CN100350663C - 利用燃料电池叠的拉姆达传感 - Google Patents
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Abstract
一传感器(116)用于监控一流过一燃料电池叠(32)的反应物进料流(86)的一种成分的拉姆达。这种传感器(116)包括一个或更多燃料电池(94)，其对流过燃料电池(94)的反应物进料流(86)的一种特定成分的拉姆达的改变敏感。燃料电池(94)的敏感度引起由特定成分的拉姆达产生一电压。电压输出的变化可建模为经验数据和/或与经验数据进行比较以便使电压输出与特定成分的拉姆达相关。根据特定成分的拉姆达，可以优化燃料电池叠(32)的运行。
Description
技术领域
本发明涉及对流过一种燃料电池系统的反应物进料流中的成分进行测量和控制。更具体而言，本发明涉及测量反应物进料流中的成分的拉姆达以便确定燃料电池系统的性能和效率，以及更改反应物进料流以便优化燃料电池系统的性能。
背景技术
燃料电池可在许多应用场合中用作动力源。例如，仅举几个例子，燃料电池已经被提议用于电动车辆动力装置中来代替内燃机以及用作一固定动力源。燃料电池接收反应物进料流并且将进料流中的能量转变成电。反应物进料流包括一经过燃料电池中的阳极之上的燃料进料流和一经过燃料电池中的阴极之上的氧化剂进料流以便发电。
一种类型的燃料电池为质子交换薄膜(PEM)型燃料电池。在PEM燃料电池中，呈来自一储存罐的纯H2形式或呈来自一燃料处理器的重整产品流的形式的氢被作为燃料供向燃料电池的阳极，而呈来自一储存罐的纯O2形式或呈来自周围环境或一储存罐的空气(与氮(N2)混合的O2)形式的氧被作为氧化剂供向燃料电池的阴极。多个单独的电池被包装在一起一形成一PEM燃料电池叠。术语“燃料电池”通常用来指单个电池或者多个电池(叠)，根据上下文而定。位于叠内的一组电池被称作一簇。一叠中的多个电池的典型设置方式在转让予General Motor Corporation的美国专利No.5,763,113中进行了描述。
对于车辆应用场合，理想的是使用液体燃料如酒精(例如甲醇或乙醇)、或烃类(例如汽油)来作为燃料电池所用的氢的来源。车辆所用的此类液体燃料易于储存于车上并且有遍布全国各地的用于供应液体燃料的基础设施。然而，此类燃料必须被分解以便释放出其氢含量来为燃料电池加燃料。这种分解反应在一化学燃料处理器或重整装置内完成。燃料处理器包含一个或更多反应器，在其中燃料与蒸汽以及有时和空气反应，以便产生一种主要包括H2和CO2的重整产品气体，然而，CO、N2、和H2O也可在重整产品气体中。
燃料电池系统按照过量燃料和氧化剂进料流率来运行，其中所供应的能量大于所需要的能量。例如，一个单独的燃料电池的阳极部分可能需要大约130％的所需能量来产生给定负荷，而阴极部分可能需要大约200％的所需O2来完成燃料流的反应。过量氧化剂和燃料进料流按照拉姆达“λ”来测量，其中所需的过量H2的数量被称为λA而所需的过量O2的数量被称为λC。在以前的实例中，过量燃料进料流λA为1.3而过量氧化剂进料流λC为2.0。这意味着每向阳极提供1.3份氢，就有1.0份氢被转变成电能，而剩余的0.3份氢作为阳极排放物排出燃料电池叠。
位于一燃料电池叠内的每个PEM燃料电池需要一特定λC和λA来使得燃料电池的效率达到最大。λC和λA可在类似的燃料电池之间变化。由于叠中的个别燃料电池之间的差异，因而一具有多个燃料电池的燃料电池叠将具有整个叠的平均λC和λA。一旦为燃料电池叠确定了平均λC和λA，就需要一传感器来监控流过燃料电池叠的燃料和氧化剂进料流，以便能够优化燃料电池叠的运行并且能够对反应物进料流做出实时的改变以便保持叠有效运行。
因此，燃料电池系统的有效运行取决于有效地控制提供至燃料电池叠的O2和H2的量的能力。可以使用质量流计来测量正在提供至燃料电池叠的反应物进料流的量。然而，质量流计不能测量进料流的特定成分。因此，如果进料流的成分改变，则质量流计就将不能提供对提供至燃料电池叠的O2和H2的量的定量测量。在车辆燃料电池系统的瞬态运行过程中，重整产品燃料需求随着加于燃料电池上的负荷的改变而变化，并且同时离开燃料处理器的重整产品燃料的成分也在改变，使用质量流计就特别困难。
因此，就需要一种准确的拉姆达传感系统，其既能保持燃料电池叠的效率而又不会增加燃料电池系统的复杂性或重量。另外，还需要一种拉姆达传感系统，其还能实时地校正效率低的λA和λC值而不需要用户干预。
发明内容
本发明的目的在于一种用于实时地监控和控制流过一燃料电池系统的一燃料进料流和一氧化剂进料流的方法和设备。
