DE102015016154A1 - fuel cell device - Google Patents

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Dietmar Mirsch
Viktoria Frick
Alfred Kolbe
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Cellcentric GmbH and Co KG
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Daimler AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend einen in einem Gehäuse (2) angeordneten Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen und einen Befeuchter (3) zur Kühlung und Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels. Erfindungsgemäß ist der Befeuchter (3) als ein Formteil (6) mit dem Gehäuse (2) gebildet.The invention relates to a fuel cell device (1) comprising a fuel cell stack arranged in a housing (2) with a plurality of fuel cells and a humidifier (3) for cooling and humidifying the fuel cell stack. According to the invention, the humidifier (3) is formed as a molded part (6) with the housing (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell device according to the preamble of claim 1.

Aus der US 8,415,060 B2 ist ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug bekannt. Dieses Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und einen Befeuchter. Der Befeuchter ist an ein Gehäuse des Brennstoffzellenstapels geschraubt.From the US 8,415,060 B2 For example, a fuel cell system for a vehicle is known. This fuel cell system includes a fuel cell stack and a humidifier. The humidifier is screwed to a housing of the fuel cell stack.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik eine Integration eines Kathodenwasserabscheiders in ein Gehäuse eines Befeuchters bekannt.Furthermore, an integration of a cathode water separator in a housing of a humidifier is known from the prior art.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved fuel cell device.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.The object is achieved with the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen und einen Befeuchter zur Kühlung und Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels. Erfindungsgemäß ist der Befeuchter als ein Formteil mit dem Gehäuse gebildet.A fuel cell device comprises a fuel cell stack arranged in a housing with a plurality of fuel cells and a humidifier for cooling and humidifying the fuel cell stack. According to the invention, the humidifier is formed as a molded part with the housing.

Die derart ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht aufgrund der direkten Anbindung des Befeuchters an das Gehäuse des Brennstoffzellenstapels einen kompakten Zusammenbau beider Komponenten, wodurch gegenüber dem Stand der Technik geringere Bauraumerfordernisse der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht sind. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Fahrzeug aufgrund des hier vorhandenen geringen Bauraums von großem Vorteil. Insbesondere ist eine Komplexität des Zusammenbaus der Brennstoffzellenvorrichtung reduziert, indem zusätzliche Gehäusebauteile des Befeuchters und zusätzliche Befestigungselemente, wie Schrauben, zur kraft- und/oder formschlüssigen Befestigung des Befeuchters vermieden werden. Dadurch können ein Montageaufwand und ein damit verbundener Kostenaufwand reduziert werden.The thus formed fuel cell device allows due to the direct connection of the humidifier to the housing of the fuel cell stack a compact assembly of the two components, which compared to the prior art lower installation space requirements of the fuel cell device are achieved. This is particularly advantageous when using the fuel cell device in a vehicle because of the small installation space available here. In particular, a complexity of the assembly of the fuel cell device is reduced by additional housing components of the humidifier and additional fasteners, such as screws, are avoided for positive and / or positive fastening of the humidifier. As a result, an assembly effort and an associated cost can be reduced.

Zudem können zumindest eine mechanische Stabilität und Festigkeit der Brennstoffzellenvorrichtung gegenüber mechanischen Belastungen mittels des kompakten Zusammenbaus erhöht werden. Insbesondere können Verbindungswege von Medienleitungen zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Befeuchter verkürzt werden.In addition, at least one mechanical stability and strength of the fuel cell device against mechanical stresses can be increased by means of the compact assembly. In particular, communication paths of media lines between the fuel cell stack and the humidifier can be shortened.

