EP4189759A1 - Brennstoffzellenfahrzeug und detektionssystem zum erkennen von wasserstoff in einem brennstoffzellenfahrzeug - Google Patents

Brennstoffzellenfahrzeug und detektionssystem zum erkennen von wasserstoff in einem brennstoffzellenfahrzeug

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EP4189759A1
EP4189759A1 EP21745976.7A EP21745976A EP4189759A1 EP 4189759 A1 EP4189759 A1 EP 4189759A1 EP 21745976 A EP21745976 A EP 21745976A EP 4189759 A1 EP4189759 A1 EP 4189759A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
scavenging air
hydrogen
detection system
hydrogen sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21745976.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias FALKENAU
Timo Bosch
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a detection system for detecting hydrogen in a cavity of a fuel cell vehicle, having a fuel cell system with a fuel cell housing and a scavenging air line for scavenging the fuel cell housing and a hydrogen sensor outside the fuel cell housing, the scavenging air line having a scavenging air outlet for letting scavenging air out of the fuel cell housing.
  • the invention also relates to a fuel cell vehicle with such a detection system.
  • PEM fuel cell systems hydrogen is converted into electrical energy using oxygen while generating waste heat and water.
  • a PEM fuel cell system generally has a plurality of stacked fuel cells, each with an anode that is each supplied with hydrogen, a cathode that is each supplied with air, and polymer electrolyte membranes that are each placed between an anode and a cathode.
  • the electrical output voltage of the fuel cell system can be increased by stacking the fuel cells.
  • Supply channels are located within such a stack, which supply the individual fuel cells with hydrogen and air or transport away depleted moist air and depleted anode waste gas from the fuel cell stack or the fuel cell system.
  • a fuel cell stack has many meters of sealing points through which small quantities Hydrogen can leave the fuel cell stack in the form of leakage.
  • the fuel cell stack is enclosed by a fuel cell housing for the defined removal of the escaping hydrogen.
  • the fuel cell housing is supplied with scavenging air in a defined manner from at least one point.
  • the scavenging air leaves the fuel cell housing again at at least one other point through a scavenging air line.
  • the fuel cell housing is, so to speak, flushed with the flushing air.
  • a hydrogen sensor is installed in or on the scavenging air line in fuel cell systems of the generic type.
  • an additional hydrogen sensor must be installed in closed or semi-closed cavities, such as in an engine compartment of the fuel cell vehicle.
  • both hydrogen sensors detect hydrogen or a hydrogen concentration and cause the fuel cell system to shut down when it is detected that a predefined limit value has been exceeded.
  • hydrogen sensors are expensive and lead to a complex system structure in the fuel cell vehicle.
  • the present invention proposes an inexpensive and simply constructed system for the reliable detection of undesired hydrogen in a fuel cell system and/or in a fuel cell vehicle.
  • a detection system for detecting hydrogen in a cavity of a fuel cell vehicle is provided.
  • the detection system has a fuel cell system with a fuel cell housing and a scavenging air line for scavenging the fuel cell housing, and a hydrogen sensor outside the fuel cell housing.
  • the scavenging air line has a scavenging air outlet for discharging scavenging air from the fuel cell housing.
  • the purge air outlet is designed to apply the purge air from the purge air line to the hydrogen sensor.
  • the arrangement according to the invention of the scavenging air line or the scavenging air opening and one hydrogen sensor makes it possible to dispense with the otherwise customary hydrogen sensor within the scavenging air line and/or within the fuel cell housing.
  • the costs can thus be reduced and the system structure of the fuel cell system can be simplified.
  • the omission of the hydrogen sensor and the associated functional components also creates space for other functional components or allows a more compact design of the fuel cell system.
  • the scavenging air outlet is preferably designed for the scavenging air from the scavenging air line to act directly on the hydrogen sensor. That is, the scavenging air outlet and/or the scavenging air line are designed and/or arranged in such a way that scavenging air that exits the scavenging air line through the scavenging air opening can reach the hydrogen sensor directly and/or at least without obstacles.
