DE102008018276A1 - Geschlossener Kühlmittelkreislauf mit Ausdehnungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents
Geschlossener Kühlmittelkreislauf mit Ausdehnungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem Download PDFInfo
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Abstract
Description
- 1. Gebiet der Erfindung
- Diese Erfindung betrifft allgemein einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf für einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf für einen Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem, wobei das System eine Ausdehnungsvorrichtung mit einer biegsamen Membran umfasst.
- 2. Beschreibung des Stands der Technik
- Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Polyelektrolyten dazwischen aufweist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird an der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen treten durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten treten und werden daher zum Erbringen von Arbeit durch einen Lastkreislauf geleitet, bevor sie zur Kathode geleitet werden.
- Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind bei Fahrzeugen gängig. Eine PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymer-Elektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode umfassen üblicherweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus der katalytischen Mischung der Anode, der katalytischen Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, vom engl. Membrane Electrode Assembly).
- In einem Brennstoffzellenstapel werden zum Erzeugen der erwünschten Leistung üblicherweise viele Brennstoffzellen kombiniert. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, üblicherweise einen mittels eines Verdichters durch den Stapel gedrängten Luftstrom. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff in der Luft aufgebraucht, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser als Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
- Der Brennstoffzellenstapel enthält eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen im Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die das Anodengas zu der MEA strömen lassen. Kathodengasströmungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodengas zu der MEA strömen lassen. Die Bipolarplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel Edelstahl, so dass sie den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus leiten. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
- Es ist erforderlich, dass eine Brennstoffzelle bei einer optimalen relativen Feuchtigkeit und Temperatur arbeitet, um einen effizienten Stapelbetrieb und Haltbarkeit vorzusehen. Die Temperatur sieht für einen bestimmten Stapeldruck die relative Feuchtigkeit in den Brennstoffzellen in dem Stapel vor. Eine zu hohe Stapeltemperatur über der optimalen Temperatur kann Brennstoffzellenkomponenten beschädigen, was die Lebensdauer der Brennstoffzellen verkürzt. Ferner verringern Stapeltemperaturen unter der optimalen Temperatur die Stapelleistung.
- Brennstoffzellensysteme nutzen Wärmesubsysteme, die die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel steuern. Insbesondere wird ein Kühlfluid durch die Kühlkanäle in den Bipolarplatten in dem Stapel gepumpt. Die bekannten Wärmesubsysteme in dem Brennstoffzellensystem versuchen, die Temperatur des zu dem Brennstoffzellenstapel geleiteten Kühlfluids und die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlfluid in den Stapel und dem Kühlfluid aus dem Stapel zu steuern, wobei die Kühlfluid-Strömrate die Temperaturdifferenz steuert. Typischerweise ist das Kühlfluid eine Flüssigkeit, die Korrosion in dem Stapel hemmt, aber bei kalter Umgebung nicht gefriert und nicht leitend ist. Ein Beispiel für ein geeignetes Kühlfluid ist ein deionisiertes Wasser- und Glykolgemisch. Es ist erforderlich, dass das Kühlfluid nicht leitend ist, so dass elektrischer Strom nicht über die Kühlfluidkanäle in dem Stapel fließt.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Nach der erfindungsgemäßen Lehre wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf verwendet. Das System umfasst eine Ausdehnungsvorrichtung mit einer biegsamen Membran, wobei eine Kühlfluidseite der Membran in Fluidverbindung mit dem Kühlfluid in dem Kühlmittelkreislauf steht und eine Luftseite der Membran in Verbindung mit einer Lufttasche steht. Wenn sich das Kühlfluid in dem Kühlkreislauf ausdehnt und zusammenzieht, biegt sich die Membran entsprechend. Die Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung kann mit einem Luftverdichter, der der Kathodenseite des Stapels Luft liefert, in Fluidverbindung stehen, so dass sich der Druck des Kühlfluids in dem Kühlkreislauf ändert, wenn sich der Stapeldruck ändert.
- Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Kühlmittelbehälter, der mit dem Kühlfluid in dem Kühlmittelkreislauf durch eine Entlüftungsleitung in Fluidverbindung steht, wobei der Behälter vollständig mit Kühlfluid gefüllt ist. Luftblasen und Wasserstoffblasen in dem Kühlfluid werden zu dem Kühlmittelbehälter abgelassen, wo sie sich ansammeln. Der Kühlmittelbehälter umfasst einen Füllstandsensor, der den Füllstand des Kühlfluids darin anzeigt, so dass die angesammelte Luft und der angesammelte Wasserstoff zum geeigneten Zeitpunkt an die Umgebung abgelassen werden können.
- Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem, das einen Kühlmittelbehälter umfasst; -
2 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, das eine Ausdehnungsvorrichtung und einen vollständig gefüllten Kühlmittelbehälter zum Vorsehen eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs benutzt; und -
3 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, das eine Ausdehnungsvorrichtung und einen vollständig gefüllten Kühlmittelbehälter zum Vorsehen eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs benutzt. - Eingehende Beschreibung der Ausführungsformen
- Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf gerichtet sind, ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungszwecke beschränken.
-
1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem10 , das ein Wärmesubsystem zum Liefern von Kühlfluid zu einem Brennstoffzellenstapel12 umfasst. Das Kühlfluid, das durch den Stapel12 strömt, strömt durch einen Kühlmittelkreislauf14 außerhalb des Stapels12 , wo es dem Stapel12 während des Einschaltens entweder Wärme zuführt oder dem Stapel12 während des Brennstoffzellenbetriebs Wärme entzieht, um den Stapel12 bei einer erwünschten Betriebstemperatur zu halten, beispielsweise 60°C–80°C. Eine Pumpe16 pumpt das Kühlfluid durch den Kühlmittelkreislauf14 , und ein Kühler18 kühlt das Kühlfluid in dem Kreislauf14 außerhalb des Stapels12 . Das System10 umfasst einen Kühlmittelbehälter20 , der zusätzliches Kühlfluid24 enthält und der typischerweise an der höchsten Stelle in dem Kühlmittelkreislauf14 positioniert ist. Eine Lufttasche26 sieht in dem Behälter20 einen verdichtbaren Bereich vor. Wenn sich die Temperatur und der Druck des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf14 ändern, wird das Kühlfluid zwangsweise in den Behälter20 geleitet oder wird an der Leitung22 dem Behälter20 entnommen. - Wasserstoff ist ein sehr leichtes Gas, und es ist schwierig, ihn in einer geschlossenen Umgebung zurückzuhalten. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Wasserstoff durch Stapel- und Plattenmaterialien in dem Brennstoffzellenstapel
12 dringen kann, vor allem um die Platten des Stapels12 . Wasserstoff leckt in die Kühlfluidkanäle, wo er in dem Kühlfluid aufgelöst wird oder in dem Kühlfluid in Form von Wasserstoffblasen eingeschlossen wird. - Das Laufrad der Pumpe
16 erzeugt Kavitation, was Luftblasen bildet, die in dem Kühlmittelkreislauf14 eingeschlossen werden. Das System10 umfasst eine Entlüftungsleitung28 , die das Abführen der Luftblasen aus dem Kühlmittelkreislauf14 und deren Eindringen in den Behälter20 erlaubt. Zusätzlich zu den Luftblasen werden auch die Wasserstoffblasen, die in dem Kühlfluid eingeschlossen sind, zu dem Behälter20 abgelassen, wo sie sich in der Lufttasche26 ansammeln. Diese Ansammlung von Wasserstoff in dem Behälter20 kombiniert mit der Luft ist eine brennbare Quelle, die sich entzünden könnte. - Es ist erforderlich, den Wasserstoff regelmäßig aus der Luftasche
