用于确定在容器中的氢含量的方法和装置制造方法及图纸

在此公开一种用于使用存储介质的压力、成分、温度（ＰＣＴ）关系（３５０）测量在一个氢燃料电池中的氢存储容器（３００）内的氢含量的装置和方法。该测量氢含量（３６０）的方法涉及在该氢存储容器（３００）一个或多个点处测量该氢存储介质的温度（３１０），在该氢存储容器的壁面上的一个或多个点处测量机械应变（３２０），参照具有ＰＣＴ图／工作曲线数据（３５０）或使用用于表示在所测量压力的特定浓度的释放ＰＣＴ曲线的范托夫参数的方程，根据该应变测量计算在该容器内的压力（３３０）。在作为氢化物成分的特性的氢吸收－解吸过程中的温度和压力改变被用于测量氢对金属氢化物的浓度比率，作为氢对金属的浓度比率。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

Method and apparatus for determining hydrogen content in a container

Disclosed is a method for the use of storage medium pressure, composition and temperature (PCT) relationship (350) hydrogen storage container measurements in a hydrogen in the fuel cell (300) device and method of hydrogen content in the. The measurement of hydrogen content (360) of the methods involved in the hydrogen storage container (300) one or more point measurements of the hydrogen storage medium temperature (310), one or more points in the hydrogen storage container on the wall surface of the measured mechanical strain (320), with reference PCT map work / curve data (350) or use for Vantov said the release of PCT in certain concentration curve parameters measured pressure of the equation in the calculation of the pressure within the container according to the measurement of strain (330). Changes in temperature and pressure in the process of hydrogen absorption desorption as characteristic of the hydride component are used to measure the hydrogen to metal hydride concentration ratio as hydrogen to metal concentration ratio.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及燃料电池，特别涉及用于测量在一个氢存储容器中的氢含量的方法和系统。
技术介绍
在最近几年，几乎所有电子设备已经减小尺寸和变轻，特别是便携式电子设备。部分地通过开发例如镍金属氢化物、锂离子、锌空气和锂聚合物这样的新的电池化学材料使得该发展成为可能，这使得较大量的能量被封装在一个较小的容器中。在耗尽电能之后，这些二次或可充电电池需要被重新充电。这一般通过把该电池连接到一个把交流电转换为2-12伏的低电平直流电的电池充电器。该充电周期一般最少持续1-2小时，并且更加通常地为4-14小时。尽管新的电池比以前的电池具有很大的发展，但是它们仍然需要复杂的充电方式并且具有缓慢的充电速度。燃料电池被期望成为用于便携式电子产品的能源的下一个主要来源。简单来说，燃料电池催化地把一个氢分子转换为氢离子和电子，然后通过一个隔膜提取电子，作为电能，并且使得氢离子氧化为H2O，并且提取作为副产品的水。燃料电池的极大发展是与普通电池相比，在一个小的封装中提供大量的能量。它们在便携式通信设备中提供长通话时间和待机时间的潜力驱动燃料电池技术的小型化。基于吸气(air-breathing)的聚合物电解膜(PEM)的密封燃料电池理想地适用于对便携式通信设备提供能量。用于这种燃料电池的最成熟的燃料存储技术是封装在一个容器中的氢化物材料，其存储氢并且根据需要而释放。在包含可逆金属氢化物的容器中存储氢是在燃料电池领域中普遍使用。用于任何形式的便携式电源的基本客户要求是能够测量并且通知在该能源中剩余的容量(它能够对该设备供电多长时间？)。另外，在该设备工作时，剩余容量必须被连续地测量，以提供该能源的用户当前状态。在燃料电池系统中，当能量存储和能量转换方面相脱节时，测量剩余容量的关键取决于精确测量在该存储容器中剩余的燃料量。在具有燃料电池能源的便携式设备中，剩余能量容量直接取决于在该容量存储容器中剩余的燃料量。由于许多燃料电池使用存储在例如金属氢化物、化学氢化物和纤维这样的固体介质中的氢，因此测量存储在这些介质中的氢量的方法和系统是成功地开发用于商业应用的技术所需的。尽管存在测量在氢化物容器中的压力的现有技术，但是由于氢浓度取决于除了在容量存储容器内的压力之外的参数，因此该技术不能够精确地测量在该容器中的氢含量。并且现有方法仅仅可以用于在该系统不把氢释放到燃料电池或者其他负载设备中的平衡条件下。