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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie beispielsweise in der Patenanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen
DE 10 2014 017 953.2 beschrieben, eine Brennstoffzellenvorrichtung bekannt, bei der eine Energieverteilereinheit an einer äußeren Seitenwand des Gehäuses angeordnet ist. Die Energieverteilereinheit ist dabei elektrisch leitend mit einem Brennstoffzellenstapel verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst mindestens einen in einem Brennstoffzellengehäuse angeordneten Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen und wenigstens eine Energieverteilereinheit, die in einem Schutzgehäuse aufgenommen und an einer äußeren Seitenwand des Brennstoffzellengehäuses angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest zwei elektrische Verbindungselemente zur elektrisch leitenden Verbindung zwischen der wenigstens einen Energieverteilereinheit und des mindestens einen Brennstoffzellenstapels, wobei die elektrischen Verbindungselemente jeweils durch eine im Brennstoffzellengehäuse eingebrachte Durchgangsöffnung geführt sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrischen Verbindungselemente jeweils als eine Metallhülse ausgebildet sind, die mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen ist, wobei die elektrischen Verbindungselemente jeweils zusätzlich durch eine korrespondierende Durchgangsöffnung im Schutzgehäuse geführt sind.
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Mittels der als Metallhülsen ausgebildeten elektrischen Verbindungselemente kann ein Strom vom Brennstoffzellenstapel zur Energieverteilereinheit geleitet werden, wobei auf konventionelle Stecker verzichtet werden kann und somit eine kompakte Anordnung der Brennstoffzellenvorrichtung möglich ist. Damit ist ein Bauraumbedarf der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere der elektrischen Verbindungselemente, gegenüber dem Stand der Technik verringert. Die hülsenartige Ausgestaltung der Verbindungselemente erlaubt zudem die Aufnahme von Befestigungselementen, z. B. Schrauben, so dass eine einfache Kontaktierung und mechanische Befestigung der Energieverteilereinheit möglich ist. Die elektrisch isolierende Beschichtung isoliert die elektrischen Verbindungselemente dabei gegenüber den Gehäusen und somit einer äußeren Umgebung der elektrischen Verbindungselemente. Damit ist ein Kurzschlussrisiko vorteilhaft verringert.
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Des Weiteren ist vorteilhaft, dass der mindestens eine Brennstoffzellenstapel und die wenigstens eine Energieverteilereinheit über zwei Gehäusewände, nämlich einer Gehäusewand des Brennstoffzellengehäuses und einer Gehäusewand des Schutzgehäuses, miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht eine stabile mechanische Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Energieverteilereinheit sowie eine ausreichend große Oberfläche zur Wärmeableitung im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung. Zudem ist ein geschlossenes Schutzgehäuse beim Transport der Energieverteilereinheit vorteilhaft, da so empfindliche elektronische und mechanische Komponenten vor der Montage geschützt sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Draufsicht auf eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Energieverteilereinheit und einem Brennstoffzellenstapel und
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2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Energieverteilereinheit.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung B in Draufsicht mit einem Brennstoffzellenstapel 1 und einer Energieverteilereinheit 2. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Brennstoffzellenvorrichtung B in einem Längsschnitt. Die Brennstoffzellenvorrichtung B ist beispielsweise für ein hier nicht dargestelltes Fahrzeug zur Bereitstellung elektrischer Energie für eine Antriebseinheit des Fahrzeugs vorgesehen.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung B den Brennstoffzellenstapel 1, welcher in einem Brennstoffzellengehäuse 1.1 angeordnet ist, und die Energieverteilereinheit 2, die in einem Schutzgehäuse 2.1 angeordnet ist.
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Der Brennstoffzellenstapel 1 ist hierbei nur ausschnittsweise dargestellt und umfasst eine Mehrzahl von nicht näher dargestellten Brennstoffzellen zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie, die über die Energieverteilereinheit 2 an mindestens einen Verbraucher (nicht dargestellt), z. B. die Antriebseinheit des Fahrzeugs, verteilt wird. Dazu ist die Energieverteilereinheit 2 elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbindbar.
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Die Energieverteilereinheit 2, auch als Power Distribution Unit (kurz: PDU) bezeichnet, weist eine bestimmte Anzahl nicht dargestellter mechanischer und elektronischer Komponenten auf, die im Schutzgehäuse 2.1 angeordnet sind. Das Schutzgehäuse 2.1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel geöffnet dargestellt. Beispielsweise weist die Energieverteilereinheit 2 als Relais ausgebildete Schalteinheiten, Spannungsermittlungseinheiten, eine Stromstärkeermittlungseinheit, einen pyrotechnischen Schließer, auch als pyroswitch oder Pyrotechnical Closing Device (PCD) bezeichnet, und/oder einen Lastwiderstand auf, mittels welchem vor einem Schließen der Schalteinheiten eine Leerlaufspannung der Brennstoffzellenstapel 1 absenkbar ist.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Energieverteilereinheit 2 mit dem Schutzgehäuse 2.1 an einer äußeren Seitenwand des Brennstoffzellengehäuses 1.1 angeordnet und elektrisch leitend mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist zur elektrischen Verbindung mit der Energieverteilereinheit 2 zwei Ableiterkontakte 1.2 auf, die jeweils über ein elektrisches Verbindungselement 2.3 mit einem Anschlusskontakt 2.2 der Energieverteilereinheit 2 elektrisch leitend verbunden sind. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sowohl die Ableiterkontakte 1.2 als auch die Anschlusskontakte 2.2 jeweils mittels einer Stromschiene 1.3, 2.4 elektrisch leitend mit den elektrischen Verbindungselementen 2.3 verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Ableiterkontakte 1.2 in Form von Schrauben ausgebildet und mit derjeweiligen Stromschiene 1.3 verschraubt. Zusätzlich können die Ableiterkontakte 1.2 mit den Stromschienen 1.3 verschweißt sein.
