采用H2注入壓力波傳播速率的陽極氣體組成制造技術

本發明專利技術涉及采用H2注入壓力波傳播速率的陽極氣體組成，尤其涉及確定在燃料電池系統陽極子系統中氫氣濃度的系統。燃料電池系統包括至少一個燃料電池、陽極入口、陽極出口、陽極再循環管線、氫氣源以及注入氫氣的注入器。第一和第二聲學傳感器位于陽極再循環管線中，彼此間隔已知距離?？刂破黜憫獊碜缘谝缓偷诙晫W傳感器的輸出信號，根據控制器接收來自第一傳感器的傳感信號和接收來自第二傳感器的傳感信號之間的時間，確定陽極再循環管線中的氫氣濃度。

【技術實現步驟摘要】
采用H2注入壓力波傳播速率的陽極氣體組成
本專利技術一般涉及一種檢測和確定在燃料電池系統陽極子系統中流動的氣體組成的系統和方法，并且更具體的，涉及采用在陽極子系統中兩個或更多位置之間的聲延遲來檢測和確定在燃料電池系統陽極子系統中流動的氣體組成的系統和方法。
技術介紹
氫氣由于其清潔并可用于燃料電池中高效發電，是一種很有吸引力的燃料。氫燃料電池是一種電化學裝置，包括陽極和陰極以及置于其間的電解質。陽極接收氫氣，陰極接收氧氣或空氣。氫氣在陽極中分解產生自由氫質子和電子。氫質子穿過電解質達到陰極。 氫質子與氧氣和電子在陰極中反應生成水。來自陽極的電子無法穿過電解質，于是被引導在送至陰極之前流經負載做功。質子交換膜燃料電池(PEMFC)為汽車常用燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極典型地包括細粒狀的催化劑顆粒，通常為鉬(Pt)，擔載于碳顆粒上并與離聚物混合。催化劑混合物被沉積在膜的相對面上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物以及膜的組合限定膜電極組件(MEA)。MEA制造相對昂貴并且需要一定的條件才能有效操作。數個燃料電池典型組合于燃料電池堆中以產生期望的功率。燃料電池堆接收陰極輸入氣體，典型地為壓縮機加壓通過電池堆的氣體流。并非所有氧氣都被電池堆消耗，部分空氣作為陰極廢氣排出，其可能包括電池堆副產物水。燃料電池堆同樣接收流入電池堆陽極側的陽極氫輸入氣體。燃料電池堆典型地包括一系列置于電池堆中數個MEA之間的雙極板，其中雙極板和MEA都介于兩個端板之間。雙極板包括針對電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側。雙極板陽極側上具有陽極氣流通道，其可使陽極反應氣體流向各自的MEA。雙極板陰極側上提供有陰極氣流通道，其可使陰極反應氣體流向各自的MEA。一個端板包括陽極氣流通道，另一端板包括陰極氣流通道。雙極板和端板由導電材料制成，例如不銹鋼或導電復合物。端板將燃料電池產生的電力導出電池堆。雙極板還包括冷卻流體流經的流動通道。MEA可滲透，因此可使空氣中的氮氣從堆陰極側穿過并在堆陽極側收集，在工業上稱為氮氣串擾(nitrogen cross-over)。即使陽極側壓力可能略高于陰極側壓力，陰極側分壓也會使氧氣和氮氣透過膜。滲透的氧氣在陽極催化劑存在下燃燒，但燃料電池堆陽極側中滲透的氮氣稀釋了氫氣。若氮氣濃度增至高于一定百分比，例如50%，燃料電池堆將變得不穩定以及可能失效?，F有技術中已知在燃料電池堆的陽極廢氣出口處設置排出閥，以將氮氣從堆陽極側排出?，F有技術還已知采用模型估算陽極側中氮氣摩爾分數，以確定何時進行陽極側或陽極子系統的排放。但是，模型估算可能含有誤差，尤其是當燃料電池系統的部件隨著時間發生老化時。如果陽極氮氣摩爾分數估算明顯高于實際氮氣摩爾分數，那么燃料電池系統將排出超過必要的陽極氣體，即，將浪費燃料。如果陽極氮氣摩爾分數估算明顯低于實際氮氣摩爾分數，系統不排出足夠的陽極氣體，可能使燃料電池缺乏反應物，這可能損壞燃料電池堆中的電極。如上所述，燃料電池系統的性能受在陽極和陰極進入電池堆的氣體的組成影響。 燃料電池正常操作期間，氮氣從陰極側透過膜到達陽極側，稀釋燃料的濃度。如果陽極側中有過多的氮氣或水，電池電壓可能下降。雖然實驗室傳感器可用于測量實際燃料濃度水平， 但是利用這些傳感器測量陽極子系統的氫濃度卻不現實。實驗室級別的熱導傳感器可用， 但它們大且昂貴，并且會被可能存在于陽極子系統中的液體水損壞。也可以采用具有重設能力的基于擴散的模型。但是，這一方法周期性地吹掃足夠的陽極氣體以保證陽極子系統中沒有氮氣存在，這可能造成氫燃料的浪費。采用收發器的聲學方法是另一種途徑，但是， 這需要足夠強的聲學信號來消除發送和接收裝置之間的距離衰減的影響。因此，現有技術需要檢測和確定燃料電池系統陽極子系統中氣體的組成，以控制陽極子系統中燃料濃度。
