WO2021151863A1

WO2021151863A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: WO2021151863A1
Application number: PCT/EP2021/051688
Authority: WO
Inventors: Markus Reinoehl; Gregory Rewers; Friedrich Howey; Rolf-Peter Essling
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2021-08-05
Also published as: JP7469483B2; JP2023511575A; DE102020201195A1; CN115023835A; US20230046641A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (100) mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (101), mit einem Luftpfad (10), wobei über den Luftpfad (10) Luft aus der Umgebung zum Brennstoffzellenstack (101) gelangt, mit einem Abgaspfad (12), mit einer Brennstoffleitung (20), wobei über die Brennstoffleitung (20) Brennstoff zum Brennstoffzellenstack (101) transportiert wird. Der Luftpfad (10) ist über eine Zweigstelle (33) mit einer Kühlleitung (30) verbunden, wobei die Kühlleitung (30) mit einer PDU-Einheit (32) verbunden ist.

Description

Beschreibung

Titel

Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstack zusammengebaut. Die Brennstoffzellenstacks brauchen Sauerstoff, zumeist gewonnen aus der einfachen Luft aus der Umgebung, und Brennstoff, zumeist Wasserstoff, für die chemische Reaktion.

In Brennstoffzellensystemen werden die Spannungsabgriffe am Brennstoffzellenstack über eine Power-Distribution-Einheit (PDU-Einheit) realisiert und weiterverarbeitet. Die Aufgaben einer PDU-Einheit sind typischerweise: Absicherung von Spannung, Strommessung, Trennung der Stackspannung vom System bei einem Unfall, Verbinden der Stackspannung zum DC/DC-Wandler, dann zur Batterie.

Die Bauteile und Komponenten, innerhalb der PDU-Einheit sind einer großen Wärmeentwicklung aufgrund von elektrischen Verlusten und Widerständen ausgesetzt. Aus diesem Grund muss die PDU-Einheit gekühlt werden. Als Kühlmöglichkeit ist ein eigener Lüfter innerhalb des Gehäuses der PDU-Einheit und/oder eine Wasserkühlung bekannt. Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches hat den Vorteil, dass Luft zur Kühlung der PDU- Einheit aus dem Luftpfad (Kathodenpfad) entnommen wird. Auf diese Weise können Kosten gespart werden, da kein eigener Kühler installiert werden muss, welcher die erforderliche Sicherheit in der Motorraumumgebung bietet und der saubere Luft in das Gehäuse der PDU-Einheit bläst.

Gegenüber der Wasserkühlung können die Bauteile der PDU-Einheit direkt gekühlt werden, während bei der Wasserkühlung die Komponenten nur indirekt durch Luftströmungen, welche innerhalb des Gehäuses aufgrund von Temperaturgradienten entstehen, gekühlt werden. Eine Heat Pipe und ein Peltierelement, welches zur Kühlung der PDU-Einheit eingesetzt wird, erzeugt im Vergleich zu einer direkten Luftkühlung nur eine geringe Kühlwirkung.

Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, kann eine effektive Kühlung der PDU-Einheit sichergestellt werden. Die Komponenten der PDU- Einheit haben elektrische Verluste, die in Wärme umgewandelt werden, so dass die Innentemperatur der PDU-Einheit ohne effektive Kühlung immer weiter steigt und die Komponenten überhitzen und im schlimmsten Fall ausfallen.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.

Eine Anordnung der Zweigstelle zwischen einem Kompressor, welcher die Luft im Luftpfad komprimiert, und dem Brennstoffzellenstack, ist von Vorteil, da auf diese Weise ein hohes Druckgefälle zwischen der Zweigstelle und der Umgebung hergestellt werden kann, so dass bei Bedarf ein ausreichend großer Luftmassenstrom zur Kühlung über die Kühlleitung zur PDU-Einheit strömen kann.

Ein Wärmetauscher, welcher zwischen dem Kompressor und der Zweigstelle angeordnet ist, ist von Vorteil, da auf diese Weise die Temperatur der Luft, welche zur PDU-Einheit strömt, weiter reduziert werden kann. Ein besonderer Vorteil wird durch einen Filter erzielt, welcher in dem Luftpfad zwischen einem Eingang und der Zweigstelle angeordnet ist, da auf diese Weise die Luft, die zur PDU-Einheit strömt, bereits von Staub und Kleinstpartikeln gereinigt ist. Für die elektronischen Komponenten innerhalb der PDU-Einheit stellt eine reine Luft ein wichtiges Grunderfordernis dar.

