DE102014003557A1 - Device for detecting the hydrogen concentration - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration in der Abluft eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Wasserstoffsensor (16) und einer Abluftleitung (8), mit welcher der Wasserstoffsensor (16) direkt oder über eine Zweigleitung (17) in Kontakt steht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Wasserstoffsensor (16) wenigstens eine zur Umgebung hin offene Verbindungsöffnung (18, 20) angeordnet ist.The invention relates to a device for detecting the hydrogen concentration in the exhaust air of a fuel cell system (1) having a hydrogen sensor (16) and an exhaust duct (8) with which the hydrogen sensor (16) is in direct contact or via a branch line (17). The device according to the invention is characterized in that in the immediate vicinity of the hydrogen sensor (16) at least one connection opening (18, 20) open towards the environment is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Wasserstoffkonzentration gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for detecting the hydrogen concentration according to the preamble of claim 1.

Insbesondere im Bereich von Brennstoffzellensystemen, vor allem wenn diese in Fahrzeugen eingesetzt werden, um dort elektrische Antriebsleistung zu erzeugen, ist die Erfassung der Wasserstoffkonzentration in bestimmten Bereichen des Brennstoffzellensystems sicherheitsrelevant. Insbesondere gilt dies für die Wasserstoffkonzentration in einer Abluftleitung des Brennstoffzellensystems, da nur so sichergestellt werden kann, dass keine überhöhten Wasserstoffemissionen an die Umgebung gelangen, welche dort zu gegebenenfalls zündfähigen oder brennbaren Gemischen mit der Luft führen könnten. Ein entsprechender Wasserstoffsensor ist beispielsweise in der US 2007/0026275 A1 beschrieben. Der Wasserstoffsensor ist hier im Bereich der Abluftleitung des Brennstoffzellensystems angeordnet und kann insbesondere über eine Zweigleitung mit der Abluftleitung selbst verbunden sein. Dem Wasserstoffsensor wird die Abluft zugeführt, sodass er den Wasserstoffgehalt darin messen und im Falle eines zu hohen Wasserstoffgehalts über eine entsprechende Steuereinrichtung Gegenmaßnahmen ergreifen kann.Especially in the field of fuel cell systems, especially when they are used in vehicles to generate electric drive power there, the detection of hydrogen concentration in certain areas of the fuel cell system is safety-relevant. This applies in particular to the hydrogen concentration in an exhaust duct of the fuel cell system, since only in this way can it be ensured that no excessive hydrogen emissions reach the environment, which could possibly lead to potentially ignitable or combustible mixtures with the air there. A corresponding hydrogen sensor is for example in the US 2007/0026275 A1 described. The hydrogen sensor is arranged here in the region of the exhaust air line of the fuel cell system and can in particular be connected via a branch line to the exhaust air line itself. The exhaust gas is supplied to the hydrogen sensor so that it can measure the hydrogen content therein and, in the case of too high a hydrogen content, can take countermeasures via a corresponding control device.

Insbesondere während des Betriebs ist es dabei bekannt, dass eine zu hohe Feuchtigkeit kritisch für den Wasserstoffsensor ist. Die JP 2004-069436 A schlägt deshalb vor, den Abluftstrom in Strömungsrichtung vor dem Wasserstoffsensor zu beheizen, um so die relative Feuchte abzusenken und die Belastung des Wasserstoffsensors mit Feuchtigkeit zu verringern.In particular, during operation, it is known that too high a humidity is critical for the hydrogen sensor. The JP 2004-069436 A therefore proposes to heat the exhaust air flow in the flow direction in front of the hydrogen sensor so as to lower the relative humidity and to reduce the load of the hydrogen sensor with moisture.

