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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Montageplatte, auf der eine Brennstoffzelleneinheit mit einer vordefinierten Anzahl an Brennstoffzellen angeordnet ist. Die Montageplatte und die Brennstoffzelleneinheit umfassen Medienanschlüsse zur Führung von Medien, insbesondere zur Führung eines Kühlmittels und/oder zur Führung von Reaktanten. Zudem umfassen die Montageplatte und die Brennstoffzelleneinheit elektrische Kontaktpunkte zur elektrischen Anbindung der Brennstoffzelleneinheit an die Montageplatte.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden eingesetzt, um in einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei Brennstoffzellenvorrichtungen, insbesondere wenn sie in einem Kraftfahrzeug Verwendung finden, variierenden Leistungsanforderungen und Umgebungsparametern unterliegen.
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Ein Brennstoffzellenmodul mit einer Mehrzahl an Brennstoffzellenstapeln ist beispielsweise aus der
US 9,190,693 B2 bekannt. Hierbei ist eine Grundplatte vorgesehen, auf der insgesamt drei verschiedene Brennstoffzellenstapel verteilt angeordnet sind. Zu Servicezwecken können einzelne der Brennstoffzellenstapel von der Grundplatte abgenommen werden, ohne dass dabei der Betrieb der übrigen Brennstoffzellenstapel unterbunden werden müsste. Es wird als nachteilig empfunden, dass aufgrund der verteilten Anordnung der Brennstoffzellenstapel an der Grundplatte nur eine sehr begrenzte Anzahl an Brennstoffzellenstapeln eingesetzt werden kann, da andernfalls das Brennstoffzellenmodul sehr viel Bauraum verbrauchen würde. Ein einmal konstruiertes Brennstoffzellensystem ist also nur innerhalb sehr engen Grenzen erweiterbar.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass sie flexibel an die gewünschten Einsatzbedingungen angepasst werden kann. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Überwachung und baulichen Anpassung einer Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, bei dem eine solche flexible Brennstoffzellenvorrichtung Einsatz findet.
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Der die Brennstoffzellenvorrichtung betreffenden Teil der Aufgabe wird mit einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Brennstoffzellenvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass weitere Medienanschlüsse und weitere elektrische Kontaktpunkte derart an der Brennstoffzelleneinheit ausgestaltet oder angeordnet sind, dass die Brennstoffzelleneinheit an eine zweite Brennstoffzelleneinheit fluidmechanisch zur weiteren Führung der Medien und elektrisch zur Stromabnahme anbindbar oder angebunden ist. Damit wird also eine modular erweiterbare Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellt, die flexibel an die vom jeweiligen Nutzer vorgesehene Anwendung angepasst werden kann. Die Anpassung erfolgt dabei auf historisch oder empirisch ermittelten Daten zu Betriebsparametern der Brennstoffzellenvorrichtung.
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Um ein besonders kompaktes, modulares System zu bilden, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn mindestens 2 der Brennstoffzelleneinheiten zu einem Stapel zusammengefasst sind.
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Eine besonders vorteilhafte Konstruktion der Brennstoffzellenvorrichtung erlaubt dann eine sehr einfache Erweiterung, wenn der Montageplatte ein Montagegerüst mit Schubfächern zugeordnet ist, in welche die Brennstoffzelleneinheiten eingeschoben oder woraus sie entnommen werden können, und wenn das Montagegerüst mit Medienleitungen und mit elektrischen Leitungen derart ausgestaltet ist, dass die in den Schubfächern eingeschobenen Brennstoffzelleneinheiten mit der Montageplatte fluidmechanisch und elektrisch verbunden sind. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten unmittelbar eineinander kontaktieren, da auch Schubfächern innerhalb des Montagegerüst zwischen zwei Brennstoffzelleneinheiten frei bleiben können und dennoch eine fluiddichte Verbindung des Kühlmittels und der Reaktanten vorliegt. Zudem liegt eine sichere elektrische Kontaktierung zwischen den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten vor, sodass diese vorzugsweise in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
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Alternativ oder ergänzend besteht die Möglichkeit, dass eine Montageendplatte eingesetzt wird, welche mit der am weitesten von der Montageplatte entfernt angeordneten Brennstoffzelleneinheit in Kontakt steht, und dass die Montageendplatte mittels mindestens einem Zugelement mit der Montageplatte, insbesondere lösbar, verspannt ist. Zwischen der Montageplatte und der Montageendplatte kann eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten angeordnet werden, sodass beispielsweise in Abhängigkeit des Bauraums innerhalb eines Kraftfahrzeuges, eine optimierte Auslegung der Brennstoffzellenvorrichtung mit stabilem Aufbau realisiert ist.
