CN116936866A - 使用喷射器混合状态测量或控制燃料电池堆过量氢气流的系统和方法 - Google Patents

使用喷射器混合状态测量或控制燃料电池堆过量氢气流的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开一般地涉及用于基于喷射器的内部状态来确定、管理和/或控制包括燃料电池或燃料电池堆和喷射器的系统中的过量氢气流的系统和方法。

Description

使用喷射器混合状态测量或控制燃料电池堆过量氢气流的系 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) 和任何其他适用的法律或法规要求于2021 年 9 月 10 日提交的美国临时专利申请序列号 63/242,934的权益和优先权，该美国临时申请的全部公开内容由此通过引用明确并入本文。
技术领域
本公开一般地涉及用于基于喷射器的内部状态来测量、管理和/或控制包括燃料电池或燃料电池堆和喷射器的系统中的过量氢气流的系统和方法。
背景技术
车辆和/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它们的动力需求。基于燃料电池、堆或系统的操作条件，燃料电池系统的最低过量燃料目标可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低水平。燃料电池或燃料电池堆可能具有高于最低过量燃料目标的过量燃料水平，但结果是该较高水平可能导致燃料电池或燃料电池堆上的高寄生负载。例如，高于最低过量燃料目标的过量燃料水平可以通过在阳极处维持高燃料流率来实现，这可能导致燃料电池、堆或系统中的压强损失。
如果没有达到过量燃料的最低水平，则燃料电池或燃料电池堆的性能或效率可能会降低。此外，燃料电池膜电极组件 (MEA) 的可逆和/或不可逆老化速率可能会增加，从而导致效率永久性降低或燃料电池寿命缩短。这可能需要以额外成本提前更换燃料电池或燃料电池堆。
目前，不存在使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。本公开涉及用于基于喷射器的内部状态来测量、管理和/或控制包括燃料电池或燃料电池堆和喷射器的系统中的过量氢气流的系统和方法。
发明内容
包括本公开的实施例以满足这些和其他需要。
在本文描述的本公开的一个方面中，燃料电池系统或设备包括控制器、第一流动流和第二流动流。第一流动流和第二流动流混合以形成第三流动流。第三流动流流过喷射器和燃料电池堆的阳极入口。喷射器包括各种部件，所述各种部件包括初级喷嘴、混合器区域和扩散器。控制器基于跨喷射器的所述各种部件之一的压强变化或温度变化将燃料电池系统的过量燃料比率与燃料电池系统的目标过量比率进行比较。
在一些实施例中，燃料电池系统还可包括鼓风机、喷射器或旁通阀。在一些实施例中，控制器可确定何时操作鼓风机或者可基于过量燃料比率确定鼓风机速度。在一些实施例中，控制器可以基于过量燃料比率确定旁通阀的操作。在一些实施例中，燃料电池系统可以至少包括第一喷射器和第二喷射器。控制器可基于过量燃料比率确定是操作第一喷射器、操作第二喷射器还是操作第一喷射器和第二喷射器两者。
在一些实施例中，混合器区域可以包括混合器长度。燃料电池系统还可包括沿混合器长度的至少一个物理或虚拟传感器。在一些实施例中，初级喷嘴可以在初级喷嘴出口处包括喷嘴出口平面。混合器区域可以包括在混合器区域入口处的混合器入口平面、在混合器区域出口处的混合器出口平面以及恒压平面的末端。喷射器可以包括从喷嘴出口平面到混合器入口平面延伸的相互作用区、从混合器入口平面到恒压平面的末端延伸的混合区和从恒压平面的末端到混合器出口平面延伸的压强恢复区。
在一些实施例中，所述至少一个物理或虚拟传感器可以测量所述混合区中第三流动流的第一压强和扩散器出口处第三流动流的第二压强。第一压强和第二压强可用于确定在阳极入口处第三流动流的质量流率。第三流动流的质量流率可用于确定过量燃料比率。在一些实施例中，所述至少一个物理或虚拟传感器可以测量混合区中第三流动流的第一温度和扩散器出口处第三流动流的第二温度。第一温度和第二温度可用于确定在阳极入口处第三流动流的质量流率。第三流动流的质量流率可用于确定过量燃料比率。在一些实施例中，所述至少一个物理或虚拟传感器可以位于混合器入口平面附近并且可以在低流量条件下使用。
在一些实施例中，所述至少一个物理或虚拟传感器沿混合器长度的位置可以取决于燃料电池系统的操作条件和/或喷射器性能。在一些实施例中，燃料电池系统可以检测喷射器中冲击波的存在。所述至少一个物理或虚拟传感器可以位于混合器区域的下游并且可以在混合器区域的开始处存在冲击波时使用。在一些实施例中，所述至少一个物理或虚拟传感器可以确定声音强度，可以确定峰值强度的位置或确定一定频率范围内的平均强度，并且控制器可以使用声音强度、峰值强度的位置或一定频率范围内的平均强度来确定第三流动流的质量流率。
在本公开的第二方面中，一种确定燃料电池系统的过量燃料比率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，使第三流动流流过喷射器并流过燃料电池堆中的阳极入口，以及由控制器将燃料电池系统的过量燃料比率与燃料电池系统的目标过量燃料比率进行比较。喷射器包括各种部件，所述各种部件包括初级喷嘴、混合器区域和扩散器。所述比较基于跨喷射器的所述各种部件之一的压强变化或温度变化。
在一些实施例中，初级喷嘴可以在初级喷嘴出口处包括喷嘴出口平面。混合器区域可以包括在混合器区域入口处的混合器入口平面、在混合器区域出口处的混合器出口平面、以及恒压平面的末端。喷射器可以包括从喷嘴出口平面到混合器入口平面延伸的相互作用区、从混合器入口平面到恒压平面的末端延伸的混合区和从恒压平面的末端到混合器出口平面延伸的压强恢复区。所述至少一个物理或虚拟传感器可以位于混合器入口平面附近并且可以在低流量条件下使用。
在一些实施例中，初级喷嘴可以在初级喷嘴出口处包括喷嘴出口平面。混合器区域可以包括在混合器区域入口处的混合器入口平面、在混合器区域出口处的混合器出口平面以及恒压平面的末端。喷射器可以包括从喷嘴出口平面到混合器入口平面延伸的相互作用区、从混合器入口平面到恒压平面的末端延伸的混合区和从恒压平面的末端到混合器出口平面延伸的压强恢复区。所述方法还可以包括：确定混合区中第三流动流的第一温度和扩散器出口处第三流动流的第二温度，以及使用第一温度和第二温度来确定阳极入口处第三流动流的质量流率。第三流动流的质量流率可用于确定过量燃料比率。
在一些实施例中，该方法还可包括检测喷射器中冲击波的存在。至少一个物理或虚拟传感器可以位于混合器区域的下游并且在冲击波位于混合器区域的开始处时使用。
在一些实施例中，混合器区域可以包括混合器长度。燃料电池系统可以包括沿混合器长度的至少一个物理或虚拟传感器。在一些实施例中，所述至少一个物理或虚拟传感器沿混合器长度的位置可以取决于燃料电池系统的操作条件和/或喷射器性能。
在一些实施例中，该方法还可以包括：至少一个物理或虚拟传感器确定声音强度、确定峰值强度的位置或确定一定频率范围内的平均强度。该方法可以包括：控制器使用声音强度、峰值强度的位置或一定频率范围内的平均强度来确定第三流动流的质量流率。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，附图中相似的字符在所有附图中表示相似的部分，其中：
图1A是燃料电池系统的图示，该燃料电池系统包括连接到电厂辅助设备的一个或多个燃料电池堆。
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的部件的图示。
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图。
图3是示出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。
图4是示出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。
图5是示出在文丘里管或喷射器中的动力流(初级流)和夹带流(次级流)的进入的示意图。
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的系统中管理和/或过量氢气流的系统和方法。本公开一般地涉及用于基于喷射器230的内部状态来确定、管理和/或控制包括燃料电池20或燃料电池堆12和喷射器230的系统中的过量氢气流的系统和方法。更具体地，本公开涉及克服燃料管理系统中针对直接测量过量燃料流的挑战。
如图1A中所示，燃料电池系统10通常包括一个或多个燃料电池堆12或燃料电池模块14，该燃料电池堆12或燃料电池模块14连接到电厂辅助设备(BOP)16，BOP16包括各种部件，用于创建、生成和/或分配电力以便以环保的方式满足现代工业和商业需求。如图1B和1C中所示，燃料电池系统10可以包括燃料电池堆12，燃料电池堆12包括多个个体燃料电池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还可以包括用于支持燃料电池模块14的功能和操作的相关结构元件、机械系统、硬件、固件、和/或软件的合适组合。这些物品包括但不限于管道、传感器、调节器、集流器、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 中燃料电池堆 12 的数量可以根据操作燃料电池系统10并满足任何负载的电力需求所需的电量而变化。燃料电池堆12中燃料电池20的数量可以根据操作包括燃料电池堆12的燃料电池系统10所需的电量而变化。
