[发明专利]使用汽车压力传感器的带通滤波的声音声速测量

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种用于检测和确定在燃料电池系统的阳极子系统中流动的气体成分的系统和方法，并且更具体地，涉及一种用于利用在所述阳极子系统中的两个或更多位置之间的滤波声学延迟检测和确定在燃料电池系统的阳极子系统中流动的气体成分的系统和方法。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且可以使用来在燃料电池中高效地产生电能。氢燃料电池是电化学设备，其包括在它们之间具有电解质的阳极和阴极。所述阳极接收氢气而所述阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到阴极。氢质子与在阴极中的氧气和电子反应以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此在被发送到阴极之前被引导通过负载以做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是用于车辆的受欢迎燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。所述阳极和阴极通常包括精细分割的催化剂颗粒，通常为铂（Pt），其支承在碳颗粒上并且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物以及膜的组合定义膜电极组件（MEA）。MEA制造相对昂贵并且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合为燃料电池堆以产生期望的电力。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常为由压缩机推动通过所述堆的空气流。不是所有的氧气都由所述堆消耗，并且一些空气被输出作为可能包括作为堆副产物的水的阴极废气。燃料电池堆还接收阳极输入氢气，其流进所述堆的阳极侧。

燃料电池堆通常包括定位在所述堆的若干个MEA之间的一系列双极板，其中所述双极板和MEA定位在两个端部板之间。双极板包括用于在所述堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气流通道提供在双极板的阳极侧上，其允许阳极反应气体流到相应MEA。阴极气流通道提供在双极板的阴极侧上，其允许阴极反应气体流到相应MEA。一个端部板包括阳极气流通道，而另一个端部板包括阴极气流通道。所述双极板和端部板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端部板将由所述燃料电池产生的电传导到堆外。双极板还包括冷却流体从其流过的流动通道。

MEA是可透过的并且因此允许在空气中的氮气由所述堆的阴极侧从其透过过并且收集在所述堆的阳极侧，在工业上称为氮气横穿。即使阳极侧压力可以比阴极侧压力稍微高点，阴极侧分压也将导致氧气和氮气透过所述膜。透过的氧气在存在阳极催化剂情况下发生反应，而透过的氮气在燃料电池堆的阳极侧中稀释氢气。如果氮气浓度增加到高于某个百分比，例如50%，那么燃料电池堆会变得不稳定并且会发生故障。

在现有技术中已知在燃料电池堆的阳极排气出口处提供排出阀以从所述堆的阳极侧去除氮气。在现有技术中还已知利用模型估算在阳极侧中的氮气的摩尔分数以确定什么时候执行阳极侧或阳极子系统的排出。然而，模型估算会包含误差，尤其当燃料电池系统的部件随时间发生退化时。如果阳极氮气摩尔分数估算显著比实际氮气摩尔分数更高，那么燃料电池系统将排出比必要的更多的阳极气体，即将浪费燃料。如果阳极氮气摩尔分数估算显著比实际氮气摩尔分数更低，那么系统将不能排出足够的阳极气体并且会使燃料电池反应剂不足，其会破坏在燃料电池堆中的电极。

如上面讨论，燃料电池系统的性能受到在阳极和阴极上进入堆的气体的成分的影响。在燃料电池的正常操作期间，来自阴极侧的氮气透过所述膜到阳极侧，其稀释燃料浓度。如果有太多的氮气或水在阳极侧中，电池电压会降低。虽然实验室传感器可以使用来测量实际燃料浓度水平，但是使用这些传感器测量在消费者产品的阳极子系统中的氢气浓度是不实际的。可以使用实验室等级的热传导传感器，但它们是大的并且昂贵的，并且会受到可能存在于阳极子系统中的液态水的破坏。还可以使用具有复位能力的基于扩散的模型。然而，这个方法周期性地净化足够的阳极气体来保证没有氮气存在于阳极子系统中，其会导致浪费氢气燃料。采用收发器的声学方法可以用来确定阳极气体的成分，但是，这要求声学信号足够强以克服背景噪声和液态水的作用。这个方法也会难以包装并且需要恰当的传感器空间。然而，第一和第二声学传感器是另一种方法，使用这个方法需要添加麦克风类型传感器，该类型传感器是附加部件，其需要提供源、开发、验证以及在燃料电池系统中的不提供其他优点的附加部分。因此，在本领域中需要以成本划算方式检测和确定在燃料电池系统的阳极子系统中的气体成分以控制在阳极子系统中的燃料浓度。

发明内容