本公开涉及一种检测燃料电池堆的阴极入口处的湿度的系统和方法，并且更具体地，涉及使用通用排气氧传感器来测量阴极入口处的湿度。
背景技术：
通常在车辆中使用的一种类型的燃料电池是质子交换膜(pem)燃料电池，其包括多个膜-电极界面，其中膜可以是定位在阳极与阴极之间的固体聚合物膜电解质。阳极和阴极连接到相应的集电器，具有用于进入和离开燃料电池的反应物的气体分布的开口。电池在加湿状态下操作以维持性能。例如，如果pem未充分加湿，则膜中的质子的电导率降低，这可能影响电池性能。此外，随着膜水合水平降低，内阻可能增加，从而降低输出电压并因此降低功率。另外，低湿度可能导致pem变干，这可能导致膜随时间的推移而劣化。另一方面，过高的湿度也可能通过抑制反应物扩散到催化剂位点而引起性能问题。该结果是在除水不充分的情况下由电极和气体通道的淹没引起的，从而降低了pem的效率和功率。
因此，pem燃料电池堆的阴极侧入口处的湿度水平对于燃料电池堆的整体操作是重要的。因此，通常在阴极入口处提供湿度传感器以测量湿度水平。控制pem的水平衡需要在接近100℃的温度和高达3巴的绝对压力(通常处于或接近饱和水平)进行准确的水浓度测量。常规的湿度感测技术通常不能满足恶劣环境下的需求。由于阴极入口处的湿度水平以及温度水平通常远超出正常环境水平，因此需要专门设计的仪表级湿度传感器，其远比常规的市售湿度传感器昂贵。
技术实现要素：
根据一个或多个实施例，一种燃料电池系统包括限定主体的质子交换膜(pem)燃料电池堆，所述主体包括冷却剂入口和冷却剂出口、对应于阴极的阴极入口和阴极出口、对应于阳极的阳极入口和阳极出口。所述燃料电池系统还包括：阴极加湿器，所述阴极加湿器流体地连接到所述阴极入口以向所述阴极入口提供经加湿的入口流；通用排气氧(uego)传感器，所述uego传感器定位在所述阴极入口的上游且在所述阴极加湿器的下游，并且被配置为测量所述经加湿的入口流的氧含量；以及控制器，所述控制器连接到所述阴极加湿器和所述uego传感器并且被配置为基于所述经加湿的入口流的所述氧含量操作所述阴极加湿器。
根据至少一个实施例，所述燃料电池系统还可以包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极加湿器以向所述阴极加湿器提供进气流，使得水蒸气被添加到所述进气流以形成离开所述阴极加湿器的所述经加湿的入口流。在另一个实施例中，所述阴极加湿器可以经由所述uego传感器上游的阀流体地连接到所述阴极入口，以控制所述经加湿的入口流到所述阴极的流量。在至少另一个实施例中，所述燃料电池系统还可以包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极入口并且在所述uego传感器和阴极加湿器上游提供进气流，使得从所述阴极加湿器将水蒸气流添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流。在另一个实施例中，所述阴极加湿器可以通过阀流体地连接到所述进气流，使得控制所述水蒸气流。在至少一个实施例中，所述燃料电池系统可以包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器两者都位于所述阴极加湿器的下游且在所述uego传感器的上游。
根据一个或多个实施例，一种车辆包括质子交换膜(pem)燃料电池堆，所述pem燃料电池堆被布置为向所述车辆提供电力并且限定主体，所述主体包括冷却剂入口和冷却剂出口、对应于阴极的阴极入口和阴极出口、对应于阳极的阳极入口和阳极出口。所述车辆还包括：阴极加湿器，所述阴极加湿器流体地连接到所述阴极入口以经由所述阴极入口向所述阴极提供经加湿的入口流；通用排气氧(uego)传感器，所述uego传感器在所述阴极加湿器的下游且在所述阴极入口的上游，以测量所述经加湿的入口流的氧含量；以及控制器，所述控制器连接到所述阴极加湿器和所述uego传感器。所述控制器被配置为基于从所述uego传感器提供的所述氧含量来确定所述经加湿的入口流的相对湿度，并且在所述相对湿度小于预定义阈值湿度时，操作所述阴极加湿器以增加所述相对湿度。
