DE102009024897A1

DE102009024897A1 - Dreiwege-Umleitanordnung für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102009024897A1
Application number: DE102009024897A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Thomas P. Migliore
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2010-01-28
Also published as: US8450019B2; US8308938B2; CN101608700B; CN101608700A; US20130022884A1; US20090317676A1

Abstract

Es wird eine Dreiwege-Umleitanordnung mit einem beweglichen Element vorgesehen. Die Dreiwege-Umleitanordnung umfasst ein Gehäuse mit einem ersten Einlass, einem zweiten Einlass, einem ersten Auslass und einem zweiten Auslass. Der erste Einlass und der zweite Einlass sind zum Aufnehmen eines Fluids ausgelegt. Das bewegliche Element, das in dem Gehäuse benachbart zu dem ersten Einlass angeordnet ist, ist von einer ersten Positionsgrenze zu einer zweiten Positionsgrenze um eine Achse drehbar und dazwischen selektiv positionierbar. Es werden Brennstoffzellensysteme mit der Dreiwege-Umleitanordnung zum Regeln von Temperatur und Feuchte eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Dreiwege-Umleitanordnung und insbesondere ein die Dreiwege-Umleitanordnung umfassendes Brennstoffzellensystem.
Hintergrund der Erfindung
Eine Brennstoffzelle ist als saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen worden. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe miteinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel kann eine Strommenge liefern, die zum Versorgen eines Elektrofahrzeugs mit Energie ausreicht. Insbesondere wurde die Brennstoffzelle als wünschenswerte Alternative für den in modernen Fahrzeugen verwendeten herkömmlichen Verbrennungsmotor ausgemacht.
Eine Art von Brennstoffzellenstapel ist als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel (PEM, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane) bekannt. Die typische PEM-Brennstoffzelle umfasst drei Grundbestandteile: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und Anode umfassen typischerweise einen fein verteilten Katalysator, beispielsweise Platin, der von Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist zwischen der Kathode und der Anode sandwichartig eingeschlossen. Benachbart zur Anode und der Kathode können poröse Diffusionsmedien angeordnet sein, die eine Zufuhr und Verteilung von Reaktanten, beispielsweise Wasserstoffgas und Luft, fördern.
In einem den PEM-Brennstoffzellenstapel nutzenden Fahrzeugenergiesystem wird den Anoden das Wasserstoffgas von einer Wasserstoffspeicherquelle zugeführt, beispielsweise von einem unter Druck stehenden Wasserstofftank. Durch eine Luftverdichtereinrichtung wird den Kathoden die Luft zugeführt. Das Wasserstoffgas reagiert bei Vorhandensein der Anode elektrochemisch, was Elektronen und Protonen erzeugt. Die Elektronen werden durch eine dazwischen angeordnete elektrische Schaltung von der Anode zu der Kathode geleitet. Die Protonen treten durch die Elektrolytmembran zur Kathode durch, wo Sauerstoff aus der Luft elektrochemisch reagiert, was Sauerstoffanionen erzeugt. Die Sauerstoffanionen reagieren mit den Protonen, was Wasser als Reaktionsprodukt bildet.
Die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion weist auch einen bekannten Temperaturbereich auf, in dem die Reaktion effizient erfolgen kann. Die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion ist exotherm und ermöglicht es im Allgemeinen dem Brennstoffzellenstapel, während eines Betriebs desselben eine Temperatur innerhalb des erwünschten Temperaturbereichs zu halten. Ein zusätzliches Beheizen wird typischerweise während eines Startbetriebs des Brennstoffzellenstapels eingesetzt, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels innerhalb des erwünschten Temperaturbereichs anzuheben. Zum Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung mit einem Kühlmittelsystem stehen, das ein Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel umwälzt. Das Kühlmittel kann erwärmt werden, beispielsweise mit elektrischen Heizvorrichtungen, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels anzuheben. Das Kühlmittel kann auch durch Zirkulieren durch einen Kühler, der die Wärme an die Umge bungsatmosphäre abgibt, überschüssige Wärme von dem Brennstoffzellenstapel abführen.
Es ist bekannt, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch Umleiten von Kühlmittel um den Kühler, wenn ein Beheizen des Brennstoffstellenstapels erwünscht ist, und durch Leiten von Kühlmittel zu dem Kühler, wenn ein Kühlen des Brennstoffzellenstapels erwünscht ist, zu regeln. Umleitanordnungen oder -ventile, die den Kühlmittelstrom selektiv verändern, werden in dem Brennstoffzellensystem als Thermostate eingesetzt. Bekannte Umleitventile umfassen Drehkegelventile, Dreiwege-Kugelhähne, Dreiwege-Kükenhähne und Dreiwege-Absperrklappen. Die Drehkegelventile, die Dreiwege-Kugelhähne und die Dreiwege-Kükenhähne weisen Gleitdichtungen auf, die ein Lecken zwischen den geschlossenen Stellungen des Ventils erlauben, und können auch zur Betätigung einen unerwünschten Betrag an Drehmoment erfordern.
Typischerweise weisen Dreiwege-Absperrklappen eine im Wesentlichen flache Klappe auf, die in dem Ventilkörper positioniert ist. Die flache Klappe ist mit einer Stange verbunden, die die Klappe zu Positionsgrenzen parallel oder senkrecht zum Kühlmittelstrom dreht. Die flache Klappe schränkt den Kühlmittelstrom ein, wenn sie zu einem Ende der Ventilpositionsgrenzen gedreht wird. Dreiwege-Absperrklappen können auch mit einem erwünschteren Betrag an Drehmoment als bei den anderen bekannten Ventilen betätigt werden. Herkömmliche Dreiwege-Absperrklappen weisen aber bekanntermaßen im Wesentlichen eine nichtlineare Strömungssteuerung zwischen den Ventilpositionsgrenzen auf, was unerwünscht ist.
