CN116250107A - 用于确定在燃料电池系统的排气管路中的废气的氢浓度的装置和燃料电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定在燃料电池系统(100)的排气管路(12)中的废气的H2浓度的装置(1)，具有传感器(14)，所述传感器布置在管区段(2)中，其中，所述管区段具有流入开口(4)和流出开口(6)。安装元件(8)将通过所述流入开口(4)进入的废气划分为流经第一管容积(V1)的第一体积流和流经至少一个另外的管容积(V2)的至少一个另外的体积流。清除管路(40)在所述流入开口(4)和所述传感器(14)之间通到所述第一管容积(V1)中。传感器(14)测量在所述第一管容积(V1)中的废气的H2浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分特征的用于确定在燃料电池系统的排气管路中的废气的氢浓度的装置。
此外，本发明涉及一种具有权利要求9前序部分特征的燃料电池系统。
背景技术
氢基燃料电池被认为是未来的移动方案，因为氢基燃料电池作为废气仅排放水并且能够实现快速的加注时间。燃料电池通常组装成燃料电池堆叠。燃料电池堆叠需要氧气，主要从周围环境的简单的空气中获得，以及需要用于化学反应的燃料，主要是氢气。
已知氮气通过经由空气路径供应给燃料电池堆叠的空气质量流到达燃料电池堆叠的阴极侧上。该氮气部分地经由燃料电池堆叠的隔膜扩散到阳极侧上，并且在阳极侧排挤出氢气，使得抑制正常反应。为了减少阳极侧上的氮含量，具有冲洗管路的阀从阳极侧或从再循环管路引导至燃料电池的排气管路，以便将具有氮气含量的阳极气体经由排气管路引导到周围环境中。为了检查排气管路中的氢气含量，在排气管路中布置有氢气传感器。
此外已知，氢气从阳极侧到达阴极侧上。该氢气部分地催化燃烧并且部分地随着富集的阴极空气进入到阴极废气中。
发明内容
根据本发明的具有独立权利要求特征的用于确定在燃料电池系统的排气管路中的废气的氢浓度的装置具有如下优点：能够更精确地确定排气管路中的氢含量。这是重要的，以便必要时能够采取措施，以避免氢气浓度过高和从而避免爆炸性混合物。
如果没有根据本发明的装置，则存在传感器探测废气中的氢气浓度过低或过高的风险，因为在测量低含量时，测量器件的测量精度不成比例地下降。
此外，借助根据本发明的装置，从阳极引入氢气可以更好地与来自阴极的特别低的浓度区分。因此，例如可以由该值的增大推断出隔膜中的孔洞。
从经济角度来看，在相同测量精度的情况下，借助根据发明的装置可以降低对传感器的精度要求，从而节约成本。
此外，对于传感器的可靠性和使用寿命有利地，通过根据本发明的装置还保护免受液态水。
用于抵消过高浓度氢的一种可能性是通过清除和排出来中断由阳极侧的氢气供应。另一种可能性是有针对性地提高排气管路中的空气质量流，该空气质量流可以经由旁路连接直接从空气路径引导到排气管路中。另一种可能性在于催化燃烧氢气。
在从属权利要求中给出根据本发明的用于确定在燃料电池系统和燃料电池系统的排气管路中的废气的氢浓度的装置的有利构型和扩展方案。
有利的是，管区段具有用于清除管路的接头，因为通过该接头将清除管路的清除气体引导到第一容积中，使得可以高精度地确定清除气体中的氢气浓度。
为了确保来自清除管路的清除气体与来自排气管路的废气尽可能均匀的混合，有利的是，在接头和传感器之间布置有涡流元件。
有利的是，安装元件由至少一个矩形板构成，因为这是一个简单且成本低的解决方案，以便有针对性地从传感器旁引导流动。
有利的是，安装元件构造为管元件，因为在安装元件的这种形状的情况下可以更容易地实现在管区段中心的测量。
有利的是，管元件通过接头和/或传感器支架固定在管道区段内，因为不需要附加的支架，使得可以节省成本。
取决于局部的流动关系，通过安装元件可以实现，根据需要将传感器固定在管区段的外壁上或固定在安装元件上。
附图说明
下面根据附图更详细地阐述根据本发明的装置和根据本发明的燃料电池系统。附图分别示意性地示出：
图1：根据本发明第一实施例的燃料电池系统的示意性拓扑图，
图2：用于确定在燃料电池系统的排气管路中的流体的H2浓度的装置的示意图，
