改进通风的燃料电池系统的制作方法

本发明涉及一种改进的燃料电池系统，其具有主动通风子系统，该主动通风子系统经由更加坚固的结构以更低成本具有精确的泄漏感测能力。

背景技术：

燃料电池系统越来越多地用作各种应用中的电源。例如，已经提出将燃料电池系统用于诸如车辆的功率消耗装置中作为内燃机的替代品。燃料电池还可以用作建筑物和住宅中的固定电力装置，用作摄像机、计算机等中的便携式电力装置。

燃料电池是电化学装置，其结合诸如氢气等燃料和诸如氧气等氧化剂以产生电力。氧气通常由空气流提供。氢气和氧气结合导致水的形成。可以使用其他燃料，例如天然气、甲醇、汽油以及煤衍生的合成燃料。

燃料电池所采用的基本过程是高效、大致上无污染、无噪声的，没有移动零部件(除了空气压缩机、冷却风扇、泵以及致动器之外)，并且可以被配置为仅留下热量和水作为副产物。术语“燃料电池”通常用于指代单个电池或多个电池，这取决于该术语使用的情境。多个电池通常被捆扎在一起并且被布置为形成堆叠，其中多个电池通常以电串联布置。因为单个燃料电池可以被组装成不同大小的堆叠，所以系统可以被设计为产生期望的能量输出水平，从而为不同的应用提供设计的灵活性。

可以提供不同的燃料电池类型，诸如例如磷酸、碱、熔融碳酸盐、固态氧化物以及质子交换膜(pem)。pem型燃料电池的基本部件是由聚合物膜电解质分开的两个电极。每个电极在一侧上涂覆有薄催化剂层。电极、催化剂以及膜一起形成膜电极组件(mea)。

众所周知，氢气被供应到燃料电池堆中的燃料电池以引起必要的化学反应以使用电力为车辆提供动力。然而，在燃料电池堆中有任何氢气泄漏的情况下，燃料电池系统和燃料电池堆需要适当的通风。另外，燃料电池系统还必须能够准确地检测来自燃料电池堆的任何氢气泄漏，使得可以采取适当的安全措施。因此，需要一种坚固的燃料电池系统，其可以较低成本以较少零部件提供燃料电池堆的适当通风和泄漏检测。

技术实现要素：

在本公开的一个实施例中，提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料电池堆，其被设置在外壳内；压缩机；入口空气过滤器；入口通道，其将入口空气过滤器连接到压缩机入口；流量限制器；以及氢气传感器，其沿着从外壳返回延伸到入口通道的通风管线设置。压缩机进一步包括与燃料电池堆流体连通的压缩机出口和与入口空气过滤器流体连通的压缩机入口。压缩机可以被配置为将环境空气流通过入口空气过滤器吸向燃料电池堆，由此在入口通道中产生真空。流量限制器被配置为将入口通道联接到从外壳延伸到入口通道的通风管线。

外壳可以但不一定进一步限定通风孔隙，该通风孔隙具有靠近通风孔隙设置的通风过滤器。应当理解的是，外壳可以但不一定进一步限定bop(配套装置)外壳和燃料电池堆外壳。bop外壳可以容纳一些空气管理部件以及燃料电池系统的燃料管理部件。燃料电池堆外壳可以包括燃料电池堆本身。

在第一实施例中，通风管线、流量限制器以及氢气传感器可以经由bop通风管线与bop外壳流体连通，并且还经由燃料电池通风管线与燃料电池外壳流体连通。bop通风管线和燃料电池通风管线合并成一条管线，该管线是流量限制器和氢气传感器上游的通风管线的第二部分。另外，氢气传感器可以与燃料电池系统控制器通信，该燃料电池系统控制器可操作地被配置为在排气通风流包含超过预定阈值的氢气水平的情况下提供驾驶员警报。一个示例性阈值可以基于氢气传感器数据来确定是否存在严重的氢气泄漏使得氢气水平超过相对较高值。另一个示例性阈值可以基于氢气传感器数据来确定是否存在轻度的氢气泄漏使得氢气水平超过相对较低值。在检测到严重的氢气泄漏的非限制性示例中，燃料电池系统控制器可以但不一定关闭整个燃料电池系统。类似地，在检测到轻度的氢气泄漏的非限制性示例中，燃料电池系统控制器可以但不一定致动驾驶员警告灯从而将车辆收容起来进行维修。

