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Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme, mittels derer unter Einsatz von Wasserstoff Elektrizität erzeugt wird, um Fahrzeuge oder andere elektrische Systeme mit Energie zu versorgen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Partikelfilter, welcher Partikel aus einem Brennstoffzellenkühlmittel herausfiltert, um ein Verstopfen von Kühlmittelfließkanälen in Brennstoffzellen in Stapelanordnung zu verhindern oder zu minimieren, nämlich einen Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Nach dem Stand der Technik sind Brennstoffzellen als Energiequellen für Fahrzeuge bekannt. In einem Brennstoffzellenfahrzeug wird mittels Brennstoffzellen in Stapelanordnung, nachfolgend als Brennstoffzellenstack bezeichnet, unter Einsatz gasförmigen Wasserstoffs Elektrizität erzeugt, die zur Energieversorgung eines zum Antrieb des Fahrzeuges vorgesehenen Elektromotors eingesetzt wird. Brennstoffzellenfahrzeuge sind umweltfreundlich, da als Nebenprodukte nur Wasser und Wärme emittiert wird.
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Zur Ableitung überschüssiger Wärme von den Brennstoffzellen sind diese mit einem Kühlsystem ausgestattet. Brennstoffzellenkühlsysteme weisen typischerweise Pumpen auf, die ein flüssiges Kühlmittel durch Kanäle in der Brennstoffzelle zirkulieren lassen. In einem mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellenfahrzeug sind die Kühlmittelkanäle in einem Brennstoffzellenstack sehr klein. Wenn flüssiges Kühlmittel durch das Kühlsystem des Brennstoffzellenfahrzeugs strömt, kann es dazu kommen, dass sich Partikel von den verschiedenen Kunststoff-, Metall- und Gummibauteilen des Systems ablösen und in das Kühlmittel gelangen. Über das Kühlmittel werden diese Partikel dann in die Kühlmittelkanäle des Brennstoffzellenstacks befördert. Dies kann zur Folge haben, dass die Kühlmittelkanäle durch die Partikel blockiert werden und dadurch der Kühlmittelfluss in der Brennstoffzelle behindert wird, was wiederum dazu führt, dass einzelne Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstack übermäßig aufgeheizt werden und ausfallen.
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Die
DE 101 01 828 A1 offenbart einen Partikelfilter gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, mit dem Partikel aus dem Kühlmittel einer Brennstoffzelle herausgefiltert werden können.
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Aus der
DE 198 18 491 A1 oder der
US 1 662 529 A ist es bekannt, dass die Menge der durch den Filter aus einem Kühlmittel bzw. Schmiermittel entfernten Partikel ermittelt werden kann, indem ein Anstieg des Kühlmitteldrucks stromaufwärts des Filters gemessen und ein entsprechender Blockierungsgrad des Filters angezeigt wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Menge der aus dem Filter entfernten Partikel und dem Erfordernis besteht, den Filter ggf. auszutauschen, um eine optimale Filterleistung zu gewährleisten.
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Aus der
US 4 702 754 A ist es bekannt, einen Druckmesser im Nebenschluss rechtwinklig an einen Abschnitt einer Fluidleitung anzuschließen, in dem ein im Wesentlichen kegelförmiges Filterelement angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Partikelfilter für Brennstoffzellenkühlmittel, der Partikel aus dem Kühlmittel entfernt, bevor dieses durch eine Brennstoffzelle geleitet wird, auf eine besonders vorteilhafte Art und Weise mit einer Anzeige für den Blockierungsgrad des Filterelements zu versehen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Partikelfilter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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An den Drucksensor kann eine Druckanzeige angeschlossen werden, die geeicht und in geeigneter Weise mit Markierungen versehen ist, um den Grad anzuzeigen, bis zu welchem der Filter, entsprechend der Größe des stromaufwärtigen Filterdrucks – so wie dieser Druck von dem Drucksensor gemessen wird – mit Partikeln verstopft ist. Die Druckanzeige weist eine Markierung auf, die einen stromaufwärts bestehenden Filterdruck anzeigt. Erreicht dieser Druck eine bestimmte Stärke, so ist der Filter zu warten.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Anschauungszwecken dienende, zum Teil schematische vertikale Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Partikelfilters für ein Brennstoffzellenkühlmittel gemäß der vorliegenden Erfindung, und
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2 eine Unteransicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs, die veranschaulicht, an welcher Stelle der Partikelfilter für ein Brennstoffzellenkühlmittel in dem Fahrzeug typischerweise angebracht werden sollte, damit die Installation und das Auswechseln des Filters möglichst einfach zu bewerkstelligen sind.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenkühlmittelpartikelfilter, mittels dessen Partikel aus einem Brennstoffzellenkühlmittel entfernt werden, bevor das Kühlmittel durch ein Brennstoffzellenkühlsystem geleitet wird. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenkühlmittelpartikelfilter ist dazu geeignet, Partikel aus einem Kühlmittel eines Brennstoffzellenkühlsystem eines Fahrzeugs herauszufiltern, und insbesondere dazu, Partikel aus einem Kühlmittel eines Brennstoffzellensystems herauszufiltern, welches dazu vorgesehen ist, ein elektrisches System beliebiger Art mit Energie zu versorgen.
