[发明专利]用于确定在通过燃料电池再循环输送的气体混合物中的气体组分含量的方法

说明书

本发明涉及一种用于确定在通过燃料电池（10）的阳极室（12）或阴极室（13）再循环输送的气体混合物中的气体组分的含量的方法，其中所述输送通过根据挤压器原理运行的输送装置（26）进行。本发明还涉及一种设置用于实施该方法的燃料电池系统（100）。根据本发明，所述气体组分的含量根据输送装置（26）的几何参数（V，ξ）和运行参数（n，U，I）以及根据所述气体混合物的热力学状态值（p，T）来确定。因此，所寻求的目标值，例如阳极气体的氢气含量，可以以简单且可靠的方式由本来已知或测量的值来测定。

本发明涉及一种用于确定在通过燃料电池的阳极室或阴极室再循环输送的气体混合物中的气体组分的含量的方法，其中所述输送通过根据挤压器原理运行的输送装置进行。本发明还涉及一种设置用于实施该方法的燃料电池系统。

燃料电池利用燃料与氧气发生化学反应生成水来产生电能。为此，燃料电池包括作为核心部件的所谓膜-电极-组件（membrane electrode assembly，简写为MEA），其是由传导离子（通常为传导质子）的膜和分别布置在该膜两侧的催化电极（阳极和阴极）构成的结构。催化电极主要包括负载的贵金属，特别是铂。另外，可以在所述膜-电极-组件的两侧在电极的背离膜的侧面上布置气体扩散层（GDL）。通常，燃料电池由多个堆叠的MEA形成，其电功率相加。在各个膜-电极-组件之间，通常布置双极板（也称为流场板或隔板），其确保具有运行介质（即，反应物）的单个电池的供应，并且通常也用于冷却。另外，双极板提供与膜-电极-组件的导电接触。

在燃料电池的运行中，燃料（阳极运行介质），特别是氢气H₂或含氢气的气体混合物，通过双极板在阳极侧的开放流场（Flussfeld）输送到阳极，其中H₂电化学氧化成质子H⁺，从而释放电子（H₂→ 2 H⁺ + 2 e^-）。经由将反应室彼此气密性分开并且电隔离的电解质或膜，质子从阳极室（水结合地或无水地）传输到阴极室。在阳极上提供的电子通过电线传导至阴极。经由双极板在阴极侧的开放流场，将作为阴极运行介质的氧气或含氧气的气体混合物（例如空气）输送到阴极，以便O₂还原为O^2-，从而吸收电子（1/2 O₂ + 2 e^-→ O^2-）。同时，阴极室中的氧阴离子与通过膜传输的质子反应形成水（O^2- + 2 H⁺→ H₂O）。

在燃料电池的运行中，阳极运行介质，即燃料，相对于产生的电流以化学计量过量供应。出于这个原因，离开燃料电池的阳极废气仍含有相当大量的燃料，例如氢气。为了不将其未加利用地从系统中排出，阳极废气通常通过再循环管线返回到新供应的阳极运行介质。然而，由于通过燃料电池的聚合物电解质膜的扩散过程，氮气和水从阴极侧移动到燃料电池的阳极室，使得这些杂质组分积累在阳极气体中。出于这个原因，需要定期地用纯燃料对阳极室进行扫气，并从系统中排出“老化的”阳极气体。再循环率以及扫气过程的控制需要获悉流过阳极室和/或再循环的体积流量以及在阳极运行介质中的氮气含量或氢气含量。在此，应当尽可能地避免传感器，从而必须借助模型确定它们的值。这需要组合使用两种模型。困难在于，在用于确定体积流量的模型中，至少间接地需要未知的氮气-或氢气浓度，并且反过来在用于确定氮气-或氢气浓度的模型中需要未知的体积流量。

在DE 10 2009 019 836 A1中描述了用于确定阳极气体的氢气浓度和再循环体积流量的操作方法。在该方法中，使用再循环送气机的综合特征曲线（Kennfeld）和燃料电池组的压力损耗特征曲线。在重复的过程中，首先确定氢气浓度的任意值，并且根据其确定再循环体积流量的中间值。根据体积流量的中间值，计算氢气浓度的中间值，并且重复这些步骤，直至氢气浓度的模型化中间值不再显著地偏离前一循环的中间值。该方法包括复杂的燃料电池模型以及侧喷射送气机模型，并且无法适应系统的变化。