專(zhuān)利名稱(chēng)：利用由氫氣分壓力差產(chǎn)生的電池壓力的氫氣濃度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明總地涉及確定燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極子系統(tǒng)中氫氣濃度的氫氣濃度傳感器， 更特別地，涉及確定利用陽(yáng)極廢氣再循環(huán)的燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極子系統(tǒng)中氫氣濃度的氫氣濃度傳感器，其中使用能斯特方程來(lái)從氫氣濃度傳感器電壓輸出確定再循環(huán)氣體中的氫氣分壓力，并使用氫氣分壓力確定再循環(huán)氣體中的氫氣濃度。
背景技術(shù)：
因?yàn)闅錃馇鍧?，并且可用于在燃料電池中有效地產(chǎn)生電能，因此氫氣是一種非常有吸引力的燃料。氫氣燃料電池是一種電化學(xué)裝置，包括陽(yáng)極和陰極，其間具有電解質(zhì)。陽(yáng)極接收氫氣氣體，陰極接收氧氣或空氣。氫氣氣體在陽(yáng)極中分離，產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子與陰極中的氧氣和電子反應(yīng)，產(chǎn)生水。陽(yáng)極的電子無(wú)法通過(guò)電解質(zhì)，因此在傳送至陰極之前被引導(dǎo)通過(guò)負(fù)載做功。質(zhì)子交換薄膜燃料電池(PEMFC)是一種用于車(chē)輛的常見(jiàn)燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質(zhì)質(zhì)子導(dǎo)電薄膜，例如全氟磺基酸薄膜。陽(yáng)極和陰極通常包括支撐在碳顆粒上并與離聚合物混合的細(xì)分催化劑顆粒，通常為鉬(Pt)。催化劑混合物沉積在薄膜的相對(duì)側(cè)面上。陽(yáng)極催化劑混合物、陰極催化劑混合物及薄膜的組合限定了薄膜電極組件 (MEA)0 MEA制造比較貴，且需要特定的條件以便有效操作。通常幾個(gè)燃料電池組合成燃料電池堆，以產(chǎn)生期望的電力。例如，用于車(chē)輛的典型燃料電池堆可具有兩百個(gè)或更多的堆置燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應(yīng)氣體，通常為通過(guò)壓縮機(jī)強(qiáng)制通過(guò)電池堆的空氣流。不是所有氧氣都被電池堆消耗掉，而是一部分空氣輸出作為可包括水作為電池堆副產(chǎn)物的陰極廢氣。燃料電池堆還接收流入電池堆陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極氫氣反應(yīng)氣體。電池堆還包括冷卻流體流過(guò)的流動(dòng)通道。燃料電池堆包括位于電池堆中幾個(gè)MEA之間的一系列雙極板，其中所述雙極板和 MEA位于兩個(gè)端板之間。雙極板包括用于電池堆中相鄰燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。陽(yáng)極氣流通道設(shè)在允許陽(yáng)極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)MEA的雙極板的陽(yáng)極側(cè)上。陰極氣流通道設(shè)在允許陰極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)MEA的雙極板的陰極側(cè)上。一個(gè)端板包括陽(yáng)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(dǎo)電材料制成，例如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合材料。端板將燃料電池產(chǎn)生的電能傳導(dǎo)出電池堆。雙極板還包括冷卻流體流動(dòng)通過(guò)的流動(dòng)通道。MEA是可滲透的，因此允許空氣中的氮?dú)鈴碾姵囟训年帢O側(cè)滲透通過(guò)，并聚積在電池堆的陽(yáng)極側(cè)，行業(yè)中稱(chēng)為氮?dú)饨徊?。盡管陽(yáng)極側(cè)壓力可能比陰極側(cè)壓力高，但是陰極側(cè)分壓力會(huì)引起空氣滲透通過(guò)薄膜。燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)中的氮?dú)庀♂屃藲錃?，使得如果氮?dú)鉂舛壬叱^(guò)一定的比例，例如50%，那么燃料電池堆會(huì)變得不穩(wěn)定并可能出現(xiàn)故障。本領(lǐng)域已知在燃料電池堆的陽(yáng)極廢氣輸出處設(shè)置排氣閥，以從電池堆的陽(yáng)極側(cè)去除氮?dú)狻?期望預(yù)測(cè)或估計(jì)系統(tǒng)起動(dòng)期間燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極和陰極中的氫氣量，以允許起動(dòng)策略滿(mǎn)足排放要求，同時(shí)最大化可靠性和最小化起動(dòng)時(shí)間。