专利名称：氢传感器组件的制作方法
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°C (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镜。技术方案7 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-防渗膜能够被氢、氮和氧渗透。技术方案8 根据技术方案1所述的氢传感器组件，其中，所述传感器壳体容纳在燃料电池排气通风室的孔中。技术方案9 根据技术方案6所述的氢传感器组件，其中，通过压力梯度和湿度梯度的其中之一，所述基本上水-蒸气-可渗膜便于水蒸气从所述传感器壳体内排空。技术方案10 —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；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；
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；以及设置在所述第二开口内的基本上水-蒸气-可渗膜，以阻碍杂质从所述外部环境进入所述传感器壳体。技术方案11 根据技术方案10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12 根据技术方案10所述的氢传感器组件，其中，所述基本上水-蒸气-防渗膜能够被氢、氮和氧渗透。技术方案13 根据技术方案12所述的氢传感器组件，其中，所述传感器壳体容纳在燃料电池排气通风室的孔中。技术方案14 根据技术方案13所述的氢传感器组件，其中，通过压力梯度和湿度梯度的其中之一，所述基本上水-蒸气-可渗膜便于水蒸气从所述传感器壳体内排空。技术方案15 —种氢传感器组件，包括其中具有第一孔和第二孔的传感器壳体；设置在所述传感器壳体内的传感元件，所述传感元件通过所述第一孔与流体流流体连通，并且通过所述第二孔与环境流体连通；基本上水-蒸气-防渗膜，其设置在所述第一孔内，以阻碍水蒸气渗透通过；以及设置在所述第二孔内的基本上水-蒸气-可渗膜，以便于水蒸气渗透到环境中。技术方案16 根据技术方案15所述的氢传感器组件，其中，所述基本上水-蒸气-防渗膜能够被氢、氮和氧渗透。技术方案17 根据技术方案16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18 根据技术方案17所述的氢传感器组件，其中，通过压力梯度和湿度梯度的其中之一，所述基本上水-蒸气-可渗膜便于水蒸气从所述传感器壳体内排空。


当参考附图时，从下述优选实施方式的详细说明中本领域技术人员将更加清楚本发明的上述以及其它的益处，附图是根据本发明的实施方式的氢传感器组件的示意性横截面图。
具体实施例方式下面的详细说明以及附图描述和图解了本发明的各种实施方式。说明以及附图用于使得本领域技术人员能够制造以及利用本发明，而并非意图以任何方式限制本发明的范围。图中示出了传感器组件10。传感器组件10包括传感器壳体14中的氢传感器12。 传感器壳体邻近排气通风室16定位，并且与其流体连通。排气流18流动通过排气通风室 16，并且包括微量的游离氢(H2)和游离氧(O2)、氮(N2)、水蒸气和各种杂质。如前所述，在排气通风室16内的排气流18在接近100%的相对湿度、大约70°C (158° F)的温度下流动。 因此，在通风室16内或者在传感器壳体14内的非常小的温度下降将会导致水的冷凝。
在氢传感器12的壳体14内，根据使用的传感器的类型来封装各种电子设备20。 电子设备20电连接至传感元件22。应当理解，传感元件22可以是任何类型的传感元件。 然而，出于说明的目的，传感元件22是氢传感器。通常，用于机动车辆应用的燃料电池利用化学类型传感元件22，其依赖于在游离氢和游离氧之间的反应来检测氢浓度。然而，传感元件22可以是无孔金属氧化物类型、金属氧化物半导体类型、或者本领域公知的其它传感元件。还应当理解，电子设备20适合将从传感元件22接收到的信号转换为表示氢浓度水平的数据。排气通风室16包括外壁对，外壁M具有通过其限定的开口 26。开口沈的尺寸为配合传感器壳体14的外部部分观。密封件(未示出)可设置在传感器壳体14的外部部分28和限定开口沈的表面30之间，以确保在传感器壳体14和排气通风室16的外壁M 之间的流体密封的接合，从而阻止排气流18的任何部分通过开口沈流出。当传感器壳体 14插入排气通风室16的开口沈内时，在传感器壳体14的插入部分34中的适当尺寸的开口 32有助于将传感元件22设置与排气流18流体连通。