DE102005018072B4

DE102005018072B4 - Druckmanagementsystem und Verfahren zum Managen von Wasserstofflecks in Fluidkreisläufen von Brennsstoffzellensystemen

Info

Publication number: DE102005018072B4
Application number: DE102005018072A
Authority: DE
Inventors: Oliver Maier
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2025-04-20
Also published as: US7241524B2; DE102005018072A1; US20050238931A1

Abstract

Druckmanagementsystem (24, 24'), das einen Druck zwischen einem ersten und einem zweiten Fluidkreislauf (20, 22) eines Brennstoffzellensystems (10) ausgleicht, mit:
einem ersten Fluidreservoir (30), das dem ersten Fluidkreislauf (20) zugeordnet ist; und
einem zweiten Fluidreservoir (36), das dem zweiten Fluidkreislauf (22) zugeordnet ist und in Fluidverbindung mit dem ersten Fluidreservoir (20) steht, wobei ein Fluid während eines Überdruckzustands in dem ersten Fluidkreislauf (20) von dem ersten Fluidreservoir (30) auf das zweite Fluidreservoir (36) übertragen wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere das Managen von Wasserstofflecks in Fluidkreisläufen von Brennstoffzellensystemen.
In der DE 100 21 681 C2 wird beispielsweise ein Energiespeichersystem für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels beschrieben, bei dem der zum Betrieb des Brennstoffzellenstapels erforderliche Wasserstoff in einem Tieftemperaturtank gespeichert ist, von wo aus der Wasserstoff bedarfsweise komprimiert einem Hochdrucktank zugeführt und darin unter Druck zwischengespeichert werden kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellensysteme umfassen einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie auf Grundlage einer Reaktion zwischen einem auf Wasserstoff basierenden Zufuhrgas (beispielsweise reinem Wasserstoff oder einem Wasserstoffreformat) und einem Oxidationsmittelzufuhrgas (beispielsweise reinem Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Luft) erzeugt. Das auf Wasserstoff basierende Zufuhrgas und Oxidationsmittelzufuhrgas werden zu den Brennstoffzellenstapel unter geeigneten Betriebsbedingungen (d. h. Temperatur und Druck) zur Reaktion darin geliefert. Die richtige Konditionierung der Zufuhrgase wird durch andere Komponenten des Brennstoffzellenstapels erreicht, um die richtigen Betriebsbedingungen vorzusehen.
Das Brennstoffzellensystem umfasst mehrere Kühlkreisläufe zum Kühlen verschiedener Komponenten. Zumindest ein Kühlkreislauf steht in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf eine gewünschte Betriebstemperatur zu regu lieren. Dichtungselemente in dem Brennstoffzellenstapel dichten die Kühlkreisläufe vor den Zufuhrgasen, die durch den Brennstoffzellenstapel strömen, ab. Es ist denkbar, dass das auf Wasserstoff basierende Zufuhrgas in einen der Kühlkreisläufe lecken kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Druckmanagementsystem vor, das einen Druck zwischen einem ersten und einem zweiten Fluidkreislauf eines Brennstoffzellensystems ausgleicht. Das Druckmanagementsystem umfasst ein erstes Fluidreservoir, das dem ersten Fluidkreislauf zugeordnet ist, und ein zweites Fluidreservoir, das dem zweiten Fluidkreislauf zugeordnet ist. Das zweite Fluidreservoir steht in Fluidverbindung mit dem ersten Fluidreservoir. Von dem ersten Fluidreservoir wird während eines Überdruckzustandes in dem ersten Fluidkreislauf ein Fluid auf das zweite Fluidreservoir übertragen.
