-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstack und mit mindestens einer Medienführung.
-
Stand der Technik
-
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen sind in Mobilitätsanwendungen unter anderem deshalb vorteilhaft, weil sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen Luft und Wasserstoff für eine chemische Reaktion, wobei in einem Brennstoffzellenstack Wärme entsteht, die zum Beispiel als Abwärme mittels eines Kühlkreises abgeführt und zum Beispiel über einen Fahrzeugkühler an die Umgebung abgegeben wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung und/oder Montage von Brennstoffzellensystemen mit mindestens einem Brennstoffzellenstack und mit mindestens einer Medienführung zu vereinfachen.
-
Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstack und mit mindestens einer Medienführung dadurch gelöst, dass die Medienführung in eine innenliegende Tragstruktur des Brennstoffzellensystems integriert ist. Zum Betreiben des Brennstoffzellensystems werden unterschiedliche Medien verwendet. Diese Medien umfassen zum Beispiel Wasserstoff und Luft, die in dem Brennstoffzellenstack chemisch reagieren. Dabei entsteht Abgas, das ein drittes Medium darstellt. Ein viertes Medium ist zum Beispiel ein Kühlmedium, wie Kühlwasser. Zur Führung der unterschiedlichen Medien können Schläuche und/oder Leitungen aus unterschiedlichen Materialien verwendet werden. Mindestens eines der Medien kann auch in Kanälen geführt werden. Derartige Kanäle können in Tragstrukturen, insbesondere in innenliegenden Tragstrukturen, spanend erzeugt werden, zum Beispiel durch Bohren. Kanäle zur Medienführung können auch in Tragstrukturen, insbesondere in innenliegende Tragstrukturen, eingegossen werden. Wenn es sich bei dem Medium um Wasserstoff handelt, kann die Medienführung auch als Energieführung bezeichnet werden. Die Medienführung kann auch eine elektrische Energieführung umfassen. Darüber hinaus kann die Medienführung auch eine Steuerführung umfassen, zum Beispiel in Form einer Steuerleitung oder Signalleitung. Wesentlich ist, dass die Medienführung in die innenliegende Tragstruktur integriert ist. Integriert bedeutet im Hinblick auf die innenliegende Tragstruktur, dass die Medienführung zum Beispiel an der innenliegenden Tragstruktur angebracht ist. Die innenliegende Tragstruktur ist vorteilhaft als Hohlprofil ausgeführt. Dann ist die Medienführung vorteilhaft, zumindest teilweise, innerhalb des Hohlprofils angeordnet. So kann die Medienführung zum einen platzsparend in der innenliegenden Tragstruktur untergebracht werden. Darüber hinaus bietet die innenliegende Tragstruktur einen sehr effektiven Schutz für die Medienführung. Die innenliegende Tragstruktur umfasst zum Beispiel ein offenes Hohlprofil, wie ein C-Profil oder ein U-Profil. Dadurch wird die Montage der Medienführung vereinfacht. Die Medienführung umfasst zum Beispiel eine Verschlauchung oder Verrohrung, die mit geeigneten Befestigungsmitteln, wie Kabelbindern, an der innenliegenden Tragstruktur befestigt ist. Je nach Ausführung kann die innenliegende Tragstruktur aber auch gegossene oder spanend hergestellte Kanäle umfassen, welche die Medienführung darstellen. Weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie der Brennstoffzellenstack und Systemmodule und/oder Brennstoffzellenmodule, sind an der innenliegenden Tragstruktur befestigt. Die Medienzuführung umfasst mindestens eine Wasserstoffzuführung, eine Luftzuführung, eine Abgasabführung, eine Kühlwasserzuführung und/oder eine Kühlwasserabführung sowie gegebenenfalls Strom- und Signalleitungen. Die Strom- und Signalleitungen können als Kabel, Leitungen oder Leiterbahnen ausgeführt sein. Es müssen nicht zwangsläufig alle Arten der Mediumzuführung in die Tragstruktur integriert sein. Durch die Integration der Medienführungen in die innenliegende Tragstruktur wird der Bauraumbedarf verringert. Darüber hinaus ergibt sich eine höhere Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus sind durch die innenliegenden Medienzuführungen die weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems besser zugänglich. Dadurch wird die Servicefreundlichkeit erhöht. Innenliegend bedeutet im Hinblick auf die Tragstruktur, dass die innenliegende Tragstruktur, zumindest teilweise, in mindestens einer Richtung zwischen mindestens zwei Komponenten des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Mindestens ein Bereich der innenliegenden Tragstruktur kann aber auch, zumindest teilweise, außen angeordnet sein, um zum Beispiel eine Medienschnittstelle zum Fahrzeug darzustellen.