CN114335651A - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种具有在壳体中的燃料电池堆的燃料电池系统，包括向燃料电池堆提供压缩环境空气的压缩机以及连接到压缩机的吸入侧以为壳体提供通风并且冷却相关电压监测单元的通风系统，电压监测单元可以位于壳体里面或壳体的上游。通风系统可以控制阀以当壳体和堆中的任一个或两者都具有低于相关阈值的温度时从压缩机出口向壳体供应空气以加热壳体和堆。通风系统可以包括第二阀以基于壳体或堆的温度来控制来自壳体的废气。堆废气可以驱动连接到压缩机的涡轮。热交换器可以定位成在来自压缩机的压缩空气流入堆之前冷却来自压缩机的压缩空气。

Description

燃料电池系统

技术领域

本公开涉及用于机动车辆的燃料电池系统的通风和冷却。

背景技术

电动马达作为比如汽油发动机或柴油发动机这样的传统内燃发动机的替代品越来越多地在机动车辆中使用。在这种背景下作为电动马达的能源，不仅可以使用可充电电池还可以使用燃料电池，在燃料电池中燃料(例如氢气)和氧化剂(例如氧气)的反应能转化成电能。燃料电池的常见类型是所谓的质子交换膜燃料电池或PEM燃料电池。在这种情况下，燃料电池具有两个腔，两个腔被隔膜隔开。氢气进入一个腔中，在这个腔里氢气在阳极分裂成电子和质子，质子能够穿透隔膜。电子被阳极吸收并且迁移到阴极，阴极设置在另一腔中。这个腔供应有氧气，氧气吸收电子并且将氧气与质子结合以形成水分子。相应地，水形成燃料电池的唯一反应产物。

因为单个燃料电池的电压只有大约1.2V并且以其只能获得有限的功率，所以多个(例如，几百个或几千个)燃料电池组合以形成用于机动车辆驱动的电池堆。在这种情况下，一个电池的阳极可以通过所谓的双极板连接到下一个电池的阴极。用于阴极的氧气是通过环境空气提供的，并且为了燃料电池的高效运行，可能需要在增加的压力(即在通过压缩机压缩之后)下供应环境空气。这个压缩机也可以是涡轮增压器的一部分，涡轮增压器的涡轮是由来自燃料电池的废气驱动的，即通常在压力升高和温度升高的潮湿空气中。

燃料电池堆通常由机动车辆中的壳体围绕。在某些情况下，氢气可以在壳体里面逸出并且与氧气或环境空气形成不受控制的反应。由于这个原因，壳体必须通风，并且可以提供氢气传感器以便检测氢气的泄漏。通风的另一个可能原因是保持适合用于燃料电池的功能的温度范围，例如在20℃到80℃的范围内。此外，电池电压监测单元或CVM单元，监控单个燃料电池的电池电压(例如通过与上述的双极板接触)并且可以将相应的信息传输到控制单元。例如，如果测量到电池电压分布的显著变化或如果电池电压低于特定阈值，则CVM单元可以触发警报或关闭。CVM单元安装在壳体上或安装在壳体中并且例如通过空气流冷却。为了确保适当的冷却并且另外为了确保上述壳体通风，通常使用电风扇，电风扇安装在壳体上或安装在壳体中。这占用空间、在操作过程中消耗能量，并且增加系统的复杂性。

文件JP 2011-014400 A公开一种用于监控燃料电池的电压的装置。装置包含用于监控燃料电池的电压的电压监测部分以及承载元件，电压监测部分安装在承载元件上。承载元件也用于冷却电压监测部分。在这种情况下，冷却水管路可以穿过承载元件。代替水冷却，油冷却或空气冷却也是可能的。

文件US 2008/0156549 A1公开一种具有壳体和设置在壳体中的第一子系统的燃料电池系统，燃料电池系统不准许在可燃环境中操作。传感器设置在壳体中以检测可燃气体。可以放出可燃气体的部件设置在壳体中。浮力路径限定在壳体里面以便凭借浮力以可燃气体可以从壳体逸出这样的方式引导在壳体中放出的可燃气体。传感器在浮力路径上。此外，可以提供主动通风系统，其中通风管道形成在氢气罐下方并且在电子部件上方。为实际燃料电池提供水冷却。

