DE102009036662A1

DE102009036662A1 - Integration von Elektronik und elektrischer Verteilung innerhalb eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102009036662A1
Application number: DE102009036662A
Authority: DE
Inventors: Matthew K. Hortop; Bernd Peter Elgas; Robert S. Foley; David John Keyes
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-08-12
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2010-08-05
Also published as: CN101651225A; US20100040931A1; CN101651225B

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem, das ein einzelnes Gehäuse für sowohl einen Brennstoffzellenstapel als auch andere kritische Stapelelektronik und Komponenten aufweist, wie Leistungsverteilungskomponenten, Spannungsüberwachungs- sowie Detektionskomponenten, Komponenten zur elektrischen Isolierung, etc. Das einzelne Gehäuse bietet eine Anzahl von Vorteilen, wie ein reduziertes Gewicht sowie eine reduzierte Komplexität zur Wartung und Sicherheit.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Gehäuse für einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein elektrisch isoliertes Gehäuse für einen Brennstoffzellenstapel, wobei das Gehäuse auch verschiedene und mehrere elektrische Komponenten und Elektronik, die dem Stapelbetrieb zugeordnet sind, umfasst.
2. Diskussion der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Bei einer bekannten Brennstoffzellensystemkonstruktion ist der Brennstoffzellenstapel in einem Gehäuse montiert, und elektrische Sammelschienen sind mit dem Stapel und mit an dem Gehäuse montierten Verbindern gekoppelt. Das Brennstoffzellensystem umfasst verschiedene Elektronik sowie elektronische Module, wie Hochspannungstrennelektronik, Zellenspannungsüberwachungseinheiten, Sensoren, Detektoren, etc., die alle Teil der Brennstoffzellenstapelschaltung sind. Typischerweise sind diese elektrischen Vorrichtungen und Komponenten in einem separaten Gehäuse anstatt dem Stapelgehäuse montiert und sind durch Hochspannungs-Sammelschienen elektrisch mit dem Stapel gekoppelt. Diese Konfiguration sieht eine Anzahl von Nachteilen bei der Brennstoffzellensystemkonstruktion vor, einschließlich der Komplexität, die zur Dissipation von Energie von dem Stapel in dem erforderlichen Zeitrahmen, um zu ermöglichen, dass Wartungspersonal auf die Gehäuse Zugriff erhalten kann, sowie dem Dissipationszeitrahmen in dem Falle eines Unfalls erforderlich ist, wenn Notfallpersonal sowie andere in Kontakt mit den Gehäusen kommen können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das ein einzelnes Gehäuse für sowohl einen Brennstoffzellenstapel als auch verschiedene kritische Stapelschaltungen, Elektronik sowie Komponenten aufweist, wie Leistungsverteilungskomponenten, Spannungsüberwachungs- sowie Detektionskomponenten, Komponenten zur elektrischen Isolation, etc. Das einzelne Gehäuse für die Stapelschaltung bietet eine Anzahl von Vorteilen, wie ein reduziertes Gewicht, eine reduzierte Komplexität sowie eine verbesserte Eignung zur Stapelwartung und Sicherheit ohne eine komplexe, teure oder sperrige Vorrichtung.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Schaubild geteilter Brennstoffzellenstapel sowie einer Stapelschaltung und Elektronik innerhalb eines einzelnen Gehäuses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellenstapelgehäuse für einen Brennstoffzellenstapel sowie Hochspannungs-Stapelelektronik gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Integration elektronischer wie auch elektrischer Komponenten in ein Brennstoffzellenstapelgehäuse in einem Brennstoffzellensystem vor. Wie oben diskutiert ist, verwendeten bekannte Brennstoffzellensysteme typischerweise separate Hochspannungsgehäuse für den Stapel sowie die für den Stapelbetrieb erforderlichen elektrischen Komponenten. Die vorliegende Erfindung integriert die Elemente in den separaten Gehäusen in ein einzelnes Gehäuse, was die Raumanforderung des Systems reduziert sowie eine Anzahl anderer Vorteile gegenüber der Bereitstellung mehrerer Gehäuse aufweist. Die verschiedenen elektrischen Komponenten und Vorrichtungen umfassen kritische Stapelelektronik, Leiterplatten sowie Leistungsverteilungskomponenten, wie Hochspannungsüberwachungseinheiten, Komponenten zur elektrischen Isolation, eine Hochspannungs-Interlock- bzw. Überwachungsschleife (HVIL von engl. ”high voltage interlock loop”), Spannungsdetektoren, Stromdetektoren, etc.