每个燃料电池堆12或燃料电池系统10中燃料电池20的数量可以是任何数量。例如，每个燃料电池堆12中燃料电池20的数量可以在从大约100个燃料电池到大约1000个燃料电池的范围内，包括包含在其中的任何特定数量或数量范围的燃料电池20(例如，大约200到大约800个)。在实施例中，燃料电池系统10可包括大约20至大约1000个燃料电池堆12，包括包含在其中的任何特定数量或数量范围的燃料电池堆12(例如，大约200至大约800)。燃料电池模块14内燃料电池堆12中的燃料电池20可以朝向任何方向以优化燃料电池系统10的操作效率和功能。
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) 或固体氧化物燃料细胞（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包括单膜电极组件(MEA)22和位于膜电极组件(MEA)22的任一侧或两侧上的气体扩散层(GDL)24、26(见图1C)。燃料电池20还在每个气体扩散层(GDL) 24、26的外侧上包括双极板(BPP) 28、30。上述部件22、24、26、30构成单个重复单元50。
双极板 (BPP) 28、30 负责在燃料电池20中运输反应物，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均匀地分配到每个燃料电池20的活性区域40。发生电化学反应以生成由燃料电池20产生的电力的活性区域40位于膜电极组件(MEA)22处的气体扩散层(GDL)24、26和双极板(BPP)28、30内的中心。将双极板(BPP) 28、30 压缩在一起以隔离和/或密封它们各自的通路、通道和/或流场 42、44 内的一种或多种反应物 32，以维持导电性，这是在燃料电池20操作期间稳健性所必需的。
本文所述的燃料电池系统10可用于固定和/或不可移动的电力系统，诸如工业应用和发电厂。燃料电池系统10还可以与电解槽18和/或其他电解系统18结合实施。在一个实施例中，燃料电池系统10串联或并联连接和/或附接至电解系统18，诸如BOP 16中的一个或多个电解槽18(见图1A)。在另一个实施例中，燃料电池系统10不串联或并联连接和/或附接至电解系统18，诸如BOP 16中的一个或多个电解槽18。
本燃料电池系统10也可以被包括在移动应用中。在示例性实施例中，燃料电池系统10在车辆和/或动力系统100中。包括本燃料电池系统10的车辆100可以是汽车、通行车、公共汽车、卡车、火车、机车、飞机、轻型车辆、中型车辆或重型车辆。车辆100的类型还可以包括但不限于商用车辆和机动车、火车、手推车、有轨电车、飞机、公共汽车、轮船、小船和其他已知车辆，以及其他机械和/或制造装置、装备、设备等。
车辆和/或动力系统100可以用在道路、交通干线、铁路、空中航线和/或水路上。车辆100可用于包括但不限于非交通干线运输、牵引车和/或采矿装备的应用中。例如，采矿装备车辆100的示例性实施例是采矿卡车或矿山运输卡车。
燃料电池 20 或燃料电池堆 12 电力模块可包括燃料管理系统，该燃料管理系统控制、管理、实施或确定初级燃料(例如，氢气)作为燃料流向阳极的流量。燃料流量控制可以通过阳极入口以匹配、超过或小于燃料电池20或燃料电池堆12的燃料消耗速率的速率发生。燃料流量控制可以取决于废燃料流从燃料电池20或燃料电池堆12出口回到阳极入口的再循环速率。燃料流量控制可取决于燃料电池20或燃料电池堆12以目标压强的操作。燃料流量控制可取决于将阳极流与阴极流之间的压差维持在指定目标范围内。
鼓风机和/或泵（例如，再循环泵）可以以与燃料电池 20 或燃料电池堆 12 中的压强损失成比例的容量运行。鼓风机和/或泵也可以以与通过鼓风机和/或泵的体积流率成比例的容量运行。鼓风机和/或泵可以使用附加动力来补偿压强损失。鼓风机和/或泵使用附加动力可能导致燃料电池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中的图101中示出，燃料电池系统10包括燃料电池20或燃料电池堆12。操作压强和相关的操作温度被示为电流密度108的函数。燃料电池20或燃料电池堆12可能需要在图3中所示的阳极入口歧管404处测量的称为阳极入口歧管压强(PAIM)的压强范围内操作。
燃料电池 20 或燃料电池堆 12 的最高阳极入口歧管压强 (PAIM_HI) 由 110 表示。燃料电池 20 或燃料电池堆 12 的最低阳极入口歧管压强 (PAIM_HI) 由 120 表示。最高阳极入口歧管压强(PAIM_HI)110和最低阳极入口歧管压强(PAIM_LO)120之间的范围160指示目标阳极入口歧管压强范围或操作压强。燃料电池系统10的目标温度范围可以从低燃料供应操作温度(TCV_LO)102到高燃料供应操作温度(TCV_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，在从大约或近似最高阳极入口歧管压强 (PAIM_HI) 110 到大约或近似最低阳极入口歧管压强(PAIM_LO) 120 的范围内的压强处操作燃料电池 20 或燃料电池堆 12 是至关重要的。在一些实施例中，临界电流密度(i_LO_CR)130可以为大约0.7A/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 。在一些进一步的实施例中，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0.5A/cm2到大约0.9A/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 可以以高电流密度138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 的范围可以从大约 1.3 A/cm2 到大约2.0A/cm2，或大约1.3A/cm2至大约1.6A/cm2，或大约1.0A/cm2至大约1.6A/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，在这样的高电流密度 138 (例如，处于大约 1.6 A/cm2)下操作燃料电池 20 或燃料电池堆 12 将导致在不同于最佳目标操作压强和操作温度的压强和温度下操作燃料电池 20 或燃料电池堆 12。在不同于最佳目标操作压强和操作温度的压强和温度下操作燃料电池20或燃料电池堆12可能会降低燃料电池20或燃料电池堆12的效率。这样的操作还可能由于MEA 22退化（例如，由于不足、溢流和/或相对湿度效果）而导致对燃料电池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在低于临界电流密度(i_LO_CR) 130下操作时，燃料电池20或燃料电池堆12的操作压强和操作温度可能具有更大的灵活性。包括燃料电池20或燃料电池堆12的目前的操作系统可以在最小电流密度(iMIN) 132和/或最大电流密度(iMAX) 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可以在可能与图2中的曲线160所指示的功能范围不同的功能范围内操作。燃料电池系统10可以在更高压强(例如，最高阳极入口歧管压强(PAIM_HI) 110)下或在与临界电流密度(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可以将大约2.5 bara的稳态操作向下扩展到大约临界电流密度(i_LO_CR) 130。以bara为单位的压强测量值是指以bar为单位的绝对压强。
图3图示了燃料电池系统10的一个实施例，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、吹扫（purge）阀284、截止阀270、压强传递阀290、一个或多个压强换能器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，还可以有一个或多个阀、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串联或并联的其他装置。
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)可流过燃料电池堆12的阴极208端。
过量燃料可能在阳极入口 212 处提供以避免去往阳极出口 214的燃料不足。在一些实施例中，过量燃料比率 (λH2) 可大于或等于大约1.3以避免燃料不足。可在阳极入口212 处提供再循环流以支持膜电极组件 (MEA) 22 的加湿。阳极入口流 222 的水含量或阳极入口流 222 的相对湿度可影响燃料电池堆12的性能和健康。例如，低入口湿度可能导致较干燥的MEA 22，从而导致性能降低。低入口湿度也可能引起应力，该应力可能导致对MEA 22 的永久性损坏。
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，溢流可能引起局部不足和/或可能降低燃料电池 20 性能和/或损坏膜电极组件(MEA)22的其他效果。在一些实施例中，可能存在标称或目标阳极气体入口相对湿度范围，在该范围中燃料电池性能得到改善并且膜电极组件(MEA) 22的退化速率被最小化。例如，当阳极入口气体相对湿度水平在阳极气体入口条件下在约30％至约35％的范围内时，燃料电池20或燃料电池堆12可实现最佳性能。在一些实施例中，阳极气体入口条件可包括大约1.5至2.5 bara的操作压强，以及近似为冷却剂出口温度的阳极燃料电池或阳极燃料电池堆操作温度。