根据本发明的原理的一种燃料电池组件具有一接收第一和第二反应物流的燃料电池叠。反应物流经过阳极和阴极表面并且发电。燃料电池叠包括多个按成叠构型设置的燃料电池，其中这些燃料电池串联连接。这些燃料电池中至少一个具有一按照已知方式响应于第一反应物流的一种成分的拉姆达的改变而改变的电压输出。一电压监控装置监控着该至少一个燃料电池的电压输出并且向一控制器发送一响应于所监控的电压的信号。控制器响应于该信号而控制着第一反应物流。
公开了一种用于监控一流向一燃料电池叠的反应物进料流流中的一种成分的拉姆达的改变的方法，其中燃料电池叠包括多个串联设置的燃料电池。这种方法包括以下步骤：(1)向一燃料电池叠供应第一反应物进料流；(2)向所述燃料电池叠供应第二反应物进料流；(3)在所述燃料电池叠中选择一具有按照已知方式随着所述第一反应物进料流的一种成分的拉姆达的改变而变化的电压输出的第一燃料电池；(4)监控所述第一燃料电池的所述电压输出；以及(5)根据所述第一燃料电池的所述电压输出来控制所述第一反应物进料流。
通过阅读后文中提供的详细描述，将会清楚了解本发明的适用性的更多领域。应当理解，尽管详细描述和特定实例示出了本发明的优选实施例，但只用于示例说明，而非用于限制本发明的范围。
附图说明
本发明通过以下详细描述和附图将得到更为充分的理解，其中：
图1为一燃料电池系统的示意图；
图2为一PEM燃料电池叠的等距部件分解示意图；
图3为一具有一根据本发明的拉姆达传感器的双极PEM燃料电池叠的示意图；以及
图4为图3的燃料电池叠的示意图，其中上部反应物进料流管道被拆去以便示出叠内的燃料电池的电压监控情况。
具体实施方式
对优选实施例进行的以下描述事实上仅为示例性，并且决非打算用来限制本发明、其应用或者用途。
简短地说，本发明提供了一种传感器，其监控着一流过一燃料电池叠的反应物进料流的一种成分的拉姆达。传感器包括一个或多个燃料电池，它们对流过燃料电池的反应物进料流的一种特定成分的拉姆达的变化敏感。燃料电池的敏感度引起由拉姆达传感燃料电池所产生的电压响应于特定成分的拉姆达的变化而变化。这种电压输出的变化可以进行建模并且/或者与经验数据相比较以便使电压输出与特定成分的拉姆达相关。根据特定成分的拉姆达，可以通过调节流过燃料电池叠的反应物进料流而优化燃料电池叠的运行情况。另外，特定成分的拉姆达还可用来调节、优化、和/或预测燃料电池叠在其中运行的系统中的其它硬件组分，例如重整装置或燃烧器的性能。
参看一种普通燃料电池系统，可对本发明产生进一步的理解。因此，在进一步描述本发明之前，提供了对一种具有本发明的拉姆达传感燃料电池的燃料电池叠可在其中运行的系统的概述。
在这种燃料电池系统中，一烃类燃料例如通过重整和部分氧化处理而在一燃料处理器中进行处理，以便产生一具有按体积或摩尔计算具有较高氢含量的重整产品气体。因此，就参考含氢或较高的氢含量。在下文中，本发明在由含H2的重整产品加燃料的燃料电池的范围内进行描述，而不管此类重整产品的制造方法。应当理解，此处所体现的原理适用于由来自任意来源的H2加燃料的燃料电池，这些来源包括可重整烃和含氢燃料例如甲醇、乙醇、汽油、碱、或其它脂肪族或芳香族烃。
如图1中所示，一燃料电池系统20包括一燃料处理器22，用于催化地反应一可重整烃类燃料流24，和呈来自一水流26的蒸汽形式的水。在某些燃料处理器中，还在一种组合部分氧化/蒸汽重整反应中使用空气。在这种情况中，燃料处理器22还接收一空气流28。燃料处理器22包含一个或更多反应器，在反应器中，流24中的可重整烃类燃料在存在流26中的蒸汽和流28中的空气的情况下发生分解，以便产生呈重整产品流30形式从燃料处理器22排出的含氢重整产品。燃料处理器22通常还包括一个或更多下游反应器，例如用来将重整产品流30中的一氧化碳水平降低至可接受的水平，例如20ppm以下的水煤气转换(WGS)和/或优先氧化器(PROX)反应器。含H2重整产品30通过燃料电池叠32的阳极室进给。同时，流34中的呈空气形式的氧被进给至燃料电池叠32的阴极室中。来自重整产品流30的氢和来自氧化剂流34的氧在燃料电池叠32中反应以便发电。
来自燃料电池叠32的阳极侧的阳极排放物36中包含一些未反应的氢。来自燃料电池叠32的阴极侧的阴极排放物38中可能包含一些未反应的氧。这些未反应的气体代表着可在燃烧器40中回收的附加能，呈热能的形式，用于系统20内的各种热需求。
具体地讲，一烃类燃料42和/或阳极排放物36可在燃烧器40中与要么从流44中的空气要么从阴极排放物流38提供至燃烧器40中的氧催化地或用热方法进行燃烧，根据系统运行情况而定。燃烧器40将一排放物流44排放至环境中并且由此产生的热可根据需要被引至燃料处理器22。
