WO2008089801A1

WO2008089801A1 - Sicherungseinrichtung für brennstoffzellen

Info

Publication number: WO2008089801A1
Application number: PCT/EP2007/009868
Authority: WO
Inventors: Ralf Nuessle
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2008-07-31
Also published as: DE102007003503A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Sicherung von Brennstoffzellen in Fahrzeugen. Hierzu befinden sich in/an dem Stackgehäuse (1) Sensoren (2, 5), die bei einer Durchdringung des Stackgehäuses (1) mit einem Gegenstand oder einer anderen starken Deformierung, die auch den Stack (3) mechanisch beschädigen könnte, ein Signal abgeben bzw. einen Signalkreis (6) unterbrechen, welches dann mittels Überwachungsgerät (7) zu einer Abschaltung der Medienzufuhr (8) zum Brennstoffzellenstack (3) bzw. zu einer Unterbrechung des Leistungsstromkreises (9) des Brennstoffzellensystems und eventuell anderer Aggregate führt.

Description

Sicherungseinrichtung für Brennstoffzellen

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Sicherung von Brennstoffzellen. Insbesondere betrifft die Erfindung Vorkehrungen zur Sicherung von BrennstoffZeilenstacks in Fahrzeugen.

Brennstoffzellenstacks werden üblicherweise in Gehäusen untergebracht. Diese Gehäuse schützen den Stack vor Staub, Wasser (Kurzschluss) usw. Diese Gehäuse sind normalerweise nur als Hülle ausgeführt, die starken mechanischen Einflüssen von außen nicht widerstehen kann. Wird das Gehäuse und direkt anschließend der Brennstoffzellenstack von außen beschädigt und der BZ-Stack befindet sich währenddessen in Betrieb, können die Reaktionsmedien aus dem Stack austreten. Des Weiteren können die den Stack beschädigenden Gegenstände mit Stromführenden Teilen in Berührung kommen und einen Kurzschluss bilden, bzw. den Stackstrom unkontrolliert ableiten.

Um eine derartige Stackbeschädigung zu erfassen, wird üblicherweise durch die kontinuierliche Messung von Einzelzell- spannungen, der GesamtStackspannung und anderen Kenngrößen eine Überwachung des Status realisiert. Eine Beschädigung des Stacks bei der Verwendung dieser Kenngrößen kann jedoch prinzipiell erst erkannt werden, wenn die Beschädigung bereits eingetreten ist und bereits so weit fortgeschritten ist, dass Fehlfunktionen des Stacks auftreten. Auf diese Weise kann erst in diesem Stadium reagiert werden und so i.a. erst nach dem Eintritt der Beschädigung eine Abschaltung der Medienzufuhr und eine Unterbrechung des Stromkreises herbeigeführt werden .

Die Offenlegungsschrift US 2006/0137929A1 beschreibt ein Sicherungssystem für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen bei dem über Kollisionssensoren bei einem Fahrzeugunfall die Brennstoffzellen abgeschaltet werden. Auch die DE102005056345A1 beschreibt eine derartige Einrichtung mit Beschleunigungssensoren. Diese Vorrichtungen prüfen also die Situation, in der sich das Fahrzeug befindet und lösen beispielsweise bei einem Unfall Sicherungsmaßnahmen aus. Eine Beschädigung der Brennstoffzelle selbst, in normaler Betriebssituation des Fahrzeugs (ohne Kollision), wird nicht detektiert.

Die Patentschrift DE4341437C1 beschreibt eine Vorrichtung für Brennstoffzellenbetriebene Fahrzeuge, bei der Gas-Sensoren das Austreten von Reaktionsmedien der Brennstoffszelle erfassen und als Sicherungsmaßnahme die Ventile der Gasversorgung schließen und die Brennstoffzelle elektrisch abtrennen. Diese Anordnung reagiert also erst bei einer Beschädigung der Brennstoffzelle, die so weitgehend ist, dass Reaktionsmedien austreten können und auch schon (je nach Position und Empfindlichkeit des Sensors) bereits für einen gewissen Zeitraum ausgeströmt sind.

