DE102008029178A1 - Fuel cell system for use as mobile energy generator for driving vehicle, has counter-compensation mechanism supported at auxiliary component and/or fluid line on one side and at base on another side for counter-compensation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Haupt- und einer Nebenbaugruppe, welche auf einer Basis unabhängig voneinander gelagert sind, mit mindestens einer Fluidleitung, wobei die Hauptbaugruppe und die Nebenbaugruppe über die Fluidleitung mechanisch und/oder strömungstechnisch entlang einer Verbindungsrichtung verbunden sind, und mit mindestens einer längenveränderbaren Kompensationseinrichtung, welche zur Kompensation einer Längen- und/oder Lageänderung der Fluidleitung in einer Kompensationsrichtung ausgebildet ist.The The invention relates to a fuel cell system with a main and a subassembly which is independent on a base are stored from each other, with at least one fluid line, wherein the Main assembly and the subassembly via the fluid line mechanically and / or fluidically along a connection direction are connected, and with at least one variable length Compensation device, which is used to compensate for a length and / or position change of the fluid line in a compensation direction is trained.
Brennstoffzellensysteme sind mobile Energiegeneratoren, welche erlauben, aus einem Brennstoff, meist Wasserstoff, und einem Oxidanten, meist Sauerstoff oder Umgebungsluft, autark Energie zu generieren bzw. durch eine Umwandlung chemische Energie in elektrische Energie zu überführen.Fuel cell systems are mobile energy generators that allow, from a fuel, usually hydrogen, and an oxidant, usually oxygen or ambient air, self-sufficient to generate energy or by converting chemical energy to convert into electrical energy.
Im Alltagseinsatz treffen derartige Brennstoffzellensysteme auf stark unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, zum Beispiel müssen derartige Brennstoffzellensysteme sowohl im Sommer als auch im Winter einsatzbereit sein. Die wechselnden Umgebungsbedingungen führen zu unterschiedlichen Ausdehnungen oder Verspannungen zum Beispiel an den Anschlussleitungen der Brennstoffzellensysteme. Verstärkt oder ergänzt wird dieser Effekt durch die wechselnden Betriebstemperaturen des Brennstoffzellensystems, wobei die Prozessgase von der Umgebungstemperatur auf typischerweise 80°C aufgeheizt werden. Ferner können fertigungsbedingte Toleranzen auftreten, welche sich mit den im Betrieb entstehenden Toleranzen summieren.in the Everyday use meet such fuel cell systems on strong different environmental conditions, for example Such fuel cell systems both in summer and in winter be ready for use. The changing environmental conditions lead to different extents or tensions for example on the connection lines of the fuel cell systems. reinforced or added to this effect by the changing operating temperatures the fuel cell system, wherein the process gases from the ambient temperature be heated to typically 80 ° C. Furthermore, can production-related tolerances occur, which coincide with the im Summing up the resulting tolerances.
In
diesem Zusammenhang schlägt die Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem mit einer Kompensationseinrichtung vorzuschlagen, welche widerstandsfähig gegen Toleranzschwankungen und/oder thermische Dimensionsänderungen im Betrieb ist.Of the Invention is based on the object, a fuel cell system to propose with a compensation device, which is resistant against tolerance fluctuations and / or thermal dimensional changes in operation.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.These Task is by a fuel cell system with the features of claim 1. Preferred or advantageous embodiments The invention will become apparent from the dependent claims, the following description and the accompanying figures.
Im Rahmen der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein mobiles Brennstoffzellensystem, vorgeschlagen, welches in einer bevorzugten Ausführungsform für den Einbau in ein Fahrzeug ausgebildet und/oder geeignet ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem vorzugsweise dimensioniert, um das Fahrzeug mit Antriebsenergie zu versorgen.in the The scope of the invention is a fuel cell system, in particular a mobile fuel cell system, proposed in a preferred Embodiment for installation in a vehicle is designed and / or suitable. In this preferred embodiment the fuel cell system is preferably dimensioned to the Vehicle to supply with drive energy.
Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Haupt- und eine Nebengruppe, welche auf einer Basis unabhängig voneinander gelagert sind. Die Hauptbaugruppe bzw. die Nebenbaugruppe kann als ein beliebiges Modul des Brennstoffzellensystems ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Hauptbaugruppe als ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel und die Nebenbaugruppe als ein Anodenmodul ausgebildet, welches alle oder einen Teil der nachfolgenden Bestandteile aufweist: Rezirkulationsströmungsmaschine, Entfeuchtungsvorrichtung zur Entfeuchtung der insbesondere rezirkulierten Anodengase und/oder Ventilvorrichtung(en). Es ist auch im Rahmen der Erfindung, dass der Brennstoffzellenstapel als Nebenbaugruppe interpretiert wird und das Anodenmodul oder ein anderes Modul als Hauptbaugruppe eingesetzt wird.The Fuel cell system includes at least one main and one subgroup, which are stored independently on a base. The main assembly or subassembly may be any one Module of the fuel cell system to be formed. In a preferred embodiment of the invention is the main assembly as one or more fuel cell stacks and the subassembly is formed as an anode module, which all or part of the following components comprises: recirculation flow machine, Dehumidifying device for dehumidifying the particular recirculated Anode gases and / or valve device (s). It is also in the frame the invention that the fuel cell stack as a subassembly is interpreted and the anode module or another module as Main module is used.
Die Basis ist beispielsweise als eine Rahmenkonstruktion ausgebildet, kann jedoch auch als das Fahrzeug selbst realisiert sein. Die Lagerung der Hauptbaugruppe bzw. der Nebenbaugruppe erfolgt bevorzugt über schwingungsdämpfende Elemente, wie zum Beispiel Gummidämpfer oder dergleichen.The Base is designed for example as a frame construction, However, it can also be realized as the vehicle itself. Warehousing the main assembly or the subassembly is preferably via vibration damping elements, such as rubber dampers or similar.
Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Fluidleitung, welche zur Führung von Gasen und/oder Flüssigkeiten ausgebildet ist, wobei die Hauptbaugruppe und die Nebenbaugruppe über die Fluidleitung mechanisch und/oder strömungstechnisch entlang einer Verbindungsrichtung verbunden sind. Die Verbindungsrichtung gibt dabei die Längserstreckung der Fluidleitung im Verbindungsbereich an. Insbesondere werden in der Fluidleitung heiße Prozessgase, bevorzugt das zu dem Brennstoffzellenstapel zugeführte bzw. abgeführte Wasserstoffgas transportiert.The Fuel cell system comprises at least one fluid line, which designed for the management of gases and / or liquids is, with the main assembly and the subassembly on the Fluid line mechanically and / or flow along a connection direction are connected. The connection direction gives the longitudinal extent of the fluid line in the connection area at. In particular, in the fluid line hot process gases, preferably that supplied to the fuel cell stack or transported off hydrogen gas.
Zur Kompensation von Längen- und/oder Lagenänderungen der Fluidleitung weist die Fluidleitung mindestens eine längenveränderbare Kompensationseinrichtung auf, die ausgebildet und/oder angeordnet ist, in einer Kompensationsrichtung ihre Länge zu verändern. Nachdem in dem Brennstoffzellensystem Submodule, wie die Haupt- und Nebenbaugruppe, miteinander verschaltet werden, ist es empfehlenswert, dass die insbesondere starr ausgebildeten Fluidleitungen Entkopplungselemente in Form von Kompensationseinrichtungen aufweisen.To compensate for changes in length and / or position of the fluid line, the fluid line has at least one length-variable compensating device, which is designed and / or arranged to change its length in a compensation direction. After in the fuel cell system submodules, such as the main and secondary modules are interconnected, it is recommended that the particular rigidly formed fluid conduits decoupling elements in Have form of compensation devices.
Allerdings wurde bei der Erfindung die Gefahr erkannt, dass über diese Kompensationseinrichtungen und zugleich eine fertigungsbedingte und/oder betriebsbedingte ungenaue Anordnung mehrerer Fluidleitungen, auch bei Umlenkungen, zum Beispiel um 90° oder 180°, ungewollte Kräfte in die Submodule selbst oder in die Befestigungspunkte der Submodule an der Basis eingeleitet werden.Indeed In the invention, the danger was recognized that about this Compensation facilities and at the same time a production-related and / or operational inaccurate arrangement of multiple fluid lines, too at deflections, for example by 90 ° or 180 °, unwanted forces in the submodule itself or in the attachment points of the Submodules are initiated at the base.
Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, eine Gegenkompensationseinrichtung in das Brennstoffzellensystem einzubauen, welches sich einerseits an der Nebenbaugruppe und/oder an der Fluidleitung und andererseits an der Basis abstützt, und welche zur Gegenkompensation der Kompensationseinrichtung, insbesondere zur Erzeugung einer Gegenkraft zu der durch die Kompensationseinrichtung erzeugte Kraft, ausgebildet ist.According to the invention therefore, proposed a counterbalancing device in the fuel cell system installed, which on the one hand on the sub-assembly and / or supported on the fluid line and on the other hand at the base, and which for counter-compensation of the compensation device, in particular for generating a counterforce to that by the compensation device generated force is formed.