Diese Konfiguration von dem Brennstoffzellenstapel zugehöriger elektrischer Schaltung sowie Komponenten und des Brennstoffzellenstapels in einem einzelnen Gehäuse bietet eine Anzahl anderer Vorteile, einschließlich einer reduzierten Komplexität der Hochspannungsschnittstelle des Stapels, einer Verbesserung der Betriebsfähigkeit bzw. Wartbarkeit durch Umschließen aller Komponenten mit gespeicherter Energie, Beseitigen der Notwendigkeit einer schnellen Entladung gespeicherter Stapelenergie im Vorgriff auf eine Systemwartung sowie eine Reduzierung einer Konstruktionsiterationszeit durch Bildung flexibler Stapelsystemschnittstellen, wodurch die Fähigkeit zur Aufnahme von Änderungen in die Stapelkonstruktion verbessert wird. Indem die Stapelspannung von den externen Stapelverbindungen isoliert gehalten wird, werden auch Verbesserungen der Wartungstauglichkeit bereitgestellt.
Ferner kann Elektronik, die derzeit an der Seite des Stapelgehäuses montiert ist, wie eine Zellenspannungsüberwachungseinheit, Hochfrequenzwiderstands-Messschaltungen sowie Treiber für Endzellenheizer in dieselbe Leiterplatte wie das Mess- sowie Schützsteuersystem in dem Gehäuse integriert werden. Dies reduziert das Gesamtvolumen der Elektronik, bewegt die Elektronik potentiell in eine bessere Umgebung des Gehäuses und vereinfacht Schnittstellen, wodurch die Konstruktionskomplexität wie auch die Anzahl von Ausfallarten reduziert werden. Zusätzliche Verbesserungen und Vorteile können in dem Aufteilen von Kühlmittel zwischen dem Brennstoffzellenstapel und anderen Komponenten innerhalb des Stapelgehäuses resultieren, was die Anzahl thermischer Schnittstellen reduziert.
1 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das ein einzelnes Stapelgehäuse 12 aufweist, das den Brennstoffzellenstapel sowie andere kritische Stapelelektronik umschließt, wie oben beschrieben ist. Die spezifische Konfiguration der Komponenten in dem Gehäuse 12, wie nachfolgend diskutiert ist, ist lediglich repräsentativ und beispielhaft, da die Konfiguration der elektrischen sowie anderen Komponenten in dem Gehäuse 12 eine beliebige geeignete Konfiguration innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung umfassen kann. Bei dieser nicht beschränkenden Konstruktion umfasst der Brennstoffzellenstapel eigentlich geteilte Unterstapel 14 und 16, obwohl eine beliebige Anzahl von Stapeln innerhalb des Gehäuses 12 vorgesehen werden kann.
Die elektrischen Komponenten innerhalb des Gehäuses 12 umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, zumindest eine oder mehrere Leiterplatten (PCB) 18, an denen verschiedene elektrische Festkörpervorrichtungen vorgesehen sein können, wie eine Zellenspannungs-Überwachungseinheit, Hochfrequenzwiderstands-Messschaltungen sowie Treiber für Endzellenheizer. Die PCB 18 kann als eine Controller-Leiterplatte dienen und kann verschiedene Stapelbetriebsabläufe ausführen, wie Spannungs- und Strommessungen, Schütze aktivieren sowie mit dem Rest des Systems kommunizieren. Die elektrischen Verbindungen zwischen innerhalb des Gehäuses 12 bereitgestellten Komponenten und externen Hochspannungskomponenten können mit Kabeln hergestellt werden, die eine große Flexibilität ermöglichen und die Konstruktion einer Seite der Schnittstelle bzw. des Anschlusses vor Änderungen, die von der entgegengesetzten Seite der Schnittstelle stammen, isolieren. Die Verbindungen von den Stapelleistungsschnittstellen zu den Komponenten innerhalb des Gehäuses 12 können mit direkten Verbindungen, wie Bolzen, während der Stapelkonstruktion hergestellt werden, was größere Toleranzen bezüglich der Stapelabmessungen ermöglicht.
