专利名称：燃料电池排气系统中的气体量氢传感器的液体水保护设施的制作方法
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燃料电池排气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中广为人知且将燃料和氧化剂转换为电力。一种这样的燃料电池是固体聚合物电化学电池，且包括多个膜电极组件(MEA)，其中每个都包括设置在阳极和阴极之间的离子交换膜或其它电解质。MEA可在离子交换膜和阳极之间的每个接口处包括催化剂或其它催化材料，以诱导期望电化学反应。电极被电联接以提供在阳极和阴极之间通过外部电路传导电子的电路。在氢驱动的燃料电池中，氢和空气供应给离子交换膜任一侧上的电极。氢通常供应给阳极，在阳极处，催化剂促进分离为质子和电子，电子通过外部电路传导。在膜的相对侦牝空气提供给阴极，在阴极处，空气中的氧与穿过离子交换膜的质子反应，以产生副产物水。供应给燃料电池阳极的氢燃料流体流可以例如是基本上纯的氢，或者稀释氢流，例如重整产品流。此外，含有未反应氢或其一部分的阳极排气流可以再循环回到燃料电池，取决于排气流中包含的未反应氢的测量浓度。已知提供氢传感器，其操作性地与燃料电池排气流相连，以测量排气流中的氢浓度。此外，排气流中的氢浓度可以用作燃料电池性能和操作效率的指示器。例如，如果在从燃料电池排出的燃料流中存在过多的氢量，那么可以表示欠佳操作效率。然而，在60°C和80°C (140° F和176° F)之间的温度下，燃料电池排气包括氮气、少量氢、液体水和水蒸汽，具有接近100 %的相对湿度。该高的绝对湿度在氢传感器内产生冷凝物，这可导致临时或永久性的不正确氢浓度读数。此外，化学氢传感器，例如在当前燃料电池车辆中使用的，在检测氢浓度时，由于自由氢与传感器表面上的氧反应，自身产生水蒸汽。可用氢浓度传感器设计用于低湿度环境中的环境应用和使用。已知在可能存在冷凝物和水滴的高湿度环境中使用可用传感器不利地影响传感器的寿命和可靠性。传感器组件内高温和高湿度组合可导致传感器或其部件和布线的腐蚀或降级，从而需要传感器的提前和昂贵更换。此外，已经确定，氢传感器内的冷凝水是传感器的减小可靠性和耐用性的主要原因。可用氢浓度传感器用于燃料电池排气应用不满足耐用性、可靠性和成本的机动车要求。当前，解决当前传感器技术的缺陷的主要方法是提供阻止传感器腐蚀的专门设计传感器。例如，这些排气传感器需要涂覆触头，使得系统更昂贵。因而，期望提供不腐蚀的环境氢传感器，从而消除在相对有限数量的操作时间之后氢传感器的频繁替换或更换的成本密集措施。传感器替换速率的高频率影响车辆可靠性，使之从工作移开频繁地用于传感器更换，且增加车辆的维修或寿命成本。
持续需要阻碍传感器壳体内的水蒸汽冷凝和液体水的成本有效的长寿命氢浓度传感器组件。
发明内容
根据本发明，令人惊奇地发现阻碍氢传感器内的水蒸汽冷凝的氢传感器组件，从而最小化氢传感器的降级且最大化其可靠性。在一个实施例中，一种氢传感器组件包括:设置在带槽套筒内的传感器；和从所述套筒径向向外设置的弧形传感器壳体，其中，所述套筒形成螺旋形壳体的内侧内部周边，且其中，所述传感器壳体包括第一开口，以利于传感器组件和流体流之间的流体连通。在另一个实施例中，一种氢传感器组件包括:设置在套筒内的传感器；和螺旋形传感器壳体，所述螺旋形传感器壳体包围套筒内的传感器，且具有第一开口，以利于传感器组件和流体流之间的流体连通，其中，所述螺旋形传感器壳体配置成产生离心力，所述离心力在流体流流动通过壳体时将液体水从流体流分离。在又一个实施例中，一种测量燃料电池排气流中的氢浓度的方法，包括以下步骤:将氢传感器组件设置在燃料电池的排气流中，其中，所述氢传感器组件包括设置在套筒内的传感器、和螺旋形传感器壳体，所述螺旋形传感器壳体包围套筒内的传感器；提供流体流和氢传感器组件之间的流体连通；所述螺旋形传感器壳体在流动通过螺旋形传感器壳体且绕过氢传感器的流体流上产生离心力；以及所述传感器测量流体流的氢浓度。方案1.一种氢传感器组件，包括:
设置在带槽套筒内的传感器；和
