EP4309227A1

EP4309227A1 - Gehäuse für einen brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: EP4309227A1
Application number: EP22702489.0A
Authority: EP
Inventors: Dirk Wexel; Florian Heller; Daniel Reuter
Original assignee: Stellantis Auto SAS
Current assignee: Stellantis Auto SAS
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2022-02-02
Publication date: 2024-01-24
Also published as: WO2022194439A1; DE102021202479A1; CN116982184A

Abstract

Die vorliegende Entwicklung betrifft ein Gehäuse (12) für einen Brennstoffzellenstapel (50), mit: - einem Gehäusekörper (11), welcher eine erste Stirnseite (18) und eine zweite Stirnseite (19) sowie eine die Stirnseiten (18, 19) miteinander verbindende Seitenwandstruktur (13) aufweist, - ein vom Gehäusekörper (11) umgebener Aufnahmeschacht (20) für den Brennstoffzellenstapel (50), welcher an die erste Stirnseite (18) angrenzt, - wobei im Bereich der zweiten Stirnseite (19) oder im Bereich der Seitenwandstruktur (13) zumindest eine den Gehäusekörper (11) durchsetzende Öffnung (30, 32, 33, 35) zur Montage oder Wartung von im Gehäuse (12) anordenbaren Brennstoffzellenkomponenten (80, 82, 84, 86, 90, 92) ausgebildet ist.

Description

GEHÄUSE FÜR EINEN BRENNSTOFFZELLENSTAPEL

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Entwicklung betrifft ein Gehäuse für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine mit einem solchen Gehäuse und Brennstoffzellenstapel ausgestattete Brennstoffzelleneinheit. In einem weiteren Aspekt betrifft die Entwicklung ein mit einer solchen Brennstoffzelleneinheit ausgestattetes Kraftfahrzeug.

Hintergrund

Die Brennstoffzellentechnologie wird für mobile Anwendungen, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich immer attraktiver. Typischerweise werden in der Praxis mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um eine gewünschte elektrische Leistung zu erzeugen. Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Anzahl bipolarer Platten mit dazwischen angeordneten Membranelektrodenanordnungen auf. Mit dem Brennstoffzellenstapel sind schließlich elektrische Sammelschienen verbunden, um die vom Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Leistung an entsprechende Verbraucher abzuführen.

Eine Brennstoffzelleneinheit weist neben dem Brennstoffzellenstapel typischerweise auch diverse elektrische oder elektronische Komponenten, etwa elektrische Sicherungs- oder Regelungskomponenten auf. Aus der DE 102009036662 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das ein einzelnes Gehäuse für sowohl einen Brennstoffzellenstapel als auch für Elektronik sowie Komponenten aufweist.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Entwicklung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Gehäuse für einen Brennstoffzellenstapel, mithin für eine gesamte Brennstoffzelleneinheit bereitzustellen, welches eine möglichst kompakte Bauform und ein vergleichsweise hohes Maß an mechanischer Stabilität aufweist. Ein Totraumvolumen im Inneren des Gehäuses, d.h. nicht genutzter Bauraum im Gehäuseinneren soll dabei auf ein Minimum reduziert werden. Das Gehäuse soll ferner eine möglichst einfache und effiziente Montage der Brennstoffzelleneinheit und zugehöriger Komponenten im Inneren des Gehäuses sowie eine möglichst einfache und stabile Montage des Gehäuses in einem Kraftfahrzeug ermöglichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen

Nach einem ersten Aspekt ist ein Gehäuse für einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Das Gehäuse weist einen Gehäusekörper mit einer ersten Stirnseite und einer zweiten Stirnseite auf. Der Gehäusekörper weist ferner eine die beiden Stirnseiten miteinander verbindende Seitenwandstruktur auf. Von Vorteil kann der Gehäusekörper eine kubische Grundgeometrie aufweisen. Die erste Stirnseite ist an einem der zweiten Stirnseite gegenüberliegenden Ende vorgesehen; und umgekehrt. Die Seitenwandstruktur kann im Querschnitt rechteckig ausgestaltet sein.

Das Gehäuse, mithin der Gehäusekörper umgibt einen Aufnahmeschacht oder bildet einen Aufnahmeschacht für den Brennstoffzellenstapel. Der Aufnahmeschacht grenzt an die erste Stirnseite des Gehäusekörpers an. Im Bereich der zweiten Stirnseite oder im Bereich der Seitenwandstruktur ist zumindest eine den Gehäusekörper durchsetzende Öffnung zur Montage oder zur Wartung vom im Gehäuse anordenbaren Brennstoffzellenkomponenten ausgebildet.

Der Brennstoffzellenstapel ist typischerweise über die erste Stirnseite in den hierfür vorgesehenen Aufnahmeschacht einführbar. Das Einführen des Brennstoffzellenstapels erfolgt hierbei entlang einer sich von der ersten Stirnseite zur zweiten Stirnseite erstreckenden Montagerichtung.

