DE102007050377A1

DE102007050377A1 - Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007050377A1
Application number: DE102007050377A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Walter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-04-23
Also published as: CN101836319A; WO2009052953A1; DE112008002683A5; JP2011503773A; US20110033761A1; JP5697451B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche mit elektrischen Anschlussleitungen (3, 4) verbunden ist, wobei die Brennstoffzelle (2) für eine erforderliche Notabschaltung kurzschließbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche mit elektrischen Anschlussleitungen verbunden ist.
Bei der Verwendung von Batterien als Energiequellen in einem Fahrzeug ist es bekannt, dass ein zweipoliges Abschalten bzw. Trennen des Systems von elektrischen Energiequellen, den Batterien, mit Hilfe öffnender, elektro-mechanischer Schalter durchgeführt wird. Steuergeräte für derartige Batterien umfassen üblicherweise zwei Schütze welche die Batterie von den nach außen geführten Kontakten trennt. Dies ist gegenwärtig auch bei einem Brennstoffzellensystem in entsprechender Weise realisiert. Ein Nachteil einer derartigen Ausführung ist darin zu sehen, dass dies relativ bauteilaufwändig ist, da ein Aktor zur Erfüllung der Sicherheitsstandards zumindest zweifach vorhanden sein muss. Ein weiterer Nachteil derartiger Ausführungen ist, dass nach der Trennung weiterhin hohe Spannungen vorhanden sind, die zu einer Gefährdung von Personen führen können. Ein Nachteil der bekannten Ausführungen mit Schützen ist, dass Schütze eine verringerte Zuverlässigkeit aufweisen, wenn sie einmal mit einem Strom mit großer Stromstärke belastet wurden. Zudem müssen beim Abschalten von Gleichströmen hohe Anforderungen erfüllt werden. Nicht zuletzt ist dadurch auch ein relativ großer Bauraum für die Vielzahl von Komponenten erforderlich, und ein hoher Montageaufwand gegeben. Darüber hinaus ist die Ansteuerung relativ aufwändig und durch die Vielzahl der Komponenten ist auch ein höheres Gewicht gegeben. All diese Nachteile tragen nicht zuletzt auch zu hohen Kosten bei.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei dem die Sicherheit der Einstellung von Betriebszuständen mit reduziertem Aufwand erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, welche mit elektrischen Anschlussleitungen verbunden ist. Die Brennstoffzelle ist für eine erforderliche Notabschaltung kurzschließbar. Es ist hier somit vorgesehen, dass ein Kurzschluss bewusst und somit in erwünschter Weise definiert erzeugbar ist. Gerade bei einer Notabschaltung, wie sie z. B. in einer Unfall-Situation notwendig ist, kann somit in zuverlässiger und aufwandsarmer Weise ein gewünschter Betriebszustand erreicht werden. Durch einen Kurzschluss der Brennstoffzelle werden unzulässige und Personen gefährdende hohe Spannungen verhindert, so dass keine Gefahr (im Sinne eines Stromschlags) von der Spannungsquelle ausgehen kann. Nicht zuletzt kann dadurch auch der Aufwand für die Ansteuerung, der Montageaufwand und der Platzbedarf reduziert werden. Durch die nicht mehr erforderlichen zumindest zwei Aktoren kann darüber hinaus auch eine Bauteilreduzierung und somit auch eine Gewichtseinsparung ermöglicht werden.
Unter dem Begriff „Leitung" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur elektrische Leitungen im engeren Sinne verstanden, sondern z. B. auch Stromschienen, Hohlleiter und dergleichen.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine Kurzschließeinrichtung, welche einen pyrotechnisch auslösbaren mechanischen Schalter aufweist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Kurzschließeinrichtung einen elektro-mechanisch auslösbaren Schalter aufweist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass eine Kurzschließeinrichtung einen Halbleiterschalter aufweist, dessen Widerstand zum Kurzschließen der Brennstoffzelle definiert reduzierbar ist.
Insbesondere ist die Kurzschließeinrichtung zum einmaligen Erzeugen eines Kurzschlusses ausgelegt.
