EP1330374A1 - Brennstoffzellenanlage für ein fahrzeug, insbesondere kraftfahrzeug - Google Patents
Brennstoffzellenanlage für ein fahrzeug, insbesondere kraftfahrzeugInfo
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- EP1330374A1 EP1330374A1 EP01992653A EP01992653A EP1330374A1 EP 1330374 A1 EP1330374 A1 EP 1330374A1 EP 01992653 A EP01992653 A EP 01992653A EP 01992653 A EP01992653 A EP 01992653A EP 1330374 A1 EP1330374 A1 EP 1330374A1
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Definitions
- Fuel cell system for a vehicle in particular a motor vehicle
- the invention relates to a fuel cell system for a vehicle, in particular a motor vehicle, with at least one fuel cell module and / or a fuel cell stack.
- the latter fuel cell stack is also referred to in technical terminology as a fuel cell stack or in short as a “stack ⁇ ”.
- Fuel line systems are known for stationary and / or mobile applications.
- EP 0 677 412 B1 describes such a system specifically for use in a motor vehicle (motor vehicle) in which the fuel cell module itself is in a separate support structure in or below of the vehicle floor is arranged, with all units of the fuel cell system, as well as the ancillary units, being protected in the support structure, but nevertheless being accessible from the outside.
- the arrangement of the fuel cell system in the support construction serves primarily to mechanically protect the fuel cell modules or the individual stacks in the event of sudden external influences, in particular accidents. That being said, during everyday operation of motor vehicles equipped with fuel cell systems, the fuel cell stacks in the vehicle are stressed by a wide variety of influences from the vehicle. By the automotive operation itself, but also already during idling of the electric motor, the fuel cell stack considerable mechanical 'is exposed to alternating loads.
- the object of the invention is therefore to propose suitable measures to reduce the mechanical loads on the fuel cell.
- the invention proposes to attach the fuel cell stack and / or the fuel cell module to the vehicle in a mechanically decoupled manner.
- the entire fuel cell system can be positioned at a suitable location under the vehicle floor or at the location of the vehicle chassis.
- the fuel cell module is designed as a ' surface stack, which is mechanically decoupled by means of damping elements on an under or intermediate floor of the vehicle.
- the surface stack can also be suspended from the vehicle floor, which likewise results in mechanical decoupling from the vehicle.
- the arrangement of the fuel cell modules or fuel cell stacks is advantageously provided at a suitable point on the vehicle body in such a way that there are no notable aerodynamic changes.
- undesirable changes in the vehicle's cd value can be avoided, while air can still reach the surface stack when the vehicle is moving.
- the invention can be implemented in particular with those fuel cell modules which have a flat design, i.e. are constructed as a so-called area stack with HT-PEM fuel cells.
- the complete fuel cell system can be designed so that only the surface stack with the HT-PEM fuel cells is decoupled at a suitable location on the vehicle body, so that despite the surface stack and airflow feeds, the specific drag coefficient of the motor vehicle achieved by the vehicle design is essentially maintained becomes.
- FIG. 1 shows a on the underbody of a vehicle with a mechanically decoupled fuel cell module positioned thereon
- FIG. 2 shows the top view of a fuel cell module from below
- FIG. 3 shows an alternative arrangement to FIG. 1.
- 1 denotes a motor vehicle (KFZ) which, for example, has an electric motor 3 as a drive and a fuel cell system 10 for supplying the drive.
- KFZ motor vehicle
- a further base plate 2 can also be present as a base plate 2 ′ as the base plate, so that the fuel cell attachments ⁇ ⁇ ro IV) P * h- 1 * (io ⁇ o C ⁇ o C ⁇ s: o ⁇ ⁇ -5 o 3 p> l- 1 2!
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- FIG. 2 An alternative to FIG. 1 with a suspension of the surface stack on the carriage floor 2 results from FIG.
- damping elements 11 to 14 conventional means such as springs in particular, but also rubber buffers or the like are common. , in question.
- the damping elements 11 to 14 are matched in detail to the resonance properties of the vehicle body of the motor vehicle 1 on the one hand and the fuel cell system 10 on the other.
