-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Offenbarung betrifft eine Dreiwege-Diverter- bzw. Umlenkeranordnung
und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das die Dreiwege-Umlenkeranordnung
aufweist.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Eine
Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente wie auch umweltfreundliche
Energiequelle für verschiedene
Anwendungen vorgeschlagen worden. Einzelne Brennstoffzellen können in
Reihe aneinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel
zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge
an Elektrizität
zu liefern, die ausreichend ist, um Leistung für ein Elektrofahrzeug bereitzustellen.
Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel als eine erstrebenswerte
Alternative für
den herkömmlichen
Verbrennungsmotor erkannt worden, der in modernen Fahrzeugen verwendet
wird.
-
Ein
Typ von Brennstoffzellenstapel ist als ein Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellenstapel
bekannt. Die typische PEM-Brennstoffzelle umfasst
drei Grundkomponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran.
Die Kathode und die Anode umfassen typischerweise einen fein geteilten
Katalysator, wie Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und
mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig
zwischen der Kathode und der Anode ange ordnet. Poröse Diffusionsmedien,
die eine Lieferung und Verteilung von Reaktanden, wie Wasserstoffgas
und Luft, unterstützen,
können
benachbart der Anode und der Kathode angeordnet sein.
-
In
einem Fahrzeugleistungssystem, das den PEM-Brennstoffzellenstapel
verwendet, wird das Wasserstoffgas an die Anoden von einer Wasserstoffspeicherquelle
geliefert, wie einem druckbeaufschlagten Wasserstofftank. Die Luft
wird an die Kathoden durch eine Luftkompressoreinheit geliefert. Das
Wasserstoffgas reagiert elektrochemisch in der Anwesenheit der Anode,
um Elektronen und Protonen zu erzeugen. Die Elektronen werden von
der Anode zu der Kathode durch eine dazwischen angeordnete elektrische
Schaltung geleitet. Die Protonen gelangen durch die Elektrolytmembran
zu der Kathode, an der Sauerstoff von der Luft elektrochemisch reagiert,
um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren
mit den Protonen, um Wasser als ein Reaktionsprodukt zu bilden.
-
Die
elektrochemische Brennstoffzellenreaktion besitzt auch einen bekannten
Temperaturbereich, innerhalb dem die Reaktion effizient stattfinden
kann. Die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion ist exotherm
und ermöglicht
allgemein, dass der Brennstoffzellenstapel eine Temperatur innerhalb
des Solltemperaturbereichs während
seines Betriebs aufrechterhalten kann. Während eines Inbetriebnahmevorgangs
des Brennstoffzellenstapels wird typischerweise eine ergänzende Heizung
verwendet, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels in den
Solltemperaturbereich anzuheben. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel
in Fluidkommunikation mit einem Kühlmittelsystem stehen, das
ein Kühlmittel durch
den Brennstoffzellenstapel zirkuliert. Das Kühlmittel kann erwärmt werden,
wie beispielsweise mit elektrischen Heizern, um die Temperatur des
Brennstoffzellenstapels anzuheben. Das Kühlmittel kann auch überschüssige Wärme weg
von dem Brennstoffzellenstapel durch Zirkulation durch einen Kühler übertragen,
der die Wärme
an die umgebende Atmosphäre
austrägt.
-
Es
ist bekannt, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch Umlenken
von Kühlmittel
um den Kühler
herum zu regeln, wenn eine Erwärmung des
Brennstoffzellenstapels gewünscht
ist, und durch Umlenken von Kühlmittel
an den Kühler
zu regeln, wenn ein Kühlen
des Brennstoffzellenstapels gewünscht
ist. Umlenkeranordnungen oder -ventile, die die Kühlmittelströmung selektiv
modifizieren, werden als Thermostate innerhalb des Brennstoffzellensystems
verwendet. Bekannte Umlenkerventile umfassen Ventile vom Drehscheibentyp,
Dreiwege-Kugelventile, Dreiwege-Stopfen-
bzw. Kegelventile und Dreiwege-Drosselklappen bzw. -Ventilklappen.
Die Ventile vom Drehscheibentyp, die Dreiwege-Kugelventile und die
Dreiwege-Stopfenventile besitzen gleitende Dichtungen, die eine
Leckage zwischen den Ventilsitzpositionen erlauben, und können auch eine
unerwünschte
Größe an Drehmoment
zur Betätigung
erfordern.
-
Dreiwege-Ventilklappen
besitzen eine im Wesentlichen flache Platte, die innerhalb des Ventilkörpers positioniert
ist. Die flache Platte ist mit einer Stange gekoppelt, die die Platte
zu Positionsgrenzen parallel oder rechtwinklig zu der Kühlmittelströmung dreht.
