专利名称：使用氢传感器检测氢存储系统压力调节器故障的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及从压力调节器泄漏的氢气的检测，更特别地，涉及用来检测从用于燃料电池的氢存储系统中的压力调节器泄漏的氢的方法和系统，所述燃料电池将压力调节器的大气基准口(atmospheric reference port)连接至现有通向环境的氢传感器(existing open-environment hydrogen sensor),从而提供用于调节器的大气基准压力信号和直接检测从调节器的氢气泄漏的装置。
背景技术：
预计不久的将来，燃料电池车辆会在汽车市场上快速流行起来。燃料电池车辆提供若干期望特征，例如实质无污染的排放和避免车辆使用石油燃料。燃料电池车辆的关键部件是氢存储系统，该系统存储用作大多燃料电池车辆的燃料的氢。氢存储系统通常由用来存储气态氢的一个或多个互连的压力容器、以及多个阀、仪表和氢存储系统操作必需的 配件组成。在适应封装限制和满足规章要求的同时，在设计用于燃料电池车辆的氢存储系统中，关键要考虑的是最大化车辆行驶范围。燃料电池需要在规定压力下的可靠氢气源。使用一个或多个压力调节器将氢气从其存储在容器内的高压降低至燃料电池需要的较低规定压力。尽管很少，但是压力调节器可能产生泄漏，这会使氢气通过非预计的通道流入环境中。由于排气流的稀释和其它原因，排气流中存在的氢传感器可能无法可靠地检测意外氢气的存在。需要一种检测从氢存储系统中的压力传感器可能泄漏的氢气的可靠装置。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种使用现有的通向环境的氢传感器来检测从压力调节器的大气基准口泄漏的氢的方法和系统。氢存储系统中一个或多个压力调节器的大气基准口延伸管道行经氢传感器，该氢传感器已经被用于监测氢存储系统周围空气中存在的氢气。在该配置中，通向环境的氢传感器可在压力调节器产生内部泄漏事件中快速可靠地检测从压力调节器之一的大气基准口流出的氢气。本发明提供下列技术方案。技术方案I :一种气体存储系统，包括
一个或多个存储容器，其含有处于升高压力的气体；
一个或多个压力调节器，用于将所述气体的压力从所述升高压力降低至所述气体被下游装置使用时所处的更低压力；
第一气体传感器，用于检测所述存储容器附近的大气中所述气体的升高的浓度；
延伸管道，其具有连接至所述一个或多个压力调节器的大气基准口的第一端和通向大气的足够接近所述第一气体传感器的第二端，使得所述第一气体传感器能检测任意从所述延伸管道流出的所述气体；以及
控制器，用于监测所述气体存储系统中的状况和控制所述气体存储系统的操作，所述控制器与所述第一气体传感器电子通信，并且配置成如果所述第一气体传感器检测到所述气体的升高浓度就采取动作。技术方案2 :如技术方案I的气体存储系统，其中所述动作包括下列中的一个或多个发送警告，发起对策，和关闭所述气体存储系统。技术方案3 :如技术方案I的气体存储系统，其中所述控制器配置成区分存在于所述存储容器附近的大气中的气体与从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏的气体。技术方案4 :如技术方案3的气体存储系统，其中所述控制器使用气体浓度增加率来区分存在于所述存储容器附近的大气中的气体与从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏的气体。技术方案5 :如技术方案4的气体存储系统,其中所述动作包括在所述控制器中存储诊断故障代码(DTC)，该代码指示所述气体存在于所述存储容器附近的大气中还是所述气体从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏。 技术方案6 :如技术方案3的气体存储系统，还包括用于检测在所述存储容器附近的大气中所述气体的升高浓度的第二气体传感器，所述第二气体传感器距所述延伸管道的第二端不够近，无法检测任意从所述延伸管道流出的所述气体。技术方案7 :如技术方案6的气体存储系统，其中所述控制器使用第一与第二气体传感器处的气体浓度之间的差别来区分存在于所述存储容器附近的大气中的气体与从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏的气体。技术方案8 :如技术方案7的气体存储系统，其中所述动作包括在所述控制器中存储诊断故障代码(DTC)，该代码指示所述气体存在于所述存储容器附近的大气中还是所述气体从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏。技术方案9 :如技术方案I的气体存储系统，其中所述气体存储系统为氢存储系统，所述下游装置为燃料电池。技术方案10 :如技术方案9的气体存储系统，其中所述氢存储系统和所述燃料电池用在车辆中。技术方案11 :一种氢存储系统，包括
