Titel

Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstack zusammengebaut. Die Brennstoffzellenstacks brauchen Sauerstoff, zumeist gewonnen aus der einfachen Luft aus der Umgebung, und Brennstoff, zumeist Wasserstoff, für die chemische Reaktion.

In Brennstoffzellensystemen werden die Spannungsabgriffe am Brennstoffzellenstack über eine Power-Distribution-Einheit (PDU-Einheit) realisiert und weiterverarbeitet. Die Aufgaben einer PDU-Einheit sind typischerweise: Absicherung von Spannung, Strommessung, Trennung der Stackspannung vom System bei einem Unfall, Verbinden der Stackspannung zum DC/DC-Wandler, dann zur Batterie.

Die Bauteile und Komponenten, innerhalb der PDU-Einheit sind einer großen Wärmeentwicklung aufgrund von elektrischen Verlusten und Widerständen ausgesetzt. Aus diesem Grund muss die PDU-Einheit gekühlt werden. Als Kühlmöglichkeit ist ein eigener Lüfter innerhalb des Gehäuses der PDU-Einheit und/oder eine Wasserkühlung bekannt. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches hat den Vorteil, dass Luft zur Kühlung der PDU- Einheit aus der Umgebung über eine Niederdruckquelle angesaugt wird. Auf diese Weise können Kosten gespart werden, da kein eigener Kühler installiert werden muss, welcher die erforderliche Sicherheit in der Motorraumumgebung bietet und der saubere Luft in das Gehäuse der PDU-Einheit bläst.

Gegenüber der Wasserkühlung können die Bauteile der PDU-Einheit direkt gekühlt werden, während bei der Wasserkühlung die Komponenten nur indirekt durch Luftströmungen, welche innerhalb des Gehäuses aufgrund von Temperaturgradienten entstehen, gekühlt werden. Eine Heat Pipe und ein Peltierelement, welches zur Kühlung der PDU-Einheit eingesetzt wird, erzeugt im Vergleich zu einer direkten Luftkühlung nur eine geringe Kühlwirkung.

Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, kann eine effektive Kühlung der PDU-Einheit sichergestellt werden. Die Komponenten der PDU- Einheit haben elektrische Verluste, die in Wärme umgewandelt werden, so dass die Innentemperatur der PDU-Einheit ohne effektive Kühlung immer weiter steigt und die Komponenten überhitzen und im schlimmsten Fall ausfallen.

Durch das Ansaugen von Luft aus der Umgebung kann auf vorteilhafte Weise sichergestellt werden, dass kein Wasserstoff in der Luft vorhanden ist, die zum kühlen der PDU-Einheit dient.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.

Es ist von Vorteil, wenn die Ansaugleitung mit einer Zweigstelle des Luftpfades verbunden ist, wobei die Zweigstelle zwischen einem Filter und einem Kompressor der Luftleitung angeordnet ist, da man auf diese Weise den bereits zwischen Filter und Kompressor vorhandenen Unterdrück nutzen kann und keine gesonderte Konstruktion zum Erzeugen des Unterdruckes benötigt wird. Es ist vorteilhaft, wenn die Ansaugleitung mit einer Venturi-Düse verbunden ist, wobei die Venturi-Düse so gestallt ist, dass sie über einen seitlichen Eingang einen Unterdrück zur Umgebung erzeugt. Auf diese Weise lässt sich flexibel an unterschiedlichen Positionen in der Luftleitung oder Abluftleitung eine Unterdruckquelle erzeugen.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Venturi-Düse in einer Abluftleitung angeordnet ist, wobei die Abluftleitung mit dem Luftpfad verbunden ist und über die Abluftleitung Luft in die Umgebung strömen kann, da auf diese Weise keine störenden Gase, z.B. durch Ausgasung von Bauteilen aus Kunststoff in der PDU- Einheit in den Brennstoffzellenstack gelangen können.

Die Anordnung der Abluftleitung stromabwärts des Kompressors ist vorteilhaft, da bei einer Erhöhung der Leistung des Kompressors auch mehr Luft in die Abluftleitung gelangen kann.

Die Anordnung einer verstellbaren Drossel in der Ansaugleitung ist von Vorteil, da die Menge der aus der Umgebung angesagten Luft, darüber verändert werden kann.

Es ist von Vorteil, wenn über die Ansaugleitung Luft und/oder Wasserstoff aus einem Zwischenraum zwischen Brennstoffzellenstack und einem Stackgehäuse absaugbar ist, da keine weitere Absaugleitung für den Brennstoffzellenstack benötigt wird und dies deshalb kostengünstig ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 2 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In der Figur 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems

100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 weist einen Luftpfad 10, einen Abgaspfad 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW’s, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.

Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um den Brennstoffzellenstack 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 können Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 kann ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet sein, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks

101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Wärmetauscher 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 auf eine niedrigere Temperatur abkühlt.

Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise Befeuchter und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine PDU-Einheit 32 auf. Die PDU-Einheit 32 ist eine Power-Distribution-Einheit 32, welche einen Spannungsabgriff am Brennstoffzellenstack 101 vornimmt und diese Spannungsabgriffe weiterverarbeitet und verschaltet.

Die Aufgaben einer Power-Distribution-Einheit (PDU-Einheit) 32 sind unter anderem: Absicherung von Spannung, Strommessung, Trennung von Stackspannung vom System bei einem detektierten Unfall, Verbinden von Stackspannung zum DC/DC-Wandler und/oder zur Batterie. Um die Bauelemente im Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 zu kühlen, ist die PDU- Einheit 32 über eine Ansaugleitung 30 mit einer Unterdruckquelle 40 verbunden. Aufgrund der Unterdruckquelle 40 wird Luft aus dem Inneren der PDU-Einheit 32 über die Ansaugleitung 30 abgesagt. Im Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 ist mindestens ein Druckausgleichselement 38 angeordnet. Über das Druckausgleichselement 38 kann frische Luft in das Gehäuse 31 der PDU- Einheit 32 nachströmen, so dass die Luft, welche über das Druckausgleichselement 38 in das Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 gelangt zur Kühlung der erwärmten Bauteile zur Verfügung steht.