Die flache Platte wirkt beschränkend
auf die Kühlmittelströmung, wenn
sie zu einem Ende der Ventilpositionsgrenzen gedreht wird. Dreiwege-Ventilklappen
sind auch in der Lage, mit einer erstrebenswerteren Größe an Drehmoment
betätigt
zu werden, als es bei anderen bekannten Ventilen der Fall ist. Da jedoch
die flache Platte stets innerhalb der Strömung ungeachtet der Position
vorhanden ist, wird oftmals ein unerwünschter Druckabfall über das
Ventil bewirkt. Dreiwege-Ventilklappen sind auch dafür bekannt,
dass sie eine unerwünschte
Strömungssteuerung
zwischen den Ventilpositionsgrenzen aufweisen. Es ist bekannt, dass
die Strömungssteuerung zwischen
den Ventilpositionsgrenzen in herkömmlichen Dreiwege-Ventilklappen
signifikant und unerwünscht
nicht linear ist.
-
Es
besteht ein fortwährender
Bedarf nach einer Umlenkeranordnung, die ein größeres Strömungssteuervermögen, verbesserte
Druckabfallcharakteristiken und eine erwünschte Drehmomentbetätigungsanforderung
aufweist, als Ventile, die im Stand der Technik bekannt sind. Geeigneterweise soll
die Umlenkeranordnung als ein Thermostat in einem Brennstoffzellensystem
eingesetzt werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Übereinstimmend
mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend eine Umlenker-
bzw. Diverteranordnung entdeckt worden, die ein größeres Strömungssteuervermögen, verbesserte
Druckabfallcharakteristiken und eine erwünschte Drehmomentbetätigungsanforderung
aufweist und die als ein Thermostat in einem Brennstoffzellensystem
eingesetzt werden kann.
-
Bei
einer Ausführungsform
ist eine Umlenkeranordnung gemäß der Offenbarung
eine Dreiwege-Umlenkeranordnung mit einem Gehäuse, das einen ersten Einlass,
einen ersten Auslass und einen zweiten Auslass besitzt. Der erste
Einlass ist derart angepasst, um ein Fluid aufzunehmen. Die Umlenkeranordnung
umfasst ein konturiertes Ventil, das in dem Gehäuse benachbart dem ersten Einlass
angeordnet ist. Das konturierte Ventil ist selektiv um eine Achse
von einer ersten Positionsgrenze zu einer zweiten Positionsgrenze
und zu einer Vielzahl von Positionen dazwischen drehbar.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel,
der eine Vielzahl von Brennstoffzellen, einen Kühlmittelfluideinlass und einen
Kühlmittelfluidauslass
besitzt. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Pumpe in
Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel, die derart angepasst
ist, um ein Kühlmittelfluid
an diesen zu liefern, und einen Kühler, der einen Kühlereinlass
und einen Kühlerauslass
besitzt. Der Kühler
steht in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel und der
Pumpe. Die Dreiwege-Umlenkeranordnung ist zwischen dem Kühler und
dem Brennstoffzellenstapel angeordnet und derart angepasst, um die
Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu regeln. Der erste Einlass
steht in Fluidkommunikation mit dem Kühlmittelfluidauslass. Ein zweiter
Einlass steht in Fluidkommunikation mit dem Kühlerauslass. Der erste Auslass
steht in Fluidkommunikation mit dem Kühlmittelfluideinlass. Der zweite
Auslass steht in Fluidkommunikation mit dem Kühlereinlass. Die Dreiwege-Umlenkeranordnung bewirkt
selektiv, a) dass das Kühlmittelfluid
den Kühler
umgeht und an den Brennstoffzellenstapel strömt, b) dass das Kühlmittelfluid
an den Kühler
strömt
oder c) eine Kombination aus a) und b), um den Brennstoffzellenstapel
thermostatisch zu regeln.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst ein zweites Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel,
der eine Vielzahl von Brennstoffzellen, einen Kathodeneinlass und
einen Kathodenauslass besitzt. Das zweite Brennstoffzellensystem
umfasst einen Luftkompressor in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel,
der derart angepasst ist, um eine Strömung von Ladungsluft an diesen
bereitzustellen. Eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung steht
in Fluidkommunikation mit dem Luftkompressor und dem Brennstoffzellenstapel
und ist derart angepasst, um die Ladungsluft selektiv zu befeuchten.
Die Dreiwege-Umlenkeranordnung steht in Fluidkommunikation mit dem
Luftkompressor und sowohl dem Brennstoffzellenstapel als auch der
Wasserdampfübertragungsvorrichtung.
Die Dreiwege-Umlenkeranordnung ist derart angepasst, um eine relative
Feuchte des Brennstoffzellenstapels zu regeln. Der erste Einlass
steht in Fluidkommunikation mit dem Luftkompressor. Der erste Auslass
steht in Fluidkommunikation mit der Wasserdampfübertragungsvorrichtung. Der
zweite Auslass steht in Fluidkommunikation mit dem Kathodeneinlass
des Brennstoffzellenstapels. Die Dreiwege-Umlenkeranordnung bewirkt
selektiv, a) dass die Ladungsluft die Wasserdampfübertragungsvorrichtung
umgeht und an den Brennstoffzellenstapel strömt, b) dass die Ladungsluft
an die Wasserdampfübertragungsvorrichtung
strömt
oder c) eine Kombination aus a) und b), um eine Feuchte des Brennstoffzellenstapels
zu regeln.
