DE102016203890A1

DE102016203890A1 - Karosseriestrukturelement für ein Fahrzeug mit integriertem Befeuchter

Info

Publication number: DE102016203890A1
Application number: DE102016203890.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Minter; Daniel Schütz; Jürgen Stieg
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2017-09-14
Also published as: US20170263957A1; US10651488B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Karosseriestrukturelement (40) zum Erhöhen der Steifigkeit und/oder der Crashperformance einer Karosseriestruktur (56) eines Fahrzeugs, aufweisend einen ersten Kanal (41) für einen ersten Gasstrom mit einer ersten Gaszuleitung (42) und einer ersten Gasableitung (43) und aufweisend Mittel zum Einbringen von Feuchtigkeit in den ersten Gasstrom. Die Erfindung betrifft mit anderen Worten die Funktionsintegration eines Befeuchters (39) für ein Brennstoffzellensystem (100) in ein Karosseriestrukturelement (40) und bevorzugt die Funktionsintegration von einem Befeuchter (39) für ein Brennstoffzellensystem (100), einem die Crashperformance erhöhenden Element, insbesondere eines Strangpressprofils (53), und einem Karosseriestrukturelement (40). Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem in ein Karosseriestrukturelement (40) integrierten Befeuchter (39) und ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem (100) und/oder einem solchen Karosseriestrukturelement (40).

Description

Die Erfindung betrifft ein Karosseriestrukturelement zum Erhöhen der Crashperformance und/oder der Steifigkeit einer Fahrzeugkarosseriestruktur, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Karosseriestrukturelement und ein Fahrzeug mit einer Karosseriestruktur, enthaltend ein solches Karosseriestrukturelement.
Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, weisen in der Regel eine Karosseriestruktur auf, unter der im Sinne dieser Anmeldung ein tragender Rahmen eines Fahrzeugs verstanden wird. Je nach Konstruktion des Fahrzeugs kann es sich bei der Karosseriestruktur um eine Skelettkarosserie, eine selbsttragende Karosserie oder ein Fahrgestell handeln. Die Karosseriestruktur ist aus Karosseriestrukturelementen gebildet und zur Aufnahme von Kräften während des normalen Betriebs des Fahrzeugs und in Unfallsituationen eingerichtet.
Die Karosseriestruktur bildende Karosseriestrukturelemente sind lösbar oder unlösbar miteinander verbunden. Die Karosseriestruktur kann auch monolithisch ausgebildet sein. Die Karosseriestrukturelemente sind zumindest funktionell unterscheidbar, beispielsweise in Querträger und Längsträger. Die Karosseriestruktur kann ferner weitere, mit der Karosseriestruktur verbundene Karosseriestrukturelemente aufweisen, beispielsweise Stoßfänger. Allen Karosseriestrukturelementen ist gemein, dass sie die Steifigkeit und/oder die Crashperformance der Karosseriestruktur erhöhen.
Ein Erhöhen der Crashperformance einer Karosseriestruktur wird im Rahmen dieser Anmeldung dadurch erzielt, dass sich mit der Karosseriestruktur verbundene Karosseriestrukturelemente in Unfallsituationen gezielt verformen, um Kräfte aufzunehmen und eine Verformung der Karosseriestruktur selbst zu verhindern. Bevorzugt finden dabei eine plastische Verformung der Karosseriestrukturelemente und die Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärme, mit anderen Worten Dissipation, statt. Die Steifigkeit einer Karosseriestruktur wird im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere durch die Karosseriestruktur bildenden Karosseriestrukturelemente gewährleistet beziehungsweise erhöht. Es versteht sich, dass auch die Steifigkeit der Karosseriestruktur in Unfallsituation maßgeblich zum Schutz der Fahrzeuginsassen beiträgt.
An einer Karosseriestruktur sind in der Regel weitere Karosserieanbauteile wie Klappen, Deckel oder Verkleidungen befestigt. Je nach Art der Karosseriestruktur können ähnliche Bestandteile eines Fahrzeugs zu der Karosseriestruktur oder zu den Karosserieanbauteilen gezählt werden. Dies zeigt insbesondere der Vergleich von Fahrgestell und selbsttragender Karosserie. Im Rahmen dieser Anmeldung unterscheiden sich Karosserieanbauteile und Karosseriestrukturelemente eines Fahrzeugs stets. An der Karosseriestruktur sind ferner alle weiteren Komponenten des Fahrzeugs, insbesondere der Antrieb und alle weiteren Aggregate des Fahrzeugs, zumindest mittelbar befestigt. Zu den Aggregaten des Fahrzeugs zählen dabei neben Heiz- und Kühlaggregaten auch die Energieversorgung des Fahrzeugs betreffende Aggregate. Neben Energiespeichern kann somit insbesondere auch eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem an der Karosseriestruktur befestigt sein.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierzu weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA – membrane electrode assembly) aus einer protonenleitenden Membran und beidseitig daran angeordneten Elektroden auf. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode als Brennstoff zugeführt und dort unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch oxidiert (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über die Membran, welche zwei Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, werden die Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum transportiert. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen e^– können zum Verrichten einer elektrischen Arbeit genutzt werden, wonach sie an die Kathode geleitet werden. Dieser wird zudem Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass dort eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen erfolgt (½O₂ + 2e^– → O^2–). Die gebildeten Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen zu Wasser (2H⁺ + O² → H₂O).
Um die Ionenleitfähigkeit der Elektrolyten beziehungsweise der Membranen der MEA zu gewährleisten, müssen diese in der Regel ständig befeuchtet werden. Hierfür wird ein Befeuchter in einen Anoden-/Kathodenabgaspfad und in einen Anoden-/Kathodenversorgungspfad der MEA integriert, um den wasserbeladenen Brennstoffzellenabgasen Feuchtigkeit zu entziehen und diese Feuchtigkeit den frisch zugeführten Betriebsmedien zuzuführen. Hierfür werden in der Regel wasserdampfdurchlässige Membranen eingesetzt, die ein Vermischen der Abgase mit den frischen Betriebsmedien verhindern.
