CN102288728A - 对燃烧电池排放气体流氢传感器的功能测试 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过在驱动时和在定期维修时使用燃料电池系统固有装置产生限定的氢脉冲对燃烧电池排放气体流氢传感器的功能测试。具体地，一种用于在系统的运行期间确定燃料电池系统的排气中的氢浓度传感器是否适当地运行的系统和方法。该方法包括将来自喷射器的氢气脉冲直接喷射到系统排气中并根据这些氢喷射脉冲来分析传感器响应。可选地，可以将来自阳极吹扫或排出的脉冲提供给排气，以确定传感器响应。
Description
技术领域
本发明总体涉及一种用于在燃料电池系统运行期间提供氢脉冲以测试系统排气中的氢浓度传感器的系统和方法，且更具体地，涉及一种用于将来自氢喷射器、阳极吹扫阀和/或阳极排出阀的固定气体脉冲直接提供给系统排气以测试排气中的氢浓度传感器的系统和方法。
背景技术
氢是一种非常有吸引力的燃料，因为其清洁以及可被用来在燃料电池中有效地产生电。氢燃料电池是一种电化学装置，其包括阳极、阴极以及在阳极和阴极之间的电解质。阳极接收氢气，阴极接收氧或空气。氢气在阳极催化剂处分解以生成自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极催化剂处的氧和电子反应生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质且因此被引导通过负载以在被送到阴极前做功。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种常见的车用燃料电池。PEMFC通常包括固态聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极或催化剂层通常包括精细分开的催化剂颗粒，通常为铂（Pt），其支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定膜电极组件（MEA）。各MEA通常夹在两片多孔材料，即气体扩散层（GDL）之间，该气体扩散层保护膜的机械完整性，并帮助得到均匀的反应物湿度分布。MEA的制造相对昂贵并且要求特定条件以有效运行。
通常将若干燃料电池组合成燃料电池堆以产生期望的电力。例如，典型的车用燃料电池堆可具有两百或更多的堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极反应物输入气体，通常是经由压缩机迫使通过所述堆的空气流。并非所有的氧被堆消耗，部分空气作为阴极排出气体被输出，其中可含有作为堆的副产品的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧的阳极氢反应物输入气体。
燃料电池堆通常包括一系列位于堆中的若干MEA之间的双极板，其中双极板和MEA定位于两个端板之间。双极板包括用于相邻堆中燃料电池的阳极侧和阴极侧。在双极板的阳极侧上提供阳极气体流场，以允许阳极反应气体流向相应的MEA。在双极板的阴极侧上提供阴极气体流场，以允许阴极反应气体流向相应的MEA。一个端板包括阳极气体流道，而另一个端板包括阴极气体流道。双极板和端板由导电材料例如不锈钢或导电复合物制成。端板将燃料电池所产生的电导出堆。双极板还包括冷却流体流动通过其的流道。
许多车用燃料电池系统在系统排气中采用用于安全目的的氢浓度传感器，以监控并防止氢排放物超过特定浓度。在一种已知的系统中，采用了包括两个感测芯片和两个CPU的复杂的且昂贵的氢浓度传感器。这种类型的传感器需要具有在批准的维修中心用预混合的测试气体以定期间隔例如每三个月予以执行的功能和校准测试。此外，这些传感器还将需要在车辆的正常维护事件时进行校准和测试。因此，为了有效地监控来自燃料电池车辆的氢气排放物，将需要昂贵的传感器，将需要昂贵的测试装置，并且在维修中心将需要预混合的气体，所有这些显著增加了车辆的成本。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于在系统的运行期间确定燃料电池系统的排气中的氢浓度传感器是否适当地运行的系统和方法。该方法包括将来自喷射器的氢气脉冲直接喷射到系统排气中并根据这些氢喷射脉冲来分析传感器响应。可选地，可以将来自阳极吹扫或排出的脉冲提供给排气，以确定传感器响应。
