带有光阻塞和光传输特征以在不同环境中运行的两个电子装置之间光学通信的集成式环境保护屏障

摘要

一种用于保护燃料电池组健康状况监控系统的接收器部分的集成式环境屏障。所述组健康状况系统包括发送测量模块和具有接收器的光学通信模块。指示燃料电池组健康状况的测量值穿过环境保护屏障在发送器和接收器之间光学通信。环境保护屏障设置在测量模块和光学通信模块之间以使环境屏障将光学通信模块与燃料电池组中包含的环境隔离。环境屏障包括允许系统变化而同时确保信号完整的光阻塞和光传输部分。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于燃料电池组健康状况监控系统的保护屏障，更为特殊地涉及环境屏障，所述环境屏障保护燃料电池组健康状况监控系统的接收器部分。

背景技术

在通常的燃料电池系统中，氢气或富含氢的气体穿过流动路径作为反应物被供应到燃料电池的阳极侧，而氧气（例如大气氧气的形式）穿过分开的流动路径作为反应物被供应到燃料电池的阴极侧。通常贵金属（例如铂）形式的催化剂位于阳极和阴极处以利于将反应物电化转换成电子和正价离子（对于氢）以及负价离子（对于氧）。电解质层将阳极与阴极分开以允许离子可选地从阳极通过到阴极而同时禁止产生的电子通过，相反地其被迫流动穿过外部导电电路（例如负载）以在与带电离子在阴极侧重新结合前做有用功。正价和负价离子在阴极处结合导致产生作为反应副产品的无污染的水。

称为质子交换膜（PEM）燃料电池的一种燃料电池形式对于车辆和相关机动应用已经示出了特殊前景。PEM燃料电池的电解质层是固态的质子传输膜（例如全氟磺酸膜，其商业示例为Nafion^TM）形式。通过这种电解质层从阴极分开的阳极的存在形成单个PEM燃料电池；许多这种单个电池能够组合以形成燃料电池组，增加其功率输出。多个组能够一起联接以进一步增加功率输出。

燃料电池需要平衡水位以确保正确运行。例如，避免在燃料电池中具有太多水是重要的，其能够导致溢流或相关地阻塞反应物流场沟道，由此妨碍电池运行。另一方面，太少的水合作用限制所述膜的导电性并能够导致电池过早失效。在燃料电池中具有同时增加和降低局部和全局水合作用水平的多种抵触反应发生，加剧了维持水位平衡的困难。

具体地关于溢流，由于更多流动沟道被阻塞并且更少的反应物气体流动穿过，燃料电池产生的电降低。因为燃料电池串联地电联接，如果燃料电池中的一个失效，整个组可能失效。为此原因，需要确定燃料电池流场中液态水的存在或缺失。然而，燃料电池的水合作用和水位平衡要求建立了对于用来感测和确定这种水的存在的电子器件的不理想环境。用于监控燃料电池组健康状况的当前系统包括组的主要部件的有线传输。然而，有线传输设备对于湿气和液态水的存在尤其敏感。

发明内容

考虑到以上，描述了一种带有用于系统的光阻塞和光传输部分的环境保护屏障，所述系统监控并光学传达燃料电池组的健康状况。此外，将接收器部分集成到所述系统中被描述。根据所公开本发明的一个方面，一种用于监控燃料电池组健康状况的系统包括：测量模块，所述测量模块与光学通信模块信号连通以使与燃料电池组健康状况相关联的参数通过光学通信模块被测量模块测量；和环境屏障，所述环境屏障设置在测量模块和光学通信模块之间以使环境屏障将光学通信模块与燃料电池组中包含的环境隔离。

所述组健康状况监控系统包括经过环境保护屏障而光学传达电压或相关测量值（其可以包括诊断讯息、定时和成帧（framing））的发送器和接收器。

根据所公开本发明的另一方面，一种燃料电池组包括：多个燃料电池，所述多个燃料电池中的每个包括阳极、阴极和膜，所述膜设置在所述阳极和阴极之间以利于在其之间传递离子化流体；将氢气承载流体输送往返阳极的第一反应物流动路径；将氧气承载流体输送到阴极的第二反应物流动路径；多个歧管，其设置在燃料电池组的相对端部上以通过第一反应物流动路径和第二反应物流动路径传送和移开氢气承载流体和氧气承载流体；用于监控燃料电池组健康状况的系统，所述系统包括：测量模块和光学通信模块，所述光学通信模块与测量模块信号连通以使与燃料电池组健康状况相关联的参数通过光学通信模块被测量模块测量；以及环境屏障，所述环境屏障设置在测量模块和光学通信模块之间以使环境屏障将光学通信模块与燃料电池组中包含的环境隔离。