-
ZEICHNUNGEN
-
Die
obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung
insbesondere unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen
Zeichnungen leichter offensichtlich, in welchen:
-
1 eine
Seitenschnittansicht einer Dreiwege-Umlenkeranordnung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung zeigt, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung
in einer ersten Betriebsart gezeigt ist;
-
2 eine
Seitenschnittansicht der in 1 gezeigten
Dreiwege-Umlenkeranordnung zeigt, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung
in einer zweiten Betriebsart gezeigt ist;
-
3 eine
Seitenschnittansicht der in 1 gezeigten
Dreiwege-Umlenkeranordnung zeigt, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung
in einer dritten Betriebsart gezeigt ist;
-
4 einen
Aufriss von vorn des konturierten Ventils in der Dreiwege-Umlenkeranordnung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung zeigt;
-
5 einen
Seitenaufriss des in 4 gezeigten konturierten Ventils
zeigt;
-
6 ein
schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems mit der in
den 1 bis 3 gezeigten Dreiwege-Umlenkeranordnung
ist, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung
derart angepasst ist, um eine Temperatur eines Brennstoffzellenstapels
zu regeln; und
-
7 ein
schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems mit der in
den 1 bis 3 gezeigten Dreiwege-Umlenkeranordnung
ist, wobei die Dreiwege-Umlenkeranordnung derart angepasst ist,
um eine Feuchte eines Brennstoffzellenstapels zu regeln.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht
dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder den Gebrauch zu
beschränken.
Es sei auch zu verstehen, dass entsprechende Bezugszeichen in allen
Zeichnungen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
-
Die 1 bis 3 zeigen
eine Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung. Bei der gezeigten Ausführungsform
besitzt die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 ein Gehäuse 4 mit
einem darin angeordneten konturierten Ventil 6. Das konturierte
Ventil 6 ist selektiv um eine Achse A von einer ersten
Positionsgrenze, die in 1 gezeigt ist, zu einer zweiten Positionsgrenze,
die in 2 gezeigt ist, drehbar. Das konturierte Ventil 6 ist
auch zu einer Vielzahl von Positionen zwischen der ersten Positionsgrenze
und der zweiten Positionsgrenze drehbar, wie beispielsweise die
Position des konturierten Ventils 6, die in 3 gezeigt
ist.
-
Das
Gehäuse 4 kann
eine separate Komponente sein, die das konturierte Ventil 6 aufweist.
Bei anderen Ausführungsformen
ist das Gehäuse 4 einteilig
als Teil einer anderen Komponente eines Brennstoffzellensystems,
beispielsweise als Teil einer Endeinheit eines Brennstoffzellenstapels
geformt. Zumindest eines aus dem Gehäuse 4 und dem konturierten
Ventil 6 kann beispielsweise aus einem Polymer, einem Metall
oder einem Verbund- bzw. Kompositmaterial hergestellt sein. Es können auch
andere geeignete Materialien verwendet werden. Bei einer Ausführungsform
liegt die erste Positionsgrenze des konturierten Ventils 6 zwischen
etwa fünfundvierzig
Grad (45°)
Drehung bis etwa einhundert Grad (100°) Drehung um die Achse A von
der zweiten Positionsgrenze. Bei einer besonders veranschaulichenden
Ausführungsform
liegt die erste Positionsgrenze des konturierten Ventils 6 bei
etwa neunzig Grad (90°)
Drehung um die Achse A von der zweiten Positionsgrenze. Es sei angemerkt,
dass ein Ort der ersten und zweiten Positionsgrenze nach Bedarf
gewählt
werden kann.
-
Die
Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 umfasst eine Drehwelle bzw.
einen Drehzapfen 8. Die Drehwelle 8 ist im Wesentlichen
an der Achse A angeordnet, um die sich das konturierte Ventil 6 drehen kann.
Die Drehwelle 8 ist durch das Gehäuse 4 angeordnet und
mit dem konturierten Ventil 6 gekoppelt. Bei einer anderen
Ausführungsform
ist die Drehwelle 8 einteilig mit dem konturierten Ventil 6 geformt.
Die Drehwelle 8 dreht das konturierte Ventil 6 um
die Achse A, wenn daran ein Drehmoment angelegt wird. Ein Inneres
des Gehäuses 4,
in dem sich das konturierte Ventil 6 dreht, kann beispielsweise
eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung sein. Es können auch
andere geeignete Innenabmessungen und Formen für das Gehäuse 4 verwendet werden.