Bei einer anderen Ausführungsform ermöglicht ein Fluiddurchgang die Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir. Ein in dem ersten Fluidreservoir enthaltenes erstes Fluid strömt während des Überdruckzustandes in das zweite Fluidreservoir.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist ein erster Entlastungsmechanismus zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir angeordnet, der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir selektiv zulässt. Wenn in dem ersten Fluidreservoir ein erster Druck erreicht wird, strömt das Fluid durch den ersten Entlastungsmechanismus zu dem zweiten Fluidreservoir, um den ersten Druck zu entlasten.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein zweiter Entlastungsmechanismus zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir angeordnet, der selektiv eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir zulässt. Wenn ein zweiter Druck in dem zweiten Fluidreservoir erreicht wird, strömt das Fluid durch den zweiten Entlastungsmechanismus zu dem ersten Fluidreservoir, um den zweiten Druck zu entlasten.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform steht ein Entlastungsmechanismus in Fluidverbindung mit dem ersten Fluidreservoir. Der Entlastungsmechanismus trägt das Fluid während eines kritischen Druckzustandes an die Atmosphäre aus.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Fluidkreisläufen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung eines Leckmanagementsystems ist, das einen ersten Leckzustand managt;
3 eine schematische Darstellung des Leckmanagementsystems von 2 ist, das einen zweiten Leckzustand managt; und
4 eine schematische Darstellung eines alternativen Leckmanagementsystems ist, das den ersten Leckzustand managt.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschranken.
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, eine Wasserstoffversorgungseinheit 14 und eine Sauerstoffversorgungseinheit 16. Die Wasserstoffversorgungseinheit 14 liefert ein Wasserstoffzufuhrgas an den Brennstoffzellenstapel 12. Wenn das Wasserstoffzufuhrgas Wasserstoff ist, umfasst die Wasserstoffversorgungseinheit 14 einen Speicherbehälter und die zugeordnete Verrohrung und Steuerung (nicht gezeigt), um den Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel 12 zu liefern. Wenn das Wasserstoffzufuhrgas ein Wasserstoffreformat ist, umfasst die Wasserstoffversorgungseinheit 14 einen Speicherbehälter zum Speichern eines Grund brennstoffs und der Komponenten, Verrohrungen und Steuerungen (nicht gezeigt), die erforderlich sind, um den Grundbrennstoff in das wasserstoffhaltige Zufuhrgas aufzuspalten und das Wasserstoffzufuhrgas an den Brennstoffzellenstapel 12 zu liefern. Das Oxidationsmittelzufuhrgas ist allgemein als sauerstoffreiche Luft vorgesehen. Somit umfasst die Sauerstoffversorgungseinheit 16 allgemein einen Kompressor, Verrohrungen und Steuerungen (nicht gezeigt), die erforderlich sind, um das Oxidationsmittelzufuhrgas an den Brennstoffzellenstapel 12 zu liefern. Der Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt elektrische Energie, die dazu verwendet wird, eine oder mehrere elektrische Lasten 18 zu betreiben. Die elektrische(n) Last(en) 18 können einen Elektromotor, Lampen, Heizeinrichtungen oder einen beliebigen anderen Typ elektrisch betriebener Komponenten umfassen.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ferner einen ersten und zweiten Fluidkreislauf 20 bzw. 22, die durch ein Leckmanagementsystem 24 miteinander verbunden sind. Der erste Fluidkreislauf 20 steht in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 12, um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 zu regulieren. Der erste Fluidkreislauf 20 umfasst eine Pumpe 26, einen Wärmetauscher 28 und ein Fluidreservoir 30. Fluid wird durch den Brennstoffzellenstapel 12 gepumpt, in dem es in Wärmeaustauschverbindung mit Komponenten des Brennstoffzellenstapels 12 steht.
Das durch den Brennstoffzellenstapel 12 strömende Fluid reguliert die Temperatur der Komponenten des Brennstoffzellenstapels 12. In einer Kühlbetriebsart zieht das Fluid Wärme von den Komponenten, um den Brennstoffzellenstapel 12 zu kühlen. In einer Heizbetriebsart ziehen die Komponenten Wärme von dem Fluid, um den Brennstoffzellenstapel 12 zu heizen. Das Fluid verlässt den Brennstoffzellenstapel 12 und strömt durch den Wärmetauscher 28, in dem es in Wärmeaustauschbeziehung mit Umgebungsluft steht. In der Kühlbetriebsart wird Wärme von dem Fluid an die Umgebungsluft dissipiert, und der Heizbetriebsart zieht das Fluid Wärme von der Umgebungsluft. Das Fluid strömt zu dem Fluidreservoir 30, von dem es wiederum durch die Pumpe 26 durch den ersten Fluidkreislauf 20 gepumpt wird.