Des Weiteren ist aufgrund der Integration des Befeuchters in das Gehäuse eine Optimierung einer Toleranzkette des Aufbaus der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht.Furthermore, due to the integration of the humidifier in the housing optimization of a tolerance chain of the structure of the fuel cell device is made possible.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Stand der Technik und ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Formteils und 1 schematically a fuel cell device according to the prior art and an inventive embodiment of a molded part and

2 schematisch eine perspektivische Ansicht des Formteils gemäß 1. 2 schematically a perspective view of the molding according to 1 ,

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 nach dem Stand der Technik, insbesondere einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 für ein hier nicht näher dargestelltes Fahrzeug. Weiterhin ist ein mit gestrichelten Linien dargestelltes, nicht dem Stand der Technik entsprechendes Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenvorrichtung 1 in 1 gezeigt. 1 shows a fuel cell device 1 according to the prior art, in particular a fuel cell device 1 for a vehicle not shown here. Furthermore, an embodiment of the fuel cell device which is illustrated by dashed lines and does not correspond to the prior art is shown 1 in 1 shown.

Eine solche Brennstoffzellenvorrichtung 1 dient der Erzeugung elektrischer Energie im Fahrzeug, insbesondere zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs.Such a fuel cell device 1 is used to generate electrical energy in the vehicle, in particular for the power supply of an electric drive motor of the vehicle.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst einen nicht näher gezeigten Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, welcher in einem Gehäuse 2 angeordnet ist.The fuel cell device 1 comprises a fuel cell stack not shown in detail from a plurality of fuel cells, which in a housing 2 is arranged.

Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einen Befeuchter 3, auch als Luftaufbereitungseinheit (APU, kurz für: air processing unit) bezeichnet, welcher direkt an einem Gehäuseboden 2.1 des Gehäuses 2 angeordnet ist.Furthermore, the fuel cell device comprises 1 a humidifier 3 , also referred to as air treatment unit (APU), which directly on a housing bottom 2.1 of the housing 2 is arranged.

Weiterhin umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Medienverteilerplatte 4 zur gleichmäßigen Zuführung von Medien zum Brennstoffzellenstapel und/oder zur Abführung von Medien vom Brennstoffzellenstapel. Die Medienverteilerplatte 4 ist auch unter Media Distribution Plate (MDP) bekannt.Furthermore, the fuel cell device comprises 1 a media distribution board 4 for the uniform supply of media to the fuel cell stack and / or for the discharge of media from the fuel cell stack. The media distribution board 4 is also known as Media Distribution Plate (MDP).

Der Befeuchter 3 ist mittels Medienleitungen 5 zum Transport von Fluiden, wie zum Beispiel Kühlmittel, Wasserstoff und/oder Luft, mit der Medienverteilerplatte 4 verbunden.The humidifier 3 is via media lines 5 for transporting fluids, such as coolant, hydrogen and / or air, to the media distribution plate 4 connected.

Zur Luftzuführung und -abführung, zum Ablassen von Fremdgasen oder von Diffusiongasen aus der Brennstoffzellenvorrichtung 1 und/oder zum Ausblasen unerwünschter Wassermengen in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 weist der Befeuchter 3 Lüftungskanäle 3.1 auf. Zwischen diesen Lüftungskanälen 3.1 sind beispielsweise ein nicht näher dargestellter Kathodenwasserabscheider (CKO, kurz für: cathode-knock-out) und/oder nicht näher dargestellte Membranbefeuchter (G2G, kurz für: gas to gas humidifier) angeordnet. For air supply and removal, for discharging foreign gases or diffusion gases from the fuel cell device 1 and / or for blowing out unwanted amounts of water in the fuel cell device 1 points the humidifier 3 ventilation ducts 03.01 on. Between these ventilation channels 03.01 For example, a cathode water separator (CKO, short for: cathode-knock-out) and / or membrane humidifier (G2G, short for: gas to gas humidifier) not shown in detail are arranged.

Das mit gestrichelten Linien dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst den Befeuchter 3, welcher als ein Formteil 6 mit dem Gehäuse 2 des Brennstoffzellenstapels gebildet ist.The illustrated with dashed lines embodiment of the fuel cell device 1 includes the humidifier 3 , which as a molding 6 with the housing 2 the fuel cell stack is formed.

