利用燃料电池叠的拉姆达传感制造技术

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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用燃料电池叠的拉姆达传感
本专利技术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，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。根据本专利技术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，将会清楚了解本专利技术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专利技术的优选实施例，但只用于示例说明，而非用于限制本专利技术的范围。附图说明本专利技术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为一具有一根据本专利技术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专利技术、其应用或者用途。简短地说，本专利技术提供了一种传感器，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，可对本专利技术产生进一步的理解。因此，在进一步描述本专利技术之前，提供了对一种具有本专利技术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，本专利技术在由含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，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2002-4-30 10/136,8621.一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所储存的电压输出库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，其中所述库为编辑的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。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，其中所述第一燃料电池为多个燃料电池，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多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比所述多个燃料电池的第一反应物流通道更加受限制的第一反应物流通道，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加受限制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受限制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所储存的电压输出库进行比较，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流。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述库为编辑的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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：BJ克林格尔曼，JA罗克，
申请(专利权)人：通用汽车公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]