Demgemäß ist es wünschenswert, eine Umleitanordnung zu erzeugen, die die Strömungssteuerbarkeit maximiert und eine Drehmomentbetätigungs anforderung minimiert. Die Umleitanordnung kann wünschenswerterweise als Thermostat in einem Brennstoffzellensystem genutzt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Einklang und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise eine Umleitanordnung entdeckt, die Strömungssteuerbarkeit maximiert und eine Drehmomentbetätigungsanforderung minimiert und die als Thermostat in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Dreiwege-Umleitanordnung ein Gehäuse mit einer Innenfläche, wobei das Gehäuse einen ersten Einlass, einen ersten Auslass und einen zweiten Auslass umfasst, wobei der erste Einlass dafür ausgelegt ist, ein Fluid durch diesen aufzunehmen; und ein bewegliches Element, das in dem Gehäuse benachbart zu dem ersten Einlass angeordnet ist, wobei das bewegliche Element selektiv zwischen einer ersten Positionsgrenze und einer zweiten Positionsgrenze positionierbar ist und wodurch ein Rückströmen des Fluids durch einen Begrenzer minimiert wird, wenn das bewegliche Element zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen enthält und einen Kühlfluideinlass und einen Kühlfluidauslass aufweist; eine mit dem Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung stehende und dafür ausgelegte Pumpe, diesem ein Kühlfluid zu liefern; einen Kühler mit einem Kühlereinlass und einem Kühlerauslass, wobei der Kühler mit dem Brennstoffzellenstapel und der Fluidpumpe in Fluidverbindung steht; und eine zwischen dem Kühler und dem Brennstoffzellenstapel angeordnete und dafür ausgelegte Dreiwege-Umleitanordnung, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu regeln, wobei die Dreiwege-Umleitanordnung weiterhin umfasst: ein Gehäuse mit einem ersten Einlass, der mit dem Kühlfluidauslass des Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung steht, einem zweiten Einlass, der mit dem Kühlerauslass in Fluidverbindung steht, einem ersten Auslass, der mit dem Kühlfluideinlass des Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung steht, und einem zweiten Auslass, der mit dem Kühlereinlass in Fluidverbindung steht; und ein bewegliches Element, das in dem Gehäuse benachbart zu dem ersten Einlass angeordnet ist, wobei das bewegliche Element zwischen einer ersten Positionsgrenze und einer zweiten Positionsgrenze selektiv positionierbar ist und wodurch ein Rückströmen des Kühlfluids durch einen Begrenzer minimiert wird, wenn das bewegliche Element zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird; wobei die Dreiwege-Umleitanordnung selektiv eines von: a) Leiten des Kühlfluids am Kühler vorbei und Strömen zu dem Brennstoffzellenstapel, b) Strömen des Kühlfluids zu dem Kühler und c) eine Kombination von a) und b) veranlasst, um den Brennstoffzellenstapel thermostatisch zu regeln.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen enthält und einen Kathodeneinlass sowie einen Kathodenauslass aufweist; einen mit dem Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung stehenden und dafür ausgelegten Luftverdichter, diesem einen Ladeluftstrom zu liefern; eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung, die mit dem Luftverdichter und dem Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung steht und dafür ausgelegt ist, die Ladeluft selektiv zu befeuchten; und eine Dreiwege-Umleitanordnung, die mit dem Luftverdichter und sowohl dem Brennstoffzellenstapel als auch der Wasserdampfübertragungsvorrichtung in Fluidverbindung steht, wobei die Dreiwege-Umleitanordnung dafür ausgelegt ist, eine relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels zu regeln, wobei die Dreiwege-Umleitanordnung weiterhin umfasst: ein Gehäuse mit einem ersten Einlass, der mit dem Luftverdichter in Fluidverbindung steht, einem ersten Auslass, der mit der Wasserdampfübertragungsvorrichtung in Fluidverbindung steht, und einem zweiten Auslass, der mit dem Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung steht, sowie ein bewegliches Element, das in dem Gehäuse benachbart zu dem ersten Einlass angeordnet ist, wobei das bewegliche Element zwischen einer ersten Positionsgrenze und einer zweiten Positionsgrenze selektiv positionierbar ist und wodurch ein Rückströmen der Ladeluft durch einen Begrenzer minimiert wird, wenn das bewegliche Element zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird; wobei die Dreiwege-Umleitanordnung selektiv eines von: a) Leiten der Ladeluft an der Wasserdampfübertragungsvorrichtung vorbei und Strömen zu dem Brennstoffzellenstapel, b) Strömen der Ladeluft zu der Wasserdampfübertragungsvorrichtung und c) eine Kombination von a) und b) veranlasst, um eine Feuchte des Brennstoffzellenstapels zu regeln.
Zeichnungen
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann anhand der folgenden eingehenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitzeichnungen mühelos hervor.
1 ist eine Seitenquerschnittansicht einer Dreiwege-Umleitanordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung und zeigt einen ersten sowie einen zweiten Betriebsmodus derselben;
2 ist eine Seitenquerschnittansicht der in 1 dargestellten Dreiwege-Umleitanordnung, wobei sich die Dreiwege-Umleitanordnung in einem dritten Betriebsmodus befindet;
3 ist eine Seitenquerschnittansicht einer Dreiwege-Umleitanordnung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung und zeigt einen ersten sowie einen zweiten Betriebsmodus derselben;
4 ist eine Vorderansicht eines Dreiwegeventils der Dreiwege-Umleitanordnung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine Seitenansicht des in 4 dargestellten Dreiwegeventils;
6 ist eine Seitenquerschnittansicht einer Dreiwege-Umleitanordnung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung und zeigt einen ersten sowie einen zweiten Betriebsmodus derselben;
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Abdichtbereichs der in 6 dargestellten Dreiwege-Umleitanordnung in Kreis 7;
8 ist eine Seitenquerschnittansicht der in 6 dargestellten Dreiwege-Umleitanordnung, wobei sich die Dreiwege-Umleitanordnung in einem dritten Betriebsmodus befindet;
9 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems mit der in 1 bis 8 dargestellten Dreiwege- Umleitanordnung, wobei die Dreiwege-Umleitanordnung dafür ausgelegt ist, eine Temperatur eines Brennstoffzellenstapels zu regeln; und
10 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems mit der in 1 bis 8 dargestellten Dreiwege-Umleitanordnung, wobei die Dreiwege-Umleitanordnung dafür ausgelegt ist, eine Feuchte eines Brennstoffzellenstapels zu regeln.
Eingehende Beschreibung der Erfindung
Die folgende eingehende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Verwirklichen und Verwenden der Erfindung zu ermöglichen, und sind nicht dazu gedacht, den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken.
1, 2 und 3 stellen eine Dreiwege-Umleitanordnung 10 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Dreiwege-Umleitanordnung 10 ein Gehäuse 12, eine Schwenkwelle 13 und ein bewegliches Element 14. Wie veranschaulicht ist das Gehäuse 12 ein getrenntes Bauteil, das das bewegliche Element 14 darin angeordnet aufweist. Es versteht sich aber, dass das Gehäuse 12 als Teil eines anderen Bauteils, beispielsweise eines Teils einer Endeinheit eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, integral ausgebildet sein kann. Auch wenn das gezeigte Gehäuse 12 und das gezeigte bewegliche Element 14 aus einem Polymermaterial gebildet sind, versteht sich, dass das Gehäuse 12 und das bewegliche Element 14 aus anderen herkömmlichen Materialien gebildet sein können, beispielsweise aus einem Metallmaterial, einem Verbundmaterial und einer beliebigen Kombination derselben.
Das Gehäuse 12 umfasst einen ersten Einlass 18, einen ersten Auslass 20 und einen zweiten Auslass 22. Wie gezeigt umfasst das Gehäuse 12 auch einen zweiten Einlass 24. Der erste Einlass 18 und der zweite Einlass 24 sind dafür ausgelegt, einen Fluidstrom von mindestens einer Fluidquelle aufzunehmen. Auch wenn der erste Einlass 18 und der erste Auslass 20 in einer Wand 26 des Gehäuses 12 ausgebildet sind und der zweite Einlass 24 und der zweite Auslass 22 in der Wand 26 des Gehäuses 12 gegenüber dem ersten Einlass 18 und dem ersten Auslass 20 ausgebildet sind, versteht sich, dass nach Bedarf andere Konfigurationen und Positionen des ersten Einlasses 18, des ersten Auslasses 20, des zweiten Auslasses 22 und optional des zweiten Einlasses 24 gewählt werden können.