  • the hydrogen sensor can be understood to mean a sensor unit with a sensor housing and a sensor surface in the sensor housing.
  • a functional unit that is described here and is arranged on the hydrogen sensor therefore does not have to be arranged directly on the sensor surface, but can also be arranged on the sensor housing.
  • the hydrogen sensor is configured and arranged to detect hydrogen and/or a hydrogen concentration in the purge air and in the cavity.
  • the scavenging air outlet is configured for discharging the scavenging air from the fuel cell casing to the surroundings of the fuel cell casing.
  • the scavenging air outlet can be understood to mean an end section of the scavenging air line or a functional component which is connected to the scavenging air line and connects the scavenging air line to the hydrogen sensor.
  • the cavity can be closed or semi-closed.
  • the cavity can be understood to mean an installation space, for example the engine installation space, in the fuel cell vehicle.
  • the scavenging air line does not have to be designed in the form of an ideal channel, but can in principle have any geometry as long as it is suitable for directing the scavenging air out of the fuel cell housing in a targeted manner.
  • the fuel cell system is not flushed by the flushing air line, but flushed using the flushing air line.
  • the scavenging air line can have a scavenging air inlet section, through which scavenging air is conducted into the fuel cell housing, and a scavenging air outlet section, using which the scavenging air or treated scavenging air can be conducted out of the fuel cell housing again.
  • the fuel cell system preferably includes a plurality of fuel cell stacks enclosed or substantially enclosed by the fuel cell housing.
  • the hydrogen sensor can be configured in the form of a hydrogen microsensor with temperature, pressure and air humidity compensating signal evaluation.
  • the scavenging air outlet in a detection system is directed towards the hydrogen sensor for direct application of the scavenging air from the scavenging air line to the hydrogen sensor.
  • the hydrogen concentration in the scavenging air can be determined particularly precisely by directly aligning the scavenging air outlet and the scavenging air line with the hydrogen sensor. Mixing with other fluids can be prevented in a simple manner or at least reduced and/or adjusted to the desired amount.
  • the purge air outlet can be aligned with the hydrogen sensor be understood that a normal vector of the scavenging air outlet is directed in the direction of the hydrogen sensor and/or onto the hydrogen sensor.
  • a normal vector of the scavenging air outlet can be aligned orthogonally or at an obtuse angle to a normal vector of a sensor surface of the hydrogen sensor, the normal vector of the sensor surface extending in the gravitational direction or essentially in the gravitational direction when installed in the fuel cell vehicle.
  • a detection system it is possible for a detection system to have a collecting means for collecting hydrogen, which is arranged on the hydrogen sensor for conducting the collected hydrogen to the hydrogen sensor. Fluid containing hydrogen, which otherwise would not be able to get to the hydrogen sensor, can also be routed to the hydrogen sensor through the collecting means, as a result of which the detection system can particularly effectively identify an undesired hydrogen leak.
  • the collecting means can be designed in the shape of a funnel. Due to the funnel shape, ambient air and thus also any hydrogen can be collected in a simple, inexpensive and nevertheless effective manner and routed to the hydrogen sensor.
  • the funnel-shaped collecting means tapers towards the hydrogen sensor.
  • the funnel-shaped collecting means tapers counter to the direction of gravity when the detection system is installed in the fuel cell vehicle.
  • the collection means is preferably designed and/or arranged coaxially and/or concentrically with the hydrogen sensor and/or with the scavenging air outlet.
  • the scavenging air outlet is preferably arranged at least partially in line with the hydrogen sensor. This means that the scavenging air flowing out of the scavenging air line can hit the hydrogen sensor directly. In this way, particularly meaningful measurements of the hydrogen content in the purge air can be carried out.
  • the scavenging air outlet is aimed directly or essentially directly at the hydrogen sensor.