還期望估計(jì)在正常操作、車(chē)輛怠速及車(chē)輛所有其它操作模式期間陽(yáng)極中的氫氣濃度，以更好地控制排放并最大化燃料效率，同時(shí)最小化電池堆損壞。通常期望氫氣濃度估計(jì)器強(qiáng)健，以關(guān)閉和停止與時(shí)間相關(guān)的功能，并考慮氣體的薄膜滲透性以及外源的空氣侵入。同時(shí)，估計(jì)算法必須足夠簡(jiǎn)單，以便以充分小的計(jì)算設(shè)置在汽車(chē)控制器中，從而沒(méi)有延遲起動(dòng)就被完成。因?yàn)橄到y(tǒng)控制在不必要時(shí)無(wú)需提供過(guò)于稀釋的空氣，所以確定起動(dòng)時(shí)燃料電池堆的陽(yáng)極和陰極中的氫氣濃度允許最快的可能起動(dòng)時(shí)間。另外，因?yàn)橐狸?yáng)極中需要補(bǔ)充的氫氣量，所以知道氫氣濃度提供了更加可靠的起動(dòng)。這與從氫氣濃度可能比較高的待命狀態(tài)或停車(chē)中間的起動(dòng)尤其相關(guān)。另外，因?yàn)楫?dāng)電池堆中存在未知的氫氣濃度時(shí)，通常的起動(dòng)策略假定最差情形的氫氣百分比用于噴射目的，100%的氫氣用于稀釋目的，所以知道氫氣濃度提高了耐用性。在那些情形下，初始用氫氣沖洗陽(yáng)極會(huì)比如果已知電池堆充滿(mǎn)空氣慢。腐蝕比率與初始?xì)錃饬髀食杀壤?。因此，若未精確地知道氫氣濃度，則這些事件的每一件都會(huì)比所必然的要更加有害。并且，因?yàn)楦泳_地確定起動(dòng)之前陽(yáng)極和陰極中的氫氣濃度會(huì)導(dǎo)致更加有效的起動(dòng)決定并潛在地減少氫氣的使用，因此知道氫氣濃度提高了效率。例如，如果已知電池堆中沒(méi)有氫氣起動(dòng)，那么可減少稀釋空氣。另外，知道氫氣濃度提供了更加有力的起動(dòng)。在倉(cāng)促停機(jī)或具有故障傳感器的停機(jī)事件中，算法可使用物理限制來(lái)提供陰極和陽(yáng)極中氫氣的上下邊界?？衫盟惴▉?lái)對(duì)電池堆操作期間陽(yáng)極中的氫氣和/或氮?dú)鉂舛鹊脑诰€(xiàn)估計(jì)建模， 以知道何時(shí)觸發(fā)陽(yáng)極廢氣排放。該算法可基于從陰極側(cè)到陽(yáng)極側(cè)滲透速率來(lái)跟蹤電池堆陽(yáng)極側(cè)中隨時(shí)間的氮濃度，以及陽(yáng)極廢氣的周期性排放。當(dāng)該算法計(jì)算氮?dú)鉂舛壬叱^(guò)預(yù)定閾值時(shí)，例如10%，那么可觸發(fā)排放。該排放通常執(zhí)行一段時(shí)間，允許多個(gè)電池堆陽(yáng)極容積排放，從而將氮?dú)鉂舛冉档椭恋陀陂撝?。但是，由于氣體交叉率隨著電池堆的年齡增加，所以已知的氫氣估計(jì)模型通常相對(duì)不精確。本領(lǐng)域已知在陽(yáng)極廢氣再循環(huán)中設(shè)置氫氣濃度傳感器，測(cè)量陽(yáng)極廢氣中氫氣的濃度，以確定排放是否必要的。但是，已知的這類(lèi)氫氣傳感器易受水滴的影響，在排放中需要液態(tài)水分離器，以允許傳感器恰當(dāng)?shù)毓ぷ?。另外，由于廢氣為到達(dá)傳感器必須行進(jìn)的容積， 會(huì)有測(cè)量延遲，大約15秒。一種已知的氫氣濃度傳感器稱(chēng)為熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)，其使用氣體的已知導(dǎo)熱率來(lái)計(jì)算氫氣濃度。無(wú)論在什么環(huán)境下使用TCD，都需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，這里為氫氣-氮?dú)猸h(huán)境。 因?yàn)樗畷?huì)使傳感器故障，所以TCD還需要一種非常有力和有效的方法，用于在測(cè)量之前從要被檢測(cè)的氣體去除所有的水。這需要使用相當(dāng)大的管道和水分離裝置，增加了系統(tǒng)的體積，并且通常給測(cè)量帶來(lái)了不可接受的時(shí)間延遲。這些傳感器還相當(dāng)貴，系統(tǒng)通常使用兩個(gè)傳感器，一個(gè)在陽(yáng)極進(jìn)氣歧管內(nèi)，一個(gè)在陽(yáng)極排氣歧管內(nèi)。因?yàn)榈獨(dú)饩鄯e通常以高功率瞬態(tài)非?？焖俚匕l(fā)生，這可能在時(shí)間上受限制，傳感器讀數(shù)的延遲會(huì)引起在氫氣濃度最高時(shí)的功率上行瞬態(tài)期間氫氣濃度測(cè)量不可用。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開(kāi)了用于測(cè)量燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極子系統(tǒng)中氫氣濃度的氫氣濃度傳感器。所述氫氣濃度傳感器包括薄膜、在所述薄膜第一側(cè)上的第一催化劑層和在所述薄膜相對(duì)側(cè)上的第二催化劑層，其中所述傳感器操作為濃度單元。所述第一催化劑層暴露于用于燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的新鮮氫氣，第二催化劑層暴露于來(lái)自燃料電池堆的陽(yáng)極廢氣的陽(yáng)極再循環(huán)氣體。傳感器產(chǎn)生的電壓允許確定再循環(huán)氣體中的氫氣分壓力，從該分壓力可確定氫氣濃度。本發(fā)明提供下列技術(shù) 方案。技術(shù)方案1 一種燃料電池系統(tǒng)，包括 包括陽(yáng)極側(cè)的燃料電池堆；
