[发明专利]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

权利要求书

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。