CN101819232A - 使用于pem燃料电池内的液态水传感器信号调节电路 - Google Patents

使用于pem燃料电池内的液态水传感器信号调节电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用于PEM燃料电池内的液态水传感器信号调节电路。一种具有用于检测来自液态水传感器的高阻抗测量信号的特定用途的测量电路。测量电路包括联接到传感器且从传感器接收电阻信号的高阻抗电阻至频率转换电路。电阻至频率转换电路包括将电阻信号转换为代表性频率的振荡器。测量电路还包括频率至电压转换电路，所述频率至电压转换电路从电阻至频率转换电路接收频率信号且将频率信号转换为代表性电压，所述代表性电压提供传感器上的水的指示。

Description

使用于PEM燃料电池内的液态水传感器信号调节电路
技术领域
本发明总体涉及一种用于测量高阻抗电阻信号的测量电路，且更具体地涉及一种用于测量来自放置在燃料电池的流场内的液态水传感器的电阻信号的测量电路，其中测量电路包括接收电阻信号的高阻抗电阻至频率转换电路、和将来自电阻至频率转换电路的频率信号转换为代表性电压的频率至电压转换电路。
背景技术
氢是非常具有吸引力的燃料，因为氢是清洁燃料且能够用于在燃料电池内有效地产生电。氢燃料电池是电化学装置，所述装置包括阳极和阴极以及在阳极和阴极之间的电解质。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极内分离以生成自由质子和电子。质子通过电解质到达阴极。质子与氧和电子在阴极内反应生成水。来自阳极的电子不能通过电解质且因此被引导通过负载，以在被送到阴极前做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的流行的燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极典型地包括磨碎的催化剂微粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂微粒支承在碳微粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对两侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜形成膜电极组件(MEA)。MEA的制造相对昂贵且要求一定条件以有效运行。
数个燃料电池典型地组合在燃料电池堆内以生成希望的动力。例如，用于车辆的典型的燃料电池堆可以具有两百或更多个堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，典型地为由压缩机迫使通过堆的空气流。并非所有氧都被堆消耗，且空气的一些作为阴极排气输出，所述阴极排气可包括作为堆的副产物的水。燃料电池堆还接收流入到堆的阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池堆包括定位在堆内的数个MEA之间的一系列双极板，其中双极板和MEA定位在两个端板之间。双极板包括用于堆内相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，所述阳极气体流动通道允许阳极反应剂气体流到各MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧，所述阴极气体流动通道允许阴极反应剂气体流到各MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，且另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由例如不锈钢的传导材料或由传导复合材料制成。端板将由燃料电池产生的电传导到堆外。双极板还包括流动通道，冷却流体流过该流动通道。
如在本领域中所理解，燃料电池膜以一定的相对湿度(RH)运行，使得越过膜的离子阻力足够小以有效传导质子。来自燃料电池堆的阴极输出气体的相对湿度被控制成通过控制数个堆运行参数来控制膜的相对湿度，所述堆运行参数例如是堆压力、温度、阴极化学计量比和进入堆内的阴极空气的相对湿度。
