぞれの部分（即ち、半分）ごとのフロー抵抗値は、レイノルズ数（Ｒｅ）及び摩擦係数ｆ_Ｄを使用することにより、算出することができる。レイノルズ数は、異なる流体フロー状況におけるフローパターンの予測を支援する、流体力学における量である。摩擦係数は、レイノルズ数の関数である。制御システム１００は、ダーシー・ワイスバッハの式を使用することにより、摩擦係数を決定し、この場合に、Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓは、コンポーネントの材料の粗度に対応し、且つ、コンポーネントの既知のプロパティであり、Ｄは、コンポーネントの直径である。ＥＣＵ１０４は、以下の式を使用することにより、摩擦係数を算出することができる。

制御システム１００は、例えば、図２に示されているように、パイプ結合部２０２ａなどの、ガスが流入する、後続の又は下流のコンポーネント１１０を含む、それぞれのコンポーネントごとの全圧を決定又は推定する（４１２）。後続の又は下流のコンポーネントは、現時点のコンポーネントからガスストリームを受け取るコンポーネントを意味しうる。以前の又は上流のコンポーネントは、ガスストリームを現時点のコンポーネントに提供し、現時点のコンポーネントは、ガスストリームを下流のコンポーネントに提供する。

１つ又は複数のコンポーネント１１０の容積Ｖが一定であることから、圧力Ｐは、モル数ｎ、一般的なガス定数Ｒ、及び温度Ｔの関数である。即ち、ＰＶ＝ｎＲＴである。ガスがコンポーネントを離脱するのに伴ってモル数が増大するのに伴って、圧力及び／又は温度の量が減少し、ガスがコンポーネントに進入するのに伴ってモル数が増大するのに伴って、圧力及び／又は温度が増大する。同様に、圧力の量が増大するのに伴って、モル数及び／又は温度が増大し、且つ、圧力の量が減少するのに伴って、モル数及び／又は温度が減少する。従って、２つの相互接続されたコンポーネントの間の全圧の変化も、類似した方式により、２つの相互接続されたコンポーネントの間のガスフローの量又は流速の変化に対応しうる。制御システム１００は、コンポーネントの全圧を算出することができると共に、それぞれのコンポーネントのガスフローの量又は流速を決定することができる（４１４）。

ガスフローの量又は流速の変化

は、コンポーネント内へのガスフロー

、コンポーネントから外部へのガスフロー

、及び凝結

の関数である。即ち、

である。更には、制御システム１００は、ガスフローの量又は流速の変化を黙示的に定義してもよく、その理由は、ガスフローの二乗された量又は流速の変化が、圧力及びフロー抵抗値の変化の関数であるからである。この式は、ΔＰ＝Ｆ_ｄ（Ｌ／Ｄ）（ρν^２／２）として記述することが可能であり、ここで、Ｆ_ｄはダーシー摩擦係数であり、νは流体速度である。この式は、有効フロー抵抗値項Ｋ_{ｄ＿ｅｆｆ}の使用を通じて線形化することができる。即ち、

である。従って、ΔＰは、２つのコンポーネントの間の圧力の差であることから、ガスフローの量又は流速の変化は、以下の式によって定義されてもよく、この場合に、Ｋ、Ｋ－１、及びＫ＋１という表記は、それぞれ、コンポーネント、上流のコンポーネント、及び下流のコンポーネントを表する。

それぞれのコンポーネントごとの上述の関係用の式の線形の組が付与された状態において、制御システム１００は、例えば、それぞれのコンポーネントごとに上述の式の行列を解くことにより、黙示的にガスフローの量又は流速と、特定の時点におけるそれぞれのコンポーネントごとの全圧と、を決定することができる。

上流のコンポーネントからの、ガスフローの、全圧、温度、及び／又は量又は流速などの、決定された、或いは、推定された、パラメータを使用することにより、制御システム１００は、下流のコンポーネントのパラメータをリアルタイムで決定することができる。この結果、制御システム１００は、燃料電池スタック１０８と相互接続された１つ又は複数のコンポーネント１１０をモデル化する際に、相対的に正確な且つ高精度の値を使用することができる。これは、１つ又は複数のコンポーネント１１０のそれぞれごとに反復される。即ち、１つ又は複数のコンポーネント１１０のそれぞれにおいて、制御システム１００は、ガスフローの全圧、温度、及び／又は量又は流速などの、以前のパラメータを使用することにより、コンポーネントのガスフローの全圧及び量又は流速を再帰的に決定又は推定する。

