DE102012218556A1

DE102012218556A1 - Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102012218556A1
Application number: DE201210218556
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Andreas Buchner; Michael Bauer; Martin Scherrer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum gezielten Erzeugen eines elektrischen Kurzschlusses an einzelnen oder sämtlichen Brennstoffzellen des Systems im Falle eines Unfalls oder dgl. eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeugs, wobei eine mechanisch verlagerbare Struktur vorgesehen ist, welche durch eine Krafteinwirkung in Folge einer unfallbedingten Verformung des Fahrzeugs solchermaßen verlagert wird, dass hierdurch der gewünschte Kurzschluss entsteht oder hergestellt wird, wobei die besagte verlagerbare Struktur eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Kurzschlusses trägt oder ihrerseits geeignet verlagert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum gezielten Erzeugen eines elektrischen Kurzschlusses an einzelnen oder sämtlichen Brennstoffzellen des Systems im Falle eines Unfalls oder dgl. eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeugs. Zum Stand der Technik wird auf die WO 2009/052953 A1 verwiesen.
Kraftfahrzeuge werden in zunehmendem Maße mit Brennstoffzellen-Systemen zur Erzeugung elektrischer Energie für die Versorgung elektrischer Antriebsmotoren ausgerüstet, welche mit Wasserstoff betrieben werden. Ein solches Brennstoffzellen-System, welches u. a. einen Stapel von Einzel-Brennstoffzellen enthält, kann im Falle eines Fahrzeugcrashs, d. h. wenn das Kraftfahrzeug verunfallt, ein Sicherheitsrisiko bilden, nämlich wenn als Folge einer Beschädigung des Brennstoffzellensystems Wasserstoff, der sich im System befindet, frei wird, der sich durch Funkenbildung entzünden könnte. Üblicherweise wird versucht, dies dadurch zu verhindern, dass geeignete Versteifungen verbaut werden, die bei typischen Unfallvorgängen von Kraftfahrzeugen eine Beschädigung des Brennstoffzellensystems weitestmöglich verhindern und weiterhin werden Abriss-Ventile vorgesehen, die ein Austreten oder Freiwerden von Wasserstoff verhindern. Als weitere Maßnahme wird bei einem Fahrzeugcrash die Abfuhr von elektrischer Spannung aus dem Brennstoffzellensystem durch Schütze oder dgl. verhindert.
Diese bekannten und üblichen Maßnahmen können jedoch relativ aufwändig werden, weshalb in der oben genannten WO 2009/052953 A1 eine andere Maßnahme zur Minimierung der aus einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs im Falle eines Fahrzeugcrashs hervorgehenden Risiken vorgeschlagen ist, nämlich die gezielte Erzeugung oder Herstellung eines elektrischen Kurzschlusses im oder am Brennstoffzellensystem. Mit einem solchen elektrischen Kurzschluss wird nicht nur verhindert, dass elektrische Spannung aus dem System heraus in unerwünschter Weise an Bauteile des Kraftfahrzeugs gelangt, sondern es kann vorteilhafterweise durch oder während einen/eines solchen elektrischen Kurzschluss(es) der noch im Brennstoffzellensystem befindliche Wasserstoff praktisch vollständig elektrochemisch reagieren. Im genannten Stand der Technik sind dabei verschiedene Möglichkeiten beschrieben, mit denen im Falle eines Fahrzeugcrashs ein gezielter elektrischer Kurzschluss in einem Brennstoffzellensystem erzeugt werden kann, nämlich mittels eines pyrotechnisch oder elektromechanisch auslösbaren Schalters oder mittels eines Halbleiterschalters oder einer Funkenstrecke, wobei diese Elemente jeweils über ein einen Unfall oder Fahrzeugcrash signalisierendes Signal aktiviert, d. h. ausgelöst werden müssen. Erforderlich ist hier also eine spezifische Sensorik zum Erkennen einer kritischen Situation, in welcher im Brennstoffzellensystem ein elektrischer Kurzschluss erzeugt werden soll.
