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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem und insbesondere einen Ventilmechanismus, der zum selektiven Liefern einer Wasserstoffströmung zu einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln und zum selektiven Ablassen des Wasserstoffs von einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln angepasst ist.
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Aus der
DE 21 33 624 A ist beispielsweise ein Ventilmechanismus bekannt geworden, mit: einem Ventilkörper, der einen Einlass besitzt, der in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle bringbar ist; einem Aktuator, der in dem Ventilkörper angeordnet ist; einem Stator, der in dem Ventilkörper angeordnet ist und eine Vielzahl von Öffnungen besitzt; und einem Rotor, der einen darin geformten Strömungskanal besitzt, wobei der Rotor drehbar mit dem Aktuator verbunden und zwischen dem Aktuator und dem Stator in dem Ventilkörper angeordnet ist, wobei eine Rotation des Rotors eine selektive Strömung eines Fluides von der Fluidquelle durch den Venilkörper, durch zumindest eine der Öffnungen und selektiv an einen einer Vielzahl von Verbrauchern ermöglicht.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen als eine Energiequelle vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an eine Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff als ein Oxidationsmittel an eine Kathode geliefert. Ein typisches Brennstoffzellensystem weist eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf, die in einem Brennstoffzellenstapel aneinander gestapelt sind. Typischerweise sind zahlreiche Brennstoffzellenstapel erforderlich, um brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge anzutreiben. Große Mengen an Wasserstoff, der in Brennstofftanks an einem Untergestell des Fahrzeugs gespeichert ist, werden an jeden der Brennstoffzellenstapel geliefert, um das Fahrzeug zu betreiben.
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Gegenwärtige Brennstoffzellensysteme weisen einen Ventilmechanismus auf, der einer Einlass- und einer Ablassleitung des Anodensubsystems jedes Brennstoffzellenstapels zugeordnet ist. Es können acht Ventilmechanismen erforderlich sein, um richtig Wasserstoff zu den Brennstoffzellenstapeln zu liefern und Wasserstoff von den Brennstoffzellenstapeln abzulassen. Jeder Ventilmechanismus kann zugeordnete Komponenten aufweisen, wie beispielsweise einen Injektor, ein Solenoid und ein Steuersystem. Zahlreiche Ventilmechanismen und zugeordnete Komponenten besetzen einen relativ großen Raum in dem Brennstoffzellenfahrzeug.
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Es besteht Bedarf, einen verbesserten Ventilmechanismus für ein Anodensubsystem zu entwickeln, der zum selektiven Liefern einer Wasserstoffströmung zu einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln und zum selektiven Ablassen des Wasserstoffs von einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln angepasst ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung und entsprechend der vorliegenden Erfindung ist überraschend ein Ventilmechanismus für ein Anodensubsystem entdeckt worden, der zum selektiven Liefern einer Wasserstoffströmung zu einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln und zum selektiven Ablassen des Wasserstoffs von einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln angepasst ist.
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Bei einer Ausführungsform umfasst ein Ventilmechanismus einen Ventilkörper, der einen Einlass in Fluidverbindung mit einer Fluidquelle besitzt; einen Aktuator, der in dem Ventilkörper angeordnet ist; einen Stator, der in dem Ventilkörper angeordnet ist und eine Vielzahl von Öffnungen besitzt; und einen Rotor, der einen darin geformten Strömungskanal besitzt, wobei der Rotor drehbar mit dem Aktuator verbunden und zwischen dem Aktuator und dem Stator in dem Ventilkörper angeordnet ist, wobei eine Rotation des Rotors eine selektive Strömung eines Fluides von der Fluidquelle durch den Ventilkörper, durch zumindest eine der Öffnungen und selektiv an einen einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln ermöglicht.