图3：根据本发明第二实施例的燃料电池系统的示意性拓扑图，
图4：用于确定在具有不同安装元件的燃料电池系统的排气管路中的流体的H2浓度的装置的示意图，和
图5：用于确定在具有构造为管的安装元件的燃料电池系统的排气管路中的流体的H2浓度的装置的示意图。
具体实施方式
在图1中示出根据第一实施例的燃料电池系统100的示意性拓扑图，该燃料电池系统具有至少一个燃料电池堆叠101。至少一个燃料电池堆叠101具有空气路径10、排气管路12和燃料管路20。至少一个燃料电池堆叠101能够用于具有高功率需求的移动应用，例如使用在载重车上，或用于固定应用，例如使用在发电机中。
空气路径10用作供气管路，以便经由入口16将来自周围环境的空气供应给燃料电池堆叠101。在空气路径10中布置有用于运行燃料电池堆叠101所需的组件。在空气路径10中布置有空气压缩机11和/或压缩装置11，其根据燃料电池堆叠101的各运行条件压缩或者说吸入空气。在空气压缩机11和/或压缩装置11下游可以有加湿装置15，其使空气路径10中的空气富含较高的液体浓度。
在空气路径10内还可以设置其它组件如过滤器和/或热交换器和/或阀。经由空气路径10，给燃料电池堆叠101提供含氧的空气。
此外，燃料电池系统100包括排气管路12，在该排气管路中，水以及来自空气路径10的空气的其它成分在通过燃料电池堆叠101之后经由出口18运输到周围环境中。排气管路12的废气也可以含有氢气(H2)，因为部分氢气可以通过燃料电池堆叠101的隔膜扩散。
燃料电池系统100还可以具有冷却回路，该冷却回路构造为用于冷却燃料电池堆叠101。冷却回路在图1中未示出，因为其不是本发明的组成部分。
在燃料管路20的输入端中有高压罐21和截止阀22。在燃料管路20中可以布置有其它组件，以便根据需要向燃料电池堆叠101供给燃料。
为了始终向燃料电池堆叠101供给足够的燃料，存在通过燃料管路20对燃料进行超化学计量的配量的必要性。过量的燃料以及一定量的水和氮气(它们通过电池单体隔膜扩散到阳极侧上)在再循环管路50中引回并且与来自燃料管路20的配量的燃料混合。
为了驱动再循环回路50可以安装各种部件，例如以配量的燃料运行的射束泵51或鼓风机52。射束泵51和鼓风机52的组合也是可行的。
因为水和氮气的量随时间始终进一步增加，所以必须时不时冲洗再循环回路50，使得燃料电池堆叠101的性能不会由于燃料管路20中过高的氮浓度而下降。
在循环管路50和排气管路12之间布置有清除管路40，使得来自再循环管路50的气体混合物能够流到排气管路12中。
在清除管路40中可以布置有清除阀44，该清除阀可以打开和关闭循环管路50和排气管路12之间的连接。清除阀44通常对于短时间打开，使得气体混合物通过清除管路40被引导到排气管路12中。
根据本发明的一个实施方式，在排气管路12中布置有用于确定H2浓度的装置1。
图2示出用于确定H2浓度的装置1的示意图。装置1由具有传感器14的管区段2构成，该传感器可以测量流体中的氢浓度。管区段2具有流入开口4和流出开口6。此外，在管区段2中布置有安装元件8，该安装元件将通过流入开口4进入的废气分成流经第一管容积V1的第一体积流和流经第二管容积V2的第二体积流。
在本发明的另一实施方式中，管区段2可以具有用于清除管路40的接头41。接头41建立第一容积V1和清除管路40之间的连接。通过接头41将清除管路40的清除气体引导到第一容积V1中。
用于清除管路40的接头41布置在流入开口4和传感器14之间，使得传感器14在测量时不但测量来自废气管路12的H2浓度而且测量来自清除管路40的H2浓度。
图1示出具有不带接头41的装置的燃料电池系统100，其中清除管路40沿流动方向在装置1之前通到排气管路12中。
在图3中示出具有带有接头41的装置1的燃料电池系统100。在这里，清除管路40与接头41连接，使得清除气体能够直接从清除管路40经由接头41流到管区段2的第一容积V1中。
为了实现来自排气管路12的废气和来自清除管路40的清除气体的尽可能好的混合，可以在管容积V1中在接头41和传感器14之间布置一个涡流元件。
图4示出具有不同安装元件4的三个装置1的横截面，所述安装元件分别由至少一个矩形板构成。