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Medienschnittstelle zu einem Fahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, in die innenliegende Tragstruktur des Brennstoffzellensystems integriert ist. Die Medienschnittstelle umfasst vorteilhaft auch eine Energieschnittstelle und/oder eine Steuerschnittstelle zum Fahrzeug. Die Medienschnittstelle ist im einfachsten Falle ein Durchgangsloch, das eine in die innenliegende Tragstruktur integrierte Medienführung mit einer Fahrzeugumgebung außerhalb der innenliegenden Tragstruktur verbindet. Die Medienschnittstelle zum Fahrzeug umfasst vorteilhaft mindestens eine Wasserstoffschnittstelle, eine Schnittstelle für Zuluft und Abgas, eine Schnittstelle für Kühlwasser, vorzugsweise sowohl eine Zuführung als auch eine Abführung für Kühlwasser, und/oder mindestens eine Schnittstelle für eine Stromleitung sowie eine Signalleitung. Die Wasserstoffschnittstelle umfasst vorteilhaft einen Wasserstoffanschluss zum Fahrzeug. Die Schnittstelle für Zuluft und Abgas umfasst vorteilhaft Luft- und Abgasanschlüsse zum Fahrzeug. Die Schnittstelle für das Kühlwasser umfasst vorteilhaft Kühlwasseranschlüsse zum Fahrzeug. Die Schnittstelle für Stromleitungen sowie Signalleitungen umfasst vorteilhaft Stromanschlüsse, Bus- und/oder Signalleitungsanschlüsse. Die Medienschnittstellen befinden sich durch die Integration in die innenliegende Tragstruktur vorteilhaft an wenigen definierten Orten des Brennstoffzellensystems. Dadurch wird mit geringen Kosten eine geringere Komplexität ermöglicht. Darüber hinaus verringert sich der Abstimmungsaufwand mit potentiellen Fahrzeugherstellern, die das Brennstoffzellensystem in unterschiedliche Fahrzeuge einbauen. Darüber hinaus verringert sich der Montageaufwand zum Anschluss des Brennstoffzellensystems an das Fahrzeug.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Medienschnittstelle zu einem Systemmodul des Brennstoffzellensystems in die innenliegende Tragstruktur des Brennstoffzellensystems integriert ist. Bei diesen Medienschnittstellen handelt es sich zum Beispiel um eine Schnittstelle zu einem Systemmodul Wasserstoffzuführung, zu einem Systemmodul Luftzuführung und Abgasabführung, zu einem Systemmodul Brennstoffzellenstack, zu einem Systemmodul Kühlsystem, zu einem Systemmodul Elektrische Komponenten. Die Medienschnittstellen umfassen zu diesem Zweck zum Beispiel einen Wasserstoffanschluss für das entsprechende Systemmodul, sowie Luft- und Abgasanschlüsse für die entsprechenden Systemmodule.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem Systemmodule umfasst, die an der innenliegenden Tragstruktur angebracht sind. Bei den Systemmodulen handelt es sich zum Beispiel um ein Brennstoffzellenmodul mit mindestens einem Brennstoffzellenstack. Die Systemmodule umfassen des Weiteren mindestens ein Systemmodul zur Luftzuführung und/oder Abgasabführung. Mindestens ein weiteres Systemmodul dient zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Brennstoffzellenstacks.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem mindestens zwei Systemmodule umfasst, die gleich ausgeführt sind. Dadurch werden die Konstruktion und die Montage des Brennstoffzellensystems erheblich vereinfacht. Die Systemmodule sind besonders vorteilhaft standardisiert ausgeführt. Durch einen höheren Gleichteileanteil können die Kosten wirksam reduziert werden. Darüber hinaus verringert sich der Montageaufwand.