CN105431322A - 机动车中的燃料电池堆的排风引导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池堆的排风引导装置，尤其是在机动车中，该排风引导装置包括冷却装置，该冷却装置属于燃料电池堆的功能环境并且形式为被环境空气流过的冷却器结构，其中，燃料电池堆的至少一部分排风引导到冷却器结构中或者沿环境空气流过冷却器结构的通流方向观察引导到冷却器结构下游，该排风气流在冷却器结构上按照喷射泵原理引起环境空气流过冷却器结构的质量流量的提高，或者说该排风气流在冷却器结构上按照喷射泵原理引起压力降，该压力降把环境空气至少部分地输送通过冷却器结构。

Description

机动车中的燃料电池堆的排风引导装置
本发明涉及一种燃料电池堆的排风引导装置，尤其是在机动车中，该排风引导装置包括冷却装置，该冷却装置属于燃料电池堆的功能环境并且形式为被环境空气流过的冷却器结构。现有技术例如参考DE102008029529A1。
燃料电池，至少是PEM结构方式的燃料电池，在运行中必须被冷却，所以为通过多个燃料电池的堆叠构成的燃料电池堆设置合适的冷却装置。这种冷却装置通常用于载热介质的循环以及传热器、尤其是换热器构成，在传热器中，在燃料电池堆中吸收热量的循环的载热介质将吸收的热能排出到引导通过在此一般称为冷却器结构的传热器、尤其是换热器的环境空气流。但是也已知一些空气冷却的燃料电池堆，它们本身构成或者说包含适合的冷却器结构，环境空气流在该冷却器结构旁边经过或者穿过该冷却器结构，以便冷却，为此例如参见尚未公开的申请号为10201220645.1的德国专利申请。在此在大多数情况下，为了输送环境空气流通过冷却器结构(其是独立的传热器、尤其是换热器，或者是集成在燃料电池堆中的冷却器结构)，需要独立的输送装置(鼓风机、风扇等等)，它们部分地具有相对高的能量需求。
对此提出改进，是本发明的任务。
上述任务的解决方案在于一种燃料电池堆的排风引导装置，尤其是在机动车中，该排风引导装置包括冷却装置，该冷却装置属于燃料电池堆的功能环境并且形式为被环境空气通流的冷却器结构，燃料电池堆的至少一部分排风引导到冷却器结构中，或者沿环境空气流过冷却器结构的通流方向观察引导到冷却器结构下游，使得排风气流在冷却器结构上按照喷射泵原理引起环境空气流过冷却器结构的质量流量的提高(而且是与在没有按本发明将燃料电池排风引导到冷却器结构的情况下在其他方面的边界条件不发生改变时出现的环境空气质量流量相比)。换言之，适合地引导到冷却器结构的排风气流应该在冷却器结构上按照喷射泵原理引起压力降，该压力将把环境空气至少部分地输送通过冷却器结构。有利的进一步方案是从属权利要求的内容。
按本发明，燃料电池堆的排风(在PEM燃料电池中是阴极排风气流)至少部分地引导到冷却器结构，使得该排风气流的压力或者说超压用于输送环境空气作为流过冷却器结构的冷却空气。在此，利用原则上已知的喷射泵原理(尤其是由通过合适的管子合并而构成的抽吸喷射泵已知)。在此明确地指出，在按本发明的冷却器结构上绝不必要的是，将燃料电池排风以及环境空气在管子结构中明确地合并，在更多情况下足够的是，燃料电池的排风合适地引导到冷却器结构中，或者沿环境空气流过冷却器结构的通流方向观察引导到冷却器结构下游，例如在多个至少近似平行于冷却器结构的入流面定向的管子中引导，排风经由在这些管子的壁(管壁)中的排出开口从管子中排出，这些排出开口相对于(期望的)冷却空气流穿过冷却器结构的通流方向处于合适的角度。在燃料电池堆的排风气流中存在的压力势能总是可以按照建议的方式用于输送环境空气并且因此用于输送冷却空气通过冷却器结构，使得排风气流引起环境空气的质量流量的提高，这是与在没有按本发明将燃料电池排风引导到冷却器结构的情况下在其他方面的边界条件不变时出现的环境空气质量流量相比。
