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Die Erfindung betrifft eine Medienverteilereinheit für eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2013 020 434 A1 ist eine Medienverteilereinheit für eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, die zumindest eine Grundplatte umfasst, durch welche hindurch sich zumindest ein Kanal zur Zuführung zumindest eines Mediums zu einem Brennstoffzellenstapel und/oder zur Abführung zumindest eines Mediums vom Brennstoffzellenstapel erstreckt. Dabei ist vorgesehen, dass die zumindest eine Grundplatte zumindest bereichsweise aus einem metallischen Material ausgebildet ist, wobei zumindest ein Anschlussbereich des zumindest einen Kanals an den Brennstoffzellenstapel aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Medienverteilereinheit für eine Brennstoffzellenanordnung 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 Medienverteilereinheit für eine Brennstoffzellenanordnung umfasst eine Grundplatte, durch welche hindurch sich eine Mehrzahl von Strömungskanälen erstreckt, wobei die Mehrzahl von Strömungskanälen mindestens zwei Reaktandenführungskanäle und mindestens einen Temperiermediumführungskanal umfasst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Reaktandenführungskanäle jeweils gegenüber dem Temperiermediumführungskanal derart verlängert ausgebildet sind, dass für einen Potentialausgleich ausschließlich der mindestens eine Temperiermediumführungskanal mit einem elektrischen Massepotential verbunden ist.
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Die derart ausgestaltete Medienverteilereinheit ermöglicht eine gegenüber konventionellen Medienverteilereinheiten verringerte Anzahl von Potentialausgleichsleitungen bei gleichzeitiger Erfüllung bestimmter Anforderungen an eine elektrische Sicherheit. Dies wird mittels der verlängert ausgebildeten Reaktandenführungskanäle ermöglicht, da somit das Risiko von Leckagen und daraus resultierenden Kurzschlüssen verringerbar ist. Auf Potentialausgleichsleitungen zum Potentialausgleich kann somit bei den Reaktandenführungskanälen verzichtet werden. Dies ermöglicht eine vereinfachte Montage der Brennstoffzellenanordnung sowie verringerte Kosten gegenüber konventionellen Medienverteilereinheiten.
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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 Explosionsdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Medienverteilereinheit,
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2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer konventionellen Medienverteilereinheit mit Strömungskanälen,
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3 schematisch eine ausschnittsweise Darstellung eines Temperaturmediumführungskanals,
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4 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Medienverteilereinheit mit Strömungskanälen und
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5 schematisch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Medienverteilereinheit mit Strömungskanälen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung 1.
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Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen und an jeder Stirnseite eine abschließende Endplatte 3 auf, welche miteinander verspannt sind. Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist des Weiteren ein Gehäuse 4 auf, in welches dieser vollständig verspannte Brennstoffzellenstapel 2 einzusetzen ist. Dieses Gehäuse 4 umfasst im hier dargestellten Beispiel ein Gehäusewandungsteil 5, in welches der Brennstoffzellenstapel 2 einzuschieben ist, und einen im Folgenden noch näher beschriebenen Gehäusedeckel zum zweckmäßigerweise dichten Verschließen des Gehäuses 4.
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Der Gehäusedeckel ist als eine Medienverteilereinheit 6 zur Zuführung von Medien zum Brennstoffzellenstapel 2 und zur Abführung von Medien vom Brennstoffzellenstapel 2 ausgebildet. Zum Brennstoffzellenstapel 2 zuzuführende Medien sind beispielsweise ein erster Reaktand und ein zweiter Reaktand, d. h. ein Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, zum Beispiel Sauerstoff, wobei der Sauerstoff dem Brennstoffzellenstapel 2 beispielsweise in Form von Luft zuzuführen ist. Ein vom Brennstoffzellenstapel 2 abzuführendes Medium ist beispielsweise ein sich aus den Reaktanden bildendes Reaktionsprodukt, üblicherweise Wasser, d. h. die Medienverteilereinheit 6 trägt ebenso zur Entwässerung des Brennstoffzellenstapels 2 bei.