根据一个或多个实施例，所述车辆还可以包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极加湿器，使得水蒸气被添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流。在另一个实施例中，所述阴极加湿器可以经由所述uego传感器上游的阀流体地连接到所述阴极入口，使得所述控制器操作所述阀以控制所述经加湿的入口流到所述阴极的流量。在至少另一个实施例中，所述车辆可以包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极入口并且在所述uego传感器和阴极加湿器上游提供进气流，使得从所述阴极加湿器将水蒸气流添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流。在另一个实施例中，所述阴极加湿器可以通过阀流体地连接到所述进气流，使得所述控制器操作所述阀以控制被添加到所述进气流的所述水蒸气流。在一个或多个实施例中，所述车辆可以包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器都位于所述阴极加湿器的下游且在所述uego传感器的上游，所述温度传感器和所述压力传感器分别向所述控制器提供温度和压力数据以用于确定相对湿度。在至少一个实施例中，所述控制器还可以被配置为在所述相对湿度大于或等于所述预定义阈值湿度并小于最大湿度时，操作所述阴极加湿器以维持所述相对湿度。在又至少另一个实施例中，所述控制器还可以被配置为在所述相对湿度大于所述最大湿度时，操作所述阴极加湿器以将所述相对湿度降低到低于所述最大湿度。
根据一个或多个实施例，一种燃料电池系统包括限定主体的质子交换膜(pem)燃料电池堆，所述主体包括冷却剂入口和冷却剂出口、对应于阴极的阴极入口和阴极出口、对应于阳极的阳极入口和阳极出口。所述燃料电池系统还包括：阴极加湿器，所述阴极加湿器流体地连接到所述阴极入口以向所述阴极入口提供经加湿的入口流；通用排气氧(uego)传感器，所述uego传感器定位在所述阴极入口的上游且在所述阴极加湿器的下游，并且被配置为测量所述经加湿的入口流的氧含量；以及控制器，所述控制器连接到所述阴极加湿器和所述uego传感器。所述控制器被配置为基于所述经加湿的入口流的所述氧含量来操作所述阴极加湿器，使得在所述相对湿度小于预定义阈值湿度时，所述阴极加湿器增加所述相对湿度，并且在所述相对湿度大于或等于所述预定义阈值湿度并小于最大湿度时，所述阴极加湿器维持所述相对湿度。
根据至少一个实施例中，所述控制器还可以被配置为在所述相对湿度大于所述最大湿度时，操作所述阴极加湿器以将所述相对湿度降低到低于所述最大湿度。在一个或多个实施例中，所述燃料电池系统可以包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极加湿器以向所述阴极加湿器提供进气流，使得水蒸气被添加到所述进气流以形成离开所述阴极加湿器的所述经加湿的入口流。在另一个实施例中，所述阴极加湿器可以经由所述uego传感器上游的阀流体地连接到所述阴极入口，以控制所述经加湿的入口流到所述阴极的流量。在至少一个实施例中，所述燃料电池系统可以包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极入口并且在所述uego传感器和阴极加湿器上游提供进气流，其中所述阴极加湿器通过阀流体地连接到所述进气流，所述阀控制被添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流的水蒸气。在一个或多个实施例中，所述燃料电池系统还可以包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器两者都位于所述阴极加湿器的下游且在所述uego传感器的上游。
附图说明
图1是根据一个实施例的燃料电池系统的示意图；
图2是根据另一个实施例的燃料电池系统的示意图；
图3是根据一个实施例的操作燃料电池系统的方法的流程图；
图4是根据另一个实施例的操作燃料电池系统的方法的流程图；
图5是根据一个实施例的示出阴极入口处的h2o体积测量值在常规系统与燃料电池系统之间的比较的曲线图；
图6是根据一个实施例的示出阴极入口处的相对湿度在常规系统与燃料电池系统之间的比较的曲线图；以及
图7是根据一个实施例的示出阴极入口处的露点温度在常规系统与燃料电池系统之间的比较的曲线图。
具体实施方式
