DE102019218313A1 - Systemmodul für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Systemmodul (100) für ein Brennstoffzellensystem mit einer Tankvorrichtung (1), wobei die Tankvorrichtung (1) mindestens zwei Tankbehälter (4) aufweist, welche mindestens zwei Tankbehälter (4) in einem Umgebungsbereich (10) des Systemmoduls (100) eingebettet sind, wobei zwischen den Tankbehältern (4) ein Zwischenraum (12) ausgebildet ist. Außerdem sind in dem Zwischenraum (12) mindestens ein Batteriezellenmodul (6) und/oder mindestens ein Kühlkanal (8) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Systemmodul für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
  • Stand der Technik
  • Im Fahrzeugbereich spielen Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb eine immer größere Rolle. Dabei weist das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle auf, welcher Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt wird. Dies reagiert dann in der Brennstoffzelle zu Wasser bzw. Wasserdampf. So wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung bereitgestellt, welche als Antriebsenergie eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs verwendet wird. Der Brennstoffzelle muss jeweils getrennt das entsprechende Gas auf der Anodenseite und der Kathodenseite zugeführt werden. Dabei wird der Wasserstoff über eine Tankeinheit zur Verfügung gestellt.
  • Die DE 10 2017 212 485 A1 beschreibt solch eine Tankeinheit, nämlich eine Einrichtung zur Speicherung von verdichteten Fluiden, die als Kraftstoff für ein Fahrzeug dienen, wobei die Einrichtung mindestens zwei rohrförmige Tankmodule und mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit mindestens einer integrierten Regel- und Sicherheitstechnik umfasst. Außerdem bestehen die mindestens zwei rohrförmigen Tankmodule aus Metall und sind mit dem mindestens einen Hochdruckkraftstoffzuteiler mit der mindestens einen integrierten Regel- und Sicherheitstechnik modular zu einem Modul in flexibler Geometrie verbunden.
  • Neben der Tankeinheit weisen Brennstoffzellenfahrzeuge weitere Komponenten wie beispielsweise eine Batterie auf. Je nach Geometrie der einzelnen Komponenten und Platzbedarf in dem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug ist es jedoch möglich, dass der Platzbedarf innerhalb des brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs nicht optimal ausgenutzt werden kann.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Systemmodul mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass trotz mehrerer Komponenten des Brennstoffzellensystems eine optimale Nutzung des Platzbedarfs erzielt wird.
  • Dazu weist das Systemmodul eine Tankvorrichtung auf, welche mindestens zwei Tankbehälter aufweist. Die mindestens zwei Tankbehälter sind in einem Umgebungsbereich des Systemmoduls eingebettet, wobei zwischen den Tankbehältern ein Zwischenraum ausgebildet ist. Darüber hinaus sind in dem Zwischenraum mindestens ein Batteriezellenmodul und/oder mindestens ein Kühlkanal angeordnet.
  • Durch Integration der Tankvorrichtung und/oder der Batteriezellenmodule und/oder der Kühlkanäle in ein Systemmodul wird eine optimierte Platznutzung innerhalb des brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs erzielt. Weiterhin ist es dadurch in einfacher Weise möglich, beispielsweise die Tankvorrichtung bei einer Betankung mit Wasserstoff zu kühlen. Denn aufgrund der Wasserstoff-Expansion erhöht sich die Temperatur im Tankbehälter bei der Betankung. Aus Materialfestigkeitsgründen muss die maximale Temperatur jedoch auf beispielsweise 85°C begrenzt werden. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Temperatur bei der Betankung in den Tankbehältern konstant zu halten, so dass keine Drosselung der Betankungsrate notwendig ist.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die mindestens zwei Tankbehälter im Querschnitt zylinderförmig ausgebildet sind. Vorteilhafterweise ist das mindestens eine Batteriezellenmodul im Querschnitt zylinderförmig ausgebildet und vorteilhafterweise ist der mindestens eine Kühlkanal im Querschnitt zylinderförmig ausgebildet. So können das Batteriezellenmodul und/oder der Kühlkanal in einfacher Weise den Zwischenraum um die zylinderförmigen Tankbehälter ausfüllen und eine optimale Platznutzung erzielt werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Durchmesser des Batteriezellenmoduls dem Durchmesser des Kühlkanals entspricht.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist der Durchmesser des Batteriezellenmoduls größer als der Durchmesser des Kühlkanals. Vorteilhafterweise ist das Batteriezellenmodul von mindestens einem Kühlkanal umgeben. So kann in konstruktiv einfacher Weise eine Kühlung des Batteriezellenmoduls über die Kühlkanäle erfolgen. Beispielsweise kann bei einer Schnellladung der Batteriezellenmodule von Vorteil sein, um bei gleichzeitiger Kühlung ein Erwärmen der Batteriezellenmodule zu minimieren.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist in dem Kühlkanal Luft oder Wasser angeordnet. So ist in einfacher Weise ein Kühlprozess des Kühlkanals umsetzbar.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Zwischenraum weitere Module angeordnet sind, vorzugsweise eine Brennstoffzelle.
