CN101820074B - 观察燃料电池系统启动期间的阳极流体成分的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及观察燃料电池系统启动期间的阳极流体成分的系统和方法。一种燃料电池系统包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管和阳极排出歧管中的至少一个流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口；传感器，至少用于测量第一阀的入口和出口处的流体压力，其中，所述传感器产生表示压力测量值的传感器信号；和处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号、并基于所述传感器信号的分析来确定燃料电池系统中的流体成分。

Description

观察燃料电池系统启动期间的阳极流体成分的系统和方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。更具体地，本发明涉及用于确定在启动期间燃料电池系统阳极部分中的流体成分的燃料电池系统和方法。

背景技术

在燃料电池系统中，在启动时的阳极浓度是用于启动/停机控制以满足排放标准的关键参数。当前，阳极浓度通过来自于查询表(LUT)的寿命初期(BOL)特征来确定。然而，BOL特征可能不代表随时间变化的准确阳极浓度。

在当前现有技术侧重生产的燃料电池系统(FCS)中，系统启动在氢气使用方面是相对低效的。当前FCS启动方法通常包括燃料电池堆阳极集管吹扫程序和燃料电池堆阳极冲洗程序以防止电极催化剂降级。吹扫和冲洗程序在持续时间和流率上基于FCS已经关闭多久(例如，使用系统“关闭计时器”)而不同。如果FCS已经关闭短时间，则假设燃料电池堆中剩留大量的氢气。随着系统老化，外围设备(balance-of-plant)部件(例如阀)和燃料电池堆膜会降级。这种降级会增加从阳极的氢气扩散速率。由于该已知行为，当前启动方法针对寿命末期FCS进行标定。因而，启动方法可在不必要时采用集管吹扫。此外，具有异常(高端)部件和/或膜的寿命初期FCS可具有极慢的氢气扩散速率(比标定基准更慢)；在这种情况下，可能不需要较长的关闭时间，只要集管吹扫或冲洗即可。

当前，不存在用于FCS内部的高性能(～ms响应时间)易于生产的氢气浓度传感器。借助于这种传感器，可以检测通过集管吹扫或冲洗阀的氢气前锋，其中，氢气前锋表示集管吹扫程序或集管冲洗程序的期望终点。此外，用于检测FCS中流体成分的装置将使得可以修正启动程序以确保最佳操作。

期望开发用于确定燃料电池系统中流体成分的燃料电池系统和方法，从而提供调整和修正燃料电池系统启动程序的基础，以最大化燃料电池系统从寿命初期至寿命末期的效率、耐用性和可靠性。

发明内容

根据本发明，令人惊奇地发现用于确定燃料电池系统中流体成分的燃料电池系统和方法，从而提供调整和修正燃料电池系统启动程序的基础，以最大化燃料电池系统从寿命初期至寿命末期的效率、耐用性和可靠性。

在一个实施例中，一种燃料电池系统包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管和阳极排出歧管中的至少一个流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体的入口和用于排出流体的出口；传感器，用于测量第一阀的入口和出口处的流体压力，其中，所述传感器产生表示压力测量值的传感器信号；和处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号、并基于所述传感器信号的分析来确定燃料电池系统中的流体成分。

在另一个实施例中，一种燃料电池系统包括：具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口；第二阀，所述第二阀与所述阳极排出歧管和再循环回路中的至少一个流体连通，其中，所述第二阀包括用于接收流体的入口和用于排出流体的出口；至少一个传感器，用于测量第一阀和第二阀中的每个的入口和出口处的流体压力，其中，所述至少一个传感器产生表示压力测量值的传感器信号；和处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号、并基于所述传感器信号的分析来确定燃料电池系统中的流体成分。

本发明也提供用于确定燃料电池系统中的流体成分的方法。

一种方法包括步骤：提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；提供第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管和阳极排出歧管中的至少一个流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体的入口和用于排出流体的出口；测量第一阀的入口和出口处的流体压力；和基于所述流体压力的测量值来确定第一阀中的流体成分。

一种燃料电池系统，包括：

具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；

第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管和阳极排出歧管中的至少一个流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体的入口和用于排出流体的出口；

传感器，用于测量第一阀的入口和出口处的流体压力，其中，所述传感器产生表示压力测量值的传感器信号；和

处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号、并基于所述传感器信号的分析来确定燃料电池系统中的流体成分。