Der zweite Fluidkreislauf 22 steht in Fluidverbindung mit zumindest einer oder mehreren der elektrischen Last(en) 18, um deren Temperatur zu regulieren. Der zweite Fluidkreislauf 22 umfasst eine Pumpe 32, einen Wärmetauscher 34 und ein Fluidreservoir 36. Fluid wird durch die elektrische(n) Last(en) 18 gepumpt, wo es in Wärmeaustauschverbindung mit der bzw. den elektrischen Last(en) 18 steht. In einer Kühlbetriebsart zieht das Fluid Wärme von der bzw. den elektrischen Last(en) 18, um die elektrische(n) Last(en) 18 zu kühlen. In einer Heizbetriebsart 18 zieht bzw. ziehen die elektrische(n) Last(en) 18 Wärme von dem Fluid, um die elektrische(n) Last(en) 18 zu heizen. Das Fluid verlässt die elektrische(n) Last(en) 18 und strömt durch den Wärmetauscher 34, in dem es in Wärmeaustauschbeziehung mit der Umgebungsluft steht. In der Kühlbetriebsart wird Wärme von dem Fluid an die Umgebungsluft dissipiert, und in der Heizbetriebsart zieht das Fluid Wärme von der Umgebungsluft. Das Fluid strömt zu dem Fluidreservoir 36, von dem es wiederum über die Pumpe 32 durch den zweiten Fluidkreislauf 22 gepumpt wird.
Ein Controller 38 steht in Verbindung mit den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10, um einen Betrieb des Brennstoffzel lensystems 10 zu überwachen und zu regulieren. Insbesondere steht der Controller 38 in Verbindung mit der Wasserstoffversorgungseinheit 14 und der Sauerstoffversorgungseinheit 16, um die Lieferung von Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu steuern. Der Controller 38 steht auch in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 12, um Betriebscharakteristiken zu überwachen, wie beispielsweise Temperatur und Druck in dem Brennstoffzellenstapel 12. Der Controller 38 kommuniziert mit der bzw. den elektrischen Last(en) 18, um deren Betrieb zu steuern. Der Controller 38 kommuniziert ferner mit dem ersten und zweiten Fluidkreislauf 20, 22, um Temperaturen des Brennstoffzellenstapels 12 bzw. der elektrischen Last(en) 18 zu regeln.
Wenn das durch den ersten Fluidkreislauf 20 strömende Fluid durch den Brennstoffzellenstapel 12 strömt, wird es oftmals durch abdichtende Dichtungsscheiben (nicht gezeigt) von dem Wasserstoffzufuhrgas getrennt. Da die abdichtenden Dichtungsscheiben nicht immer eine perfekte Dichtung vorsehen, kann ein unter hohem Druck stehendes Wasserstoffzufuhrgas in das durch den ersten Fluidkreislauf 20 strömende Fluid lecken. Ähnlicherweise kann das durch den zweiten Fluidkreislauf 22 strömende Fluid durch andere Komponenten und/oder eine oder mehrere elektrische Last(en) 18 strömen, durch die ebenfalls das Wasserstoffzufuhrgas strömt. Daher ist es möglich, dass das Wasserstoffzufuhrgas in das durch den zweiten Fluidkreislauf 22 strömende Fluid lecken kann.