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In diesem Zusammenhang hat es sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens ein Sensor vorhanden ist, der ausgestaltet ist, eine Vorspannkraft des mindestens einen Zugelements zu erfassen. In Abhängigkeit dieses Sensorsignals kann also gewährleistet werden, dass auch beim Einsatz einer sehr großen Anzahl von Brennstoffzelleneinheiten der Stapel fluiddicht mittels des Zugelements verpresst ist und insbesondere die elektrischen Kontakte miteinander in Verbindung stehen.
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Um unterschiedliche charakterisierende Größen, wie Leistungsanforderung, wie Betriebsdauer, wie Geschwindigkeit usw. aufzeichnen zu können, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn mit der Montageplatte ein einen Speicher aufweisendes Steuergerät kommunikationsverbunden ist, das ausgestaltet ist, einen oder mehrere Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung abzufragen und einen zeitlichen Verlauf des einen oder der mehreren Betriebsparameter aufzuzeichnen. Dieses Steuergerät kann dann im Servicefall ausgelesen werden und die Brennstoffzellenvorrichtung dann daraufhin untersucht werden, ob die Brennstoffzellenvorrichtung optimal, d. h. an das Nutzerverhalten, angepasst ist.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren zur Überwachung und baulichen Anpassung einer Brennstoffzellenvorrichtung ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
- - Erfassen von einem oder von mehreren Betriebsparametern der Brennstoffzellenvorrichtung mittels eines Steuergeräts,
- - Aufzeichnen und Auswerten des zeitlichen Verlaufs des einen oder der mehreren Betriebsparameter,
- - Rrweitern der Brennstoffzellenvorrichtung um eine oder um mehrere Brennstoffzelleneinheiten, wenn die Auswertung ergibt, dass die Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich ihrer abzugebenden Leistung zu gering ausgelegt ist, oder
- - Reduzieren der Brennstoffzellenvorrichtung um eine oder um mehrere Brennstoffzelleneinheiten, wenn die Auswertung ergibt, dass die Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich ihrer abzugebenden Leistung zu groß ausgelegt ist.
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Dieses Verfahren eröffnet also den Nutzern die Möglichkeit, dass die Brennstoffzellenvorrichtung an die tatsächlichen Einsatzgegebenheiten angepasst werden kann, aufgrund der vom Steuergerät aufgezeichneten Daten. Die Schätzung der neuen Brennstoffzellenanzahl, und damit der neuen Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten, kann dann über unterschiedliche Parameter, einzeln oder in Kombination erfolgen. Zu diesen Parametern können die Spannungslage des Stapels, die Vorspannkräfte des Stapels, die Konfiguration der Schubfächer für den Einschub der Brennstoffzelleneinheiten und hinsichtlich des Druckverlustes an Medien, beispielsweise Luft, der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgen.
