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Die
Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit elektronischen
Schaltungselementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Moderne
Anwendungen in der Energietechnik, insbesondere im Bereich der Brennstoffzellentechnologie
benötigen
Leistungsbauelemente mit hoher Stromtragfähigkeit. Hierzu stehen heute
Halbleiterelemente zur Verfügung,
die sehr hohen Strömen standhalten,
wenn die hohe Verlustleistung und die dadurch entstehende Wärme über einen
geeigneten Aufbau bzw. entsprechende zusätzliche Kühlelemente an die Umgebung
abgeführt
werden kann.
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Dazu
werden die Halbleiterbauelemente in der Regel großflächig mit
entsprechenden Gehäuseteilen
des Bauelementes, z.B. Kupferstanzgitter wärmeleitend verbunden. Diese
Gehäuseelemente,
die unter anderem zur effizienten Wärmespreizung und zur Wärmeabfuhr
an die Umgebung dienen, können gegebenenfalls
zusätzlich
thermisch mit einer geeigneten Kühlfläche verbunden
werden.
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In
Anordnungen gemäß dem Stand
der Technik werden die entsprechenden Leistungsbauelemente auf einen
geeigneten Schaltungsträger,
z.B. Leiterplatten oder Keramiksubstraten montiert, um daraus nach
einer Verpackung in einem Gehäuse
ein sogenanntes Leistungsmodul herzustellen. Auch hierbei ist eine
entsprechende effiziente Wärmeabfuhr
erforderlich, um die durch die in den Leistungsbauelementen erzeugte
Verlustleitung entstehende Wärme
abzuführen.
Auch bei solchen Modulen ist es bekannt geworden, den Schaltungsträger auf
einem Kühlkörper zu
montieren.
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Die
durch solche Anordnungen zu bewältigende
Kühlleistung
ist durch die verwendeten Materialien hinsichtlich ihrer Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit
und ihres geometrischen Aufbaus naturgemäß begrenzt. Darüber hinaus
wird die Abwärme
an die Umgebung abgegeben und steht somit einer weiteren Nutzung
nicht zur Verfügung.
Hierdurch wird der Wirkungsgrad der gesamten Anordnung verschlechtert.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Brennstoffzellenvorrichtung vorzuschlagen, bei der eine bessere
Kühlung
der elektronischen Leistungsbauelemente ermöglicht ist und die durch die Verlustleistung
entstehende Abwärme
genutzt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Brennstoffzellenvorrichtung der
einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
genannten Merkmale sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen
der Erfindung möglich.
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Dementsprechend
wird bei einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß der Erfindung das Kühlelement
für das
bzw. die elektronischen Leistungs-Bauelemente mit wenigstens einer
Fluidleitung für
ein Kühlfluid
versehen. Hierdurch ist eine aktive Kühlung der stromtragenden Schaltelemente
möglich.
Eine solche aktive Kühlung
kann mit erheblich größerer Kühlkapazität ausgestattet
werden, als bisherige, passive Kühlanordnungen.
Darüber
hinaus ist es mit Hilfe des Kühlfluids
bei dem erfindungsgemäßen aktiven
Kühlsystem
möglich,
die durch die Verlustleistung der entsprechenden elektronischen
Bauelemente entstehende Abwärme
weiterzunutzen. So kann beispielsweise die Abwärme als Reaktionswärme für die Kraftstoffreformation,
die in manchen Brennstoffzellenanlagen zur Erzeugung des erforderlichen Wasserstoffs
vorgesehen ist, oder zur Anwärmung von
Kraftstoff verwendet werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird die Fluidleitung des Kühlelements als Betriebsmittelleitung
der Brennstoffzellenanordnung ausgebildet. Somit ist als Kühlfluid
ein Betriebsmittel der Brennstoffzellenanordnung verwendbar. Hierdurch
erübrigt
sich ein separat vorzusehendes Kühlfluid,
d.h. der Aufwand für
die erfindungsgemäße aktive
Kühlung
wird deutlich reduziert.
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Darüber hinaus
wird die Abwärme
unmittelbar durch das entsprechende Betriebsmittel, z.B. durch den
Kraftstoff für
die Brennstoffzelle oder durch ein Edukt für eine Kraftstoffreformation,
aufgenommen und somit zugleich als Prozesswärme genutzt.
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Die
oben angeführte
Ausführungsform
ist dabei bei Brennstoffzellenvorrichtungen mit Kraftstoffreformation
ebenso verwendbar, wie bei Brennstoffzellenvorrichtungen, die unmittelbar
mit Wasserstoff aus einem entsprechenden Wasserstofftank versorgt werden.
Im Falle einer Kraftstoffreformation muss den entsprechenden Betriebsmitteln bzw.