  • Das beschriebene Systemmodul eignet sich vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
  • In vorteilhaften Verwendungen kann das Systemmodul in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Systemmoduls zur Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems dargestellt. Es zeigt in
    • 1 eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systemmoduls,
    • 2eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systemmoduls,
    • 3eine Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systemmoduls.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systemmoduls 1 für eine Brennstoffzellenanordnung in einer Draufsicht. Das Systemmodul 1 weist hier drei im Querschnitt zylinderförmige Tankbehälter 4 auf, die in einen Umgebungsbereich 10 des Systemmoduls 1 eingebettet sind.
  • Die Tankbehälter 4 weisen einen Zwischenraum 12 auf, in dem Batteriezellenmodule 6 und Kühlkanäle 8 angeordnet sind. Die Batteriezellenmodule 6 und die Kühlkanäle 8 weisen jeweils im Querschnitt eine zylinderförmige Form auf. Sie können in einer alternativen Form jedoch je nach Querschnitt der Tankbehälter 4 auch andere geometrische Formen aufweisen, so dass der Zwischenraum 12 zwischen den Tankbehältern 4 bauraumoptimiert verwendbar ist.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei gleich große Batteriezellenmodule 6 in einem ersten Zwischenteilraum 14 und zwei gleich große Kühlkanäle 8 jeweils in einem zweiten Zwischenteilraum 16 angeordnet - in der 1 die Batteriezellenmodule 6 jeweils im oberen Teil des Zwischenraums 12 und die Kühlkanäle 8 jeweils im unteren Teil des Zwischenraums 12. Der Durchmesser der Batteriezellenmodule 6 entspricht dem Durchmesser der Kühlkanäle 8.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systemmoduls 1 in einer Draufsicht, wobei hier der Aufbau weitestgehend dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind hier zwei gleich große Batteriezellenmodule 6 jeweils eins in dem ersten Zwischenteilraum 14 und eins in dem zweiten Zwischenteilraum 16 und zwei gleich große Kühlkanäle 8 jeweils eins in dem ersten Zwischenteilraum 14 und jeweils eins in dem zweiten Zwischenteilraum 16 angeordnet - in der 2 ein Batteriezellenmodul 6 und ein Kühlkanal 8 im oberen Teil des Zwischenraums 12 und ein Batteriezellenmodul 6 und ein Kühlkanal 8 im unteren Teil des Zwischenraums 12. Der Durchmesser der Batteriezellenmodule 6 entspricht dem Durchmesser der Kühlkanäle 8.
  • 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systemmoduls 1 in einer Draufsicht, wobei hier der Aufbau weitestgehend dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind hier im ersten Zwischenteilraum 14 und im zweiten Zwischenteilraum 16 vier gleich große Batteriezellenmodule 6 angeordnet, welche jeweils von drei Kühlkanälen 8 umgeben sind. Der Durchmesser der Kühlkanäle 8 ist hier kleiner als der Durchmesser der Batteriezellenmodule 6.
  • In den Kühlkanälen 8 ist zur Kühlung des Umgebungsbereichs 10 beispielsweise Wasser oder Luft angeordnet. Dadurch können insbesondere die Tankbehälter 4 während der Betankung gekühlt werden, wodurch die Betankungsrate nicht gedrosselt werden muss. Denn bei der Betankung erhöht sich die Temperatur im Tankbehälter 4 aufgrund der Wasserstoff-Expansion, wodurch die Betankung bei ansteigender Temperatur verzögert werden würde.
  • Darüber hinaus können in dem Zwischenraum 12 weitere Module wie beispielsweise eine Brennstoffzelle einer Brennstoffzellenanordnung angeordnet sein.
  • 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
    • DE 102017212485 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Systemmodul (100) für ein Brennstoffzellensystem mit einer Tankvorrichtung (1), wobei die Tankvorrichtung (1) mindestens zwei Tankbehälter (4) aufweist, welche mindestens zwei Tankbehälter (4) in einem Umgebungsbereich (10) des Systemmoduls (100) eingebettet sind, wobei zwischen den Tankbehältern (4) ein Zwischenraum (12) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenraum (12) mindestens ein Batteriezellenmodul (6) und/oder mindestens ein Kühlkanal (8) angeordnet sind.
  2. Systemmodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Tankbehälter (4) im Querschnitt zylinderförmig ausgebildet sind.
  3. Systemmodul (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Batteriezellenmodul (6) im Querschnitt zylinderförmig ausgebildet ist.
  4. Systemmodul (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kühlkanal (8) im Querschnitt zylinderförmig ausgebildet ist.
  5. Systemmodul (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Batteriezellenmoduls (6) dem Durchmesser des Kühlkanals (8) entspricht.
  6. Systemmodul (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Batteriezellenmoduls (6) größer ist als der Durchmesser des Kühlkanals (8).
  7. Systemmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellenmodul (6) von mindestens einem Kühlkanal (8) umgeben ist.
  8. Systemmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkanal (8) Luft oder Wasser angeordnet ist.
  9. Systemmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zwischenraum (12) weitere Module angeordnet sind, vorzugsweise eine Brennstoffzelle.
  10. Brennstoffzellensystem mit einem Systemmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einem Systemmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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