CN104115320A - 氢品质监测器 - Google Patents

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Abstract

一对燃料电池，其被配置为氢气纯度监测器。起到参比电池作用的第一电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流，并且具有第一燃料入口，所述第一燃料入口被配置为从第一氢气源接收氢气。起到试验电池作用的第二燃料电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流，并且具有第二燃料入口，所述第二燃料入口被配置为从第二氢气源接收氢气。控制系统被配置为向每个燃料电池施加电负荷并且确定每个燃料电池的电输出。控制系统具有用于比较所述第一和第二燃料电池的电输出的比较器以及纯度监测器输出设备，所述纯度监测器输出设备被配置为基于所述比较器的输出提供氢气纯度的指示。

Description

氢品质监测器
本发明涉及用于监测氢气供应的品质的装置和方法。
在燃料电池中将氢气作为用于发电的燃料的用途正变得越来越重要。对于最优发电来说以及对于将使用该氢气的燃料电池维持在最优条件下来说，氢气供应的纯度是重要的。
目前，通常通过天然甲烷气体的蒸汽转化来合成用于燃料电池系统的氢气。即使在使用最优质量的实施的情况下，在氢气燃料中也可能存在许多对燃料电池运行有害的污染物。尽管危害通常是可逆的，在最差的情况下，可能会存在高程度的污染，包括一些可以导致对燃料电池的不可逆危害的化合物。
本发明的目标是提供方便的氢气质量监测器，所述氢气质量监测器尤其但不限于适用于监测向燃料电池的燃料供应。
根据一个方面，本发明提供一种氢气纯度监测器，所述氢气纯度监测器包括：
第一燃料电池，所述第一燃料电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流，所述第一燃料电池具有第一燃料入口，所述第一燃料入口被配置为从第一氢气源接收氢气；
第二燃料电池，所述第二燃料电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流，所述第二燃料电池具有第二燃料入口，所述第二燃料入口被配置为从第二氢气源接收氢气；
控制系统，所述控制系统被配置为向每个燃料电池施加电负荷并且确定每个燃料电池的电输出，所述控制系统包括用于比较所述第一和第二燃料电池的电输出的比较器；和
纯度监测器输出设备，所述纯度监测器输出设备被配置为基于所述比较器的输出提供氢气纯度的指示。
所述氢气纯度监测器可以包括包含已知纯度的氢气源的第一氢气源。所述已知纯度的氢气源可以是含有参比气体的氢气箱。所述氢气纯度监测器可以包括氢气纯化装置，所述氢气纯化装置偶联在所述第一燃料入口和所述第二燃料入口之间，以从所述第二氢气源接收氢气，并且将氢气从所述第二氢气源经由作为所述第一氢气源的所述纯化装置提供至所述第一燃料入口。所述氢气纯化装置可以包括催化纯化器。所述氢气纯化装置可以包括钯膜。所述比较器可以被配置为在一段时间上确定所述第一和第二燃料电池中的每一个的电压和/或电流的变化率。所述第二氢气源可以是蒸汽转化器。所述第一燃料电池可以包括在电池组中的多个串联的燃料电池和/或所述第二燃料电池可以包括在电池组中的多个串联的燃料电池。所述第一燃料电池和所述第二燃料电池可以形成单个燃料电池组的一部分。所述第一燃料电池和所述第二燃料电池可以各自为质子交换膜型。所述氢气纯度监测器被集成为更大的一次燃料电池组。
根据另一个方面，本发明提供一种监测氢气纯度的方法，所述方法包括：
将氢气燃料从第一氢气源供应至第一燃料电池，所述第一燃料电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流；
将氢气燃料从第二氢气源供应至第二燃料电池，所述第二燃料电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流；
向每个燃料电池施加电负荷，并且确定每个燃料电池的电输出；
比较所述第一和第二燃料电池的电输出；以及
基于比较器的输出，提供所述第一和第二氢气源中的一个的氢气纯度的指示。
现在将通过实例和参照附图来描述本发明的实施方案，在附图中：
图1示出了基于燃料电池的氢气质量监测器的示意图；
图2示出了备选的基于燃料电池的氢气质量监测器的示意图；
