專利名稱：對(duì)燃燒電池排放氣體流氫傳感器的功能測(cè)試的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種用于在燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行期間提供氫脈沖以測(cè)試系統(tǒng)排氣中的氫濃度傳感器的系統(tǒng)和方法，且更具體地，涉及一種用于將來(lái)自氫噴射器、陽(yáng)極吹掃閥和/或陽(yáng)極排出閥的固定氣體脈沖直接提供給系統(tǒng)排氣以測(cè)試排氣中的氫濃度傳感器的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
氫是一種非常有吸引力的燃料，因?yàn)槠淝鍧嵰约翱杀挥脕?lái)在燃料電池中有效地產(chǎn)生電。氫燃料電池是一種電化學(xué)裝置，其包括陽(yáng)極、陰極以及在陽(yáng)極和陰極之間的電解質(zhì)。 陽(yáng)極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽(yáng)極催化劑處分解以生成自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極。質(zhì)子與陰極催化劑處的氧和電子反應(yīng)生成水。來(lái)自陽(yáng)極的電子不能穿過(guò)電解質(zhì)且因此被引導(dǎo)通過(guò)負(fù)載以在被送到陰極前做功。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種常見(jiàn)的車用燃料電池。PEMFC通常包括固態(tài)聚合物電解質(zhì)質(zhì)子傳導(dǎo)膜，例如全氟磺酸膜。陽(yáng)極和陰極或催化劑層通常包括精細(xì)分開(kāi)的催化劑顆粒，通常為鉬(Pt)，其支撐在碳顆粒上并與離聚物混合。催化混合物沉積在膜的相對(duì)側(cè)上。陽(yáng)極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定膜電極組件(MEA)。各MEA通常夾在兩片多孔材料，即氣體擴(kuò)散層(GDL)之間，該氣體擴(kuò)散層保護(hù)膜的機(jī)械完整性，并幫助得到均勻的反應(yīng)物濕度分布。MEA的制造相對(duì)昂貴并且要求特定條件以有效運(yùn)行。通常將若干燃料電池組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望的電力。例如，典型的車用燃料電池堆可具有兩百或更多的堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極反應(yīng)物輸入氣體，通常是經(jīng)由壓縮機(jī)迫使通過(guò)所述堆的空氣流。并非所有的氧被堆消耗，部分空氣作為陰極排出氣體被輸出，其中可含有作為堆的副產(chǎn)品的水。燃料電池堆還接收流入到堆的陽(yáng)極側(cè)的陽(yáng)極氫反應(yīng)物輸入氣體。燃料電池堆通常包括一系列位于堆中的若干MEA之間的雙極板，其中雙極板和 MEA定位于兩個(gè)端板之間。雙極板包括用于相鄰堆中燃料電池的陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)。在雙極板的陽(yáng)極側(cè)上提供陽(yáng)極氣體流場(chǎng)，以允許陽(yáng)極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)的MEA。在雙極板的陰極側(cè)上提供陰極氣體流場(chǎng)，以允許陰極反應(yīng)氣體流向相應(yīng)的MEA。一個(gè)端板包括陽(yáng)極氣體流道，而另一個(gè)端板包括陰極氣體流道。雙極板和端板由導(dǎo)電材料例如不銹鋼或?qū)щ姀?fù)合物制成。端板將燃料電池所產(chǎn)生的電導(dǎo)出堆。雙極板還包括冷卻流體流動(dòng)通過(guò)其的流道。許多車用燃料電池系統(tǒng)在系統(tǒng)排氣中采用用于安全目的的氫濃度傳感器，以監(jiān)控并防止氫排放物超過(guò)特定濃度。在一種已知的系統(tǒng)中，采用了包括兩個(gè)感測(cè)芯片和兩個(gè)CPU 的復(fù)雜的且昂貴的氫濃度傳感器。這種類型的傳感器需要具有在批準(zhǔn)的維修中心用預(yù)混合的測(cè)試氣體以定期間隔例如每三個(gè)月予以執(zhí)行的功能和校準(zhǔn)測(cè)試。此外，這些傳感器還將需要在車輛的正常維護(hù)事件時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試。