[发明专利]用于燃料电池系统的氢浓度控制装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的氢浓度控制装置和方法。更具体地，本发明涉及这样一种用于燃料电池系统的氢浓度控制装置和方法，其适于根据供应至燃料电池系统的燃料电池的氢浓度将燃料电池系统中的阳极的氢浓度保持在适当水平。

背景技术

燃料电池系统通常包括用于供应反应气体（空气中的氢和氧）的氢供应系统和氧供应系统；用于将源自反应气体的氧化和还原反应的化学能电化学地转化为电能以产生作为反应产物的热和电能的燃料电池组；以及用于冷却燃料电池组的水和热管理系统。

在燃料电池系统的这些部件中，用于实际产生电的燃料电池组具有数十至数百个单元电池的堆叠结构，各个单元电池由膜电极组件（MEA）（其也可被称作电极-膜组件或电极-膜接合体）、和隔板组成，其中一对端板安装在燃料电池组的两端，以便与预定的端面压力一起固定各个堆叠组件，并且传导电采集。

MEA包括聚合物电解质膜、阳极和阴极，聚合物电解质膜布置在阳极与阴极之间，其中通过将含有纳米催化剂颗粒的催化层吸附到背衬层上来制造阳极（其也可被称作氢电极、燃料电极、负极电极、或氧化电极）和阴极（其也可被称作空气电极、氧电极、正极电极、或还原电极）。

现在将简略地描述这种燃料电池系统的电产生原理。由于氢被供应至燃料电池组的阳极，在阳极上开始氢的氧化反应，从而产生氢离子（质子）和电子。由此产生的氢离子和电子通过电解质膜和隔板移动到阴极。然后，通过从阳极移动而来的氢离子和电子与空气中的氧之间的电化学反应在阴极上产生水，并且通过端板的集电器，将由这些电子的电流最终产生的电能供应至需要电能的负载（例如，用于驱动燃料电池车的发动机）。

同时，通过测量供应至阳极的氢的浓度来将燃料电池组的阳极的氢浓度保持在适当水平的常规氢浓度控制技术，已用于各种使用调节器供应氢的常规氢供应系统中。例如，常规控制技术确定并控制通过该调节器产生的氢的浓度和氢中的杂质的含量，使得被提供的氢具有等于或高于参考浓度的浓度。如果对催化层有害的杂质包含在氢中，则停止氢供应系统的驱动。

此外，另一种常规氢浓度控制技术已应用于氢供应系统。该常规氢浓度控制技术测量燃料电池组的阻抗，以基于所测量的阻抗确定燃料电池的阳极流道中的氢浓度。当氢浓度低于参考值时，常规氢控制技术通过阳极的净化控制来保持氢浓度。然而，难以通过测量来自燃料电池车的阻抗来精确测量氢浓度，燃料电池的所述阻抗实际上在电流负载中经受连续的变化。具体地，存在如下问题，即燃料电池应该必要地装备有昂贵的阻抗测量装置。

还有另外一种常规技术已得到应用，该常规技术在氢再循环管中或燃料电池组的阳极的出口端处设置氢浓度测量传感器，以确定阳极的氢和杂质的浓度。该技术确定燃料电池组的各个单元电池的动力状态。当动力因相应单元电池中过量的杂质而低于参考值时，该常规技术进行氢净化以去除杂质。

然而，在该实施例中，当在再循环管侧确定氢浓度时，因为根据燃料电池的运行条件氢的再循环量不均匀，因此难以在实际中应用该常规技术，并且难以在冷凝水的影响下精确测量氢浓度。此外，在该技术中，因为氢净化处理经常是在已出现问题之后执行，因此阳极出现损坏和耐久性降低的可能性仍然十分高。此外，因为在燃料电池阳极的出口端实际上存在大量的冷凝水，这使得氢浓度测量传感器难以正常地在出口端运行，并且因为测量误差和因水引起的传感器故障的可能性非常高，因此难以将该常规技术应用于实际产品。

还有另一常规技术已得到应用，该常规技术在氢再循环管中设置氢浓度测量传感器以确定阳极流道中的杂质的浓度，然后在该确定的基础上进行氢净化控制。然而，由于大量的冷凝水存在于再循环管中，因此在大多数情况下难以测量氢浓度。此外，同样很可能的，将在燃料电池的电极已经因阳极中的杂质被损坏后进行上述过程，因此结果是阳极的耐久性又大大地受到影响。

发明内容

本发明提供一种用于燃料电池系统的氢浓度控制装置和方法，其中氢浓度测量传感器直接设置在氢储存装置（例如，氢罐）中，在测量的氢浓度的基础上估算燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度和杂质浓度，并且当确定出阳极流道中的氢浓度落在燃料电池系统可以稳定运行的参考值以下时，执行净化控制以将阳极流道中的气体（氢和杂质）排出到外部，使得燃料电池系统的阳极流道中的氢浓度可被保持在不低于参考值。