根据需要，本文中公开了本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅仅是可以各种形式和替代形式体现的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅应解释为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。
此外，除非另有明确指示之处，否则在描述本公开的更广范围时，本公开中的所有数值量应理解为由字词“约”修饰。在所陈述的数值极限内的实践通常是优选的。而且，除非明确相反地陈述，否则结合本公开将一组或一类材料描述为对于给定目的而言是合适或优选的暗示该组或该类中的任何两个或更多个成员的混合物可同样地是合适或优选的。此外，在所陈述的数值极限内的实践通常是优选的。
根据一个或多个实施例，提供了用于确定质子交换膜(pem)燃料电池堆的阴极入口处的湿度的系统和方法。燃料电池系统包括位于阴极入口处的通用排气氧(uego)传感器，用于测量进入阴极入口的流的氧含量。uego传感器在恶劣条件下测量氧含量。在测量氧含量时，可以确定阴极入口流的湿度水平。此外，控制器可以确定到阴极的入口流的湿度水平，并且基于所述湿度水平，操作阴极加湿器以调整所述流的相对湿度。因此，提供了直接测量湿度的替代方案。
当uego传感器在加湿过程中被水稀释时，其能够测量氧浓度水平。uego传感器已经被设计用于内燃发动机的排气管内部的氧测量(体积百分比)，并且因此，随着几乎所有汽油车辆以及许多柴油动力传动系统采用uego传感器作为发动机控制和后处理系统的一部分以满足排放要求，已经成功地反复考验了在恶劣条件下测量氧体积百分比。因此，通过测量阴极入口处的空气中的氧的稀释，可以使用与水蒸气的氧体积百分比相比减小的氧体积百分比来确定流的湿度水平，其准确度与常规的仪器级湿度传感器相当。
参考图1，根据一个实施例提供了燃料电池系统100。空气压缩机110获取空气111并向阴极加湿器120提供进气流112。阴极加湿器向进气流112提供水蒸气以增加进气流112的相对湿度，从而形成经加湿的入口流122。经加湿的入口流122被提供给质子交换膜(pem)燃料电池的燃料电池堆130。燃料电池堆130具有阴极侧132和与阴极侧相对的阳极侧134。电池堆130由壳体或可互换地由主体限定，并且包括冷却剂入口140和冷却剂出口145、阳极入口150和阳极出口155(用于诸如氢气的气体)以及阴极入口160和阴极出口165。阴极入口160从阴极加湿器120接收经加湿的入口流122。uego传感器170沿着经加湿的入口流122定位在阴极加湿器120与阴极入口160之间，以测量经加湿的入口流122中的空气的氧含量。经加湿的入口流122还可以包括介于阴极加湿器120与阴极入口160之间的其他传感器，诸如但不限于温度传感器172和压力传感器174。在图1的实施例中，进气流122被直接提供给阴极加湿器。燃料电池系统100还包括在阴极加湿器120的下游侧且在传感器170、172、174的上游的阀180。阀180控制经加湿的入口流122从阴极加湿器120到阴极入口160的流量，使得可以调整流的相对湿度。
在一个或多个实施例中，参考图1的实施例作为示例，控制器(未示出)可操作地连接到阀180，并且分别从uego传感器170、温度传感器172和压力传感器174接收输入。控制器被配置为根据来自uego传感器的氧测量值并通过使用经加湿的入口流122的温度和压力数据来确定相对湿度。确定相对湿度包括将氧含量转换为水含量(如下面由方程式1至方程式6所示)、测量经加湿的入口流的总压力以及计算加湿的入口流中的水的分压。根据所述分压，所述控制器通过使用经加湿的入口流的温度测量值除以饱和压力来确定相对湿度。另外，在某些实施例中，控制器被配置为将经加湿的入口流122的相对湿度与预定义阈值湿度水平进行比较。该预定义阈值湿度水平基于pem燃料堆130的健康操作，使得膜不会变干。如果经加湿的入口流122的相对湿度小于预定义阈值湿度水平，则控制器基于阴极加湿器120将水蒸气添加到进气流122而向阀180发信号以调整流量(即，增加流量)以增加经加湿的入口流122的湿度。这样，通过向进气流112添加水蒸气，可以形成更饱和的经加湿的入口流122以增加相对湿度。当相对湿度水平等于或大于预定义阈值湿度水平时，控制阀和阴极加湿器以将相对湿度水平维持在最大湿度水平以下。在相对湿度水平大于或等于最大湿度水平时，控制器操作阀和阴极加湿器以通过例如用干燥空气稀释经加湿的流来降低经加湿的流的相对湿度。