- the running properties of motor vehicle 1, in particular also the idling properties of engine 3, are also taken into account.
- Effective mechanical decoupling of the structural units can thus be achieved with simple means, with which, in particular, a negative influence of vibrations on the sensitive parts of the fuel stack, in particular the polymer membrane as the core of the fuel cell or - including the electrodes - the so-called membrane electrode Unit-MEA) can be excluded.
- PEM fuel cells are fuel cells that work with polymer electrolyte membranes based on the principle of proton exchange in the membrane (Proton Exchange Membrane).
- the working temperatures of the common PEM fuel cells are, for example, 60 ° C, in any case below 100 ° C, because at normal pressure the water necessary for the water balance of the fuel cell evaporates there.
- so-called HT (high temperature) PEM fuel cells have also been proposed, which promise improved application properties.
- HT-PEM fuel cells in particular work at temperatures between 60 ° C and 300 ° C, especially at normal pressure between 120 ° C and 200 ° C.
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Abstract
Bei einer Brennstoffzellenanlage für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Brennstoffzellenmodul und/oder Brennstoffzellenstapel ist erfindungsgemäß der Brennstoffzellenstapel (10) und/oder das Brennstoffzellenmodul (10) mechanisch entkoppelt am Fahrzeug (1) angebracht. Als Brennstoffzellenmodul (10) wird vorteilhafterweise ein Flächenstack mit PEM- oder insbesondere HT-PEM-Brennstoffzellen verwendet.
Description
Beschreibung
Brennstoffzellenanlage für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Brennstoffzellenmodul und/oder einem Brennstoffzellen- stapel. Letzterer Brennstoffzellenstapel wird in der Fachter- minologie auch als Brennstoffzellenstack oder kurz als „Stackλ bezeichnet.
BrennstoffZeilenanlagen sind für stationäre und/oder mobile Anwendungen bekannt., Beispielsweise wird in der EP 0 677 412 Bl eine^ derartige Anlage speziell für die Anwendung in einem Kraftfahrzeug (KFZ) beschrieben, bei der das Brennstoffzellenmodul selbst in einer separaten Trägerkonstruktion im bzw. unterhalb des Fahrzeugbodens angeordnet ist, wobei alle Aggregate der Brennstoffzellenanlage, als auch die nebenaggregate, in der Trägerkonstruktion geschützt, trotzdem aber von außen zugänglich sein sollen.
Die Anordnung der Brennstoffzellenanlage in der Träger- konstruktionnung dient beim Stand der Technik in erster Linie dazu, die Brennstoffzellen odule bzw. die einzelnen Stacks bei plötzlichen Außeneinwirkungen, insbesondere Unfällen, mechanisch zu schützen. Davon abgesehen werden aber während des Alltagsbetriebes von mit Brennstoffzellenanlagen ausgerüsteten Kraftfahrzeugen die im Fahrzeug befindlichen Brennstoff- zellenstapel durch unterschiedlichste Einwirkungen aus dem Fahrzeug belastet. Durch den Fahrbetrieb selbst, aber auch bereits beim Leerlauf des Elektromotors, ist der Brennstoffzellenstapel erheblichen mechanischen ' Wechselbelastungen ausgesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, geeignete Maßnahmen vor¬ zuschlagen, um die mechanischen Belastungen der Brennstoffzelle zu verringern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, den Brennstoffzellen- stapel und/oder das Brennstoffzellenmodul mechanisch entkoppelt am Fahrzeug anzubringen. Dabei kann die gesamte Brennstoffzellenanlage an geeigneter Stelle unter dem Fahrzeugboden oder auch an der Stelle des Fahrzeugchassis positioniert sein. Vorteilhafterweise ist das Brennstoffzellenmodul als 'Flächenstack ausgebildet, das mittels Dämpfungselementen auf einem Unter- bzw. Zwischenboden des Fahrzeuges mechanisch entkoppelt aufliegt. Alternativ kann das Flächenstack auch am Fahrzeugboden aufgehängt sein, womit sich ebenfalls eine mechanische Entkopplung zum Fahrzeug ergibt.
