DE102016007001A1

DE102016007001A1 - Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug, Fahrzeug und Verfahren zum Bereitstellen einer Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102016007001A1
Application number: DE102016007001.3A
Authority: DE
Inventors: Georg Frank; Stefan Hoffmann; Christian Mohrdieck; Juergen Schenk
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (28) für ein Fahrzeug mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellensystemen (10, 24), bei welcher wenigstens ein erstes Brennstoffzellensystem (10) mit wenigstens einem zweiten Brennstoffzellensystem (24) mittels wenigstens eines Verbindungselements (30) gekoppelt ist, über welches zumindest das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem (24) mit wenigstens einem Betriebsmedium beaufschlagbar ist. Das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem (24) ist relativ zu dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellensystem (10) wahlweise an einem ersten Ort oder an einem zweiten Ort in dem Fahrzeug anordenbar. Das wenigstens eine Verbindungselement (30) ist an das Anordnen des wenigstens einen zweiten Brennstoffzellensystems (24) an dem ersten Ort oder an dem zweiten Ort angepasst. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenanordnung (28) und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Brennstoffzellenanordnung (28).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellensystemen. Wenigstens ein erstes Brennstoffzellensystem ist mit wenigstens einem zweiten Brennstoffzellensystem mittels wenigstens eines Verbindungselements gekoppelt. Über das wenigstens eine Verbindungselement ist das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem mit einem Betriebsmedium beaufschlagbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Brennstoffzellenanordnung.
Die DE 10 2014 017 300 A1 beschreibt einen Kraftwagen mit einer zur Halterung für zwei Brennstoffzelleneinheiten ausgebildeten Tragstruktur. Die Tragstruktur kann an einer Rohbaustruktur des Kraftwagens festgelegt werden, und sie umfasst ein jeweiliges Tragstrukturelement für die zugehörige Brennstoffzelleneinheit. Über eine gemeinsame Schnittstelle, welche eine Abluftleitung, eine Stromleitung, eine Steuerungsleitung und eine Kraftstoffversorgungsleitung umfasst, sind die beiden Brennstoffzelleneinheiten miteinander verbunden. Hierbei kann ein Schnellanschlusselement vorgesehen sein, welches einen schnellen Einbau und Ausbau der weiteren Brennstoffzelleneinheit und somit eine modulare Erweiterung einer Brennstoffzelleneinrichtung des Kraftfahrzeugs ermöglicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine besonders große Flexibilität mit sich bringt sowie ein entsprechendes Fahrzeug zu schaffen und ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung, welche insbesondere für ein Fahrzeug wie etwa einen Kraftwagen vorgesehen sein kann, umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellensystemen. Ein erstes Brennstoffzellensystem ist mit wenigstens einem zweiten Brennstoffzellensystem mittels wenigstens eines Verbindungselements gekoppelt. Über das Verbindungselement kann zumindest das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Betriebsmedium beaufschlagt werden. Das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem kann relativ zu dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellensystem wahlweise an einem ersten Ort oder an einem zweiten Ort in dem Fahrzeug angeordnet werden. Hierbei ist das wenigstens eine Verbindungselement an das Anordnen des wenigstens einen zweiten Brennstoffzellensystems an dem ersten Ort oder an dem zweiten Ort angepasst. Die Brennstoffzellensysteme können also relativ zueinander flexibel räumlich angeordnet werden und zwar innerhalb des zur Verfügung stehenden Bauraums. Durch eine entsprechende Ausbildung des wenigstens einen Verbindungselements ist dann eine entsprechende Kaskadierung der Brennstoffzellensysteme möglich. Es wird also bevorzugt das jeweilige Brennstoffzellensystem an dem gewünschten Ort platziert und daraufhin, insbesondere aus einer Mehrzahl von zur Verfügung stehenden Verbindungselementen dasjenige ausgewählt, welches zum Verbinden der Brennstoffzellensysteme miteinander geeignet ist.