Die elektrischen Komponenten umfassen auch eine Schaltung 22 zur Messung des elektrischen Widerstandes zur Überwachung einer Hochspannungsisolation zwischen der Fahrzeugmasse sowie einer positiven Sammelschiene 24, die mit den Stapeln 14 und 16 elektrisch gekoppelt ist, sowie eine Schaltung 26 zur Messung des elektrischen Widerstandes zur Überwachung einer Hochspannungsisolation zwischen der Fahrzeugmasse und einer negativen Sammelschiene 28, die mit den Stapeln 14 und 16 elektrisch gekoppelt ist. Die elektrischen Komponenten umfassen auch verschiedene Spannungsmesser 30 zum Messen der Spannung an verschiedenen Stellen innerhalb des Gehäuses 12 sowie einen Amperemeter 32 zum Messen des Stromflusses durch die Stapel 14 und 16. Ein durch die Schaltung an der PCB 18 gesteuerter Schalter 34 trennt die Stapel 14 und 16 von der positiven Sammelleitung 24, und ein durch die Schaltung an der PCB 18 gesteuerter Schalter 36 trennt die Stapel 14 und 16 von der negativen Sammelleitung.
Die Komponenten umfassen auch eine Hochspannungs-Interlockschleife 40, die sich um das Gehäuse 12 erstreckt und mit einem Deckelschalter 42 gekoppelt ist. Eine Vielzahl von Schnittstellen 44 erstreckt sich von dem Gehäuse 12 nach außen und ist mit verschiedenen Hochspannungskomponenten in dem Fahrzeug verbunden, wie einem elektrischen Traktionssystem (ETS), einem Leistungswechselrichtermodul für den Luftkompressor (CPIM), etc. Bei dieser Ausführungsform können die Schnittstellen 44 flexible Kabel sein, die eine Flexibilität ermöglichen sowie die Konstruktion einer Seite der Schnittstelle vor Änderungen der anderen Seite der Schnittstelle trennen.
Die Komponenten können auch Mehrzweck-Controller-Eingänge oder -Ausgänge zum Messen von Sensoren oder zur Steuerung von Aktuatoren aufweisen, die außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet sind.
Wie oben beschrieben ist, verwendeten frühere Brennstoffzellensysteme typischerweise einen separaten Kasten für die verschiedenen Stapelunterstützungsschaltungen, die während der Systemherstellung an dem Stapelgehäuse montiert werden können. Eine derartige Technik erforderte ein größeres Einbauvolumen sowie größere Kosten zur Berücksichtigung einer Verbindung, die bezüglich der Umwelt dicht, sicher und handhabungsfähig ist, und ermöglichte keinen einfachen Technikereinsatz zum schnellen Aufwerten der Stapeltechnologie oder zur Ermöglichung breiter Toleranzen und Variationen bezüglich der Stapelabmessungen, was bei einer Stapelkonstruktion nach dem Stand der Technik typisch ist. Die vorliegende Erfindung reduziert das Einbauvolumen und verbessert die Stapelkonstruktionsflexibilität durch Einstellen von Änderungen der Stapelabmessungen oder Leistungsniveaus ohne Beeinflussung anderer Komponenten oder der Übertragbarkeit des Stapelsubsystems von Konstruktion zu Konstruktion. Sie ermöglicht dies durch Anordnen von Schlüsselfunktionen, wie Messungen, Schützen sowie Hochspannungsverteilung, innerhalb des Stapelgehäuses 12 im Gegensatz zu einem separaten hinzugefügten Kasten.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen sowie Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Gehäuse zur Aufnahme elektrischer Vorrichtungen und Komponenten in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Gehäuse umfasst: zumindest einen Brennstoffzellenstapel; und eine Vielzahl elektrischer Komponenten, die dem zumindest einen Brennstoffzellenstapel zugeordnet sind, wobei die Vielzahl elektrischer Komponenten Leistungsverteilungskomponenten wie auch Zellenspannungsüberwachungskomponenten aufweist.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Brennstoffzellenstapel geteilte Unterstapel aufweist.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Komponenten eine Controller-Leiterplatte aufweist.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Komponenten eine Vielzahl von Spannungsmessern zum Messen der Spannung an verschiedenen Stellen in der Schaltung innerhalb des Gehäuses aufweist.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Komponenten Mehrzweck-Controller-Eingänge oder -Ausgänge zum Messen von Sensoren oder Steuern von Aktuatoren aufweist, die außerhalb des Gehäuses angeordnet sind.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Komponenten eine Hochspannungs-Interlockschleife aufweist.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Komponenten zumindest eine Schaltung zum Messen des elektrischen Widerstandes aufweist, um eine Detektion eines Niveaus einer Hochspannungsisolierung bereitzustellen.
