DE102019211596A1

DE102019211596A1 - Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102019211596A1
Application number: DE102019211596.9A
Authority: DE
Inventors: Kai Müller; Tobias Brune; Thierry Caramigeas
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Komponente an einem Zweipol, mit einer Mehrzahl von parallel verschalteten Brennstoffzellenstapeln (1), zwischen denen und der elektrischen Komponente jeweils in Reihe eine Diode (7) geschaltet ist und weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

Description

Die Erfindung ist gebildet durch eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Komponente an einem Zweipol, mit einer Mehrzahl von parallel verschalteten Brennstoffzellenstapeln, zwischen denen und der elektrischen Komponente jeweils in Reihe eine Diode geschaltet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Brennstoffzellen dienen der Bereitstellung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion, mit der ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, mit einem Oxidationsmittel, in der Regel aus Luft entnommener Sauerstoff, reagiert. Zur Leistungssteigerung ist es dabei möglich, eine Mehrzahl von Brennstoffzellen zusammenzufassen, um insbesondere den Leistungsanforderungen zu genügen, die in Kraftfahrzeugen bestehen.
Desweiteren besteht aber das Erfordernis, auch die für die Leistungsanforderungen im PKW-Bereich entwickelten Brennstoffzellenvorrichtungen bei noch weiter gestiegenen Leistungsanforderungen zu verwenden, wie diese beispielsweise im LKW-Bereich gegeben sind. Dies erforderte eine separate Entwicklung für eine Brennstoffzellenvorrichtung für den Nutzfahrzeugbereich, wobei aufgrund der geringeren Stückzahlen auch die Einzelteilkosten dieser modifizierten Brennstoffzellenvorrichtung steigen. Zur Vermeidung dieser Nachteile ist die modulare Verwendung der bekannten, vorliegenden Brennstoffzellenvorrichtungen in einer parallelen Anordnung möglich, wie dies in der 3 gezeigt ist. Dieser parallele Einsatz der für den Pkw-Bereich entwickelten Brennstoffzellenvorrichtungen inklusive der notwendigen Trafo-Stufen für die Ankopplung an das Hochvoltnetz führt allerdings zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades und erhöhten Kosten für die verwendeten Teile.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zur Steigerung der Leistung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem guten Wirkungsgrad anzugeben. Aufgabe ist es weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In der EP 2 293 404 A2 ist zur Leistungssteigerung der Brennstoffzellenvorrichtung ein erster Brennstoffzellenstapel mit einer gegebenen Anzahl von Brennstoffzellen vorgesehen, zu dem ein zweiter Brennstoffzellenstapel mit einer verringerten Anzahl an Brennstoffzellen parallel über eine Diode angeordnet ist. Bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzellenvorrichtung wird zunächst der Leistungsbedarf nur von dem Brennstoffzellenstapel mit der größeren Brennstoffzellenzahl bezogen, so dass der Brennstoffzellenstapel mit der geringeren Brennstoffzellenzahl in diesem Fall außer Betrieb bleiben kann. Bei einem erhöhten Leistungsbedarf wird der inaktive Brennstoffzellenstapel in Betrieb genommen. Sinkt durch die erhöhte Stromabgabe vom Brennstoffzellenstapel mit der höheren Brennstoffzellenzahl dessen Ausgangsspannung und fällt unter die Spannung des anderen Brennstoffzellenstapels, wird die Diode leitend, so dass der Leistungsbedarf von beiden Brennstoffzellenstapeln abgedeckt wird. Die Diode hat zudem die Aufgabe, einen negativen Strom in dem Brennstoffzellenstapel mit der geringen Brennstoffzellenzahl bei Betrieb des anderen Brennstoffzellenstapels bzw. bei ungünstigen Spannungsverhältnissen zu verhindern.
In der JP 2006 340 464 A ist für eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, dass anstelle eines DC/DC-Wandlers auch eine Diode verwendet werden kann.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich durch eine Mehrzahl von parallel verschalteten Brennstoffzellenstapeln aus, zwischen denen und der elektrischen Komponente jeweils in Reihe eine Diode geschaltet ist, so dass ein modularer Aufbau bewahrt ist und die Leistung über die Anzahl der verwendeten Brennstoffzellenstapel skaliert werden kann. Jedem dieser Brennstoffzellenstapel ist dabei eine Diode zugeordnet, so dass ein vollständiger Schutz der Brennstoffzellenstapel gegeben ist unter allen Betriebsbedingungen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die elektrische Komponente durch einen Traktionsmotor in einem Hochvoltnetz gebildet ist, der über eine Trafostufe an den Zweipol angeschlossen ist, und dass über einen DC/DC-Wandler die Brennstoffzellennebenaggregate an den Zweipol angeschlossen sind. Durch diesen Aufbau ist sichergestellt, dass stets nur eine Trafostufe und stets nur ein DC/DC-Wandler benötigt wird, so dass die bei dem konventionellen modularen Aufbau erforderliche Zuordnung einer Trafostufe und eines DC/DC-Wandlers zu jeder Brennstoffzellenvorrichtung unnötig ist und entsprechende Bauteile mit den daraus resultierenden Kostenvorteilen eingespart werden können.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass drei der Brennstoffzellenstapel mit der zugeordneten Diode parallel geschaltet sind, also insgesamt zwei der drei DC/DC-Wandler und zwei der drei Trafostufen entfallen können. Zu beachten ist auch, dass alle Brennstoffzellenstapel die gleiche Anzahl an Brennstoffzellen aufweisen, also keine Sonderstellung eines der Brennstoffzellenstapel für den Normalbetrieb erforderlich ist.
Ganz besonders bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung, wenn eine Vorrichtung zur Erfassung des Spannungsabfalls jeder der Dioden zugeordnet ist, da für einen effizienten Betrieb die Spannung an der Diode jedes Brennstoffzellenstapels ausreichend hoch sein muss, damit sie leitend bleibt und sich die Last auf alle drei Brennstoffzellenstapel aufteilt. Dies berücksichtigt auch besondere Betriebszustände der Brennstoffzellenstapel, wenn beispielsweise aufgrund eines aktiven Derating ein Brennstoffzellenstapel eine kleinere Spannung als die anderen Brennstoffzellenstapel erzeugt, so dass die Spannung an der Diode des dem die Derating unterliegenden Brennstoffzellenstapel abfällt und die Sperrwirkung der Diode eintritt, so dass bei nicht mehr leitender Diode sich ein Leistungsverlust in Höhe des Anteils der dem Derating unterliegenden Brennstoffzellenstapel ergäbe.
Um diesen Leistungsverlust vorzubeugen, ist ein Steuergerät vorgesehen, um den Strom der Brennstoffzellenstapel gemeinsam zu regeln, wobei das Steuergerät eingerichtet ist, bei einem Spannungsabfall des betroffenen Brennstoffzellenstapels dessen Strom in Abhängigkeit der Ströme der nicht betroffenen Brennstoffzellenstapel so zu regeln, dass die Diode des betroffenen Brennstoffzellenstapels leitend bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Trafostufe in einem Sperrwandler realisiert ist.
Ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung kann ein größeres Leistungsangebot nutzen bei verringerten Teilekosten und gleichzeitiger Bewahrung einer guten Effizienz bzw. Gesamtwirkungsgrades.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Brennstoffzellenvorrichtung mit drei parallel verschalteten Brennstoffzellenstapel,
2 eine der 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit einer in einem Sperrwandler realisierten Trafostufe, und
3 eine schematische Darstellung des aus dem Stand der Technik bekannten modularen Aufbaus einer Mehrzahl von Brennstoffzellenvorrichtungen zur Leistungserhöhung.