在燃料电池运行期间，来自MEA的湿气和外部湿度可进入阳极和阴极流动通道。在低电池功率需求时，典型地低于0.2A/cm2时，水可能积蓄在流动通道内，因为反应剂气体的流速过低而不能迫使水到通道外。当水蓄积时，在流动通道内形成小水滴。当小水滴的尺寸增加时，流动通道阻塞，且因为通道在共同的入口歧管和出口歧管之间并联，反应剂气体转到其他流动通道。另外，当小水滴的尺寸增加时，小水滴的表面张力可能变得比试图将小水滴推到排放歧管的差压更强，因此反应剂气体可能不流过被水阻塞的通道，反应剂气体不能迫使水到通道外。由于通道被阻塞而导致的不接收反应剂气体的膜的那些区域将不生成电，因此导致非均匀性的电流分布且降低燃料电池的总效率。当越来越多的流动通道被水阻塞时，由燃料电池所产生的电力下降，其中小于200mV的电池电势被认为是电池故障。因为燃料电池串联地电联接，所以如果燃料电池中的一个停止工作，则整个燃料电池堆可能停止工作。
由于以上所述的原因，通常希望判定燃料电池流场内是否存在液态水。因此，已在现有技术中进行开发，以提供能够整合到燃料电池流场的通道或歧管内且能够指示液态水存在的传感器。
发明内容
根据本发明的教示，披露一种测量电路，所述测量电路具有用于检测来自液态水传感器的高阻抗测量信号的特定用途。测量电路包括联接到传感器且从传感器接收电阻信号的高阻抗电阻至频率转换电路。电阻至频率转换电路包括将电阻信号转换为代表性频率的振荡器。测量电路还包括频率至电压转换电路，所述频率至电压转换电路从电阻至频率转换电路接收频率信号且将频率信号转换为传感器上提供水的指示的代表性电压。
在本发明的一个方面，提供一种用于从电阻传感器提供电压输出的测量电路，所述测量电路包括：电联接到传感器且为传感器提供AC激励信号的电阻至频率转换电路，所述电阻至频率转换电路响应于来自待被测量的传感器的电阻信号，所述电阻至频率转换电路包括振荡器放大器，所述振荡器放大器具有联接到传感器的第一输入和联接到传感器的输出，所述振荡器放大器生成正弦频率信号，所述正弦频率信号的频率基于电阻信号的电阻改变，所述电阻至频率转换电路进一步包括比较器放大器，所述比较器放大器具有联接到振荡器放大器的输出的第一输入、联接到振荡器放大器的第二输入的第二输入和联接到振荡器放大器的第一输入的输出，所述比较器放大器是反馈放大器，所述反馈放大器将来自振荡器放大器的正弦频率信号转换为相同频率的方波信号且使振荡器放大器作为自振荡电路以为传感器提供AC激励信号；和响应于来自比较器振荡器的方波信号的频率至电压转换电路，所述频率至电压转换电路将频率信号转换为代表性电压信号。
优选地，将传感器联接到振荡器放大器的第一输入的信号线和将传感器联接到振荡器放大器的输出的信号线包括电容器，以提供振荡器放大器的DC电压隔离。
优选地，传感器是具有相对高阻抗的液态水传感器。
优选地，传感器感测燃料电池的流动通道内的水。
优选地，传感器包括由间隙分开的一对电极条，液态水在间隙处穿越电极条存留且改变传感器的电阻，其中传感器的电阻取决于条被液态水所覆盖长度的多少而降低。
优选地，传感器具有大约1兆欧的阻抗。
优选地，振荡器放大器标定为使得当传感器的电阻处于其最高值时振荡器放大器提供大约4kHz的信号，且当传感器的电阻处于其最低值时振荡器放大器提供大约15kHz的信号。
优选地，频率至电压转换电路标定为当传感器的电阻处于其最高值时提供1伏特的输出，且当传感器的电阻处于其最低值时提供大约5伏特的输出。
在本发明的另一方面，提供一种用于从电阻传感器提供电压输出的测量电路，所述测量电路包括：电联接到传感器且为传感器提供激励信号的电阻至频率转换电路，所述电阻至频率转换电路响应于来自待被测量的传感器的电阻信号，所述电阻至频率转换电路包括联接到传感器的振荡器，所述振荡器将电阻信号转换为其频率基于电阻信号的电阻而改变的频率信号；和响应于来自电阻至频率转换电路的频率信号的频率至电压转换电路，所述频率至电压转换电路将频率信号转换为代表性电压信号。
优选地，电阻至频率转换电路内的振荡器是运算放大器，所述运算放大器具有联接到传感器的第一输入和联接到传感器的输出，所述电阻至频率转换电路进一步包括比较器放大器，所述比较器放大器具有联接到振荡器放大器的输出的第一输入、联接到振荡器放大器的第二输入的第二输入和联接到振荡器放大器的第一输入的输出，所述比较器放大器是反馈放大器，所述反馈放大器将来自振荡器放大器的正弦频率信号转换为来自该频率的方波且使振荡器放大器作为自振荡电路以为传感器提供激励信号。
