燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的燃料电池系统。


背景技术：

2.基于氢气的燃料电池适合作为未来的机动概念，因为所述燃料电池仅将水作为废气排出，并且能够实现更快的加燃料时间。燃料电池通常组装成燃料电池堆。燃料电池堆消耗氧气和燃料以用于化学反应，所述氧气大部分由环境中的简单的空气获得，所述燃料大部分是氢气。
3.在燃料电池系统中，在燃料电池堆上的电压分接通过电源分配单元(pdu单元)实现并且再处理。pdu单元的任务典型的是：确保电压，电流测量，在事故时将堆电压与系统分开，将堆电压连接至dc/dc变换器、然后连接至电池。
4.在pdu单元内部的构件和组件由于电损耗和电阻暴露于大的放热。出于该原因，pdu单元必须被冷却。作为冷却可能性方案，已知在pdu单元的壳体内部的合适的风扇和/或水冷却装置。


技术实现要素：

5.根据本发明的具有独立权利要求的特征的燃料电池系统具有以下优点：将用于冷却pdu单元的空气从空气路径(阴极路径)提取出。以该方式可以节省费用，因为不必安装合适的风扇，所述风扇提供在电机室环境中的必需的安全性并且将干净的空气吹入到pdu单元的壳体中。
6.相比于水冷却装置，pdu单元的构件可以直接被冷却，而在水冷却装置中组件仅间接地通过空气流动冷却，所述空气流动在壳体内部由于温度梯度产生。相比于直接的空气冷却，热管和用于冷却pdu单元的帕尔贴元件仅产生小的冷却作用。
7.通过根据本发明的燃料电池系统可以确保pdu单元的有效冷却。pdu单元的组件具有电损耗，所述电损耗转化成热量，使得pdu单元的内部温度在没有有效冷却的情况下总是继续升高并且使所述组件过热并且在最坏情况下失效。
8.在从属权利要求中说明根据本发明的燃料电池系统的有利构型和扩展方案。
9.分支部在压缩空气路径中的空气的压缩机和燃料电池堆之间的布置是有利的，因为以该方式可以建立在分支部和环境之间的高压力降，从而在需要时可以将足够大的用于冷却的空气质量流通过冷却管路流动至pdu单元。
10.布置在增压机和分支部之间的热交换器是有利的，因为以该方式可以进一步降低流动至pdu单元的空气的温度。
11.特别的优点通过过滤器实现，该过滤器在空气路径中布置在入口和分支部之间，因为以该方式流动至pdu单元的空气已经清洁掉灰尘和小颗粒。针对在pdu单元内部的电子组件，纯净空气是重要的基本要求。
12.有利的是，在冷却管路中布置有可调节的节流阀，因为以该方式能够可变地改变
流动至pdu单元的空气量。在pdu单元的组件受到高热负载的情况下，可以通过可调节的节流阀使大量空气流动至pdu单元。可调节的节流阀可以在小热负载的情况下减小其横截面，从而使更少的空气流动至pdu单元。
13.当冷却管路中的空气还具有过高温度时，为了确保有效的冷却，在冷却管路中的冷却器可以进一步降低温度，从而在空气量相同的情况下实现更高的冷却效率。
14.在这里有利的是，冷却器布置在可调节的节流阀和pdu单元之间，因为以该方式仅冷却流动至pdu单元的空气。
15.在燃料电池系统的静止状态中，燃料电池堆中的氢气可能逸出到空气路径中。为了防止氢气到pdu单元中的侵入，有利的是，在冷却管路中布置止回阀。通过止回阀防止在燃料电池系统的静止状态中在燃料电池堆和pdu单元之间的气体交换，因为在静止状态中止回阀的闭合力不能通过在分支部上的空气压力克服。这是重要的，因为在pdu单元中可以存在点火源，所述点火源可能导致氢气和空气的混合物的点燃。
16.有利的是，pdu单元具有压力平衡元件或止回阀，空气可以通过所述压力平衡元件逸出到环境中。在这里，压力平衡元件可以这样构造，使得所述压力平衡元件对于气体是可穿透的，但防止颗粒和湿气进入到pdu单元中。
附图说明
17.下面参照附图详细阐释根据本发明的燃料电池系统和根据本发明的方法。