现在参看图2，描绘了一PEM燃料电池叠32的一部分。PEM燃料电池叠32具有一对由一无孔、导电的双极板52互相分离的薄膜电极组件(MEAs)48和50。每个MEA 48和50具有一阴极面48c、50c和一阳极面48a、50a。MEA 48和50和双极板52在无孔、导电、液冷式双极板54和56之间叠放在一起。双极板52、54和56各包括流场58、60和62，它们具有多个形成于板的面中的流通道，用于将反应物，例如燃料和氧化剂气体，在这种情况中为氢(H2)和氧(O2)，分配至MEA48和50的反应面。不导电衬垫或密封66、68、70和72在燃料电池叠的若干板之间提供密封和电绝缘。多孔、可透气、导电薄板74、76、78和80压在MEA48和50的电极面上并且用作电极的主集电器。主集电器74、76、78和80还为MEA48和50提供了机械支承，特别是在MEA否则就不会在流场中受到支承的位置处。适用的主集电器包括碳/石墨的纸/织物、细筛孔贵金属滤网、开路电池贵金属泡沫等等，它们从电极传导电流而同时容许气体从其流过。
双极板54和56压在MEA 48的阴极面48c上的主集电器74上和MEA 50的阳极面50a上的主集电器80上，而双极板52压在MEA48的阳极面48a上的主集电器76上和MEA506的阴极面50c上的主集电器78上。一氧化剂气体，例如氧气或空气以氧化剂进料流82的形式通过适当的供应管道84供向燃料电池叠的阴极侧。类似地，一呈氢气的形式的燃料以燃料进料流86的形式通过适当的供应管道88供向燃料电池的阳极侧。氧化剂进料流82可由多种来源提供。例如，氧化剂进料流82可来自一储存罐(未示出)或周围的空气。同样，燃料进料流86也可由多种来源提供。例如，燃料进料流86可来自一储存罐(未示出)或一燃料处理器，例如图1中所示的燃料处理器22。还提供有MEA的燃料和氧化剂侧所用的排出管道(未示出)，以用于除去来自相应的阳极和阴极流场的阳极和阴极排放物。提供了冷却剂管道90和92，用于根据需要供应和排出液体冷却剂至双极板54和56。
现在参看图3和4，示出了一根据本发明的原理的燃料电池叠32。燃料电池叠32包括多个单独的燃料电池94，象图2中所示的这些一样，它们各具有一带有位于一侧的阳极面96a和位于相对另一侧的阴极面96c的MEA96，象MEA48和50一样。每个燃料电池94介于一对类似于双极板52、54和56的双极板98之间。一阴极流通道100提供于邻近每个阴极96c处，用于使氧化剂进料流82流过阴极96c并与其形成接触。同样地，一阳极流通道102提供于邻近每个阳极96a处，用于使燃料进料流86流过阳极96a并与其形成接触。MEA96中的薄膜优选地包括一全氟化的磺酸聚合物如NAFION，其在PEM燃料电池领域内为众所周知。每个单独的燃料电池94在叠32中通过双极板98与下一个电池94分离，双极板98将若干电池一个个地分离开同时一个电池接一个地串联传导电流。端板104和106为叠32的末端并且为叠32的端部电池108和110限定了相应阴极和阳极流通道。一氧化剂进料歧管84将氧化剂进料流82供向若干阴极流通道96。类似地，一燃料进料歧管88将燃料进料流86供向若干阳极流通道102。一阳极排放物歧管112收集来自若干阳极流通道102的阳极排放物(排出气体)以便从叠32中排放出。类似地，一阴极排放物歧管114收集来自阴极流通道100的阴极排放物(排出气体)。
反应物进料流82和86向燃料电池叠32提供了氧化剂和燃料，燃料电池叠32由其发电。图中所示的燃料电池叠32使用氢作为燃料并且使用氧，或为纯O2或为空气，作为氧化剂。氢可为纯H2或者为重整产品流30中的氢。重整产品流30包含氢以及其它成分，例如CO、CO2、N2和H2O。为了有效运行，叠32提供有过量的氧化剂和燃料，其中供应的能量大于需求的能量大小。过量的氧化剂和燃料依据拉姆达“λ”来测量，其中所需的过量H2的数量被称为阳极拉姆达“λA”而所需的过量O2的数量被称为阴极拉姆达“λC”。拉姆达被定义为：
其中X为流过燃料电池叠32的进料流中的成分。
由于燃料电池94的构造和制造方面的变化，因此每个燃料电池94可能具有不同的所需λA和λC以便有效运行。这种变化可能由多种原因引起。例如，变化可能由催化剂装载的制造差别、板尺寸、杂质、扩散密度的变化等方面引起。当燃料电池94被装配成一叠32时，叠32将具有一所需λA和λC，其为构成叠32的各个燃料电池94的所需λA和λC的平均值。每个叠32的所需λA和λC可一个个互不相同。另外，所需λA和λC将随着加于叠32上的电负荷而变化。燃料电池94和/或叠32的所需λA和λC可为λA＝1.3和λC＝2.0。λA＝1.3意味着对于叠32为发电所消耗的每1.0摩尔H2，需要向叠32供应1.3摩尔的H2。同样，λC＝2.0意味着对于叠32为发电所消耗的每1.0摩尔O2，需要向叠32供应2.0摩尔的O2。供向叠32的过量H2和O2作为相应的阳极和阴极排放物从叠32排出。
