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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Detektionssystem zum Erkennen von Wasserstoff in einer Kavität eines Brennstoffzellenfahrzeugs, aufweisend ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellengehäuse und einer Spülluftleitung zum Spülen des Brennstoffzellengehäuses sowie einen Wasserstoffsensor außerhalb des Brennstoffzellengehäuses, wobei die Spülluftleitung einen Spülluftauslass zum Auslassen von Spülluft aus dem Brennstoffzellengehäuse aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem solchen Detektionssystem.
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Stand der Technik
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In Polymer Elektrolyt Membran (PEM)-Brennstoffzellensystemen wird Wasserstoff mittels Sauerstoff unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser zu elektrischer Energie gewandelt. Ein solches PEM-Brennstoffzellensystem weist hierfür in der Regel mehrere gestapelte Brennstoffzellen mit jeweils einer Anode, die jeweils mit Wasserstoff versorgt werden, einer Kathode, die jeweils mit Luft versorgt werden, und jeweils zwischen einer Anode und einer Kathode platzierten Polymer Elektrolyt Membranen auf. Durch die Stapelung der Brennstoffzellen kann die elektrische Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems erhöht werden. Innerhalb eines solchen Stapels befinden sich Versorgungskanäle, die die einzelnen Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft versorgen bzw. abgereicherte feuchte Luft sowie abgereichertes Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel bzw. dem Brennstoffzellensystem abtransportieren. Bautechnisch hat ein Brennstoffzellenstapel viele Meter an Dichtstellen, durch welche geringe Mengen Wasserstoff in Form von Leckage den Brennstoffzellenstapel verlassen können. Zur definierten Abfuhr des austretenden Wasserstoffs ist der Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik von einem Brennstoffzellengehäuse umschlossen. Das Brennstoffzellengehäuse wird von mindestens einer Stelle definiert mit Spülluft versorgt. An mindestens einer weiteren Stelle verlässt die Spülluft das Brennstoffzellengehäuse durch eine Spülluftleitung wieder. Das Brennstoffzellengehäuse wird mit der Spülluft sozusagen gespült. Zum Erkennen von Wasserstoff im Brennstoffzellengehäuse ist bei gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen in oder an der Spülluftleitung ein Wasserstoffsensor verbaut. Außerdem ist nach gesetzlichen Vorgaben in geschlossenen oder halbgeschlossenen Kavitäten, wie bspw. in einem Motorraum des Brennstoffzellenfahrzeugs, verpflichtend ein weiterer Wasserstoffsensor einzubauen. Bei bekannten Systemen erfassen beide Wasserstoffsensoren Wasserstoff bzw. eine Wasserstoffkonzentration und führen zum Herunterfahren des Brennstoffzellensystems beim Erkennen der Überschreitung eines vordefinierten Grenzwertes. Wasserstoffsensoren sind allerdings teuer und führen zu einer komplexen Systemstruktur im Brennstoffzellenfahrzeug.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die vorliegende Erfindung wird ein kostengünstiges und einfach aufgebautes System zur sicheren Detektion von unerwünschtem Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem und/oder in einem Brennstoffzellenfahrzeug vorgeschlagen. Ein solches System wird insbesondere durch das Detektionssystem gemäß Anspruch 1 sowie das Brennstoffzellenfahrzeug gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem Detektionssystem beschrieben sind, auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird und/oder werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Detektionssystem zum Erkennen von Wasserstoff in einer Kavität eines Brennstoffzellenfahrzeugs zur Verfügung gestellt. Das Detektionssystem weist, ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellengehäuse und einer Spülluftleitung zum Spülen des Brennstoffzellengehäuses sowie einen Wasserstoffsensor außerhalb des Brennstoffzellengehäuses auf. Die Spülluftleitung weist einen Spülluftauslass zum Auslassen von Spülluft aus dem Brennstoffzellengehäuse auf. Der Spülluftauslass ist zum Beaufschlagen des Wasserstoffsensors mit der Spülluft aus der Spülluftleitung ausgerichtet.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Spülluftleitung bzw. der Spülluftöffnung und des einen Wasserstoffsensors kann auf den sonst üblichen Wasserstoffsensor innerhalb der Spülluftleitung und/oder innerhalb des Brennstoffzellengehäuses verzichtet werden. Damit können die Kosten reduziert und der Systemaufbau des Brennstoffzellensystems vereinfacht werden. Der Verzicht auf den Wasserstoffsensor und die zugehörigen Funktionskomponenten schaffen außerdem Bauraum für andere Funktionskomponenten oder lässt eine kompaktere Gestaltung des Brennstoffzellensystems zu.
