DE102022204766A1

DE102022204766A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102022204766A1
Application number: DE102022204766.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gleiter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2023-11-16

Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) als System (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) als Brennstoffzellenstapel (67), in den Brennstoffzellenstapel (67) integrierte Kanäle (14) zur Temperierung, insbesondere Kühlung, des Brennstoffzellenstapels (67), eine DC/DC-Wandlungseinheit (53) zur Erhöhung und/oder Reduzierung der Spannung des von dem Brennstoffzellenstapel (67) erzeugten elektrischen Stromes, wobei die DC/DC-Wandlungseinheit (67) in wärmeleitender Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (67) angeordnet ist, so dass die in den Brennstoffzellenstapel (67) integrierten Kanäle (14) zur Temperierung, insbesondere Kühlung, des Brennstoffzellenstapels (67) fungieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittels als Prozessfluide in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen fluchtend in einem Stapel als Stack angeordnet. Als weiteres Prozessfluid wird mit einem Kühlmittel, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, während des Betriebes die in der exothermen Redoxreaktion anfallende Abwärme abgleitet für eine Temperierung der Brennstoffzelleneinheit.
Die Brennstoffzelleneinheit, d. h. der Brennstoffzellenstapel, stellt elektrische Energie als Gleichstrom zur Verfügung. Für die unterschiedlichsten Anwendungen, beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik, werden jedoch Gleichspannungen auf einem anderen, von der Brennstoffzelleneinheit unabhängigen Spannungsniveau benötigt. Hierzu wird eine DC/DC-Wandlungseinheit eingesetzt, welche den Gleichstrom aus dem Brennstoffzellenstapel auf ein anderes Spannungsniveau anhebt oder absenkt. Bei Anwendungen, welche mehrere Spannungsniveaus eingesetzt und benötigt werden, sind deshalb auch mehrere DC/DC-Wandlungseinheiten notwendig. Der Brennstoffzellenstapel ist mit zwei Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen mit der wenigstens einen DC/DC-Wandlungseinheit elektrisch leitend verbunden. Der Brennstoffzellenstapel ist dabei eine separate, getrennte und entfernt ausgebildete Baueinheit zu der wenigstens einen DC/DC-Wandlungseinheit. Damit sind in nachteiliger Weise wenigstens zwei getrennte Baueinheiten für die Brennstoffzelleneinheit und die wenigstens eine DC/DC-Wandlungseinheit notwendig, welche einen großen Bauraum benötigen. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel-Pluspol und Brennstoffzellen-Minuspol ist bei einer Verwendung der Brennstoffzelleneinheit in einem Kraftfahrzeug ein Pyroschalter vorhanden. Bei einem Unfall wird der Pyroschalter geschlossen, so dass dadurch der Brennstoffzellenstapel kurzgeschlossen wird und die darin enthaltene restliche chemische Energie abgebaut wird. So wird einerseits die Berührspannung ungefährlich und andererseits die Gefahr durch austretenden Wasserstoff minimiert.
Die EP 2 949 500 B1 zeigt eine Energieversorgungs- und Regelungseinheit zur Versorgung eines Antriebskreises, insbesondere eines Traktionsantriebskreises, und eines Brennstoffzellenkompressors über gesonderte Schnittstellen, umfassend: einen DC/DC-Wandler mit einer Brennstoffzellen-Eingangsschnittstelle, einen Wechselrichter, eine Antriebskreis-Schnittstelle zum Anschluss an einen Antriebskreis, und eine Kompressormotor-Schnittstelle zum Anschluss an einen Kompressormotor eines Brennstoffzellenkompressors, wobei der Ausgang des DC/DC-Wandlers mit dem Eingang des Wechselrichters und mit der Antriebskreis-Schnittstelle verbunden ist, und wobei der Ausgang des Wechselrichters mit der Kompressormotor-Schnittstelle verbunden ist, wobei der DC/DC-Wandler und der Wechselrichter in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit als System zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen als Brennstoffzellenstapel, in den Brennstoffzellenstapel integrierte Kanäle zur Temperierung, insbesondere Kühlung, des Brennstoffzellenstapels, eine DC/DC-Wandlungseinheit zur Erhöhung und/oder Reduzierung der Spannung des von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten elektrischen Stromes, wobei die DC/DC-Wandlungseinheit in wärmeleitender Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, so dass die in den Brennstoffzellenstapel integrierten Kanäle zur Temperierung, insbesondere Kühlung, des Brennstoffzellenstapels fungieren. Aufgrund der wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der DC/DC-Wandlungseinheit kann die Abwärme der DC/DC-Wandlungseinheit einfach zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet werden und dort von dem durch die Kanäle durchströmenden Kühlmittel an die Umgebung abgegeben werden. Dies ermöglicht eine einfache und zuverlässige Kühlung der DC/DC-Wandlungseinheit.