第一实施例可以进一步包括外壳排气通道，该外壳排气通道被配置为将通风排气流直接从外壳传递到大气，并且可以进一步包括在入口通道上靠近入口空气过滤器设置的空气流量计。空气流量计可以被配置为确定燃料电池系统的通风是否能够充分吸入空气。

在本发明的又一实施例中，提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：燃料电池堆，其被设置在外壳中；压缩机；入口通道；流量限制器；通风过滤器，其固定到流量限制器；以及氢气传感器，其被设置在通风管线上。压缩机出口可以与燃料电池堆流体连通，而压缩机入口经由入口通道与入口空气过滤器流体连通。因此，压缩机可以被配置为将环境空气流通过入口空气过滤器吸向燃料电池堆。结果，在入口通道内产生真空。流量限制器可以被配置为将入口通道联接到从外壳延伸到入口通道的通风管线，同时还控制从通风管线到入口通道的空气流量。

在第二实施例中，外壳可以但不一定进一步限定通风孔隙或一个以上通风孔隙。类似地，在第二实施例中，外壳可以但不一定进一步限定bop(配套装置)外壳和燃料电池堆外壳。其中外壳进一步限定bop外壳和燃料电池堆外壳。bop外壳可以容纳一些空气管理部件以及燃料电池系统的燃料管理部件。燃料电池堆外壳可以包括燃料电池堆本身。

在第二实施例中，通风管线、流量限制器以及氢气传感器可以经由bop通风管线与bop外壳流体连通。还应当理解的是，通风管线、流量限制器以及氢气传感器还可以经由燃料电池通风管线与燃料电池外壳流体连通。bop通风管线和燃料电池通风管线可以合并成一条通风管线，其是通风管线的第二部分。通风管道的第一部分(具有两条管线-bop通风管线和燃料电池通风管线)位于流量限制器和氢气传感器的上游，使得单个氢气传感器可以确定整个燃料电池系统中是否经由通风管线的第二部分存在任何氢气泄漏燃料。在该位置中，氢气传感器可以与燃料电池系统控制器通信，该燃料电池系统控制器可操作地被配置为在排气通风流包含超过预定阈值的氢气水平的情况下提供驾驶员警报。预定阈值可以但不一定是如前所述的各种阈值中的一个。

类似于第一实施例，燃料电池系统的第二实施例可以进一步包括：外壳排气通道，该外壳排气通道被配置为经由外壳排气出口直接将通风排气流从外壳传递到大气；以及空气流量计，该空气流量计在入口通道上靠近入口空气过滤器设置，其中该空气流量计可以被配置为确定燃料电池系统的通风是否能够充分吸入空气。

通过参考附图考虑的以下详细描述，本公开及其特定特征和优点将变得更加明显。

附图说明

通过以下详细描述、最佳模式、权利要求以及附图，本公开的这些和其他特征和优点将显而易见，附图中：

图1是机动车辆中的燃料电池系统的示例性现有技术视图。

图2是本公开的燃料电池系统的第一示例性非限制性实施例。

图3是本公开的燃料电池系统的第二示例性非限制性实施例。

在整个附图的若干视图的描述中，相同的附图标记指代相同的部件。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的目前优选的组合物、实施例和方法，它们构成实践本发明人目前已知的本公开的最佳模式。这些附图不一定按比例绘制。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是本公开的示例，其可以各种和替代形式实施。因此，本文公开的具体细节不应当被解释为限制，而仅仅作为本公开的任何方面的代表性基础和/或作为教导本领域技术人员以各种方式采用本公开的代表性基础。

除了在实施例中或另外明确指示之外，本说明书中指示材料量或反应和/或使用条件的所有数值应当被理解为在描述本公开的最广泛范围时由“约”修饰。在所述数值范围内的实践通常是优选的。而且，除非有相反的明确说明：否则百分比、“份数”和比值是按重量计；对于与本公开结合的给定目的而言适合或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或该类别中的任何两个或更多个成员的混合物同样适合或优选；首字母缩写词或其他缩写词的第一个定义适用于本文相同缩写词的所有后续用法，并且适用于最初定义的缩写词的正常语法变体；并且，除非有相反的明确说明，否则属性的测量值是通过与之前或之后针对同一属性引用的相同技术确定的。

还应当理解的是，本公开不限于下文描述的具体实施例和方法，因为具体部件和/或条件预定是可以变化的。另外，本文使用的术语仅用于描述本公开的特定实施例的目的，而并不旨在以任何方式进行限制。

