CN105830264B - 包括设置在壳体中的燃料电池堆以及用于使壳体通风的措施的燃料电池系统 - Google Patents

包括设置在壳体中的燃料电池堆以及用于使壳体通风的措施的燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种尤其是用于机动车的燃料电池系统，其包括设置在壳体中的燃料电池堆以及用于在将通风流耦合于另一气流的情况下使该壳体通风的措施，所述通风流被供应给引导穿过燃料电池系统的构造为环境空气热交换器的冷却器的空气流。当通风流被供应到冷却器上游时，可这样定位所述壳体的排气口，使得通风流被流向冷却器的进气流带动。作为替代方案，通风流可被供应给燃料电池堆的废气流并且该废气流被供应给冷却器的排气流。此外提出一种用于在通风流供应处下游的气流中确定氢含量的传感器以及一种电子监控装置，该监控装置借助该传感器信号推导出可能存在于壳体内的游离氢。

Description

包括设置在壳体中的燃料电池堆以及用于使壳体通风的措施 的燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统、尤其是用于机动车的燃料电池系统，其包括设置在壳体中的燃料电池堆以及用于在将通风流耦合于另一气流的情况下使该壳体通风的措施。现有技术参见DE102008016579A1。
背景技术
例如对于在机动车中的使用而言已知将燃料电池堆设置(“集成”)在基本上封闭的壳体内，除了显然需要的用于引导介质的管路的贯通口外也要在所述壳体的壁中设置通风口，以便可以使该壳体的内部空间通风。因此，术语“基本上封闭的”壳体当前可这样理解，本发明也应涵盖如下的可能的壳体结构，在所述壳体结构中，未设有基本上封闭的侧壁，而是借助这些侧壁形成至少向上基本上封闭的壳体，在该壳体上侧的下方例如可能会积聚可经由可能的泄漏部位从与燃料电池堆连接的引导介质的管路中泄漏出的少量氢。
在当前被称为通风流的用于使壳体通风并且将可能积聚的氢排出壳体的空气流通常从环境导入壳体中并且又排入环境中，其中，希望无需为输送该通风流而设置单独的(耗能的)输送装置。因此，在开头所提的文献中规定，通过利用经由拉伐尔喷嘴的吸入式喷射泵效应将待从壳体中排出的通风流混入燃料电池堆的阴极废气流中。因此，燃料电池堆的阴极废气流或废气流构成用于通风流的输送装置。
发明内容
对此，现在应说明另一种措施，如何能够以有利的方式使通风流穿过包含燃料电池堆的壳体或从该壳体中排出(即本发明的任务)。
对于如下的燃料电池系统来说，即，该燃料电池系统包括设置在壳体中的燃料电池堆以及用于在将通风流耦合于另一气流的情况下使该壳体通风的措施，该任务的解决方案的特征在于，所述通风流被供应给引导穿过燃料电池系统的冷却器的空气流，该冷却器构造为环境空气热交换器。在此，“燃料电池系统的冷却器”通常可理解为环境空气热交换器，该环境空气热交换器构造并且设置用于冷却燃料电池系统的至少部分元件，这些部分元件除了实际的燃料电池堆外例如也可以是燃料电池系统的功率电子装置。
根据本发明的燃料电池系统具有以空气冷却流体热交换器形式的冷却器，其中，冷却流体例如合适地被引导穿过燃料电池堆并且该燃料电池堆的废热至少部分地通过冷却器散发给环境空气。穿流冷却器的冷却器排出空气在此必须被合适地排出，从而为此而设有以某种方式设计的排气导向装置。现在通过该排气导向装置也可将这里所谓的通风流排出燃料电池系统，从而所述排气导向装置在一定程度上承担另外的功能。此外，在此可规定，通过穿流冷却器的环境空气流产生压力降或类似物，借助所述压力降或类似物至少部分地输送通风流。
按前句话的意义，通风流可在冷却器上游被供应给或被混入引导穿过冷却器的空气流，因为在冷却器上游能够存在未受到冷却器的叶片结构或类似物干扰的定向流动，该流动按照吸入式喷射泵原理的方式在一定程度上带动通风流。可按此意义相应定位壳体的排气口，即优选直接位于冷却器进气流的流动路径旁。如常见的那样，然后或在此时为冷却器进气流或为冷却器排气流、亦即概括而言为待引导穿过冷却器的环境空气流设有以通风机或类似物形式的合适的空气输送装置，在根据本发明的燃料电池系统安装在机动车中的情况下，在车辆运动时，“行车风”也在一定程度上作为用于壳体通风流的空气输送装置起作用，该壳体包含燃料电池堆。
然而类似于开头所提的已知的现有技术，燃料电池堆壳体的通风流也可被供应给或混入燃料电池堆的废气流，例如经由文丘里喷嘴，其中，再次利用吸入式喷射泵效应来输送通风流。根据本发明，冷却器的排气流于是与也包含通风流的燃料电池堆废气流汇合，从而多个气流根据本发明一起或共同被排出燃料电池系统。在此，燃料电池系统的所述废气流可以是阴极废气流和/或阳极废气流，所述阴极废气流和/或阳极废气流完全优选可在所述通风流的混入处下游汇合于混合器中。
此外提出，在通风流供应处下游的气流中设有用于确定氢含量的传感器，即借助这样的所谓的氢传感器测量在含有所述通风流的气流中的氢浓度，该气流可以是上述废气流或冷却器进气流或冷却器排气流或含有多个所述流的混合气流。由此可借助电子监控单元检测，是否有不允许量的游离氢随着该混合气流进入环境中并且必要时可为此或对此采取合适的措施。必要时也可借助这样的传感器和合适的电子监控单元根据由该传感器记录的氢含量(＝“传感器信号”)推断出可能存在于所述壳体内的游离氢。如果所述气流包含已经混有氢的燃料电池堆废气，那么也就是说其中所含的氢浓度对于用于燃料电池堆运行控制的电子控制单元而言至少由模型计算已知，因而高于该已知的氢浓度则表示源于通风流的附加氢。因此，原则上可借助如下的唯一传感器省却壳体内或单独用于通风流的(另外的)独立的氢传感器，即，所述燃料电池系统包括用于在通风流供应处下游的气流中确定氢含量的该传感器以及包括电子监控装置，该监控装置借助该传感器信号监控混合气流中的氢含量和/或推导出可能存在于壳体内的游离氢。
