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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Brennstoffzellensystem mit einem aktiven Ventilationsuntersystem mit genauen Leckerfassungsfähigkeiten über eine robustere Struktur zu geringeren Kosten.
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HINTERGRUND
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Brennstoffzellensysteme werden zunehmend als Energiequelle in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Brennstoffzellensysteme wurden zur Verwendung in Leistungsverbrauchern, wie beispielsweise Fahrzeugen, als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Brennstoffzellen können auch als stationäre elektrische Kraftwerke in Gebäuden und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computern und dergleichen verwendet werden.
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom geliefert. Der Wasserstoff und der Sauerstoff führen zusammen zur Bildung von Wasser. Weitere Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und aus Kohle gewonnene synthetische Brennstoffe, können verwendet werden.
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Das grundlegende Verfahren, das von einer Brennstoffzelle genutzt wird, ist effizient, im Wesentlichen schadstofffrei, leise, frei von beweglichen Teilen (außer einem Luftkompressor, Kühlventilatoren, Pumpen und Aktuatoren) und kann so konstruiert sein, dass nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte zurückbleiben. Der Begriff „Brennstoffzelle“ wird typischerweise verwendet, um sich entweder auf eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen zu beziehen, abhängig von dem Kontext, in dem sie verwendet wird. Eine Vielzahl von einzelnen Zellen wird typischerweise gebündelt, um einen Stapel mit der Vielzahl von Zellen zu bilden, die üblicherweise in elektrischen Reihen angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen zu Stapeln unterschiedlicher Größe zusammengebaut werden können, können Systeme so ausgelegt werden, dass sie ein gewünschtes Energieabgabe-Niveau erzeugen, das eine flexible Gestaltung für verschiedene Anwendungen ermöglicht.
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Es können verschiedene Brennstoffzellentypen, wie Phosphorsäure, alkalische, Schmelzkarbonat, Festoxid- und Protonenaustauschmembran (PEM), bereitgestellt werden.
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Die Grundkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembran-Elektrolyten getrennt sind. Jede Elektrode ist einseitig mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden zusammen eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
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Wie bekannt ist, wird den Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff zugeführt, um die notwendige chemische Reaktion zu bewirken, um das Fahrzeug unter Verwendung von Elektrizität anzutreiben. Das Brennstoffzellensystem und der Brennstoffzellenstapel erfordern jedoch eine angemessene Ventilation im Falle von Wasserstofflecks aus dem Brennstoffzellenstapel. Darüber hinaus muss das Brennstoffzellensystem auch in der Lage sein, jeden Austritt von Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstapel genau zu erfassen, sodass geeignete Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden können. Dementsprechend besteht ein Bedarf für ein robustes Brennstoffzellensystem, das eine geeignete Ventilation und Leckerfassung des Brennstoffzellenstapels zu geringeren Kosten mit weniger Bauteilen bereitstellen kann.
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Die
DE 10 2015 220 641 A1 betrifft eine Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems mit einer Kathodenversorgung für die Brennstoffzelle, aufweisend einen Kathoden-Versorgungspfad und einen Kathoden-Abgaspfad, wobei an die Kathodenversorgung ein Spülkreis eines Stapelgehäuses der Brennstoffzelle fluidmechanisch angeschlossen ist, wobei mittels eines Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers in der Kathodenversorgung und/oder im Spülkreis ein Rezirkulationsfluid in der Kathodenversorgung und im Spülkreis zirkulierbar ist.
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Die
DE 10 2014 219 836 A1 betrifft eine Brennstoffzellenanordnung und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung. Um die Brennstoffzellenanordnung kompakt herstellen und effizient betreiben zu können, ist vorgesehen, dass sich ein Abgaspfad der Brennstoffzellenanordnung durch eine Strahlpumpe erstreckt.
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Die
DE 10 2014 203 259 A1 betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzellenstack sowie einer Maßnahme zur Belüftung dieses Gehäuses unter Koppelung des Belüftungsstroms an einen anderen Gasstrom, wobei der Belüftungsstrom einem durch einen als Umgebungsluft-Wärmetauscher ausgebildeten Kühler des Brennstoffzellensystems geführten Luftstrom zugeführt ist. Wenn der Belüftungsstrom stromauf des Kühlers zugeführt ist, kann eine Entlüftungsöffnung des Gehäuses solchermaßen platziert sein, dass der Belüftungsstrom durch den Zuluftstrom zum Kühler mitgenommen wird.
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Die
DE 10 2008 016 578 A1 betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist und in einem Gehäuse angeordnet ist, bei der ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses in das Gehäuse in einen Raum außerhalb der Brennstoffzelle einleitbar ist, wobei das Spülmedium ein im Betrieb der Brennstoffzelle im Kathodenraum erzeugtes Abgas ist.