图3示出了备选的基于燃料电池的氢气质量监测器的示意图。
在此描述的方便的氢气纯度监测系统使用燃料电池技术以便监测氢气质量。纯度监测系统提供污染检测并且可以在氢气燃料添加站使用以便在将其交付给消费者之前评估燃料纯度。纯度监测系统还可以用于监测供给至运行的燃料电池的氢气供应，所述燃料电池被用作，例如用于建筑或交通工具的电源(在本文中被称为一次燃料电池)。纯度监测系统可以被用作周期性测试系统或用作“在线(in-line)”连续运行燃料监测器。
纯度监测系统使用至少两个燃料电池的构造以便监测氢气纯度。使用燃料电池进行氢气纯度监测的优点是，与现有的元素分析装置和方法相比，其相对廉价。基于燃料电池的纯度监测系统的另一个优点是，进行纯度监测的燃料电池根据它们特有的性质可以容易地被配置为对完全相同的污染物敏感，所述污染物对可以与纯度监测器结合的一次燃料电池组的运行有害。
图1示出了说明氢气纯度监测器10的第一构造的运行原理的示意图。纯度监测器10包括第一燃料电池11和第二燃料电池12。第一燃料电池11是参比燃料电池，并且还可以包括许多设置在串联构造中的单个燃料电池作为参比燃料电池组1。第二燃料电池12是试验燃料电池，并且还可以包括许多设置在串联构造中的单个燃料电池作为试验燃料电池组2。参比电池11具有燃料入口13，并且试验电池12具有燃料入口14。在这种布置中，燃料入口13、14二者均由共用氢气源5供应。氢气源5可以是任何形式的氢气源，包括但不限于，任何形式的储存箱或容器、连续的管道供应物、或氢气发生器如蒸汽转化系统。燃料入口13通过纯化器16连接至氢气源5。纯化器16可以是任何形式的能够移除会降低参比燃料电池11和试验燃料电池12的电学性能的污染物的过滤器。例如，可以使用任何形式的催化剂活化的纯化器。优选的纯化器是钯膜。纯化器优选位于入口13与入口14和氢气源5之间。可以使用任何适合的纯化器或在线气体纯化方法，如基于使用多孔介质或变压吸附的吸附方法的那些。许多可用的氢气纯化器是可商购的，如来自SAES Pure Gas Inc的
氢气源5还可以包括输出6，所述输出6与被供应至燃料入口14的输出是相同的并且偶联到用于发电的一次燃料电池组电源(未示出)。
参比燃料电池11具有电输出17，并且试验燃料电池12具有电输出18。电输出17、18二者均连接至控制器20。控制器20被配置为向燃料电池11、12中的每一个施加电负荷(未示出)，并且监测燃料电池11、12的电输出17、18。控制器20还包括比较燃料电池11、12的电输出17、18的比较器(未示出)。控制器20还提供纯度监测器输出设备22，所述纯度监测器输出设备22被配置为基于比较器的输出提供氢气源5的氢气纯度的指示。
在使用中，氢气源5将氢气燃料经由纯化器16供应至参比燃料电池11，但是将氢气燃料在不纯化的情况下直接供应至试验燃料电池12。通过比较来自参比燃料电池11和来自试验燃料电池12的性能测量，可以测试被供给至试验燃料电池的氢气中的对燃料电池运行特别有害并且降低试验燃料电池的电学性能的污染物的存在。
控制器20可以被配置为连续地、周期地或间歇地进行性能测量。性能测量可以包括对参比电池和试验电池中的每一个测量燃料电池在恒定的输出电流下的电压和/或在恒定的电压下的输出电流。如在插入的输出图24、25中所示，与参比电池11相比，试验电池12中的任何电压损失率26都与氢气源燃料中污染的量和类型有关。与参比电池11的比较提供了针对环境变化如温度、湿度、空气污染和其他影响燃料电池性能的因素的测量标准。
任何适合的算法都可以用于监测和比较参比和试验电池11、12的相对性能。示例性算法可以对参比和试验电池中的每一个确定电压输出的变化率，并且基于各自变化率的差来确定纯度水平。示例性算法可以基于参比和试验电池的电压输出的绝对差来确定纯度水平。控制器可以被配置为当产生的差瞬间或在经过限定的时间段后超过预定的最大值时触发报警条件。电压输出的变化率可以提供氢气供应的污染的严重性的指示。
通过提供借助不同的纯化器或污染物过滤器各自用来自氢气源5的氢气供应的额外的参比燃料电池，每个过滤器均被配置为移除特定的污染物，可以进行不同污染物之间的辨别。
备选地，或附加地，通过为额外的参比和试验燃料电池提供具有不同的催化剂、膜或其他对不同特定污染物敏感的特性的电池，可以进行不同污染物之间的辨别。
在图2中所示的备选布置中，氢气纯度监测器10a设置有单独的高纯度氢气源27，代替来自主要氢气源5的纯化的供应物。在这种布置中，高纯度氢气源27可以是已知高纯度氢气参比气体的小型储存容器或箱，例如在高完整性的容器中的至少已知纯度水平的氢气。在其他方面，纯度监测器10a以与图1的纯度监测器10相同的方式运行。
