CN115832368A - 测量或控制燃料电池堆过量氢气流量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了测量或控制燃料电池堆过量氢气流量的系统和方法。本发明总体上涉及用于确定、管理和/或控制包括燃料电池或燃料电池堆的系统中过量氢气流量的系统和方法。

Description

测量或控制燃料电池堆过量氢气流量的系统和方法

相关申请的交叉引用

该非临时申请根据35 U.S.C. § 119(e)和任何其他适用法律或法规要求对2021年9月10日提交的序列号为63/242,931的美国临时专利申请的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容特此通过引用明确并入本文。

技术领域

本公开涉及用于在包括燃料电池或燃料电池堆的系统中测量、管理和/或控制过量氢气流量的系统和方法。

背景技术

交通工具和/或动力系统使用燃料电池、燃料电池堆和/或燃料电池系统来满足其电力需求。基于燃料电池、燃料电池堆或系统的操作条件，对于燃料电池系统的最小过量燃料目标可以被指定为燃料电池或燃料电池堆所需的过量燃料目标的最小水平。燃料电池或燃料电池堆可以具有高于最小过量燃料目标的过量燃料水平，但是实现该更高水平可以导致燃料电池或燃料电池堆上的高寄生负载。例如，高于最小过量燃料目标的过量燃料水平可以通过在阳极维持高燃料流率来实现，这可以导致燃料电池、堆或系统中的压力损失。

如果未实现过量燃料的最小水平，则燃料电池或燃料电池堆的性能或效率可能降低。附加地，燃料电池膜电极组装件（MEA）的可逆和/或不可逆老化速率可能增加，从而导致效率的永久降低或缩短的燃料电池寿命。这可能需要以附加的成本提前更换燃料电池或燃料电池堆。

目前，不存在使得燃料管理系统能够直接测量包括燃料电池或燃料电池堆的系统中的过量燃料水平的方法或系统。本公开涉及用于测量、管理和/或控制包括燃料电池或燃料电池堆的系统中的过量氢气流量的系统和方法。

发明内容

包括本发明的实施例以满足这些和其他需求。

在本文所述的本公开的一个方面，一种燃料堆系统或装置包括混合以形成第三流动流的第一流动流和第二流动流以及控制器。第三流动流流过燃料电池堆系统中燃料电池堆的阳极入口。控制器将燃料电池堆系统的过量燃料比与燃料电池堆系统的目标过量燃料比进行比较。

在一些实施例中，该燃料电池堆系统可以进一步包括鼓风机、喷射器或旁通阀。在一些实施例中，控制器可以取决于过量燃料电池堆系统来确定何时操作鼓风机或者可以确定鼓风机速度。在一些实施例中，控制器可以取决于燃料电池堆系统的过量燃料比来确定旁通阀的操作。在一些实施例中，燃料电池堆系统可以包括第一喷射器和第二喷射器。控制器可以取决于燃料电池堆系统的过量燃料比来确定是操作第一喷射器、第二喷射器还是第一和第二喷射器两者。

在一些实施例中，该燃料电池堆系统可以包括至少一个物理或虚拟传感器。在一些实施例中，物理或虚拟传感器可以是单点压力传感器或差压传感器。在一些实施例中，物理或虚拟传感器可以测量跨燃料电池堆的压力，测量跨喷射器的压力，或者测量跨燃料电池堆系统中鼓风机的压力。在一些实施例中，控制器可以进一步测量第一流动流中的质量流率或第二流动流中的质量流率。控制器可以基于跨燃料电池堆所测量的压力或跨喷射器所测量的压力，并基于第一流动流中的所测量质量流率或第二流动流中的所测量质量流率来确定燃料电池堆系统的夹带比。

在一些实施例中，如果系统的夹带比不同于目标夹带比，则控制器可以操作鼓风机、更改鼓风机的速度、操作一个或多个喷射器或旁通阀。如果一个或多个喷射器包括第一喷射器和第二喷射器，则控制器可以确定第一喷射器和第二喷射器的操作。在一些实施例中，夹带比可以具有小于12%的不确定性。

在一些实施例中，物理或虚拟传感器可以包括温度传感器。在一些实施例中，温度传感器可以测量跨燃料电池堆系统中混合点的温度差。在一些实施例中，控制器可以通过使用燃料电池堆系统中的能量平衡，基于跨混合点的温度差来确定燃料电池堆系统的夹带比。在一些实施例中，跨混合点的温度差可以最大化。

在一些实施例中，如果该燃料电池堆系统的夹带比不同于目标夹带比，则控制器可以操作鼓风机、更改鼓风机的速度、操作一个或多个喷射器或者操作旁通阀。如果一个或多个喷射器包括第一喷射器和第二喷射器，则控制器可以确定第一喷射器和第二喷射器的操作。

在一些实施例中，控制器可以基于燃料电池堆系统的操作条件使用模型来确定该燃料电池堆系统的夹带比。

在一些实施例中，模型可以用于基于该燃料电池堆系统的操作条件来确定该燃料电池堆系统的夹带比。该模型可以是相关模型或基于组件的模型。在一些实施例中，该燃料电池堆系统可以包括第一喷射器和第二喷射器。控制器可以进一步取决于燃料电池堆系统的过量燃料比来确定是操作第一喷射器、第二喷射器还是第一喷射器和第二喷射器两者。

在本公开的第二方面，一种确定燃料电池堆系统或装置的过量燃料比的方法包括以下步骤：混合第一流动流和第二流动流以形成第三流动流，使第三流动流流过燃料电池堆中的阳极入口，使用控制器将燃料电池堆系统的过量燃料比与燃料电池堆系统的目标过量燃料比进行比较，以及通过使用物理或虚拟传感器来测量跨燃料电池堆的压力或测量跨喷射器的压力或者测量跨鼓风机的压力。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中相同的符号遍及附图表示相同的部分，其中：

图1A是包括连接到配套设施（a balance of plant）的一个或多个燃料电池堆的燃料电池系统的图示。

图1B是具有燃料电池模块的燃料电池系统的图示，每个燃料电池模块具有燃料电池堆和/或燃料电池。

图1C是燃料电池堆中燃料电池部件的图示。

图2是示出包括燃料电池或燃料电池堆的系统的操作曲线的曲线图。

图3是示出燃料电池堆系统中文丘里管（venturi）或喷射器的实施例的示意图。

图4是示出燃料电池堆系统中连同文丘里管或喷射器一起使用的限流装置的示意图。

图5是燃料电池堆系统中的文丘里管或喷射器的实施例的示意图，该燃料电池堆系统包括用于执行能量平衡的两个位置。

图6是示出了在燃料电池堆系统中与文丘里管或喷射器一起使用的限流器的示意图，该燃料电池堆系统包括用于执行能量平衡的两个位置。

具体实施方式

本公开涉及用于在包括燃料电池20或燃料电池堆12的系统中确定、管理和/或控制过量氢气流量的系统和方法。更具体地，本公开涉及使用压力和/或温度测量以便在包括燃料电池20或燃料电池堆12的系统中确定、管理和/或控制过量氢气流量。本公开还涉及使用计算模型以便在包括燃料电池20或燃料电池堆12的系统中确定和/或管理过量氢气流量。本公开涉及克服燃料管理系统中用于直接测量过量燃料流量的挑战。

如图1A中所示，燃料电池系统10通常包括连接到配套设施（BOP）16的一个或多个燃料电池堆12或燃料电池模块14，其包括各种部件，以创建、生成和/或分配电能以环境友好的方式满足现代工业和商业需求。如图1B和图1C中所示，燃料电池系统10可以包括燃料电池堆12，该燃料电池堆12包括多个单独的燃料电池20。每个燃料电池堆12可以容纳串联和/或并联连接在一起的多个燃料电池20。燃料电池系统10可以包括一个或多个燃料电池模块14，如图1A和图1B中所示。

每个燃料电池模块14可以包括多个燃料电池堆12和/或多个燃料电池20。燃料电池模块14还可以包括被采用来支持燃料电池模块14的功能和操作的相关联结构元件、机械系统、硬件、固件和/或软件的合适组合。这样的项在没有限制的情况下包括管道、传感器、调节器、集电器、密封件和绝缘体。

燃料电池堆12中的燃料电池20可以堆叠在一起，以倍增和增加单个燃料电池堆12的电压输出。燃料电池系统10中的燃料电池堆12的数量可以取决于操作燃料电池系统10和满足任何负载的功率需求所需的功率量而变化。燃料电池堆12中的燃料电池20的数量可以取决于操作包括燃料电池堆12的燃料电池系统10所需的功率量而变化。

每个燃料电池堆12或燃料电池系统10中的燃料电池20的数量可以是任何数量。例如，每个燃料电池堆12中的燃料电池20的数量可以范围从大约100个燃料电池到大约1000个燃料电池，包括在其中包含的任何特定数量或数量范围的燃料电池20（例如，大约200个到大约800个）。在实施例中，燃料电池系统10可以包括大约20到大约1000个燃料电池堆12，包括在其中包含的任何特定数量或数量范围的燃料电池堆12（例如，大约200到大约800个）。燃料电池模块14内的燃料电池堆12中的燃料电池20可以在任何方向上取向，以优化燃料电池系统10的操作效率和功能性。

燃料电池堆12中的燃料电池20可以是任何类型的燃料电池20。燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜（PEM）燃料电池、阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、再生燃料电池（RFC）、磷酸燃料电池（PAFC）或固体氧化物燃料电池（SOFC）。在示例性实施例中，燃料电池20可以是聚合物电解质膜或质子交换膜（PEM）燃料电池或固体氧化物燃料电池（SOFC）。

在图1C中所示的实施例中，燃料电池堆12包括多个质子交换膜（PEM）燃料电池20。每个燃料电池20包括单个膜电极组装件（MEA）22和在膜电极组装件（MEA）22的一侧或两侧上的气体扩散层（GDL）24、26（参见图1C）。燃料电池20进一步包括在每个气体扩散层（GDL）24、26外侧上的双极板（BPP）28、30。以上提及的部件22、24、26、30包括单个重复单元50。

双极板（BPP）28、30负责燃料电池20中反应物的传输，诸如燃料32（例如氢气）或氧化剂34（例如氧气、空气）和冷却流体36（例如冷却剂和/或水）。双极板（BPP）28、30可以通过氧化剂流场42和/或燃料流场44将反应物32、34均匀分布到每个燃料电池20的活性区域40。发生电化学反应以生成由燃料电池20产生的电能的活性区域40居中在膜电极组装件（MEA）22处的气体扩散层（GDL）24、26和双极板（BPP）28、30内。双极板（BPP）28、30被压缩在一起，以将一个或多个反应物32隔离和/或密封在它们相应的路径、通道和/或流场42、44内，从而维持导电性，这是燃料电池20操作期间鲁棒性所需要的。

本文所述的燃料电池系统10可以用在诸如工业应用和发电厂的固定和/或不可移动的电力系统中。燃料电池系统10也可以结合电解槽18和/或其他电解系统18来实现。在一个实施例中，燃料电池系统10串联或并联连接和/或附接到电解系统18，诸如BOP 16中的一个或多个电解槽18（参见图1A）。在另一个实施例中，燃料电池系统10没有串联或并联连接和/或附接到电解系统18，诸如BOP 16中的一个或多个电解槽18。

本燃料电池系统10也可以包括在移动应用中。在示例性实施例中，燃料电池系统10在交通工具和/或动力系100中。包括本燃料电池系统10的交通工具100可以是汽车、通行汽车、公共汽车、卡车、火车、机车、飞行器、轻型交通工具、中型交通工具或重型交通工具。交通工具100的类型还可以包括但不限于商用交通工具和发动机、火车、电车、有轨电车、飞机、公共汽车、轮船、船只和其他已知的交通工具，以及除其他事物之外尤其其他机械和/或制造设备、设备、设施。

交通工具和/或动力系100可以在道路、公路、铁路、航线和/或水道上使用。交通工具100可以用在包括但不限于非公路运输、短尾（bobtail）和/或采矿设备的应用中。例如，采矿设备交通工具100的示例性实施例是采矿卡车或运矿卡车。

燃料电池20或燃料电池堆12电源模块可以包括燃料管理系统，其控制、管理、实现或确定初级燃料32（例如氢气）作为燃料流流向阳极的流量。燃料流量控制可以通过阳极入口212以匹配、超过或小于燃料电池20或燃料电池堆12的燃料消耗率的速率进行。燃料流量控制可以取决于从燃料电池或燃料电池堆出口214回到阳极入口212的燃料流废气的再循环率。燃料流量控制可以取决于燃料电池20或燃料电池堆12在目标压力下的操作。燃料流量控制可以取决于阳极流和阴极流之间的压差维持在指定的目标范围内。