参考图2，根据另一个实施例提供了燃料电池系统200。空气压缩机210获取空气211并且提供进气流212。进气流212被提供给质子交换膜(pem)燃料电池的燃料电池堆230。燃料电池堆230具有阴极侧232和与阴极侧相对的阳极侧234。电池堆230由壳体或可互换地由主体限定，并且包括冷却剂入口240和冷却剂出口245、阳极入口250和阳极出口255(用于诸如氢气的气体)以及阴极入口260和阴极出口265。阴极入口260接收来自进气流212的空气。进气流212可以通过从阴极加湿器220添加的水蒸气来加湿。阴极加湿器220从干燥空气221水蒸气提供经加湿的空气流222以与进气流212组合以增加进气流212的相对湿度，从而在水蒸气添加点224下游形成经加湿的入口流214。uego传感器170沿着经加湿的入口流214定位在水蒸气添加点224与阴极入口260之间，以测量经加湿的入口流214中的空气的氧含量。经加湿的入口流214还可以包括位于水蒸气添加点224与阴极入口260之间的其他传感器，诸如但不限于温度传感器272和压力传感器274。在图2的实施例中，进气流212作为蒸气流提供在阴极入口260的上游。燃料电池系统200还包括位于阴极加湿器220与进气流212之间的阀280，使得阴极加湿器220可以经由水蒸气添加点224向进气流212提供水蒸气。水蒸气添加点224在传感器270、272、274的上游。阀280控制从阴极加湿器220到进气流212的水蒸气流，使得可以调整所述流的相对湿度以向阴极入口260提供经加湿的入口流214。
在一个或多个实施例中，参考图2的实施例作为另一个示例，控制器(未示出)可操作地连接到阀280，并且分别从uego传感器170、温度传感器172和压力传感器174接收输入。控制器被配置为根据来自uego传感器的氧测量值并通过使用经加湿的入口流122的温度和压力数据来确定相对湿度。确定相对湿度包括将氧含量转换为水含量(如下面由方程式1至方程式6所示)、测量经加湿的入口流的总压力以及计算加湿的入口流中的水的分压。根据所述分压，所述控制器通过使用经加湿的入口流的温度测量值除以饱和压力来确定相对湿度。另外，在某些实施例中，控制器被配置为将经加湿的入口流214的相对湿度与预定义阈值湿度水平进行比较。该预定义阈值湿度水平基于pem燃料堆230的健康操作，使得膜不会变干。如果经加湿的入口流214的相对湿度小于预定义阈值湿度水平，则控制器向阀280发信号以调整向进气流212的水蒸气的流量(即，增加流量)以增加经加湿的入口流214的湿度。这样，通过向进气流212添加水蒸气，可以在水蒸气添加点224的下游形成更饱和的经加湿的入口流214以增加阴极入口260处提供的相对湿度。当相对湿度水平等于或大于预定义阈值湿度水平时，控制阀280和阴极加湿器220以将相对湿度水平维持在最大湿度水平以下，并且在一些实施例中可以提供连续的蒸气流，在其他实施例中可以提供可变流，或在又其他实施例中可以停止水蒸气流。在相对湿度水平大于或等于最大湿度水平时，控制器操作阀280以通过例如关闭阀280以防止水蒸气被添加到进气流212来降低经加湿的流的相对湿度，或者在其他实施例中，减少通过阀280的水蒸气流量，以向阴极入口260提供不太湿润的流。
参考图3，提供了操作燃料电池系统的方法300。在步骤310处，操作燃料电池堆以向车辆提供推进力。在步骤320处，uego传感器测量进入燃料电池堆的经加湿空气在阴极入口处的氧含量、温度和压力。然后在步骤330处，通过例如控制器将氧含量转换为h2o含量。此外，控制器计算h2o的分压以确定阴极入口处的相对湿度。在步骤340处，将相对湿度与预定义阈值湿度进行比较。如果在框350处，相对湿度等于或高于预定义阈值，则在步骤360处维持系统的工况(即，操作阴极加湿器以将相对湿度维持在预定义阈值以上)。如果相对湿度小于预定义阈值湿度，则在步骤370处，控制器操作阴极加湿器和阀以调整经加湿的入口流的相对湿度，直到满足步骤350为止。