Die Brennstoffzellenanordnung bringt also eine besonders große Flexibilität mit sich. Beispielsweise kann in einem Personenkraftwagen ein erstes, insbesondere standardisiertes, Brennstoffzellensystem im Vorderwagen montiert sein, ein weiteres Brennstoffzellensystem in einer Tür des Kraftwagens und noch ein weiteres Brennstoffzellensystem im Unterflurbereich. Insbesondere können solche standardisierten Brennstoffzellensysteme jedoch in der Nähe von elektrischen Verbrauchern angeordnet werden, beispielsweise in der Nähe der Antriebsachse. Die räumliche Anordnung der jeweiligen Brennstoffzellensysteme ist nämlich beliebig, da die Verbindungselemente von ihrer Gestalt her an den jeweiligen Einbauort der Brennstoffzellensysteme angepasst sind.
Die Brennstoffzellensysteme weisen bevorzugt standardisierte Einrichtungen für die Zufuhr und Abfuhr von Betriebsmedien wie Gasen, insbesondere Wasserstoff, Sauerstoff oder Luft, Brennstoffen wie etwa Erdgas oder Methan, Flüssigkeiten wie etwa einer Kühlflüssigkeit oder einem Befeuchtungsmedium sowie von elektrischem Strom auf. Letzterer kann beispielsweise zum Betreiben von Pumpen, einem elektrischen Turbolader und dergleichen verwendet werden. Des Weiteren weist das jeweilige Brennstoffzellensystem bevorzugt standardisierte Einrichtungen zum Abführen des im Betrieb erzeugten Stroms sowie zum Abführen des bei der Brennstoffzellenreaktion erzeugten Produktwassers auf. Auch die bei dem jeweiligen Brennstoffzellensystem verwendeten Bauelemente wie beispielsweise Sensoren, Ventile, Leitungen, Abschlusseinheiten, Verbinderteile und dergleichen sind bevorzugt standardisiert. Entsprechend ist dann ein standardisiertes Brennstoffzellensystem beziehungsweise Energieerzeugungsmodul oder Energieerzeugungs-Grundmodul bereitgestellt, welches aufgrund der Standardisierung für die Massenproduktion besonders tauglich ist. Es sind also bevorzugt keine technischen Besonderheiten vorgesehen, welche die Massenproduktionstauglichkeit gegebenenfalls gefährden könnten.
Als solche Kerneinheit beziehungsweise als ein solches standardisiertes Grundmodul kann insbesondere ein Brennstoffzellensystem einer geringen Leistung von etwa 20 kW bis 50 kW vorgesehen sein. So kann durch Zusammenschalten von zwei oder mehreren solcher Brennstoffzellensysteme beziehungsweise Grundmodule die je nach Anwendungsfall erforderliche Gesamtleistung erzielt beziehungsweise bereitgestellt werden. Beispielsweise kann bei einem als Nutzfahrzeug ausgebildeten Fahrzeug durch Zusammenschalten der standardisierten Brennstoffzellensysteme eine Leistung von 250 kW bis 800 kW bereitgestellten, bei einem als Bus ausgebildeten Fahrzeug eine Leistung von etwa 50 kW bis 350 kW und bei einem als Schiff ausgebildeten Fahrzeug etwa eine Leistung von bis zu 1 MW.
Bevorzugt ist auch eine Software zum Ansteuern von Komponenten der jeweiligen Brennstoffzellensysteme standardisiert. Das jeweilige Brennstoffzellensystem kann auch für sich alleine zum Einsatz kommen, jedoch insbesondere in einer Ausführung als Zweier-Kaskade, Dreier-Kaskade, Vierer-Kaskade und so weiter. Durch die Nutzung derselben Basistechnologie für verschiedene Leistungsklassen und verschiedene Anwendungen lässt sich eine bedarfsgerechte, umweltfreundliche, zentrale und dezentrale Erzeugung von Energie durch die Brennstoffzellensysteme beziehungsweise die Brennstoffzellenanordnung erreichen. Durch die bevorzugt geringe Leistung der Brennstoffzellensysteme lässt sich zudem eine kompakte Bauweise des jeweiligen Brennstoffzellensystems beziehungsweise Grundmoduls realisieren. Dies ist insbesondere bei der Anordnung derselben in einem Fahrzeug wie etwa einem Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, von Vorteil, da hier der zur Verfügung stehende Bauraum stark begrenzt ist. Der Bauraum kann jedoch aufgrund der kompakten Bauweise der Brennstoffzellensysteme besonders effizient genutzt werden.