鼓风机和/或泵220（例如再循环泵）可以在与燃料电池20或燃料电池堆12中的压力损失成比例的容量下运转。鼓风机和/或泵220也可以在与通过鼓风机和/或泵220的体积流率成比例的容量下运转。鼓风机和/或泵220可以使用附加的功率来补偿压力损失。鼓风机和/或泵220使用附加的功率可以导致燃料电池20或燃料电池堆12上的高寄生负载。

包括燃料电池系统10的燃料电池系统10的操作特性的一个实施例在图2中的曲线图101中图示，该燃料电池系统10包括燃料电池20或燃料电池堆12。操作压力和相关联的操作温度示出为电流密度108的函数。可能需要燃料电池20或燃料电池堆12在称为阳极入口歧管压力（P_AIM）的压力范围内操作，该压力范围在图3中所示的阳极入口歧管404处测量。

燃料电池20或燃料电池堆12的最高阳极入口歧管压力（P_{AIM_HI}）用110标示。燃料电池20或燃料电池堆12的最低阳极入口歧管压力（P_{AIM_HI}）用120标示。最高阳极入口歧管压力（P_{AIM_HI}）110和最低阳极入口歧管压力（P_{AIM_LO}）120之间的范围160指示目标阳极入口歧管压力范围或操作压力。燃料电池系统10的目标温度可以范围从低燃料供应操作温度（T_{CV_LO}）102到高燃料供应操作温度（T_{CV_HI}）104。

当燃料电池20或燃料电池堆12在临界电流密度（i_{_LO_CR}）130以上操作时，在范围从大约或近似最高阳极入口歧管压力（P_{AIM_HI}）110至大约或接近最低阳极入口歧管压力（P_{AIM_LO}）120的压力下操作燃料电池20或燃料电池堆12至关重要。在一些实施例中，临界电流密度（i_{_LO_CR}）130可以是大约0.7 A/cm²。在其他实施例中，临界电流密度（i_{_LO_CR}）130可以是大约0.6 A/cm²。在一些另外的实施例中，临界电流密度（i_{_LO_CR}）130可以高于或低于0.7A/cm²，诸如范围从大约0.5 A/cm²到大约0.9 A/cm²，包括其中包含的每个电流密度108或电流密度108的范围。

燃料电池20或燃料电池堆12可以在高电流密度138下操作，该高电流密度138可以高于临界电流密度（i_{_LO_CR}）130。高电流密度138可以范围从大约1.3 A/cm²到大约2.0 A/cm²，或大约1.3 A/cm²到大约1.6 A/cm²，或大约1.0 A/cm²到大约1.6 A/cm²，包括其中包含的每个电流密度108或电流密度108的范围。

在一些实施例中，以如此高的电流密度138（例如，在大约1.6 A/cm²）下操作燃料电池20或燃料电池堆12将导致燃料电池20或燃料电池堆12在不同于最佳目标操作压力和操作温度的压力和温度下操作。在不同于最佳目标操作压力和操作温度的压力和温度下操作燃料电池20或燃料电池堆12可能降低燃料电池20或燃料电池堆12的效率。由于MEA 22降级（例如，由于缺料、溢流和/或相对湿度影响），这样的操作也可能导致对燃料电池20或燃料电池堆12的损坏。在一些实施例中，当燃料电池20或燃料电池堆12在临界电流密度（i_{_LO_CR}）130以下操作时，在燃料电池20或燃料电池堆12操作压力和操作温度方面可以存在更多灵活性。包括燃料电池20或燃料电池堆12的本操作系统可以在最小电流密度（i_MIN）132和/或最大电流密度（i_MAX）134下操作。

在一个实施例中，包括燃料电池20或燃料电池堆12的燃料电池系统10可以在可以不同于图2中曲线160所指示的功能范围中操作。燃料电池系统10可以在更高的压力下（例如，最高阳极入口歧管压力（P_{AIM_HI}）110）或者在与临界电流密度（i_{_LO_CR}）130一样低的电流密度108下操作。例如，燃料电池系统10可以在大约2.5巴下将稳态操作向下扩展到大约临界电流密度（i_{_LO_CR}）130。以巴为单位的压力测量是指以巴为单位的绝对压力。

图3图示了燃料电池系统10的一个实施例，该燃料电池系统10包括燃料电池堆12、机械调节器250、与燃料电池堆12串联或并联的再循环泵或鼓风机220、排气阀280、吹洗阀284、截止阀270、压力传输阀290、一个或多个压力传感器240/260和文丘里管或喷射器230。在一些实施例中，燃料电池系统10可以包括一个或多个燃料电池堆12和/或一个或多个燃料电池20。在其他实施例中，还可以存在一个或多个阀、传感器、压缩机、调节器、鼓风机、注射器、喷射器和/或与燃料电池堆12串联或并联的其他设备。

在燃料电池系统10的一个实施例中，阳极入口流222流过燃料电池堆12的阳极204端。通常，阳极入口流222可以是新鲜燃料（例如H₂）和阳极废气（例如H₂燃料和/或水）的混合物。相反，氧化剂206（例如空气、氧气或加湿空气）可以流过燃料电池堆12的阴极208端。

可以在阳极入口212处提供过量的燃料，以避免朝向阳极出口214的燃料缺料。在一些实施例中，过量燃料比（λ_H2）可以大于或等于大约1.3，以避免燃料缺料。可以在阳极入口212处提供再循环流，以支持膜电极组装件（MEA）22的加湿。阳极入口流222的水含量或阳极入口流222的相对湿度可能影响燃料电池堆12的性能和运转状况。例如，低入口湿度可能导致MEA 22更干燥，从而导致性能降低。低入口湿度也可能引发应力，该应力可能导致对MEA 22的永久损坏。

高阳极气体入口相对湿度水平可能导致燃料电池20或燃料电池堆12内的溢流，这可能引发局部缺料和/或其他影响，这可能降低燃料电池性能和/或损坏膜电极组装件（MEA） 22。在一些实施例中，可能存在最佳的入口相对湿度范围，在该范围内，燃料电池性能得到改进，并且膜电极组装件（MEA） 22的劣化速率被最小化。例如，当阳极入口流222的相对湿度水平在约30%至约35%的范围内（包括其中包含的任何百分比或范围）时，燃料电池20或燃料电池堆12可以实现最佳性能。

参考图3，如果阳极出口214处的阳极流在燃料电池操作温度下饱和，并且如果阳极入口流相对湿度水平是大约30%，则可能需要大约1.37至大约1.4的最小过量燃料比（λ_H2）来维持燃料电池性能和/或避免对膜电极组装件（MEA）22的损坏。在其他实施例中，如果阳极出口214处的阳极流在燃料电池操作温度下饱和，并且如果相对湿度水平是大约35%，则可能需要大约1.45至大约1.51的最小过量燃料比（λ_H2）来维持燃料电池性能和/或避免对膜电极组装件（MEA）22的损坏。

参考图1C，提供燃料电池20或燃料电池堆12中的冷却剂36流，以管理燃料电池20或燃料电池堆12内可能由于低效而出现的生成的热量。冷却剂36的流动通道可以被设计成使能有效的传热以移除任何废热。基于冷却剂流率和冷却剂比热容的有限冷却剂热容量可能导致跨燃料电池20或燃料电池堆12的温度变化。在一些实施例中，设计规范可以限制跨燃料电池20或燃料电池堆12之上的可允许温度升高。例如，在寿命开始（BoL）时，可能需要足够高的冷却剂流率来将温度升高限制在大约5℃至大约7℃。入口冷却剂温度可以单独管理以满足入口温度目标。

随着燃料电池20或燃料电池堆12老化，燃料电池20或燃料电池堆12内生成的热量可能增加。如果冷却剂36流量维持在满足寿命开始（BoL）温度上升的设计规范的水平，则老化之后的温度上升可能大于大约5℃至大约7℃。

由于燃料电池20或燃料电池12堆设计有有效的传热，因此局部阳极和阴极流温度可能与局部冷却剂温度相似。阳极出口流温度也可能影响过量燃料比（λ_H2）。阳极出口流温度可能更接近冷却剂入口温度，该冷却剂入口温度可能不同于燃料电池操作温度。因此，阳极出口流温度在寿命开始（BoL）时可以低到大约7 ℃，并且在寿命结束（EoL）时可以低到大约10℃。

取决于燃料电池20或燃料电池堆12设计，跨燃料电池20或燃料电池堆12之上的冷却剂36温度变化可能影响阴极和阳极入口和/或出口流温度。燃料电池20或燃料电池堆12可以被设计成具有三个流动流的多个配置——阳极流、阴极流、冷却剂流。例如，通过燃料电池20或燃料电池堆12的每个流动流可以具有单个入口和出口。流动流可以定向为同向流动、逆向流动或横向流动。

几何（空间）约束可以排除横向流动，并要求三个流中的两个是同向流动，其中第三个是逆向流动。如果燃料电池20或燃料电池堆12被设计成阳极流作为逆向流动，则阴极流和冷却剂流是同向流动。在该配置中，阳极流出口温度可以接近入口冷却剂温度，而阴极入口/出口流温度可以接近入口/出口冷却剂温度。

由于可以通过控制冷却剂入口温度将燃料电池20或燃料电池堆12温度控制到目标阴极出口温度，因此在上述实施例中，阴极出口温度可以接近冷却剂出口温度。在BoL时，阴极入口温度可以比出口温度低大约5℃至大约7 ℃，并且在EoL时低大约10℃。在该相同的配置中，阳极出口流的温度可以接近阴极入口温度，并且在BoL时可以比目标燃料电池温度目标低大约5℃至大约7℃，并且在EoL时低大约10℃。在一些实施例中，BoL期间任何配置中的温度差可以范围从大约1℃到大约3℃、3℃到大约5℃、5℃到大约7℃、7℃到大约10℃、10℃到大约12℃，或者其中包含的任何特定温度或范围。在其他实施例中，在EoL期间任何配置中的温度差可以范围从大约5℃至大约7℃、7℃至大约10℃、10℃至大约12℃、12℃至大约15℃，或者其中包含的任何特定温度或范围。

可以设计燃料电池20或燃料电池堆22，使得阳极流与冷却剂36同向流动，并且阳极出口流温度可以高于阳极气体入口温度。

如果阳极出口流温度比目标温度低约10℃，并且如果相对湿度水平为约30%，则可能需要约1.40至约1.49的最小过量燃料比（λ_H2）来维持燃料电池性能和/或避免损坏膜电极组装件（MEA）22。如果阳极出口流温度比目标温度低约10℃，并且如果相对湿度水平为约35%，则可能需要约1.50至约1.8的最小过量燃料比（λ_H2）来维持燃料电池性能和/或避免损坏膜电极组装件（MEA）22。在温度改变较大的高电流密度下，所需过量燃料比（λ_H2）的增加可能更明显。

燃料电池20中过量燃料和水含量的来源可能来自次级或再循环流量226。燃料电池系统10中次级流量226的成分取决于其阳极出口流225的成分。在一些实施例中，阳极出口流225可以在给定的阳极出口流温度和压力下用水饱和。因此，当确定所需的次级流量226以满足阳极入口流222的过量燃料或相对湿度目标时，可以考虑次级流量226的成分变化。

次级流量226的所需流率可以根据对于过量燃料的需求或通过对于水含量的增加的需求来确定，以要求次级流量226更高流量为准。次级流量226的所需流量可以表述为目标夹带比（ER）。夹带比（ER）被定义为低压流的质量流率（例如，次级质量流率）与高压流的质量流率（例如，初级质量流率）之比。替代地，目标有效过量燃料比（λ_H2）或最小所需燃料系数可以计及对于过量燃料的需求，或者计及阳极入口流222的增加的水含量。

过量燃料比（λ_H2）或阳极化学计量系数被定义为阳极入口流222流率与燃料电池20或燃料电池堆12中消耗的燃料之比。过量燃料比（λ_H2）可以用于表示满足所需阳极入口流222特性的次级流量226的所需成分。所需的阳极入口流222特性可能是燃料电池系统10的过量燃料比（λ_H2）或相对湿度要求的更严格者。图2中示出了作为电流密度108的函数的最小所需过量燃料比（λ_H2）140。在一些实施例中，燃料电池系统10需要在最小所需过量燃料比（λ_H2）140处或以上的燃料量。

在其他实施例中，燃料电池系统10可能需要目标水或湿度水平，这可能影响过量燃料比（λ_H2）140。过量燃料比（λ）140跨燃料电池系统10操作范围之上可以是平坦的，除了在低电流密度108下，诸如在过量燃料比电流密度阈值（