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Medienschnittstellen zu Systemmodulen des Brennstoffzellensystems gleich ausgeführt sind. Dadurch wird das Anschließen der Systemmodule erheblich vereinfacht.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem mindestens zwei Brennstoffzellenmodule umfasst, die jeweils mindestens einen Brennstoffzellenstack umfassen und an der innenliegenden Tragstruktur angebracht sind. Ein Brennstoffzellenmodul kann wiederum mehrere Systemmodule umfassen. Der modulare Aufbau des Brennstoffzellensystems vereinfacht die Herstellung und die Montage des Brennstoffzellensystems.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Tragstruktur mindestens einen Bauteileträger mit mindestens einem Aufnahmeraum für eine Medienführung umfasst. Der Bauteileträger ist zum Beispiel als Hohlprofil ausgeführt. Besonders vorteilhaft ist der Bauteileträger, zumindest teilweise, als C-Profil oder U-Profil ausgeführt. Dadurch wird die Integration der Medienführung in die innenliegende Tragstruktur vereinfacht.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Tragstruktur einen Bauteileträger für mindestens zwei Brennstoffzellenmodule umfasst. Der Bauteileträger umfasst eine durchgehende Struktur mit mindestens zwei Aufnahmeräume für Medienführungen der Brennstoffzellenmodule.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegende Tragstruktur mindestens einen Tragbereich mit einem C-förmigen oder U-förmigen Profil aufweist. Der Tragbereich mit dem C-förmigen oder U-förmigen Profil dient vorteilhaft zur Darstellung eines Aufnahmeraums für eine Medienführung. Dadurch wird die Unterbringung der Medienführung in der innenliegenden Tragstruktur vereinfacht.
-
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine innenliegende Tragstruktur, insbesondere einen Bauteileträger, eine Medienführung, eine Medienschnittstelle, ein Systemmodul und/oder ein Brennstoffzellenmodul für ein vorab beschriebenes Brennstoffzellensystem. Die genannten Teile sind separat handelbar.
-
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Baukasten mit innenliegenden Tragstrukturen, insbesondere Bauteileträgern, Medienführungen, Medienschnittstellen, Systemmodulen und/oder Brennstoffzellenmodulen für ein vorab beschriebenes Brennstoffzellensystem. Der Baukasten vereinfacht die Integration von Brennstoffzellensystemen in unterschiedliche Fahrzeuge. Darüber hinaus können mit dem beanspruchten Baukasten unterschiedlich leistungsstarke Brennstoffzellensysteme einfach und kostengünstig konstruiert und montiert werden.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
-
Figurenliste
-
Es zeigen:
- 1 eine Ansicht in Richtung eines Pfeils x in 2;
- 2 die Ansicht eines Schnitts A-A durch ein in 3 dargestelltes Brennstoffzellensystem;
- 3 eine Ansicht in Richtung eines Pfeils y in 2;
- 4 die Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie D-D in 2;
- 5 die Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie B-B in 3;
- 6 die Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie H-H in 2;
- 7 die Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie F-F in 2;
- 8 die Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie C-C in 2;
- 9 die Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie G-G in 2;
- 10 die Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie I-I in 3; und
- 11 die Ansicht eines Schnitts entlang einer Linie E-E in 10.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In den 1 bis 11 ist ein Brennstoffzellensystem 10 mit einer innenliegenden Tragstruktur 9 in verschiedenen Ansichten und Schnitten dargestellt. Die 2 und 6 veranschaulichen, dass mehrere Medienführungen 3 in die innenliegende Tragstruktur 9 integriert sind.
-
In 5 ist gezeigt, wie das Brennstoffzellensystem 10 in ein nicht näher bezeichnetes Fahrzeug mit einem Fahrzeugrahmen 40 eingebaut wird. Bei dem Fahrzeug handelt es sich zum Beispiel um einen Lastkraftwagen. Der Fahrzeugrahmen 40 umfasst zwei Längsträger 41, 42, die durch zwei Querträger 43, 44 miteinander verbunden sind.