Insbesondere eine dezentrale Anordnung der einzelnen Brennstoffzellensysteme, welche quasi als Energiezentren beziehungsweise Energieerzeugungszentren dienen, innerhalb mobiler und stationärer Plattformen durch flexible Verbindungselemente ermöglicht des Weiteren das Bereitstellen der von den Brennstoffzellensystemen erzeugten elektrischen Energie in räumlicher Nähe von Energieverbrauchern. Bei derartigen Energieverbrauchern kann es sich beispielsweise um Motoren, Computer, Gebäude und dergleichen handeln. In Fahrzeugen wie Kraftwagen können die Brennstoffzellensysteme beispielsweise an Antriebsachsen oder Achsmodulen angeordnet werden. Auch ist eine Anordnung in Teilbereichen beziehungsweise Abschnitten von mobilen Plattformen wie etwa Automobilen, Lastkraftwagen, Bussen, Gelenkbussen, Anhängern, Schiffsdecks und dergleichen möglich.
Die räumlich beliebige Anordnung der Brennstoffzellensysteme kann die Umgebungsverhältnisse und die Geometrie sowie Parameter wie die Temperatur, den Druck, Beschleunigungen, Vibrationen und dergleichen berücksichtigen.
Bevorzugt weist das jeweilige Brennstoffzellensystem einen ersten Anschluss zum Anschließen des Verbindungselements und einen zweiten Anschluss zum Koppeln des Brennstoffzellensystems mit einem weiteren Brennstoffzellensystem über ein weiteres Verbindungselement auf. So lassen sich beliebig viele Brennstoffzellensysteme mit geeigneten Verbindungselementen koppeln, um die gewünschte Gesamtleistung der Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen. Zum Verschließen eines der Anschlüsse kann insbesondere eine Verschließeinrichtung oder Abschlussvorrichtung vorgesehen sein, welche dann verwendet wird, wenn kein weiteres Brennstoffzellensystem an das entsprechende Brennstoffzellensystem angeschlossen werden soll.
Die Brennstoffzellensysteme können insbesondere unter Ausbildung eines Winkels zwischen Längserstreckungsrichtungen der Brennstoffzellensysteme in derselben Ebene und/oder in voneinander verschiedenen Ebenen angeordnet sein. Hierbei können die durch die Verbindungselemente miteinander gekoppelten Brennstoffzellensysteme beliebige Formen in einer Ebene bilden, etwa eine U-Form, eine V-Form, eine S-Form, eine W-Form und dergleichen. Es sind jedoch auch beliebige Winkelanordnungen beziehungsweise räumliche Anordnungen im dreidimensionalen Raum möglich und zulässig, sodass die Brennstoffzellensysteme in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Beispielsweise kann eine Brennstoffzellenanordnung, welche die Mehrzahl der Brennstoffzellensysteme mit entsprechenden Verbindungselementen umfasst, eine Helixform aufweisen.
Das wenigstens eine Verbindungselement kann wenigstens einen Winkel und/oder wenigstens eine Krümmung aufweisen. Des Weiteren kann das wenigstens eine Verbindungselement zumindest bereichsweise flexibel ausgebildet sein. Es können also starre Verbindungselemente beziehungsweise Verbinder oder flexible Verbinder zum Einsatz kommen. Beispielsweise können als Verbindungselemente eine oder mehrere starre Röhren vorgesehen sein, ein oder mehrere Schläuche oder dergleichen. Auch können starre Abschnitte durch flexible Abschnitte miteinander verbunden sein. Des Weiteren können plattenartige Verbindungselemente mit integrierten Leitungen als Verbindungselemente eingesetzt werden. Derartige Platten können beispielsweise als Spritzgussteile ausgebildet sein. Durch derartige Verbindungselemente lassen sich die Brennstoffzellensysteme besonders gut in beliebigen räumlichen Orientierungen zueinander und an beliebigen Orten insbesondere in dem Fahrzeug anordnen.