氫氣源，其經(jīng)陽(yáng)極輸入管路向所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)提供新鮮氫氣氣體； 陽(yáng)極廢氣再循環(huán)管路，其從所述燃料電池堆接收陽(yáng)極廢氣，并向所述陽(yáng)極輸入管路和所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)提供陽(yáng)極再循環(huán)氣體；以及
氫氣濃度傳感器組件，其與所述陽(yáng)極輸入管路和所述陽(yáng)極廢氣再循環(huán)管路連通，所述氫氣濃度傳感器組件包括操作為濃度單元的至少一個(gè)氫氣濃度傳感器，所述濃度單元具有薄膜、在所述薄膜一側(cè)上的第一催化劑層和在所述薄膜相對(duì)側(cè)上的第二催化劑層，其中所述第一催化劑層暴露于來(lái)自所述氫氣源的新鮮氫氣氣體，所述第二催化劑層暴露于所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體管路中的陽(yáng)極再循環(huán)氣體。技術(shù)方案2 如技術(shù)方案1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)氫氣濃度傳感器為串聯(lián)電聯(lián)接在一起的多個(gè)氫氣濃度傳感器。技術(shù)方案3 如技術(shù)方案1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)氫氣濃度傳感器為并聯(lián)電聯(lián)接在一起的多個(gè)氫氣濃度傳感器。技術(shù)方案4 如技術(shù)方案1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氫氣濃度傳感器中的所述薄膜具有約150 μ m的厚度。技術(shù)方案5 如技術(shù)方案1的燃料電池系統(tǒng)，還包括從所述氫氣濃度傳感器組件接收電勢(shì)的控制器，所述控制器構(gòu)造成使用能斯特方程確定所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體中的氫氣分壓力。技術(shù)方案6:如技術(shù)方案5的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器使用如下公式計(jì)算所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體中的氫氣分壓力
權(quán)利要求
1.一種燃料電池系統(tǒng)，包括包括陽(yáng)極側(cè)的燃料電池堆；氫氣源，其經(jīng)陽(yáng)極輸入管路向所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)提供新鮮氫氣氣體；陽(yáng)極廢氣再循環(huán)管路，其從所述燃料電池堆接收陽(yáng)極廢氣，并向所述陽(yáng)極輸入管路和所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)提供陽(yáng)極再循環(huán)氣體；以及氫氣濃度傳感器組件，其與所述陽(yáng)極輸入管路和所述陽(yáng)極廢氣再循環(huán)管路連通，所述氫氣濃度傳感器組件包括操作為濃度單元的至少一個(gè)氫氣濃度傳感器，所述濃度單元具有薄膜、在所述薄膜一側(cè)上的第一催化劑層和在所述薄膜相對(duì)側(cè)上的第二催化劑層，其中所述第一催化劑層暴露于來(lái)自所述氫氣源的新鮮氫氣氣體，所述第二催化劑層暴露于所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體管路中的陽(yáng)極再循環(huán)氣體。
2.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)氫氣濃度傳感器為串聯(lián)電聯(lián)接在一起的多個(gè)氫氣濃度傳感器。
3.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)氫氣濃度傳感器為并聯(lián)電聯(lián)接在一起的多個(gè)氫氣濃度傳感器。
4.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其中所述氫氣濃度傳感器中的所述薄膜具有約 150 μ m的厚度。