从所述套筒径向向外设置的弧形传感器壳体，其中，所述套筒形成螺旋形壳体的内侧内部周边，且其中，所述传感器壳体包括第一开口，以利于传感器组件和流体流之间的流体连通。方案2.根据方案I所述的氢传感器组件，还包括传感器壳体中的第二开口，以利于传感器组件和环境之间的流体连通。方案3.根据方案I所述的氢传感器组件，其中，流体流是燃料电池的排气流。方案4.根据方案2所述的氢传感器组件，其中，所述传感器壳体配置成在流体流从第一开口流向第二开口时在流体流上产生离心力。方案5.根据方案4所述的氢传感器组件，其中，所述传感器配置成在流体流从第一开口流向第二开口时感测流体流内的氢浓度。方案6.根据方案I所述的氢传感器组件，其中，所述传感器壳体是螺旋形。方案7.—种氢传感器组件,包括:
设置在套筒内的传感器；和
螺旋形传感器壳体，所述螺旋形传感器壳体包围套筒内的传感器，且具有第一开口，以利于传感器组件和流体流之间的流体连通，其中，所述螺旋形传感器壳体配置成产生离心力，所述离心力在流体流流动通过壳体时将液体水从流体流分离。方案8.根据方案7所述的氢传感器，其中，套筒形成螺旋形传感器壳体的内侧内部周边。方案9.根据方案8所述的氢传感器组件，其中，所述套筒还包括在其中形成的槽，所述槽配置成利于在流体流从第一开口流动通过传感器壳体时由传感器测量流体流内的氢浓度。方案10.根据方案7所述的氢传感器组件，还包括传感器壳体中的第二开口，以利于传感器组件和环境之间的流体连通。方案11.根据方案7所述的氢传感器组件，其中，流体流是燃料电池的排气流。方案12.—种测量燃料电池排气流中的氢浓度的方法，包括以下步骤:
将氢传感器组件设置在燃料电池的排气流中，其中，所述氢传感器组件包括设置在套筒内的传感器、和螺旋形传感器壳体，所述螺旋形传感器壳体包围套筒内的传感器；
提供排气流和氢传感器组件之间的流体连通；
所述螺旋形传感器壳体在流动通过螺旋形传感器壳体且绕过氢传感器的流体流上产生离心力；以及
所述传感器测量流体流的氢浓度。方案13.根据方案12所述的氢传感器，其中，套筒形成螺旋形传感器壳体的内侧内部周边。方案14.根据方案13所述的氢传感器组件，其中，所述传感器套筒还包括在其中形成的槽，所述槽在测量流体流内的氢浓度的步骤期间将传感器暴露于流体流。
根据优选实施例的以下详细描述结合附图考虑，本领域技术人员将容易清楚本发明的上述以及其它优点。图1是根据本发明的一个实施例的氢传感器组件的示意性正视图；和 图2是图1的示意性平面图。
具体实施例方式以下详细描述和附图描述和图示了本发明的各个实施例。所述描述和附图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且不旨在以任何方式限制本发明的范围。在图1和2中示出了传感器组件10。传感器组件10包括传感器套筒14内的氢传感器12。在一个实施例中，传感器套筒14包括槽16。传感器套筒14形成传感器壳体18的内侧内部周边22。在所示实施例中,传感器壳体18是大致螺旋形且包围传感器套筒14。传感器壳体18的形状在其中流动的流体上应用离心力效应，如下所述。壳体18的形状可以是任何形式，只要在流体流26上保持离心力效应即可。在一个实施例中，流体流26是燃料电池的排气流。传感器组件10定位靠近流体压力通风系统24且与其流体连通。在另一个实施例中，流体压力通风系统24是排气压力通风系统24。流体流26流动通过流体压力通风系统24，且包括少量的自由氢(H2)和自由氧(02)、氮(N2)、水蒸汽、水滴和各种污染物。流体压力通风系统24内的流体流26通常在60°C和80°C (140° F和176° F)之间的温度下流动，具有接近100%的相对湿度。因而，流体压力通风系统24内或传感器壳体18内的非常小的温度下降将导致燃料电池流体流26内的水28冷凝。在氢传感器12的套筒14内，根据使用的传感器类型，包装各种电子器件。电子器件电联接到传感元件(未示出)。要理解的是，传感元件可以是任何类型的传感元件。然而，为了说明目的，传感元件是氢传感器。还要理解的是，电子器件适合于将从传感元件接收的信号转换为表示氢浓度水平的数据。