Des Weiteren können gegenüber einer standardisierten Länge eines Verbindungselements verlängerte Verbindungselemente zum Einsatz kommen. Insbesondere durch Verwendung solcher Verbindungselemente in verlängerter Ausführung können die einzelnen als Energieerzeugungsmodule dienenden Brennstoffzellensysteme an unterschiedlichen Orten im Fahrzeug angeordnet werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Brennstoffzellenanordnung zumindest eine Steuerungseinrichtung umfasst, mittels welcher wenigstens eines der Brennstoffzellensysteme und/oder ein Teilbereich wenigstens eines der Brennstoffzellensysteme zuschaltbar oder abschaltbar ist. Es können also die einzelnen Elemente beziehungsweise Brennstoffzellensysteme in der Kaskade bedarfsgerecht zugeschaltet und abgeschaltet werden. Dies kann insbesondere in Abhängigkeit vom Fahrverhalten des Fahrzeugs beziehungsweise von der Geometrie der gewählten Route erfolgen. Beispielsweise können bei einer Route mit großen Steigungen mehr Brennstoffzellensysteme zugeschaltet sein beziehungsweise zusammengeschaltet sein, um eine entsprechend größere Leistung bereitzustellen, als dies beim Befahren einer im Wesentlichen flachen Route erforderlich ist.
Es kann auch über einen entsprechenden Konditionierungsanschluss des jeweiligen Brennstoffzellensystems die Leistungsabgabe des einzelnen Brennstoffzellensystems verändert werden, etwa indem unterschiedliche Bereiche eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems freigegeben beziehungsweise mit den entsprechenden Betriebsmedien wie etwa Luft und Wasserstoff beaufschlagt werden.
Die Brennstoffzellensysteme können seriell und/oder parallel mit dem wenigstens einen Betriebsmedium beaufschlagbar sein. Es kann also das Betriebsmedium von der ersten Brennstoffzelle teilweise genutzt und teilweise an das in der Kaskade seriell nachfolgende Brennstoffzellensystem weitergegeben werden. Dieses weitere Brennstoffzellensystem nutzt dann wiederum einen Teil der zugeführten Medien beziehungsweise Betriebsmedien, und über das Verbindungselement werden die verbleibenden Betriebsmedien wiederum dem seriell folgenden Brennstoffzellensystem zugeführt. Zusätzlich oder alternativ können die Brennstoffzellensysteme parallel mit dem wenigstens einen Betriebsmedium beaufschlagt werden, indem ein entsprechendes Verbindungselement eine der Anzahl der mit den Betriebsmedien zu beaufschlagenden Brennstoffzellensystemen entsprechende Anzahl von Anschlüssen aufweist. Dadurch ist die Flexibilität beim Anordnen der Brennstoffzellensysteme, insbesondere in dem Fahrzeug, besonders groß.
Die Brennstoffzellensysteme können eine Mehrzahl von Formen beziehungsweise Geometrien aufweisen. Beispielsweise können Brennstoffzellensysteme in Blockform, Stabform, einer runden Form beziehungsweise Kugelform zum Einsatz kommen sowie linsenförmige, bogenförmige, parallelogrammförmige Brennstoffzellensysteme beziehungsweise Grundmodule. Es kann dann unter in Serien produzierten Brennstoffzellensystemen mit einer begrenzten Anzahl an äußeren Standardgestalten beziehungsweise Standardformen ausgewählt werden. So kann der vorhandene Bauraum optimal ausgenutzt werden, ohne auf teure, maßgeschneiderte Einzelanfertigungen angewiesen zu sein. Insbesondere kann auf einfache und kostengünstige Weise sichergestellt werden, dass die Brennstoffzellensysteme an den jeweiligen Ort beziehungsweise Einbauort im Fahrzeug angepasste Formen aufweisen. Insbesondere kann also ein Baukasten an Brennstoffzellensystemen beziehungsweise Grundmodulen mit unterschiedlichen äußeren Geometrien bereitgestellt sein.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die jeweiligen Brennstoffzellensysteme einen Anschluss zum Ermitteln von das Brennstoffzellensystem betreffenden Parametern und/oder zum Ansteuern wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems aufweisen. Über einen derartigen Betriebsanschluss beziehungsweise Konditionierungsanschluss können beispielsweise mittels Sensoren erfasste Messwerte ausgelesen werden. Des Weiteren kann ein Zustandsregister zum Einsatz kommen, also eine Steuereinheit, welche den physikalischen Zustand wie etwa den Alterungszustand des Brennstoffzellensystems erfassen kann. Den Zustand angebende Daten können über den Anschluss beispielsweise einem übergeordneten Steuergerät zur Verfügung gestellt oder zu Diagnosezwecken ausgelesen werden. Des Weiteren kann beispielsweise eine Versionsnummer des Brennstoffzellensystems über die konkrete Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems beziehungsweise seiner Komponenten Auskunft geben.