制御システム１００は、それぞれのコンポーネントにおけるそれぞれの要素の分圧を算出又は決定する（４１６）。制御システム１００は、１つ又は複数のコンポーネント１１０のうちのそれぞれのコンポーネントごとに、水素ガスＰ_Ｈ２、非水素ガスＰ_Ｎ２、及び／又は水Ｐ_Ｈ２Ｏなどの、それぞれの要素ごとの分圧収支を決定する。制御システム１００は、水素ガスの量又は流速及び／又は燃料電池スタック１０８内において消費される水素に対する水素ガスの比率を調節するべく、１つ又は複数のアクチュエータ１１２を制御するために、分圧収支を使用する。

同様に、上述のように、全圧収支を決定するべく、制御システム１００は、非水素ガス（例えば、窒素）及び／又は水などの、１つの要素の初期分圧を含む初期値を取得する。初期分圧は、計測された周辺圧力又は既定の周辺圧力であってよい。例えば、周辺空気は、約７０％の窒素の混合物であることから、窒素の圧力は、周辺圧力の約７０％である。別の例においては、制御システム１００は、周辺空気が乾燥していると仮定することにより、水の初期圧力が、約０％又はその他の小さな値でありうると仮定する。いくつかの実装形態においては、制御システム１００は、例えば、図２に示されているように、パイプ１１４ａなどの、１つ又は複数のその他のコンポーネント１１０内への非水素ガスの初期圧力を計測するべく、インジェクタ１２０の出口において、その近傍に、且つ／又はその直接下流に、位置決めされた、圧力センサなどの、１つ又は複数のセンサ１３６を使用することができる。

コンポーネントのそれぞれの要素ごとの分圧収支の合計は、例えば、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｐ_Ｈ２＋Ｐ_Ｎ２＋Ｐ_Ｈ２Ｏなどのように、コンポーネントの全圧収支に等しいことから、１つの要素のガスフローの量又は流速は、コンポーネント内のガスフローの合計量又は流速のモル分率であり、且つ、従って、制御システム１００は、要素のガスフローの量又は流速を黙示的に定義することができる。例えば、窒素のガスフローの量又は流速は、

として表され、この場合に、

である。

制御システム１００は、それぞれのコンポーネント１１０ごとの要素の分圧を決定又は推定する。制御システム１００は、初期値を含む前の時間ステップにおける値に基づいて要素の分圧を決定又は推定する。制御システム１００は、

として、要素のガスフローの量又は流速の変化を表すことができる。制御システム１００は、それぞれのコンポーネントごとの要素の上述の関係用の式の線形の組を定義することができると共に、例えば、黙示的に要素のガスフローの量又は流速と、特定の時点におけるそれぞれのコンポーネントごとの要素の分圧と、を決定するべく、式の行列を解くことができる。

上述のプロセスは、その他の残りの要素について反復することができる。いくつかの実装形態においては、質量保存の法則を維持するべく、制御システム１００は、水素ガスなどの、１つを除いて、例えば、窒素などの、非水素ガス及び水などの、すべての要素の分圧を黙示的に決定することができる。次いで、制御システム１００は、非水素ガス及び水などの、その他の要素の黙示的な決定及び／又は推定に基づいて、水素ガスなどの、最後の要素の分圧Ｐ_Ｈ２を決定する。例えば、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｐ_Ｈ２＋Ｐ_Ｎ２＋Ｐ_Ｈ２Ｏなどのように、すべての分圧が全圧に加算されることから、水素ガスの分圧は、コンポーネント内の全圧と非水素ガス及び水の分圧の間の差、即ち、Ｐ_Ｈ２＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}－Ｐ_Ｎ２－Ｐ_Ｈ２Ｏ、或いは、Ｐ_Ｈ２＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}＊Ｘ_Ｈ２、Ｐ_Ｎ２＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}＊Ｘ_Ｎ２、Ｐ_Ｈ２Ｏ＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}＊Ｘ_Ｈ２Ｏ、として、算出することができる。この結果、制御システム１００は、１つ又は複数のコンポーネント１１０のすべての全体を通じて、推定又は決定における質量保存の法則を維持することができる。制御システム１００は、最後の要素の分圧に基づいて最後の要素のフローの量又は流速を決定することができる。