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KURZDARSTELLUNG
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das einen Brennstoffzellenstapel beinhaltet, der in einem Gehäuse angeordnet ist, einen Kompressor, einen Einlassluftfilter, einen Einlassdurchgang, der den Einlassluftfilter mit einem Einlass des Kompressors verbindet, einen Drosselkörper und ein Wasserstoffsensor, der entlang einer Ventilationsleitung angeordnet ist, die von dem Gehäuse zurück zu dem Einlassdurchgang verläuft. Der Kompressor beinhaltet ferner einen Kompressorauslass in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel und einen Kompressoreinlass in Fluidverbindung mit dem Einlassluftfilter. Der Kompressor kann ausgelegt sein, um einen Umgebungsluftstrom durch den Einlassluftfilter zu dem Brennstoffzellenstapel zu ziehen, wodurch ein Unterdruck in dem Einlassdurchgang erzeugt wird. Der Drosselkörper ist ausgelegt, um den Einlassdurchgang mit der Ventilationsleitung zu koppeln, die von dem Gehäuse zu dem Einlassdurchgang verläuft.
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Das Gehäuse kann, jedoch nicht notwendigerweise, eine Ventilationsöffnung definieren, die einen Ventilationsfilter aufweist, der in der Nähe der Ventilationsöffnung angeordnet ist. Es versteht sich, dass das Gehäuse ein BOP-Gehäuse (Balance of Plant-Gehäuse) und ein Brennstoffzellenstapelgehäuse definieren kann, aber nicht notwendigerweise muss. Das BOP-Gehäuse kann einige Luftmanagementkomponenten sowie Kraftstoffmanagementkomponenten für das Brennstoffzellensystem enthalten. Das Brennstoffzellenstapelgehäuse kann den Brennstoffzellenstapel selbst beinhalten.
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In der ersten Ausführungsform können die Ventilationsleitung, der Drosselkörper und der Wasserstoffsensor über eine BOP-Ventilationsleitung in Fluidverbindung mit dem BOP-Gehäuse stehen und über eine Brennstoffzellen-Ventilationsleitung auch in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellengehäuse stehen. Die BOP-Ventilationsleitung und die Brennstoffzellen-Ventilationsleitung gehen in eine Leitung über, die der zweite Abschnitt der Ventilationsleitung vor dem Drosselkörper und dem Wasserstoffsensor ist. Darüber hinaus kann der Wasserstoffsensor in Verbindung mit einer Brennstoffzellensystemsteuerung stehen, die operativ ausgelegt ist, um Fahreralarme bereitzustellen für den Fall, dass der Abgasventilationsstrom Wasserstoffniveaus enthält, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten. Ein beispielhafter Schwellenwert kann bestimmen, ob eine starke Wasserstoffleckage vorliegt, sodass die Wasserstoffniveaus einen relativ hohen Wert basierend auf den Wasserstoffsensordaten überschreiten. Ein weiterer beispielhafter Schwellenwert kann bestimmen, ob eine schwache Wasserstoffleckage vorhanden ist, sodass dies Wasserstoffniveaus einen relativ niedrigen Wert basierend auf Wasserstoffsensordaten überschreiten. In einem nicht einschränkenden Beispiel, in dem eine schwere Wasserstoffleckage erfasst wird, kann, muss aber nicht, die Brennstoffzellensystemsteuerung das gesamte Brennstoffzellensystem abschalten. Ähnlich kann die Brennstoffzellensystemsteuerung, muss aber nicht, in dem nicht einschränkenden Beispiel, in dem eine schwache Wasserstoffleckage erfasst wird, ein Fahrerwarnlicht derart aktivieren, dass das Fahrzeug zur Wartung gebracht werden kann.
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Die erste Ausführungsform kann ferner einen Gehäuseabgasdurchgang beinhalten, der so ausgelegt ist, dass er direkt einen Ventilationsabgasstrom von dem Gehäuse an die Atmosphäre überträgt, und kann ferner einen Luftmassenmesser umfassen, der an dem Einlassdurchgang in der Nähe des Einlassluftfilters angeordnet ist. Der Luftmassenmesser kann ausgelegt sein, um zu bestimmen, ob die Ventilation des Brennstoffzellensystems in der Lage ist, ausreichend Luft anzusaugen.