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为大约30％，则可能需要大约1.37至大约1.4的最小过量燃料比率(λH2)来维持燃料电池性能和/或避免损坏膜电极组件 (MEA) 22。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为大约 35%，则可能需要大约 1.45 至大约 1.51 的最小过量燃料比率(λH2)来维持燃料电池性能和/或避免损坏膜电极组件 (MEA) 22。
参考图1C，在燃料电池20或燃料电池堆12中提供冷却剂36流以管理在燃料电池20或燃料电池堆12内生成的热量，该热量可能由于效率低下而产生。冷却剂36流通道可以设计成能够进行有效的热传递以去除任何废热。基于冷却剂流率和冷却剂比热容的有限冷却剂热容可导致跨燃料电池20或燃料电池堆12的温度变化。在一些实施例中，设计规范可限制跨燃料电池20或燃料电池堆12的可允许温升。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升限制在大约5°C至大约7°C。可以单独管理入口冷却剂温度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流维持在满足寿命开始(BoL)温升的设计规范的水平，则老化后的温升可能超过大约5℃至大约7℃。
由于燃料电池 20 或燃料电池堆12被设计为具有有效的热传递，因此局部阳极和阴极流温度可类似于局部冷却剂温度。阳极出口流温度也可能影响过量燃料比率 (λH2)。阳极出口流温度可以更接近冷却剂入口温度，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) 时可能低达大约7°C，并且在寿命结束 (EoL)时可能低达大约 10°C。
取决于燃料电池20或燃料电池堆12的设计，跨燃料电池20或燃料电池堆12的冷却剂36温度变化可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可以在多种配置中被设计成具有三种流动流——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。流动流可以定向为共同流动、逆流动或交叉流动。
几何(空间)约束可以排除交叉流动，并且要求三个流中的两个是共同流动，而第三个是逆流动。如果燃料电池20或燃料电池堆12被设计成阳极流为逆流动，则阴极流和冷却剂流为共同流动。在这种配置中，阳极流出口温度可接近入口冷却剂温度，而阴极入口/出口流温度可接近入口/出口冷却剂温度。
由于可通过控制冷却剂入口温度而将燃料电池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，阴极出口温度可接近冷却剂出口温度。阴极出口温度的范围可以从约55°C至约65°C、从约65°C至约85°C或从约85°C至约95°C，包括其中包含的任何特定温度或范围。阴极入口温度可在 BoL比出口温度低约 5°C 至约 7°C，并且在EoL 低约 10°C。在该相同配置中，阳极出口流的温度可以接近阴极入口温度并且可以在BoL比目标燃料电池温度目标低约5°C至约7°C，并且在 EOL低约10°C。在一些实施例中，在BoL期间任何配置中的温度差的范围可以从约1°C到约3°C、3°C到约5°C、5°C到约7°C、7°C到约10°C、10°C至约12°C，或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的范围可以从约5°C至约7°C、7°C至约10°C、10°C至约12°C、12°C至约15°C，或其中包含的任何特定温度或范围。
燃料电池20或燃料电池堆12可以设计成使得阳极流与冷却剂36共同流动，并且阳极出口流温度可以高于阳极入口流温度。
燃料电池20中的过量燃料和水含量的来源可以来自次级流或再循环流226。燃料电池系统10中的次级流226的组成取决于阳极出口流225的组成。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强下饱和含水。因此，当确定满足阳极入口流222的过量燃料或相对湿度目标所需的次级流226时，可以计及次级流226的组成变化。
如果阳极出口流225饱和含水，则阳极流出口温度比目标阳极燃料电池或阳极燃料电池堆操作温度低约10°C，并且如果目标相对湿度水平为约30%，则可能需要约 1.40 至约 1.49 的最小过量燃料比率 (λH2) 来维持燃料电池 20 的性能和/或避免损坏膜电极组件 (MEA) 22。在其他实施例中，如果阳极气体出口温度比目标温度低约 10°C，并且如果目标相对湿度水平为约 35%，则可能需要约 1.50 至约 1.8 的最小过量燃料比率 (λH2) 来维持燃料电池 20 的性能和/或避免损坏膜电极组件 (MEA) 22。所需过量燃料比率 (λH2)的增加在温度变化较大的高电流密度下可能更明显。
次级流226的所需流率可以通过对过量燃料的需要或对增加的水含量的需要来设定，无论哪一个都需要更高的次级流226。次级流226的所需流量可以表示为目标夹带比率（ER）。夹带比率 (ER) 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）的比率。替代地，目标有效过量燃料比率或最小所需燃料比率可计及对过量燃料的需要或对阳极入口流222的增加的水含量的需要。“过量燃料比率”可用于表示从次级流226得出的用于满足阳极入口流222要求的所需组成。阳极入口流222要求可以是燃料电池系统10的过量燃料比率或相对湿度要求中更严格的要求。
过量燃料比率 (λH2) 或阳极化学计量比率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 中消耗的燃料的比率。可以使用过量燃料比率(λH2)表示满足所需的阳极入口流222特性的次级流226的所需组成。所需的阳极入口流222特性可以是燃料电池系统10的过量燃料比率或相对湿度要求中更严格的要求。作为电流密度108的函数的最小所需过量燃料比率(λH2)140在图2中示出。在一些实施例中，燃料电池系统10要求燃料量等于或高于最小所需过量燃料比率(λH2)140。
在其他实施例中，燃料电池系统 10 可能要求目标水或湿度水平，目标水或湿度水平可能会影响过量燃料比率 (λH2) 140。过量燃料比率 (λ) 140 跨燃料电池系统10的操作范围可以是平坦的，除了在低电流密度108处，诸如在处于或低于过量燃料比率电流密度阈值(i_λ_THV) 150的电流密度108处。替代地或附加地，过量燃料比率(λ)140可以随着电流密度 108的变化而变化。
在一些实施例中，高于过量燃料比率电流密度阈值(i_λ_THV) 150的过量燃料比率(λH2) 140可以在从大约1.3到大约1.9的范围内，包括其中包含的任何比率。在一个优选实施例中，高于过量燃料比率电流密度阈值(i_λ_THV)150的过量燃料比率(λH2)140可以在大约1.4至大约1.6的范围内，包括其中包含的任何比率或比率范围。
在一些实施例中，燃料电池系统10的过量燃料比率电流密度阈值(i_λ_THV) 150可以为0.2A/cm2或大约0.2A/cm2。在其他实施例中，过量燃料比率电流密度阈值（i_λ_THV）150可以处于不同的电流密度108。例如，过量燃料比率电流密度阈值（i_λ_THV）150可以处于大约0.05A/cm2至大约0.4A/cm2范围内的电流密度108，包括其中包含的任何电流密度108或电流密度108的范围。在一个优选实施例中，过量燃料比率电流密度阈值（i_λ_THV）150可以是大约0.1A/cm2或大约0.2A/cm2。过量燃料比率电流密度阈值 (i_λ_THV) 150 可取决于燃料电池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 在低于过量燃料比率电流密度阈值 (i_λ_THV) 150 下操作，则可以通过阳极 204 维持最小体积流率用于冲洗掉可能在燃料电池 20 或燃料电池堆 12 中形成的任何液态水。在低流率（例如，低于约 0.2 A/cm2 或低于约 0.1 A/cm2）下，燃料电池 20 或燃料电池堆 12 中可能会存在溢流。如果最小体积流率低于过量燃料比率电流密度阈值 (i_λ_THV) 150，则燃料电池 20 或燃料电池堆12 退化的速率可能会增加，并且燃料电池 20 或燃料电池堆 12 的性能可能会受到不利影响。
文丘里管或喷射器 230 可用于燃料电池系统 10。文丘里管或喷射器 230 的尺寸可确定成使得燃料电池系统 10 可能在某些电流密度108下不需要再循环泵 220（诸如鼓风机）的帮助。不使用再循环泵或鼓风机220可能导致寄生负载降低，如图2的曲线170和180所示。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递送的流量的一部分。曲线180示出了对应的寄生负载。
寄生负载可能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 可以以与燃料电池 20 或燃料电池堆 12 中的压强损失成比例和/或与燃料电池20或燃料电池堆12中的次级流226的所需流率成比例的容量起作用。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强下操作，使得在该初始操作条件下的燃料电池负载较高。燃料电池负载定义为：