制御システム１００は、それぞれのコンポーネント１１０ごとのガス、コンポーネント壁、及び外部の間の熱伝達計数を決定する（４１８）。ガスの熱交換を決定するべく、制御システム１００は、パイプ１１４ａなどの、それぞれのコンポーネント１１０を２つの部分に分割し、且つ、２つの部分におけるガスの有効熱交換

及び

を決定する。第１部分におけるガスの有効熱交換は、

に等しく、ここで、

は、ヌセルト数であり、

は、ガスの熱伝導率であり、

は、入口の直径である。同様に、第２部分は、

に等しい。

次いで、制御システム１００は、例えば、壁を通じてコンポーネントに進入する又はこれを離脱するエネルギの量である、コンポーネントのそれぞれの部分内の、熱交換

を決定する。制御システム１００は、コンポーネントを２つの部分に分割し、両方の部分における有効熱交換ｈ_ｅｆｆ－及びｈ_ｅｆｆ＋を決定する。即ち、

であり、ここで、ｈ_ｅｘｔは、コンポーネントの外側を流れるガスの対流係数であり、

は、コンポーネントの温度であり、

は、伝導係数であり、

は、コンポーネントを通じて流れるガスの熱伝達であり、

は、コンポーネントの平均断面積であり、

は、コンポーネントの入口の断面積であり、

は、コンポーネントの出口の断面積である。同様に、

である。従って、熱交換

は、

に等しい。

制御システム１００は、熱交換に基づいて、それぞれのコンポーネント内の温度を決定又は推定する（４２０）。制御システム１００は、熱交換を黙示的に定義することができると共に、温度を決定又は推定することができる。コンポーネント内のエネルギの流速は、コンポーネントに進入する又はこれを離脱するエネルギの正味フローに等しく、

、ここで、Ｖは、容積であり、ρは、ガスの密度であり、Ｃ_ｐは、コンポーネントの比熱であり、温度の変化ｄＴ^Ｋ／ｄｔは、

としても表すことができる。制御システム１００は、

として、それぞれのコンポーネントのエネルギ収支を黙示的に定義してもよく、ここで、

は、水の凝結の形成の熱交換であり、

は、流入質量であり、

は、流出質量であり、Ｃ_ｐ＿ｉｎは、流入比熱であり、Ｃ_{ｐ＿ｏｕｔ}は、流出比熱である。制御システム１００は、例えば、線形方程式の行列を使用することにより、それぞれのコンポーネントの温度を決定するべく、エネルギ収支の黙示的な定義を使用する。

制御システム１００は、それぞれのコンポーネントにおいて、すべての過剰な水又は凝結

を加算することにより、水収支を決定する（４２２）。次いで、制御システム１００は、全圧収支、分圧収支、エネルギ収支、及び／又は水収支に基づいて１つ又は複数のアクチュエータ１１２を制御する（４２４）。それぞれのコンポーネントにおけるそれぞれの要素ごとのそれぞれの要素及び分圧の合計は、既知であることから、制御システム１００は、比率が閾値比率未満であるかどうかを決定することができる。比率が閾値比率未満である場合には、制御システム１００は、燃料電池スタック１０８内への水素の量を増大させるべく、インジェクタ１２０を更に開放又は部分開放することができる。いくつかの実装形態においては、制御システム１００は、比率を維持するべく、燃料電池スタック１０８内に再循環される水素の量を増大させるために、水素ポンプ１２２の速度を増大させることができる。いくつかの実装形態においては、制御システム１００は、水素ガスの比率を増大させるべく、排気管から水を放出するために、パージバルブ１２４を開放又は部分開放することにより、非水素ガス又は水の量を減少させることができる。制御システム１００は、水素ポンプ１２２の速度が閾値速度に到達するか又はこれを超過した際に、パージバルブ１２４を開放することができる。閾値速度は、水素ポンプ１２２の最大動作速度であってもよく、或いは、比率の維持を支援するための閾値速度であってもよい。