-
Das
Gehäuse 4 besitzt
einen ersten Einlass 10, einen ersten Auslass 14 und
einen zweiten Auslass 16. Bei bestimmten Ausführungsformen
umfasst das Gehäuse 4 auch
einen zweiten Einlass 12. Der erste Einlass 10 und
der zweite Einlass 12 sind derart angepasst, um ein Fluid
von zumindest einer Fluidquelle aufzunehmen. Das konturierte Ventil 6 bewirkt selektiv,
dass das Fluid nach Bedarf an zumindest einen des ersten Auslasses 14 und
des zweiten Auslasses 16 strömt. Als ein nicht beschränkendes
Beispiel können
der erste Einlass 10 und der erste Auslass 14 an
einer ersten Seite des Gehäuses 4 angeordnet
sein, und der zweite Einlass 12 und der zweite Auslass 16 können an
einer zweiten Seite des Gehäuses,
die der ersten Seite entgegengesetzt ist, angeordnet sein. Es sei
zu verstehen, dass andere geeignete Konfigurationen und Anordnungen
des ersten Einlasses 10, des ersten Auslasses 14,
des zweiten Auslasses 16 und optional des zweiten Einlasses 12 gewählt werden
können.
-
Das
konturierte Ventil 6 besitzt eine erste Fläche 18 und
eine zweite Fläche 20.
Die erste Fläche 18 befindet
sich benachbart dem ersten Ein lass 10. Die zweite Fläche 20 der
Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 ist entgegengesetzt der ersten
Fläche 18 und
dem ersten Einlass 10 angeordnet. Zumindest eine aus der
ersten Fläche 18 und
der zweiten Fläche 20 des
konturierten Ventils 6 kann gekrümmt bzw. kurvenförmig und/oder
geradlinig sein. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die erste
Fläche 18 des konturierten
Ventils 6 konkav. Als ein weiteres nicht beschränkendes
Beispiel ist die zweite Fläche 20 des konturierten
Ventils 6 konvex. Bei einer Ausführungsform ist das konturierte
Ventil 6 im Wesentlichen schalenförmig. Bei einer anderen Ausführungsform ist
das konturierte Ventil 6 im Wesentlichen deltaförmig.
-
Wie
in den 4 und 5 weiter gezeigt ist, besitzt
das konturierte Ventil 6 eine konkave Kontur, die einen
Druckabfall über
die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 minimiert, wenn das konturierte
Ventil 6 an jeder der ersten Positionsgrenze und der zweiten
Positionsgrenze sitzt. Es sei angemerkt, dass, da die erste Fläche 18 des
konturierten Ventils 6 nicht im Wesentlichen flach oder
planar ist, der Druckabfall über
die Dreiwege-Umlenkeranordnung an
der ersten und zweiten Positionsgrenze optimiert sein kann. Eine
geeignete konkave Form für
die erste Fläche 18 kann
nach Bedarf gewählt
werden.
-
Die
konvexe Kontur der zweiten Fläche 20 des
konturierten Ventils 6 begrenzt im Wesentlichen eine Strömung des
Fluides zwischen einer Innenfläche 22 des
Gehäuses 4 und
der zweiten Fläche 20 an
der ersten und zweiten Positionsgrenze und der Vielzahl von Positionen
dazwischen. Die zweite Fläche 20 des
konturierten Ventils 6 kann auch einer Nichtlinearität der Strömungssteuerung
beispielsweise durch Minimieren eines Rückflusses über die Fläche 20 entgegenwirken,
wenn das konturierte Ventil 6 zwischen der ersten Positionsgrenze
und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird. Insbesondere kann
ein Zwischenraum zwischen der Innenfläche 22 und der zweiten
Fläche 20 dem
dazwischen strömenden
Fluid entgegenwirken und eine im Wesentlichen lineare Steuerung
der Fluidströmung
durch die Dreiwege-Umlenkeranordnung mit der Position des konturierten
Ventils 6 ermöglichen.
Als nicht beschränkende
Beispiele liegt der Zwischenraum zwischen der Innenfläche 22 und
der zweiten Fläche 20 zwischen
etwa 0,01 mm bis etwa 0,5 mm, insbesondere zwischen etwa 0,05 mm
bis etwa 0,4 mm und im Besonderen zwischen 0,1 mm bis etwa 0,3 mm.
Es können
auch andere geeignete Zwischenräume
verwendet werden. Gegebenenfalls kann auch eine geeignete konvexe
Form für
die zweite Fläche 20 gewählt werden.
-
Das
konturierte Ventil 6 kann eine elastomere Dichtung 24 aufweisen.
Die elastomere Dichtung 24 kann eine im Wesentlichen fluiddichte
Abdichtung zwischen dem konturierten Ventil 6 und der Innenfläche 22 des
Gehäuses 4 unterstützen. Die
elastomere Dichtung 24 kann auch eine im Wesentlichen fluiddichte
Abdichtung zwischen dem konturierten Ventil 6 und der Drehwelle 8 unterstützen. Die
im Wesentlichen fluiddichten Abdichtungen, die durch die elastomere
Dichtung unterstützt
werden, wirken einer Leckage des Fluides zwischen dem konturierten
Ventil 6 und der Innenfläche 22 und/oder dem
konturierten Ventil 6 und der Drehwelle 8 entgegen.
