DE102011008720B4

DE102011008720B4 - Wasserstoffsensoranordnung

Info

Publication number: DE102011008720B4
Application number: DE102011008720A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kübel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2011-01-17
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: US8196448B2; CN102192930A; DE102011008720A1; US20110174052A1; CN102192930B

Abstract

Wasserstoffsensoranordnung (10), umfassend: ein Erfassungselement (22), das in einem Sensorgehäuse (14) angeordnet ist, wobei das Sensorgehäuse (14) eine erste Öffnung (32) aufweist, die eine Fluidkommunikation zwischen dem Erfassungselement (22) und einem Fluidstrom ermöglicht; eine im Wesentlichen Wasserdampf undurchlässige Membran (36), die in der ersten Öffnung (32) zwischen dem Erfassungselement (22) und dem Fluidstrom angeordnet ist, um einem Eintritt von Wasserdampf von dem Fluidstrom in das Sensorgehäuse (14) entgegenzuwirken; eine zweite Öffnung (42) in dem Sensorgehäuse (14), um eine Fluidkommunikation zwischen dem Erfassungselement (22) und einer Außenumgebung zu ermöglichen; und eine im Wesentlichen Wasserdampf durchlässige Membran (46), die in der zweiten Öffnung (42) angeordnet ist, um einem Eintritt von Schmutzstoffen von der Außenumgebung in das Sensorgehäuse (14) entgegenzuwirken.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wasserstoffsensoranordnung zum Messen einer Wasserstoffkonzentration in einem Brennstoffzellenabgasstrom.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektrochemische Brennstoffzellen sind in der Technik allgemein bekannt und wandeln Brennstoff und ein Oxidationsmittel in Elektrizität um. Eine derartige Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Festpolymerzelle und umfasst eine Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen (MEA), von denen jede eine Ionentauschermembran oder einen anderen Elektrolyt aufweist, die/der zwischen eine Anode und einer Kathode angeordnet ist. Die MEA kann einen Katalysator oder ein anderes katalytisches Material an jeder Schnittstelle zwischen der Ionentauschermembran und der Anode aufweisen, um eine gewünschte elektrochemische Reaktion zu bewirken. Die Elektroden sind elektrisch gekoppelt, um eine Schaltung zum Leiten von Elektronen zwischen den Anoden und den Kathoden durch eine externe Schaltung bereitzustellen.
In einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Luft an Elektroden auf jeder Seite der Ionentauschermembran geliefert. Wasserstoff wird typischerweise an die Anode geliefert, an der der Katalysator eine Trennung in Protonen und Elektronen unterstützt, die durch die externe Schaltung geleitet werden. Auf der gegenüberliegenden Seite der Membran wird Luft an die Kathode geliefert, an der Sauerstoff in der Luft mit den durch die Ionentauschermembran gelangenden Protonen reagiert, um Nebenproduktwasser zu erzeugen.
Der Wasserstoffbrennstoff-Fluidstrom, der an die Brennstoffzellenanode geliefert wird, kann beispielsweise im Wesentlichen reiner Wasserstoff oder ein verdünnter Wasserstoffstrom sein, wie ein Reformatstrom. Ferner kann der Anodenabgasstrom, der nicht reagierten Wasserstoff oder einen Anteil davon enthält, an die Brennstoffzelle abhängig von einer gemessenen Konzentration von nicht reagiertem Wasserstoff, der in dem Abgasstrom enthalten ist, rezirkuliert werden. Es ist bekannt, Wasserstoffsensoren bereitzustellen, die einem Brennstoffzellenabgasstrom funktionell zugeordnet sind, um eine Wasserstoffkonzentration in dem Abgasstrom zu messen. Ferner kann die Wasserstoffkonzentration in dem Abgasstrom als ein Indikator der Brennstoffzellenleistung und des Betriebswirkungsgrades verwendet werden. Wenn beispielsweise eine übermäßige Menge Wasserstoff in dem Brennstoffstrom, der von der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, vorhanden ist, kann dies einen schlechten Betriebswirkungsgrad angeben.
Jedoch existieren Brennstoffzellenabgase aus Stickstoff, Spuren von Wasserstoff und Wasserdampf bei einer Temperatur von etwa 70°C (158°F) mit einer relativen Feuchte von nahezu 100%. Diese hohe absolute Feuchte erzeugt Kondensat in dem Wasserstoffsensor, das in temporär oder dauerhaft inkorrekten Wasserstoffkonzentrationsablesungen resultieren kann. Zusätzlich erzeugen chemische Wasserstoffsensoren, die wie diejenigen, die in gegenwärtigen Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet werden, selbst Wasserdampf durch eine Reaktion von freiem Wasserstoff mit Sauerstoff an der Oberfläche des Sensors, während die Wasserstoffkonzentration detektiert wird.