结合附图并根据以下描述和所附权利要求，本发明的其它特征将变得明显。
本发明还提供如下方案：
1、一种用于测试位于燃料电池系统的排放气体管线中的氢浓度传感器的方法，所述方法包括：
将来自燃料电池堆的排放气体流提供到所述排放气体管线；
使用多个喷射器将来自氢源的氢气喷射至所述燃料电池堆的阳极侧；
使用所述喷射器中的至少一个将来自所述氢源的氢气以脉冲方式直接喷射到所述排气管线；以及
通过所述氢传感器检测喷射到所述排放气体管线中的氢气的脉冲，以确定所述氢传感器是否适当地运行。
2、根据方案1所述的方法，其特征在于，其还包括：将来自所述燃料电池堆的阳极排放气体的脉冲提供到所述排放气体管线；以及通过所述氢传感器检测阳极排放气体的所述脉冲，以确定所述氢传感器是否适当地运行。
3、根据方案2所述的方法，其特征在于，将所述阳极排放气体的不是所述脉冲的一部分的剩余部分提供到所述燃料电池堆的阴极输入端。
4、根据方案2所述的方法，其特征在于，提供阳极排放气体的脉冲包括：从用于吹扫所述燃料电池堆的所述阳极侧的吹扫阀提供阳极排放气体的脉冲。
5、根据方案2所述的方法，其特征在于，提供阳极排放气体的脉冲包括：从用于从所述燃料电池堆的所述阳极侧排出阳极排放气体的排出阀提供阳极排放气体的脉冲。
6、根据方案1所述的方法，其特征在于，所述燃料电池堆在阳极流迁移下运行。
7、一种用于测试位于燃料电池系统的排气管线中的氢浓度传感器的方法，所述方法包括：
将来自燃料电池堆的排放气体流提供到所述排放气体管线；
在所述燃料电池系统的正常操作期间将来自所述燃料电池堆的阳极排放气体的脉冲从所述燃料电池系统内的部件提供到所述排放气体管线；以及
通过所述氢传感器检测氢气的所述脉冲，以确定所述氢传感器是否适当地运行。
8、根据方案7所述的方法，其特征在于，提供氢气的脉冲包括：直接地从至少一个喷射器提供氢气的脉冲，所述至少一个喷射器否则用于将来自氢源的氢气喷射到所述燃料电池堆的阳极输入端。
9、根据方案7所述的方法，其特征在于，提供阳极排放气体的脉冲包括：从用于吹扫所述燃料电池堆的所述阳极侧的吹扫阀提供阳极排放气体的脉冲。
10、根据方案9所述的方法，其特征在于，将所述阳极排放气体的不是所述脉冲的一部分的剩余部分提供到所述燃料电池堆的阴极输入端。
11、根据方案7所述的方法，其特征在于，提供阳极排放气体的脉冲包括：从用于从所述燃料电池堆的所述阳极侧排出阳极排放气体的排出阀提供阳极排放气体的脉冲。
12、根据方案11所述的方法，其特征在于，将所述阳极排放气体的不是所述脉冲的一部分的剩余部分提供到所述燃料电池堆的阴极输入端。
13、根据方案7所述的方法，其特征在于，所述燃料电池堆在阳极流迁移下运行。
14、一种用于测试位于燃料电池系统的排气管线中的氢浓度传感器的系统，所述系统包括：
用于将来自燃料电池堆的排放气体流提供到所述排放气体管线的装置；
用于在所述燃料电池系统的正常操作期间将来自所述燃料电池堆的阳极排放气体的脉冲从所述燃料电池系统内的部件提供到所述排放气体管线的装置；以及
通过所述氢传感器检测氢气的所述脉冲以确定所述氢传感器是否适当地运行的装置。
15、根据方案14所述的系统，其特征在于，用于提供氢气的脉冲的装置直接地从至少一个喷射器提供氢气的脉冲，所述至少一个喷射器否则用于将来自氢源的氢气喷射到所述燃料电池堆的阳极输入端。
16、根据方案14所述的系统，其特征在于，用于提供阳极排放气体的脉冲的装置从用于吹扫所述燃料电池堆的所述阳极侧的吹扫阀提供阳极排放气体的脉冲。