发明内容

应该指出的是在下面的描述中单独列出的特征和措施可以以任何技术上有利的方式彼此结合并且显示要求保护的主题的更多实施例。此外，描述特别地与附图联合表征并且给出要求保护的主题的细节。

根据本公开的实施例提供一种燃料电池系统。燃料电池系统可以在固定应用和交通工具应用中使用。在后一种情况下，交通工具可以包括航空器、水运工具和陆地车辆，陆地车辆可以包括比如乘用车、公共汽车或卡车这样的机动车辆，虽然这些有代表性的机动车辆不旨在限制或限定。

燃料电池系统具有设置在壳体中的燃料电池堆。燃料电池堆具有多个燃料电池，多个燃料电池以类似堆的方式设置并且在这种布置中至少部分地或主要地彼此串联连接。在各自的燃料电池中，燃料和氧化剂的反应能转化成电能。虽然要求保护的主题不限于此，但特别地燃料电池可以是质子交换膜燃料电池(或PEM燃料电池)。氢气通常提供为燃料，同时氧气提供为氧化剂。如将在下面变得清楚的是，氧气是由环境空气提供的。燃料电池堆设置在壳体中，壳体的功能尤其在于燃料电池堆的机械保护以及同样的封装，从而例如使操作和安装能够更容易。壳体通常主要是封闭的，但是具有不同管路的连接。

此外，燃料电池系统具有压缩机，压缩机吸入环境空气、压缩环境空气并且通过第一压力管路将环境空气供应给燃料电池堆。通过已知的方式，压缩机具有吸入侧或入口侧以及压力侧或出口侧。压缩机的精确操作模式不限于要求保护的主题的保护范围内。在所有的情况下，压缩机设置为在吸入侧吸入环境空气、压缩环境空气并且在压力侧排出环境空气以及通过第一压力管路将环境空气供应给燃料电池堆。在这里以及在下面，术语“管路”不被解释为限制，但指的是设计用于接收和运送气体的装置。在这种背景下，这样的管路可以由几个部分或部件组成，可以具有非恒定的截面或还可以具有例如阀或滤波器的元件，可以用元件影响气流的数量或组成。术语“压力管路”指的是到压缩机的压力侧连接并且不以其他方式解释为限制。第一压力管路将压缩机或其压力侧连接到燃料电池堆。更确切地说，第一压力管路用于为燃料电池供给压缩空气，压缩空气具有包含在其中的作为氧化剂的氧气。在燃料电池里面，这种氧化剂与燃料反应，如上面已经提到的燃料通常是氢气。压缩的吸入的环境空气用于在燃料电池的区域中产生用于其操作的最佳的氧浓度。

因为氢气和氧气的反应产物是水，所以燃料电池堆里面通常是高的大气湿度。为了燃料电池的最佳功能，至少将压缩空气的空气湿度近似于这个大气湿度或甚至将压缩空气的空气湿度与这个大气湿度匹配。为了这个目的，第一压力管路可以包括空气增湿器。例如，可以从燃料电池堆的排气流提取用于其操作的水分。

此外，燃料电池系统具有电压监测单元，电压监测单元连接至燃料电池堆。电压监测单元监控单个燃料电池的电池电压并且可以将相应的信息传输到控制单元，电压监测单元也可以被称为电池电压监测单元或CVM单元。在某些情况下，如果电池电压在预期范围之外，则电压监测单元可以输出警报信号或甚至独立地发起缓解措施。为了测量电池电压，至少电压监测单元的接触线可以在壳体里面延伸。电压监测单元的其他部分可以设置在壳体的外面，但是通常至少设置在壳体上或邻近壳体设置。