Hier ist eine weitere Verbesserung möglich, die aufzuzeigen Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist. Die Lösung dieser Aufgabe ist für ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanisch verlagerbare Struktur vorgesehen ist, welche durch eine Krafteinwirkung in Folge einer unfallbedingten Verformung des Fahrzeugs solchermaßen verlagert wird, dass hierdurch der gewünschte Kurzschluss entsteht oder hergestellt wird, wobei die besagte verlagerbare Struktur eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Kurzschlusses trägt oder ihrerseits geeignet verlagert.
Vorliegend ist eine Konstruktionsweise vorgeschlagen, mit welcher bei übermäßiger mechanischer Beanspruchung, wie sie im Falle eines Unfalls oder eines Fahrzeugcrashs auftritt, die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems kurzgeschlossen werden und somit analog dem bekannten Stand der Technik die elektrische Spannung kurzgeschlossen und somit eine Gefährdung von Mensch und Material verhindert wird, und wobei weiterhin der im System befindliche Wasserstoff verbraucht wird, so dass auch dieser keine Gefahr darstellen kann. Abweichend vom bekannten Stand der Technik wird jedoch der elektrische Kurzschluss direkt unter Einwirkung der übermäßigen mechanischen Beanspruchung, nämlich einer Kraft erzeugt, welche aus dem Unfall oder dem Fahrzeugcrash resultiert, das heißt eine Folge hiervon ist, indem diese Kraft aus einer unfallbedingten Verformung des Fahrzeugs bzw. zumindest eines Bestandteils desselben, abgeleitet wird. Hierfür ist eine sog. verlagerbare Struktur in Form eines geeignet gestalteten Bauelements vorgeschlagen, welche/welches im Falle eines Unfalls oder Crashs solchermaßen verlagert, d. h. verschoben wird, dass als Folge dieser Verlagerung der gewünschte elektrische Kurzschluss entsteht. Hierfür kann die besagte verlagerbare Struktur entweder selbst den Kurzschluss erzeugen, indem diese Struktur eine geeignete Vorrichtung zum Erzeugen des gewünschten elektrischen Kurzschlusses trägt, oder es kann diese besagte verlagerbare Struktur aufgrund ihrer unfallbedingten Verlagerung eine geeignete Vorrichtung zur Erzeugung des gewünschten elektrischen Kurzschlusses solchermaßen verlagern, dass hieraus der elektrische Kurzschluss entsteht. Unter Bezugnahme auf die bereits genannte WO 2009/052953 A1 und die darin enthaltene 2 kann das dort mit der Bezugsziffer 11 gekennzeichnete „leitende Element” eine solche Vorrichtung zur Erzeugung des gewünschten elektrischen Kurzschlusses sein und entweder an einer erfindungsgemäßen verlagerbaren Struktur befestigt sein oder im Falle eines Fahrzeugcrashs von einer erfindungsgemäßen verlagerbaren Struktur derart zu den Brennstoffzellen des Systems hin verlagert oder verschoben werden, dass der gewünschte elektrische Kurzschluss hergestellt wird.
Nach vorliegender Erfindung kann im Brennstoffzellensystem und vorzugsweise am sog. Stack (= Stapel der einzelnen Brennstoffzellen) eine sog. Kontaktierungsstelle (bspw. gleichzeitig als erfindungsgemäße mechanisch verlagerbare Struktur fungierend) für jede Zelle integriert sein, die bei Einwirken übermäßig hoher mechanischer Kraft bzw. aufgrund der Verlagerung einer anderen erfindungsgemäßen mechanisch verlagerbaren Struktur die Einzelspannungen der Zellen kurzschließt. Dies kann dabei über eine mechanische Anordnung erfolgen, welche die einzelnen Zellspannungen brückt, oder über eine mechanische Anordnung, die die Summenspannung des Brennstoffzellensystems brückt, oder über eine gesteuerte Anordnung, die die Summenspannungen oder Einzelspannungen brückt. In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, dass ein elektrischer Kurzschluss entweder über einzelne Zellen des Brennstoffzellensystems oder Zellenblöcke desselben oder über den gesamten Zellenstapel (= Stack) im Falle eines Unfalls selbsttätig hergestellt werden kann.