Ein Innenraum des Gehäuses 12, in dem sich das bewegliche Element 14 dreht, kann zum Beispiel eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung sein. Es können auch andere geeignete Innenmaße und -formen für das Gehäuse 12 verwendet werden. Eine Innenfläche 30 der Wand 26 umfasst einen daran ausgebildeten Durchflussbegrenzer 32. Wie in 1 und 2 gezeigt weist der Durchflussbegrenzer 32 eine im Allgemeinen dreieckige Querschnittform auf und umfasst eine erste Fläche 34, eine zweite Fläche 36 und eine dritte Fläche 38. Die erste Fläche 34 und die zweite Fläche 36 erstrecken sich von der Innenfläche 30 der Wand 26 unter einem Winkel von etwa fünfundvierzig Grad (45°) nach oben und innen, um an der dritten Fläche 38 zusammenzulaufen. Die dritte Fläche 38 weist eine im Allgemeinen konkave Form auf und ist dafür ausgelegt, das bewegliche Element 14 darin schwenkbar aufzunehmen. Alternativ kann der Durchflussbegrenzer 32 wie in 3 gezeigt eine im Allgemeinen geradlinige Form aufweisen, wobei sich die erste Fläche 34 und die zweite Fläche 36 von der Innenfläche 30 der Wand 26 unter einem Winkel von etwa neunzig Grad (90°) bezüglich der dritten Fläche 38 nach oben und zur Seite erstrecken.
Wie in 1, 2 und 3 veranschaulicht ist die Schwenkwelle 13 mit dem sich im Wesentlichen entlang einer Achse A durch das Gehäuse 12 erstreckenden beweglichen Element 14 verbunden. Es versteht sich, dass die Schwenkwelle 13 bei Bedarf mit dem beweglichen Element 14 integral ausgebildet sein kann. Die Schwenkwelle 13 dreht das bewegliche Element 14 um die Achse A, wenn darauf ein Drehmoment ausgeübt wird. In der gezeigten Ausführungsform ist das bewegliche Element 14 ein absperrklappenartiges Klappenventil, wenngleich sich versteht, dass nach Bedarf andere Ventilarten verwendet werden können. Das bewegliche Element 14 ist von einer in 1 und 3 gezeigten ersten Positionsgrenze zu einer in 1 und 3 durch gestrichelte Linien gezeigten zweiten Positionsgrenze selektiv drehbar. Das bewegliche Element 14 ist auch zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze selektiv positionierbar, beispielsweise einer in 2 gezeigten, im Wesentlichen mittleren Position des beweglichen Elements 14. Die erste Positionsgrenze des beweglichen Elements 14 befindet sich in einem Bereich von einer Drehung von etwa fünfundvierzig Grad (45°) um die Achse A bis hin zu einer Drehung von etwa einhundertfünfunddreißig Grad (135°) um die Achse A zur zweiten Positionsgrenze. Wie in 1 und 3 veranschaulicht liegt die erste Positionsgrenze des beweglichen Elements 14 bei etwa neunzig Grad (90°) Drehung um die Achse A zur zweiten Positionsgrenze. Es versteht sich, dass ein Ort der ersten und zweiten Positionsgrenze nach Bedarf gewählt werden kann. Das bewegliche Element 14 lässt das Fluid nach Bedarf selektiv zu mindestens einem von erstem Auslass 20 und zweitem Auslass 22 strömen.
Das bewegliche Element 14 weist im Allgemeinen eine Scheibenform auf. Es versteht sich, dass das bewegliche Element 14 eine beliebige gewünschte Form aufweisen kann. Das bewegliche Element 14 umfasst einen hohlen Schaft 40 zum Aufnehmen der Schwenkwelle 13 und einen sich davon nach außen zur Seite erstreckenden Flansch 42. Eine Innenwand des Schafts 40 kann einen im Wesentlichen flachen Abschnitt 44 umfassen, der dafür konfiguriert ist, mit einer im Wesentlichen flachen Oberfläche der Schwenkwelle 13 zusammenzuwirken und einer Drehung des beweglichen Elements 14 um die Schwenkwelle 13 entgegenzuwirken. Es versteht sich, dass die Schwenkwelle 13 bei Bedarf fest mit dem beweglichen Element 14 verbunden sein kann, beispielsweise durch einen Klebstoff. Es können andere geeignete Mittel eingesetzt werden, um einer Drehung des beweglichen Elements 14 um die Schwenkwelle 13 entgegenzuwirken, beispielsweise kann ein Zusammenwirken einer polygonalen Schwenkwelle 13 mit einem abgestimmten polygonalen Schaft 40 genutzt werden.
Der Flansch 42 ist im Wesentlichen eben und umfasst eine erste Fläche 46 und eine zweite Fläche 48. Die erste Fläche 46 ist zum ersten Einlass 18 benachbart. Die zweite Fläche 48 ist gegenüber der ersten Fläche 46 und dem ersten Einlass 18 angeordnet. In der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist die zweite Fläche 48 dafür ausgelegt, an der ersten Fläche 34 des Begrenzers 32 anzuliegen, wenn sich das bewegliche Element 14 bei der ersten Positionsgrenze befindet, und an der zweiten Fläche des Begrenzers 32 anzuliegen, wenn sich das bewegliche Element 14 bei der zweiten Positionsgrenze befindet. Eine Abdichtfläche 50 ist an einer Umfangskante des beweglichen Elements 14 ausgebildet.
An der ersten Positionsgrenze des beweglichen Elements 14 liegt die erste Abdichtfläche 50 an der Innenfläche 30 der Wand 26 an, um dazwischen eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zu bilden. Die Abdichtung wirkt dem Strömen von Fluid von dem ersten Einlass 18 zu dem zweiten Auslass 22 entgegen und ermöglicht eine im Wesentlichen lineare Steuerung des Strömens von Fluid durch die Dreiwege-Umleitanordnung 10. An der zweiten Positionsgrenze des beweglichen Elements 14, die durch die gestrichelten Linien angezeigt ist, liegt die Abdichtfläche 50 an der Innenfläche 30 der Wand 26 an, um dazwischen eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung auszubilden. Die Abdichtung wirkt dem Strömen von Fluid von dem ersten Einlass 18 zu dem ersten Auslass 20 entgegen und ermöglicht eine im Wesentlichen lineare Steuerung des Strömens von Fluid durch die Dreiwege-Umleitanordnung 10.
Wenn sich, wie in 2 veranschaulicht, das bewegliche Element 14 nicht an den Positionsgrenzen befindet, lässt das bewegliche Element 14 das Strömen von Fluid von dem ersten Einlass 18 zu sowohl dem ersten Auslass 20 als auch dem zweiten Auslass 22 zu. Der in 1, 2 und 3 gezeigte Begrenzer 32 wirkt zum Beispiel einer Nichtlinearität der Strömungssteuerung durch Minimieren eines Zurückströmens über die zweite Fläche 48 und die Innenfläche 30 entgegen, wenn das bewegliche Element 14 zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird. Es versteht sich, dass zum Beispiel bei herkömmlichen Durchflussmengen eines Kühlfluids in einem Brennstoffzellensystem das bewegliche Element 14 sowohl an der ersten Positionsgrenze als auch an der zweiten Positionsgrenze während des Betriebs der Dreiwege-Umleitanordnung 10 weniger als etwa 200 cc/Minute Fluidleckverlust, insbesondere weniger als etwa 100 cc/Minute und ganz besonders weniger als etwa 50 cc/Minute Fluidleckverlust vorsieht. Bei Bedarf können andere geeignete Leckverlusttoleranzen gewählt werden.