此外，燃料电池系统具有通风系统，通风系统设计用于沿着电压监测单元引导用于热交换的环境空气并且引导环境空气通过壳体。虽然在这里提到“环境空气”，但应该理解的是在通风系统之前或在通风系统里面可以净化、过滤或以其他方式修改相应的环境空气。在所有情况下，具有一个或多个管路的通风系统设置为沿着电压监测单元引导环境空气，从而在环境空气和电压监测单元之间能够交换热量。在这个过程中，通常由空气流冷却电压监测单元，空气流被引导通过电压监测单元。此外，通风系统设计用于引导环境空气通过壳体。后者执行两个功能。一方面，具有位于其中的燃料电池堆的壳体的内部可以是温度控制的(例如冷却)。另一方面，在壳体里面发生空气交换或气体交换，例如，如果在壳体里面释放氢气，则可以防止氢气积聚到形成混合物这样的程度，混合物可以导致不受控制的反应。不言而喻的是，为了上述目的，壳体必须具有至少一个进气口和一个出气口，环境空气可以通过进气口和出气口再次导入和导出。

在各种实施例中，压缩机的吸入侧至少间接地连接到通风系统。也可以说通风系统至少间接地连接到压缩机的吸入侧。因此，不仅通过压缩机从外面吸入环境空气，而且也通过压缩机生成通过通风系统的空气流。也就是说，压缩机获取第二个功能，因为它也用于通风或冷却燃料电池系统的主要部件，压缩机在任何情况下对于燃料电池的最佳操作都是必要的。因此不再需要专门提供的风扇，风扇将占用空间并且使燃料电池系统的结构复杂化。因此，可以降低材料和能量消耗并且简化组装。

关于通风系统，壳体有利地至少主要设置在电压监测单元的下游。在这种情况下，电压监测单元可以设置在(整个)壳体的上游。也就是说，电压监测单元和壳体相对于通风系统串联设置，准确地说以这样的方式：空气首先沿着电压监测单元引导并且与电压监测单元交换热量(也就是说通常冷却电压监测单元)，然而接着空气被引导通过壳体。可替代地，电压监测单元可以设置在壳体里面但以壳体的主要部分位于下游这样的方式设置，其结果是壳体里面的空气首先沿着电压监测单元引导并且接着流过壳体的主要部分(或剩余部分)。在提到的两个替代方式中的每一个中，电压监测单元例如可以设置在壳体的进气口附近，空气通过进气口(直接)从进气口的上游或下游进入壳体。通过这种设计，通常优化电压监测单元的冷却，因为当到达该单元时空气仍然基本上处于环境温度。通常，在这个过程中发生的空气加热对燃料电池堆的操作是非必要的。例如如果代替空气首先引导通过壳体的内部，而是通常在过程中加热，并且接着沿着电压监测单元，则可能损害后者的有效冷却。

在从燃料电池堆获得的能量的帮助下，压缩机可以是纯电动操作的。根据一个实施例，涡轮增压器具有压缩机和涡轮，涡轮增压器连接到燃料电池堆的排气管路。通常，涡轮的转子和压缩机的转子通过共用轴连接，其结果是它们的旋转是彼此耦合的。来自燃料电池堆的排气管路连接到压缩机的涡轮或穿过压缩机的涡轮。在根据氢气和氧气运转的燃料电池的情况下，在排气管路中运送的废气基本上是潮湿的空气。这理想地具有增加的压力和增加的温度，使其增加的内能能够用于操作涡轮。在某些情况下，压缩机可以完全由涡轮操作并且因此由废气中包含的能量操作。然而，此外，还可以例如通过辅助电动马达补充涡轮的作用。涡轮增压器也可以设计为具有两个压缩机和两个涡轮的双涡轮增压器。除此之外，可以使用并联运行的两个压缩机。在某些情况下，压缩机也可以设计为两级压缩机，导致对环境空气进行两级压缩。即使严格地说，一种可以指的是并联或顺序地设置的两个压缩机，这些实施例也包括在本公开的背景下的术语“压缩机”中。