本明細書及び請求項の全体において使用されている「Ａ又はＢの少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ Ａ ｏｒ Ｂ）」は、「Ａ」のみ、「Ｂ」のみ、或いは、「Ａ及びＢ」を含む。以上においては、方法／システムの例示用の実施形態を例示を目的としたスタイルにおいて開示する。従って、全体を通じて利用されている用語は、非限定的な方式により、判読することを要する。本開示における教示内容に対する小規模の変更が当業者には想起されることになるが、本出願に対して付与される特許の範囲に含まれるべく意図されているものは、本出願によって寄与される技術分野に対する進歩の範囲内に合理的に含まれるすべてのこのような実施形態であり、且つ、この範囲は、添付請求項及びその均等物に鑑みた場合を除いて、制限されるものではないことを理解されたい。
［構成１］
ビークルの燃料電池スタックを通じたガスフローを制御するための制御システムであって、
１つ又は複数のアクチュエータと燃料電池とを含む、２つ以上のコンポーネントと、
前記２つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットであって、
初期値及び前の時間ステップにおける値を決定し、
前記初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれ内の前記ガスフローの全圧を決定又は推定し、
前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれ内の前記ガスフローの前記全圧に基づいて前記１つ又は複数のアクチュエータを制御する、
ように構成されている、電子制御ユニットと、
を備える制御システム。
［構成２］
前記ガスは、水素ガス、水、及び非水素ガスの組成物であり、前記初期値及び前記前の時間ステップにおける値は、流量、圧力、濃度、温度、及び液水量のものである、構成１に記載の制御システム。
［構成３］
前記１つ又は複数のアクチュエータは、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブを含み、前記インジェクタは、前記燃料電池に噴射される水素ガスの量又は流速を制御し、前記水素ポンプは、前記燃料電池内に再循環される前記水素ガスの量又は流速を制御し、前記パージバルブは、前記ビークルから排出される非水素ガスの量又は流速を制御する、構成１に記載の制御システム。
［構成４］
前記電子制御ユニットは、前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれ内の前記ガスフローの前記全圧に基づいて、前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれ内の前記ガスフローのそれぞれの要素の分圧を決定又は推定する、ように構成されている、構成１に記載の制御システム。
［構成５］
前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
消費された水素ガスの量に対する水素ガスの量の比率を決定し、
前記比率に基づいて水素ポンプの速度を調節する、
ように構成されている、構成４に記載の制御システム。
［構成６］
前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
水又は非水素ガスのうちの少なくとも１つを放出するために、前記水素ポンプの前記速度に基づいて、前記パージバルブの位置を調節する、
ように更に構成されている、構成５に記載の制御システム。
［構成７］
前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
一定の圧力において前記燃料電池において消費される水素ガスのモル数に対する水素ガスのモル数の比率を維持するために、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブのうちの少なくとも１つを調節する、
ように構成されている、構成１に記載の制御システム。
［構成８］
前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
前記燃料電池内への水素ガスの量が、電気エネルギを生成するために前記燃料電池が消費する水素ガスの量以上であるのを許容するために、前記燃料電池の出口における一定の圧力及び比率に基づいて、インジェクタの位置を調節する、
ように構成されている、構成１に記載の制御システム。
［構成９］
前記電子制御ユニットは、
前記２つ以上のコンポーネントの水収支を決定し、
前記水収支に基づいて前記１つ又は複数のアクチュエータを制御する、