Bislang sind Befeuchter als reine Funktionselemente eines Brennstoffzellensystems und als eigenständige Bauelemente ausgelegt und in der Regel in der Peripherie des Brennstoffzellensystems angeordnet. Je nach Fahrzeugkonzept sind die Befeuchter dabei im Vorderwagen, insbesondere im Motorraum, oder im Hinterwagen eines Fahrzeugs angeordnet und dort mit der Karosseriestruktur verbunden. Dafür sind an der Karosseriestruktur Anbindungsstellen vorgesehen, um eine sichere Montage des Befeuchters zu gewährleisten. Die Anordnung des Befeuchters eines Brennstoffzellensystems bewirkt dabei stets eine Verringerung des in einem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraums.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und den Bauraumbedarf eines Brennstoffzellensystems, insbesondere des Befeuchters eines Brennstoffzellensystems, in einem Fahrzeug zu verringern. Dabei soll eine hohe Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Anordnung des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Befeuchters eines Brennstoffzellensystems, gewährleistet werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Karosseriestrukturelement nach Anspruch 1, durch ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 und ein Fahrzeug nach Anspruch 10.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Karosseriestrukturelement zum Erhöhen der Steifigkeit und/oder der Crashperformance einer Karosseriestruktur eines Fahrzeugs, wobei das Karosseriestrukturelement einen ersten Kanal für einen ersten Gasstrom, insbesondere einen ersten zu befeuchtenden Gasstrom, mit einer ersten Gaszuleitung und mit einer ersten Gasableitung sowie Mittel zum Einbringen von Feuchtigkeit in den ersten Gasstrom aufweist.
Erfindungsgemäß ist ein Befeuchter eines Brennstoffzellensystems, der allgemein durch zumindest einen ersten Kanal für einen ersten Gasstrom (mit einer ersten Gaszuleitung und mit einer ersten Gasableitung) sowie Mittel zum Einbringen von Feuchtigkeit in den ersten Gasstrom charakterisiert ist, in ein Karosseriestrukturelement einer Karosseriestruktur eines Fahrzeugs integriert. Durch die Funktionsintegration des Befeuchters eines Brennstoffzellensystems in ein Karosseriestrukturelement wird vorteilhaft Bauraum in dem Fahrzeug eingespart. Ebenfalls vorteilhaft kann der integrierte Befeuchter teilweise oder insgesamt zur Dissipation von mechanischer Energie mittels plastischer Deformation eingerichtet sein. Die Integration des Befeuchters in das Karosseriestrukturelement verbessert somit auch die Crashperformance des Karosseriestrukturelements.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Karosseriestrukturelements weisen die Mittel zum Einbringen von Feuchtigkeit einen zweiten Kanal für einen zweiten, fluidbeladenen Fluidstrom (insbesondere Gasstrom) mit einer zweiten Fluidzuleitung (insbesondere Gaszuleitung) und mit einer zweiten Fluidableitung (insbesondere Gasableitung) und eine wasserdampfdurchlässige Membran auf. Dabei sind der erste Kanal und der zweite Kanal zumindest abschnittsweise durch die wasserdampfdurchlässige Membran voneinander getrennt. Der erste Kanal und der zweite Kanal sind bevorzugt so ausgestaltet, dass sich der erste Gasstrom und der zweite Gasstrom innerhalb des Gehäuses nicht mischen. Die Membran ist bevorzugt so ausgestaltet, dass Wasserdampf aus dem zweiten Gasstrom in den ersten Gasstrom gelangt.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist das Karosseriestrukturelement zumindest abschnittsweise eine Außenwand auf, die ein Volumen des Karosseriestrukturelements umschließt. Insbesondere weist die das Volumen des Karosseriestrukturelements umschließende Außenwand dabei zumindest abschnittsweise einen geschlossenen Querschnitt auf. Somit ist das Karosseriestrukturelement zumindest abschnittsweise als Hohlkörper mit einem von der Außenwand eingeschlossenen Hohlraum ausgebildet. Der erste Kanal und die Mittel zum Einbringen von Feuchtigkeit in den ersten Gasstrom, mit anderen Worten der Befeuchter, sind bevorzugt in dem Hohlraum angeordnet. Das Karosseriestrukturelement ist bevorzugt zumindest abschnittsweise als Hohlprofil, besonders bevorzugt als Strangpresshohlprofil, ausgebildet. Ebenfalls bevorzugt ist das Karosseriestrukturelement ein anderweitig urgeformter, umgeformter oder aus mehreren Komponenten gefügter, beispielsweise verschweißter oder vernieteter, Hohlkörper.
Die Integration des Befeuchters in das Karosseriestrukturelement erfolgt bevorzugt durch Einbringen zumindest einer wasserdampfdurchlässigen Membran in das von der Außenwand umschlossene Volumen des Karosseriestrukturelements, wodurch zumindest ein erster und zumindest ein zweiter Kanal ausgebildet beziehungsweise voneinander abgetrennt werden. In dieser Ausführungsform weist das Karosseriestrukturelement ferner geeignete Verteilerbereiche zum Zu- und Ableiten eines ersten und eines zweiten Gasstroms in den beziehungsweise aus dem zumindest einen ersten beziehungsweise zweiten Kanal auf. Bevorzugt sind die Verteilerbereiche in das Karosseriestrukturelement integriert. Das Karosseriestrukturelement weist dann lediglich zwei Gaszuleitungen und zwei Gasableitungen auf. Ebenfalls bevorzugt sind die Verteilerbereiche lösbar mit dem Karosseriestrukturelement verbunden. Derartige Verteilerbereiche sind insbesondere für Befeuchter mit wasserdampfdurchlässigen Hohlfasern oder Plattenmembranen bekannt, beispielsweise aus US 6,953,635 B2 und DE 10 2012 018 863 A1 .