压缩机通过吸入管路吸入环境空气，吸入管路例如从机动车辆上的合适的点传到压缩机。这样的吸入管路可以具有空气过滤器，固体颗粒和液滴可以通过空气过滤器从环境空气去除。通风系统可以通过独立于吸入管路的专用管路吸入环境空气。然而，在一个实施例中，通风系统从在吸入侧连接到压缩机的吸入管路分支并且在文丘里喷嘴的区域中再次通入到吸入管路中。特别地，通风系统可以与空气过滤器分支或空气过滤器的下游分支。通向电压监测单元并且通向壳体的通风系统的一部分可以被称为供气管路，同时设置在电压监测单元的下游并且设置在壳体的下游的部分可以被称为排气管路。传感器可以设置在排气管路中，可以用该传感器分析排气管路中的空气流的组成。特别地，传感器可以是氢气传感器，氢气传感器可以确定氢气浓度以检测燃料电池堆里面的可能泄露。在这里描述的实施例中，供气管路从吸入管路分支，同时排气管路再次通入到吸入管路中，但在文丘里喷嘴的区域中。因为文丘里原理是以截面变窄为基础的，因此也可以说通风系统(或供气管路)从具有较宽截面的吸入管路的第一区域分支，同时通风系统(或排气管路)通入到具有较窄截面的第二区域中。在第二区域中或在文丘里喷嘴的区域中，在吸入管路中有增加的流速，导致较低的静态压力，其结果是通过通风系统吸入空气。

在各种实施例中，第一阀设置在壳体下游以及电压监测单元下游的通风系统的排气管路中，该阀设计用于影响通过排气管路的空气流。排气管路是通风系统的一部分并且设置在壳体的下游以及电压监测单元的下游的该通风系统的里面。也就是说，流过排气管路的空气先前已经穿过壳体和电压监测单元或已经流过后者。第一阀可以设计为被动阀或设计为主动阀，例如可以通过将在下面解释的控制单元控制第一阀。第一阀设计用于影响通过排气管路的空气流，这可以意指可以选择性地阻止和释放通过阀的空气流和/或可以改变空气流的强度。特别地在后一种情况下，第一阀也可以指的是(第一)节气门。

一般来说，通过通风系统供应给壳体的环境空气为壳体提供冷却。然而，根据环境温度和燃料电池堆的当前状态，这样的冷却可能适得其反，因为太低的温度同样损害燃料电池的功能。例如，这可能是在机动车辆的冷启动过程中的情况。原则上，这可以例如通过上述的第一阀大部分地节流或甚至完全阻止通过通风系统的空气流来抵消。然而，这将与通风功能背道而驰，也就是说在壳体里面通常连续的空气交换。在这种情况下，氢气浓度可以增加到不期望的水平。根据有利的发展，压缩机通过第二压力管路连接至壳体，其中第二阀设置为影响通过第二压力管路的空气流。第二压力管路一方面直接或间接地连接到压缩机的压力侧并且因此传送在增加压力下并且通常也具有与环境空气相比增加的温度的空气。另一方面，第二压力管路通入到壳体中。总的来说，两个空气管路因此通入到壳体中，也就是通风系统的供气管路和第二压力管路(也可以被认为是通风系统的一部分)。倾向于更冷的空气可以通过前者供应给壳体，同时倾向于更暖的空气可以通过后者供应。在所有情况下，空气都可以通过上述排气管路再次离开壳体。来自第二压力管路的更暖的空气在不必接受燃料电池堆的过冷的情况下使壳体通风成为可能，燃料电池堆过冷将影响其功能。如上面所提到的，因为供应更暖空气的必要性一方面取决于燃料电池堆的运行状态并且另一方面取决于环境空气的温度，因此提供第二阀以影响通过第二压力管路的空气流。如上面已经关于第一阀解释的，这可以与空气流的选择性阻止和释放和/或空气流的强度变化有关。

在某些情况下，第一压力管路具有热交换器并且第二压力管路旁通热交换器可能是有利的。热交换器用于在压缩机中加热的空气供应给燃料电池堆之前冷却该在压缩机中加热的空气。如果存在，则上述空气增湿器优选地设置在这样的热交换器的下游。然而，冷却第二压力管路中的空气将通常是适得其反，由于这个原因，第二压力管路旁通热交换器。在这种情况下，第二压力管路可以在热交换器上游从第一压力管路分支或者完全独立于后者引导。

通风系统可以具有在壳体上游并且在电压监测单元上游的供气管路，其中第三阀设置为影响通过供气管路的空气流。通过供气管路，环境空气供应给壳体并且供应给电压监测单元。如已经解释的，这个环境空气通常比在第二压力管路中运送的空气更冷。特别地当壳体的冷却是不必要的或甚至适得其反时，可以通过第三阀减少或甚至完全中断通过供气管路的空气流，虽然当需要冷却时可以增加或最大化空气流。这个实施例可以有利地与上面提到的一个实施例结合，在上面提到的实施例中提供具有第二阀的第二压力管路。