这涉及按本发明引导燃料电池排风或者说所述的排风气流，其压力势能或者说超压由此前进行的将环境空气作为反应空气输送到燃料电池堆中引起，该反应空气在那里在其中一个电极上(在PEM燃料电池的情况下在阴极上)与引导到相应的阴极-电解质-阳极-单元的另一侧上的燃料流(尤其是以氢气的形式)按已知方式反应，以便紧接着作为排风气流从燃料电池堆中导出。燃料电池堆的排风的温度和尤其是湿度相对于首先作为反应空气输送给燃料电池的环境空气提高。因此在本发明的一种有利的进一步方案的意义中，燃料电池堆的排风可以在按本发明引导到冷却器结构之前在合适的传热器、尤其是换热器中(优选在再一次借助环境空气的情况下)进行冷却，此时湿气有利地冷凝，使得不会由于燃料电池堆的排风气流发生否则在多数情况下可确定的起雾。
在本发明的一种有利的进一步方案的意义中，燃料电池排风气流相对于冷却器结构的流动速度和/或流动方向并且因此例如排风从所述管子和一般性而言从任意系统的流出方向和/或流出速度能有意地改变，燃料电池排风以按本发明的方式经由所述系统引导到冷却器结构。例如为此，在所述管子的管壁中的排出开口能借助于滑动件或类似物改变。借助于滑动件例如能改变所述排出开口的横截面积，因此得到燃料电池排风气流的不同流动速度；但是通过滑动件或类似物也能以期望的方式改变排风气流相对于冷却器结构的流动方向。但是在例如已知的管子的情况下，燃料电池排风通过该管子引导到冷却器结构中或冷却器结构下游，也可能的是，所述管子本身围绕其纵轴线旋转并且因此改变从管子排出的排风气流相对于冷却器结构的流动方向。如果设置将燃料电池排风引导到冷却器结构的多个管子，也可以将其中若干个管子根据各种各样的边界条件基本上停止运行，也就是说不被加载燃料电池排风，因此整个排风气流分配到合适数量的管子上，并且因此排风气流在这些较少管子中的流动速度增大，并且因此从管子的排出速度增大。在此要明确指出，绝不必要的是，将燃料电池排风气流如可选地建议的那样经由多个管子利用设置在管壁中的排出开口引导到冷却器结构；在更多情况下，对此也可以使用其他空气引导系统。在此当然经由合适的几何适配来控制质量流量分布也可能。
如果燃料电池排风气流按本发明方式至少部分地引导到冷却器结构中，并且该冷却器结构是在其他方面常见的具有如下管子的车辆冷却器，所述管子引导冷却液并且在所述管子上设置冷却肋，环境空气作为冷却空气沿着冷却肋流动，则为了实现特别紧凑的结构方式，引导排风气流的管子与引导冷却液的管道至少局部地构成一个结构单元，例如形式为具有沿着管轴线延伸的分隔壁的管子。
原理附图(图1、图2、图3)显示本发明的三种实施例，其中，在每个图中大大抽象地描述冷却器结构1和按本发明引导燃料电池堆排风的俯视图。冷却器结构1集成在未描述的机动车尤其是轿车的前部区域中，在该机动车中设置同样未描述的燃料电池堆，该燃料电池堆经由冷却液循环借助于冷却器结构1冷却。该冷却器结构1例如以基本上常见的空气-水-传热器、尤其是换热器的形式构成，例如其以用于冷却用作如今的机动车驱动总成的内燃机的冷却器的形式按各种各样的构造方案在机动车中安装在机动车的前部区域中，在该安装地点上冷却器结构1特别良好地被运动的机动车的行驶风入流。另外在车辆行驶时流过冷却器结构1的环境空气的入流方向在此通过箭头2描述，由此可见，冷却器结构1的入流面1a相对于环境空气2(附图标记2页用于环境空气)在图纸平面上垂直，在冷却器结构1的背侧的出流面1b同样如此。
因此，环境空气可以按箭头2或箭头D(D表示通流方向)流过冷却器结构1，并且在此时从没有显示的载热介质吸收热量，优选掺有抗冻剂的水用作为载热介质或冷却介质，载热介质与环境空气2换热并且也引导通过冷却器结构1。冷却器结构1在此如原则上已知地构成，这在当前附图中为简化起见没有详细描述；重要的是，冷却器结构1通过多个合适地引导的管子构成，载热介质在这些管子中流动，并且在这些管子上设置多个肋，环境空气2作为冷却空气流经这些肋。