在一个或多个实施例中，如图4所示，提供了操作燃料电池系统的方法400。在步骤310处，操作燃料电池堆以向车辆提供推进力。步骤410至440与图3中的步骤类似。在步骤440处，将相对湿度与预定义阈值湿度和最大湿度进行比较。在框450处，如果相对湿度等于或高于预定义阈值并低于最大湿度，则在步骤460处维持系统的工况(即，操作阴极加湿器以将相对湿度维持在预定义阈值以上)。如果相对湿度小于预定义阈值湿度，则在步骤470处，控制器操作阴极加湿器和阀以调整经加湿的入口流的相对湿度，直到满足步骤450为止。类似地，如果相对湿度高于最大湿度，则在步骤470处，控制器操作阴极加湿器和阀以调整经加湿的入口流的相对湿度，直到满足步骤450为止。因此，可以实现健康的燃料堆操作以延长pem膜的循环寿命。
uego传感器在阴极入口处的特定放置提供了氧含量到相对湿度的准确转换。干燥的大气包括大约20.95％的氧气，其余部分是大约79.05％的氮气、氩气和另外的微量气体物质的混合物。空气的这种组成不随压力和温度而变化，这表明它在任何地方都保持有适合吸入的大气，这是pem燃料电池堆操作的条件。此外，该比率的空气成分即使在较高压力下诸如在空气已经被空气压缩机压缩之后也保持不变，并且在升高的温度如在燃料电池系统的入口流中也保持不变。在一个或多个实施例中，当水蒸气(或可互换地，水蒸气)是唯一的附加组分并且经由阴极加湿器添加到空气流中时，空气的组成改变，而氧气与氮气(加上干燥的剩余物)的比率保持不变。因此，阴极入口流中的氧含量将仅随着添加更多的水蒸气而减少。由于uego传感器已经被专门设计用于测量0％与25％之间的氧浓度，并且由于没有涉及其他因素，因此该测量方法的准确度由uego传感器的规格定义，并且因此与常规的专用湿度传感器进行的测量相当，如下文在实验结果中所示。由于uego传感器测量氧分压，因此氧测量将需要压力修正系数，传感器供应商提供了针对所述压力修正系数的压力修正曲线。
因为这种从氧含量到相对湿度的转换仅在大气与单一附加水蒸气组分混合时才有效，所以uego传感器不能放置在大气成分被化学反应改变的位置，诸如在电池堆的阴极出口侧，或在ic发动机的排气管内。
具体地，阴极入口处的氧含量可以用于确定入口流的相对湿度，并且使用阴极加湿器进一步调整湿度，这是因为仅将水蒸气添加到空气中，从而限制变量并允许应用向相对湿度的转换。可以使用方程式1利用由uego传感器测量的氧含量来确定阴极入口处的流的水蒸气含量：
其中o2是干燥空气的部分，并且等于大约0.2095；r是干燥时除o2之外的其余空气，并且等于大约0.7905；并且h2o是干燥空气的所添加的水蒸气含量。o2f是湿润时的o2部分(≤0.2095)，其是由uego传感器提供的测量值。使用已知的空气组成，方程式1可以简化为方程式2：
在针对h2o求解方程式2后，方程式3提供干燥空气的所添加的蒸气含量：
最后，为了确定h2of，即湿润(经加湿)时的水蒸气部分(即，相对湿度)，方程式4由方程式3替换并简化为方程式5：
因此，针对相对湿度h2of简化的方程式5是方程式6，其可以由控制器用于使用来自uego传感器的氧含量测量值来确定阴极入口处的相对湿度：
实验结果
为位于燃料电池堆的阴极入口处的uego传感器安装了18mm传感器凸台。用于这些测试的uego传感器是来自ntk的可商购获得的zfas-u3(零件号hs7a-9y460-bb)氧传感器。ntk还提供传感器控制器，所述传感器控制器被校准以提供氧浓度作为其输出。为了进行比较，在与阴极入口处的uego传感器邻近的位置处还采用了常规的单探针vaisala湿度传感器(hmt310)(下文称为vaisala)。来自vaisala的输出测量露点温度以与uego传感器的输出相关。在获得来自氧传感器(相对氧浓度)和常规vaisala湿度传感器(露点)的数据之后，适当的转换使得可以针对以下三个变量进行比较：(1)h2o体积百分比；(2)相对湿度；以及(3)露点温度。单独地，独立地记录局部压力和温度以用于根据需要在上述三个值之间进行转换。
图5示出了在阴极入口处在uego传感器与常规vaisala传感器之间的h2o体积百分比比较。最初，uego传感器在实验室中在具有经校准的质量流量控制器的流量台中使用来自airgas的n2和o2的纯气体进行校准。如前所述，将原始传感器输出(泵送电流)转换为o2体积百分比需要根据uego传感器提供的压力曲线进行额外的压力修正。这种修正广泛用于ic发动机的排气管中的传感器结合发动机控制模块的应用。最后，使用上述转换过程将经校正的o2浓度转换为h2o百分比。对于vaisala传感器，为了将露点温度(传感器输出)转换为h2o体积百分比，从露点温度计算露点压力，然后除以总(局部)压力。用于示例的驾驶循环是城市测功机驾驶时间表(udds)，并且图5中示出从开始的从大约350秒至600秒的仅250秒的持续时间。