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In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das einen in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzellenstapel, einen Kompressor, einen Einlassdurchgang, einen Drosselkörper, einen an dem Drosselkörper befestigten Ventilationsfilter und einen an einer Ventilationsleitung angeordneten Wasserstoffsensor beinhaltet. Der Kompressorauslass kann in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel stehen, während der Kompressoreinlass über den Einlassdurchgang in Fluidverbindung mit dem Einlassluftfilter steht. Der Kompressor kann daher dazu ausgelegt sein, einen Umgebungsluftstrom durch den Einlassluftfilter in Richtung des Brennstoffzellenstapels anzusaugen. Als Ergebnis wird in dem Einlassdurchgang ein Unterdruck erzeugt. Der Drosselkörper kann so ausgelegt sein, dass er den Einlassdurchgang mit der Ventilationsleitung koppelt, die von dem Gehäuse zu dem Einlassdurchgang verläuft, während er auch den Luftstrom von der Ventilationsleitung zu dem Einlassdurchgang regelt.
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In der zweiten Ausführungsform kann das Gehäuse, muss jedoch nicht notwendigerweise, eine Ventilationsöffnung oder mehr als eine Ventilationsöffnung definieren. In ähnlicher Weise kann das Gehäuse in der zweiten Ausführungsform, muss jedoch nicht notwendigerweise, ein BOP-Gehäuse (Balance of Plant-Gehäuse) und ein Brennstoffzellenstapelgehäuse definieren. Worin das Gehäuse ferner ein BOP-Gehäuse und ein Brennstoffzellenstapelgehäuse definiert. Das BOP-Gehäuse kann einige Luftmanagementkomponenten sowie Kraftstoffmanagementkomponenten für das Brennstoffzellensystem enthalten. Das Brennstoffzellenstapelgehäuse kann den Brennstoffzellenstapel selbst beinhalten.
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In der zweiten Ausführungsform können die Ventilationsleitung, der Drosselkörper und der Wasserstoffsensor über eine BOP-Ventilationsleitung in Fluidverbindung mit dem BOP-Gehäuse stehen. Es versteht sich auch, dass die Ventilationsleitung, der Drosselkörper und der Wasserstoffsensor ebenfalls über eine Brennstoffzellen-Ventilationsleitung in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellengehäuse stehen können. Die BOP-Ventilationsleitung und die Brennstoffzellen-Ventilationsleitung gehen in eine Ventilationsleitung über, die der zweite Abschnitt der Ventilationsleitung ist. Der erste Teil der Ventilationsleitung (die zwei Leitungen aufweist - die BOP-Ventilationsleitung und die Brennstoffzellen-Ventilationsleitung) ist stromaufwärts von dem Drosselkörper und dem Wasserstoffsensor angeordnet, so dass der einzelne Wasserstoffsensor über den zweiten Abschnitt der Ventilationsleitung bestimmen kann, ob Wasserstoffleckagen in dem gesamten Brennstoffzellensystem vorliegen. In dieser Position kann der Wasserstoffsensor in Verbindung mit einer Brennstoffzellensystemsteuerung stehen, die operativ ausgelegt ist, um Fahreralarme bereitzustellen für den Fall, dass der Abgasventilationsstrom Wasserstoffniveaus enthält, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten. Der vorbestimmte Schwellenwert kann, muss jedoch nicht notwendigerweise, einer einer Vielzahl von Schwellenwerten sein, wie zuvor beschrieben.
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Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform kann die zweite Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ferner einen Gehäuseabgasdurchgang beinhalten, der so ausgelegt ist, dass er direkt über einen Gehäuseabgasauslass einen Ventilationsabgasstrom aus dem Gehäuse in die Atmosphäre überträgt, als auch einen an dem Einlassdurchgang in der Nähe des Einlassluftfilters angeordneten Luftmassenmesser, wobei der Luftmassenmesser ausgelegt sein kann, um zu bestimmen, ob die Ventilation des Brennstoffzellensystems in der Lage ist, ausreichend Luft anzusaugen.
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Die vorliegende Offenbarung und ihre besonderen Eigenschaften und Vorteile wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen offensichtlicher werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, dem besten Modus, den Ansprüchen und den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich:
- 1 ist eine exemplarische Ansicht des Stands der Technik eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug.
- 2 ist eine erste exemplarische nicht einschränkende Ausführungsform des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Offenbarung.
- 3 ist eine zweite exemplarische nicht einschränkende Ausführungsform des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Offenbarung.
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Gleiche Referenznummern beziehen sich auf gleiche Teile in der Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen, welche die besten Arten der Durchführung der vorliegenden Offenbarung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die vorliegende Offenbarung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die spezifischen Details, die hierin offenbart werden, nicht als Beschränkungen zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für jegliche Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder dienen nur als repräsentative Grundlage, um Fachleuten auf dem Gebiet die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu vermitteln.