负载=堆功率=电流x燃料电池或燃料电池堆电压=电流密度x燃料电池面积x燃料电池或燃料电池堆电压。
当负载功率需求迅速减少或去除从而需要燃料电池20或燃料电池堆12减少递送的电流时，燃料电池20或燃料电池堆12可以处于减载状态。
在燃料电池20或燃料电池堆12的瞬态操作期间，燃料电池20或燃料电池堆12中的操作压强可以基于燃料电池20或燃料电池堆12操作温度的变化而改变。例如，在减载期间，燃料电池系统10可具有与瞬态操作压强(P_AIM_TRS)对应的操作压强，该瞬态操作压强(P_AIM_TRS)可能大于其稳态操作压强(P_AIM_SS)。在一些实施例中，即使在低电流密度108情况下，瞬态操作压强(P_AIM_TRS)也可以等于最高阳极入口歧管压强(PAIM_HI)110。
在负载接受期间，电流密度108的增加速率受到限制，并且稳态操作压强(P_AIM_SS)可以等于阳极入口歧管压强(PAIM)。替代地或附加地，在负载接受期间，燃料电池20或燃料电池堆12的操作温度可能由于经由冷却剂恒温控制的不完美温度控制而超过目标操作温度。这种条件下的操作压强高于标称（稳态）操作下的操作压强。这种情况类似于快速减载期间发生的情况。
在一个实施例中，由曲线160指示的燃料电池20或燃料电池堆12的操作压强可以优化以下两项之间的平衡：使燃料电池20或燃料电池堆12能够高效操作与在所选操作压强下进行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）。在一些实施例中，由曲线106指示的操作温度、由曲线160指示的操作压强和/或过量空气比率可以维持用于燃料电池20或燃料电池堆12操作的目标相对湿度(RH)。由曲线106指示的操作温度、由曲线160指示的操作压强和/或过量空气比率可以通过以针对阴极208处的相对湿度(RH)的特定值为目标来确定。
过量空气比率的定义与过量燃料比率 (λH2) 140 类似，但涉及阴极 208 侧流（即，空气中的过量 O2）。过量空气比率、压强和温度的组合可以一起用于控制阴极208侧的湿度。阴极208侧的湿度继而可以影响阳极(H2)侧的水含量。在一个实施例中，随电流密度变化的温度、压强和过量空气比率可用于控制湿度。在一些实施例中，过量空气比率可为约2.0。
在其他实施例中，过量空气比率可以在大约1.7至大约2.1的范围内，包括其中包含的任何比率或比率范围。在一些其他实施例中，在加压操作下，过量空气比率可以在大约1.8至大约1.9的范围内，包括其中包含的任何比率或比率范围。过量空气比率可以增加到低于空气阈值电流以保持体积流率足够高以防止在阴极208侧燃料电池20或燃料电池堆12中溢流。
可以通过结合操作压强和操作温度使用加湿装置来维持目标相对湿度(RH)。例如，加湿装置可用于燃料电池20或燃料电池堆12的阴极208侧。如果指定燃料电池20或燃料电池堆12的目标相对湿度(RH)和目标操作压强，则可以确定燃料电池20或燃料电池堆12操作的目标温度。
参考图3，机械调节器250是控制阀256，其可用于控制新鲜燃料流202，也称为初级流、初级质量流、初级燃料或到阳极204的动力流。控制阀256可以是比例控制阀或注射器而不是机械调节器250(例如，圆顶调节机械调节器)。控制阀256可以包括控制所述控制阀256的打开或关闭的内阀258、线圈255或螺线管257。
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可以确定阳极入口流222通过阳极204处的阳极入口212的流量。控制阀256可以是比例控制阀或注射器。在其他实施例中，控制阀256可以包括控制所述控制阀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可以是本领域已知的任何类型的通信或计算机信号。
初级流202的流率或初级流率可以基于操作压强(例如，阳极压强)被控制以匹配燃料电池堆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中的压强可以稳定。由于机械调节器 250 的功能基于阳极 204 和阴极 208 之间的压差，因此在使用机械调节器 250 时需要维持目标压差。在一些实施例中，阴极 208 处的压强经由阴极侧控件282被控制和/或维持在目标水平。
机械调节方法（诸如通过采用致动器 282）可以使用来自阴极/空气入口 216 的压强信号 281 来控制质量流量并在燃料电池堆 12 的阴极 208 侧维持适当的压强。在一些实施例中，来自阴极208侧的压强信号218被输入到机械调节器250。在一些实施例中，可以通过使用来自阴极208侧的压强信号281并测量一个或多个阳极204侧条件来控制阳极204侧质量流量和阳极204侧压强。
机械调节方法（诸如通过采用致动器 282）可以使用来自阴极/空气入口 216 的压强信号 281 来控制质量流量并在燃料电池堆 12 的阴极 208 侧维持适当的压强。在一些实施例中，来自阴极208侧的压强信号218被输入到机械调节器250。在一些实施例中，可以通过使用来自阴极208侧的压强信号281并测量一个或多个阳极204侧条件来控制阳极204侧质量流量和阳极204侧压强。
阳极204处的单点压强可被计算为阴极208侧压强加上阳极204处的气流(例如，222)与阴极208处的气流(例如，206)之间的压差。单点压强可以是绝对压强或表压强。
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 的流压强来汲取次级流 226，也称为次级质量流、夹带流或再循环流。如稍后讨论的，文丘里管或喷射器230可利用来自较高压强初级流的可用过量焓来汲取次级流226，对抗通过AGR回路224的压强损失。阳极气体再循环回路224可包括文丘里管或喷射器230、燃料电池堆12和次级入口232（诸如在文丘里管或喷射器230中的吸入室620中包括的一个）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的压差。
燃料电池系统 10 可能要求目标水或湿度水平，这可以驱动饱和次级流 226 的流动。饱和次级流 226 然后可以驱动初级流 202，使得目标过量燃料比率 (λH2 )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可用于实现过量燃料比率(λH2)。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）操作。再循环泵或鼓风机220的寄生负载可能很大。在一个实施例中，可能需要大的再循环泵或鼓风机220来提供动力以实现目标过量燃料比率(λH2)140。在一些实施例中，再循环泵或鼓风机220的使用可能效率低且昂贵。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 的压强提升能力 (ΔP_BLWR) 是通过再循环泵或鼓风机220 的流量 (Q)、鼓风机速度 (N) 和流组成的密度 (ρ）的函数。再循环泵或鼓风机220的压强提升(ΔP_BLWR)可能受到燃料电池系统10的功率汲取限值和/或速度限值的限制。当再循环泵或鼓风机220不旋转或在其他燃料电池系统10停止条件下操作时，再循环泵或鼓风机220可用作AGR回路224中的限制。
ΔP_BLWR = f(Q, N,ρ) (1)。
燃料电池系统10可以在变化的操作条件下操作。操作条件可能包括但不限于操作电流密度、操作压强、操作温度、操作相对湿度、燃料供应压强、燃料供应温度、所需的再循环流量、夹带比率、寄生负载限制、功率需求、AGR 回路 224中的压强损失、文丘里管或喷射器 230的性能和/或效率、再循环泵或鼓风机 220的性能和/或效率、燃料密度、吹扫流量和阻塞或非阻塞（例如，未阻塞）流条件。
燃料电池系统10的调节比率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的最小容量的比率。文丘里管或喷射器230可使用初级流有效能（enexgy）来汲取再循环流226。调节比率表征文丘里管或喷射器230可以将所需的过量燃料比率(λH2)140递送到燃料电池堆12的范围。燃料电池系统10可以被设计成使文丘里管或喷射器230的调节比率最大化。因此，使文丘里管或喷射器230的调节比率最大化也有助于使与再循环泵或鼓风机220相关的尺寸和寄生负载最小化。在一些实施例中，可能需要文丘里管或喷射器230稳健地操作和/或执行以在所需的过量燃料比率 (λH2) 140 下递送所需的初级流 202。
在一个实施例中，燃料供应系统80可以以燃料供应压强(PCV)和燃料供应温度(TCV)供应燃料。初级流202可以穿过控制阀256并通过初级喷嘴231以初级喷嘴入口压强(PO)和初级入口温度(TO)进入文丘里管或喷射器230。次级流226可以通过吸入室620中的次级入口或进口232以次级入口压强(PS)和次级入口温度(TS)进入文丘里管或喷射器230。
定尺寸压强(P_CV_MIN)可以是控制阀256（诸如比例控制阀或机械调节器250或注射器）处的最小入口压强。在其他实施例中，燃料定尺寸压强(P_CV_MIN)可以是空压条件下控制阀256的入口处的压强(PEMPTY)。次级流226可以通过吸入室620中的次级入口232以次级入口压强(PS)和次级入口温度(TS)进入文丘里管或喷射器230。
文丘里管或喷射器 230 可具有在初级流中可用的有效能，以在文丘里管或喷射器 230 中引起作为次级流 226 的阳极气体再循环流。堆压强 (ΔPSTACK) 是通过 AGR 回路 224 的压强损失。次级流226可以被升高以抵抗堆压强(ΔPSTACK)。
