[發明專利]利用通用排氣氧傳感器的陰極入口濕度感測

在審

• 申請號: 202110106465.5
• 申請日: 2021-01-26
• 公開（公告）號: CN113206272A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 謝哈·索恩;理查德·E·索爾蒂斯;杰弗里·斯科特·赫本;威廉·弗雷德里克·桑德森
• 申請（專利權）人: 福特全球技術公司
• 主分類號: H01M8/04119
• 分類號: H01M8/04119;H01M8/0444;H01M8/04492;H01M8/04828;G01D21/02;B60L50/70
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 魯恭誠;田碩

本公開提供了“利用通用排氣氧傳感器的陰極入口濕度感測”。一種燃料電池系統，包括質子交換膜(PEM)燃料電池堆，所述PEM燃料電池堆限定主體，所述主體包括冷卻劑入口和冷卻劑出口、對應于陰極的陰極入口和陰極出口、對應于陽極的陽極入口和陽極出口。所述燃料電池系統還包括：陰極加濕器，所述陰極加濕器流體地連接到所述陰極入口以向所述陰極入口提供經加濕的入口流；通用排氣氧(UEGO)傳感器，所述UEGO傳感器定位在所述陰極入口的上游且在所述陰極加濕器的下游，并且被配置為測量所述經加濕的入口流的氧含量；以及控制器，所述控制器連接到所述陰極加濕器和所述UEGO傳感器并且被配置為基于所述經加濕的入口流的所述氧含量操作所述陰極加濕器。

技術領域

本公開涉及一種檢測燃料電池堆的陰極入口處的濕度的系統和方法，并且更具體地，涉及使用通用排氣氧傳感器來測量陰極入口處的濕度。

背景技術

通常在車輛中使用的一種類型的燃料電池是質子交換膜(PEM)燃料電池，其包括多個膜-電極界面，其中膜可以是定位在陽極與陰極之間的固體聚合物膜電解質。陽極和陰極連接到相應的集電器，具有用于進入和離開燃料電池的反應物的氣體分布的開口。電池在加濕狀態下操作以維持性能。例如，如果PEM未充分加濕，則膜中的質子的電導率降低，這可能影響電池性能。此外，隨著膜水合水平降低，內阻可能增加，從而降低輸出電壓并因此降低功率。另外，低濕度可能導致PEM變干，這可能導致膜隨時間的推移而劣化。另一方面，過高的濕度也可能通過抑制反應物擴散到催化劑位點而引起性能問題。該結果是在除水不充分的情況下由電極和氣體通道的淹沒引起的，從而降低了PEM的效率和功率。

因此，PEM燃料電池堆的陰極側入口處的濕度水平對于燃料電池堆的整體操作是重要的。因此，通常在陰極入口處提供濕度傳感器以測量濕度水平。控制PEM的水平衡需要在接近100℃的溫度和高達3巴的絕對壓力(通常處于或接近飽和水平)進行準確的水濃度測量。常規的濕度感測技術通常不能滿足惡劣環境下的需求。由于陰極入口處的濕度水平以及溫度水平通常遠超出正常環境水平，因此需要專門設計的儀表級濕度傳感器，其遠比常規的市售濕度傳感器昂貴。

發明內容

根據一個或多個實施例，一種燃料電池系統包括限定主體的質子交換膜(PEM)燃料電池堆，所述主體包括冷卻劑入口和冷卻劑出口、對應于陰極的陰極入口和陰極出口、對應于陽極的陽極入口和陽極出口。所述燃料電池系統還包括：陰極加濕器，所述陰極加濕器流體地連接到所述陰極入口以向所述陰極入口提供經加濕的入口流；通用排氣氧(UEGO)傳感器，所述UEGO傳感器定位在所述陰極入口的上游且在所述陰極加濕器的下游，并且被配置為測量所述經加濕的入口流的氧含量；以及控制器，所述控制器連接到所述陰極加濕器和所述UEGO傳感器并且被配置為基于所述經加濕的入口流的所述氧含量操作所述陰極加濕器。

根據至少一個實施例，所述燃料電池系統還可以包括空氣壓縮機，所述空氣壓縮機流體地連接到所述陰極加濕器以向所述陰極加濕器提供進氣流，使得水蒸氣被添加到所述進氣流以形成離開所述陰極加濕器的所述經加濕的入口流。在另一個實施例中，所述陰極加濕器可以經由所述UEGO傳感器上游的閥流體地連接到所述陰極入口，以控制所述經加濕的入口流到所述陰極的流量。在至少另一個實施例中，所述燃料電池系統還可以包括空氣壓縮機，所述空氣壓縮機流體地連接到所述陰極入口并且在所述UEGO傳感器和陰極加濕器上游提供進氣流，使得從所述陰極加濕器將水蒸氣流添加到所述進氣流以形成所述經加濕的入口流。在另一個實施例中，所述陰極加濕器可以通過閥流體地連接到所述進氣流，使得控制所述水蒸氣流。在至少一個實施例中，所述燃料電池系統可以包括溫度傳感器和壓力傳感器，所述溫度傳感器和所述壓力傳感器兩者都位于所述陰極加濕器的下游且在所述UEGO傳感器的上游。