Der Erfindung liegt insbesondere die Überlegung zugrunde, dass durch Einbringen einer Gegenkompensationseinrichtung ein ungewolltes Verdrehen oder Verkippen, insbesondere der Nebenbaugruppe, verhindert oder zumindest vermindert werden kann.Of the Invention is based in particular on the consideration that by introducing a counter-compensation device an unwanted Twisting or tilting, especially the subassembly prevented or at least can be reduced.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Gegenkompensationseinrichtung längenveränderbar ausgebildet, und zwar in einer Gegenkompensationsrichtung, wobei die Gegenkompensationsrichtung parallel zu der Kompensationsrichtung ausgerichtet ist und/oder eine gemeinsame Gerade mit der Kompensationsrichtung bildet. In einer parallelen, aber versetzten Anordnung, ist eine deutliche Gegenkompensationswirkung erreichbar, es ist jedoch nicht auszuschließen, dass durch den Versatz Kippmomente entstehen, welche dann ignoriert oder wiederum anderweitig ausgeglichen werden sollten. Aus diesem Grund ist es besonders bevorzugt, die Gegenkompensationsrichtung und die Kompensationsrichtung auf eine gemeinsame Gerade zu legen.at a preferred embodiment of the invention is the Counter compensation device length-variable trained, in a Gegenkompensationsrichtung, wherein the counter-compensation direction parallel to the compensation direction is aligned and / or a common line with the compensation direction forms. In a parallel, but staggered arrangement, is a clear Countercompensation effect achievable, but it can not be ruled out that by the offset tilting moments arise, which then ignored or otherwise be compensated. For this Reason, it is particularly preferred, the counter-compensation direction and to place the compensation direction on a common line.
In einer möglichen Verdeutlichung der Erfindung wird gefordert, dass die Gegenkompensationseinrichtung einer Längenänderung der Kompensationseinrichtung entgegenwirkt. Die Gegenkompensationseinrichtung induziert dabei eine Gegenkraft zu der Längenveränderung der Kompensationseinrichtung.In a possible clarification of the invention is required that the counter-compensation device of a change in length the compensation device counteracts. The counterbalancing device induces a counterforce to the change in length the compensation device.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Gegenkompensationseinrichtung über ein schall- und/oder vibrationsentkoppelndes Element mit der Basis verbunden. Ziel der Aufhängung des Brennstoffzellensystems in dem Fahrzeug ist stets, dass insbesondere hochfrequente Vibrationen nicht in das Fahrzeug eingeleitet werden. Durch die Verwendung eines Schall- und/oder vibrationsentkoppelnden Elementes wird die zusätzlich durch die Gegenkompensationseinrichtung gebildete Schallbrücke wirkungsvoll isoliert.at a particularly preferred embodiment of the invention is the counter-compensation device over a sound- and / or vibration decoupling element connected to the base. aim the suspension of the fuel cell system in the vehicle is always that in particular high-frequency vibrations are not in the vehicle will be launched. By using a sound and / or Vibration decoupling element is the additional through the counter-compensation device formed sound bridge effectively isolated.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Kompensationsrichtung und die Verbindungsrichtung (und somit auch die Gegenkompensationsrichtung) parallel ausgerichtet und/oder liegen auf einer gemeinsamen Geraden. Dieser Ausführungsform liegt die Idee zugrunde, dass gerade in dem Verbindungsabschnitt in Verbindungsrichtung zwischen Hauptbaugruppe und Nebenbaugruppe die größten Längenänderungen auftreten und somit die größten Spannungen induziert werden.at a particularly preferred embodiment of the invention are compensation direction and the connection direction (and thus also the Gegenkompensationsrichtung) aligned in parallel and / or lie on a common line. This embodiment is based on the idea that just in the connecting section in the connection direction between the main assembly and the subassembly the biggest length changes occur and thus the greatest voltages are induced.