还必须注意，除非上下文另有明确指示，否则如说明书和所附权利要求中所使用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数参考对象。例如，以单数形式对部件的引用旨在包括多个部件。

术语“包括(comprising)”与“包括(including)”、“具有”、“包含”或“特征在于”同义。这些术语是包含性的和开放式的，并且不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。

短语“由……组成”排除了权利要求中未指定的任何元件、步骤或成分。当该短语出现在权利要求正文的条款中，而不是紧跟在序言之后时，它只限制该条款中陈述的元件；其他元件不作为整体排除在权利要求之外。

短语“基本上由……组成”将权利要求的范围限制于指定材料或步骤，以及不会实质上影响所要求保护的主题的基本和新颖特性的那些材料或步骤。

可以替代地使用术语“包括”、“由……组成”以及“基本上由……组成”。在使用这三个术语中的一个的情况下，本公开要求保护的主题可以包括使用其他两个术语中的任一个。

在整个本申请中，在引用出版物的情况下，这些出版物的公开内容通过引用整体并入本申请以便更全面地描述本公开所属领域的现有技术。

图1示出了具有本领域已知的燃料电池系统10的说明性车辆。为了简单起见，为车辆112提供动力的燃料电池系统110可以被设置在车辆中在底板116下方和车身底板118上方的下部区域114中。燃料电池系统110可以包括氢气传感器120，其被设置在氢气系统单元122内使得经由氢气系统单元内的氢气的自然浮力和扩散率来检测任何氢气泄漏。应当理解的是，氢气系统单元122包含至少燃料电池堆124。

参考图2，本公开因此提供了一种具有主动通风系统的燃料电池系统10。该燃料电池系统10包括：燃料电池堆12，其被设置在外壳14内；压缩机16；入口空气过滤器22；入口通道26，其将入口空气过滤器22连接到压缩机16的入口；流量限制器28；以及氢气传感器33，其沿着从外壳14返回延伸到入口通道26的通风管线30设置。压缩机16进一步包括与燃料电池堆12流体连通的压缩机出口18和与入口空气过滤器22流体连通的压缩机入口20。压缩机16可以被配置为将来自车辆外部的区域62的环境空气流24通过入口空气过滤器22吸向燃料电池堆12，由此在入口通道26中产生微真空。流量限制器28被配置为将入口通道26联接到从外壳14延伸到入口通道26的通风管线30。

现在参考图2，外壳14可以但不一定进一步限定通风孔隙32，该通风孔隙具有靠近通风孔隙32设置的通风过滤器34。如所示，新鲜空气59可以经由通风孔隙32流入外壳。应当理解的是，如图2中所示，可以在外壳14中限定一个以上通风孔隙32，并且如所示可以在每个通风孔隙32处设置相关通风过滤器34。通风过滤器34'可以但不一定是在一些燃料电池系统中使用的类型的微粒过滤器和/或化学过滤器。另外，应当理解的是，外壳14可以但不一定进一步限定bop(配套装置)外壳14和燃料电池堆外壳38。其中外壳14进一步限定bop外壳36和燃料电池堆外壳38。bop外壳36可以容纳一些空气管理部件以及燃料电池系统10的燃料管理部件。燃料电池堆外壳38可以包括燃料电池堆12本身。无论如何，外壳14被配置为容纳燃料电池系统10中正在使用氢气的部件。因此，外壳14部分地被配置为对燃料电池系统10中使用的大多数(如果不是全部的话)氢气提供物理边界。

如图2中进一步说明，通风管线30、流量限制器28以及氢气传感器33经由bop通风管线40与bop外壳36流体连通，并且还经由燃料电池通风管线42与燃料电池外壳14流体连通。bop通风管线40和燃料电池通风管线42构成通风管线30的第一部分44。如所示，bop通风管线40和燃料电池通风管线42合并成一条管线以在流量限制器28和氢气传感器33的上游形成通风管线30的第二单个部分。因此，单个氢气传感器33可以确定整个燃料电池系统10中是否经由通风管线30存在任何氢气泄漏，这用更少部件以更低成本提供更准确的泄漏检测。