Unter Bezug auf 4 und 5 kann das bewegliche Element 14 auch mindestens eine darauf ausgebildete pfeilerartige Stütze 58 und eine darauf angeordnete Elastomerdichtung 60 umfassen. Die mindestens eine Stütze 58 erstreckt sich von dem Flansch 42 zu dem Schaft 40, um das bewegliche Element 14 zu verstärken und einem Biegen desselben entgegenzuwirken. Wie veranschaulicht ist die Elastomerdichtung 60 an der Umfangskante des beweglichen Elements 14 angeordnet, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem beweglichen Element 14 und der Innenfläche 30 der Wand 26 des Gehäuses 12 zu fördern. Die Elastomerdichtung 60 kann auch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem beweglichen Element 14 und der Schwenkwelle 13 fördern. Die durch die Elastomerdichtung 60 geförderten, im Wesentlichen fluiddichten Abdichtungen wirken einem Lecken des Fluids zwischen mindestens einem von beweglichem Element 14 und Innenfläche 30 und beweglichem Element 14 und Schwenkwelle 13 entgegen. In einem nicht einschränkenden Beispiel ist die Elastomerdichtung 60 eine Gummianspritzung. Ein Fachmann sollte erkennen, dass auch andere geeignete Elastomerdichtungen 60 genutzt werden können.
6, 7 und 8 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, die eine Dreiwege-Umleitanordnung ähnlich der in 1 bis 5 gezeigten umfasst. Bezugszeichen für eine ähnliche Struktur hinsichtlich der Beschreibung von 1 bis 5 werden in 6, 7 und 8 mit einem Strichsymbol (') wiederholt.
Die Dreiwege-Umleitanordnung 10' umfasst ein Gehäuse 12', eine Schwenkwelle 13' und ein bewegliches Element 14'. Wie veranschaulicht ist das Gehäuse 12' ein getrenntes Bauteil, das das bewegliche Element 14' darin angeordnet aufweist. Es versteht sich aber, dass das Gehäuse 12' als Teil eines anderen Bauteils, beispielsweise als Teil einer Endeinheit eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, integral ausgebildet sein kann. Auch wenn das gezeigte Gehäuse 12' und das gezeigte bewegliche Element 14' aus einem Polymermaterial gebildet sind, versteht sich, dass das Gehäuse 12' und das bewegliche Element 14' aus anderen herkömmlichen Materialien gebildet sein können, beispielsweise aus einem Metallmaterial, einem Verbundmaterial und einer beliebigen Kombination derselben.
Das Gehäuse 12' umfasst einen ersten Einlass 18', einen ersten Auslass 20' und einen zweiten Auslass 22'. Wie gezeigt umfasst das Gehäuse 12' auch einen zweiten Einlass 24'. Der erste Einlass 18' und der zweite Einlass 24' sind dafür ausgelegt, einen Fluidstrom von mindestens einer Fluidquelle aufzunehmen. Auch wenn der erste Einlass 18' und der erste Auslass 20' in einer Wand 26' des Gehäuses 12' ausgebildet sind und der zweite Einlass 24' und der zweite Auslass 22' in der Wand 26' des Gehäuses 12' gegenüber dem ersten Einlass 18' und dem ersten Auslass 20' ausgebildet sind, versteht sich, dass nach Bedarf andere Konfigurationen und Positionen des ersten Einlasses 18', des ersten Auslasses 20', des zweiten Auslasses 22' und optional des zweiten Einlasses 24' gewählt werden können. Ein Innenraum des Gehäuses 12', in dem sich das bewegliche Element 14' dreht, kann zum Beispiel eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung sein. Es können auch andere geeignete Innenmaße und -formen für das Gehäuse 12' verwendet werden.
Wie veranschaulicht ist die Schwenkwelle 13' mit dem sich im Wesentlichen entlang einer Achse A' durch das Gehäuse 12' erstreckenden beweglichen Element 14' verbunden. Es versteht sich, dass die Schwenkwelle 13' bei Bedarf mit dem beweglichen Element 14' integral ausgebildet sein kann. Die Schwenkwelle 13' dreht das bewegliche Element 14' um die Achse A', wenn darauf ein Drehmoment ausgeübt wird. In der gezeigten Ausführungsform ist das bewegliche Element 14' ein absperrklappenartiges Klappenventil, wenngleich sich versteht, dass nach Bedarf andere Ventilarten verwendet werden können. Das bewegliche Element 14' ist von einer in 6 gezeigten ersten Positionsgrenze zu einer in 6 durch gestrichelte Linien gezeigten zweiten Positionsgrenze um die Achse A' selektiv drehbar. Das bewegliche Element 14' ist auch zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze selektiv positionierbar, beispielsweise einer in 8 gezeigten, im Wesentlichen mittleren Position des beweglichen Elements 14'. Die erste Positionsgrenze des beweglichen Elements 14' befindet sich in einem Bereich von einer Drehung von etwa fünfundvierzig Grad (45°) um die Achse A' bis hin zu einer Drehung von etwa einhundertfünfunddreißig Grad (135°) um die Achse A' zur zweiten Positionsgrenze. Die erste Positionsgrenze des beweglichen Elements 14' liegt bei etwa neunzig Grad (90°) Drehung um die Achse A' zur zweiten Positionsgrenze. Es versteht sich, dass ein Ort der ersten und zweiten Positionsgrenze nach Bedarf gewählt werden kann. Das bewegliche Element 14' lässt das Fluid nach Bedarf selektiv zu mindestens einem von erstem Auslass 20' und zweitem Auslass 22' strömen.
Das bewegliche Element 14' weist im Allgemeinen eine Scheibenform auf. Es versteht sich, dass das bewegliche Element 14' eine beliebige gewünschte Form aufweisen kann. Das bewegliche Element 14' umfasst einen hohlen Schaft 40' zum Aufnehmen der Schwenkwelle 13', einen sich davon nach außen zur Seite erstreckenden Flansch 42' und einen darauf ausgebildeten Begrenzer, beispielsweise einen sich davon seitlich nach außen erstreckenden zweiten Flansch 64. Eine Innenwand des Schafts 40' kann einen im Wesentlichen flachen Abschnitt 44' umfassen, der dafür konfiguriert ist, mit einer im Wesentlichen flachen Oberfläche der Schwenkwelle 13' zusammenzuwirken und einer Drehung des bewegli chen Elements 14' um die Schwenkwelle 13' entgegenzuwirken. Es versteht sich, dass die Schwenkwelle 13' bei Bedarf fest mit dem beweglichen Element 14' verbunden sein kann, beispielsweise durch einen Klebstoff. Es können andere geeignete Mittel eingesetzt werden, um einer Drehung des beweglichen Elements 14' um die Schwenkwelle 13' entgegenzuwirken, beispielsweise kann ein Zusammenwirken einer polygonalen Schwenkwelle 13' mit einem abgestimmten polygonalen Schaft 40' genutzt werden.
Der erste Flansch 42' ist im Wesentlichen eben und umfasst eine erste Fläche 46' und eine zweite Fläche 48'. Die erste Fläche 46' ist zum ersten Einlass 18' benachbart. Die zweite Fläche 48' ist gegenüber der ersten Fläche 46' und dem ersten Einlass 18' angeordnet. Eine in 7 gezeigte Abdichtfläche 50' ist an einer Umfangskante des beweglichen Elements 14' ausgebildet. Der zweite Flansch 64 umfasst eine Abdichtfläche 66. Ein Abstand zwischen der Abdichtfläche 66 und der Innenfläche 30' reicht zum Beispiel von etwa 0,01 mm bis etwa 0,5 mm, insbesondere von etwa 0,05 mm bis etwa 0,4 mm und ganz besonders von etwa 0,1 mm bis etwa 0,3 mm. Es können auch andere geeignete Abstände genutzt werden.