Beispielsweise ist die elastomere Dichtung 24 ein aus Gummi
bestehender Überzug,
der an einem Umfangsrand des konturierten Ventils 6 geformt
ist. Dem Fachmann sei angemerkt, dass auch andere geeignete elastomere Dichtungen 24 verwendet
werden können.
-
Es
sei angemerkt, dass bei herkömmlichen Durchflüssen beispielsweise
eines Kühlmittelfluides in
einem Brennstoffzellensystem das konturierte Ventil 6 sowohl
an der ersten Positionsgrenze als auch an der zweiten Positionsgrenze
eine Fluidleckage von weniger als etwa 200 cm3/min,
insbesondere weniger als etwa 100 cm3/min
und am bevorzugtesten weniger als etwa 50 cm3/min
während
des Betriebs der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 bereitstellt.
Gegebenenfalls können
andere geeignete Leckagetoleranzen beispielsweise auf Grundlage
gewünschter Parameter
des Brennstoffzellensystems 200 gewählt werden.
-
Bei
einer bestimmten Ausführungsform,
die in den 4 und 5 gezeigt
ist, besitzt das konturierte Ventil 6 zumindest eine darin
geformte Öffnung 28 zur
Aufnahme der Drehwelle 8. Die zumindest eine Öffnung 28 kann
zumindest einen im Wesentlichen flachen Abschnitt 30 aufweisen,
der derart konfiguriert ist, um mit einer im Wesentlichen flachen
Fläche
(nicht gezeigt) der Drehwelle 8 zusammenzuwirken und einer
freien Drehung des konturierten Ventils 6 um die Drehwelle 8 entgegenzuwirken.
Bei anderen Ausführungsformen
kann die Drehwelle 8 beispielsweise durch einen Klebstoff
mit dem konturierten Ventil 6 verbunden sein. Andere geeignete
Mittel, um einer freien Drehung des konturierten Ventils um die Drehwelle 8 entgegenzuwirken,
wie ein Zusammenwirken einer polygonalen Drehwelle 8 mit
einer zusammenpassenden polygonalen Öffnung 28, können verwendet
werden.
-
Wie
in 6 gezeigt ist, weist die vorliegende Offenbarung
ferner ein erstes Brennstoffzellensystem 200 auf, das die
Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 aufweist. Das erste Brennstoffzellensystem 200 weist
einen Brennstoffzellenstapel 202, eine Fluidpumpe 204 und
einen Kühler 206 auf.
Der Brennstoffzellenstapel 202 weist eine Vielzahl von
Brennstoffzellen auf und besitzt einen Kühlmitteleinlass 208 und
einen Kühlmittelauslass 210 zum
Umwälzen eines
Kühlmittelfluides,
wie Wasser, hindurch zum Zwecke der Regulierung einer Temperatur
des Brennstoffzellenstapels 202. Ein beispielhafter Brennstoffzellenstapel 200 ist
in der ebenfalls anhängigen
U.S.-Anmeldung mit der Seriennummer 11/874,317 des vorliegenden Anmelders
beschrieben, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen
ist.
-
Die
Fluidpumpe 204 steht in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 202 und
ist derart angepasst, um eine Strömung des Kühlmittelfluides an diesen bereitzustellen.
Beispielsweise kann die Fluidpumpe 204 ein Teil eines Kühlmittelsystems
sein, das beispielsweise einen Kühlmitteltank
(nicht gezeigt) aufweist, der das Kühlmittelfluid enthält, das
durch das Kühlmittelsystem
zu und von dem Brennstoffzellenstapel 202 zirkuliert. Die
Pumpe 204 steht in Fluidkommunikation mit dem Kühler 206. Der
Kühler 206 besitzt
einen Kühlereinlass 212 und einen
Kühlerauslass 214.
Der Kühler 206 steht
auch in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 202 und
ist derart angepasst, um überschüssige Wärme von
dem durch den Brennstoffzellenstapel 202 strömenden Kühlmittelfluid
an die umgebende Atmosphäre
auszutragen.
-
Bei
einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform ist die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 zwischen
dem Brennstoffzellenstapel 202 und dem Kühler 206 angeordnet
und derart angepasst, um den Brennstoffzellenstapel 202 thermostatisch
zu regeln. Der erste Einlass 10 der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 steht
in Fluidkommunikation mit dem Kühlmittelauslass 210 des
Brennstoffzellenstapels 202. Der zweite Einlass 12 der
Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 steht in Fluidkommunikation
mit dem Kühlerauslass 214.
Der erste Auslass 14 der Dreiwege-Umlenkeranordnung steht in Fluidkommunikation mit
dem Kühlmitteleinlass 208 des
Brennstoffzellenstapels 202. Der zweite Auslass der Dreiwege-Umlenkeranordnung
steht in Fluidkommunikation mit dem Kühlereinlass 212.