Ebenfalls bevorzugt erfolgt die Integration eines Befeuchters in ein Karosseriestrukturelement durch Einbringen eines Befeuchtermoduls in den Hohlraum des Karosseriestrukturelements und durch Fixieren des Befeuchtermoduls darin. Die Gestalt von dem Befeuchtermodul ist dabei an den Hohlraum eines Karosseriestrukturelements angepasst, wobei das Befeuchtermodul selbst zumindest einen ersten Kanal für einen ersten Gasstrom, zumindest einen zweiten Kanal für einen zweiten Gasstrom und zumindest eine den zumindest einen ersten und den zumindest einen zweiten Kanal zumindest abschnittsweise voneinander trennende, wasserdampfdurchlässige Membran aufweist. Bevorzugt ist das Befeuchtermodul mittels einer stoffschlüssigen, formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung in dem Hohlraum fixiert. Ebenfalls bevorzugt ist das Befeuchtermodul in das Karosseriestrukturelement eingeschoben und darin eingespannt. Das Einspannen des Befeuchtermoduls erfolgt dabei bevorzugt mittels ein- oder zweiseitig lösbar mit dem Karosseriestrukturelement verbundenen Verteilerbereichen und/oder durch Befestigen des Karosseriestrukturelements an der Karosseriestruktur. Vorteilhaft erfordert diese Ausführungsform lediglich einen Hohlraum des Karosseriestrukturelements und Mittel zum Einspannen des Befeuchtermoduls beziehungsweise zum Befestigen der Verteilerbereiche an dem Karosseriestrukturelement. Das Befeuchtermodul kann vorteilhaft gesondert erzeugt werden, beispielsweise mittels Spritzgießen eines Gehäuses und Anordnen der zumindest einen Membran in diesem Gehäuse. Besonders bevorzugt ist das Karosseriestrukturelement als energieabsorbierender Stoßfänger eines Fahrzeugs ausgebildet, wobei das im Hohlraum angeordnete Befeuchtermodul zum Erhöhen der Crashperformance plastisch verformbar ist.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist das Karosseriestrukturelement zumindest abschnittsweise als Strangpressprofil mit zumindest zwei Kammern ausgebildet. Die zumindest zwei Kammern des Strangpressprofils weisen jeweils einen geschlossenen Querschnitt auf, das Strangpressprofil insgesamt kann hingegen einen offenen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise ist das Strangpressprofil als U-Profil ausgebildet, in dem Querverstrebungen in den Profileckbereichen jeweils eine Kammer begrenzen. Ebenfalls bevorzugt ist das Strangpressprofil als Strangpresshohlprofil, besonders bevorzugt als Mehrkammerstrangpresshohlprofil ausgebildet. Bevorzugt ist das Strangpressprofil als elastischer Stoßfänger eines Fahrzeugs ausgebildet und insbesondere über plastisch verformbare Crash-Boxen mit der Karosseriestruktur verbunden. Ebenfalls bevorzugt ist das Strangpressprofil als Fahrzeugquerträger oder als Fahrzeuglängsträger ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Karosseriestrukturelements weist ein Querschnitt des Strangpressprofils Profilstege zum Trennen der zumindest zwei Kammern auf. Die Ausrichtung und/oder Wandstärke der Profilstege sind dabei an die Einbaulage des Karosseriestrukturelements in der Karosseriestruktur angepasst. Insbesondere sind die Ausrichtung und die Wandstärke der Profilstege an zu erwartende Belastungen in Unfallsituationen des Fahrzeugs angepasst. Beispielsweise sind die Profilstege eines Vorderwagen-Querträgers im Wesentlichen in Fahrrichtung und somit in Richtung der bei Auffahrunfällen zu erwartenden maximalen Krafteinleitung orientiert. Hingegen sind die Profilstege eines Längsträgers in Richtung der bei Kollisionen am Seitenwagen zu erwartenden Krafteinleitung orientiert, beispielsweise im Wesentlichen quer zur Fahrrichtung des Fahrzeugs. Ebenfalls bevorzugt nimmt die Wandstärke der Profilstege in Richtung der zu erwartenden Belastung zu.