要考虑的另一个关键因素是在该存储介质的充气(charge)和释放(discharge)特性之间的差别。由于滞后特性，该存储介质的氢释放特性不同于充气特性。除了上述现有技术的缺点之外，它们还没有考虑到由于在整个组合物中的活性氢的百分比随时间而下降导致氢化物材料的氢存储能力随着时间而下降的情况。附图说明图1为在由金属氢化物的氢吸收过程中在压力、成分和温度之间的理想关系的示意表示。图2为在由金属氢化物的氢吸收和解吸过程中在压力、成分和温度之间的理想关系的示意表示。图3为根据本专利技术的氢测量方法的第一实施例的处理流程图。图4为根据本专利技术的氢测量方法的第二实施例的处理流程图。图5为根据本专利技术的氢测量方法的第三实施例的处理流程图。图6为使用根据本专利技术的氢测量方法的一种装置的示意关系。具体实施例方式在此公开一种使用存储介质的压力、成分、温度(PCT)关系测量在一个氢燃料电池的氢容器中的氢含量的装置和方法。测量氢含量的方法涉及测量在该氢存储容器上的一个或多个点处的氢存储介质的温度，测量在该氢存储容器上的一个或多个点处的机械应变，参照表示在所测量的温度下对于氢存储介质的特定成分的释放PCT曲线的一个查找表或方程，根据应变测量计算在该容器内的压力，并且计算在所测量的压力下的氢浓度。在氢的吸收-解吸过程中作为氢存储介质成分的特性的温度和压力中的改变被用于测量氢与氢存储介质的浓度比。图1示出作为压力-成分等温线的金属的氢吸收和解吸特性。在图1中，作为在氢存储介质中的氢含量与氢存储介质的含量的比率的氢对金属的比率在该图的横坐标上示出，并且在该氢存储容器内的压力的自然对数在该图的Y轴上示出。在氢气(H2)与金属(M)表面相接触时，大多数金属元素将吸收氢。用于存储氢的一些金属和合金是镧-镍、钙-镍、镁-镍、铁-镍、铁-锡、钒、钯等等。在这一阶段，氢存在于金属的溶液中。该吸收可以被表示为。使用双箭头意味着该反应可以出现在两个方向上。该氢气的压力决定该方向。在高初始压力时，氢进入金属中。在一段时间之后，达到平衡，并且氢进入金属的速率与离开该金属的速率相同。如果氢气压力减小，则氢将从金属流出，并且进入周围环境。如果该环境是一个密闭容器，则该压力最终将再次到达一个平衡点。这种简单的氢吸收过程由在图1中的吸收曲线的线性部分110所表示。在一种金属氢化物系统中，一旦高于一个特定压力，则该氢气(H2)将被吸收到该金属表面，在此它被分离为氢原子(H)并且进入到晶格的空隙位置。在该第二阶段中，氢原子可以被添加到该金属中，而没有压力的相应增加。在图1中的平台区域120表示所谓的两个阶段的平衡区域。在氢对金属的比率(H/M)的一个数值上达到饱和，其中所有空隙位置已经被填充。在没有再多的氢可以添加到金属晶格时，进一步增加氢需要相应地增加压力，如第三区域130所表示。该整个过程是可逆的，具有一定程度的滞后特性。图1示出平台压力为常量时对于金属-氢系统的理想的吸收-解吸压力成分等温线。实际上，尽管可以获得该如图1中所示的等温线，但是大部分氢化物偏离该理想行为。除了该平台区域的斜率和该区域的边界不确定之外，在吸收和解吸曲线之间还存在滞后特性。图2示意地示出在平台区域包含斜率的吸收解吸压力成分等温线的更加实际的版本。该等温线210示出在充气阶段过程中压力和氢浓度之间的关系，而解吸等温线220示出在释放阶段过程中压力和氢浓度之间的关系。当一个燃料电池工作时，它从氢存储容器中提取氢，并且该释放操作一般被设计为工作在如图2中所示的曲线的平台区域上。该释放操作可以几乎为等温的，或者它可能涉及取决于释放速率和附着到存储容器上的燃料电池的工作压力的温度改变。该近似于等温过程是一种有效的方法，其中通过减小氢压力为最好低于基本上相同温度的平台压力的一个数值，所存储的氢气被从该存储介质中释放出来。通过在吸附过程中散热并且在解吸过程中加热而基本上保持温度为恒定。另一个稍差的过程是温度波动系统，其中在低温下吸收氢，并且在较高温度下解吸。但是，该过程具有较高的加热和冷却的要求。第三操作模式是一个改进的等温过程，其中允许适度的温度波动，以在相对较高的压力下进行氢的解吸。因此，对于具有倾斜的平台区域的氢存储材料，根据温度、压力和氢含量之间的相互关系，在任何给定温度下，该材料的氢含量由与该材料相接触的氢的分压所决定。通常，当温度升高时，需要较大的氢分压来在该材料中保持给定的氢浓度。当温度下降时，相反的过程也是正确的。根据本专利技术第一实施例的用于测氢存储容器中的氢含量的处理的一般流程图在图3中示出，其中矩形框表示在该过程中的结构实体，并且具有圆角的框表示获得各种结构实体的处理步骤。现在参见图3，该测量处理以测量在氢存储容器300内的氢存储介质的温度310为开始。适用于该任务的一般的测量方法是热电、热敏电阻、电阻器、红外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定在包含已知含量的氢存储介质的氢存储容器中的氢含量的方法，其中包括：　　　　测量在该氢存储容器上的一个或多个点处的温度并且计算该氢存储介质的平均温度；　　　　测量在该氢存储容器上的一个或多个点处的机械应变并且计算根据所测量的机械应变计算在该氢存储容器内的压力；　　　　根据所计算的平均温度从用于该氢存储介质的一组压力、成分、温度（ＰＣＴ）曲线选择一个ＰＣＴ工作曲线；　　　　在所选择ＰＣＴ工作曲线上选择对应于该氢存储容器内的所计算压力的一个工作点；　　　　在所选择ＰＣＴ工作曲线上确定对应于所选择工作点的氢对金属比率的数值；以及　　　　通过把该查找到的氢对金属比率的数值与氢存储介质的量相乘而计算在该氢存储容器内的氢含量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文D普拉特，西瓦库玛穆图斯瓦麦，罗纳尔德J凯丽，罗伯特W彭尼西，
申请(专利权)人：摩托罗拉公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]