-
An den Querträgern 43, 44 des Fahrzeugrahmens 40 ist die innenliegende Tragstruktur 9 befestigt. Die innenliegende Tragstruktur 9 umfasst zwei Bauteileträger 11, 12. An den Bauteileträgern 11, 12 sind Brennstoffzellenmodule 1, 2 befestigt. Die Brennstoffzellenmodule 1, 2 umfassen zum Beispiel jeweils einen Brennstoffzellenstack 7, 8.
-
Die Querträger 43, 44 sind optional. Je nach Ausführung der innenliegenden Tragstruktur kann auch nur ein Querträger vorhanden sein. Der Querträger kann, anders als dargestellt, auch zum Fahrzeugrahmen 40 gehören. Im Unterschied dazu ist die innenliegende Tragstruktur 9 kein Teil des Fahrzeugrahmens 40. Der Querträger ist ein Beispiel eines Verbindungsteiles zwischen Truckrahmen und der Tragstruktur. Es muss nicht zwingend einen Querträger geben.
-
Die Bauteileträger 11, 12 können auch in einem gemeinsamen Bauteileträger 45 zusammengefasst sein. Dann sind die Bauteileträger 11, 12, anders als in 5 dargestellt, einstückig miteinander verbunden.
-
Die Brennstoffzellenmodule 1, 2 können auch in einem Modul zusammengefasst sein. Die Brennstoffzellenmodule 1, 2 können aber auch selbst wiederum modulartig aufgebaut sein. Ein Systemmodul 4 umfasst zum Beispiel mindestens einen der Brennstoffzellenstacks 7, 8. Das Systemmodul 4 kann aber auch die beiden Brennstoffzellenstacks 7, 8 umfassen.
-
In den 1, 3, 4 ist schematisch angedeutet, dass zusätzlich zu dem Systemmodul 4 zwei weitere Systemmodule 5, 6 an die innenliegende Tragstruktur 9 montiert sind.
-
Das Systemmodul 5 umfasst eine Luftzuführung und eine Abgasabführung. Zu diesem Zweck sind in dem Systemmodul 5 zum Beispiel ein Luftkompressor, ein Luftkühler, ein Befeuchter mit Ventilen, wie Luftabsperrventilen, kombiniert.
-
Das Systemmodul 6 umfasst eine Wasserstoffzuführung. Zu diesem Zweck sind zum Beispiel in dem Systemmodul 6 ein Wasserabscheider, ein Anoden-Rezirkulations-Gebläse und ein Hydrogen-Gas-Injektor mit einer Strahlpumpe kombiniert.
-
In den 2 und 6 ist gezeigt, dass die in 2 insgesamt mit 3 bezeichneten Medienführungen, die in die innenliegende Tragstruktur 9 mit den Bauteileträgern 11, 12 integriert sind, insgesamt zehn Medienführungen 15 bis 24 umfassen. Die Medienführungen 15 bis 24 sind vorteilhaft in Aufnahmeräume13, 14 der Bauteileträger 11, 12 integriert.
-
Zu diesem Zweck sind die Bauteileträger 11, 12 als Hohlprofile ausgeführt. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die Bauteileträger 11, 12, wie die Längsträger 41, 42, als C-Profile ausgeführt. Dadurch wird die Integration der Medienführungen 15 bis 24 weiter vereinfacht.
-
Bei der Medienführung 15 handelt es sich um eine Wasserstoffzuführung. Über die Wasserstoffzuführung 15 strömt Wasserstoff von einer Fahrzeugschnittstelle außen an der innenliegenden Tragstruktur 9 zum jeweiligen Systemmodul Wasserstoffzuführung, wie in 2 durch Pfeile veranschaulicht ist.
-
Bei der Medienführung 16 handelt es sich um eine Wasserstoffzuführung des zweiten Systemmoduls.. Der Wasserstoff strömt vom jeweiligen Systemmodul Wasserstoffabführung zur Fahrzeugschnittstelle, wie in 2 durch Pfeile angedeutet ist.
