DE102008007174B4 - Brennstoffzellensystem mit Wachselementen als passive Steuervorrichtungen - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit Wachselementen als passive Steuervorrichtungen Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einem Stapel von Brennstoffzellen; und ein Kühlsystem (10) zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels (12), wobei das Kühlsystem (10) eine Kühlleitung (14, 16, 34) umfasst, die ein gekühltes Kühlfluid an den Stapel (12) liefert und ein erwärmtes Kühlfluid von dem Stapel (12) entfernt, wobei das Kühlsystem (10) ferner eine Wachselementvorrichtung umfasst, die innerhalb der Kühlleitung (14, 16, 34) positioniert ist, wobei die Wachselementvorrichtung (32) einen Behälter (38), ein Wachselement (36), das innerhalb des Behälters positioniert ist, und eine Stange (42) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (38) an der Kühlleitung (14, 16, 34) befestigt ist und dass die Stange (42) innerhalb des Wachselements positioniert ist und sich aus der Kühlleitung nach außen heraus erstreckt, wobei sich das Wachselement (36) in Ansprechen auf Temperaturänderungen des Kühlfluids ausdehnt und zusammenzieht und die Stange (42) sich in Ansprechen auf das Ausdehnen und Zusammenziehen des Wachselements (36) bewegt, wobei die Stange (42) elektrisch leitfähig ist und im ausgedehnten Zustand einen Strompfad zwischen zwei Kontakten (44, 46) eines elektrischen Kreises schafft, um eine Vorrichtung zu aktivieren.

Description

  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft unter anderem ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der US 2002/0 037 447 A1 bekannt geworden ist.
  • Ferner ist aus der DE 33 47 363 A1 eine Kühleinrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt geworden, in dessen Zulauf ein thermostatisches Ventil angeordnet ist, das sich mit einem Arbeitskolben aus dem Zulauf heraus erstreckt. Der Arbeitskolben ist dabei mit Luftklappen kinematisch gekoppelt, um diese infolge einer temperaturbedingten Betätigung des Ventils öffnen und schließen zu können.
  • 2. Erläuterungen des technischen Gebietes
  • Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode mithilfe eines Katalysators dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu bilden. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mithilfe eines Katalysators mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu bilden. Die Elektronen von der Anode gelangen nicht durch den Elektrolyt und werden daher durch einen Verbraucher geleitet, um Arbeit zu leisten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende feste Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Die Kombination aus der Anode, der Kathode und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig herzustellen und benötigen bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen eine geeignete Wasserbehandlung und Befeuchtung und die Beherrschung von den Katalysator vergiftenden Bestandteilen wie z. B. Kohlenmonoxid (CO).
  • Viele Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodenladungsgas, das Sauerstoff enthält, und ist typischerweise eine Gebläseluftströmung von einem Verdichter. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff in der Luft und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Stapel empfängt auch ein Wasserstoff-Anodengas. Ein Kühlsystem ist im Allgemeinen notwendig, um Wärme von dem Stapel, die durch seinen Betrieb erzeugt wird, zu entfernen.
  • Die bekannten Steuerungssysteme für ein Brennstoffzellen-Kühlsystem verwenden Sensoren, Antriebssteuergeräte und Aktuatoren, um die Steuerung auszuführen. Es wäre wünschenswert, einige dieser Vorrichtungen zu eliminieren, um die Komplexität, das Gewicht etc. des Systems zu reduzieren.