Ebenfalls bevorzugt sind die Profilstege zur Dissipation von mechanischer Energie mittels plastischer Deformation eingerichtet. Mit anderen Worten, sind die Profilstege derart ausgelegt, dass sie unter einer bestimmten Mindestkrafteinwirkung nachgeben. Insbesondere reagiert das Mehrkammerstrangpresshohlprofil auf Krafteinwirkungen unterhalb der Mindestkrafteinwirkung durch elastische Verformung und auf Krafteinwirkungen oberhalb der Mindestkrafteinwirkung durch plastische Verformung. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Stege eine entsprechende Materialstärke und/oder eine entsprechende Materialart und/oder Sollbruchstellen aufweisen, die jeweils oder in Kombination derart ausgebildet sind, dass sie unter der Mindestkrafteinwirkung verbiegen und/oder brechen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist zumindest eine Kammer eines Strangpressprofils, insbesondere ein Mehrkammerstrangpresshohlprofil, den ersten Kanal und die Mittel zum Befeuchten des ersten Gasstroms auf. Bevorzugt weist die Kammer den ersten und den zweiten Kanal und eine den ersten und zweiten Kanal zumindest abschnittsweise voneinander trennende wasserdampfdurchlässige Membran auf. Mit anderen Worten können Befeuchtermodule, wie obenstehend beschrieben, in ein oder mehrere Kammern eines Mehrkammerstrangpresshohlprofils integriert sein. Ebenfalls bevorzugt können in zumindest einer Kammer eines Mehrkammerstrangpresshohlprofils durch Einbringen zumindest einer wasserdampfdurchlässigen Membran, wie oben beschrieben, zumindest ein erster und ein zweiter Kanal ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Mehrkammerstrangpresshohlprofil mit einer Vielzahl kreiszylinderförmiger Hohlräume in jedem Hohlraum eine wasserdampfdurchlässige Hohlfaser aufweisen, sodass in jedem Hohlraum ein erster und ein zweiter Kanal koaxial ausgebildet sind. Durch entsprechend ausgebildete Verteilerbereiche, wie obenstehend beschrieben, wird ein erster Gasstrom in jeden ersten Kanal eingeleitet und wird ein zweiter Gasstrom in jeden zweiten Kanal eingeleitet.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist ein Strangpressprofil, insbesondere ein Mehrkammerstrangpressprofil, zumindest eine weitere Kammer auf, die mit einem geschäumten Material gefüllt ist. In diese weitere Kammer sind bevorzugt kein Befeuchtermodul und keine wasserdampfdurchlässige Membran integriert. Bei dem geschäumten Material kann es sich um einen geschäumten Kunststoff oder ein geschäumtes Metall, insbesondere Aluminium, handeln. Alternativ bevorzugt weist das Strangpressprofil zumindest eine weitere Kammer auf, die mit einer Wabenstruktur, besonders bevorzugt einer Aluminium-Wabenstruktur, gefüllt ist. Das Einbringen eines geschäumten Materials oder einer Wabenstruktur in eine weitere Kammer eines erfindungsgemäßen Karosseriestrukturelements in Form eines Strangpressprofils ermöglicht vorteilhaft eine zusätzliche Erhöhung der Crashperformance des Karosseriestrukturelements bei minimalem Mehrgewicht des Karosseriestrukturelements. Besonders bevorzugt ist der Materialwiderstand des geschäumten Materials und/oder der Wabenstruktur derart ausgelegt, dass auch hier oberhalb der Mindestkrafteinwirkung eine plastische Deformation, mit anderen Worten eine Dissipation von mechanischer Energie, erfolgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Karosseriestrukturelements ist ein Befeuchter mit zumindest einer wasserdampfdurchlässigen Membran in Form einer wasserdampfdurchlässig Plattenmembran in das Karosseriestrukturelement integriert. Dabei sind der erste Kanal und der zweite Kanal durch zumindest eine wasserdampfdurchlässige Plattenmembran voneinander getrennt. Bevorzugt ist eine Vielzahl von Plattenmembranen im Wesentlichen planparallel zueinander im Karosseriestrukturelement angeordnet, wobei jede Plattenmembran zwischen einem Teil des ersten Gasstroms und einem Teil des zweiten Gasstroms angeordnet ist. Somit sind der erste Kanal in eine Mehrzahl erster Kanäle und der zweite Kanal in eine Mehrzahl zweiter Kanäle unterteilt. Bevorzugt sind erste und zweite Kanäle im Wesentlichen parallel zueinander und abwechselnd aufeinander folgend im Karosseriestrukturelement angeordnet. Ebenfalls bevorzugt werden erste und zweite Kanäle parallel oder antiparallel von dem ersten Gasstrom und dem zweiten Gasstrom durchströmt.
Ebenfalls bevorzugt ist ein Befeuchter mit zumindest einer wasserdampfdurchlässigen Membran in Form einer wasserdampfdurchlässigen Hohlfaser in das Karosseriestrukturelement integriert, wobei der erste oder der zweite Gasstrom die Hohlfaser umströmt. Jede Hohlfaser weist einen Hohlfaserhohlraum auf, wobei der zumindest eine Hohlfaserhohlraum der zumindest einen Hohlfaser von dem zweiten oder ersten Gasstrom durchströmt wird und somit zumindest einen zweiten Kanal bildet. Ist eine Mehrzahl von Hohlfasern gemeinsam in einem umschlossenen Volumen eines Karosseriestrukturelement beziehungsweise einer Kammer eines Strangpressprofils angeordnet, strömt der die Hohlfaser umströmende Gasstrom bevorzugt parallel, antiparallel oder quer zu den Hohlfasern. Ist jeweils eine Hohlfaser in einer koaxial zu einer hohlzylinderförmigen Kammer eines Mehrkammerstrangpresshohlprofils angeordnet, strömt der die Hohlfaser umströmende Gasstrom bevorzugt parallel oder antiparallel zu der Hohlfaser.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Karosseriestrukturelements sind die Ausrichtung und/oder Wandstärke der zumindest einen wasserdampfdurchlässigen Membran an die Einbaulage des Karosseriestrukturelements in der Karosseriestruktur angepasst. Insbesondere sind die Ausrichtung und/oder die Wandstärke der zumindest einen wasserdampfdurchlässigen Membran an zu erwartende Belastungen in Unfallsituationen des Fahrzeugs angepasst. Beispielsweise sind die wasserdampfdurchlässigen Membranen eines in einen Vorderwagen-Querträger integrierten Befeuchters im Wesentlichen quer zur Fahrrichtung und somit quer zur Richtung der bei Auffahrunfällen zu erwartenden maximalen Krafteinleitung orientiert. Hingegen sind die wasserdampfdurchlässigen Membranen eines in einen Längsträger integrierten Befeuchters quer zur Richtung der bei Kollisionen am Seitenwagen zu erwartenden Krafteinleitung orientiert, beispielsweise im Wesentlichen parallel zur Fahrrichtung des Fahrzeugs. Ebenfalls bevorzugt nimmt die Wandstärke der Membranen in Richtung der zu erwartenden Belastung zu.