An der ersten Positionsgrenze des beweglichen Elements 14' liegt die erste Abdichtfläche 50' an der Innenfläche 30' der Wand 26' an, um dazwischen eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zu bilden. Die Abdichtung wirkt dem Strömen von Fluid von dem ersten Einlass 18' zu dem zweiten Auslass 22' entgegen und ermöglicht eine im Wesentlichen lineare Steuerung des Strömens von Fluid durch die Dreiwege-Umleitanordnung 10'. An der zweiten Positionsgrenze des beweglichen Elements 14', die durch die gestrichelten Linien angezeigt ist, liegt die Abdichtfläche 50' an der Innenfläche 30' der Wand 26' an, um dazwischen eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung auszubilden. Die Abdichtung wirkt dem Strömen von Fluid von dem ersten Einlass 18' zu dem ersten Auslass 20' entgegen und ermöglicht eine im Wesentlichen lineare Steuerung des Strömens von Fluid durch die Dreiwege-Umleitanordnung 10'.
Wenn sich, wie in 8 veranschaulicht, das bewegliche Element 14' nicht an den Positionsgrenzen befindet, lässt das bewegliche Element 14' das Strömen von Fluid von dem ersten Einlass 18' zu sowohl dem ersten Auslass 20' als auch dem zweiten Auslass 22' zu. Die Abdichtfläche 66 des zweiten Flansches 64 liegt an der Innenfläche 30' der Wand 26' an, um dazwischen eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zu bilden. Der zweite Flansch 64 wirkt zum Beispiel einer Nichtlinearität der Strömungssteuerung durch Minimieren eines Zurückströmens über die zweite Fläche 48' und die Innenfläche 30' entgegen, wenn das bewegliche Element 14' zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird. Es versteht sich, dass zum Beispiel bei herkömmlichen Durchflussmengen eines Kühlfluids in einem Brennstoffzellensystem das bewegliche Element 14' sowohl an der ersten Positionsgrenze als auch an der zweiten Positionsgrenze während des Betriebs der Dreiwege-Umleitanordnung 10' weniger als etwa 200 cc/Minute Fluidleckverlust, insbesondere weniger als etwa 100 cc/Minute und ganz besonders weniger als etwa 50 cc/Minute Fluidleckverlust vorsieht. Bei Bedarf können andere geeignete Leckverlusttoleranzen gewählt werden.
Das bewegliche Element 14' kann auch mindestens eine darauf ausgebildete (nicht gezeigte) pfeilerartige Stütze und eine darauf angeordnete Elastomerdichtung 60' umfassen. Die mindestens eine Stütze erstreckt sich von dem Flansch 42' zu dem Schaft 40', um das bewegliche Element 14' zu verstärken und einem Biegen desselben entgegenzuwirken. Wie veranschaulicht ist die Elastomerdichtung 60' an der Umfangskante des beweglichen Elements 14' angeordnet, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem beweglichen Element 14' und der Innenfläche 30' der Wand 26' des Gehäuses 12' zu fördern. Die Elastomerdichtung 60' kann auch eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem beweglichen Element 14' und der Schwenkwelle 13' fördern. Die durch die Elastomerdichtung 60' geförderten, im Wesentlichen fluiddichten Abdichtungen wirken einem Lecken des Fluids zwischen mindestens einem von beweglichem Element 14' und Innenfläche 30' und beweglichem Element 14' und Schwenkwelle 13' entgegen. Es versteht sich, dass die Elastomerdichtung 60' auch an einer Außenkante des zweiten Flansches 64 angeordnet sein kann, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem zweiten Flansch 64 und der Innenfläche 30' der Wand 26' des Gehäuses 12' zu fördern. In einem nicht einschränkenden Beispiel ist die Elastomerdichtung 60' eine Gummianspritzung. Ein Fachmann sollte erkennen, dass auch andere geeignete Elastomerdichtungen 60' genutzt werden können.
Wie in 9 gezeigt umfasst die vorliegende Erfindung weiterhin ein erstes Brennstoffzellensystem 100 mit der darin angeordneten Dreiwege-Umleitanordnung. Bezugszeichen für eine ähnliche Struktur hinsichtlich der Beschreibung von 1 bis 8 werden in 9 mit einem Strichsymbol ('') wiederholt.
Das erste Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 102, eine Fluidpumpe 104 und einen Kühler 106. Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst mehrere Brennstoffzellen und weist einen Kühlmitteleinlass 108 sowie einen Kühlmittelauslass 110 zum Umwälzen eines Kühlfluids, beispielsweise Wasser, dadurch zum Zweck des Regelns einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102 auf. In der ebenfalls schwebenden U.S.-Anmeldung Seriennr. 11/874,317 der Anmelderin, die hierin durch Erwähnung in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird, wird ein beispielhafter Brennstoffzellenstapel 100 beschrieben.
Die Fluidpumpe 104 steht mit dem Brennstoffzellenstapel 102 in Fluidverbindung und ist dafür ausgelegt, diesem einen Strom des Kühlfluids zu liefern. Zum Beispiel kann die Fluidpumpe 104 Teil eines Kühlmittelssystems sein, das zum Beispiel einen (nicht gezeigten) Kühlmitteltank zum Aufnehmen des durch das Kühlmittelsystem zu und von dem Brennstoffzellenstapel 102 umlaufenden Kühlfluids aufweist. Die Pumpe 104 steht mit dem Kühler 106 in Fluidverbindung. Der Kühler 106 weist einen Kühlereinlass 112 und einen Kühlerauslass 114 auf. Der Kühler 106 steht auch mit dem Brennstoffzellenstapel 102 in Fluidverbindung und ist dafür ausgelegt, Abwärme aus dem durch den Brennstoffzellenstapel 102 strömenden Kühlfluid an die Umgebungsatmosphäre abzulassen.
In einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform ist die Dreiwege-Umleitanordnung 10'' zwischen dem Brennstoffzellenstapel 102 und dem Kühler 106 angeordnet und ist dafür ausgelegt, den Brennstoffzellenstapel 102 thermostatisch zu regeln. Der erste Einlass 18'' der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' steht mit dem Kühlmittelauslass 110 des Brennstoffzellenstapels 102 in Fluidverbindung. Der zweite Einlass 24'' der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' steht mit dem Kühlerauslass 114 in Fluidverbindung. Der erste Auslass 20'' der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' steht mit dem Kühlmitteleinlass 108 des Brennstoffzellenstapels 102 in Fluidverbindung. Der zweite Auslass 22'' der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' steht mit dem Kühlereinlass 112 in Fluidverbindung.
Das erste Brennstoffzellensystem 100 kann weiterhin einen Aktuator 116 umfassen. Der Aktuator 116 ist mit dem beweglichen Element 14'' der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' verbunden. Der Aktuator 116 ist dafür ausgelegt, das bewegliche Element 14'' nach Bedarf um die Achse A'' zu drehen. Der Aktuator 116 kann zum Beispiel einen dafür konfigurierten elektrischen Schrittmotor umfassen, das bewegliche Element 14'' von der ersten Positionsgrenze zur zweiten Positionsgrenze selektiv und präzis zu jeder gewünschten Position zu drehen. In einer anderen Ausführungsform ist der Aktuator 116 integral mit der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' ausgebildet. Andere geeignete Aktuatoren 116 können ebenfalls genutzt werden.