Das Formteil 6 ist als ein Doppelgehäuse ausgebildet, in welches der Befeuchter 3 integrierbar ist, so dass insbesondere ein Bauraum reduziert werden kann. Zum Beispiel ist das Formteil 6 mittels Urformverfahrens, insbesondere Gießens, Druckgusses und/oder eines weiteren Gussverfahrens, hergestellt. In einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 1 sind der Befeuchter 3 und das Gehäuse 2 stoffschlüssig miteinander verbunden. Insbesondere sind der Befeuchter 3 und das Gehäuse 2 mittels Schweißens, Lötens, Klebens und/oder eines weiteren geeigneten Stoffschlussverfahrens miteinander verbunden. Zudem kann das Formteil 6 nicht näher dargestellte Befestigungs- und/oder Verbindungselemente aufweisen, wie zum Beispiel Schraubdome und/oder Stutzen für Medienzuleitungen und Medienableitungen von Kühlmittel, Wasserstoff und/oder Luft.The molding 6 is designed as a double housing into which the humidifier 3 can be integrated, so that in particular a space can be reduced. For example, the molding is 6 by means of a primary molding process, in particular casting, die casting and / or a further casting process. In a further embodiment of the fuel cell device 1 are the humidifier 3 and the case 2 cohesively connected to each other. In particular, the humidifier 3 and the case 2 connected by means of welding, soldering, gluing and / or another suitable material-bonding process. In addition, the molded part 6 not shown fastening and / or connecting elements have, such as screw domes and / or nozzles for media supply lines and media discharges of coolant, hydrogen and / or air.

Wird das Formteil 6 mittels Urformverfahrens hergestellt, können die Befestigungs- und/oder Verbindungselemente einteilig mit dem Formteil 6 gebildet werden. Dies reduziert zumindest einen Montage- und einen damit verbundenen Kostenaufwand. Darüber hinaus können nach Herstellung des Formteils 6 nicht näher dargestellte Durchgangsöffnungen gebohrt, gefräst und/oder gestanzt werden. Die Durchgangsöffnungen können anschließend elektrisch isoliert und gegen Medien, insbesondere Umgebungsluft, Feuchtigkeit, Staubbildung und/oder Fluiden, abgedichtet werden.Will the molding 6 produced by primary molding process, the fastening and / or connecting elements can be integral with the molding 6 be formed. This reduces at least one assembly and associated costs. In addition, after preparation of the molding 6 not shown through holes drilled, milled and / or punched. The passage openings can then be electrically insulated and sealed against media, in particular ambient air, moisture, dust and / or fluids.

Mit Blick auf eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist das Formteil 6 aus Metall gebildet. Insbesondere ist Aluminium mittels Aluminium-Druckguss als Material für das Formteil 6 vorgesehen. Hierbei kann ein Gewicht des Formteils 6 und somit der Brennstoffzellenvorrichtung 1 reduziert werden.With regard to an electromagnetic compatibility (EMC) is the molded part 6 made of metal. In particular, aluminum is by means of die-cast aluminum as a material for the molding 6 intended. This can be a weight of the molding 6 and thus the fuel cell device 1 be reduced.

In vorteilhafter Weise können zumindest eine mechanische Stabilität und Festigkeit der Brennstoffzellenvorrichtung 1 gegenüber mechanischen Belastungen mittels des kompakten Zusammenbaus erhöht werden. Insbesondere können Verbindungswege von Medienleitungen 5 zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Befeuchter 3 verkürzt werden.Advantageously, at least one mechanical stability and strength of the fuel cell device 1 be increased against mechanical stress by means of the compact assembly. In particular, connection paths of media lines 5 between the fuel cell stack and the humidifier 3 be shortened.

2 zeigt das Formteil 6 der Brennstoffzellenvorrichtung 1, wobei das Formteil 6 das Gehäuse 2 des Brennstoffzellenstapels und ein Befeuchtergehäuse 3.2 des Befeuchters 3 umfasst. 2 shows the molding 6 the fuel cell device 1 , wherein the molding 6 the housing 2 the fuel cell stack and a humidifier housing 3.2 of the humidifier 3 includes.

