利用燃料電池疊的拉姆達(dá)傳感制造技術(shù)

一傳感器（１１６）用于監(jiān)控一流過一燃料電池疊（３２）的反應(yīng)物進(jìn)料流（８６）的一種成分的拉姆達(dá)。這種傳感器（１１６）包括一個(gè)或更多燃料電池（９４），其對(duì)流過燃料電池（９４）的反應(yīng)物進(jìn)料流（８６）的一種特定成分的拉姆達(dá)的改變敏感。燃料電池（９４）的敏感度引起由特定成分的拉姆達(dá)產(chǎn)生一電壓。電壓輸出的變化可建模為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和／或與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以便使電壓輸出與特定成分的拉姆達(dá)相關(guān)。根據(jù)特定成分的拉姆達(dá)，可以優(yōu)化燃料電池疊（３２）的運(yùn)行。（*該技術(shù)在2023年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】?利用燃料電池疊的拉姆達(dá)傳感
本專利技術(shù)涉及對(duì)流過一種燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)物進(jìn)料流中的成分進(jìn)行測(cè)量和控制。更具體而言，本專利技術(shù)涉及測(cè)量反應(yīng)物進(jìn)料流中的成分的拉姆達(dá)以便確定燃料電池系統(tǒng)的性能和效率，以及更改反應(yīng)物進(jìn)料流以便優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的性能。
技術(shù)介紹
燃料電池可在許多應(yīng)用場(chǎng)合中用作動(dòng)力源。例如，僅舉幾個(gè)例子，燃料電池已經(jīng)被提議用于電動(dòng)車輛動(dòng)力裝置中來代替內(nèi)燃機(jī)以及用作一固定動(dòng)力源。燃料電池接收反應(yīng)物進(jìn)料流并且將進(jìn)料流中的能量轉(zhuǎn)變成電。反應(yīng)物進(jìn)料流包括一經(jīng)過燃料電池中的陽(yáng)極之上的燃料進(jìn)料流和一經(jīng)過燃料電池中的陰極之上的氧化劑進(jìn)料流以便發(fā)電。一種類型的燃料電池為質(zhì)子交換薄膜(PEM)型燃料電池。在PEM燃料電池中，呈來自一儲(chǔ)存罐的純H2形式或呈來自一燃料處理器的重整產(chǎn)品流的形式的氫被作為燃料供向燃料電池的陽(yáng)極，而呈來自一儲(chǔ)存罐的純O2形式或呈來自周圍環(huán)境或一儲(chǔ)存罐的空氣(與氮(N2)混合的O2)形式的氧被作為氧化劑供向燃料電池的陰極。多個(gè)單獨(dú)的電池被包裝在一起一形成一PEM燃料電池疊。術(shù)語(yǔ)“燃料電池”通常用來指單個(gè)電池或者多個(gè)電池(疊)，根據(jù)上下文而定。位于疊內(nèi)的一組電池被稱作一簇。一疊中的多個(gè)電池的典型設(shè)置方式在轉(zhuǎn)讓予General?Motor?Corporation的美國(guó)專利No.5,763,113中進(jìn)行了描述。對(duì)于車輛應(yīng)用場(chǎng)合，理想的是使用液體燃料如酒精(例如甲醇或乙醇)、或烴類(例如汽油)來作為燃料電池所用的氫的來源。車輛所用的此類液體燃料易于儲(chǔ)存于車上并且有遍布全國(guó)各地的用于供應(yīng)液體燃料的基礎(chǔ)設(shè)施。然而，此類燃料必須被分解以便釋放出其氫含量來為燃料電池加燃料。這種分解反應(yīng)在一化學(xué)燃料處理器或重整裝置內(nèi)完成。燃料處理器包含一個(gè)或更多反應(yīng)器，在其中燃料與蒸汽以及有時(shí)和空氣反應(yīng)，以便產(chǎn)生一種主要包括H2和CO2的重整產(chǎn)品氣體，然而，CO、N2、和H2O也可在重整產(chǎn)品氣體中。燃料電池系統(tǒng)按照過量燃料和氧化劑進(jìn)料流率來運(yùn)行，其中所供-->應(yīng)的能量大于所需要的能量。