Ebenfalls bevorzugt sind die wasserdampfdurchlässigen Membranen und/oder Membranhalteelemente zum Aufnehmen beziehungsweise zur Dissipation von mechanischer Energie mittels plastischer Deformation eingerichtet. Mit anderen Worten, sind die wasserdampfdurchlässigen Membranen und/oder Membranhalteelemente derart ausgelegt, dass sie unter einer bestimmten Mindestkrafteinwirkung nachgeben. Insbesondere reagieren die wasserdampfdurchlässigen Membranen und/oder Membranhalteelemente auf Krafteinwirkungen unterhalb der Mindestkrafteinwirkung durch elastische Verformung und auf Krafteinwirkungen oberhalb der Mindestkrafteinwirkung durch plastische Verformung. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die wasserdampfdurchlässigen Membranen und/oder Membranhalteelemente eine entsprechende Materialstärke und/oder eine entsprechende Materialart und/oder Sollbruchstellen aufweisen, die jeweils oder in Kombination derart ausgebildet sind, dass sie unter der Mindestkrafteinwirkung verbiegen und/oder brechen.
Bei dem erfindungsgemäßen Karosseriestrukturelement handelt es sich besonders bevorzugt um eines von einem vorderen Stoßfänger-Querträger, einem Vorderwagen-Längsträger, einem Cockpit-Modulträger, einem Unterboden-Querträger, einem Unterboden-Längsträger, einem Schweller-Verstärkungsteil, einem Hinterwagen-Querträger, einem Hinterwagen-Längsträger und einem hinteren Stoßfänger-Querträger. Besonders bevorzugt handelt es sich bei diesen Bauelementen um Strangpressprofile, bevorzugt Mehrkammerstrangpresshohlprofile. Ist das Karosseriestrukturelement als vorderer Stoßfänger-Querträger ausgebildet, ist es besonders bevorzugt über ein als plastisch verformbare Crash-Box ausgebildetes Anbindungselement mit einem Vorderwagen-Längsträger verbunden. Die vorgenannten Karosseriestrukturelemente weisen ebenfalls bevorzugt jeweils zumindest ein Anbindungselement zum Verbinden mit einem weiteren Karosseriestrukturelement und/oder einem Karosserieanbauelement auf.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel, eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung. Die Anodenversorgung weist einen Anodenversorgungspfad zum Zuführen eines Anodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel und einen Anodenabgaspfad zum Abführen eines Anodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel auf. Die Kathodenversorgung weist einen Kathodenversorgungspfad zum Zuführen eines Kathodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel und einen Kathodenabgaspfad zum Abführen eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel auf. Das Brennstoffzellensystem weist erfindungsgemäß ein in der Anodenversorgung und/oder der Kathodenversorgung angeordnetes Karosseriestrukturelement, wie vorstehend beschrieben, auf. Mit anderen Worten ist der Befeuchter des Brennstoffzellensystems in ein Karosseriestrukturelement integriert.
Erfindungsgemäß sind die erste Gaszuleitung und die erste Gasableitung des ersten Kanals des Karosseriestrukturelements in einem Anodenversorgungspfad oder einem Kathodenversorgungspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet. Der erste Gasstrom ist bevorzugt ein Anodenbetriebsgasstrom oder ein Kathodenbetriebsgasstrom. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ein Karosseriestrukturelement mit einem zweiten Kanal mit einer zweiten Gaszuleitung und einer zweiten Gasableitung auf. Der zweite Kanal ist in einem Anodenabgaspfad oder einem Kathodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet und der zweite Gasstrom ist ein Anodenabgasstrom oder ein Kathodenabgasstrom. Der erste Kanal und der zweite Kanal sind zumindest abschnittsweise durch eine wasserdampfdurchlässige Membran voneinander getrennt. Bevorzugt sind die erste und die zweite Gaszuleitung und die erste und die zweite Gasableitung so angeordnet, dass der erste Gasstrom und der zweite Gasstrom als Kreuzströme oder Gegenströme zueinander geführt sind.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einer Karosseriestruktur enthaltend ein Karosseriestrukturelement, wie vorstehend beschrieben, und/oder mit einem Brennstoffzellensystem, wie vorstehend beschrieben. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine perspektivische Darstellung eines Karosseriestrukturelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Einbaulage und eine schematische Seitenansicht dieses Karosseriestrukturelements;
3 eine Detaildarstellung eines Karosseriestrukturelements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in Einbaulage;
4 eine Detaildarstellung eines Karosseriestrukturelements gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung in Einbaulage und eine schematische Darstellung von einem Querschnitt dieses Karosseriestrukturelements;
5 eine Detaildarstellung eines Karosseriestrukturelements gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in Einbaulage und eine schematische Darstellung von einem Querschnitt dieses Karosseriestrukturelements;
6 eine schematische Darstellung eines modular aufgebauten Karosseriestrukturelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
7 eine Detaildarstellung eines Karosseriestrukturelements gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in Einbaulage innerhalb einer Karosseriestruktur; und
8 eine schematische Darstellung einer Karosseriestruktur mit darin angeordneten Karosseriestrukturelementen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden. Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist, sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen Befeuchter 39 auf. Der Befeuchter 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmt wird. Andererseits ist der Befeuchter 39 so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Befeuchter 39 in der Anodenversorgung 20, insbesondere zwischen dem Anodenversorgungspfad 21 und dem Anodenabgaspfad 22, angeordnet sein (nicht dargestellt). Ein Befeuchter 39 ist in der Regel durch ein in einem Gehäuse angeordnetes Befeuchtermodul 39 gebildet, wobei das Befeuchtermodul 39 die Funktionalität der Befeuchtung erfüllt.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
2 zeigt ein Karosseriestrukturelement 40 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Teil einer Karosseriestruktur, das heißt in Einbaulage, in einer perspektivischen Darstellung sowie eine schematische Seitenansicht dieses Karosseriestrukturelements 40. Das Karosseriestrukturelement 40 ist als Vorderwagen-Querträger 53, insbesondere als Vorderwagen-Crashquerträger 53, ausgebildet und endseitig jeweils mit einem Vorderwagen-Längsträger 54 einer Karosseriestruktur verbunden.