燃料电池排气流的氢浓度水平的感测通过围绕套筒14的周边设置槽16来实现。还要理解的是，槽16的尺寸取决于传感器12的传感元件。带有槽16的套筒14形成螺旋形传感器壳体18的内侧内部周边22。传感器壳体18设置在流体压力通风系统24内且与流体流26流体连通。流体流26从传感器壳体18的第一开口 24’流动通过传感器壳体18，从而通过第二开口 24’ ’离开进入流体压力通风系统24。如上所述，传感器壳体18是螺旋形，且具有内侧外部周边20和用带槽套筒14形成的内侧内部周边22。在操作中，流体流26从流体压力通风系统24流动到传感器组件10的第一开口24’中。流体流26被引导通过螺旋形传感器壳体18。当流体流26进入壳体18时，水蒸汽在壳体18内形成冷凝物28。壳体18的螺旋形使得流体围绕螺旋形内侧外部周边和内部周边20、22旋转，从而形成不对称的气体速度30。最高气体速度在壳体18的内侧外部周边20处。在流体流26上得到的离心力使得水32流向内侧外部周边20。这导致干的气体流和液体水分离。氢传感器12通过检测自由氢的氧化或者通过以其他方式与通过带槽传感器套筒14的氢反应而测量氢浓度。通过壳体18下游的第二开口 24’ ’利于流体流26和在传感器壳体18内产生的水蒸汽冷凝物32排出到流体压力通风系统24中到达周围环境。因而避免氢传感器的频繁更换。根据前述说明，本领域技术人员可以容易确定本发明的基本特性，且在不偏离其精神和范围的情况下，作出各种变化和修改，以使得本发明适合于各种使用和条件。
权利要求
1.一种氢传感器组件，包括: 设置在带槽套筒内的传感器；和 从所述套筒径向向外设置的弧形传感器壳体，其中，所述套筒形成螺旋形壳体的内侧内部周边，且其中，所述传感器壳体包括第一开口，以利于传感器组件和流体流之间的流体连通。
2.根据权利要求1所述的氢传感器组件，还包括传感器壳体中的第二开口，以利于传感器组件和环境之间的流体连通。
3.根据权利要求1所述的氢传感器组件，其中，流体流是燃料电池的排气流。
4.根据权利要求2所述的氢传感器组件，其中，所述传感器壳体配置成在流体流从第一开口流向第二开口时在流体流上产生离心力。
5.根据权利要求4所述的氢传感器组件，其中，所述传感器配置成在流体流从第一开口流向第二开口时感测流体流内的氢浓度。
6.根据权利要求1所述的氢传感器组件，其中，所述传感器壳体是螺旋形。
7.一种氢传感器组件，包括: 设置在套筒内的传感器；和 螺旋形传感器壳体，所述螺旋形传感器壳体包围套筒内的传感器，且具有第一开口，以利于传感器组件和流体流之间的流体连通，其中，所述螺旋形传感器壳体配置成产生离心力，所述离心力在流体流流动通过壳体时将液体水从流体流分离。
8.根据权利要求7所述的氢传感器，其中，套筒形成螺旋形传感器壳体的内侧内部周边。
9.根据权利要求8所述的氢传感器组件，其中，所述套筒还包括在其中形成的槽，所述槽配置成利于在流体流从第一开口流动通过传感器壳体时由传感器测量流体流内的氢浓度。
10.一种测量燃料电池排气流中的氢浓度的方法，包括以下步骤: 将氢传感器组件设置在燃料电池的排气流中，其中，所述氢传感器组件包括设置在套筒内的传感器、和螺旋形传感器壳体，所述螺旋形传感器壳体包围套筒内的传感器； 提供排气流和氢传感器组件之间的流体连通； 所述螺旋形传感器壳体在流动通过螺旋形传感器壳体且绕过氢传感器的流体流上产生离心力；以及 所述传感器测量流体流的氢浓度。
全文摘要
本发明公开一种氢传感器组件。传感器设置在带槽套筒内，螺旋形传感器壳体包围套筒内的传感器。螺旋形将离心力应用于流体流。这导致液体水从流体流分离。套筒形成螺旋形壳体的内侧内部周边。传感器壳体包括第一开口，以利于传感元件和通过带槽套筒的流体流之间的流体连通。
文档编号H01M8/06GK103107346SQ201210446198
公开日2013年5月15日 申请日期2012年11月9日 优先权日2011年11月11日
发明者O.迈尔 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司