26 zu entfernen, um die Verbrennungsquelle zu beseitigen. Es ist bekannt, eine Luftpumpe32 vorzusehen, die Luft in die Lufttasche26 pumpt, wo das vorhandene Luft/Wasserstoff-Gemisch in der Lufttasche26 durch ein Auslassrohr30 aus dem Behälter20 abgelassen wird. Dieser Vorgang entfernt den Wasserstoff aus dem Behälter20 , während die erforderliche Lufttasche26 beibehalten wird. Durch ständiges Pumpen von Luft in den Behälter20 wird aber das Kühlfluid24 in dem Behälter20 mit Schmutz und dergleichen verunreinigt. Ferner lässt die Luft von der Pumpe32 einen Teil des Kühlfluids24 verdampfen, was erfordert, dass der Behälter20 von Zeit zu Zeit gefüllt wird. Ferner muss die Pumpe32 erwärmt werden, so dass sie nicht in Umgebungen unter dem Nullpunkt gefriert. Ferner verschlechtert sich das Kühlfluid infolge von Kontakt mit Sauerstoff. Desweiteren erfordert das Entlüftungssystem komplexe elektrische Systeme zum Gewährleisten des Betriebs des Systems für Sicherheitszwecke. Da der Kühlmittelbehälter20 zudem zur Umgebung hin offen ist, bestehen Druckdifferenzen zwischen der Anode und der Kathode des Stapels12 im Verhältnis zu dem Kühlmittelkreislauf14 , die die Lebensdauer des Stapels12 verkürzen könnten. -
2 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem40 , das einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf umfasst, wobei gegenüber dem System10 gleiche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. Das System40 umfasst einen Kühlmittelbehälter44 , der mit dem Kühlmittelkreislauf14 durch eine Nachfüllung und Entlüftung46 in Fluidverbindung steht. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, muss der Durchmesser der Leitung46 für den ordnungsgemäßen Betrieb ausreichend sein. Erfindungsgemäß wird der Kühlmittelbehälter44 vollständig mit einem Kühlfluid48 gefüllt. Eine Füllstanderfassungsvorrich tung50 ist in dem Kühlmittelbehälter44 positioniert. Die Füllstanderfassungsvorrichtung50 kann jede geeignete Vorrichtung sein, die den Füllstand des Kühlfluids48 in dem Behälter44 übereinstimmend mit der Beschreibung hierin anzeigt. Luftblasen und Wasserstoffblasen in dem Kühlmittelkreislauf14 werden durch die Leitung28 abgelassen und sammeln sich in dem Behälter44 an. Die Füllstanderfassungsvorrichtung50 zeigt an, dass der Füllstand des Kühlfluids48 darin gesunken ist. Die Füllstanderfassungsvorrichtung50 kann ein Signal vorsehen, das einen Entlüftungsanschluss öffnen lässt, um die angesammelte Luft und den angesammelten Wasserstoff in sicherer Weise an die Umgebung abzulassen. Die Menge des angesammelten Gases sollte sehr gering sein, um ein Zünden des Gases zu verhindern. - In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung
50 ein im Verhältnis zu dem Entlüftungsanschluss52 positionierter Schwimmer, der den Entlüftungsanschluss52 verschließt, wenn der Behälter44 vollständig mit dem Kühlfluid48 gefüllt ist. Bei einem Ansammeln der Luft und des Wasserstoffs oben im Behälter44 sinkt der Schwimmer50 mit dem Füllstand des Kühlfluids48 , und der Anschluss52 wird gegenüber der Umgebung geöffnet, was die angesammelte Luft und den angesammelten Wasserstoff ablässt. Die Menge des angesammelten Gases sollte sehr gering sein, um ein Zünden von Gas zu verhindern. - In einer anderen Ausführungsform arbeitet die Füllstanderfassungsvorrichtung
50 als Gasabgabeventil, das den Entlüftungsanschluss52 automatisch öffnet, nur wenn sich das Fahrzeug über einer bestimmten Geschwindigkeit fortbewegt, so dass darin angesammelter Wasserstoff in sicherer Weise an die Umgebung verteilt wird. - Ferner dient die Füllstanderfassungsvorrichtung
50 als Wasserstoffleckdetektor. Wenn in dem Stapel12 ein signifikantes Wasserstofflecken auftritt, dann wird der angesammelte Wasserstoff in dem Kühlmittelbehälter44 schneller sein als unter normalen Betriebsbedingungen, was von der Füllstanderfassungsvorrichtung50 detektiert werden kann. - Erfindungsgemäß umfasst das System