压强提升(ΔPLIFT)是克服AGR回路224中的压强损失(ΔPSTACK)所需的压强。在一些实施例中，压强提升(ΔPLIFT)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强损失支配。在一些实施例中，压强损失可以与通过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 可包括作为初级流 202 的新鲜燃料（例如 H2）和再循环流 226 的混合物。
次级入口压强 (PS) 可取决于燃料电池 20 或燃料电池堆 12 的阳极入口歧管压强 (PAIM) 和 AGR 回路 224 中的压强损失 (ΔPSTACK) 或所需的压强提升 (ΔPLIFT)，
PS = PAIM -ΔPLIFT (2)。
可被夹带的次级流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强( PO)、次级入口压强(PS)、燃料电池20或燃料电池堆12的阳极入口歧管压强(PAIM)、和/或次级流226组成。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226是绝热过程。文丘里管或喷射器 230 的初级入口温度 (TO) 和次级入口温度 (TS) 可影响次级流 226。
如前所述，在某个临界电流密度 (i_LO_CR) 130 之上，燃料电池系统 10 需要在由图 2中的曲线 160 指示的目标阳极入口歧管压强范围内操作。初级入口压强(PO)可以与初级燃料需求成比例地减小，直到初级喷嘴231不再被阻塞(即，未阻塞)。在其他实施例中，如果初级喷嘴231未阻塞，则初级入口压强(PO)的下降速率可以是非线性的和/或可以对下游压强（诸如次级入口压强(PS)）敏感。在其他实施例中，初级入口压强(PO)可以随着初级入口温度(TO)降低而降低。
初级入口温度(TO)可以等于燃料供应温度(TCV)。初级入口温度(TO)可影响初级流202。在一些实施例中，燃料电池系统10可具有目标质量流率。在其他实施例中，次级入口温度(TS)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226。在一些实施例中，次级入口温度(TS)可以是几何约束。热力学约束和/或文丘里管或喷射器230的效率也可能影响次级流226。
文丘里管或喷射器230可以对初级喷嘴入口压强(PO)、背压和所需压强提升(ΔPLIFT)敏感。背压可以是喷射器出口或出射口 238处的出口压强 (PC) 或可以是阳极入口歧管压强 (PAIM)。如果从文丘里管或喷射器230出口到阳极入口歧管没有压强损失，则喷射器出口238处的出口压强(PC)可以等于阳极入口歧管压强(PAIM)。在一些实施例中，初级喷嘴入口压强(PO)可以是燃料电池系统10中的电流密度(i)的函数。
PO = f(i) (3)。
夹带比率(ER)是文丘里管或喷射器 230 的性能和/或能力的量度并且可能对初级喷嘴入口压强 (PO)、背压 (例如PC、PAIM) 和/ 或压强提升 (ΔPLIFT)敏感。在一个实施例中，随着背压（例如PC、PAIM）的增加，文丘里管或喷射器 230 可以从双阻塞（具有稳定的夹带比率）变为处于过渡状态（具有减小的夹带比），变为具有逆流动。文丘里管或喷射器 230中的逆流动可能是不合希望的，因为逆流动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 可能需要抵消通过燃料电池 20 或燃料电池堆 12的压强损失（ΔPSTACK），同时抵抗背压（例如PC、PAIM）进行操作。
使燃料管理系统能够直接测量燃料电池系统10中的过量燃料比率(λH2)的方法或系统对于燃料电池系统10的性能是有用的。虽然可能无法直接测量再循环流率、初级流率或夹带比率，但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中的任何吹扫气体流率。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提供阳极气体流率，该阳极气体流率具有高于最小值的过量燃料比率(λH2)。过量燃料比率(λH2)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的组成。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可包括其他气体，诸如氮气(N2)。过量燃料比率(λH2) 计算如下：
(4)
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率，
。
燃料电池系统13可以是如图4所示的配置。文丘里管或喷射器 230 的尺寸确定为支持一部分初级流动流 202 (例如 H2)，可以与旁通阀或限流器410 并行放置。至少，旁通阀或限流器410需要打开/关闭功能，并且必须确定尺寸以提供不流经文丘里管或喷射器230的初级流动流202的剩余部分。旁通阀或限流器410可以是具有打开/关闭功能的二元阀。替代地，旁通阀或限流器410可具有可变打开或关闭的内阀。
旁通阀或限流器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。包括旁通阀或限流器410的配置可以使阳极气体再循环（AGR）要求能够跨整个操作范围（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中运行时）得到满足。
包括旁通阀或限流器 410 (例如，比例控制阀)和适当尺寸的文丘里管或喷射器230 的配置可以使阳极气体再循环 (AGR) 要求能够跨整个操作范围 (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中运行时)得到满足，而不需要再循环泵或鼓风机220。这样的配置被称为EES(优雅喷射器系统)配置。
如图4中所示，新鲜燃料202可以以燃料供应温度(TCV)和燃料供应压强(PCV)进入控制阀256，诸如机械调节器250。新鲜燃料202可离开机械调节器250并以初级喷嘴入口压强(PO)和初级入口温度(TO)进入文丘里管或喷射器230或限流器410。离开控制阀 256 的一定量的新鲜燃料 202 可以在进口或初级喷嘴入口 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器410(m_H2_RP, 430)。阳极气体再循环组成226(m_RC)可以在进口232处以第二入口压强(PS)和第二入口温度(TS)进入文丘里管或喷射器230。阳极气体再循环组成226(m_RC)可以具有质量分数为x_H2O_RC的水。所述燃料可以在阳极入口歧管304处进入燃料电池堆12的阳极204。
在所示实施例中，可以考虑两个夹带比率，即文丘里管或喷射器230的夹带比率（ER_EES)和系统的夹带比率（ER)：
。
旁通阀或限流器410可被操作为实现过量燃料比率(λH2)。旁通阀或限流器410可以完全打开、完全关闭，或者可以打开但未完全打开。旁通阀或限流器410的打开可取决于过量燃料比率(λH2)或系统的夹带比率(ER)或文丘里管或喷射器230的夹带比率(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 可以包括混合歧管代替文丘里管或喷射器 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率(ER)或文丘里管或喷射器230的夹带比率(ER_EES)来确定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需要所有还是部分并联或串联配置的文丘里管或喷射器230进行操作，和/或确定并联或串联配置的多于一个文丘里管或喷射器230的操作顺序。
过量燃料比率 (λH2) 或系统的夹带比率(ER) 或文丘里管或喷射器 230 的夹带比率(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可用于监测和/或控制所述物理或虚拟温度传感器262或压强传感器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 来为文丘里管或喷射器 230 提供额外的支持，需要准确估计夹带比率(ER、ER_EES)。如果估计夹带比率，则当燃料电池系统10/13靠近预期文丘里管或喷射器230接近其操作限值的操作条件时，可以开始使用再循环泵或鼓风机220。当操作电流密度小于约0.8 A/cm2 时和/或在与小于约0.8 A/cm2 的电流密度相关的温度或压强下，可以开始使用再循环泵或鼓风机220。
如果燃料电池系统10/13在瞬态条件下操作，则用于开始使用再循环泵或鼓风机220的操作电流密度可能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 在瞬态条件下以约 0.8 A/cm2 操作，则系统可暂时以约1.5 bara压强而不是约2.5 bara 压强和以约 75°C而不是约 85°C进行操作。如果再循环泵或鼓风机220可能需要在稳态条件下在大约0.8 A/cm2下被开启，如果燃料电池系统10/13正在瞬态条件下操作，则再循环泵或鼓风机220可能需要以大约1 A/cm2 被启动。