Wenigstens einem der Brennstoffzellensysteme kann zumindest ein elektrischer Energiespeicher wie etwa eine Batterie beziehungsweise ein Akkumulator oder ein Supercap zugeordnet sein. Derartige Energiespeicher können in Kombination mit dem bevorzugt standardisierten Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. So kann die von dem jeweiligen Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Energie gespeichert werden, wenn zeitweise ein geringerer Bedarf an elektrischer Energie besteht.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung. Die Brennstoffzellensysteme der Brennstoffzellenanordnung können eine Vielzahl von insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Fahrzeugen üblichen Komponenten umfassen, welche daher vorliegend nicht im Detail erläutert zu werden brauchen. Unter dem Begriff „Fahrzeug” werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle denkbaren Fahrzeugarten verstanden, also z. B. Landfahrzeuge, Schienenfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Raumfahrzeuge usw. sowie Kombinationen davon, wie z. B. Amphibienfahrzeuge. Insbesondere werden darunter PKW, LKW, NKW, Busse, Traktoren, Züge, Anhänger, Schiffe, Boote, Flugzeuge usw. verstanden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bereitstellen einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellensystemen in einem Fahrzeug wird wenigstens ein erstes Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem zweiten Brennstoffzellensystem mittels wenigstens eines Verbindungselements gekoppelt. Über das wenigstens eine Verbindungselement ist zumindest das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Betriebsmedium beaufschlagbar. Das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem wird relativ zu dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellensystem wahlweise an einem ersten Ort oder an einem zweiten Ort in dem Fahrzeug angeordnet. Hierbei wird das wenigstens eine Verbindungselement in Abhängigkeit davon ausgebildet, ob des wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem an dem ersten Ort oder an dem zweiten Ort angeordnet wird.
Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Fahrzeug und für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind somit auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 stark schematisiert ein standardisiertes Brennstoffzellensystem mit standardisierten Anschlüssen für das Zuführen und Abführen von Medien;
2 beispielhaft eine Verbindung derartiger Brennstoffzellensysteme miteinander unter Ausbildung eines Winkels zwischen Längsachsen der Brennstoffzellensysteme;
3 unterschiedliche räumliche Anordnungen von zwei beziehungsweise drei beziehungsweise vier derartigen Brennstoffzellensystemen in einem Fahrzeug, welche jeweilige Kaskaden bilden;
4 stark schematisiert weitere räumliche Anordnungsmöglichkeiten der Brennstoffzellensysteme, insbesondere im Fahrzeug; und
5 weitere mögliche räumliche Anordnungen von zwei beziehungsweise drei Brennstoffzellensystemen relativ zueinander durch den Einsatz entsprechender Verbindungselemente.
In 1 ist stark schematisiert ein standardisiertes Brennstoffzellensystem 10 gezeigt, welches bevorzugt eine Leistung von etwa 20 kW bis 50 kW aufweist. Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen Anschluss 12 für eine Medienzuführung also zum Zuführen von Betriebsmedien wie etwa Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel, Wasserstoff, insbesondere komprimiertem Wasserstoff, als Brennstoff beziehungsweise Erdgas oder Methan beziehungsweise Methanol zum Bereitstellen von Wasserstoff durch Dampfreformierung auf. Über den Anschluss 12 kann dem Brennstoffzellensystem 10 auch elektrischer Strom beispielsweise zum Betreiben eines elektrischen Turboladers, von Pumpen und dergleichen Einrichtungen zur Verfügung gestellt werden. Über den Anschluss 12 kann das Brennstoffzellensystem 10 außerdem mit Flüssigkeiten wie etwa einem Kühlmittel beziehungsweise Kühlwasser beaufschlagt werden. Derartige Betriebsmedien sind in 1 durch ein Symbol 14 veranschaulicht. Bevorzugt sind Komponenten wie etwa ein Turbolader oder Verdichter, insbesondere zum Verdichten von Zuluft als Oxidationsmittel, ein Befeuchter und dergleichen in das jeweilige Brennstoffzellensystem 10 integriert.