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Der Spülluftauslass ist bevorzugt zum direkten Beaufschlagen des Wasserstoffsensors mit der Spülluft aus der Spülluftleitung ausgerichtet. D. h., der Spülluftauslass und/oder die Spülluftleitung sind derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass Spülluft, die durch die Spülluftöffnung aus der Spülluftleitung austritt, auf direktem Wege und/oder zumindest ohne Hindernisse zum Wasserstoffsensor gelangen kann.
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Unter dem Wasserstoffsensor kann eine Sensoreinheit mit einem Sensorgehäuse und einer Sensorfläche im Sensorgehäuse verstanden werden. Eine vorliegend beschriebene, am Wasserstoffsensor angeordnete Funktionseinheit muss deshalb nicht direkt an der Sensorfläche angeordnet sein, sondern kann auch am Sensorgehäuse angeordnet sein. Der Wasserstoffsensor ist zum Erkennen von Wasserstoff und/oder einer Wasserstoffkonzentration in der Spülluft sowie in der Kavität konfiguriert und angeordnet.
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Der Spülluftauslass ist zum Auslassen der Spülluft aus dem Brennstoffzellengehäuse in die Umgebung des Brennstoffzellengehäuses konfiguriert. Je nach Ausgestaltungsvariante kann unter dem Spülluftauslass ein Endabschnitt der Spülluftleitung oder ein an die Spülluftleitung anschließendes Funktionsbauteil, das die Spülluftleitung mit dem Wasserstoffsensor verbindet, verstanden werden.
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Die Kavität kann geschlossen oder halbgeschlossen ausgestaltet sein. Unter der Kavität kann ein Bauraum, bspw. der Motorbauraum, im Brennstoffzellenfahrzeug verstanden werden. Die Spülluftleitung muss nicht in Form eines idealen Kanals ausgestaltet sein, sondern kann grundsätzlich eine beliebige Geometrie aufweisen, solange sie dazu geeignet ist, die Spülluft gezielt aus dem Brennstoffzellengehäuse zu leiten. Das Brennstoffzellensystem wird nicht durch die Spülluftleitung gespült, sondern unter Verwendung der Spülluftleitung gespült. Die Spülluftleitung kann einen Spüllufteinleitabschnitt, durch welchen Spülluft in das Brennstoffzellengehäuse geleitet wird, und einen Spülluftauslassabschnitt, unter Verwendung von welchem die Spülluft bzw. behandelte Spülluft wieder aus dem Brennstoffzellengehäuse geleitet werden kann, aufweisen.
