CN105518920A - 废气装置以及具有废气装置的机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于包括至少一个燃料电池的设备的废气装置，该废气装置包括：至少一个废气引导部，用于运输燃料电池的阳极侧和/或阴极侧的废气；至少一个空气入口，用于供应空气；至少一个空气输送装置，用于输送被供应的空气；至少一个热交换器，用于加热被供应的空气；混合区域，用于将借助废气引导部运输的燃料电池的废气与被供应的空气混合并且形成混合废气；以及混合废气出口，用于将混合废气从废气装置输出。

Description

废气装置以及具有废气装置的机动车
技术领域
本发明涉及一种用于包括至少一个燃料电池的设备的废气装置以及一种机动车，所述机动车包括这样的废气装置。
背景技术
在用燃料电池运行的设备中、例如在机动车中、并且也在混合动力车中，阳极侧的废气和阴极侧的废气一起通过废气装置排出到周围环境中，所述阳极侧的废气也包括所谓的阳极吹扫气体，所述阳极吹扫气体基本上包含氢气、氮气、氩气和水，所述阴极侧的废气除了包含氧气和氮气之外还包含在燃料电池反应中形成的水。
由于阳极吹扫气体，在确定的运行点中废气中的氢气浓度增大，使得必须采取耗费的措施用于避免超过氢气曝露的预先给定的限值。此外，不发生废气的稀释，这尤其在冷的季节中导致由于冷凝出的水形成气溶胶并且表现为可见的汽雾。另外，废气通过传统的废气装置仅被不充分地从车辆输出。此外不利的是，在附加地使用车辆冷却装置和/或热交换器的情况下为相应的排出空气和燃料电池废气设置多个单独的出口，这使得设备的结构构造以及空间布置复杂化。
发明内容
因此，从该现有技术出发，本发明的任务在于，提出一种用于包括至少一个燃料电池的设备的废气装置，所述废气装置在结构构造简单的情况下优点在于有效地稀释燃料电池废气，其中，由冷凝出的水形成汽雾被预防并且有利于将含有氢气的废气主动地输送离开设备。此外，本发明的任务在于提供一种具有废气装置的机动车，所述机动车具有高的运行安全性。
该任务按本发明在用于包括至少一个燃料电池的设备的废气装置中通过如下方式实现，即，该废气装置包括：
－至少一个废气引导部，用于运输燃料电池的废气；
－至少一个空气入口，用于供应空气；
－至少一个空气输送装置，用于输送被供应的空气；
－至少一个热交换器；
－混合区域，用于将借助废气引导部运输的燃料电池的废气与被供应的空气混合并且形成混合废气；以及
－混合废气出口，用于将混合废气从废气装置输出。
术语“燃料电池的废气”理解为阳极侧的废气和/或阳极吹扫气体和/或阴极侧的废气和/或燃料电池废气，该燃料电池废气包括由阳极侧的废气和阴极侧的废气组成的混合物。通过将被供应的空气引导通过热交换器以及通过将该被引导通过热交换器的被供应的空气和燃料电池的废气聚集在一起，能将由被供应的空气和燃料电池的废气形成的混合废气通过仅一个出口输出，使得在设备中的排气出口或者说废气出口的数量有效减少，其中，附加地实现废气离开设备的紧邻周围环境的良好的空间分布。作为热交换器，可例如使用与燃料电池系统的冷却循环系统(例如高温冷却循环系统或低温冷却循环系统)连接的热交换器。不需要为热交换器排气和燃料电池废气设置多个单独的出口，由此废气装置的结构构造得到简化。在此，空气可从热交换器的和/或空气输送装置的紧邻周围环境被供应，例如也由单独的空气导入系统，新鲜空气或在机动车中使用按本发明的设备的情况下来自车辆内部的空气被供应。通过将被供应的空气从周围环境导入和输送通过热交换器，实现对燃料电池废气的有效的稀释以及对空气的加热，使得该空气可吸收更多水，以便防止由冷凝出的水形成可见的汽雾并且非常好地稀释阳极侧的含有氢气的燃料电池废气，由此提高设备的运行安全性。因此，能非常简单地在没有附加的安全措施的情况下遵守氢气曝露的法定限值。
各从属权利要求是本发明优选的扩展方案和实施方案的内容。
按照一种有利的扩展方案，空气输送装置和热交换器通过空气管路连接，使得空气输送段能针对性地被调节并且空气输送装置和热交换器的布置能根据空间的实际情况简单地进行。
