[发明专利]燃料电池压缩机空气轴承磨损传感器

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃料电池，并且更具体地涉及用于探测燃料电池的压缩机中的空气轴承磨损的传感器。

背景技术

在很多燃料电池系统中，氢或富氢气体通过流场被供应到燃料电池的阳极侧，而氧例如在燃料电池形式中。适当催化剂（例如铂）通常被放置在多孔扩散介质上作为一层，该介质通常由碳纤维或纸制成以使其呈现弹性、导电性和透气性。被催化的扩散介质用于促进阳极侧的氢氧化以及阴极侧的氧还原。阳极处的氢的解离所产生的电流从扩散介质的被催化部分被传送且通过单独电路，以使其能够是有用功的源，而离子化的氢穿过隔膜与在阴极处的离子化氧结合从而形成高温水蒸汽作为反应副产品。在一种燃料电池的形式中，所谓的质子交换膜或聚合物电解质膜（在任意情况下均是PEM）燃料电池，全氟磺酸（PFSA）离聚物膜（例如Nafion^?），被组装在阳极和阴极的扩散介质之间。这种分层结构通常被称为膜电极组件（MEA），并且形成单个燃料电池。许多这样的单个电池能够组合形成燃料电池电堆，从而增加其功率输出。

压缩机可以用于增加向燃料电池电堆的反应物输送。例如，离心压缩机可以被用于增加流向燃料电池电堆的阴极侧的含氧空气的压力、量或速度。用于促进各种部件（例如轴、叶轮（或转子）和外壳（或定子））之间的相对旋转的轴承经受磨损和可能的失效。这样的轴承失效会导致显著问题，包括释放碎屑，而所述碎屑如果被释放到反应物流路中则会损坏敏感的燃料电池部件以及其他的下游部件。

发明内容

根据本发明的教导，本发明的一个方面是磨损传感器系统。在一种实施例中，磨损传感器系统包括固定的安装于外壳的电路，其包括：电连接到电压源的电感器；旋转的安装于轴的电路，其包括：电连接到电容器的电感器；安装于外壳的电感器具有与旋转轴的非接触感应耦合；其中当没有金属间接触时，所述安装于外壳的电路给安装于轴的电容器感应地充电并且当安装于轴的电容器被充电时减小电流水平；并且当存在金属间接触时，安装于轴的电路接地，从而导致安装于外壳的电路增加所述电流水平。

任选地，磨损传感器系统还包括电连接在第二电感器和电容器之间的二极管电桥。磨损传感器系统还可以包括能够被用于指示系统所输出的增加的电流水平的电流传感器。这样的传感器能够被设置成输送视觉标记，例如电流水平或电流变化，或者其能够被设置成提供一些其他格式的标记，例如听觉警报。在一种优选形式中，电压源是交流（AC）电压源。在另一优选形式中，旋转轴和轴承外壳之间的区域的构造使得磨损传感器包括在外壳和轴之间的箔，其中所述箔在面向轴的表面上包括涂层；在一种形式中，涂层是聚四氟乙烯（PTFE）。在一种形式中，箔可以由高温金属制成。具体地，箔可以被支撑在轴和外壳之间的柔顺性支撑结构上以使箔和轴之间的间隙小于0.0005英寸。在柔顺性结构的一种形式中，可以使用弹簧型隆起箔。

本发明的另一方面是具有磨损传感器系统的压缩机。在一种实施例中，压缩机包括：固定的轴承外壳；旋转轴，其被安装在所述外壳内且具有在轴和外壳之间的间隙；安装在所述轴上的叶轮；被安装在所述外壳上并且包括电连接到电压源的电感器的电路；被安装在所述轴上且包括电连接到电容器的电感器的电路。优选地，安装在外壳上的电感器与所述轴处于非接触感应关系，使得当所述轴和所述外壳之间不存在金属间接触时安装在外壳上的电路给电容器感应地充电以当电容器充电时降低电流水平（或保持电流水平低）。类似地，当存在金属间接触时，安装在所述轴上的电路接地，从而导致安装在所述外壳上的电路增加电流水平。

这样的压缩机和磨损传感器大体上具体适用于燃料电池系统中，并且具体用于移动式燃料电池系统中，其中燃料输送系统（由燃料源和氧源构成）、燃料处理系统、燃料电池电堆、传动系和一个或更多个机动装置（例如轮）、能量存储装置（其能够是一个或更多个蓄电池、电容器、变流器或甚至将来自燃料电池电堆的电流转换成诸如旋转轴功率的机械功率的马达的形式）能够配合来以推进车辆的方式操作传动系。燃料电池电堆由大量燃料电池构成，每个燃料电池包括阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的电解质层。如上所述，压缩机（例如根据本发明制造的压缩机）可以用于将反应物供给到构成电堆的各燃料电池的阳极或阴极。

任选地，除上述任选特征中的一些特征之外，电流传感器或相关器件可以用于提供对电流水平变化的视觉指示。如上所述，可以使用各种电压源，能够通过箔或类似件进行轴与外壳的耦合。