因此，為了有效地監(jiān)控來(lái)自燃料電池車輛的氫氣排放物，將需要昂貴的傳感器，將需要昂貴的測(cè)試裝置，并且在維修中心將需要預(yù)混合的氣體，所有這些顯著增加了車輛的成本。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開(kāi)了一種用于在系統(tǒng)的運(yùn)行期間確定燃料電池系統(tǒng)的排氣中的氫濃度傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行的系統(tǒng)和方法。該方法包括將來(lái)自噴射器的氫氣脈沖直接噴射到系統(tǒng)排氣中并根據(jù)這些氫噴射脈沖來(lái)分析傳感器響應(yīng)。可選地，可以將來(lái)自陽(yáng)極吹掃或排出的脈沖提供給排氣，以確定傳感器響應(yīng)。結(jié)合附圖并根據(jù)以下描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征將變得明顯。本發(fā)明還提供如下方案
1、一種用于測(cè)試位于燃料電池系統(tǒng)的排放氣體管線中的氫濃度傳感器的方法，所述方法包括
將來(lái)自燃料電池堆的排放氣體流提供到所述排放氣體管線； 使用多個(gè)噴射器將來(lái)自氫源的氫氣噴射至所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)； 使用所述噴射器中的至少一個(gè)將來(lái)自所述氫源的氫氣以脈沖方式直接噴射到所述排氣管線；以及
通過(guò)所述氫傳感器檢測(cè)噴射到所述排放氣體管線中的氫氣的脈沖，以確定所述氫傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行。2、根據(jù)方案1所述的方法，其特征在于，其還包括將來(lái)自所述燃料電池堆的陽(yáng)極排放氣體的脈沖提供到所述排放氣體管線；以及通過(guò)所述氫傳感器檢測(cè)陽(yáng)極排放氣體的所述脈沖，以確定所述氫傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行。3、根據(jù)方案2所述的方法，其特征在于，將所述陽(yáng)極排放氣體的不是所述脈沖的一部分的剩余部分提供到所述燃料電池堆的陰極輸入端。4、根據(jù)方案2所述的方法，其特征在于，提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖包括從用于吹掃所述燃料電池堆的所述陽(yáng)極側(cè)的吹掃閥提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖。5、根據(jù)方案2所述的方法，其特征在于，提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖包括從用于從所述燃料電池堆的所述陽(yáng)極側(cè)排出陽(yáng)極排放氣體的排出閥提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖。6、根據(jù)方案1所述的方法，其特征在于，所述燃料電池堆在陽(yáng)極流遷移下運(yùn)行。7、一種用于測(cè)試位于燃料電池系統(tǒng)的排氣管線中的氫濃度傳感器的方法，所述方法包括
將來(lái)自燃料電池堆的排放氣體流提供到所述排放氣體管線；
在所述燃料電池系統(tǒng)的正常操作期間將來(lái)自所述燃料電池堆的陽(yáng)極排放氣體的脈沖從所述燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的部件提供到所述排放氣體管線；以及
通過(guò)所述氫傳感器檢測(cè)氫氣的所述脈沖，以確定所述氫傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行。8、根據(jù)方案7所述的方法，其特征在于，提供氫氣的脈沖包括直接地從至少一個(gè)噴射器提供氫氣的脈沖，所述至少一個(gè)噴射器否則用于將來(lái)自氫源的氫氣噴射到所述燃料電池堆的陽(yáng)極輸入端。9、根據(jù)方案7所述的方法，其特征在于，提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖包括從用于吹掃所述燃料電池堆的所述陽(yáng)極側(cè)的吹掃閥提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖。10、根據(jù)方案9所述的方法，其特征在于，將所述陽(yáng)極排放氣體的不是所述脈沖的一部分的剩余部分提供到所述燃料電池堆的陰極輸入端。