Bei einer Ergänzung oder weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensationsrichtung und die Verbindungsrichtung gewinkelt zueinander angeordnet sind. Dieses Anwendungsgebiet führt zu weniger starken Spannungsinduktionen im Bereich der Kompensationseinrichtung, kann jedoch ebenfalls vorteilhaft durch Gegenkompensationseinrichtungen ausgeglichen werden.at a supplement or further embodiment of the invention is provided that the compensation direction and the connection direction are arranged angled to each other. This application area leads to less strong Spannungsinduktionen in the area of the compensation device can but also advantageous by counter-compensation devices be compensated.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kompensationseinrichtung beidseitig mit jeweils einer der Gegenkompensationseinrichtungen gegenkompensiert wird. Für den Fall, dass die Kompensationsrichtung und die Verbindungsrichtung gewinkelt zueinander angeordnet sind, sind beide Gegenkompensationseinrichtungen in der Nebenbaugruppe angeordnet. Für den Fall, dass die Kompensationseinrichtung und die Verbindungsrichtung parallel zueinander ausgerichtet sind, ist es möglich, dass die eine Gegenkompensationseinrichtung in der Nebenbaugruppe angeordnet ist und die andere Gegenkompensationseinrichtung in einer weiteren Nebenbaugruppe angeordnet ist, sodass zwischen der Nebenbaugruppe und der weiteren Nebenbaugruppe die Hauptbaugruppe angeordnet ist.In Further development of the invention, it is proposed that the compensation device on both sides, each with one of the counter-compensation devices counter-compensated. In the event that the compensation direction and the connecting direction are arranged angled to one another, Both are counterbalancing devices in the subassembly arranged. In the event that the compensation device and the connecting direction are aligned parallel to each other is it is possible that the one counterbalancing device is arranged in the subassembly and the other counterbalancing device in another sub-assembly is arranged so that between the Secondary subassembly and the other subassembly the main assembly is arranged.
Eine Weiterbildung oder eine weitere Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8, welche sich optional nur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zurückbezieht und ebenfalls optional eine beliebige Auswahl der Merkmale der Unteransprüche 2 bis 7 bzw. der vorliegenden Beschreibung aufweisen kann. Das Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung in Verbindungsrichtung zwei Kompensationseinrichtungen, welche beabstandet zueinander angeordnet sind, aufweist. Durch eine Verteilung von mindestens zwei Kompensationseinrichtungen auf einem geraden Stück der Fluidleitung können die Kompensationseinrichtungen auch höher komplexe Verformungen kompensieren. So ist es beispielsweise möglich, dass diese Anordnung eine S-Form annehmen kann.A further development or a further invention relates to a fuel cell system with the features of claim 8, which optionally only refers back to the preamble of claim 1 and also optionally any selection of the features of the dependent claims 2 to 7 or the present description may have. The fuel cell system is characterized in that the fluid line in the connecting direction has two compensation devices, which are arranged at a distance from one another. By distributing at least two compensation devices on a straight piece of the fluid line, the compensation devices can also compensate for higher complex deformations. So it is possible, for example, that this arrangement a Can take S-shape.
Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass wenigstens eine der Kompensationseinrichtungen als oder mit einem Loslager ausgebildet ist, sodass sich diese frei oder nahezu frei beim Ausgleich bewegen kann. Mit einer derartigen Anordnung ist es möglich, Lageänderungen zwischen Hauptbaugruppe und Nebenbaugruppe hinsichtlich einer Abstandstoleranz in Verbindungsrichtung und einem Winkelversatz in einer zu der Verbindungsrichtung senkrecht angeordneten Ebene auszugleichen.Especially In this connection it is preferred that at least one of the Compensation facilities designed as or with a floating bearing is, so that they move freely or almost freely in compensation can. With such an arrangement, it is possible to change the position between main assembly and subassembly with respect to a clearance tolerance in the connection direction and an angular offset in one to the connection direction to balance vertically arranged plane.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die Gegenkompensationseinrichtung als passives und/oder elasto-, mechanisches, pneumatisches und/oder hydraulisches Bauteil ausgebildet, beispielsweise können Federelemente eingesetzt werden, welche ein passives Ausgleichsglied bilden. Die Federn der Federelemente können dabei sowohl als Luftfedern als auch als andere mit einem entsprechenden Medium gefüllte hydraulische Federn oder auch einfache mechanische Federn, wie z. B. Spiralfedern, Flachfedern oder dergleichen sein.at a possible embodiment of the invention is the counterbalancing device as passive and / or elasto-, formed mechanical, pneumatic and / or hydraulic component, For example, spring elements can be used, which form a passive compensation element. The springs of the spring elements can do so both as air springs and as others filled with a corresponding medium hydraulic springs or even simple mechanical springs, such. B. coil springs, flat springs or the like.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dagegen vorgesehen, dass mindestens eine der Gegenkompensationseinrichtungen als eine aktive Aktorik ausgebildet ist. Insbesondere ist die Gegenkompensationseinrichtung als eine mit Fremdkraft steuerbare und/oder betätigbare Aktorik realisiert.at a particularly preferred embodiment of the invention on the other hand, it is provided that at least one of the counter-compensation devices is designed as an active actuator. In particular, the counter-compensation device is as an externally controllable and / or actuatable actuators realized.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Gegenkompensationseinrichtung als ein Balg, insbesondere als Metallbalg, ausgebildet. Der Balg weist in einer möglichen Ausbildung als Faltenbalg eine Mehrzahl an Falten auf, welche sich – ähnlich wie ein Ziehharmonika – zusammenfalten können.In a particularly preferred embodiment of the invention is the Counter-compensating device as a bellows, in particular as a metal bellows formed. The bellows has in a possible training as a bellows a plurality of folds which are similar like an accordion - can fold.