具体实施方式
18.在附图中示出根据第一实施例的燃料电池系统100的示意性拓扑，所述燃料电池系统具有至少一个燃料电池堆101。所述至少一个燃料电池堆101具有空气路径10、废气路径12和燃料管路20。所述至少一个燃料电池堆101可以用于具有高功率需求的移动应用，例如使用在载重车辆中，或者用于静止应用，例如使用在发电机中。
19.空气路径10用作为空气供应管路，以便通过进口16将环境中的空气供应给燃料电池堆101。在空气路径10中布置有为运行燃料电池堆101所需的组件。在空气路径10中可以布置空气压缩机11和/或增压机11，所述空气压缩机和/或所述增压机将空气相应于燃料电池堆101的各个运行条件地压缩或抽吸。热交换器15可以位于空气压缩机11和/或增压机11的下游，所述热交换器将空气路径10中的空气冷却到较低的温度。
20.在空气路径10内部还可以设置另外的组件，如加湿器和/或阀。通过空气路径10提供给燃料电池堆101含氧气的空气。
21.空气路径10通过分支部33与冷却管路30连接。空气路径10中的空气可以通过冷却管路30达到pdu单元32或pdu单元32的壳体31中。pdu单元32是电源分配单元32，所述电源分配单元执行在燃料电池堆101上的电压分接(spannungsabgriff)并且再处理和互连(verschalten)该电压分接。
22.此外，电源分配单元(pdu单元)32的任务是：确保电压，电流测量，在检测出事故时使堆电压与系统分开，将堆电压连接至dc/dc变换器和/或电池。
23.借助于空气路径10中的空气，所述空气通过冷却管路30达到pdu单元32的壳体31中，可以冷却pdu单元32的壳体31中的构件。
24.分支部33优选布置在增压机11和燃料电池堆101之间，所述增压机压缩空气路径10中的空气。为了给冷却管路30提供足够冷的空气，可以在增压机11和分支部33之间布置热交换器15。
25.在空气路径10中，可以在入口16和分支部33之间布置至少一个过滤器13，该过滤器将空气中的颗粒和杂质滤出。以该方式，流至pdu单元32的空气已经清洁掉不期望的颗粒和杂质。
26.为了根据需要控制从空气路径10达到冷却管路30中的空气，在冷却管路30中可以布置可调节的节流阀34。
27.如果从空气路径10流到冷却管路30中的空气不具有期望的温度，那么在冷却管路30中可以布置冷却器35，所述冷却器将冷却管路30中的空气进一步冷却。在实施方式中，冷却器35可以布置在可调节的节流阀34和pdu单元32之间。
28.此外，气体止回阀37可以布置在冷却管路30中，该气体止回阀在燃料电池系统100的停止状态中防止氢气从燃料电池堆101扩散到冷却管路30中。
29.通过冷却管路30达到pdu单元32的壳体31中的空气可以通过至少一个压力平衡元件38又导出到环境中，该压力平衡元件布置在pdu单元32的壳体31中。在实施方式中，压力平衡元件38对于气体是可穿透的，但防止颗粒和湿气进入到pdu单元中。
30.在替代实施方式中，另外的止回阀38布置在pdu单元32的壳体31中，通过该另外的止回阀可以使通过冷却管路30达到pdu单元32的壳体31中的空气逸出到环境中。
31.此外，燃料电池系统100具有废气路径12，在该废气路径中，水以及来自空气路径10的空气的另外的组分在穿过燃料电池堆101之后通过出口18输送到环境中。
32.此外，燃料电池系统100可以具有冷却循环，所述冷却循环构造成用于冷却燃料电池堆101。冷却循环在附图中未画出，因为所述冷却循环不是本发明的要素。
33.燃料管路20具有高压罐21和截止阀22。在燃料管路20中可以布置另外的组件，以便根据需要给燃料电池堆101供应以燃料。此外，可以设置循环管路，所述循环管路在附图中未示出，因为所述循环管路不是本发明的要素。