如图2中进一步所示，氢气传感器33与燃料电池系统控制器48通信，该燃料电池系统控制器可操作地被配置为在排气通风流52包含超过预定阈值的氢气水平的情况下提供驾驶员警报50。预定阈值可以是各种阈值中的一个。一个示例性阈值可以基于氢气传感器33的数据来确定是否存在严重的氢气泄漏54使得氢气水平超过相对较高值。另一个示例性阈值可以基于氢气传感器33的数据来确定是否存在轻度的氢气泄漏56使得氢气水平超过相对较低值。在检测到严重的氢气泄漏54的非限制性示例中，燃料电池系统控制器48可以但不一定关闭整个燃料电池系统10。类似地，在检测到轻度的氢气泄漏56的非限制性示例中，燃料电池系统控制器48可以但不一定致动驾驶员警告灯，使得可以考虑维修车辆。

再次参考图2，本公开的燃料电池系统10可以进一步包括外壳排气通道60，该外壳排气通道被配置为直接将通风排气流58从外壳14传递到大气62(或车辆外部的区域62)，并且可以进一步包括在入口通道26上靠近入口空气过滤器22设置的空气流量计64。空气流量计64可以被配置为确定燃料电池系统10的通风是否能够充分吸入空气。

现在参考图3，示出了本公开的燃料电池系统10的第二示例性非限制性实施例。燃料电池系统10包括：燃料电池堆12，其被设置在外壳14中；压缩机16；入口通道26；流量限制器28；通风过滤器34'，其固定到靠近流量限制器28和氢气传感器33的通风管线，该通风过滤器也被设置在通风管道30的第二部分46上。如图3中所示，压缩机出口18可以与燃料电池堆12流体连通，而压缩机入口20经由入口通道26与入口空气过滤器22流体连通。压缩机16因此可以被配置为将环境空气流通过入口空气过滤器22吸向燃料电池堆12。结果，在入口通道26内产生真空。

而且，图3的流量限制器28可以被配置为将入口通道26联接到从外壳14延伸到入口通道26的通风管线30。鉴于存在于入口通道26中的真空，流量限制器28因此将从通风管线30到入口通道26的流量控制为可接受的水平。在通风管线30的该区域中，通风过滤器34'和氢气传感器33靠近流量限制器28设置，使得燃料电池系统10可以经由氢气传感器33确定系统中是否存在任何氢气泄漏。应当理解的是，通风过滤器34'可以是在一些燃料电池系统中使用的类型的微粒过滤器和/或化学过滤器。

再次参考图3，外壳14可以但不一定进一步限定通风孔隙32。还应当理解的是，如图3中所示，可以在外壳14中限定一个以上通风孔隙32。如所示，新鲜空气59可以经由通风孔隙32流入外壳。另外，应当理解的是，外壳14可以但不一定进一步限定bop(配套装置)外壳14和燃料电池堆外壳38。其中外壳14进一步限定bop外壳36和燃料电池堆外壳38。bop外壳36可以容纳一些空气管理部件以及燃料电池系统10的燃料管理部件。燃料电池堆外壳38可以包括燃料电池堆12本身。无论如何，外壳14被配置为容纳燃料电池系统10中正在使用氢气的部件。因此，外壳14部分地被配置为对燃料电池系统10中使用的大多数(如果不是全部的话)氢气提供物理边界。

另外，如图3中所示，通风管线30、流量限制器28以及氢气传感器33经由bop通风管线4030与bop外壳36流体连通。还应当理解的是，通风管线30、流量限制器28以及氢气传感器33还经由燃料电池通风管线42与燃料电池外壳14流体连通。bop通风管线40和燃料电池通风管线42构成通风管线30的第一部分44。如所示，bop通风管线40和燃料电池通风管线42合并成一条管线以在流量限制器28和氢气传感器33的上游形成通风管线30的第二单个部分。因此，单个氢气传感器33可以确定整个燃料电池系统10中是否经由通风管线30的第二部分46存在任何氢气泄漏。该布置仅使用一个氢气传感器33用较少部件以较低成本提供更精确的泄漏检测。

如图3中进一步所示，氢气传感器33可以与燃料电池系统控制器48通信，该燃料电池系统控制器可操作地被配置为在排气通风流52包含超过预定阈值的氢气水平的情况下提供驾驶员警报50。预定阈值可以是各种阈值中的一个。一个示例性阈值可以基于氢气传感器33的数据来确定是否存在严重的氢气泄漏54使得氢气水平超过相对较高值。另一个示例性阈值可以基于氢气传感器33的数据来确定是否存在轻度的氢气泄漏56使得氢气水平超过相对较低值。在检测到严重的氢气泄漏54的非限制性示例中，燃料电池系统控制器48可以但不一定关闭整个燃料电池系统10。类似地，在检测到轻度的氢气泄漏56的非限制性示例中，燃料电池系统控制器48可以但不一定致动驾驶员警告灯从而将车辆收容起来进行维修。