Das erste Brennstoffzellensystem 100 kann auch ein Steuergerät 118 umfassen. Das Steuergerät 118 steht mit der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' in elektrischer Verbindung. Das Steuergerät 118 ordnet die Position des beweglichen Elements 14'' in der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' selektiv an, um den Brennstoffzellenstapel 102 thermostatisch zu regeln. In einer bestimmten Ausführungsform steht das Steuergerät 118 mit dem Aktuator 116 in elektrischer Verbindung und steuert selektiv den Aktuator 116, so dass er das bewegliche Element 14'' zu der erwünschten Position dreht.
Es versteht sich, dass das Brennstoffzellensystem 100 mindestens einen mit dem Steuergerät 118 in elektrischer Verbindung stehenden Sensor 120 umfassen kann. Der Sensor 120 liefert eine Rückmeldung über einen Zustand des Brennstoffzellenstapels 102, die das Steuergerät 118 empfängt und zum Zweck des Steuerns der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' verarbeitet. Die Rückmeldung über den Zustand des Brennstoffzellenstapels 102 kann ständig überwacht werden, um der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' als Reaktion auf den „Echtzeit”-Zustand Befehle zu erteilen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Sensor 120 ein Temperatursensor sein. Der Temperatursensor kann die Temperatur des Kühlfluids zum Beispiel bei zumindest einem von: vor dem Eindringen des Kühlfluids in den Brennstoffzellenstapel 102, an dem Brennstoffzellenstapel 102 und nach dem Austreten des Kühlfluids aus dem Brennstoffzellenstapel 102 überwachen. Es können auch andere geeignete Stellen in dem ersten Brennstoffzellensystem 100 zum Überwachen der Temperatur mit dem Sensor 120 verwendet werden.
Der mindestens eine Sensor 120 kann auch eine Rückmeldung liefern, die für transiente Bedingungen eines (nicht gezeigten) Elektrofahrzeugs, das das erste Brennstoffzellensystem 100 aufweist, relevant ist. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der mindestens eine Sensor 120 auf einen ”Volllast”-Zustand des Elektrofahrzeugs ansprechen. Der mindestens eine Sensor 120 kann dem Steuergerät 118 die Rückmeldung des Fahrzeugzustands liefern. Das Steuergerät 118 kann beispielsweise eine Temperaturänderung des Brennstoffzellenstapels 102 im Verhältnis zum Fahrzeugzustand durch Verwenden eines geeigneten Algorithmus oder einer geeigneten mathematischen Beziehung vorhersehen. Das Steuergerät 118 steuert die Dreiwege-Umleitanordnung 10'', um den Brennstoffzellenstapel 102 thermostatisch zu regeln und vor der erwarteten Temperaturänderung die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102 innerhalb des erwünschten Bereichs zu halten.
Bei Betrieb bewirkt die Dreiwege-Umleitanordnung 10'' selektiv a) ein Leiten des Kühlfluids an dem Kühler 106 vorbei, b) ein Strömen des Kühlfluids zu dem Kühler 106 und c) eine Kombination von a) und b), um den Brennstoffzellenstapel 102 thermostatisch zu regeln. Zum Beispiel kann die Dreiwege-Umleitanordnung 10'' während eines Startbetriebs des Brennstoffzellenstapels 102 bewirken, dass das Kühlfluid den Brennstoffzellenstapel 102 beheizt, indem sie einem Abführen von Wärme aus dem Kühlfluid mittels des Kühler 106 entgegenwirkt und das Kühlfluid zu dem Brennstoffzellenstapel 102 zurückführt. Durch Drehen des beweglichen Elements 14'' zu der in 1, 3 und 6 gezeigten ersten Positionsgrenze kann das Kühlfluid veranlasst werden, am Kühler vorbeizuströmen. Das zu der ersten Positionsgrenze gedrehte bewegliche Element 14'' kann eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit dem Gehäuse 12'' bilden, die das Kühlfluid von dem ersten Auslass 18'' durch die Dreiwege-Umleitanordnung 10'', aus dem ersten Auslass 20'', am Kühler 106 vorbei und zu dem Brennstoffzellenstapel 102 strömen lässt. Die auf diese Weise betriebene Dreiwege-Umleitanordnung 10'' befindet sich in einem „Kühlerumgehungsmodus”. Da die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 102 exotherm ist, steigt die Temperatur des Kühlfluids zunehmend, wenn das Kühlfluid durch den Brennstoffzellenstapel 102 zirkuliert. Das Kühlfluid wird durch den Brennstoffzellenstapel 102 umgewälzt, bis die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102 innerhalb eines erwünschten Temperaturbereichs liegt.
Während eines weiteren Betriebs der Dreiwege-Umleitanordnung 10'' wirkt die Dreiwege-Umleitanordnung 10'' einem Überhitzen des Brennstoffzellenstapels 102 entgegen. Die Dreiwege-Umleitanordnung 10'' kann das Kühlfluid zu dem Kühler 106 strömen lassen, wo überschüssige Wärme aus dem ersten Brennstoffzellensystem 100 abgeführt wird. Zum Beispiel kann das bewegliche Element 14'' zu der in 1, 3 und 6 durch die gestrichelten Linien gezeigten zweiten Positionsgrenze gedreht werden. Das zu der zweiten Positionsgrenze gedrehte bewegliche Element 14'' kann eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit dem Gehäuse 12'' bilden, die das Kühlfluid von dem ersten Auslass 18'' durch die Dreiwege-Umleitanordnung 10'', aus dem zweiten Auslass 22'' und zu dem Kühler 106 strömen lässt. Die auf diese Weise betriebene Dreiwege-Umleitanordnung 10'' befindet sich in einem „Kühlermodus”.
Bei Erreichen einer Solltemperatur des Brennstoffzellenstapels 102 kann ein erster Teil des Kühlfluids veranlasst werden, zu dem Kühler 106 zu strömen. Gleichzeitig kann ein zweiter Teil des Kühlfluids veranlasst werden, am Kühler 106 vorbeizuströmen und zu dem Brennstoffzellenstapel 102 zu strömen. Der erste und der zweite Teil des Kühlfluids, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, werden zusammengeführt und zu dem Brennstoffzellenstapel 102 umgewälzt, um die Temperatur desselben innerhalb eines erwünschten Bereichs zu halten.
In 10 ist ein zweites erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 200 gezeigt. Bezugszeichen für eine ähnliche Struktur hinsichtlich der Beschreibung von 1 bis 8 werden in 10 mit einem Strichsymbol (''') wiederholt.
Das zweite Brennstoffzellensystem 200 nutzt die Dreiwege-Umleitanordnung 10''', um eine relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels 102''' zu regeln. Das zweite Brennstoffzellensystem 200 umfasst die Dreiwege-Umleitanordnung 10''', die den ersten Einlass 18''', den ersten Auslass 20''' und den zweiten Auslass 22''' aufweist. Das zweite Brennstoffzellensystem 200 umfasst weiterhin den Brennstoffzellenstapel 102''', einen Luftverdichter 202 und eine Befeuchter- oder Wasserdampfübertragungsvorrichtung 204 (WVT, kurz vom engl. Water Vapor Transfer), die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Der Brennstoffzellenstapel 102''' weist mehrere Brennstoffzellen, einen Kathodeneinlass 206 und einen Kathodenauslass 208 auf. Der Luftverdichter 202 steht mit dem Brennstoffzellenstapel 102''' in Fluidverbindung und ist dafür ausgelegt, diesem einen Ladeluftstrom zu liefern. Die WVT-Vorrichtung 204 steht mit dem Luftverdichter 202 und dem Brennstoffzellenstapel 102''' in Fluidverbindung. Die WVT-Vorrichtung 204 ist dafür ausgelegt, die dem Brennstoffzellenstapel 102''' gelieferte Ladeluft selektiv zu befeuchten. Die WVT- Vorrichtung 204 kann zum Beispiel von einem aus dem Kathodenauslass 208 austretenden Kathodenabgasstrom Feuchtigkeit auf die Ladeluft übertragen. Es können auch andere geeignete Mittel zum Befeuchten der Ladeluft genutzt werden.