根据所公开本发明的另一方面，一种测量燃料电池组中至少一个燃料电池中的参数的方法，包括：使用测量模块测量所述参数并发送所述参数；使用光学通信模块接收所述参数，其中，所述通信模块与测量模块信号连通；以及使用环境屏障，所述环境屏障设置在测量模块和光学通信模块之间以将光学通信模块与燃料电池组中包含的环境隔离。

方案1. 一种用于监控燃料电池组健康状况的系统，所述系统包括：

测量模块；

光学通信模块，其与测量模块信号连通以使与燃料电池组健康状况相关联的参数通过光学通信模块被测量模块测量；以及

环境屏障，其设置在测量模块和光学通信模块之间以使环境屏障将光学通信模块与燃料电池组中包含的环境隔离。

方案2. 如方案1所述的系统，其中，环境屏障包括不透明电镀材料，所述不透明电镀材料设置在所述环境屏障的至少一部分上以阻止从中穿过的光学通信。

方案3. 如方案1所述的系统，其中，环境屏障包括以指定波长为目标用于偏光、吸光、减光或其组合的建构材料。

方案4. 如方案1所述的系统，其中，环境屏障包括纹理表面。

方案5. 如方案1所述的系统，其中，环境屏障将光学通信模块与燃料电池组中包含的湿气隔离。

方案6. 如方案1所述的系统，其中，环境屏障将光学通信模块与燃料电池组中的湿气隔离。

方案7. 一种燃料电池组，包括：多个燃料电池，所述多个燃料电池中的每个包括阳极、阴极和膜，所述膜设置在所述阳极和阴极之间以利于在其之间传递离子化流体；

将氢气承载流体输送到阳极的第一反应物流动路径；

将氧气承载流体输送到阴极的第二反应物流动路径；

多个歧管，其与燃料电池组流体连通以通过相应的第一反应物流动路径和第二反应物流动路径传送和移开氢气承载流体和氧气承载流体；以及

用于监控燃料电池组健康状况的系统，所述系统包括测量模块、光学通信模块，所述光学通信模块与测量模块信号连通以使与燃料电池组健康状况相关联的参数通过光学通信模块被测量模块测量、以及

