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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen in einem ersten Gehäuse aufgenommenen Brennstoffzellenstapel und eine in einem zweiten Gehäuse aufgenommene Energieversorgungseinheit.
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Stand der Technik
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In einem Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen muss ein Brennstoffzellenstapel mit Energie versorgt, das heißt mit einem Stromnetz des Systems verbunden werden. Die Verbindung kann beispielsweise mit Hilfe eines Hochvoltsteckers oder mit Hilfe eines einfachen Hochvoltkabels hergestellt werden. Da üblicherweise der Brennstoffzellenstapel von einem Gehäuse umgeben ist, muss der Stecker oder das Kabel durch das Gehäuse geführt werden.
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Anstelle eines Hochvoltsteckers oder Hochvoltkabels kann die Verbindung des Brennstoffzellenstapels mit dem Stromnetz des Systems auch über eine Energieversorgungseinheit, der sogenannten „Power Distribution Unit“ (PDU) realisiert werden. Diese weist ein eigenes Gehäuse auf, das am Gehäuse des Brennstoffzellenstapels in der Weise befestigt wird, dass eine im Gehäuse der Energieversorgungseinheit ausgebildete Öffnung einer Öffnung des anderen Gehäuses gegenüberliegt. Über die Öffnungen kann nunmehr eine elektrische Verbindung mit Hilfe von Kontaktelementen hergestellt werden. Da diese stromführend sind, müssen die Gehäuse vor Wassereintritt geschützt werden.
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Mit dieser Aufgabe befasst sich die vorliegende Erfindung.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst einen in einem ersten Gehäuse aufgenommenen Brennstoffzellenstapel und eine in einem zweiten Gehäuse aufgenommene Energieversorgungseinheit. Die beiden Gehäuse sind dabei in der Weise verbunden oder verbindbar, dass in den Gehäusen vorgesehene Öffnungen sich gegenüberliegen und sich zumindest bereichsweise überdecken. Erfindungsgemäß ist im Bereich zweier sich gegenüberliegender und zumindest bereichsweise überdeckender Öffnungen ein Zwischenstück angeordnet, das ein stift- oder hülsenförmiges Kontaktelement umgibt, wobei das Zwischenstück das Kontaktelement unmittelbar oder mittelbar über einen Dichtring wasserdicht umschließt und zumindest gegenüber einem der beiden Gehäuse elektrisch isoliert.
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Das Zwischenstück des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems besitzt mehrere Funktionen, nämlich die der Abdichtung und die der elektrischen Isolierung. Das Zwischenstück ist daher - zumindest bereichsweise - aus einem wasserdichten und elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff, gefertigt. Die Abdichtung gegenüber dem stift- oder hülsenförmigen Kontaktelement, das der elektrischen Kontaktierung dient und somit elektrisch leitend ist, kann durch das Zwischenstück selbst oder durch einen Dichtring bewirkt werden. Entfällt der Dichtring, liegt das Zwischenstück vorzugsweise über eine radiale Vorspannung am Kontaktelement an. Die elektrische Isolierung des Kontaktelements gegenüber zumindest einem der beiden Gehäuse durch das Zwischenstück setzt voraus, dass das Zwischenstück unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise über ein Dichtelement, Kontakt zu dem mindestens einen Gehäuse aufweist. Ist dieser Kontakt umlaufend, kann durch das Zwischenstück zugleich eine Abdichtung des Gehäuses bewirkt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt daher das Zwischenstück unmittelbar oder mittelbar über ein umlaufendes Dichtelement an zumindest ein Gehäuse wasserdicht an. Am Zwischenstück ist demnach wenigstens eine weitere Dichtebene vorgesehen, in der unmittelbar oder mittelbar über ein umlaufendes Dichtelement ein Dichtkontakt mit einem der beiden Gehäuse realisiert wird. Vorzugsweise sind wenigstens zwei weitere Dichtebenen vorgesehen, im Bereich welcher das Zwischenstück - jeweils unmittelbar oder mittelbar über ein umlaufendes Dichtelement - in Dichtkontakt mit beiden Gehäusen steht.