氢气纯度监测器10、10a的燃料电池优选为质子交换膜型，尽管可以使用其他能够由氢气和氧气的电化学反应产生电流的燃料电池类型。
参比和试验燃料电池11、12可以形成一个或多个燃料电池组的一部分。在一种布置中，在单个燃料电池组中，一个或多个串联的参比电池可以偶联到一个或多个串联的试验电池。可以在由相关电池或多组电池组成的电池组中以已知的方式设置适当的电压监测端子，从而提供必需的输出17、18。电池组会设置有用于一个或多个参比电池的必需的单独参比燃料供应物以及用于一个或多个试验电池的试验燃料供应物。将参比和试验电池集成至相同的电池组中可以提供的优点在于，参比和试验燃料电池的运行的环境条件(例如温度、压力、湿度等)更加紧密匹配，从而减少因环境条件的差异而产生的电池之间的任何电输出变化。
还可以将纯化器16集成至与参比电池相同的燃料电池组中，例如通过使催化剂表面处于与一个或多个参比电池相邻的平板中并且为氢气的递送提供适当的流体流动端口，以使得纯化器与一个或多个参比电池流体串联。
在另一种布置中，可以将氢气纯度监测器10或10a集成至为外部负荷例如汽车电力单元提供电力的一次燃料电池组中。可以在由被指定为参比和试验电池的电池组成的一次电池组中中以已知的方式设置适当的电压监测端子，从而提供必需的输出17、18。一次电池组会设置有用于一个或多个参比电池的必需的单独参比燃料供应物。其余充当一次电池组电源的电池组和试验电池将会设置有来自源5的燃料。
在另一种布置中，氢气纯度监测系统可以是模块化的，以使得可以在某一时间段后或者在污染事件后常规替换参比和/或试验燃料电池和钯膜。
纯度监测器可以被配置为在燃料递送至主要燃料储存箱5后运行预定的时间段。备选地，可以在填充箱5前进行样品体积的燃料递送，以避免燃料递送中污染物的稀释。如果试验和参比电池之间的电压下降的差高于预定值，则系统可以被配置为触发递送站的关闭和/或从箱运行一次燃料电池，或者为了对燃料源更详细分析而触发的报警条件。
在污染事件后，可以用纯化氢气来清洗试验电池，这可以提供污染类型的一些指示。例如：
(i)试验电池电输出的立刻提高可以表明，污染事件对应于受对燃料电池催化剂不具有直接效果但是引起氢气浓度降低的污染物的浓度污染(稀释)；
(ii)试验电池电输出随时间的提高可以表明，污染事件对应于可逆的催化剂污染(例如受CO污染)；
(iii)试验电池电输出随时间的没有或很少提高可以表明，污染事件对应于不可逆的催化剂污染(例如受硫化合物污染)。
如果需要，可以提高氢气纯度监测器对氢气污染的灵敏度。氢气内的杂质水平可能太小以不能使用例如图1的装置在合理的时间范围检测到。例如，含硫物种可以对试验燃料电池12具有累积的效果，并且一般来说，对暴露于1ppm杂质100小时的试验电池的影响与暴露于100ppm的杂质1小时类似。同样地，如果在将氢气供给至试验燃料电池12前浓缩氢气内的杂质，也可以是有益的。这可以通过在纯化器16中使用横流式过滤型技术并且根据图3将装置重新配置而实现。
在横流式过滤装置中，将进料流输入至过滤器，并且这种流的一部分能够通过过滤器膜而形成被称为透过物流的过滤的或纯化的输出物。另一部分的输入流沿着过滤器膜的上游表面通过，有效地将膜洗涤，并且被送到被称为截留物的第二输出物。尽管横流式过滤通常用于依靠横向流来降低过滤器堵塞以连续清洗过滤器介质的上游面，在图3中描述的装置中，其具有额外的益处。实际上，增加了纯化的透过物流和残留流动之间的杂质浓度差，输入流中的杂质被浓缩为截留物流。
参照图3，氢气纯度监测器30包括具有偶联到氢气源5的输入进料流管线32的纯化器31、具有上游侧34和下游侧35的膜33、与膜33的下游侧35连通的透过物流管线36以及与膜33的上游侧34连通的截留物流管线37。
透过物流管线36偶联到参比燃料电池11，并且向其提供纯化氢气。截留物流管线37耦接至试验燃料电池12，并且向其提供具有浓缩杂质的氢气。因此，根据在透过物流和截留物流中发现的杂质的比例，电输出端口17和18的差增大。
在优选实例中，纯化器31包括钯(Pd)膜(membrane)、片或薄膜(film)(在本文中一般会被称为“膜”)。氢气能够透过钯的薄膜。同样地，当Pd膜的一侧暴露于含有氢气的气体的混合物时，氢气能够透过Pd膜，但是其他物种不能透过。氢气解离为原子以便通过膜扩散，并且之后在另一侧重新结合为分子。可以通过维持横跨膜的增加的压力差来加速或提高此过程。通过膜的氢气是透过物，被截留在另一侧上的氢气和污染物气体是截留物。为了维持通过膜的氢气的流通量，高压进料侧优选不应该成为被非透过物种填充，并且截留物流有助于此。其他类型的纯化器31是可用的，如具有聚合物膜的那些。