Brennstoffzellen dienen zur Erzeugung elektrischer Energie in einer elektrochemischen Reaktion durch die Umsetzung zweier Reaktanten, in der Regel Wasserstoff und Sauerstoff. Ein häufiger und gewünschter Anwendungsfall von Brennstoffzellen ist in Kraftfahrzeugen zugeordneten Brennstoffzellenvorrichtungen für eine Form der Elektromobilität. Eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst in der Regel einen Brennstoffzellenstapel 1, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist, um die gewünschte Leistung bereit stellen zu können.
Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H⁺) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e^-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
Sofern ein höherer Leistungsbedarf besteht, kann die Anzahl der in einem Brennstoffzellenstapel 1 enthaltenen Brennstoffzellen erhöht werden, wobei im Prinzip zu jeder Anzahl von Brennstoffzellen eine entsprechende Modifikation des Gesamtsystems mit entsprechenden Entwicklungskosten verbunden ist. Ist eine deutliche Leistungserhöhung gewünscht, ist es daher bevorzugt, wenn statt einer Erhöhung der Anzahl der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel 1 ein modularer Aufbau genutzt werden kann, bei der die Brennstoffzellenvorrichtung 2 parallel verschaltet mehrfach genutzt wird, da so auf bereits existierende Komponenten zurückgegriffen werden kann, wie dies in der 3 veranschaulicht ist, in der drei zur Verfügung stehende komplette Brennstoffzellenvorrichtungen 2 einschließlich der DC/DC-Wandler 3 und der Trafostufe 4 parallel verschaltet mit dem Hochvoltnetz 5 zur Versorgung eines Traktionsmotors 6 verbunden sind. Der Gesamtwirkungsgrad dieses Systems ist deutlich reduziert.
In der 2 gezeigt ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung 2 zur Energieversorgung einer elektrischen Komponente an einem Zweipol, nämlich eines Traktionsmotores 6 in einem Hochvoltnetz 5, der über eine Trafostufe 4 an den Zweipol angeschlossen, wobei eine Mehrzahl von parallel verschalteten Brennstoffzellenstapel 1 vorliegen, nämlich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 3 Brennstoffzellenstapel 1, zwischen denen und der elektrischen Komponente jeweils in Reihe eine Diode 7 geschaltet ist. Die Brennstoffzellenstapel 1 weisen alle die gleiche Anzahl an Brennstoffzellen auf. Zu beachten ist weiterhin, dass über nur einen DC/DC-Wandler 3 die Brennstoffzellenstapel 1 an den Zweipol angeschlossen sind, also gegenüber der in der 3 gezeigten Ausführungsform zwei DC/DC-Wandler 3 und zwei Trafostufen 4 eingespart werden können und neben sich den daraus ergebenden Kostenvorteilen auch ein gesteigerter Gesamtwirkungsgrad vorliegt.
Es ist weiterhin eine Vorrichtung zur Erfassung des Spannungsabfalls der Dioden 7 vorgesehen, um bei einem Spannungsabfall eines Brennstoffzellenstapels 1 über ein Steuergerät, das den Strom der Brennstoffzellenstapel 1 gemeinsam regelt, den Strom des betroffenen Brennstoffzellenstapels 1 in Anhängigkeit der Ströme der nicht vom Spannungsabfall betroffenen Brennstoffzellenstapel 1 so zu regeln, dass die Dioden 7 des betreffenden Brennstoffzellenstapels 1 leitend bleibt.
Die 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der der die Trafostufe 4 in einem Sperrwandler 8 realisiert ist.
Bezugszeichenliste