11、根據(jù)方案7所述的方法，其特征在于，提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖包括從用于從所述燃料電池堆的所述陽(yáng)極側(cè)排出陽(yáng)極排放氣體的排出閥提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖。12、根據(jù)方案11所述的方法，其特征在于，將所述陽(yáng)極排放氣體的不是所述脈沖的一部分的剩余部分提供到所述燃料電池堆的陰極輸入端。13、根據(jù)方案7所述的方法，其特征在于，所述燃料電池堆在陽(yáng)極流遷移下運(yùn)行。14、一種用于測(cè)試位于燃料電池系統(tǒng)的排氣管線中的氫濃度傳感器的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括
用于將來(lái)自燃料電池堆的排放氣體流提供到所述排放氣體管線的裝置； 用于在所述燃料電池系統(tǒng)的正常操作期間將來(lái)自所述燃料電池堆的陽(yáng)極排放氣體的脈沖從所述燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的部件提供到所述排放氣體管線的裝置；以及
通過(guò)所述氫傳感器檢測(cè)氫氣的所述脈沖以確定所述氫傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行的裝置。15、根據(jù)方案14所述的系統(tǒng)，其特征在于，用于提供氫氣的脈沖的裝置直接地從至少一個(gè)噴射器提供氫氣的脈沖，所述至少一個(gè)噴射器否則用于將來(lái)自氫源的氫氣噴射到所述燃料電池堆的陽(yáng)極輸入端。16、根據(jù)方案14所述的系統(tǒng)，其特征在于，用于提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖的裝置從用于吹掃所述燃料電池堆的所述陽(yáng)極側(cè)的吹掃閥提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖。17、根據(jù)方案16所述的系統(tǒng)，其特征在于，將所述陽(yáng)極排放氣體的不是所述脈沖的一部分的剩余部分提供到所述燃料電池堆的陰極輸入端。18、根據(jù)方案14所述的系統(tǒng)，其特征在于，用于提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖的裝置從用于從所述燃料電池堆的所述陽(yáng)極側(cè)排出陽(yáng)極排放氣體的排出閥提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖。19、根據(jù)方案18所述的系統(tǒng)，其特征在于，將所述陽(yáng)極排放氣體的不是所述脈沖的一部分的剩余部分提供到所述燃料電池堆的陰極輸入端。20、根據(jù)方案14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述燃料電池堆在陽(yáng)極流遷移下運(yùn)行。


圖1是燃料電池系統(tǒng)的方框平面圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)涉及一種用于在系統(tǒng)運(yùn)行期間測(cè)試燃料電池系統(tǒng)的排氣中的氫濃度傳感器的系統(tǒng)和方法的本發(fā)明實(shí)施例的討論本質(zhì)上僅為示例性的并且絕不用于限制本發(fā)明或者其應(yīng)用或使用。圖1是包括燃料電池堆12的燃料電池系統(tǒng)10的方框平面圖。燃料電池堆12意在表示車用燃料電池功率系統(tǒng)中的許多個(gè)所組合部件，包括用于陽(yáng)極流遷移型燃料電池系統(tǒng)的多個(gè)子堆。燃料電池堆12的陰極側(cè)在陰極輸入管線14上接收來(lái)自壓縮機(jī)16的空氣流，系統(tǒng)排放氣體從電池堆12通過(guò)排氣管18輸出。來(lái)自氫罐20的氫氣在陽(yáng)極輸入管線22 上通過(guò)噴射器組24噴射到燃料電池堆12的陽(yáng)極側(cè)。提供吹掃閥26，從而以受控方式吹掃燃料電池堆12的陽(yáng)極側(cè)，以從堆12的陽(yáng)極快速地去除氣體，并且提供排出閥28，從而以本領(lǐng)域技術(shù)人員充分地理解的方式按預(yù)定間隔從燃料電池堆12的陽(yáng)極側(cè)排出氮。