Dem Erfinder hat sich nun gezeigt, dass die Problematik mit der Feuchte nicht nur im Betrieb des Brennstoffzellensystems auftritt, sondern insbesondere auch wenn dieses abgestellt ist. Vor allem bei der Anwendung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen werden diese häufig abgestellt, wenn das Fahrzeug geparkt ist. In diesen Situationen ist eine gewisse Restfeuchte im Bereich der Abluftleitung vorhanden, welche den dort angeordneten Wasserstoffsensor offensichtlich stark belastet und ihn durch korrosive Vorgänge schädigt. Im Prinzip ist natürlich eine Beheizung denkbar. Während der gesamten Stillstandszeit den Wasserstoffsensor zu beheizen, wie es für Betriebsphasen durch die oben genannte JP-Schrift vorgeschlagen ist, stellt jedoch einen erheblichen Aufwand dar und erhöht den Energiebedarf des Brennstoffzellensystems merklich.The inventor has now shown that the problem with the moisture not only occurs during operation of the fuel cell system, but especially when this is turned off. Especially in the application of fuel cell systems in vehicles, these are often turned off when the vehicle is parked. In these situations, a certain residual moisture in the area of the exhaust air duct is present, which obviously heavily loads the hydrogen sensor arranged there and damages it by corrosive processes. In principle, of course, heating is conceivable. However, during the entire downtime to heat the hydrogen sensor, as proposed for operating phases by the above-mentioned JP-letter, but represents a considerable effort and increases the energy consumption of the fuel cell system noticeably.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesem erkannten Problem abzuhelfen und dabei insbesondere den zuletzt genannten Nachteil zu vermeiden.The object of the present invention is now to remedy this identified problem and in particular to avoid the last-mentioned disadvantage.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a device for detecting the hydrogen concentration with the features in claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass im Bereich der Abluftleitung ein Wasserstoffsensor direkt oder über eine Zweigleitung angeordnet ist, ebenso wie es im Stand der Technik vorgesehen ist. Zusätzlich ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nun so, dass in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Wasserstoffsensor wenigstens eine Verbindungsöffnung angeordnet ist, welche zur Umgebung hin offen ist. Diese zur Umgebung hin offene Verbindungsöffnung, beispielsweise im Bereich der Abluftleitung oder der Zweigleitung, falls diese vorhanden ist, ist in unmittelbarer Nähe zu dem Wasserstoffsensor angeordnet. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems kommt es nun durch die Verbindungsöffnung zu einem Austausch der Gase innerhalb des Systems und in der Umgebung. Es wird sich daher ein Feuchtigkeitsgehalt einstellen, welcher in etwa dem Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung entspricht, auch wenn in dem Brennstoffzellensystem selbst ein höherer Feuchtegehalt vorliegt. Durch den Angleich an den Feuchtegehalt im Bereich der Umgebung über die Verbindungsöffnung wird also sichergestellt, dass im Bereich des Wasserstoffsensors, welcher in unmittelbarer Nachbarschaft zur Verbindungsöffnung angeordnet ist, lediglich der Feuchtegehalt der Umgebung bzw. ein minimal höherer Feuchtegehalt vorliegt, auch wenn in dem Brennstoffzellensystem selbst gegebenenfalls ein weitaus höherer Feuchtegehalt als in der Umgebung vorliegt. Hierdurch wird die Belastung des Wasserstoffsensors mit Feuchte reduziert und eine Beeinträchtigung des Wasserstoffsensors durch die Feuchte wird deutlich verringert. Der Aufbau erzielt so eine deutlich höhere Lebensdauer und die Gefahr eines korrosionsbedingten Ausfalls des Wasserstoffsensors wird vermindert.In the device according to the invention, it is provided that in the region of the exhaust air line, a hydrogen sensor is arranged directly or via a branch line, just as it is provided in the prior art. In addition, in the case of the device according to the invention, it is now the case that in the immediate vicinity of the hydrogen sensor at least one connection opening is arranged, which is open to the environment. This connection opening, which is open towards the environment, for example in the region of the exhaust air line or the branch line, if present, is arranged in the immediate vicinity of the hydrogen sensor. When switching off the fuel cell system, it is now through the connection opening to an exchange of gases within the system and in the environment. It will therefore adjust a moisture content, which corresponds approximately to the moisture content of the environment, even if there is a higher moisture content in the fuel cell system itself. By matching the moisture content in the region of the environment via the connection opening, it is thus ensured that only the moisture content of the environment or a slightly higher moisture content is present in the region of the hydrogen sensor, which is arranged in the immediate vicinity of the connection opening, even if in the fuel cell system itself possibly a much higher moisture content than in the environment. As a result, the load of the hydrogen sensor is reduced with moisture and deterioration of the hydrogen sensor is significantly reduced by the moisture. The structure thus achieves a significantly longer service life and the risk of a corrosion-induced failure of the hydrogen sensor is reduced.