Anhand der 2 und 3 wird ein Betrieb des Leckmanagementsystems 24, das in einem ersten bzw. zweiten Leckzustand arbeitet, detaillierter beschrieben. Allgemein ist das Leckmanagementsystem 24 der 2 und 3 in Anordnungen vorgesehen, in denen die Gefahr besteht, dass das Wasserstoffzufuhrgas in das Fluid in sowohl dem ersten als auch zweiten Fluidkreislauf 20, 22 austreten kann. Das Reservoir 30 des ersten Fluidkreislaufs 20 steht durch einen ersten und zweiten Freigabemechanismus 40 bzw. 42, die seriell entlang einer Fluidleitung 44 angeordnet sind, in Fluidverbindung mit dem Reservoir 36 des zweiten Fluidkreislaufs 22. Ein Drucksensor 46 ist zwischen dem ersten Freigabemechanismus 40 und dem Reservoir 30 angeordnet und steht in elektrischer Verbindung mit dem Controller 38. Ein Sicherheitsmechanismus 48 steht in Fluidverbindung mit der Fluidleitung 44 zwischen dem ersten und zweiten Freigabemechanismus 40, 42.
Der erste und zweite Freigabemechanismus 40, 42 und der Sicherheitsmechanismus 48 besitzen allgemein einen ähnlichen Aufbau. Daher wird nachfolgend ein allgemeiner Mechanismus detailliert beschrieben. Komponenten des ersten und zweiten Freigabemechanismus 40, 42 und des Sicherheitsmechanismus 48 sind unter Verwendung von Bezugszeichen beschrieben, die gleich denjenigen sind, die dazu verwendet werden, Komponenten des allgemeinen Mechanismus zu bezeichnen. Der Mechanismus 40, 42, 48 umfasst ein Druckentlastungsventil 50 mit einem Einlass und einem Auslass 52, 54. Das Druckentlastungsventil 50 besitzt eine Druckeinstellung. Eine Hilfsleitung 56 steht in Fluidverbindung mit dem Druckentlastungsventil 50. Wenn sich an dem Einlass 52 ein Fluiddruck aufbaut, legt die Hilfsleitung 56 den Druck an das Druckentlastungsventil 50 an. Sobald der Druck die Druckeinstellung erreicht, öffnet das Druckentlastungsventil 50, um das Fluid durch das Druckentlastungsventil 50 und den Auslass 54 zu entlüften. Ein Einwegventil 58 lässt eine selektive Fluidströmung von dem Auslass 54 zu dem Einlass 52 zu. Wenn insbesondere der Fluiddruck in dem Einlass 52 höher als der Flu iddruck in dem Auslass 54 ist, bleibt das Einwegventil 58 geschlossen, um eine Fluidverbindung von dem Einlass 52 zu dem Auslass 54 zu verhindern. Wenn der Fluiddruck in dem Auslass 54 größer als der Fluiddruck in dem Einlass 52 ist, öffnet das Einwegventil 58, um eine Fluidströmung von dem Auslass 54 zu dem Einlass 52 zu ermöglichen.
In 2 ist das Leckmanagementsystem 24 gezeigt, das einem ersten Leckzustand ausgesetzt ist. In dem ersten Leckzustand leckt Wasserstoffzufuhrgas in den ersten Fluidkreislauf 20. Das Wasserstoffzufuhrgasleck resultiert in einer Druckzunahme in dem ersten Fluidkreislauf 20, der das Fluidreservoir 30 umfasst. Wenn das Wasserstoffleck andauert, steigt der Druck, bis der Druck an dem Einlass 52 des ersten Freigabemechanismus 40 größer als die Druckeinstellung (P₁) des ersten Freigabemechanismus 40 wird. Wenn der Einlassdruck P₁ überschreitet, öffnet das Druckentlastungsventil 50, wodurch eine Fluidströmung durch dieses ermöglicht wird. Die Fluidströmung von dem ersten Freigabemechanismus 40 erhöht den Fluiddruck in der Fluidleitung 44. Wenn der Fluiddruck in der Fluidleitung 44 größer als der Fluiddruck in dem Einlass 52 des zweiten Freigabemechanismus 42 ist, wird eine Fluidströmung in das Reservoir 36 des zweiten Fluidkreislaufs 22 durch das Einwegventil 58 ermöglicht. Auf diese Art und Weise wird ein Druckgleichgewicht erreicht, und der Druckanstieg wird zwischen dem ersten und zweiten Fluidkreislauf 20, 22 aufgeteilt. Eine Fluidströmung zwischen den Fluidreservoirs 30, 36 während des ersten Leckzustands wird durch die Pfeile von 2 angegeben.