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Sofern der Dichtkontakt zwischen dem Zwischenstück und einem Gehäuse mittelbar über ein Dichtelement hergestellt ist, wird vorgeschlagen, dass das Dichtelement in einer umlaufenden Nut des Zwischenstücks aufgenommen ist. Durch die Aufnahme des Dichtelements in einer Nut ist das Dichtelement in seiner Lage gesichert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Zwischenstück eine ein- oder mehrfach gestufte Außenkontur auf und bildet mindestens einen umlaufenden Absatz aus. Über den mindestens einen Absatz kann eine Abstützung des Zwischenstücks an mindestens einem Gehäuse realisiert werden. Ist dies der Fall, umgreift das Zwischenstück das Gehäuse, so dass ferner die Dichtwirkung verbessert wird. Sofern am Zwischenstück mehrere Dichtebenen ausgebildet sind, können diese auf unterschiedliche Umfangsbereiche des Zwischenstücks verteilt werden. Alternativ oder ergänzend kann im Bereich eines Absatzes eine Axialdichtung realisiert werden.
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Des Weiteren bevorzugt weist zumindest ein Gehäuse einen die Öffnung begrenzenden Kragenabschnitt auf. Der Kragenabschnitt stabilisiert das Gehäuse im Bereich der Öffnung, da sich durch den Kragenabschnitt die Formsteifigkeit der an die Öffnung angrenzenden Gehäusewandung erhöht. Bevorzugt weisen daher beide Gehäuse jeweils einen die Öffnung begrenzenden Kragenabschnitt auf. Ferner kann - sofern erwünscht - mit Hilfe eines Kragenabschnitts der Dichtkontakt zwischen dem Zwischenstück und dem jeweiligen Gehäuse vergrößert werden. Ist der Dichtkontakt mittelbar über ein umlaufendes Dichtelement hergestellt, vergrößert der Kragenabschnitt die Anlagefläche für das Dichtelement, so dass bei der Montage die Lage des Zwischenstücks in Bezug auf das Gehäuse variiert werden kann.
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Sofern beide Gehäuse jeweils einen die Öffnung begrenzenden Kragenabschnitt aufweisen, können diese auch dichtend zusammenwirken, so dass ggf. eine Dichtungsebene am Zwischenstück entfallen kann. Die beiden Kragenabschnitte sind in diesem Fall bevorzugt an sich gegenüberliegenden Seiten der beiden Gehäuse angeordnet, wobei ein Kragenabschnitt in den anderen Kragenabschnitt eingreift, so dass unmittelbar oder mittelbar über ein Dichtelement ein umlaufender Dichtkontakt ausgebildet wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das stift- oder hülsenförmige Kontaktelement an mindestens einem Ende an einer Stromschiene zur elektrischen Kontaktierung des Brennstoffzellenstapels und/oder der Energieversorgungseinheit abgestützt ist. Vorteilhafterweise ist zumindest das dem Brennstoffzellenstapel zugewandte Ende des Kontaktelementes an einer Stromschiene abgestützt. Über die Stromschiene kann dann der elektrische Anschluss an den Brennstoffzellenstapel hergestellt werden. Wird die Stromschiene bogenförmig an den Brennstoffzellenstapel herangeführt, kann mit Hilfe der Stromschiene zugleich ein Toleranzausgleich bewirkt werden. Toleranzen können sowohl durch Setzvorgänge während der Betriebszeit als auch durch thermische Ausdehnung bedingt sein.
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Bevorzugt ist durch das hülsenförmige Kontaktelement und die mindestens eine Stromschiene eine Zugstange geführt, die an mindestens einem Ende gekontert ist. Mit Hilfe der gekonterten Zugstange kann die mindestens eine Stromschiene an das Kontaktelement herangezogen werden. Auf diese Weise ist dauerhaft ein elektrischer Kontakt zwischen der mindestens einen Stromschiene und dem hülsenförmigen Kontaktelement sichergestellt. Zugleich erleichtert die Zugstange die Montage.
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Zwischen der Zugstange und dem Kontaktelement ist vorzugsweise ein Dichtring angeordnet. Der Dichtring stellt sicher, dass auch über den Ringspalt zwischen der Zugstange und dem Kontaktelement kein Wasser in das Gehäuse einzudringen vermag.