Gehäuse nach Anspruch 1, wobei eine Schnittstelle von dem Stapelgehäuse zu anderen Schaltungen durch ein Kabel vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem, umfassend: ein Stapelgehäuse; zumindest einen Brennstoffzellenstapel, der in dem Stapelgehäuse montiert ist; und eine Vielzahl elektrischer Komponenten, die dem zumindest einen, in dem Stapelgehäuse montierten Brennstoffzellenstapel zugeordnet sind, wobei die elektrischen Komponenten eine Controller-Leiterplatte aufweisen, die den Betrieb der elektrischen Komponenten in dem Stapelgehäuse steuert.
System nach Anspruch 10, wobei der zumindest eine Brennstoffzellenstapel geteilte Unterstapel aufweist.
System nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Komponenten Leistungsverteilungskomponenten sowie Zellenspannungsüberwachungskomponenten aufweist.
System nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Komponenten eine Vielzahl von Spannungsmessern zum Messen der Spannung an verschiedenen Stellen in der Schaltung innerhalb des Gehäuses aufweist.
System nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Komponenten Mehrzweck-Controller-Eingänge oder -Ausgänge zum Messen von Sensoren oder zur Steuerung von Aktuatoren aufweist, die außerhalb des Stapelgehäuses angeordnet sind.
System nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Komponenten eine Hochspannungs-Interlockschleife aufweist.
System nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Komponenten zumindest eine Schaltung zum Messen des elektrischen Widerstandes aufweist, um eine Detektion einer Hochspannungsisolierung bereitzustellen.
System nach Anspruch 10, wobei eine Schnittstelle von dem Stapelgehäuse zu anderen Schaltungen durch ein Kabel vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem, umfassend: ein Stapelgehäuse; zumindest einen Brennstoffzellenstapel, der in dem Stapelgehäuse montiert ist; und eine Vielzahl elektrischer Komponenten, die dem zumindest einen, in dem Stapelgehäuse montierten Brennstoffzellenstapel zugeordnet sind, wobei die elektrischen Komponenten eine Controller-Leiterplatte, die den Betrieb elektrischer Komponenten in dem Stapelgehäuse steuert, Leistungsverteilungskomponenten, Zellenspannungsüberwachungskomponenten, eine Vielzahl von Spannungsmessern zum Messen der Spannung an verschiedenen Stellen in der Schaltung innerhalb des Gehäuses und zumindest eine Schaltung zum Messen des elektrischen Widerstandes zur Bereitstellung einer Detektion einer Hochspannungsisolierung aufweist.
System nach Anspruch 17, wobei eine Schnittstelle von dem Stapelgehäuse zu anderen Schaltungen durch ein Kabel vorgesehen ist.
System nach Anspruch 17, wobei die Vielzahl von Komponenten Mehrzweck-Controller-Eingange oder -Ausgänge zum Messen von Sensoren oder zur Steuerung von Aktuatoren aufweist, die außerhalb des Stapelgehäuses angeordnet sind.
System nach Anspruch 17, wobei die Vielzahl von Komponenten eine Hochspannungs-Interlockschleife aufweist.