优选地，将传感器联接到振荡器放大器的第一输入的信号线和将传感器联接到振荡器放大器的输出的信号线包括电容器，以提供振荡器放大器的DC电压隔离。
优选地，传感器是具有相对高阻抗的液态水传感器。
进一步优选地，传感器感测燃料电池的流动通道内的水。
进一步优选地，传感器包括由间隙分开的一对电极条，液态水在间隙处穿越电极条存留且改变传感器的电阻，其中传感器的电阻取决于条被液态水所覆盖长度的多少而降低。
进一步优选地，传感器具有大约1兆欧的阻抗。
优选地，振荡器放大器标定为使得当传感器的电阻处于其最高值时振荡器放大器提供大约4kHz的信号，且当传感器的电阻处于其最低值时振荡器放大器提供大约15kHz的信号。
优选地，频率至电压转换电路标定为当传感器的电阻处于其最高值时提供1伏特的输出，且当传感器的电阻处于其最低值时提供大约5伏特的输出。
优选地，提供到传感器的激励信号是AC激励信号。
在本发明的又一方面，提供一种用于为具有相对高阻抗的液态水电阻传感器提供电压输出的测量电路，所述电阻传感器定位在燃料电池的流动通道内以感测其内的液态水，所述测量电路包括：电联接到传感器且为传感器提供AC激励信号的电阻至频率转换电路，所述电阻至频率转换电路响应于来自待被测量的传感器的电阻信号，所述电阻至频率转换电路包括振荡器放大器，所述振荡器放大器具有联接到传感器的第一输入和联接到传感器的输出，所述振荡器放大器生成正弦频率信号，所述正弦频率信号的频率基于电阻信号的电阻改变，所述电阻至频率转换电路进一步包括比较器放大器，所述比较器放大器具有联接到振荡器放大器的输出的第一输入、联接到振荡器放大器的第二输入的第二输入和联接到振荡器放大器的第一输入的输出，所述比较器放大器是反馈放大器，所述反馈放大器将来自振荡器放大器的正弦频率信号转换为相同频率的方波信号且使振荡器放大器作为自振荡电路以为传感器提供AC激励信号；设置在将传感器联接到振荡器放大器的第一输入的信号线内的第一电容器，和设置在将传感器联接到振荡器放大器的输出的信号线内的第二电容器，所述第一电容器和第二电容器为振荡器放大器提供DC电压隔离；和响应于来自比较器振荡器的方波信号的频率至电压转换电路，所述频率至电压转换电路将频率信号转换为代表性电压信号。
优选地，振荡器放大器标定为使得当传感器的电阻处于其最高值时提供大约4kHz的信号，且当传感器的电阻处于其最低值时提供大约15kHz的信号，且其中频率至电压转换电路标定为当振荡器电路生成4kHz频率信号时提供1伏特的输出，且当振荡器放大器生成15kHz频率信号时提供5伏特的输出。
本发明的另外的特征将从如下描述和随附的权利要求中结合附图变得显见。
附图说明
图1是包括流场通道和液态水传感器的燃料电池双极板的俯视图；
图2是流场板上的液态水传感器的剖视图；和
图3a和图3b是测量电路的示意图，所述测量电路测量来自图1和图2中示出的传感器的高阻抗电阻信号。
具体实施方式
如下对于本发明的实施例的论述针对用于测量高阻抗电阻信号且提供代表性信号电压的测量电路，所述论述在本质上仅是示范性的，且不意图于限制本发明或其应用或使用。例如，本发明的测量电路具有用于测量来自设置在燃料电池板的流场内的液态水传感器的电阻信号的特定用途。然而，如本领域一般技术人员将认识到，本发明的测量电路将具有用于测量其他应用的其他高阻抗电阻信号的用途。
图1是用于包括多个流动通道12的燃料电池的流场板10的剖视顶视图。在一个非限制性实施例中，板10是形成流动通道12的冲压铝板，其中板10可以是阴极侧板或阳极侧板。传感器14设置在板10上且包括分开一定距离的平行电极条16和18。图2是板10的剖视图，图中示出包括条16和18的传感器14。激励信号能够在触点20和22处提供到条16和17。传感器14有意图地定位在板10上，使得传感器14能够检测流动通道12中的水，其中小水滴可能存留穿越电极条16和18，从而改变传感器14的电阻，此电阻改变能够通过将在下文中详述的测量电路读取。
在一个非限制性实施例中，传感器14定位在板10内的槽内。传感器14可以是适合于在此所述目的的任何传感器，该传感器在干态时具有高电阻特征而在湿态时具有低电阻特征。