Das Karosseriestrukturelement 40 gemäß der ersten Ausführungsform weist einen ersten Kanal (nicht dargestellt) für einen ersten, zu befeuchtenden Gasstrom auf, wobei der erste Kanal eine erste Gaszuleitung 42 und eine erste Gasableitung 43 aufweist. Das Karosseriestrukturelement 40 weist zudem Mittel zum Befeuchten des ersten Gasstroms auf, wobei es sich um einen zweiten Kanal (nicht dargestellt) für einen zweiten, feuchtigkeitsbeladenen Gasstrom handelt. Der zweite Kanal weist eine zweite Gaszuleitung 45 und eine zweite Gasableitung 46 auf. Die Gaszuleitungen 42, 45 und Gasableitungen 43, 46 sind dabei so angeordnet, dass der erste Gasstrom und der zweite Gasstrom im Befeuchter in entgegengesetzten Richtungen strömen. Im Inneren des Karosseriestrukturelements 40 sind der erste Kanal und der zweite Kanal zumindest abschnittsweise durch eine nicht dargestellte wasserdampfdurchlässige Membran voneinander getrennt. Somit ist in das Karosseriestrukturelement 40 ein Befeuchtermodul 39 für ein Brennstoffzellensystem 100 integriert, wobei das Befeuchtermodul 39 in der schematischen Seitendarstellung der 2 durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist.
Detaildarstellungen eines erfindungsgemäßen Karosseriestrukturelements 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind in den 3 und 4 gezeigt. Das Karosseriestrukturelement 40 ist als Vorderwagen-Crashquerträger 53 ausgebildet. Die Verbindung zu einem Vorderwagen-Längsträger 54 ist einseitig dargestellt. Das Karosseriestrukturelement 40 weist eine Außenwand 48 mit einem geschlossenen Querschnitt auf, die ein Volumen umschließt. In dem von der Außenwand 48 begrenzten Volumen ist ein Befeuchtermodul 39 angeordnet und mittels eines Klebstoffs fixiert. Das Befeuchtermodul 39 ist als strangextrudierter Kunststoffkörper ausgebildet, in dem eine Vielzahl wasserdampfdurchlässiger Hohlfasermembranen 47 angeordnet ist. Die Stabilisierung der Hohlfasermembranen 47 erfolgt mittels nicht gezeigter Membranhaltestrukturen in Form von nicht dargestellten, endseitig auf das Befeuchtermodul 39 aufgeschobenen Endkappen.
Das Befeuchtermodul 39 weist eine erste Gaszuleitung 42 und eine erste Gasableitung 43 auf, die über nicht gezeigte Verteilerbereiche jeweils mit den Hohlräumen der Vielzahl von Hohlfasermembranen 47 verbunden sind. Das Befeuchtermodul 39 weist eine zweite Gaszuleitung 45 und eine zweite Gasableitung 46 auf, die über nicht gezeigte Verteilerbereiche mit dem Innenraum des Befeuchtermoduls 39 verbunden sind. Die Gaszuleitungen 42, 45 und Gasableitungen 43, 46 sind dabei durch stoffschlüssig mit dem Befeuchtermodul 39 verbundene Verschlauchungen 57 gebildet, die in hohlzylinderförmige Aufsätze 58 der Außenwand 48 eingeführt werden. Die Aufsätze 58 weisen Flanschstrukturen 59 zum Verbinden mit anderen Bauelementen auf.
Insbesondere aus der Detaildarstellung und der schematischen Querschnittdarstellung der 4 ist ersichtlich, dass das von der Außenwand des Befeuchtermoduls 39 umschlossene Volumen einen zweiten Kanal 44 ausbildet, durch den ein zweiter, feuchtigkeitsbeladener Gasstrom so strömen kann, dass er die Vielzahl von Hohlfasermembranen 47 umströmt. Gleichzeitig kann ein erster, zu befeuchtender Gasstrom jeweils durch die Hohlräume der Hohlfasermembranen 47 strömen, die gemeinsam einen ersten Kanal 41 bilden. Durch die wasserdampfdurchlässigen Hohlfasern 47 erfolgt dabei jeweils ein Feuchtigkeitstransport von dem zweiten in den ersten Gasstrom beziehungsweise von dem zweiten 44 in den ersten Kanal 41. Die Vielzahl der Hohlfasermembranen 47 ist in Einbaulage des Vorderwagen-Querträgers 53 parallel zu dessen Längserstreckung, das heißt im Wesentlichen quer zu einer Geradeausfahrtrichtung eines Fahrzeugs, angeordnet. In einer Unfallsituation mit zunehmender Verformung des Vorderwagen-Querträgers 53 werden zunehmend mehr Hohlfasermembranen 47 plastisch verformt und erhöhen somit die Crashperformance des Querträgers 53.
Eine Detaildarstellung einer alternativen, dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Karosseriestrukturelements 40 ist in der 5 gezeigt. Das Karosseriestrukturelement 40 ist wiederrum als Vorderwagen-Crashquerträger 53 ausgebildet. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Vorderwagen-Crashquerträger 53 als Mehrkammerstrangpresshohlprofil ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Kammern 50, 51 auf, die durch Profilstege 52 voneinander getrennt sind. In einer ersten Kammer 50 des Karosseriestrukturelements 40, 53 ist ein Befeuchtermodul 39 angeordnet. Das gezeigte Befeuchtermodul 39 weist analog zu dem mit Bezug zu den 3 und 4 beschriebenen Befeuchtermodul 39 eine Vielzahl von Hohlfasermembranen 47 auf, deren Hohlräume gemeinsam einen ersten Kanal 41 für einen ersten, zu befeuchtenden Gasstrom bilden. Das Befeuchtermodul 39 weist ebenfalls analog einen zweiten Kanal 44 für einen zweiten, feuchtigkeitsbeladenen Gasstrom auf.