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Zum Kontern kann die Zugstange an mindestens einem Ende in ein Konterelement eingeschraubt oder eingepresst sein. Das Konterelement kann beispielsweise eine Mutter sein, in welche die Zugstange eingeschraubt ist. Über die Anzugkraft beim Einschrauben kann die Stromschiene an das Kontaktelement gezogen werden. Die Mutter bildet in diesem Fall ein Widerlager aus. Alternativ kann das Ende der Zugstange in einen Ring oder in eine Hülse eingepresst sein. Über die Einpresstiefe kann dabei sichergestellt werden, dass die Stromschiene zur Anlage an dem Kontaktelement gelangt.
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Vorteilhafterweise ist das Kotaktelement an seinen beiden Enden jeweils an einer Stromschiene abgestützt und eine Zugstange ist in das Kontaktelement und die beiden Stromschienen eingesetzt, so dass die Zugstange die Stromschienen überragt. Ein erstes Ende der Zugstange kann in ein erstes Konterelement eingeschraubt bzw. eingepresst werden. Nach erfolgter Montage kann auf das andere Ende der Zugstange ein weiteres Konterelement aufgeschraubt bzw. aufgepresst werden. Die Zugstange mit Hilfe der beiden Konterelemente hält alle stromführenden Teile zusammen.
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Alternativ kann die Zugstange auch einstückig mit einem Konterelement ausgebildet sein. Dieses bildet dann ein mit der Zugstange fest verbundenes, insbesondere drehfest verbundenes, Widerlager aus. Nach erfolgter Montage der Zugstange kann auf das freie Ende ein weiteres Konterelement aufgeschraubt oder aufgepresst werden, um die mindestens eine Stromschiene an das Kontaktelement zu ziehen.
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Um die Schraub- oder Pressverbindung zwischen der Zugstange und dem mindestens einen Konterelement zu optimieren, ist vorzugsweise das mindestens eine Konterelement aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Das heißt, dass das Konterelement elektrisch leitend ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das Konterelement von einem Isolierkörper umgeben ist. Der Isolierkörper bewirkt, dass das Konterelement elektrisch isoliert ist. Ferner wird vorgeschlagen, dass das Konterelement in einer Richtung parallel zur Zugstange durch einen in den Isolierkörper hineinragenden Endabschnitt der Stromschiene im Isolierkörper gehalten ist. Das heißt, dass zunächst das Konterelement von vorne in den Isolierkörper eingesetzt wird. Anschließend wird das freie Ende der Stromschiene von der Seite in den Isolierkörper eingeschoben und das hülsenförmige Kontaktelement wird von vorne auf die Stromschiene gesetzt. Hiernach wird die Zugstange durch das hülsenförmige Kontaktelement und die Stromschiene hindurch in das Konterelement eingeschraubt bzw. eingepresst, so dass hierüber alle Teile einschließlich des Isolierkörpers verliersicher gehalten sind.
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Soll die Zugstange in das Konterelement eingeschraubt werden, muss sichergestellt sein, dass das Konterelement gegen Verdrehen gesichert ist. Als weiterbildende Maßnahme wird daher vorgeschlagen, dass das Konterelement durch den Isolierkörper gegen Verdrehen gesichert ist. Beispielsweise kann das Konterelement eine Mutter sein, die eine eckige, insbesondere sechseckige Außenkontur aufweist. Im Isolierkörper kann eine Aufnahme für das Konterelement ausgebildet sein, die eine an die Außenkontur des Konterelements angepasste Innenkontur besitzt. Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln eine Verdrehsicherung bewirkt.