-
Das
erste Brennstoffzellensystem 200 kann ferner einen Aktuator 216 aufweisen.
Der Aktuator 216 ist mit dem konturierten Ventil 6 der
Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 gekoppelt. Der Aktuator 216 ist
derart angepasst, um das konturierte Ventil 6 nach Bedarf
um die Achse A zu drehen. Der Aktuator 216 kann beispielsweise
einen elektrischen Schrittmotor aufweisen, der derart konfiguriert
ist, um das konturierte Ventil 6 selektiv und präzise in
jede gewünschte
Position von der ersten Positionsgrenze zu der zweiten Positionsgrenze
zu drehen. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Aktuator 216 als
Teil der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 geformt. Es können auch
andere geeignete Aktuatoren 216 verwendet werden.
-
Das
erste Brennstoffzellensystem 200 kann auch einen Controller 218 aufweisen.
Der Controller 218 steht in elektrischer Kommunikation
mit der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2. Der Controller 218 weist
selektiv die Position des konturierten Ventils 6 in der
Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 an, um den Brennstoffzellenstapel 202 thermostatisch
zu regeln. Bei einer besonderen Ausführungsform steht der Controller 218 in
elektrischer Kommunikation mit dem Aktuator 216 und steuert
selektiv den Aktuator 216, um das konturierte Ventil 6 in
die gewünschte Position
zu drehen.
-
Es
sei zu verstehen, dass das Brennstoffzellensystem zumindest einen
Sensor 220 in elektrischer Kommunikation mit dem Controller 218 aufweisen
kann. Der Sensor 220 stellt eine Rückkopplung über einen Zustand des Brennstoffzellenstapels 202 bereit,
die der Controller 218 aufnimmt und zu Zwecken der Steuerung
der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 verarbeitet. Die Rückkopplung über den
Zustand des Brennstoffzellenstapels 202 kann kontinuierlich überwacht
werden, um die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 in
Ansprechen auf den ”Echtzeit”-Zustand
anzuweisen. Als ein nicht beschrankendes Beispiel kann der Sensor 220 ein Temperatursensor sein.
Der Temperatursensor kann die Temperatur des Kühlmittelfluides beispielsweise
vor einem Eintritt des Kühlmittelfluides
in den Brennstoffzellenstapel 202, an dem Brennstoffzellenstapel 202 und/oder, nachdem
das Kühlmittelfluid
den Brennstoffzellenstapel 202 verlassen hat, überwachen.
Andere geeignete Stellen innerhalb des ersten Brennstoffzellensystems 200 zur Überwachung
der Temperatur mit dem Sensor 220 können ebenfalls verwendet werden.
-
Der
zumindest eine Sensor 220 kann auch eine Rückkopplung
bereitstellen, die für Übergangsbedingungen
eines Elektrofahrzeugs (nicht gezeigt) relevant ist, das das erste
Brennstoffzellensystem 200 besitzt. Als ein nicht beschränkendes
Beispiel kann der zumindest eine Sensor 220 auf einen Zustand
mit ”offener
Drosselklappe” bzw. ”Volllast” des Elektrofahrzeugs
ansprechen. Der zumindest eine Sensor 220 kann die Rückkopplung
des Fahrzeugzustands an den Controller 218 liefern. Der
Controller 218 kann eine Temperaturänderung des Brennstoffzellenstapels 202 in
Bezug auf den Fahrzeugzustand beispielsweise durch Verwendung eines
geeigneten Algorithmus oder einer mathematischen Beziehung voraussehen.
Der Controller 218 steuert die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2,
um den Brennstoffzellenstapel 202 thermostatisch zu regeln
und die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 202 im Voraus
der erwarteten Temperaturänderung
in dem gewünschten
Bereich beibehalten.
-
Im
Betrieb bewirkt die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 selektiv
a) dass das Kühlmittelfluid
den Kühler 206 umgeht,
b) dass das Kühlmittelfluid
zu dem Kühler 206 strömt und c)
eine Kombination aus a) und b), um den Brennstoffzellenstapel 202 thermostatisch
zu regeln. Beispielsweise kann während
eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellenstapels 202 die
Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 bewirken, dass das Kühlmittelfluid
den Brennstoffzellenstapel 202 erwärmt, indem einem Austrag von Wärme von
dem Kühlmittelfluid über den
Kühler 206 entgegengewirkt
und das Kühlmittelfluid
an den Brennstoffzellenstapel 202 rezirkuliert wird. Es
kann bewirkt werden, dass das Kühlmittelfluid
den Kühler durch
Drehen des konturierten Ventils 6 zu der ersten Positionsgrenze,
wie in 1 gezeigt ist, umgeht. Das zu der ersten Positionsgrenze
gedrehte konturierte Ventil 6 kann eine im Wesentlichen
fluiddichte Abdichtung mit dem Gehäuse 4 bilden, die
bewirkt, dass das Kühlmittelfluid
aus dem ersten Auslass 14 heraus strömt, den Kühler 206 umgeht und
zu dem Brennstoffzellenstapel 202 strömt. Die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2,
die auf diese Art und Weise betrieben wird, befindet sich in einer ”Bypasskühlerbetriebsart”. Wenn
die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 202 exotherm
ist, steigt die Temperatur des Kühlmittelfluides
zunehmend, wenn das Kühlmittelfluid
durch den Brennstoffzellenstapel 202 zirkuliert. Das Kühlmittelfluid wird
durch den Brennstoffzellenstapel 202 solange rezirkuliert,
bis die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 202 in einem
gewünschten
Temperaturbereich liegt.