Die Anordnung der Brennstoffzellenmodule bzw. Brennstoffzel- lenstapel ist vorteilhafterweise derart an geeigneter Stelle der Fahrzeugkarosserie vorgesehen, dass sich keine beachtenswerten aerodynamischen Veränderungen ergeben. Insbesondere können unerwünschte Änderungen des cw-Wertes des Fahrzeuges vermieden, wobei trotzdem bei sich bewegendem Fahrzeug Fahrtwind an das Flächenstack gelangen kann.
Mit der Erfindung wird in einfacher Weise erreicht, dass sich äußere mechanische Einflüsse, insbesondere Schwingungen des Fahrzeuges, von den empfindlichen BrennstoffZellenstapeln, fernhalten lassen. Dies ist besonders wichtig bei der Verwendung von solchen BrennstoffZellenmodulen, die mit PEM-Brenn- toffzellen oder auch mit HT-PEM-Brennstoffzellen arbeiten. insbesondere wegen der im letzteren Fall notwendigen spezifischen Membranen ergeben sich hier besonders hohe Anforderen-
gen bezüglich des Langzeitschutzes vor mechanischen Wechselbelastungen.
Wie bereits erwähnt, läßt sich die Erfindung insbesondere mit solchen Brennstoffzellenmodulen realisieren, die in flacher Bauweise, d.h. als sogenannte Flächenstack mit HT-PEM- Brennstoffzellen aufgebaut sind. Dabei kann die kompletten Brennstoffzellenanlage raumformmäßig so ausgestaltet sein, dass nur das Flächenstack mit den HT-PEM-Brennstoffzellen entkoppelt an geeigneter Stelle der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist, dass trotz Flächenstack und Fahrtwindzuführungen der spezifische, durch das Fahrzeugdesign erreichte cw-Wert des Kraftfahrzeuges im wesentlichen beibehalten wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
Figur 1 ein auf den Unterboden eines Fahrzeuges mit einem daran mechanisch entkoppelt positionierten Brennstoffzellenmodul, Figur 2 die Draufsicht auf ein Brennstoffzellenmodul von unten und Figur 3 eine alternative Anordnung zu Figur 1.
In Figur 1 ist mit 1 ein Kraftfahrzeug (KFZ) bezeichnet, das beispielsweise einen Elektromotor 3 als Antrieb und eine Brennstoffzellenanlage 10 zur Versorgung des Antriebes auf- weist.
Beim Stand der Technik wird bereits vorgeschlagen, Brennstoffzellenmodule im oder unterhalb des Bodens 2 des Kraftfahrzeuges 1 in einer spezifischen Tragkonstruktion anzuord- nen. Gemäß einem anderen, nicht vorveröffentlichtem Vorschlag kann als Grundplatte auch eine weitere Grundplatte 2 als Unterboden 2' vorhanden sein, so dass die Brennstoffzellenan-
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chanische Entkopplung des gesamten Brennstoffzellenmoduls 10 vom Chassis des KFZ's 1 ergibt.
Letzteres wird anhand Figur 2 durch die Unteransicht auf das Flächenstack verdeutlicht. Eine Alternative zu Figur 1 mit einer Aufhängung des Flächenstacks am Wagenboden 2 ergibt sich anhand Figur 3.
I
Als Dämpfungselernente 11 bis 14 kommen üblich Mittel des Standes der Technik wie insbesondere Federn, aber auch Gummipuffer oder dgl . , in Frage.
Zur praxisgerechten Anwendung werden die Dämpfungselemente 11 bis 14 im Einzelnen auf die Resonanzeigenschaften des Fahr- zeugaufbaus des KFZ's 1 einerseits und der Brennstoffzellenanlage 10 andererseits abgestimmt. Berücksichtigt werden weiterhin die Laufeigenschaften des Kraftfahrzeuges 1, insbesondere auch die Leerlaufeigenschaften des Motors 3.
Es lässt sich somit mit einfachen Mitteln eine wirksame mechanische Entkopplung der Baueinheiten erreichen, womit insbesondere ein negativer Einfluss von Schwingungen auf die empfindlichen Teile des BrennstoffZeilenstacks, insbesondere der Polymermembran als Kernstück der Brennstoffzelle bzw. - einschließlich der Elektroden - der sog. Membran-Elektroden- Einheit-MEA) , ausgeschlossen werden kann.