）150处或以下的电流密度108下。替代地或附加地，过量燃料比（λ_H2）140可以随着电流密度108的改变而改变。

在一些实施例中，在过量燃料比电流密度阈值（

）150以上的过量燃料比（λ_H2）140可以在从大约1.3至大约1.9的范围中，包括其中包含的任何系数。在一个优选的实施例中，在过量燃料比电流密度阈值（

）150以上的过量燃料比（λ_H2）140可以在大约1.4至大约1.6的范围中，包括其中包含的任何系数或系数范围。

在一些实施例中，燃料电池系统10的过量燃料比电流密度阈值（

）150可以在0.2 A/cm²或大约是0.2 A/cm²。在其他实施例中，过量燃料比电流密度阈值（

）150可以处于不同的电流密度108。例如，过量燃料比电流密度阈值（

）150可以处于大约0.05A/cm²至大约0.4 A/cm²范围中的电流密度108，包括其中包含的任何电流密度108或电流密度108的范围。在一个优选的实施例中，过量燃料比电流密度阈值（

）150可以是大约0.1 A/cm²或大约0.2 A/cm²。过量燃料比电流密度阈值（

）150可以取决于燃料电池20或燃料电池堆12的操作条件。

在一个实施例中，如果燃料电池20或燃料电池堆12在过量燃料比电流密度阈值（

）150以下操作，则可以通过阳极204维持最小体积流率，以冲洗掉燃料电池20或燃料电池堆12中可能形成的任何液态水。在低流率下（例如，低于大约0.2 A/cm²或低于大约0.1A/cm²），燃料电池20或燃料电池堆12中可能存在溢流。如果最小体积流率在过量燃料比电流密度阈值（

）150以下，则燃料电池20或燃料电池堆12的降级速率可能增加，并且燃料电池或燃料电池堆的性能可能受到不利影响。

文丘里管或喷射器230可以用在燃料电池系统10中。文丘里管或喷射器230的大小可以定成使得燃料电池系统10在某些电流密度108下不需要再循环泵220、诸如鼓风机的协助。如图2的曲线170和180所示，不使用再循环泵或鼓风机220可以导致寄生负载的减少。曲线170示出了在没有文丘里管或喷射器230的情况下由再循环泵或鼓风机220输送的流量的一部分。曲线180示出了对应的寄生负载。

寄生负载可以随着电流密度的增加而增加，如曲线180所示。该再循环泵或鼓风机220可以在与燃料电池20或燃料电池堆12中的压力损失成比例和/或与燃料电池20或燃料电池堆12中的次级流量226的所需流率成比例的容量下操作。燃料电池20或燃料电池堆12最初可以在高电流密度138和/或在高操作温度和压力下操作，使得在该初始操作条件下的燃料电池负载高。燃料电池负载定义为：

负载=堆功率=电流×燃料电池或燃料电池堆电压=电流密度×燃料电池面积×燃料电池或燃料电池堆电压。

当对于电力的负载需求快速降低或减除时，燃料电池20或燃料电池堆12可以处于负载减除状态，从而需要燃料电池20或燃料电池堆12减少输送的电流。

在燃料电池20或燃料电池堆12中的瞬态操作期间，燃料电池20或燃料电池堆12中的操作压力可以基于燃料电池20或燃料电池堆12操作温度的改变而改变。例如，在负载减除期间，燃料电池系统10可以具有对应于瞬态操作压力（P_{_AIM_TRS}）的操作压力，该操作压力可以大于其稳态操作压力（P_{_AIM_SS}）。在一些实施例中，即使在低电流密度108下，瞬态操作压力（P_{_AIM_TRS}）也可以等于最高阳极入口歧管压力（P_{AIM_HI}）110。

在负载接受期间，电流密度108的增加速率受到限制，并且稳态操作压力（P_{_AIM_SS}）可以等于阳极入口歧管压力（P_AIM）。

在负载接受期间，由于经由冷却剂恒温控制的不完善的温度控制，燃料电池20或燃料电池堆12操作温度可能超过目标操作温度。在这样的条件下的操作压力高于在标称（稳定状态）操作下的操作压力。该情形类似于在快速负载减除期间发生的情形。

在一个实施例中，燃料电池20或燃料电池堆12的操作压力可以优化在使能燃料电池20或燃料电池堆12高效操作与在选定操作压力下操作所需的寄生负载（例如，空气压缩机、鼓风机和/或泵的寄生负载）之间的平衡。在一些实施例中，操作温度、操作压力和/或过量空气系数（air ratio）可以维持对于燃料电池20或燃料电池堆12操作的目标相对湿度（RH）。操作温度、操作压力和/或过量空气系数可以通过以阴极208处的相对湿度（RH）的特定值为目标来确定。

过量空气系数被定义成类似于过量燃料比（λ_H2）140，但是指代阴极208侧流（即空气中的过量O₂）。过量空气系数、压力和温度的组合一起用于控制阴极208侧上的湿度，其进而影响阳极204（H₂）侧上的水含量。在一个实施例中，随着电流密度变化的温度、压力和过量空气系数可以用于控制阴极208侧上的湿度。在一些实施例中，过量空气系数可以是大约2.0。

在其他实施例中，过量空气系数可以在大约1.7至大约2.1的范围中，包括其中包含的任何系数或系数范围。在一些其他实施例中，在加压操作下，过量空气系数可以在大约1.8至大约1.9的范围中，包括其中包含的任何系数或系数范围。过量空气系数可以增加到在空气阈值电流以下，以保持足够高的体积流率，从而防止燃料电池20或燃料电池堆12在阴极208侧上的溢流。

可以通过使用加湿设备与操作压力和操作温度组合来维持目标相对湿度（RH）。例如，加湿设备可以用于燃料电池20或燃料电池堆12的阴极208侧上。如果指定了燃料电池20或燃料电池堆12的目标相对湿度（RH）和目标操作压力，则可以确定燃料电池20或燃料电池堆12操作的目标温度。

机械调节器250是控制阀256，其可以用于控制新鲜燃料202的流量，也称为初级流量、初级质量流量、初级燃料或去往阳极204的动力流量（motive flow）。控制阀256可以是比例控制阀，或者代替机械调节器250（例如，圆顶调节机械调节器）的喷射器。控制阀256可以包括控制控制阀256打开或关闭的内阀258、线圈255或螺线管257。

在阳极204和阴极208处的气流（例如阳极入口流222和空气206）之间的压差可以向机械调节器250中的控制器252提供输入信号254。机械调节器250的控制器252可以确定通过阳极204处的阳极入口212的阳极入口流222的流量。控制阀256可以是比例控制阀或喷射器。在其他实施例中，控制阀256可以包括控制控制阀256的打开或关闭的内阀258、线圈255或螺线管257。来自燃料电池20或燃料电池堆12的阳极204和/或阴极208的输入信号254可以是物理信号或虚拟（例如电子）信号。输入信号254可以是本领域中已知的任何类型的通信或计算机信号。

可以基于操作压力（例如，阳极压力）控制初级流量202的流率或初级流率，以匹配燃料电池堆12中的燃料消耗。在一些实施例中，假设所有其他参数相等，当燃料消耗与阳极204处的新鲜燃料馈送匹配时，阳极204中的压力可以稳定。因为机械调节器250的功能是基于阳极204和阴极208之间的压差，所以当使用机械调节器250时，需要维持目标压差。在一些实施例中，阴极208处的压力经由阴极侧控件282被控制和/或维持在目标水平。

诸如通过采用致动器282，机械调节方法可以使用来自阴极/空气入口216的压力信号281来控制质量流量，并在燃料电池堆12的阴极208侧上维持适当的压力。在一些实施例中，来自阴极208侧的压力信号218是至机械调节器250的输入。在一些实施例中，阳极204侧质量流量和阳极204侧压力可以通过使用来自阴极208侧的压力信号281并且测量一个或多个阳极204侧条件来控制。

来自阴极208侧的压力信号281可以改变机械调节器250中的内阀258的位置，以控制通过机械调节器250的质量流量，并维持阳极204和阴极208之间的目标压差。作用在机械调节器250上的输入信号254实际上是作用在隔膜257或机械调节器250的其他部件上的压差。不可以对压差进行其他直接测量。

阳极204处的单点压力可以计算为阴极208侧压力加上在阳极204处的气流（例如，222）和阴极208处的气流（例如，206）之间的压差。单点压力可以是绝对压力或表压。

文丘里管或喷射器230可以使用跨阳极气体再循环（AGR）回路224之上的流动压力汲取次级流量226，也称为次级质量流、夹带流或再循环流。如稍后所讨论的，文丘里管或喷射器230可以利用来自较高压力的初级流量的可用过量焓来汲取次级流量226，抵抗通过AGR回路224的压力损失。阳极气体再循环回路224可以包括文丘里管或喷射器230、燃料电池堆12和次级入口232，诸如包含在文丘里管或喷射器230中的吸入室620中的入口，和/或与文丘里管或喷射器230和/或燃料电池堆12相关联的其他管道、阀、通道、歧管。再循环泵或鼓风机220可以增加或减少跨AGR回路224之上的差压。

燃料电池系统10可能需要目标水或湿度水平，这可以驱动饱和次级流量226的流动。饱和次级流量226然后可以驱动初级流量202，使得目标过量燃料比（λ_H2）140可以取决于目标水或湿度水平。

在一个实施例中，再循环泵或鼓风机220可以用于实现过量燃料比（λ_H2）。再循环泵或鼓风机220可以跨燃料电池堆12的整个操作范围（电流密度）之上操作。再循环泵或鼓风机220的寄生负载可能相当大。在一个实施例中，可能需要大的再循环泵或鼓风机220来提供功率以实现目标过量燃料比（λ_H2）140。在一些实施例中，再循环泵或鼓风机220的使用可能是低效且昂贵的。再循环泵或鼓风机220的操作特性可以不同于文丘里管或喷射器230的操作条件。

再循环泵或鼓风机220的压力提升能力（

P_{_BLWR}）是通过再循环泵或鼓风机220的流量（Q）、鼓风机速度（N）和流体成分密度（ρ）的函数。再循环泵或鼓风机220的压力提升（

P_{_BLWR}）可能受到燃料电池系统10的功率汲取极限和/或速度极限限制。当再循环泵或鼓风机220不旋转或在其他燃料电池系统10失速条件下操作时，再循环泵或鼓风机220可以充当AGR回路224中的限制。

燃料电池系统10可以在不同的操作条件下操作。操作条件可以包括但不限于操作电流密度、操作压力、操作温度、操作相对湿度、燃料供应压力、燃料供应温度、所需的再循环流量、夹带比、寄生负载限制、功率需求、AGR回路224中的压力损失、文丘里管或喷射器230性能和/或效率、再循环泵或鼓风机220性能和/或效率、燃料密度、吹洗流量以及阻塞或未阻塞（例如，未阻塞）流量条件。燃料电池系统10的调低比定义为文丘里管或喷射器230的最大容量与文丘里管或喷射器230的最小容量之比。文丘里管或喷射器230可以使用初级流动能量有效能来汲取再循环流量226。调低比表征了文丘里管或喷射器230能够向燃料电池堆12输送所需的过量燃料比（λ_H2）140的范围。燃料电池系统10可以被设计成最大化文丘里管或喷射器230的调低比。因此，最大化文丘里管或喷射器230的调低比也有助于最小化与再循环泵或鼓风机220相关联的大小和寄生负载。在一些实施例中，可能需要文丘里管或喷射器230鲁棒地操作和/或执行，以在所需的过量燃料比（λ_H2）140下输送所需的初级流量202。

在一个实施例中，燃料供应系统80可以在燃料供应压力（P_CV）和燃料供应温度（T_CV）下供应燃料。初级流量202可以穿过控制阀256，并通过初级喷嘴231以初级喷嘴入口压力（P_O）和初级入口温度（T_O）进入文丘里管或喷射器230。次级流量226可以在次级入口压力（P_S）和次级入口温度（T_S）下通过吸入室620中的次级入口或进口232进入文丘里管或喷射器230。

分级（sizing）压力（P_{_CV_MIN}）可以是控制阀256处的最小入口压力，诸如比例控制阀或机械调节器250或注射器。在其他实施例中，燃料分级压力（P_{_CV_MIN}）可以是空压力条件下控制阀256入口处的压力（P_EMPTY）。次级流量226可以在次级入口压力（P_S）和次级入口温度（T_S）下通过吸入室620中的次级入口232进入文丘里管或喷射器230。

文丘里管或喷射器230可以使有效能在初级流量中可获得，以在文丘里管或喷射器230中引发阳极气体再循环流作为次级流量226。堆压力（

P_STACK）是通过AGR回路224的压力损失。次级流量226可以被提升以抵抗堆压力（

P_STACK）。

压力提升（

P_LIFT）是克服AGR回路224中的压力损失（

P_STACK）所需的压力。在一些实施例中，压力提升（

P_LIFT）可以由通过燃料电池堆12或AGR回路224的任何其他部件的压力损失支配。在一些实施例中，压力损失可以与通过AGR回路224中的一个或多个歧管和/或通道的体积流率成比例。在其他实施例中，阳极入口212处的体积流222可以包括作为初级流量202和再循环流量226的新鲜燃料（例如，H₂）的混合物。

