DE102008018276B4

DE102008018276B4 - Brennstoffzellensystem mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102008018276B4
Application number: DE102008018276.1A
Authority: DE
Inventors: Manfred Herrmann
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: DE102008018276A1; US8431282B2; US20080254328A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (40, 80) umfassend:einen Brennstoffzellenstapel (12);einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf (14) zum Liefern eines Kühlfluids zu dem Stapel; undeinen Kühlmittelbehälter (44) in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf (14), wobei der Kühlmittelbehälter (44) vollständig mit dem Kühlfluid gefüllt ist, wobei der Kühlmittelbehälter (44) eine Füllstanderfassungsvorrichtung (50) umfasst, die den Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter (44) erfasst und angesammeltes Gas aus dem Behälter (44) durch einen Entlüftungsanschluss (52) ablässt, wenn der Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter (44) sinkt; und wobei die Füllstanderfassungsvorrichtung (50) den Entlüftungsanschluss (52) verschließt, wenn der Behälter (44) vollständig mit dem Kühlfluid gefüllt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf für einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf für einen Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem mit einem Kühlmittelbehälter und einer Füllstanderfassungsvorrichtung, wobei das System eine Ausdehnungsvorrichtung mit einer biegsamen Membran umfassen kann.
Beschreibung des Stands der Technik
Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Polyelektrolyten dazwischen aufweist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird an der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen treten durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten treten und werden daher zum Erbringen von Arbeit durch einen Lastkreislauf geleitet, bevor sie zur Kathode geleitet werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind bei Fahrzeugen gängig. Eine PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymer-Elektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode umfassen üblicherweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus der katalytischen Mischung der Anode, der katalytischen Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, vom engl. Membrane Electrode Assembly).
In einem Brennstoffzellenstapel werden zum Erzeugen der erwünschten Leistung üblicherweise viele Brennstoffzellen kombiniert. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, üblicherweise einen mittels eines Verdichters durch den Stapel gedrängten Luftstrom. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff in der Luft aufgebraucht, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser als Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel enthält eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen im Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die das Anodengas zu der MEA strömen lassen. Kathodengasströmungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodengas zu der MEA strömen lassen. Die Bipolarplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel Edelstahl, so dass sie den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus leiten. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Es ist erforderlich, dass eine Brennstoffzelle bei einer optimalen relativen Feuchtigkeit und Temperatur arbeitet, um einen effizienten Stapelbetrieb und Haltbarkeit vorzusehen. Die Temperatur sieht für einen bestimmten Stapeldruck die relative Feuchtigkeit in den Brennstoffzellen in dem Stapel vor. Eine zu hohe Stapeltemperatur über der optimalen Temperatur kann Brennstoffzellenkomponenten beschädigen, was die Lebensdauer der Brennstoffzellen verkürzt. Ferner verringern Stapeltemperaturen unter der optimalen Temperatur die Stapelleistung.
Brennstoffzellensysteme nutzen Wärmesubsysteme, die die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel steuern. Insbesondere wird ein Kühlfluid durch die Kühlkanäle in den Bipolarplatten in dem Stapel gepumpt. Die bekannten Wärmesubsysteme in dem Brennstoffzellensystem versuchen, die Temperatur des zu dem Brennstoffzellenstapel geleiteten Kühlfluids und die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlfluid in den Stapel und dem Kühlfluid aus dem Stapel zu steuern, wobei die Kühlfluid-Strömrate die Temperaturdifferenz steuert. Typischerweise ist das Kühlfluid eine Flüssigkeit, die Korrosion in dem Stapel hemmt, aber bei kalter Umgebung nicht gefriert und nicht leitend ist. Ein Beispiel für ein geeignetes Kühlfluid ist ein deionisiertes Wasser- und Glykolgemisch. Es ist erforderlich, dass das Kühlfluid nicht leitend ist, so dass elektrischer Strom nicht über die Kühlfluidkanäle in dem Stapel fließt.