Die Verbindungsöffnung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee dabei als Bohrung in der Abluftleitung oder der Zweigleitung ausgebildet sein. Sie befindet sich dann idealerweise nahe bei dem Wasserstoffsensor, um den oben beschriebenen Effekt zu erzielen.The connection opening may be formed as a bore in the exhaust duct or the branch line according to an advantageous development of the idea according to the invention. It is then ideally located close to the hydrogen sensor to achieve the effect described above.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es alternativ dazu auch vorgesehen sein, dass die Verbindungsöffnung als die ohnehin vorhandene Austrittsöffnung der Abluftleitung ausgebildet ist. Der Wasserstoffsensor wird in diesem Fall also sehr dicht bei der Austrittsöffnung der Abluftleitung positioniert, um ohne zusätzlich eingebrachte Bohrung den oben beschriebenen Effekt zu erreichen. Idealerweise ist der Abstand zwischen dem Wasserstoffsensor und der Austrittsöffnung dabei maximal das zwei- bis dreifache des Durchmessers der Abluftleitung, sodass einerseits eine zuverlässige Messung der Wasserstoffkonzentration möglich ist und andererseits eine sehr direkte Anbindung an die Umgebung gewährleistet wird, sodass die Feuchte im Idealfall maximal der Feuchte in der Umgebung des Brennstoffzellensystems entspricht.According to an advantageous development of the idea, it can alternatively also be provided that the connection opening is formed as the already existing outlet opening of the exhaust air line. The hydrogen sensor is so very close to the outlet opening of the exhaust duct in this case positioned to achieve the effect described above without additional bore introduced. Ideally, the distance between the hydrogen sensor and the outlet opening is at most two to three times the diameter of the exhaust air line, so that on the one hand a reliable measurement of the hydrogen concentration is possible and on the other hand a very direct connection to the environment is ensured, so that the humidity in the ideal case maximum Moisture in the vicinity of the fuel cell system corresponds.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es auch vorgesehen sein, dass der Wasserstoffsensor in einem in Richtung der Schwerkraft oberen Bereich eines in der Abluftleitung angeordneten Flüssigkeitsabscheiders angeordnet ist. Ein solcher Flüssigkeitsabscheider ist in der Abluftleitung häufig vorhanden, um das direkte Austreten von flüssigem Wasser, beispielsweise beim Einsatz in einem Fahrzeug auf die Strasse, zu verhindern. Im Bereich dieses Flüssigkeitsabscheiders wird die Strömung der Abluft entsprechend beruhigt, sodass hier der Wasserstoffsensor ideal platziert werden kann. Bisher war immer die Problematik die, dass im Bereich des Flüssigkeitsabscheiders typischerweise weiterhin Wasser vorliegt, sodass in diesem Bereich eine relativ hohe Feuchtigkeit, auch im Stillstand des Brennstoffzellensystems, auftritt. Der eigentlich gut geeignete Ort für den Wasserstoffsensor in dem Wasserabscheider wurde daher nicht genutzt, aufgrund der eingangs genannten Probleme mit der Korrosion im Stillstand des Brennstoffzellensystems. Durch die Möglichkeit diese Probleme über eine Verbindungsöffnung in unmittelbarer Nachbarschaft des Wasserstoffsensors nun zu minimieren, kann der Wasserstoffsensor insbesondere wieder im Bereich des Flüssigkeitsabscheiders eingesetzt werden, ohne die eingangs genannten Nachteile befürchten zu müssen.According to a very advantageous development of the device according to the invention, provision may also be made for the hydrogen sensor to be arranged in a region of the upper region of gravity of a liquid separator arranged in the exhaust air line. Such a liquid separator is often present in the exhaust duct to prevent the direct leakage of liquid water, for example when used in a vehicle on the road. In the area of this liquid separator, the flow of exhaust air is calmed accordingly, so that the hydrogen sensor can be ideally placed here. Until now, the problem has always been that water is typically still present in the area of the liquid separator, so that a relatively high level of moisture, even when the fuel cell system is at a standstill, occurs in this area. The actually well-suited location for the hydrogen sensor in the water separator was therefore not used, due to the problems mentioned at the beginning with the corrosion at standstill of the fuel cell system. Due to the possibility of minimizing these problems via a connection opening in the immediate vicinity of the hydrogen sensor, the hydrogen sensor can in particular be used again in the region of the liquid separator, without having to fear the disadvantages mentioned above.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass eine Heizeinrichtung für den Gasstrom in Strömungsrichtung vor dem Wasserstoffsensor angeordnet ist. Selbstverständlich ist es weiterhin möglich, durch eine Beheizung des Gasstroms die relative Feuchte im Bereich des Wasserstoffsensors zu verringern. Dies gilt insbesondere für den Betrieb und kann vorzugsweise für eine gewisse Zeit nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems aufrechterhalten werden, um insbesondere die Auskondensation von Wasser im Bereich des Wasserstoffsensors zu verhindern. Ungeachtet dessen kann der Wasserstoffsensor durch seine Anordnung in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Verbindungsöffnung zur Umgebung hin durch eine Verringerung der Feuchte bzw. relativen Feuchte in seinem Bereich in dieser Ausführungsform ergänzend zu einer zumindest zeitweisen Beheizung des Gasstroms eine deutlich verbesserte Lebensdauer erzielen.In a further very favorable embodiment of the device according to the invention, it can now also be provided that a heating device for the gas flow in the flow direction is arranged in front of the hydrogen sensor. Of course, it is also possible to reduce the relative humidity in the region of the hydrogen sensor by heating the gas flow. This applies in particular to the operation and can preferably be maintained for a certain time after the fuel cell system has been switched off, in order in particular to prevent the condensation of water in the area of the hydrogen sensor. Regardless, by placing it in the immediate vicinity of the connection opening to the environment by reducing the humidity or relative humidity in its area in this embodiment, the hydrogen sensor can achieve a significantly improved life in addition to at least temporary heating of the gas flow.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus den restlichen Unteransprüchen und werden in den Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher beschrieben.Further advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and are described in more detail in the embodiments with reference to FIGS.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; 1 a principle indicated fuel cell system in a vehicle;