Es ist von Vorteil, wenn in der Kühlleitung eine verstellbare Drossel angeordnet ist, da auf diese Weise die Menge an Luft, die zur PDU-Einheit strömt, variabel verändert werden kann. Bei einer hohen thermischen Belastung der Komponenten der PDU-Einheit kann über die verstellbare Drossel eine große Menge an Luft zur PDU-Einheit strömen. Die verstellbare Drossel kann bei einer kleinen thermischen Belastung ihren Querschnitt reduzieren, so dass weniger Luft zur PDU-Einheit strömt.

Wenn die Luft in der Kühlleitung noch eine zu hohe Temperatur aufweist, um eine effektive Kühlung sicherzustellen, kann ein Kühler in der Kühlleitung die Temperatur weiter reduzieren, so dass eine höhere Kühleffizienz bei der gleichen Menge an Luft erzielt wird.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Kühler zwischen der verstellbaren Drossel und der PDU-Einheit angeordnet ist, da auf diese Weise nur die Luft, die zur PDU-Einheit strömt abgekühlt wird.

Bei einem Stillstand des Brennstoffzellensystem könnte Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstack in den Luftpfad entweichen. Um das Eindringen von Wasserstoff in die PDU-Einheit zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn ein Rückschlagventil in der Kühlleitung angeordnet ist. Durch das Rückschlagventil wird der Gasaustausch zwischen Brennstoffzellenstack und PDU-Einheit bei einem Stillstand des Brennstoffzellensystems verhindert, da im Stillstand die Schließkraft des Rückschlagventils nicht durch den Luftdruck an der Zweigstelle überwunden werden kann. Dies ist von hoher Bedeutung, da in der PDU-Einheit Zündquellen vorhanden sein können, welche zu einer Entzündung eines Gemisches aus Wasserstoff und Luft führen könnten. Es ist von Vorteil, wenn die PDU-Einheit ein Druckausgleichselement oder ein Rückschlagventil aufweist, über welches die Luft in die Umgebung entweichen kann. Hierbei kann das Druckausgleichselement so ausgebildet sein, dass es für Gase durchlässig ist, aber den Eintrag von Partikeln und Feuchtigkeit in die PDU- Einheit verhindert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert.

In der Figur ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 weist einen Luftpfad 10, einen Abgaspfad 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW’s, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.

Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um den Brennstoffzellenstack 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 kann ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet sein, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Wärmetauscher 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 auf eine niedrigere Temperatur abkühlt.

Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise Befeuchter und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.

Der Luftpfad 10 ist über eine Zweigstelle 33 mit einer Kühlleitung 30 verbunden. Über die Kühlleitung 30, kann Luft aus dem Luftpfad 10 in eine PDU-Einheit 32 bzw. in das Gehäuse 31 einer PDU-Einheit 32 gelangen. Eine PDU-Einheit 32 ist eine Power-Distribution-Einheit 32, welche einen Spannungsabgriff am Brennstoffzellenstack 101 vornimmt und diese Spannungsabgriffe weiterverarbeitet und verschaltet.

Die Aufgaben einer Power-Distribution-Einheit (PDU-Einheit) 32 sind unter anderem: Absicherung von Spannung, Strommessung, Trennung von Stackspannung vom System bei einem detektierten Unfall, Verbinden von Stackspannung zum DC/DC-Wandler und/oder zur Batterie.

Mit Hilfe der Luft aus dem Luftpfad 10, welche über die Kühlleitung 30 in das Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 gelangt, können die Bauelemente im Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 gekühlt werden.

Die Zweigstelle 33 ist bevorzugt zwischen dem Kompressor 11, welcher die Luft im Luftpfad 10 komprimiert, und dem Brennstoffzellenstack 101 angeordnet Um der Kühlleitung 30 ausreichend kalte Luft zu Verfügung zu stellen kann zwischen dem Kompressor 11 und der Zweigstelle 33 der Wärmetauscher 15 angeordnet sein.