以正确的λA和λC供应叠32由于以下多个原因而非常重要，包括保证有效的发电、避免不必要的H2和O2排出量、以及避免不必要的附加损失，例如用于供应氧化剂的压缩机过度运行或者用于供应重整产品的燃料处理器过度运行。为了向叠32供应正确的λA和λC，就需要对供向叠32的λA和λC的数量进行监控，以便当叠32的运行条件改变(例如电负荷、温度和压力的改变)时，可以调节正在供应的λA和λC以便维持叠32的有效运行。对λA和λC的测量可以通过监控叠32中的一个或更多燃料电池94的电压输出而实现。即，燃料电池94的电压输出将随着供向燃料电池94的λA和λC的数量而变化。燃料电池94的电压输出的变化可以进行测量并且用来确定正在供向叠32的λA和λC的数量，下文中将对此进行更详细的描述。
为了便于使用一个或更多燃料电池94来监控正在供向叠32的λA和λC的数量，可以监控个别燃料电池94的电压输出。如图4中所示，个别燃料电池94的电压输出可通过一能够输出一信号118的电压传感装置116(例如一伏特计)来监控。信号118被输入至一常规型高速模数转换器120(即数据采集单元)中，其调节信号118以便消除噪声，并且产生数字数据流122。受监控的燃料电池94的输出电压优选地在燃料电池叠32的运行过程中规律地(例如每10至100毫秒)进行采样。所得到的信号118由模数转换器120进行调节，并且作为数据流122输入至一数据处理器124中，在那里其与存储于存储器126中的预定参考电压进行比较，下文中将对此进行更详细的描述。叠32(运行中的叠)的运行条件例如电负荷、反应物进料流温度和压力(即，由未示出的传感器测得)也被输入至数据处理器124以便保证从存储器126中为受监控的燃料电池94的给定电压输出选择适当的参考电压。
用作用于监控λA和λC的传感器的燃料电池94可根据对λA和λC的改变的敏感度来选定。如上所述，由于燃料电池94的构造和制造方面的变化，因此每个燃料电池94可具有不同的所需λA和λC以便有效地运行。另外，这些变化可引起燃料电池94对λA和/或λC的改变具有不同的敏感度。就是说，特定燃料电池94响应于λA和/或λC的改变在电压输出方面的改变可能比燃料电池94的总体响应于λA和/或λC的相同改变在电压输出方面的改变更为显著。这种对λA和/或λC的改变具有高或显著的敏感度的特征在其它时候并不合乎需要，但可用来检测λA和/或λC的改变以便进行燃料电池系统的诊断和/或运行评估
对λA和/或λC的改变具有高或显著敏感度的燃料电池94可在对装配好的叠32进行装配或试验之前在检查过程中进行鉴别。在燃料电池叠32已装配好后，通过将叠32安放于一试验装置，例如一试验台中而对叠32进行彻底地试验。在试验台中，与每个燃料电池94形成一电连接以便可以监控每个燃料电池94的电压输出同时叠32在受到精确控制的运行条件下发电。叠32的运行条件在试验过程中受到准确地测量、控制和/或变化。在第一试运转“T1”中，受到准确控制的反应物进料流82和86被供向叠32以便获知λA和/或λC。叠32的运行条件，例如电负荷、温度、压力、冷却剂流和各个进料流的相对湿度也得到了测量和控制(优选地在标称条件下)。然后每个燃料电池94的电压输出就被记录下。
然后，就调节需要找出高敏感度的变量(受监控的变量)，以便进入第二试运转“T2”而同时保持其它变量不变。在T2期间每个燃料电池94的电压输出的改变值被记录下。例如，如果需要找出对λA的改变具有高敏感度的燃料电池94，则按照受控制并且可获知的方式改变燃料进料流86，例如减小供向叠32的氢量，并且记录下燃料电池94的电压输出。计算每个燃料电池94的电压输出的改变值，并且具有比燃料电池的总体的电压输出平均改变值更大的电压输出改变值的燃料电池被确定为对λA的改变具有高敏感度的候选者。从平均值高出大约20mV的电压改变值就足以具有高敏感度。根据T2的结果从所确定的候选者中选择一个或更多燃料电池94来用作叠32中用于监控燃料进料流86中的λA改变值的传感器燃料电池94。如果在T2中并未确定出令人满意的传感器燃料电池94，则可进行更多试验以便确定出令人满意的传感器燃料电池94。
在第三试运转“T3”中，再次改变λA而同时保持其它变量不变并且测定出被确定为具有高敏感度的候选者的每个燃料电池94的输出电压改变值。可选地，可监控所有燃料电池94的输出电压改变值，因为每个燃料电池94都被连接于试验台上。每个受到监控的燃料电池94的输出电压改变值都被记录下以便为基准电压和相关运行条件的数据表产生数据点。
在进行试验T1至Tn时，任何一种变量的改变都将自始至终贯穿一个有限范围。例如，λA可按照各种增加步长，例如0.1，在从1.5到1.0的范围内改变，并且记录并比较燃料电池94的输出电压。一旦所试验(监控)的变量已经自始至终走过这个有限范围，则将一个不同的变量，例如加于叠32上的电负荷，改变至一个新值，并且所试验(监控)的变量再次自始至终走过其增加改变范围，同时其它变量(包括所改变的“不同的变量”)保持不变。这个过程一直继续进行直到一个或更多具有足以用作传感器的所需高敏感度的燃料电池94已经被确定并且直到已经为叠32的各种运行条件建立了足够数量的经验数据，以便使得燃料电池传感器的电压输出可以用来测量所试验(监控)的变量。例如，这个过程可以继续进行直到叠的3至5个不同运行条件已经过试验并且为每个所试验的运行条件收集了2至5个数据点。