Die Erfindung geht aus von dem vorgenannten Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherungsvorkehrung für Brennstoffzellen zu entwickeln, die frühzeitig auf Beschädigung einer Brennstoffzelle mit Abschaltung reagiert.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kennzeich- nenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Details und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren und den darin angegebenen Bezugszeichen näher erläutert . Dabei zeigen:

Fig. 1 Perspektiv-Ansicht eines Brennstoffzellengehäuses mit Sensor-Draht als Sicherungsvorrichtung

Fig. 2 Schnitt durch das Gehäuse mit Sicherungsvorrichtung nach Figur 1

Fig. 3 Versiegelung des Sensor-Drahts

Fig. 4 Sicherungsausführung mit Dehnmessstreifen

Fig. 5 Verschaltung der Sensorelemente

Fig. 6 Mäanderförmige Anordnung des Sensor-Drahts

Fig. 7 Netzförmige Anordnung des Sensor-Drahts

Fig. 8 Schnitt durch das Gehäuse mit Dehnmessstreifen

Fig. 9 Schnitt durch das Gehäuse mit Sicherungsvorrichtung als Sicherungsvorrichtung

Die Erfindung schlägt vor, dass sich in/an dem Stackgehäuse Sensoren befinden, die bei einer Durchdringung des Stackge- häuses mit einem Gegenstand oder einer starken Deformierung, die auch den Stack mechanisch beschädigen könnte, ein Signal abgeben bzw. einen Signalkreis unterbrechen, welches dann mittels Überwachungsgerät zu einer Abschaltung der Medienzufuhr zum Brennstoffzellenstack bzw. zu einer Unterbrechung des Leistungsstromkreises des Brennstoffzellensystems und eventuell anderer Aggregate führt.

Realisiert wird dies durch eine entsprechende Sensorik, die in oder am Stackgehäuse angebracht ist. Als Sensorelement kann es sich dabei als einfaches Ausführungsbeispiel um einen dünnen Draht handeln, der in oder am Stackgehäuse angebracht ist. Figur 1 zeigt perspektivisch ein Brennstoffzellengehäuse (1) mit einem solchen an einer Gehäusefläche angeordneten Sensor-Draht (2) . Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle. Dargestellt sind zwei Stacks (3) und die umgebende Gehäusewandung (1) , die in diesem Beispiel auf allen Flächen mit Draht-Sensoren (2) ausgestattet ist.

Während des BrennstoffZellenbetriebs (bzw. ab Einschalten einer Überwachungsfunktion) wird jedes Sensorelement auf Unversehrtheit überwacht, d.h. beispielsweise der Innenwiderstand jedes Sensor-Drahts gemessen oder der Draht wird mit einem sehr geringen Strom durchflössen oder steht unter Spannung.

Zum Schutz gegen versehentliche Beschädigung eines Draht- Sensors, z.B. beim Einbau der Brennstoffzelle kann der Draht mittels Versiegelung (4), z.B. in Form einer Kunstharz- oder Lackschicht geschützt werden. Dies ist in Figur 3 dargestellt.

Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Als Alternative zu Draht-Sensoren sind hier Dehnmessstreifen (5) vorgesehen, die am Gehäuse (1) bei- spielsweise mittels Klebstoff angebracht sind und entsprechende Verformungen am Gehäuse detektieren und an das Überwachungsgerät (7) weiterleiten. Eine kritische Verformung führt dann wiederum zu einer Abschaltung der Medienzufuhr und einer Unterbrechung des Leistungsstromkreises.

In Fig. 5 ist die äußere Beschaltung der Sensorelemente schematisch dargestellt. Wird durch eine äußere mechanische Beschädigung beispielsweise ein Sensor-Draht (2) durchtrennt, so wird der entsprechende Sensorstromkreis (6) unterbrochen und es kann über eine Steuerungslogik im Überwachungsgerät (7) die Abschaltung der Medienzufuhr (8) zum Brennstoffzel- lenstack und/oder eine Unterbrechung des Leistungsstromkreises (9) erfolgen.

Die Überwachungs-Sensoren sind am Stack so anzubringen, dass möglichst über das ganze Gehäuse kritische mechanische Einflüsse erkannt werden, die (u.U. erst zu einem deutlich späteren Zeitpunkt) zu einer potentiellen Schädigung des Stack führen könnten. Dies kann z.B. durch die mäanderförmige Verlegung eines entsprechenden Drahtes an einer Gehäusefläche erfolgen, wie in Figur 6 (oder auch in Figur 1) dargestellt. Andere Anordnungen wie Netze, Gitterform usw. sind ebenso geeignet (vergl . Fig. 7) .