所述燃料电池系统还包括阳极入口管道和阳极排出管道中的至少一个，其中，所述阳极入口管道在所述阳极供应歧管和氢气源之间提供流体连通，且所述阳极排出管道与所述阳极排出歧管流体连通。

所述燃料电池系统还包括以下部件中的至少一个：与所述阳极供应歧管流体连通的喷射泵；与所述阳极供应歧管流体连通的喷射器；和与所述阳极排出歧管和所述阳极供应歧管中的至少一个流体连通的再循环回路。

所述燃料电池系统还包括与所述阳极供应歧管和所述阳极排出歧管中的至少一个流体连通的第二阀，其中，所述第二阀包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口。

所述第一阀设置在燃料电池堆的第一端，所述第一阀与阳极入口管道隔开且与所述阳极供应歧管流体连通。

所述处理器包括存储装置和可编程部件中的至少一个。

由处理器进行的分析基于指令集，所述指令集包括基于理想气体定律和kv喷孔模型的处理器可执行指令，以确定燃料电池系统中的流体成分。

一种燃料电池系统，包括：

具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；

第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口；

第二阀，所述第二阀与所述阳极排出歧管和再循环回路中的至少一个流体连通，其中，所述第二阀包括用于接收流体的入口和用于排出流体的出口；

至少一个传感器，用于测量第一阀和第二阀中的每个的入口和出口处的流体压力，其中，所述至少一个传感器产生表示压力测量值的传感器信号；和

处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号、并基于所述传感器信号的分析来确定燃料电池系统中的流体成分。

所述燃料电池系统还包括阳极入口管道和阳极排出管道中的至少一个，其中，所述阳极入口管道在所述阳极供应歧管和氢气源之间提供流体连通，且所述阳极排出管道与所述阳极排出歧管流体连通。

所述燃料电池系统还包括以下部件中的至少一个：与所述阳极供应歧管流体连通的喷射泵；与所述阳极供应歧管流体连通的喷射器；和与所述阳极排出歧管和所述阳极供应歧管中的至少一个流体连通的再循环回路。

所述第一阀设置在燃料电池堆的第一端，所述第一阀与阳极入口管道隔开。

所述第二阀设置在燃料电池堆的第二端。

所述至少一个传感器测量绝对压力和差压中的至少一个。

由处理器进行的分析基于指令集，所述指令集包括基于理想气体定律和kv喷孔模型的处理器可执行指令，以确定燃料电池系统中的流体成分。

一种用于确定燃料电池系统中的流体成分的方法，所述方法包括步骤：

提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；

提供第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管和阳极排出歧管中的至少一个流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体的入口和用于排出流体的出口；

测量第一阀的入口和出口处的流体压力；和

基于所述流体压力的测量值来确定第一阀中的流体成分。

所述方法还包括步骤：提供阳极入口管道和阳极排出管道中的至少一个，其中，所述阳极入口管道在所述阳极供应歧管和氢气源之间提供流体连通，且所述阳极排出管道与所述阳极排出歧管流体连通。

所述方法还包括步骤：提供以下部件中的至少一个：与所述阳极供应歧管流体连通的喷射泵；与所述阳极供应歧管流体连通的喷射器；和与所述阳极供应歧管和所述阳极排出歧管中的至少一个流体连通的再循环回路。

所述方法还包括步骤：

提供与所述阳极供应歧管和所述阳极排出歧管中的至少一个流体连通的第二阀，其中，所述第二阀包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口；

测量第二阀的入口和出口处的流体压力；

基于所述流体压力的测量值来确定第二阀中的流体成分。

所述第一阀和第二阀中的每个的入口和出口处的流体压力由至少一个流体压力传感器测量。

流体成分由具有指令集的处理器确定，所述指令集包括基于理想气体定律和kv喷孔模型的处理器可执行指令。

附图说明

本发明的上述优势以及其它优势从优选实施例的以下详细描述结合附图对于本领域技术人员来说显而易见，在附图中：

图1是本领域已知的PEM燃料电池堆的示意性分解透视图；

图2是根据本发明的一个实施例的燃料电池系统的示意性截面图；和

图3是根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统的示意性截面图。

具体实施方式

以下详细描述和附图描述和图示了本发明的各个实施例。所述描述和附图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且不意在以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所示步骤本质上是示例性的，因而步骤的顺序不是必要的或关键的。

