DE102007003503A1 - Safety device for fuel cells - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Sicherung von Brennstoffzellen in Fahrzeugen. Hierzu befinden sich in/an dem Stackgehäuse (1) Sensoren (2, 5), die bei einer Durchdringung des Stackgehäuses (1) mit einem Gegenstand oder einer anderen starken Deformierung, die auch den Stack (3) mechanisch beschädigen könnte, ein Signal abgeben bzw. einen Signalkreis (6) unterbrechen, welches dann mittels Überwachungsgerät (7) zu einer Abschaltung der Medienzufuhr (8) zum Brennstoffzellenstack (3) bzw. zu einer Unterbrechung des Leistungsstromkreises (9) des Brennstoffzellensystems und eventuell anderer Aggregate führt.The invention relates to devices for securing fuel cells in vehicles. For this purpose, there are sensors (2, 5) in / on the stack housing (1) which emit a signal when the stack housing (1) penetrates an object or other strong deformation which could also mechanically damage the stack (3) or interrupt a signal circuit (6), which then leads by means of monitoring device (7) to a shutdown of the media supply (8) to the fuel cell stack (3) or to an interruption of the power circuit (9) of the fuel cell system and possibly other aggregates.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Sicherung von Brennstoffzellen. Insbesondere betrifft die Erfindung Vorkehrungen zur Sicherung von Brennstoffzellenstacks in Fahrzeugen.The The invention relates to devices for securing fuel cells. In particular, the invention relates to provisions for securing fuel cell stacks in vehicles.

Brennstoffzellenstacks werden üblicherweise in Gehäusen untergebracht. Diese Gehäuse schützen den Stack vor Staub, Wasser (Kurzschluss) usw. Diese Gehäuse sind normalerweise nur als Hülle ausgeführt, die starken mechanischen Einflüssen von außen nicht widerstehen kann. Wird das Gehäuse und direkt anschließend der Brennstoffzellenstack von außen beschädigt und der BZ-Stack befindet sich währenddessen in Betrieb, können die Reaktionsmedien aus dem Stack austreten. Des Weiteren können die den Stack beschädigenden Gegenstände mit Stromführenden Teilen in Berührung kommen und einen Kurzschluss bilden, bzw. den Stackstrom unkontrolliert ableiten.fuel cell stacks are usually housed in housings. These enclosures protect the stack from dust, water (Short circuit) etc. These enclosures are usually only designed as a shell, the strong mechanical Influences from the outside can not resist. Becomes the housing and immediately afterwards the fuel cell stack of damaged outside and the BZ stack is located while in operation, the reaction media can exit the stack. Furthermore, they can be the stack damaging objects with current carrying Parts come into contact and form a short circuit, or derive the stack current uncontrolled.

Um eine derartige Stackbeschädigung zu erfassen, wird üblicherweise durch die kontinuierliche Messung von Einzelzellspannungen, der Gesamtstackspannung und anderen Kenngrößen eine Überwachung des Status realisiert. Eine Beschädigung des Stacks bei der Verwendung dieser Kenngrößen kann jedoch prinzipiell erst erkannt werden, wenn die Beschädigung bereits eingetreten ist und bereits so weit fortgeschritten ist, dass Fehlfunktionen des Stacks auftreten. Auf diese Weise kann erst in diesem Stadium reagiert werden und so i. a. erst nach dem Eintritt der Beschädigung eine Abschaltung der Medienzufuhr und eine Unterbrechung des Stromkreises herbeigeführt werden.Around to detect such stack damage will become common through the continuous measurement of single cell voltages, the Total stack voltage and other characteristics a monitoring the status realized. Damage to the stack However, the use of these parameters can in principle only be recognized if the damage has already occurred is and is already so advanced that malfunctions of the stack. That way, it's only at this stage be reacted and so i. a. only after the damage has occurred a shutdown of the media supply and an interruption of the circuit be brought about.