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Das Brennstoffzellensystem weist vorzugsweise mehrere Brennstoffzellenstapel auf, welche durch das Brennstoffzellengehäuse umschlossen oder im Wesentlichen umschlossen sind. Der Wasserstoffsensor kann in Form eines Wasserstoffmikrosensors mit temperatur-, druck- und luftfeuchtekompensierender Signalauswertung konfiguriert sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Detektionssystem der Spülluftauslass, zum direkten Beaufschlagen des Wasserstoffsensors mit der Spülluft aus der Spülluftleitung, auf den Wasserstoffsensor gerichtet ist. Durch die direkte Ausrichtung des Spülluftauslasses und der Spülluftleitung auf den Wasserstoffsensor kann die Wasserstoffkonzentration in der Spülluft besonders genau ermittelt werden. Eine Vermischung mit anderen Fluiden kann auf einfache Weise verhindern oder zumindest auf die gewünschte Menge reduziert und/oder eingestellt werden. Unter einer Ausrichtung des Spülluftauslasses auf den Wasserstoffsensor kann verstanden werden, dass ein Normalenvektor des Spülluftauslasses in Richtung des Wasserstoffsensors und/oder auf den Wasserstoffsensor gerichtet ist. Ferner kann ein Normalenvektor des Spülluftauslasses orthogonal oder in einem stumpfen Winkel zu einem Normalenvektor einer Sensorfläche des Wasserstoffsensors ausgerichtet sein, wobei sich der Normalenvektor der Sensorfläche in einem im Brennstoffzellenfahrzeug verbauten Zustand in Gravitationsrichtung oder im Wesentlichen in Gravitationsrichtung erstreckt. Damit kann auf einfache Weise erreicht werden, dass die Spülluft möglichst direkt zum Wasserstoffsensor gelangt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass ein Detektionssystem ein Sammelmittel zum Sammeln von Wasserstoff, das zum Leiten des gesammelten Wasserstoffs zum Wasserstoffsensor am Wasserstoffsensor angeordnet ist, aufweist. Durch das Sammelmittel kann auch Wasserstoff enthaltendes Fluid, das sonst nicht zum Wasserstoffsensor gelangen könnte, zum Wasserstoffsensor geführt werden, wodurch das Detektionssystem besonders effektiv eine unerwünschte Wasserstoffleckage erkennen kann.
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Bei einem erfindungsgemäßen Detektionssystem kann das Sammelmittel trichterförmig ausgestaltet sein. Durch die Trichterform kann auf einfache, kostengünstige und trotzdem effektive Weise Umgebungsluft und somit auch etwaiger Wasserstoff gesammelt und zum Wasserstoffsensor geführt werden. Das trichterförmige Sammelmittel verjüngt sich zum Wasserstoffsensor hin. Insbesondere verjüngt sich das trichterförmige Sammelmittel in einem im Brennstoffzellenfahrzeug eingebauten Zustand des Detektionssystems entgegen der Gravitationsrichtung. Das Sammelmittel ist bevorzugt koaxial und/oder konzentrisch zum Wasserstoffsensor und/oder zum Spülluftauslass ausgestaltet und/oder angeordnet.
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Der Spülluftauslass ist bei einem Detektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt zumindest tlw. in einer Flucht zum Wasserstoffsensor angeordnet. Damit kann die aus der Spülluftleitung ausströmende Spülluft direkt auf den Wasserstoffsensor treffen. So lassen sich besonders aussagekräftige Messungen zum Wasserstoffgehalt in der Spülluft durchführen. Der Spülluftauslass ist in diesem Fall direkt oder im Wesentlichen direkt auf den Wasserstoffsensor gerichtet. Darunter, dass der Spülluftauslass zumindest tlw. in einer Flucht zum Wasserstoffsensor angeordnet ist kann verstanden werden, dass eine gedachte Erstreckung der Spülluftleitung in Richtung eines Normalenvektors des Spülluftauslasses wenigstens tlw. auf den Wasserstoffsensor treffen würde.
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Außerdem kann ein Detektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verbindungsgehäuse aufweisen, das mit der Spülluftleitung und dem Wasserstoffsensor zum Leiten der Spülluft zum Wasserstoffsensor verbunden ist. Mithilfe des Verbindungsgehäuses können die Spülluft und somit auch der Wasserstoff in der Spülluft direkt zum Wasserstoffsensor geleitet werden, ohne dass die Spülluft beispielsweise durch Hindernisse umgeleitet und dadurch unerwünscht mit anderen Fluiden vermischt wird. Mithilfe des Verbindungsgehäuses muss der Wasserstoffsensor nicht direkt am Spülluftauslass angeordnet sein und es kann trotzdem eine aussagekräftige Messung des Wasserstoffgehalts in der Spülluft durchgeführt werden.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn das Verbindungsgehäuse bei einem Detektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung wenigstens tlw. trichterförmig ausgestaltet ist. Das trichterförmige Verbindungsgehäuse, das sich bevorzugt zum Spülluftauslass hin verjüngt und zum Wasserstoffsensor hin entsprechend verbreitert, kann als Diffusor wirken, durch welchen der Spülluftstrom aus der Spülluftleitung verlangsamt und dadurch am Wasserstoffsensor wirksamer detektiert werden kann.
