[发明专利]采用H2注入压力波传播速率的阳极气体组成

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种检测和确定在燃料电池系统阳极子系统中流动的气体组成的系统和方法，并且更具体的，涉及采用在阳极子系统中两个或更多位置之间的声延迟来检测和确定在燃料电池系统阳极子系统中流动的气体组成的系统和方法。

背景技术

氢气由于其清洁并可用于燃料电池中高效发电，是一种很有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种电化学装置，包括阳极和阴极以及置于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中分解产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质达到阴极。氢质子与氧气和电子在阴极中反应生成水。来自阳极的电子无法穿过电解质，于是被引导在送至阴极之前流经负载做功。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)为汽车常用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括细粒状的催化剂颗粒，通常为铂(Pt)，担载于碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物被沉积在膜的相对面上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物以及膜的组合限定膜电极组件(MEA)。MEA制造相对昂贵并且需要一定的条件才能有效操作。

数个燃料电池典型组合于燃料电池堆中以产生期望的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地为压缩机加压通过电池堆的气体流。并非所有氧气都被电池堆消耗，部分空气作为阴极废气排出，其可能包括电池堆副产物水。燃料电池堆同样接收流入电池堆阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆典型地包括一系列置于电池堆中数个MEA之间的双极板，其中双极板和MEA都介于两个端板之间。双极板包括针对电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。双极板阳极侧上具有阳极气流通道，其可使阳极反应气体流向各自的MEA。双极板阴极侧上提供有阴极气流通道，其可使阴极反应气体流向各自的MEA。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物。端板将燃料电池产生的电力导出电池堆。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。

MEA可渗透，因此可使空气中的氮气从堆阴极侧穿过并在堆阳极侧收集，在工业上称为氮气串扰(nitrogen cross-over)。即使阳极侧压力可能略高于阴极侧压力，阴极侧分压也会使氧气和氮气透过膜。渗透的氧气在阳极催化剂存在下燃烧，但燃料电池堆阳极侧中渗透的氮气稀释了氢气。若氮气浓度增至高于一定百分比，例如50％，燃料电池堆将变得不稳定以及可能失效。

现有技术中已知在燃料电池堆的阳极废气出口处设置排出阀，以将氮气从堆阳极侧排出。现有技术还已知采用模型估算阳极侧中氮气摩尔分数，以确定何时进行阳极侧或阳极子系统的排放。但是，模型估算可能含有误差，尤其是当燃料电池系统的部件随着时间发生老化时。如果阳极氮气摩尔分数估算明显高于实际氮气摩尔分数，那么燃料电池系统将排出超过必要的阳极气体，即，将浪费燃料。如果阳极氮气摩尔分数估算明显低于实际氮气摩尔分数，系统不排出足够的阳极气体，可能使燃料电池缺乏反应物，这可能损坏燃料电池堆中的电极。

如上所述，燃料电池系统的性能受在阳极和阴极进入电池堆的气体的组成影响。燃料电池正常操作期间，氮气从阴极侧透过膜到达阳极侧，稀释燃料的浓度。如果阳极侧中有过多的氮气或水，电池电压可能下降。虽然实验室传感器可用于测量实际燃料浓度水平，但是利用这些传感器测量阳极子系统的氢浓度却不现实。实验室级别的热导传感器可用，但它们大且昂贵，并且会被可能存在于阳极子系统中的液体水损坏。也可以采用具有重设能力的基于扩散的模型。但是，这一方法周期性地吹扫足够的阳极气体以保证阳极子系统中没有氮气存在，这可能造成氢燃料的浪费。采用收发器的声学方法是另一种途径，但是，这需要足够强的声学信号来消除发送和接收装置之间的距离衰减的影响。因此，现有技术需要检测和确定燃料电池系统阳极子系统中气体的组成，以控制阳极子系统中燃料浓度。

发明内容

本发明公开用于确定燃料电池系统的阳极子系统中氢气浓度的系统。燃料电池系统包括至少一个燃料电池、阳极入口、阳极出口、阳极再循环管线、氢气源和用于注入氢气的注入装置。阳极再循环管线中提供有第一和第二声学传感器，两传感器之间间隔已知距离。响应来自第一和第二声学传感器的输出信号的控制器基于所述控制器接收来自第一传感器的传感器信号和接收来自第二传感器的传感器信号之间的时间，确定阳极再循环管线中的氢气浓度。

本发明进一步包括下列方面：

1、燃料电池系统，包括：

至少一个燃料电池，所述燃料电池包括阳极入口和阳极出口，所述阳极入口和所述阳极出口通过阳极再循环管线连接；