为了简单起见，图1图示和描述了仅两个电池的燃料电池堆(即，一个双极板)，应当理解的是，典型燃料电池堆将具有许多更多的这种燃料电池和双极板。

图1图示了根据现有技术的PEM燃料电池堆10。燃料电池堆10包括由导电双极板16隔开的一对膜电极组件(MEA)12、14。MEA12、14和双极板16堆叠在一对夹板18、20和一对单极端板22、24之间。夹板18、20通过密封垫或介电涂层(未示出)与端板22、24电绝缘。单极端板22、24中的每个的工作面26、28以及双极板16的工作面30、32包括多个凹槽或通道34、36、38、40，所述凹槽或通道34、36、38、40适合于利于燃料(例如氢气)和氧化剂(例如氧气)流从中穿过。不导电密封垫42、44、46、48在燃料电池堆10的部件之间提供密封和电绝缘。透气性扩散介质50、52、54、56(例如，碳或石墨扩散纸)基本上邻接MEA12、14的阳极面和阴极面中的每个。端板22、24设置成分别靠近扩散介质50、56。双极板16设置成靠近MEA12的阳极面上的扩散介质52。双极板16还设置成靠近MEA14的阴极面上的扩散介质54。

燃料电池堆10还包括阴极供应歧管58和阴极排出歧管60、冷却剂供应歧管62、冷却剂排出歧管64、阳极供应歧管66和阳极排出歧管68。供应歧管58、62、66和排出歧管60、64、68通过将双极板16中形成的相邻孔、密封垫42、44、46、48中形成的孔、和端板22、24中形成的孔对齐而形成。氢气经由阳极入口管道70通过阳极供应歧管66供应给燃料电池堆10。氧化物气体经由阴极入口管道72通过燃料电池堆10的阴极供应歧管58供应给燃料电池堆10。阳极出口管道74和阴极出口管道76分别设置用于阳极排出歧管68和阴极排出歧管60。冷却剂入口管道78和冷却剂出口管道80与冷却剂供应歧管62和冷却剂排出歧管64流体连通以提供从中通过的液体冷却剂流。应当理解的是，图1中的各个入口70、72、78和出口74、76、80的配置是用于图示目的，且可以根据需要选择其它配置。

图2示出了根据本发明的一个实施例的燃料电池系统100的阳极侧。燃料电池系统100包括具有多个燃料电池112的燃料电池堆110。每个燃料电池112具有阳极(未示出)和阴极(未示出)，电解质膜(未示出)设置在阳极和阴极之间。燃料电池堆110还包括第一端114和第二端116。如本文所述，第一端114称为“干端”，第二端116称为“湿端”。

在所示实施例中，燃料电池系统100还包括阳极供应歧管118、阳极排出歧管120、多个传感器122、124、126、138、以及处理器130。应当理解的是，燃料电池系统100中可包括附加的部件和系统，例如再循环子系统。

阳极供应歧管118与燃料电池112的阳极连通且提供氢气源132和燃料电池112之间的流体连通。应当理解的是，可使用其它流体源，例如氮气和空气。如图所示，阳极供应歧管118通过阳极入口管道134从氢气源132接收气态氢流。阳极入口管道134限定氢气源132和阳极供应歧管118之间的容积。应当理解的是，阳极入口管道134可具有任何所需截面面积且例如还可包括腔。如图所示，燃料电池系统100包括与阳极供应歧管118流体连通的第一阀136，也称为吹扫阀。第一阀136设置在燃料电池堆110的第一端114处，与阳极入口管道134隔开。为此，第一阀136包括用于接收流体流的入口138和在第一阀136处于开启位置时用于排出流体的出口140。

燃料电池系统100的阳极排出歧管120在多个燃料电池112的阳极和排出系统142之间提供流体连通。阳极排出歧管120接收流经燃料电池112的阳极的流体。被致使流经阳极的流体可为气态氢、空气或水。第二阀144与阳极排出歧管120流体连通且设置在燃料电池堆110的第二端116处。第二阀144利于来自于阳极排出歧管120的流体的吹扫或冲洗。应当理解的是，如果需要，第二阀144可设置在燃料电池堆110的第一端114处。还应当理解的是，第二阀144可例如将流体冲洗到阴极入口(未示出)。具体地，第二阀144包括用于接收流体流的入口146和在第二阀144处于开启位置时用于排出流体的出口148。