优选地，所述壳体的排气口定位成，使得通风流被流向冷却器的进气流带动。
优选地，壳体的排气口直接位于进气流的流动路径旁。
优选地，排气口和冷却器相对于彼此设置成，使得进气流以其流动能量将通风流经由排气口从壳体中输送出。
优选地，膜片防止排气口进水。
优选地，所述燃料电池系统是用于机动车的燃料电池系统。
附图说明
两个附图(图1、图2)示出高度抽象示意的本发明实施例，在两个图中，相同元件以相同的附图标记标示。
具体实施方式
燃料电池堆的附图标记为1。该燃料电池堆1被壳体101包围，即，燃料电池堆1设置在壳体101内并且与该壳体一起例如位于机动车的机组舱中。为简单起见，未示出将气态氢以及压缩的环境空气和可能情况下用于润湿本领域技术人员已知的燃料电池膜(在PEM燃料电池的情况下)的水供应给燃料电池堆1或供应到该燃料电池堆中，在该燃料电池堆中以已知方式通过氢的氧化来产生电能，而反应产物和过量的反应物以及吹扫气体(对于吹扫气体而言已知大多数情况下同样使用氢气)则作为燃料电池废气通过废气管路11排出。在此，从多个在燃料电池堆1中上下堆叠的单燃料电池的阳极侧伸出一条阳极侧废气管路2，在该阳极侧废气管路中引导阳极废气流，并且从多个在燃料电池堆1中上下堆叠的单燃料电池的阴极侧伸出一条阴极侧废气管路3，在该阴极侧废气管路中引导阴极废气流。在当前各实施例中，阳极侧废气管路2和阴极侧废气管路3通过混合器4汇合到燃料电池系统的(共同的)废气管路11中，但这不是强制必需的。
燃料电池系统的另一个组成部件是以空气-冷却流体热交换器形式的冷却器7，一种此外适合优选被引导穿过燃料电池堆1的冷却流体穿过该冷却器，该冷却流体通过来自环境的空气流6冷却，该空气流也称为冷却器进气流6'并且被引导穿过冷却器7。所述冷却器进气流6'借助构造为通风机的空气输送装置8输送，该空气输送装置在此设置在冷却器7下游并且因此更准确地输送冷却器排气流6”。在此，冷却器排气流6”可在合适的具有封闭横截面的空气引导装置中被引导；然而作为替代方案，冷却器排气流6”也可以由例如其中安装有燃料电池系统的机动车的机组舱的合适成形的壁形成。
壳体101内的空间102(在其中设有燃料电池堆1)必须通风，因为否则基于燃料电池堆1的供应和排出管路中的可能存在的或几乎不可能完全排除的最小泄漏可能会积聚较高浓度的游离氢，这一定要予以避免。因此，通过附图中未示出的供应口，环境空气可到达壳体内，该环境空气作为所谓的通风流B通过合适定位在壳体101壁中的排气口204排出壳体101。在此，该排出的通风流B可含有少量游离氢，因此，该通风流B应有针对性地被导出燃料电池系统或者当该系统安装在机动车中时应有针对性地被导出机动车。
在根据图1的实施例中，通风流B在通风管路201中被引导，该通风管路从壳体101中的排气口204通入阴极侧废气管路3中、更确切地说经由设置在该阴极侧废气管路中的文丘里喷嘴202通入该阴极侧废气管路中，该文丘里喷嘴因此按照吸入式喷射泵的形式通过利用阴极废气流的流动能量以希望的方式也在壳体101内以及向该壳体中输送通风流B。此外，在根据图1的实施例中，废气管路11(在该废气管路中因此也引导从壳体101中排出的通风流B)被导向冷却器排气流6”，并且该废气管路设计为，使得冷却器排气流6在仅抽象示出的混合区域9中与在废气管路11中引导的气流汇合。通过连接于混合区域的导气装置12最终将燃料电池废气连同通风流B和被引导穿过冷却器7的空气流6、6”有针对性地以及合适引导地排入环境中，所述导气装置可以按合适的具有封闭横截面的气体引导装置的形式形成、然而备选地也可以由例如其中安装有燃料电池系统的机动车的机组舱的合适成形的壁形成。
在根据图2的实施例中，由壳体101的排气口204排出的通风流B被供应给冷却器进气流6'，其方式是，壳体101或其排气口204以及冷却器7相对于彼此如此设置，使得冷却器进气流6'以其流动能量在一定程度上将通风流B经由排气口204带出壳体101(和因此也带入该壳体中)或概括来说输送该通风流。因此，通风流B在此也与冷却器排气流6”一起被排出燃料电池系统，混合区域9也又设置在冷却器排气流6”的导向装置中，在该导向装置中，通过废气管路11引来的燃料电池废气与冷却器排气流6”混合，但这不是一定必需的。与根据图1的实施例类似，该混合气体在根据图2的实施例中也通过合适的导气装置12被导出燃料电池系统或被导出包含该系统的机动车。
在每种所示的实施例中都设有一个以附图标记203标示的氢传感器，该氢传感器与被引导的也包含通风流B的气流接触，从而能够借助合适的且对传感器203信号进行分析的电子控制和计算单元来确定在相应气流中(在根据图1的实施例中在废气流中和在根据图2的实施例中在混合区域9下游的总气流中)的氢浓度。因此，在根据图2的实施例中，在维持预规定的极限值方面可特别简单地监控唯一的到达环境中的气流中的氢浓度。在根据按照图1的实施例设置氢传感器203时，甚至可相对简单地在由模型计算得知实际的燃料电池废气中的氢浓度后确定通风流B中的氢浓度。基于氢传感器203，在两种情况下(图1、图2)在壳体101内肯定都不需要单独的氢传感器来进行安全监控，在此还应指出，在不背离本发明的内容的情况下，完全可设计多个不同于上述说明的细节。例如，膜片可在确保必要的透气性的情况下防止排气口204进水，从而在这里(并且类似地在用于通风流B的入口上)壳体通过所述措施或类似措施受保护以防液态水进入。