如上所提及，传感器14的电阻在小水滴将电极条16和18电联接时改变，且来自传感器14的电阻信号将识别该改变。电阻信号将基于多个因素，例如条16和18的被水覆盖的长度、水的纯度、水的稠度等。由传感器14生成的电阻信号是高阻抗信号，典型地具有1兆欧的量级。因此，需要小心地选择能在此阻抗下有效地联接到传感器10的合适的测量电路。换言之，测量电路的输入阻抗必需至少与由传感器14提供的电阻电路一样高，以使测量电路能检测到电阻信号。
电路设计的一个考虑是电路测量AC响应信号。特别地，跨电极条16和18之间的间隙的电阻必须使用AC扰动电流来测量而非直流电流，以防止电极条16和18被极化。如果使用DC测量，则电极条16和18的电镀将随时间发生，且电阻信号将随电极表面而改变。通过使用AC扰动信号，在每个电极条16和18处的连续反应得到阻止。
测量电路可设计为在AC扰动电流的频率下运行，此频率随着电极条16和18之间的电阻而变化。在一个非限制性实施例中，扰动电流的频率可在4kHz至15kHz之间变化。当水将电极条16和18之间的间隙桥接时，能够检测到对于AC电流的电阻的降低。电阻与被水桥接的条16和18的长度成比例地降低。当电阻下降时，振荡器频率升高。在其湿端极限处，传感器14具有仅大约200千欧的电阻，对应于15kHz的频率。在其干端极限处，电极条16和18之间的间隙的电阻可为700千欧，对应于4kHz的频率。
数据采集系统电压输入远比频率输入常见。因此，频率至电压转换电路可联接到振荡器电路的输出。调节电路的此部分将频率输出转换为电压输出，该电压输出能够送给到典型的采集系统内。在极限处，1伏特的DC电压输出对应于4kHz的频率输入，且5伏特的DC电压输出对应于15kHz的频率输入。
因为电池电势，特别是燃料电池堆内的电池电势，传感器14从测量电路的DC隔离是重要的。为保证电池堆电势不影响或损坏测量电路，隔离电容器能够使用在通向电极条16和18的接线中。电流测量/调节电路能够设计为去除高达50伏特DC，这对于单电池和短堆运行是足够的。
图3a和图3b是以上所述类型的测量电路30的示意图，所述测量电路30可应用于测量来自传感器14的电阻信号。在测量电路30中示出的电路部件的各个值仅是例子且是用于这些部件的典型值。然而，如本领域一般技术人员所认识，这些部件的其他值可以等同地应用在其他实施例中。在此图中，可变电阻器32表示传感器14。电阻器32能够通过用于在此所描述目的的任何合适的联接器，例如Molex联接器，电联接到测量电路30。
测量电路30包括高阻抗电阻至频率转换电路部分34和频率至电压转换部分36。电阻至频率转换电路部分34包括运算放大器38，该运算放大器38操作为振荡器，生成指示来自电阻器32的电阻信号的电阻的频率信号。振荡器放大器38的频率通过传感器32的电阻控制。电极条16或18中的其中一个联接到通向放大器38的第一输入线，且电极条16或18的另一个电联接到放大器38的输出线。放大器38具有非常高的输入阻抗，该输入阻抗与传感器32的电阻可兼容。传感器32是通过电容器44和46联接到电路部分34的电容器，以提供如以上所提及的DC隔离的需要。在一个非限制性实施例中，振荡器放大器38能够标定为当传感器32为干态时以大约4kHz运行且处于其最大电阻，而当传感器32变成完全湿态且其电阻下降时增加到大约15kHz运行。
振荡器放大器38的正弦输出馈给到操作为比较器的运算放大器40，该比较器将正弦波转换为具有相同频率的方波。特别地，振荡器放大器38的输出线上的正弦输出频率作为第一输入提供到放大器比较器40，将振荡器放大器38和比较器40的第二输入联接在一起。比较器放大器40的输出反馈到振荡器放大器38的第一输入以形成自振荡电路，该电路形成传感器32所需的AC激励。此振荡器/放大器电路可调谐以使多种传感器设计的电阻和频率范围适应与其他燃料电池系统测量兼容，例如HFR 1kHz扰动。
来自比较器40的方波频率信号然后在线46上提供到频率至电压转换电路部分36，该频率至电压转换电路部分36将频率信号转换为输出线42上的代表性电压。转换器电路部分36使用提供转换的集成电路芯片48，对于此用途该芯片48对于本领域一般技术人员是已知的。在一个非限制性实施例中，芯片48能够标定为在4kHz时提供1伏特输出，且在15kHz时提供5伏特输出。此输出水平容易通过通用的数据采集和控制系统读取，以及对于低水平的EMI和RFI噪声具有合理的抗扰性。