2 eine Anordnung eines Wasserstoffsensors in der Abluftleitung des Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik; 2 an arrangement of a hydrogen sensor in the exhaust pipe of the fuel cell system according to the prior art;

3 eine Anordnung des Wasserstoffsensors gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; 3 an arrangement of the hydrogen sensor according to the invention in a first embodiment;

4 eine Anordnung des Wasserstoffsensors gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform; und 4 an arrangement of the hydrogen sensor according to the invention in a second embodiment; and

5 eine mögliche Ausführungsform einer selbsttätig aktiven Ventileinrichtung im Bereich der Verbindungsöffnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 5 a possible embodiment of an automatically active valve device in the region of the connection opening of a device according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein sehr stark schematisiert angedeutetes Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden soll. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche insbesondere als Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie aufgebaut sein soll. Beispielhaft ist in der Brennstoffzelle 3 ein Anodenraum 4 sowie ein Kathodenraum 5 dargestellt. Diese sind von einer mit 6 bezeichneten angedeuteten protonenleitenden Membran voneinander getrennt. Dem Kathodenraum 4 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 7, beispielsweise einen Strömungsverdichter, zugeführt. Die Abluft gelangt in dem hier dargestellten sehr stark vereinfachten Ausführungsbeispiel über eine Abluftleitung 8 aus dem Brennstoffzellensystem 1 und dem Fahrzeug 2. Im Bereich der Abluftleitung 8 ist dabei ein Wasserabscheider 9 angeordnet, welcher zur Entfernung von Flüssigwasser in der Abluft ausgebildet ist.In the presentation of the 1 is a very strongly schematized indicated fuel cell system 1 to recognize which in an indicated vehicle 2 to be used to provide electrical drive power. The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 3 , which should be constructed in particular as a stack of single cells in PEM technology. An example is in the fuel cell 3 an anode room 4 and a cathode compartment 5 shown. These are from one with 6 designated indicated proton-conducting membrane separated from each other. The cathode compartment 4 Air is transferred via an air conveyor 7 , For example, a flow compressor supplied. The exhaust air passes in the very simplified embodiment shown here via an exhaust duct 8th from the fuel cell system 1 and the vehicle 2 , In the area of the exhaust air line 8th is a water separator 9 arranged, which is designed for the removal of liquid water in the exhaust air.

Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 10 zugeführt. Der Wasserstoff strömt über ein Druckregel- und Dosierventil 11 in den Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 und wird über einen sogenannten Rezirkulationskreislauf bzw. Anodenkreislauf 12 zum Eingang des Anodenraums zurückgeführt. Hierdurch lässt sich eine bessere Ausnutzung der aktiven Fläche im Anodenraum erzielen. Das Abgas enthält typischerweise Wasser und Restwasserstoff sowie inerte Gase, welche sich mit der Zeit in dem Anodenkreislauf 12 anreichern. Das Wasser wird über einen Wasserabscheider 13 abgeschieden und über ein Abblasventil 14 zusammen mit Gas von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit des Füllstands des Wasserabscheiders 13 und/oder einer Gaskonzentration in dem Anodenkreislauf 12 abgelassen. Zum Ausgleich der Druckverluste in dem Anodenkreislauf 12 ist außerdem eine Gasstrahlpumpe 15 als Rezirkulationsfördereinrichtung vorgesehen. Diese wird von dem frischen Wasserstoffgas aus dem Druckgasspeicher 10 angetrieben und sorgt durch Unterdruck und Impulsaustausch dafür, dass das im Kreislauf geführte Abgas zusammen mit dem frischen Gas wieder in den Anodenraum 5 einströmt. Ergänzend oder alternativ dazu wäre auch ein Gebläse als Rezirkulationsfördereinrichtung denkbar.The anode compartment 5 the fuel cell 3 becomes hydrogen from a compressed gas storage 10 fed. The hydrogen flows through a pressure regulating and metering valve 11 in the anode compartment 5 the fuel cell 3 and is via a so-called recirculation circuit or anode circuit 12 returned to the entrance of the anode compartment. hereby a better utilization of the active area in the anode space can be achieved. The exhaust gas typically contains water and residual hydrogen, as well as inert gases, which over time migrate in the anode circuit 12 accumulate. The water is passed through a water separator 13 separated and via a blow-off valve 14 together with gas from time to time, depending on the level of the water separator 13 and / or a gas concentration in the anode circuit 12 drained. To compensate for the pressure losses in the anode circuit 12 is also a gas jet pump 15 provided as a recirculation conveyor. This is from the fresh hydrogen gas from the compressed gas storage 10 powered and ensures by vacuum and pulse exchange that the recirculated exhaust gas together with the fresh gas back into the anode compartment 5 flows. Additionally or alternatively, a blower as a recirculation conveyor would be conceivable.