例如，一個(gè)單獨(dú)的燃料電池的陽(yáng)極部分可能需要大約130％的所需能量來產(chǎn)生給定負(fù)荷，而陰極部分可能需要大約200％的所需O2來完成燃料流的反應(yīng)。過量氧化劑和燃料進(jìn)料流按照拉姆達(dá)“λ”來測(cè)量，其中所需的過量H2的數(shù)量被稱為λA而所需的過量O2的數(shù)量被稱為λC。在以前的實(shí)例中，過量燃料進(jìn)料流λA為1.3而過量氧化劑進(jìn)料流λC為2.0。這意味著每向陽(yáng)極提供1.3份氫，就有1.0份氫被轉(zhuǎn)變成電能，而剩余的0.3份氫作為陽(yáng)極排放物排出燃料電池疊。位于一燃料電池疊內(nèi)的每個(gè)PEM燃料電池需要一特定λC和λA來使得燃料電池的效率達(dá)到最大。λC和λA可在類似的燃料電池之間變化。由于疊中的個(gè)別燃料電池之間的差異，因而一具有多個(gè)燃料電池的燃料電池疊將具有整個(gè)疊的平均λC和λA。一旦為燃料電池疊確定了平均λC和λA，就需要一傳感器來監(jiān)控流過燃料電池疊的燃料和氧化劑進(jìn)料流，以便能夠優(yōu)化燃料電池疊的運(yùn)行并且能夠?qū)Ψ磻?yīng)物進(jìn)料流做出實(shí)時(shí)的改變以便保持疊有效運(yùn)行。因此，燃料電池系統(tǒng)的有效運(yùn)行取決于有效地控制提供至燃料電池疊的O2和H2的量的能力。可以使用質(zhì)量流計(jì)來測(cè)量正在提供至燃料電池疊的反應(yīng)物進(jìn)料流的量。然而，質(zhì)量流計(jì)不能測(cè)量進(jìn)料流的特定成分。因此，如果進(jìn)料流的成分改變，則質(zhì)量流計(jì)就將不能提供對(duì)提供至燃料電池疊的O2和H2的量的定量測(cè)量。在車輛燃料電池系統(tǒng)的瞬態(tài)運(yùn)行過程中，重整產(chǎn)品燃料需求隨著加于燃料電池上的負(fù)荷的改變而變化，并且同時(shí)離開燃料處理器的重整產(chǎn)品燃料的成分也在改變，使用質(zhì)量流計(jì)就特別困難。因此，就需要一種準(zhǔn)確的拉姆達(dá)傳感系統(tǒng)，其既能保持燃料電池疊的效率而又不會(huì)增加燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性或重量。另外，還需要一種拉姆達(dá)傳感系統(tǒng)，其還能實(shí)時(shí)地校正效率低的λA和λC值而不需要用戶干預(yù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于一種用于實(shí)時(shí)地監(jiān)控和控制流過一燃料電池系統(tǒng)的一燃料進(jìn)料流和一氧化劑進(jìn)料流的方法和設(shè)備。根據(jù)本專利技術(shù)的原理的一種燃料電池組件具有一接收第一和第二反應(yīng)物流的燃料電池疊。反應(yīng)物流經(jīng)過陽(yáng)極和陰極表面并且發(fā)電。燃料-->電池疊包括多個(gè)按成疊構(gòu)型設(shè)置的燃料電池，其中這些燃料電池串聯(lián)連接。這些燃料電池中至少一個(gè)具有一按照已知方式響應(yīng)于第一反應(yīng)物流的一種成分的拉姆達(dá)的改變而改變的電壓輸出。一電壓監(jiān)控裝置監(jiān)控著該至少一個(gè)燃料電池的電壓輸出并且向一控制器發(fā)送一響應(yīng)于所監(jiān)控的電壓的信號(hào)。控制器響應(yīng)于該信號(hào)而控制著第一反應(yīng)物流。公開了一種用于監(jiān)控一流向一燃料電池疊的反應(yīng)物進(jìn)料流流中的一種成分的拉姆達(dá)的改變的方法，其中燃料電池疊包括多個(gè)串聯(lián)設(shè)置的燃料電池。這種方法包括以下步驟：(1)向一燃料電池疊供應(yīng)第一反應(yīng)物進(jìn)料流；(2)向所述燃料電池疊供應(yīng)第二反應(yīng)物進(jìn)料流；(3)在所述燃料電池疊中選擇一具有按照已知方式隨著所述第一反應(yīng)物進(jìn)料流的一種成分的拉姆達(dá)的改變而變化的電壓輸出的第一燃料電池；(4)監(jiān)控所述第一燃料電池的所述電壓輸出；以及(5)根據(jù)所述第一燃料電池的所述電壓輸出來控制所述第一反應(yīng)物進(jìn)料流。