Insbesondere weist die Kurzschließeinrichtung zumindest ein zusätzliches Schaltelement auf, welches zum Abschalten des Systems in zur Notabschaltung unterschiedlichen anderen Betriebsphasen ausgebildet ist. Derartige zur Notabschaltung unterschiedliche andere Betriebsphasen liegen beispielsweise bei der Wartung oder beim üblichen Service derartiger Systeme vor.
Vorzugsweise ist dieses zusätzliche Schaltelement einem Inverter oder Stromwandler zugeordnet. Anstelle von Invertern oder Stromwandlern kommen ferner auch Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller oder Kombinationen daraus in Frage. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das zusätzliche Schaltelement ein Schalter oder vorzugsweise ein Transistor ist.
Insbesondere ist die elektrische Spannung an den nach außen geführten Anschlussleitungen nach spätestens 60 s, vorzugsweise 5 s, insbesondere 3 s nach dem Kurzschließen der Brennstoffzelle kleiner 60 V, vorzugsweise kleiner 30 V, insbesondere nahezu 0 V.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das System eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, einen so genannten Brennstoffzellenstapel, umfasst, die durch ein elektrisch leitendes Element kurzschließbar sind, welche zur Notabschaltung alle Brennstoffzellen überbrückend anbringbar und mit den Anschlussleitungen elektrisch verbindbar ist.
Eine Situation, in der eine Notabschaltung erforderlich ist kann durch eine spezifische Sensorik erkannt werden. Gerade dann, wenn das Brennstoffzellensystem als mobiles System ausgebildet ist und in einem Fahrzeug angeordnet ist, kann beispielsweise ein Unfall des Fahrzeugs detektiert werden. Dazu sind beispielsweise Beschleunigungssensoren vorgesehen, wobei abhängig vom Erkennen der Unfallsituation durch die Beschleunigungssensoren dann eine Notabschaltung definiert und in diesem Zusammenhang die Brennstoffzelle kurzschließbar ist. Dies ist lediglich eine beispielhafte Sensorik, über welche eine spezifische Situation für eine Notabschaltung erkannt werden kann. Zusätzlich oder alternativ dazu kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass eine Airbag-Auslösung eine nachfolgende Notabschaltung des Brennstoffzellensystems definiert.
Durch den bewusst und aktiv ausgelösten Kurzschluss einer Brennstoffzelle bei einer Notabschaltung wird die nach außen wirkende elektrische Spannung nahezu 0 V. Die verbleibende Restladung wird in der Energiequelle, der Brennstoffzelle selbst, umgesetzt, was insbesondere eine Erwärmung der Brennstoffzelle zur Folge hat. Durch diese Vorgehensweise kann im Betrieb von Brennstoffzellen die Regelung einer Notabschaltung sehr effizient und dennoch aufwandsarm ermöglicht werden, um die Brennstoffzelle entladen zu können. Darüber hinaus können dadurch die Sicherheitsstandards zur Verhinderung von nach außen tretenden hohen Spannungen erfüllt werden.
Ferner kann auch eine erhebliche Gewichtseinsparung gegenüber herkömmlichen Ausführungen mit zumindest zwei Aktoren und komplexer Ansteuerung von diesen erreicht werden.
Insbesondere elektrische Energiequellen mit Spannung größer 60 V (Spannungsgrenze nach Standard) unterliegen hohen Sicherheitskriterien, da derartige elektrische Spannungen lebensbedrohlich sein können.
Im Falle von Batterien, bei denen derartige hohe Spannungen auftreten können, werden daher trennende Schalter eingesetzt, diese sind jedoch aufgrund möglicher, extrem hoher Gleichströme mit entsprechend hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden. Zudem muss wegen eines einseitigen Schlusses zwischen Energiequelle und dem Fahrzeug, insbesondere am Gehäuse, eine zweipolige Trennung vorgesehen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Brennstoffzellensystem 1 dargestellt, wobei diesbezüglich lediglich die für das Verständnis der Erfindung ausreichenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 gezeigt sind.
Das Brennstoffzellensystem 1 ist als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und in einem Fahrzeug angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche vorzugsweise als PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sind.
Der Brennstoffzellenstapel 2 ist mit einer ersten elektrischen Anschlussleitung 3 und einer zweiten elektrischen Anschlussleitung 4 kontaktiert.
Außerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 weist die erste Anschlussleitung 3 eine elektrische Kontaktierung 5 und die zweite Anschlussleitung 4 eine elektrische Kontaktierung 6 auf.
Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Kurzschließeinrichtung 7 mit einem Schalter 8 auf, welcher über ein Stellelement 9 betätigbar ist.
In 1 ist der geöffnete Zustand der Kurzschließeinrichtung 7 gezeigt.
Zur Erzeugung des Kurzschlusses des Brennstoffzellenstapels 2 wird bei einer erforderlichen Notabschaltung der Schalter 8 über das Stellelement 9 mit den elektrischen Kontakten 5 und 6 elektrisch kontaktiert und dadurch der Kurzschluss erzeugt.
In 1 ist durch den Schalter 8 und das Stellelement 9 ein pyrotechnisch ausgelöster mechanischer Schalter realisiert.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Schalter 8 als elektro-mechanisch ausgelöster Schalter realisiert ist. Bei einer derartigen Ausführung kann vorgesehen sein, dass der Normalzustand durch den „offenen" Zustand oder aber auch durch den „geschlossenen" Zustand definiert ist.
Alternativ zu einem pyrotechnisch ausgelösten mechanischen Schalter oder einem elektro-mechanisch ausgelösten Schalter kann auch ein Halbleiterschalter 10 vorgesehen sein, wie er beispielhaft in 1 ergänzend neben dem Brennstoffzellensystem 1 gezeigt ist. Dieser Halbleiterschalter 10 kann dann anstelle des Schalters 8 und des Stellelements 9 in der Kurzschließeinrichtung 7 angeordnet sein.
Der Halbleiterschalter 10 kann zur Erzeugung des Kurzschlusses des Brennstoffzellenstapels 2 gezielt zerstört werden, so dass dieser von einem hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand wechselt.
Es kommen auch Halbleiterschalter in Frage, welche reversibel schaltbar sind, z. B. Thyristoren. Diese öffnen sich sogar von alleine, nämlich dann, wenn der Strom gleich null ist.
Darüber hinaus kommen auch Schalter in Frage, bei denen eine speziell auf diesen Zweck ausgelegte Legierung aufgeschmolzen wird, welche dann einen Kurzschluss herstellt.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems 1 gezeigt, bei welchem der Brennstoffzellenstapel 2 über ein elektrisch leitendes Element 11 kurzschließbar ist. Dieses elektrisch leitende Element 11 ist zur Notabschaltung so anbringbar, dass es die beiden Anschlussleitungen 3 und 4 kontaktiert und die Brennstoffzellen überbrückt. Bei dieser Ausführung wird in einer Notsituation eine leitfähige Verbindung quer über den Brennstoffzellenstapel 2 hergestellt, so dass jede einzelne Brennstoffzelle kurzgeschlossen ist und sich entladen kann. Dadurch wird ein mögliches schädliches Umpolen von einzelnen Brennstoffzellen verhindert. Zusätzlich wird die Problematik eines Kurzschlusses hoher Spannung auf den einer elektrischen Spannung kleiner 1 V reduziert.
Die Restladung eines Brennstoffzellenstapels 2 ist bei Einstellung der Gasversorgung, was im Notfall ohnehin gefordert ist, überschaubar und stellt kein Gefahrenpotential hinsichtlich einer Überhitzung dar. Aus diesem Grund kann zur Erfüllung der Bedingung einer Klemmenspannung kleiner 60 V der Brennstoffzellenstapel 2 kurzgeschlossen werden.
Die zur Ausführung gemäß 1 erläuterten Alternativen betreffen einen pyrotechnisch auslösbaren mechanischen Schalter 8 oder einen Halbleiterschalter 10 und sind quasi als Einmal-Schaltelemente ausgebildet. Dies steht im Unterschied zu den in 1 erläuterten Ausführungen eines elektro-mechanisch ausgelösten Schalters 8 oder zu dem in 2 erläuterten Schaltmechanismus mit dem elektrisch leitenden Element 11, welches über ein Stellelement 12 betätigbar ist. Diese zuletzt genannten Ausführungen sind als mehrfach schaltende Elemente konzipiert und können somit wiederholbar zur Erzeugung eines Kurzschlusses aktiviert werden.