Nun ist es bei Brennstoffzellensystemen 1, und insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche in Fahrzeugen 2 eingesetzt werden, typischerweise so, dass eine genaue Kenntnis der Wasserstoffemissionen an die Umgebung erforderlich ist, insbesondere um sicherheitskritische Konzentrationen an Wasserstoff bzw. eine sicherheitskritische Mischung von Wasserstoff und Luft verhindern zu können.Now it is with fuel cell systems 1 , and in particular in fuel cell systems used in vehicles 2 are used, typically such that an accurate knowledge of the hydrogen emissions to the environment is required, in particular to prevent safety-critical concentrations of hydrogen or a safety-critical mixture of hydrogen and air can.

In der Darstellung der 2, welche einen Aufbau gemäß dem Stand der Technik zeigt, ist nun eine vergrößerte Darstellung der Abluftleitung 8 nochmals zu erkennen. Die Abluftleitung 8 ist dabei ab dem Bereich des Wasserabscheiders 9 prinzipmäßig dargestellt, wobei die durch die Pfeile angedeutete Strömungsrichtung der Abluft in der entgegengesetzten Richtung wie in der Darstellung der 1 erfolgt. In dem in Richtung der Schwerkraft g oberen Bereich des Wasserabscheiders 9 ist ein Wasserstoffsensor 16 angeordnet, welcher über einen kleinen Abschnitt einer Zweigleitung 17 mit dem Wasserabscheider 9 verbunden ist. In seinem Bereich wird die Wasserstoffkonzentration in der in dem Wasserabscheider 9 ohnehin beruhigten Abluft gemessen, und an ein hier nicht dargestelltes Steuergerät des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Fahrzeugs 2 weitergegeben. Dort erfolgt dann eine entsprechende Auswertung und es werden über das Steuergerät gegebenenfalls Gegenmaßnahmen eingeleitet, falls erforderlich. Nachdem die Abluft den Wasserabscheider 9 durchströmt hat, strömt sie durch einen weiteren Abschnitt der Abluftleitung 8 und gelangt im Bereich einer Austrittsöffnung 18 in die Umgebung.In the presentation of the 2 showing a structure according to the prior art, is now an enlarged view of the exhaust duct 8th to recognize again. The exhaust duct 8th is from the area of the water separator 9 illustrated in principle, wherein the direction indicated by the arrows flow direction of the exhaust air in the opposite direction as in the illustration of 1 he follows. In the direction of gravity g upper portion of the water separator 9 is a hydrogen sensor 16 arranged, which over a small portion of a branch line 17 with the water separator 9 connected is. In its area, the hydrogen concentration in the water separator 9 In any case calmed exhaust air measured, and to a not shown here control unit of the fuel cell system 1 or of the vehicle 2 passed. There, a corresponding evaluation is then carried out and, if necessary, countermeasures are initiated via the control unit. After the exhaust air the water separator 9 has flowed through, it flows through another section of the exhaust duct 8th and arrives in the region of an outlet opening 18 in the nearby areas.