In weiterer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Brennstoffzellen als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und wenigstens eine Gasdiffusionsschicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist die DC/DC-Wandlungseinheit in den Brennstoffzellenstapel integriert.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die DC/DC-Wandlungseinheit mit einem thermisch leitfähigen Verbindungsmittel thermisch leitend mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Kontaktfläche des thermisch leitfähigen Verbindungsmittels mit dem Brennstoffzellenstapel und/oder mit der DC/DC-Wandlungseinheit wenigstens 50 %, 70 % oder 90 % der Fläche eines Spannelementes und/oder einer Brennstoffzelle und/oder einer Stromabnehmerplatte und/oder einer Bipolarplatte auf. Die Fläche des Spannelementes und/oder der Brennstoffzelle und/oder der Stromabnehmerplatte und/oder der Bipolarplatte ist vorzugsweise die Fläche einer Oberseite oder Unterseite des Spannelementes und/oder der Brennstoffzelle und/oder der Stromabnehmerplatte und/oder der Bipolarplatte.
Vorzugsweise ist das thermisch leitfähige Verbindungsmittel plattenförmig ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist das thermisch leitfähige Verbindungsmittel zwischen der DC/DC-Wandlungseinheit und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet.
In einer weiteren Variante ist das thermisch leitfähige Verbindungsmittel von dem Gehäuse der DC/DC-Wandlungseinheit und/oder gebildet.
Zweckmäßig ist das thermisch leitfähige Verbindungsmittel von dem Spannelement und/oder der Brennstoffzelle und/oder der Stromabnehmerplatte und/oder der Bipolarplatte gebildet.
Insbesondere ist die DC/DC-Wandlungseinheit im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet. Im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet bedeutet vorzugsweise, dass die Länge und/oder Breite der DC/DC-Wandlungseinheit wenigstens um das 2-, 3-, 5-, 10- oder 20-Fache größer ist als die Höhe des DC/DC-Wandlungseinheit.
In einer weiteren Variante ist in die DC/DC-Wandlungseinheit ein Kanal für Kühlmittel integriert zur Kühlung der DC/DC-Wandlungseinheit mittels des Kühlmittels.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Kanal für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit in fluidleitender Verbindung mit den in den Brennstoffzellenstapel integrierten Kanälen für Kühlmittel ausgebildet.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Kühlmittel-Einlassöffnung und eine Kühlmittel-Auslassöffnung.
Vorzugsweise ist der Kanal für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit in fluidleitender Verbindung mit der Kühlmittel-Einlassöffnung ausgebildet, so dass durch die Kühlmittel-Einlassöffnung eingeleitetes Kühlmittel wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, zuerst durch den Kanal für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit leitbar ist und anschließend durch die in den Brennstoffzellenstapel integrierten Kanälen leitbar ist.
In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Steuerorgan, insbesondere ein 3-Wegeventil, zur Steuerung und/oder Regelung des Anteiles des in die Kühlmittel-Einlassöffnung eingeleiteten Volumenstromes des Kühlmittels, welcher hydraulisch nach dem Einleiten in die Kühlmittel-Einlassöffnung in den Kanal für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit einleitbar ist. Vorzugsweise ist das Steuerorgan dahingehend steuerbar und/oder regelbar, dass je größer die Temperatur der DC/DC-Wandlungseinheit ist, desto größer ist der Anteil des in die Kühlmittel-Einlassöffnung eingeleiteten Volumenstromes des Kühlmittels, welcher hydraulisch nach dem Einleiten in die Kühlmittel-Einlassöffnung in den Kanal für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit einleitbar ist und umgekehrt.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Variante umfassen die Brennstoffzellen als schichtförmige Komponenten jeweils eine Protonenaustauschermembran, eine Anode, eine Kathode, eine Bipolarplatte und wenigstens eine Gasdiffusionsschicht.
Vorzugsweise ist die DC/DC-Wandlungseinheit mit einer, insbesondere nur einer, elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung für Gleichstrom elektrisch leitend mit den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verbunden.
