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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Verfahren zur Fertigung eines Brennstoffzellensystems für ein Fortbewegungsmittel. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine vereinfachte Teilelogistik sowie Vereinfachungen bei der Montage bzw. dem Teilehandling.
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Die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs schreitet derzeit rasch voran. Insbesondere werden als zukunftsträchtige Technologien Lithium-Ionen- sowie Lithium-Polymer-Speicher neben Brennstoffzellen als Traktionsenergieträger verfolgt. Wegen ihrer hohen Wirkungsgrade und geringen Emissionen zählen Brennstoffzellen neben wiederaufladbaren Batterien zu den wichtigsten Stromquellen der Energiewende. Beispielsweise für den Einsatz in Kraftfahrzeugen ist es bekannt, einen Brennstoffzellenstapel (englisch: „fuel cell stack“) bestehend aus mehreren in Reihe angeordneten Brennstoffzellen in einem metallischen Gehäuse anzuordnen. Um eine Hochspannungsisolation zwischen dem Brennstoffzellenstack und dem metallischen Gehäuse sicherzustellen, sind in dem Brennstoffzellenstapel und der Gehäuseinnenwandung Kunststofffolien angeordnet. Außerdem ist es bekannt, zum Zwecke der Hochspannungsisolation zwischen Batteriezellen einer Lithiumlonen-Batterie eines batteriebetriebenen elektrischen Fahrzeugs die Außenflächen der Gehäuse der Batteriezellen mit einem Isolationslack oder Klebefolien zu beschichten.
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Bei der Montage des Gehäuses mit dem Brennstoffzellenstack kommt es im Stand der Technik oftmals zu einem Verrutschen der Kunststofffolien. Auf diese Weise können nicht von der Kunststofffolie bestückte Stellen der Innenwandung des Gehäuses entstehen und/oder die Kunststofffolie beschädigt werden, wodurch die beabsichtigte elektrische Isolation zwischen Brennstoffzellenstack und Gehäuse nicht erwartungsgemäß zustande kommt. Zudem müssen die Kunststofffolien in der Teilelogistik berücksichtigt werden und Sachnummern aufweisen. Hinzu kommt die Lagerhaltung und das zusätzliche Gewicht der Kunststofffolien im Fortbewegungsmittel bzw. Brennstoffzellensystem.
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Es besteht daher eine Aufgabe darin, die vorgenannten Nachteile zu erübrigen.
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Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben bevorzugte Weiterbildungen zum Gegenstand.
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Vereinfacht ausgedrückt wird zur elektrischen Isolation zwischen dem Brennstoffzellenstack und der Gehäuseinnenwandung anstelle von Kunststofffolien ein elektrisch isolierender Lack verwendet. Dieser Lack ist an der Innenseite des metallischen Gehäuses aufgetragen. Der elektrisch isolierende Lack ist beispielsweise ein Lösemittel basierter Lack, so dass der Lack erst auf die Innenseite des metallischen Gehäuses aufgetragen und dann thermisch ausgehärtet werden kann. Anschließend wird der Brennstoffzellenstack in das Gehäuse eingesetzt und letzteres verschlossen.
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Anders ausgedrückt wird ein Verfahren zur Fertigung eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem kann eingerichtet sein, Traktionsenergie für ein Fortbewegungsmittel (z.B. ein PKW, Transporter, Motorrad, LKW, Luft- und/oder Wasserfahrzeug) bereitzustellen. In einem ersten Schritt wird eine Innenseite eines metallischen Gehäusebauteils für das Brennstoffzellensystem mittels eines elektrisch isolierenden Lackes lackiert. Die elektrische Isolation durch den Lack ist insbesondere nach dem Aushärten des Lackes an der Gehäuseinnenseite gegeben. Nach dem Aushärten des Lackes, welches beispielsweise unter Hitzeeinwirkung in einer Wärmekammer und/oder durch Bestrahlung erfolgen kann, wird ein Brennstoffzellenstapel in das Gehäusebauteil eingefügt. Hierbei kann zumindest eine Seite des Gehäusebauteils (z.B. ein Deckel, ein Boden, eine Stirnfläche, o.ä.) entfernt bzw. noch nicht montiert worden sein. Das Gehäusebauteil kann aus Metall bestehen, wofür beispielsweise Blech und/oder ein Guss/Druckguss-Verfahren zur Herstellung verwendet worden sein kann. Das Gehäusebauteil kann eingerichtet sein, im Fortbewegungsmittel reversibel festgelegt zu werden. Hierzu können Schraubösen, Flansche, o.ä., vorgesehen sein. Durch die erfindungsgemäße Lackierung der Innenseite kann eine Lackierung der Außenseite des Gehäusebauteils erübrigt werden. Aufgrund der Tatsache, dass die Innenseite des Gehäusebauteils eine geringere Oberfläche aufweist als die Außenseite des Gehäuses, kann Lack eingespart werden. Zudem kann eine besonders gute Maßhaltigkeit der äußeren Oberfläche des Gehäusebauteils gewährleistet werden. Darüber hinaus kann beispielsweise eine Erdung des Gehäuses besonders einfach stattfinden, indem oder nachdem das Brennstoffzellensystem in das Fortbewegungsmittel eingebracht wird. Erfindungsgemäß können also Teilevielfalt und Masse sowie fehlerträchtige Montageschritte erübrigt werden, wodurch ein Brennstoffzellensystem wirtschaftlicher gefertigt werden kann.