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Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst: eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln; einen Ventilkörper mit einem Einlass in Fluidverbindung mit einem Fluid, der benachbart dem Aktuator angeordnet ist; einem Aktuator, der in dem Ventilkörper angeordnet ist; einem Stator, der in dem Ventilkörper angeordnet ist und eine Vielzahl von Öffnungen besitzt, wobei die Vielzahl von Öffnungen zumindest eine erste Strömungsöffnung in Fluidverbindung mit einem ersten Brennstoffzellenstapel und eine zweite Strömungsöffnung in Fluidverbindung mit einem zweiten Brennstoffzellenstapel aufweist; und einen Rotor mit einem darin geformten Strömungskanal, wobei der Rotor drehbar mit dem Aktuator verbunden und zwischen dem Aktuator und dem Stator in dem Ventilkörper angeordnet ist, wobei eine Rotation des Rotors eine selektive Strömung eines Fluides von der Fluidquelle durch den Ventilkörper, selektiv durch zumindest eine der Strömungsöffnungen und an einen einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln ermöglicht, wobei der Strömungskanal des Rotors über der Vielzahl von Öffnungen positioniert ist, um selektiv eine Strömung des Fluides zu der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln oder ein Ablassen des Fluids von der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln zu ermöglichen.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Ventilmechanismus einen Ventilkörper mit einem Einlass in Fluidverbindung mit einem Fluid, der benachbart dem Aktuator angeordnet ist; einen Aktuator, der in dem Ventilkörper angeordnet ist; einen Stator, der eine erste Strömungsöffnung, eine zweite Strömungsöffnung, eine erste Ablassöffnung und eine zweite Ablassöffnung besitzt, wobei die erste Strömungsöffnung in Fluidverbindung mit einem ersten Brennstoffzellenstapel steht und die zweite Strömungsöffnung in Fluidverbindung mit einem zweiten Brennstoffzellenstapel steht; einen Rotor, der einen darin geformten Strömungskanal besitzt, wobei der Rotor drehbar mit dem Aktuator verbunden und zwischen dem Aktuator und dem Stator in dem Ventilkörper angeordnet ist, wobei eine Rotation des Rotors eine selektive Strömung eines Fluides von der Fluidquelle durch den Ventilkörper, selektiv durch zumindest eine der Strömungsöffnungen und zu einem einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln ermöglicht, wobei der Strömungskanal des Rotors über der Vielzahl von Öffnungen positioniert ist, um selektiv eine Strömung des Fluides zu der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln oder ein Ablassen des Fluides von der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln zuzulassen.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich, in welchen:
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1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ventilmechanismus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
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2 eine Stirnansicht eines Stators des Ventilmechanismus von 1 ist;
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3 ein Aufriss eines Rotors des Ventilmechanismus von 1 ist;
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4a ein Aufriss des in 1 gezeigten Rotors und Stators ist, der den Ventilmechanismus in einer ersten Position zeigt;
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4b ein Aufriss des in 1 gezeigten Rotors und Stators ist, der den Ventilmechanismus in einer zweiten Position zeigt;
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4c ein Aufriss des in 1 gezeigten Rotors und Stators ist, der den Ventilmechanismus in einer dritten Position zeigt;
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4d ein Aufriss des in 1 gezeigten Rotors und Stators ist, der den Ventilmechanismus in einer vierten Position zeigt;
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5 eine schematische Ansicht einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln mit einer Schnittansicht des Ventilmechanismus von 1 ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die folgende detaillierte Beschreibung und angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden.
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1 zeigt einen Ventilmechanismus 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Ventilmechanismus 10 weist einen Aktuator 12, einen Ventilkörper 14, einen Stator 16 und einen Rotor 18 auf. Es sei zu verstehen, dass der Ventilmechanismus 10 aus einem beliebigen herkömmlichen Material hergestellt sein kann, wie beispielsweise Stahl, eine Stahllegierung, ein Keramikverbund, ein Kunststoffverbund und eine Kombination daraus.
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Der Aktuator 12 ist in dem Ventilkörper 14 des Ventilmechanismus 10 angeordnet und mit dem Rotor 18 durch eine drehbare Achse 20 verbunden. Es sei zu verstehen, dass der Aktuator 12 ein beliebiger herkömmlicher Aktuator sein kann, wie beispielsweise ein drehbarer Solenoid, ein DC-Motor, ein Schrittmotor oder ein Drehmomentmotor. Es sei ferner zu verstehen, dass der Aktuator 12 gegebenenfalls außerhalb und benachbart des Ventilmechanismus 10 angeordnet sein kann.
