[发明专利]利用由氢气分压力差产生的电池压力的氢气浓度传感器

说明书

技术领域

该发明总地涉及确定燃料电池系统的阳极子系统中氢气浓度的氢气浓度传感器，更特别地，涉及确定利用阳极废气再循环的燃料电池系统的阳极子系统中氢气浓度的氢气浓度传感器，其中使用能斯特方程来从氢气浓度传感器电压输出确定再循环气体中的氢气分压力，并使用氢气分压力确定再循环气体中的氢气浓度。

背景技术

因为氢气清洁，并且可用于在燃料电池中有效地产生电能，因此氢气是一种非常有吸引力的燃料。氢气燃料电池是一种电化学装置，包括阳极和阴极，其间具有电解质。阳极接收氢气气体，阴极接收氧气或空气。氢气气体在阳极中分离，产生自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与阴极中的氧气和电子反应，产生水。阳极的电子无法通过电解质，因此在传送至阴极之前被引导通过负载做功。

质子交换薄膜燃料电池（PEMFC）是一种用于车辆的常见燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电薄膜，例如全氟磺基酸薄膜。阳极和阴极通常包括支撑在碳颗粒上并与离聚合物混合的细分催化剂颗粒，通常为铂（Pt）。催化剂混合物沉积在薄膜的相对侧面上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物及薄膜的组合限定了薄膜电极组件（MEA）。MEA制造比较贵，且需要特定的条件以便有效操作。

通常几个燃料电池组合成燃料电池堆，以产生期望的电力。例如，用于车辆的典型燃料电池堆可具有两百个或更多的堆置燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常为通过压缩机强制通过电池堆的空气流。不是所有氧气都被电池堆消耗掉，而是一部分空气输出作为可包括水作为电池堆副产物的阴极废气。燃料电池堆还接收流入电池堆阳极侧的阳极氢气反应气体。电池堆还包括冷却流体流过的流动通道。

燃料电池堆包括位于电池堆中几个MEA之间的一系列双极板，其中所述双极板和MEA位于两个端板之间。双极板包括用于电池堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道设在允许阳极反应气体流向相应MEA的双极板的阳极侧上。阴极气流通道设在允许阴极反应气体流向相应MEA的双极板的阴极侧上。一个端板包括阳极气流通道，另一端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板将燃料电池产生的电能传导出电池堆。双极板还包括冷却流体流动通过的流动通道。

MEA是可渗透的，因此允许空气中的氮气从电池堆的阴极侧渗透通过，并聚积在电池堆的阳极侧，行业中称为氮气交叉。尽管阳极侧压力可能比阴极侧压力高，但是阴极侧分压力会引起空气渗透通过薄膜。燃料电池堆的阳极侧中的氮气稀释了氢气，使得如果氮气浓度升高超过一定的比例，例如50%，那么燃料电池堆会变得不稳定并可能出现故障。本领域已知在燃料电池堆的阳极废气输出处设置排气阀，以从电池堆的阳极侧去除氮气。

期望预测或估计系统起动期间燃料电池系统的阳极和阴极中的氢气量，以允许起动策略满足排放要求，同时最大化可靠性和最小化起动时间。还期望估计在正常操作、车辆怠速及车辆所有其它操作模式期间阳极中的氢气浓度，以更好地控制排放并最大化燃料效率，同时最小化电池堆损坏。通常期望氢气浓度估计器强健，以关闭和停止与时间相关的功能，并考虑气体的薄膜渗透性以及外源的空气侵入。同时，估计算法必须足够简单，以便以充分小的计算设置在汽车控制器中，从而没有延迟起动就被完成。

因为系统控制在不必要时无需提供过于稀释的空气，所以确定起动时燃料电池堆的阳极和阴极中的氢气浓度允许最快的可能起动时间。另外，因为要知道阳极中需要补充的氢气量，所以知道氢气浓度提供了更加可靠的起动。这与从氢气浓度可能比较高的待命状态或停车中间的起动尤其相关。

另外，因为当电池堆中存在未知的氢气浓度时，通常的起动策略假定最差情形的氢气百分比用于喷射目的，100%的氢气用于稀释目的，所以知道氢气浓度提高了耐用性。在那些情形下，初始用氢气冲洗阳极会比如果已知电池堆充满空气慢。腐蚀比率与初始氢气流率成比例。因此，若未精确地知道氢气浓度，则这些事件的每一件都会比所必然的要更加有害。

并且，因为更加精确地确定起动之前阳极和阴极中的氢气浓度会导致更加有效的起动决定并潜在地减少氢气的使用，因此知道氢气浓度提高了效率。例如，如果已知电池堆中没有氢气起动，那么可减少稀释空气。另外，知道氢气浓度提供了更加有力的起动。在仓促停机或具有故障传感器的停机事件中，算法可使用物理限制来提供阴极和阳极中氢气的上下边界。