In 3 ist das Leckmanagementsystem 24 gezeigt, das einem zweiten Leckzustand ausgesetzt ist. In dem zweiten Leckzustand leckt Wasserstoffzufuhrgas in den zweiten Fluidkreislauf 22. Das Wasserstoffzufuhr gasleck resultiert in einer Druckzunahme in dem zweiten Fluidkreislauf 22, der das Fluidreservoir 36 umfasst. Wenn das Wasserstoffleck anhält, steigt der Druck, bis der Druck an dem Einlass 52 des zweiten Freigabemechanismus 42 größer als die Druckeinstellung (P₂) des zweiten Freigabemechanismus 42 wird. Wenn der Einlassdruck P₂ überschreitet, öffnet das Druckentlastungsventil 50, wodurch eine Fluidströmung durch dieses ermöglicht wird. Die Fluidströmung von dem zweiten Freigabemechanismus 42 erhöht den Fluiddruck in der Fluidleitung 44. Wenn der Fluiddruck in der Fluidleitung 44 größer als der Fluiddruck in dem Einlass 52 des ersten Freigabemechanismus 40 ist, wird eine Fluidströmung in das Reservoir 30 des ersten Fluidkreislaufs 20 durch das Einwegventil 58 ermöglicht. Auf diese Art und Weise wird ein Druckgleichgewicht erreicht, und die Druckzunahme wird zwischen dem ersten und zweiten Fluidkreislauf 20, 22 aufgeteilt. Eine Fluidströmung zwischen den Fluidreservoirs 30, 36 während des zweiten Leckzustands ist durch die Pfeile von 3 angegeben.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, dient der Sicherheitsmechanismus 48 dazu, ein Überdruckereignis zu verhindern. Ein Überdruckereignis in entweder dem ersten oder zweiten Fluidkreislauf 20, 22 kann in einem Schaden an den Komponenten der Fluidkreisläufe resultieren. Wenn der Fluiddruck in dem Leckmanagementsystem 24 weiterhin ansteigt, kann eine Abschaltschwelle erreicht werden. Genauer überwacht der Drucksensor 46 den Gesamtdruck in dem Leckmanagementsystem 24. Wenn der Druck die Abschaltschwelle erreicht, schaltet der Controller 38 das Brennstoffzellensystem 10 ab. Es sei angemerkt, dass die Druckeinstellungen P₁ und P₂ des ersten und zweiten Freigabemechanismus 40, 42 jeweils niedriger als die Abschaltschwelle sind.
Obwohl das Brennstoffzellensystem 10 abschaltet, ist es denkbar, dass der Druck in dem Leckmanagementsystem 24 ansteigen kann. In einer solchen Situation lässt der Sicherheitsmechanismus 48 eine Druckentlastung an die Atmosphäre zu, wenn der Druck eine Entlüftungsschwelle erreicht. Insbesondere wenn der Druck die Druckeinstellung (P₃) des Druckentlastungsventils 50 des Sicherheitsmechanismus 48 übersteigt, öffnet das Druckentlastungsventil 50, um den Fluiddruck an die Atmosphäre zu entlüften. Die Druckeinstellungen P₁ und P₂ des ersten und zweiten Freigabemechanismus 40 bzw. 42 sind niedriger als die Druckeinstellung P₃ des Sicherheitsmechanismus 48.
Ein Wasserstoffsensor 60 kann an oder in der Nähe des Auslasses 54 des Sicherheitsmechanismus 60 vorgesehen sein. Der Wasserstoffsensor 60 erzeugt ein Signal, das den Wasserstoffgehalt der Atmosphäre, die den Sicherheitsmechanismus 48 umgibt, angibt. Der Controller 38 überwacht das Signal des Wasserstoffgehalts. Wenn das Signal des Wasserstoffgehalts eine Gehaltschwelle erreicht, gibt der Controller 38 einen Alarm an einen Bediener aus. Der Alarm kann ein visueller Alarm, ein hörbarer Alarm oder ein sowohl visueller als auch hörbarer Alarm sein.