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Der Ventilkörper 14 weist einen Einlass 22 in Fluidverbindung mit einer Quelle (nicht gezeigt) eines ersten Fluides (nicht gezeigt) auf. Das erste Fluid kann ein beliebiges Fluid sein, wie beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Luft. Bei der gezeigten Ausführungsform besitzt der Ventilkörper 14 eine allgemein zylindrische Form mit einer kreisförmigen Querschnittsform. Der Ventilkörper 14 bildet einen Hohlraum 32, der derart ausgebildet ist, um den Aktuator 12, den Stator 16 und den Rotor 18 aufzunehmen. Es sei zu verstehen, dass der Ventilkörper 14 gegebenenfalls eine beliebige Form besitzen kann. Es sei ferner zu verstehen, dass der Aktuator 12, der Stator 16 und der Rotor 18 gegebenenfalls vollständig oder teilweise in einem Äußeren des Ventilkörpers 14 angeordnet sein können oder im Wesentlichen an einem Äußeren des Ventilkörpers 14 angrenzen können.
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Der Stator 16 weist eine erste Strömungsöffnung 24, eine zweite Strömungsöffnung 26, eine erste Ablassöffnung 28 und eine zweite Ablassöffnung 30 auf. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Stator 16 in dem Ventilkörper 14 des Ventilmechanismus 10 angeordnet und grenzt an den Rotor 18 an, der ebenfalls in dem Ventilkörper 14 angeordnet ist. Wie in 5 gezeigt ist, steht die erste Strömungsöffnung 24 in Fluidverbindung mit einer Anodenseite (nicht gezeigt) eines ersten Brennstoffzellenstapels 40, und die zweite Strömungsöffnung 26 steht in Fluidverbindung mit einer Anodenseite (nicht gezeigt) eines zweiten Brennstoffzellenstapels 42. Die erste Ablassöffnung 28 und die zweite Ablassöffnung 30 stehen in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellensystemaustrag, der mit Umgebungsluft in Verbindung steht. Es sei zu verstehen, dass die Ablassöffnungen 28, 30 gegebenenfalls in Fluidverbindung mit dem ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel 40, 42 und der Umgebungsluft stehen können. Wie in 2 gezeigt ist, besitzt der Stator 16 eine im Wesentlichen kreisförmige Form. Es sei zu verstehen, dass der Stator 16 gegebenenfalls eine beliebige Form besitzen kann. Die Strömungsöffnungen 24, 26 sind im Wesentlichen kreisförmig. Die Ablassöffnungen 28, 30 sind im Wesentlichen kreisförmig und besitzen einen Durchmesser, der kleiner als ein Durchmesser der Strömungsöffnung 24, 26 ist. Es sei zu verstehen, dass die Öffnungen 24, 26, 28, 30 gegebenenfalls eine beliebige Form und beliebige Durchmesser besitzen können.
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Der Rotor 18 weist einen Strömungskanal 34 auf, der mit der Achse 20 des Aktuators 12 zur Rotation damit verbunden ist. Der Rotor 18 ist in dem Hohlraum 32 des Ventilkörpers 14 im Wesentlichen angrenzend an den Stator 16 angeordnet. Wie in 3 gezeigt ist, besitzt der Rotor 18 eine kreisförmige Form, wobei ein Kreisausschnitt 36 entfernt ist. Ein Kreisausschnitt, der auch als ein Kuchenstück bekannt ist, ist als der Abschnitt eines Kreises definiert, der durch zwei Radien und einen Bogen eingeschlossen ist. Es sei zu verstehen, dass der Rotor 18 gegebenenfalls eine beliebige Form besitzen kann. Es sei ferner zu verstehen, dass der Abschnitt des Rotors 18, der entfernt ist, beispielsweise eine beliebige Form besitzen kann, wie beispielsweise eine Halbmondform, eine im Wesentlichen dreieckige Form oder eine im Wesentlichen rechteckige Form. Ein Strömungskanal 34 ist in einer Fläche des Rotors 18 geformt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Strömungskanal 34 im Wesentlichen y-förmig, wobei jedoch zu verstehen sei, dass der Strömungskanal 34 eine beliebige Form besitzen kann, wie beispielsweise eine t-Form und eine v-Form.
