DE102008009118B4 - Fahrzeuqsvstem und Brennstoffzeilensvstem mit einer Batteriekühlunq mit Hilfe der Abqasströmunq eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

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Abstract

Fahrzeugsystem (10), das umfasst:
einen Fahrgastraum (28);
ein Batteriesubsystem (26) mit einer Batterie und Batteriekomponenten, die in einem Batteriefach montiert sind;
einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Kathodeneingangsleitung (16) und einer Kathodenausgangsleitung (18), wobei die Kathodeneingangsleitung (16) eine Kathodeneingangs-Luftströmung empfängt und die Kathodenausgangsleitung (18) eine Kathodenabgasströmung von dem Brennstoffzellenstapel (12) empfängt;
eine Kühlleitung (30) in fluidmäßiger Verbindung mit dem Fahrgastraum (28) und dem Batteriefach; und
eine Injektorleitung (34) in fluidmäßiger Verbindung mit dem Batteriefach und der Kathodenausgangsleitung (18), wobei die Kathodenausgangsleitung (18) einen schmalen Abschnitt (42) umfasst und die Injektorleitung (34) an dem schmalen Abschnitt (42) mit der Kathodenausgangsleitung (18) gekoppelt ist, und wobei die Kathodenabgasströmung durch die Kathodenausgangsleitung (18) einen reduzierten Druck in dem schmalen Abschnitt (42) der Kathodenausgangsleitung (18) erzeugt, der Luft von dem Fahrgastraum (28) durch das Batteriefach und durch die Injektorleitung (34) und in die Kathodenausgangsleitung (18) saugt.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein ein Batteriekühlsystem für ein Fahrzeug und im Spezielleren ein Batteriekühlsystem für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug, wobei das Batteriekühlsystem die Abgasströmung von einem Brennstoffzellenstapel verwendet, um ein partielles Vakuum zu erzeugen, das Luft von dem Fahrgastraum des Fahrzeugs durch das Batteriesubsystem saugt.
  • Erläuterung des Standes der Technik
  • Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle 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 dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu bilden. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu bilden. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden daher durch einen Verbraucher geleitet, um Arbeit zu leisten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende feste Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorssulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem lonomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig herzustellen und benötigen bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
  • Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung, die von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff, und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoff-Zufuhrgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
  • Die dynamische Leistung eines Brennstoffzellenstapelsystems ist begrenzt. Des Weiteren kann die Zeitverzögerung vom Systemstart bis zur Fahrbarkeit und die langsame Beschleunigung eines Brennstoffzellenfahrzeugs nicht akzeptabel sein. Während eines Fahrzyklus variiert die Stapelzellenspannung, da die variable Fahrerleistungsanforderung der Stapelpolarisationskurve folgt. Die Spannungszyklen können die Stapellebensdauer verringern. Diese Nachteile können durch Verwenden einer Hochspannungsbatterie parallel mit dem Brennstoffzellenstapel minimiert werden. Es werden Algorithmen verwendet, um Verteilung der Leistung von der Batterie und dem Brennstoffzellenstapel vorzusehen, um die angeforderte Leistung zu erbringen.
  • Aus den oben erläuterten Gründen sind einige Brennstoffzellenfahrzeuge Hybridfahrzeuge, die eine aufladbare, zusätzliche Leistungsquelle wie z. B. eine Gleichstrombatterie oder einen Superkondensator (auch als Ultrakondensator oder Doppelschichtkondensator bezeichnet) zusätzlich zu dem Brennstoffzellenstapel verwenden. Die Leistungsquelle liefert zusätzliche Leistung für die verschiedenen zusätzlichen Fahrzeugverbraucher für einen Systemstart und während eines hohen Leistungsbedarfs, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung zu liefern. Im Spezielleren liefert der Brennstoffzellenstapel Leistung an einen Antriebsmotor und andere Fahrzeugsysteme über eine Gleichspannungs-Busleitung für den Fahrzeugbetrieb. Die Batterie liefert die zusätzliche Leistung während jener Zeiten an die Spannungs-Busleitung, wenn zusätzliche Leistung benötigt wird, die über jene hinausgeht, die der Stapel liefern kann, wie z. B. während einer starken Beschleunigung. Zum Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel eine Leistung von 70 kW liefern. Eine Fahrzeugbeschleunigung kann jedoch eine Leistung von 100 kW oder mehr erfordern. Der Brennstoffzellenstapel wird verwendet, um die Batterie während jener Zeiten zu laden, in denen der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, den Leistungsbedarf des Systems abzudecken. Die Generatorleistung, die von dem Antriebsmotor während eines regenerativen Bremsens verfügbar ist, wird ebenfalls verwendet, um die Batterie durch die Gleichstrom-Busleitung zu laden.