40 eine Ausdehnungsvorrichtung56 mit einer biegsamen Membran58 . Die Ausdehnungsvorrichtung56 umfasst eine Luftseite60 an einer Seite der Membran58 und eine Kühlfluidseite62 an der anderen Seite der Membran58 . Der Kühlmittelkreislauf14 steht mit der Kühlfluidseite62 der Vorrichtung56 an der Leitung64 in Fluidverbindung. Wenn die Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf14 steigt und sinkt und sich das Kühlfluid als Reaktion darauf ausdehnt und zusammenzieht, dringt das Kühlfluid in die Kühlfluidseite62 der Ausdehnungsvorrichtung56 ein und verlässt diese, was ein Biegen der Membran58 gegen die Luftseite60 bewirkt, um ein Ausdehnen und Zusammenziehen vorzusehen. - In einer Ausführungsform umfasst das System
40 einen Luftverdichter68 , der an Leitung70 zur Kathodenseite des Stapels12 Druckluft liefert. Abhängig von der geforderten Last an dem Stapel12 liefert der Verdichter68 dem Stapel12 Druckluft typischerweise zwischen einem und vier Bar, was den Druck in dem Stapel12 ändert. Wenn der Druck an der Kathodenseite des Stapels12 als Reaktion auf die Stapellast steigt, wird in dem Stapel12 zwischen den Kathodenströmungskanälen und den Kühlfluid-Strömungskanälen eine Druckdifferenz erzeugt. Nach dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Verdichter68 mit der Luftseite60 der Ausdehnungsvorrichtung56 an einer Lufteingangsleitung72 verbunden, so dass, wenn der an dem Stapel12 angelegte Luftdruck von dem Verdichter68 steigt oder sinkt, dieser Druck zu dem Kühlfluid in dem Kühlmittelkreislauf14 durch die Membran58 übertragen wird. - Weiterhin könnte Kavitation infolge des Betriebs des Laufrads der Pumpe
16 Komponenten in dem System40 beschädigen. Wenn die Last an dem Stapel12 ansteigt, muss die Kühlfluidgeschwindigkeit ansteigen, was durch eine erhöhte Drehzahl der Pumpe16 vorgesehen wird. Durch Vorsehen eines erhöhten Drucks von dem Verdichter68 zu der Luftseite60 der Ausdehnungsvorrichtung56 bei Ansteigen der Stapellast steigt der Druck in dem Kühlmittelkreislauf14 , was die Kavitation senkt. - Da Wasserstoff ein dünnes Gas ist, ist es möglich, dass aufgelöster Wasserstoff in dem Kühlfluid an der Kühlfluidseite
62 der Ausdehnungsvorrichtung56 durch die Membran58 abhängig von deren Dicke und Material in die Luftseite60 dringen könnte. Daher kann sich Wasserstoff an der Luftseite60 der Ausdehnungsvorrichtung56 sammeln, was möglicherweise eine potentielle Verbrennungsquelle vorsehen könnte. Durch Koppeln der Luftseite60 der Ausdehnungsvorrichtung56 mit der Lufteingangsleitung70 und durch regelmäßiges Ändern des Drucks in der Luftseite60 durch den Verdichter68 strömt Luft regelmäßig von der Luftseite60 der Ausdehnungsvorrichtung56 zu der Leitung70 , was die Möglichkeit darin angesammelten Wasserstoffs reduziert. - In der Leitung
72 kann ein Dreiwegeventil74 zum Koppeln der Luftseite60 der Ausdehnungsvorrichtung56 mit einer externen Leitung76 vorgesehen werden, um eine externe Druckbeaufschlagung des Kühlmittelkreislaufs14 für Wartungs- und Testzwecke zu ermöglichen. - Weiterhin kann der Kühlmittelkreislauf
14 ein Füllventil78 umfassen, um ein einfaches Füllen des Kühlsystems zu ermöglichen. -
3 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem80 nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, das eine Ausdehnungsvorrichtung und einen vollständig gefüllten Kühlmittelbehälter zum Vorsehen eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs umfasst, wobei gegenüber den Systemen10 und40 gleiche Elemente durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. In dieser Ausführungsform sind eine Entlüftungsleitung82 und eine Nachfüllleitung84 mit dem Behälter44 gekoppelt. - Die vorstehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird dieser Beschreibung und den Begleitzeichnungen sowie Ansprüchen mühelos entnehmen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, die in den folgenden Ansprüchen dargelegt werden, abzuweichen.