17、根据方案16所述的系统，其特征在于，将所述阳极排放气体的不是所述脉冲的一部分的剩余部分提供到所述燃料电池堆的阴极输入端。
18、根据方案14所述的系统，其特征在于，用于提供阳极排放气体的脉冲的装置从用于从所述燃料电池堆的所述阳极侧排出阳极排放气体的排出阀提供阳极排放气体的脉冲。
19、根据方案18所述的系统，其特征在于，将所述阳极排放气体的不是所述脉冲的一部分的剩余部分提供到所述燃料电池堆的阴极输入端。
20、根据方案14所述的系统，其特征在于，所述燃料电池堆在阳极流迁移下运行。
附图说明
图1是燃料电池系统的方框平面图。
具体实施方式
下面对涉及一种用于在系统运行期间测试燃料电池系统的排气中的氢浓度传感器的系统和方法的本发明实施例的讨论本质上仅为示例性的并且绝不用于限制本发明或者其应用或使用。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的方框平面图。燃料电池堆12意在表示车用燃料电池功率系统中的许多个所组合部件，包括用于阳极流迁移型燃料电池系统的多个子堆。燃料电池堆12的阴极侧在阴极输入管线14上接收来自压缩机16的空气流，系统排放气体从电池堆12通过排气管18输出。来自氢罐20的氢气在阳极输入管线22上通过喷射器组24喷射到燃料电池堆12的阳极侧。
提供吹扫阀26，从而以受控方式吹扫燃料电池堆12的阳极侧，以从堆12的阳极快速地去除气体，并且提供排出阀28，从而以本领域技术人员充分地理解的方式按预定间隔从燃料电池堆12的阳极侧排出氮。包括阳极流迁移型燃料电池系统的典型燃料电池系统采用吹扫阀以在特定时间例如在关闭时使用空气吹扫燃料电池堆的阳极侧，以去除用于冷冻情况的流道中的剩余的氢和水，并因此提供其它优点。此外，因为MEA是多孔的，所以来自堆的阴极侧的空气中的氮穿过膜，并聚集在阳极侧，称作氮横跨。燃料电池堆的阳极侧中的氮稀释氢，从而如果氮浓度升高至特定百分比以上，则燃料电池堆会变得不稳定。因此，阳极侧的周期性引导是必要的。
在为系统10示出的设计中，所吹扫和排出的阳极气体被送至系统10的排气，并且在排气管18中与来自阴极侧的空气混合。然而，在其它设计中，所吹扫和排出的阳极气体可以在管线14上被送至阴极输入端，从而在堆12中产生水。氢浓度传感器30测量排气管18中的氢气的浓度，如下面的讨论。
本发明提出在系统10中使用氢源来提供可以由氢传感器30检测的氢脉冲，从而在车辆的运行期间以各种间隔确定传感器30是否适当地运行。在一个示例中，喷射器组24中的喷射器一个选择成在管线32上将堆32周围的氢气的脉冲直接引导至排气管18。因此，在系统排气内将提供已知量的氢气的脉冲，其可以由传感器30检测并进行分析，以确定与排气中的其它气体混合的氢的浓度是否被正确地检测到。
将被采用以选择喷射器的脉冲持续周期和时间的算法将考虑许多系统参数，包括各种压力、温度、压缩机速度、功率要求等，使得排气中的氢气的量处于低于排放物要求的水平。因此，该算法由于受控脉冲将寻找排气中的氢气浓度的适当增加，以便提供已知量的氢，从而确定传感器30是否适当地运行。在车辆处于维修中心时的情形下，当燃料电池系统空载运行时，可以通过将氢气引导到排气中来产生很好地限定的氢脉冲。该脉冲可以正好如指定的那么高，以触发车辆氢警报。在传感器故障的情况下，即，在低于或高于预期时，车辆氢警报根本不会被触发，或者会较早地被触发。
如上所述，在系统10的设计中，吹扫阀26和排出阀28使得所吹扫和排出的阳极气体引导至排气管18。在吹扫和排出事件期间，由于从堆12所吹扫或排出的额外氢的浓度，氢传感器30将记录系统排气中的氢浓度增加。然而，吹扫或排出的长度以及吹扫或排出的时机对于确定传感器30的操作的质量而言可能是理想的，也可能不是理想的。在替代设计中，吹扫或排出的阳极气体可以在管线14上被送至阴极输入端，且可以提供额外的管道设备和阀，从而以脉冲方式将一些所吹扫和排出的阳极气体引导至排气管18。以这种方式，在吹扫事件期间，所选择的和受控量的阳极气体可被引导至排气达一控制的时间量，从而可以为分析氢传感器30的操作提供更好的结果。