Die Dreiwege-Umleitanordnung 10''' ist mit dem Luftverdichter 202 und sowohl dem Brennstoffzellenstapel 102''' als auch der WVT-Vorrichtung 204 in Verbindung stehend angeordnet. Der erste Einlass 18''' steht mit dem Luftverdichter 202 in Fluidverbindung. Der erste Auslass 20''' steht mit dem Brennstoffzellensystem 102''' in Fluidverbindung. Der zweite Auslass 22''' steht mit der WVT-Vorrichtung 204 in Fluidverbindung. Die Dreiwege-Umleitanordnung 10''' ist dafür ausgelegt, selektiv a) die Ladeluft an der WVT-Vorrichtung 204 vorbeiströmen und zu dem Brennstoffzellenstapel 102''' strömen zu lassen, b) die Ladeluft zu der WVT-Vorrichtung 204 strömen zu lassen und c) eine Kombination von a) und b) zu veranlassen, um die Feuchte des Brennstoffzellenstapels 102''' zu regeln.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das zweite Brennstoffzellensystem 200 den Aktuator 116''', das Steuergerät 118''' und mindestens einen Feuchtesensor 120'''. Der Aktuator 116''' ist mit dem beweglichen Element 14''' der Dreiwege-Umleitanordnung 10''' verbunden. Der Aktuator 116''' dreht selektiv das bewegliche Element 14''' von der ersten Positionsgrenze zu der zweiten Positionsgrenze um die Achse A''' und zu den erwünschten Positionen dazwischen. Das Steuergerät 118''' steht mit dem Aktuator 116''' in elektrischer Verbindung. Das Steuergerät 118''' steuert selektiv die Position des beweglichen Elements 14''', um die Feuchte des Brennstoffzellenstapels 102''' zu regeln. Der mindestens eine Feuchtesensor 120''' steht mit dem Steuergerät in elektrischer Verbindung und liefert dem Steuergerät 118''' mm Zweck des Steuerns der Dreiwege- Umleitanordnung 10''' eine Rückmeldung über die relative Feuchte der Ladeluft.
Bei Betrieb kann die Dreiwege-Umleitanordnung 10''' die Ladeluft von dem Luftverdichter 202 zu der WVT-Vorrichtung 204 liefern, wenn das bewegliche Element 14''' an der ersten Positionsgrenze sitzt. Die Dreiwege-Umleitanordnung 10''' kann auch die WVT-Vorrichtung 204 umgehen und die Ladeluft von dem Luftverdichter 202 zu dem Brennstoffzellenstapel 102''' liefern, wenn das bewegliche Element 14''' an der zweiten Positionsgrenze sitzt. Wenn sich das bewegliche Element 14''' an einer Position zwischen der ersten und der zweiten Positionsgrenze befindet, kann die Ladeluft auf einen Sollwert befeuchtet und dem Brennstoffzellenstapel 102''' zugeführt werden. Dadurch wird die relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels 102''' geregelt.
Ein Durchschnittsfachmann sollte analog verstehen, dass die hierin beschriebene Dreiwege-Umleitanordnung 10, 10', 10'', 10''' an Stelle eines beliebigen derzeit genutzten und aus dem Stand der Technik bekannten Dreiwegeventils in einem Brennstoffzellensystem verwendet werden kann.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Dreiwege-Umleitanordnung 10, 10', 10'', 10''', die das bewegliche Element 14, 14', 14'', 14''' aufweist, nicht die mit bekannten beweglichen Dreiwege-Elementen verbundenen Steuerprobleme aufweist. Insbesondere erzeugt das bewegliche Element 14, 14', 14'', 14''' eine linearere Beziehung zwischen dem Strömen von Fluid und der Position des beweglichen Elements 14, 14', 14'', 14''' als bei bekannten beweglichen Dreiwege-Elementen. Die linearere Beziehung zwischen dem Fluidströmen und der Position des beweglichen Elements 14, 14', 14'', 14''' kann zum Teil Folge des auf der Innenfläche 30 des Gehäuses 12 ausgebildeten Begrenzers 32 oder des auf dem beweglichen Element 14, 14', 14'', 14''' ausgebildeten zweiten Flansches 64 sein.
Die im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung sowohl an der ersten als auch an der zweiten Positionsgrenze ist gegenüber bekannten Ventilen unter niedrigen Umgebungstemperaturen besonders vorteilhaft, wenn ein Kühlfluidlecken zum Beispiel zu einem ineffizienten Aufbau der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102 führen kann. Die im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung sowohl an der ersten als auch an der zweiten Positionsgrenze ist gegenüber bekannten Ventilen auch unter hohen Umgebungstemperaturen vorteilhaft, wenn das Kühlfluidlecken zu einem unerwünschten Überhitzen des Brennstoffzellenstapels 102 führen kann.
Zudem ist ein Drehmomentbetrag, der zum Betätigen der Dreiwege-Umleitanordnung 10, 10', 10'', 10''' erforderlich ist, im Wesentlichen gleich wie bei aus dem Stand der Technik bekannten beweglichen Dreiwege-Elementen. Die Dreiwege-Umleitanordnung 10, 10', 10'', 10''' kann bei Verbindung mit einem Aktuator 116, 116''', wie hierin vorstehend beschrieben ist, mindestens als eines von: elektrischer Thermostat für den Brennstoffzellenstapel 102 und Regler der relativen Feuchte für den Brennstoffzellenstapel 102''' dienen.
Die Nutzung der hierin beschriebenen Dreiwege-Umleitanordnung 10, 10', 10'', 10''' ermöglicht es, sowohl eine herkömmliche Umleitanordnung als auch einen herkömmlichen elektronischen Thermostat zum Steuern einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 102, 102''' zu ersetzen. Demgemäß macht die Dreiwege-Umleitanordnung 10, 10', 10'', 10''' eine Vereinfachung des Brennstoffzellensystems 100, 200 möglich und senkt die Fertigungskosten desselben.
Während zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung bestimmte charakteristische Ausführungsformen und Einzelheiten gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben wird.

Claims

Dreiwege-Umleitanordnung umfassend: ein Gehäuse mit einer Innenfläche, wobei das Gehäuse einen ersten Einlass, einen ersten Auslass und einen zweiten Auslass umfasst, wobei der erste Einlass zum Aufnehmen eines Fluids durch diesen ausgelegt ist; und ein in dem Gehäuse benachbart zu dem ersten Einlass angeordnetes bewegliches Element, wobei das bewegliche Element selektiv zwischen einer ersten Positionsgrenze und einer zweiten Positionsgrenze positionierbar ist und wodurch ein Rückströmen des Fluids durch einen Begrenzer minimiert wird, wenn das bewegliche Element zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Element selektiv das Fluid veranlasst, zu mindestens einem von erstem Auslass und zweitem Auslass zu strömen.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 1, wobei der Begrenzer an der Innenfläche des Gehäuses ausgebildet ist.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 3, wobei der Begrenzer entweder eine im Wesentlichen dreieckige Querschnittform oder eine im Wesentlichen lineare Querschnittform aufweist.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 3, wobei das bewegliche Element bei der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze an dem Begrenzer anliegt.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 1, wobei der Begrenzer auf dem beweglichen Element ausgebildet ist.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 6, wobei der Begrenzer ein auf dem beweglichen Element ausgebildeter Flansch ist, der sich davon seitlich nach außen erstreckt.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 1, wobei eine auf dem beweglichen Element ausgebildete Abdichtfläche bei der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze an der Innenfläche des Gehäuses anliegt, um dazwischen eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zu bilden.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Element eine Elastomerdichtung umfasst.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse einen zum Aufnehmen des Fluids durch diesen ausgelegten zweiten Einlass umfasst.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine durch das Gehäuse angeordnete und mit dem beweglichen Element verbundene Schwenkwelle umfasst, wobei die Schwenkwelle das bewegliche Element um die Achse dreht, wenn darauf ein Drehmoment ausgeübt wird.
