DE102018211408A1 - Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug, welches ein solches Brennstoffzellensystem (10) aufweist. Das Brennstoffzellensystem (10) umfasst dabei ein Kühlmodul (14), ein elektrisches Antriebsmodul (18), ein Brennstofftankmodul (22) und wenigstens eine Brennstoffzellenvorrichtung (26). Das Brennstoffzellenvorrichtung (26) umfasst dabei eine Brennstoffzelle (30), eine Kühlanschlusseinheit (38), welche mit der Brennstoffzelle (30) verbunden ist, wobei die Kühlanschlusseinheit (38) Kühlanschlüsse (50) aufweist, mit welchen die Brennstoffzellenvorrichtung (26) mit dem Kühlmodul (14) verbindbar ist, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung (26) über das Kühlmodul (14) kühlbar ist, Stromanschlüsse (34), welche mit der Brennstoffzelle (30) verbunden sind, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung (26) mit dem elektrischen Antriebsmodul (18) verbindbar und das elektrische Antriebsmodul (18) mit Strom versorgbar ist, eine Luftanschlusseinheit (54), welche mit der Brennstoffzelle (30) verbunden ist, wobei die Luftanschlusseinheit (54) Luftanschlüsse (62) aufweist, über welche der Brennstoffzellenvorrichtung (26) Luft zu- und abführbar ist, und eine Brennstoffzuführeinheit (66), welche mit der Brennstoffzelle (30) verbunden ist, wobei die Brennstoffzuführeinheit (66) einen Brennstoffanschluss (70) aufweist, mit welchem die Brennstoffzellenvorrichtung (26) mit dem Brennstofftankmodul (74) verbindbar ist, so dass der Brennstoffzelle (30) Brennstoff zuführbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug, welches ein solches Brennstoffzellensystem aufweist.
  • Brennstoffzellensysteme werden insbesondere bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen eingesetzt. Bei diesen Fahrzeugen wird der Brennstoff über die Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt, um einen elektrischen Antriebsmotor anzutreiben und/oder einen Energiespeicher aufzuladen. Um den Betrieb der Brennstoffzelle sicherzustellen ist die Brennstoffzelle dabei über einen mengengeregelten Brennstoffpfad mit dem Brennstofftank verbunden. Der elektrische Strom wird dabei bedarfsabhängig über Schaltungen entweder in den elektrischen Energiespeicher oder zu dem elektrischen Antriebsmotor geleitet. Vorteilhafterweise ist die Brennstoffzelle mit einem Kühlsystem verbunden, so dass die Brennstoffzelle schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden kann, oder das die Brennstoffzelle gekühlt werden kann.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10 2011 076 737 A1 ist ein Brennstoffzellensystem für ein Elektro-Hybrid- oder Brennstoffzellen-Fahrzeuges bekannt.
  • Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass für Fahrzeuge mit verschiedenen benötigten Leistungen ein neues Brennstoffzellensystem entwickelt werden muss. Dadurch ist der Einsatz von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen teuer.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem für Kraftfahrzeuge anzugeben, welches wirtschaftlicher in Kraftfahrzeugen einsetzbar ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich eines Kraftfahrzeuges, welches ein solches Brennstoffzellensystem aufweist, wird auf Anspruch 8 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Die Erfindung gibt ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug an, wobei das Brennstoffzellensystem ein Kühlmodul, ein elektrisches Antriebsmodul, ein Brennstofftankmodul und wenigstens eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst dabei eine Brennstoffzelle, eine Kühlanschlusseinheit, welche mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei die Kühlanschlusseinheit Kühlanschlüsse aufweist, mit welchen die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Kühlmodul verbindbar ist, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung über das Kühlmodul kühlbar ist, Stromanschlüsse, welche mit der Brennstoffzelle verbunden sind, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem elektrischen Antriebsmodul verbindbar und das elektrische Antriebsmodul mit Strom versorgbar ist, eine Luftanschlusseinheit, welche mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei die Luftanschlusseinheit Luftanschlüsse aufweist, über welche der Brennstoffzellenvorrichtung Luft zu- und abführbar ist, und eine Brennstoffzuführeinheit, welche mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei die Brennstoffzuführeinheit eine Brennstoffanschluss aufweist, mit welchem die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Brennstofftankmodul verbindbar ist, so dass der Brennstoffzelle Brennstoff zuführbar ist.
  • Als Modul im Sinne der Erfindung wird eine für sich abgeschlossene Einheit verstanden, welche lediglich über wenige Verbindungen mit bspw. anderen Modulen verbunden ist.
  • Der modulare Aufbau des Brennstoffzellensystem ermöglicht es, dass für die Verwendung dieses Systems in einem Kraftfahrzeug lediglich das Kühlmodul, das elektrische Antriebsmodul, welches bevorzugt einen Hochvolt-Energiespeicher umfasst, und das Brennstofftankmodul an die fahrzeugspezifischen Gegebenheiten angepasst werden müssen. Die Brennstoffzellenvorrichtung, welche das Kernstück des Brennstoffzellensystems bildet kann unverändert für verschiedene Kraftfahrzeuge eingesetzt werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung benötigt dadurch auch keine erneute kostenintensive technische Abnahme und Gutachten. Dadurch ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems auch für verschiedene Kraftfahrzeuge wirtschaftlich möglich.