次级入口压力（P_S）可以取决于燃料电池或燃料电池堆12的阳极入口歧管压力（P_AIM）和AGR回路224中的压力损失（

P_STACK）或所需的压力提升（

P_LIFT）。

可以夹带的次级流量226的量由燃料电池系统10的边界条件和文丘里管或喷射器230的效率决定。在一些实施例中，边界条件可以是初级喷嘴入口压力（P_O）、次级入口压力（P_S）、燃料电池或燃料电池堆12的阳极入口歧管压力（P_AIM）和/或次级流量226成分。在一些实施例中，从阳极出口214到文丘里管或喷射器次级入口232的次级流量226是绝热过程。文丘里管或喷射器230的初级入口温度（T_O）和次级入口温度（T_S）可能影响次级流量226。

如前所述，在某一临界电流密度（i_{_LO_CR}）130以上时，要求燃料电池系统10在图2中曲线160所指示的目标阳极入口歧管压力范围中操作。初级入口压力（P_O）可以随着初级燃料需求成比例地降低，直到初级喷嘴231不再阻塞（即，未阻塞）。在其他实施例中，如果初级喷嘴231未阻塞，则初级入口压力（P_O）的下降速率可能是非线性的和/或可能对诸如次级入口压力（P_S）的下游压力敏感。在其他实施例中，初级入口压力（P_O）可以随着初级入口温度（T_O）降低而降低。

初级入口温度（T_O）可以等于燃料供应温度（T_CV）。初级入口温度（T_O）可以影响初级流量202。在一些实施例中，燃料电池系统10可以具有目标质量流率。在其他实施例中，次级入口温度（T_S）可以通过次级入口232和/或文丘里管或喷射器230的几何约束来影响次级流量226。在一些实施例中，次级入口温度（T_S）可以是几何约束。热力学约束和/或文丘里管或喷射器230效率也可能影响次级流量226。

文丘里管或喷射器230可能对初级喷嘴入口压力（P_O）、背压和所需压力提升（

P_LIFT）敏感。背压可以是喷射器退出口或出口238处的出口压力（P_C），或者可以是阳极入口歧管压力（P_AIM）。如果从文丘里管或喷射器230出口到阳极入口歧管不存在压力损失，则喷射器出口238处的出口压力（PC）可以等于阳极入口歧管压力（P_AIM）。在一些实施例中，初级喷嘴入口压力（P_O）可以是燃料电池系统10中的电流密度（i）的函数。

夹带比（ER）是文丘里管或喷射器230的性能和/或容量的度量，并且可能对初级喷嘴入口压力（P_O）、背压（例如，P_C，P_AIM）和/或压力提升（

P_LIFT）敏感。在一个实施例中，随着背压（例如，P_C，P_AIM）增加，文丘里管或喷射器230可以从被双重阻塞（具有稳定的夹带比）改变到处于转变条件（具有降低的夹带比），改变到具有逆流。文丘里管或喷射器230中的逆流可能是不合期望的，因为逆流指示没有燃料再循环通过AGR回路224。在一些实施例中，文丘里管或喷射器230可能需要补偿通过燃料电池或燃料电池堆12的压力损失（

P_STACK），同时抵抗背压（例如，P_C，P_AIM）操作。

使得燃料管理系统能够直接测量燃料电池系统10中的过量燃料比（λ_H2）的方法或系统对燃料电池系统10的性能有用。虽然直接测量再循环流率、初级流率或夹带比可能是不可能的，但是可以确定燃料电池系统10中的燃料（例如H₂）消耗和/或燃料电池系统10中的任何吹洗气流率。在一些实施例中，燃料消耗可以基于操作电流密度。

燃料管理系统的关键功能可以是为阳极气流率提供在最小值以上的过量燃料比（λ_H2）。过量燃料比（λ_H2）可以取决于初级流动流202的流率、再循环流动流226的流率和/或再循环流动流226的成分。再循环流动流226可以包括燃料（例如，H₂）和水。替代地或附加地，再循环流动流226可以包括其他气体，诸如氮气（N₂）。过量燃料比（λ_H2）被计算为：

x_{_H2O_RC}是再循环流中水的质量分数，x_{_N2_RC}是再循环流中氮气的质量分数，m_{_RC}是再循环流的质量流率，m_{_H2_P}是初级流动流202中燃料的质量流率。

在一个实施例中，可以考虑再循环流动流226和初级流动流202的相对流率，以确定夹带比。

燃料电池系统13可以用如图4中图示的配置。文丘里管或喷射器230的大小被定成支撑初级流动流202的一小部分（例如，H₂），可以与旁通阀或限流装置410并联放置。至少，旁通阀或限流装置410需要打开/关闭功能性，并且其大小必须被定成提供未流过文丘里管或喷射器230的初级流动流202的剩余部分。旁通阀或限流装置410可以是具有打开/关闭功能性的双态阀。替代地，旁通阀或限流装置410可以具有可变的打开或关闭的内阀。

旁通阀或限流装置410可以是机械调节器、圆顶加载机械调节器、注射器或比例控制阀。包括旁通阀或限流装置410的配置可以使得阳极气体再循环（AGR）要求能够跨整个操作范围之上（从燃料电池系统13处于空闲状态时到燃料电池系统13在最大电流密度状态下运转时）得到满足。

包括旁通阀或限流装置410（例如，比例控制阀）和适当大小的文丘里管或喷射器230的配置可以使得阳极气体再循环（AGR）要求能够跨整个操作范围之上（从燃料电池系统13处于空闲状态时到燃料电池系统13在最大电流密度状态下运转时）得到满足，而无需再循环泵或鼓风机220。这样的配置被称为EES（优雅的喷射器系统）配置。

如图4中所示，新鲜燃料202可以在燃料供应温度（T_CV）和燃料供应压力（P_CV）下进入控制阀256，诸如机械调节器250。新鲜燃料202可以离开机械调节器250，并在初级喷嘴入口压力（P_O）和初级入口温度（T_O）下进入文丘里管或喷射器230或限流装置410。离开控制阀256的一定量的新鲜燃料202可以在进口234处进入文丘里管或喷射器230（m_{_H2_EP}，420）。离开控制阀256的一定量的新鲜燃料202可以进入旁通阀或限流装置410（m_{_H2_RP}，430）。阳极气体再循环成分226（m_{_RC}）可以在次级入口压力（P_S）和次级入口温度（T_S）下在进口232处进入文丘里管或喷射器230。阳极气体再循环成分226（m_{_RC}）可以具有质量分数为x_{_H2O_RC}的水。燃料可以在阳极入口歧管404处进入燃料电池堆12的阳极204。

在图示实施例中，可以存在要考虑的两个夹带比，文丘里管或喷射器230的夹带比（ER_{_EES}）和系统的夹带比（ER）：

可以操作旁通阀或限流装置410，以实现过量燃料比（λ_H2）。旁通阀或限流装置410可以完全打开、完全关闭，或者可以打开但不完全打开。旁通阀或限流装置410的打开可以取决于过量燃料比（λ_H2）或系统的夹带比（ER）或者文丘里管或喷射器230的夹带比（ER_{_EES}）。

在一个实施例中，燃料电池系统10/13可以不包括文丘里管或喷射器230。在一些实施例中，燃料电池系统10/13可以包括混合歧管，而不是文丘里管或喷射器230。初级流动流202/420和再循环流动流226可以在混合歧管中混合以形成流动流222。

燃料电池系统10/13可以包括以并联或串联配置的多于一个文丘里管或喷射器230。可以基于系统的夹带比（ER）或者文丘里管或喷射器230的夹带比（ER_{_EES}）来确定以并联或串联配置的多于一个文丘里管或喷射器230的操作。确定以并联或串联配置的多于一个文丘里管或喷射器230的操作可以包括确定以并联或串联配置的文丘里管或喷射器230中的所有或一些是否需要操作，和/或确定以并联或串联配置的多于一个文丘里管或喷射器230的操作次序。

过量燃料比（λ_H2）或系统的夹带比（ER）或者文丘里管或喷射器230的夹带比（ER_{_EES}）可以通过使用物理或虚拟感测系统或方法来确定。在一些实施例中，一个或多个控制器239可以用于监视和/或控制物理或虚拟温度传感器262或压力传感器263。

在燃料电池系统10/13中，为了确定何时需要使用再循环泵或鼓风机220为文丘里管或喷射器230提供附加的支持，需要准确估计夹带比（ER，ER_{_EES}）。如果估计了夹带比，则当燃料电池系统10/13接近文丘里管或喷射器230被预期接近其操作极限的操作条件时，可以发起对再循环泵或鼓风机220的使用。当操作电流密度小于大约0.8 A/cm²和/或在与小于大约0.8 A/cm²的电流密度相关联的温度或压力下，可以发起对再循环泵或鼓风机220的使用。

如果燃料电池系统10/13在瞬态条件下操作，则用于发起对再循环泵或鼓风机220使用的操作电流密度可以不同于燃料电池系统10/13在稳态条件下操作的情况。例如，如果燃料电池系统10/13在瞬态条件下以大约0.8 A/cm²操作，则该系统可以暂时以大约1.5巴压力而不是大约2.5巴压力操作，并以大约75℃而不是大约85℃操作。如果再循环泵或鼓风机220可能需要在稳态条件下以大约0.8 A/cm²打开，则如果燃料电池系统10/13在瞬态条件下操作，则再循环泵或鼓风机220可能需要以大约1 A/cm²被发起。

当燃料电池系统10/13接合再循环泵或鼓风机220时，过量燃料比（λ_H2）可以被估计并且用作对鼓风机控制229的反馈，使得可以将与运行再循环泵或鼓风机220相关联的寄生负载最小化。当系统接合再循环泵或鼓风机220时，过量燃料比（λ_H2）可以被估计并且用作对鼓风机控制器的反馈，使得再循环泵或鼓风机220的速度可以更改。过量燃料比（λ_H2）可以被估计并且用作对旁通阀控制器449或对喷射器控制器239的反馈。

在一个实施例中，使用物理或虚拟感测系统或方法可能导致测量的夹带比（ER）方面的不确定性。在一些实施例中，物理或虚拟感测系统或方法可以包括温度传感器262和/或压力传感器263。为了保护测量的夹带比（ER）方面的不确定性，可以使用标称夹带比（ER_NOM）和最小夹带比（ER_MIN）的概念。

Z给出了统计置信水平：当对于给定群体标准偏差σ_{_ER}测量的标称夹带比（ER_NOM）时，过量燃料比（λ_H2）将在最小所需过量燃料比（λ_H2）以上或在目标过量燃料比（λ_H2）处。如果测量的夹带比（ER）等于标称夹带比（ER_NOM），则再循环泵或鼓风机220可能需要用于为文丘里管或喷射器230提供附加的支撑。如果Z等于大约2.05，则将存在过量燃料比（λ_H2）将在最小所需过量燃料比（λ_H2）以上的98%置信度。用于测量标称夹带比（ER_NOM）和过量燃料比（λ_H2）的系统和方法可能需要具有小于大约12%的不确定性。标准偏差（σ_{_ER}）与最小夹带比（ER_MIN）之比小于大约12%。

气流的质量流率（m）可以是跨气流流过的元件（例如，燃料堆12、再循环泵或鼓风机220）的特性压力损失或压差（

P）的函数。在一些实施例中，压力传感器263可以用于确定跨元件（例如，燃料堆12、再循环泵或鼓风机220）的压差（

P）。计算的压差（

P）可以用于确定初级流动流202和再循环流动流226的流率。气流的密度（ρ）可以基于气流中的压力（P）、气流的温度（T）和气流的平均气体常数（R）来估计。气流可以是燃料电池系统10/13中的初级流动流202或再循环流动流226。气流可以是通过文丘里管或喷射器230的初级流动流420，或通过旁通阀或限流器410的流动流430，或燃料电池系统10/13中的再循环流动流226。

参考回图3和图4，

m__AIM是燃料电池系统10/13的阳极入口歧管404或阳极入口212处的质量流率。m__AIM__TARGET是燃料电池系统10/13的阳极入口歧管404或阳极入口212处的目标质量流率。ρ_{_AIM}是阳极入口歧管404或阳极入口212处的气流密度。

可以基于操作电流密度、初级喷嘴入口压力（P_O）和/或初级喷嘴入口温度（T_O）来估计初级流动流202/420中的燃料进入喷射器230入口的质量流率（m__{H2_P}，m__{H2_EP}）。再循环流量中水的质量分数（x_{_H2O_RC}）可以基于燃料电池堆12出口压力、燃料电池堆12出口温度和/或再循环流动流226中的相对湿度来估计。在其他实施例中，再循环流量中的氮气的质量分数（x_{_N2_RC}）可以是固定值，或者可以基于自上次吹扫事件以来的时间来估计。夹带比（ER）可以确定为：

在一个实施例中，阳极入口歧管404或阳极入口212处的目标质量流率（m__AIM__TARGET）可以是等同于初级流动流202/420 （m__{H2_P}，m__{H2_EP}）或燃料消耗率的其他参数的函数，例如操作电流密度。