一个或多个存储容器，其含有处于升高压力的氢气；
一个或多个压力调节器，用于将所述氢气的压力从所述升高压力降低至所述氢气被燃料电池使用时所处的更低压力；
第一氢传感器，用于检测所述存储容器附近的大气中所述氢气的升高的浓度；
延伸管道，其具有连接至所述一个或多个压力调节器的大气基准口的第一端和通向大气的足够接近所述第一氢传感器的第二端，使得所述第一氢传感器能检测任意从所述延伸管道流出的所述氢气；
第二氢传感器，用于检测在所述存储容器附近的大气中所述氢气的升高浓度，所述第二氢传感器距所述延伸管道的第二端不够近，无法检测任意从所述延伸管道流出的所述氢气；以及
控制器，用于监测所述氢存储系统中的状况和控制所述氢存储系统的操作，所述控制器与所述第一和第二氢传感器电子通信。
技术方案12 :如技术方案11的氢存储系统，其中所述控制器配置成如果所述第一或第二氢传感器检测到所述氢气的升高浓度就会采取动作，其中所述动作包括下列中的一个或多个发送警告，发起对策，和关闭所述氢存储系统。技术方案13 :如技术方案11的氢存储系统，其中所述控制器配置成区分存在于所述存储容器附近的大气中的氢气与从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏的氢气。技术方案14 :如技术方案13的氢存储系统，其中所述控制器使用氢气浓度增加率来区分存在于所述存储容器附近的大气中的氢气与从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏的氢气。技术方案15 :如技术方案13的氢存储系统，其中所述控制器使用第一与第二氢传感器处的氢气浓度之间的差别来区分存在于所述存储容器附近的大气中的氢气与从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏的氢气。 技术方案16 :—种用来检测从用于燃料电池的氢存储系统的氢泄漏的方法，所述方法包括
将延伸管道从所述氢存储系统中的一个或多个压力调节器的大气基准口引向第一通向环境的氢传感器，使得所述第一通向环境的氢传感器能检测从所述延伸管道流出的氢气;
监测状态，以通过所述第一氢传感器检测氢气的升高浓度；
评估氢浓度参数，以通过检测氢气的升高浓度来确定所述氢泄漏的源；以及 基于所述氢浓度参数采取适当的动作。技术方案17 :如技术方案16的方法，其中评估氢浓度参数包括评估浓度增加率。技术方案18 :如技术方案16的方法，其中评估氢浓度参数包括将所述第一通向环境的氢传感器处的氢浓度与第二通向环境的氢传感器处的氢浓度作比较，所述第二通向环境的氢传感器距所述延伸管道的开口端不够近，无法检测从所述延伸管道流出的氢气。技术方案19 :如技术方案16的方法，其中采取适当的动作包括下列中的一个或多个发送警告，发起对策，和关闭所述氢存储系统和燃料电池。技术方案20 :如技术方案16的方法，其中所述氢存储系统和所述燃料电池用在车辆中。结合附图，从下面的描述和所附权利要求可清楚本发明的其它特征。
图I为用于燃料电池的典型氢存储系统的示意 图2为压力调节器的简图，示出了包括大气基准口的主要操作元件；
图3为用于燃料电池的氢存储系统的示意图，所述燃料电池将压力调节器的大气基准口连接至现有的通向环境的氢传感器；以及
图4为用于使用通向环境的氢传感器检测从压力调节器的大气基准口泄漏的氢的方法的流程图。
具体实施方式