Edukten im Verlauf der Kraftstoffreformation die erforderliche Prozesswärme zugeführt werden,
so dass bei der Verwendung dieser Betriebsmittel bzw. Edukte als Kühlfluid
für die
Bauelemente der elektronischen Schaltung die dort entstehende Verlustleistung
sinnvoll genutzt wird. Im anderen Fall der unmittelbaren Verwendung
von Wasserstoff aus einem Wasserstofftank liegt dieser Wasserstoff
in der Regel in gekühlter
und gegebenenfalls flüssiger
oder komprimierter Form vor und muss für den Betrieb in der Brennstoffzelle
auf eine entsprechende Betriebstemperatur gebracht werden. Auch
in diesem Fall ist die Verwendung des Betriebsmittels, d.h. des
Wasserstoffs als Kühlfluid
für eine
Leistungselektronik mit wenig Aufwand realisierbar, wobei die Verlustleistung der
Leistungselektronik wiederum sinnvoll genutzt wird.
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Hervorzuheben
ist in diesem Zusammenhang der Umstand, dass die Betriebsmittel
bzw. Edukte bei der chemischen Kraftstoffreformation ebenso wie
der Wasserstoff im Falle einer unmittelbaren Wasserstoffversorgung
der Brennstoffzelle aus einem Wasserstoffvorrat in sehr reiner Form
vorliegen, so dass zusätzliche
Maßnahmen
zur Vermeidung von Verschmutzung der Kühlelemente für die elektronischen
Bauelemente in der Regel entbehrlich sind.
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Wie
bereits oben angeführt,
kann in einer bestimmten Ausführungsform
der Erfindung die Fluidleitung des Kühlelementes als Treibstoffleitung
ausgebildet werden. In der einen geschilderten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung
mit Kraftstoffreformation kann dieser Treibstoff ein Kohlenwasserstoff
sein, der anschließend
einer Kraftstoffreformation unterzogen wird. In der anderen oben
geschilderten Ausführungsform stellt
dieser Treibstoff Wasserstoff aus einem entsprechenden Treibstoffbehälter dar,
der gegebenenfalls unter Zwischenschaltung entsprechender Aufbereitungsschritte
wie vorwärmung,
Wasserdampfzugabe, usw. unmittelbar der Brennstoffzelle zugeführt wird.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird die Fluidleitung des Kühlelementes mit einer Wasserleitung
verbunden. Für
den Betrieb der Brennstoffzelle bzw. der Aufbereitung des Treibstoffs wird üblicherweise
als Edukt in der Kraftstoffreformation aber auch als Zusatzstoff
für den
Wasserstoff oder unmittelbar als Zusatz in die Brennstoffzelle Wasserdampf
benötigt.
Hierzu muss dementsprechend eine gewisse Menge von Wasser durch
Wärmezufuhr
verdampft werden. Dieses Wasser kann nun erfindungsgemäß vor der
Verdampfung als Kühlfluid
für ein
Kühlelement
einer elektronischen Schaltungsanordnung verwendet werden.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung wird ein zusätzliches
Fluidfilter vorgesehen, um eventuelle Verunreinigungen in dem Kühlfluid
herauszufiltern und somit eine Verschmutzung des Kühlelements
bzw. der Kühlelemente
zu unterbinden. Dies ist vor allem in den Ausführungsformen von Vorteil, in
denen nicht vorgereinigte Fluide zum Einsatz kommen.
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In
einer bestimmten Ausführungsform
der Erfindung wird wie oben ausgeführt, das Kühlelement für die elektronischen Leistungs-Bauelemente als
Durchflusskühler
ausgeführt.
Diese Ausführung ist
besonders einfach, und ist grundsätzlich geeignet, die gewünschte Kühlfunktion
wahrzunehmen.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung wird ein solcher Durchflusskühler mit einer Wärmetauscherfunktion
durch eine entsprechende Temperaturregelung versehen. Bei dieser
Ausführungsform
tritt die Nutzung der Abwärme
durch Vorheizung bzw. Temperierung des Kühlfluids, d.h. insbesondere eines
Edukts oder Treibstoffs mehr in den Vordergrund.
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In
einer weiteren äußerst vorteilhaften
Ausführungsform
wiederum wird das Kühlelement
als Entspannungsventil zur definierten Expansion komprimierter Fluide
ausgebildet. Diese Ausführungsform
ist insbesondere bei Brennstoffzellenvorrichtungen ohne Kraftstoffreformation
von Bedeutung, bei denen Wasserstoff in komprimierter, gegebenenfalls flüssiger Form
in entsprechenden Kraftstoffbehältern mitgeführt wird.
Durch die Nutzung der Entspannungskälte und gegebenenfalls auch
der Verdunstungskälte
bei einem Phasenübergang
vom flüssigen in
den gasförmigen
Zustand sind besonders hohe Kühlleistungen
bei kompakter Bauweise möglich.