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Wenn sich beim Auswerten des zeitlichen Verlaufs des einen oder der mehreren Betriebsparameter ergibt, dass dieser innerhalb eines Toleranzintervalls liegt, mithin also ein Toleranzintervall für zumindest einen der Betriebsparameter der Brennstoffzelleneinrichtung vorgegeben ist, so wird für diesen einen Betriebsparameter ein Volumenstrom von einem oder von mehreren der durch die Montageplatte und die eine oder die mehreren Brennstoffzelleneinheiten strömenden Medien angepasst unter Verzicht auf ein Erweitern und ein Reduzieren der Brennstoffzellenvorrichtung um eine oder mehrere der Brennstoffzelleneinheiten. Entsprechend verhält es sich mit denjenigen Komponenten, die nicht unmittelbar die Brennstoffzellen enthalten, wie beispielsweise das Anodenrezirkulationsgebläse, der Befeuchter, der Ladeluftkühler etc..
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Volumenstrom der Brennstoffzellenvorrichtung derart angepasst wird, dass die Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich des zugehörigen Betriebsparameters einem Optimum entspricht, bei welchem die Brennstoffzellenvorrichtung eine vorgegebene Maximalleistung erzielt. Hierdurch lässt sich also eine Feineinstellung für die Leistungsabgabe der Brennstoffzellenvorrichtung erreichen.
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Der mindestens eine Betriebsparameter kann beispielsweise die Leistungsanforderung der Brennstoffzellenvorrichtung sein. Diese wird in aller Regel niedriger liegen, wenn keine großen Lastspitzen vorliegen, beispielsweise weil der Nutzer des Brennstoffzellenfahrzeugs stets nur gering beschleunigt oder weil seine Fahrstrecke „geographisch günstig“ ist, da keine Berge oder Autobahnfahrten auf seinen Stammstrecken vorliegen. Alternativ oder ergänzend kann der mindestens eine Betriebsparameter auch die Betriebsdauer der Brennstoffzellenvorrichtung sein. Alternativ oder ergänzend kann der Betriebsparameter auch das Geschwindigkeitsprofil der Brennstoffzellenvorrichtung betreffen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
- 1 eine stark schematisierte Explosionsdarstellung einer modular erweiterbaren Brennstoffzellenvorrichtung mit einem exemplarisch aus drei der Brennstoffzelleneinheiten gebildeten Stapel und einer exemplarisch dargestellten Montageendplatte.
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In 1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einer Explosionsansicht dargestellt, die eine Montageplatte 2 umfasst, auf der eine erste Brennstoffzelleneinheit 3a mit einer vordefinierten Anzahl an Brennstoffzellen angeordnet ist. Die Brennstoffzelleneinheit 3a kann lediglich eine Brennstoffzelle oder aber auch eine Mehrzahl an Brennstoffzellen, zum Beispiel 10, 20 oder 100 Brennstoffzellen umfassen. Die Montageplatte 2 und die Brennstoffzelleneinheit 3a weisen Medienanschlüsse 4 zur Führung von Medien, vorliegend zur Führung von Reaktanten sowie elektrische Kontaktpunkte 5 zur elektrischen Anbindung der Brennstoffzelleneinheit 3a an die Montageplatte 2 auf.
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Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Das Besondere an der vorliegenden Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist, dass weitere Medienanschlüsse 4 und weitere elektrischen Kontaktpunkte 5 derart an der ersten Brennstoffzelleneinheit 3a ausgestaltet oder angeordnet sind, dass die Brennstoffzelleneinheit 3a an eine zweite Brennstoffzelleneinheit 3b fluidmechanisch zur weiteren Führung der Medien und elektrisch zur Stromabnahme anbindbar oder angebunden ist. Damit ist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 also als modulares System ausgeführt, dass flexibel an die tatsächlichen Nutzungsgegebenheiten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 angepasst werden kann. Exemplarisch dargestellt ist deshalb vorliegend zusätzlich eine dritte Brennstoffzelleneinheit, die wiederum mit Medienanschlüssen 4 und elektrischen Kontaktpunkte 5 an der zweiten Brennstoffzelleneinheit 3b fluidmechanisch zur weiteren Führung der Medien und elektrisch zur Stromabnahme anbindbar oder angebunden ist. Die Anwendung weiterer Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c ist möglich, sodass eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c bei der modulare Brennstoffzellenvorrichtung 1 vorliegen kann. Die Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c sind vorliegend zu einem Stapel 6 zusammengefasst, wobei beispielhaft zusätzlich eine Montageendplatte 7 gezeigt ist, welche mit der am weitesten von der Montageplatte Platte 2 entfernt angeordneten Brennstoffzelleneinheit 3c in Kontakt steht, und welche den Stapel 6 mittels mindestens einem - nicht näher dargestellten - Zugelement mit der Montageplatte 2 verspannt. Als Zugelement kommen Bänder, Stangen oder dergleichen infrage.