通过选择适合的来自膜33的高压侧的截留物流量，可以借助将氢气从污染燃料流移除至透过物流来将输入进料流中低水平的杂质(例如0.1ppm一氧化碳)浓缩为截留物流中的1ppm或者甚至10ppm。校准技术可以用于对通过纯横流式化器31完成的杂质浓缩的量进行量化，从而基于参比电池11和试验电池12的电输出，校准进料流中的有效杂质水平。
其他实施方案意图上落入所附权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种氢气纯度监测器，所述氢气纯度监测器包括：
第一燃料电池，所述第一燃料电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流，所述第一燃料电池具有第一燃料入口，所述第一燃料入口被配置为从第一氢气源接收氢气；
第二燃料电池，所述第二燃料电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流，所述第二燃料电池具有第二燃料入口，所述第二燃料入口被配置为从第二氢气源接收氢气；
控制系统，所述控制系统被配置为向每个燃料电池施加电负荷并且确定每个燃料电池的电输出，所述控制系统包括用于比较所述第一和第二燃料电池的电输出的比较器；和
纯度监测器输出设备，所述纯度监测器输出设备被配置为基于所述比较器的输出提供氢气纯度的指示。
2.根据权利要求1所述的氢气纯度监测器，所述氢气纯度监测器还包括包含已知纯度的氢气源的第一氢气源。
3.根据权利要求2所述的氢气纯度监测器，其中所述已知纯度的氢气源是含有参比气体的氢气箱。
4.根据权利要求1所述的氢气纯度监测器，所述氢气纯度监测器还包括氢气纯化装置，所述氢气纯化装置偶联在所述第一燃料入口和所述第二燃料入口之间，以从所述第二氢气源接收氢气，并且将氢气从所述第二氢气源经由作为所述第一氢气源的所述纯化装置提供至所述第一燃料入口。
5.根据权利要求4所述的氢气纯度监测器，其中所述氢气纯化装置包括催化纯化器。
6.根据权利要求1所述的氢气纯度监测器，所述氢气纯度监测器还包括氢气纯化装置，所述氢气纯化装置偶联在所述第一燃料入口和所述第二燃料入口之间，所述氢气纯化装置具有进料入口、透过物出口和截留物出口，
所述透过物出口偶联到所述第一燃料入口，以起到所述第一氢气源的作用，并且
所述截留物出口偶联到所述第二燃料入口，以起到所述第二氢气源的作用。
7.根据权利要求4或权利要求6所述的氢气纯度监测器，其中所述氢气纯化装置包括钯膜。
8.根据权利要求1所述的氢气纯度监测器，其中所述比较器被配置为在一段时间上确定所述第一和第二燃料电池中的每一个的电压和/或电流的变化率。
9.根据权利要求1所述的氢气纯度监测器，其中所述第二氢气源是蒸汽转化器。
10.根据权利要求1所述的氢气纯度监测器，其中所述第一燃料电池包括在电池组中的多个串联的燃料电池和/或其中所述第二燃料电池包括在电池组中的多个串联的燃料电池。
11.根据权利要求1所述的氢气纯度监测器，其中所述第一燃料电池和所述第二燃料电池形成单个燃料电池组的一部分。
12.根据权利要求1所述的氢气纯度监测器，其中所述第一燃料电池和所述第二燃料电池各自为质子交换膜型。
13.根据权利要求11所述的氢气纯度监测器，所述氢气纯度监测器被集成为更大的一次燃料电池组。
14.根据权利要求6所述的氢气纯度监测器，其中所述氢气纯化装置的所述进料入口偶联到共用氢气源。
15.一种装置，所述装置基本上如参照附图在本文中所描述的。
16.一种监测氢气纯度的方法，所述方法包括：
将氢气燃料从第一氢气源供应至第一燃料电池，所述第一燃料电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流；
将氢气燃料从第二氢气源供应至第二燃料电池，所述第二燃料电池被配置为由氢气和氧化剂的电化学反应产生电流；
向每个燃料电池施加电负荷，并且确定每个燃料电池的电输出；
比较所述第一和第二燃料电池的电输出；以及
基于比较器的输出，提供所述第一和第二氢气源中的一个的氢气纯度的指示。
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