  • In einem bekannten Brennstoffzellen-Fahrzeughybridaufbau ist die Batterie ein Teil eines Batteriesubsystems, das in einem Gehäuse oder einem Fach eingeschlossen ist, wobei das System eine Vielzahl von Batteriemodulen umfasst, von denen jedes eine Anzahl an Batteriezellen aufweist. Das Batteriesubsystem umfasst ferner verschiedene Leistungssteuermodule, elektronische Steuerschaltungen etc., die in dem Fach enthalten sind. In diesem speziellen Aufbau ist es typischerweise erforderlich, die Batteriemodule zu kühlen, da sie einen beträchtlichen Betrag an Abwärme erzeugen, der die Leistung und die Lebensdauer des Batteriesubsystems vermindern könnte.
  • Es ist auf dem Gebiet der Brennstoffzellen bekannt, das Kühl-Nebensystem, das den Brennstoffzellenstapel kühlt, zu verwenden, um auch das Batteriesubsystem zu kühlen. Zum Beispiel können Strömungskanäle an geeigneten Stellen in dem Batteriesubsystemfach vorgesehen sein, die an der Kühlschleife, durch die ein den Brennstoffzellenstapel kühlendes Fluid strömt, angeschlossen sind. Das Kühl-Nebensystem wird typischerweise einen Kühler und ein Gebläse umfassen, die die Temperatur des Kühlfluids reduzieren, bevor es zu dem Brennstoffzellenstapel zurückgeleitet wird, um die Abwärme des Stapels aufzusammeln. Diese Art von Flüssigkeitskühlsystem für das Batteriesubsystem weist jedoch eine Anzahl von Nachteilen insofern auf, als es relativ komplex ist, die erforderlichen Rohre vorzusehen und so das Kühlfluid zu dem Batteriefach zu leiten. Des Weiteren ist während Hochlastbedingungen die Fähigkeit des Kühlers und des Kühlgebläses, das Kühlfluid zu kühlen, reduziert, was unter Umständen nicht ausreicht, um das Batteriesubsystem auf die gewünschte Temperatur zu kühlen, weshalb ein größerer/s Kühler und Gebläse benötigt wird, um unter diesen Bedingungen sowohl den Brennstoffzellenstapel als auch das Batteriesubsystem zu kühlen. Auch ist die normale Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels, typischerweise zwischen 60 °C und 80 °C, im Allgemeinen zu hoch für eine geeignete Kühlung des Batteriesubsystems. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, die Temperatur des Batteriesubsystems unter 40 °C zu halten.