Letzteres ist immer dann von Bedeutung, wenn der Brennstoffzellenmodul PEM-Brennstoffzellen beinhaltet. Mit PEM- Brennstoffzellen sind solche Brennstoffzellen bezeichnet, die mit Polymer-Elektrolyt-Membranen nach dem Prinzip des Protonen-Austausches in der Membran (Proton Exchange Membrane) arbeiten. Die Arbeitstemperaturen der üblichen PEM-Brennstoff- ellen liegen bei beispielsweise 60°C, in jedem Fall unter 100°C, weil dort bei Normaldruck das für den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle notwendige Wasser verdampft.
Vorgeschlagen sind zwischenzeitlich auch sog. HT (High Te pe- rature) -PEM-Brennstoffzellen, die verbesserte Anwendungseigenschaften versprechen. Speziell HT-PEM-Brennstoffzellen arbeiten bei Temperaturen zwischen 60°C und 300°C, insbesondere bei Normaldruck zwischen 120°C und 200°C. Wegen der 'in diesem Temperaturbereich erforderlichen, spezifischen MEAΛs, die zur Protonenleitung in der Polymermembran einen eigendissoziierenden und/oder autoprotolytischen Elektrolyten beinhalten, sind sie allerdings besonders empfindlich hinsichtlich jegli- eher mechanischer Belastungen. Kleinste Schwingungen können unerwünschte Langzeitwirkungen bei der MEA zur Folge haben.
Insgesamt hat bei Verwendung von Brennstoffzellenmodulen mit HT-PEM-Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen die mechanische Entkopplung der empfindlichen Brennstoffzellen bzw. MEA s vom Fahrzeug eine besondere Bedeutung.
Claims
1. Brennstoffzellenanlage für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit mindestens einem Brennstoffzellenmodul und/oder Brennstoffzellenstapel, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Brennstoffzellenstapel (10) und/oder das Brennstoffzellenmodul (10) mechanisch entkoppelt am Fahrzeug (1) angebracht ist.
2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur mechanischen Entkopplung das Brennstoffzellenmodul (10) mit Dämpfungselemen- ten (11 bis 14) zwischen dem Boden (2) und einem Unterboden (2') des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dämpfungselemente (11 bis 14) auf einer den Unterboden bildenden Grundplatte (2') unterhalb des Fahrzeuges (1) angebracht sind, wobei das Brennstoffzellenmodul (10) auf den Dämpfungselemente (11 bis 14) aufliegt.
4. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dämpfungselemente (11 bis 14) an der Unterseite des Fahrzeugbodens 2) angebracht sind, wobei das Brennstoffzellenmodul an den Dämpfungselementen (11 bis 14) aufgehängt ist.
5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dämpfungselemente
(11 bis 14) Federn, Gummipuffer od. dgl . sind.
6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Brennstoffzellenmodul (10) einen Stapel von Brennstoffzellen als sog. Brennstoffzellenstack enthält.
7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Brennstoffzellen- Stack ein Flächenstack (10) ist.
8. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Flächenstack (10) das Verhältnis der Längsausdehnungen der Fläche zur Höhe wenigstens 3:1, vorzugsweise zwischen 5:1 und 20:1, ist.
9. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Brennstoffzellenmodul (10) mit Flächenstack am Fahrzeug (1) , insbesondere Chassis, derart angeordnet ist, dass die cw-Werte des Fahrzeuges (1) nicht beeinträchtigt werden.
10. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Brennstoffzellenmodul PEM-Brennnstoffzellen enthält.
11. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Brennstoffzellenmodul HT-PEM-Brennnstoffzellen enthält.
12. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 11, d a d u r c g e k e n n z e i c h n e t , dass die HT-PEM-Brennnstoff- zellen Membran-Elektroden-Einheiten (MEAλs) mit einem eigendissoziierendem un/oder autoprotolytische Elektrolyten enthalten.
Applications Claiming Priority (3)
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