图6示出了在阴极入口处在uego传感器与常规vaisala传感器之间的相对湿度比较。通过将总压力乘以h2o体积百分比，然后除以根据局部温度计算的饱和蒸气压来计算uego传感器的分压。vaisala传感器的分压是如上计算的露点压力除以对应于局部温度的饱和压力。
图7示出了在阴极入口处在uego传感器与常规vaisala传感器之间的露点温度比较。对于uego传感器，使用分压(上面所计算的)与露点压力来转换露点温度，以计算露点温度。vaisala传感器直接输出露点温度值。
如图所示，uego传感器可以提供与vaisala传感器类似的结果，作为能够承受比vaisala传感器更恶劣条件的更便宜的选择。uego传感器已经长时间成功地用于恶劣环境下的氧气体积百分比测量，并且为此目的具有经证明的跟踪记录。我们已经表明，通过简单的数值转换，uego传感器可以用于准确地确定sofc电池堆的阴极入口处的水蒸气百分比，并且在没有任何附加软件或硬件的情况下可容易地实现计算相对湿度或露点温度。
由于如图5至图7中所示并在下文所述的全部三个湿度变量与给定的局部温度和压力紧密相关，因此在该示例中一个变量的良好相关性始终是剩余两个湿度值的紧密匹配的良好指示。因此，uego传感器测量值呈现出与vaisala值很好地相关，如图5至图7所示。应当注意，曲线图示出了来自uego传感器的测量值通常更尖锐并且在峰值处具有更大的量值，这是因为uego传感器的响应时间比vaisala的响应时间短得多。总的来说，uego在燃料电池堆阴极入口处的使用已被很好地证明以用于未来的应用。
因此，提供了在阴极入口处包括uego传感器的车辆燃料电池系统。uego传感器可以承受燃料电池系统内的更恶劣条件，并且提供入口流在阴极入口处的氧含量以确定所述流的相对湿度。阴极加湿器可以基于uego传感器的测量值和控制器来调整入口流的湿度，以增强燃料堆的性能并确保pem膜的健康。因此，可以在阴极入口处使用当与常规的直接湿度传感器相比时更便宜且更耐用的传感器来监测入口流湿度。
虽然上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中所使用的字词为描述性而非限制性的字词，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可将各种实施的实施例的特征进行组合，以形成本发明的另外的实施例。
根据本发明，提供了一种燃料电池系统，其具有：质子交换膜(pem)燃料电池堆，所述pem燃料电池堆限定主体，所述主体包括冷却剂入口和冷却剂出口、对应于阴极的阴极入口和阴极出口、对应于阳极的阳极入口和阳极出口；阴极加湿器，所述阴极加湿器流体地连接到所述阴极入口以向所述阴极入口提供经加湿的入口流；通用排气氧(uego)传感器，所述uego传感器定位在所述阴极入口的上游且在所述阴极加湿器的下游，并且被配置为测量所述经加湿的入口流的氧含量；以及控制器，所述控制器连接到所述阴极加湿器和所述uego传感器并且被配置为基于所述经加湿的入口流的所述氧含量操作所述阴极加湿器。
根据一个实施例，本发明的特征还在于空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极加湿器以向所述阴极加湿器提供进气流，使得水蒸气被添加到所述进气流以形成离开所述阴极加湿器的所述经加湿的入口流。
根据一个实施例，所述阴极加湿器经由所述uego传感器上游的阀流体地连接到所述阴极入口，以控制所述经加湿的入口流到所述阴极的流量。
根据一个实施例，本发明的特征还在于空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极入口并且在所述uego传感器和阴极加湿器上游提供进气流，使得从所述阴极加湿器将水蒸气流添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流。
根据一个实施例，所述阴极加湿器通过阀流体地连接到所述进气流，使得控制所述水蒸气流。
根据一个实施例，本发明的特征还在于温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器两者都位于所述阴极加湿器的下游且在所述uego传感器的上游。