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Bevorzugt weist der Brennstoffzellenstapel zwei Spannungsanschlüsse für einen Plus- und einen Minuspol auf. Die Spannungsanschlüsse sind jeweils über eine Stromschiene und ein stift- oder hülsenförmiges Kontaktelement mit einer Stromschiene der Energieversorgungseinheit elektrisch leitend verbunden. Durch das die beiden Kontaktelemente aufnehmende, elektrisch isolierende Zwischenstück sind die hohen Spannungspotentiale zwischen den beiden Polen und relativ zu den Gehäusen ausreichend abgesichert. Ferner verhindert das Zwischenstück über die verschiedenen Dichtebenen, das Wasser in die Gehäuse eintritt. Vorzugsweise ist das Zwischenstück aus einem wasser- und gasundurchlässigen Werkstoff gefertigt, so dass das Zwischenstück zugleich einen Gasaustausch zwischen den beiden Gehäusen unterbindet. Denn im Betrieb herrscht in der Regel im Gehäuse, in dem der Brennstoffzellenstapel aufgenommen ist, eine höhere Luftfeuchtigkeit als im Gehäuse der Energieversorgungseinheit, was darauf zurückzuführen ist, dass aus dem Brennstoffzellenstapel Feuchtigkeit bzw. Wasser austritt. Ebenfalls kann im Gehäuse des Brennstoffzellenstapels Wasserstoff vorhanden sein. Dieser darf nicht in das Gehäuse der Energieversorgungseinheit gelangen, da hier Zündquellen vorhanden sind und sich ein zündfähiges Gemisch ausbilden könnte. Durch die mit Hilfe des Zwischenstücks bewirkte Abdichtung ist sichergestellt, dass die elektronischen Bauteile der Energieversorgungseinheit keinen Schaden aufgrund eintretender Feuchtigkeit nehmen und/oder eintretende Gase nicht zu einer Gefahrenquelle führen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich eines zwischen zwei Gehäusen eingesetzten Zwischenstücks,
- 3 verschiedene Darstellungen des Zwischenstücks des Brennstoffzellensystems der 1, und zwar a) eine Draufsicht, b) eine Seitenansicht, c) einen Querschnitt und d) eine perspektivische Darstellung,
- 4 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
- 5 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, der auf einer Basisplatte 25 angeordnet und von einem Gehäuse 1 umgeben ist. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist seitlich zwei Spannungsanschlüsse 20 für einen Plus- und einen Minuspol auf. Die Spannungsanschlüsse 20 sind jeweils mit einer Stromschiene 14 verbunden. An den freien Enden der Stromschienen 14 ist jeweils ein stift- oder hülsenförmiges Kontaktelement 7 abgestützt, das der elektrischen Kontaktierung mit stromführenden Teilen einer Energieversorgungseinheit des Systems dient. Die Kontaktelemente 7 sind hierzu über eine seitlich im Gehäuse 1 ausgebildete Öffnung 4 aus dem Gehäuse 1 geführt.
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Die Energieversorgungseinheit weist ein Gehäuse 3 auf, das seitlich an das Gehäuse 1 des Brennstoffzellenstapels 2 angeschraubt ist und eine Öffnung 5 besitzt, das der Öffnung 4 des Gehäuses 1 gegenüberliegt. Die Kontaktelemente 7 ragen somit durch die Öffnung 5 in das Gehäuse 3 der Energieversorgungseinheit hinein.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, sind die beiden Kontaktelemente 7 von einem Zwischenstück 6 umgeben, das der elektrischen Isolierung und der Abdichtung dient. Das Zwischenstück 6 ist hierzu aus einem elektrisch isolierenden sowie gegenüber Wasser und Gas dichtem Werkstoff gefertigt. Über Dichtringe 8 liegt das Zwischenstück 6 dichtend an den beiden Kontaktelementen 7 an. Über umlaufende Dichtelemente 9, die in Nuten 10 des Zwischenstücks 6 angeordnet sind, liegt das Zwischenstück 6 zudem dichtend an den beiden Gehäusen 1, 3 an.
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Wie insbesondere der 3 a) bis d) zu entnehmen ist, weist das Zwischenstück 6 eine gestufte Außenkontur auf, so das ein umlaufender Absatz 11 ausgebildet wird, der zwei verschiedene Umfangsbereiche trennt. Die Abmessungen der beiden Umfangsbereiche sind an die Abmessungen der beiden Öffnungen 4, 5 angepasst. In jedem Umfangsbereich ist eine umlaufende Nut 10 zur Aufnahme eines umlaufenden Dichtelements 9 ausgebildet.
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Das Zwischenstück 6 weist zwei Aufnahmen 21 für die Kontaktelemente 7 auf. Die Abmessungen der Aufnahmen 21 sind daher an die Abmessungen der Kontaktelemente 7 angepasst. Alternativ zur dargestellten Ausführungsform eines Zwischenstücks 6, das zwei Aufnahmen 21 aufweist, kann das Zwischenstück 6 auch nur eine Aufnahme 21 für ein Kontaktelement 7 aufweisen. In diesem Fall kann jedes Kontaktelement 7 von einem eigenen Zwischenstück 6 umgeben und gegenüber den Gehäusen 1, 3 elektrisch isoliert sein. In den beiden Gehäusen 1, 3 sind dann jeweils zwei Öffnungen 4 bzw. zwei Öffnungen 5 vorgesehen. Die beiden Zwischenstücke 6 können dann jeweils als rotationssymmetrische Körper ausgeführt sein.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, werden die in den Gehäusen 1, 3 ausgebildeten Öffnungen 4, 5 jeweils durch einen Kragenabschnitt 12, 13 begrenzt. Die Kragenabschnitte 12, 13 erhöhen die Formsteifigkeit der Gehäuse 1, 3 im Bereich ihrer Öffnungen 4, 5. Zugleich bilden die Kragenabschnitte 12, 13 vergrößerte Anlageflächen für die umlaufenden Dichtelemente 9 aus, die in den Nuten 10 des Zwischenstücks 6 aufgenommen sind.