An einem weiteren bevorzugt standardisierten Anschluss 16 können von dem Brennstoffzellensystem 10 bereitgestellte Produkte wie etwa der bei der Brennstoffzellenreaktion erzeugte elektrische Strom und Produktwasser abgeführt werden. Das Abführen derartiger Medien ist in 1 durch ein weiteres Symbol 18 veranschaulicht.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist des Weiteren einen Betriebsanschluss 20 auf, über welchen beispielsweise das Brennstoffzellensystem 10 betreffende Daten ausgelesen werden können, also etwa mittels Sensoren erfasste Messwerte. Des Weiteren kann über den Betriebsanschluss 20 eine Diagnose des Brennstoffzellensystems 10 durchgeführt werden oder eine Versionsnummer ausgelesen werden. Auch kann eine Steuereinheit etwa in Form eines Zustandsregisters den physikalischen Zustand des Brennstoffzellensystems 10 erfassen. Den Zustand angebende Datenwerte können ebenfalls über den Betriebsanschluss 20 ausgelesen werden.
Der Betriebsanschluss 20 fungiert bevorzugt des Weiteren als Konditionierungsanschluss also etwa zum Steuern beziehungsweise Einstellen der Leistung des Brennstoffzellensystems 10, beispielsweise durch ein Einstellen eines Massenstroms an zugeführten Betriebsmedien oder durch Freigeben beziehungsweise Blockieren bestimmter Bereiche eines (nicht gezeigten) Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems 10.
Über einen weiteren Anschluss 22 kann das Brennstoffzellensystem 10 mit einem weiteren Brennstoffzellensystem 24 (vergleiche 2) gekoppelt werden, welches so ebenfalls mit den über den Anschluss 12 zugeführten Medien versorgt werden kann. Soll kein weiteres Brennstoffzellensystem 24 mit dem Brennstoffzellensystem 10 gekoppelt werden, so kann der Anschluss 22 mit einer entsprechenden Verschließeinrichtung 26 beziehungsweise einem Abschluss verschlossen werden.
Zum Koppeln von wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen 10, 24 miteinander und somit zum Bereitstellen einer Brennstoffzellenanordnung 28 (vergleiche 2) ist wenigstens ein Verbindungselement 30 vorgesehen. Über das Verbindungselement 30 wird das jeweils in der Kaskade folgende Brennstoffzellensystem 24 mit den Betriebsmedien beaufschlagt. Wie schematisch in 2 gezeigt ist, kann das entsprechende Verbindungselement 30 beziehungsweise ein solcher Verbinder einen Winkel oder eine Krümmung aufweisen und so eine unterschiedliche räumliche Ausrichtung des zweiten Brennstoffzellensystems 24 bezogen auf das erste Brennstoffzellensystem 10 ermöglichen.
Beispielsweise können Längserstreckungsrichtungen oder Längsachsen 32, 34 der Brennstoffzellensysteme 10, 24 einen Winkel 36 einschließen, welcher zwischen 0 Grad und 360 Grad liegen kann. In 2 ist des Weiteren ein zweites Verbindungselement 38 gezeigt, welches zusätzlich oder alternativ zu dem ersten Verbindungselement 30 zum Einsatz kommen kann. Es kann also beispielsweise durch Auswahl des jeweils geeigneten Verbindungselements 30, 38 mit unterschiedlichen Knickwinkeln dafür gesorgt werden, dass die Brennstoffzellensysteme 10, 24 unterschiedliche räumliche Ausrichtungen relativ zueinander haben und somit eine flexible räumliche Anordnung der standardisierten Brennstoffzellensysteme 10, 24 insbesondere in einem Fahrzeug ermöglicht ist.
Das jeweilige Brennstoffzellensystem 10, 24 kann jedoch unabhängig von dem jeweils anderen Brennstoffzellensystem betrieben werden, da jedem Brennstoffzellensystem 10, 24 die für den Betrieb erforderlichen Betriebsmedien zugeführt werden.
Insbesondere können die Brennstoffzellensysteme 10, 24 dezentralisiert an beliebigen Stellen in einem Brennstoffzellenfahrzeug angeordnet werden, wo gerade Bauraum zur Verfügung steht. Es wird daher lediglich eine geringe Anzahl, bevorzugt lediglich eine Art eines Grundmoduls beziehungsweise standardisierten Brennstoffzellensystems 10, 24 bereitgestellt, welches dann besonders einfach und kostengünstig in hoher Stückzahl gefertigt werden kann, also massenproduktionstauglich ist. Derartige Brennstoffzellensysteme 10, 24 mit beispielsweise standardisierten Geometrien können dann abhängig von den spezifischen Leistungsanforderungen und anderen Anforderungen kombiniert werden. Dies bringt Kosteneinsparungen aufgrund der Massenproduktion der standardisierten Brennstoffzellensysteme 10, 24 beziehungsweise Module mit sich.