Claims (7)

1.燃料电池系统，该燃料电池系统包括设置在壳体(101)中的燃料电池堆(1)以及用于在将通风流(B)耦合于另一气流的情况下使该壳体(101)通风的措施，其特征在于，所述通风流(B)被供应给引导穿过燃料电池系统的冷却器(7)的进气流(6')，该冷却器(7)构造为环境空气热交换器，其中，所述通风流(B)被供应到冷却器(7)上游，所述壳体(101)的排气口(204)定位成，使得通风流(B)被流向冷却器(7)的进气流(6')带动。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，壳体的排气口(204)直接位于进气流(6')的流动路径旁。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，排气口(204)和冷却器(7)相对于彼此设置成，使得进气流(6')以其流动能量将通风流(B)经由排气口(204)从壳体(101)中输送出。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，排气口(204)和冷却器(7)相对于彼此设置成，使得进气流(6')以其流动能量将通风流(B)经由排气口(204)从壳体(101)中输送出。
5.根据权利要求1至4之一所述的燃料电池系统，包括用于在通风流(B)供应处下游的气流中确定氢含量的传感器(203)以及包括电子监控装置，该电子监控装置借助该传感器(203)的信号监控混合气流中的氢含量和/或推导出可能存在于壳体(101)内的游离氢。
6.根据权利要求1至4之一所述的燃料电池系统，其中，膜片防止排气口(204)进水。
7.根据权利要求1至4之一所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池系统是用于机动车的燃料电池系统。
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