当阳极入口歧管404或阳极入口212处的质量流率（m__AIM）小于阳极入口歧管404或阳极入口212处的目标质量流率（m__AIM__TARGET）时，燃料电池系统10/13可以开始使用再循环泵或鼓风机220。当燃料电池系统10/13开始使用再循环泵或鼓风机220时，燃料电池系统10/13可以处于鼓风机增压状态。当燃料电池系统10/13处于鼓风机增压状态时，燃料电池系统10/13可以调整再循环泵或鼓风机220的速度，使得阳极入口歧管404或阳极入口212（m__AIM）大于阳极入口歧管404或阳极入口212处的目标质量流率（m__AIM__TARGET）。

控制器459可以控制阳极入口歧管404或阳极入口212处的质量流率（m__AIM）。在一些实施例中，控制器459可以将阳极入口歧管404或阳极入口212处的质量流率（m__AIM）确定为初级流动流202/420中的燃料进入喷射器230入口的质量流率（m_{_H2_P}，m_{_H2_EP}）的函数。

阳极入口歧管404或阳极入口212处的质量流率（m__AIM）可以确定为：

Vdot_{_AIM}是燃料电池系统10/13的阳极歧管入口处的体积流率，A_{_AIM}是传递函数，

_AIM是跨阳极入口歧管404或阳极入口212的压差。

传递函数（A_{_AIM}）的相关性可以针对操作电流密度（i_{_AIM}）下的标称稳态操作条件来开发。在一些实施例中，可以添加附加的保真度来校正非标称条件，诸如瞬态条件。附加的保真度可以通过在高瞬态条件下使用修改的传递函数来实现，其中修改的传递函数计及系统动力学。

与燃料电池系统10/13的阳极歧管入口的体积流率（Vdot_{_AIM}）相关联的不确定性可以由测量跨阳极入口歧管404或阳极入口212的压差（

）的能力来支配。传递函数（A_{_AIM}）可以是线性的，并且与跨阳极入口歧管404或阳极入口212的压差（

）无关。

与压力传感器263相关联的不确定性可以取决于单点压力传感器265或差压传感器267的使用。在一个实施例中，绝对压力传感器269可以用在空气侧和阴极侧。与标准误差相关联的目标偏压（P_BIAS）和/或阈值可以随着操作条件而变化。与标准误差相关联的目标偏压（P_BIAS）和/或阈值可以是燃料电池系统10/13的总电流和/或电流密度的函数。

阳极204和阴极208处不准确的压力测量可能导致误差传播。在一个实施例中，单点压力传感器265可以用在阳极入口212和/或阴极入口216处。例如，如果单点压力传感器265（诸如阳极侧压力传感器和阴极侧压力传感器）用于测量阳极入口212（P1）和阴极入口216（P2）处的压力，则跨阳极204和阴极208的压差（

P）如下确定并在表1中进一步描述。

不确定性约为满量程压力3.0巴的2%。由于测量的压力（例如，P1和P2）小于满量程3.0巴（例如，2.5 巴和2.25 巴），因此不确定性高于2%（例如，2.4%和2.7%）。如表1中所示，即使单点压力传感器265相对准确，误差传播也会影响压差（

P）的准确测量。在这种情况下，单点标准误差为0.085巴。因此，在压差（

P）的测量中可能存在约34%的误差。

测量阳极204处（例如，在阳极入口212处）和阴极208处（例如，在阳极入口216处）的单点压力的这种误差，以及因此准确确定阳极204侧和阴极208侧之间的压差（

P）的误差，可能从包括阳极204和阴极208的燃料电池堆12的使用开始就存在。替代地，测量阳极204处（例如，在阳极入口212处）和阴极208处（例如，在阴极入口216处）的单点压力的误差可能随着压力传感器263随时间老化和/或漂移而发生。

如果如上面示例中所描述的压力测量中的误差约为34%，则

在一个实施例中，

R_{_AIM}是阳极入口歧管404或阳极入口212中的气体常数，ρ_{_AIM}是阳极入口歧管404或阳极入口212中的密度，T_AIM是阳极入口歧管404或阳极入口212中的温度。

与阳极入口歧管404或阳极入口212中的气流的分子量（σ_{_MW}）相关联的误差取决于与阳极入口歧管404或阳极入口212处气流中的氢气的摩尔分数（σ_{_Y_H2}）相关联的误差，氢气的分子量（MW_{_H2}）约为2.0156克/摩尔，并且水的分子量（MW_{_H2O}）约为18.105。如果与阳极入口歧管404或阳极入口212处气流中的氢气的摩尔分数相关联的误差（σ_{_Y_H2}）约为0.02，则与阳极入口歧管404或阳极入口212中的气流的分子量相关联的误差（σ_{_MW}）为：

如果标称分子量（MW_{_AIM_NOM}）约为10，则与阳极入口歧管404或阳极入口212中的通用气体常数（σ__{R_AIM}）相关联的误差为：

MW_{_AIM}是阳极入口歧管404或阳极入口212中的气流的分子量。

阳极入口歧管404或阳极入口212处的气流的标称分子量（MW_{_AIM_NOM}）为：

y_{_H2_AIM}是阳极入口歧管404或阳极入口212处的气流中氢气的摩尔分数。

与确定阳极入口歧管404或阳极入口212中的密度相关联的误差（σ_{_ρ_AIM}）取决于与阳极入口歧管中的通用气体常数相关联的误差（σ_{_R_AIM}）、与阳极入口歧管404或阳极入口212中的压力相关联的误差（σ_{_P_AIM}）以及与阳极入口歧管404或阳极入口212中的温度相关联的误差（σ_{_T_AIM}）。

如果阳极入口歧管404或阳极入口212处的气流中氢气的标称摩尔分数（y_{_H2_AIM_NOM}）为约0.5，并且与阳极入口歧管404或阳极入口212处的气流中氢气的标称摩尔分数相关联的误差（σ_{_Y_H2}）为约0.02，则ER等于约2，并且与确定ER相关联的误差为σ_{_ER}，

在一个实施例中，替代方法可以用于根据通过阳极入口歧管404或阳极入口212的质量流率（m__AIM）计算或确定夹带比（ER）。

如果该方法用于确定夹带比（ER），则可能存在附加的误差传播。例如，考虑到确定通过阳极入口歧管404或阳极入口212的质量流率（m__AIM）方面的不确定性大于约50%，

使用跨阳极204和阴极208的压差（

P）取决于高度准确的压力测量。在一些实施例中，为了确保标称夹带比（ER_NOM）和过量燃料比（λ_H2）的测量方面的不确定性为12%或更小，压差（

P）测量可能需要小于约10的不确定性。绝对压力传感器269可能需要小于0.5%的不确定性。在优选实施例中，可以使用压差传感器267来代替绝对压力传感器269。

除了或代替阳极204和阴极208处的单点压力传感器265，可以使用测量阳极再循环回路224中两个或更多个位置之间的压差的一个或多个压差传感器267。压差传感器267可以被设计成控制阳极再循环回路224中的再循环流动流226。

需要不确定性小于约10%的差压传感器267，使得鼓风机控制器能够确定何时操作再循环泵或鼓风机220或以之操作再循环泵或鼓风机220的速度。替代地或附加地，需要不确定性小于约10%的差压传感器267，使得旁通阀控制器能够确定旁通阀或限流器410的操作。

替代地或附加地，需要不确定性小于约10%的差压传感器267，使得喷射器控制器能够确定一个或多个文丘里管或喷射器230何时操作。压差传感器267可以具有约0.3%至约0.5%、约0.5%至约1%、约1%至约5%、或约5%至约10%（包括其中包含的任何百分比或范围）的不确定性。

压力传感器263可以原位校准。可以基于校准的压力传感器来估计流率。压力传感器263可以用于在初级流动流202/420和夹带质量流量226的速率已知的条件下测量压差（

P），压力传感器263可以被校准到已知的流率，并且然后用于进行未来的测量。压力传感器263测量可以与已知操作条件下的预期测量进行比较，任何偏移可以被记录并用于校正未来测量。

当文丘里管或喷射器230在几何约束条件下操作时，压力传感器263可以用于测量在高操作电流密度处的稳态条件下的压差（

P）。当再循环泵或鼓风机220正在以已知速度操作时，压力传感器263可以用于在低操作电流密度处的稳态条件下测量压差（

P）。在每个已知条件下，压差（

P）的相对偏移可以被记录并用于校正利用相同压力传感器263进行的任何未来测量。在一些实施例中，压差（

P）可以与已知操作条件下的预期测量进行比较，任何偏移可以被记录并用于校正未来的测量。

系统的阳极入口歧管404或阳极入口212处的目标质量流率（m__{AIM_TARGET}）可以基于在燃料电池系统10/13中的进口234处进入文丘里管或喷射器230的新鲜燃料202的量来估计或开发。燃料电池系统10/13的阳极入口歧管404或阳极入口212处的目标质量流率（m_{_AIM_TARGET}）可以基于在燃料电池系统10/13中的进口234处进入文丘里管或喷射器230的新鲜燃料320的量来估计或开发。

新鲜燃料202、420的质量流率可以根据压差（

P）估计，并且可以用于确定再循环泵或鼓风机220何时可以被打开和/或再循环泵或鼓风机220的速度是否需要调整。在一些实施例中，如果夹带计算的不确定性大于约12%或者如果差压传感器267的不确定性大于约10%，则根据压差（

P）估计的流率可以被诸如鼓风机控制器229、旁通阀控制器449或喷射器控制器239的（一个或多个）控制器用作诊断工具。 在一些实施例中，鼓风机控制器229、旁通阀控制器449或喷射器控制器239可以是相同的。

在一个实施例中，夹带比（ER）可以基于燃料电池系统10/13中不同气流的混合点处的温度来确定。在稳态条件下并且没有热量损失的情况下，ER为：

C_{P_A}是初级流动流202/420在恒压下的比热，

T_A是初级流动流202/420在混合之前和之后的温度改变，C_{P_B}是循环流动流226在恒压下的比热，并且

T_B是循环流动流226在混合之前和之后的温度改变。

夹带比（ER）或过量燃料比（λ_H2）可以通过估计初级流动流202/420的平均热容量和再循环流动流226的平均热容量来确定。燃料电池系统10/13中的初级流动流202和再循环流动流226可以经历绝热混合。在一些实施例中，如图5中所图示，燃料电池系统15可以包括框520周围的能量平衡，其中流动流202和226混合以形成流动流222。在其他实施例中，燃料电池系统可以包括围绕框530的能量平衡，其中流动流202和226混合以形成流动流222。物理或虚拟温度传感器262可以用于在混合点周围进行温度测量。

如果跨框520包括能量平衡，则

T_A是跨文丘里管或喷射器230的初级流动流202的温度改变，C_{P_B}是再循环流动流226在恒压下的比热，并且

T_B是跨文丘里管或喷射器230的再循环流动流226的温度改变。文丘里管或喷射器230充当混合点。如果跨框530包括能量平衡，则

T_A是跨机械阀250和文丘里管或喷射器230的初级流动流202的温度改变。C_{P_B}是再循环流动流226在恒压下的比热，并且

T_B是跨文丘里管或喷射器230的再循环流动流226的温度改变。机械阀250和文丘里管或喷射器230充当混合点。在一些实施例中，跨机械阀250的初级流动流202中可能存在最小温度损失。因此，由于通过机械调节器250的流动可以是等温的，所以可以在框520和530周围使用相同的能量平衡。基于文丘里管或喷射器230的表面和文丘里管或喷射器230周围的环境温度之间的温度差，可以添加校正项来计及热量损失。

在一个实施例中，如果框520/530周围的能量平衡可以被假设为绝热的，并被确定为：

m__A是初级流动流202的质量流率，h_{_A_I}是初级流动流202在文丘里管或喷射器230的入口234处的焓，m_{_B}是再循环流动流226的质量流率，h_{_B_I}是再循环流动流226在文丘里管或喷射器230的入口232处的焓，m_{_C}是离开文丘里管或喷射器230的流动流222的质量流率，h_{_C_O}是流动流222在文丘里管或喷射器230的出口238处的焓。假设混合焓为零，则

h_{_A_O}是初级流动流202在文丘里管或喷射器230的出口238处的焓，h_{_B_O}是再循环流动流226在文丘里管或喷射器230的出口238处的焓。

夹带比（ER）为：

初级流量202可以是纯氢气，并且入口处的焓（h_{_A_I}）和出口处的焓（h_{_A_O}）可以使用查找表和/或等式来确定。替代地，初级流量202可以是纯氢气，并且入口处的焓（h_{_A_I}）和出口处的焓（h_{_A_O}）可以基于初级流量在入口处的温度（TA_{_I}）、初级流量在出口处的温度（T_{A_O}）、初级流量在入口处的压力（P_{A_I}）和/或初级流量在出口处的压力（P_{A_O}）来确定。在一些其他实施例中，考虑到足以确定封闭系统或外壳的热力学状态的其他变量。封闭系统或外壳可以是由框520、框530或不同的外壳描述的。