Es sei angemerkt, dass das Leckmanagementsystem 24 in einzelne oder gemeinsame Komponenten der Fluidreservoirs 30, 36 eingebaut sein kann. Genauer kann der erste Freigabemechanismus 40 in eine Füllkappe oder -abdeckung (nicht gezeigt) des Fluidreservoirs 30 des ersten Fluidkreislaufs 20 integriert sein. Ahnlicherweise kann der zweite Freigabemechanismus 42 in eine Füllkappe oder -abdeckung (nicht gezeigt) das Fluidreservoirs 36 des zweiten Fluidkreislaufs 22 integriert sein. Alternativ dazu können der erste und zweite Freigabemechanismus 40, 42 wie auch der Sicherheitsmechanismus 48 in eine gemeinsame Reservoirabdeckung integriert sein, die beiden Fluidreservoirs 30, 36 zugeordnet ist.
In 4 ist ein alternatives Leckmanagementsystem 24' gezeigt. Das Leckmanagementsystem 24' ist allgemein zwischen dem ersten und zweiten Fluidkreislauf 20, 22 vorgesehen, wo nur ein Fluidkreislauf in Verbindung mit einer Wasserstoffzufuhrgasquelle steht. Bei der Ausgestaltung von 4 steht der erste Fluidkreislauf 20 in Verbindung mit der Wasserstoffzufuhrgasquelle (beispielsweise dem Brennstoffzellenstapel 12). Das Leckmanagementsystem 24' umfasst ein Rohr 62, das eine Fluidverbindung zwischen dem Fluidreservoir 30 des ersten Fluidkreislaufs 20 und dem Fluidreservoir 36 des zweiten Fluidkreislaufs 22 zulässt. Das Rohr 62 ist mit dem Fluidreservoir 30 des ersten Fluidkreislaufs 30 an einem Punkt unterhalb des Fluidniveaus in dem Fluidreservoir 30 verbunden. Das Rohr 62 ist mit dem Fluidreservoir 36 des zweiten Fluidkreislaufs 22 an einem Punkt oberhalb des Fluidniveaus des Fluidreservoirs 36 verbunden. Das Leckmanagementsystem 24 umfasst ferner einen Sicherheitsmechanismus 48' in Fluidverbindung mit dem Fluidreservoir 36 des zweiten Fluidkreislaufs 33 und einen Drucksensor 46', der zwischen dem Fluidreservoir 36 und dem Sicherheitsmechanismus 48' angeordnet ist.
In dem Fall eines Wasserstoffzufuhrgaslecks in das durch den ersten Fluidkreislauf 20 umgewälzte Fluid steigt der Druck in dem ersten Fluidkreislauf 20. Wenn der Druck in dem ersten Fluidkreislauf 20 steigt, strömt Fluid von dem Fluidreservoir 30 des ersten Fluidkreislaufs 20 in das Fluidreservoir 36 des zweiten Fluidkreislaufs 22 durch das Rohr 62. Auf diese Art und Weise wird der Druckanstieg in dem ersten Fluidkreis lauf 20 mit dem zweiten Fluidkreislauf 22 geteilt. Wenn das Wasserstoffleck anhält, steigt der Druck, bis die Abschaltschwelle erreicht wird, wie durch den Drucksensor 46' überwacht wird. Wenn der Druck die Abschaltschwelle erreicht, schaltet der Controller 38 das Brennstoffzellensystem 10 ab. Es sei angemerkt, dass die Druckeinstellung P₃ des Sicherheitsmechanismus 48 größer als die Abschaltschwelle ist.