进一步有利的是，所述空气输送装置沿流动方向(即被供应的空气的流动方向)设置在热交换器上游、下游和/或中。替代于此地，空气输送装置和热交换器并排地设置。优选，空气输送装置设置在热交换器下游和/或中。由此，针对性地调节空气流能并且能在空间需求小的同时实现尤其有效地稀释燃料电池的废气。
通过将废气引导部的出口设置在空气输送装置上游和/或下游或空气输送装置内，燃料电池的废气在空气输送装置的紧邻附近进入到废气装置中，从而及早地非常有效地实现与被供应的空气混合。出于防爆的原因，优选废气引导部的出口设置在空气输送装置下游。
进一步有利的是，将阳极侧的废气供应到废气引导部的入口上游和/或中和/或在混合区域中供应。这有利于良好地稀释阳极废气。
在有利的方式下，混合废气出口及其形式(即其结构和角度)以及其布置如此构成，使得在考虑压力损失、抽吸作用和废气分布的情况下实现优化的废气引导。通过燃料电池的废气的更高的压力水平改进抽吸作用优选也能实现或简化将空气输送通过空气输送装置和热交换器，这尤其在使用非主动的空气输送装置的情况下是有利的。通过有利的扩展方案，即混合废气出口具有螺旋形或扇形的结构或者具有至少两个带有不同横截面的区域，实现废气到周围环境中的更好的更精细的分布。因此，有效地避免由冷凝的水形成的汽雾。
为了促进用被供应的空气稀释燃料电池的废气，有利地设置有至少一个静态的混合器、例如用于废气的径向设置的通流开口，用于将燃料电池的废气与被供应的空气混合。
通过如下方式能尤其有效地避免由冷凝出的水形成汽雾，即，混合区域具有有利于使包含在阴极侧的废气中的水蒸发的结构和/或表面变型，例如以多孔材料或膜片的形式。
有利的是，在废气引导部中的压力水平大于在热交换器和/或空气输送装置中的压力水平，因为如此能使抽吸作用施加到通流过热交换器的被供应的空气上。由此有利于混合废气的输送量、混合和/或到设备的周围环境中的分布。
通过设置至少一个消声元件可以实现废气装置的声学方面的优化。进一步有利的是，声学元件能同时有利于水的蒸发。
使用部分被动运行的热交换器使得按本发明的废气装置的结构构造得到简化。
为了提高废气装置的运行安全性，所述热交换器与废气引导部之间的间距如此选择，使得实现优化的抽吸作用以及燃料电池的废气与被供应的空气的混合。因此，也有效地预防由冷凝出的水形成汽雾。
通过将用于混合阳极侧的废气和阴极侧的废气的混合装置设置在废气引导部的入口上游或废气引导部的入口上，同时形成燃料电池废气，优化了阳极侧的废气和阴极侧的废气互相有效的混合以及因此也与在混合区域中被供应的空气的有效的混合，从而获得均匀的混合废气以及分离出的氢气和水的高度稀释，这对于设备的运行安全性是有益的。
当设置有至少一个氢气传感器时，废气装置的运行安全性可进一步提高，其中，所述氢气传感器优选设置在废气引导部中。此外有利的是，按本发明的废气装置包括水箱、具有用于将水从水箱供应到燃料电池中的水输送装置的水管路以及用于将水从所述箱输出的水排出管路，其中，所述水排出管路通到阴极侧的废气中和/或到用于混合阳极侧的废气与阴极侧的废气的混合装置中和/或到空气入口中和/或到热交换器中和/或到混合区域中和/或到废气引导部中，优选通到空气入口中和/或到热交换器中和/或到混合区域中。该实施形式尤其适合用于具有至少一个燃料电池的设备，所述燃料电池为了运行而存储和/或分离液态的水，例如用于在燃料电池堆中具有水注入部的系统。为此必须调节所述箱的箱液位。为此设置有水排出管路。水从水箱经由水排出管路通入到热交换器或空气入口中是尤其优选的，因为这改进热交换器的冷却性能。此外，通入到混合区域中，以及在此尤其直接通入到用于改进水蒸发的结构和/或表面变型上也是有利的。由此，通入到混合区域中也是有利的，因为温度由于在此短的气体路径是高的并且可因此避免在管路系统中冷凝。为了能将水从水箱通过水管路供应给燃料电池，水箱必须首先被填充。为此可使用外部供应的水，或者可以例如借助水分离器从阴极废气中冷凝出或分离出在阴极反应中产生的水并且将其供应给水箱。水从箱通过水排出管路的输送可以例如通过水的重力与阀相结合地、通过主动的输送装置(例如泵)和/或通过被动的输送装置(例如喷水泵)实现。进一步有利的是，在水排出管路中的水能通过热交换器的循环系统加热和/或电加热。