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Außer in den Beispielen oder wenn ausdrücklich erwähnt, sind alle nummerischen Angaben über Materialmengen oder Reaktions- und/oder Nutzungsbedingungen in dieser Beschreibung so zu verstehen, dass sie durch den Zusatz „etwa“ modifiziert werden, sodass sie den weitestmöglichen Umfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Das Ausführen innerhalb der angegebenen nummerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Ferner, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben: Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte nach Gewicht. Wenn eine Gruppe oder Klasse von Materialien für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung als geeignet oder bevorzugt beschrieben wird, bedeutet das, dass Mischungen von zwei oder mehreren Mitgliedern der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt für normale grammatikalische Variationen der anfangs definierten Abkürzung entsprechend. Und es wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die Messung einer Eigenschaft anhand derselben Technik gemessen, wie vorher oder nachher für dieselbe Eigenschaft angegeben ist.
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Es versteht sich ferner, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die im Folgenden beschrieben werden, da bestimmte Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Des Weiteren dient die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ist in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
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Es wird ferner darauf hingewiesen, dass, wie in der Spezifikation und den angehängten Patentansprüchen verwendet, die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“ auch die Pluralverweise umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Der Verweis auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
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Der Begriff „umfassend“ ist gleichbedeutend mit „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Begriffe sind einschließlich und offen auszulegen, und schließen zusätzliche ungenannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
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Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder Bestandteil aus, der nicht in dem Anspruch spezifiziert ist. Wenn dieser Ausdruck in einem Abschnitt des Hauptteils eines Anspruchs erscheint, anstatt sofort nach der Einleitung zu folgen, begrenzt er nur das Element, das in dem Abschnitt beschrieben ist; wobei andere Elemente nicht vom Anspruch insgesamt ausgeschlossen werden.
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Der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ begrenzt den Umfang eines Anspruchs auf die angegebenen Materialien oder Schritte, plus denjenigen, die nicht erheblich die Grund- und neuartigen Merkmal(e) des beanspruchten Gegenstands beeinflussen.
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Die Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ können alternativ verwendeten werden. Wo einer von diesen drei Begriffen verwendet wird, kann der vorliegend offenbarte und beanspruchte Gegenstand die Verwendung eines der anderen beiden Begriffe beinhalten.
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1 zeigt ein veranschaulichendes Brennstoffzellensystem 10, das in der Technik bekannt ist. Der Einfachheit halber kann das Brennstoffzellensystem 110, das das Fahrzeug 112 antreibt, in dem unteren Bereich 114 des Fahrzeugs unter der Bodenplatte 116 und über der Unterbodenverkleidung 118 angeordnet sein. Das Brennstoffzellensystem 110 kann aus einem Wasserstoffsensor 120 bestehen, der in der Wasserstoffsystemeinheit 122 angeordnet ist, sodass jegliche Wasserstoffleckagen über den natürlichen Auftrieb und die Diffusionsfähigkeit von Wasserstoffgas in der Wasserstoffsystemeinheit erfasst werden. Es versteht sich, dass die Wasserstoffsystemeinheit 122 zumindest den Brennstoffzellenstapel 124 enthält.
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Unter Bezugnahme auf 2 stellt die vorliegende Offenbarung daher ein Brennstoffzellensystem 10 mit einem aktiven Ventilationssystem bereit. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel 12, der in einem Gehäuse 14 angeordnet ist, einen Kompressor 16, einen Einlassluftfilter 22, einen Einlassdurchgang 26, der den Einlassluftfilter 22 mit einem Einlass des Kompressors 16 verbindet, einen Drosselkörper 28 und ein Wasserstoffsensor 33, der entlang einer Ventilationsleitung 30 angeordnet ist, die von dem Gehäuse 14 zurück zu dem Einlassdurchgang 26 verläuft. Der Kompressor 16 beinhaltet ferner einen Kompressorauslass 18 in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 12 und einen Kompressoreinlass 20 in Fluidverbindung mit dem Einlassluftfilter 22. Der Kompressor 16 kann ausgelegt sein, um einen Umgebungsluftstrom 24 von einem Bereich 62 außerhalb des Fahrzeugs durch den Einlassluftfilter 22 zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu ziehen, wodurch ein Unterdruck in dem Einlassdurchgang 26 erzeugt wird. Der Drosselkörper 28 ist ausgelegt, um den Einlassdurchgang 26 mit der Ventilationsleitung 30 zu koppeln, die von dem Gehäuse 14 zu dem Einlassdurchgang 26 verläuft.