In dem Luftpfad 10 kann zwischen dem Eingang 16 und der Zweigstelle 33 mindestens ein Filter 13 angeordnet sein, welcher Partikel und Fremdkörper aus der Luft filtert. Auf diese Weise ist die Luft, welche zur PDU-Einheit 32 strömt bereits von unerwünschten Partikeln und Fremdkörpern gereinigt.

Um die Luft, welche aus dem Luftpfad 10 in die Kühlleitung 30 gelangt bedarfsgerecht zu steuern, kann in der Kühlleitung 30 eine verstellbare Drossel 34 angeordnet sein.

Falls die Luft, welche aus dem Luftpfad 10 in die Kühlleitung 30 strömt, nicht die gewünschte Temperatur aufweist, kann in der Kühlleitung 30 ein Kühler 35 angeordnet sein, welcher die Luft in der Kühlleitung 30 weiter abkühlt. In einer Ausführungsform kann der Kühler 35 zwischen der verstellbaren Drossel 34 und der PDU-Einheit 32 angeordnet sein. Des Weiteren kann ein Gas- Rückschlagventil 37 in der Kühlleitung 30 angeordnet sein, welches bei einem Stillstand des Brennstoffzellensystems 100 verhindert, dass Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstack 101 in die Kühlleitung 30 diffundiert.

Die Luft, welche durch die Kühlleitung 30 in das Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 gelangt ist, kann durch mindestens ein Druckausgleichselement 38, welches im Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 angeordnet ist, wieder in die Umgebung abgeführt werden. Das Druckausgleichselement 38 ist in einer Ausführungsform für Gase durchlässig, verhindert aber den Eintrag von Partikeln und Feuchtigkeit in die PDU-Einheit.

In einer alternativen Ausführungsform ist ein weiteres Rückschlagventil 38 im Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 angeordnet, über welches die Luft, welche durch die Kühlleitung 30 in das Gehäuse 31 der PDU-Einheit 32 gelangt ist, in die Umgebung entweichen kann.

Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Abgaspfad 12 auf, in welchem Wasser, sowie weitere Bestandteile der Luft aus dem Luftpfad 10 nach dem Durchgang durch den Brennstoffzellenstack 101 über einen Auslass 18 in die Umgebung transportiert werden.

Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Der Kühlkreislauf ist in der Figur nicht eingezeichnet, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist.

Die Brennstoffleitung 20 weist einen Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22 auf. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen. Des Weiteren kann eine Zirkulationsleitung vorgesehen sein, welche nicht in der Figur gezeigt ist, da sie nicht Bestandteil der Erfindung ist.

Claims

Ansprüche

1. Brennstoffzellensystem (100) mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (101), mit einem Luftpfad (10), wobei über den Luftpfad (10) Luft aus der Umgebung zum Brennstoffzellenstack (101) gelangt, mit einem Abgaspfad (12), mit einer Brennstoff leitu ng (20), wobei über die Brennstoffleitung (20) Brennstoff zum Brennstoffzellenstack (101) transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftpfad (10) über eine Zweigstelle (33) mit einer Kühlleitung (30) verbunden ist, wobei die Kühlleitung (30) mit einer PDU- Einheit (32) verbunden ist.

2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigstelle (33) zwischen einem Kompressor (11), welcher die Luft im Luftpfad (10) komprimiert, und dem Brennstoffzellenstack (101) angeordnet ist.

3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kompressor (11) und der Zweigstelle (33) ein Wärmetauscher (15) angeordnet ist.

4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftpfad (10) zwischen einem Eingang (16) und der Zweigstelle (33) mindestens ein Filter angeordnet ist.

5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlleitung (30) eine verstellbare Drossel (34) angeordnet ist.

6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühler (35) in der Kühlleitung (30) angeordnet ist.

7. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (35) zwischen der verstellbaren Drossel (34) und der PDU- Einheit (32) angeordnet ist.

8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gas- Rückschlagventil (37) in der Kühlleitung (30) angeordnet ist.

9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PDU-Einheit (32) ein Druckausgleichselement (38) oder ein Rückschlagventil (38) aufweist, über welches die Luft in die Umgebung entweichen kann.

10. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckausgleichselement (38) für Gase durchlässig ist, aber den Eintrag von Partikeln und Feuchtigkeit in die PDU-Einheit (32) verhindert.