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Darüber hinaus ist es bei einem Detektionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass das Verbindungsgehäuse wenigstens eine Gaseintrittsöffnung zum Einlassen von Wasserstoff aus der Kavität in das Verbindungsgehäuse aufweist. Damit kann auf einfache und effektive Weise sichergestellt werden, dass auch Wasserstoff aus der Umgebung des Brennstoffzellengehäuses bzw. Leckagewasserstoff aus dem Brennstoffzellengehäuse weiterhin durch den Wasserstoffsensor ermittelt werden kann. Das Verbindungsgehäuse weist bevorzugt mehrere Gaseintrittsöffnungen bzw. Löcher zum Einlassen des Wasserstoffs aus der Kavität bzw. von Umgebungsluft aus der Umgebung des Brennstoffzellengehäuses in das Verbindungsgehäuse auf. Alternativ kann das Verbindungsgehäuse halbschalenförmig ausgestaltet sein, wobei der geschlossene Teil des Verbindungsgehäuses die Spülluftleitung und den Wasserstoffsensor miteinander verbindet und der offene Teil des Verbindungsgehäuses als die wenigstens eine Gaseintrittsöffnung verstanden werden kann.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Spülluftleitung eines erfindungsgemäßen Detektionssystems eine Düse aufweist und das Verbindungsgehäuse einen an die Düse angrenzenden Ejektor mit einer Mischkammer, zum Bereitstellen einer Fluidmischung aus der Spülluft und dem Wasserstoff aus der Kavität, und mit einem Diffusor umfasst, wobei die Mischkammer die wenigstens eine Gaseintrittsöffnung aufweist und der Diffusor zum Zuführen der Fluidmischung um Wasserstoffsensor mit dem Wasserstoffsensor verbunden ist. Damit kann auf effektive Weise Umgebungsluft aus der Umgebung des Brennstoffzellengehäuses bzw. der darin enthaltene Leckagewasserstoff in die Mischkammer gesaugt und von dort weiter zu dem bzw. an den Wasserstoffsensor geleitet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Kavität und einem wie vorstehend im Detail beschriebenen Detektionssystem zum Erkennen von Wasserstoff in der Kavität zur Verfügung gestellt. Damit bringt das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Detektionssystem beschrieben worden sind. Das Brennstoffzellenfahrzeug ist bevorzugt in Form eines Straßenfahrzeugs, insbesondere in Form eines PKWs oder eines LKWs, bereitgestellt.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Figurenliste
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Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein Detektionssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 ein Detektionssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3 ein Detektionssystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
- 4 ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Detektionssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Detektionssystem 10a zum Erkennen von Wasserstoff 11 bzw. eines Wasserstoffgehaltes eines Kavitätsfluids in einer Kavität 12 eines in 4 dargestellten Brennstoffzellenfahrzeugs 13 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Detektionssystem 10a weist ein Brennstoffzellensystem 15 mit einem Brennstoffzellengehäuse 16 und einer Spülluftleitung 17 zum Spülen des Brennstoffzellengehäuses 16 auf. Außerdem weist das Detektionssystem 10a außerhalb des Brennstoffzellengehäuses 16 einen Wasserstoffsensor 14 auf. Wie in 1 dargestellt, weist die Spülluftleitung 17 einen Spülluftauslass 18 zum Auslassen von Spülluft 19 aus dem Brennstoffzellengehäuse 16 auf. Der Spülluftauslass 18 ist zum Beaufschlagen des Wasserstoffsensors 14 mit der Spülluft aus der Spülluftleitung 17 ausgerichtet. Genauer gesagt ist der Spülluftauslass 18, zum direkten Beaufschlagen des Wasserstoffsensors 14 mit der Spülluft aus der Spülluftleitung 17, auf den Wasserstoffsensor 14 gerichtet. Wie in 1 zu erkennen, ist der Spülluftauslass 18 beabstandet vom Sammelmittel 20 sowie vom Wasserstoffsensor 14 angeordnet, sodass Wasserstoff 11 aus der Kavität 12 bzw. Wasserstoff aufweisendes Fluid außerhalb der Spülluftleitung 17 weiterhin problemlos zum Wasserstoffsensor 14 gelangen kann.