Vorzugsweise ist die DC/DC-Wandlungseinheit mit einem elektrischen Kontakt ohne eine Stromleitung elektrisch leitend mit den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verbunden, insbesondere mittels eines mechanischen Kontaktes eines elektrischen Kontaktelements an der DC/DC-Wandlungseinheit mit einer schichtförmigen Komponente der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere eine Stromabnehmerplatte und/oder eine Bipolarplatte. Vorzugsweise ist die DC/DC-Wandlungseinheit mit einem Pol der Brennstoffzelleneinheit mit dem elektrischen Kontakt ohne eine Stromleitung elektrisch leitend und mit einer elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung mit einem anderen Pol der Brennstoffzelleneinheit elektrisch leitend verbunden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die DC/DC-Wandlungseinheit im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, parallel zu fiktiven Ebenen aufgespannt von den Brennstoffzellen ausgerichtet. Vorzugsweise ist die DC/DC-Wandlungseinheit im Wesentlichen scheibenförmig und/oder plattenförmig ausgebildet und spannt eine fiktive Ebene auf und die fiktive Ebene der DC/DC-Wandlungseinheit ist im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°, parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet.
In einer ergänzenden Variante ist die Brennstoffzelleneinheit dahingehend ausgebildet, dass bei einem erfassten Unfall eines Kraftfahrzeuges sämtliche Halbleiterschalter der DC/DC-Wandlungseinheit zur elektrischen Verbindung der DC/DC-Wandlungseinheit mit übrigen, anderen elektrischen Komponenten, insbesondere einem Elektromotor zur Traktion und/oder einen Wechselrichter für den Elektromotor und/oder einer Batterie und/oder einem Hochvoltstromkreis, des Kraftfahrzeuges geöffnet werden und vorzugsweise anschließend stets geöffnet bleiben. Der Unfall wird in dem Kraftfahrzeug beispielsweise mit wenigstens einem Beschleunigungssensor erfasst. Aufgrund der geöffneten Halbleiterschalter wird die elektrische Verbindung zwischen der DC/DC-Wandlungseinheit und den übrigen elektrischen Komponenten wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, getrennt. Bei einer teilweisen elektrischen Trennung wird nur ein Pol getrennt und bei einer vollständigen Trennung erfolgt eine allpolige Trennung.
In einer ergänzenden Variante ist die Brennstoffzelleneinheit dahingehend ausgebildet, dass bei einem erfassten Unfall eines Kraftfahrzeuges wenigstens ein Halbleiterschalter, insbesondere sämtliche Halbleiterschalter, der DC/DC-Wandlungseinheit zur elektrischen Verbindung der DC/DC-Wandlungseinheit mit der Brennstoffzelleneinheit geschlossen werden und vorzugsweise anschließend stets geschlossen bleiben. Der Unfall wird in dem Kraftfahrzeug beispielsweise mit wenigstens einem Beschleunigungssensor erfasst. Aufgrund der geschlossenen Halbleiterschalter wird ein Kurzschluss zwischen den Polen der Brennstoffzelleneinheit erzeugt und fungieren als geschlossene Pyroschalter, so dass die geschlossenen Halbleiterschalter als Ersatz oder Ergänzung zu einem Pyroschalter fungieren.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Zufuhrleitung zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle für Kühlmittel.
In einer ergänzenden Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Abfuhrleitung zur Ableitung des durch die Kanäle für Kühlmittel geleiteten Kühlmittels.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse, welches den Brennstoffzellenstapel umschließt.
In einer weiteren Variante ist die DC/DC-Wandlungseinheit wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, innerhalb eines von dem Gehäuse und/oder einer Lagerplatte und/oder einer Anschlussplatte eingeschlossenen oder begrenzten Innenraumes angeordnet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform entspricht die Länge des Kanales für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %, der Länge der DC/DC-Wandlungseinheit.
In einer zusätzlichen Ausführungsform entspricht die Breite des Kanales für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30 %, 20 % oder 10 %, der Breite der DC/DC-Wandlungseinheit. Die große Ausdehnung des Kanales für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit ermöglicht eine großflächige Wärmeleitung, so dass die Temperaturunterschiede in der DC/DC-Wandlungseinheit sehr klein sind.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der Abstand des thermisch leitfähigen Verbindungsmittels zu einem Kanal für Kühlmittel und/oder zu dem Gehäuse der DC/DC-Wandlungseinheit kleiner als 30 cm, 10 cm, 3 cm oder 1 cm.
Zweckmäßig steht das thermisch leitfähige Verbindungsmittel in mittelbaren oder unmittelbaren mechanischen Kontakt zu der DC/DC-Wandlungseinheit und/oder dem Gehäuse der DC/DC-Wandlungseinheit.
In einer ergänzenden Variante ist der Kanal für Kühlmittel in der DC/DC-Wandlungseinheit strömungsleitend seriell oder parallel zu den Kanälen für Kühlmittel in der Brennstoffzelleneinheit geschalten.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der wenigstens eine elektronische Halbleiterschalter ein FET (Feldeffekttransistor).