再次参考图3，本公开的燃料电池系统10可以进一步包括外壳排气通道60，该外壳排气通道被配置为经由外壳14的排气出口直接将通风排气流58从外壳14传递到大气。本公开的燃料电池系统10可以进一步包括空气流量计64，该空气流量计在入口通道26上靠近入口空气过滤器22设置。空气流量计64可以被配置为确定燃料电池系统10的通风是否能够充分吸入空气。

应当理解的是，关于本公开的所有实施例，空气通道31(参见图3中的空气通道31的示例)被限定在流量限制器28与入口通道26之间。在本发明的所有实施例中，(图2和3的)流量限制器28与入口通道26之间的空气通道31的大小应当足够大到提供真空条件，其中(图2和3的)通风管线30中的通风空气流52以预定的期望流速被吸入到(图2和3的)入口通道26，使得氢气传感器33可以快速检测到任何氢气泄漏(由图3中的示例性元件61表示)或空气流52中的过量水平的氢气(来自燃料电池堆12)。应当理解的是，对于所有实施例，在流量限制器28与入口通道26之间的界面/开口31处的通风空气流52的预定的期望流速也可以由空气流52内的所需氢气稀释水平决定。例如，在大小为80kw的燃料电池系统在0.1slpm时具有允许的氢气渗透并且氢气传感器能够检测到约1％的安全(不可燃)氢气浓度(远低于空气中的氢气的lel)的情况下，通风空气流52的流速应当大约等于允许泄漏率的100倍。因此，在这种情况下，100x0.1slpm或大约10slpm。需要适当稀释空气流中的氢气以避免由氢气(来自燃料电池堆或外壳内的其他含氢气燃料电池系统部件)通过任何密封件的自然渗透进入外壳(诸如通风管线30)引起的错误泄漏信号。

另外，考虑到空气流52进入入口空气流量计64下游的入口空气通道26，从通风管线30进入进气通道26的通风空气流52的流速不得破坏燃料电池系统10的整体空气流量控制。然而，还应当理解的是，附加的空气流量计(未示出)可以安装在流量限制器28下游的入口空气通道26上，以检测对进入压缩机16的空气流的任何这种不希望的破坏。因为安全(不可燃)流量为10slpm，并且大小为约80kw的非限制性示例燃料电池系统的总气流在全功率下约为3700slpm。这是燃料电池堆的阴极提供足够氧气以支持其中的电化学反应所需的近似空气流量。进入入口空气通道26的空气流52的流速必须相对于入口空气流27的流速相对不显著，使得组合空气流29(入口空气流27和通风空气流52)的流速相对于在入口空气流量计62上游获得的空气流量测量值保持在可接受的偏差范围内。因此，在来自入口空气流量计62的读数具有任何小误差的程度上，这种误差可能归因于由于进入入口通道26的通风空气流52引起的流速变化。另外，还应当理解的是，来自入口空气流量计62的数据中的小误差也可能归因于入口空气过滤器22处的任何堵塞。另外，通风空气流52在其混合物进入入口空气流27时的高稀释度使得压缩机入口29处的组合空气流29(参见图3中的非限制性示例)因此可以安全地稀释可能来自严重的密封失效(导致通风流52中的氢气浓度非常高)的更高氢气泄漏率。这种类型的事件可能伴随着由通风管线30中的氢气传感器33引起的燃料电池系统的紧急关闭或对氢气泄漏的其他燃料电池系统诊断。

应当进一步理解的是，在图2和3中的通风空气流52中的任何氢气(由图3中的示例性元件63表示)通过压缩机16安全地再循环回到燃料电池堆12，使得氢气与燃料电池堆12的阴极电极内的催化剂上的氧发生反应，从而能够安全地消耗可能从燃料电池系统的外壳内的部件泄漏的氢气。应当理解的是，由催化剂处的氢气反应产生的热量在堆冷却剂(未示出)中被带走。

虽然在前面的详细描述中已经呈现了至少两个示例性实施例，但是应当理解存在大量的变型。还应当明白的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。实情是，前述详细描述将给本领域技术人员提供用于实施示例性实施例或多个示例性实施例的便捷指引。应当理解的是，在不脱离所附权利要求书和其合法等同物的范围的情况下，可对元件的功能和设置作出各种改变。