Bei den zuerst genannten Ausführungen, welche als Einmal-Schaltelemente bezeichnet werden können, ist es zusätzlich vorgesehen, für normale Standzeiten und für den Servicebetrieb ein zuverlässiges Prinzip der Abschaltung zu implementieren. Dies ist beispielsweise in einer Ausführung gemäß 3 gezeigt. Dafür kann anstelle der üblichen Schütze ein zusätzliches Schaltelement 14 vorgesehen sein, welches einem Stromwandler oder Inverter 13 zugeordnet ist. Dieser Stromwandler oder Inverter 13 umfasst des Weiteren eine Induktivität 15 und eine Diode 16. Das zusätzliche Schaltelement 14 kann ein Schalter oder beispielsweise auch ein Transistor sein. In der Ausführung gemäß 3 ist diesbezüglich ein elektronischer Schalter 14 realisiert, der in dem Stromwandler oder Inverter 13 bereits vorhanden ist. Dieser braucht nicht auf die Anforderungen eines Unfalls dimensioniert zu werden, so dass kein Zusatzaufwand im Sinne zusätzlicher Komponenten erforderlich ist.
In 4 ist in diesem Zusammenhang ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem ein Transistor 14' dem Stromwandler oder Inverter 13' zugeordnet ist. Zusätzlich ist ein weiterer Schalter 17 vorgesehen. In dem hier gezeigten Fall ist ein zusätzlicher Schalter 14' dargestellt, welcher stromlos geschlossen ist. Das hat den Vorteil, dass die Spannungsfreiheit (d. h. der Kurzschluss) ohne aktive Ansteuerung möglich ist. Die ansonsten gewöhnlich eingesetzten Transistoren in Stromrichtern sind stromlos offene Transistoren.

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzellenstapel
3, 4: elektrische Anschlussleitungen
5, 6: elektrische Kontaktierung
7: Kurzschließeinrichtung
8: Schalter
9, 12: Stellelemente
10: Halbleiterschalter
11: leitendes Element
13, 13': Inverter oder Stromwandler
14: Schaltelement
14': Transistor
15: Induktivität
16: Diode
17: Schalter

Claims

Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche mit elektrischen Anschlussleitungen (3, 4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (2) für eine erforderliche Notabschaltung kurzschließbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurzschließeinrichtung (7) zum Kurzschließen der Brennstoffzelle (2) vorgesehen ist, die einen pyrotechnisch auslösbaren mechanischen Schalter (8) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurzschließeinrichtung (7) zum Kurzschließen der Brennstoffzelle (2) vorgesehen ist, die einen elektro-mechanisch auslösbaren Schalter (8) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurzschließeinrichtung (7) zum Kurzschließen der Brennstoffzelle (2) vorgesehen ist, die einen Halbleiterschalter (10) aufweist, dessen Widerstand zum Kurzschließen der Brennstoffzelle (2) reduzierbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschließeinrichtung (7) zum einmaligen Erzeugen eines Kurschlusses ausgelegt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschließeinrichtung (7) ein zusätzliches Schaltelement (14, 14') aufweist, welches zum Abschalten des Systems in zur Notabschaltung unterschiedlichen anderen Betriebsphasen ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (14, 14') einem Inverter oder Stromwandler (13, 13') zugeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (14, 14') ein Transistor ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kurzschließeinrichtung (7) zum mehrmalig wiederholbaren Erzeugen eines Kurzschlusses ausgelegt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung an den nach außen geführten Anschlussleitungen (3, 4) nach spätestens 60 s, bevorzugt 5 s, besonders bevorzugt 3 s nach dem Kurzschließen der Brennstoffzelle (2) kleiner 60 V, bevorzugt kleiner 30 V, besonders bevorzugt nahezu 0 V, ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (2) umfasst, die durch ein elektrisch leitendes Element (11) kurzschließbar sind, welches zur Notabschaltung alle Brennstoffzellen (2) überbrückend anbringbar ist und mit den Anschlussleitungen (3, 4) elektrisch verbindbar ist.