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit einen Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmeübertrager zur Abgabe von Wärme an die Umgebung mit dem Wärmeübertrager. Die Abfuhrleitung für Kühlmittel leitet das Kühlmittel von dem Brennstoffzellenstapel zu dem Wärmeübertrager. Die Zufuhrleitung für Kühlmittel leitet das Kühlmittel von dem Wärmeübertrager zu dem Brennstoffzellenstapel.
Vorzugsweise sind die Komponenten der Brennstoffzellen fluchtend gestapelt angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit fluchtend gestapelt als Brennstoffzellenstapel angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse und/oder eine Lagerplatte und/oder eine Anschlussplatte.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsvorrichtung als ein Bolzen ausgebildet und/oder ist stabförmig.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit wenigstens 3, 4, 5 oder 6 Verbindungsvorrichtungen.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Brennstoffzellenstapel ohne Darstellung eines Gehäuses der Brennstoffzelleneinheit,
5 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Darstellung des Gehäuses und einer Lagerplatte in einem ersten Ausführungsbeispiel,
6 einen vertikalen Schnitt durch die Brennstoffzelleneinheit mit Darstellung des Gehäuses und der Lagerplatte in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
7 einen Querschnitt durch die Brennstoffzelle und eine DC/DC-Wandlungseinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 5,
8 einen Querschnitt durch die Brennstoffzelle und die DC/DC-Wandlungseinheit in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 6,
9 ein stark vereinfachtes elektrisches Schaltbild mit der Brennstoffzelleneinheit, der DC/DC-Wandlungseinheit und einem Hochvoltstromkreis mit Elektromotor und
10 ein stark vereinfachtes elektrisches Schaltbild der DC/DC-Wandlungseinheit.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4e^- → 2 H₂O
Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2 in einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 67 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2 weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2, multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2, entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschermembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membrane Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 6, 7 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Abweichend hiervon sind die Elektroden 7, 8 aus einem lonomer, beispielsweise Nafion®, platinhaltigen Kohlenstoffpartikeln und Zusatzstoffen aufgebaut. Diese Elektroden 7, 8 mit dem lonomer sind aufgrund der Kohlenstoffpartikel elektrisch leitfähig und leiten auch die Protonen H⁺ und fungieren zusätzlich auch als Katalysatorschicht 30 wegen der platinhaltigen Kohlenstoffpartikel. Membranelektrodenanordnungen 6 mit diesen Elektroden 7, 8 umfassend das lonomer bilden Membranelektrodenanordnungen 6 als CCM (catalyst coated membrane).
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel.
In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit dem Brennstoffzellenstapel 67 als einem Brennstoffzellenstack 67 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4 und 5). Die schichtförmigen und ebenen Brennstoffzellen 2 und schichtförmigen und ebenen Komponenten 5, 6, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 spannen fiktive Ebenen 37 auf, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen an Abdichtschichten (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegender Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen and den Abdichtschichten der Membranelektrodenanordnungen 6 mit dazwischen liegenden Dichtungen (nicht dargestellt) zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 als in den Brennstoffzellenstack 67 integrierte kanalförmige Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28, 63, 64. Die Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33 als Spannplatten 34 angeordnet. Eine obere Spannplatte 35 liegt auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und eine untere Spannplatte 36 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 dargestellt sind. Die Spannelemente 33 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die obere Spannplatte 35 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und die untere Spannplatte 36 liegt mit einer Druckkraft auf der untersten Brennstoffzelle 2 auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 67 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 67 möglichst klein zu halten. Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33 sind an der Brennstoffzelleneinheit 1 vier Verbindungsvorrichtungen 39 als Bolzen 40 ausgebildet, welche auf Zug beansprucht sind. Die vier Bolzen 40 sind mit den Spanplatten 34 fest verbunden.
In den 4, 5 und 7 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ein Gehäuse 43 und eine Lagerplatte 41. Das Gehäuse 43 ist an der Lagerplatte 41 mit Fixierungselementen 44 als Schrauben 45 oder Fixierungsbolzen befestigt, so dass das Gehäuse 43 und die Lagerplatte 41 einen Innenraum 38 begrenzen und in dem Innenraum 38 ist der Brennstoffzellenstapel 67 angeordnet. Die Lagerplatte 41 bildet auch eine Anschlussplatte 42 zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 67 mit den Prozessfluiden Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. Die Lagerplatte 41 und die Anschlussplatte 42 bilden auch das Gehäuse 43. In dem Brennstoffzellenstack 67, der unteren Spannplatte 36 und der Anschlussplatte 42 sind insgesamt 6 Öffnungen (teilweise dargestellt) zum Ein- und Ausleiten der Prozessfluide in und aus dem Innenraum 38 ausgebildet. Der Brennstoffzellenstapel 67, die untere Spannplatte 36 und die Anschlussplatte 42 weist eine Kühlmittel-Einlassöffnung 46 zum Einleiten von Kühlmittel und eine Kühlmittel-Auslassöffnung 47 zum Ausleiten von Kühlmittel auf.