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Um eine Vorspannkraft dieses Zugelements zu erfassen, kann ein Sensor vorhanden sein, der seine Signale an ein schematisch dargestelltes Steuergerät 8 übermittelt. Dieses Steuergerät 8 ist vorliegend mit der Montageplatte 2 kommunikationsverbunden und weist einen Speicher auf. Das Steuergerät 8 ist derart ausgestaltet, einen oder mehrere Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung 1 abzufragen und einen zeitlichen Verlauf des einen oder der mehreren Betriebsparameter aufzuzeichnen.
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Dabei lässt sich die Brennstoffzellenvorrichtung 1 um eine oder um mehrere Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c erweitern, wenn die Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Betriebsparameter ergibt, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 1 hinsichtlich ihrer abzugebenden Leistung zu gering ausgelegt ist. Im umgekehrten Falle, wenn die Auswertung ergibt, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 1 hinsichtlich ihrer abzugebenden Leistung zu groß ausgelegt ist, kann eine Reduzierung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 um eine oder um mehrere Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c erfolgen.
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Sollte sich ergeben, dass die Betriebsparameter innerhalb eines Toleranzintervall liegen, so wird für diesen einen Betriebsparameter ein Volumenstrom von einem oder von mehreren durch die Montageplatte 2 und die eine oder die mehreren Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c strömenden Medien angepasst unter Verzicht auf ein Erweitern und ein Reduzieren der Brennstoffzellenvorrichtung 1 um eine oder um mehrere der Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c.
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Als Betriebsparameter kommt beispielsweise die Leistungsanforderung, die Betriebsdauer oder das Geschwindigkeitsprofil der in einem Brennstoffzellenfahrzeug genutzten Brennstoffzellenvorrichtung 1 in Betracht. Andere Betriebsparameter sind möglich.
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Eine nicht näher dargestellte besonders geeignete Erweiterungsmöglichkeiten bietet die Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem der Montageplatte 2 zugeordneten Montagegerüst. Dieses Montagegerüst weist hierbei eine Mehrzahl von Schubfächern auf, in welche die Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c eingeschoben oder woraus sie entnommen werden können. Zudem umfasst das Montagegerüst Medienleitungen und elektrische Leitungen derart, dass die in den Schubfächern eingeschobenen Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c mit der Montageplatte 2 fluidmechanisch und elektrisch verbunden sind.
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Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch eine modulare Erweiterungsmöglichkeiten für den Brennstoffzellenstapel, insbesondere der Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit ihrem Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c aus. Damit bietet die Brennstoffzellenvorrichtung 1 ein flexibel an das Nutzerverhalten angepasstes System modularer Bauweise. Zudem kann es bauraumarm und kostengünstig implementiert werden, da die Brennstoffzelleneinheiten 3a, 3b, 3c vorzugsweise identischen Aufbaus sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Montageplatte
- 3a
- Brennstoffzelleneinheit
- 3b
- Brennstoffzelleneinheit
- 3c
- Brennstoffzelleneinheit
- 4
- Medienanschluss
- 5
- Kontaktpunkt
- 6
- Stapel
- 7
- Montageendplatte
- 8
- Steuergerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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