Mit Hilfe der Luft, welche über das mindestens eine Druckausgleichelement 38 in das Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 gelangt, können die Bauelemente im Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 gekühlt werden.

Die Ansaugleitung 30 ist über eine Zweigstelle 33 mit dem Luftpfad 10 verbunden. Die Zweigstelle 33 befindet sich in dem Luftpfad 10 zwischen einem Einlassfilter 13 und einem Kompressor 11. Der Unterdrück, welcher zwischen dem Einlassfilter 13 und dem Kompressor 11 entsteht, kann als Unterdruckquelle 40 genutzt werden, um Luft über die Ansaugleitung 30 aus der PDU-Einheit 32 abzusaugen.

Bei dem Kühlverfahren, welches für das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung eingesetzt wird, wird bei einer Erhöhung der Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem der Unterdrück der Unterdruckquelle erhöht. Die Anordnung der Ansaugleitung 30 an der Zweigstelle 33 zwischen dem Eingangsfilter 13 und dem Kompressor 11 hat den Vorteil, dass die Luftmenge der Kühlung bei einem hohen Leistungsabruf aus dem Brennstoffzellenstack 101 erhöht wird, da bei einer hohen Leistung des Brennstoffzellenstacks 101 auch eine große Luftmenge benötigt wird und somit der Druckverlust durch den Eingangsfilter 13 steigt.

Um die Luft, welche aus dem Luftpfad 10 in die Ansaugleitung 30 gelangt bedarfsgerecht zu steuern, kann in der Ansaugleitung 30 eine verstellbare Drossel 34 angeordnet sein. Das Druckausgleichselement 38 kann für Gase durchlässig sein, während es den Eintrag von Partikeln und Feuchtigkeit in die PDU-Einheit 32 verhindert.

Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Abgaspfad 12 auf, in welchem Wasser, sowie weitere Bestandteile der Luft aus dem Luftpfad 10 nach dem Durchgang durch den Brennstoffzellenstack 101 über einen Auslass 18 in die Umgebung transportiert werden.

Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der Figur nicht eingezeichnet, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist.

Im Eingang der Brennstoff leitu ng 20 können sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22 befinden. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen. Des Weiteren kann eine Zirkulationsleitung vorgesehen sein, welche nicht in der Figur gezeigt ist, da sie nicht Bestandteil der Erfindung ist.

Figur 2 zeigt eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Luftpfad 10, der Abgaspfand 12 und die Brennstoff leitu ng 20 entsprechen der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine PDU-Einheit 32 auf. Die PDU-Einheit 32 weist die gleichen Eigenschaften und Funktionen wie im ersten Ausführungsbeispiel auf.

Die PDU-Einheit 32, ist über eine Ansaugleitung 30 mit einer Unterdruckquelle 40 verbunden. Aufgrund der Unterdruckquelle 40 wird Luft aus dem Inneren der PDU-Einheit 32 über die Ansaugleitung 30 abgesagt. Im Gehäuse 31 der PDU- Einheit 32 ist ein Druckausgleichselement 38 angeordnet. Über das Druckausgleichselement 38 kann frische Luft in das Gehäuse 31 der PDU- Einheit 32 nachströmen, so dass die Luft, welche über das Druckausgleichselement 38 in das Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 gelangt zur Kühlung der erwärmten Bauteile zur Verfügung steht.

Die Ansaugleitung 30 ist mit einer Venturi-Düse 43,40 verbunden, wobei die Venturi-Düse 43,40 an einem seitlichen Eingang 45 einen Unterdrück zur Umgebung erzeugt. Die Venturi-Düse 43 stellt die Unterdruckquelle 40 dar.

Die Venturi-Düse 43 ist in einer Abluftleitung 41 angeordnet, wobei die Abluftleitung 43 mit dem Luftpfad 10 verbunden ist und mit Luft aus dem Luftpfad 10 gespeist wird. Über die Abluftleitung 43 kann Luft aus der Luftleitung 10 in die Umgebung entweichen.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Abluftleitung 41 mit dem Abgaspfad 12 verbunden sein oder in diesem angeordnet sein, so dass die Venturi-Düse 43 mit Luft aus Abluftpfad 12 gespeist wird.

Die Abluftleitung 41 kann stromabwärts des Kompressors 11 vom Luftpfad 10 abzweigen, so dass die Venturi-Düse 43 aus dem Überdruck hinter dem Kompressor 43 gespeist wird.

Das Druckausgleichselement 38 ist für Gase durchlässig, verhindert aber den Eintrag von Partikeln und Feuchtigkeit in die PDU-Einheit 32.

Um die Luftmenge, welche über die Absaugleitung aus der PDU-Einheit 32 abgesaugt wird, bedarfsgereicht zu steuern bedarfsgerecht zu steuern, kann in der Ansaugleitung 30 eine verstellbare Drossel 34 angeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform kann über die Ansaugleitung 30 Luft und/oder Wasserstoff aus einem Zwischenraum zwischen Brennstoffzellenstack 101 und einem Stackgehäuse abgesaugt werden. Dazu ist die Ansaugleitung 30 mit einer weiteren Leitung (gestrichelte Linie) verbunden, welche zum Stackgehäuse führt.