Wie oben für das Leckmanagementsystem 24 ähnlich beschrieben ist, kann ein Wasserstoffsensor 60' an oder nahe dem Auslass 54 des Sicherheitsmechanismus 48' vorgesehen sein. Der Wasserstoffsensor 60' erzeugt ein Signal, das den Wasserstoffgehalt der Atmosphäre, die den Sicherheitsmechanismus 48' umgibt, angibt. Der Controller 38 überwacht das Signal des Wasserstoffgehalts. Wenn das Signal des Wasserstoffgehalts eine Gehaltsschwelle erreicht, gibt der Controller 38 einen Alarm an einen Bediener aus. Der Alarm kann ein visueller Alarm, ein hörbarer Alarm, oder sowohl ein visueller als auch hörbarer Alarm sein.
Es sei angemerkt, dass das Leckmanagementsystem 24' in einzelne oder gemeinsame Komponenten der Fluidreservoirs 30, 36 eingebaut sein kann. Genauer kann der Sicherheitsmechanismus 48' in eine Füllkappe oder -abdeckung (nicht gezeigt) des Fluidreservoirs 36 des zweiten Fluidkreislaufs 22 integriert sein. Ahnlicherweise kann der Sicherheitsmechanismus 48' in eine gemeinsame Reservoirabdeckung, die beiden Fluidreservoirs 30, 36 zugeordnet ist, integriert sein. Das Rohr 62 kann als ein Durchgang durch eine gemeinsame Wand ausgebildet sein, die die Fluidreservoirs 30, 36 trennt.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Druckmanagementsystem (24, 24'), das einen Druck zwischen einem ersten und einem zweiten Fluidkreislauf (20, 22) eines Brennstoffzellensystems (10) ausgleicht, mit: einem ersten Fluidreservoir (30), das dem ersten Fluidkreislauf (20) zugeordnet ist; und einem zweiten Fluidreservoir (36), das dem zweiten Fluidkreislauf (22) zugeordnet ist und in Fluidverbindung mit dem ersten Fluidreservoir (20) steht, wobei ein Fluid während eines Überdruckzustands in dem ersten Fluidkreislauf (20) von dem ersten Fluidreservoir (30) auf das zweite Fluidreservoir (36) übertragen wird.
Druckmanagementsystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Fluiddurchgang (44), der die Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) ermöglicht.
Druckmanagementsystem nach Anspruch 2, wobei ein erstes Fluid, das in dem ersten Fluidreservoir (30) enthalten ist, in dem Überdruckzustand in das zweite Fluidreservoir (36) strömt.
Druckmanagementsystem nach Anspruch 1, ferner mit einem ersten Entlastungsmechanismus (40), der zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) angeordnet ist und selektiv eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) ermöglicht.
Druckmanagementsystem nach Anspruch 4, wobei, wenn in dem ersten Fluidreservoir (30) ein erster Druck erreicht wird, das Fluid durch den ersten Entlastungsmechanismus (40) an das zweite Fluidreservoir (36) strömt, um den ersten Druck zu entlasten.
Druckmanagementsystem nach Anspruch 4, ferner mit einem zweiten Entlastungsmechanismus (42), der zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) angeordnet ist und selektiv eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) ermöglicht.
Druckmanagementsystem nach Anspruch 6, wobei, wenn in dem zweiten Fluidreservoir (36) ein zweiter Druck erreicht wird, das Fluid durch den zweiten Entlastungsmechanismus (42) an das erste Fluidreservoir (30) strömt, um den zweiten Druck zu entlasten.
Druckmanagementsystem nach Anspruch 1, ferner mit einem dritten Entlastungsmechanismus (48) in Fluidverbindung mit dem ersten Fluidreservoir (30), wobei der dritte Entlastungsmechanismus (48) das Fluid während eines kritischen Druckzustands an die Atmosphäre austrägt.