传感器122、124、126、128提供用于测量燃料电池系统100中的各个位置处的预定特性和水平的手段。具体地，每个传感器122、124、126、128测量压力水平并将传感器信号传输给处理器130，其中，传感器信号表示与压力和其它预定特性相关的数据和信息。应当理解的是，传感器122、124、126、128可测量绝对压力、差压、或绝对压力和差压的组合。如图所示，第一传感器122设置在阳极供应歧管118和第一阀136之间，其中，第一传感器122定位成至少测量第一阀136的入口138处的流体压力。第二传感器124定位成至少测量第一阀136的出口140处的流体压力。第三传感器126设置在阳极排出歧管120和第二阀144之间且至少测量第二阀144的入口146处的流体压力。第四传感器128定位成至少测量第二阀144的出口148处的流体压力。应当理解的是，任何数量的传感器可定位在燃料电池系统100中的任何数量的位置中。还应当理解的是，传感器122、124、126、128可测量任何预期特性或水平，例如温度。

所示处理器130与传感器122、124、126、128通信。为此，处理器130适合于接收从传感器122、124、126、128传输的每个传感器信号、分析所述传感器信号、且响应于传感器信号的分析来确定燃料电池系统100中的流体成分。

如图所示，处理器130基于指令集150分析和评估传感器信号。指令集150(可嵌入在任何计算机可读取介质中)包括用于配置处理器130以执行各种任务的算法、公式和处理器可执行指令。应当理解的是，处理器130可执行各种功能，例如，控制传感器122、124、126、128的功能。

在某些实施例中，处理器130可包括存储装置152。存储装置152可为单个存储装置或可为多个存储装置。另外，存储装置152可为固态存储系统、磁性存储系统、光学存储系统或任何其它合适的存储系统或装置。应当理解的是，存储装置152适合于存储指令集150。其它数据和信息可根据需要存储在存储装置152中。

处理器130还可包括可编程部件154。应当理解的是，可编程部件154可与燃料电池系统100的任何其它部件通信，例如传感器122、124、126、128。在某些实施例中，可编程部件154适合于管理和控制处理器130的处理功能。具体地，可编程部件154适合于控制传感器信号的分析。应当理解的是，可编程部件154可适合于将数据和信息存储在存储装置152上并从存储装置152取回数据和信息。

图3示出了根据本发明的另一个实施例的燃料电池系统100’的阳极侧，除了以下描述的之外，燃料电池系统100’类似于图2的燃料电池系统100。与图2的描述重复的结构包括相同的附图标记。图2所示结构的变型包括相同的附图标记和单引号(’)。如图3所示，燃料电池系统100还包括燃料喷射器156、喷射泵158和再循环回路160。应当理解的是，燃料电池系统100’中可根据需要包括附加的部件和系统。

燃料喷射器156和喷射泵158设置在氢气源132和阳极入口管道134’之间。喷射器156和喷射泵158提供对进入阳极入口管道134’的氢气流的控制。应当理解的是，附加部件(例如压力调节器和再循环泵)可与氢气源132和阳极入口管道134’连通。其它部件或系统可根据需要与阳极入口管道134’连通。

燃料电池系统100’的阳极排出歧管120在燃料电池112的阳极与排出系统142和再循环回路160中的至少一个之间提供流体连通。阳极排出歧管120接收流经燃料电池112的阳极的流体。作为非限制性示例，被致使流经阳极的流体可为气态氢、空气或水。可根据需要使用其它流体。在所示实施例中，燃料电池系统100’包括与阳极排出歧管120流体连通的阳极排出管道162。阳极排出管道162限定阳极排出歧管120与排出系统142和再循环回路160中的至少一个之间的容积。应当理解的是，阳极排出管道162可具有任何所需截面面积且例如还可包括腔。

再循环回路160在阳极排出歧管120和阳极供应歧管118之间提供流体连通。在某些实施例中，再循环回路160包括阳极入口管道134’的至少一部分、阳极排出管道162的至少一部分、再循环管道164、和水分离器166。然而，应当理解的是，可根据需要包括其它部件。