Hierbei teilen sich das Gehäuse 2 und das Befeuchtergehäuse 3.2 eine gemeinsame Trennwand 6.1, wobei beispielsweise der Gehäuseboden 2.1 des Gehäuses 2 ein Teil, insbesondere eine Decke des Befeuchtergehäuses 3.2 bildet.Here, the housing share 2 and the humidifier housing 3.2 a common partition 6.1 wherein, for example, the housing bottom 2.1 of the housing 2 a part, in particular a cover of the humidifier housing 3.2 forms.

Des Weiteren weist das Formteil 6 beispielsweise eine nicht näher dargestellte Abdeckung zur Abdichtung des Brennstoffzellenstapels und des Befeuchters 3 im Bauraum auf. Die Abdeckung kann zur Bauraumoptimierung die Medienverteilerplatte 4 umfassen. Hierbei können Führungswege der Medienleitungen 5 zur Verbindung des Befeuchters 3 mit der Medienverteilerplatte 4 verkürzt werden.Furthermore, the molding has 6 For example, a cover not shown for sealing the fuel cell stack and the humidifier 3 in the installation space. The cover can for space optimization, the media distribution plate 4 include. Here are ways of the media lines 5 to connect the humidifier 3 with the media distribution plate 4 be shortened.

Die derart ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung 1 ermöglicht aufgrund der direkten Anbindung des Befeuchtergehäuses 3.2 an das Gehäuse 2 des Brennstoffzellenstapels einen kompakten Zusammenbau beider Komponenten, wodurch gegenüber dem Stand der Technik geringere Bauraumerfordernisse der Brennstoffzellenvorrichtung 1 erreicht sind. Insbesondere können herkömmlich benötigte Befestigungs-, Verbindungs- und Dichtungselemente reduziert oder gar vermieden werden. Der Befeuchter 3 ist mittels der Integration in das als Doppelgehäuse ausgebildete Gehäuse 2 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit geringem Montageaufwand anordbar.The thus formed fuel cell device 1 allows due to the direct connection of the humidifier housing 3.2 to the housing 2 of the fuel cell stack a compact assembly of both components, which compared to the prior art lower installation space requirements of the fuel cell device 1 are reached. In particular, conventionally required fastening, connection and sealing elements can be reduced or even avoided. The humidifier 3 is by means of integration in the housing designed as a double housing 2 the fuel cell device 1 can be arranged with little installation effort.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Gehäusecasing
2.12.1
Gehäusebodencaseback
33
Befeuchterhumidifier
3.13.1
Lüftungskanalventilation duct
3.23.2
Befeuchtergehäusehumidifier
44
MedienverteilerplatteMedia distributor plate
55
Medienleitungmedia line
66
Formteilmolding
6.16.1
Trennwandpartition wall

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 8415060 B2 [0002] US 8415060 B2 [0002]

Claims (5)

Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend – einen in einem Gehäuse (2) angeordneten Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen und – einen Befeuchter (3) zur Kühlung und Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (3) als ein Formteil (6) mit dem Gehäuse (2) gebildet ist.Fuel cell device ( 1 ), comprising - one in a housing ( 2 ) arranged fuel cell stack with a plurality of fuel cells and - a humidifier ( 3 ) for cooling and humidifying the fuel cell stack, characterized in that the humidifier ( 3 ) as a molded part ( 6 ) with the housing ( 2 ) is formed. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (6) mittels Urformverfahrens hergestellt ist.Fuel cell device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the molded part ( 6 ) is produced by primary molding process. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (3) und das Gehäuse (2) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.Fuel cell device ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the humidifier ( 3 ) and the housing ( 2 ) are cohesively connected to each other. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil (6) aus Metall gebildet ist.Fuel cell device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the molded part ( 6 ) is formed of metal. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Medienverteilerplatte (4) in einer Abdeckung des Formteils (6) angeordnet ist.Fuel cell device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a media distribution plate ( 4 ) in a cover of the molded part ( 6 ) is arranged.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8415060B2 (en) 2005-09-21 2013-04-09 Honda Motor Co., Ltd. In-vehicle fuel cell system

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US8415060B2 (en) 2005-09-21 2013-04-09 Honda Motor Co., Ltd. In-vehicle fuel cell system

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