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In 1 ist eine zu Anschauungszwecken dargestellte Ausführungsform eines Brennstoffzellenfahrzeugkühlmittelfilters der vorliegenden Erfindung, im Folgenden als ”Filter” bezeichnet, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Der Filter 10 weist ein im Wesentlichen längliches, typischerweise zylinderförmiges Filtergehäuse 12 auf, das insbesondere aus Metall oder Kunststoff bestehen kann, ohne jedoch auf diese Materialien beschränkt zu sein. Vorzugsweise besteht das Filtergehäuse 12 aus Polyvinylidenfluorid (PVDF). Das Filtergehäuse 12 weist ein Gehäuseinneres 14 auf. Ein Gehäuseeinlass 16 steht mit dem Gehäuseinneren 14 an einem Ende des Filtergehäuses 12 in Verbindung, und ein Gehäuseauslass 18 steht mit dem Gehäuseinneren 14 an dem entgegengesetzten Ende des Filtergehäuses 12 in Verbindung.
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In dem Gehäuseinneren 14 ist zwischen dem Gehäuseeinlass 16 und dem Gehäuseauslass 18 ein Filterelement 20 angebracht, welches das Gehäuseinnere 14 in einen Vorfilterbereich 22 und einen gefilterten Bereich 24 trennt. Das Filterelement 20 kann, wie ersichtlich, eine im Allgemeinen kegelförmige oder stumpfke gelförmige Ausgestaltung besitzen, derart, dass der mit 20a bezeichnete Mund des Filterelementes 20 typischerweise an den Gehäuseeinlass 16 und der mit 20b bezeichnete Scheitel des Filterelements 20 typischerweise an den Gehäuseauslass 18 angrenzt. Das Filterelement 20 kann aus Metall, Kunststoff oder einem beliebigen anderen Material bestehen, das mit einem Brennstoffzellenkühlmittel verträglich ist, welches typischerweise aus einer Mischung aus 40 Vol.-% Ethylenglykol und 60 Vol.-% demineralisiertem Wasser besteht. Das Filterelement 20 ist vorzugsweise ein Geflecht aus Edelstahl 316 und dazu ausgelegt, Partikel mit einer Größe von 40 Mikrometer oder darüber zu filtern.
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Ein Filtereinlassrohr 26 steht mit dem Gehäuseeinlass 16 in Strömungsverbindung, um, wie im Folgenden beschrieben, ein strömendes flüssiges Brennstoffzellenkühlmittel 62 in das Filtergehäuse 12 zu leiten. Ein Filterauslassrohr 30 steht in Strömungsverbindung mit dem Gehäuseauslass 18, um das Kühlmittel 62 aus dem Filtergehäuse 12 herauszuleiten. Ein Rückflussrohr 28 steht in Strömungsverbindung mit dem Filtereinlassrohr 26 und ist im Wesentlichen quer zu diesem verlaufend angeordnet. Ein Kühlmittelreservoir (nicht dargestellt) kann so angebracht sein, dass es in Strömungsverbindung mit dem Rückflussrohr 28 steht, um zurückfließendes Kühlmittel 62a aufzunehmen, das, wie im Folgenden weiter beschrieben, von dem Filtereinlassrohr 26 in das Rückflussrohr 28 fließt.