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Des Weiteren kann auch ein nicht verbrauchter Anteil des jeweiligen Reaktanden wieder aus dem Brennstoffzellenstapel 2 abzuführen sein. Dabei ist insbesondere der nicht verbrauchte Anteil des Wasserstoffs zweckmäßigerweise wieder über einen nicht dargestellten Rückführungskanal dem Brennstoffzellenstapel 2 zuzuführen, so dass es sich bei diesem Anteil des Reaktanden Wasserstoff dann um ein abzuführendes und wieder zuzuführendes Medium handelt. Ein Medium, welches dem Brennstoffzellenstapel 2 zuzuführen und auch wieder aus diesem abzuführen ist, ist beispielsweise ein Temperiermedium zur Kühlung und/oder Erwärmung des Brennstoffzellenstapels 2, beispielsweise Kühlwasser oder eine andere Kühl- oder Temperierflüssigkeit. Um dies zu ermöglichen, weist die Medienverteilereinheit 6 entsprechende Strömungskanäle zur Führung der Medien auf, welche sich durch die Medienverteilereinheit 6 hindurch erstrecken.
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Die Strömungskanäle zur Führung der Medien sind beispielsweise als rohrförmige Leitungen ausgebildet und umfassen vier Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2, zwei Temperiermediumführungskanäle TM1, TM2 und gegebenenfalls einen nicht dargestellten Rückführungskanal.
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Ein erster Reaktandenführungskanal RZ1 dient dabei der Zuführung des Sauerstoffs bzw. der Luft mit dem Sauerstoff zum Brennstoffzellenstapel 2. Ein zweiter Reaktandenführungskanal RZ2 dient der Zuführung des Wasserstoffs zum Brennstoffzellenstapel 2. Ein dritter Reaktandenführungskanal RA1 dient der Abführung der Luft mit dem nicht verbrauchten Anteil des Sauerstoffs vom Brennstoffzellenstapel 2. Ein vierter Reaktandenführungskanal RA2 dient der Abführung des nicht verbrauchten Anteils des Wasserstoffs vom Brennstoffzellenstapel 2. Ein erster Temperiermediumführungskanal TM1 ist eine Zuführleitung und dient der Zuführung des Temperiermediums zum Brennstoffzellenstapel 2. Ein zweiter Temperiermediumführungskanal TM2 ist eine Abführleitung und dient der Abführung des Temperiermediums vom Brennstoffzellenstapel 2.
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Die Medienverteilereinheit 6 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vereinfacht dargestellt und aus zwei aufeinander angeordneten Grundplatten 6.1, 6.2 ausgebildet. Die Strömungskanäle sind jeweils zumindest abschnittsweise zwischen den beiden Grundplatten 6.1, 6.2 angeordnet. Zumindest eine der beiden Grundplatten 6.1, 6.2 ist zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, aus einem metallischen Material ausgebildet, beispielsweise aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, zum Beispiel in einem Gussverfahren. Vorzugsweise sind beide Grundplatten 6.1, 6.2 derart ausgebildet. Dadurch ist eine hohe Stabilität der Medienverteilereinheit 6 erreicht und insbesondere ist dadurch eine Abschirmung des Brennstoffzellenstapels 2 nach außen erreicht und somit eine elektromagnetische Verträglichkeit der Brennstoffzellenanordnung 1 sichergestellt, d. h. von der Brennstoffzellenanordnung 1 ausgehende elektromagnetische Störungen sind vermieden oder zumindest auf ein zulässiges und/oder vorgegebenes Maß reduziert.
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Um eine elektrische Kontaktierung des Gehäuses 4 mit spannungsführenden Teilen des Brennstoffzellenstapels 2 zu vermeiden und den Brennstoffzellenstapel 2, insbesondere dessen unter Hochspannung stehende Teile, gegenüber dem Gehäuse 4 und einer äußeren Umgebung elektrisch zu isolieren, sind die Strömungskanäle, welche mit Anschlussbereichen am Brennstoffzellenstapel 2 anliegen, jeweils aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus Kunststoff, ausgebildet. Des Weiteren können Dichtelemente (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die im Bereich von Anschlüssen der Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2 und der Temperiermediumführungskanäle TM1, TM2 vorgesehen sind.
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2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer konventionellen Medienverteilereinheit 6', bei der sowohl die Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2 als auch die Temperiermediumführungskanäle TM1, TM2 außerhalb der Medienverteilereinheit 6' jeweils über eine Potentialausgleichsleitung 7 mit dem elektrischen Massepotential 8 verbunden sind. Eine Länge der Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2 und der Temperiermediumführungskanäle TM1, TM2 entspricht hierbei einer konventionellen Länge. Der Einfachheit halber sind hierbei nur zwei Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2 und der erste Temperiermediumführungskanal TM1 dargestellt. Diese sind jedoch gemeinsam mit den abführen Leitungen, d. h. den dritten und vierten Reaktandenführungskanälen RZ1, RZ2 und dem zweiten Temperiermediumführungskanal TM2, zu betrachten.
