专利名称：具有湿度传感器的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及燃料电池系统领域。
背景技术：
燃料电池是一种在存在电解质的情况下燃料和氧化物发生反应而产生电的电化 学转换装置。单燃料电池可包括膜电极组件和两块流场板。可将多个单电池合并为燃料电 池堆，以产生期望的电功率水平。燃料电池可包括被聚合物膜电解质分隔的阳极和阴极这两个电极。可以用薄钼催 化剂层涂覆每个电极的一侧。电极、催化剂和膜一起形成了膜电极组件。可以通过形成在流场板中的通道将气体(氢气和空气)供应到膜每侧上的电极。 氢气通过通道流至阳极。在膜的另一侧，空气通过通道流至阴极。在阳极存在钼催化剂的情况下，氢气分离成自由电子和质子(正氢离子)。自由电 子以可用电流的形式通过外部电路传导。质子通过膜电解质迁移到阴极。来自空气的氧、 来自外部电路的电子以及质子在阴极结合而形成水和热。
实用新型内容一种燃料电池系统可具有至少一个包括设置在基底上的一对电极的传感器。传感 器可构造为产生输出信号，所述输出信号具有与传感器附近的相对湿度成比例的量级，以 及如果在传感器上有液态水则具有与传感器上的液态水的量成比例的量级。输出信号的量级可基于电极之间的电位差。电极可以交叉。一对电极中的一个电极可由金组成，一对电极中的另一电极可由铜组成。基底可由FR4-层压板组成。一种燃料电池系统可包括燃料电池堆；空气供应线，与燃料电池堆流体连通；燃 料供应线，与燃料电池堆流体连通；传感器，设置在供应线和燃料电池堆的一个中。传感器 可包括设置在基底上的一对电极，并且构造为产生输出信号，输出信号具有(i)与传感器 附近的相对湿度成比例的量级，以及(ii)如果在传感器上有液态水则具有与传感器上的 液态水的量成比例的量级。一种燃料电池系统，包括至少一个具有设置在基底上的一对电极的传感器，所述 至少一个传感器构造为基于电极之间的电位差产生具有与传感器上的液态水的量成比例 的量级的输出信号。基底可以由 poly-oxydiphenylene-pyromellitimide ( 聚 - 氧二苯撑- 均苯四酰亚胺)组成。本实用新型的一个或多个方案可有效地避免燃料电池系统干燥不足和/或干燥 过度。尽管示出并公开了根据本发明的示例实施例，但不应将该公开解释为限制本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，预期可以做出各种修饰和改变。
图1是燃料电池系统的实施例的框图。图2是图1的传感器的实施例的示意图。图3是示出与两种不同的传感器构造相关的样品试验结果的柱状图。图4是示出在将图1中的燃料电池系统关闭前先对其进行干燥的方案的流程图。
具体实施方式
现在参照图1，燃料电池系统10的实施例可包括燃料电池堆12、燃料箱16和空气 /氧气源(例如，环境空气)14。该系统10还可包括空气管道18和燃料管道20。管道18 和20分别将燃料(例如，氢气)和空气引导至燃料电池堆12来消耗。如现有技术已知的， 可以将增湿器和吹风机等布置在空气管道18中或沿空气管道18布置。与之相似地，如现 有技术已知的，可以将泵等布置在燃料管道20中或沿燃料管道20布置。在图1的实施例中，燃料电池系统10包括在汽车中。在其他实施例中，燃料电池 系统10可以是一个独立单元(stand alone unit)。其他构造也是可以的。燃料电池系统10还可包括传感器22和与传感器22连通的控制器对。如下所解 释的，可将传感器22构造为检测传感器22上的液态水的量；还可将传感器22构造为检测 传感器22附近的相对湿度。在图1的实施例中，传感器22设置在空气管道18中。当然，也可以在整个燃料电 池系统10中布置多个传感器22。例如，可以将(在下面详细描述的不同构造的)传感器 22设置在燃料电池堆12中，设置在燃料管道20中等。存在于燃料电池系统10中的水蒸气和/或液态水在燃料电池系统10关闭时会结 冰(在寒冷的环境中)并阻碍后续的使用。如在现有技术中已知的，可以在关闭之前采用 操作方案(例如用干燥空气来清洗)来降低/减少该水蒸气和/或液态水。某些传统的操作方案使用环境温度作为间接参数(proxy parameter)来评估燃料 电池系统10中的水蒸气和/或液态水的量。由于各种原因，这样的间接参数可能是不准确 的。这些不准确性会导致不期望的情况。例如，如果燃料电池系统10中的水蒸气和/或液 态水比间接参数所评估的少，则燃料电池系统10会经历过度干燥(以及不必要地消耗更多 的功率)。例如，如果燃料电池系统10中的水蒸气和/或液态水比间接参数所评估的多，则 燃料电池系统10会经历干燥不足(以及引起的后续结冰)。现在参照图2，传感器22的实施例包括设置在基底30上的一对电极沈和观。在 图2的实施例中，电极沈和28分别是金和铜，并且彼此交叉。在其他实施例中，电极沈和 观可以采用任何合适的形式(例如不交叉的、蛇形的等)，并且可以由任何合适的材料(例 如各种其他金属等)制成。基底30可以由poly-oxydiphenylene-pyromelIitimide (聚-氧二苯撑-均苯四酰亚胺，杜邦公司的ΚΑΡΤ0Ν)或FR4-层压板制成。然而可以使用其他合 适的基底材料。传感器22还可包括伏特表32。例如，如果水蒸气或液态水出现在传感器22的表 面上，则电极26和观两端发生电转电位(galvanic potential) 0可以通过伏特表32来测量该电位。如下所讨论的，该电位可表示传感器22附近的相对湿度(如果水蒸气在传感器 22的表面上)和/或液态水的量(如果液态水在传感器22的表面上)。现在参照图3，对具有不同构造的两个传感器执行试验测试。第一传感器包括在 FR4-层压板上沉积的交叉的金电极和铜电极。第二传感器包括在KAPTON上沉积的交叉的 金电极和铜电极。(传感器仅在它们的基底材料上不同。)将每个传感器(1)浸入到水中，( 将水滴到传感器上，(3)将传感器暴露到相对 湿度小于100%的室温下的空气，以及(4)将传感器暴露到相对湿度为100%的室温下的空 气。