公知类型的传感元件22与高湿度环境不相容，并且当暴露于高水蒸汽浓度中时寿命有限。因此，基本上水-蒸气防渗膜36，例如本领域公知的聚四氟乙烯(PTEE)或者其它适合的膜，被设置在传感器壳体14中的开口 32内。基本上水-蒸气防渗膜36被夹在排气流18和传感元件22之间，以使传感元件22最小程度地暴露于排气18内的水蒸气。应当理解，膜36对于水蒸气来说是基本上不可渗透的，但是对于排气流18的其它构成部分， 例如氢、氧、氮等等，不是基本上不可渗透的。因此传感元件22充分地暴露于排气流18，从而能够精确地测量排气流18内的氢浓度，而不会由于水暴露导致对传感元件22造成任何有害的影响，包括传感器的错误的氢浓度读数、腐蚀、老化，或者在燃料电池的非运行期间传感器的冷冻。在氢传感器12运行期间，传感元件22通过检测游离氢的氧化，或者通过其他方式在传感元件22的表面40上使氢反应来测量氢浓度。氢的氧化反应在氢传感器壳体14内产生水蒸气，其无法通过基本上水-蒸气防渗膜36。为了便于传感器壳体14内产生的水蒸气的排空，氢传感器12包括在传感器壳体14内的第二开口 42，其有助于使传感元件22 与外部环境44流体连通。已经发现当第二开口 42使得传感元件22暴露于周围环境中时可以获得有益的结果。为了阻止氢传感器12内的污染，现有技术公知类型的基本上水-蒸气-防渗膜46可设置在第二开口 42内以允许由于排气流18的游离氢的氧化而在氢传感器12内形成的水蒸气的排空。由于在排气流18和外部环境44之间的压力梯度，或者由于在氢传感器壳体14内和外部环境44之间的湿度梯度，可选择基本上水-蒸气-防渗膜46 以便于氢传感器12内形成的水蒸气的排空。第二开口 42使得传感元件22最小程度地暴露于水蒸气，从而增加了氢传感器12的可靠性、耐用性和寿命。因此可消除氢传感器的频繁的预防性替换。由上述说明，本领域技术人员能够容易地确定本发明的基本特征，而且在不偏离于它的精神和范围的情况下，对本发明做出各种改变和修改以适应各种使用和条件。
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。
2.根据权利要求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。
3.根据权利要求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。
4.根据权利要求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
5.根据权利要求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。
6.根据权利要求5所述的氢传感器组件，其中，所述外部环境是周围环境。
7.根据权利要求1所述的氢传感器组件，其中，所述基本上水-蒸气-防渗膜能够被氢、氮和氧渗透。
8.根据权利要求1所述的氢传感器组件，其中，所述传感器壳体容纳在燃料电池排气通风室的孔中。
9.一种氢传感器组件，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；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；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；以及设置在所述第二开口内的基本上水-蒸气-可渗膜，以阻碍杂质从所述外部环境进入所述传感器壳体。
10.一种氢传感器组件，包括其中具有第一孔和第二孔的传感器壳体；设置在所述传感器壳体内的传感元件，所述传感元件通过所述第一孔与流体流流体连通，并且通过所述第二孔与环境流体连通；基本上水-蒸气-防渗膜，其设置在所述第一孔内，以阻碍水蒸气渗透通过；以及设置在所述第二孔内的基本上水-蒸气-可渗膜，以便于水蒸气渗透到环境中。
全文摘要
本发明涉及一种氢传感器组件。氢传感器组件包括设置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。传感器壳体可包括第二开口，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。
文档编号G01N27/26GK102192930SQ20111002546
公开日2011年9月21日 申请日期2011年1月20日 优先权日2010年1月20日
发明者C·屈贝尔 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司