这种反复试验程序可以继续进行以便确定对叠32的其它变量(在运行条件下)的改变具有高敏感度的燃料电池94。例如，燃料电池94可对进料流中的λA、λC、CO2的拉姆达、CO的拉姆达和相对湿度呈现高敏感度。应当理解，除了使用输出电压之外，或者作为使用输出电压的替代方案，可以使用输出电压的改变率。
为每个用作叠32中的传感器的燃料电池94所收集和记录的经验数据作为一数据表存储于存储器126中以便由数据处理器124参考，并且可用来与传感器燃料电池94的所测电压输出进行比较。而且，还可以使用经验数据来对系统进行建模以便提供一更为稠密的数据表。所存储的数据为叠32的运行条件提供了传感器燃料电池94的基准电压所用的拉姆达值。使用一查找功能来对传感器燃料电池94的电压输出与存储器126中的数据表中的基准电压进行比较，以便提供一给定运行状态的拉姆达值，直到为叠32的运行条件确定了最接近传感器燃料电池94的所测电压的基准电压为止。如果在基准电压与所测电压输出之间形成了准确匹配，就可以由与匹配数据相关联的经验数据来确定所测变量例如λA和λC的值。在所测电压输出与存储于存储器126中的基准电压输出之间并不需要完全匹配。相反，当所测电压输出位于存储于存储器126中的基准电压数据点之间时，可以使用线性插值法来为所测量的变量产生一估计值。即使当传感器燃料电池94的电压输出的改变值并不随传感器所监控的变量的改变值成线性变化时，仍可以使用线性插值法。为了增加线性插值法的准确性，在试验和经验数据收集过程中所试验变量步进的增加步长改变值可以降低，以便使得响应更加近似于线性响应。尽管以上所述为线性插值法，但应当理解，可以使用更高阶的插值法来使给定燃料电池电压与相关拉姆达值相关联。
为燃料电池94的各种运行条件和电压输出产生的表的大小将会变化，这取决于所记录的变量的个数、有待于由传感器确定的所监控变量改变的增加步长大小、以及叠32所走过的不同运行条件的个数。存储如此大量的数据就增加了存储器126所需的存储容量和处理器124所执行的计算量。为了避免需要过大的存储容量，可以利用经验数据来建立一方程式，其将所监控变量的值近似为传感器燃料电池94的电压输出和叠32的各种运行条件的函数。这种方程式可为曲线拟合、表面拟合、或者由系统特征化方法来描述以便近似经验数据。系统特征化方法为一种在领域内已知的数学方法。其采用一种多输入单输出系统，并且使用经验数据来形成一方程式以便近似由任何输入值给出的系统输出。数据处理器124随后将根据传感器燃料电池94的电压输出和叠32的运行条件而使用适用的方程式确定所监控变量的值。
可以制造具有高敏感度的燃料电池94，来代替试验叠32中的每个燃料电池94以确定其电压输出对特定变量的改变具有高敏感度的燃料电池94。这些专用的燃料电池94可制造成对特定变量具有高敏感度。例如，为了制造对λA的改变具有高敏感度的燃料电池94，可以使得阳极流通道102更加受限制进而限制流过阳极面96a的氢量。流过阳极面96a的氢减少就引起燃料电池94对λA的改变具有高敏感度。替代地，和/或另外地，可以使得扩散介质或者主集电器76和80更加受限制，进而限制流过阳极面96a的氢量。流过阳极面96a的氢的减少引起燃料电池94对λA的改变具有高敏感度。
为了生产对λC的改变具有高敏感度的燃料电池94，可以使得阴极流通道100更加受限制进而限制流过阴极面96c的氧量。流过阴极面96c的氧减少就引起燃料电池94对λC的改变具有高敏感度。替代地，和/或另外地，可以使得扩散介质或者主集电器74和78更加受限制，进而限制流过阴极面96c的氧量。流过阴极面96c的氧的减少引起燃料电池94对λC的改变具有高敏感度。
为了制得对高相对湿度(RH)具有高敏感度的燃料电池94，可以改变聚四氟乙烯装载以便使得燃料电池94对溢流更加敏感。燃料电池94然后将在叠中的其它燃料电池之前溢流并且燃料电池94的电压输出将响应于溢流而改变。替代地，和/或另外地，可以通过拆下端板周围的一些绝缘材料进而降低燃料电池94的温度，而使得溢邻近叠32的端板的燃料电池94对溢流具有高敏感度。温度降低将会促进燃料电池94在叠中的其它燃料电池中的冷凝和溢流之前发生冷凝和溢流。替代地，和/或另外地，燃料电池94可具有尺寸大于平均尺寸的冷却剂通路以便迫使燃料电池94的温度更接近于冷却剂入口温度而非冷却剂出口温度。温度降低将会促进燃料电池94在叠中的其它燃料电池中的冷凝和溢流之前发生冷凝和溢流。