技術實現思路
本專利技術公開用于確定燃料電池系統的陽極子系統中氫氣濃度的系統。燃料電池系統包括至少一個燃料電池、陽極入口、陽極出口、陽極再循環管線、氫氣源和用于注入氫氣的注入裝置。陽極再循環管線中提供有第一和第二聲學傳感器，兩傳感器之間間隔已知距離。響應來自第一和第二聲學傳感器的輸出信號的控制器基于所述控制器接收來自第一傳感器的傳感器信號和接收來自第二傳感器的傳感器信號之間的時間，確定陽極再循環管線中的氫氣濃度。本專利技術進一步包括下列方面1、燃料電池系統，包括至少一個燃料電池，所述燃料電池包括陽極入口和陽極出口，所述陽極入口和所述陽極出口通過陽極再循環管線連接；為所述陽極入口提供氫氣的氫氣源；用于從所述氫氣源向所述陽極入口注入氫氣的注入裝置，所述注入裝置在它注入氫氣時產生可聽見的注入噪聲；第一和第二聲學傳感器，它們位于所述陽極再循環管線中并且彼此之間間隔已知距離，所述第一和第二傳感器檢測所述注入噪聲并提供表示所述噪聲的傳感器信號；以及對來自所述第一和第二聲學傳感器的所述傳感器信號產生響應的控制器，所述控制器經構造以基于所述控制器接收到來自第一傳感器的所述傳感器信號時和接收到來自第二傳感器的所述傳感器信號時之間的時間來確定所述陽極再循環管線中的氫氣濃度。2、方面1所述的系統，其中所述第一聲學傳感器比所述第二聲學傳感器距離所述注入裝置近。3、方面1所述的系統，其中所述第二聲學傳感器比所述第一聲學傳感器距離所述至少一個燃料電池近。4、方面1所述的系統，其中所述控制器基于當所述控制器從第一傳感器接收所述傳感器信號和從第二傳感器接收所述傳感器信號的時間，采用根據下式的陽極流出氣體中的聲速來確定所述陽極再循環管線中的氫氣濃度其中Caig為理想氣體中的聲速(m/s) ；R為摩爾氣體常數(約8. 3145J -moF1 -Γ1)； Y (gamma)為絕熱系數，按動力學理論對于雙原子分子而言可假設為7/5或1. 400 ；T為開爾文表示的絕對溫度；M為千克每分子表示的摩爾質量，其中干燥空氣的平均摩爾質量大約為 0. 0289kg/mol。5、方面4所述的系統，其中所述控制器使用根據下式的陽極流出氣體的摩爾質量來確定所述陽極再循環管線中的氫氣濃度本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
2010.10.27 US 12/9133241.燃料電池系統，包括至少一個燃料電池，所述燃料電池包括陽極入口和陽極出口，所述陽極入口和所述陽極出口通過陽極再循環管線連接；為所述陽極入口提供氫氣的氫氣源；用于從所述氫氣源向所述陽極入口注入氫氣的注入裝置，所述注入裝置在它注入氫氣時產生可聽見的注入噪聲；第一和第二聲學傳感器，它們位于所述陽極再循環管線中并且彼此之間間隔已知距離，所述第一和第二傳感器檢測所述注入噪聲并提供表示所述噪聲的傳感器信號；以及對來自所述第一和第二聲學傳感器的所述傳感器信號產生響應的控制器，所述控制器經構造以基于所述控制器接收到來自第一傳感器的所述傳感器信號時和接收到來自第二傳感器的所述傳感器信號時之間的時間來確定所述陽極再循環管線中的氫氣濃度。2.權利要求1所述的系統，其中所述第一聲學傳感器比所述第二聲學傳感器距離所述注入裝置近。3.權利要求1所述的系統，其中所述第二聲學傳感器比所述第一聲學傳感器距離所述至少一個燃料電池近。4.權利要求1所述的系統，其中所述控制器基于當所述控制器從第一傳感器接收所述傳感器信號和從第二傳感器接收所述傳感器信號的時間，采用根據下式的陽極流出氣體中的聲速來確定所述陽極再循環管線中的氫氣濃度5.權利要求4所述的系統，其中所述控制器使用根據下式的陽極流出氣體的摩爾質量來確定所述陽極再循環管線中的氫氣濃度M 測得=xH2 X MH2+yN2 X MN2+zH20 X Mh20其中測得的陽極流出氣體的摩爾質量M3wi為陽極子系統中氫氣、氮氣和水的摩爾...

【專利技術屬性】
技術研發人員：D·I·哈里斯，M·A·朗，D·C·迪菲奧爾，
申請(專利權)人：通用汽車環球科技運作有限責任公司，
類型：發明
國別省市：