Verfügbare Wasserstoffkonzentrationssensoren sind für Außenanwendung und Gebrauch in Umgebungen mit geringer Feuchte ausgelegt. Es ist bekannt, dass die Verwendung verfügbarer Sensoren in Umgebungen mit hoher Feuchte, bei denen eine Kondensation auftreten kann, die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Sensors beeinträchtigt. Die Kombination der hohen Temperatur und hohen Feuchte in der Sensoranordnung kann zu Korrosion oder Schädigung des Sensors oder Komponenten oder Verdrahtung desselben führen, was einen vorzeitigen und teuren Austausch des Sensors erfordert. Überdies ist es festgestellt worden, dass kondensiertes Wasser innerhalb des Wasserstoffsensors ein Hauptgrund für eine verminderte Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Sensors ist.
Die Verwendung der verfügbaren Wasserstoffkonzentrationssensoren für Brennstoffzellenabgasanwendungen erfüllt nicht die Kraftfahrzeuganforderungen hinsichtlich Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Kosten. Derzeit existiert ein primäres Verfahren zur Berücksichtigung der Nachteile gegenwärtiger Sensortechnologie darin, häufige prophylaktische Wechsel oder Austausche des Wasserstoffsensors nach einer relativ begrenzten Anzahl von Betriebsstunden durchzuführen, was eine kostenintensive Maßnahme darstellt. Die hohe Häufigkeit der Sensorwechselrate beeinträchtigt die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs, nimmt es zum Sensoraustausch häufig außer Betrieb und erhöht die Wartungs- oder Lebensdauerkosten des Fahrzeugs.
Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einer kosteneffektiven, langlebigen Wasserstoffkonzentrationssensoranordnung, die einer Wasserdampfkondensation in dem Sensorgehäuse entgegenwirkt.
Wasserstoffsensoranordnungen mit Membranen zum Schutz des Sensors sind aus den Druckschriften DE 195 03 802 C1 , DE 11 2005 000 251 T5 und EP 0 124 818 B1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Wasserstoffsensoranordnung entwickelt worden, die einer Wasserdampfkondensation innerhalb eines Wasserstoffsensors entgegenwirkt, wodurch die Schädigung des Wasserstoffsensors minimiert und dessen Zuverlässigkeit maximiert werden.
Erfindungsgemäß umfasst eine Wasserstoffsensoranordnung ein Erfassungselement in einem Sensorgehäuse, wobei das Sensorgehäuse eine Öffnung aufweist, um eine Fluidkommunikation zwischen dem Erfassungselement und einem Abgasstrom einer Brennstoffzelle zu unterstützen, eine im Wesentlichen Wasserdampf undurchlässige Membran, die in der Öffnung zwischen dem Erfassungselement und dem Abgasstrom angeordnet ist, um einem Eintritt von Wasserdampf aus dem Abgasstrom in das Sensorgehäuse entgegenzuwirken.
Ferner umfasst das Sensorgehäuse eine zweite Öffnung, um eine Fluidkommunikation zwischen dem Erfassungselement und einer Außenumgebung zu unterstützen, um durch das Erfassungselement erzeugten Wasserdampf zu entfernen. Eine zweite, Wasserdampf durchlässige Membran ist in der zweiten Öffnung angeordnet, um einen Eintritt von Schmutzstoffen in das Sensorgehäuse zu verhindern und eine Evakuierung von Wasserdampf aus dem Inneren des Sensorgehäuses zu unterstützen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform angesichts der begleitenden Zeichnung offensichtlich, die eine schematische Schnittansicht einer Wasserstoffsensoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügte Zeichnung beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnung dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
Eine Sensoranordnung 10 ist in der Zeichnung gezeigt. Die Sensoranordnung 10 umfasst einen Wasserstoffsensor 12 in einem Sensorgehäuse 14. Das Sensorgehäuse ist benachbart eines Abgassammlers 16 und in Fluidkommunikation damit angeordnet. Ein Abgasstrom 18 strömt durch den Abgassammler 16 und umfasst Spurenniveaus von freiem Wasserstoff (H₂) und freiem Sauerstoff (O₂), Stickstoff (N₂), Wasserdampf und verschiedene Schmutzstoffe. Wie vorher angemerkt wurde, strömt der Abgasstrom 18 innerhalb des Abgassammlers 16 bei einer Temperatur von etwa 70°C (158°F) mit einer relativen Feuchte von nahezu 100%. Infolgedessen hat ein sehr kleiner Temperaturabfall in dem Sammler 16 oder in dem Sensorgehäuse 14 die Kondensation von Wasser zur Folge.
In dem Gehäuse 14 des Wasserstoffsensors 12 ist verschiedene Elektronik 20 abhängig von dem Typ des verwendeten Sensors gepackt. Die Elektronik 20 ist elektrisch mit einem Erfassungselement 22 gekoppelt. Es sei zu verstehen, dass das Erfassungselement 22 ein beliebiger Typ von Erfassungselement sein kann. Jedoch ist zu Zwecken der Veranschaulichung das Erfassungselement 22 ein Wasserstoffsensor. Herkömmlich verwenden Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuganwendungen ein Erfassungselement 22 vom chemischen Typ, das sich auf eine Reaktion zwischen freiem Sauerstoff und freiem Wasserstoff verlässt, um Wasserstoffkonzentrationen zu detektieren. Jedoch kann das Erfassungselement 22 ein Erfassungselement vom Typ eines nicht porösen Metalloxids, vom Typ eines Metalloxid-Halbleiters oder einem anderen Typ sein, wie es in der Technik bekannt ist. Es sei ferner zu verstehen, dass die Elektronik 20 derart angepasst ist, dass sie ein Signal, das von dem Erfassungselement 22 empfangen wird, in Daten umwandelt, die ein Wasserstoffkonzentrationsniveau darstellen.