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Allgemein wird während des Betriebs eines Brennstoffzellenenergiesystems, wie dem Brennstoffzellenenergiesystem des U.S. Patents Nr. 6,939,631 (
US 6 939 631 B2 ) mit dem Titel FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION, das hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist, ein Wasserstoffstrom in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführt. Gleichzeitig wird ein Sauerstoffstrom in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführt. An der Anodenseite wird der Wasserstoff in dem Wasserstoffstrom katalytisch in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Oxidations-Halbzellenreaktion wird dargestellt durch: H
2 ↔ 2H
+ + 2e
–. Bei einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle dringen die Protonen durch die Membran zu der Kathodenseite. Die Elektronen wandern entlang einer externen Lastschaltung an die Kathodenseite, wodurch der Strom von Elektrizität des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird. Auf der Kathodenseite reagiert der Sauerstoff in dem Oxidationsmittelstrom mit den durch die Membran hindurchdringenden Protonen und in Elektronen aus der externen Schaltung, um Wassermoleküle zu bilden. Diese Reduktions-Halbzellenreaktion wird dargestellt durch: 4H
+ + 4e
– + O
2 ↔ 2H
2O. Anodenabgas von der Anodenseite strömt durch ein Gegendrucksteuerventil (nicht gezeigt) zu einem Brenner. Kathodenabgas von der Kathodenseite strömt durch ein zweites Gegendrucksteuerventil (nicht gezeigt) an den Brenner. Ein Steuermodul (nicht gezeigt) regelt die Bedingungen des Wasserstoffstroms, des Sauerstoffstroms und der Abgasströme durch Betrieb verschiedener Steuerventile (nicht gezeigt), Gegendrucksteuerventile (nicht gezeigt) und Kompressoren (nicht gezeigt) in Ansprechen auf Signale von Drucksensoren (nicht gezeigt) und Sensoren für elektrische Energie (nicht gezeigt), die mit den Brennstoffzellenstapeln
40,
42 verbunden sind.
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Im Betrieb des Brennstoffzellensystems steht der Ventilmechanismus 10 in Fluidverbindung mit der Wasserstoffquelle, dem ersten Brennstoffzellenstapel 40 und dem zweiten Brennstoffzellenstapel 42. Es wird veranlasst, dass ein Wasserstoffstrom von der Wasserstoffquelle durch den Einlass 22 in den Ventilmechanismus 10 strömt. Wenn der Wasserstoff in den Ventilmechanismus 10 strömt, wird durch einen Controller (nicht gezeigt) veranlasst, dass der Aktuator 12 den Rotor 18 in Rotation versetzt. Es wird veranlasst, dass der Rotor 18 relativ zu dem Stator 16 in eine von vier Positionen auf Grundlage einer Eingabe von dem Controller dreht. Es sei zu verstehen, dass die Anzahl von Positionen, in denen der Rotor 18 positioniert werden kann, von der Größe und der Form des Rotors, der Anzahl von Brennstoffzellenstapeln, die mit Wasserstoff beliefert werden sollen, und anderen ähnlichen Konstruktionsbetrachtungen abhängt. Es sei ferner zu verstehen, dass der Controller eine Rotation des Rotors durch den Aktuator 12 auf Grundlage einer gewünschten Strömung zu dem ersten Brennstoffzellenstapel 40 oder dem zweiten Brennstoffzellenstapel 42, unabhängig davon, ob die Brennstoffzellenstapel 40, 42 kalt starten oder im stabilen Zustand sind, oder anderen Steuervariablen bewirken kann. Durch Bereitstellung einer Fluidverbindung zwischen der Wasserstoffquelle und jedem des ersten Brennstoffstapels und des zweiten Brennstoffstapels durch den Ventilmechanismus 10 wird eine Redundanz von Ventilmechanismen, Leitungssystemen und anderen Komponenten vermieden und der von dem Ventilmechanismus besetzte Raum wird minimiert.
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In einer ersten Position, die in 4a gezeigt ist, wird veranlasst, dass der Rotor 18 die zweite Strömungsöffnung 26, die erste Ablassöffnung 28 und die zweite Ablassöffnung 30 des Stators 16 blockiert. Der Kreisausschnitt 36 ist über der ersten Strömungsöffnung 24 positioniert. Wenn der Kreisausschnitt 36 über der ersten Strömungsöffnung 24 positioniert ist, wird ermöglicht, dass Wasserstoff von der Quelle durch den Einlass 22, durch den Ventilmechanismus 10 und die erste Strömungsöffnung 24 und zu dem ersten Brennstoffzellenstapel 40 strömen kann.