-
Während eines
weiteren Betriebs der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 wirkt
die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 einer Überhitzung des Brennstoffzellenstapels 202 entgegen.
Die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 kann bewirken, dass das
Kühlmittelfluid
an den Kühler 206 strömt, an dem
jegliche überschüssige Wärme von
dem ersten Brennstoffzellensystem 200 ausgetragen wird.
Beispielsweise kann das konturierte Ventil 6 in die in 2 gezeigte
zweite Positionsgrenze gedreht werden. Das in die zweite Positionsgrenze
gedrehte konturierte Ventil 6 kann eine im Wesentlichen
fluiddichte Abdichtung mit dem Gehäuse 4 bilden, was
bewirkt, dass das Kühlmittelfluid
aus dem zweiten Auslass 16 zu dem Kühler 206 heraus strömt. Die
auf diese Art und Weise betriebene Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 befindet
sich in einer ”Kühler-Betriebsart”.
-
Bei
Erreichen einer Solltemperatur des Brennstoffzellenstapels 202 kann
bewirkt werden, dass der erste Anteil des Kühlmittelfluides an den Kühler 206 strömt. Es kann
bewirkt werden, dass ein zweiter Anteil des Kühlmittelfluides gleichzeitig
den Kühler 206 umgeht
und an den Brennstoffzellenstapel 202 strömt. Der
erste und zweite Anteil des Kühlmittelfluides,
die verschiedene Temperaturen besitzen, werden kombiniert und an
den Brennstoffzellenstapel 202 zirkuliert, um dessen Temperatur
in einem Sollbereich zu halten.
-
Ein
zweites Brennstoffzellensystem 300 gemäß der vorliegenden Offenbarung
ist in 7 gezeigt. Gleiche oder ähnliche Strukturen der 1 bis 6 und
wie in 7 gezeigt, besitzen dieselben Bezugszeichen mit
einem Strichindex-(')-Symbol
zu Zwecken der Deutlichkeit.
-
Das
zweite Brennstoffzellensystem 300 verwendet die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2', um eine relative
Feuchte des Brennstoffzellenstapels 202' zu regeln. Das zweite Brennstoffzellensystem 300 weist
die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' auf, die den ersten Einlass 10', den ersten
Auslass 14' und
den zweiten Auslass 16' besitzt.
Das zweite Brennstoffzellensystem 300 weist ferner den
Brennstoffzellenstapel 202',
einen Luftkompressor 302 und einen Befeuchter oder eine
Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Vorrichtung 304 auf,
wie in der Technik bekannt ist. Der Brennstoffzellenstapel 202' besitzt eine
Vielzahl von Brennstoffzellen, einen Kathodeneinlass 306 und
einen Kathodenauslass 308. Der Luftkompressor 302 steht
in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 202' und ist derart
angepasst, um eine Strömung
von Ladungsluft an diesen bereitzustellen. Die WVT-Vorrichtung 304 steht
in Fluidkommunikation mit dem Luftkompressor 302 und dem
Brennstoffzellenstapel 202'.
Die WVT-Vorrichtung 304 ist derart angepasst, um die an
den Brennstoffzellenstapel 202' gelieferte Ladungsluft selektiv
zu befeuchten. Die WVT-Vorrichtung 304 kann Feuchtigkeit
an die Ladungsluft von einem beispielsweise den Kathodenauslass 308 verlassenden
Kathodenabgasstrom übertragen.
Es können
auch andere geeignete Mittel zum Befeuchten der Ladungsluft verwendet
werden.
-
Die
Dreiwege-Umlenkeranordnung 2 ist in Kommunikation mit dem
Luftkompressor 302 und sowohl dem Brennstoffzellenstapel 202' als auch der WVT-Vorrichtung 304 angeordnet.
Der erste Einlass 10' steht
in Fluidkommunikation mit dem Luftkompressor 302. Der erste
Auslass 14' steht
in Fluidkommunikation mit der WVT-Vorrichtung 304. Die
Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' ist
derart angepasst, um selektiv zu bewirken a) dass die Ladungsluft
die WVT-Vorrichtung 304 umgeht und an den Brennstoffzellenstapel 202' strömt, b) die
Ladungsluft an die WVT-Vorrichtung 304 strömt und c)
eine Kombination aus a) und b), um die Feuchte des Brennstoffzellenstapels 202 zu
regeln.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das zweite Brennstoffzellensystem 300 den Aktuator 216', den Controller 218' und zumindest
einen Feuchtesensor 220'.