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Bei teilweiser oder vollständiger Blockierung des Filterelements 20 aufgrund längerer Nutzung des Filters 10 fließt, wie im Folgenden beschrieben, zurückfließendes Kühlmittel 62a aus dem Filtereinlassrohr 26 in das Rückflussrohr 28. Der Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a ist direkt proportional zum Grad der Blockierung des Filterelements 20. An den Brennstoffzellenkühlmittelfilter 10 ist ein Druckmesser 32 angeschlossen, um, wie im Folgenden beschrieben, den Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a in dem Rückflussrohr 28 je nach dem Grad der Blockierung des Filterelements 20 mit Partikeln zu messen und anzuzeigen. Der Druckmesser 32 weist eine Druckanzeige 38 auf, die in Wirkverbindung mit dem Inneren des Rückflussrohrs 28 steht, um den Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a im Rückflussrohr 28 zu messen und anzuzeigen. Dabei kann die Druckanzeige 38 verschiedene Anzeigebereiche aufweisen, wie z. B. einen ersten Anzeigebereich 40a, der einer Blockierung des Filterelements 20 von 0% bis 25% entspricht; einen zweiten Anzeigebereich 40b, der einer Blockierung des Filterelements 20 von 25% bis 50% entspricht; einen dritten Anzeigebereich 40c, der einer Blockierung des Filterelements 20 von 50% bis 75% entspricht; sowie einen vierten Anzeigebereich 40d, der einer Blockierung des Filterelements 20 von 75% bis 100% entspricht.
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Die Druckanzeige 38 kann z. B. eine herkömmliche Druckmessplatte, -membran oder -spule sein, die in der Lage ist, den Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a im Rückflussrohr 28 zu ermitteln. Die verschiedenen Anzeigebereiche 40a–40d können normalerweise eine einheitliche Hintergrundfarbe haben, wie z. B. weiß, und bei Aktivierung je nach Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a im Rückflussrohr 28 zu einer gewählten Farbe wechseln. Z. B. kann der erste Anzeigebereich 40a von der einheitlichen Hintergrundfarbe, wie etwa weiß, nach grün wechseln, wenn das Filterelement 20 nicht blockiert ist oder wenn der Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a einer Blockierung des Filterelements 20 von bis zu 25% entspricht. Daher ist der erste Anzeigebereich 40a so geeicht, dass er von der einheitlichen Hintergrundfarbe nach grün wechselt, wenn die Druckanzeige 38 einen Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a misst, der sich aus einer Blockierung des Filterelements 20 von 25% oder weniger ergibt. In ähnlicher Weise kann der zweite Anzeigebereich 40b so geeicht sein, dass er von der einheitlichen Hintergrundfarbe nach gelb wechselt, wenn die Druckanzeige 38 einen Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a erfasst, der einer Blockierung des Filterelements 20 von 25% to 50% entspricht. Der dritte Anzeigebereich 40c wechselt typischerweise von der Hintergrundfarbe nach orange, wenn der Kühlmitteldruck einer Blockierung des Filterelements 20 von 50% bis 75% entspricht, und der vierte Anzeigebereich 40d wechselt typischerweise von der Hintergrundfarbe nach rot, wenn der Kühlmitteldruck einer Blockierung des Filterelements 20 von 75% bis 100% entspricht.
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Selbstverständlich können auch andere, dem Fachmann bekannte Druckmesser verwendet werden, um den Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a im Rückflussrohr 28 zu messen und anzuzeigen. Beispielsweise kann die Druckanzeige 38 eine Anzeigenadel (nicht dargestellt) aufweisen, die sich in Reaktion auf und proportional zu der Höhe des Drucks des zurückfließenden Kühlmittels 62a im Rückflussrohr 28 von links nach rechts bewegt. In diesem Fall würde sich die Anzeigenadel in den ersten Anzeigebereich 40a bewegen, wenn das Filterelement 20 bis zu 25% blockiert ist; in den zweiten Anzeigebereich 40b wenn das Filterelement 20 zu 25% bis 50% blockiert ist; in den dritten Anzeigebereich 40c wenn das Filterelement 20 zu 50% bis 75% blockiert ist; und in den vierten Anzeigebereich 40d, wenn das Filterelement 20 zu 75% bis 100% blockiert ist.