In 9 ist ein Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 abgebildet mit Darstellung der elektrischen und hydraulischen Verbindungen. 9 dient zur Darstellung der grundlegenden elektrischen und hydraulischen Funktionsweise der Brennstoffzelleneinheit 1. Eine DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist unter der oberen Spannplatte 35 als dem Spannelement 33 angeordnet. Zwischen der oberen Spannplatte 35 und der DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist eine elektrische Isolierung 78 angeordnet. Auf der oberen Spannplatte 35 ist zusätzlich eine optionale Abschlussplatte 68 angeordnet. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist zwischen der elektrischen Isolierung 78 und der obersten Brennstoffzelle 2 angeordnet. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 liegt unmittelbar auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf und bildet zusätzlich eine obere, nicht gesondert dargestellte obere Stromabnehmerplatte 65. Optional kann zwischen der DC/DC-Wandlungseinheit 53 und der obersten Brennstoffzelle 2 eine gesonderte Stromabnehmerplatte 65 als gesondertes Bauteil in Ergänzung zu der DC/DC-Wandlungseinheit 53 ausgebildet sein (nicht dargestellt). Der Brennstoffzellenstapel 67 stellt beispielsweise eine Spannung von 400 V zur Verfügung, welcher zwischen der obersten Brennstoffzelle 2 und der untersten Brennstoffzelle 2 auftritt. Die oberste Brennstoffzelle 2 ist elektrisch leitend mit der DC/DC-Wandlungseinheit 53 ohne eine gesonderte elektrische Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung 48 verbunden ist. Eine elektrische Brennstoffzellenstapel-Verbindungstromleitung 48 ist mit einer unteren Stromabnehmerplatte 65 elektrisch leitend verbunden und zu der DC/DC-Wandlungseinheit 53 geführt, d. h. mit dieser elektrisch leitend verbunden. Zwischen der unteren Stromabnehmerplatte 65 und der unteren Spannplatte 36 ist eine elektrische Isolierung 78 angeordnet. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 erhöht die Spannung des Brennstoffzellenstapels 67 von 400 V auf eine Spannung von 600 V oder 800 V und der Strom mit dieser Spannung wird mit einer elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungstromleitung 49 zu einem Verbraucherstromkreis 59 als einem Hochvoltstromkreis 60 geleitet.
Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 kann somit die Spannung des von dem Brennstoffzellenstapel 67 zur Verfügung gestellten Gleichstromes auf ein anderes Spannungsniveau in dem Verbraucherstromkreis 59 verändern. Beispielsweise bei einer Spannung von 400 V an dem Brennstoffzellenstapel 67 mit einer Veränderlichkeit der Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 67 kann von der DC/DC-Wandlungseinheit 53 eine im Wesentlichen konstante Gleichspannung von beispielsweise 600 V oder 800 V in dem Verbraucherstromkreis 59 zur Verfügung gestellt werden. Der Verbraucherstromkreis 59 ist ein Hochvoltstromkreis 60 mit einer Spannung von 600 V oder 800 V und dient zur Versorgung eines Elektromotors 62 für die Traktion bzw. den Antrieb eines Kraftfahrzeuges. In dem Hochvoltstromkreis 60 ist der Elektromotor 62 mit Hochvoltstromleitungen 64 mit einem Wechselrichter 63 für den Elektromotor 62 elektrisch verbunden. In die Hochvoltstromleitung 64 für Gleichstrom ist eine Batterie 61 als eine Lithiumionenbatterie 61 eingebunden zur kurzfristigen Speicherung von elektrischer Energie und zur Versorgung des Elektromotors 62 bei Leistungsspitzen. Der Wechselrichter 63 wandelt den Gleichstrom mit der Spannung von 600 V oder 800 V in einen vorzugsweisen dreiphasigen Wechselstrom um. Der dreiphasige Wechselstrom wird mit mehreren Hochvoltstromleitungen 64 (teilweise dargestellt) dem Elektromotor 62 zur Traktion des Kraftfahrzeuges zugeführt. In dem Hochvoltstromkreis 60 ist ein weiterer, nicht dargestellter Wechselrichter eingebaut zur Versorgung eines Elektromotors zum Antrieb des Gebläse 23.