初级流动流202可能通过所考虑的封闭系统或外壳而经历显著的压降。可以假设静态温度和滞止温度是相似的。可以假设马赫数小于0.1的低流速。在一些实施例中，对于入口和出口压力和温度的范围，可以假设初级流动流202的热容量恒定。

h_{_B}是再循环流动流226流的焓的改变。

类似的能量平衡可以在包括文丘里管或喷射器230的燃料电池系统17中实现，该文丘里管或喷射器230被定大小为支撑一部分初级流动流202（例如H₂），与旁通阀或限流器410并联放置，如图6中所示。如果跨框620包括能量平衡，则

T_A是初级流动流420跨文丘里管或喷射器230的温度改变，C_{P_B}是再循环流动流226在恒压下的比热，并且

T_B是再循环流动流226跨文丘里管或喷射器230的温度改变。文丘里管或喷射器230充当混合点，并且流动流436进入阳极入口歧管404。物理或虚拟温度传感器262可以用于在混合点周围进行温度测量。

如果跨框630包括能量平衡，则

T_A是初级流动流202跨机械阀250、旁通阀或限流器410以及文丘里管或喷射器230的温度改变。C_{P_B}是再循环流动流226在恒压下的比热，并且

T_B是再循环流动流226跨文丘里管或喷射器230的温度改变。机械阀250、旁通阀或限流器410、文丘里管或喷射器230以及阳极入口歧管404充当混合点，并且流动流436、422进入阳极入口歧管404。在一些实施例中，初级流动流202跨机械阀250可能存在最小温度损失，并且初级流动流430跨旁通阀或限流器410可能存在最小温度损失。

再循环流动流226可以是多组分流氢气（H₂）、水（H₂O）和/或其他污染物（例如N₂）。由于氢气和水的属性显著不同，因此焓的改变可能需要计及再循环流动流226的成分。

再循环流动流226的成分可以通过基于上游组件——即燃料电池堆12估计再循环流动流226的相对湿度来估计。例如，离开燃料电池堆12的阳极侧214的流的相对湿度可以根据基于操作条件的查找表来估计。在一些实施例中，阳极出口214处的相对湿度（RH_{ANODE_O}）可以是1.0。可能需要估计水的饱和蒸气压（P_{SAT_H2O}），以确定再循环流动流226的成分。水的饱和蒸汽压（P_{SAT_H2O}）取决于温度，并且可以从查找表或等式（例如，安托万等式）中获得。

如果水的饱和蒸汽压（P_{SAT_H2O}）已知，则再循环流量中水的摩尔分数（y_{_H2O_RC}）为：

P_{ANODE_O}是阳极出口214处的压力。

如果再循环流动流226包括氢气、水和氮气，则再循环流动流226中的氢气摩尔分数（y_{_H2O_RC}）为：

y_{_N2_RC}是再循环流动流226中的氮气摩尔分数，并且可能需要被估计。氮气（N₂）可能是阳极再循环回路224中的代表性污染物。阳极再循环回路224可能包括附加的或更少的污染物。在一些实施例中，氮气（N₂）可能是最大的污染物，因为它可能从阴极侧扩散穿过MEA进入阳极侧。在其他实施例中，燃料中存在的其他污染物也可能积聚在阳极再循环回路224中。其他污染物的浓度可能低于氮气（N₂），因为新鲜氢气燃料的纯度要求很高。

可以估计再循环流动流226中的氮气摩尔分数。在一些实施例中，再循环流动流226中的氮气摩尔分数可以基于估计氮气跨燃料电池堆12中的膜的扩散速率的模型来估计，并且可以基于堆操作条件来估计。在其他实施例中，可以基于气体吹扫速率来估计氮气吹扫。再循环中的净氮气和氮气摩尔分数可以基于阳极系统内的体积、温度和压力来估计。

再循环流动流226中的氮气摩尔分数（y_{_N2_RC}）可以设置为固定值。替代地或附加地，如果从阴极侧到阳极侧的氮气（N₂）扩散的净速率与气体吹扫速率相比预期是低的，则再循环流动流226中的氮气摩尔分数（y_{_N2_RC}）可以设置为零。替代地或附加地，如果可能合期望的是对过量燃料比（λ_H2）进行保守估计，则再循环流动流226中的氮气摩尔分数（y_{_N2_RC}）可以设置为固定的高值。

再循环流动流226的不同组分的质量分数（x_{_K}）可以基于不同组分的摩尔分数来确定。

MW_{_K}是再循环流动流226的不同组分的分子量。MW_{_B}是再循环流动流226的分子量。

在一些实施例中，可以使用其他系统或方法来确定再循环流动流226的成分。其他系统和/或方法可以包括但不限于湿度传感器和/或其他分析仪，可以用于确定再循环流动流226的成分。

在再循环流动流226的成分之后，再循环流动流226的成分中的焓改变可以使用类似于上述用于初级流动流202/420中的纯氢气的方法来估计。在一些实施例中，对于入口和出口压力和温度的范围，可以假设再循环流动流226的热容量恒定。

R_UGS是通用的气体常数。在一个实施例中，如果所考虑的封闭外壳是292，则T_{B_I}是再循环流动流226在入口232处的温度，并且T_{B_O}是再循环流动流226在出口238处的温度。

初级燃料供应温度（T_CV）的改变率可以由环境条件确定，与文丘里管或喷射器230的热动力学相比，环境条件可以缓慢变化。在一些实施例中，如果燃料供应温度（T_CV）被预调节，则初级燃料供应温度（T_CV）的改变率可以降低。可以优选使文丘里管或喷射器230中的初级流动流202/420的温度改变最大化。该设计配置可以使得文丘里管或喷射器230中的初级流动流202/420的温度改变最大化。初级流动流202/420可以由低温冷却剂（例如，温度低于约50℃的冷却剂）预调节。再循环流动流226的温度可以等于冷却剂入口温度。冷却剂入口温度可以比约70℃至约80℃的目标阴极出口操作温度低约5℃至10℃。燃料电池20或燃料电池堆12可以被配置为使得阳极气流与冷却剂同向流动，使得跨流动流的温度存在更大改变。

再循环流动流226的入口温度的改变率（T_{B_IN}）可以由燃料电池堆阳极出口214的温度来控制。与文丘里管或喷射器230的热动力学相比，初级燃料供应温度（T_CV）的动力学改变可能是慢的。基于稳态绝热分析的估计可能足以估计夹带比（ER）。

可以针对在具有伪稳态操作（即当操作条件缓慢变化使得动态效应低的情况）的增程器应用中使用的燃料电池系统10、13、15、17实现上述方法。可能需要实现热量损失和瞬态行为的影响，以估计夹带比（ER）。文丘里管或喷射器230可以是隔热的，或者可以采用隔热罩来防止热量损失。

在一个实施例中，可以使用校正项来计及热量损失对环境的影响。

Q是传递到文丘里管或喷射器230的热量，U是传热系数，A是文丘里管或喷射器230的有效面积，T_EJJ是文丘里管或喷射器230的温度，T_AMB是环境温度。

为校正项。

夹带比被确定为标称夹带比（ER_{_NOM}）和夹带比校正（ER_{_CORR}）之和，

T_A是文丘里管或喷射器230入口234处的初级流动流202、420的温度，T_B是文丘里管或喷射器230入口232处的再循环流动流226的温度，T_C是文丘里管或喷射器230出口238处的气流的温度。夹带比校正（ER_{_CORR}）可以针对它所依赖的一个或多个参数被先验地校准。系数UA/m_{_A}C_{P_B}可以使用传热系数（U）的相关性进行估计。用于传热的文丘里管或喷射器230的有效外表面积（A）可以基于文丘里管或喷射器230的尺寸来计算。初级流动流220/ 420的质量（m__A）和再循环流动流226的有效热容量（C_{P_B}）可以如上所述那样确定。

对于给定的操作电流密度，可以估计UA/m_{_A}C_{P_B}。在一些实施例中，可以估计温度比。如果环境温度（T_AMB）与再循环流动流226的温度（T_B）大致相同，并且文丘里管或喷射器230的温度（T_EJJ）与文丘里管或喷射器230出口238处的气流温度（T_C）大致相同，则

。

如果对于传热系数（U），对于自由对流约为10 W/m²/K，并且对于约0.20的负载分数，UA/m_{_A} C_{P_B}被确定为大约0.0001，则夹带比校正（ER_{_CORR}）可以约为0.0001。如果夹带比校正（ER_{_CORR}）约为0.0001，则夹带比校正（ER_{_CORR}）可能在温度传感器262的不确定性范围内。在一些实施例中，在文丘里管或喷射器230上没有强制对流的正常操作条件下，对于校正对环境的损失的需求可能是低的。

在一个实施例中，在冷启动条件下，环境温度（T_AMB）可以是约0℃。如果文丘里管或喷射器230出口238处的气流温度（T_C）约为85 ℃，并且再循环流动流226的温度（T_B）约为60℃，则

如果对于约0.20的载荷分数UA/m__AC_{P_B}确定为约0.0001，则夹带比校正（ER_{_CORR}）可以约为0.0001×3.4 ~ 0.005。如果夹带比校正（ER_{_CORR}）约为0.005，则夹带比校正（ER_{_CORR}）可以在温度传感器262的不确定性范围内。

在一个实施例中，如果燃料电池系统10/13在瞬态条件下操作，则可以为瞬态响应估计上述稳态校准/校正，这是因为由于在瞬态条件下系统操作所致的任何差异可能是最小的。在其他实施例中，可以实现动态模型，该动态模型计及瞬态操作并且并入不同组件的热容量、不同流动流的质量流率、不同流体的热容量、传热系数和/或文丘里管或喷射器230的可用体积。

在一个实施例中，瞬态模型可以是一阶近似。在一些实施例中，瞬态模型可以是二阶近似。在一些其他实施例中，瞬态模型可以是可以实现的简化的一阶近似，因为单个时间常数可以支配动力学。在一些实施例中，可以指定用于测量压力或温度的任何物理或虚拟传感器262、263，使得与传感器262、263相关联的动力学比燃料电池系统10/13的瞬态动力学更快。

在一个实施例中，与温度传感器262相关联的不确定性可能需要小于约2℃，以确定夹带比（ER）的可用估计。归一化温度传感器不确定性是绝对不确定性除以跨混合点的预期温度改变。在一些实施例中，与温度测量相关联的绝对不确定性可能需要小于约0.5℃，以确保夹带比估计中的归一化温度传感器不确定性小于约12%。在一些实施例中，归一化温度传感器不确定性的范围可以从约0.3%到约0.5%，从约0.5%到约1%，从约1%到约5%，或从约5%到约10%，包括其中包含的任何百分比或范围。

在一个实施例中，如果夹带计算的不确定性大于约12%，或者如果与温度传感器262相关联的不确定性大于约0.5℃，则基于燃料电池系统10/13中不同气流的温度混合来确定夹带比（ER）的方法可以被诸如鼓风机控制器229、旁通阀控制器449或喷射器控制器239的一个或多个控制器用作诊断工具。在一些实施例中，鼓风机控制器229、旁通阀控制器449或喷射器控制器239可以是相同的。

基于模型的方法可以用于估计夹带比（ER）并确定再循环泵或鼓风机220的标称速度。喷射器模型（ER_{_EJC_MODEL}）和/或鼓风机模型（ER_{_BLW_MODEL}）可以用于分别估计文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机220的标称性能。

可以开发鼓风机模型（ER_{_BLW_MODEL}）来确定用于燃料电池系统10/13中的再循环泵或鼓风机220的开环速度目标。鼓风机模型（ER_{_BLW_MODEL}）可以用在基于不同测量参数的反馈回路中。

文丘里管或喷射器230的模型（ER_{_EJC_MODEL}）可以用于估计文丘里管或喷射器230在给定操作条件下的能力。当由文丘里管或喷射器230（ER_{_EJC_MODEL}）预测的夹带比（ER）小于标称夹带比（ER_NOM）时，燃料电池系统10/13可以启动再循环泵或鼓风机220，并转变到鼓风机升压状态。