包括陽(yáng)極流遷移型燃料電池系統(tǒng)的典型燃料電池系統(tǒng)采用吹掃閥以在特定時(shí)間例如在關(guān)閉時(shí)使用空氣吹掃燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)，以去除用于冷凍情況的流道中的剩余的氫和水，并因此提供其它優(yōu)點(diǎn)。此外，因?yàn)镸EA是多孔的，所以來(lái)自堆的陰極側(cè)的空氣中的氮穿過(guò)膜，并聚集在陽(yáng)極側(cè)，稱作氮橫跨。燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)中的氮稀釋氫，從而如果氮濃度升高至特定百分比以上，則燃料電池堆會(huì)變得不穩(wěn)定。因此， 陽(yáng)極側(cè)的周期性引導(dǎo)是必要的。在為系統(tǒng)10示出的設(shè)計(jì)中，所吹掃和排出的陽(yáng)極氣體被送至系統(tǒng)10的排氣，并且在排氣管18中與來(lái)自陰極側(cè)的空氣混合。然而，在其它設(shè)計(jì)中，所吹掃和排出的陽(yáng)極氣體可以在管線14上被送至陰極輸入端，從而在堆12中產(chǎn)生水。氫濃度傳感器30測(cè)量排氣管 18中的氫氣的濃度，如下面的討論。本發(fā)明提出在系統(tǒng)10中使用氫源來(lái)提供可以由氫傳感器30檢測(cè)的氫脈沖，從而在車輛的運(yùn)行期間以各種間隔確定傳感器30是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行。在一個(gè)示例中，噴射器組24 中的噴射器一個(gè)選擇成在管線32上將堆32周圍的氫氣的脈沖直接引導(dǎo)至排氣管18。因此， 在系統(tǒng)排氣內(nèi)將提供已知量的氫氣的脈沖，其可以由傳感器30檢測(cè)并進(jìn)行分析，以確定與排氣中的其它氣體混合的氫的濃度是否被正確地檢測(cè)到。將被采用以選擇噴射器的脈沖持續(xù)周期和時(shí)間的算法將考慮許多系統(tǒng)參數(shù)，包括各種壓力、溫度、壓縮機(jī)速度、功率要求等，使得排氣中的氫氣的量處于低于排放物要求的水平。因此，該算法由于受控脈沖將尋找排氣中的氫氣濃度的適當(dāng)增加，以便提供已知量的氫，從而確定傳感器30是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行。在車輛處于維修中心時(shí)的情形下，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)空載運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)將氫氣引導(dǎo)到排氣中來(lái)產(chǎn)生很好地限定的氫脈沖。該脈沖可以正好如指定的那么高，以觸發(fā)車輛氫警報(bào)。在傳感器故障的情況下，即，在低于或高于預(yù)期時(shí)， 車輛氫警報(bào)根本不會(huì)被觸發(fā)，或者會(huì)較早地被觸發(fā)。如上所述，在系統(tǒng)10的設(shè)計(jì)中，吹掃閥26和排出閥28使得所吹掃和排出的陽(yáng)極氣體引導(dǎo)至排氣管18。在吹掃和排出事件期間，由于從堆12所吹掃或排出的額外氫的濃度，氫傳感器30將記錄系統(tǒng)排氣中的氫濃度增加。然而，吹掃或排出的長(zhǎng)度以及吹掃或排出的時(shí)機(jī)對(duì)于確定傳感器30的操作的質(zhì)量而言可能是理想的，也可能不是理想的。在替代設(shè)計(jì)中，吹掃或排出的陽(yáng)極氣體可以在管線14上被送至陰極輸入端，且可以提供額外的管道設(shè)備和閥，從而以脈沖方式將一些所吹掃和排出的陽(yáng)極氣體引導(dǎo)至排氣管18。以這種方式，在吹掃事件期間，所選擇的和受控量的陽(yáng)極氣體可被引導(dǎo)至排氣達(dá)一控制的時(shí)間量，從而可以為分析氫傳感器30的操作提供更好的結(jié)果。因此，對(duì)于氫傳感器30，可以使用需要較少的感測(cè)芯片和較少的CPU并且顯著地減少了傳感器要求和傳感器復(fù)雜度的較便宜的傳感器。此外，可以增加傳感器維修間隔之間的時(shí)間間隔。