采用H₂注入压力波传播速率的阳极气体组成的制作方法

专利名称：采用H₂注入压力波传播速率的阳极气体组成的制作方法
采用H2注入压力波传播速率的阳极气体组成技术领域
本发明一般涉及一种检测和确定在燃料电池系统阳极子系统中流动的气体组成的系统和方法，并且更具体的，涉及采用在阳极子系统中两个或更多位置之间的声延迟来检测和确定在燃料电池系统阳极子系统中流动的气体组成的系统和方法。
背景技术：
氢气由于其清洁并可用于燃料电池中高效发电，是一种很有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种电化学装置，包括阳极和阴极以及置于其间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中分解产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质达到阴极。 氢质子与氧气和电子在阴极中反应生成水。来自阳极的电子无法穿过电解质，于是被引导在送至阴极之前流经负载做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)为汽车常用燃料电池。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。阳极和阴极典型地包括细粒状的催化剂颗粒，通常为钼(Pt)，担载于碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物被沉积在膜的相对面上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物以及膜的组合限定膜电极组件(MEA)。MEA制造相对昂贵并且需要一定的条件才能有效操作。
数个燃料电池典型组合于燃料电池堆中以产生期望的功率。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地为压缩机加压通过电池堆的气体流。并非所有氧气都被电池堆消耗，部分空气作为阴极废气排出，其可能包括电池堆副产物水。燃料电池堆同样接收流入电池堆阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池堆典型地包括一系列置于电池堆中数个MEA之间的双极板，其中双极板和MEA都介于两个端板之间。双极板包括针对电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。双极板阳极侧上具有阳极气流通道，其可使阳极反应气体流向各自的MEA。双极板阴极侧上提供有阴极气流通道，其可使阴极反应气体流向各自的MEA。一个端板包括阳极气流通道，另一端板包括阴极气流通道。双极板和端板由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电力导出电池堆。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。
MEA可渗透，因此可使空气中的氮气从堆阴极侧穿过并在堆阳极侧收集，在工业上称为氮气串扰(nitrogen cross-over)。即使阳极侧压力可能略高于阴极侧压力，阴极侧分压也会使氧气和氮气透过膜。渗透的氧气在阳极催化剂存在下燃烧，但燃料电池堆阳极侧中渗透的氮气稀释了氢气。若氮气浓度增至高于一定百分比，例如50%，燃料电池堆将变得不稳定以及可能失效。
现有技术中已知在燃料电池堆的阳极废气出口处设置排出阀，以将氮气从堆阳极侧排出。现有技术还已知采用模型估算阳极侧中氮气摩尔分数，以确定何时进行阳极侧或阳极子系统的排放。但是，模型估算可能含有误差，尤其是当燃料电池系统的部件随着时间发生老化时。如果阳极氮气摩尔分数估算明显高于实际氮气摩尔分数，那么燃料电池系统将排出超过必要的阳极气体，即，将浪费燃料。如果阳极氮气摩尔分数估算明显低于实际氮气摩尔分数，系统不排出足够的阳极气体，可能使燃料电池缺乏反应物，这可能损坏燃料电池堆中的电极。
如上所述，燃料电池系统的性能受在阳极和阴极进入电池堆的气体的组成影响。 燃料电池正常操作期间，氮气从阴极侧透过膜到达阳极侧，稀释燃料的浓度。如果阳极侧中有过多的氮气或水，电池电压可能下降。虽然实验室传感器可用于测量实际燃料浓度水平， 但是利用这些传感器测量阳极子系统的氢浓度却不现实。实验室级别的热导传感器可用， 但它们大且昂贵，并且会被可能存在于阳极子系统中的液体水损坏。也可以采用具有重设能力的基于扩散的模型。但是，这一方法周期性地吹扫足够的阳极气体以保证阳极子系统中没有氮气存在，这可能造成氢燃料的浪费。采用收发器的声学方法是另一种途径，但是， 这需要足够强的声学信号来消除发送和接收装置之间的距离衰减的影响。因此，现有技术需要检测和确定燃料电池系统阳极子系统中气体的组成，以控制阳极子系统中燃料浓度。发明内容
本发明公开用于确定燃料电池系统的阳极子系统中氢气浓度的系统。燃料电池系统包括至少一个燃料电池、阳极入口、阳极出口、阳极再循环管线、氢气源和用于注入氢气的注入装置。阳极再循环管线中提供有第一和第二声学传感器，两传感器之间间隔已知距离。响应来自第一和第二声学传感器的输出信号的控制器基于所述控制器接收来自第一传感器的传感器信号和接收来自第二传感器的传感器信号之间的时间，确定阳极再循环管线中的氢气浓度。
本发明进一步包括下列方面
1、燃料电池系统，包括
至少一个燃料电池，所述燃料电池包括阳极入口和阳极出口，所述阳极入口和所述阳极出口通过阳极再循环管线连接；
为所述阳极入口提供氢气的氢气源；
用于从所述氢气源向所述阳极入口注入氢气的注入装置，所述注入装置在它注入氢气时产生可听见的注入噪声；
第一和第二声学传感器，它们位于所述阳极再循环管线中并且彼此之间间隔已知距离，所述第一和第二传感器检测所述注入噪声并提供表示所述噪声的传感器信号；以及