文丘里管或喷射器230的压力提升能力（

P_{LIFT_EJC}）可以使用文丘里管或喷射器230的模型（ER_{_EJC_MODEL}）来估计。再循环泵或鼓风机220的目标压力提升（

P_{_BLWR_TRGT}）可以被估计为克服AGR回路224中的压力损失所需的压力提升（

P_LIFT）和文丘里管或喷射器230的压力提升能力（

P_{LIFT_EJC}）之间的差。

再循环泵或鼓风机220的标称速度（N）可以是再循环泵或鼓风机220的模型、再循环泵或鼓风机220的操作曲线、再循环泵或鼓风机220的压力提升（

P_{_BLWR}）、再循环流动流226的密度（ρ_B）和再循环流动流226的目标体积流率（Vdot_{RC_TRGT}）的函数。

R_{_B}是再循环流动流226的通用气体常数，P_B是再循环流动流226的压力，T_B是再循环流动流226的温度。

反馈回路可以用于评估输送给燃料电池堆12的过量燃料比（λ_H2）的运转状况。替代地或附加地，其他诊断工具、诸如来自使用跨不同元件的压力传感器的流量评估或使用如上所述的混合温度计算确定的流量评估可以用于评估输送到燃料电池堆12的过量燃料比（λ_H2）的运转状况。

可以测量再循环泵或鼓风机220的净电功率汲取，并且将其与预期值进行比较。再循环泵或鼓风机220的净电功率汲取的预期值可以经由校准取得：

N是再循环泵或鼓风机220的速度，并且PW_BLW是再循环泵或鼓风机220的功率汲取。

通过再循环泵或鼓风机220的目标质量流率（m_{_BLWR_TRGT}）可以取决于最小夹带比（ER_MIN）和初级流动流202的质量流率（m__A）。

通过再循环泵或鼓风机220的目标质量流率（m_{_BLWR_TRGT}）可以取决于不同于最小夹带比（ER_MIN）的目标夹带比。

在一个实施例中，可以使用基于相关性的喷射器模型。对于给定的一组边界条件，基于相关性的模型可以使用查找表来根据喷射器模型（ER_{_EJT_MODEL}）估计夹带比。边界条件可以包括初级喷嘴入口压力（P_O）、次级入口压力（P_S）、燃料电池或燃料电池堆12的阳极入口歧管压力（P_AIM）、文丘里管或喷射器230出口238处的流动流的出口压力（P_C）、压力提升（

P_LIFT）和/或再循环流动流226的成分。

基于相关性的喷射器模型可以使用参数，包括但不限于P_C/P_S、P_C/P_O、初级流动流202/420的通用气体常数（R__A）、再循环流动流226的通用气体常数（R__B）。R__B可以是燃料供应压力（P_CV）、燃料供应温度（T_CV）和/或其他变量的函数。变量可以包括但不限于提供关于燃料电池或燃料电池堆操作状态的信息的变量，诸如燃料电池电流或电流密度、燃料电池堆电压或燃料电池电压。

文丘里管或喷射器可以具有有效效率（η）。有效效率（η）可能随着喷射器的操作条件而变化。有效效率（η）可以取决于初级燃料流202/420的质量流率、文丘里管或喷射器230出口238处的流动流的出口压力（P_C）和/或次级入口温度（T_S）。

基于热力学极限的可逆夹带比（RER）或夹带比的可逆部分（ER）定义为：

为动力流能量，并且

为夹带流能量。在一个实施例中，对于给定的一组 边界条件，燃料电池系统10/13的可逆夹带比（RER）可以估计为：

。

在一个实施例中，不考虑混合熵，因为文丘里管或喷射器230设计中可能没有任何元件以回收与混合熵相关联的化学势为目标。

如果T_S = T_O，则

基于相关性的喷射器模型可以取决于文丘里管或喷射器230的效率和可逆夹带比（RER）。由模型确定的夹带比（ER_MODEL）可以由下式给出：

如果由模型确定的夹带比（ER_MODEL）小于标称夹带比（ER_NOM），则再循环泵或鼓风机220可以被打开。

在一个实施例中，可以使用基于组件的模型。组件模型可以包括为给定的初级喷嘴入口压力（P_O）、次级入口压力（P_S）、喷射器喷嘴效率和/或喷射器混合器效率确定破裂压力（P_BREAKDOWN）。组件模型可以包括确定给定的初级喷嘴入口压力（P_O）、次级入口压力（P_S）、喷射器喷嘴效率和/或喷射器混合器效率的临界压力。临界压力（P_CRIT）被定义为文丘里管或喷射器出口压力，低于该压力时，文丘里管或喷射器混合器内的流动被阻塞，即文丘里管或喷射器被双重阻塞。

组件模型可以通过评估目标阳极入口歧管压力（P_{AIM_TRGT}）或将其与破裂压力（P_BREAKDOWN）以及与给定操作条件下的临界压力（P_CRIT）进行比较来确定估计的夹带比（

）。

当使用基于组件的模型时，由模型确定的夹带比（ER_MODEL）可以由下式给出：

ER_{DOUBLE_CHOKED}是在给定操作条件下燃料电池系统10/13双重阻塞时的夹带比。如果 由模型确定的夹带比（ER_MODEL）不同于目标夹带比（ER_MIN），则再循环泵或鼓风机220可以被打 开/关闭，或者再循环泵或鼓风机220的速度可被更改。估计的夹带比（

）可能高 估不可逆部分或夹带比，因此可能存在夹带比~0.35的内在保护。

例如，由模型确定的夹带比（ER_MODEL）可能始终低估实际夹带比（ER）。在一个实施例中，这种低估可能不被校正，从而提供一定保护水平来确保稳健地满足夹带比（ER）。这可以确保再循环泵或鼓风机220可以在不需要时打开和/或为测量不确定性提供余量。在其他实施例中，校正因子和/或附加项可被添加到由模型确定的夹带比（ER_MODEL），以计及低估。

组件模型可以包括估计初级或动力流量202/420的可逆熵损失（

）和再循 环或夹带流量226的可逆熵损失（

）。组件模型可以包括确定初级或动力流量202/ 420的生成熵损失（

s_{_GEN_M}）和再循环或夹带流量226的生成熵损失（

s_{_GEN_E}）。由模型确定的 夹带比（ER_MODEL）可以由下式给出：

Ma_P2是文丘里管或喷射器230的初级喷嘴中的马赫数。Ma_S2是文丘里管或喷射器230的吸入室中的马赫数。η_{_MIXER}是文丘里管或喷射器230的混合器的效率。η_{_SUCTION}是文丘里管或喷射器230的吸入室的效率。

由于熵损失取决于文丘里管或喷射器230的吸入室中的马赫数（MA_S2），其又取决于燃料电池系统10/13的夹带比，因此可能需要数值方法来求解上述模型。例如，当燃料电池系统10/13对于一组给定的操作或边界条件被阻塞时，可以确定夹带比（ER_CHOKED）。初级或动力流量202/420的熵损失（

s_{_GEN_M}）可以针对

的范围来计算，其中

的范围从约1到约1.0。文丘里管或喷射器230的吸入室中的马赫数（MA_S2）和文丘里管或喷射器230的初级喷嘴中的马赫数（MA_P2）可以用于计算初级或动力流量202/420的熵损失（

s_{_GEN_M}）。再循环或夹带流量226的熵损失（

s_{_GEN_E}）可以针对相同范围的

来计算。由模型确定的夹带比（ER_MODEL）可以由下式给出：

。

可以确定

的

。如果由模型确定的夹带比（ER_MODEL）小于标称夹带比（ER_NOM），则再循环泵或鼓风机220可以被打开。

如前所述，鼓风机压力（

P_{_ BLWR}）是Q、N、ρ的函数。

Q_{_BLWR}——通过再循环泵或鼓风机220的流率可以基于文丘里管或喷射器230在给定的次级入口压力（P_S）、初级喷嘴入口压力（P_O）和阳极入口歧管压力（P_AIM）下的性能和/或操作来确定。

文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机220的集成控件——包括一个或多个控制器（诸如鼓风机控制器229）——可以监视文丘里管或喷射器230可能需要再循环泵或鼓风机220的支持以输送所需的夹带比（ER）的条件。在一些实施例中，文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机220的集成控件——包括一个或多个控制器（诸如鼓风机控制器229或喷射器控制器239）——可以监视初级喷嘴入口压力（P_O）、阳极入口压力（P_AIM）、所需压力提升（

P_LIFT）、跨再循环泵或鼓风机220的温度改变和/或再循环泵或鼓风机220的功率。

文丘里管或喷射器230和/或再循环泵或鼓风机220可以具有传感器以监视变量，包括但不限于燃料密度、燃料质量流量、燃料体积流量、初级喷嘴入口压力（P_O）和次级入口压力（P_S）和/或压力提升（

P_LIFT）、跨再循环泵或鼓风机220的温度改变、或再循环泵或鼓风机220的功率。在一些实施例中，传感器可以是虚拟传感器和/或物理传感器。

燃料电池系统10/13的模型或模拟可以用于预测文丘里管或喷射器230何时需要再循环泵或鼓风机220的支持。文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机220的集成控件——包括一个或多个控制器（诸如鼓风机控制器或喷射器控制器）——可以基于模型或模拟向再循环泵或鼓风机220发送目标性能/操作值。再循环泵或鼓风机220的模型可以使用再循环泵或鼓风机220的操作条件和再循环泵或鼓风机220的目标性能来确定再循环泵或鼓风机220的操作。

再循环泵或鼓风机220的速度可以基于燃料电池系统10/13的模型或模拟来预测。在一些实施例中，燃料电池系统10/13的模型或模拟可以预测变量的改变，所述变量包括但不限于燃料体积流量、初级喷嘴入口压力（P_O）和次级入口压力（P_S）、压力提升（

P_LIFT）、跨再循环泵或鼓风机220的温度改变和/或再循环泵或鼓风机220的功率。

文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机的集成控件——包括一个或多个控制器（诸如鼓风机控制器229或喷射器控制器239）——可以用于对燃料电池系统10/13运行诊断。文丘里管或喷射器230和再循环泵或鼓风机220的集成控件——包括一个或多个控制器（诸如鼓风机控制器或喷射器控制器）——可以将包括但不限于燃料密度、燃料质量流量、燃料体积流量、初级喷嘴入口压力（P_O）和次级入口压力（P_S）和/或使用压力传感器263得到的压力提升（

P_LIFT）的变量实际测量与包括但不限于燃料密度、燃料质量流量、燃料体积流量、初级喷嘴入口压力（P_O）和次级入口压力（P_S）、压力提升（

P_LIFT）、跨再循环泵或鼓风机220的温度改变和/或使用燃料电池系统10/13的模型或模拟确定的再循环泵或鼓风机220功率的变量预期测量进行比较。

文丘里管或喷射器230和再循环泵（鼓风机）220的集成控件——包括一个或多个控制器（诸如鼓风机控制器或喷射器控制器）——可以使用信息（诸如燃料电池堆12电压）来诊断监视/控制燃料电池系统10/13的燃料管理系统是否正在输送所需的流率。

自适应控制方法可以用于并入或保留任何所需的调整。例如，堆电压和电池电压测量可以用于并入或保留任何所需的调整。在一些实施例中，由模型确定的夹带比（ER_MODEL）可以被诸如鼓风机控制器229、旁通阀控制器449或喷射器控制器239的一个或多个控制器用作诊断工具。在一些实施例中，鼓风机控制器229、旁通阀控制器239或喷射器控制器449可以是相同的。

在一些情况下，用于监视和/或控制燃料电池系统10/13中的再循环泵或鼓风机220的操作、测量和/或控制过量流量比（λ）或夹带比（ER）、控制旁通阀或控制一个或多个文丘里管或喷射器230的操作的一个或多个控制器229、239、249可以与存在于包括燃料电池或燃料电池堆12的燃料电池系统10/13上或之外的硬件、固件、软件或其任何组合通信来实现。在一些实施例中，在一些情况下，用于监视和/或控制燃料电池系统10/13中使用的物理或虚拟传感器262、263的一个或多个控制器229、239、249可以与存在于包括燃料电池20或燃料电池堆12的燃料电池系统10/13上或之外的硬件、固件、软件或其任何组合通信来实现。可以使用任何一种或多种通信技术（例如，有线或无线通信）和相关联协议（例如，以太网、InfiniBand®、Wi-Fi®、蓝牙®、WiMAX、3G、4G LTE、5G等）将信息传送到一个或多个控制器来实现这样的通信。

一个或多个控制器229、239、249可以在计算设备中实现。计算设备可以被体现为能够执行本文描述的功能的任何类型的计算或计算机设备，包括但不限于服务器（例如，独立的、机架式的、刀片式的等等）、网络设备（例如，物理的或虚拟的）、高性能计算设备、web设备、分布式计算系统、计算机、基于处理器的系统、多处理器系统、智能电话、平板计算机、膝上型计算机、笔记本计算机和移动计算设备。

计算设备可以包括输入/输出（I/O）子系统、存储器、处理器、数据存储设备、通信子系统、控制器和显示器。在其他实施例中，计算设备可以包括附加的和/或替代的部件，诸如通常在计算机中发现的那些部件（例如，各种输入/输出设备）。在其他实施例中，一个或多个说明性部件可以并入到另一个部件中，或者以其他方式形成另一个部件的一部分。例如，存储器或其部分可以并入处理器中。