再循环管道164限定阳极入口管道134’和阳极排出管道162之间的容积。应当理解的是，再循环管道164可具有任何所需截面面积且例如还可包括腔。在所示实施例中，再循环管道164与水分离器166和喷射泵158流体连通。应当理解的是，再循环管道164可与阳极入口管道134’、阳极供应歧管118、阳极排出歧管120和阳极排出管道162中的至少一个直接连通。还应当理解的是，其它部件或系统可根据需要设置在再循环管道164与阳极入口管道134’、阳极供应歧管118、阳极排出歧管120和阳极排出管道162中的至少一个之间。

水分离器166设置在阳极排出管道162和再循环管道164之间且适合于去除来自于从阳极排出管道162接收的流体的过多的水分或产物水。为此，水分离器166与第二阀144流体连通。第二阀144排出或排泄在水分离器144中收集的产物水。如图所示，第二阀144还与排出系统142流体连通且适合于将产物水排出到排出系统142中。然而，应当理解的是，第二阀144可根据需要将产物水排出到任何系统或装置中。还应当理解的是，可根据需要包括附加的阀和控制装置。

在使用中，传感器122、124、126、128中的每个测量燃料电池系统100、100’中的各个位置处的流体压力。传感器122、124、126、128中的每个将表示测量数据和信息的传感器信号传输给处理器130。一旦接收，处理器130就分析每个传感器信号所表示的数据和信息。在某些实施例中，处理器130基于理想气体定律和k_v喷孔模型来分析数据和信息以确定燃料电池系统100、100’中的流体成分。借助于k_v喷孔模型来使用压力动态性质允许处理器130确定在吹扫和/或冲洗程序期间离开燃料电池系统100、100’的流体的摩尔质量。

具体地，理想气体定律规定：

$n_{\mathrm{Tot}}^{\mathrm{An}}=\frac{p^{\mathrm{An}}\·V^{\mathrm{An}}}{R\·T}$

$\⇒{\stackrel{\·}{A}}_{\mathrm{net}}^{\mathrm{An}}=\frac{{\stackrel{\·}{p}}^{\mathrm{An}}\·V^{\mathrm{An}}}{R\·T}$

其中，p^An是阳极压力(单位kPa)，V^An是阳极容积(单位L)，R是理想气体常数(～8.3144kPa L mol^-1K^-1)，T是阳极流体温度(单位K)。应当理解的是，温度可假定为保持恒定，从而理想气体定律的推导提供作为压力变化的函数的净流率。

此外，k_v喷孔模型规定：

${\stackrel{\·}{n}}^{\mathrm{vlv}}=\frac{k_v^{\mathrm{vlv}}}{4.633}\sqrt{\frac{p_{\mathrm{vlv},\mathrm{in}}^2-p_{\mathrm{vlv},\mathrm{out}}^2}{M_w\·T}}$

其中，是喷孔流率(单位mol/s)，k_v是喷孔流量参数(单位m³/h)，P_vlv，in是喷孔上游压力(单位kPa)，P_vlv，out是喷孔下游压力(单位kPa)，M_w是流经喷孔的气体的分子摩尔质量(单位g/mol)，T是流经喷孔的气体温度(单位K)。

在燃料电池系统100、100’的冲洗程序期间，短接电阻器用于抑制燃料电池堆中的电池电压。不可避免地，如果燃料电池的两侧上的氢气分压不相同，那么将吸取一些电流。由于电流引起的总阳极氢气消耗为：

${\stackrel{\·}{n}}^{\mathrm{consum}}=\frac{j\·A\·N_{\mathrm{cell}}}{2\·F}$

其中，J是燃料电池堆吸取的电流密度(单位A/cm²)，A是燃料电池堆的有效面积(单位cm²)，N_cell是燃料电池堆中的电池数，F是法拉第常数(～96485A s mol^-1)。

由于阳极压力控制设定氢气喷射器流率(继而转换为占空因数)，因而进入燃料电池堆阳极的净摩尔流率为：

${\stackrel{\·}{n}}_{\mathrm{net}}^{\mathrm{An}}={\stackrel{\·}{n}}^{\mathrm{injector}}-{\stackrel{\·}{n}}^{\mathrm{vlv}}-{\stackrel{\·}{n}}^{\mathrm{consum}}$