Der Aktuator 216' ist
mit dem konturierten Ventil 6' der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' gekoppelt.
Der Aktuator 216' dreht
das konturierte Ventil 6' selektiv
um die Achse A' von
der ersten Positionsgrenze zu der zweiten Positionsgrenze und an
gewünschte
Positionen dazwischen. Der Controller 218' steht in elektrischer Kommunikation mit
dem Aktuator 216'.
Der Controller 218' steuert
selektiv die Position des konturierten Ventils 6', um die Feuchte
des Brennstoffzellenstapels 202' zu regeln. Der zumindest eine
Feuchtesensor 220 steht in elektrischer Kommunikation mit
dem Controller und stellt eine Rückkopplung
der relativen Feuchte der Ladungsluft zu dem Controller 218' zu Zwecken
der Steuerung der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' bereit.
-
Im
Betrieb kann die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' die Ladungsluft
von dem Luftkompressor 302 an die WVT-Vorrichtung 304 liefern,
wenn das konturierte Ventil 6' an der ersten Positionsgrenze sitzt.
Die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2' kann auch die
WVT-Vorrichtung 304 umgehen und die Ladungsluft von dem
Luftkompressor 302 an den Brennstoffzellenstapel 202' liefern, wenn
das konturierte Ventil 6' an
der zweiten Positionsgrenze sitzt. Wenn das konturierte Ventil 6' sich an einer
Position zwischen der ersten und der zweiten Positionsgrenze befindet,
kann die Ladungsluft auf ein gewünschtes Niveau
befeuchtet und an den Brennstoffzellenstapel 202' geliefert werden.
Hierdurch wird die relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels 202' geregelt.
-
Dem
Fachmann sei gleichermaßen
verständlich,
dass die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2', die hier beschrieben
ist, in einem Brennstoffzellensystem anstelle jeglichen Dreiwegeventils
verwendet werden kann, das derzeit verwendet und in der Technik
bekannt ist.
-
Es
ist überraschend
herausgefunden worden, dass die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2', die das konturierte
Ventil 6, 6' aufweist,
nicht die Steuerprobleme in Verbindung mit bekannten Dreiwege-Ventil-
bzw. -Drosselklappen besitzt. Insbesondere erzeugt das konturierte
Ventil 6, 6' eine
linearere Beziehung zwischen der Fluidströmung und der Position des konturierten
Ventils 6, 6',
als bei bekannten Dreiwege-Ventilklappen 2, 2', die im Wesentlichen flache
Platten besitzen. Die linearere Beziehung zwischen der Fluidströmung und
Position des konturierten Ventils 6, 6' kann teilweise
aus der konvexen Kontur an der zweiten Fläche 20 des konturierten Ventils 6, 6' resultieren.
-
Die
im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung an jeder der ersten und zweiten
Positionsgrenze ist gegenüber
bekannten Ventilen unter niedrigen Umgebungstemperaturen besonders
vorteilhaft, wenn ein Kühlmittelfluidleck
beispielsweise in einem ineffizienten Aufbau der Temperatur des
Brennstoffzellenstapels 202 resultieren kann. Die im Wesentlichen fluiddichte
Abdichtung an jeder der ersten und zweiten Positionsgrenze ist auch
gegenüber
bekannten Ventilen unter hohen Umgebungstemperaturen vorteilhaft,
wenn das Kühlmittelfluidleck
in einer unerwünschten Überhitzung
des Brennstoffzellenstapels 202 resultieren kann.
-
Der
Druckabfall über
die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2' an der ersten und zweiten Positionsgrenze
ist im Vergleich zu bekannten Dreiwege-Ventilklappen mit im Wesentlichen
flachen Platten auch im Wesentlichen reduziert. Überdies ist eine Größe des Drehmoments,
das erforderlich ist, um die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2' zu betätigen, im
Wesentlichen gleich wie bei den Dreiwege-Ventilklappen, die im Stand
der Technik bekannt sind. Wenn die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2' mit einem Aktuator 216, 216' gekoppelt ist,
wie hier oben beschrieben ist, kann diese als ein elektrischer Thermostat
für den
Brennstoffzellenstapel 202 und/oder als ein Regler der
relativen Feuchte für
den Brennstoffzellenstapel 202' betrieben werden.
-
Der
Einsatz der Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2', wie hier beschrieben
ist, erlaubt einen Austausch sowohl einer herkömmlichen Umlenkeranordnung
als auch eines herkömmlichen
elektronischen Thermostats zur Steuerung einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 202, 202'. Demgemäß erlaubt
die Dreiwege-Umlenkeranordnung 2, 2' eine Vereinfachung des Brennstoffzellensystems 200, 200' und reduziert
dessen Herstellkosten.
-
Während bestimmte
repräsentative
Ausführungsformen
und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung
gezeigt worden sind, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden
können, der
in den folgenden angefügten
Ansprüchen
weiter beschrieben ist.