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Um
nicht den in der Regel kalt gelagerten Treibstoff im Vorratstank
aufzuheizen, wird vorteilhafterweise das Kühlelement bzw. die mit dem
Kühlelement
versehene Schaltungsanordnung thermisch vom Tank isoliert untergebracht,
beispielsweise durch Verwendung eines schlecht wärmeleitenden Materials für die entsprechende
Verbindungsleitung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der
Figuren nachfolgend näher
erläutert.
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Im
Einzelnen zeigen
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1 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung,
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2 eine schematische Darstellung
des Aufbaus eines elektronischen Hochstrommoduls gemäß der Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung
einer bestimmten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kühlelementes,
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4 eine Darstellung entsprechend 3 einer weiteren Ausführungsform
und
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5 eine schematische Darstellung
einer dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
Brennstoffzellenvorrichtung 1 gemäß 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2,
die über
eine Treibstoffleitung 3 mit Treibstoff, d.h. in der Regel
mit Wasserstoff versorgt wird. Die Treibstoffleitung 3 ist in
zwei Abschnitte unterteilt. Der erste kalte Abschnitt 4 bezieht
Treibstoff von einem Treibstofftank 5. Der Treibstoff 5 dient
als Kühlfluid
und gelangt demnach in aufgewärmter
Form in den warmen Abschnitt 6 der Treibstoffleitung 3.
Die Aufwärmung
des Treibstoffs wird in der dargestellten Ausführungsform in einer zu einem
Hochstrommodul 7 integrierten Baueinheit vorgenommen. Das
Hochstrommodul 7 umfasst elektronische Bauelemente, die
für hohe
elektrische Leistungen ausgelegt sind und auf einem Schaltungsträger, z.B.
einer Leiterplatte oder einem sogenannten DBC-Keramik-Schaltungsträger aufgebracht
sind. Die elektronische Schaltung 8 ist über den
Schaltungsträger 9 mit
einem Kühlkörper 10 verbunden.
Der Kühlkörper 10 ist,
wie anhand der Kühlschlange 11 dargestellt
mit entsprechenden Strukturen (z.B. Strömungseinlagen, usw.) für eine bessere Wärmeübertragung
versehen.
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2 zeigt den Aufbau eines
Hochstrommoduls 7 einerseits im Schnitt und andererseits
in einer perspektivischen, auseinandergezogenen Darstellung.
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Das
Hochstrommodul 7 ist zwischen zwei Schaltungsträgern 12, 13 aufgebaut,
die beispielsweise als Keramik-Schaltungsträger ausgebildet werden können.
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Auf
dem unteren Schaltungsträger 13 sind zwei
Leistungselemente 14, 15 zum Schalten und gegebenenfalls
zum Formen hoher elektrischer Ströme aufgebracht. In zusammengefügtem Zustand
gemäß der rechten
Darstellung in 2 ergibt
sich hieraus ein Hochstrommodul, das die wesentlichen Steuerungsfunktionen
für den
durch die Brennstoffzelle erzeugten Strom beinhaltet.
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Ein
solches Hochstrommodul kann beispielsweise den mit der der Brennstoffzelle
eigenen Gleichspannung gelieferten Gleichstrom in einen Wechselstrom
mit einer Wechselspannung umsetzen, die der Wechselspannung der üblichen
Hausstromversorgung entspricht. Ebenso kann bei einer entsprechenden
Ausgestaltung des Hochstrommoduls 7 der von der Brennstoffzelle
gelieferte Gleichstrom in einen Drehstrom, z.B. zum Antrieb eines
Drehstrommotors umgewandelt werden.
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Da
die Ausgangsströme
zur Energieversorgung von Verbrauchern mit entsprechender Leistung gedacht
sind, muss auch das Hochstrommodul 7 entsprechend hohe
Ströme
umwandeln können
und die entsprechende elektrische Leistung aufweisen. Hierdurch
entsteht zwangsläufig
auch eine entsprechend hohe Verlustleistung, die sich in Form von
Wärme bemerkbar
macht.
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Zur
Kühlung
des Hochstrommoduls 7 ist zum einen der untere Schaltungsträger 13 bevorzugt
aus einem gut wärmeleitenden
Material gebildet, um eine hohe Wärmeabfuhr aus den Leistungselementen 14, 15 zu
gewährleisten.
Die Leistungselemente 14, 15 sind aus dem gleichen
Zweck nach Möglichkeit
mit großer
Kontaktfläche
zum unteren Schaltungsträger 13 auf
diesem befestigt.
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Der
untere Schaltungsträger 13 ist
mit dem Kühlkörper 10 verbunden,
wobei die Verbindung bevorzugt über
eine ebenfalls gut wärmeleitende
Verbindungsschicht, z.B. die dargestellte Lotschicht 16 erfolgt.