控制单元至少间接地确定壳体里面的温度并且根据温度控制第二和第三阀以便影响通过供气管路和通过第二压力管路的空气流。控制单元可以被认为是燃料电池系统的一部分。然而，控制单元也可以另外设计为是用于控制与燃料电池系统无关的功能的更高级的控制单元。不言而喻的是，控制单元可以至少部分地以软件的形式实施。控制单元可以连接至设置在壳体上或设置在壳体里面的至少一个温度传感器。例如，温度传感器可以设置在壳体的进气口的区域中，来源于供气管路和/或来自第二压力管路的空气在进气口流入到壳体中。可替代地或此外，温度传感器可以设置在壳体的出气口的区域中，空气在出气口流出到排气管路中。此外，控制单元可以设置为至少间接地确定供气管路和/或第二压力管路里面的温度。为了这个目的，控制单元可以连接到更多的温度传感器，例如温度传感器可以设置在供气管路中和/或设置在第二压力管路中。通过获得的测量值，控制单元例如可以确定来自供气管路和第二压力管路的空气流的最佳混合比例并且通过第二和第三阀相应地设置最佳混合比例。

在某些情况下，通过通风系统的电压监测单元的冷却可能是不够的。例如，这可以是以下情况：当在运行过程中电压监测单元将特别大量的电能转化成热量时、当环境温度—以及因此环境空气的温度—异常高时、或当定期地节流通过通风系统供应的环境空气以便防止燃料电池堆的过冷时。在这些情况下，燃料电池系统可以具有用于冷却电压监测单元的冷却单元，冷却单元独立于通风系统。例如，相应的冷却单元可以具有单独的冷却回路，冷却回路具有在电压监测单元上的第一热交换器和用于将热量排放到环境的第二热交换器。在机动车辆里面，更多的车辆部件也可以集成到这个冷却回路中。可替代地，例如冷却单元也可以具有一个或多个珀耳贴元件。

下面通过在附图中说明的代表性实施例更详细地解释要求保护的主题的更多有利细节和效果。

附图说明

图1是根据本公开的代表性燃油系统的示意图；

图2是图1的燃油系统的示意图，显示至少一个电控制阀的定位和操作以进一步地控制根据本公开的通风；

图3是图1或2的系统的示意图，显示根据本公开的附加电控制阀、温度传感器和压缩空气热交换器的位置和操作；

图4是图1-3的系统的示意图，系统具有根据本公开的涡轮增压器或连接到压缩机的废气驱动涡轮；

图5是图3的系统的示意图，系统具有根据本公开的与图4的系统相似的涡轮增压器；

图6是说明根据本公开的代表性燃料电池系统的运行的流程图。

具体实施方式

在下面描述本公开的实施例。然而，应该理解的是公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取不同的替代形式。附图不一定按比例绘制；并且一些功能可能被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，在这里公开的具体结构和功能细节不应该解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以不同的方式使用要求保护的主题的代表性基础。如将被本领域普通技术人员所理解的，参考任何一个附图显示和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中显示的特征相结合以产生可能没有明确地显示或描述的实施例。显示的特征的组合为典型应用提供代表性的实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种其他组合和修改可以预期用于特定的具体应用或实施例。

在各个附图中，相似的部件配备有相同的附图标记，并且由于这个原因这样的部件通常也只描述一次。

图1显示根据本公开的代表性燃料电池系统1，燃料电池系统1例如可以在比如卡车或乘用车这样的机动车辆中使用。燃料电池堆3设置在壳体2中。燃料电池堆3可以具有例如几百或几千个PEM燃料电池，PEM燃料电池设计用于将氢气和氧气转化成水。为了监控电池电压，电压监测单元4设置在壳体2中，电压监测单元4也可以被称为CVM单元。电压监测单元4通过连接线(在这里未示出)与单个燃料电池接触以便测量它们的电压。如果检测到电池电压与预期设定点范围的偏差，则电压监测单元4可以生成指示或警报信号，指示或警报信号例如发送到更高级的车辆控制器。在从机动车辆的罐(在这里未示出)获得氢气的同时，从环境空气获得氧气。这在第一阶段由两级压缩机11通过吸入管路15吸入、压缩，通过辅助管路27供应给第二阶段，再次压缩并且通过第一压力管路20供应给燃料电池堆3。为了将通过这种方式压缩的空气的空气湿度与燃料电池堆3里面的条件匹配，第一压力管路20具有空气增湿器21。空气增湿器21使第一压力管路20中的空气富含水分，水分从排气管路22中运送的空气获得。排气管路22连接到燃料电池堆3并且从单个燃料电池带走空气，空气通过氢气和氧气的反应而富足水，排气管路22具有止回阀23。