根据本发明，提供了一种车辆，其具有：质子交换膜(pem)燃料电池堆，所述pem燃料电池堆被布置为向所述车辆提供电力并且限定主体，所述主体包括冷却剂入口和冷却剂出口、对应于阴极的阴极入口和阴极出口、对应于阳极的阳极入口和阳极出口；阴极加湿器，所述阴极加湿器流体地连接到所述阴极入口以经由所述阴极入口向所述阴极提供经加湿的入口流；通用排气氧(uego)传感器，所述uego传感器在所述阴极加湿器的下游且在所述阴极入口的上游，以测量所述经加湿的入口流的氧含量；以及控制器，所述控制器连接到所述阴极加湿器和所述uego传感器并且被配置为基于从所述uego传感器提供的所述氧含量来确定所述经加湿的入口流的相对湿度，并且在所述相对湿度小于预定义阈值湿度时，操作所述阴极加湿器以增加所述相对湿度。
根据一个实施例，本发明的特征还在于空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极加湿器，使得水蒸气被添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流。
根据一个实施例，所述阴极加湿器经由所述uego传感器上游的阀流体地连接到所述阴极入口，使得所述控制器操作所述阀以控制所述经加湿的入口流到所述阴极的流量。
根据一个实施例，本发明的特征还在于空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极入口并且在所述uego传感器和阴极加湿器上游提供进气流，使得从所述阴极加湿器将水蒸气流添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流。
根据一个实施例，所述阴极加湿器通过阀流体地连接到所述进气流，使得所述控制器操作所述阀以控制所述水蒸气流。
根据一个实施例，所述燃料电池系统包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器都位于所述阴极加湿器的下游且在所述uego传感器的上游，所述温度传感器和所述压力传感器分别向所述控制器提供温度和压力数据以用于确定相对湿度。
根据一个实施例，所述控制器还被配置为在所述相对湿度大于或等于所述预定义阈值湿度并小于最大湿度时，操作所述阴极加湿器以维持所述相对湿度。
根据一个实施例，所述控制器还被配置为在所述相对湿度大于所述最大湿度时，操作所述阴极加湿器以将所述相对湿度降低到低于所述最大湿度。
根据本发明，提供了一种燃料电池系统，其具有：质子交换膜(pem)燃料电池堆，所述pem燃料电池堆限定主体，所述主体包括冷却剂入口和冷却剂出口、对应于阴极的阴极入口和阴极出口、对应于阳极的阳极入口和阳极出口；阴极加湿器，所述阴极加湿器流体地连接到所述阴极入口以向所述阴极入口提供经加湿的入口流；通用排气氧(uego)传感器，所述uego传感器定位在所述阴极入口的上游且在所述阴极加湿器的下游，并且被配置为测量所述经加湿的入口流的氧含量；以及控制器，所述控制器连接到所述阴极加湿器和所述uego传感器并且被配置为基于所述经加湿的入口流的所述氧含量操作所述阴极加湿器，使得在所述相对湿度小于预定义阈值湿度时，所述阴极加湿器增加所述相对湿度，并且在所述相对湿度大于或等于所述预定义阈值湿度并小于最大湿度时，所述阴极加湿器维持所述相对湿度。
根据一个实施例，所述控制器还被配置为在所述相对湿度大于所述最大湿度时，操作所述阴极加湿器以将所述相对湿度降低到低于所述最大湿度。
根据一个实施例，本发明的特征还在于空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极加湿器以向所述阴极加湿器提供进气流，使得水蒸气被添加到所述进气流以形成离开所述阴极加湿器的所述经加湿的入口流。
根据一个实施例，所述阴极加湿器经由所述uego传感器上游的阀流体地连接到所述阴极入口，以控制所述经加湿的入口流到所述阴极的流量。
根据一个实施例，本发明的特征还在于空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极入口并且在所述uego传感器和阴极加湿器上游提供进气流，其中所述阴极加湿器通过阀流体地连接到所述进气流，所述阀控制被添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流的水蒸气流。