当使用专用燃料电池94来作为叠32中的传感器时，存储器126可带有通过按照上述方式在试验台上试验专用燃料电池94所采集的制成表的经验数据。然而，当使用专用燃料电池94时，确定具有高敏感度的电池的任务就不再需要。也可以利用经验数据来生成一方程式，其将由专用燃料电池94所监控的变量的值近似为专用燃料电池94的电压输出和叠32的运行条件的函数。替代地，如果专用燃料电池被制造成具有近似相同的高敏感度，则可以建立一模型来预测专用燃料电池94的行为并用来预测所监控变量的值。
通过早期检测λA和/或λC的改变，可以采取补救措施，例如增加或减少供向叠32的燃料和/或氧，来将对叠32的运行的影响减至最小和/或消除。另外，通过有能力检测λA和/或λC的改变，就可以实现开环和闭环控制。例如，一前馈控制器就是一种预测可能的燃料处理器输入以便达到所需λA的模型。尽管前馈控制器可以很接近地预测燃料处理器输入，但是由于随着时间过去而产生的燃料处理器制造可变性或催化剂退化，其可能不够完全准确。闭环控制器就可调节燃料处理器输入，(被称作修整前馈结果)以便校正剩余的小λA误差。闭环控制器调节输入一直到输出就是准确的所需λA为止。闭环控制器的反馈为根据燃料电池94的电压值测得的λA。这种相同的方法也可适用于λC。
检测λA和/或λC的改变的能力通过容许选择性诊断而降低了系统成本。例如，如果闭环调节与所预测调整偏离太远，则就可早期发出警告来确定问题。如果使叠运行所需的拉姆达随着时间过去而逐渐升高，则就可在某些预定的拉姆达处发出催化剂需要更换的警告。如果λA由于燃料传输问题而突然升高，则控制器可采取措施来保护位于叠下游的部件。例如，如果敏感燃料电池94显示λA升高，则控制器就可发送更多的空气至下游的燃烧器。假定为一贫燃燃烧器，则额外的气体就会冷却燃烧器以便使得其它燃料不会产生过热。
另外，通过有能力检测λA和/或λC的改变，就可以补偿叠与叠之间的可变性。为了有效地运行系统，应当尽量减小λA和λC。另一种类型的控制为闭环控制器，其降低受指令支配的λA和λC，一直到适当高敏感度的燃料电池94的电压输出开始下降为止。这就决定了叠的最小λA和λC。由于叠与叠之间的可变性，因此每个叠可具有稍微不同的最小容许λA和λC。闭环控制找出每个叠的特定最小拉姆达运行点并在该点运行叠。
使用一个或更多燃料电池94来监控λA和/或λC的改变，就消除了监控叠32中的每个燃料电池94的电压输出的必要性。由于λA和/或λC的改变已知，因此可以在不需要监控每个燃料电池94的情况下优化叠的性能。通过减少电连接和导线的数量，测量仪表的减少就降低了叠32的成本和复杂性，并且增加了可靠性。
应当理解，根据本发明的原理的叠32可使用多于一个燃料电池94来作为特定变量的传感器。例如，叠可使用两个对同一变量具有高敏感度的燃料电池94，从而提供变量监控中的冗余。另外，应当理解，可以使用一簇燃料电池94来监控一特定变量。一簇燃料电池94为一组燃料电池94，利用它们的簇电压来监控一特定变量。例如，可以试验五个燃料电池94的组合电压输出以便对一特定变量的改变具有高敏感度。如果发现这个簇具有高敏感度，则可以按照与使用一个单独的燃料电池的方式来使用这个簇监控特定变量的改变。
对本发明进行的描述事实上仅为示例性，因此并不背离本发明的要旨的各种变型都认为处于本发明的范围之内。这些变型并不被看作背离了本发明的精神和范围。
Claims (39)
1.一种接收反应物流并由其产生一电流的燃料电池组件，这种燃料电池组件包括：
多个按成叠构型设置的燃料电池，其中所述多个燃料电池串联连接，所述多个燃料电池中的第一燃料电池具有一按照已知方式响应于第一反应物流的拉姆达的改变而改变的电压输出；
一监控着所述第一燃料电池的所述电压输出的电压监控装置；以及
一响应于所述第一燃料电池的所述电压输出而接收一来自所述电压监控装置的信号的控制器，所述控制器响应于所述信号而控制着所述第一反应物流。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述控制器包括一微处理器，其将所述第一燃料电池的所述电压输出与储存在一个库中的电压输出进行比较并且响应于所述比较而调节所述第一反应物流。
3.根据权利要求2所述的燃料电池组件，其中所述库为所述燃料电池叠的各种运行条件的期望电压输出和所述第一反应物流的拉姆达的编辑。
4.根据权利要求1所述的燃料电池组件，还包括所述多个燃料电池中的第二燃料电池，其具有一按照已知方式响应于第二反应物流的拉姆达的改变而改变的第二电压输出，所述电压监控装置监控着所述第二燃料电池的所述第二电压输出。
5.根据权利要求4所述的燃料电池组件，其中所述第一反应物流为一燃料流而所述第二反应物流为一氧化剂流。