3 zeigt beispielhaft eine Brennstoffzellenanordnung 28 von zwei Brennstoffzellensystemen 10, 24 in einem Fahrzeug 40. Hierbei ist beispielsweise das Verbindungselement 30 U-förmig ausgebildet, sodass sich entsprechend auch eine Anordnung der Brennstoffzellensysteme 10, 24 in U-Form ergibt. Alternativ kann in dem Fahrzeug 40 eine Brennstoffzellenanordnung 28 zum Einsatz kommen, bei welcher die Kaskade ein weiteres Brennstoffzellensystem 42 umfasst. Auch hier kann wiederum ein U-förmiges Verbindungselement 30 das zweite Brennstoffzellensystem 24 mit dem weiteren Brennstoffzellensystem 42 verbinden. So ergibt sich eine S-Form der Brennstoffzellenanordnung 28.
In einem weiteren in 3 beispielhaft gezeigten Fahrzeug 40 umfasst die Brennstoffzellenanordnung 28 ein viertes Brennstoffzellensystem 44, welches beispielhaft mit dem dritten Brennstoffzellensystem 42 wiederum über ein U-förmiges Verbindungselement 30 verbunden ist. Dadurch weist die aus den Verbindungselementen 30 und den Brennstoffzellensystemen 10, 24, 42, 44 gebildete Brennstoffzellenanordnung 28 im gezeigten Beispiel eine Mäanderform auf.
Es sind jedoch vielfältige weitere Formen der kaskadierten beziehungsweise über jeweilige Verbindungselemente 30 miteinander gekoppelten Brennstoffzellensysteme 10, 24, 42, 44 im Fahrzeug 40 möglich. So sind in 4 beispielhaft eine V-Form der Brennstoffzellensysteme 10, 24, eine Zickzack-Form der Brennstoffzellensysteme 10, 24, 42 beziehungsweise eine W-Form der Brennstoffzellensysteme 10, 24, 42, 44 gezeigt.
In 4 sind der Einfachheit halber lediglich die Ausrichtungen der Längsachsen der Brennstoffzellensysteme 10, 24, 42, 44 dargestellt, während die Verbindungselemente 30 nicht gezeigt sind. Alternativ zu derartigen Anordnungen innerhalb einer Ebene oder zusätzlich dazu können die Brennstoffzellensysteme 10, 24, 42, 44 auch in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein und somit auch dreidimensionale Formen bilden, beispielsweise eine Helixform. Die entsprechenden Verbindungselemente 30 sind dann so angepasst, dass sie die jeweiligen Anordnungen der Brennstoffzellensysteme 10, 24, 42, 44 an den jeweils gewünschten Orten beziehungsweise Einbauorten im Fahrzeug 40 zulassen.
5 veranschaulicht eine weitere mögliche Brennstoffzellenanordnung 28, bei welcher eine I-Form gebildet ist, indem die Brennstoffzellensysteme 10, 24 mittels eines geraden Verbindungselements 30 miteinander verbunden sind.