In 10 ist stark vereinfacht ein elektrisches Schaltbild der DC/DC-Wandlungseinheit 53 dargestellt. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 weist eine Spule 54 als Induktivität 55 und einen Kondensator 56 als Kapazität 57 auf sowie eine Diode 58. Ferner umfasst die DC/DC-Wandlungseinheit 53 einen Halbleiterschalter 50 als Transistor 51, d. h. ein FET 52. Der Halbleiterschalter 50 wird mit einer bestimmten Frequenz geöffnet und geschlossen, sodass in einem elektrischen Schwingkreis die Energie zwischen der Induktivität 55 und der Kapazität 57 schwingt und dadurch die Spannung von der elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungstromleitung 48 mit einer Spannung von 400 V zu der elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungstromleitung 49 auf die Spannung von beispielsweise 600 V oder 800 V erhöht wird. Tatsächlich weist die DC/DC-Wandlungseinheit 53 eine große Anzahl an Halbleiterschaltern 50 auf, welche in 10 aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt sind. Eine Steuerungs- und/oder Regeleinheit 66 ist mit einer Steuerleitung 73 als einer Steuerstromleitung 73 mittels eines Bussystems mit der Steuerungs- und/oder Regeleinheit 66 verbunden. Die Steuerungs- und/oder Regeleinheit 66 steuert somit den Betrieb der DC/DC-Wandlungseinheit 53. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst somit die Steuerungs- und/oder Regeleinheit 66 zur Steuerung der Brennstoffzelleneinheit 1. Die Steuerungs- und oder Regeleinheit 66 dient zur Steuerung und/oder Regelung der Brennstoffzelleneinheit 1. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst neben dem Brennstoffzellenstapel 67 auch die DC/DC-Wandlungseinheit 53, sodass die Brennstoffzelleneinheit 1 als ein System 1 insgesamt zur Versorgung des Hochvoltstromkreises 60 mit Gleichstrom mit einer im Wesentlichen konstanten Spannung fungiert.
In 4, 5 und 7 ist das erste Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist mittels Kühlmittel für die Brennstoffzelleneinheit 1, d. h. dem Brennstoffzellenstapel 67 der Brennstoffzellen 2, gekühlt. Das Kühlmittel als eine Kühlflüssigkeit wird durch die Kühlmittel-Einlassöffnung 46 in den Brennstoffzellenstapel 67 eingeleitet und durch die Kühlmittel-Auslassöffnung 47 aus dem Brennstoffzellenstapel 67 ausgeleitet. Die Zuführleitung 27 für Kühlmittel mündet in die Kühlmittel-Einlassöffnung 46 und die Abfuhrleitung 28 für Kühlmittel mündet in die Kühlmittel-Auslassöffnung 47. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist außenseitig von einem Gehäuse 69 der DC/DC-Wandlungseinheit 53 begrenzt und/oder umschlossen. Innerhalb der DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist ein Kanal 71 zum Durchleiten für Kühlmittel ausgebildet. Der Kanal 71 für Kühlmittel ist einerseits von einer unteren Bodenwandung des Gehäuses 69 der DC/DC-Wandlungseinheit 53 begrenzt und zusätzlich von einer Kanalwandung 72 der DC/DC-Wandlungseinheit 53 (7). Das Gehäuse 69 und die Kanalwandung 72 sind dabei aus einem thermisch gut leitfähigen Metall ausgebildet. Die Halbleiterschalter 50 sind dabei unmittelbar auf der Kanalwandung 72 angeordnet, sodass die Halbleiterschalter 50 thermisch gut leitend mit dem durch den Kanal 71 geleiteten Kühlmittels verbunden sind. Dies gewährleistet eine optimale direkte Temperierung und Kühlung der Halbleiterschalter 50 mit Kühlmittel. Das Kühlmittel wird durch den Kanal 71 in einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene von 7 und durchströmt und die Breite des Kanales 71 entspricht im Wesentlichen der Breite der DC/DC-Wandlungseinheit 53 in dem Schnitt in der Zeichenebene von 7. Der Kanal 71 ist strömungsleitend seriell zu der Kühlmittel-Einlassöffnung 46 ausgebildet, sodass das Kühlmittel zuerst wenigstens teilweise durch den Kanal 71 der DC/DC-Wandlungseinheit 53 strömt und anschließend in die Kanäle 14 für Kühlmittel des Brennstoffzellenstapels 67. Mittels eines Steuerorgan 74, nämlich eines 3-Wegenventils 75, ist steuerbar und/oder regelbar, welcher Anteil des Volumenstromes des Kühlmittels zuerst durch den Kanal 71 und dann in die Kanäle 14 für Kühlmittel strömt oder ohne Durchleitung durch den Kanal 71 in die Kanäle 14 für Kühlmittel einströmt. Dabei kann auch der gesamte Volumenstrom des Kühlmittels vollständig zuerst durch den Kanal 71 für Kühlmittel geleitet werden und anschließend in die Kanäle 14 oder ohne Durchleitung durch den Kanal 71 vollständig in die Kanäle 14 eingeleitet werden kann. Vorzugsweise ist mittels wenigstens eines nicht dargestellten Temperatursensors die Temperatur der DC/DC-Wandlungseinheit 53 erfassbar und in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur der DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist das Steuerorgan 74 steuerbar und/oder regelbar.
Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist im Wesentlichen scheibenförmigen oder plattenförmig ausgebildet und spannt damit eine fiktive Ebenen 76 auf. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 und damit auch die von der DC/DC-Wandlungseinheit 53 aufgespannte fiktive Ebene 76 ist dabei im Wesentlichen parallel zu den fiktiven Ebenen 37 aufgespannt von den Brennstoffzellen 2. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist mit einem thermischen Verbindungsmittel 70 thermisch leitend mit dem Brennstoffzellenstapel 67 verbunden. Das thermische Verbindungsmittel 70 ist von dem Gehäuse 69 der DC/DC-Wandlungseinheit 53 und/oder einer Stromabnehmerplatte 65 und/der einer Spannplatte 36 gebildet. Das thermische Verbindungsmittel 70 kann somit auch von der Spannplatte 36 gebildet sein bei einem anderen, nicht dargestellten Aufbau der Brennstoffzelleneinheit 1. Aufgrund dieses thermischen Verbindungsmittel 70 kann zusätzlich Wärme von der DC/DC-Wandlungseinheit 53 zu dem Brennstoffzellenstapel 67 geleitet werden. Eine Kontaktfläche 77 des thermischen Verbindungsmittel 70 auf dem Gehäuse 69 der DC/DC-Wandlungseinheit 53 weist eine Fläche auf, welche im Wesentlichen der Fläche einer Brennstoffzelle 2 entspricht. Wärme kann damit in vorteilhafter Weise großflächig von der DC/DC-Wandlungseinheit 53 zu dem Brennstoffzellenstapel 67 geleitet werden und vorzugsweise umgekehrt.
Bei einem Unfall ist es notwendig, die elektrische Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 67 und den anderen elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeuges bei der Verwendung der Brennstoffzelleneinheit 1 in dem Kraftfahrzeug zu trennen, weil vorhandene Reste an Brennstoff und Oxidationsmittel in dem Brennstoffzellenstapel 67 weiterhin elektrische Energie erzeugen können. Aufgrund der unmittelbaren Anordnung der DC/DC-Wandlungseinheit 53 an dem Brennstoffzellenstapel 67 kann die Trennung der elektrischen Verbindung des Brennstoffzellenstapels 67 mit integrierten DC/DC-Wandlungseinheit 53 zu den anderen elektrischen Komponenten des Kraftfahrzeuges dadurch ausgeführt werden, dass sämtliche Halbleiterschalter 50 zur elektrischen Verbindung der DC/DC-Wandlungseinheit 53 mit übrigen, anderen elektrischen Komponenten, insbesondere einem Elektromotor 62 zur Traktion und/oder einen Wechselrichter 63 für den Elektromotor und/oder einer Batterie 61 und/oder einem Hochvoltstromkreis 60, des Kraftfahrzeuges dauerhaft geöffnet werden.
In 6 und 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 4, 5 und 7 beschrieben. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist auf der oberen Brennstoffzelle 2 angeordnet. Die Kontaktfläche 77 ist somit einerseits zwischen der DC/DC-Wandlungseinheit 53, d. h. dem Gehäuse 69 der DC/DC-Wandlungseinheit 53, und der Brennstoffzelle 10 ausgebildet. Das Kühlmittel wird durch die Kanäle 14 der Brennstoffzellen 2 geleitet und aufgrund der guten thermisch leitenden Verbindung und der großen Kontaktfläche 77 entspricht die Temperatur der DC/DC-Wandlungseinheit 53 im Wesentlichen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 67. Die Abwärme der DC/DC-Wandlungseinheit 53 wird somit mittels Wärmeleitung in den Brennstoffzellenstapel 67 eingeleitet und von dem durch die Kanäle 14 für Kühlmittel durchgeleiteten Kühlmittel an die Umgebung abgegeben. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 weist in dem zweiten Ausführungsbeispiel keinen Kanal 71 auf, so dass die Kühlung der DC/DC-Wandlungseinheit 53 mittels des Kühlmittels indirekt ausgeführt wird.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. Aufgrund der Integration der DC/DC-Wandlungseinheit 53 in den Brennstoffzellenstapel 67 und/oder einer Anordnung der DC/DC-Wandlungseinheit 53 innerhalb des Innenraumes 38 bzw. innerhalb des Gehäuses 43 der Brennstoffzelleneinheit 1 werden nur sehr geringe Längen an der Zufuhrleitung 27 zur Leitung des Kühlmittels zu der DC/DC-Wandlungseinheit 53 benötigt. Die Brennstoffzelleneinheit 1 ist damit kompakt und preiswert in der Herstellung. Die DC/DC-Wandlungseinheit 53 ist aufgrund der Anordnung in einem sehr geringen, minimalen Abstand zu dem Brennstoffzellenstapel 67 angeordnet. Dabei ist lediglich eine kurze Brennstoffzellenstapel-Verbindungstromleitung 48 mit einer großen Querschnittsfläche notwendig wegen des großen Stromes aufgrund der Spannung von 400 V zur elektrischen Verbindung der DC/DC-Wandlungseinheit 53 mit dem Brennstoffzellenstapel 67. Der geringen Länge der elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung 48 hat den Vorteil, dass diese elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitung 48 mit einer großen Querschnittsfläche eine kleine Länge aufweist und damit preiswert ist. Nach der Erhöhung der Spannung in der DC/DC-Wandlungseinheit 53 wird der Strom mit den Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen 49 zu dem Verbraucherstromkreis 59 geleitet und aufgrund der größeren Spannung von 800 V tritt ein kleinerer Strom auf, sodass dadurch die längeren elektrischen Brennstoffzellenstapel-Verbindungsstromleitungen 49 eine kleinere Querschnittsfläche aufweisen und damit preiswert sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2949500 B1 [0004]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) als System (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) als Brennstoffzellenstapel (67), - in den Brennstoffzellenstapel (67) integrierte Kanäle (14) zur Temperierung, insbesondere Kühlung, des Brennstoffzellenstapels (67), - eine DC/DC-Wandlungseinheit (53) zur Erhöhung und/oder Reduzierung der Spannung des von dem Brennstoffzellenstapel (67) erzeugten elektrischen Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlungseinheit (67) in wärmeleitender Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (67) angeordnet ist, so dass die in den Brennstoffzellenstapel (67) integrierten Kanäle (14) zur Temperierung, insbesondere Kühlung, des Brennstoffzellenstapels (67) fungieren.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlungseinheit (53) in den Brennstoffzellenstapel (67) integriert ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlungseinheit (53) mit einem thermisch leitfähigen Verbindungsmittel (70) thermisch leitend mit dem Brennstoffzellenstapel (67) verbunden ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (77) des thermisch leitfähigen Verbindungsmittels (70) mit dem Brennstoffzellenstapel (67) und/oder mit der DC/DC-Wandlungseinheit (53) wenigstens 50%, 70% oder 90% der Fläche eines Spannelementes (33) und/oder einer Brennstoffzelle (2) und/oder einer Stromabnehmerplatte (65) und/oder einer Bipolarplatte (10) aufweist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitfähige Verbindungsmittel (70) plattenförmig ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitfähige Verbindungsmittel (70) zwischen der DC/DC-Wandlungseinheit (53) und dem Brennstoffzellenstapel (67) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitfähige Verbindungsmittel (70) von dem Gehäuse (69) der DC/DC-Wandlungseinheit (53) und/oder gebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch leitfähige Verbindungsmittel (70) von dem Spannelement (33) und/oder der Brennstoffzelle (2) und/oder der Stromabnehmerplatte (65) und/oder der Bipolarplatte (10) gebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die DC/DC-Wandlungseinheit (53) im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die DC/DC-Wandlungseinheit (53) ein Kanal (71) für Kühlmittel integriert ist zur Kühlung der DC/DC-Wandlungseinheit (53) mittels des Kühlmittels.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (71) für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit (53) in fluidleitender Verbindung mit den in den Brennstoffzellenstapel (67) integrierten Kanälen (14) für Kühlmittel ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) eine Kühlmittel-Einlassöffnung (46) und eine Kühlmittel-Auslassöffnung (47) umfasst.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (71) für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit (53) in fluidleitender Verbindung mit der Kühlmittel-Einlassöffnung (46) ausgebildet ist, so dass durch die Kühlmittel-Einlassöffnung (46) eingeleitetes Kühlmittel wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, zuerst durch den Kanal (71) für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit (53) leitbar ist und anschließend durch die in den Brennstoffzellenstapel (67) integrierten Kanälen (14) leitbar ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) ein Steuerorgan (74), insbesondere ein 3-Wegeventil (75), umfasst zur Steuerung und/oder Regelung des Anteiles des in die Kühlmittel-Einlassöffnung (46) eingeleiteten Volumenstromes des Kühlmittels, welcher hydraulisch nach dem Einleiten in die Kühlmittel-Einlassöffnung (46) in den Kanal (71) für Kühlmittel der DC/DC-Wandlungseinheit (53) einleitbar ist.
Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit Brennstoffzellen (2), - einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.