6.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述第一反应物流为一燃料流。
7.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述第一反应物流为一氧化剂流。
8.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述第一燃料电池为一簇燃料电池，其具有一按照已知方式响应于所述第一反应物流的拉姆达的改变而改变的电压输出，并且所述电压监控装置监控着所述燃料电池簇的所述电压输出。
9.根据权利要求1所述的燃料电池组件，还包括至少一个燃料电池，其各具有一按照已知方式响应于所述第一反应物流的拉姆达的改变而改变的电压输出，并且所述电压监控装置监控着所述至少一个具有按照所述已知方式改变的所述电压输出的燃料电池中每一个的所述电压输出。
10.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述第一燃料电池制作成具有一按照已知方式响应于所述第一反应物流的所述拉姆达的改变而改变的电压输出。
11.根据权利要求10所述的燃料电池组件，其中所述第一燃料电池制作成带有一第一反应物流通道，该第一反应物流通道的截面积比所述多个燃料电池的第一反应物流通道的截面积小，以便使得所述第一燃料电池的所述电压输出比所述多个燃料电池的电压输出对所述第一反应物流的拉姆达的改变更敏感。
12.根据权利要求10所述的燃料电池组件，其中所述第一燃料电池制作成带有一比所述多个燃料电池的第一反应物扩散介质更少孔的第一反应物扩散介质，以便使得所述第一燃料电池的所述电压输出比所述多个燃料电池的电压输出对所述第一反应物流的拉姆达的改变更敏感。
13.根据权利要求10所述的燃料电池组件，其中所述第一燃料电池制作成带有一比所述多个燃料电池的第一反应物主集电器更加致密的第一反应物主集电器，以便使得所述第一燃料电池的所述电压输出比所述多个燃料电池的电压输出对所述第一反应物流的拉姆达的改变更敏感。
14.根据权利要求10所述的燃料电池组件，其中所述第一燃料电池制作成带有比所述多个燃料电池的冷却剂通路更大的冷却剂通路，以便使得所述第一燃料电池的所述电压输出比所述多个燃料电池的电压输出对所述叠的溢流更敏感。
15.根据权利要求1所述的燃料电池组件，其中所述第一燃料电池根据对所述多个燃料电池中的每个燃料电池的试验而从所述多个燃料电池中选择，以便找到按照预定方式响应于所述第一反应物流的所述拉姆达的改变而改变的电压输出。
16.一种用于监控通向一燃料电池叠的反应物进料流的拉姆达的改变的方法，其中所述燃料电池叠包括多个串联设置的燃料电池，这种方法包括以下步骤：
向一燃料电池叠供应第一反应物进料流；
向所述燃料电池叠供应第二反应物进料流；
在所述燃料电池叠中选择一具有按照已知方式随着所述第一反应物进料流的拉姆达的改变而变化的电压输出的第一燃料电池；
监控所述第一燃料电池的所述电压输出；以及
根据所述第一燃料电池的所述电压输出来控制所述第一反应物进料流。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述监控步骤包括将所述第一燃料电池的所述电压输出与储存在一个库中的电压输出进行比较，并且所述控制步骤包括根据所述比较而调节所述第一反应物进料流。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述库为所述燃料电池叠的各种运行条件的期望电压输出和所述第一反应物流的所述拉姆达的改变的编辑。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述编辑的期望电压输出根据对所述第一燃料电池的建模来进行。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述编辑的期望电压输出根据对所述第一燃料电池的试验来进行。
21.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：
在所述燃料电池叠中选择一具有按照已知方式随着所述第二反应物进料流的拉姆达的改变而变化的电压输出的第二燃料电池；
监控所述第二燃料电池的所述电压输出；以及
根据所述第二燃料电池的所述电压输出来控制所述第二反应物进料流。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一反应物进料流为一燃料进料流而所述第二反应物进料流为一氧化剂进料流。
23.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：
在所述燃料电池叠中选择一具有按照已知方式随着所述第一反应物进料流的所述拉姆达的改变而变化的电压输出的第二燃料电池；