Anders als in der zweiten Ausführungsform weist in dem Befeuchtermodul 39 gemäß der dritten Ausführungsform nur der zweite Kanal 44 eine zweite Gaszuleitung (nicht dargestellt) und eine zweite Gasableitung 46 in Form einer Verschlauchung 57 auf. Diese sind wiederrum in korrespondierende Aufsätze 58 mit Flanschstrukturen 59 der Außenwand 48 des Karosseriestrukturelements 40 eingeführt. Der durch die Vielzahl der Hohlräume der Hohlfasermembranen 47 gebildete erste Kanal 41 weist hingegen eine (nicht dargestellte) erste Gaszuleitung auf, die durch die Summe erster Enden der Vielzahl von Hohlfasermembranen gebildet ist, und eine (nicht dargestellte) erste Gasableitung auf, die durch die Summe zweiter Enden der Vielzahl von Hohlfasermembranen gebildet ist. Bevorzugt sind die erste Gaszuleitung und Gasableitung durch endseitig an dem Vorderwagen-Querträger 53 befestigte Verteilerbereiche gebildet. Besonders bevorzugt sind die Verteilerbereiche in beidseitig auf den Vorderwagen-Querträger 53 aufgeschobenen Endkappen angeordnet.
Das Befeuchtermodul 39 gemäß der dritten Ausführungsform ist mittels eines als Schraffur dargestellten geschäumten Kunststoffmaterials stoffschlüssig in der ersten Kammer 50 fixiert. Das geschäumte Kunststoffmaterial ist ebenfalls in einer zweiten Kammer 51 des Karosseriestrukturelements 40, 53 angeordnet. Das geschäumte Material und die Profilstege 52 sind zur Dissipation mechanischer Energie, das heißt zum Umwandeln mechanischer Energie in Wärme mittels plastischer Deformation, eingerichtet. Somit tragen das geschäumte Material und die Profilstege 52 zur Crashperformance des Karosseriestrukturelements 40 bei. Die Vielzahl der Hohlfasermembranen 47 ist in Einbaulage des Querträgers 53 parallel zu dessen Längserstreckung, das heißt im Wesentlichen quer zu einer Geradeausfahrtrichtung eines Fahrzeugs, angeordnet. In einer Unfallsituation mit zunehmender Verformung des Querträgers 53 werden nach und nach mehr Hohlfasermembranen 47 plastisch verformt und nehmen somit ebenfalls mechanische Energie auf. Somit erhöht die Integration des Befeuchtermoduls 39 in das Karosseriestrukturelement 40 die Crashperformance des Vorderwagen-Querträgers 53 zusätzlich.
Eine besonders einfache Ausführungsform eines als Vorderwagen-Crashträgers 53 ausgebildeten Karosseriestrukturelements 40 mit integriertem Befeuchtermodul 39 gemäß der Erfindung ist in 6 dargestellt. Das Befeuchtermodul 39 liegt als Halbzeug vor und weist die komplette Funktionalität eines Befeuchters 39 eines Brennstoffzellensystems 100 auf. Wie auch bei den anderen Ausführungsform müssen lediglich die erste Gaszuleitung 42 und die erste Gasableitung 43 in einen Kathodenversorgungspfad 31 und die zweite Gaszuleitung 45 und die zweite Gasableitung 46 in einen Kathodenabgaspfad 32 eines Brennstoffzellensystems 100 integriert werden, um das Befeuchtermodul 39 als Befeuchter 39 eines Brennstoffzellensystems 100 in Betrieb zu nehmen. Die Abmessungen des Befeuchtermoduls 39 sind an die Abmessungen eines Hohlraums eines Karosseriestrukturelements 40, 53 angepasst. Das Karosseriestrukturelement 40, 53 ist durch einen im Wesentlichen quaderförmigen Mittelteil und beidseitig daran befestigte Endkappen 60 gebildet. Gemäß dieser Ausführungsform kann das Befeuchtermodul 39 durch Abnehmen zumindest einer Endkappe 60 in das Karosseriestrukturelement 40, 53 eingeschoben werden. Zudem müssen die Verschlauchungen 57 des Befeuchtermoduls 39 in die Aufsätze 58 des Karosseriestrukturelements 40 eingeführt werden, bevor das Befeuchtermodul 39 durch Befestigen beider Endkappen 60 in dem Karosseriestrukturelement 40, 53 verspannt wird.
Eine Detaildarstellung einer alternativen, vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Karosseriestrukturelements 40 mit integriertem Befeuchtermodul 39 ist in der 7 gezeigt. Dabei ist ein Befeuchtermodul 39 in ein als Vorderwagen-Längsträger 54 ausgebildetes Karosseriestrukturelement 40 integriert. Der Vorderwagen-Längsträger ist dabei als Teil einer ausschnittsweise gezeigten Karosseriestruktur 56 dargestellt, an der auch ein Kühler 61 befestigt ist. Das Befeuchtermodul 39 ist dabei analog zu dem in den 3 und 4 dargestellten Befeuchtermodul 39 ausgebildet und ebenso wie dieses in einem, von der Außenwand 48 des Karosseriestrukturelements 40 eingeschlossenen Volumen angeordnet. Identische Merkmale des Befeuchtermoduls 39 sind mit identischen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht näher erläutert. In 7 sind lediglich die erste und zweite Gaszuleitung 42, 45 dargestellt, gleichwohl das Befeuchtermodul 39 auch erste und zweite Gasableitungen (nicht dargestellt) aufweist.