电路30还包括分压器部分50，所述分压器部分50接收15伏特的DC输入且提供5伏特的DC输出。5伏特的DC输出适合于振荡器放大器38和电路30内的其他系统部件。测量电路30是功耗非常低的电路，例如功耗为200微瓦，且能够在范围从5V至25V的供应电压下运行。另外，由于测量电路30要求非常少的低成本部件，所以测量电路30容易地可应用于汽车控制系统应用。
前述论述仅披露且描述本发明的示范性实施例。本领域一般技术人员从此论述且从附图和权利要求中将容易地认识到，在不偏离如在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行多种改变、修改和变化。

Claims (10)

1.一种用于从电阻传感器提供电压输出的测量电路，所述测量电路包括：
电联接到传感器且为传感器提供AC激励信号的电阻至频率转换电路，所述电阻至频率转换电路响应于来自待被测量的传感器的电阻信号，所述电阻至频率转换电路包括振荡器放大器，所述振荡器放大器具有联接到传感器的第一输入和联接到传感器的输出，所述振荡器放大器生成正弦频率信号，所述正弦频率信号的频率基于电阻信号的电阻改变，所述电阻至频率转换电路进一步包括比较器放大器，所述比较器放大器具有联接到振荡器放大器的输出的第一输入、联接到振荡器放大器的第二输入的第二输入和联接到振荡器放大器的第一输入的输出，所述比较器放大器是反馈放大器，所述反馈放大器将来自振荡器放大器的正弦频率信号转换为相同频率的方波信号且使振荡器放大器作为自振荡电路以为传感器提供AC激励信号；和
响应于来自比较器振荡器的方波信号的频率至电压转换电路，所述频率至电压转换电路将频率信号转换为代表性电压信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其中将传感器联接到振荡器放大器的第一输入的信号线和将传感器联接到振荡器放大器的输出的信号线包括电容器，以提供振荡器放大器的DC电压隔离。
3.根据权利要求1所述的电路，其中传感器是具有相对高阻抗的液态水传感器。
4.根据权利要求3所述的电路，其中传感器感测燃料电池的流动通道内的水。
5.根据权利要求3所述的电路，其中传感器包括由间隙分开的一对电极条，液态水在间隙处穿越电极条存留且改变传感器的电阻，其中传感器的电阻取决于条被液态水所覆盖长度的多少而降低。
6.根据权利要求3所述的电路，其中传感器具有大约1兆欧的阻抗。
7.根据权利要求1所述的电路，其中振荡器放大器标定为使得当传感器的电阻处于其最高值时振荡器放大器提供大约4kHz的信号，且当传感器的电阻处于其最低值时振荡器放大器提供大约15kHz的信号。
8.根据权利要求1所述的电路，其中频率至电压转换电路标定为当传感器的电阻处于其最高值时提供1伏特的输出，且当传感器的电阻处于其最低值时提供大约5伏特的输出。
9.一种用于从电阻传感器提供电压输出的测量电路，所述测量电路包括：
电联接到传感器且为传感器提供激励信号的电阻至频率转换电路，所述电阻至频率转换电路响应于来自待被测量的传感器的电阻信号，所述电阻至频率转换电路包括联接到传感器的振荡器，所述振荡器将电阻信号转换为其频率基于电阻信号的电阻而改变的频率信号；和
响应于来自电阻至频率转换电路的频率信号的频率至电压转换电路，所述频率至电压转换电路将频率信号转换为代表性电压信号。
10.根据权利要求9所述的电路，其中电阻至频率转换电路内的振荡器是运算放大器，所述运算放大器具有联接到传感器的第一输入和联接到传感器的输出，所述电阻至频率转换电路进一步包括比较器放大器，所述比较器放大器具有联接到振荡器放大器的输出的第一输入、联接到振荡器放大器的第二输入的第二输入和联接到振荡器放大器的第一输入的输出，所述比较器放大器是反馈放大器，所述反馈放大器将来自振荡器放大器的正弦频率信号转换为来自该频率的方波且使振荡器放大器作为自振荡电路以为传感器提供激励信号。
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