ように構成されている、構成１に記載の制御システム。
［構成１０］
燃料電池内のガスフローを制御する方法であって、
複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前の時間ステップにおける値を取得することと、
前記初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて前記複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける全圧を決定することと、
それぞれのコンポーネントにおける前記全圧に基づいて前記複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフロー内のそれぞれの要素の分圧を決定することと、
それぞれのコンポーネントにおける前記全圧及び分圧に基づいて、インジェクタ、パージバルブ、又は水素ポンプのうちの少なくとも１つを制御することと、
を含む方法。
［構成１１］
それぞれのコンポーネントからのすべての過剰な水又は凝結を加算することにより、水収支を決定すること、
を更に含む、構成１０に記載の方法。
［構成１２］
前記インジェクタ、前記水素ポンプ、又は前記パージバルブのうちの少なくとも１つを制御することが、非水素ガスに対する水素ガスの比率に基づいて前記水素ポンプの速度を制御することを含む、構成１０に記載の方法。
［構成１３］
前記水素ポンプの前記速度を制御することが、前記燃料電池内において消費される水素ガスに対する水素ガスの比率を維持するべく、前記燃料電池に進入する水素ガスの量を増大させるために前記水素ポンプの速度を増大させることを含む、構成１２に記載の方法。
［構成１４］
前記インジェクタ、前記水素ポンプ、又は前記パージバルブのうちの前記少なくとも１つを制御することが、前記水素ポンプの速度に基づいて前記パージバルブの位置を制御することを更に含む、構成１２に記載の方法。
［構成１５］
更に、
前記水素ポンプの速度が閾値レベル以上であると決定することと、
水を外部に放出又は排出するために前記パージバルブを開放又は部分開放位置に移動させることと、
を含む、構成１４に記載の方法。
［構成１６］
更に、
それぞれのコンポーネントのガス、コンポーネント壁、及び外部の熱伝達係数を決定することと、
前記それぞれのコンポーネントのガス、コンポーネント壁、及び外部の熱伝達係数に基づいてそれぞれのコンポーネントの温度を決定することと、
を含み、
前記それぞれのコンポーネントにおける全圧を決定することが、前記温度に更に基づいている、構成１０に記載の方法。
［構成１７］
更に、
それぞれのコンポーネントにおける過剰な液水の量を決定することと、
前記それぞれのコンポーネントにおける過剰な液水の量に基づいて過剰な液水の合計量を決定することと、
を含み、
前記インジェクタ、パージバルブ、又は水素ポンプのうちの少なくとも１つを制御することが、前記過剰な液水の合計量に基づいて前記パージバルブを制御することを含む、構成１０に記載の方法。
［構成１８］
ビークルの燃料電池スタック内のガスフローを制御するための制御システムにおいて、
１つ又は複数のアクチュエータと燃料電池とを含む、２つ以上のコンポーネントと、
前記２つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットであって、
前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前回値を決定し、
前記初期値及び前記前回値に基づいてそれぞれのコンポーネントの全圧を決定し、
前記全圧に基づいてそれぞれのコンポーネントの分圧を決定し、
それぞれのコンポーネントの温度を決定し、
それぞれのコンポーネントにおける水収支を決定し、
前記全圧、前記分圧、前記温度、及び前記水収支に基づいて前記１つ又は複数のアクチュエータを制御する、
ように構成されている、電子制御ユニットと、
を含む制御システム。
［構成１９］
前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
前記燃料電池において消費された水素の量に対する水素ガスの量の比率を決定し、
前記比率に基づいて水素ポンプの速度を調節する、
ように構成されている、構成１８に記載の制御システム。
［構成２０］
前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
前記水素ポンプの前記速度に基づいて、水又は非水素ガスのうちの少なくとも１つを放出するべくパージバルブの位置を調節する、
ように更に構成されている、構成１９に記載の制御システム。