Claims (17)
- Brennstoffzellensystem umfassend: einen Brennstoffzellenstapel; einen Kühlmittelkreislauf zum Liefern eines Kühlfluids zu dem Stapel; einen Kühlmittelbehälter in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf, wobei der Kühlmittelbehälter vollständig mit dem Kühlfluid gefüllt ist, wobei der Kühlmittelbehälter eine Füllstanderfassungsvorrichtung umfasst, die den Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter erfasst und angesammeltes Gas aus dem Behälter ablässt, wenn der Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter sinkt; und eine Ausdehnungsvorrichtung mit einer Membran, einer Luftseite an einer Seite der Membran und einer Kühlfluidseite an einer gegenüberliegenden Seite der Membran, wobei die Kühlfluidseite mit dem Kühlmittelkreislauf in Fluidverbindung steht, wobei sich die Membran als Reaktion auf Druckänderungen des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf biegt.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Füllstanderfassungsvorrichtung einen Schwimmer umfasst, wobei der Schwimmer einen Anschluss des Behälters verschließt, wenn der Behälter vollständig mit dem Kühlfluid gefüllt ist, und Gas durch den Anschluss abziehen lässt, wenn der Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter sinkt.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Füllstanderfassungsvorrichtung eine elektrische Schaltvorrichtung ist, die einen Entlüftungsanschluss des Behälters als Reaktion auf die Fahrzeuggeschwindigkeit öffnet.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 weiterhin umfassend: einen Verdichter, wobei der Verdichter einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels Druckluft liefert, wobei der Verdichter die Druckluft auch der Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung liefert.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die auf die Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung aufgebrachte Druckluft den Druck in dem Stapel ausgleicht und die Pumpenkavitation mindert.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 weiterhin umfassend: ein in einer Leitung zwischen dem Verdichter und der Ausdehnungsvorrichtung angeordnetes Ventil, wobei das Ventil ein Verbinden der Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung mit einer externen Leitung zulässt.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
- Brennstoffzellensystem umfassend: einen Brennstoffzellenstapel; einen Kühlmittelkreislauf zum Liefern eines Kühlfluids zu dem Stapel; und einen Kühlmittelbehälter in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf, wobei der Kühlmittelbehälter vollständig mit dem Kühlfluid gefüllt ist, wobei der Kühlmittelbehälter eine Füllstanderfassungsvorrichtung umfasst, die den Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter erfasst und angesammeltes Gas aus dem Behälter ablässt, wenn der Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter sinkt.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Füllstanderfassungsvorrichtung einen Schwimmer umfasst, wobei der Schwimmer einen Anschluss des Behälters verschließt, wenn der Behälter vollständig mit dem Kühlfluid gefüllt ist, und Gas durch den Anschluss abziehen lässt, wenn der Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter sinkt.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Füllstanderfassungsvorrichtung eine elektrische Schaltvorrichtung ist, die einen Entlüftungsanschluss des Behälters als Reaktion auf die Fahrzeuggeschwindigkeit öffnet.
- Brennstoffzellensystem umfassend: einen Brennstoffzellenstapel; einen Kühlmittelkreislauf, der ein Kühlfluid zu dem Stapel liefert; und eine Ausdehnungsvorrichtung mit einer Membran, einer Luftseite an einer Seite der Membran und einer Kühlfluidseite an einer gegenüberliegenden Seite der Membran, wobei die Kühlfluidseite mit dem Kühlmittelkreislauf in Fluidverbindung steht, wobei sich die Membran als Reaktion auf Druckänderungen des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf biegt.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11 weiterhin umfassend: einen Verdichter, wobei der Verdichter einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels Luft liefert, wobei der Verdichter auch der Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung Druckluft liefert.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei die auf die Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung aufgebrachte Druckluft den Druck in dem Stapel ausgleicht und die Pumpenkavitation mindert.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12 weiterhin umfassend: ein in einer Leitung zwischen dem Verdichter und der Ausdehnungsvorrichtung angeordnetes Ventil, wobei das Ventil ein Verbinden der Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung mit einer externen Leitung zulässt.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
- Verfahren zum Steuern des Drucks in einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst: Liefern von Druckluft zu einer Kathodenseite des Stapels; und Liefern der Druckluft zu einer Luftseite einer Ausdehnungsvorrichtung, wobei die Ausdehnungsvorrichtung eine Membran umfasst, die die Luftseite von einer Kühlfluidseite trennt, wobei die Kühlfluidseite mit einem Kühlmittelkreislauf in Fluidverbindung steht, der dem Stapel ein Kühlfluid liefert.
- Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Liefern der Druckluft zur Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung den Druck in dem Stapel ausgleicht und die Kavitation eines Kühlmittelpumpen-Laufrads verringert.
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US11/735,253 US8431282B2 (en) | 2007-04-13 | 2007-04-13 | Closed coolant loop with expansion device for a fuel cell system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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---|---|---|---|
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Country | Link |
---|---|
US (1) | US8431282B2 (de) |
DE (1) | DE102008018276B4 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102013203308A1 (de) * | 2013-02-27 | 2014-08-28 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Brennstoffzellensystem |
DE102017211717A1 (de) | 2017-07-10 | 2018-08-23 | Audi Ag | Anordnung für ein Kühlsystem |
DE102017123385A1 (de) | 2017-10-09 | 2019-04-11 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Kühlsystem für ein Fahrzeug |
DE102023106587A1 (de) | 2022-12-06 | 2023-06-22 | Daimler Truck AG | Vorrichtung zur Druckregelung und Entgasung eines Kühlmediums und Kühlkreislauf |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120058405A1 (en) * | 2008-07-02 | 2012-03-08 | Kirchoff James A | Cavitation assisted sonochemical hydrogen production system |
JP2012221723A (ja) * | 2011-04-08 | 2012-11-12 | Panasonic Corp | 燃料電池システム |
CN107394232B (zh) * | 2017-06-21 | 2020-02-07 | 中国东方电气集团有限公司 | 燃料电池的动力系统与交通工具 |
JP2019129141A (ja) * | 2018-01-23 | 2019-08-01 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
DE102019211493A1 (de) * | 2019-08-01 | 2021-02-04 | Audi Ag | Verfahren zum Entlüften eines Kühlkreislaufs, Set einer Kühlmittelausgleichsanordnung und Kraftfahrzeug |
DE102019219098A1 (de) * | 2019-12-06 | 2021-06-10 | Mahle International Gmbh | Batteriezellen-Anordnung für ein Kraftfahrzeug |
DE102021102196B4 (de) | 2021-02-01 | 2022-08-11 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem |
WO2023152536A1 (en) * | 2022-02-09 | 2023-08-17 | Volvo Truck Corporation | Systems and methods for gas level detection |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5503944A (en) * | 1995-06-30 | 1996-04-02 | International Fuel Cells Corp. | Water management system for solid polymer electrolyte fuel cell power plants |
US6428916B1 (en) * | 1999-12-20 | 2002-08-06 | Utc Fuel Cells, Llc | Coolant treatment system for a direct antifreeze cooled fuel cell assembly |
US6379827B1 (en) * | 2000-05-16 | 2002-04-30 | Utc Fuel Cells, Llc | Inerting a fuel cell with a wettable substrate |
JP4131110B2 (ja) * | 2002-02-28 | 2008-08-13 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池スタック |
CN100423342C (zh) * | 2004-01-30 | 2008-10-01 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池系统 |
US7314680B2 (en) * | 2004-09-24 | 2008-01-01 | Hyteon Inc | Integrated fuel cell power module |
-
2007
- 2007-04-13 US US11/735,253 patent/US8431282B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2008
- 2008-04-10 DE DE102008018276.1A patent/DE102008018276B4/de not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102013203308A1 (de) * | 2013-02-27 | 2014-08-28 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Brennstoffzellensystem |
DE102017211717A1 (de) | 2017-07-10 | 2018-08-23 | Audi Ag | Anordnung für ein Kühlsystem |
DE102017123385A1 (de) | 2017-10-09 | 2019-04-11 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Kühlsystem für ein Fahrzeug |
DE102023106587A1 (de) | 2022-12-06 | 2023-06-22 | Daimler Truck AG | Vorrichtung zur Druckregelung und Entgasung eines Kühlmediums und Kühlkreislauf |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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US8431282B2 (en) | 2013-04-30 |
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