  • the fact that the scavenging air outlet is at least partially arranged in line with the hydrogen sensor can be understood to mean that an imaginary extension of the scavenging air line in the direction of a normal vector of the scavenging air outlet would at least partially impinge on the hydrogen sensor.
  • a detection system may include a junction box connected to the purge air line and the hydrogen sensor for directing the purge air to the hydrogen sensor.
  • the connection housing With the help of the connection housing, the scavenging air and thus also the hydrogen in the scavenging air can be routed directly to the hydrogen sensor without the scavenging air being diverted through obstacles, for example, and thus being undesirably mixed with other fluids.
  • the hydrogen sensor does not have to be located directly at the purge air outlet and a meaningful measurement of the hydrogen content in the purge air can still be carried out.
  • connection housing in a detection system is designed at least partially in the shape of a funnel.
  • the funnel-shaped connection housing which preferably tapers towards the scavenging air outlet and correspondingly widens towards the hydrogen sensor, can act as a diffuser, through which the scavenging air flow from the scavenging air line is slowed down and can thus be detected more effectively at the hydrogen sensor.
  • connection housing prefferably has at least one gas inlet opening for admitting hydrogen from the cavity into the connection housing. It can thus be ensured in a simple and effective manner that hydrogen from the area surrounding the fuel cell housing or hydrogen leaking from the fuel cell housing can continue to be determined by the hydrogen sensor.
  • the connection housing preferably has a plurality of gas inlet openings or holes for admitting the hydrogen from the cavity or from Ambient air from around the fuel cell housing into the connection housing.
  • the connection housing can be designed in the form of a half-shell, with the closed part of the connection housing connecting the scavenging air line and the hydrogen sensor to one another and the open part of the connection housing being the at least one gas inlet opening.
  • the scavenging air line of a detection system has a nozzle and the connecting housing comprises an ejector adjacent to the nozzle with a mixing chamber for providing a fluid mixture of the scavenging air and the hydrogen from the cavity, and with a diffuser, the mixing chamber which has at least one gas inlet opening and the diffuser for supplying the fluid mixture to the hydrogen sensor is connected to the hydrogen sensor. Ambient air from the vicinity of the fuel cell housing or the leakage hydrogen contained therein can thus be sucked into the mixing chamber in an effective manner and from there passed on to or to the hydrogen sensor.
  • a fuel cell vehicle is provided with a cavity and a detection system for detecting hydrogen in the cavity as described in detail above.
  • the fuel cell vehicle according to the invention thus brings with it the same advantages as have been described in detail with reference to the detection system according to the invention.
  • the fuel cell vehicle is preferably provided in the form of a road vehicle, in particular in the form of a car or a truck.
  • FIG. 1 shows a detection system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a detection system according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a detection system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a fuel cell vehicle with a detection system according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a detection system 10a for detecting hydrogen 11 or a hydrogen content of a cavity fluid in a cavity 12 of a fuel cell vehicle 13 shown in FIG. 4 according to a first specific embodiment.
  • the detection system 10a has a fuel cell system 15 with a fuel cell housing 16 and a scavenging air line 17 for scavenging the fuel cell housing 16 .
  • the detection system 10a has a hydrogen sensor 14 outside the fuel cell housing 16 .
  • the scavenging air line 17 has a scavenging air outlet 18 for discharging scavenging air 19 from the fuel cell housing 16 .
  • the scavenging air outlet 18 is designed to apply the scavenging air from the scavenging air line 17 to the hydrogen sensor 14 .
  • the scavenging air outlet 18 is directed towards the hydrogen sensor 14 so that the scavenging air from the scavenging air line 17 can be applied directly to the hydrogen sensor 14 .
  • the scavenging air outlet 18 is arranged at a distance from the collection means 20 and from the hydrogen sensor 14 so that hydrogen 11 from the cavity 12 or fluid containing hydrogen outside the scavenging air line 17 can continue to reach the hydrogen sensor 14 without any problems.