Claims (20)

1. ビークルの燃料電池スタックを通じたガスフローを制御するための制御システムであって、
   １つ又は複数のアクチュエータと燃料電池とを含む、２つ以上のコンポーネントと、
   前記２つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットであって、
   初期値及び前の時間ステップにおける値を決定し、
   前記初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフローの全圧を決定又は推定し、
   前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフローの前記全圧に基づいて前記１つ又は複数のアクチュエータを制御する、
   ように構成されている、電子制御ユニットと、
   を備える制御システム。
2. 前記ガスは、水素ガス、水、及び非水素ガスの組成物であり、前記初期値及び前記前の時間ステップにおける値は、流量、圧力、濃度、温度、及び液水量のものである、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記１つ又は複数のアクチュエータは、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブを含み、前記インジェクタは、前記燃料電池に噴射される水素ガスの量又は流速を制御し、前記水素ポンプは、前記燃料電池内に再循環される前記水素ガスの量又は流速を制御し、前記パージバルブは、前記ビークルから排出される非水素ガスの量又は流速を制御する、請求項１に記載の制御システム。
4. 前記電子制御ユニットは、前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフローの前記全圧に基づいて、前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフローのそれぞれの要素の分圧を決定又は推定する、ように構成されている、請求項１に記載の制御システム。
5. 前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
   消費された水素ガスの量に対する水素ガスの量の比率を決定し、
   前記比率に基づいて水素ポンプの速度を調節する、
   ように構成されている、請求項４に記載の制御システム。
6. 前記１つ又は複数のアクチュエータは、パージバルブを含み、
   前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
   水又は非水素ガスのうちの少なくとも１つを放出するために、前記水素ポンプの前記速度に基づいて、前記パージバルブの位置を調節する、
   ように更に構成されている、請求項５に記載の制御システム。
7. 前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
   一定の圧力において前記燃料電池において消費される水素ガスのモル数に対する水素ガスのモル数の比率を維持するために、インジェクタ、水素ポンプ、又はパージバルブのうちの少なくとも１つを調節する、
   ように構成されている、請求項１に記載の制御システム。
8. 前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
   前記燃料電池内への水素ガスの量が、電気エネルギを生成するために前記燃料電池が消費する水素ガスの量以上であるのを許容するために、前記燃料電池の出口における一定の圧力及び比率に基づいて、インジェクタの位置を調節する、
   ように構成されている、請求項１に記載の制御システム。
9. 前記電子制御ユニットは、
   前記２つ以上のコンポーネントの水収支を決定し、
   前記水収支に基づいて前記１つ又は複数のアクチュエータを制御する、
   ように構成されている、請求項１に記載の制御システム。
10. 燃料電池内のガスフローを制御する方法であって、
    複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前の時間ステップにおける値を取得することと、
    前記初期値及び前の時間ステップにおける値に基づいて前記複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける全圧を決定することと、
    それぞれのコンポーネントにおける前記全圧に基づいて前記複数のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける前記ガスフロー内のそれぞれの要素の分圧を決定することと、
    それぞれのコンポーネントにおける前記全圧及び分圧に基づいて、インジェクタ、パージバルブ、又は水素ポンプのうちの少なくとも１つを制御することと、
    を含む方法。
11. それぞれのコンポーネントからのすべての過剰な水又は凝結を加算することにより、水収支を決定すること、
    を更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記インジェクタ、前記水素ポンプ、又は前記パージバルブのうちの少なくとも１つを制御することが、非水素ガスに対する水素ガスの比率に基づいて前記水素ポンプの速度を制御することを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記水素ポンプの前記速度を制御することが、前記燃料電池内において消費される水素ガスに対する水素ガスの比率を維持するべく、前記燃料電池に進入する水素ガスの量を増大させるために前記水素ポンプの速度を増大させることを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記インジェクタ、前記水素ポンプ、又は前記パージバルブのうちの前記少なくとも１つを制御することが、前記水素ポンプの速度に基づいて前記パージバルブの位置を制御することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
15. 更に、
    前記水素ポンプの速度が閾値レベル以上であると決定することと、
    水を外部に放出又は排出するために前記パージバルブを開放又は部分開放位置に移動させることと、
    を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 更に、
    それぞれのコンポーネントのガス、コンポーネント壁、及び外部の熱伝達係数を決定することと、
    前記それぞれのコンポーネントのガス、コンポーネント壁、及び外部の熱伝達係数に基づいてそれぞれのコンポーネントの温度を決定することと、
    を含み、
    前記それぞれのコンポーネントにおける全圧を決定することが、前記温度に更に基づいている、請求項１０に記載の方法。
17. 更に、
    それぞれのコンポーネントにおける過剰な液水の量を決定することと、
    前記それぞれのコンポーネントにおける過剰な液水の量に基づいて過剰な液水の合計量を決定することと、
    を含み、
    前記インジェクタ、パージバルブ、又は水素ポンプのうちの少なくとも１つを制御することが、前記過剰な液水の合計量に基づいて前記パージバルブを制御することを含む、請求項１０に記載の方法。
18. ビークルの燃料電池スタック内のガスフローを制御するための制御システムにおいて、
    １つ又は複数のアクチュエータと燃料電池とを含む、２つ以上のコンポーネントと、
    前記２つ以上のコンポーネントに接続された電子制御ユニットであって、
    前記２つ以上のコンポーネントのそれぞれのコンポーネントにおける流量、圧力、濃度、温度、及び液水量の初期値及び前回値を決定し、
    前記初期値及び前記前回値に基づいてそれぞれのコンポーネントの全圧を決定し、
    前記全圧に基づいてそれぞれのコンポーネントの分圧を決定し、
    それぞれのコンポーネントの温度を決定し、
    それぞれのコンポーネントにおける水収支を決定し、
    前記全圧、前記分圧、前記温度、及び前記水収支に基づいて前記１つ又は複数のアクチュエータを制御する、
    ように構成されている、電子制御ユニットと、
    を含む制御システム。
19. 前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
    前記燃料電池において消費された水素の量に対する水素ガスの量の比率を決定し、
    前記比率に基づいて水素ポンプの速度を調節する、
    ように構成されている、請求項１８に記載の制御システム。
20. 前記１つ又は複数のアクチュエータを制御するべく、前記電子制御ユニットは、
    前記水素ポンプの前記速度に基づいて、水又は非水素ガスのうちの少なくとも１つを放出するべくパージバルブの位置を調節する、
    ように更に構成されている、請求項１９に記載の制御システム。