一方面为了确保燃料电池堆3和电压监测单元4的冷却，并且另一方面为了使壳体2的内部通风，提供通风系统30。通风系统30具有供气管路31，供气管路31从吸入管路15的空气过滤器16分支并且通向电压监测单元4。通风系统30在电压监测单元4附近引入到壳体2中。在壳体2里面，空气首先到达电压监测单元4，并且因此壳体主要位于电压监测单元4的下游。在这种情况下，壳体2的内部形成通风系统30的一部分，此外通风系统30具有排气管路32，排气管路32从壳体2引导到吸入管路15里面的文丘里喷嘴17。文丘里喷嘴17也可以被认为是具有变窄截面的吸入管路15的一部分。由于在这个收缩部分中的更高流速，所以吸入管路15里面的静态压力在这里比例如在空气过滤器16处的静态压力低，由于这个原因，总体上通过压缩机11的作用通过通风系统30吸入环境空气。因此，不需要附加风扇；相反，使用在任何情况下都存在的用于生成用于燃料电池堆3的压缩空气的部件。壳体2的通风防止在氢气逸出的情况下可以以不受控制的方式反应的混合物的形成。此外，这样的氢气泄露的存在或程度可以通过对排气管路32中运送的空气流进行分析来确定。为了这个目的，排气管路32具有氢气传感器33。

燃料电池系统1可以可选地具有冷却单元5，电压监测单元4可以通过冷却单元5而独立于通风系统30冷却。例如，这可以设计为连接到液体冷却回路的热交换器。

图2显示根据本公开的燃料电池系统1，燃料电池系统1基本上与图1的系统相同并且在这种程度上将不再次解释。然而，在这种情况下，第一阀34设置在排气管路32上，通过第一阀可以影响通过排气管路32的空气流以及因此通过整个通风系统30的空气流。例如如果壳体2里面的温度低到可能损害燃料电池的功能，则可以节流或甚至完全停止空气流。由于这个原因，第一阀32通常设计为通过控制单元40控制的主动阀。控制单元40可以连接到温度传感器41-42以便确定是否需要对空气流进行相应的节流。在这个示例中，第一温度传感器41在进气口附近设置在壳体2里面，空气通过进气口在电压监测单元4的区域中进入壳体2，同时第二温度传感器42设置在出气口附近，空气在出气口处从壳体进入排气管路32。当然，这种配置仅通过示例理解，并且可以省去或不同地放置传感器41、42中的一个。此外，可以提供更多的温度传感器43、44(例如，参照图3)。

图3显示燃料电池系统1，燃料电池系统1基本上再次与图1和图2中说明的系统相同并且在这种程度上将不再次解释。然而，在这种情况下，在空气增湿器21上游的第一压力管路20中提供热交换器24，在第一压力管路20中运送的空气在该空气到达空气增湿器21以及随后燃料电池堆3之前通过热交换器冷却。第二压力管路25从第一压力管路20分支并且像供气管路31一样，通入到壳体2的内部中。然而，虽然在供气管路31中运送的空气首先在环境温度下并且通常通过穿过电压监测单元4而被稍微地加热，但第二压力管路25中的空气由于通过压缩机11的能量输入而可能在明显更高的温度下。第二压力管路25具有第二阀26并且供气管路31具有第三阀35，第二阀26和第三阀35两者是通过控制单元40控制的。控制单元40因此可以选择性中断在两个管路25、31中的每一个中的空气流或者改变空气流的强度。虽然穿过壳体2的所有空气总是通过排气管路32离开壳体，但来自供气管路31(通常更冷)的空气和来自第二压力管路25(通常更热)的空气的比例可以通过调整第二阀26和第三阀35来改变。为了能够更好地确定相应的比例，在这种情况下控制单元40连接到供气管路31中的第三温度传感器43并且连接到第二压力管路25中的第四温度传感器44。