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Das Gehäusebauteil kann in fertig montiertem Zustand einen Deckel, einen Boden, eine vordere Seitenfläche und eine hintere Seitenfläche aufweisen. Die vorgenannten Elemente des Gehäusebauteils können separat zueinander, bevorzugt jedoch als einteiliges Element gefertigt werden. Auch eine erste Stirnfläche kann als Bestandteil des Gehäusebauteils gemäß den obigen Ausführungen verstanden werden. Die erste Stirnfläche kann einer zweiten Stirnfläche gegenüberliegen, durch welche das Gehäusebauteil verschlossen und somit zu einem Gehäuse des Brennstoffzellensystems wird. Die Innenflächen der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche müssen nicht notwendigerweise in erfindungsgemäßer Weise lackiert sein, um die Brennstoffzelle elektrisch zu isolieren. Vielmehr können alternative Schritte zur elektrischen Isolation gegenüber der ersten Stirnfläche und/oder der zweiten Stirnfläche ergriffen werden, wie nachfolgend im Detail beschrieben wird.
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Die erste Stirnfläche kann mit dem Deckel, dem Boden, der vorderen Seitenfläche und der hinteren Seitenfläche verbunden werden, um eine fünfseitig abgeschlossene Kavität auszubilden. Hierdurch kann ein im wesentlicher quaderförmiger Raum zur Aufnahme des Brennstoffzellenstacks geschaffen werden. Beispielsweise kann die erste Stirnfläche mit den vorgenannten Elementen verschraubt, verschweißt, verlötet, o.ä., werden. Auch Klemm- und/oder Schnapp-Rast-Verbindungen kommen für die Montage infrage. Entsprechendes gilt für Klemmbügel und/oder Nietverbindungen.
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Die erste Stirnfläche kann elektrische Bestandteile aufweisen, da sie nicht notwendigerweise lackiert und somit hitzebehandelt werden muss.
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Beispielsweise kann sie bei der Montage an das Gehäusebauteil bereits elektrische Anschlüsse und/oder elektrische Lüfter aufweisen, welche nicht mitlackiert werden sollen. Insbesondere kann die erste Stirnfläche Ausschnitte zur Gewährleistung eines Luftaustausches innerhalb des Gehäusevolumens mit der Umgebung aufweisen.
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Ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im Verschließen des Gehäuses mittels der zweiten Stirnfläche. Auch die Innenseite der zweiten Stirnfläche muss nicht lackiert sein, um eine elektrische Isolation gegenüber dem Brennstoffzellenstack bereitzustellen. Die zweite Stirnfläche kann beispielsweise mit dem Deckel, dem Boden, der vorderen Seitenfläche und der hinteren Seitenfläche verbunden, insbesondere verschraubt werden. Auch kommen die in Verbindung mit der ersten Stirnfläche genannten Montageschritte für die zweite Stirnfläche in entsprechender Weise infrage. Zu bevorzugen ist eine reversible Montage der zweiten Stirnfläche, um ein Recycling der Brennstoffzelle zu erleichtern und Wartungsschritte ausführen zu können.
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Bevorzugt kann zwischen die erste Stirnfläche und den Brennstoffzellenstack eine Mehrzahl folienförmiger oder blechförmiger Schichten eingebracht werden. Diese Schichten werden als Randkomponenten bzw. erste Randkomponenten bezeichnet. Sie können am Brennstoffzellenstack montiert oder an der ersten Stirnfläche montiert in das Gehäusebauteil eingebracht werden. Alternativ können sie nach der Montage der ersten Stirnfläche auch separat in das Gehäusebauteil eingebracht werden. Hierzu kann das Gehäusebauteil mit der (noch durch die zweite Stirnfläche zu verschließenden) Öffnung angeordnet und die Randkomponenten eingelegt werden. Nach Einfügen des Brennstoffzellenstacks können zwischen dem Brennstoffzellenstack und der zweiten Stirnfläche weitere (zweite) Randkomponenten angeordnet werden, für welche den ersten Randkomponenten entsprechend eben, flach und schicht- bzw. folienartig ausgestaltet sein können. Auch kann eine Dichtung zur fluidischen Abdichtung der zweiten Stirnfläche zum Gehäusebauteil hin vorgesehen sein. Entsprechendes gilt für die erste Stirnfläche. Durch die beiderseits vorhandenen Randkomponenten kann der Brennstoffzellenstack elektrisch gegenüber der ersten Stirnfläche bzw. der zweiten Stirnfläche isoliert im Gehäuse angeordnet sein.