Die US 6 379 827 B1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelbehälter, einen Kühlmittelkreislauf zum Liefern des Kühlfluids zu dem Stapel und eine Füllstanderfassungsvorrichtung umfasst. Die Füllstanderfassungsvorrichtung dient zum Ansteuern eines Flüssigkeitsablassventils und zum Ablassen von Flüssigkeit durch eine Flüssigkeitsablassleitung, während eine ständig offene Entlüftungsleitung dazu dient, für einen Druckausgleich in dem Kühlmittelbehälter bei wechselndem Flüssigkeitsstand zu sorgen. Das Entlüften von im Kühlmittelkreislauf angesammeltem Gas ist in der US 6 379 827 B1 nicht erwähnt und auch nicht ohne weiteres möglich, da der Kühlmittelbehälter oberhalb oder unterhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein kann.
Die US 5 503 944 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelbehälter mit einem Standrohr und einem Flüssigkeitsablass und einen Kühlmittelkreislauf zum Liefern des Kühlfluids zu dem Stapel umfasst. Das Entlüften von angesammeltem Gas aus dem Kühlmittelkreislauf ist nicht erwähnt und auch nicht ohne weiteres möglich, da sich Gas stets an der höchsten Stelle des Kühlmittelkreislaufs ansammelt, die aus der US 5 503 944 A aber nicht ersichtlich ist. Das Standrohr soll im Kühlmittelkreislauf einen geringen, der Höhe des Standrohrs entsprechenden Überdruck aufrechterhalten, der nur wenige Zentimeter Wassersäule betragen kann.
Des Weiteren ist aus der US 5 503 944 A ein Brennstoffzellensystem zu entnehmen, das einen Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelkreislauf und eine Ausdehnungsvorrichtung umfasst. In der Ausdehnungsvorrichtung ist eine Membran mit einer Luftseite und einer Kühlfluidseite an einer gegenüberliegenden Seite der Membran angeordnet. Ein Verdichter liefert einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und der Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung Druckluft, während die Kühlfluidseite mit dem Kühlmittelkreislauf in Verbindung steht. Hierdurch wird der Kühlmittelkreislauf durch die Druckluft über die Ausdehnungsvorrichtung auf einem Druck gehalten, der dem Verdichterdruck, vermindert um die Kraft einer entgegenwirkenden Feder, entspricht. Überschüssiges Fluid lässt sich über eine Leitung und ein von Hand oder elektrisch betätigbares Ventil aus dem Kühlmittelkreislauf ablassen. Das Ablassen von im Kühlmittelkreislauf angesammeltem Gas ist nicht erwähnt.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund und ausgehend von der US 6 379 827 B1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, aus einem geschlossenen, mit veränderlichem Überdruck betreibbaren Kühlmittelkreislauf eines Brennstoffzellensystems von Zeit zu Zeit angesammeltes Gas abzulassen, ohne den jeweils wirksamen Druck im Kühlmittelkreislauf wesentlich zu verändern.
Zusammenfassung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 8.
Nach der erfindungsgemäßen Lehre wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf verwendet. Das System umfasst eine Ausdehnungsvorrichtung mit einer biegsamen Membran, wobei eine Kühlfluidseite der Membran in Fluidverbindung mit dem Kühlfluid in dem Kühlmittelkreislauf steht und eine Luftseite der Membran in Verbindung mit einer Lufttasche steht. Wenn sich das Kühlfluid in dem Kühlkreislauf ausdehnt und zusammenzieht, biegt sich die Membran entsprechend. Die Luftseite der Ausdehnungsvorrichtung kann mit einem Luftverdichter, der der Kathodenseite des Stapels Luft liefert, in Fluidverbindung stehen, so dass sich der Druck des Kühlfluids in dem Kühlkreislauf ändert, wenn sich der Stapeldruck ändert.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Kühlmittelbehälter, der mit dem Kühlfluid in dem Kühlmittelkreislauf durch eine Entlüftungsleitung in Fluidverbindung steht, wobei der Behälter vollständig mit Kühlfluid gefüllt ist. Luftblasen und Wasserstoffblasen in dem Kühlfluid werden zu dem Kühlmittelbehälter abgelassen, wo sie sich ansammeln. Der Kühlmittelbehälter umfasst einen Füllstandsensor, der den Füllstand des Kühlfluids darin anzeigt, so dass die angesammelte Luft und der angesammelte Wasserstoff zum geeigneten Zeitpunkt an die Umgebung abgelassen werden können.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
Figurenliste

1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem, das einen Kühlmittelbehälter umfasst;
2 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, das eine Ausdehnungsvorrichtung und einen vollständig gefüllten Kühlmittelbehälter zum Vorsehen eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs benutzt; und
3 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, das eine Ausdehnungsvorrichtung und einen vollständig gefüllten Kühlmittelbehälter zum Vorsehen eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs benutzt.