Dreiwege-Umleitanordnung nach Anspruch 11, wobei das bewegliche Element mindestens eine Öffnung zum Aufnehmen der Schwenkwelle umfasst, wobei die mindestens eine Öffnung einen im Wesentlichen flachen Abschnitt aufweist, der dafür konfiguriert ist, eine im Wesentlichen flache Oberfläche der Schwenkwelle aufzunehmen und einer Drehung des beweglichen Elements um die Schwenkwelle entgegenzuwirken.
Brennstoffzellensystem umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen umfasst und einen Kühlfluideinlass und einen Kühlfluidauslass aufweist; eine mit dem Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung stehende und zum Liefern eines Kühlfluids zu diesem ausgelegte Pumpe; einen Kühler mit einem Kühlereinlass und einem Kühlerauslass, wobei der Kühler mit dem Brennstoffzellenstapel und der Fluidpumpe in Fluidverbindung steht; und eine zwischen dem Kühler und dem Brennstoffzellenstapel angeordnete und dafür ausgelegte Dreiwege-Umleitanordnung, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu regeln, wobei die Dreiwege-Umleitanordnung weiterhin umfasst: ein Gehäuse mit einem ersten Einlass, der mit dem Kühlfluidauslass des Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung steht, einem zweiten Einlass, der mit dem Kühlerauslass in Fluidverbindung steht, einem ersten Auslass, der mit dem Kühlfluideinlass des Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung steht, und einem zweiten Auslass, der mit dem Kühlereinlass in Fluidverbindung steht; und ein in dem Gehäuse benachbart zu dem ersten Einlass angeordnetes bewegliches Element, wobei das bewegliche Element zwischen einer ersten Positionsgrenze und einer zweiten Positionsgrenze selektiv positionierbar ist und wodurch ein Rückströmen des Kühlfluids durch einen Begrenzer minimiert wird, wenn das bewegliche Element zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird; wobei die Dreiwege-Umleitanordnung selektiv eines von: a) Strömen des Kühlfluids am Kühler vorbei und Strömen zu dem Brennstoffzellenstapel, b) Strömen des Kühlfluids zu dem Kühler und c) eine Kombination von a) und b) veranlasst, um den Brennstoffzellenstapel thermostatisch zu regeln.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, welches weiterhin einen mit dem beweglichen Element der Dreiwege-Umleitanordnung verbundenen Aktuator umfasst, wobei der Aktuator selektiv das bewegliche Element von der ersten Positionsgrenze zu der zweiten Positionsgrenze um eine Achse dreht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, wobei der Aktuator ein elektrischer Schrittmotor ist, der eine präzise Steuerung der Position des beweglichen Elements vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, welches weiterhin ein mit dem Aktuator in elektrischer Verbindung stehendes Steuergerät umfasst, wobei das Steuergerät selektiv die Position des beweglichen Elements steuert, um den Brennstoffzellenstapel thermostatisch zu regeln.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, welches weiterhin mindestens einen Sensor umfasst, der mit dem Steuergerät in elektrischer Verbindung steht und eine Rückmeldung über die Kühlfluidtemperatur oder die Brennstoffzellenstapelbedingungen zu diesem vorsieht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei i) eine Abdichtfläche des beweglichen Elements an der ersten Positionsgrenze eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit dem Gehäuse bildet, die das Kühlfluid veranlasst, am Kühler vorbeizuströmen und zu dem Brennstoffzellenstapel zu strömen; ii) die Abdichtfläche des beweglichen Elements an der zweiten Positionsgrenze eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung mit dem Gehäuse bildet, die das Kühlfluid veranlasst, vor dem Strömen zu dem Brennstoffzellenstapel zu dem Kühler zu strömen; und iii) das bewegliche Element an Positionen zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze einen ersten Teil des Kühlfluids veranlasst, am Kühler vorbeizuströmen und zu dem Brennstoffzellenstapel zu strömen, und einen zweiten Teil des Kühlfluids veranlasst, zu dem Brennstoffzellenstapel zu strömen.
Brennstoffzellensystem umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen enthält und einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass aufweist; einen mit dem Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung stehenden und zum Vorsehen eines Ladeluftstroms zu diesem ausgelegten Luftverdichter; eine mit dem Luftverdichter und dem Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung stehende und zum selektiven Befeuchten der Ladeluft ausgelegte Wasserdampfübertragungsvorrichtung; und eine Dreiwege-Umleitanordnung, die mit dem Luftverdichter und sowohl dem Brennstoffzellenstapel als auch der Wasserdampfübertragungsvorrichtung in Fluidverbindung steht, wobei die Dreiwege-Umleitanordnung zum Regeln einer relativen Feuchte des Brennstoffzellenstapels ausgelegt ist, wobei die Dreiwege-Umleitanordnung weiterhin umfasst: ein Gehäuse mit einem ersten Einlass, der mit dem Luftverdichter in Fluidverbindung steht, einem ersten Auslass, der mit dem Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung steht, und einem zweiten Auslass, der mit der Wasserdampfübertragungsvorrichtung in Fluidverbindung steht; und ein in dem Gehäuse benachbart zu dem ersten Einlass angeordnetes bewegliches Element, wobei das bewegliche Element zwischen einer ersten Positionsgrenze und einer zweiten Positionsgrenze selektiv positionierbar ist und wodurch ein Rückströmen der Ladeluft durch einen Begrenzer minimiert wird, wenn das bewegliche Element zwischen der ersten Positionsgrenze und der zweiten Positionsgrenze gedreht wird; wobei die Dreiwege-Umleitanordnung selektiv eines von: a) Strömen der Ladeluft an der Wasserdampfübertragungsvorrichtung vorbei und Strömen zu dem Brennstoffzellenstapel, b) Strömen der Ladeluft zu der Wasserdampfübertragungsvorrichtung und c) eine Kombination von a) und b) veranlasst, um eine Feuchte des Brennstoffzellenstapels zu regeln.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, weiterhin umfassend: einen mit dem beweglichen Element der Dreiwege-Umleitanordnung verbundenen Aktuator, wobei der Aktuator selektiv das bewegliche Element von der ersten Positionsgrenze zu der zweiten Positionsgrenze um eine Achse dreht; ein mit dem Aktuator in elektrischer Verbindung stehendes Steuergerät, wobei das Steuergerät die Position des beweglichen Elements selektiv steuert, um die Feuchte des Brennstoffzellenstapels zu regeln; und mindestens einen Feuchtesensor, der mit dem Steuergerät in elektrischer Verbindung steht und diesem eine Rückmeldung über die Feuchte der Ladeluft liefert.