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In einer zweiten Position, die in 4b gezeigt ist, wird bewirkt, dass der Rotor 18 die erste Ablassöffnung 28 blockiert, während der Strömungskanal 34 des Rotors 18 über der zweiten Strömungsöffnung 26 und der zweiten Ablassöffnung 30 positioniert ist. Der Kreisausschnitt 36 ist über der ersten Strömungsöffnung 24 positioniert, um eine Fluidverbindung zwischen der ersten Strömungsöffnung 24 und dem Ventilmechanismus 10 zu ermöglichen. Die zweite Position erlaubt eine Strömung von Wasserstoff von der Wasserstoffquelle, durch den Ventilmechanismus 10 und zu dem ersten Brennstoffzellenstapel 40, während gleichzeitig ein Ablassen von Wasserstofffluid von dem zweiten Brennstoffzellenstapel 42 durch die zweite Strömungsöffnung 26, durch den Strömungskanal 34 und aus dem Ventilmechanismus 10 durch die zweite Ablassöffnung 30 ermöglicht wird.
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Bei einer dritten Position, die in 4c gezeigt ist, wird veranlasst, dass der Rotor 18 die erste Strömungsöffnung 24, die erste Ablassöffnung 28 und die zweite Ablassöffnung 30 des Stators 16 blockiert. Der Kreisausschnitt 36 ist über der zweiten Strömungsöffnung 26 positioniert. Wenn der Kreisausschnitt 36 über der zweiten Strömungsöffnung 30 positioniert ist, wird ermöglicht, dass Wasserstoff von der Quelle durch den Einlass 22, durch den Ventilmechanismus 10 und die erste Strömungsöffnung 24 und zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel 42 strömen kann.
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In einer vierten Position, die in 4d gezeigt ist, wird veranlasst, dass der Rotor 18 die zweite Ablassöffnung 30 blockiert, während der Strömungskanal 34 des Rotors 18 über der ersten Strömungsöffnung 24 und der ersten Ablassöffnung 28 positioniert ist. Der Kreisausschnitt 36 ist über der zweiten Strömungsöffnung 26 positioniert, um eine Fluidverbindung zwischen der zweiten Strömungsöffnung 26 und dem Ventilmechanismus 10 zu ermöglichen. Die vierte Position ermöglicht eine Wasserstoffströmung von der Wasserstoffquelle zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel 42, während gleichzeitig ein Ablassen von Wasserstofffluid von dem ersten Brennstoffzellenstapel 40 durch die erste Strömungsöffnung 26, durch den Strömungskanal 34 und aus dem Ventilmechanismus 10 durch die erste Ablassöffnung 28 ermöglicht wird.
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Durch Bereitstellung eines einzelnen Ventilmechanismus 10 in Fluidverbindung mit der Wasserstoffquelle und jedem des ersten Brennstoffstapels und des zweiten Brennstoffstapels wird eine Redundanz von Ventilmechanismen, Leitungssystemen und anderen Komponenten vermieden. Durch Minimierung redundanter Komponenten wird der von den Komponenten besetzte Raum minimiert, wodurch der Raum maximiert wird, der verfügbar ist, um von einem Brennstofftank (nicht gezeigt), dem ersten Brennstoffzellenstapel, dem zweiten Brennstoffzellenstapel oder anderen Systemkomponenten besetzt zu werden, wie gewünscht. Zusätzlich ist ein einzelner Aktuator 12 vorgesehen, um den Ventilmechanismus 10 zu steuern, wodurch die Anzahl von Aktuatoren, die erforderlich sind, reduziert wird und ferner der Raum maximiert wird, der für andere Systemkomponenten verfügbar ist. Durch Minimierung der Anzahl von Aktuatoren und Ventilmechanismen, die derart ausgebildet sind, um die Wasserstoffzufuhr zu regulieren, wird die Gesamtsteuerung der Wasserstoffzufuhr und des Wasserstoffablassens vereinfacht.