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform weist das Detektionssystem 10a ein Sammelmittel 20 zum Sammeln von Wasserstoff bzw. Umgebungsluft aus der Umgebung des Brennstoffzellengehäuses 16, welche den etwaigen Wasserstoff enthält, auf. Das Sammelmittel 20 ist zum Leiten des gesammelten Wasserstoffs bzw. der Umgebungsluft zum Wasserstoffsensor 14 am Wasserstoffsensor 14 angeordnet. Wie in 1 gezeigt, ist das Sammelmittel 20 trichterförmig ausgestaltet, wobei sich die Trichterform zum Wasserstoffsensor 14 hin verjüngt. Ferner kann der dargestellten Ausführungsform entnommen werden, dass der Spülluftauslass 18 in einer Flucht zum Wasserstoffsensor 14 angeordnet ist. Am Wasserstoffsensor 14 und/oder am Sammelmittel 20 ist vorzugsweise eine Auslassöffnung (nicht dargestellt) zum Auslassen bzw. Ableiten von Wasserstoff 11 und/oder Spülluft 19 vom Wasserstoffsensor 14 ausgestaltet. Dadurch kann ein Fluidstau am Wasserstoffsensor 14, der zu einer fehlerhaften Wasserstoffdetektion führen könnte, verhindert werden.
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In 2 ist ein Detektionssystem 10b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Das gezeigte Detektionssystem 10b weist ein Verbindungsgehäuse 21 auf, das mit der Spülluftleitung 17 und dem Wasserstoffsensor 14 zum Leiten der Spülluft 19 zum Wasserstoffsensor 14 verbunden ist und, rechts in 2, eine Auslassöffnung zum Auslassen der Spülluft 19 sowie des Wasserstoffs 11 aus dem Verbindungsgehäuse 21 aufweist. Das Verbindungsgehäuse 21 ist trichterförmig ausgestaltet. Ferner weist das Verbindungsgehäuse 21 Gaseintrittsöffnungen 22 zum Einlassen von Wasserstoff 11 bzw. Umgebungsluft mit dem darin enthaltenen Wasserstoff aus der Kavität 12 in das Verbindungsgehäuse 21 auf. Das in 2 dargestellte Verbindungsgehäuse 21 kann grundsätzlich auch als Bestandteil der Spülluftleitung 17 betrachtet werden.
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In 3 ist ein Detektionssystem 10c gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Bei dem gezeigten Detektionssystem 10c weist die Spülluftleitung 17 eine Düse 23 auf. Das Verbindungsgehäuse 21 weist einen an die Düse 23 angrenzenden Ejektor 24 mit einer Mischkammer 25, zum Bereitstellen einer Fluidmischung 27 aus der Spülluft 19 und dem Wasserstoff 11 aus der Kavität 12, und einem Diffusor 26, auf. In der Mischkammer 25 ist folglich eine Gaseintrittsöffnung 22 ausgestaltet und der Diffusor 26 ist, zum Zuführen der Fluidmischung 27 zum Wasserstoffsensor 14, mit dem Wasserstoffsensor 14 verbunden. Der in 3 dargestellte Ejektor 24 kann grundsätzlich auch als Bestandteil der Spülluftleitung 17 betrachtet werden. Außerdem oder alternativ kann die Düse 23 als Teil des Ejektors 24 betrachtet werden. Das in 3 gezeigte Verbindungsgehäuse 21 weist, wie das in 2 gezeigte Verbindungsgehäuse 21, ebenfalls eine Auslassöffnung zum Auslassen der Spülluft 19 sowie des Wasserstoffs 11 aus dem Verbindungsgehäuse 21 auf.
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In 4 ist ein Brennstoffzellenfahrzeug 13 mit einer Kavität 12 in Form eines Motorbauraums und einem wie in 1 gezeigten Detektionssystem 10a zum Erkennen von Wasserstoff 11 in der Kavität 12, gezeigt.
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Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. So muss sich die Spülluftleitung 17 nicht über das Brennstoffzellengehäuse 16 hinaus erstrecken, sondern kann auch bündig mit dem Brennstoffzellengehäuse 16 abschließen.