  • Es ist in der Technik auch bekannt, ein separates thermisches Nebensystem zum Kühlen des Batteriesubsystems einzusetzen, das Luft als Kühlmedium verwendet. In einem speziellen Aufbau wird ein Gebläse verwendet, um Luft von dem Fahrgastraum des Fahrzeugs, die typischerweise eine angenehme Temperatur aufweist, anzusaugen, und die Luft durch das Batteriefach zu zwingen, sodass sie um die Batteriemodule herum strömt. Die erwärmte Luft, die durch das Batteriefach strömt, wird dann an die Umgebung abgegeben. Das luftgekühlte thermische Nebensystem ist typischerweise nicht in der Lage, einen so großen Betrag an Kühlung zu leisten, wie ein flüssiggekühltes thermisches Nebensystem, ist jedoch weniger komplex und einfacher zu implementieren. Allerdings benötigt das in dem luftgekühlten thermischen Batteriesubsystem verwendete Gebläse Leistung, um das Gebläse zu betreiben, und einen geeigneten Verpackungsraum. Es ist daher wünschenswert, das Gebläse zu beseitigen, um das Gewicht, den Verpackungsraum und die Leistung, das/den/die das Brennstoffzellenfahrzeug benötigt, zu reduzieren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugsystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Batteriesubsystem zu schaffen, wobei sich das Batteriesubsystem in zuverlässiger und kostengünstiger Weise kühlen lassen soll. Ferner soll ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit einer Batterie und einer Batteriekühlung geschaffen werden.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Herkömmliche Brennstoffzellensystem sind in den Druckschriften DE 21 2004 000 047 U1 und EP 1 325 531 B1 beschrieben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßes Fahrzeugsystem umfasst einen Fahrgastraum, ein Batteriesubsystem mit einer Batterie und Batteriekomponenten, die in einem Batteriefach montiert sind, einen Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodeneingangsleitung und einer Kathodenausgangsleitung, wobei die Kathodeneingangsleitung eine Kathodeneingangs-Luftströmung empfängt und die Kathodenausgangsleitung eine Kathodenabgasströmung von dem Stapel empfängt, eine Kühlleitung in fluidmäßiger Verbindung mit dem Fahrgastraum und dem Batteriefach, und eine Injektorleitung in fluidmäßiger Verbindung mit dem Batteriefach und der Kathodenausgangsleitung. Die Kathodenausgangsleitung umfasst einen schmalen Abschnitt, und die Injektorleitung ist an dem schmalen Abschnitt mit der Kathodenausgangsleitung gekoppelt. Die Kathodenabgasströmung durch die Kathodenausgangsleitung erzeugt einen reduzierten Druck in dem schmalen Abschnitt der Kathodenausgangsleitung, der Luft von dem Fahrgastraum durch das Batteriefach und durch die Injektorleitung und in die Kathodenausgangsleitung saugt.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems für ein Hybridfahrzeug, das ein thermisches Nebensystem zum Kühlen eines Batteriesubsystems verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
    • 2 ist eine Draufsicht eines Injektorrohres, das mit einem schmalen Bereich eines Kathodenabgasrohres von dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, um eine Ansaugung vorzusehen.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
  • Die folgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die ein Brennstoffzellensystem für ein Hybridfahrzeug vorsehen, das eine Technik verwendet, um Kühlluft von einem Fahrgastraum des Fahrzeugs durch ein Batteriesubsystem unter Verwendung einer Kathodenabgasströmung zu saugen, ist lediglich beispielhaft. Zum Beispiel findet die vorliegende Erfindung besondere Anwendung bei einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug. Der Fachmann wird jedoch einsehen, dass das Kühlsystem der Erfindung andere Anwendungen finden kann.
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Fahrzeugsystems 10 für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug. Das Fahrzeugsystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, der eine Kathodeneingangsluftströmung von einem Verdichter 14 auf einer Kathodeneingangsleitung 16 empfängt. Der Verdichter 14 zwingt die Kathodenluft durch den Brennstoffzellenstapel 12 und ein Kathodenabgas wird von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodenausgangsleitung 18 ausgegeben. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verdichter 14 ein Turboverdichter mit einer relativ hohen Umdrehungsgeschwindigkeit, um die gewünschte Luftströmung bereitzustellen, die für hohe Stapellasten benötigt wird. Ein Turboverdichter weist typischerweise eine minimale Rotationsgeschwindigkeit auf, wobei der Verdichter unterhalb dieser Drehzahl nicht richtig arbeiten wird. Die minimale Drehzahl des Verdichters 14 kann jedoch für eine spezielle geringe Ausgangslast des Brennstoffzellenstapels 12, wie z. B. die Ausgangslast, die benötigt wird, wenn sich das Fahrzeug im Leerlauf befindet, zu hoch sein. Um daher gewisse Nachteile, wie z. B. ein Austrocknen der Membranen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 zu verhindern, umgeht ein großer Anteil der Kathodeneinlassluft den Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Umgehungsleitung 20 unter Niedriglastbedingungen.