监控所述第二燃料电池的所述电压输出；以及
根据所述第一和第二燃料电池的所述电压输出中的至少一个来控制所述第一反应物进料流。
24.根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤：
选择一簇具有按照已知方式随着所述第一反应物进料流的拉姆达的改变而变化的电压输出的燃料电池；
监控所述燃料电池簇的所述电压输出；以及
根据所述燃料电池簇的所述电压输出来控制所述第一反应物进料流。
25.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一反应物进料流为一燃料进料流。
26.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一反应物进料流为一氧化剂进料流。
27.根据权利要求16所述的方法，其中所述选择所述第一燃料电池的步骤包括对构成燃料电池叠的多个燃料电池中的每个燃料电池进行试验，以便确定每个电池响应于所述第一反应物流的所述拉姆达的变动的电压输出变动，并且根据所述试验来选择所述第一燃料电池。
28.根据权利要求16所述的方法，其中所述选择所述第一燃料电池的步骤包括制作所述第一燃料电池以便具有一按照已知方式响应于所述第一反应物流的所述拉姆达的改变而改变的电压输出。
29.一种用于制造一用来监控通向一燃料电池叠的反应物进料流的拉姆达的传感器的方法，包括以下步骤：
(a)向一燃料电池供应第一和第二反应物进料流；
(b)利用所述燃料电池由所述第一和第二反应物进料流产生一电压输出；
(c)监控所述燃料电池的所述电压输出；
(d)改变所述第一反应物进料流的拉姆达；
(e)确定所述燃料电池对所述第一反应物进料流的所述拉姆达的变化的敏感度；以及
(f)当所述燃料电池具有对所述第一反应物进料流的所述拉姆达的所需敏感度特征时，选择所述燃料电池作为一传感器燃料电池。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述确定敏感度的步骤包括计算所述燃料电池的所述电压输出响应于所述第一反应物进料流的所述拉姆达的变化的改变值。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述选择步骤包括将所述燃料电池的所述电压输出的所述改变值与其它燃料电池的电压输出响应于所述第一反应物进料流的所述拉姆达的相同变化的平均改变值进行比较。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括以下步骤：
通过重复执行步骤(d)和(e)来收集关于所述燃料电池的所述敏感度的经验数据。
33.根据权利要求32所述的方法，还包括以下步骤：
改变所述燃料电池的一运行条件，然后通过重复执行步骤(e)和(f)来为所述燃料电池的所述运行条件收集关于所述燃料电池的所述敏感度的经验数据。
34.根据权利要求32所述的方法，还包括以下步骤：
根据所述经验数据产生一基准电压库，以便与所述第一燃料电池一起使用来监控所述第一反应物进料流的所述拉姆达。
35.根据权利要求32所述的方法，还包括以下步骤：
根据所述经验数据产生一方程式，所述方程式将所述燃料电池的所述电压输出建模为所述拉姆达的函数。
36.根据权利要求29所述的方法，还包括以下步骤：
向一簇燃料电池供应所述第一和第二反应物进料流；
利用所述燃料电池簇由所述第一和第二反应物进料流产生一电压输出；
监控所述燃料电池簇的所述电压输出；
改变所述第一反应物进料流的所述拉姆达；
确定所述燃料电池簇对所述第一反应物进料流的所述拉姆达的变化的敏感度；以及
当所述燃料电池簇具有对所述第一反应物进料流的所述拉姆达的所需敏感度特征时，选择所述燃料电池簇作为一传感器燃料电池簇。
37.根据权利要求29所述的方法，还包括以下步骤：
向一包括多个串联设置的燃料电池的燃料电池叠供应所述第一和第二反应物进料流；
利用所述叠的每个燃料电池由所述第一和第二反应物进料流产生一电压输出；
监控所述叠的每个燃料电池的所述电压输出；
改变所述第一反应物进料流的所述拉姆达；
确定所述叠的每个燃料电池对所述第一反应物进料流的所述拉姆达的变化的敏感度；以及
在所述燃料电池叠中选择一具有对所述第一反应物进料流的所述拉姆达的所需敏感度特征的传感器燃料电池。
38.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一反应物进料流为一燃料进料流。
39.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一反应物进料流为一氧化剂进料流。
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