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2 veranschaulicht eine typische Einbauposition des Brennstoffzellenkühlmittelfilters 10 in einem Brennstoffzellenfahrzeug 50, das in einer Ansicht von unten her gesehen dargestellt ist. Das Brennstoffzellenfahrzeug 50 weist eine Frontpartie 52, ein Heck 54, ein Paar von Vorderrädern 56 und ein Paar von Hinterädern 58 auf. Der Filter 10 ist vorzugsweise in einer horizontalen Position zwischen den Vorderrädern 56 und den Hinterrädern 58 angebracht und ist vom Boden 60 des Brennstoffzellenfahrzeugs 50 aus zugänglich. Ein Einlass 64a des Fahrzeugkühlsystems 64 (gestrichelt dargestellt) ist mit dem Filterauslassrohr 30 des Filters 10 verbunden, und ein Auslass 64b des Fahrzeugkühlsystems 64 ist mit dem Filtereinlassrohr 26 des Filters 10 verbunden. Auf diese Weise ist der Filter 10 an dem Brennstoffzellenfahrzeug 50 leicht zugänglich, um je nach Bedarf gewartet, repariert oder ausgetauscht zu werden. Die Druckanzeige 38 des Druckmessers 32 ist typischerweise am Armaturenbrett (nicht dargestellt) des Brennstoffzellenfahrzeugs 50 oder an einer anderen Stelle angebracht, die für den Fahrer des Brennstoffzellenfahrzeugs 50 sichtbar ist.
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Nachfolgend wird sowohl auf 1 als auch auf 2 Bezug genommen. Bei normalem Betrieb des Filters 10 strömt Kühlmittel 62 durch das gesamte Fahrzeugkühlsystem 64 (2), um die Brennstoffzellenanordnung (nicht dargestellt) des Brennstoffzellenfahrzeuges 50 typischerweise in herkömmlicher Art zu kühlen. Das verbrachte Kühlmittel 62 strömt jeweils vom Fahrzeugkühlsystem 64 durch den Auslass 64b und in das Filtereinlassrohr 26 des Filters 10. Wenn das Filterelement 20 des Filters 10 nicht blockiert ist, strömt das Kühlmittel 62 ungehindert jeweils vom Filtereinlassrohr 26 durch den Gehäuseeinlass 16 in das Gehäuseinnere 14 des Filtergehäuses 12 und durch das Filterelement 20 in das Filterauslassrohr 30 bzw. den Gehäuseauslass 18.
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Während das Kühlmittel 62 durch das Filterelement 20 strömt, werden Partikel (nicht dargestellt) mit einer Größe von typischerweise etwa 40 Mikrometern und größer aus dem Kühlmittel 62 entfernt und in dem Filterelement 20 festgehalten. Daher ist das Kühlmittel 62, das aus dem Filter 10 austritt und durch den Einlass 64a zurück in das Fahrzeugkühlsystem 64 geleitet wird, im Wesentlichen frei von Partikeln, die andernfalls im Laufe der Zeit die Kühlmittelkanäle in der Brennstoffzellenanordnung (nicht dargestellt) verstopfen würden. Beim ersten Durchgang des Kühlmittels 62 durch den Filter 10 werden typischerweise etwa 95 bis 98 Prozent der Verschmutzungspartikel aus dem Kühlmittel 62 entfernt.