在图4a)中，矩形板平行于管区段2的中心垂线(通过虚线表示)布置，使得形成较小的第一管容积V1和较大的第二管容积V2。
在图4b)中，三个矩形板平行于管区段2的中心垂线(通过虚线表示)布置，使得形成四个管容积V1，V2，V3和V4。
在图4c)中，三个矩形板平行于管区段2的中心垂线(通过虚线表示)布置，此外，两个矩形板垂直于中心垂线布置，使得形成十二个管容积V1，V2，V3，...，V12。
图5示出装置1的一个实施方式，其中安装元件8通过管元件构成。图5a)示出装置1的横截面，其中选择垂直于主流动方向的截平面。图5b)示出装置1的横截面，其中选择平行于主流动方向的截平面。
安装元件8在所示的实施例中是圆形管元件，该管元件如此布置在管容积中，使得在截平面上形成两个同心圆。第一管容积V1可以如图所示地选择在管元件8的内部。
管元件8与管区段(2)的外壁3不具有直接接触并且通过接头41和/或传感器14的支架固定在管区段2内。
根据第一管容积V1的选择，传感器14可以固定在管区段2的外壁3或安装元件8上。传感器也可以固定在外壁3上，使得在容积V2中进行测量。
Claims (10)
1.一种用于确定在燃料电池系统(100)的排气管路(12)中的废气的氢浓度的装置(1)，具有传感器(14)，所述传感器布置在管区段(2)中，其中，所述管区段(2)具有流入开口(4)和流出开口(6)，其特征在于，通过安装元件(8)将通过所述流入开口(4)进入的废气划分为流经第一管容积(V1)的第一体积流和流经至少一个另外的管容积(V2)的至少一个另外的体积流，其中，所述传感器(14)测量在所述第一管容积(V1)中的废气的氢浓度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述管区段(2)具有用于清除管路(40)的接头(41)，其中，通过所述接头(41)将所述清除管路(40)的清除气体引导到所述第一容积(V1)中。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述用于清除管路(40)的接头(41)布置在所述流入开口(4)和所述传感器(14)之间。
4.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，在所述接头(41)和所述传感器(14)之间布置有涡流元件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述安装元件(8)由至少一个矩形板构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述安装元件(8)是管元件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述管元件(8)与所述管区段(2)的外壁(3)不具有直接接触，并且通过所述接头(41)和/或所述传感器(14)的支架固定在所述管区段(2)内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述传感器(14)固定在所述管区段(2)的外壁(3)上或固定在所述安装元件(8)上。
9.一种燃料电池系统(100)，具有至少一个燃料电池堆叠(101)、空气路径(10)、排气管路(12)、燃料管路(20)和再循环管路(50)，其中，来自周围环境的空气经由所述空气路径(10)到达燃料电池，其中，燃料经由所述燃料管路(20)被运输至所述燃料电池堆叠(101)，其中，所述再循环管路(50)具有清除管路(40)，其特征在于，在所述排气管路(12)中布置有根据权利要求1至8中任一项所述的装置(1)。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统(100)，其特征在于，所述清除管路(40)与所述装置(1)的接头(41)连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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