Der verbesserte Aufbau gemäß der Erfindung ist in einer ersten Ausführungsform in der Darstellung der 3 zu erkennen. Die 3 zeigt wieder denselben Abschnitt aus der Abluftleitung 8, wie in der Darstellung der 2. Es ist wieder der Wasserabscheider 9 zu erkennen und das zur Austrittsöffnung 18 führend Teil der Abluftleitung 8. Der Wasserstoffsensor 16, wiederum mit einer kurzen Zweigleitung 17, ist nun in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Austrittsöffnung 18 angeordnet. Hierdurch wird erreicht, dass insbesondere im Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Fahrzeugs 2 sich im Bereich des Wasserstoffsensors 16 eben der Feuchtegehalt einstellt, der auch in der Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 vorliegt. Allenfalls wird es durch ein gewisses Konzentrationsgefälle der Feuchtigkeit vom Inneren des Brennstoffzellensystems 1 im Bereich zu der Umgebung hin der Austrittsöffnung 18 bzw. des in ihrer Nachbarschaft angeordneten Wasserstoffsensors 16 einen minimal höheren Feuchtegehalt als in der Umgebung haben. Typischerweise ist der Feuchtegehalt jedoch sehr viel kleiner sein als bei dem in 2 dargestellten Beispiel aus dem Stand der Technik. Hierdurch wird die Gefahr einer Korrosion des Wasserstoffsensors 16 durch die Feuchte im Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Fahrzeugs 2 deutlich verringert, ohne das weitere Maßnahmen wie eine Beheizung oder dergleichen notwendig sind. Eine solche Beheizung wäre im Prinzip natürlich hier ergänzend, oder insbesondere für den regulären Betriebszustand, denkbar. Sie ist als gestrichelte Heizwendel 19 in der Abluftleitung 8 in Strömungsrichtung der Abluft vor dem Abzweig der Zweigleitung 17 zum Wasserstoffsensor 16 prinzipmäßig angedeutet.The improved structure according to the invention is in a first embodiment in the illustration of 3 to recognize. The 3 again shows the same section of the exhaust duct 8th as in the presentation of 2 , It's the water separator again 9 to recognize and that to the outlet opening 18 leading part of the exhaust duct 8th , The hydrogen sensor 16 , again with a short branch line 17 , is now in the immediate vicinity of the exit opening 18 arranged. This ensures that, in particular when the fuel cell system is at a standstill 1 or of the vehicle 2 in the area of the hydrogen sensor 16 just sets the moisture content, which is also in the environment of the fuel cell system 1 is present. At most, it is due to a certain concentration gradient of the moisture from the interior of the fuel cell system 1 in the area to the environment towards the outlet opening 18 or of the hydrogen sensor arranged in its vicinity 16 have a slightly higher moisture content than in the environment. Typically, however, the moisture content will be much smaller than that in the 2 illustrated example of the prior art. This will increase the risk of corrosion of the hydrogen sensor 16 by the humidity at standstill of the fuel cell system 1 or of the vehicle 2 significantly reduced without the need for further measures such as heating or the like. Such heating would, of course, in principle here complementary, or in particular for the regular operating condition, conceivable. It is as a dashed heating coil 19 in the exhaust duct 8th in the flow direction of the exhaust air before the branch of the branch line 17 to the hydrogen sensor 16 indicated in principle.

In der Darstellung der 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform zu erkennen. Der Aufbau entspricht dabei wieder weitgehend dem in 2 gezeigten Aufbau. Der Wasserstoffsensor 16 ist fernab der Austrittsöffnung 18 als Verbindungsöffnung zur Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet, nämlich wieder in den Bereich des Wasserabscheiders 9, welcher aufgrund seiner die Strömung der Abluft beruhigenden Eigenschaften ideal für die Anordnung des Wasserstoffsensors 2 geeignet ist. Um dennoch den oben beschriebenen Effekt zu erzielen, dass durch eine Verbindungsöffnung zur Umgebung im Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 der Feuchtegehalt im Bereich des Wasserstoffsensors 16 abgesenkt werden kann, ist in unmittelbarer Nachbarschaft des Wasserstoffsensors 16 in der Zweigleitung 17 eine Bohrung 20 angeordnet, um insbesondere im Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 eine Verringerung des Feuchtegehalts im Bereich des Wasserstoffsensors 16 zu erzielen. Im regulären Betrieb stellt die Bohrung 20 kein Problem dar, sodass diese nicht eigens verschlossen werden muss, was jedoch im Prinzip über eine druckabhängige Klappe oder dergleichen denkbar wäre. Ein Ausführungsbeispiel dafür ist in der Darstellung der 5 zu erkennen. Ist die Bohrung 20 nicht verschlossen, dann strömt hier ein geringer Gasstrom in die Umgebung. Aufgrund der geringeren Druckverluste durch die Abluftleitung 8 und die im Durchmesser typischerweise größere Austrittsöffnung 18 ist dies jedoch im regulären Betrieb unkritisch und weitgehend zu vernachlässigen. Dennoch wird durch die Bohrung 20 im Stillstand eine messbare Verringerung des Feuchtegrads im Bereich des Wasserstoffsensors 16 erzielt, sodass dieser auch durch die Nutzung einer Bohrung 20 als Verbindungsöffnung zur Umgebung eine sehr viel höhere Lebensdauer erreichen kann, als es bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik üblich ist.In the presentation of the 4 a further alternative embodiment can be seen. The structure corresponds again largely to the in 2 shown construction. The hydrogen sensor 16 is far away from the outlet 18 as a connection opening to the environment of the fuel cell system 1 arranged, namely back into the area of the water separator 9 , which due to its flow of exhaust air soothing properties ideal for the arrangement of the hydrogen sensor 2 suitable is. Nevertheless, in order to achieve the effect described above, that by a connection opening to the environment at standstill of the fuel cell system 1 the moisture content in the area of the hydrogen sensor 16 can be lowered is in the immediate vicinity of the hydrogen sensor 16 in the branch line 17 a hole 20 arranged to be in particular at a standstill of the fuel cell system 1 a reduction of the moisture content in the area of the hydrogen sensor 16 to achieve. In regular operation, the hole stops 20 no problem, so this does not have to be specially closed, but this would be conceivable in principle via a pressure-dependent flap or the like. An embodiment of this is shown in the illustration of 5 to recognize. Is the hole 20 not closed, then flows here a small gas flow into the environment. Due to the lower pressure losses due to the exhaust duct 8th and the diameter typically larger outlet opening 18 However, this is not critical in regular operation and largely negligible. Nevertheless, through the hole 20 at standstill, a measurable reduction in the degree of humidity in the area of the hydrogen sensor 16 achieved, so this also by using a hole 20 As a connection opening to the environment can achieve a much longer life than is usual in the structures according to the prior art.