Verfahren zum Managen eines Drucks zwischen einem ersten und einem zweiten Fluidkreislauf (20, 22) eines Brennstoffzellensystems (10), umfassend, dass: ein erster Druck in einem ersten Fluidreservoir (30), das dem ersten Fluidkreislauf (20) zugeordnet ist, erfasst wird; ein Fluid von dem ersten Fluidreservoir an ein zweites Fluidreservoir (36), das dem zweiten Fluidkreislauf (22) zugeordnet ist, übertragen wird, wenn der erste Druck ein erstes Schwellenniveau erreicht.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass ein erstes Ventil (50), das dem ersten Fluidreservoir (30) zugeordnet ist, öffnet, um die Übertragung von Fluid zu ermöglichen, wenn der erste Druck das erste Schwellenniveau erreicht.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass ein Fluid von dem zweiten Fluidreservoir (36) an das erste Fluidreservoir (30), das dem zweiten Fluidkreislauf (22) zugeordnet ist, übertragen wird, wenn ein zweiter Druck des zweiten Fluidreservoirs (36) ein zweites Schwellenniveau erreicht.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend, dass ein zweites Ventil (50), das dem zweiten Fluidreservoir (36) zugeordnet ist, geöffnet wird, um die Übertragung von Fluid zu ermöglichen, wenn der zweite Druck das zweite Schwellenniveau erreicht.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass Fluid an die Atmosphäre freigegeben wird, wenn ein kombinierter Druck in dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) ein Freigabeniveau erreicht.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend, dass: ein Wasserstoffgehalt des an die Atmosphäre freigegebenen Fluids erfasst wird; und ein Alarm abgegeben wird, wenn der Wasserstoffgehalt über einem Schwellenniveau liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass ein kombinierter Druck des ersten und zweiten Fluidreservoirs (30, 36) erfasst wird; und ein Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) eingestellt wird, wenn der kombinierte Druck eine Abschaltschwelle erreicht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Fluid ein wasserstoffhaltiges Gas ist.
Brennstoffzellensystem (10) mit: einer Brennstoffzelle (12) mit einem wasserstoffhaltigen Zufuhrgas, das durch diese strömt; einem ersten Fluidkreislauf (20), der ein erstes Fluidreservoir (30) umfasst, das in Fluidverbindung mit der Brennstoffzelle (12) steht und ein erstes hindurchströmendes Fluids aufweist; und einem zweiten Fluidkreislauf (22), der ein zweites Fluidreservoir (36) umfasst und der ein zweites hindurchströmendes Fluid aufweist, wobei ein Fluid von dem ersten Fluidreservoir (30) während eines Überdruckzustandes in dem ersten Fluidkreislauf an das zweite Fluidreservoir (36) übertragen wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, ferner mit einem Fluiddurchgang (44), der eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) ermöglicht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, wobei das erste Fluid von dem ersten Fluidreservoir (30) während des Überdruckzustands in das zweite Fluidreservoir (36) strömt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, ferner mit einem ersten Entlastungsmechanismus (40), der zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30) angeordnet ist und der selektiv eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) zulässt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, wobei, wenn in dem ersten Fluidreservoir (30) ein erster Druck erreicht wird, das Fluid durch den ersten Entlastungsmechanismus (40) an das zweite Fluidreservoir (36) strömt, um den ersten Druck zu entlasten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, ferner mit einem zweiten Entlastungsmechanismus (42), der zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) angeordnet ist und der selektiv eine Fluidverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fluidreservoir (30, 36) ermöglicht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22, wobei, wenn in dem zweiten Fluidreservoir (36) ein zweiter Druck erreicht wird, das Fluid durch den zweiten Entlastungsmechanismus (42) an das erste Fluidreservoir (30) strömt, um den zweiten Druck zu entlasten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, ferner mit einem dritten Entlastungsmechanismus (48) in Fluidverbindung mit dem ersten Fluidreservoir (30), wobei der dritte Entlastungsmechanismus (48) das Fluid während eines kritischen Druckzustandes an die Atmosphäre austrägt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, ferner mit einem Wasserstoffsensor (60), der einen Wasserstoffgehalt der Atmosphäre erfasst und einen Alarm ausgibt, wenn der Wasserstoffgehalt ein Schwellenniveau erreicht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, ferner mit einem Drucksensor (46), der einen kombinierten Druck des ersten und zweiten Fluidreservoirs (30, 36) erfasst und einen Alarm ausgibt, wenn der kombinierte Druck ein Schwellenniveau erreicht.