-
Bei den Medienführungen 23 und 24 handelt es sich um eine Luftzuführung und eine Abgasabführung von weiteren Systemmodulen. Bei den Medienführungen 17 und 19 handelt es sich um Führungen für ein Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser.
-
Das Kühlwasser strömt vom jeweiligen Systemmodul Brennstoffzellenstack zur Fahrzeugschnittstelle, wie durch Pfeile in 2 angedeutet ist. Analog strömt das Kühlwasser in der entgegengesetzten Richtung, wie ebenfalls durch Pfeile angedeutet ist.
-
Die Medienführungen 18 und 20 dienen zum Kühlen eines zweiten Systemmoduls. Die Medienführungen 15 und 16 dienen zum Zuführen von Wasserstoff zu den entsprechenden Systemmodulen.
-
Die Medienführungen 15, 16 für Wasserstoff sind mit durchgezogenen Linien dargestellt. Die Medienführungen 21, 22; 23, 24 für Luft und Abgas sind durch punktierte Linien dargestellt. Die Medienführungen 17, 19; 18, 20 für Kühlwasser sind durch gestrichelte Linien dargestellt.
-
In der in 1 gezeigten Ansicht sieht man, dass insgesamt vier Medienschnittstellen 25 für die Medienführungen 17, 19, 18, 20 zum Fahrzeug in die innenliegende Tragstruktur 9 integriert sind. Über die Medienschnittstellen 25 wird Kühlwasser vom Fahrzeug zugeführt und vom Fahrzeug abgeführt.
-
In der in 3 dargestellten Ansicht sieht man, dass auf der entgegengesetzten Seite zu 1 insgesamt vier Medienschnittstellen 26 für Luft und Abluft zum Fahrzeug und insgesamt zwei Medienschnittstellen 27 für Wasserstoff zum Fahrzeug in die innenliegende Tragstruktur 9 integriert sind.
-
In der Schnittdarstellung der 4 sieht man, dass weitere Medienschnittstellen 31, 32, 33 zu den Systemmodulen 5 und 6 für die Luftzuführung und Abgasabführung ebenfalls in die innenliegende Tragstruktur 9 integriert sind.
-
In der Schnittdarstellung der 7 sind weitere Medienschnittstellen 34, 35 und 39 für Abgas zwischen den Systemmodulen 5 und 6 angedeutet.
-
In der Schnittdarstellung der 8 ist eine weitere Medienschnittstelle 36 für die Medienführung 17 für Kühlwasser zum Systemmodul 6 angedeutet. Auch die Medienschnittstelle 36 ist in die innenliegende Tragstruktur 9 integriert.
-
In der Schnittdarstellung der 9 ist eine Medienschnittstelle 37 für die Medienführung 19 angedeutet. Die Medienschnittstelle 37 ist ebenfalls in die innenliegende Tragstruktur 9 integriert.
-
In der Schnittdarstellung der 10 ist angedeutet, wie Wasserstoff von den Medienschnittstellen 27 zum Fahrzeug zum jeweiligen Systemmodul Brennstoffzellenstack strömt. Die Medienführungen 15, 16 verlaufen geschützt durch die Bauteileträger 12 und 11.
-
In der Schnittdarstellung der 11 ist eine Medienschnittstelle 38 der Medienführung 15 für Wasserstoff zum Systemmodul 6 angedeutet. Auch die Medienschnittstelle 38 ist in die innenliegende Tragstruktur 9 integriert.
-
In 11 ist gezeigt, dass die innenliegende Tragstruktur 9 auch einen Tragbereich 46 mit einem C-Profil oder U-Profil aufweisen kann. Dadurch wird die Unterbringung mindestens einer Medienführung, insbesondere der Zugang zu der Medienführung, in der innenliegenden Tragstruktur 9 vereinfacht. Die Öffnung des C-förmigen oder U-förmigen Tragbereichs 46 ist vorteilhaft einem in 11 nicht näher bezeichneten Brennstoffzellenstack abgewandt.