Besonders bevorzugt wird der Balg mit dem Druck des Fluids in der Fluidleitung beaufschlagt, so dass der Systemdruck zur Ansteuerung des Balgs eingesetzt wird. Insbesondere werden die Fluidleitung und der Innenraum des Balgs strömungstechnisch miteinander verbunden, sodass hier selbsttätig ein Druckausgleich stattfindet. Bei dieser Ausführungsform werden die Gegenkompensationseinrichtungen selbsttätig durch die Druck- bzw. Temperaturunterschiede in der Fluidleitung mitgeführt, sodass ein gesteuertes, jedoch steuerungstechnisch simples System aufgebaut ist.Especially Preferably, the bellows with the pressure of the fluid in the fluid line acted upon, so that the system pressure used to control the bellows becomes. In particular, the fluid line and the interior of the Bellows fluidly interconnected, so here automatically a pressure equalization takes place. At this Embodiment become the counter-compensation devices automatically by the pressure or temperature differences entrained in the fluid line so that a controlled, However, control technology simpler system is constructed.
Um die durch die Kompensationseinrichtung erzeugte Kraft und durch die Gegenkompensationseinrichtung erzeugte Gegenkraft aufeinander abzustimmen, ist es besonders bevorzugt, wenn die wirksame Fläche von Kompensationseinrichtung und Gegenkompensationseinrichtung aufeinander abgestimmt oder derart gleich sind, sodass Kraft und Gegenkraft bei einem ausgeglichenen Druck gleich groß sind. Alternativ hierzu können die Bälge auch durch ein anderes Medium gesteuert werden. So ist es beispielsweise möglich, Bälge auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems mit Gas von der Kathodenseite zu steuern und umgekehrt.Around the force generated by the compensation means and by the counter-compensation device generated opposing force each other it is particularly preferred if the effective area of compensation device and counter-compensation device to each other tuned or are the same, so force and drag are equal in a balanced pressure. alternative For this, the bellows can also by another Medium controlled. For example, it is possible Bellows on the anode side of the fuel cell system with Control gas from the cathode side and vice versa.
Obwohl die Maßnahmen zur Gegenkompensation jeweils einzeln dargestellt wurden, ist es Rahmen der Erfindung, dass die Maßnahmen auch kombiniert eingesetzt werden. Insbesondere ist es möglich, dass jede Kompensationseinrichtung durch eine oder sogar zwei Gegenkompensationseinrichtungen gegenkompensiert wird.Even though the countermeasures are shown individually were, it is the scope of the invention that measures can also be used in combination. In particular, it is possible that each compensation device counter-compensates by one or even two counter-compensation devices becomes.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:Further Features, advantages and effects of the invention will be apparent from the following description of preferred embodiments the invention. Showing:
Einander entsprechende Teile oder Größen sind jeweils mit einander entsprechenden Bezugszeichen versehen.each other appropriate parts or sizes are each with provided corresponding reference numerals.
Die
Das
Brennstoffzellensystem
Die
drei Baugruppen
Die
Hauptbaugruppe
Nachdem
sich aufgrund von Fertigungstoleranzen, Umwelteinflüssen
oder thermischen Ausdehnungen die drei Baugruppen
Allerdings
führt eine Kompensation durch die Kompensationseinrichtungen
Bei
einer weiteren Ausführungsform gemäß der
Die
Gegenkompensationseinrichtungen
Die
Die
Die
Die
Für
die Kompensationseinrichtungen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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