进一步有利的是，按本发明的废气装置的特征在于，在废气引导部与燃料电池之间设置有阳极废气管路用于运输阳极侧的废气，所述阳极废气管路具有阳极扫气阀以及阳极废气排出阀。在此，所述阳极废气排出阀设置在所述阳极扫气阀下游、尤其设置在阳极废气管路的端部上。为了实施阳极吹扫过程，将所述阳极扫气阀与阳极废气排出阀打开。为了避免在阳极废气管路中留有高的氢气浓度，阳极废气管路构成为尽可能短的。进一步有利的是，可以借助过剩空气进入以及通过文丘里效应在废气管路的端部上产生的负压而将阳极废气管路保持为没有氢气的。此外，借助附加的截止阀能避免空气进入到阳极废气管路中。
同样地，按本发明也描述一种机动车，所述机动车包括如上所述的废气装置。按本发明的机动车的特点在于简单的构造、有效的废气分布以及高的运行安全性。
对于按本发明的废气装置描述的有利的效果、优点和实施方案也应用到按本发明的机动车上。
为了简化所述废气装置的各单个部件的布置、为了改进混合废气离开机动车的输出并且因此也为了提高机动车的运行安全性，以有利的方式规定，所述热交换器设置在机动车的后部和/或侧部中，和/或所述混合废气出口设置在机动车的后部和/或侧部中。
由于按本发明的废气装置以及按本发明的机动车的按本发明的实施方案尤其得出下面的优点：
—废气装置具有紧凑的简单的结构；
—有效地稀释来自燃料电池的阳极侧的废气的氢气；
—能更简单更可靠地遵守氢气曝露的预先给定的限值；
—将混合废气主动地从设备输送离开；
—由冷凝出的水形成汽雾通过用空气稀释、尤其通过流经热交换器而减少；
—将潮湿的空气以更高的速度从设备输送离开；
—均匀地在空间上良好分布地输出混合废气；
—能优化地蒸发阴极水；
—在离开热交换器的空气流中的吸水能力由于加热而提高；
—阴极侧的废气的抽吸作用使附加的空气输送通过热交换器变得容易；
—即使在空气输送装置关闭的情况下，也能由于抽吸作用将空气输送通过热交换器；
—燃料电池废气出口和用于输出被引导通过热交换器的空气的热交换器出口由一个构件形成；
—根据阳极侧的废气的供应，能省去附加的混合装置；
—在设备的运行安全性高的情况下，省去氢气传感器也是非常可能的。
附图说明
本发明的其它的细节、特点和优点由下面的说明和附图得出。附图如下：
图1示出按本发明的有利的第一扩展方案的废气装置的示意图；以及
图2示出从侧前方观察的本发明的有利的第二扩展方案的废气装置的示意图。
具体实施方式
借助于图1和图2详细地说明按本发明的废气装置的两个实施方案。在各附图中，仅示出本发明的在此关注的方面，所有其余的方面出于清楚性的原因被省略。此外，相同的附图标记表示相同的构件。
图1详细地示出用于包括至少一个燃料电池1的设备的废气装置10。在本发明的意义上，也可将具有多个相继连接和/或并联连接的燃料电池的燃料电池系统连接到废气装置10上。
燃料电池1产生作为混合物被定义为燃料电池废气的阳极侧的废气2和阴极侧的废气3。阳极侧的废气2基本上包含氢气、氮气、氩气和水。而阴极侧的废气3基本上包含氧气、氮气和在燃料电池反应中产生的水。
阳极侧的废气2通过阳极废气管路2a从燃料电池1输出。此外，阳极废气管路2a包括阳极扫气阀2b和阳极废气排出阀2c。在此，阳极废气排出阀2c设置在阳极扫气阀2b下游、尤其设置在阳极废气管路2a的端部上。为了在形成阳极吹扫气体的情况下实施阳极吹扫过程，将阳极扫气阀2b与阳极废气排出阀2c打开。
燃料电池1的首先保持分开的阳极侧的废气2(包括阳极吹扫气体)和阴极侧的废气3在混合装置4中相互混合并且形成燃料电池废气，该混合装置可构成为静态的或主动的混合装置，所述燃料电池废气被引向氢气传感器5。
氢气传感器5测定氢气在燃料电池废气中的浓度。由此可保证氢气浓度不超出许用限值。必要时可采取安全预防措施，所述安全预防措施在超过氢气浓度的许用限值的情况下阻止燃料电池废气导出到周围环境中和/或增加对载有氢气的气体混合物的稀释。
在将燃料电池废气引导通过装备有氢气传感器5的区域后，将燃料电池废气经由废气引导部11引向混合区域9。
此外，废气装置10包括水箱15、具有用于将水从水箱15供应到燃料电池1中的水输送装置18的水管路16以及用于将水从水箱15输出的水排出管路17。在此，水排出管路17示例性地也通到混合区域9中。包含在水箱15中的水可以是外部供应的水或者是在阴极反应中产生的并从阴极侧的废气3分离出或冷凝出的水。为此，将例如冷凝器或水分离器引入到阴极侧的废气3中。