  • Durch den modularen Aufbau des Brennstoffzellensystems ist es möglich, die verschiedenen Module bedarfsgerechter im Kraftfahrzeug zu positionieren. Dadurch können die Module hinsichtlich einer besseren Zugänglichkeit und Wartungsfreundlichkeit positioniert werden. Zudem muss in einem Fehlerfall in einem Modul nicht das gesamt Brennstoffzellensystem ausgetauscht werden, sondern es muss lediglich, dass fehlerhafte Modul getauscht werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem wenigstens zwei Brennstoffzellenvorrichtungen auf, welche parallel miteinander verschaltet sind. Durch eine Verschaltung der Brennstoffzellenvorrichtungen, kann die Leistung vergrößert werden, ohne die Brennstoffzellenvorrichtung zu ändern. Dadurch kann auf einfache und wirtschaftliche Weise die für verschiedene Kraftfahrzeuge unterschiedlich benötigte Leistung dargestellt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung sind das Kühlmodul, das Antriebsmodul und/oder das Brennstofftankmodul zum Anschluss an eine Kraftfahrzeuginfrastruktur angepasst. Dadurch ist das Brennstoffzellensystem mit verschiedenen Kraftfahrzeugen verbindbar. Die Anpassung beschränkt sich jedoch aufgrund des Modulares Aufbaus auf wenige einfache Anschlüsse, wie Elektrik, Kühlwasser, Luftzufuhr, Wasserstoffzufuhr und Aufhängung. Dadurch ist eine einfache Anpassung an die Fahrzeuginfrastruktur möglich. Die Kosten für die Anpassung an andere Kraftfahrzeuge werden dadurch reduziert.
  • Vorzugsweise ist eine Anzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen entsprechend der Antriebsleistung des Kraftfahrzeuges gewählt. Um eine bestimmte Antriebsleistung zu erzielten ist somit lediglich notwendig die Anzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen zu erhöhen. Dadurch kann ohne die Brennstoffzellenvorrichtung zu verändern, jede Antriebsleistung erzielt werden. Dies ermöglicht eine schnelle und wirtschaftliche Bereitstellung von Brennstoffzellensystemen für Kraftfahrzeuge mit unterschiedlichen Antriebsleistungen.
  • Das Antriebsmodul ist vorzugsweise entsprechend einer Antriebsleistung des Kraftfahrzeuges ausgelegt. Dadurch kann eine ausreichende Antriebsleistung zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges bereitgestellt werden.
  • Vorteilhafterweise ist das Kühlmodul entsprechend der Anzahl an Brennstoffzellenvorrichtung ausgelegt. Dadurch wird eine ausreichende Kühlleistung erreicht, um die Brennstoffzellen zu kühlen oder vorzuheizen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Brennstofftankmodul entsprechend der Anzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen und einer Reichweite des Kraftfahrzeuges ausgelegt. Dadurch kann auch für eine vorgesehene Reichweite ausreichend Brennstoff für die Brennstoffzellenvorrichtungen bereitgestellt werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird zusätzlich durch ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gelöst.
  • Mit dem Kraftfahrzeug können somit die zu dem Brennstoffzellensystem angegebenen Vorteile erzielt werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug nach einem ersten Ausführungsbeispiel; und
    • 2 Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 für ein Kraftfahrzeug nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ein Kühlmodul 14, ein elektrisches Antriebsmodul 18, ein Brennstofftankmodul 22 und eine Brennstoffzellenvorrichtung 26. Das Kühlmodul 14, das elektrisches Antriebsmodul 18 und das Brennstofftankmodul 22 sind dabei fahrzeugspezifisch angepasst, um mit Anschlüssen des Kraftfahrzeuges verbindbar zu sein. Das Kühlmodul 14 weist dabei einen Kühlkreislauf auf, mit welchem das Kühlmedium heruntergekühlt werden kann. Das elektrische Antriebsmodul 18 umfasst wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor, mit dem das Kraftfahrzeug antreibbar ist und optional einen Hochvolt-Energiespeicher, in dem die elektrische Energie gespeichert werde kann. In dem Brennstofftankmodul 22 ist der für eine Brennstoffzelle 30 benötigte Brennstoff gespeichert.