1.: Brennstoffzellenstapel
2.: Brennstoffzellenvorrichtung
3.: DC/DC-Wandler
4.: Trafostufe
5.: Hochvoltnetz
6.: Traktionsmotor
7.: Diode
8.: Sperrwandler
9.: Brennstoffzellennebenaggregat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2293404 A2 [0006]
JP 2006340464 A [0007]

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Komponente an einem Zweipol, mit einer Mehrzahl von parallel verschalteten Brennstoffzellenstapeln (1), zwischen denen und der elektrischen Komponente jeweils in Reihe eine Diode (7) geschaltet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Komponente durch einen Traktionsmotor (6) in einem Hochvoltnetz (5) gebildet ist, der über eine Trafostufe (4) an den Zweipol angeschlossen ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über einen DC/DC-Wandler (3) die Brennstoffzellennebenaggregate (9) an den Zweipol angeschlossen sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei der Brennstoffzellenstapel (1) mit der zugeordneten Diode (7) parallel geschaltet sind.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Brennstoffzellenstapel (1) die gleiche Anzahl an Brennstoffzellen aufweisen.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Erfassung des Spannungsabfalls jeder der Dioden (7) zugeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät vorgesehen ist, um den Strom der Brennstoffzellenstapel (1) gemeinsam zu regeln.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät eingerichtet ist, um bei einem Spannungsabfall des betroffenen Brennstoffzellenstapels (1) dessen Strom in Abhängigkeit der Ströme der nicht betroffenen Brennstoffzellenstapel (1) so zu regeln, dass die Diode (2) des betroffenen Brennstoffzellenstapels (1) leitend bleibt.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trafostufe (4) in einem Sperrwandler (8) realisiert ist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.