  • Wachselementvorrichtungen sind in der Elektronikindustrie als einfache elektrische Schaltvorrichtungen bekannt. Es wäre wünschenswert, solche Wachselementvorrichtungen zu verwenden, um eine passive Steuerung in den Brennstoffzellensystemen vorzusehen, die dauerhaft möglichst zuverlässig arbeitet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird daher ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das ein oder mehrere Wachselemente verwendet, um eine passive Steuerung vorzusehen. In einer Ausführungsform ist eine Wachselementvorrichtung innerhalb einer Kühlmittelstromrohrleitung positioniert. Die Wachselementvorrichtung umfasst ein Wachselement, das innerhalb eines Behälters positioniert ist, wobei der Behälter an der Rohrleitung befestigt ist. Eine elektrisch leitfähige Stange ist innerhalb des Wachselements positioniert und erstreckt sich aus der Rohrleitung heraus. Wenn sich das Wachselement in Ansprechen auf Temperaturänderungen des Kühlfluids ausdehnt und zusammenzieht, bewegt sich die Stange auf und ab, um verschiedene elektrische Kontakte herzustellen und die verschiedenen Vorrichtungen wie z. B. eine Kühlmittelpumpe und ein Kühlmittelgebläse zu steuern.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines bekannten Kühlsystems für ein Brennstoffzellensystem; und
  • 2 ist eine Draufsicht eines Teils eines Brennstoffzellensystems, das ein Wachselement zur Steuerung eines Kühlgebläses und/oder eine Kühlpumpe verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
  • 1 ist eine vereinfachte Draufsicht eines Kühlsystems 10 für ein Brennstoffzellenmodul 12, die allgemein den in der Technik bekannten Typ zeigt. Das Modul 12 empfängt ein Kühlfluid auf einer Leitung 14, das durch Kühlkanäle innerhalb des Moduls 12 strömt, um Wärme davon zu entfernen. Das erwärmte Kühlfluid wird von dem Modul 12 auf der Leitung 16 abgegeben und zu einem Wärmeaustauscher 18 geleitet, um das erwärmte Kühlfluid zu kühlen. Ein Gebläse 20 zwingt Luft durch den Wärmeaustauscher 18, um das Kühlfluid zu kühlen, und das gekühlte Kühlfluid wird dann auf der Leitung 14 zu dem Brennstoffzellenmodul 12 zurückgeleitet. Eine Pumpe 22 pumpt das Kühlfluid durch das System 10.
  • Verschiedene Sensoren, Schalter, Ventile etc. sind in der Technik bekannt, um den Betrieb des Kühlsystems 10 zu steuern und das Modul 12 bei einer gewünschten Betriebstemperatur zu halten. Das Brennstoffzellenmodul 12 kann je nach Ausgangsleistungsbedarf, ob es sich um einen Start etc. handelt, verschiedene Kühlniveaus benötigen. Zum Beispiel kann ein Sensor erfassen, wann das Modul 12 eine bestimmte Temperatur erreicht, und bewirken, dass ein Schalter die Pumpe 22 einschaltet. Wenn die Temperatur des Moduls 12 auf eine höhere Temperatur ansteigt, kann der Sensor dann bewirken, dass ein anderer Schalter das Gebläse 20 einschaltet. Wenn die Temperatur des Moduls 12 auf eine noch höhere Temperatur ansteigt, kann der Sensor bewirken, dass die Drehzahl des Gebläses 20 erhöht wird. Verschiedene Kühlschemen sind in der Technik für verschiedene Brennstoffzellensysteme und -anwendungen bekannt.
  • 2 ist eine Draufsicht eines Teils eines Kühlsteuerungssystems 30 für ein Brennstoffzellensystem, das eine Wachselement-Betätigungsvorrichtung 32 verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 32 ist innerhalb einer Kühlmittelrohrleitung 34 innerhalb des Systems 30 wie z. B. in einer der Leitungen 14 oder 16 positioniert. Die Vorrichtung 32 umfasst ein Wachselement 36, das in einem Behälter 38 gebildet ist. Der Behälter 38 ist mithilfe von Bolzen, Schrauben oder dergleichen starr an der Rohrleitung 34 befestigt. Eine elektrisch leitfähige Stange 42 ist starr innerhalb des Wachselements 32 positioniert und erstreckt sich aus der Rohrleitung 34 heraus, wie gezeigt. Die Öffnung in der Rohrleitung 34, durch die sich die Stange 42 heraus erstreckt, ist um die Rohrleitung 34 herum abgedichtet, sodass das Kühlfluid innerhalb der Rohrleitung 34 nicht austritt. Die Vorrichtung 32 kann auch mit dem Kathodenabgasstrom positioniert sein, um auf dieselbe Weise zu arbeiten. Die Wachselementvorrichtung ist in diesem Aufbau in Bezug auf die Temperatur des Kathodenabgases und nicht auf die Temperatur des Kühlfluids kalibriert.