  • Das Fahrzeugsystem 10 umfasst ein Batteriesubsystem 26 der oben für ein Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug erläuterten Art. Das Batteriesubsystem 26 soll allgemein Batteriemodule, Batteriekomponenten und Steuerschaltungen darstellen, die innerhalb eines Faches montiert sind. Verschiedene Batteriesubsysteme werden verschieden aufgebaut sein. Das Batteriesubsystem 26 muss bei einer relativ niedrigen Temperatur wie z. B. unterhalb von 40 °C arbeiten, um eine entsprechende Lebensdauer und Leistung vorzusehen. In diesem Aufbau wird Luft innerhalb eines Fahrzeug-Fahrgastraumes 28 verwendet, um Kühlluft für das Batteriesubsystem 26 zu liefern, wobei die Kühlluft durch eine geeignete Kühlleitung 30 aus dem Fahrgastraum 28 gesaugt wird.
  • Ein erweiterter Abschnitt der Kathodenausgangsleitung 18 ist als Rohr 32 gezeigt. Eine Injektorleitung 34 steht in fluidmäßiger Verbindung mit dem Batteriesubsystem 26 und dem Rohr 32. Die Injektorleitung 34 umfasst ein Injektorende 36. Auf dem Prinzip des Venturi-Effekts erzeugt das Kathodenabgas, das durch das Rohr 32 strömt, ein partielles Vakuum an dem Injektorende 36, das einen niedrigeren Druck aufweist, als der Fahrgastraum 28. Dieser niedrigere Druck saugt Luft von dem Fahrgastraum 28 durch die Kühlleitung 30, durch das Batteriesubsystem 26, durch die Injektorleitung 34 und aus dem Rohr 32 heraus.
  • 2 ist eine repräsentative Darstellung dessen, wie der Venturi-Effekt wirkt, um solch ein Vakuum zu erzeugen. Ein Rohr 40 stellt das Rohr 32 dar, und ein Rohr 44 stellt die Injektorleitung 34 dar. Eine Luftströmung, die durch das Rohr 40 strömt, strömt durch einen Abschnitt 42 mit verengtem oder schmalerem Durchmesser, wo das Rohr 44 mit dem Rohr 40 gekoppelt ist. Der Druck der Luftströmung durch das Rohr 40 bewirkt, dass sich die Luft beschleunigt, wenn sie durch den verengten Abschnitt 42 strömt. Die erhöhte Geschwindigkeit der Luftströmung bewirkt, dass sich die Luftmoleküle trennen, was den Luftdruck an der Stelle reduziert, und bewirkt das partielle Vakuum, das Luft aus dem Fahrgastraum 28 saugt.
  • Bei niedrigeren Leistungslasten, wenn die Kathodeneinlass-Luftströmung gering ist, wird die Luft von dem Verdichter 14 auf der Umgehungsleitung 20 verwendet, um für die notwendige Kühlung für das Batteriesubsystem 26 zu sorgen. Im Speziellen ist der Verdichter 14, wie oben erläutert, ein Turboverdichter, der in einer Ausführungsform eine minimale Rotationsgeschwindigkeit von 30.000 U/min aufweisen kann. Bei dieser minimalen Verdichterdrehzahl wird eine Luftströmung von ca. 15 Gramm pro Sekunde bereitgestellt. Bei Leerlauflast-Anforderungen kann der Kathodenluftströmungsbedarf nur 3 Gramm pro Sekunde betragen. Daher werden die anderen 12 Gramm pro Sekunde der Luftströmung auf der Umgehungsleitung 20 um den Brennstoffzellenstapel 12 herum zu der Kathodenausgangsleitung 18 gelenkt, die das gewünschte partielle Vakuum an dem Injektorende 36 erzeugt. Somit strömt während aller Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels genügend Kühlluft von dem Fahrgastraum 28 und durch das Batteriesubsystem 26.