Bei einer weiteren in 5 gezeigten Variante der Brennstoffzellenanordnung 28 sind die Brennstoffzellensysteme 10, 24 über ein im Vergleich zum Verbindungselement 30 längeres Verbindungselement 46 miteinander verbunden. Die Verbindungselemente 30, 38, 46 können starr oder flexibel ausgebildet sein beziehungsweise flexible Bereiche aufweisen. Beispielsweise können als Verbindungselemente Schläuche oder mit Schläuchen gekoppelte Rohrstücke oder dergleichen zum Einsatz kommen. In 5 ist außerdem beispielhaft gezeigt, wie durch Verwendung eines flexiblen Verbindungselements 46 das Brennstoffzellensystem 24 in Bezug auf die Längsachse des Brennstoffzellensystems 10 räumlich versetzt zu dem Brennstoffzellensystem 10 an einer gewünschten Stelle im Fahrzeug angeordnet werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Anschluss
14: Symbol
16: Anschluss
18: Symbol
20: Betriebsanschluss
22: Anschluss
24: Brennstoffzellensystem
26: Verschließeinrichtung
28: Brennstoffzellenanordnung
30: Verbindungselement
32: Längsachse
34: Längsachse
36: Winkel
38: Verbindungselement
40: Fahrzeug
42: Brennstoffzellensystem
44: Brennstoffzellensystem
46: Verbindungselement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014017300 A1 [0002]

Claims

Brennstoffzellenanordnung für ein Fahrzeug (40), mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellensystemen (10, 24, 42, 44), bei welcher wenigstens ein erstes Brennstoffzellensystem (10) mit wenigstens einem zweiten Brennstoffzellensystem (24, 42, 44) mittels wenigstens eines Verbindungselements (30, 38, 46) gekoppelt ist, über welches zumindest das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem (24, 42, 44) mit wenigstens einem Betriebsmedium beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem (24, 42, 44) relativ zu dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellensystem (10) wahlweise an einem ersten Ort oder an einem zweiten Ort in dem Fahrzeug (40) anordenbar ist, wobei das wenigstens eine Verbindungselement (30, 38, 46) an das Anordnen des wenigstens einen zweiten Brennstoffzellensystems (24, 42, 44) an dem ersten Ort oder an dem zweiten Ort angepasst ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Brennstoffzellensystem (10, 24, 42, 44) einen ersten Anschluss (12) zum Anschließen des Verbindungselements (30, 38, 46) und einen, insbesondere mit einer Verschließeinrichtung (26) verschließbaren, zweiten Anschluss (22) zum Koppeln des Brennstoffzellensystems (10) mit einem weiteren Brennstoffzellensystem (24, 42, 44) über ein weiteres Verbindungselement (30, 38, 46) aufweist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellensysteme (10, 24, 42, 44), insbesondere unter Ausbildung eines Winkels zwischen Längserstreckungsrichtungen der Brennstoffzellensysteme (10, 24, 42, 44), in derselben Ebene und/oder in voneinander verschiedenen Ebenen angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Verbindungselement (30, 38, 46) wenigstens einen Winkel und/oder wenigstens eine Krümmung aufweist und/oder zumindest bereichsweise flexibel ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanordnung (28) zumindest eine Steuerungseinrichtung umfasst, mittels welcher wenigstens eines der Brennstoffzellensysteme (10, 24, 42, 44) und/oder ein Teilbereich wenigstens eines der Brennstoffzellensysteme (10, 24, 42, 44) zuschaltbar oder abschaltbar ist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellensysteme (10, 24, 42, 44) seriell und/oder parallel mit dem wenigstens einen Betriebsmedium beaufschlagbar sind.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellensysteme (10, 24, 42, 44) voneinander verschiedene Formen und/oder eine an den jeweiligen Ort im Fahrzeug (40) angepasste Form aufweisen.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Brennstoffzellensysteme (10, 24, 42, 44) einen Anschluss (20) zum Ermitteln von das Brennstoffzellensystem (10, 24, 42, 44) betreffenden Parametern und/oder zum Ansteuern wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems (10, 24, 42, 44) aufweisen.
Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Landfahrzeug, ein Schienenfahrzeug, ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Raumfahrzeuge sowie Kombinationen davon, insbesondere Amphibienfahrzeuge, handelt, bevorzugt um ein PKW, ein LKW, ein NKW, einen Bus, einen Traktor, einen Zug, einen Anhänger, ein Schiff, ein Boot oder ein Flugzeug.
Verfahren zum Bereitstellen einer Brennstoffzellenanordnung (28) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellensystemen (10, 24, 42, 44) in einem Fahrzeug (40), bei welchem wenigstens ein erstes Brennstoffzellensystem (10) mit wenigstens einem zweiten Brennstoffzellensystem (24, 42, 44) mittels wenigstens eines Verbindungselements (30, 38, 46) gekoppelt wird, über welches zumindest das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem (24, 42, 44) mit wenigstens einem Betriebsmedium beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zweite Brennstoffzellensystem (24, 42, 44) relativ zu dem wenigstens einen ersten Brennstoffzellensystem (10) wahlweise an einem ersten Ort oder an einem zweiten Ort in dem Fahrzeug angeordnet wird, wobei das wenigstens eine Verbindungselement (30, 38, 46) in Abhängigkeit von dem Anordnen des wenigstens einen zweiten Brennstoffzellensystems (24, 42, 44) an dem ersten Ort oder an dem zweiten Ort ausgebildet wird.