Eine schematische Darstellung einer Karosseriestruktur 56 eines Fahrzeugs mit darin angeordneten Karosseriestrukturelementen 40, 53, 54 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in der 8 dargestellt. Ein Motorraum der Karosseriestruktur 56 wird dabei einseitig durch einen Vorderwagen-Querträger 53 mit daran befestigtem Kühler 61 und zweiseitig von Vorderwagen-Längsträgern 54 begrenzt. Gegenüber dem Vorderwagen-Querträger 53 ist der Motorraum durch einen Cockpit-Modulträger 55 begrenzt. Der Vorderwagen-Querträger 53 und die daran befestigten Vorderwagen-Längsträger 54 sind als Karosseriestrukturelemente 40 mit integriertem Befeuchtermodul 39 gemäß der Erfindung dargestellt. Eine nicht dargestellte Anordnung eines Befeuchtermoduls 39 in einem Cockpit-Modulträger 55 ist ebenfalls bevorzugt.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Rezirkulationsfördereinrichtung
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchter(modul)
40: Karosseriestrukturelement
41: erster Kanal
42: erste Gaszuleitung
43: erste Gasableitung
44: zweiter Kanal
45: zweite Gaszuleitung
46: zweite Gasableitung
47: wasserdampfdurchlässige Hohlfasermembran
48: Außenwand
49: Strangpressprofil
50: Kammer
51: Kammer
52: Profilsteg
53: Stoßfänger-Querträger
54: (Vorderwagen)Längsträger
55: Cockpit-Modulträger
56: Karosseriestruktur
57: Verschlauchung
58: Aufsatz
59: Flanschstruktur
60: Endkappen
61: Kühler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 6953635 B2 [0015]
DE 102012018863 A1 [0015]

Claims

Karosseriestrukturelement (40) zum Erhöhen der Steifigkeit und/oder der Crashperformance einer Karosseriestruktur (56) eines Fahrzeugs, aufweisend einen ersten Kanal (41) für einen ersten Gasstrom mit einer ersten Gaszuleitung (42) und mit einer ersten Gasableitung (43) und Mittel zum Einbringen von Feuchtigkeit in den ersten Gasstrom.
Karosseriestrukturelement (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einbringen von Feuchtigkeit einen zweiten Kanal (44) für einen zweiten Gasstrom mit einer zweiten Gaszuleitung (45) und mit einer zweiten Gasableitung (46) und eine wasserdampfdurchlässige Membran (47) aufweisen, wobei der erste Kanal (41) und der zweite Kanal (44) zumindest abschnittsweise durch die wasserdampfdurchlässige Membran (47) voneinander getrennt sind.
Karosseriestrukturelement (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Karosseriestrukturelement (40) zumindest abschnittsweise eine ein Volumen des Karosseriestrukturelements (40) umschließende Außenwand (48) mit geschlossenem Querschnitt aufweist und der erste Kanal (41) und die Mittel zum Einbringen von Feuchtigkeit in dem Volumen angeordnet sind.
Karosseriestrukturelement (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Karosseriestrukturelement (40) zumindest abschnittsweise als Strangpressprofil (49) mit zumindest zwei Kammern (50, 51) ausgebildet ist.
Karosseriestrukturelement (40) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des Strangpressprofils (49) Profilstege (52) zum Trennen der zumindest zwei Kammern (50, 51) aufweist, wobei Ausrichtung und/oder Wandstärke der Profilstege (52) an die Einbaulage des Karosseriestrukturelements (40) in der Karosseriestruktur (56) angepasst und die Profilstege (52) zur Dissipation mechanischer Energie eingerichtet sind.
Karosseriestrukturelement (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserdampfdurchlässige Membran (47) zumindest eine wasserdampfdurchlässige Plattenmembran ist oder die Membran (47) eine in dem ersten Kanal (41) angeordnete wasserdampfdurchlässige Hohlfaser (47) ist, wobei der zweite Gasstrom die zumindest eine Hohlfaser (47) umströmt und der zumindest eine Hohlfaserhohlraum (44) zumindest einen ersten Kanal für den ersten Gasstrom bildet.
Karosseriestrukturelement (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung und/oder die Wandstärke der wasserdampfdurchlässigen Membran (47) an die Einbaulage des Karosseriestrukturelements (40) in der Karosseriestruktur (56) angepasst und die wasserdampfdurchlässige Membran (47) und/oder Membranhalteelemente zur Dissipation mechanischer Energie eingerichtet sind.
Karosseriestrukturelement (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Karosseriestrukturelement (40) um eines von einem vorderen Stoßfänger-Querträger (53), einem Vorderwagen-Längsträger (54), einem Cockpit-Modulträger (55), einem Unterboden-Querträger, einem Unterboden-Längsträger, einem Schweller-Verstärkungsteil, einem Hinterwagen-Querträger, einem Hinterwagen-Längsträger und einem hinteren Stoßfänger-Querträger handelt.
Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (10); eine Anodenversorgung (20) mit einem Anodenversorgungspfad (21) zum Zuführen eines Anodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel (10) und mit einem Anodenabgaspfad (22) zum Abführen eines Anodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel (10); eine Kathodenversorgung (30) mit einem Kathodenversorgungspfad (31) zum Zuführen eines Kathodenbetriebsmediums zu dem Brennstoffzellenstapel (10) und mit einem Kathodenabgaspfad (32) zum Abführen eines Kathodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel (10); und ein in der Anodenversorgung (20) und/oder der Kathodenversorgung (30) angeordnetes Karosseriestrukturelement (40) nach einem Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Gaszuleitung (42) und die erste Gasableitung (43) des ersten Kanals (41) in einem Anoden- oder Kathodenversorgungspfad (21, 31) des Brennstoffzellensystems (100) angeordnet sind und der erste Gasstrom ein Anoden- oder Kathodenbetriebsgasstrom ist.
Fahrzeug mit einer Karosseriestruktur (56) enthaltend ein Karosseriestrukturelement (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9.