  • the detection system 10a has a collecting means 20 for collecting hydrogen or ambient air from the surroundings of the fuel cell housing 16, which contains any hydrogen.
  • the collecting means 20 is arranged on the hydrogen sensor 14 for conducting the collected hydrogen or the ambient air to the hydrogen sensor 14 .
  • the collecting means 20 is designed in the shape of a funnel, with the funnel shape tapering towards the hydrogen sensor 14 .
  • the scavenging air outlet 18 is arranged in line with the hydrogen sensor 14 .
  • An outlet opening (not shown) for letting out or discharging hydrogen 11 and/or flushing air 19 from the hydrogen sensor 14 is preferably configured on the hydrogen sensor 14 and/or on the collecting means 20 . In this way, a fluid build-up at the hydrogen sensor 14, which could lead to erroneous hydrogen detection, can be prevented.
  • the detection system 10b shown has a connection housing 21, which is connected to the scavenging air line 17 and the hydrogen sensor 14 for conducting the scavenging air 19 to the hydrogen sensor 14 and, on the right in Fig. 2, an outlet opening for discharging the scavenging air 19 and the hydrogen 11 from the Connection housing 21 has.
  • the connection housing 21 is designed in a funnel shape.
  • the connecting housing 21 has gas inlet openings 22 for admitting hydrogen 11 or ambient air with the hydrogen contained therein from the cavity 12 into the connecting housing 21 .
  • the connection housing 21 shown in FIG. 2 can in principle also be regarded as a component of the scavenging air line 17 .
  • the scavenging air line 17 has a nozzle 23 .
  • the connection housing 21 has a nozzle 23 adjacent ejector 24 with a mixing chamber 25 for providing a fluid mixture 27 from the purge air 19 and the hydrogen 11 from the cavity 12, and a diffuser 26 on.
  • a gas inlet opening 22 is consequently configured in the mixing chamber 25 and the diffuser 26 is connected to the hydrogen sensor 14 for supplying the fluid mixture 27 to the hydrogen sensor 14 .
  • the ejector 24 shown in FIG. 3 can also be regarded as a component of the scavenging air line 17 .
  • the nozzle 23 can be considered part of the ejector 24 .
  • FIG. 4 shows a fuel cell vehicle 13 with a cavity 12 in the form of an engine installation space and a detection system 10a for detecting hydrogen 11 in the cavity 12, as shown in FIG.
  • the scavenging air line 17 does not have to extend beyond the fuel cell housing 16 but can also end flush with the fuel cell housing 16 .

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Detektionssystem (10a; 10b; 10c) zum Erkennen von Wasserstoff (11) in einer Kavität (12) eines Brennstoffzellenfahrzeugs (13), aufweisend ein Brennstoffzellensystem (15) mit einem Brennstoffzellengehäuse (16) und einer Spülluftleitung (17) zum Spülen des Brennstoffzellengehäuses (16) sowie einen Wasserstoffsensor (14) außerhalb des Brennstoffzellengehäuses (16), wobei die Spülluftleitung (17) einen Spülluftauslass (18) zum Auslassen von Spülluft (19) aus dem Brennstoffzellengehäuse (16) aufweist, wobei der Spülluftauslass (18) zum Beaufschlagen des Wasserstoffsensors (14) mit der Spülluft aus der Spülluftleitung (17) ausgerichtet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenfahrzeug (13) mit einem erfindungsgemäßen Detektionssystem (10a; 10b; 10c).

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenfahrzeug und Detektionssystem zum Erkennen von Wasserstoff in einem Brennstoffzellenfahrzeug
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.
Stand der Technik
In Polymer Elektrolyt Membran (P EM)- 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.
Vorteile der Erfindung
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. 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.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. Zeichnungen
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Detektionssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 ein Detektionssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 ein Detektionssystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 4 ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Detektionssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt ein Detektionssystem 10a zum Erkennen von Wasserstoff 11 bzw. eines Wasserstoffgehaltes eines Kavitätsfluids in einer Kavität 12 eines in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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.