因此，对于氢传感器30，可以使用需要较少的感测芯片和较少的CPU并且显著地减少了传感器要求和传感器复杂度的较便宜的传感器。此外，可以增加传感器维修间隔之间的时间间隔。
上述讨论只是公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这些讨论并从附图和权利要求很容易认识到，在不脱离随附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以在此进行各种改变、修改和变化。
Claims (10)
1. 一种用于测试位于燃料电池系统的排放气体管线中的氢浓度传感器的方法，所述方法包括：
将来自燃料电池堆的排放气体流提供到所述排放气体管线；
使用多个喷射器将来自氢源的氢气喷射至所述燃料电池堆的阳极侧；
使用所述喷射器中的至少一个将来自所述氢源的氢气以脉冲方式直接喷射到所述排气管线；以及
通过所述氢传感器检测喷射到所述排放气体管线中的氢气的脉冲，以确定所述氢传感器是否适当地运行。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其还包括：将来自所述燃料电池堆的阳极排放气体的脉冲提供到所述排放气体管线；以及通过所述氢传感器检测阳极排放气体的所述脉冲，以确定所述氢传感器是否适当地运行。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述阳极排放气体的不是所述脉冲的一部分的剩余部分提供到所述燃料电池堆的阴极输入端。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，提供阳极排放气体的脉冲包括：从用于吹扫所述燃料电池堆的所述阳极侧的吹扫阀提供阳极排放气体的脉冲。
5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，提供阳极排放气体的脉冲包括：从用于从所述燃料电池堆的所述阳极侧排出阳极排放气体的排出阀提供阳极排放气体的脉冲。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料电池堆在阳极流迁移下运行。
7. 一种用于测试位于燃料电池系统的排气管线中的氢浓度传感器的方法，所述方法包括：
将来自燃料电池堆的排放气体流提供到所述排放气体管线；
在所述燃料电池系统的正常操作期间将来自所述燃料电池堆的阳极排放气体的脉冲从所述燃料电池系统内的部件提供到所述排放气体管线；以及
通过所述氢传感器检测氢气的所述脉冲，以确定所述氢传感器是否适当地运行。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，提供氢气的脉冲包括：直接地从至少一个喷射器提供氢气的脉冲，所述至少一个喷射器否则用于将来自氢源的氢气喷射到所述燃料电池堆的阳极输入端。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，提供阳极排放气体的脉冲包括：从用于吹扫所述燃料电池堆的所述阳极侧的吹扫阀提供阳极排放气体的脉冲。
10. 一种用于测试位于燃料电池系统的排气管线中的氢浓度传感器的系统，所述系统包括：
用于将来自燃料电池堆的排放气体流提供到所述排放气体管线的装置；
用于在所述燃料电池系统的正常操作期间将来自所述燃料电池堆的阳极排放气体的脉冲从所述燃料电池系统内的部件提供到所述排放气体管线的装置；以及
通过所述氢传感器检测氢气的所述脉冲以确定所述氢传感器是否适当地运行的装置。
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