Die Offenlegungsschrift US 2006/0137929 A1 beschreibt ein Sicherungssystem für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen bei dem über Kollisionssensoren bei einem Fahrzeugunfall die Brennstoffzellen abgeschaltet werden. Auch die DE 10 2005 056 345 A1 beschreibt eine derartige Einrichtung mit Beschleunigungssensoren. Diese Vorrichtungen prüfen also die Situation, in der sich das Fahrzeug befindet und lösen beispielsweise bei einem Unfall Sicherungsmaßnahmen aus. Eine Beschädigung der Brennstoffzelle selbst, in normaler Betriebssituation des Fahrzeugs (ohne Kollision), wird nicht detektiert.The publication US 2006/0137929 A1 describes a fuse system for vehicles with fuel cells in which via collision sensors in a vehicle accident, the fuel cells are switched off. Also the DE 10 2005 056 345 A1 describes such a device with acceleration sensors. These devices thus check the situation in which the vehicle is located and trigger, for example, in an accident safety measures. Damage to the fuel cell itself, in the normal operating situation of the vehicle (without collision), is not detected.

Die Patentschrift DE 4341437 C1 beschreibt eine Vorrichtung für Brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge, bei der Gas-Sensoren das Austreten von Reaktionsmedien der Brennstoffszelle erfassen und als Sicherungsmaßnahme die Ventile der Gasversorgung schließen und die Brennstoffzelle elektrisch abtrennen. Diese Anordnung reagiert also erst bei einer Beschädigung der Brennstoffzelle, die so weitgehend ist, dass Reaktionsmedien austreten können und auch schon (je nach Position und Empfindlichkeit des Sensors) bereits für einen gewissen Zeitraum ausgeströmt sind.The patent DE 4341437 C1 describes a device for fuel cell-powered vehicles, in which gas sensors detect the escape of reaction media of the fuel cell and as a security measure close the valves of the gas supply and electrically disconnect the fuel cell. This arrangement thus reacts only when the fuel cell is damaged, which is so extensive that reaction media can escape and have already (depending on the position and sensitivity of the sensor) already already flowed out for a certain period of time.

Die Erfindung geht aus von dem vorgenannten Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherungsvorkehrung für Brennstoffzellen zu entwickeln, die frühzeitig auf Beschädigung einer Brennstoffzelle mit Abschaltung reagiert.The The invention is based on the aforementioned prior art. You are lying the object of a safety precaution for fuel cells develop early on damage to a fuel cell reacted with shutdown.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kennzeich nenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Details und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.These Task is in a device with the features of the preamble of claim 1 solved by the characterizing features nenden of claim 1. Further details and advantageous embodiments the device according to the invention are the subject the dependent claims.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren und den darin angegebenen Bezugszeichen näher erläutert.The Invention will be described below with reference to preferred embodiments with reference to the figures and the references therein explained in more detail.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 Perspektiv-Ansicht eines Brennstoffzellengehäuses mit Sensor-Draht als Sicherungsvorrichtung 1 Perspective view of a fuel cell housing with sensor wire as a security device

2 Schnitt durch das Gehäuse mit Sicherungsvorrichtung nach 1 2 Section through the housing with safety device after 1

3 Versiegelung des Sensor-Drahts 3 Sealing of the sensor wire

4 Sicherungsausführung mit Dehnmessstreifen 4 Fuse version with strain gauges

5 Verschaltung der Sensorelemente 5 Interconnection of the sensor elements

6 Mäanderförmige Anordnung des Sensor-Drahts 6 Meandering arrangement of the sensor wire

7 Netzförmige Anordnung des Sensor-Drahts 7 Mesh-like arrangement of the sensor wire

8 Schnitt durch das Gehäuse mit Dehnmessstreifen 8th Section through the housing with strain gauges

9 Schnitt durch das Gehäuse mit Sicherungsvorrichtung als Sicherungsvorrichtung 9 Section through the housing with securing device as a security device

Die Erfindung schlägt vor, dass sich in/an dem Stackgehäuse Sensoren befinden, die bei einer Durchdringung des Stackge häuses mit einem Gegenstand oder einer starken Deformierung, die auch den Stack mechanisch beschädigen könnte, ein Signal abgeben bzw. einen Signalkreis unterbrechen, welches dann mittels Überwachungsgerät zu einer Abschaltung der Medienzufuhr zum Brennstoffzellenstack bzw. zu einer Unterbrechung des Leistungsstromkreises des Brennstoffzellensystems und eventuell anderer Aggregate führt.The Invention proposes that in / on the stack housing Sensors are located, the housing at a penetration of the Stackge with an object or a strong deformation, which is also the Stack could mechanically damage a signal leave or interrupt a signal circuit, which then by means of monitoring device to a shutdown of the media supply to the fuel cell stack or to an interruption of the power circuit of the fuel cell system and possibly other aggregates.