根据一个实施例，本发明的特征还在于温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器两者都位于所述阴极加湿器的下游且在所述uego传感器的上游。
1.一种燃料电池系统，其包括：
质子交换膜(pem)燃料电池堆，所述pem燃料电池堆限定主体，所述主体包括冷却剂入口和冷却剂出口、对应于阴极的阴极入口和阴极出口、对应于阳极的阳极入口和阳极出口；
阴极加湿器，所述阴极加湿器流体地连接到所述阴极入口以向所述阴极入口提供经加湿的入口流；
通用排气氧(uego)传感器，所述uego传感器定位在所述阴极入口的上游且在所述阴极加湿器的下游，并且被配置为测量所述经加湿的入口流的氧含量；以及
控制器，所述控制器连接到所述阴极加湿器和所述uego传感器并且被配置为基于所述经加湿的入口流的所述氧含量操作所述阴极加湿器。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极加湿器以向所述阴极加湿器提供进气流，使得水蒸气被添加到所述进气流以形成离开所述阴极加湿器的所述经加湿的入口流。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中所述阴极加湿器经由所述uego传感器上游的阀流体地连接到所述阴极入口，以控制所述经加湿的入口流到所述阴极的流量。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极入口并且在所述uego传感器和所述阴极加湿器上游提供进气流，使得从所述阴极加湿器将水蒸气流添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述阴极加湿器通过阀流体地连接到所述进气流，使得控制所述水蒸气流。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器两者都位于所述阴极加湿器的下游且在所述uego传感器的上游。
7.一种车辆，其包括：
质子交换膜(pem)燃料电池堆，所述pem燃料电池堆被布置为向所述车辆提供电力并且限定主体，所述主体包括冷却剂入口和冷却剂出口、对应于阴极的阴极入口和阴极出口、对应于阳极的阳极入口和阳极出口；
阴极加湿器，所述阴极加湿器流体地连接到所述阴极入口以经由所述阴极入口向所述阴极提供经加湿的入口流；
通用排气氧(uego)传感器，所述uego传感器在所述阴极加湿器的下游且在所述阴极入口的上游，以测量所述经加湿的入口流的氧含量；以及
控制器，所述控制器连接到所述阴极加湿器和所述uego传感器并且被配置为
基于从所述uego传感器提供的所述氧含量来确定所述经加湿的入口流的相对湿度，并且
在所述相对湿度小于预定义阈值湿度时，操作所述阴极加湿器以增加所述相对湿度。
8.如权利要求7所述的车辆，其还包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极加湿器，使得水蒸气被添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流。
9.如权利要求8所述的车辆，其中所述阴极加湿器经由所述uego传感器上游的阀流体地连接到所述阴极入口，使得所述控制器操作所述阀以控制所述经加湿的入口流到所述阴极的流量。
10.如权利要求7所述的车辆，其还包括空气压缩机，所述空气压缩机流体地连接到所述阴极入口并且在所述uego传感器和所述阴极加湿器上游提供进气流，使得从所述阴极加湿器将水蒸气流添加到所述进气流以形成所述经加湿的入口流。
11.如权利要求10所述的车辆，其中所述阴极加湿器通过阀流体地连接到所述进气流，使得所述控制器操作所述阀以控制所述水蒸气流。
12.如权利要求7所述的车辆，其中所述燃料电池系统包括温度传感器和压力传感器，所述温度传感器和所述压力传感器都位于所述阴极加湿器的下游且在所述uego传感器的上游，所述温度传感器和所述压力传感器分别向所述控制器提供温度和压力数据以用于确定相对湿度。
13.如权利要求7所述的车辆，其中所述控制器还被配置为在所述相对湿度大于或等于所述预定义阈值湿度并小于最大湿度时，操作所述阴极加湿器以维持所述相对湿度。
14.如权利要求13所述的车辆，其中所述控制器还被配置为在所述相对湿度大于所述最大湿度时，操作所述阴极加湿器以将所述相对湿度降低到低于所述最大湿度。
技术总结