[发明专利]氢传感器组件

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。更具体地，本发明涉及用于测量在燃料电池排汽流中的氢浓度的氢传感器组件。

背景技术

电化学燃料电池在本领域通常是公知的，其将燃料和氧化剂转化为电。一种这样的燃料电池是固体聚合物电化电池并且包括多个膜电极组件(MEA)，每个膜电极组件都包括设置在阳极和阴极之间的离子交换膜或者其它电解液。MEA可在离子交换膜和阳极之间的每个界面处包括催化剂或者其它催化材料，以引起理想的电化学反应。电极被电连接以提供电路，用于在阳极和阴极之间引导电子通过外部电路。

在氢动力燃料电池中，提供氢和空气到离子交换膜的任意侧上的电极。通常提供氢到阳极，在阳极处催化剂促进质子和电子的分离，质子和电子被传导通过外部电路。在膜的相对侧上，提供空气到阴极，在阴极处空气中的氧与穿过离子交换膜的质子反应，以产生副产品水。

提供到燃料电池阳极的氢燃料流体流可以是，例如，基本上纯的氢，或者例如重整油流的稀释的氢气流。而且，包含未反应的氢的阳极排气流或其一部分可被再循环回燃料电池，这取决于包含在排气流中的未反应的氢的测量浓度。公知的是提供与燃料电池排气流可操作地关联的氢传感器以用于测量排气流中的氢浓度。而且，在排气流中的氢浓度可用作燃料电池性能和运行效率的指示器。例如，如果在从燃料电池排出的燃料流中有过量的氢，则可说明运行效率低下。

然而，在接近100％的相对湿度、大约70℃(158°F)的温度下，燃料电池排气由氮、微量(trace)的氢和水蒸气组成。这个高的绝对湿度在氢传感器中产生了冷凝物，其可导致暂时的或永久的不正确的氢浓度读数。此外，由于在检测氢浓度时在传感器表面上的氧和游离氢的反应，化学氢传感器(例如在当前的燃料电池车辆中使用的那些)自身会产生水蒸气。

现有氢浓度传感器被设计用于在低湿度环境中的环境应用和使用。公知的，在可能发生冷凝的高湿度环境中使用现有传感器会对传感器的寿命和可靠性造成不利的影响。传感器组件内的高温度和高湿度的结合可导致传感器或者其部件和配线的腐蚀或者老化，要求传感器被提前更换且费用昂贵。而且，已经确定，在氢传感器内的冷凝水是导致传感器的可靠性和耐用性变差的主要原因。

用于燃料电池排气应用的现有氢浓度传感器的使用不能满足汽车对耐用性、可靠性和成本的需求。目前，解决当前传感器技术缺陷的主要方法是，在运行相对有限的时间之后，对氢传感器进行频繁的预防性的更换或者替换，这是耗费成本的举措。传感器更换率的高频繁度影响了车辆的可靠性，从使用中频繁地移除它进行传感器的替换，并且增加了车辆的保养和寿命成本。

这就一直需要阻碍水蒸气在传感器壳体内冷凝的成本低廉、使用寿命长的氢浓度传感器组件。

发明内容

与本发明一致，已经令人惊讶地发现了一种氢传感器组件，其阻碍水蒸气在氢传感器内冷凝从而最小化氢传感器的老化并且最大限度保障其可靠性。

在一实施方式中，一种氢传感器组件包括在传感器壳体内的传感元件，传感器壳体包括开口以便于在传感元件和燃料电池的排气流之间的流体连通，基本上水-蒸气-防渗膜，其设置在开口内在传感元件和排气流之间，以阻碍水蒸气从排气流进入传感器壳体。

在另一实施方式中，传感器壳体包括第二开口，以便于在传感元件和外部环境之间的流体连通，从而排出由传感元件产生的水蒸气。第二、水-蒸气-可渗膜可设置在第二开口内以防止杂质进入传感器壳体，并便于水蒸气从传感器壳体内排放。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1：一种氢传感器组件，包括：

设置在传感器壳体内的传感元件，所述传感器壳体包括第一开口以便于在所述传感元件和流体流之间的流体连通；以及

基本上水-蒸气-防渗膜，其设置在所述第一开口内在所述传感元件和所述流体流之间，以阻碍水蒸气从所述流体流进入所述传感器壳体。

技术方案2：根据技术方案1所述的氢传感器组件，其中，所述基本上水-蒸气-防渗膜是聚四氟乙烯膜。

技术方案3：根据技术方案2所述的氢传感器组件，其中，所述流体流是燃料电池排气流。

技术方案4：根据技术方案1所述的氢传感器组件，还包括：

在所述传感器壳体内的第二开口，以便于在所述传感元件和外部环境之间的流体连通。

技术方案5：根据技术方案4所述的氢传感器组件，其中，基本上水-蒸气-可渗膜设置在所述第二开口内，以阻碍杂质从外部环境进入所述传感器壳体。

技术方案6：根据技术方案5所述的氢传感器组件，其中，所述外部环境是周围环境。