Wie erwähnt ist in der Darstellung der 5 eine mögliche Ausführungsform einer Ventileinrichtung 21 im Bereich der Abluftöffnung 20 zu erkennen. Die Ventileinrichtung 21 umfasst dabei eine Klappe 22, welche im Bereich der Wandung der Zweigleitung 17 beweglich angeordnet ist. In der Darstellung der 5 ist die geschlossene Position durchgezogen dargestellt. Diese wird erreicht, wenn in dem Inneren des Brennstoffzellensystems 1 und damit auch im Inneren der Zweigleitung 17 ein Überdruck entgegen der Umgebung auf der anderen Seite der Bohrung 20 vorliegt. Die Klappe wird dann von dem Druck entgegen der Gewichtskraft g nach oben in die in 5 dargestellte durchgezogene Position gebracht. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 fällt der Überdruck weg. Die Klappe wird dann aus ihrer leicht schrägen Position in der Darstellung der 5 idealerweise durch die Schwerkraft g nach unten in die gestrichelt dargestellte Position bewegt. Dabei ist eine vollständige Abdichtung des Systems gar nicht notwendig, sodass insbesondere Spalträume verleiben können, welche vor allem auch das Einfrieren der Klappe bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erschweren. In der in 5 gestrichelt dargestellten Position wird nun erreicht, dass der Bereich des Brennstoffzellensystems 1, welcher unterhalb der Zweigleitung 17 angeordnet ist, zumindest bis zu einem gewissen Grad gegenüber dem Bereich der Zweigleitung 17 abgedichtet wird, in dem der Wasserstoffsensor 16 angeordnet ist. Dieser wird über die Entlüftungsöffnung 20 dahingegen mit der Umgebung verbunden, sodass ein Abtrocknen des Wasserstoffsensors 16 sehr leicht möglich ist und sich idealerweise kein Feuchtigkeitsgehalt im Bereich des Wasserstoffsensors 16 einstellen kann, welcher höher als der Feuchtigkeitsgehalt in der Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 ist.As mentioned in the presentation of the 5 a possible embodiment of a valve device 21 in the area of the exhaust air opening 20 to recognize. The valve device 21 includes a flap 22 , which in the area of the wall of the branch line 17 is movably arranged. In the presentation of the 5 the closed position is shown in solid. This is achieved when in the interior of the fuel cell system 1 and thus also inside the branch line 17 an overpressure against the environment on the other side of the hole 20 is present. The flap is then moved upwards by the pressure against the weight g in the in 5 shown brought through position. When parking the fuel cell system 1 the overpressure disappears. The flap is then moved from its slightly oblique position in the appearance of the 5 ideally moved by gravity g down to the position shown in dashed lines. In this case, a complete seal of the system is not necessary, so in particular can accumulate gaps, which especially complicate the freezing of the flap at temperatures below freezing. In the in 5 dashed line position is now achieved that the area of the fuel cell system 1 which is below the branch line 17 is arranged, at least to some extent with respect to the region of the branch line 17 is sealed, in which the hydrogen sensor 16 is arranged. This is via the vent 20 however, connected to the environment, causing the hydrogen sensor to dry 16 is very easily possible and ideally no moisture content in the range of the hydrogen sensor 16 which is higher than the moisture content in the vicinity of the fuel cell system 1 is.