通過閱讀后文中提供的詳細(xì)描述，將會(huì)清楚了解本專利技術(shù)的適用性的更多領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解，盡管詳細(xì)描述和特定實(shí)例示出了本專利技術(shù)的優(yōu)選實(shí)施例，但只用于示例說明，而非用于限制本專利技術(shù)的范圍。附圖說明本專利技術(shù)通過以下詳細(xì)描述和附圖將得到更為充分的理解，其中：圖1為一燃料電池系統(tǒng)的示意圖；圖2為一PEM燃料電池疊的等距部件分解示意圖；圖3為一具有一根據(jù)本專利技術(shù)的拉姆達(dá)傳感器的雙極PEM燃料電池疊的示意圖；以及圖4為圖3的燃料電池疊的示意圖，其中上部反應(yīng)物進(jìn)料流管道被拆去以便示出疊內(nèi)的燃料電池的電壓監(jiān)控情況。具體實(shí)施方式對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行的以下描述事實(shí)上僅為示例性，并且決非打算用來限制本專利技術(shù)、其應(yīng)用或者用途。簡(jiǎn)短地說，本專利技術(shù)提供了一種傳感器，其監(jiān)控著一流過一燃料電池疊的反應(yīng)物進(jìn)料流的一種成分的拉姆達(dá)。傳感器包括一個(gè)或多個(gè)燃料電池，它們對(duì)流過燃料電池的反應(yīng)物進(jìn)料流的一種特定成分的拉姆達(dá)的變化敏感。燃料電池的敏感度引起由拉姆達(dá)傳感燃料電池所產(chǎn)生的電壓響應(yīng)于特定成分的拉姆達(dá)的變化而變化。這種電壓輸出的變化-->可以進(jìn)行建模并且/或者與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較以便使電壓輸出與特定成分的拉姆達(dá)相關(guān)。根據(jù)特定成分的拉姆達(dá)，可以通過調(diào)節(jié)流過燃料電池疊的反應(yīng)物進(jìn)料流而優(yōu)化燃料電池疊的運(yùn)行情況。另外，特定成分的拉姆達(dá)還可用來調(diào)節(jié)、優(yōu)化、和/或預(yù)測(cè)燃料電池疊在其中運(yùn)行的系統(tǒng)中的其它硬件組分，例如重整裝置或燃燒器的性能。參看一種普通燃料電池系統(tǒng)，可對(duì)本專利技術(shù)產(chǎn)生進(jìn)一步的理解。因此，在進(jìn)一步描述本專利技術(shù)之前，提供了對(duì)一種具有本專利技術(shù)的拉姆達(dá)傳感燃料電池的燃料電池疊可在其中運(yùn)行的系統(tǒng)的概述。在這種燃料電池系統(tǒng)中，一烴類燃料例如通過重整和部分氧化處理而在一燃料處理器中進(jìn)行處理，以便產(chǎn)生一具有按體積或摩爾計(jì)算具有較高氫含量的重整產(chǎn)品氣體。因此，就參考含氫或較高的氫含量。在下文中，本專利技術(shù)在由含H2的重整產(chǎn)品加燃料的燃料電池的范圍內(nèi)進(jìn)行描述，而不管此類重整產(chǎn)品的制造方法。應(yīng)當(dāng)理解，此處所體現(xiàn)的原理適用于由來自任意來源的H2加燃料的燃料電池，這些來源包括可重整烴和含氫燃料例如甲醇、乙醇、汽油、堿、或其它脂肪族或芳香族烴。如圖1中所示，一燃料電池系統(tǒng)20包括一燃料處理器22，用本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種接收反應(yīng)物流并由其產(chǎn)生一電流的燃料電池組件，這種燃料電池組件包括：多個(gè)按成疊構(gòu)型設(shè)置的燃料電池，其中所述多個(gè)燃料電池串聯(lián)連接，所述多個(gè)燃料電池中的第一燃料電池具有一按照已知方式響應(yīng)于第一反應(yīng)物流的拉姆達(dá)的改變而改變的電壓輸出；　 　一監(jiān)控著所述第一燃料電池的所述電壓輸出的電壓監(jiān)控裝置；以及一響應(yīng)于所述第一燃料電池的所述電壓輸出而接收一來自所述電壓監(jiān)控裝置的信號(hào)的控制器，所述控制器響應(yīng)于所述信號(hào)而控制著所述第一反應(yīng)物流。