其中，

是喷射器流率(单位mol/s)[IN]，

是阀流率(单位mol/s)，

是仅仅在冲洗期间的消耗速率(单位mol/s)。

上述方程相结合形成成分方程，规定：

$\frac{{\stackrel{\·}{p}}^{\mathrm{An}}\·V^{\mathrm{An}}}{R\·T}={\stackrel{\·}{n}}^{\mathrm{injector}}-\frac{j\·A\·N_{\mathrm{cell}}}{2\·F}-\frac{k_v^{\mathrm{vlv}}}{4.633}\sqrt{\frac{p_{\mathrm{vlv},\mathrm{in}}^2-p_{\mathrm{vlv},\mathrm{out}}^2}{M_w\·T}}$

$\⇒M_w={\left\{\frac{k_v}{4.633\·({\stackrel{\·}{n}}^{\mathrm{injector}}-\frac{{\stackrel{\·}{p}}_{\mathrm{vlv},\mathrm{in}}}{R\·T}-\frac{j\·A\·N_{\mathrm{cell}}}{2\·F})}\right\}}^2\·\frac{p_{\mathrm{vlv},\mathrm{in}}^2-p_{\mathrm{vlv},\mathrm{out}}^2}{T}$

在成分方程的右手边的所有量被测量、是已知常数或被估计。在假定阳极部分中的流体基本上是氢或氮气/空气(摩尔质量的相似使得氮气/空气在计算中没有区别)时，为了确定流体成分，必须求解下列矩阵方程：

$\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ M_w^{H_2}& M_w^{N_2}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{y}_{H_2}\\ y_{N_2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1\\ M_w\end{array}\right]$

其中，

是氢气的摩尔质量(2.016g/mol)，

是氮气或空气的摩尔质量(～28.0-28.964g/mol)，M_w是从方程计算的摩尔质量(单位g/mol)，

是阳极中的氢气的摩尔比例，

是阳极中的氮气的摩尔比例。

因而，处理器130提供了燃料电池系统100、100’中的流体的浓度和摩尔流率。在某些实施例中，从处理器130获得的信息提供修正阳极冲洗或集管吹扫程序的退出标准的基础。具体地，当通过第一阀136和第二阀144的流体的计算摩尔质量达到某一阈值时，燃料电池系统100、100’退出阳极集管吹扫和/或阳极冲洗程序并前进到启动中的下一步骤。

作为另一个示例，从处理器130获得的信息提供启动的排放控制。具体地，使用者可以估算排气的H₂浓度。以下是基于来自于处理器130的信息和阴极压缩机流率来控制H₂排放的示例方法：限制氢气添加流率；降低阀系数(增加阳极压力)；和增加排气稀释流率。

作为又一个示例，从处理器130获得的信息提供诊断阀和喷射器故障的手段。具体地，在阳极阀被命令开启时，与预期升高(基于喷射器阀模型)成比例的过多的阳极压力升高可以被诊断为喷射器卡开或阀卡开。

作为又一个示例，从处理器130获得的信息提供修正启动程序的基础。具体地，当通过阀的流体的计算摩尔质量超过某些边界时，所述信息可用于修正启动过程。当阳极中的氢气浓度基于预定标度被计算为非常低时，启动程序可以下列方式中的至少一种进行修正：延长阳极装填状态；改变阳极装填速率；和减少阴极装填时间。当阳极中的氢气浓度基于预定标度被计算为非常高时，启动程序可以下列方式中的至少一种进行修正：缩短或去除阳极装填状态；改变阳极装填速率；和增加阴极装填时间。

因而，燃料电池系统100、100’和用于确定燃料电池系统100、100’中的流体成分的方法检测在燃料电池启动期间流经燃料电池堆110的流体成分。燃料电池系统100、100’和方法提供调整和修正燃料电池启动过程的基础，以最大化燃料电池系统100、100’从寿命初期至寿命末期的效率、耐用性和可靠性。

从前述说明，本领域技术人员可以容易地确定本发明的实质特性，且在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种改变和修改以使之适合于使用和条件。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：

具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；

第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管和阳极排出歧管中的至少一个流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体的入口和用于排出流体的出口；