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Wenn das Filterelement 20 im Wesentlichen frei von einer Verstopfung durch Partikel ist, fließt das Kühlmittel 62 in der Regel ungehindert und in einer Richtung vom Filtereinlassrohr 26 in und durch das Filtergehäuse 12. Daher fließt praktisch kein Kühlmittel als zurückfließendes Kühlmittel 62a vom Filtergehäuse 12 zurück in das Filtereinlassrohr 26 und in das Rückflussrohr 28. Dementsprechend misst der Druckmesser 32 im Rückflussrohr 28 einen Kühlmitteldruck von ”0”. Dieser Kühlmitteldruck korreliert mit einer Verstopfung des Filterelements 20 von 0%. Diesen unverstopften Zustand des Filterelements 20 zeigt die Druckanzeige 38 an, indem sie dem ersten Anzeigebereich 40a die ”Aktivierungsfarbe” (in diesem Fall grün) zuweist, während die übrigen Anzeigebereiche 40b–40d ihre einheitliche Hintergrundfarbe beibehalten. Dementsprechend wird die Druckanzeige 38 so gedeutet, dass sie entweder einen unverstopften Zustand des Filterelements 20 oder einen verstopften Zustand zwischen 1% und 25% anzeigt.
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In dem Maße wie das Filterelement 20 bei längerem Gebrauch durch Partikel zunehmend verstopft, beginnt, da das nach vorn strömende Kühlmittel 62 auf die blockierten Bereiche des Filterelements 20 trifft, ein Teil des Kühlmittels vom Filtergehäuse 12 zurückzufließen und als zurückfließendes Kühlmittel 62a zurück in das Filtereinlassrohr 26 zu fließen. Ein Teil dieses zurückfließenden Kühlmittels 62a fließt in das Rückflussrohr 28. Der Druckmesser 32 misst den Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a im Rückflussrohr 28, und die Druckanzeige 38 zeigt den gemessenen Druck als direktes Maß des Grades der Blockierung des Filterelements 20 an.
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Entspricht der Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a einer Blockierung des Filterelements 20 von 1% bis 25%, so zeigt der erste Anzeigebereich 40a der Druckanzeige 38 die entsprechende ”Aktivierungsfarbe” (in diesem Falle grün). Entspricht der Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a im Rückflussrohr 28 einer Blockierung des Filterelements 20 von 25% bis 50%, so wechselt die Farbe des zweiten Anzeigebereichs 40b von der Hintergrundfarbe zu der entsprechenden ”Aktivierungsfarbe” (in diesem Falle gelb). Entspricht der Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a im Rückflussrohr 28 einer Blockierung des Filterelements 20 von 50% to 75%, so wechselt die Farbe des dritten Anzeigebereichs von der Hintergrundfarbe zu der entsprechenden ”Aktivierungsfarbe” (in diesem Falle orange). Entspricht der Druck des zurückfließenden Kühlmittels 62a im Rückflussrohr 28 einer Blockierung des Filterelements 20 von 75% to 100%, so wechselt die Farbe des vierten Anzeigebereichs 40d von der Hintergrundfarbe zu der entsprechenden ”Aktivierungsfarbe” (in diesem Falle rot). Ist dieser Zustand erreicht, so zeigt die Aktivierung des vierten Anzeigebereichs 40d dem Fahrer (nicht dargestellt) des Brennstoffzellenfahrzeugs 50 an, dass der Brennstoffzellenkühlmittelfilter 10 aus dem Fahrzeug 50 zu entfernen oder zu warten ist.
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Der Filter 10 ist vorzugsweise so konstruiert, dass er Kühlmitteldrücken von bis zu etwa 5,17 bar (75 psi) standhalten kann, ohne undicht zu werden oder seine Funktionsfähigkeit einzubüßen. Die Konstruktion des Filters 10 ermöglicht dessen Betrieb bei Temperaturen von 85°C ohne Verlust seiner strukturellen Integrität. Der Filter 10 kann ohne Wartung mindestens ein Jahr lang oder über eine Fahrleistung von 25.000 km (15.000 Meilen) betrieben werden. Für die Verwendung des Filters 10 gelten vorzugsweise die folgenden Betriebsbedingungen: Luftfeuchtigkeit zwischen 0% und 100%; Höhen zwischen 150 Meter unterhalb und 4.570 Metern oberhalb des Meeresspiegels; und maximaler Druckverlust 0,06 bar (0,9 psi) bei einer Pumpendrehzahl von 4.500 Umdrehungen pro Minute und einer Durchflussmenge von 97 Litern pro Minute (25,5 gpm).