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Unter jetziger Bezugnahme auf 2 kann das Gehäuse 14, muss jedoch nicht notwendigerweise, eine Ventilationsöffnung 32 definieren, die einen Ventilationsfilter 34 aufweist, der in der Nähe der Ventilationsöffnung 32 angeordnet ist. Frischluft 59 kann wie gezeigt über die Ventilationsöffnung 32 in das Gehäuse strömen. Es versteht sich, dass mehr als eine Ventilationsöffnung 32 in dem Gehäuse 14 definiert sein kann, wie in 2 gezeigt, und ein zugehöriger Ventilationsfilter 34 kann wie gezeigt an jeder Ventilationsöffnung 32 angeordnet sein. Der Ventilationsfilter 34` kann ein Partikelfilter und/oder ein chemischer Filter des in einigen Brennstoffzellensystemen verwendeten Typs sein, ist jedoch nicht notwendigerweise ein solcher Filter. Darüber hinaus versteht sich, dass das Gehäuse 14 ein BOP-Gehäuse 14 (Balance of Plant-Gehäuse) und ein Brennstoffzellenstapelgehäuse 38 definieren kann, aber nicht notwendigerweise muss. Worin das Gehäuse 14 ferner ein BOP-Gehäuse 36 und ein Brennstoffzellenstapelgehäuse 38 definiert. Das BOP-Gehäuse 36 kann einige Luftmanagementkomponenten sowie Kraftstoffmanagementkomponenten für das Brennstoffzellensystem 10 enthalten. Das Brennstoffzellenstapelgehäuse 38 kann den Brennstoffzellenstapel 12 selbst beinhalten. Ungeachtet dessen ist das Gehäuse 14 so ausgelegt, dass es Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 unterbringt, in denen Wasserstoff verwendet wird. Das Gehäuse 14 ist daher teilweise so ausgelegt, dass es eine physikalische Grenze für den meisten, wenn nicht für den gesamten im Brennstoffzellensystem 10 verwendeten Wasserstoff bereitstellt.
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Wie ferner in 2 veranschaulicht ist, stehen die Ventilationsleitung 30, der Drosselkörper 28 und der Wasserstoffsensor 33 über eine BOP-Ventilationsleitung 40 in Fluidverbindung mit dem BOP-Gehäuse 36 und stehen über eine Brennstoffzellen-Ventilationsleitung 42 auch in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellengehäuse 14. Die BOP-Ventilationsleitung 40 und die Brennstoffzellen-Ventilationsleitung 42, 30 bilden einen ersten Abschnitt 44 der Ventilationsleitung 30. Wie gezeigt, gehen die BOP-Ventilationsleitung 40 und die Brennstoffzellen-Ventilationsleitung 42 in eine Leitung über, um einen zweiten Abschnitt der Ventilationsleitung 30 vor dem Drosselkörper 28 und dem Wasserstoffsensor 33 zu bilden. Dementsprechend kann der einzelne Wasserstoffsensor 33 über die Ventilationsleitung 30 feststellen, ob Wasserstoffleckagen in dem gesamten Brennstoffzellensystem 10 vorhanden sind, was eine genauere Leckerfassung zu geringeren Kosten mit weniger Komponenten ermöglicht.
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Wie ferner in 2 gezeigt, steht der Wasserstoffsensor 33 in Verbindung mit einer Brennstoffzellensystemsteuerung 48, die operativ ausgelegt ist, um Fahreralarme 50 bereitzustellen für den Fall, dass der Abgasventilationsstrom 52 Wasserstoffniveaus enthält, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten. Der vorbestimmte Schwellenwert kann einer einer Vielzahl von Schwellenwerten sein. Ein beispielhafter Schwellenwert kann bestimmen, ob eine schwere Wasserstoffleckage 54 vorliegt, sodass die Wasserstoffniveaus einen relativ hohen Wert basierend auf den Daten des Wasserstoffsensors 33 überschreiten. Ein weiterer beispielhafter Schwellenwert kann bestimmen, ob eine schwache Wasserstoffleckage 56 vorhanden ist, sodass dies Wasserstoffniveaus einen relativ niedrigen Wert basierend auf den Daten des Wasserstoffsensors 33 überschreiten. In einem nicht einschränkenden Beispiel, in dem eine schwere Wasserstoffleckage 54 erfasst wird, kann, muss aber nicht, die Brennstoffzellensystemsteuerung 48 das gesamte Brennstoffzellensystem 10 abschalten. Ähnlich kann die Brennstoffzellensystemsteuerung 48, muss aber nicht notwendigerweise, in dem nicht einschränkenden Beispiel, in dem eine schwache Wasserstoffleckage 56 erfasst wird, ein Fahrerwarnlicht derart aktivieren, dass das Fahrzeug zur Wartung gebracht werden kann.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann das Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Offenbarung ferner einen Gehäuseabgasdurchgang 60 beinhalten, der so ausgelegt ist, dass er direkt einen Ventilationsabgasstrom 58 von dem Gehäuse 14 an die Atmosphäre 62 (oder Bereich 62 außerhalb des Fahrzeugs) überträgt, und kann ferner einen Luftmassenmesser 64 umfassen, der an dem Einlassdurchgang 26 in der Nähe des Einlassluftfilters 22 angeordnet ist. Der Luftmassenmesser 64 kann ausgelegt sein, um zu bestimmen, ob die Ventilation des Brennstoffzellensystems 10 in der Lage ist, ausreichend Luft anzusaugen.