本发明的下述方面被设想并且是非限制性的：

本发明的第一方面涉及一种燃料堆系统或装置。燃料电池堆系统包括混合以形成第三流动流的第一流动流和第二流动流以及控制器。第三流动流流过燃料电池堆系统中燃料电池堆中的阳极入口。控制器将燃料电池堆系统的过量燃料比与燃料电池堆系统的目标过量燃料比进行比较。

本发明的第二方面涉及一种确定燃料电池堆系统或装置的过量燃料比的方法。该方法包括以下步骤：混合第一流动流和第二流动流以形成第三流动流，使第三流动流流过燃料电池堆中的阳极入口，以及使用控制器将燃料电池堆系统的过量燃料比与燃料电池堆系统的目标过量燃料比进行比较。

在本发明的第一和第二方面，燃料电池堆系统可以进一步包括鼓风机、喷射器或旁通阀。在本发明的第一和第二方面，控制器可以确定和/或该方法可以进一步包括控制器来确定何时操作鼓风机，或者可以取决于过量燃料电池堆系统确定鼓风机速度。在本发明的第一和第二方面，控制器可以和/或该方法可以进一步包括控制器来取决于燃料电池堆系统的过量燃料比来确定旁通阀的操作。在本发明的第一和第二方面，燃料电池堆系统可以包括第一喷射器和第二喷射器。控制器可以和/或该方法可以进一步包括控制器来取决于燃料电池堆系统的过量燃料比来确定是操作第一喷射器、第二喷射器还是第一和第二喷射器两者。

在本发明的第一和第二方面，燃料电池堆系统可以包括至少一个物理或虚拟传感器。在本发明的第一和第二方面，物理或虚拟传感器可以是单点压力传感器或差压传感器。在本发明的第一和第二方面，物理或虚拟传感器可以测量和/或该方法可以进一步包括物理或虚拟传感器来测量跨燃料电池堆的压力，测量和/或来测量跨喷射器的压力，或者测量和/或来测量跨燃料电池堆系统中鼓风机的压力。在本发明的第一和第二方面，控制器可以进一步测量和/或该方法可以进一步包括控制器来确定和/或测量第一流动流中的质量流率或第二流动流中的质量流率。控制器可以和/或该方法可以进一步包括控制器来基于跨燃料电池堆的测量压力或跨喷射器的测量压力，并基于第一流动流中的测量质量流率或第二流动流中的测量质量流率来确定燃料电池堆系统的夹带比。

在本发明的第一和第二方面，如果系统的夹带比不同于目标夹带比，则控制器可以操作和/或该方法可以进一步包括控制器来操作鼓风机，更改和/或来更改鼓风机的速度，操作和/或来操作一个或多个喷射器，或者操作和/或来操作旁通阀。如果一个或多个喷射器和/或燃料电池堆系统包括第一喷射器和第二喷射器，则控制器可以确定和/或该方法可以包括控制器来确定第一喷射器和第二喷射器的操作。在本发明的第一和第二方面，夹带比可以具有小于12%的不确定性。

在本发明的第一和第二方面，物理或虚拟传感器可以包括温度传感器。在本发明的第一和第二方面，温度传感器可以测量和/或该方法可以进一步包括温度传感器来测量跨燃料电池堆系统中混合点的温度差。在本发明的第一和第二方面，控制器可以和/或该方法可以进一步包括控制器来通过使用燃料电池堆系统中的能量平衡、基于跨混合点的温度差来确定燃料电池堆系统的夹带比。在本发明的第一和第二方面，跨混合点的温度差可以最大化。

在本发明的第一和第二方面，如果燃料电池堆系统的夹带比不同于目标夹带比，则控制器可以操作和/或该方法可以进一步包括控制器来操作鼓风机，更改和/或来更改鼓风机的速度，操作和/或来操作一个或多个喷射器，或者操作和/或来操作旁通阀。如果一个或多个喷射器包括第一喷射器和第二喷射器，则控制器可以确定和/或该方法可以包括控制器来确定第一喷射器和第二喷射器的操作。

在本发明的第一和第二方面中，控制器可以使用和/或该方法可以进一步包括控制器来使用模型来基于燃料电池堆系统的操作条件确定燃料电池堆系统的夹带比。

在本发明的第一和第二方面，基于燃料电池堆系统的操作条件，可以使用模型来确定燃料电池堆系统的夹带比。该模型可以是相关模型或基于组件的模型。在本发明的第一和第二方面，燃料电池堆系统可以进一步包括鼓风机，并且如果燃料电池堆系统的夹带比不同于燃料电池堆系统的目标夹带比，则控制器可以操作和/或该方法可以进一步包括控制器来操作鼓风机或更改鼓风机的速度。在本发明的第一和第二方面，燃料电池堆系统可以包括第一喷射器和第二喷射器。控制器可以进一步和/或该方法可以进一步包括控制器来取决于燃料电池堆系统的过量燃料比来确定是操作第一喷射器、第二喷射器还是第一喷射器和第二喷射器两者。

在本发明的第一和第二方面，控制器可以使用和/或该方法可以进一步包括控制器来使用诊断工具来适配模型。在本发明的第一和第二方面，诊断工具可以包括使用和/或可以包括燃料电池电压、燃料电池堆电压、压力传感器或温度传感器来确定燃料电池堆系统的夹带比。

在本发明的第一和第二方面，燃料电池堆系统可以包括鼓风机，并且用于确定燃料电池堆系统的夹带比的模型可以是基于燃料电池堆系统的操作条件预测鼓风机性能的鼓风机模型。

结合一个示例性实施例说明或描述的特征可以与本文描述的任何其他实施例的任何其他特征或元素相组合。这样的修改和变化旨在包括在本公开的范围内。此外，本领域技术人员将认识到，本领域技术人员公知的术语在本文中可以可互换地使用。

充分详细地描述了上述实施例，使得本领域技术人员能够实践所要求保护的内容，并且应理解，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以进行逻辑、机械和电气改变。因此，详细描述不应在限制性的意义上被理解。

如本文使用的，以单数形式叙述并以单词“一”或“一个”开头的元素或步骤应当被理解为不排除多个所述元素或步骤，除非这样的排除被明确声明。

此外，对当前所述主题的“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含叙述特征的附加实施例的存在。单位、测量和/或值的指定数值范围包括包含那些范围和/或端点或在那些范围和/或端点内的所有数值、单位、测量和/或范围、基本上由或由它们组成，无论那些数值、单位、测量和/或范围是否在本公开中明确指定。

除非另有限定，否则本文使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。如本文使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等不标示任何次序或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开。术语“或”和“和/或”意指是包含性的，并且意指所列项中的一个或全部。此外，术语“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括直接或间接的电连接或耦合。

此外，除非有明确的相反声明，否则“包含”、“包括”或“具有”一个或多个具有特定属性的元素的实施例可以包括不具有该属性的附加此类元素。术语“包含”或“包括”指代成分、化合物、制剂或方法，其是包含性的，并且不排除附加的元素、成分和/或方法步骤。术语“包含”还指代本公开的成分、化合物、制剂或方法实施例，其是包含性的，并且不排除附加的元素、成分或方法步骤。短语“由……组成”或“由……构成”指代排除任何附加元素、成分或方法步骤的存在的化合物、成分、制剂或方法。

术语“由……构成”还指代排除任何附加元素、成分或方法步骤的存在的本公开的化合物、成分、制剂或方法。短语“基本上由……构成”或“基本上由……组成”指代包括附加的元素、成分或方法步骤的成分、化合物、制剂或方法，所述附加的元素、成分或方法步骤不实质上影响成分、化合物、制剂或方法的（一个或多个）特性。短语“基本上由……构成”也指代包括附加的元素、成分或方法步骤的本公开的成分、化合物、制剂或方法，所述附加的元素、成分或方法步骤不实质上影响成分、化合物、制剂或方法步骤的（一个或多个）特性。

遍及说明书和权利要求书的如本文使用的近似语言可以应用于修饰可以准许变化的任何定量表示，而不导致与其相关的基本功能的改变。因此，由诸如“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的准确值。在一些实例中，近似语言可以对应于测量该值的仪器的精度。在这里以及遍及说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换。这样的范围是标识的，并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。

如本文使用的，术语“可能”和“可能是”指示在情况集合内发生的可能性；拥有特定的属性、特性或功能；和/或通过表述与被限定的动词相关联的一个或多个能力、功能或可能性来限定另一个动词。因此，“可能”和“可能是”的使用指示被修饰的术语明显适当、能够或适合于所指示的能力、功能或用途，同时考虑到在一些情况下，被修饰的术语有时可能不适当、能够或适合。

应理解，上述描述旨在是说明性的，而非限制性的。例如，上述实施例（和/或其方面）可以单独使用、一起使用或彼此组合使用。此外，在不脱离本文阐述的本主题的的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情形或材料适应本文阐述的本主题的教导。虽然本文描述的材料的尺寸和类型旨在限定所公开主题的参数，但是它们决不是限制性的，而是示例性实施例。在审阅以上描述时，许多其他实施例对于本领域技术人员来说将是清楚的。因此，本文描述的本主题的范围应当参照所附权利要求连同这样的权利要求有权获得的等同物的全部范围来确定。

本书面说明使用示例公开了本文阐述的本主题的几个实施例——包括最佳模式，并且还使得本领域普通技术人员能够实践所公开主题的实施例——包括制造和使用设备或系统以及执行方法。本文描述的本主题的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元素，则这样的其他示例旨在处于权利要求的范围内。

虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到多个修改和改变。因此，应理解，所附权利要求书旨在涵盖如落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (15)

1.一种燃料电池堆系统，包括：

混合以形成第三流动流的第一流动流和第二流动流，

流过所述燃料电池堆系统中的燃料电池堆中阳极入口的第三流动流，以及

控制器，

其中控制器将所述燃料电池堆系统的过量燃料比与所述燃料电池堆系统的目标过量燃料比进行比较。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃料电池堆系统进一步包括鼓风机、喷射器或旁通阀。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述燃料电池堆系统包括第一喷射器和第二喷射器，并且控制器取决于所述燃料电池堆系统的过量燃料比来确定是操作第一喷射器、第二喷射器还是第一喷射器和第二喷射器两者。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃料电池堆系统包括至少一个物理或虚拟传感器。

5.根据权利要求4所述的系统，其中物理或虚拟传感器是单点压力传感器或差压传感器。

6.根据权利要求5所述的系统，其中物理或虚拟传感器测量跨燃料电池堆的压力，测量跨喷射器的压力，或者测量跨所述燃料电池堆系统中的鼓风机的压力。

7.根据权利要求6所述的系统，其中控制器进一步测量第一流动流中的质量流率或第二流动流中的质量流率，并且其中控制器基于跨燃料电池堆的所测量压力或跨喷射器的所测量压力，并且基于第一流动流中的所测量质量流率或第二流动流中的所测量质量流率来确定所述燃料电池堆系统的夹带比。

8.根据权利要求7所述的系统，其中如果所述系统的夹带比不同于目标夹带比时，控制器操作鼓风机，更改鼓风机的速度，操作一个或多个喷射器，或者操作旁通阀，并且其中如果所述一个或多个喷射器包括第一喷射器和第二喷射器，则控制器确定第一喷射器和第二喷射器的操作。

9.根据权利要求4所述的系统，其中物理或虚拟传感器包括温度传感器。

10.根据权利要求9所述的系统，其中温度传感器测量跨所述燃料电池堆系统中的混合点的温度差。

11.根据权利要求10所述的系统，其中控制器通过使用所述燃料电池堆系统中的能量平衡、基于跨混合点的温度差来确定所述燃料电池堆系统的夹带比。

12.根据权利要求11所述的系统，其中如果所述燃料电池堆系统的夹带比不同于目标夹带比，则控制器操作鼓风机、更改鼓风机的速度、操作一个或多个喷射器或操作旁通阀，并且其中如果所述一个或多个喷射器包括第一喷射器和第二喷射器，则控制器确定第一喷射器和第二喷射器的操作。

13.根据权利要求1所述的系统，其中控制器使用模型来基于所述燃料电池堆系统的操作条件确定所述燃料电池堆系统的夹带比。

14.根据权利要求4所述的系统，其中如果所述燃料电池堆系统包括第一喷射器和第二喷射器，并且其中控制器进一步取决于所述燃料电池堆系统的过量燃料比来确定是操作第一喷射器、第二喷射器还是第一喷射器和第二喷射器两者。

15.一种确定燃料电池堆系统的过量燃料比的方法，包括：

混合第一流动流和第二流动流以形成第三流动流，

使第三流动流流过燃料电池堆中的阳极入口，以及

使用控制器将燃料电池堆系统的过量燃料比与燃料堆系统的目标过量燃料比进行比较，

通过使用物理或虚拟传感器来测量跨燃料电池堆的压力或测量跨喷射器的压力或者测量跨鼓风机的压力。

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