Eingehende Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf gerichtet sind, ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungszwecke beschränken.
1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem 10, das ein Wärmesubsystem zum Liefern von Kühlfluid zu einem Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Das Kühlfluid, das durch den Stapel 12 strömt, strömt durch einen Kühlmittelkreislauf 14 außerhalb des Stapels 12, wo es dem Stapel 12 während des Einschaltens entweder Wärme zuführt oder dem Stapel 12 während des Brennstoffzellenbetriebs Wärme entzieht, um den Stapel 12 bei einer erwünschten Betriebstemperatur zu halten, beispielsweise 60°C-80°C. Eine Pumpe 16 pumpt das Kühlfluid durch den Kühlmittelkreislauf 14, und ein Kühler 18 kühlt das Kühlfluid in dem Kreislauf 14 außerhalb des Stapels 12. Das System 10 umfasst einen Kühlmittelbehälter 20, der zusätzliches Kühlfluid 24 enthält und der typischerweise an der höchsten Stelle in dem Kühlmittelkreislauf 14 positioniert ist. Eine Lufttasche 26 sieht in dem Behälter 20 einen verdichtbaren Bereich vor. Wenn sich die Temperatur und der Druck des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf 14 ändern, wird das Kühlfluid zwangsweise in den Behälter 20 geleitet oder wird an der Leitung 22 dem Behälter 20 entnommen.
Wasserstoff ist ein sehr leichtes Gas, und es ist schwierig, ihn in einer geschlossenen Umgebung zurückzuhalten. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Wasserstoff durch Stapel- und Plattenmaterialien in dem Brennstoffzellenstapel 12 dringen kann, vor allem um die Platten des Stapels 12. Wasserstoff leckt in die Kühlfluidkanäle, wo er in dem Kühlfluid aufgelöst wird oder in dem Kühlfluid in Form von Wasserstoffblasen eingeschlossen wird.
Das Laufrad der Pumpe 16 erzeugt Kavitation, was Luftblasen bildet, die in dem Kühlmittelkreislauf 14 eingeschlossen werden. Das System 10 umfasst eine Entlüftungsleitung 28, die das Abführen der Luftblasen aus dem Kühlmittelkreislauf 14 und deren Eindringen in den Behälter 20 erlaubt. Zusätzlich zu den Luftblasen werden auch die Wasserstoffblasen, die in dem Kühlfluid eingeschlossen sind, zu dem Behälter 20 abgelassen, wo sie sich in der Lufttasche 26 ansammeln. Diese Ansammlung von Wasserstoff in dem Behälter 20 kombiniert mit der Luft ist eine brennbare Quelle, die sich entzünden könnte.