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Eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in der 4 dargestellt. Hier weist das Gehäuse 3 der Energieversorgungseinheit zwei Kragenabschnitte 13, 23 auf, die auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Der Kragenabschnitt 23 ist somit dem Kragenabschnitt 12 des ersten Gehäuses 1 zugewandt. Die Abmessungen der Kragenabschnitte 23, 12 sind derart gewählt, dass der Kragenabschnitt 12 des ersten Gehäuses 1 in den Kragenabschnitt 23 eingreift. Der Kragenabschnitt 12 liegt zudem über ein umlaufendes Dichtelement 22 dichtend am Kragenabschnitt 23 an, so dass eine neue Dichtebene zwischen den beiden Gehäusen 1, 3 geschaffen wird. Die Dichtebene zwischen dem ersten Gehäuse 1 und dem Zwischenstück 6 kann somit entfallen. Das Zwischenstück 6 weist demnach nur noch eine umlaufende Nut 10 mit hierin eingesetztem Dichtelement 9 auf, das dichtend am Gehäuse 3 der Energieversorgungseinheit anliegt.
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Eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in der 5 dargestellt. Die Kontaktelemente 7 sind hier hülsenförmig ausgeführt und an ihren beiden Enden jeweils an einer Stromschiene 14, 15 abgestützt. Durch die Kontaktelemente 7 und die Stromschienen 14, 15 sind Zugstangen 16 geführt und an ihren beiden Enden mit Konterelementen 17 in Form von Muttern verbunden. Auf den Zugstangen 16 angeordnete Dichtringe 17 dichten den Spalt zwischen den Zugstangen 16 und den Kontaktelementen 7 ab, so dass auch diese Ausführungsform wasser- und gasdicht ist.
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Die Konterelemente 18 bzw. Muttern, die dem Brennstoffzellenstapel 2 zugewandt sind, sind von einem Isolierkörper 19 umgeben, welcher der elektrischen Isolierung dient. Zugleich dient der Isolierkörper 19 als Montagehilfe. Der Isolierkörper 19 einschließlich der Muttern ist durch die seitlich eingreifenden Stromschienen 14 verliersicher gehalten.
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Bei der Montage werden die Muttern von vorne in den Isolierkörper 19 eingesetzt. Anschließend wird der Isolierkörper 19 jeweils von der Seite aus auf die Endabschnitte der beiden Stromschienen 14 geschoben. Hiernach kann das Zwischenstück 6 mit den beiden Kontaktelementen 7 in die Öffnung 4 des Gehäuses 1 eingesetzt werden, so dass das Dichtelement 9 dichtend am Kragenabschnitt 12 des Gehäuses 1 anliegt. Durch die Kontaktelemente 7 und die Stromschienen 14 werden die Zugstangen 16 eingeführt und in die im Isolierkörper 19 aufgenommenen Muttern eingeschraubt. Anschließend können die Stromschienen 15 aufgelegt und die weiteren Muttern aufgeschraubt werden. Zur Erzeugung eines Drehmoments ist stirnseitig in den Zugstangen 16 jeweils eine Ausnehmung 24 zur Aufnahme eines Werkzeugs vorgesehen.
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Alternativ zur Darstellung der 5 können die beiden Gehäuse 1, 3 auch analog der Ausführungsform der 4 ausgebildet sein. Ferner kann das Zwischenstück 6 nur eine Aufnahme 21 für ein einzelnes Kontaktelement 7 aufweisen.
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Weitere Abwandlungen sind denkbar soweit sie nicht im Widerspruch zu den nachfolgenden Patentansprüchen stehen.