Auch der Kühlkörper 10 wird
aus gut wärmeleitendem
Material hergestellt und mit einer entsprechenden Durchflussleitung 17 für ein Kühlfluid,
z.B. Treibstoff aus der Treibstoffleitung 3 versehen. Die Durchflussleitung 17 kann
beispielsweise in Form einer Kühlschlange 11 ausgebildet
werden.
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Das
Hochstrommodul 7 wird bevorzugt thermisch isoliert vom
Treibstofftank 5 angeordnet. Dies kann beispielsweise durch
geeignete Materialauswahl des kalten Abschnitts 4 der Treibstoffleitung 3 bewerkstelligt
werden, das insbesondere schlecht wärmeleitend sein sollte.
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Die
Ausführung
gemäß 3 zeigt einen Kühlkörper 10,
dessen Durchflussleitung 17 als Kühlschlange 11 ausgebildet
ist. Diese Ausführung
dient als reiner Durchflusskühler
und kann je nach Anwendungsfall als besonders einfache Ausführung der
Erfindung genügen,
um eine ausreichende Kühlung und
bereits eine effiziente Anwärmung
des Treibstoffs zu bewirken.
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Die
Ausführung
gemäß 4 ist darüber hinaus
mit einer elektronischen Regelung 18 und einem Temperatursensor 19 versehen.
Der Temperatursensor 19 ist auf der Seite des warmen Abschnitts 6 angeordnet
und ist demnach in der Lage, die Treibstofftemperatur zu erfassen,
mit der der Treibstoff den Kühlkörper 10 verlässt. Über die
Temperaturregelung 18 können
nunmehr die verschiedenen zur Verfügung stehenden Parameter gesteuert
werden, die die Kühlleistung
beeinflussen.
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In
einer besonderen Ausführungsform
kann die Verlustleistung innerhalb der Leistungselektronik variiert
werden, so dass die Heizwirkung des Hochstrommoduls 7 gesteuert
und somit für
einen geregelten Einsatz verwendbar ist. In bestimmten Anwendungen
kann auch eine Variation des Treibstoffdurchflusses oder anderer
Maßnahmen
zur Regelung der Treibstofftemperatur herangezogen werden.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 5 zeigt ebenfalls eine Ausführungsform
mit Temperaturregelung 18 und Temperatursensor 19.
In Abweichung zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist im Kühlkörper 10 vorliegend
jedoch eine Expansionskammer 20 vorgesehen. Die Treibstoffleitung 3 ist
in diesen Ausführungsformen
nicht nur nach der Temperatur, sondern auch nach dem Druck in zwei
Abschnitte geteilt. Vom nicht näher
dargestellten Treibstofftank kommt über die Hochdruckleitung 21,
die dementsprechend durch einen schmalen Querschnitt dargestellt
ist, unter hohem Druck stehender Treibstoff in den Kühlkörper 10.
Dort wird er über
ein Entspannungsventil 22 in die Expansionskammer 20 expandiert.
Im Anschluss daran folgt die Niederdruckleitung 22, die
dementsprechend mit größerem Querschnitt
dargestellt ist, zur Treibstoffversorgung der Brennstoffzelle 2.
Neben dem Temperatursensor 19 ist in dieser Ausführungsvariante
wenigstens ein Drucksensor 24 vorgesehen.
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Mit
der Ausführungsform
gemäß 5 ist eine Nutzung der Expansionskälte bei
der Entspannung des über
die Hochdruckleitung 21 zugeführten unter hohem Druck stehenden
Treibstoffs möglich. Über den
bzw. die Drucksensoren 24 und den Temperatursensor 19 ist
hierbei die Druckdifferenz, die durch die Entspannung eintritt sowie
die Ausgangstemperatur in der Niederdruckleitung 23 erfassbar. Die
Temperaturregelung 18 ist demnach auch hier in der Lage,
die Ausgangstemperatur in der Niederdruckleitung 23 durch Variation
entsprechender Stellgrößen zu regeln.
Insbesondere kommt in dieser Ausführungsform eine zusätzliche
Variante für
die Regelung in Betracht, indem das Entspannungsventil 22 steuerbar
ausgebildet wird.
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Die
dargestellten Ausführungsvarianten
dienen zur Veranschaulichung der Erfindung. Grundsätzlich sind
weitere Ausführungsformen,
z.B. bei Brennstoffzellenvorrichtungen mit Kraftstoffreformation
die Verwendung von Edukten wie Kohlenwasserstoffe, Wasser oder dergleichen
als Kühlfluid
im Rahmen der Erfindung denkbar. Wesentlich bei der Erfindung ist
der Umstand, dass die elektronische Schaltungsanordnung mit den
Leisutungs-Bauelementen aktiv über
einen Fluidkreislauf in einem entsprechenden Kühlelement 10 gekühlt wird.