Es ist erforderlich, den Wasserstoff regelmäßig aus der Luftasche 26 zu entfernen, um die Verbrennungsquelle zu beseitigen. Es ist bekannt, eine Luftpumpe 32 vorzusehen, die Luft in die Lufttasche 26 pumpt, wo das vorhandene Luft/Wasserstoff-Gemisch in der Lufttasche 26 durch ein Auslassrohr 30 aus dem Behälter 20 abgelassen wird. Dieser Vorgang entfernt den Wasserstoff aus dem Behälter 20, während die erforderliche Lufttasche 26 beibehalten wird. Durch ständiges Pumpen von Luft in den Behälter 20 wird aber das Kühlfluid 24 in dem Behälter 20 mit Schmutz und dergleichen verunreinigt. Ferner lässt die Luft von der Pumpe 32 einen Teil des Kühlfluids 24 verdampfen, was erfordert, dass der Behälter 20 von Zeit zu Zeit gefüllt wird. Ferner muss die Pumpe 32 erwärmt werden, so dass sie nicht in Umgebungen unter dem Nullpunkt gefriert. Ferner verschlechtert sich das Kühlfluid infolge von Kontakt mit Sauerstoff. Desweiteren erfordert das Entlüftungssystem komplexe elektrische Systeme zum Gewährleisten des Betriebs des Systems für Sicherheitszwecke. Da der Kühlmittelbehälter 20 zudem zur Umgebung hin offen ist, bestehen Druckdifferenzen zwischen der Anode und der Kathode des Stapels 12 im Verhältnis zu dem Kühlmittelkreislauf 14, die die Lebensdauer des Stapels 12 verkürzen könnten.
2 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem 40, das einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf umfasst, wobei gegenüber dem System 10 gleiche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. Das System 40 umfasst einen Kühlmittelbehälter 44, der mit dem Kühlmittelkreislauf 14 durch eine Nachfüllung und Entlüftung 46 in Fluidverbindung steht. Wie für den Fachmann ersichtlich ist, muss der Durchmesser der Leitung 46 für den ordnungsgemäßen Betrieb ausreichend sein. Erfindungsgemäß wird der Kühlmittelbehälter 44 vollständig mit einem Kühlfluid 48 gefüllt. Eine Füllstanderfassungsvorrichtung 50 ist in dem Kühlmittelbehälter 44 positioniert. Die Füllstanderfassungsvorrichtung 50 kann jede geeignete Vorrichtung sein, die den Füllstand des Kühlfluids 48 in dem Behälter 44 übereinstimmend mit der Beschreibung hierin anzeigt. Luftblasen und Wasserstoffblasen in dem Kühlmittelkreislauf 14 werden durch die Leitung 46 abgelassen und sammeln sich in dem Behälter 44 an. Die Füllstanderfassungsvorrichtung 50 zeigt an, dass der Füllstand des Kühlfluids 48 darin gesunken ist. Die Füllstanderfassungsvorrichtung 50 kann ein Signal vorsehen, das einen Entlüftungsanschluss öffnen lässt, um die angesammelte Luft und den angesammelten Wasserstoff in sicherer Weise an die Umgebung abzulassen. Die Menge des angesammelten Gases sollte sehr gering sein, um ein Zünden des Gases zu verhindern.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung 50 ein im Verhältnis zu dem Entlüftungsanschluss 52 positionierter Schwimmer, der den Entlüftungsanschluss 52 verschließt, wenn der Behälter 44 vollständig mit dem Kühlfluid 48 gefüllt ist. Bei einem Ansammeln der Luft und des Wasserstoffs oben im Behälter 44 sinkt der Schwimmer 50 mit dem Füllstand des Kühlfluids 48, und der Anschluss 52 wird gegenüber der Umgebung geöffnet, was die angesammelte Luft und den angesammelten Wasserstoff ablässt. Die Menge des angesammelten Gases sollte sehr gering sein, um ein Zünden von Gas zu verhindern.
In einer anderen Ausführungsform arbeitet die Füllstanderfassungsvorrichtung 50 als Gasabgabeventil, das den Entlüftungsanschluss 52 automatisch öffnet, nur wenn sich das Fahrzeug über einer bestimmten Geschwindigkeit fortbewegt, so dass darin angesammelter Wasserstoff in sicherer Weise an die Umgebung verteilt wird.