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Bezugnehmend auf 3 ist eine zweite exemplarische nicht einschränkende Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 10 der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen in einem Gehäuse 14 angeordneten Brennstoffzellenstapel 12, einen Kompressor 16, einen Einlassdurchgang 26, einen Drosselkörper 28, einen an der Ventilationsleitung in der Nähe des Drosselkörpers 28 befestigten Ventilationsfilter 34` und einen an Wasserstoffsensor 33, der ebenfalls an dem zweiten Abschnitt 46 der Ventilationsleitung 30 angeordnet ist. Wie in 3 gezeigt, kann der Kompressorauslass 18 in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 12 stehen, während der Kompressoreinlass 20 über den Einlassdurchgang 26 in Fluidverbindung mit dem Einlassluftfilter 22 steht. Der Kompressor 16 kann daher dazu ausgelegt sein, einen Umgebungsluftstrom durch den Einlassluftfilter 22 in Richtung des Brennstoffzellenstapels 12 anzusaugen. Als Ergebnis wird in dem Einlassdurchgang 26 ein Unterdruck erzeugt.
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Der Drosselkörper 28 von 3 kann ebenfalls ausgelegt sein, um den Einlassdurchgang 26 mit der Ventilationsleitung 30 zu koppeln, die von dem Gehäuse 14 zu dem Einlassdurchgang 26 verläuft. Angesichts des Unterdrucks, das in dem Einlassdurchgang 26 existiert, regelt der Drosselkörper 28 daher die Strömung von der Ventilationsleitung 30 zu dem Einlassdurchgang 26 auf ein akzeptables Niveau. In diesem Bereich der Ventilationsleitung 30 sind der Ventilationsfilter 34` und der Wasserstoffsensor 33 in der Nähe des Drosselkörpers 28 angeordnet, sodass das Brennstoffzellensystem 10 über den Wasserstoffsensor 33 feststellen kann, ob Wasserstofflecks in dem System vorhanden sind. Es versteht sich, dass der Ventilationsfilter 34` ein Partikelfilter und/oder ein chemischer Filter des Typs sein kann, der in einigen Brennstoffzellensystemen verwendet wird.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 3, kann das Gehäuse 14, muss jedoch nicht notwendigerweise, eine Ventilationsöffnung 32 definieren. Es versteht sich auch, dass mehr als eine Ventilationsöffnung 32 in dem Gehäuse 14 definiert sein kann, wie in 3 gezeigt. Frischluft 59 kann wie gezeigt über die Ventilationsöffnung 32 in das Gehäuse strömen. Darüber hinaus versteht sich, dass das Gehäuse 14 ein BOP-Gehäuse 14 (Balance of Plant-Gehäuse) und ein Brennstoffzellenstapelgehäuse 38 definieren kann, aber nicht notwendigerweise muss. Worin das Gehäuse 14 ferner ein BOP-Gehäuse 36 und ein Brennstoffzellenstapelgehäuse 38 definiert. Das BOP-Gehäuse 36 kann einige Luftmanagementkomponenten sowie Kraftstoffmanagementkomponenten für das Brennstoffzellensystem 10 enthalten. Das Brennstoffzellenstapelgehäuse 38 kann den Brennstoffzellenstapel 12 selbst beinhalten. Ungeachtet dessen ist das Gehäuse 14 so ausgelegt, dass es Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 unterbringt, in denen Wasserstoff verwendet wird. Das Gehäuse 14 ist daher teilweise so ausgelegt, dass es eine physikalische Grenze für den meisten, wenn nicht für den gesamten im Brennstoffzellensystem 10 verwendeten Wasserstoff bereitstellt.
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Darüber hinaus, wie in 3 gezeigt, stehen die Ventilationsleitung 30, der Drosselkörper 28 und der Wasserstoffsensor 33 über eine BOP-Ventilationsleitung 40, 30 in Fluidverbindung mit dem BOP-Gehäuse 36. Es versteht sich auch, dass die Ventilationsleitung 30, der Drosselkörper 28 und der Wasserstoffsensor 33 ebenfalls über eine Brennstoffzellen-Ventilationsleitung 42 in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellengehäuse 14 stehen. Die BOP-Ventilationsleitung 40 und die Brennstoffzellen-Ventilationsleitung 42 bilden einen ersten Abschnitt 44 der Ventilationsleitung 30. Wie gezeigt, gehen die BOP-Ventilationsleitung 40 und die Brennstoffzellen-Ventilationsleitung 42 ineinander über, um einen zweiten einzelnen Abschnitt der Ventilationsleitung 30 vor dem Drosselkörper 28 und dem Wasserstoffsensor 33 zu bilden. Der einzelne Wasserstoffsensor 33 kann somit über den zweiten Abschnitt 46 der Ventilationsleitung 30 bestimmen, ob Wasserstoffleckagen in dem gesamten Brennstoffzellensystem 10 vorhanden sind. Diese Anordnung sorgt für eine genauere Leckerfassung zu geringeren Kosten mit weniger Komponenten unter Verwendung von nur einem Wasserstoffsensor 33.