图4显示燃料电池系统1，燃料电池系统1基本上与在图1中说明的系统相同并且在这种程度上将不再次解释。然而，在这种情况下，压缩机11连接到排气涡轮12，并且通过排气涡轮12驱动。压缩机11和涡轮12可以在共用壳体里面集成为涡轮增压器10，涡轮增压器10具有可以通过共用轴连接到压缩机11的涡轮12。排气管路22穿过涡轮12，因此使来自燃料电池堆3的废气能够用于驱动涡轮12。随后，排气管路22穿过空气增湿器21。第一压力管路20可以首先穿过热交换器24并且接着穿过空气增湿器21(如在图3中显示的实施例中)，并且从这里进一步地引导到燃料电池堆3。在某些情况下，废气的压力可能不足以有效地运行涡轮12。在这种情况下，涡轮增压器10可以具有电动马达(在这里未示出)作为辅助驱动装置。

图5显示燃料电池系统1，燃料电池系统1基本上与在图3中说明的实施例相同并且在这种程度上将不再次解释。然而，在这里压缩机11也是涡轮增压器10的一部分，涡轮增压器10具有涡轮12。排气管路22再次穿过涡轮12以便驱动涡轮12、以及通过空气增湿器21。此外，第一压力管路20首先穿过热交换器24并且接着通过空气增湿器21，并且从这里进一步地引导到燃料电池堆3。再次，涡轮增压器10可以具有电动马达(在这里未示出)作为辅助驱动装置。

在这里显示的代表性实施例中，电压监测单元4设置在壳体2里面。然而，可替代地，例如电压监测单元4也可以在其上游设置在壳体2外面。在这情况下，整个壳体2将设置在电压监测单元4的下游。

图6是示意性地说明燃料电池系统1的可能运行方法的流程图。在步骤100开始之后，在步骤110首先检查是否存在冷启动条件，例如在车辆在低的环境温度下启动不久之后。在这种情况下，燃料电池堆3的温度如此低以至于损害燃料电池的最佳功能。例如可以根据来自第一和/或第二温度传感器41、42的测量值确定是否是这种情况。如果控制单元40判定存在冷启动条件，则在步骤120中，控制单元40通过第二阀26打开第二压力管路25并且通过第三阀35关闭供气管路31。例如，这使燃料电池堆3的加热过程加速，同时空气继续通过壳体2。因此能够通过氢气传感器33确定氢气浓度。

如果在重新检查冷启动条件的过程中确定这些不再存在，则在步骤130通过检查壳体2(或容纳在那里的燃料电池堆3)的冷却以及电压监测单元4的冷却是否是必要的，在一定程度上实现了正常运行。如果是这种情况，则在步骤140关闭第二压力管路25，同时打开供气管路31。这导致最大可能的冷却效果。如果不需要冷却壳体2，则试图至少近似地保持其当前工作温度。为了这个目的，在步骤150在每种情况下控制单元40都成比例地打开第二压力管路25和供气管路31，尤其可以根据来自第三温度传感器33和来自第四温度传感器34的测量值来确定比例。在每种情况下，在附加步骤160进行检查以确定电压监测单元4是否需要附加冷却。如果是这样的话，则在步骤170开启冷却单元5；否则在步骤180关闭冷却单元5。

虽然在上面描述代表性的实施例，但不意味着这些实施例描述由权利要求覆盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述性词语，而不是限制性词语，并且应该理解的是在不背离要求保护的主题的情况下可以做出各种改变。如在上面提到的，各种实施例的特征可以结合以形成可能不明确地描述或说明的本公开的更多实施例。虽然各种实施例可以描述为在一个或多个所需的特征方面提供优于其他实施例或现有技术实施方式的优点或优势，但本领域普通技术人员认识到，根据特定的应用和实施方式，一个或多个特征或特性可以折中以实现所需的整体系统性能。这些属性包含但不限于强度、耐久性、使用寿命、适销性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易装配性等。因此，在一个或多个特性方面描述为不如其他实施例或现有技术实施方式理想的实施例在本公开的保护范围之外并且可以预期用于特定应用。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包含：