但是在图中描述多个引导到冷却器结构1的管子3，它们当前对于每个实施例基本上垂直地定向，但是也可以按其他方式构成。但是在图中为了更好的可见性起见这些管子3略微透视地或者说倾斜地描述。这些管子3关于在其中引导的介质是彼此并联的，在这些管子中引导所述燃料电池堆的排风气流，也就是说在每个管子3中流动设置在车辆中的燃料电池堆的整个排风气流的一个相应的份额。在这些管子3或者说在他们的管壁上设置多个排出开口4，使得从每个排出开口4从相应的管子3中排出按箭头5的燃料电池排风的小的分流。另外，附图标记5也用于燃料电池排风本身。
在按图1和图2的实施例中，管子3设置在冷却器结构1内并且因此从管子3的排出开口4排出的燃料电池排风5引导到冷却器结构1中，使得该排风气流5按照喷射泵原理引起压力降，该压力降将环境空气至少部分地按箭头D(D表示通流方向)输送通过冷却器结构1。在相对于环境压力的超压下从管子3经由合适地定向的排出开口4排出的燃料电池排风5在此流向冷却器结构1的出流面1b并且在此时也携带环境空气2按箭头D穿过冷却器结构1，而且是在利用喷射泵原理的情况下。因此，对于穿过冷却器结构1的环境空气2至少需要用于通常还要设置的、但在此未描述的输送装置的较小的输送功率(但是也许根本不需要其他用于作为流过冷却器结构1的冷却空气的环境空气的输送装置)。
有利的是，在冷却器结构1内部，引导到冷却器结构内的燃料电池排风5同时与流过的环境空气2混合并且因此被稀释，使得即使在燃料电池排风5此前没有如上述可选地说明的那样冷却的情况下也不由于包含于燃料电池排风5中的湿气的冷凝而起雾。
在图1的实施方式中燃料电池堆的排风气流5在独立的管子3中引导到冷却器结构内，而在按图2的实施例中管子3与管道6构成为结构单元，以及提及的载热介质即冷却液在所述管道中引导通过冷却器结构1。该结构单元构成两个并排的并且在流动技术上彼此分开的管子，即一个用于排风气流5的管子3和一个用于在冷却器结构1中(通过按箭头D流过的环境空气2)要被冷却的载热介质的管道6。
在按图3的实施例中，排风气流5被引导到冷却器结构1下游(沿环境空气2的通流方向D观察)，即说在此也设置的具有用于引导和排出燃料电池排风气流5的排出开口4的管子3处于冷却器结构1的背侧出流面1b附近。在该区域中，排风气流5在冷却器结构1上也能引起压力降，该压力降把环境空气2至少部分输送通过冷却器结构1。
另外在图中没有描述一种在上面说明的有利的进一步方案，据此，排出开口4的排出横截面和/或排出方向能例如借助于合适的旋转滑动件有意地改变。同样没有在图中描述的是一种实施方式，其中，管子3具有一个唯一的沿着管纵轴线几乎在整个冷却器结构1上例如以缝槽形式延伸的用于排风气流5的排出开口。

Claims (5)

1.燃料电池堆的排风引导装置，尤其是在机动车中，该排风引导装置包括冷却装置，该冷却装置属于燃料电池堆的功能环境并且形式为被环境空气(2)流过的冷却器结构(1)，其中，燃料电池堆的至少一部分排风(5)引导到冷却器结构(1)中或者沿环境空气(2)流过冷却器结构(1)的通流方向观察引导到冷却器结构(1)下游，该排风气流(5)在冷却器结构(1)上按照喷射泵原理引起环境空气(2)流过冷却器结构(1)的质量流量的提高。
2.按权利要求1所述的排风引导装置，其中，排风气流(5)在引导到冷却器结构(1)之前被冷却。
3.按权利要求1或2所述的排风引导装置，其中，排风气流(5)在多个管子(3)中引导到冷却器结构(1)中或引导到该冷却器结构下游，所述管子至少近似平行于冷却器结构(1)的入流面(1a)或出流面(1b)地定向，排风气流(5)经由管壁中的多个排出开口(4)从管子排出，所述排出开口相对于通流方向(D)处于合适的角度。
4.按上述权利要求任一项所述的排风引导装置，其中，排风气流(5)相对于冷却器结构(1)的流动速度和/或流动方向能有意地改变，尤其是通过方式：在所述管子(3)的管壁中的排出开口(4)能借助于滑动件或类似物改变。
5.按权利要求3或4所述的排风引导装置，其中，将排风气流(5)引导到冷却器结构(1)中的管子(3)与在冷却器结构(1)中引导冷却液的管道(6)至少局部地构成结构单元。
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