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Wie ferner in 3 gezeigt, kann der Wasserstoffsensor 33 in Verbindung mit einer Brennstoffzellensystemsteuerung 48 stehen, die operativ ausgelegt ist, um Fahreralarme 50 bereitzustellen für den Fall, dass der Abgasventilationsstrom 52 Wasserstoffniveaus enthält, die einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten. Der vorbestimmte Schwellenwert kann einer einer Vielzahl von Schwellenwerten sein. Ein beispielhafter Schwellenwert kann bestimmen, ob eine schwere Wasserstoffleckage 54 vorliegt, sodass die Wasserstoffniveaus einen relativ hohen Wert basierend auf den Daten des Wasserstoffsensors 33 überschreiten. Ein weiterer beispielhafter Schwellenwert kann bestimmen, ob eine schwache Wasserstoffleckage 56 vorhanden ist, sodass dies Wasserstoffniveaus einen relativ niedrigen Wert basierend auf den Daten des Wasserstoffsensors 33 überschreiten. In einem nicht einschränkenden Beispiel, in dem eine schwere Wasserstoffleckage 54 erfasst wird, kann, muss aber nicht, die Brennstoffzellensystemsteuerung 48 das gesamte Brennstoffzellensystem 10 abschalten. Ähnlich kann die Brennstoffzellensystemsteuerung 48, muss aber nicht notwendigerweise, in dem nicht einschränkenden Beispiel, in dem eine schwache Wasserstoffleckage 56 erfasst wird, ein Fahrerwarnlicht derart aktivieren, dass das Fahrzeug zur Wartung gebracht werden kann.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 3, kann das Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Offenbarung ferner einen Gehäuseabgasdurchgang 60 beinhalten, der so ausgelegt ist, dass er direkt einen Ventilationsabgasstrom 58 über den Abgasdurchgang des Gehäuses 14 von dem Gehäuse 14 an die Atmosphäre überträgt. Das Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Offenbarung kann ferner einen Luftmassenmesser 64 beinhalten, der an dem Einlassdurchgang 26 nahe dem Einlassluftfilter 22 angeordnet ist. Der Luftmassenmesser 64 kann ausgelegt sein, um zu bestimmen, ob die Ventilation des Brennstoffzellensystems 10 in der Lage ist, ausreichend Luft anzusaugen.
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Es versteht sich, dass in Bezug auf alle Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Luftdurchgang 31 (siehe Beispiel eines Luftdurchgangs 31 in 3) zwischen dem Drosselkörper 28 und dem Einlassdurchgang 26 definiert ist. Die Dimensionierung des Luftdurchgangs 31 zwischen dem Drosselkörper 28 und dem Einlassdurchgang 26 (der 2 und 3) sollte in allen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausreichend bemessen sein, um einen Unterdruckzustand zu schaffen, in dem der Ventilationsluftstrom 52 in der Ventilationsleitung 30 (der 2 und 3) in den Einlassdurchgang 26 (der 2 und 3) mit einer vorbestimmten gewünschten Strömungsrate gezogen wird, sodass der Wasserstoffsensor 33 jegliche Wasserstoffleckagen (dargestellt durch das Beispielelement 61 in 3) oder übermäßige Niveaus an Wasserstoff in dem Luftstrom 52 (der von dem Brennstoffzellenstapel 12 kommt) schnell erfassen kann. Es versteht sich, dass die vorbestimmte gewünschte Strömungsrate für den Ventilationsluftstrom 52 an der Grenzfläche/Öffnung 31 zwischen dem Drosselkörper 28 und dem Einlassdurchgang 26 für alle Ausführungsformen auch durch die erforderlichen Verdünnungsstufen von Wasserstoff innerhalb des Luftstroms 52 vorgegeben sein kann. So sollte beispielsweise, wenn ein Brennstoffzellensystem mit einer Größe von 80 kW eine zulässige Permeation von Wasserstoff bei 0,1 SLPM aufweist und der Wasserstoffsensor in der Lage ist, sichere (nicht entflammbare) Konzentrationen von Wasserstoff bei etwa 1 % (deutlich unter der LEL von Wasserstoff in Luft) zu erfassen, die Strömungsrate für den Ventilationsluftstrom 52 ungefähr gleich dem 100-fachen der zulässigen Leckrate sein. Somit in diesem Fall 100 × 0,1 SLPM oder etwa 10 SLPM. Eine geeignete Verdünnung von Wasserstoff in dem Luftstrom ist erforderlich, um ein falsches Leckagesignal zu vermeiden, das durch die natürliche Permeation von Wasserstoff (von dem Brennstoffzellenstapel oder anderen Wasserstoff enthaltenden Brennstoffzellensystemkomponenten innerhalb des Gehäuses) durch beliebige Dichtungen in die Gehäuse (wie die Ventilationsleitung 30) verursacht wird.