当燃料电池系统10/13使再循环泵或鼓风机220加入时，可以估计过量燃料比率(λH2)并将其用作对鼓风机控件229的反馈，从而使与运行再循环泵或鼓风机220相关的寄生负载可以被最小化。当系统使再循环泵或鼓风机220加入时，可以估计过量燃料比率(λH2)并将其用作对鼓风机控制器的反馈，从而可以改变再循环泵或鼓风机220的速度。可以估计过量燃料比率 (λH2)，并将其用作对旁通阀控制器 449 或喷射器控制器 239 的反馈。
在一个实施例中，物理或虚拟感测系统或方法的使用可能导致测量的夹带比率(ER)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或压强传感器263。为了针对测量的夹带比率(ER)的不确定性进行保护，可以使用标称夹带比率(ERNOM)和最小夹带比率(ERMIN)的概念，
。
Z给出了当针对给定的总体标准偏差σ_ER测量标称夹带比率(ERNOM)时过量燃料比率(λH2)将高于最小所需过量燃料比率(λH2)或处于目标过量燃料比率(λH2)的统计置信水平。如果测量的夹带比率(ER) 等于标称夹带比率(ERNOM)，则可能需要使用再循环泵或鼓风机 220 为文丘里管或喷射器 230 提供附加支持。如果 Z 等于约 2.05，则过量燃料比率(λH2) 将高于最低所需过量燃料比率(λH2)将有98% 的置信度。用于测量标称夹带比率(ERNOM) 和过量燃料比率 (λH2) 的系统和方法可能需要具有小于约 12% 的不确定性。标准偏差 (σ_ER) 与最小夹带比率(ERMIN) 的比率小于约12%，
。
在一个实施例15中，如图5中所示，文丘里管或喷射器230的进口包括初级喷嘴入口234、初级喷嘴出口532和次级流入口吸入室520。初级流动流202/420在初级喷嘴入口234处进入文丘里管或喷射器230并且在进入混合器区域530之前穿过初级喷嘴出口532。初级喷嘴231的最窄部分可以是初级喷嘴231的颈部。在其他实施例中，初级喷嘴231的颈部或最窄部分可以与初级喷嘴出口532相同或不同。
文丘里管或喷射器230的几何构造和/或设计可包括诸如喷射器喷嘴或初级喷嘴入口面积(A_nzl)、混合器面积比率(MAR)、混合器长度比率(MLR)之类的参数。在一些实施例中，对于燃料电池系统10/13的给定的一组操作或边界条件，初级喷嘴入口面积(A_nzl)可以限制初级流动流202/420的流率。
混合器面积是初级流动流202/420和再循环流动流226当在混合器区域530中进行混合时可流过的面积。混合器面积比率(MAR)是混合器区域530的横截面积与初级喷嘴231的颈部的横截面积的比率。混合器区域530的横截面积可以垂直于流动方向。混合器长度比率 (MLR) 可以确定可用于初级流动流 202/420 和次级流动流 226 在混合器区域 530中混合并在进入扩散器 550 之前形成流场的体积。混合器长度比率 (MLR) 是混合器区域530的长度与混合器区域530的直径的比率。
在一个图示的实施例中，混合器区域530的面积对于混合器区域530的整个长度是恒定的。在一些实施例中，混合器区域530的面积对于混合器区域530的整个长度不是恒定的。混合器区域530可以在混合器进口处具有相互作用区520。相互作用区520可以在初级喷嘴出口平面522和混合器入口平面524之间。文丘里管或喷射器230可以具有混合器出口平面526。初级流动流202/420和再循环流动流226可以在混合器区域530中承受直到恒压平面528的恒压混合。恒压平面528的位置可以取决于燃料电池系统10/13的操作条件。在一些实施例中，混合器区域530中的混合区可以从混合器入口平面524延伸到恒压平面528的末端。在一些实施例中，混合器区域530中的压强恢复区可以从恒压平面528的末端延伸到混合器出口平面526。
气流的质量流率(m)可以是跨气流流过的文丘里管或喷射器230的不同部分的特征压强损失或压差(ΔP)的函数。如图3中所示，压强传感器263可用于确定跨元件(例如，燃料堆12、再循环泵或鼓风机220)的压差(ΔP)。计算的压差 (ΔP) 可用于确定初级流动流202/420 和再循环流动流 226 的流率。可基于气流中的压强 (P)、气流的温度（T）和气流的平均气体常数（R）来估计气流的密度 (ρ)。
从喷射器混合器区域530到扩散器550下游的文丘里管或喷射器230出口的温度和/或压强变化的放大可用于减少质量流量测量值的不确定性。喷射器混合器区域530中的温度(TMR)和/或压强(PMR)测量值可以在恒压混合区域中（即在恒压平面528之前）取得。
在一些实施例中，混合器区域530中的压强(PMR)和温度(TMR)与在扩散器550下游、在出口平面526处测量的压强(PC)和温度(TC)相比可以被放大。在其他实施例中，与在阳极歧管入口 404 处测量的压强 (P_AIM) 和温度 (T_AIM) 相比，混合器区域 530 中的压强(PMR) 和温度 (TMR) 可以被放大。
压差传感器267可用于测量混合器区域530与扩散器550下游区域之间的压差。在一些实施例中，两个绝对单点压强传感器265可用于测量混合器区域530和扩散器550下游区域之间的压差。
在一个实施例中，如果扩散器 550下游的压强 (PC) 约为 1.2 bara，并且文丘里管或喷射器 230 必须针对其进行工作的压强提升或通过 AGR 回路 224 的压强损失约为0.05 bara，则可以基于该压差估计质量流率。在一些实施例中，来自混合器区域530(PMR)和扩散器550下游区域(PC)的压差(ΔP)可以是大约0.19bara，其中混合器内的Ma值为约0.4。质量流量可以与该压差（ΔP）相关。使用相同的差压传感器，在这个压差 (ΔP) 更高的情况下，信噪比可能会显著提高，
PMR = PC – ΔP (11)。
在一个实施例中，温度传感器262可用于测量混合器区域530与扩散器550下游区域之间的温度差(ΔT)。质量流量可与该温度差(ΔT)相关。
压强传感器263、265、267和/或温度传感器262沿混合器区域530的混合器长度的位置是重要的考虑因素。初级流动流202/420可作为射流通过喷嘴出口平面522处的喷嘴出口引入。再循环流动流226可通过所述射流被汲取到文丘里管或喷射器230中。被汲取到射流中的再循环流动流226的量可取决于文丘里管或喷射器230的可逆夹带比率(RER)、几何形状和效率。
混合器区域530中的压强恢复效率可能倾向于低于扩散器550中的压强恢复效率。基于权衡选择混合器长度是重要的。在一些实施例中，在混合区较短的条件下，较短的混合器长度可能更好。在其他实施例中，当燃料电池系统10/13在对文丘里管或喷射器230的性能形成挑战的操作条件下运行时，压强和/或温度传感器可以放置在包括最高流量精度的位置处。在一些实施例中，压强和/或温度传感器可以沿着文丘里管或喷射器230的长度放置在任何地方，诸如相互作用区。在其他实施例中，压强和/或温度传感器可以优选地放置在混合器区域530中。
如果压强传感器263、265、267和/或温度传感器262位于混合器压强恢复区中，则信噪比可能会降级。当混合器区域530中的马赫数(Ma_MR)大于1时，可能存在冲击波。冲击波的存在可能使质量流感测方法复杂化。当混合器区域中的马赫数 (Ma_MR) 大于 1 时，文丘里管或喷射器 230 的能力通常更加足以递送所需的夹带比率(ER)。在一些实施例中，可以实施用于检测何时发生冲击波的方法。
在一些实施例中，可以实施多个传感器位置。压强传感器263、265、267和/或温度传感器262可以位于更接近混合器入口平面524定位并且可以在较低流量条件（即当混合器混合区长度较短时）下使用。在其他实施例中，当冲击波存在于混合器区域530的第一部分中时，可以使用下游压强和/或温度传感器。
压强传感器263、265、267和/或温度传感器262可用于估计混合器出口平面526处的质量流率，
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。ρMR 是混合器区域 530 中气流的密度。Vdot_MR 是混合器区域 530 中气流的体积流率。VMR是混合器区域 530 中气流的平均速度。A_MR 是混合器区域530的面积。混合器区域530的有效流动面积由C_D xA_MR给出。C_D 可以从查找表中确定。在一些实施例中，混合器区域530的有效流动面积可以接近于混合器区域530的面积(A_MR)。
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，R_UGS是通用气体常数。MW_AIM 是阳极入口歧管 404 或阳极入口 212 处气流的分子量。
在阳极入口歧管404或阳极入口212处的气流的分子量(MW_AIM)是：
(17)
y_H2_AIM是在阳极入口歧管404或阳极入口212处的气流中氢气的摩尔分数，MW_H2是氢气的分子量，并且MW_H2O是水的分子量。
可以使用可压缩气体关系来确定混合器区域530中气流的平均速度(vMR)。文丘里管或喷射器230的扩散器550的估计效率(ηDIFF)可用于提高混合器区域530中气流的平均速度(vMR)的估计精度。文丘里管或喷射器230的扩散器550的估计效率(ηDIFF)可以基于文丘里管或喷射器230的设计，
ηDIFF = f(混合器长度，扩散器设计，膨胀比，膨胀角，Ma_MR) (18)。
流过文丘里管或喷射器230的过程可以表示为两步过程。可能存在从混合器区域530 中的状态到虚构状态 C' 的等熵减速。可能存在从状态 C' 到扩散器出口或文丘里管或喷射器 230 出口处的状态的等焓膨胀。