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】US 2002-4-30 10/136,8621.一種接收反應(yīng)物流并由其產(chǎn)生一電流的燃料電池組件，這種燃料電池組件包括：多個(gè)按成疊構(gòu)型設(shè)置的燃料電池，其中所述多個(gè)燃料電池串聯(lián)連接，所述多個(gè)燃料電池中的第一燃料電池具有一按照已知方式響應(yīng)于第一反應(yīng)物流的拉姆達(dá)的改變而改變的電壓輸出；一監(jiān)控著所述第一燃料電池的所述電壓輸出的電壓監(jiān)控裝置；以及一響應(yīng)于所述第一燃料電池的所述電壓輸出而接收一來自所述電壓監(jiān)控裝置的信號(hào)的控制器，所述控制器響應(yīng)于所述信號(hào)而控制著所述第一反應(yīng)物流。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其中所述控制器包括一微處理器，其將所述第一燃料電池的所述電壓輸出與所儲(chǔ)存的電壓輸出庫(kù)進(jìn)行比較并且響應(yīng)于所述比較而調(diào)節(jié)所述第一反應(yīng)物流。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池組件，其中所述庫(kù)為編輯的所述燃料電池疊的各種運(yùn)行條件的期望電壓輸出和所述第一反應(yīng)物流的拉姆達(dá)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，還包括所述多個(gè)燃料電池中的第二燃料電池，其具有一按照已知方式響應(yīng)于第二反應(yīng)物流的拉姆達(dá)的改變而改變的第二電壓輸出，所述電壓監(jiān)控裝置監(jiān)控著所述第二燃料電池的所述第二電壓輸出。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池組件，其中所述第一反應(yīng)物流為一燃料流而所述第二反應(yīng)物流為一氧化劑流。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其中所述第一反應(yīng)物流為一燃料流。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其中所述第一反應(yīng)物流為一氧化劑流。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其中所述第一燃料電池為一簇燃料電池，其具有一按照已知方式響應(yīng)于所述第一反應(yīng)物流的拉姆達(dá)的改變而改變的電壓輸出，并且所述電壓監(jiān)控裝置監(jiān)控著所述燃料電池簇的所述電壓輸出。-->9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其中所述第一燃料電池為多個(gè)燃料電池，其各具有一按照已知方式響應(yīng)于所述第一反應(yīng)物流的拉姆達(dá)的改變而改變的電壓輸出，并且所述電壓監(jiān)控裝置監(jiān)控著所述多個(gè)具有按照所述已知方式改變的所述電壓輸出的燃料電池中每一個(gè)的所述電壓輸出。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其中所述第一燃料電池制作成具有一按照已知方式響應(yīng)于所述第一反應(yīng)物流的所述拉姆達(dá)的改變而改變的電壓輸出。