Realisiert wird dies durch eine entsprechende Sensorik, die in oder am Stackgehäuse angebracht ist. Als Sensorelement kann es sich dabei als einfaches Ausführungsbeispiel um einen dünnen Draht handeln, der in oder am Stackgehäuse angebracht ist. 1 zeigt perspektivisch ein Brennstoffzellengehäuse (1) mit einem solchen an einer Gehäusefläche angeordneten Sensor-Draht (2). 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle. Dargestellt sind zwei Stacks (3) und die umgebende Gehäusewandung (1), die in diesem Beispiel auf allen Flächen mit Draht-Sensoren (2) ausgestattet ist.This is realized by a corresponding sensor, which is mounted in or on the stack housing. As a sensor element may be a simple embodiment of a thin wire, which is mounted in or on the stack housing. 1 shows in perspective a fuel cell housing ( 1 ) with such a arranged on a housing surface sensor wire ( 2 ). 2 schematically shows a section through a fuel cell. Shown are two stacks ( 3 ) and the surrounding housing wall ( 1 ), which in this example on all surfaces with wire sensors ( 2 ) Is provided.

Während des Brennstoffzellenbetriebs (bzw. ab Einschalten einer Überwachungsfunktion) wird jedes Sensorelement auf Unversehrtheit überwacht, d. h. beispielsweise der Innenwiderstand jedes Sensor-Drahts gemessen oder der Draht wird mit einem sehr geringen Strom durchflossen oder steht unter Spannung.While of fuel cell operation (or from switching on a monitoring function) each sensor element is monitored for integrity, d. H. For example, the internal resistance of each sensor wire is measured or the wire is traversed by a very low current or is under tension.

Zum Schutz gegen versehentliche Beschädigung eines Draht-Sensors, z. B. beim Einbau der Brennstoffzelle kann der Draht mittels Versiegelung (4), z. B. in Form einer Kunstharz- oder Lackschicht geschützt werden. Dies ist in 3 dargestellt.To protect against accidental damage to a wire sensor, eg. B. during installation of the fuel cell, the wire by means of sealing ( 4 ), z. B. be protected in the form of a synthetic resin or lacquer layer. This is in 3 shown.

4 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Als Alternative zu Draht-Sensoren sind hier Dehnmessstreifen (5) vorgesehen, die am Gehäuse (1) bei spielsweise mittels Klebstoff angebracht sind und entsprechende Verformungen am Gehäuse detektieren und an das Überwachungsgerät (7) weiterleiten. Eine kritische Verformung führt dann wiederum zu einer Abschaltung der Medienzufuhr und einer Unterbrechung des Leistungsstromkreises. 4 shows another embodiment of the device according to the invention. As an alternative to wire sensors, strain gauges ( 5 ) provided on the housing ( 1 ) are attached for example by means of adhesive and detect corresponding deformations on the housing and to the monitoring device ( 7 ) hand off. Critical deformation will in turn lead to shutdown of the media supply and interruption of the power circuit.

In 5 ist die äußere Beschaltung der Sensorelemente schematisch dargestellt. Wird durch eine äußere mechanische Beschädigung beispielsweise ein Sensor-Draht (2) durchtrennt, so wird der entsprechende Sensorstromkreis (6) unterbrochen und es kann über eine Steuerungslogik im Überwachungsgerät (7) die Abschaltung der Medienzufuhr (8) zum Brennstoffzellenstack und/oder eine Unterbrechung des Leistungsstromkreises (9) erfolgen.In 5 the external wiring of the sensor elements is shown schematically. For example, if an external mechanical damage causes a sensor wire ( 2 ), the corresponding sensor circuit ( 6 ) and it can be controlled by a control logic in the monitor ( 7 ) the shutdown of the media supply ( 8th ) to the fuel cell stack and / or an interruption of the power circuit ( 9 ) respectively.