对来自所述第一和第二声学传感器的所述传感器信号产生响应的控制器，所述控制器经构造以基于所述控制器接收到来自第一传感器的所述传感器信号时和接收到来自第二传感器的所述传感器信号时之间的时间来确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度。
2、方面1所述的系统，其中所述第一声学传感器比所述第二声学传感器距离所述注入装置近。
3、方面1所述的系统，其中所述第二声学传感器比所述第一声学传感器距离所述至少一个燃料电池近。
4、方面1所述的系统，其中所述控制器基于当所述控制器从第一传感器接收所述传感器信号和从第二传感器接收所述传感器信号的时间，采用根据下式的阳极流出气体中的声速来确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度
其中Caig为理想气体中的声速(m/s) ；R为摩尔气体常数(约8. 3145J -moF1 -Γ1)； Y (gamma)为绝热系数，按动力学理论对于双原子分子而言可假设为7/5或1. 400 ；T为开尔文表示的绝对温度；M为千克每分子表示的摩尔质量，其中干燥空气的平均摩尔质量大约为 0. 0289kg/mol。
5、方面4所述的系统，其中所述控制器使用根据下式的阳极流出气体的摩尔质量来确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度
权利要求
1.燃料电池系统，包括至少一个燃料电池，所述燃料电池包括阳极入口和阳极出口，所述阳极入口和所述阳极出口通过阳极再循环管线连接；为所述阳极入口提供氢气的氢气源；用于从所述氢气源向所述阳极入口注入氢气的注入装置，所述注入装置在它注入氢气时产生可听见的注入噪声；第一和第二声学传感器，它们位于所述阳极再循环管线中并且彼此之间间隔已知距离，所述第一和第二传感器检测所述注入噪声并提供表示所述噪声的传感器信号；以及对来自所述第一和第二声学传感器的所述传感器信号产生响应的控制器，所述控制器经构造以基于所述控制器接收到来自第一传感器的所述传感器信号时和接收到来自第二传感器的所述传感器信号时之间的时间来确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度。
2.权利要求1所述的系统，其中所述第一声学传感器比所述第二声学传感器距离所述注入装置近。
3.权利要求1所述的系统，其中所述第二声学传感器比所述第一声学传感器距离所述至少一个燃料电池近。
4.权利要求1所述的系统，其中所述控制器基于当所述控制器从第一传感器接收所述传感器信号和从第二传感器接收所述传感器信号的时间，采用根据下式的阳极流出气体中的声速来确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度
5.权利要求4所述的系统，其中所述控制器使用根据下式的阳极流出气体的摩尔质量来确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度M 测得=xH2 X MH2+yN2 X MN2+zH20 X Mh20其中测得的阳极流出气体的摩尔质量M3wi为阳极子系统中氢气、氮气和水的摩尔分数和摩尔质量的乘积，其中xH2为氢气的摩尔分数，Mh2为氢气的摩尔质量，5 为氮气的摩尔分数，Mn2为氮气的摩尔质量，zH20为水的摩尔分数，为水的摩尔质量。
6.权利要求5所述的系统，其中所述控制器用模型化的或测得的相对湿度RH%SS按照下式确定ζ·来确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度
7.权利要求6所述的系统，其中所述控制器根据下式确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度
8.确定燃料电池系统的阳极再循环管线中的氢气浓度的方法，所述燃料电池系统包括至少一个燃料电池，所述燃料电池具有通过阳极再循环管线连接的阳极入口和阳极出口， 所述方法包括用注入装置为所述阳极入口提供新鲜氢气；在所述阳极再循环管线中的第一位置检测来自所述注入装置的注入噪声；在所述阳极再循环管线中距离所述第一位置已知距离的第二位置检测来自所述注入装置的所述注入噪声；以及以在所述第一位置和第二位置检测到所述注入噪声之间的检测时间为基础，确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度。
9.根据权利要求8的方法，其中确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度包括采用根据下式的阳极流出气体中的声速
10.根据权利要求9所述方法，其中确定所述阳极再循环管线中的氢气浓度包括使用根据下式的阳极流出气体的摩尔质量M 测得=xH2 X MH2+yN2 X MN2+zH20 X Mh20其中测得的阳极流出气体的摩尔质量M3wi*阳极子系统中的氢气、氮气和水的摩尔分数和摩尔质量的乘积，其中xH2为氢气的摩尔分数，Mh2为氢气的摩尔质量，5 为氮气的摩尔分数，Mn2为氮气的摩尔质量，zH20为水的摩尔分数，为水的摩尔质量。
全文摘要
本发明涉及采用H2注入压力波传播速率的阳极气体组成，尤其涉及确定在燃料电池系统阳极子系统中氢气浓度的系统。燃料电池系统包括至少一个燃料电池、阳极入口、阳极出口、阳极再循环管线、氢气源以及注入氢气的注入器。第一和第二声学传感器位于阳极再循环管线中，彼此间隔已知距离。控制器响应来自第一和第二声学传感器的输出信号，根据控制器接收来自第一传感器的传感信号和接收来自第二传感器的传感信号之间的时间，确定阳极再循环管线中的氢气浓度。
文档编号G01N29/024GK102539524SQ20111042725
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者D·C·迪菲奥尔, D·I·哈里斯, M·A·朗 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司