Dehnmessstreifen sind vorzugsweise so anzubringen, dass sie sich an dem Ort befinden, an welchem sich konstruktionsbedingt die größten Dehnungen ergeben. In Figur 8 ist als Beispiel eine Verteilung von Dehnmessstreifen (5) auf die Kantenbereiche und Flächenmitten des Gehäuses (1) dargestellt. Damit sind die besonders kritischen Zonen um die Stacks (3) durch Sensoren überwacht . In einer erweiterten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch eine Kombination aus mehreren Sensortypen (z.B. Unterbrechungsdraht und Dehnmessstreifen) oder eine Kombination aus unterschiedlichen Anordnungen (Mäanderform, Netzverlauf) eingesetzt werden. Die Dehnmessstreifen und Drahtsensoren sind so zu dimensionieren, dass nicht bei Erschütterungen oder Vibrationen bereits ein (falsches) Signal abgegeben wird.

Neben den bereits erwähnten Dehnmesstreifen und Unterbrechungsdraht sind auch weitere Arten von Sensoren denkbar, die ähnlich auf die entsprechenden Einwirkungen reagieren können, beispielsweise dünne Metall -Folien mit Zwischenisolation, die bei mechanischer Einwirkung zerstört wird. Ebenso können verschiedene Kombinationen/Anordnungen der genannten Sensoren eingesetzt werden.

Durch die Erfindung wird eine ("bevorstehende") Beschädigung einer Brennstoffzelle bereits bei einsetzender Beschädigung des Gehäuses erkannt und die entsprechenden Medienversorgung zum Brennstoffzellenstack kann abgeschaltet werden, bevor der Brennstoffzellenstack selbst durch äußere mechanische Einflüsse beschädigt wird und die darin befindlichen Reaktionsmedien nach außen gelangen. Dadurch dass die Abschaltung der Medienversorgung zum Stack und die Unterbrechung des Leistungsstromkreises im BrennstoffZeilensystem initiiert wird, bevor eine direkte mechanische Beschädigung des Brennstoff- Zeilenstacks eintritt, wird sichergestellt, dass die Abschaltung sehr frühzeitig erfolgt (erheblicher Zeitgewinn) und damit der Austritt von Reaktionsstoffen aus dem Stack verhindert wird.

Neben der Abschaltung der Medienzufuhr für den Stack können bei Auslösen der Sensorik auch weitere Aktionen erfolgen. So können andere Hochspannungskomponenten (z.B. Hybridbatterie usw.) oder sich in der Nähe des Brennstoffzellenstacks befindliche Aggregate und Komponenten mit abgeschaltet werden (Schließen der Tankventile usw.), wenn eine drohende Beschädigung des Stacks durch eine Deformation oder Beschädigung des Stackgehäuses detektiert wurde.

Durch die Ausstattung des Stackgehäuses mit der erfindungsgemäßen Sensorik kann auf zusätzliche mechanische Verstärkungen zum Schutz des Gehäuses verzichtet werden. Die damit verbundene Einsparung an Gewicht und Bauraum ist daher insbesondere bei Einsatz in mobilen Systemen von Vorteil.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Sicherung von Brennstoffzellen bei denen in einem Stackgehäuse (1) ein oder mehrere Brennstoffzellenstacks (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an dem Stackgehäuse (1) ein oder mehrere Sensorelemente (2, 5) angebracht sind, die bei einer Deformierung oder Durchdringung des Stackgehäuses (1) , die auch den Stack (3) mechanisch beschädigen könnte, ein Signal abgeben bzw. einen Signalkreis (6) unterbrechen, welches dann mittels Überwachungsgerät (7) zu einer Abschaltung der Medienzufuhr (8) zum Brennstoffzellen- stack (3) bzw. zu einer Unterbrechung des Leistungsstromkreises (9) des Brennstoffzellensystems und eventuell anderer Aggregate führt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorelement ein Draht (2) und/oder Dehnmessstreifen (5) eingesetzt wird, wobei Drahtsensoren (2) vorzugsweise mäander- oder netzförmig auf der Wand des Stackgehäuses (1) verlaufen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (2, 5) gegen versehentliche Beschädigung mittels Versiegelung (4) , z.B. in Form einer Kunstharz- oder Lackschicht, geschützt werden .