下面涉及使用氢传感器检测氢存储系统压力调节器故障的本发明实施例的描述实质上仅仅是示例性的，并不意欲以任何方式限制本发明或其应用或使用。例如，所公开的方法和系统对用于燃料电池车辆的氢存储系统具有特定应用，但是也可应用于氢泄漏或者从任意气体存储或气体操作系统中的压力调节器的任何其它气体的泄漏的检测。燃料电池可设计成使用许多种燃料，但是为大多汽车应用开发的燃料电池使用氢气作为燃料。这种燃料电池需要可靠的氢气源，通常由氢存储系统提供。图I为用于燃料电池130的典型氢存储系统100的示意图。压力容器102存储处于高压的氢气。在氢存储系统100中可使用比图示的三个更多或更少的压力容器102。压力传感器104测量充注管106处的压力，该充注管106用于从外部供给(未示出)填充容器102。各压力容器102的紧下游都设置有关闭阀108。在整个本公开中使用的术语“上游”和“下游”是相对于从压力容器102到燃料电池130并超过的流向而言。压力传感器110测量关闭阀108与压力调节器112之间的氢压力。压力调节器112用于将氢气压力从容器102的高压降低至更接近燃料电池130所需压力的较低压力。 压力传感器114测量在调节器112下游且在关闭阀116上游的氢压力。关闭阀116可关闭，以将氢存储系统100与燃料电池130完全隔绝。第二压力调节器118用于将氢气压力降低至燃料电池130所需的较低压力。燃料供给管路120将氢存储系统100连接至燃料电池130。压力调节器112和118每个都具有大气基准口，其功能在下面详细描述。压力调节器112和118的大气基准口(ARP)连接至ARP管路122，也在下面描述。控制器124监测氢存储系统100内的状况并控制其操作。为简便起见，省略燃料电池130的部件的细节，例如与说明不相关的氢存储系统100的各种过滤器、止回阀、安全阀和其它部件。废气从燃料电池130通过排放管路132流向扩散器134。氢传感器136位于排放管路与扩散器交界处的附近，在这里传感器136可检测废气中任何超过浓度的氢气。来自燃料电池130的废气于管路138流出扩散器134至环境。氢传感器140位于氢存储系统100内或附近某处，例如在具有容器102的隔间。氢传感器140未连接至任何其它管道装置，反而能够检测开放环境中的氢气，例如在容器102之一或者氢存储系统100中的任意配件或阀存在泄漏的情况下可能存在的氢气。控制器124与压力传感器104、110和114、关闭阀108和116、压力调节器112和118、以及氢传感器136和140通信。在典型的氢存储系统设计中，如果氢气的浓度超过第一阈值，例如2%，那么氢传感器(例如氢传感器140)会触发警告，以及如果氢气的浓度超过第二阈值，例如4%，则会触发警报。控制器124可编程为在来自传感器136或传感器140的氢气警报中关掉关闭阀108和116并关闭燃料电池130。控制器124也可采取其它动作，例如向车辆的驾驶员发送警告，和/或记录表示已经检测到不一般高的氢浓度的诊断故障代码(DTC)。在氢存储系统100中，ARP管路122在扩散器134附近连接至排放管路132。ARP管路122为向调节器112和118的大气基准口提供环境或大气压力的简单延伸管，如本领域技术人员所理解的，将在下面详细描述。然而，如果压力调节器112或118产生了内部泄漏，那么会有纯的氢气流过ARP管路122。图2为图I中所示压力调节器112的简图。压力调节器112包括在内部由薄膜154分开的下主体150和上主体152。下主体150包括于管路158处接收氢气的高压腔156，其中管路158处的气体处于相对高的压力，如由压力传感器110指示。下主体150还包括通过提升阀162与高压腔156分开的低压腔160。调节手柄164用于调节低压腔160内的压力。随着调节手柄164旋转并进一步螺接进上主体152时，弹簧166在提升阀162的上端施加更大的力，从而强制阀162进一步打开，允许低压腔160中更高的压力。薄膜154上的压力抵消来自弹簧166的力，使得达到平衡且低压腔160中的压力基于调节手柄164的位置。气体从低压腔160于管路168处流出压力调节器112，其中管路168处的气体处于比管路158处入口更低的压力，如由压力传感器114指示。薄膜154必须能够仅对来自弹簧166的载荷和来自低压腔160的压力起反应。因此，上主体152本身不作为随着薄膜154的运动而增压或减压的腔很重要。为了不管薄膜154的运动都将薄膜154上侧的压力保持在比较恒定的水平，必须使上主体152通向大气。该通向大气通过大气基准口 170来实现。如前面图I描述中所述，大气基准口 170连接至ARP管路122，其必须能够呼吸近似于大气压力的空气。