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Die elektrischen Verbindungselemente 2.3 umfassen jeweils eine Metallhülse 2.3.1, die außenseitig mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 2.3.2 versehen ist. Beispielsweise sind die Metallhülsen 2.3.1 aus Kupfer gebildet und weisen als elektrisch isolierende Beschichtung 2.3.2 eine Kunststoffschicht auf, die auf einen äußeren Umfang der Metallhülse 2.3.1 aufgespritzt, aufgeschoben oder anderweitig aufgebracht ist.
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Im montierten Zustand der Brennstoffzellenvorrichtung B sind die elektrischen Verbindungselemente 2.3 durch jeweils eine Durchführungsöffnung (nicht separat dargestellt) im Brennstoffzellengehäuse 1.1 und im Schutzgehäuse 2.1 geführt. Ein jeweiliger Durchmesser der Durchgangsöffnungen korrespondiert vorzugsweise mit einem äußeren Durchmesser der elektrischen Verbindungselemente 2.3, so dass die Durchgangsöffnungen bei Aufnahme der elektrischen Verbindungselemente 2.3 abgedichtet sind. Zusätzlich können auch separate Dichtelemente, z. B. Dichtringe, vorgesehen sein, die die Durchgangsöffnungen zusätzlich abdichten. Diese Abdichtung ist zumindest flüssigkeitsdicht ausgebildet oder sie ist fluiddicht ausgebildet, d. h. auch gasdicht, so dass auch nicht isolierte Hochvolt-Komponenten innerhalb der Energieverteilereinheit 2 geschützt sind.
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Zur kraftschlüssigen Kontaktierung der Stromschienen 1.3 des Brennstoffzellenstapels 1 mit jeweils einer der Stromschienen 2.4 der Energieverteilereinheit 2 ist in den Metallhülsen 2.3.1 jeweils ein Befestigungselement 2.5 angeordnet, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Schraube dargestellt ist.
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Zur mechanischen Fixierung der Energieverteilereinheit 2 wird diese über geeignete Stellen, die sich außen an ihrem Schutzgehäuses 2.1 befinden, am Brennstoffzellengehäuse 1.1 befestigt. Bevorzugt wird das Schutzgehäuse 2.1 an dem Brennstoffzellengehäuse angeschraubt. Hierzu können am Schutzgehäuse 2.1 Befestigungslaschen vorgesehen sein und am Brennstoffzellengehäuse 1.1 damit zusammenwirkende Gewindedome (nicht dargestellt).
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Die elektrischen Verbindungselemente 2.3 können vor der Montage beispielsweise fest mit den Stromschienen 2.4 in der Energieverteilereinheit 2 verbunden sein. Z. B. können die elektrischen Verbindungselemente 2.3 mit den Stromschienen 2.4 verschweißt sein. Alternativ dazu können die Stromschienen 1.3, 2.4 und die Verbindungselemente 2.3 vor der Montage zunächst nicht miteinander verbunden sein. Sie werden dann erst später bei der Montage durch die o. g. Schrauben miteinander verbunden. Bei der Montage wird die Energieverteilereinheit 2 mittels einer hier nicht dargestellten Positioniervorrichtung am Brennstoffzellengehäuse 1.1 angeordnet, insbesondere aufgesteckt, wobei die Metallhülsen 2.3.1 durch die Durchgangsöffnungen im Brennstoffzellengehäuse 1.1 geführt werden.
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Die elektrischen Verbindungselemente 2.3 ragen somit in das Brennstoffzellengehäuse 1.1 hinein, und zwar derart, dass jeweils ein dem Brennstoffzellenstapel 1 zugewandtes stirnseitiges Ende der Metallhülsen 2.3.1 fluchtend zu einer an den Stromschienen 1.3 angeordneten Schraubenmutter 1.3.1 angeordnet ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Schraubenmuttern 1.3.1 jeweils an einer dem Brennstoffzellenstapel 1 zugewandten Seite der Stromschiene 1.3 angeordnet, z. B. angeschweißt, wobei die Stromschienen 1.3 jeweils im Bereich der Schraubenmutter 1.3.1 eine Aussparung aufweisen, die einen zum Innendurchmesser der Metallhülsen 2.3.1 äquivalenten Durchmesser aufweisen. Das stirnseitige Ende der Metallhülsen 2.3.1 liegt somit jeweils auf der entsprechenden Stromschiene 1.3 auf und bildet gemeinsame mit der Aussparung in der Stromschiene 1.3 einen Aufnahmebereich für das Befestigungselement 2.5.
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Die als Schrauben ausgebildeten Befestigungselemente 2.5 können nach Einführen in die Metallhülsen 2.3.1 mit den Schraubenmuttern 1.3.1 verschraubt werden. Durch Festziehen der Befestigungselemente 2.5 wird die Energieverteilereinheit 2 kraftschlüssig am Brennstoffzellengehäuse 1.1 befestigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 1.1
- Brennstoffzellengehäuse
- 1.2
- Ableiterkontakt
- 1.3
- Stromschiene
- 1.3.1
- Schraubenmutter
- 2
- Energierverteilereinheit
- 2.1
- Schutzgehäuse
- 2.2
- Anschlusskontakt
- 2.3
- elektrisches Verbindungselement
- 2.3.1
- Metallhülse
- 2.3.2
- elektrisch isolierende Beschichtung
- 2.4
- Stromschiene
- 2.5
- Befestigungselement
- B
- Brennstoffzellenvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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