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Die Verbindung jeweils der Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2 als auch der Temperiermediumführungskanäle TM1, TM2 mit dem elektrischen Massepotential 8 ist dabei insbesondere deshalb erforderlich, wenn diese radial mittels Krafthauptschluss dichtend mit der Medienverteilereinheit 6' verbunden sind. Hierbei können Leckagen auftreten, die eine unzulässig hohe Berührungsspannung hervorrufen können. Eine Verbindung der Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2 und der Temperiermediumführungskanäle TM1, TM2 ist somit zum Potentialausgleich erforderlich. Jedoch sind Potentialausgleichsleitungen 7 verschleißbedingt störungsanfällig.
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Zur Sicherstellung, dass im Fehlerfall bei Berührung von elektrisch leitfähigen Komponenten mit angrenzender Medienverbindung zur Brennstoffzellenanordnung 1 keine unzulässig hohe Berührungsspannung auftreten kann, wird vorgeschlagen, die Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2 innerhalb der Medienverteilereinheit 6 gegenüber einer konventionellen Medienverteilereinheit 6' zu verlängern und ausschließlich die Temperiermediumführungskanäle TM1, TM2 über eine Potentialausgleichsleitung 7 mit einem elektrischen Massepotential 8, z. B. eine Fahrzeugmasse, zu verbinden. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in 3 gezeigt.
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3 zeigt dazu eine schematische und vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Medienverteilereinheit 6, bei welcher ebenfalls nur der erste und zweite Reaktandenführungskanal RZ1, RZ2 und der erste Temperiermediumführungskanal TM1 dargestellt sind.
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Der Bereich innerhalb der Medienverteilereinheit 6 ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Aufgrund der verlängerten Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2 ist ein Isolationswiderstand der Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2 ausreichend hoch, um das Risiko eines Auftretens einer unzulässig hohen Berührungsspannung zu verringern oder vorzugsweise zu minimieren und dabei bestimmten Anforderungen an eine elektrische Sicherheit, z. B. der sogenannten ECE-Regelung, insbesondere der ECE-R 100 Regelung, zu erfüllen. Die Temperiermediumführungskanäle TM1, TM2 bleiben gegenüber der konventionellen Medienverteilereinheit 6' gleich lang und werden jeweils für einen Potentialausgleich mit dem elektrischen Massepotential 8 verbunden. Damit kann ein Bauraumbedarf für die Medienverteilereinheit 6 begrenzt werden.
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4 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der Potentialausgleichsleitung 7, wobei hier beispielhaft eine ausschnittsweise Darstellung des ersten Temperaturmediumführungskanals TM1 gezeigt ist.
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Die Potentialausgleichsleitung 7 ist hierbei als eine elektrisch leitende Buchse ausgebildet, die in einem Abschnitt des ersten Temperiermediumführungskanals TM1 angeordnet ist, wobei sich dieser Abschnitt außerhalb der Medienverteilereinheit 6 befindet. Zweckmäßigerweise weist der zweite Temperiermediumführungskanal TM2 ebenfalls eine derartige Potentialausgleichsleitung 7 auf.
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5 zeigt schematisch ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Medienverteilereinheit 6, bei der sowohl die Reaktandenführungskanäle RZ1, RZ2, RA1, RA2 als auch die Temperiermediumführungskanäle TM1, TM2 gegenüber konventionellen Medienverteilereinheiten 6' verlängert sind, so dass keine Verbindung mit dem elektrischen Massepotential 8 erforderlich ist. Analog zu 3 und 4 sind nur der erste und zweite Reaktandenführungskanal RZ1, RZ2 und der erste Temperiermediumführungskanal TM1 dargestellt.
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Eine derart ausgebildete Medienverteilereinheit 6 ermöglicht eine einfache Montage der Brennstoffzellenanordnung 1 sowie verringerte Kosten gegenüber konventionellen Medienverteilereinheiten 6'.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenanordnung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Endplatte
- 4
- Gehäuse
- 5
- Gehäusewandungsteil
- 6
- Medienverteilereinheit
- 6'
- Medienverteilereinheit
- 6.1, 6.2
- Grundplatte
- 7
- Potentialausgleichsleitung
- 8
- elektrisches Massepotential
- RZ1
- erster Reaktandenführungskanal
- RZ2
- zweiter Reaktandenführungskanal
- RA1
- dritter Reaktandenführungskanal
- RA2
- vierter Reaktandenführungskanal
- TM1
- erster Temperiermediumsführungskanal
- TM2
- zweiter Temperiermediumsführungskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013020434 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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