Nach einer möglichen Ausgestaltung können innerhalb des Gehäuses eines Brennstoffzellenstacks oder Brennstoffzellensystems durch dieses Außengehäuse geschützt sogenannte Kurzschlusselemente als Vorrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Kurzschlusses vorgesehen sein, die eine oder mehrere Brennstoffzellen kurzschließen. Diese Kurzschlusselemente sind solchermaßen ausgelegt, dass Sie bei einer Verformung des Gehäuses, welche Folge eines Unfalls oder Fahrzeugcrashs ist, aufgrund daraus resultierender Verlagerung gezielt auf die elektrisch leitenden Zellen oder Anschlussstücke des Brennstoffzellensystems drücken und damit den gewünschten Kurzschluss herstellen. Eventuell vorgesehene elektrische Isolationen oder Isolationsschichten werden bei dieser Verlagerung durchstochen, allgemein durchdrungen. Die besagten Kurzschlusselemente sind elektrisch so ausgelegt, dass Sie für die Dauer des Kurzschlusses bis zum Verbrauch des im Brennstoffzellensystem befindlichen Wasserstoffs dem dabei fließenden hohen Kurzschluss-Strom standhalten können. Ein über mehrere Einzel-Zellen des Brennstoffzellensystems wirksam werdendes Kurzschlusselement kann beispielsweise nach Art eines Kamms ausgebildet sein, dessen elektrisch leitfähige Zinken für die Herstellung des elektrischen Kurzschlusses zwischen die einander benachbarten Zellen geschoben werden und dabei vorzugsweise mit deren Bipolarplatten elektrisch leitend in Kontakt kommt.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der sehr schnellen Abschaltung des Gefährdungspotentials im Falle eines Unfalls und es kann bei geeigneter geometrischer Ausgestaltung erreicht werden, dass nur dort eine sog. Kurzschuss-Abschaltung im Brennstoffzellensystem erfolgt, wo dies aufgrund des erfolgten Crashs bzw. Unfalls notwendig ist. Nachdem die meisten Fahrzeugcrashs bzw. Unfälle zu Verformungen im Frontbereich des Fahrzeugs führen, ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem besonders gut für den Einbau im vorderen Bereich eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise Personenkraftwagens geeignet, wobei selbstverständlich eine Kombination mit den aus dem Stand der Technik und insbesondere aus der eingangs genannten WO 2009/052953 A1 bekannten Maßnahmen möglich oder sogar vorteilhaft ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/052953 A1 [0001, 0003, 0005, 0008]

Claims

Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum gezielten Erzeugen eines elektrischen Kurzschlusses an einzelnen oder sämtlichen Brennstoffzellen des Systems im Falle eines Unfalls, Crashs oder dgl. eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanisch verlagerbare Struktur vorgesehen ist, welche durch eine Krafteinwirkung in Folge einer unfallbedingten Verformung des Fahrzeugs solchermaßen verlagert wird, dass hierdurch der gewünschte Kurzschluss entsteht oder hergestellt wird, wobei die besagte verlagerbare Struktur eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Kurzschlusses trägt oder ihrerseits geeignet verlagert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung des elektrischen Kurzschlusses ausgebildet ist, durch entsprechende Verlagerung jeweils zwei einander benachbarte Brennstoffzellen elektrisch miteinander zu verbinden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch verlagerbare Struktur ausgelegt ist, mit entsprechender Verlagerung eine Isolationsschicht zwischen dieser Struktur und elektrischen Kontaktstellen, zwischen denen diese Struktur im Falle einer entsprechender Verlagerung einen elektrischen Kurzschluss herstellen soll, zu durchdringen.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer kammartig ausgebildeten Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Kurzschlusses, deren Zinken zwischen einander benachbarte Bipolarplatten verlagert werden.