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung 26 umfasst die Brennstoffzelle 30, welche über Stromanschlüsse 34 mit dem elektrischen Antriebsmodul 18 verbindbar und das elektrische Antriebsmodul 18 mit Strom versorgt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 26 umfasst zusätzlich eine Kühlanschlusseinheit 38, welche über eine Kühlzuführleitung 42 und eine Kühlabführleitung 46 mit der Brennstoffzelle 30 verbunden ist. Die Kühlanschlusseinheit 38 weist Kühlanschlüsse 50 auf, mit welchen die Brennstoffzellenvorrichtung 26 mit dem Kühlmodul 14 verbindbar ist. In der Kühlanschlusseinheit 38 wird das von dem Kühlmodul 14 empfangene Kühlmedium derart vorbereitet, dass es zur Kühlung der Brennstoffzelle 30 direkt über die Kühlzuführleitung 42 zugeführt werden kann. Das erhitzte Kühlmedium wird über die Kühlabführleitung 46, die Kühlanschlusseinheit 38 und die Kühlanschlüsse 50 zurückgeführt zu dem Kühlmodul 14. Die Brennstoffzellenvorrichtung 26 umfasst darüber hinaus eine Luftanschlusseinheit 54, welche über eine Luftzuführleitung 56 und eine Luftabführleitung 58 mit der Brennstoffzelle 30 verbunden ist. In der Luftanschlusseinheit 54 wird die über die Luftanschlüsse 62 zugeführte Umgebungsluft derart aufbereitet, dass diese der Brennstoffzelle 30 zugeführt werden kann. Die verbrauchte Luft wird über die Luftabführleitung 58, die Luftanschlusseinheit 54 und die Luftanschlüsse 62 an die Umgebung abgegeben. Die Brennstoffzellenvorrichtung 26 umfasst eine Brennstoffzuführeinheit 66, welche über einen Brennstoffanschluss 70 mit dem Brennstofftankmodul 22 verbunden ist. In der Brennstoffzuführeinheit 66 wird der Brennstoff für die Brennstoffzelle 30 vorbereitet, so dass der Brennstoff über eine Brennstoffzuführleitung 78 direkt an die Brennstoffzelle 30 abgegeben werden kann.
  • In 2 ist ein Brennstoffzellensystem 10 für ein Kraftfahrzeug nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass zwei Brennstoffzellenvorrichtungen 26 verwendet werden. Der Aufbau der anderen Module 14, 18, 22 bleibt dahingegen gleich. Die beiden Brennstoffzellenvorrichtungen 26 sind dabei parallel miteinander verbunden. Dadurch wird die doppelte Leistung im Vergleich zu einer einzigen Brennstoffzellenvorrichtungen 26 erzielt. Es ist somit möglich die Leistung durch eine Anordnung mehrerer Brennstoffzellenvorrichtungen 26 zu vergrößern.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011076737 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Brennstoffzellensystem (10) für ein Kraftfahrzeug umfassend ein Kühlmodul (14), ein elektrisches Antriebsmodul (18), ein Brennstofftankmodul (22) und wenigstens eine Brennstoffzellenvorrichtung (26), wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (26) umfasst: - eine Brennstoffzelle (30), - eine Kühlanschlusseinheit (38), welche mit der Brennstoffzelle (30) verbunden ist, wobei die Kühlanschlusseinheit (38) Kühlanschlüsse (50) aufweist, mit welchen die Brennstoffzellenvorrichtung (26) mit dem Kühlmodul (14) verbindbar ist, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung (26) über das Kühlmodul (14) kühlbar ist, - Stromanschlüsse (34), welche mit der Brennstoffzelle (30) verbunden sind, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung (26) mit dem elektrischen Antriebsmodul (18) verbindbar und das elektrische Antriebsmodul (18) mit Strom versorgbar ist, - eine Luftanschlusseinheit (54), welche mit der Brennstoffzelle (30) verbunden ist, wobei die Luftanschlusseinheit (54) Luftanschlüsse (62) aufweist, über welche der Brennstoffzellenvorrichtung (26) Luft zu- und abführbar ist, und - eine Brennstoffzuführeinheit (66), welche mit der Brennstoffzelle (30) verbunden ist, wobei die Brennstoffzuführeinheit (66) einen Brennstoffanschluss (70) aufweist, mit welchem die Brennstoffzellenvorrichtung (26) mit dem Brennstofftankmodul (74) verbindbar ist, so dass der Brennstoffzelle (30) Brennstoff zuführbar ist.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) wenigstens zwei Brennstoffzellenvorrichtungen (26) aufweist, welche parallel miteinander verschaltet sind.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (14), das Antriebsmodul (18) und/oder das Brennstofftankmodul (74) zum Anschluss an eine Kraftfahrzeuginfrastruktur angepasst sind.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen (26) entsprechend der Antriebsleistung des Kraftfahrzeuges gewählt ist.
  5. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmodul (18) entsprechend einer Antriebsleistung des Kraftfahrzeuges ausgelegt ist.
  6. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (14) entsprechend der Anzahl an Brennstoffzellenvorrichtung (26) ausgelegt ist.
  7. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstofftankmodul (74) entsprechend der Anzahl an Brennstoffzellenvorrichtungen (26) und einer Reichweite des Kraftfahrzeuges ausgelegt ist.
  8. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
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