Ferner dient die Füllstanderfassungsvorrichtung 50 als Wasserstoffleckdetektor. Wenn in dem Stapel 12 ein signifikantes Wasserstofflecken auftritt, dann wird der angesammelte Wasserstoff in dem Kühlmittelbehälter 44 schneller sein als unter normalen Betriebsbedingungen, was von der Füllstanderfassungsvorrichtung 50 detektiert werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst das System 40 eine Ausdehnungsvorrichtung 56 mit einer biegsamen Membran 58. Die Ausdehnungsvorrichtung 56 umfasst eine Luftseite 60 an einer Seite der Membran 58 und eine Kühlfluidseite 62 an der anderen Seite der Membran 58. Der Kühlmittelkreislauf 14 steht mit der Kühlfluidseite 62 der Vorrichtung 56 an der Leitung 64 in Fluidverbindung. Wenn die Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf 14 steigt und sinkt und sich das Kühlfluid als Reaktion darauf ausdehnt und zusammenzieht, dringt das Kühlfluid in die Kühlfluidseite 62 der Ausdehnungsvorrichtung 56 ein und verlässt diese, was ein Biegen der Membran 58 gegen die Luftseite 60 bewirkt, um ein Ausdehnen und Zusammenziehen vorzusehen.
In einer Ausführungsform umfasst das System 40 einen Luftverdichter 68, der an Leitung 70 zur Kathodenseite des Stapels 12 Druckluft liefert. Abhängig von der geforderten Last an dem Stapel 12 liefert der Verdichter 68 dem Stapel 12 Druckluft typischerweise zwischen einem und vier Bar, was den Druck in dem Stapel 12 ändert. Wenn der Druck an der Kathodenseite des Stapels 12 als Reaktion auf die Stapellast steigt, wird in dem Stapel 12 zwischen den Kathodenströmungskanälen und den Kühlfluid-Strömungskanälen eine Druckdifferenz erzeugt. Nach dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Verdichter 68 mit der Luftseite 60 der Ausdehnungsvorrichtung 56 an einer Lufteingangsleitung 72 verbunden, so dass, wenn der an dem Stapel 12 angelegte Luftdruck von dem Verdichter 68 steigt oder sinkt, dieser Druck zu dem Kühlfluid in dem Kühlmittelkreislauf 14 durch die Membran 58 übertragen wird.
Weiterhin könnte Kavitation infolge des Betriebs des Laufrads der Pumpe 16 Komponenten in dem System 40 beschädigen. Wenn die Last an dem Stapel 12 ansteigt, muss die Kühlfluidgeschwindigkeit ansteigen, was durch eine erhöhte Drehzahl der Pumpe 16 vorgesehen wird. Durch Vorsehen eines erhöhten Drucks von dem Verdichter 68 zu der Luftseite 60 der Ausdehnungsvorrichtung 56 bei Ansteigen der Stapellast steigt der Druck in dem Kühlmittelkreislauf 14, was die Kavitation senkt.
Da Wasserstoff ein dünnes Gas ist, ist es möglich, dass aufgelöster Wasserstoff in dem Kühlfluid an der Kühlfluidseite 62 der Ausdehnungsvorrichtung 56 durch die Membran 58 abhängig von deren Dicke und Material in die Luftseite 60 dringen könnte. Daher kann sich Wasserstoff an der Luftseite 60 der Ausdehnungsvorrichtung 56 sammeln, was möglicherweise eine potentielle Verbrennungsquelle vorsehen könnte. Durch Koppeln der Luftseite 60 der Ausdehnungsvorrichtung 56 mit der Lufteingangsleitung 70 und durch regelmäßiges Ändern des Drucks in der Luftseite 60 durch den Verdichter 68 strömt Luft regelmäßig von der Luftseite 60 der Ausdehnungsvorrichtung 56 zu der Leitung 70, was die Möglichkeit darin angesammelten Wasserstoffs reduziert.
In der Leitung 72 kann ein Dreiwegeventil 74 zum Koppeln der Luftseite 60 der Ausdehnungsvorrichtung 56 mit einer externen Leitung 76 vorgesehen werden, um eine externe Druckbeaufschlagung des Kühlmittelkreislaufs 14 für Wartungs- und Testzwecke zu ermöglichen.
