[發明專利]利用由氫氣分壓力差產生的電池壓力的氫氣濃度傳感器

無效

• 申請號: 201110229631.7
• 申請日: 2011-08-11
• 公開（公告）號: CN102403518A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: A.J.馬斯林;B.拉克什馬南
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;G01N7/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉楨

技術領域

該發明總地涉及確定燃料電池系統的陽極子系統中氫氣濃度的氫氣濃度傳感器，更特別地，涉及確定利用陽極廢氣再循環的燃料電池系統的陽極子系統中氫氣濃度的氫氣濃度傳感器，其中使用能斯特方程來從氫氣濃度傳感器電壓輸出確定再循環氣體中的氫氣分壓力，并使用氫氣分壓力確定再循環氣體中的氫氣濃度。

背景技術

因為氫氣清潔，并且可用于在燃料電池中有效地產生電能，因此氫氣是一種非常有吸引力的燃料。氫氣燃料電池是一種電化學裝置，包括陽極和陰極，其間具有電解質。陽極接收氫氣氣體，陰極接收氧氣或空氣。氫氣氣體在陽極中分離，產生自由質子和電子。質子通過電解質到達陰極。質子與陰極中的氧氣和電子反應，產生水。陽極的電子無法通過電解質，因此在傳送至陰極之前被引導通過負載做功。

質子交換薄膜燃料電池（PEMFC）是一種用于車輛的常見燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子導電薄膜，例如全氟磺基酸薄膜。陽極和陰極通常包括支撐在碳顆粒上并與離聚合物混合的細分催化劑顆粒，通常為鉑（Pt）。催化劑混合物沉積在薄膜的相對側面上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物及薄膜的組合限定了薄膜電極組件（MEA）。MEA制造比較貴，且需要特定的條件以便有效操作。

通常幾個燃料電池組合成燃料電池堆，以產生期望的電力。例如，用于車輛的典型燃料電池堆可具有兩百個或更多的堆置燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應氣體，通常為通過壓縮機強制通過電池堆的空氣流。不是所有氧氣都被電池堆消耗掉，而是一部分空氣輸出作為可包括水作為電池堆副產物的陰極廢氣。燃料電池堆還接收流入電池堆陽極側的陽極氫氣反應氣體。電池堆還包括冷卻流體流過的流動通道。

燃料電池堆包括位于電池堆中幾個MEA之間的一系列雙極板，其中所述雙極板和MEA位于兩個端板之間。雙極板包括用于電池堆中相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。陽極氣流通道設在允許陽極反應氣體流向相應MEA的雙極板的陽極側上。陰極氣流通道設在允許陰極反應氣體流向相應MEA的雙極板的陰極側上。一個端板包括陽極氣流通道，另一端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板由導電材料制成，例如不銹鋼或導電復合材料。端板將燃料電池產生的電能傳導出電池堆。雙極板還包括冷卻流體流動通過的流動通道。

MEA是可滲透的，因此允許空氣中的氮氣從電池堆的陰極側滲透通過，并聚積在電池堆的陽極側，行業中稱為氮氣交叉。盡管陽極側壓力可能比陰極側壓力高，但是陰極側分壓力會引起空氣滲透通過薄膜。燃料電池堆的陽極側中的氮氣稀釋了氫氣，使得如果氮氣濃度升高超過一定的比例，例如50%，那么燃料電池堆會變得不穩定并可能出現故障。本領域已知在燃料電池堆的陽極廢氣輸出處設置排氣閥，以從電池堆的陽極側去除氮氣。

期望預測或估計系統起動期間燃料電池系統的陽極和陰極中的氫氣量，以允許起動策略滿足排放要求，同時最大化可靠性和最小化起動時間。還期望估計在正常操作、車輛怠速及車輛所有其它操作模式期間陽極中的氫氣濃度，以更好地控制排放并最大化燃料效率，同時最小化電池堆損壞。通常期望氫氣濃度估計器強健，以關閉和停止與時間相關的功能，并考慮氣體的薄膜滲透性以及外源的空氣侵入。同時，估計算法必須足夠簡單，以便以充分小的計算設置在汽車控制器中，從而沒有延遲起動就被完成。

因為系統控制在不必要時無需提供過于稀釋的空氣，所以確定起動時燃料電池堆的陽極和陰極中的氫氣濃度允許最快的可能起動時間。另外，因為要知道陽極中需要補充的氫氣量，所以知道氫氣濃度提供了更加可靠的起動。這與從氫氣濃度可能比較高的待命狀態或停車中間的起動尤其相關。

另外，因為當電池堆中存在未知的氫氣濃度時，通常的起動策略假定最差情形的氫氣百分比用于噴射目的，100%的氫氣用于稀釋目的，所以知道氫氣濃度提高了耐用性。在那些情形下，初始用氫氣沖洗陽極會比如果已知電池堆充滿空氣慢。腐蝕比率與初始氫氣流率成比例。因此，若未精確地知道氫氣濃度，則這些事件的每一件都會比所必然的要更加有害。

并且，因為更加精確地確定起動之前陽極和陰極中的氫氣濃度會導致更加有效的起動決定并潛在地減少氫氣的使用，因此知道氫氣濃度提高了效率。例如，如果已知電池堆中沒有氫氣起動，那么可減少稀釋空氣。另外，知道氫氣濃度提供了更加有力的起動。在倉促停機或具有故障傳感器的停機事件中，算法可使用物理限制來提供陰極和陽極中氫氣的上下邊界。