Gemäß der in Fig. 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 Fig. 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.
In Fig. 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 Fig. 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 Fig. 2 dargestellte Verbindungsgehäuse 21 kann grundsätzlich auch als Bestandteil der Spülluftleitung 17 betrachtet werden.
In Fig. 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 Fig. 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 Fig. 3 gezeigte Verbindungsgehäuse 21 weist, wie das in Fig. 2 gezeigte Verbindungsgehäuse 21, ebenfalls eine Auslassöffnung zum Auslassen der Spülluft 19 sowie des Wasserstoffs 11 aus dem Verbindungsgehäuse 21 auf.
In Fig. 4 ist ein Brennstoffzellenfahrzeug 13 mit einer Kavität 12 in Form eines Motorbauraums und einem wie in Fig. 1 gezeigten Detektionssystem 10a zum Erkennen von Wasserstoff 11 in der Kavität 12, gezeigt.
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.

Claims

Ansprüche
1. Detektionssystem (10a; 10b; 10c) zum Erkennen von Wasserstoff (11) in einer Kavität (12) eines Brennstoffzellenfahrzeugs (13), aufweisend ein Brennstoffzellensystem (15) mit einem Brennstoffzellengehäuse (16) und einer Spülluftleitung (17) zum Spülen des Brennstoffzellengehäuses (16) sowie einen Wasserstoffsensor (14) außerhalb des Brennstoffzellengehäuses (16), wobei die Spülluftleitung (17) einen Spülluftauslass (18) zum Auslassen von Spülluft (19) aus dem Brennstoffzellengehäuse (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülluftauslass (18) zum Beaufschlagen des Wasserstoffsensors (14) mit der Spülluft aus der Spülluftleitung (17) ausgerichtet ist.
2. Detektionssystem (10a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülluftauslass (18), zum direkten Beaufschlagen des Wasserstoffsensors (14) mit der Spülluft aus der Spülluftleitung (17), auf den Wasserstoffsensor (14) gerichtet ist.
3. Detektionssystem (10a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sammelmittel (20) zum Sammeln von Wasserstoff, das zum Leiten des gesammelten Wasserstoffs zum Wasserstoffsensor (14) am Wasserstoffsensor (14) angeordnet ist.
4. Detektionssystem (10a) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelmittel (20) trichterförmig ausgestaltet ist.
5. Detektionssystem (10a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülluftauslass (18) zumindest teilweise in einer Flucht zum Wasserstoffsensor (14) angeordnet ist.
6. Detektionssystem (10b; 10c) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, ein Verbindungsgehäuse (21), das mit der Spülluftleitung (17) und dem Wasserstoffsensor (14) zum Leiten der Spülluft (19) zum Wasserstoffsensor (14) verbunden ist.
7. Detektionssystem (10b; 10c) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsgehäuse (21) wenigstens teilweise trichterförmig ausgestaltet ist.
8. Detektionssystem (10b; 10c) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsgehäuse (21) wenigstens eine Gaseintrittsöffnung (22) zum Einlassen von Wasserstoff (11) aus der Kavität (12) in das Verbindungsgehäuse (21) aufweist.
9. Detektionssystem (10c) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülluftleitung (17) eine Düse (23) aufweist und das Verbindungsgehäuse (21) 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) umfasst, wobei die Mischkammer (25) die wenigstens eine Gaseintrittsöffnung (22) aufweist und der Diffusor (26) zum Zuführen der Fluidmischung (27) zum Wasserstoffsensor (14) mit dem Wasserstoffsensor (14) verbunden ist.
10. Brennstoffzellenfahrzeug (13) mit einer Kavität (12) und einem
Detektionssystem (10a; 10b; 10c) nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Erkennen von Wasserstoff (11) in der Kavität (12).
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