具有多个燃料电池的燃料电池堆，所述燃料电池堆包含在壳体里面；

具有连接到环境的进口和连接到所述燃料电池堆的出口的压缩机；

配置成监测所述燃料电池的电压的电压监测器；以及

包括将所述压缩机的所述进口连接到所述壳体的进口的管道的通风系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压监测器设置在所述壳体里面。

3.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步地包含与所述压缩机安装在同一轴线上的涡轮、以及将所述燃料电池堆连接到所述涡轮的排气管道。

4.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包含连接到所述壳体和所述压缩机的进口的排气管道。

5.根据权利要求4所述的系统，所述系统进一步地包含定位在所述排气管道里面的电控制阀。

6.根据权利要求4所述的系统，所述系统进一步地包含连接到所述排气管道的氢气传感器。

7.根据权利要求6所述的系统，所述系统进一步包含：

连接到所述压缩机的所述出口和所述燃料电池堆的进口的增湿器；以及

连接到所述燃料电池堆和所述增湿器的燃料电池堆排气管道。

8.根据权利要求7所述的系统，所述系统进一步地包含具有连接到所述压缩机的所述出口的进口和连接到所述增湿器的出口的热交换器。

9.根据权利要求8所述的系统，所述系统进一步地包含：

连接到所述压缩机的所述出口和所述壳体的进口的旁通管道；以及

设置在所述旁通导管里面的电控制阀。

10.一种用于控制燃料电池系统的方法，所述方法包含通过控制器：

响应于燃料电池堆和壳体中的至少一个的温度，控制在将压缩机进口连接到包含所述燃料电池堆和燃料电池电压监测器的所述壳体的第一进口的管道里面的第一阀、在所述壳体的出口和所述压缩机进口之间的排气管道里面的第二阀、以及在将压缩机出口连接到所述壳体的第二进口的旁通管道里面的第三阀。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述控制第一阀、第二阀和第三阀包含响应于所述温度低于相关阈值而至少部分地关闭所述第二阀并且至少部分地打开所述第三阀。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述控制第一阀、第二阀和第三阀进一步地包含响应于所述温度低于所述相关阈值而至少部分地关闭所述第一阀。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步地包含监控来自设置在所述排气管道中的氢气传感器的信号并且响应于来自所述氢气传感器的检测到氢气超过相应阈值的信号而生成警报信号。

14.一种车辆系统，所述车辆系统包含：

具有包含在壳体里面的多个燃料电池的燃料电池堆；

包含在所述壳体里面的燃料电池电压监测器；

具有环境空气进口和高压出口的压缩机；以及

通风系统，所述通风系统包含：

将所述压缩机的所述环境空气进口连接到所述壳体的第一进口的第一管道；

将所述压缩机的所述高压出口连接到所述壳体的第二进口的第二管道；以及

将所述壳体的出口连接到所述压缩机的所述环境空气进口的第三管道。

15.根据权利要求14所述的车辆系统，所述车辆系统进一步地包含在所述第一管道、第二管道和第三管道中的每一个中的电控制阀。

16.根据权利要求15所述的车辆系统，所述车辆系统进一步地包含增湿器，所述增湿器具有连接到所述压缩机的所述高压出口的第一进口、连接到所述燃料电池堆的输入的第一输出、连接到所述燃料电池堆的出口的第二输入、以及连接到环境的第二出口，所述增湿器配置成将来自从所述燃料电池堆排出的空气的水分传递到来自所述压缩机的所述高压出口的压缩空气。

17.根据权利要求16所述的车辆系统，所述车辆系统进一步地包含连接到所述增湿器上游的所述压缩机的高压出口的热交换器。

18.根据权利要求17所述的车辆系统，所述车辆系统进一步地包含连接到所述第三管道的氢气传感器。

19.根据权利要求17所述的车辆系统，所述车辆系统进一步地包含设置在所述燃料电池堆的所述出口和所述增湿器的所述第二输入之间的止回阀。

20.根据权利要求16所述的车辆系统，所述车辆系统进一步地包含编程为响应于所述壳体和燃料电池堆中的至少一个的温度而控制所述电控制阀的控制器。

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