Der Abgassammler 16 umfasst eine Außenwand 24 mit einer hindurch definierten Öffnung 26. Die Öffnung 26 ist derart bemessen, dass sie mit einem Außenabschnitt 28 des Sensorgehäuses 14 zusammenpasst. Eine Dichtung (nicht gezeigt) kann zwischen dem Außenabschnitt 28 des Sensorgehäuses 14 und einer Fläche 30, die die Öffnung 26 definiert, angeordnet sein, um einen fluiddichten Eingriff zwischen dem Sensorgehäuse 14 und der Außenwand 24 des Abgassammlers 16 sicherzustellen, wodurch einem Entweichen eines Anteils des Abgasstromes 18 durch die Öffnung 26 entgegengewirkt wird. Wenn das Sensorgehäuse 14 in die Öffnung 26 in dem Abgassammler 16 eingesetzt ist, unterstützt eine geeignet bemessene Öffnung 32 in dem eingesetzten Abschnitt 34 des Sensorgehäuses 14 eine Anordnung des Erfassungselementes 22 in Fluidkommunikation mit dem Abgasstrom 18.
Bekannte Typen von Erfassungselementen 22 sind nicht mit Umgebungen mit hoher Feuchte kompatibel und besitzen beschränkte Lebensdauern, wenn sie hohen Wasserdampfkonzentrationen ausgesetzt werden. Daher ist eine im Wesentlichen Wasserdampf undurchlässige Membran 36, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder eine andere geeignete Membran, wie es in der Technik bekannt ist, in der Öffnung 32 in dem Sensorgehäuses 14 angeordnet. Die im Wesentlichen Wasserdampf undurchlässige Membran 36 ist zwischen dem Abgasstrom 18 und dem Erfassungselement 22 angeordnet, um den Kontakt des Erfassungselementes 22 mit Wasserdampf in den Abgasen 18 zu minimieren. Es sei zu verstehen, dass die Membran 36 im Wesentlichen undurchlässig für Wasserdampf ist, jedoch nicht im Wesentlichen undurchlässig für andere Bestandteilkomponententeile des Abgasstromes 18 ist, wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und der gleichen. Das Erfassungselement 22 wird daher dem Abgasstrom 18 ausreichend ausgesetzt und ist in der Lage, Wasserstoffkonzentrationen in dem Abgasstrom 18 ohne schädliche Wirkungen auf das Erfassungselement 22 aufgrund von Wasserkontakt, einschließlich inkorrekter Wasserstoffkonzentrationsablesungen, Korrosion, Schädigung des Sensors oder Gefrieren des Sensors während Perioden eines Nicht-Betriebs der Brennstoffzelle, genau zu messen.
Im Betrieb des Wasserstoffsensors 12 misst das Erfassungselement 22 eine Wasserstoffkonzentration durch Detektion der Oxidation von freiem Wasserstoff oder durch anderweitige Reaktion von Wasserstoff an der Oberfläche 40 des Erfassungselements 22. Die Oxidationsreaktion von Wasserstoff erzeugt Wasserdampf in dem Wasserstoffsensorgehäuse 14, das an einem Durchqueren der im Wesentlichen Wasserdampf undurchlässigen Membran 36 gehindert wird. Um eine Evakuierung des in dem Sensorgehäuse 14 erzeugten Wasserdampfes zu unterstützen, umfasst der Wasserstoffsensor 12 eine zweite Öffnung 42 in dem Sensorgehäuse 14, die eine Anordnung des Erfassungselementes 22 in Fluidkommunikation mit einer Außenumgebung 44 unterstützt. Günstige Ergebnisse sind gefunden worden, wenn die zweite Öffnung 42 das Erfassungselement 22 der Außenumgebung aussetzt. Um eine Kontamination innerhalb des Wasserstoffsensors 12 zu verhindern, kann eine im Wesentlichen Wasserdampf durchlässige Membran 46 eines in der Technik bekannten Typs in der zweiten Öffnung 42 angeordnet sein, um eine Evakuierung von Wasserdampf, der in dem Wasserstoffsensor 12 aufgrund von Oxidation des freien Wasserstoffs aus dem Abgasstrom 18 gebildet wird, zu ermöglichen. Die im Wesentlichen Wasserdampf durchlässige Membran 46 kann so gewählt sein, dass sie eine Evakuierung des Wasserdampfs ermöglicht, der in dem Wasserstoffsensor 12 aufgrund eines Druckgradienten zwischen dem Abgasstrom 18 und der Außenumgebung 44 oder aufgrund eines Feuchtegradienten zwischen dem Wasserstoffsensorgehäuse 14 und der Außenumgebung 44 gebildet wird. Die zweite Öffnung 42 minimiert den Kontakt des Erfassungselementes 22 mit Wasserdampf, wodurch die Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Langlebigkeit des Wasserstoffsensors 12 erhöht werden. Ein häufiger prophylaktischer Austausch des Wasserstoffsensors kann daher vermieden werden.
Aus der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.