可以测量混合器出口平面 526 处气流的温度 (TC) 和混合器区域 530 中气流的温度 (TMR) 以确定混合器区域530中气流的平均速度 (vMR)。处于虚构状态 C' 的气流的温度为 TC'，
混合器区域中的马赫数 (Ma_MR) 可能小于约 0.1，
。
可以测量混合器出口平面 526 处气流的压强(PC) 和混合器区域 530 中气流的压强 (PMR) 以确定温度比率(TRATIO = TC/TMR)
k可以基于扩散器550的效率来确定或校准。
扩散器550出口的面积与混合器区域530出口的面积的比率可用于确定气流的流率。扩散器550出口的面积与混合器区域530出口的面积的比率可以用作相关性的一部分，以提高气流流率估计的精度。
使用从喷射器混合器区域530到扩散器550下游的文丘里管或喷射器230出口的温度和/或压强变化的放大来确定质量流量测量值与使用温度来确定燃料电池系统10/13的不同部件（例如文丘里管或喷射器 230、再循环泵或鼓风机 220 或燃料电池堆 210）周围的能量平衡相比可以导致更低的不确定性。如果温度测量值的标准偏差 (σ_T) 约为 2.1°C，则使用燃料电池系统10/13的不同部件（例如文丘里管或喷射器 230、再循环泵或鼓风机220 或燃料电池堆 210）周围的能量平衡可以导致约60%的不确定性。
如果温度测量值的标准偏差 (σ_T) 为约 2.1°C，则使用从喷射器混合器区域530到扩散器550下游的文丘里管或喷射器230出口的温度和/或压强变化的放大以及燃料电池系统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)可以导致约15％的不确定性。如果直接使用从喷射器混合器区域530到扩散器550下游的文丘里管或喷射器230出口的温度和/或压强变化的放大来计算夹带比率(ER)，则不确定性可以是大约23％。
使用从喷射器混合器区域530到扩散器550下游的文丘里管或喷射器230出口的温度和/或压强变化的放大来确定质量流量测量值与使用燃料电池系统 10/13中的压强传感器来确定质量流率相比可以导致更小的不确定性。在一些实施例中，如果压强测量值的标准偏差（σ_P）是满量程的大约1%，则使用燃料电池系统10/13中的压强传感器来确定质量流率可以导致大约57%的不确定性。
在一个实施例中，如果压强测量值的标准偏差 (σ_P) 约为满量程的 1%，则使用从喷射器混合器区域530到燃料电池系统10/13的扩散器550下游的文丘里管或喷射器230出口的温度和/或压强变化的放大来确定质量流率可以将不确定性降低到约18％至约37％之内，包括其中包含的任何特定不确定性或范围。
如图3中所示，一个或多个声音传感器269可以用于将沿着文丘里管或喷射器230的长度的声音强度测量值与通过文丘里管或喷射器230的燃料流的流率相关。所述一个或多个声音传感器296可以用于感测沿文丘里管或喷射器230长度的压强振荡。所述一个或多个声音传感器269可用于感测沿文丘里管或喷射器230长度的压强振荡，可以是振动传感器或压电传感器。声音强度可能随频率而变化，并且可能取决于特定频率下压强振荡的变化。
在一个实施例中，所述一个或多个声音传感器269可用于将通过文丘里管或喷射器230的燃料流的质量流率与声音强度、作为频率函数的峰值强度的位置和/或一定频率范围内的平均强度相关。在一些实施例中，可以通过使用查找表来完成所述相关。
可以跨一定频率范围测量声音强度。频率可以是未过滤的或过滤的。例如，频率的范围可以从DC至约25KHz或从约DC至约100kHz，包括其中包含的任何特定频率或范围。
被处理的声音强度的范围可以从大约0dB到大约10dB、从大约10dB到大约20dB、从大约20dB到大约30dB、从大约30dB到大约40dB、或从40dB到大约 50 dB，包括其中包含的任何特定噪声强度或范围。
如果大约 0dB 对应于静止条件，10dB 对应于燃料流的流动开始，并且 50dB 对应于燃料流的最高流率，则燃料流的流率和声音强度之间的关系可以凭经验确定。在其他实施例中，对应于静止条件、燃料流的流动开始和燃料流的最高流率的声音强度可以不同，并且燃料流的流率和声音强度之间的关系可以凭经验确定。
本发明的以下描述的方面是预期的并且是非限制性的。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池系统。燃料电池系统包括控制器、第一流动流和第二流动流。第一流动流和第二流动流混合以形成第三流动流。第三流动流流过喷射器和燃料电池堆的阳极入口。喷射器包括各种部件，所述各种部件包括初级喷嘴、混合器区域和扩散器。控制器基于跨喷射器的部件之一的压强变化或温度变化将燃料电池系统的过量燃料比率与燃料电池系统的目标过量比率进行比较。
本发明的第二方面涉及一种确定燃料电池系统的过量燃料比率的方法。所述方法包括以下步骤：混合第一流动流和第二流动流以形成第三流动流，使第三流动流流过喷射器并流过燃料电池堆中的阳极入口，以及由控制器将燃料电池系统的过量燃料比率与燃料电池系统的目标过量燃料比率进行比较。喷射器包括各种部件，所述各种部件包括初级喷嘴、混合器区域和扩散器。所述比较基于跨喷射器的部件之一的压强变化或温度变化。
在本发明的第一和第二方面中，燃料电池系统还可以包括鼓风机、喷射器或旁通阀。在本发明的第一和第二方面中，控制器可以确定何时操作鼓风机和/或所述方法可以包括确定何时操作鼓风机，或者控制器可以基于过量燃料比率确定鼓风机速度和/或所述方法可以包括基于过量燃料比率确定鼓风机速度。在本发明的第一和第二方面中，控制器可以基于过量燃料比率确定旁通阀的操作和/或所述方法可以包括基于过量燃料比率确定旁通阀的操作。在本发明的第一和第二方面中，燃料电池系统可以至少包括第一喷射器和第二喷射器。控制器可基于过量燃料比率确定是操作第一喷射器、操作第二喷射器还是操作第一喷射器和第二喷射器两者和/或所述方法可包括基于过量燃料比率确定是操作第一喷射器、操作第二喷射器还是操作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中，混合器区域可以包括混合器长度。燃料电池系统还可包括沿混合器长度的至少一个物理或虚拟传感器。在本发明的第一和第二方面中，初级喷嘴可以在初级喷嘴出口处包括喷嘴出口平面。混合器区域可以包括在混合器区域入口处的混合器入口平面、在混合器区域出口处的混合器出口平面以及恒压平面的末端。喷射器可以包括从喷嘴出口平面到混合器入口平面延伸的相互作用区、从混合器入口平面到恒压平面的末端延伸的混合区、和从恒压平面的末端到混合器出口平面延伸的压强恢复区。
在本发明的第一和第二方面中，所述至少一个物理或虚拟传感器可以测量所述混合区中第三流动流的第一压强和扩散器出口处第三流动流的第二压强和/或所述方法可以包括确定所述混合区中第三流动流的第一压强和扩散器出口处第三流动流的第二压强。第一压强和第二压强可用于确定在阳极入口处第三流动流的质量流率和/或所述方法可以包括使用第一压强和第二压强确定在阳极入口处第三流动流的质量流率。第三流动流的质量流率可用于确定过量燃料比率。在本发明的第一和第二方面中，所述至少一个物理或虚拟传感器可以测量混合区中第三流动流的第一温度和扩散器出口处第三流动流的第二温度和/或所述方法可以包括确定混合区中第三流动流的第一温度和扩散器出口处第三流动流的第二温度。第一温度和第二温度可用于确定在阳极入口处第三流动流的质量流率和/或所述方法可以包括使用第一温度和第二温度确定在阳极入口处第三流动流的质量流率。第三流动流的质量流率可用于确定过量燃料比率。在本发明的第一和第二方面中，所述至少一个物理或虚拟传感器可以位于混合器入口平面附近并且可以在低流量条件下使用。
在本发明的第一和第二方面中，所述至少一个物理或虚拟传感器沿混合器长度的位置可以取决于燃料电池系统的操作条件和/或喷射器性能。在本发明的第一和第二方面中，燃料电池系统可以检测喷射器中冲击波的存在和/或所述方法还可以包括检测喷射器中冲击波的存在。所述至少一个物理或虚拟传感器可以位于混合器区域的下游并且可以在冲击波存在于混合器区域的开始处时被使用。在本发明的第一和第二方面中，所述至少一个物理或虚拟传感器可以确定声音强度和/或所述方法可以包括所述至少一个物理或虚拟传感器确定声音强度，所述至少一个物理或虚拟传感器可以确定峰值强度的位置或确定一定频率范围内的平均强度和/或所述方法可以包括所述至少一个物理或虚拟传感器确定峰值强度的位置或确定一定频率范围内的平均强度，并且所述控制器可以使用声音强度、峰值强度的位置或一定频率范围内的平均强度来确定第三流动流的质量流率和/或所述方法可以包括使用声音强度、峰值强度的位置或一定频率范围内的平均强度来确定第三流动流的质量流率。
在本发明的第一和第二方面中，燃料电池系统可以检测喷射器中冲击波的存在和/或所述方法还可以包括检测喷射器中冲击波的存在。在本发明的第一方面中，扩散器的出口面积和混合器区域的出口面积可用于确定阳极入口处第三流动流的质量流率。第三流动流的质量流率可用于确定过量燃料比率。在本发明的第二方面中，所述方法可以包括测量扩散器的出口面积和混合器区域的出口面积，并且使用扩散器的出口面积和混合器区域的出口面积来确定阳极入口处第三流动流的质量流率。第三流动流的质量流率用于确定过量燃料比率。
对上述实施例进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践所要求保护的内容，并且应当理解，在不背离权利要求的精神和范围的情况下，可以进行逻辑、机械和电气上的改变。因此，详细描述不应被理解为限制性的。
如本文所使用的，以单数形式叙述并以词“一”或“一个”开头的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明这种排除。