  • In Ansprechen auf Temperaturänderungen dehnt sich das Wachselement 36 aus und zieht sich zusammen und die Stange 42 bewegt sich in Ansprechen auf das Ausdehnen und Zusammenziehen des Wachselement 36 auf und ab. Das System 30 umfasst eine Erdungs- oder Spannungsquelle, einen elektrischen Kontakt 44 wie z. B. 5 V, 12 V, 42 V etc., einen elektrischen Kontakt 46 für ein erstes Signal und einen elektrischen Kontakt 48 für ein zweites Signal, die relativ zu der Stange 42 positioniert sind, wie gezeigt. Wenn die Temperatur des Kühlfluids in der Rohrleitung 34 niedrig ist, wird das Wachselement 36 zusammengezogen und die Stange 42 steht nur mit dem Erdungskontakt 44 in Kontakt. Wenn die Temperatur des Kühlfluids ansteigt, bewegt sich die Stange 42 nach oben in Richtung des elektrischen Kontakts 46. Wenn die Stange 42 mit dem Kontakt 46 in Kontakt steht, ist ein Kreis geschlossen und eine Vorrichtung wie z. B. die Pumpe 22 wird aktiviert, um zu bewirken, dass das Kühlfluid durch den Kühler 18 strömt, um die Temperatur des Kühlfluids zu senken. Wenn die Temperatur des Kühlfluids weiter ansteigt, wird die Stange 42 schließlich mit dem elektrischen Kontakt 48 in Kontakt gelangen und einen weiteren elektrischen Kreis schließen, um eine weitere Vorrichtung wie z. B. das Gebläse 20 zu aktivieren, um das Kühlfluid weiter zu kühlen. Wenn das Kühlfluid abkühlt, werden die Vorrichtungen auf dieselbe Weise ausgeschaltet.
  • Die Kontakte 46 und 48 können andere Kreise als die oben erläuterten betreiben. Zum Beispiel kann der Kontakt 46 das Gebläse 20 mit einer ersten niedrigen Drehzahl betreiben und der Kontakt 48 kann das Gebläse 20 mit einer zweiten höheren Drehzahl betreiben. Außerdem können mehr Kontakte vorgesehen sein, um mehr Kreise für andere Konstruktionen zu betreiben.

Claims (4)

  1. Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einem Stapel von Brennstoffzellen; und ein Kühlsystem (10) zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels (12), wobei das Kühlsystem (10) eine Kühlleitung (14, 16, 34) umfasst, die ein gekühltes Kühlfluid an den Stapel (12) liefert und ein erwärmtes Kühlfluid von dem Stapel (12) entfernt, wobei das Kühlsystem (10) ferner eine Wachselementvorrichtung umfasst, die innerhalb der Kühlleitung (14, 16, 34) positioniert ist, wobei die Wachselementvorrichtung (32) einen Behälter (38), ein Wachselement (36), das innerhalb des Behälters positioniert ist, und eine Stange (42) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (38) an der Kühlleitung (14, 16, 34) befestigt ist und dass die Stange (42) innerhalb des Wachselements positioniert ist und sich aus der Kühlleitung nach außen heraus erstreckt, wobei sich das Wachselement (36) in Ansprechen auf Temperaturänderungen des Kühlfluids ausdehnt und zusammenzieht und die Stange (42) sich in Ansprechen auf das Ausdehnen und Zusammenziehen des Wachselements (36) bewegt, wobei die Stange (42) elektrisch leitfähig ist und im ausgedehnten Zustand einen Strompfad zwischen zwei Kontakten (44, 46) eines elektrischen Kreises schafft, um eine Vorrichtung zu aktivieren.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Kühlsystem (10) ferner eine Pumpe (22) umfasst, um das Kühlfluid durch die Kühlleitung (14, 16, 34) zu pumpen, wobei die Stange (42) die Pumpe (22) in Ansprechen auf eine Bewegung der Stange (42) elektrisch aktiviert und deaktiviert.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Kühlsystem (10) ferner einen Kühler (18) und ein Gebläse (20) umfasst, wobei die Stange (42) das Gebläse (20) in Ansprechen auf eine Bewegung der Stange (42) elektrisch aktiviert und deaktiviert.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Stange (42) das Gebläse (20) in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlfluids bei mehr als einer Drehzahl selektiv aktiviert.
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