Die Überwachungs-Sensoren sind am Stack so anzubringen, dass möglichst über das ganze Gehäuse kritische mechanische Einflüsse erkannt werden, die (u. U. erst zu einem deutlich späteren Zeitpunkt) zu einer potentiellen Schädigung des Stack führen könnten. Dies kann z. B. durch die mäanderförmige Verlegung eines entsprechenden Drahtes an einer Gehäusefläche erfolgen, wie in 6 (oder auch in 1) dargestellt. Andere Anordnungen wie Netze, Gitterform usw. sind ebenso geeignet (vergl. 7).The monitoring sensors are to be mounted on the stack in such a way that critical mechanical influences are detected as far as possible over the entire housing, which could (potentially only at a much later date) lead to potential damage to the stack. This can be z. B. by the meandering laying of a corresponding wire on a housing surface, as in 6 (or in 1 ). Other arrangements such as meshes, lattice shape, etc. are also suitable (cf. 7 ).

Dehnmessstreifen sind vorzugsweise so anzubringen, dass sie sich an dem Ort befinden, an welchem sich konstruktionsbedingt die größten Dehnungen ergeben. In 8 ist als Beispiel eine Verteilung von Dehnmessstreifen (5) auf die Kantenbereiche und Flächenmitten des Gehäuses (1) dargestellt. Damit sind die besonders kritischen Zonen um die Stacks (3) durch Sensoren überwacht.Strain gauges are preferably to be mounted so that they are located at the location where the design results in the largest strains. In 8th is an example of a distribution of strain gauges ( 5 ) on the edge areas and center areas of the housing ( 1 ). This is the most critical zones around the stacks ( 3 ) monitored by sensors.

In einer erweiterten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch eine Kombination aus mehreren Sensortypen (z. B. Unterbrechungsdraht und Dehnmessstreifen) oder eine Kombination aus unterschiedlichen Anordnungen (Mäanderform, Netzverlauf) eingesetzt werden. Die Dehnmessstreifen und Drahtsensoren sind so zu dimensionieren, dass nicht bei Erschütterungen oder Vibrationen bereits ein (falsches) Signal abgegeben wird.In an extended embodiment of the invention Device can also be a combination of several types of sensors (eg break wire and strain gauges) or a combination from different arrangements (meander shape, network course) be used. The strain gauges and wire sensors are like that to dimension that not in case of shock or Vibrations already a (false) signal is delivered.

Neben den bereits erwähnten Dehnmesstreifen und Unterbrechungsdraht sind auch weitere Arten von Sensoren denkbar, die ähnlich auf die entsprechenden Einwirkungen reagieren können, beispielsweise dünne Metall-Folien mit Zwischenisolation, die bei mechanischer Einwirkung zerstört wird. Ebenso können verschiedene Kombinationen/Anordnungen der genannten Sensoren eingesetzt werden.Next the already mentioned strain gauge and break wire Other types of sensors are conceivable that are similar can respond to the corresponding effects, for example thin metal foils with interlayer insulation, which in mechanical Impact is destroyed. Likewise, different can Combinations / arrangements of said sensors are used.

Durch die Erfindung wird eine ("bevorstehende") Beschädigung einer Brennstoffzelle bereits bei einsetzender Beschädigung des Gehäuses erkannt und die entsprechenden Medienversorgung zum Brennstoffzellenstack kann abgeschaltet werden, bevor der Brennstoffzellenstack selbst durch äußere mechanische Einflüsse beschädigt wird und die darin befindlichen Reaktionsmedien nach außen gelangen. Dadurch dass die Abschaltung der Medienversorgung zum Stack und die Unterbrechung des Leistungsstromkreises im Brennstoffzellensystem initiiert wird, bevor eine direkte mechanische Beschädigung des Brennstoffzellenstacks eintritt, wird sichergestellt, dass die Abschaltung sehr frühzeitig erfolgt (erheblicher Zeitgewinn) und damit der Austritt von Reaktionsstoffen aus dem Stack verhindert wird.By the invention becomes ("imminent") damage a fuel cell already at the onset of damage the housing detected and the appropriate media supply to the fuel cell stack can be turned off before the fuel cell stack even by external mechanical influences is damaged and the reaction media contained therein get outside. By doing the shutdown of the media supply to the stack and the interruption of the power circuit in the fuel cell system is initiated before a direct mechanical damage of the Fuel cell stack occurs, it ensures that the shutdown done very early (considerable time savings) and thus the escape of reactants from the stack is prevented.