5.如權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，還包括從所述氫氣濃度傳感器組件接收電勢(shì)的控制器，所述控制器構(gòu)造成使用能斯特方程確定所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體中的氫氣分壓力。
6.如權(quán)利要求5的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器使用如下公式計(jì)算所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體中的氫氣分壓力
7.如權(quán)利要求5的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器使用再循環(huán)氣體中的氫氣氣體分壓力、再循環(huán)氣體的總壓力、再循環(huán)氣體的飽和壓力和再循環(huán)氣體的相對(duì)濕度來(lái)確定陽(yáng)極再循環(huán)氣體中的氫氣濃度。
8.如權(quán)利要求7的燃料電池系統(tǒng)，其中所述控制器使用如下公式計(jì)算再循環(huán)氣體中的氫氣氣體濃度
9.一種燃料電池系統(tǒng)，包括 包括陽(yáng)極側(cè)的燃料電池堆；氫氣源，其向所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的入口提供新鮮氫氣氣體； 陽(yáng)極廢氣再循環(huán)管路，其從所述燃料電池堆接收陽(yáng)極廢氣，并向所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的入口提供陽(yáng)極再循環(huán)氣體；第一壓力傳感器，其提供從所述氫氣源提供給所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的入口的新鮮氫氣氣體的壓力測(cè)量；第二壓力傳感器，其提供所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體的總壓力測(cè)量； 溫度傳感器，其提供所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體的溫度測(cè)量； 相對(duì)濕度傳感器，其提供所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體的相對(duì)濕度測(cè)量； 氫氣濃度傳感器組件，其接收來(lái)自所述氫氣源的新鮮氫氣氣體流和陽(yáng)極再循環(huán)氣體在被提供給所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的入口之前的氣體流，所述氫氣濃度傳感器組件提供由所述新鮮氫氣氣體中的氫氣氣體壓力與所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體中氫氣分壓力之間的差別產(chǎn)生的電勢(shì)；以及控制器，其響應(yīng)于所述氫氣濃度傳感器組件的電勢(shì)、所述第一壓力傳感器的壓力測(cè)量、 所述第二壓力傳感器的壓力測(cè)量、所述溫度傳感器的溫度測(cè)量和所述相對(duì)濕度傳感器的相對(duì)濕度測(cè)量，所述控制器使用這些測(cè)量確定所述陽(yáng)極再循環(huán)氣體中的氫氣氣體濃度。
10.一種用于確定燃料電池系統(tǒng)中的氫氣濃度的氫氣濃度傳感器組件，所述傳感器組件包括接收新鮮氫氣氣體流的第一流動(dòng)通道； 接收部分為氫氣的氣體流的第二流動(dòng)通道；以及至少一個(gè)氫氣濃度傳感器，其安裝在所述第一流動(dòng)通道與所述第二流動(dòng)通道之間的基板上，所述至少一個(gè)傳感器包括薄膜、在所述薄膜一側(cè)上的第一催化劑層和在所述薄膜相對(duì)側(cè)上的第二催化劑層，其中所述第一催化劑層暴露于所述第一流動(dòng)通道中的新鮮氫氣流，所述第二催化劑層暴露于所述第二流動(dòng)通道中部分為氫氣的氣體流。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用由氫氣分壓力差產(chǎn)生的電池壓力的氫氣濃度傳感器，提供一種用于測(cè)量燃料電池系統(tǒng)的陽(yáng)極子系統(tǒng)中的氫氣濃度的氫氣濃度傳感器。該氫氣濃度傳感器包括薄膜、在所述薄膜第一側(cè)上的第一催化劑層和在所述薄膜相對(duì)側(cè)上的第二催化劑層，其中所述傳感器操作為濃度單元。所述第一催化劑層暴露于用于燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)的新鮮氫氣，第二催化劑層暴露于來(lái)自燃料電池堆的陽(yáng)極廢氣的再循環(huán)氣體。傳感器產(chǎn)生的電壓允許確定再循環(huán)氣體中的氫氣分壓力，從該分壓力可確定氫氣濃度。
文檔編號(hào)G01N7/00GK102403518SQ20111022963
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者J. 馬斯林 A., 拉克什馬南 B. 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司