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Zusätzlich darf die Strömungsrate des Ventilationsluftstroms 52, der von der Ventilationsleitung 30 in den Einlassluftdurchgang 26 eintritt, die gesamte Luftströmungssteuerung des Brennstoffzellensystems 10 nicht unterbrechen, da der Luftstrom 52 in den Einlassluftdurchgang 26 stromabwärts des Einlassluftmassenmessers 64 eintritt. Es versteht sich jedoch, dass ein zusätzlicher Luftmassenmesser (nicht gezeigt) auf dem Einlassluftdurchgang 26 stromabwärts des Drosselkörpers 28 installiert sein kann, um jegliche unerwünschten Störungen des Luftstroms zu erfassen, der in den Kompressor 16 eintritt. Da der sichere (nicht entflammbare) Strom 10 SLPM beträgt und der Gesamtluftstrom für ein nicht einschränkendes exemplarisches Brennstoffzellensystem, das für etwa 80 kW bemessen ist, bei voller Leistung etwa 3700 SLPM beträgt. Dies ist die ungefähre Luftströmung, die für die Kathode des Brennstoffzellenstapels benötigt wird, um ausreichenden Sauerstoff bereitzustellen, um die elektrochemischen Reaktionen darin zu unterstützen. Die Strömungsrate des Luftstroms 52, der in den Einlassluftdurchgang 26 eintritt, muss relativ unbedeutend relativ zu der Strömungsrate für den Einlassluftstrom 27 sein, sodass die Strömungsrate für die kombinierten Luftströme 29 - Einlassluftstrom 27 und Ventilationsluftstrom 52 - in einem akzeptablen Abweichungsbereich in Bezug auf Luftstrommessungen bleiben, die stromaufwärts an dem Einlassluftmassenmesser 62 vorgenommen werden. In dem Maße, in dem die Ablesungen von dem Einlassluftmassenmesser 62 beliebige kleine Fehler aufweisen, könnten derartige Fehler daher auf eine Strömungsratenänderung aufgrund des Ventilationsluftstroms 52 zurückgeführt werden, der in den Einlassdurchgang 26 eintritt. Darüber hinaus versteht es sich auch, dass kleine Fehler in den Daten von dem Einlassluftmassenmesser 62 auch einer Verstopfung an dem Einlassluftfilter 22 zugeschrieben werden können. Zusätzlich ist die hohe Verdünnung des Ventilationsluftstroms 52 bei seiner Mischung in den Einlassluftstrom 27 derart, dass der kombinierte Luftstrom 29 (siehe nicht einschränkendes Beispiel in 3) am Kompressoreinlass 29 daher viel höhere Wasserstoffleckraten sicher verdünnen kann, die von schweren Dichtungsausfällen herrühren können (was zu sehr hohen Wasserstoffkonzentrationen in dem Ventilationsstrom 52 führt). Diese Art von Ereignis könnte von einer Notabschaltung des Brennstoffzellensystems, die durch den Wasserstoffsensor 33 in der Ventilationsleitung 30 veranlasst wird, oder einer anderen Brennstoffzellensystemdiagnose für Wasserstoffleckagen begleitet sein.
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Es versteht sich ferner, dass jeglicher Wasserstoff (dargestellt durch Beispielelement 63 in 3), der sich in dem Ventilationsluftstrom 52 in den 2 und 3 befindet, sicher durch den Kompressor 16 zurück zu dem Brennstoffzellenstapel 12 rezirkuliert wird, sodass der Wasserstoff mit Sauerstoff auf dem Katalysator innerhalb der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 12 reagiert, was einen sicheren Verbrauch von Wasserstoff ermöglicht, der aus Komponenten innerhalb des Gehäuses/der Gehäuse des Brennstoffzellensystems austreten kann. Es versteht sich, dass die durch die Wasserstoffreaktion am Katalysator erzeugte Wärme in dem (nicht gezeigten) Stapelkühlmittel abgeführt wird.