压力调节器(例如压力调节器112)是本领域内已知的，已经成功地应用了许多年。然而，还已知对于压力传感器112和类似的设计存在允许氢气流出大气基准口 170的多种内部故障模式。一种这类故障模式是薄膜154中的裂缝。另一种这类故障模式是环绕薄膜154的外围设置的衬垫(未示出)的泄漏。又一种这类故障模式可能是在不同类型的压力调节器中，其中之一具有使用0形圈密封上主体152的活塞式构件(图2中未示出)。在这些故障模式情形的任意一种中，氢气都会泄漏通过薄膜154进入上主体152。因为上主体152中泄漏的氢气根据定义会高于大气压力，所以泄漏的气体会通过ARP管路122流出大气基准口 170。尽管通过压力调节器的大气基准口的氢气泄漏很少发生，但是由于许多原因，依然期望能够可靠地检测该泄漏的氢气。首先，泄漏的压力调节器通常无法恰当地保持其设定压力值。其次，泄漏的氢表示燃料的浪费，这消耗了驾驶员的金钱，缩短了车辆的驾驶距离。再次，泄漏到环境中的氢气会局部增高浓度，而这是不期望的情形。在氢存储系统100中，从压力调节器112和/或118泄漏的氢气会通过ARP管路122流到排放管路132。即便氢传感器136距ARP管路122的入口非常近，由于废气流的稀释，传感器136可能无法检测氢气的异常高浓度。使用能够更好地检测通过ARP管路122的即便轻微的氢气流的氢传感器是有利的，特别是如果这种传感器已经是可用的，其可改用为实现该任务。图3为改进的氢存储系统200的示意图，其能够更可靠地检测从压力调节器112或118泄漏的氢气。在氢存储系统200中，ARP管路122不像氢存储系统100中一样连接至排放管路132。相反，ARP管路122通向氢传感器140并终止于其紧邻处，氢传感器140则不同地监测存储容器102附近的环境空气。氢传感器140处于未增压环境，并未连接至任何的管道、管路或配件。因此，ARP管路122可提供大气基准口 170所需的大气基准压力，因为没有其它高容量的流来稀释从ARP管路122流出的氢气流，所以传感器140理想地设置成检测该氢气流。ARP管路122的开口端相对于氢传感器140的精确位置可基于封装和性能考虑来建立。在一个实施例中，ARP管路122的开口端可朝向氢传感器140,且氢传感器140在距ARP管路122的开口端约15 mm的范围内。其它布置也是可能的，只要氢传感器140能可靠地检测通过ARP管路122从调节器112和/或118流出的氢气。氢传感器140可能区分从容器102或邻近配件的氢气泄露和通过ARP管路122从压力调节器102和/或118的氢气泄漏。例如，浓度增加率可为氢气源的良好指示，其中慢的浓度增加率表示迁移通过氢传感器140的环境氢气(例如，从容器102或配件泄漏)，而快的浓度增加率表示流过ARP管路122的氢气。氢存储系统还可包括远离ARP管路122开口端定位的第二通向环境的氢传感器(未示出)，使得可使用两个通向环境的氢传感器的读数之间的差异来确定氢气源。在任一种情形下，氢气的绝对浓度和浓度增加率都可用来确定氢存储系统200中的控制器124应当采取什么动作。该动作可包括记录诊断故障代码(DTC)、向驾驶员发送声音或视觉警告、进行某些对策、和/或通过关闭阀108和116关闭氢存储系统200和燃料电池 130。图4为用于使用现有的通向环境的氢传感器检测从压力调节器的氢气泄漏的方 法的流程图300。在框302，一个或多个压力调节器(例如压力调节器112和118)的大气基准口通过管道或软管被引向通向环境的氢传感器，例如传感器140。在框304，氢传感器140监测升高的氢气浓度。在决定菱形框306，如果没有可采取动作的氢气浓度，那么程序循环返回，继续框304的监测。如果检测到可采取动作的氢浓度，那么在决定菱形框306，程序继续至框308。在框308，检查参数，以确定可能的氢气源。例如，浓度增加率可表示氢传感器140附近的开放环境中是否存在氢，或者氢是否来自压力调节器112和/或118。在框310，基于浓度和可能的氢气源采取适当的动作。如前所述，该动作可包括向驾驶员发送警报、发起对策、及关闭氢存储系统200和燃料电池130。使用上述通向环境的氢传感器连接，能够快速可靠地检测从氢存储系统中的压力调节器的内部氢气泄漏，从而能够采取适当的动作。这通过使用现有通向环境的氢传感器，无需增加氢存储系统的成本就可实现。前面的说明仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员从该描述和附图及权利要求可容易地认识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明实质和范围的情况下在其中进行的各种变化、修改和变型。
权利要求