在与燃料电池废气流动路径A分开的空气流动路径B中，空气(即来自废气装置10的周围环境的新鲜空气)被引导通过空气入口6并且供应给热交换器7。在此，空气可来自热交换器7的紧邻的周围环境，或者通过空气管路供应。空气输送装置8邻接到热交换器7上，该空气输送装置将被供应的新鲜空气引向混合区域9。如已经说明的，燃料电池废气的废气引导部11的出口也通到该混合区域9中。
在混合区域9中，经由燃料电池废气流动路径A被供应的燃料电池废气与经由空气流动路径B被供应的空气以及从水排出管路17中输送的来自水箱15中的水混合。为此可设置附加的混合装置，尤其是静态的混合器。被供应的空气由于通过燃料电池废气流产生的抽吸作用而被吸到混合区域9中，从而实现有效的混合。该混合能通过空气输送装置8的主动的输送而增强。
因此，燃料电池废气被用空气稀释，由此形成混合废气，其中，在混合废气中的氢气浓度下降并且冷凝出的水在混合废气中的分布也得到促进，从而防止在冷的季节中由冷凝出的水形成汽雾。也能简单地遵守氢气曝露到周围环境中的许用限值。
通过将用于输出被引导通过热交换器的空气的热交换器出口集成到废气装置中，燃料电池废气的出口也通到该废气装置中，可以省去为相应的废气设置多个单独的出口。由此，废气装置的结构构造得到简化。
图2示出用于包括至少一个燃料电池的设备的废气装置10。在空气流动路径B中依次设置有：用于供应空气(即来自废气装置10的周围环境中的新鲜空气)的空气入口6、加热被供应的空气的热交换器7以及用于输送被供应的空气的空气输送装置8。被供应的空气通过这些给出的部件被引向混合区域9。
废气引导部11的出口13也通到该混合区域9中，该废气引导部在本实施例中用于运输由燃料电池的阳极吹扫气体、阳极侧的废气和阴极侧的废气组成的燃料电池废气。在此，燃料电池废气经由废气引导部11的入口12被供应。
然后，借助废气引导部11运输的燃料电池废气与由空气输送装置8输送的空气在混合区域9中混合并且形成混合废气。由现在被稀释的燃料电池废气(即基本上用空气稀释的氢气、氩气、氧气和冷凝出的水)组成的混合废气经由混合废气出口14从废气装置10输出并且分布在废气装置10的周围区域中。因此，能非常简单地遵守氢气曝露的限值。
各单个部件、即尤其是废气引导部11、废气引导部11的出口13、热交换器7和空气输送装置8的结构和布置以及混合区域9的形式，在要输送的废气流的优化的抽吸作用和混合方面构造和设置为，使得混合废气被均匀地混合并且有效地广泛地分布到废气装置10的周围环境中。附加的变型或表面结构、尤其是在混合区域9中的变型或表面结构能附加地最小化由冷凝出的水形成汽雾。
优选，可尤其在混合区域9中设置其它的混合装置和/或设置消声元件。
本发明的上述说明仅用于解释目的，而不用于限制本发明的目的。在本发明的范畴中，不同的改变或变型是可能的，而不脱离本发明及其等同方案的范围。
附图标记列表
1燃料电池
2阳极侧的废气
2a阳极废气管路
2b阳极扫气阀
2c阳极废气排出阀
3阴极侧的废气
4混合装置
5氢气传感器
6空气入口
7热交换器
8空气输送装置
9混合区域
10废气装置
11废气引导部
12废气引导部的入口
13废气引导部的出口
14混合废气出口
15水箱
16水管路
17水排出管路
18水输送装置
A燃料电池废气流动路径
B空气流动路径

Claims (15)

1.用于包括至少一个燃料电池(1)的设备的废气装置，所述废气装置包括：
至少一个废气引导部(11)，用于运输燃料电池(1)的废气(2、3)，
至少一个空气入口(6)，用于从周围环境供应新鲜空气，
至少一个空气输送装置(8)，用于输送被供应的空气，
至少一个热交换器(7)，
混合区域(9)，用于将借助所述废气引导部(11)运输的燃料电池(1)的废气(2、3)与被供应的空气混合并且形成混合废气，以及
混合废气出口(14)，用于将所述混合废气从废气装置(10)输出，
其中，被供应的空气能导入到所述热交换器(7)中并且能被输送穿过该热交换器，并且同时能实现的对空气的加热导致该空气能吸收更多水。