环境屏障，所述环境屏障设置在测量模块和光学通信模块之间以使环境屏障将光学通信模块与燃料电池组中包含的环境隔离。

方案8. 如方案7所述的燃料电池组，其中，环境屏障包括光阻塞和光传输部分。

方案9. 如方案8所述的燃料电池组，其中，环境屏障包括光阻塞部分中的不透明电镀材料。

方案10. 如方案8所述的燃料电池组，其中，光阻塞和光传输部分包括以指定波长为目标用于偏光、吸光、减光或其组合的应用材料。

方案11. 如方案10所述的燃料电池组，其中，应用材料与环境屏障整体形成，并且其中，应用材料与环境屏障材料相同。

方案12. 如方案10所述的燃料电池组，其中，应用材料与环境屏障整体形成，并且其中，应用材料是与环境屏障的材料不同的载体材料。

方案13. 如方案10所述的燃料电池组，其中，应用材料是附连材料件，其由与环境屏障相同的材料制成。

方案14. 如方案10所述的燃料电池组，其中，应用材料是附连材料件，其由与环境屏障的材料不同的载体材料制成。

方案15. 如方案7所述的燃料电池组，其中，环境屏障包括纹理表面。

方案16. 如方案7所述的燃料电池组，包括用于接收燃料电池组健康状况发送的光学通信模块，其中，光学通信模块嵌入在环境屏障中。

方案17. 如方案15所述的燃料电池组，包括用于将光学通信模块装配到环境屏障上的器件。

方案18. 如方案1所述的系统，其中，测量模块嵌入在燃料电池组中。

方案19. 一种测量燃料电池组中至少一个燃料电池中的参数的方法，包括：

使用测量模块测量所述参数并发送所述参数；

使用光学通信模块接收所述参数，其中，所述通信模块与测量模块信号连通；以及

使用环境屏障，所述环境屏障设置在测量模块和光学通信模块之间以将光学通信模块与燃料电池组中包含的环境隔离。

方案20. 如方案19所述的方法，其中，所述参数用来确定燃料电池组的健康状况。

方案21. 如方案19所述的方法，其中，所述参数是电压。

方案22. 如方案19所述的方法，其中，所述参数被光学地发送和接收。

方案23. 如方案19所述的方法，其中，测量模块设置在所述环境内部。

附图说明

当结合如下附图阅读时，本发明的优选实施例的如下详细说明能够被最佳理解，其中同样的结构以同样的附图标记指示，其中：

图1是燃料电池组的示意图；

图2是图1组中的各个燃料电池的细节图；

图3燃料电池组的分解图，所述燃料电池组包含：用于发送燃料电池组健康状况的嵌入式测量模块、环境屏障（其包含用于光学接收来自嵌入式测量模块的燃料电池组健康状况信息的集成式光学通信模块）、以及壳体；

图4是图3的环境屏障的端视图，示出了光阻塞和光传输部分；以及

图5是用于所述集成式光学通信模块的物理装配件的细节图。

具体实施方式

如下的详细说明和附图描述并阐释了本发明的各种实施例。说明和附图用来允许本领域的技术人员施行并使用本发明，并非旨在以任何方式限制本发明的范围。

首先参照图1-3，包括燃料电池组1的燃料电池系统10由多个燃料电池20构成并包括将氢气承载流体输送往返阳极25A的第一反应物流动路径40，而第二反应物流动路径50在阴极25B处对氧气承载流体做相同处理。歧管60可设置在燃料电池组1的相对端部处，以协调反应物通过流动路径40，50的输送和移开。尤其地参照图3，示出了燃料电池组1，所述燃料电池组1包含用于发送燃料电池组1健康状况的嵌入式测量模块4、装配到环境屏障3上用于光学接收来自嵌入式测量模块4的燃料电池组1健康状况信息的集成式光学通信模块2、以及壳体5。嵌入式测量模块4测量燃料电池组1的电压输出并将其发送到光学通信模块2以监控燃料电池组1的健康状况。也可以发送诊断讯息、定时或成帧。光学通信模块2通过装配件10集成到环境屏障3中。如图5所示，装配件10可以包括热铆接（thermal staking）。燃料电池组1的电压输出是燃料电池20流场中液态水存在或缺失的指示器；电压输出降低指示燃料电池组1健康状况欠佳。因为燃料电池20的流动沟道溢流或阻塞阻止反应物气体流动穿过流动沟道，由燃料电池产生的电降低。

环境屏障3当靠着壳体5在位时密封壳体5。嵌入式测量模块4在燃料电池组1中示出。因为在燃料电池组1中发生湿气交换，所以这对于电子装置而言不是理想环境。因而，环境屏障3阻止来自燃料电池组1的湿气和液态水进入包含电子器件的壳体5，所述电子器件包括光学通信模块2。

接下来参照图4，本领域的技术人员将理解其为如图5（其示出了环境屏障3）所示的环境屏障3的相反侧。环境屏障3用作燃料电池组1和壳体3之间的密封件。光学通信模块2被集成到环境屏障3中形成单个部件，由此保护光学通信模块2免受燃料电池组1中可能的高湿气环境影响。环境屏障3包括光阻塞部分6和仅允许目标波长穿过环境屏障3的光传输部分7。光阻塞部分6可以包括不透明的电镀（plating）材料。环境屏障3的光阻塞部分6和光传输部分7可以包括用于偏光、吸光、减光或其组合的应用材料或可以包括纹理（textured）表面。这种应用材料可以设计成通过调整应用材料（其用于偏光、吸光、减光或其组合或可以包括纹理表面）而阻塞从600纳米到960纳米范围内的具体波长。在本上下文中，应用材料包括配置成提供需要光学性能的材料的一个或多个层或涂层。在一个非限制性示例中，应用材料可以是光学叠加（optical stack）的形式。环境屏障3可以是但不限于具有总体在2.0和3.0mm之间厚度的聚碳酸酯或丙烯酸物、透明塑料的注射模制物、金属/塑料混合物、或金属和透镜材料混合物。取决于几何结构，附加的光阻塞层可以是2.0-5.0mm。

虽然为了阐释本发明的目的而示出了某些代表性实施例和细节，但对于本领域的技术人员来说显而易见，在不偏离本发明范围的情况下可以做出各种改变，其在所附的权利要求中限定。