传感器，用于测量第一阀的入口和出口处的流体压力，其中，所述传感器产生表示压力测量值的传感器信号；和

处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号、并基于所述传感器信号的分析来确定燃料电池系统中的流体成分的浓度。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括阳极入口管道和阳极排出管道中的至少一个，其中，所述阳极入口管道在所述阳极供应歧管和氢气源之间提供流体连通，且所述阳极排出管道与所述阳极排出歧管流体连通。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括以下部件中的至少一个：与所述阳极供应歧管流体连通的喷射泵；与所述阳极供应歧管流体连通的喷射器；和与所述阳极排出歧管和所述阳极供应歧管中的至少一个流体连通的再循环回路。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括与所述阳极供应歧管和所述阳极排出歧管中的至少一个流体连通的第二阀，其中，所述第二阀包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口。

5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一阀设置在燃料电池堆的第一端，所述第一阀与阳极入口管道隔开且与所述阳极供应歧管流体连通。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述处理器包括存储装置和可编程部件中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，由处理器进行的分析基于指令集，所述指令集包括基于理想气体定律和kv喷孔模型的处理器可执行指令，以确定燃料电池系统中的流体成分的浓度。

8.一种燃料电池系统，包括：

具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；

第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口；

第二阀，所述第二阀与所述阳极排出歧管和再循环回路中的至少一个流体连通，其中，所述第二阀包括用于接收流体的入口和用于排出流体的出口；

至少一个传感器，用于测量第一阀和第二阀中的每个的入口和出口处的流体压力，其中，所述至少一个传感器产生表示压力测量值的传感器信号；和

处理器，用于接收所述传感器信号、分析所述传感器信号、并基于所述传感器信号的分析来确定燃料电池系统中的流体成分的浓度。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，还包括阳极入口管道和阳极排出管道中的至少一个，其中，所述阳极入口管道在所述阳极供应歧管和氢气源之间提供流体连通，且所述阳极排出管道与所述阳极排出歧管流体连通。

10.根据权利要求8所述的燃料电池系统，还包括以下部件中的至少一个：与所述阳极供应歧管流体连通的喷射泵；与所述阳极供应歧管流体连通的喷射器；和与所述阳极排出歧管和所述阳极供应歧管中的至少一个流体连通的再循环回路。

11.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述第一阀设置在燃料电池堆的第一端，所述第一阀与阳极入口管道隔开。

12.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述第二阀设置在燃料电池堆的第二端。

13.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述至少一个传感器测量绝对压力和差压中的至少一个。

14.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，由处理器进行的分析基于指令集，所述指令集包括基于理想气体定律和kv喷孔模型的处理器可执行指令，以确定燃料电池系统中的流体成分的浓度。

15.一种用于确定燃料电池系统中的流体成分的浓度的方法，所述方法包括步骤：

提供具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包括阳极供应歧管和阳极排出歧管；

提供第一阀，所述第一阀与所述阳极供应歧管和阳极排出歧管中的至少一个流体连通，其中，所述第一阀包括用于接收流体的入口和用于排出流体的出口；

测量第一阀的入口和出口处的流体压力；和

基于所述流体压力的测量值来确定第一阀中的流体成分的浓度。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括步骤：提供阳极入口管道和阳极排出管道中的至少一个，其中，所述阳极入口管道在所述阳极供应歧管和氢气源之间提供流体连通，且所述阳极排出管道与所述阳极排出歧管流体连通。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括步骤：提供以下部件中的至少一个：与所述阳极供应歧管流体连通的喷射泵；与所述阳极供应歧管流体连通的喷射器；和与所述阳极供应歧管和所述阳极排出歧管中的至少一个流体连通的再循环回路。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括步骤：

提供与所述阳极供应歧管和所述阳极排出歧管中的至少一个流体连通的第二阀，其中，所述第二阀包括用于接收流体流的入口和用于排出流体的出口；

测量第二阀的入口和出口处的流体压力；

基于所述流体压力的测量值来确定第二阀中的流体成分的浓度。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一阀和第二阀中的每个的入口和出口处的流体压力由至少一个流体压力传感器测量。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，流体成分的浓度由具有指令集的处理器确定，所述指令集包括基于理想气体定律和kv喷孔模型的处理器可执行指令。

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