Neben der Abschaltung der Medienzufuhr für den Stack können bei Auslösen der Sensorik auch weitere Aktionen erfolgen. So können andere Hochspannungskomponenten (z. B. Hybridbatterie usw.) oder sich in der Nähe des Brennstoffzellenstacks befindliche Aggregate und Komponenten mit abgeschaltet werden (Schließen der Tankventile usw.), wenn eine drohende Beschädigung des Stacks durch eine Deformation oder Beschädigung des Stackgehäuses detektiert wurde.Next shutdown the media supply for the stack when the sensor is triggered, further actions take place. For example, other high voltage components (eg hybrid battery etc.) or near the fuel cell stack located aggregates and components are switched off with (Close the tank valves, etc.), if a threat of damage of the stack due to deformation or damage of the Stack housing was detected.

Durch die Ausstattung des Stackgehäuses mit der erfindungsgemäßen Sensorik kann auf zusätzliche mechanische Verstärkungen zum Schutz des Gehäuses verzichtet werden. Die damit verbundene Einsparung an Gewicht und Bauraum ist daher insbesondere bei Einsatz in mobilen Systemen von Vorteil.By equipping the stack housing with the sensor according to the invention can be dispensed with additional mechanical reinforcements to protect the housing. The connected with it dene saving in weight and space is therefore particularly when used in mobile systems advantage.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (3)

Vorrichtung zur Sicherung von Brennstoffzellen bei denen in einem Stackgehäuse (1) ein oder mehrere Brennstoffzellenstacks (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an dem Stackgehäuse (1) ein oder mehrere Sensorelemente (2, 5) angebracht sind, die bei einer Deformierung oder Durchdringung des Stackgehäuses (1), die auch den Stack (3) mechanisch beschädigen könnte, ein Signal abgeben bzw. einen Signalkreis (6) unterbrechen, welches dann mittels Überwachungsgerät (7) zu einer Abschaltung der Medienzufuhr (8) zum Brennstoffzellenstack (3) bzw. zu einer Unterbrechung des Leistungsstromkreises (9) des Brennstoffzellensystems und eventuell anderer Aggregate führt.Device for securing fuel cells in which in a stack housing ( 1 ) one or more fuel cell stacks ( 3 ) are arranged, characterized in that in and / or on the stack housing ( 1 ) one or more sensor elements ( 2 . 5 ) are mounted, which in a deformation or penetration of the stack housing ( 1 ), which also the stack ( 3 ) could mechanically damage, give a signal or a signal circuit ( 6 ), which is then monitored by means of a monitoring device ( 7 ) to a shutdown of the media supply ( 8th ) to the fuel cell stack ( 3 ) or to an interruption of the power circuit ( 9 ) of the fuel cell system and possibly other aggregates. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorelement ein Draht (2) und/oder Dehnmessstreifen (5) eingesetzt wird, wobei Drahtsensoren (2) vorzugsweise mäander- oder netzförmig auf der Wand des Stackgehäuses (1) verlaufen.Apparatus according to claim 1, characterized in that as a sensor element, a wire ( 2 ) and / or strain gauges ( 5 ), wherein wire sensors ( 2 ) preferably meandering or net-shaped on the wall of the stack housing ( 1 ). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (2, 5) gegen versehentliche Beschädigung mittels Versiegelung (4), z. B. in Form einer Kunstharz- oder Lackschicht, geschützt werden.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that sensors ( 2 . 5 ) against accidental damage by means of sealing ( 4 ), z. B. in the form of a synthetic resin or paint layer protected.
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