[發明專利]燃料電池排氣系統中的氣體量氫傳感器的液體水保護設施

有效

• 申請號: 201210446198.7
• 申請日: 2012-11-09
• 公開（公告）號: CN103107346A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: O.邁爾
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M8/04
• 分類號: H01M8/04;H01M8/06
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 董均華;楊楷

技術領域

本發明涉及燃料電池系統。更具體地，本發明涉及用于測量燃料電池排氣流中的氫濃度的氫傳感器組件。

背景技術

電化學燃料電池在本領域中廣為人知且將燃料和氧化劑轉換為電力。一種這樣的燃料電池是固體聚合物電化學電池，且包括多個膜電極組件（MEA），其中每個都包括設置在陽極和陰極之間的離子交換膜或其它電解質。MEA可在離子交換膜和陽極之間的每個接口處包括催化劑或其它催化材料，以誘導期望電化學反應。電極被電聯接以提供在陽極和陰極之間通過外部電路傳導電子的電路。

在氫驅動的燃料電池中，氫和空氣供應給離子交換膜任一側上的電極。氫通常供應給陽極，在陽極處，催化劑促進分離為質子和電子，電子通過外部電路傳導。在膜的相對側，空氣提供給陰極，在陰極處，空氣中的氧與穿過離子交換膜的質子反應，以產生副產物水。

供應給燃料電池陽極的氫燃料流體流可以例如是基本上純的氫，或者稀釋氫流，例如重整產品流。此外，含有未反應氫或其一部分的陽極排氣流可以再循環回到燃料電池，取決于排氣流中包含的未反應氫的測量濃度。已知提供氫傳感器，其操作性地與燃料電池排氣流相連，以測量排氣流中的氫濃度。此外，排氣流中的氫濃度可以用作燃料電池性能和操作效率的指示器。例如，如果在從燃料電池排出的燃料流中存在過多的氫量，那么可以表示欠佳操作效率。

然而，在60℃和80℃?(140°F和176°F)之間的溫度下，燃料電池排氣包括氮氣、少量氫、液體水和水蒸汽，具有接近100％的相對濕度。該高的絕對濕度在氫傳感器內產生冷凝物，這可導致臨時或永久性的不正確氫濃度讀數。此外，化學氫傳感器，例如在當前燃料電池車輛中使用的，在檢測氫濃度時，由于自由氫與傳感器表面上的氧反應，自身產生水蒸汽。

可用氫濃度傳感器設計用于低濕度環境中的環境應用和使用。已知在可能存在冷凝物和水滴的高濕度環境中使用可用傳感器不利地影響傳感器的壽命和可靠性。傳感器組件內高溫和高濕度組合可導致傳感器或其部件和布線的腐蝕或降級，從而需要傳感器的提前和昂貴更換。此外，已經確定，氫傳感器內的冷凝水是傳感器的減小可靠性和耐用性的主要原因。

可用氫濃度傳感器用于燃料電池排氣應用不滿足耐用性、可靠性和成本的機動車要求。當前，解決當前傳感器技術的缺陷的主要方法是提供阻止傳感器腐蝕的專門設計傳感器。例如，這些排氣傳感器需要涂覆觸頭，使得系統更昂貴。因而，期望提供不腐蝕的環境氫傳感器，從而消除在相對有限數量的操作時間之后氫傳感器的頻繁替換或更換的成本密集措施。傳感器替換速率的高頻率影響車輛可靠性，使之從工作移開頻繁地用于傳感器更換，且增加車輛的維修或壽命成本。

持續需要阻礙傳感器殼體內的水蒸汽冷凝和液體水的成本有效的長壽命氫濃度傳感器組件。

發明內容

根據本發明，令人驚奇地發現阻礙氫傳感器內的水蒸汽冷凝的氫傳感器組件，從而最小化氫傳感器的降級且最大化其可靠性。

在一個實施例中，一種氫傳感器組件包括：設置在帶槽套筒內的傳感器；和從所述套筒徑向向外設置的弧形傳感器殼體，其中，所述套筒形成螺旋形殼體的內側內部周邊，且其中，所述傳感器殼體包括第一開口，以利于傳感器組件和流體流之間的流體連通。

在另一個實施例中，一種氫傳感器組件包括：設置在套筒內的傳感器；和螺旋形傳感器殼體，所述螺旋形傳感器殼體包圍套筒內的傳感器，且具有第一開口，以利于傳感器組件和流體流之間的流體連通，其中，所述螺旋形傳感器殼體配置成產生離心力，所述離心力在流體流流動通過殼體時將液體水從流體流分離。

在又一個實施例中，一種測量燃料電池排氣流中的氫濃度的方法，包括以下步驟：將氫傳感器組件設置在燃料電池的排氣流中，其中，所述氫傳感器組件包括設置在套筒內的傳感器、和螺旋形傳感器殼體，所述螺旋形傳感器殼體包圍套筒內的傳感器；提供流體流和氫傳感器組件之間的流體連通；所述螺旋形傳感器殼體在流動通過螺旋形傳感器殼體且繞過氫傳感器的流體流上產生離心力；以及所述傳感器測量流體流的氫濃度。

方案1.?一種氫傳感器組件，包括：

設置在帶槽套筒內的傳感器；和

從所述套筒徑向向外設置的弧形傳感器殼體，其中，所述套筒形成螺旋形殼體的內側內部周邊，且其中，所述傳感器殼體包括第一開口，以利于傳感器組件和流體流之間的流體連通。

方案2.?根據方案1所述的氫傳感器組件，還包括傳感器殼體中的第二開口，以利于傳感器組件和環境之間的流體連通。

方案3.?根據方案1所述的氫傳感器組件，其中，流體流是燃料電池的排氣流。