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池組件，其中所述第一燃料電池制作成帶有一比所述多個(gè)燃料電池的第一反應(yīng)物流通道更加受限制的第一反應(yīng)物流通道，以便使得所述第一燃料電池的所述電壓輸出比所述多個(gè)燃料電池的電壓輸出對(duì)所述第一反應(yīng)物流的拉姆達(dá)的改變更敏感。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池組件，其中所述第一燃料電池制作成帶有一比所述多個(gè)燃料電池的第一反應(yīng)物擴(kuò)散介質(zhì)更加受限制的第一反應(yīng)物擴(kuò)散介質(zhì)，以便使得所述第一燃料電池的所述電壓輸出比所述多個(gè)燃料電池的電壓輸出對(duì)所述第一反應(yīng)物流的拉姆達(dá)的改變更敏感。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池組件，其中所述第一燃料電池制作成帶有一比所述多個(gè)燃料電池的第一反應(yīng)物主集電器更加受限制的第一反應(yīng)物主集電器，以便使得所述第一燃料電池的所述電壓輸出比所述多個(gè)燃料電池的電壓輸出對(duì)所述第一反應(yīng)物流的拉姆達(dá)的改變更敏感。14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池組件，其中所述第一燃料電池制作成帶有比所述多個(gè)燃料電池的冷卻劑通路更大的冷卻劑通路，以便使得所述第一燃料電池的所述電壓輸出比所述多個(gè)燃料電池的電壓輸出對(duì)所述疊的溢流更敏感。15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池組件，其中所述第一燃料電池根據(jù)對(duì)所述多個(gè)燃料電池中的每個(gè)燃料電池的試驗(yàn)而從所述多個(gè)燃料電池中選擇，以便找到按照預(yù)定方式響應(yīng)于所述第一反應(yīng)物流的所述拉姆達(dá)的改變而改變的電壓輸出。16.一種用于監(jiān)控通向一燃料電池疊的反應(yīng)物進(jìn)料流的拉姆達(dá)的-->改變的方法，其中所述燃料電池疊包括多個(gè)串聯(lián)設(shè)置的燃料電池，這種方法包括以下步驟：向一燃料電池疊供應(yīng)第一反應(yīng)物進(jìn)料流；向所述燃料電池疊供應(yīng)第二反應(yīng)物進(jìn)料流；在所述燃料電池疊中選擇一具有按照已知方式隨著所述第一反應(yīng)物進(jìn)料流的拉姆達(dá)的改變而變化的電壓輸出的第一燃料電池；監(jiān)控所述第一燃料電池的所述電壓輸出；以及根據(jù)所述第一燃料電池的所述電壓輸出來控制所述第一反應(yīng)物進(jìn)料流。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述監(jiān)控步驟包括將所述第一燃料電池的所述電壓輸出與所儲(chǔ)存的電壓輸出庫(kù)進(jìn)行比較，并且所述控制步驟包括根據(jù)所述比較而調(diào)節(jié)所述第一反應(yīng)物流。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述庫(kù)為編輯的所述燃料電池疊的各種運(yùn)行條件的期望電壓輸出和所述第一反應(yīng)物流的所述拉姆達(dá)的改變。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述編輯的期望電壓輸出根據(jù)對(duì)所述第一燃料電池的建模來進(jìn)行。20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述編輯的期望電壓輸出根據(jù)對(duì)所述...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：BJ克林格爾曼，JA羅克，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：通用汽車公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：US[美國(guó)]