此外，对当前描述的主题的“一个实施例”的提及不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施例的存在。单位、测量值和/或值的指定数值范围包括以下内容、基本上由以下内容组成或由以下内容组成：所有数值、单位、测量值和/或包括这些范围和/或端点或在这些范围和/或端点内的范围，无论这些数值、单位、测量值和/或范围在本公开中是否明确规定。
除非另外定义，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。本文使用的术语“第一”、“第二”、“第三”等不表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开来。术语“或”和“和/或”意指是包括性的，并且意指所列项目之一或全部。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，除非明确相反地声明，实施例“包括”、“包含”或“具有”带有特定属性的一个或多个元件可以包括不带有该属性的附加的此类元件。术语“包括”或“包含”是指包括性的组合物、化合物、制剂或方法，且不排除附加元件、组分和/或方法步骤。术语“包括”还指包括性的本公开的组合物、化合物、制剂或方法实施例，并且不排除附加的元件、组分或方法步骤。短语“由……组成”或“由……构成”是指不存在任何附加元件、组分或方法步骤的化合物、组合物、制剂或方法。
术语“由……组成”还指不存在任何附加元件、组分或方法步骤的本公开的化合物、组合物、制剂或方法。短语“基本上由……组成”或“基本上由……构成”是指一种组合物、化合物、制剂或方法，其包括不会对该组合物、化合物、制剂或方法的（一个或多个）特性产生实质性影响的附加元件、组分或方法步骤。短语“基本上由……组成”还指本公开的一种组合物、化合物、制剂或方法，其包括不会对该组合物、化合物、制剂或方法步骤的（一个或多个）特性产生实质性影响的附加元件、组分或方法步骤。
如在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言可用于修饰可允许变化而不导致其相关的基本功能发生变化的任何定量表示。因此，由诸如“大约”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在一些情况下，近似语言可能对应于用于测量值的仪器的精度。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则此类范围已被识别并包括其中包含的所有子范围。
如本文所使用的，术语“可以”和“可能”表示以下各项的可能性：在一组情况内发生；占有规定的属性、特性或功能；和/或通过表达与限定的动词相关的能力、性能或可能性中的一个或多个来限定另一个动词。因此，“可以”和“可能”的使用表示被修饰的术语显然适于、有能力或适合指定的能力、功能或用途，同时考虑到在某些情况下，被修饰的术语有时可能是不适于的、非有能力的或不合适的。
应当理解，以上描述旨在是说明性的，而不是限制性的。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，在不偏离本文阐述的主题的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本文阐述的主题的教导。尽管本文描述的材料的尺寸和类型旨在定义所公开主题的参数，但它们绝不是限制性的并且是示例性实施例。在阅读以上描述后，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本文描述的主题的范围应当参照所附权利要求以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围来确定。
该书面描述使用示例来公开本文阐述的主题的若干实施例，包括最佳模式，并且还使本领域普通技术人员能够实践所公开主题的实施例，包括制作和使用所述装置或系统以及执行所述方法。本文描述的主题的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，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件，则此类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许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明真正精神内的所有这些修改和变化。

Claims (15)

1.一种燃料电池系统，包括：
控制器；
第一流动流和第二流动流，所述第一流动流和第二流动流混合以形成第三流动流；以及
第三流动流，流过喷射器和燃料电池堆的阳极入口，其中所述喷射器包括各种部件，所述各种部件包括初级喷嘴、混合器区域和扩散器；
其中所述控制器基于跨所述喷射器的各种部件之一的压强变化或温度变化将燃料电池系统的过量燃料比率与燃料电池系统的目标过量燃料比率进行比较。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述燃料电池系统还包括鼓风机、喷射器或旁通阀。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，控制器确定何时操作所述鼓风机或基于所述过量燃料比率确定所述鼓风机速度。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器基于所述过量燃料比率确定所述旁通阀的操作。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述燃料电池系统至少包括第一喷射器和第二喷射器，并且所述控制器基于所述过量燃料比率确定是操作第一喷射器、操作第二喷射器还是操作第一喷射器和第二喷射器两者。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述混合器区域包括混合器长度，并且其中所述燃料电池系统还包括沿所述混合器长度的至少一个物理或虚拟传感器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述初级喷嘴包括在初级喷嘴出口处的喷嘴出口平面，其中混合器区域包括在混合器区域入口处的混合器入口平面、在混合器区域出口处的混合器出口平面以及恒压平面的末端，并且其中所述喷射器包括从喷嘴出口平面到混合器入口平面延伸的相互作用区、从混合器入口平面到恒压平面延伸的混合区和从恒压平面到混合器出口平面延伸的压强恢复区。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个物理或虚拟传感器测量所述混合区中第三流动流的第一压强和扩散器出口处第三流动流的第二压强，并且其中第一压强和第二压强用于确定在阳极入口处第三流动流的质量流率，并且其中第三流动流的质量流率用于确定所述过量燃料比率。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个物理或虚拟传感器测量混合区中第三流动流的第一温度和扩散器出口处第三流动流的第二温度，并且其中第一温度和第二温度用于确定在阳极入口处第三流动流的质量流率，并且其中第三流动流的质量流率用于确定所述过量燃料比率。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述至少一个物理或虚拟传感器位于混合器入口平面附近并且在低流量条件下被使用。
11.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一个物理或虚拟传感器沿所述混合器长度的位置取决于所述燃料电池系统的操作条件和/或喷射器性能。
12.根据权利要求6所述的系统，其中所述燃料电池系统能够检测所述喷射器中冲击波的存在，并且其中所述至少一个物理或虚拟传感器位于所述混合器区域的下游并且在所述冲击波存在于混合器区域的开始处时被使用。
13.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个物理或虚拟传感器确定声音强度，确定峰值强度的位置或确定一定频率范围内的平均强度，并且其中所述控制器使用声音强度、峰值强度的位置或一定频率范围内的平均强度确定第三流动流的质量流率。
14.一种确定燃料电池系统的过量燃料比率的方法，包括：
混合第一流动流和第二流动流以形成第三流动流；
使第三流动流流过喷射器并流过燃料电池堆中的阳极入口，其中所述喷射器包括各种部件，所述各种部件包括初级喷嘴、混合器区域和扩散器；以及
由控制器将燃料电池系统的过量燃料比率与燃料电池系统的目标过量燃料比率进行比较，其中所述比较基于跨所述喷射器的所述各种部件之一的压强变化或温度变化。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述初级喷嘴包括位于初级喷嘴出口处的喷嘴出口平面，其中所述混合器区域包括在混合器区域入口处的混合器入口平面、在混合器区域出口处的混合器出口平面以及恒压平面的末端并且，并且其中所述喷射器包括从喷嘴出口平面到混合器入口平面延伸的相互作用区、从混合器入口平面到恒压平面的末端延伸的混合区和从恒压平面的末端到混合器出口平面延伸的压强恢复区，并且其中至少一个物理或虚拟传感器位于混合器入口平面附近并且在低流量条件下被使用。
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