Claims (11)

  1. Fahrzeugsystem (10), das umfasst: einen Fahrgastraum (28); ein Batteriesubsystem (26) mit einer Batterie und Batteriekomponenten, die in einem Batteriefach montiert sind; einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Kathodeneingangsleitung (16) und einer Kathodenausgangsleitung (18), wobei die Kathodeneingangsleitung (16) eine Kathodeneingangs-Luftströmung empfängt und die Kathodenausgangsleitung (18) eine Kathodenabgasströmung von dem Brennstoffzellenstapel (12) empfängt; eine Kühlleitung (30) in fluidmäßiger Verbindung mit dem Fahrgastraum (28) und dem Batteriefach; und eine Injektorleitung (34) in fluidmäßiger Verbindung mit dem Batteriefach und der Kathodenausgangsleitung (18), wobei die Kathodenausgangsleitung (18) einen schmalen Abschnitt (42) umfasst und die Injektorleitung (34) an dem schmalen Abschnitt (42) mit der Kathodenausgangsleitung (18) gekoppelt ist, und wobei die Kathodenabgasströmung durch die Kathodenausgangsleitung (18) einen reduzierten Druck in dem schmalen Abschnitt (42) der Kathodenausgangsleitung (18) erzeugt, der Luft von dem Fahrgastraum (28) durch das Batteriefach und durch die Injektorleitung (34) und in die Kathodenausgangsleitung (18) saugt.
  2. Fahrzeugsystem (10) nach Anspruch 1, ferner einen Verdichter (14) umfassend, der die Kathodeneingangs-Luftströmung an den Brennstoffzellenstapel (12) liefert.
  3. Fahrzeugsystem (10) nach Anspruch 2, ferner eine Umgehungsleitung (20) umfassend, die mit der Kathodeneingangsleitung (16) und der Kathodenausgangsleitung (18) gekoppelt ist und zulässt, dass Luft von dem Verdichter (14) den Brennstoffzellenstapel (12) umgeht.
  4. Fahrzeugsystem (10) nach Anspruch 3, wobei ein Anteil der Verdichterluft den Brennstoffzellenstapel (12) auf der Umgehungsleitung (20) umgeht, wenn die Stapelausgangsleistung weniger Verdichterluftströmung als eine minimale Verdichterluftströmung benötigt.
  5. Fahrzeugsystem (10) nach Anspruch 4, wobei der Verdichter (14) ein Turboverdichter ist.
  6. Brennstoffzellensystem, das umfasst: eine Batterie, die in einem Batteriegehäuse angeordnet ist; einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Kathodeneingangsleitung (16) und einer Kathodenausgangsleitung (18), wobei die Kathodenausgangsleitung (18) eine Kathodenabgasströmung von dem Brennstoffzellenstapel (12) empfängt; und ein Rohr (44) in fluidmäßiger Verbindung mit dem Batteriegehäuse und der Kathodenausgangsleitung (18), wobei die Kathodenausgangsleitung (18) einen schmalen Abschnitt (42) umfasst und das Rohr (44) an dem schmalen Abschnitt (42) mit der Kathodenausgangsleitung (18) gekoppelt ist, und wobei die Kathodenabgasströmung durch die Kathodenausgangsleitung (18) ein partielles Vakuum in dem schmalen Abschnitt (42) der Kathodenausgangsleitung (18) erzeugt, das Luft durch das Batteriefach und durch das Rohr (44) und in die Kathodenausgangsleitung (18) saugt.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei sich das Brennstoffzellensystem in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug befindet.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, ferner umfassend einen Verdichter (14), der eine Kathodeneingangs-Luftströmung an die Kathodeneingangsleitung (16) liefert.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Umgehungsleitung (20), die mit der Kathodeneingangsleitung (16) und der Kathodenausgangsleitung (18) gekoppelt ist und zulässt, dass Luft von dem Verdichter (14) den Brennstoffzellenstapel (12) umgeht.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei ein Anteil der Verdichterluft den Brennstoffzellenstapel (12) auf der Umgehungsleitung (20) umgeht, wenn die Stapelausgangsleistung weniger Verdichterluftströmung als eine minimale Verdichterluftströmung benötigt.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Verdichter (14) ein Turboverdichter ist.