在上述每种条件下为每个传感器测量电极之间的电位(以毫伏计)。图3的数据揭示了具有KAPTON基底的传感器产生与传感器上的水的量成比例的 输出信号。图3的数据还揭示了具有FR4-层压板的传感器产生与传感器附近的相对湿度 成比例以及与传感器上的水的量成比例的输出信号。具有KAPTON基底的传感器(1)当暴露到相对湿度小于100 %的室温下的空气时 不产生传感器输出，( 当暴露到相对湿度为100%的室温下的空气时不产生传感器输出， (3)当水滴在传感器上时，产生50毫伏的传感器输出，以及当浸入水中时，产生120毫 伏的传感器输出。因此不仅可将该传感器(经过校正)用于测量传感器附近是否有液态水， 而且还可以测量传感器周围的液态水的量。具有FR4-层压板的基底的传感器⑴当暴露到相对湿度小于100%的室温下的空 气时产生8毫伏传感器输出，( 当暴露到相对湿度为100%的室温下的空气时产生80毫 伏的传感器输出，( 当水滴在传感器上时，产生121毫伏的传感器输出，以及当浸入 水中时，产生195毫伏的传感器输出。因此，可将该传感器(经过校正)用作液态水传感器 和相对湿度传感器。现在参照图1和4，可将由传感器22 (具有例如沉积在FR4-层压板基底上的金电 极和铜电极)收集的相对湿度数据和水数据用作对由控制器M管理的(闭合回路)控制 方案的输入，以有效地将燃料电池系统10干燥。如在34示出的，控制器M从传感器22读 湿度数据和水数据。如在36示出的，控制器M确定湿度水平和水水平是否处于目标水平。 如果处于目标水平，方案结束。如果没有处于目标水平，控制器M执行干燥方案(例如，用 干燥空气清洗)达特定时间，如38所示。然后，方案返回34。由于参照图4讨论的方案提供关于湿度水平和水水平的闭合回路反馈，所以该方 案可将用于降低/减少燃料电池堆12和空气管道18中的水蒸气和/或液态水的能量的量 最小化。由于相同的原因，参照图4描述的方案还可避免燃料电池堆12干燥不足和/或干 燥过度。尽管已经示出并描述了本发明的实施例，但是不意味着这些实施例示出并描述了 本发明的所有可能的形式。在说明书中使用的词汇是描述性词汇而非限制性词汇，并且应 该理解的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变。
权利要求1.一种燃料电池系统，其特征在于，具有至少一个包括设置在基底上的一对电极的传 感器，所述传感器构造为产生输出信号，所述输出信号具有(i)与传感器附近的相对湿度 成比例的量级，以及(ii)当液态水在传感器上时具有与传感器上的液态水的量成比例的量级。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，输出信号的量级基于电极之间的 电位差。
3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，电极交叉。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，电极是金属。
5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，一对电极中的一个电极由金组成， 一对电极中的另一电极由铜组成。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，基底由FR4-层压板组成。
7.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括 燃料电池堆；空气供应线，与燃料电池堆流体连通； 燃料供应线，与燃料电池堆流体连通；传感器，设置在供应线和燃料电池堆的一个中，所述传感器包括设置在基底上的一对 电极，并且构造为产生输出信号，所述输出信号具有(i)与传感器附近的相对湿度成比例 的量级，以及(ii)当液态水在传感器上时具有与传感器上的液态水的量成比例的量级。
8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，输出信号的量级基于电极之间的 电位差。
9.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，电极交叉。
10.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，电极是金属。
11.如权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，一对电极中的一个电极由金组 成，一对电极中的另一电极由铜组成。
12.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，基底由FR4-层压板组成。
13.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括至少一个具有设置在基底 上的一对电极的传感器，所述至少一个传感器构造为基于电极之间的电位差产生具有与传 感器上的液态水的量成比例的量级的输出信号。
专利摘要本申请公开了一种燃料电池系统，该燃料电池系统可具有至少一个包括设置在基底上的一对电极的传感器。该传感器可构造为产生输出信号，所述输出信号具有与传感器附近的相对湿度成比例的量级，以及当液态水在传感器上时具有与传感器上的液态水的量成比例的量级，本实用新型的一个或多个方案可有效地避免燃料电池系统干燥不足和/或干燥过度。
文档编号H01M8/04GK201820845SQ201020284309
公开日2011年5月4日 申请日期2010年8月5日 优先权日2009年8月7日
发明者乔治·S·萨洛卡, 平野伸一, 王铁, 詹姆士·A·亚当斯, 詹姆士·瓦尔德克, 阿里瑞扎·佩支曼·施凡尼亚, 马克·S·苏莱克, 黄晨东 申请人:福特全球技术公司