1.一种气体存储系统，包括 一个或多个存储容器，其含有处于升高压力的气体； 一个或多个压力调节器，用于将所述气体的压力从所述升高压力降低至所述气体被下游装置使用时所处的更低压力； 第一气体传感器，用于检测所述存储容器附近的大气中所述气体的升高的浓度； 延伸管道，其具有连接至所述一个或多个压力调节器的大气基准口的第一端和通向大气的足够接近所述第一气体传感器的第二端，使得所述第一气体传感器能检测任意从所述延伸管道流出的所述气体；以及 控制器，用于监测所述气体存储系统中的状况和控制所述气体存储系统的操作，所述控制器与所述第一气体传感器电子通信，并且配置成如果所述第一气体传感器检测到所述气体的升高浓度就采取动作。
2.如权利要求I的气体存储系统，其中所述动作包括下列中的一个或多个发送警告，发 起对策，和关闭所述气体存储系统。
3.如权利要求I的气体存储系统，其中所述控制器配置成区分存在于所述存储容器附近的大气中的气体与从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏的气体。
4.如权利要求3的气体存储系统，其中所述控制器使用气体浓度增加率来区分存在于所述存储容器附近的大气中的气体与从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏的气体。
5.如权利要求4的气体存储系统，其中所述动作包括在所述控制器中存储诊断故障代码(DTC)，该代码指示所述气体存在于所述存储容器附近的大气中还是所述气体从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏。
6.如权利要求3的气体存储系统，还包括用于检测在所述存储容器附近的大气中所述气体的升高浓度的第二气体传感器，所述第二气体传感器距所述延伸管道的第二端不够近，无法检测任意从所述延伸管道流出的所述气体。
7.如权利要求6的气体存储系统，其中所述控制器使用第一与第二气体传感器处的气体浓度之间的差别来区分存在于所述存储容器附近的大气中的气体与从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏的气体。
8.如权利要求7的气体存储系统，其中所述动作包括在所述控制器中存储诊断故障代码(DTC)，该代码指示所述气体存在于所述存储容器附近的大气中还是所述气体从所述一个或多个压力调节器的大气基准口泄漏。
9.一种氢存储系统，包括 一个或多个存储容器，其含有处于升高压力的氢气； 一个或多个压力调节器，用于将所述氢气的压力从所述升高压力降低至所述氢气被燃料电池使用时所处的更低压力； 第一氢传感器，用于检测所述存储容器附近的大气中所述氢气的升高的浓度； 延伸管道，其具有连接至所述一个或多个压力调节器的大气基准口的第一端和通向大气的足够接近所述第一氢传感器的第二端，使得所述第一氢传感器能检测任意从所述延伸管道流出的所述氢气； 第二氢传感器，用于检测在所述存储容器附近的大气中所述氢气的升高浓度，所述第二氢传感器距所述延伸管道的第二端不够近，无法检测任意从所述延伸管道流出的所述氢气；以及 控制器，用于监测所述氢存储系统中的状况和控制所述氢存储系统的操作，所述控制器与所述第一和第二氢传感器电子通信。
10. 一种用来检测从用于燃料电池的氢存储系统的氢泄漏的方法，所述方法包括将延伸管道从所述氢存储系统中的一个或多个压力调节器的大气基准口引向第一通向环境的氢传感器，使得所述第一通向环境的氢传感器能检测从所述延伸管道流出的氢气; 监测状态，以通过所述第一氢传感器检测氢气的升高浓度； 评估氢浓度参数，以通过检测氢气的升高浓度来确定所述氢泄漏的源；以及 基于所述氢浓度参数采取适当的动作。
全文摘要
本发明涉及使用氢传感器检测氢存储系统压力调节器故障。一种使用现有的通向环境的氢传感器检测从压力调节器的大气基准口泄漏的氢的方法和系统。氢存储系统中一个或多个压力调节器的大气基准口延伸管道行经氢传感器，该氢传感器已经用于监测氢存储系统周围空气中氢的存在。在该结构中，通向环境的氢传感器可在压力调节器产生内部泄漏事件中快速可靠地检测从压力调节器之一的大气基准口流出的氢气。
文档编号H01M8/04GK102810683SQ20121017804
公开日2012年12月5日 申请日期2012年6月1日 优先权日2011年6月2日
发明者R.耶格 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司