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Die Randkomponenten können beispielsweise die folgenden Funktionen, Materialien und Ausgestaltungen aufweisen:
- Indem das Gehäusebauteil während der Lackierung leer und nicht durch hitzeempfindliche Materialien in der Handhabung eingeschränkt ist, kann zur elektrischen Isolation seiner Innenseite ein lösungsmittelbasierter Lack verwendet werden, welcher mittels Wärmeeintrag (beispielsweise in einer Wärmekammer) ausgehärtet wird. Dieser Vorgang kann insbesondere vor einem Verschließen des Gehäusebauteils mittels der ersten Stirnfläche und der zweiten Stirnfläche erfolgen. Nach einem Abkühlen des fertig lackierten Gehäusebauteils können die Stirnfläche montiert, das Gehäuse befüllt und anschließend verschlossen werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, welches durch ein vorgenanntes Verfahren erhältlich ist. Es weist ein Gehäuse auf, dessen Innenseite mittels eines elektrisch isolierenden Lackes gegenüber seinem Inhalt (insbesondere ein Brennstoffzellenstack) isoliert ist. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen derart ersichtlich den obigen Ausführungen, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf Selbige verwiesen wird.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fortbewegungsmittel (ein PKW, Transporter, Motorrad, LKW, Luft- und/oder Wasserfahrzeug) vorgeschlagen, welches ein Brennstoffzellensystem gemäß dem zweitgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere in einem Kofferraum des Fortbewegungsmittels oder in einer Bodengruppe desselben eingebaut, bevorzugt verschraubt und/oder eingeschäumt werden, um reversibel bzw. bestmöglich versteift positioniert zu werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffzellensystems;
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fortbewegungsmittels mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
- 3 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Brennstoffzellensystems 1, welches ein Gehäusebauteil 13 aufweisend einen Deckel 2, eine hintere Seitenfläche 3, einen Boden 4 und eine vordere Seitenfläche 5 aufweist. Die einander zugewandten Innenseiten 14 der vorgenannten Komponenten sind mit einem elektrisch isolierenden Lack 15 beschichtet, welcher in einer Wärmekammer ausgehärtet ist. Eine erste Stirnseite 6 weist drei Lufteinlässe für Ventilatoren 8 auf, welche den Brennstoffzellenstack 11 kühlen und/oder Umgebungsluft als Edukt des Energieumwandlungsprozesses zu führen. Zwischen der ersten Stirnfläche 6 und dem Brennstoffzellenstack 11 ist eine erste Randkomponente 9a in Form einer Platte vorgesehen. Zwischen dem Brennstoffzellenstack 11 und einer zweiten Stirnfläche 7, welche ebenfalls Ventilationsöffnungen für einen Kühlfluid- oder Prozessgasauslass aufweist, ist eine zweite Randkomponente 9b vorgesehen. Die zweite Stirnfläche 7 wird durch Schrauben 16 an einem Flansch des Gehäusebauteils 13 festgelegt.
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2 zeigt einen PKW als Ausführungsbeispiel eines elektrisch antreibbaren Fortbewegungsmittels 10. In einem Kofferraum des Fortbewegungsmittels 10 ist ein erfindungsgemäß aufgebautes Brennstoffzellensystem 1 vorgesehen, welches über elektrische Leitungen 17 eine elektrische Traktionsmaschine 12 mit Energie versorgen kann.
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3 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fertigung eines Brennstoffzellensystems. In Schritt 100 wird eine Innenseite eines metallischen Gehäusebauteils mittels eines elektrisch isolierenden Lackes beschichtet. In Schritt 200 wird der Lack durch Hitzeeinwirkung ausgehärtet. Anschließend wird in Schritt 300 die erste Stirnfläche mit dem Deckel, dem Boden, der vorderen und der hinteren Seitenfläche des Gehäusebauteils verbunden. Hierzu können Schraublöcher und Gewinde vorgesehen sein. In Schritt 400 wird eine Vielzahl Randkomponenten, welche einen flachen, im Wesentlichen ebenen, Formfaktor aufweisen, in das nun einseitig verschlossene Gehäusebauteil eingebracht. Die ersten Randkomponenten können bereits aufeinander geklebt, laminiert oder einzeln nacheinander in das Gehäusebauteil eingebracht werden. In Schritt 500 wird anschließend ein Brennstoffzellenstapel in das Gehäusebauteil eingefügt und in Schritt 600 zweite Randkomponenten auf einer den ersten Randkomponenten bezüglich des Brennstoffzellenstapels gegenüberliegenden Seite eingefügt. In Schritt 700 wird anschließend das Gehäuse mittels der zweiten Stirnfläche verschlossen, dass die zweiten Randkomponenten zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der zweiten Stirnfläche angeordnet werden.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Deckel
- 3
- hintere Seitenfläche
- 4
- Boden
- 5
- vordere Seitenfläche
- 6
- erste Stirnfläche
- 7
- zweite Stirnfläche
- 8
- Ventilator
- 9a
- erste Randkomponenten
- 9b
- zweite Randkomponenten
- 10
- Fortbewegungsmittel
- 11
- Brennstoffzellenstapel
- 12
- Traktionsmaschine
- 13
- Gehäusebauteil
- 14
- Innenseite
- 15
- Lack
- 16
- Schraube
- 17
- elektrische Leitungen
- 100 bis 700
- Verfahrensschritte