Claims

Wasserstoffsensoranordnung (10), umfassend: ein Erfassungselement (22), das in einem Sensorgehäuse (14) angeordnet ist, wobei das Sensorgehäuse (14) eine erste Öffnung (32) aufweist, die eine Fluidkommunikation zwischen dem Erfassungselement (22) und einem Fluidstrom ermöglicht; eine im Wesentlichen Wasserdampf undurchlässige Membran (36), die in der ersten Öffnung (32) zwischen dem Erfassungselement (22) und dem Fluidstrom angeordnet ist, um einem Eintritt von Wasserdampf von dem Fluidstrom in das Sensorgehäuse (14) entgegenzuwirken; eine zweite Öffnung (42) in dem Sensorgehäuse (14), um eine Fluidkommunikation zwischen dem Erfassungselement (22) und einer Außenumgebung zu ermöglichen; und eine im Wesentlichen Wasserdampf durchlässige Membran (46), die in der zweiten Öffnung (42) angeordnet ist, um einem Eintritt von Schmutzstoffen von der Außenumgebung in das Sensorgehäuse (14) entgegenzuwirken.
Wasserstoffsensoranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die im Wesentlichen Wasserdampf undurchlässige Membran (36) eine Polytetrafluorethylenmembran ist.
Wasserstoffsensoranordnung (10) nach Anspruch 2, wobei der Fluidstrom ein Brennstoffzellenabgasstrom ist.
Wasserstoffsensoranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die im Wesentlichen Wasserdampf undurchlässige Membran (36) für Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff durchlässig ist.
Wasserstoffsensoranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei das Sensorgehäuse (14) in einer Durchbrechung (26) eines Brennstoffzellenabgassammlers (16) aufgenommen ist.