Alternativ zur Ausgestaltung als druckabhängige Klappe 22 wäre beispielsweise auch der Einsatz eines Bimetalls denkbar, da das Brennstoffzellensystem 1 im Betrieb typischerweise eine andere Temperatur hat als im Stillstand, sodass auch in Abhängigkeit der Temperatur ein selbsttätiges Öffnen bzw. Schließen der Ventileinrichtung 21 erzielt werden könnte. Als weitere Alternative ist es natürlich auch denkbar, eine aktiv angesteuerte Ventileinrichtung einzusetzen, welche insbesondere in Abhängigkeit von Steuerimpulsen eines Steuergeräts betätigt wird.Alternatively to the design as a pressure-dependent flap 22 For example, the use of a bimetal would be conceivable since the fuel cell system 1 typically has a different temperature during operation than at standstill, so that depending on the temperature, an automatic opening or closing of the valve device 21 could be achieved. As a further alternative, it is naturally also conceivable to use an actively actuated valve device, which is actuated in particular as a function of control pulses of a control device.

Die in den Figuren beschrieben Ausführungsvarianten gemäß der Erfindung lassen sich dabei auch beliebig untereinander kombinieren, so kann beispielsweise durch eine Anordnung einer Bohrung 20 auf der einen Seite des Wasserstoffsensors 16 und in unmittelbarer Nachbarschaft auf der anderen Seite des Wasserstoffsensors 16 der Austrittsöffnung 18 eine außerordentlich große Verbindung zur Umgebung geschaffen werden, welche ebenfalls einem sehr guten Abtrocknen des Wasserstoffsensors 16 entgegenkommt. Auch hier kann wiederum über eine Ventileinrichtung 21, welche insbesondere selbsttätig ausgebildet ist, eine weitere Verbesserung erzielt werden.The embodiments described in the figures according to the invention can also be combined with each other arbitrarily, so, for example, by an arrangement of a bore 20 on one side of the hydrogen sensor 16 and in the immediate vicinity on the other side of the hydrogen sensor 16 the outlet opening 18 an extremely large connection to the environment to be created, which also a very good drying of the hydrogen sensor 16 accommodates. Again, in turn, via a valve device 21 , which in particular is designed automatically, a further improvement can be achieved.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • JP 2004-069436 A [0003] JP 2004-069436 A [0003]

Claims (9)

Vorrichtung zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration in der Abluft eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Wasserstoffsensor (16) und einer Abluftleitung (8), mit welcher der Wasserstoffsensor (16) direkt oder über eine Zweigleitung (17) in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Wasserstoffsensor (16) wenigstens eine zur Umgebung hin offene Verbindungsöffnung (18, 20) angeordnet ist.Device for detecting the hydrogen concentration in the exhaust air of a fuel cell system ( 1 ) with a hydrogen sensor ( 16 ) and an exhaust duct ( 8th ), with which the hydrogen sensor ( 16 ) directly or via a branch line ( 17 ) is in contact, characterized in that in the immediate vicinity of the hydrogen sensor ( 16 ) at least one open to the environment connection opening ( 18 . 20 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsöffnung als Bohrung (20) in der Abluftleitung (8) oder der Zweigleitung (17) ausgebildet ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the connection opening as a bore ( 20 ) in the exhaust duct ( 8th ) or the branch line ( 17 ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsöffnung als Austrittsöffnung (18) der Abluftleitung ausgebildet ist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the connecting opening as the outlet opening ( 18 ) of the exhaust duct is formed. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Wasserstoffsensor (16) und der Abluftöffnung (18) maximal das dreifache des Durchmessers der Abluftleitung (8) beträgt.Apparatus according to claim 3, characterized in that the distance between the hydrogen sensor ( 16 ) and the exhaust port ( 18 ) at most three times the diameter of the exhaust air duct ( 8th ) is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffsensor (16) in dem in Richtung der Schwerkraft (g) oberen Bereich eines in der Abluftleitung (8) angeordneten Flüssigkeitsabscheiders (9) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the hydrogen sensor ( 16 ) in the direction of gravity (g) upper portion of a in the exhaust duct ( 8th ) arranged liquid separator ( 9 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung (19) für den Gasstrom in Strömungsrichtung vor dem Wasserstoffsensor (16) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a heating device ( 19 ) for the gas flow upstream of the hydrogen sensor ( 16 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsöffnung (18, 20) über eine Ventileinrichtung (21) schaltbar ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the connection opening ( 18 . 20 ) via a valve device ( 21 ) is switchable. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (21) als selbsttätig schaltbare Ventileinrichtung (21) ausgebildet ist.Apparatus according to claim 7, characterized in that the valve device ( 21 ) as an automatically switchable valve device ( 21 ) is trained. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (21) in Abhängigkeit der Temperatur und/oder des Drucks schaltet.Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that the valve device ( 21 ) switches depending on the temperature and / or the pressure.
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