2.按权利要求1所述的废气装置，其特征在于，所述空气输送装置(8)沿流动方向设置在所述热交换器(7)上游、下游和/或中，和/或所述空气输送装置(8)与所述热交换器(7)并排设置，其中，所述空气输送装置(8)优选设置在所述热交换器(7)下游和/或中。
3.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，其特征在于，所述废气引导部的出口(13)设置在所述空气输送装置(8)上游或设置在所述空气输送装置(8)内，和/或阳极侧的废气(2)被供应到废气引导部的入口(12)上游和/或到废气引导部的入口中和/或在混合区域(9)中被供应。
4.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，其特征在于，所述混合废气出口(14)具有螺旋形或扇形的结构或者具有至少两个带有不同横截面的区域。
5.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，所述废气装置此外包括至少一个静态混合器，用于混合燃料电池(1)的废气与被供应的空气。
6.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，其特征在于，所述混合区域(14)具有有利于使包含在阴极侧的废气(3)中的水蒸发的结构和/或表面变型。
7.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，其特征在于，在废气引导部(11)中的压力水平大于在热交换器(7)和/或空气输送装置(8)中的压力水平。
8.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，所述废气装置此外包括至少一个消声元件。
9.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，其特征在于，所述热交换器(7)是部分被动运行的热交换器。
10.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，其特征在于，在所述热交换器(7)与废气引导部(11)之间的间距选择成，使得实现优化的抽吸作用以及实现燃料电池的废气与被供应的空气的混合。
11.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，所述废气装置此外包括混合装置(4)，用于在废气引导部的入口(12)上游或在废气引导部的入口处混合阳极侧的废气(2)和阴极侧的废气(3)，和/或所述废气装置此外包括至少一个氢气传感器(5)，其中，所述氢气传感器(5)优选设置在废气引导部(11)中。
12.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，所述废气装置此外包括水箱(15)、具有用于将水从水箱供应到燃料电池(1)中的水输送装置(18)的水管路(16)以及用于将水从水箱(15)输出的水排出管路(17)，其中，所述水排出管路(17)通到阴极侧的废气(3)中和/或到用于混合阳极侧的废气(2)与阴极侧的废气(3)的混合装置(4)中和/或到空气入口(6)中和/或到热交换器(7)中和/或到混合区域(9)中和/或到废气引导部(11)中，优选通到空气入口(6)中和/或到热交换器(7)中和/或到混合区域(9)中。
13.按上述权利要求中任一项所述的废气装置，其特征在于，在废气引导部(11)与燃料电池(1)之间设置有阳极废气管路(2a)，用于运输阳极侧的废气(2)，所述阳极废气管路具有阳极扫气阀(2b)以及阳极废气排出阀(2c)。
14.机动车，所述机动车包括按上述权利要求中任一项所述的废气装置(10)。
15.按权利要求17所述的机动车，其特征在于，所述热交换器(7)设置在机动车的后部和/或侧部中，和/或所述混合废气出口(14)设置在机动车的后部和/或侧部中。
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