上述討論只是公開(kāi)和描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員從這些討論并從附圖和權(quán)利要求很容易認(rèn)識(shí)到，在不脫離隨附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以在此進(jìn)行各種改變、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)試位于燃料電池系統(tǒng)的排放氣體管線中的氫濃度傳感器的方法，所述方法包括將來(lái)自燃料電池堆的排放氣體流提供到所述排放氣體管線；使用多個(gè)噴射器將來(lái)自氫源的氫氣噴射至所述燃料電池堆的陽(yáng)極側(cè)；使用所述噴射器中的至少一個(gè)將來(lái)自所述氫源的氫氣以脈沖方式直接噴射到所述排氣管線；以及通過(guò)所述氫傳感器檢測(cè)噴射到所述排放氣體管線中的氫氣的脈沖，以確定所述氫傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其還包括將來(lái)自所述燃料電池堆的陽(yáng)極排放氣體的脈沖提供到所述排放氣體管線；以及通過(guò)所述氫傳感器檢測(cè)陽(yáng)極排放氣體的所述脈沖，以確定所述氫傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將所述陽(yáng)極排放氣體的不是所述脈沖的一部分的剩余部分提供到所述燃料電池堆的陰極輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖包括從用于吹掃所述燃料電池堆的所述陽(yáng)極側(cè)的吹掃閥提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖包括從用于從所述燃料電池堆的所述陽(yáng)極側(cè)排出陽(yáng)極排放氣體的排出閥提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料電池堆在陽(yáng)極流遷移下運(yùn)行。
7.一種用于測(cè)試位于燃料電池系統(tǒng)的排氣管線中的氫濃度傳感器的方法，所述方法包括將來(lái)自燃料電池堆的排放氣體流提供到所述排放氣體管線；在所述燃料電池系統(tǒng)的正常操作期間將來(lái)自所述燃料電池堆的陽(yáng)極排放氣體的脈沖從所述燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的部件提供到所述排放氣體管線；以及通過(guò)所述氫傳感器檢測(cè)氫氣的所述脈沖，以確定所述氫傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，提供氫氣的脈沖包括直接地從至少一個(gè)噴射器提供氫氣的脈沖，所述至少一個(gè)噴射器否則用于將來(lái)自氫源的氫氣噴射到所述燃料電池堆的陽(yáng)極輸入端。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖包括從用于吹掃所述燃料電池堆的所述陽(yáng)極側(cè)的吹掃閥提供陽(yáng)極排放氣體的脈沖。
10.一種用于測(cè)試位于燃料電池系統(tǒng)的排氣管線中的氫濃度傳感器的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于將來(lái)自燃料電池堆的排放氣體流提供到所述排放氣體管線的裝置；用于在所述燃料電池系統(tǒng)的正常操作期間將來(lái)自所述燃料電池堆的陽(yáng)極排放氣體的脈沖從所述燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的部件提供到所述排放氣體管線的裝置；以及通過(guò)所述氫傳感器檢測(cè)氫氣的所述脈沖以確定所述氫傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過(guò)在驅(qū)動(dòng)時(shí)和在定期維修時(shí)使用燃料電池系統(tǒng)固有裝置產(chǎn)生限定的氫脈沖對(duì)燃燒電池排放氣體流氫傳感器的功能測(cè)試。具體地，一種用于在系統(tǒng)的運(yùn)行期間確定燃料電池系統(tǒng)的排氣中的氫濃度傳感器是否適當(dāng)?shù)剡\(yùn)行的系統(tǒng)和方法。該方法包括將來(lái)自噴射器的氫氣脈沖直接噴射到系統(tǒng)排氣中并根據(jù)這些氫噴射脈沖來(lái)分析傳感器響應(yīng)。可選地，可以將來(lái)自陽(yáng)極吹掃或排出的脈沖提供給排氣，以確定傳感器響應(yīng)。
文檔編號(hào)G01N33/00GK102288728SQ201110153519
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者C.屈貝爾 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司