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Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8465350B2 (en) * 2007-06-28 2013-06-18 GM Global Technology Operations LLC Control method for RESS fan operation in a vehicle
US9947945B2 (en) * 2008-01-25 2018-04-17 Ford Global Technologies, Llc Ventilation system for an automotive fuel cell stack enclosure
US9281506B2 (en) * 2008-12-03 2016-03-08 Lenovo (Singapore) Pte. Ltd. Battery cell containment and venting
DE102010060230B4 (de) * 2010-10-28 2024-05-02 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Temperiersystem für eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges, Verfahren zum Betreiben eines derartigen Temperiersystems und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Temperiersystem
JP5585667B2 (ja) * 2011-01-27 2014-09-10 トヨタ自動車株式会社 冷却装置
US8701811B2 (en) 2012-04-30 2014-04-22 Honda Motor Co., Ltd. Battery cooling system and method
DE102012211421A1 (de) * 2012-07-02 2014-05-22 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Abluftführung eines Brennstoffzellenstacks in einem Kraftfahrzeug
DE102013214602A1 (de) * 2013-07-25 2015-01-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Abluftführung eines Brennstoffzellenstacks in einem Kraftfahrzeug
DE102013219209A1 (de) * 2013-09-24 2015-03-26 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Betriebsverfahren für eine Brennstoffzellen-Anlage
FR3013683B1 (fr) * 2013-11-27 2017-07-07 Microturbo Procede et systeme pour la production optimisee d'energie non propulsive
US9731609B2 (en) 2014-04-04 2017-08-15 Dg Systems Llc Vehicle power sharing and grid connection system for electric motors and drives
DE102014222318A1 (de) 2014-10-31 2016-05-04 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit einem solchen
US9811180B2 (en) 2015-03-16 2017-11-07 Lenovo (Singapore) Pte. Ltd. Input device with gas vent(s)
JP6311744B2 (ja) * 2016-06-06 2018-04-18 トヨタ自動車株式会社 空冷式燃料電池車
WO2018033880A2 (en) 2016-08-17 2018-02-22 Shape Corp. Battery support and protection structure for a vehicle
EP3566253B1 (de) 2017-01-04 2022-12-28 Shape Corp. Batterieträgerstruktur für ein fahrzeug
US10886513B2 (en) 2017-05-16 2021-01-05 Shape Corp. Vehicle battery tray having tub-based integration
US11211656B2 (en) 2017-05-16 2021-12-28 Shape Corp. Vehicle battery tray with integrated battery retention and support feature
US10483510B2 (en) 2017-05-16 2019-11-19 Shape Corp. Polarized battery tray for a vehicle
CN111108015A (zh) 2017-09-13 2020-05-05 形状集团 具有管状外围壁的车辆电池托盘
US10300785B2 (en) * 2017-09-25 2019-05-28 GM Global Technology Operations LLC Cooling by suction of air
DE112018005556T5 (de) 2017-10-04 2020-06-25 Shape Corp. Batterieträger-bodenbaugruppe für elektrofahrzeuge
WO2019169080A1 (en) 2018-03-01 2019-09-06 Shape Corp. Cooling system integrated with vehicle battery tray
US11688910B2 (en) 2018-03-15 2023-06-27 Shape Corp. Vehicle battery tray having tub-based component
US10889162B2 (en) 2018-11-16 2021-01-12 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Vehicle component cooling through directed HVAC cooling and operation
CN110010929B (zh) * 2019-03-26 2021-08-13 浙江吉利汽车研究院有限公司 一种怠速系统及其控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1325531B1 (de) 2000-09-22 2004-06-09 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum überwachen des medienaustritts aus einer brennstoffzelle und brennstoffzellenanlage
DE212004000047U1 (de) 2003-10-13 2006-07-06 P21 - Power For The 21St Century Gmbh Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3976506A (en) * 1975-02-12 1976-08-24 United Technologies Corporation Pressurized fuel cell power plant with air bypass
US5811201A (en) * 1996-08-16 1998-09-22 Southern California Edison Company Power generation system utilizing turbine and fuel cell
FR2782480B1 (fr) * 1998-08-24 2000-10-20 Solvay Dispositif et procede d'evacuation des calories d'un compartiment
US6607854B1 (en) * 2000-11-13 2003-08-19 Honeywell International Inc. Three-wheel air turbocompressor for PEM fuel cell systems
JP2004026008A (ja) * 2002-06-25 2004-01-29 Honda Motor Co Ltd 燃料電池電気自動車

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1325531B1 (de) 2000-09-22 2004-06-09 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum überwachen des medienaustritts aus einer brennstoffzelle und brennstoffzellenanlage
DE212004000047U1 (de) 2003-10-13 2006-07-06 P21 - Power For The 21St Century Gmbh Brennstoffzellensystem

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US7686111B2 (en) 2010-03-30
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DE102008009118A1 (de) 2008-09-11

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