Weiterhin kann der Kühlmittelkreislauf 14 ein Füllventil 78 umfassen, um ein einfaches Füllen des Kühlsystems zu ermöglichen.
3 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem 80 nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform, das eine Ausdehnungsvorrichtung und einen vollständig gefüllten Kühlmittelbehälter zum Vorsehen eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs umfasst, wobei gegenüber den Systemen 10 und 40 gleiche Elemente durch das gleiche Bezugszeichen kenntlich gemacht sind. In dieser Ausführungsform sind eine Entlüftungsleitung 82 und eine Nachfüllleitung 84 mit dem Behälter 44 gekoppelt.
Die vorstehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird dieser Beschreibung und den Begleitzeichnungen sowie Ansprüchen mühelos entnehmen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, die in den folgenden Ansprüchen dargelegt werden, abzuweichen.

Claims

Brennstoffzellensystem (40, 80) umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (12); einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf (14) zum Liefern eines Kühlfluids zu dem Stapel; und einen Kühlmittelbehälter (44) in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf (14), wobei der Kühlmittelbehälter (44) vollständig mit dem Kühlfluid gefüllt ist, wobei der Kühlmittelbehälter (44) eine Füllstanderfassungsvorrichtung (50) umfasst, die den Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter (44) erfasst und angesammeltes Gas aus dem Behälter (44) durch einen Entlüftungsanschluss (52) ablässt, wenn der Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter (44) sinkt; und wobei die Füllstanderfassungsvorrichtung (50) den Entlüftungsanschluss (52) verschließt, wenn der Behälter (44) vollständig mit dem Kühlfluid gefüllt ist.
Brennstoffzellensystem (40, 80) nach Anspruch 1, wobei die Füllstanderfassungsvorrichtung (50) einen Schwimmer umfasst, wobei der Schwimmer den Entlüftungsanschluss (52) des Behälters (44) verschließt, wenn der Behälter (44) vollständig mit dem Kühlfluid gefüllt ist, und Gas durch den Entlüftungsanschluss (52) abziehen lässt, wenn der Füllstand des Kühlfluids in dem Behälter (44) sinkt.
Brennstoffzellensystem (40, 80) nach Anspruch 1, wobei die Füllstanderfassungsvorrichtung (50) eine elektrische Schaltvorrichtung ist, die den Entlüftungsanschluss (52) des Behälters (44) oberhalb einer bestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit öffnet.
Brennstoffzellensystem (40, 80) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfassend: einen Brennstoffzellenstapel; einen Kühlmittelkreislauf, der ein Kühlmittel zu dem Stapel liefert; und eine Ausdehnungsvorrichtung (56) mit einer Membran (58), einer Luftseite (60) an einer Seite der Membran (58) und einer Kühlfluidseite (62) an einer gegenüberliegenden Seite der Membran (58), wobei die Kühlfluidseite (62) mit dem Kühlmittelkreislauf (14) in Fluidverbindung steht, wobei sich die Membran (58) als Reaktion auf Druckänderungen des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf (14) biegt.
Brennstoffzellensystem (40, 80) nach Anspruch 4 weiterhin umfassend: einen Verdichter (68), wobei der Verdichter (68) einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) Luft liefert, wobei der Verdichter (68) auch der Luftseite (60) der Ausdehnungsvorrichtung (56) Druckluft liefert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die auf die Luftseite (60) der Ausdehnungsvorrichtung (56) aufgebrachte Druckluft den Druck in dem Stapel (12) ausgleicht und die Pumpenkavitation mindert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 weiterhin umfassend: ein in einer Leitung (72) zwischen dem Verdichter (68) und der Ausdehnungsvorrichtung (56) angeordnetes Ventil (74), wobei das Ventil (74) ein Verbinden der Luftseite (60) der Ausdehnungsvorrichtung (56) mit einer externen Leitung (76) zulässt.
Verwendung eines Brennstoffzellensystems (40, 80) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug befindet.