Das Bereitstellen von im Bereich der zweiten Stirnseite oder im Bereich der Seitenwandstruktur ausgebildeten Öffnungen ermöglicht es, weitere Brennstoffzellenkomponenten nach Montage des Brennstoffzellenstapels im Aufnahmeschacht im oder am Gehäuse zu montieren. Die weiteren Brennstoffzellenkomponenten können dabei beispielsweise unmittelbar mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden oder gekoppelt werden. Durch die zumindest eine den Gehäusekörper durchsetzende Öffnung im Bereich der Seitenwandstruktur und/oder im Bereich der zweiten Stirnseite kann zunächst der Brennstoffzellenstapel in das Gehäuse eingesetzt oder eingeführt werden. Hiernach kann alsdann die Montage weiterer Brennstoffzellenkomponenten, etwa von Leiterplatten, elektrischen Leitern, Leistungsverteilungskomponenten, wie Hochspannungs- Überwachungseinheiten, Komponenten zur elektrischen Isolation, eine Hochspannungs-Überwachungschleife (HVIL von Englisch „high voltage interlock loop“) sowie Spannungsdetektoren, Stromdetektoren oder Sensoren, etwa Gassensoren, im oder am Gehäuse erfolgen.

Somit wird eine besonders kompakte Bauform des Gehäusekörpers und des gesamten Gehäuses ermöglicht. Eine Innengeometrie, insbesondere ein Innenquerschnitt des Aufnahmeschachts kann passgenau an die Außengeometrie des Brennstoffzellenstapels angepasst sein. Der Anteil nicht nutzbaren Totraumvolumens im Inneren des Gehäusekörpers kann auf diese Art und Weise reduziert werden. Die Verringerung des Totraumvolumens, das heißt, von Komponenten der Brennstoffzelleneinheit ungenutzter Bauraum im Inneren des Gehäuses erweist sich auch unter Sicherheitsaspekten als vorteilhaft. Bei einem vergleichsweise geringen Totraumvolumen wird auch nur ein dementsprechend geringeres Volumen zur Aufnahme von Reaktionsgasen, etwa im Fall einer Leckage des Brennstoffzellenstapels bereitgestellt.

Das Bereitstellen einer oder mehrerer das Gehäuse durchsetzender Öffnungen, welche nach Montage mittels geeigneter Deckel verschlossen werden, vereinfacht die Montage und insbesondere die Zugänglichkeit zu entsprechenden Montagebereichen im Inneren des Gehäuses. Montage- und Fertigungsprozesse für das Gehäuse, bzw. für die Brennstoffzelleneinheit können hierdurch vereinfacht werden.

Nach einerweiteren Ausgestaltung weist der Brennstoffzellenstapel an einem ersten Längsende eine Anschlussplatte auf. Die Anschlussplatte ragt seitlich vom Brennstoffzellenstapel über. Sie liegt mit Erreichen einer Endmontagestellung des Brennstoffzellenstapels im Aufnahmeschacht an einem im Bereich der ersten Stirnseite liegenden Rand des Aufnahmeschachts an. Die seitlich vom Brennstoffzellenstapel überstehende Anschlussplatte kann insbesondere gasdicht am Rand der ersten Stirnseite zur Anlage gebracht werden und dort mit dem Rand verbunden, beispielsweise gasdicht verschraubt werden.

Insoweit kann der Brennstoffzellenstapel mit seiner Anschlussplatte zumindest eine Öffnung des Gehäusekörpers, nämlich die Öffnung des Aufnahmeschachts nach erfolgter Montage des Brennstoffzellenstapels verschließen. Die Anschlussplatte des Brennstoffzellenstapels erfüllt hierbei eine Doppelfunktion. Zum einen fungiert sie als medienführender Anschluss für den Brennstoffzellenstapel. Weiterhin kann die Anschlussplatte quasi auch als Montageplatte für den Brennstoffzellenstapel fungieren. Die Anschlussplatte und der Brennstoffzellenstapel können eine vorgefertigte Baugruppe bilden, die außerhalb und unabhängig von der Brennstoffzelleneinheit vormontiert werden kann.

Über die Anschlussplatte kann ferner der gesamte Brennstoffzellenstapel während der Endmontage gehalten und passgenau in den Aufnahmeschacht eingeführt werden. Insoweit kann die Anschlussplatte auch als Handhabe zur Montage des Brennstoffzellenstapels im Inneren des Gehäuses fungieren. Ferner kann die Anschlussplatte als ein das Gehäuse, bzw. eine Gehäuseöffnung verschließendes Element fungieren und insoweit einen Deckel oder Verschluss bilden, welcher den Aufnahmeschacht im Bereich der ersten Stirnseite verschließt. Auf einen gesonderten Gehäusedeckel im Bereich der ersten Stirnseite kann insoweit verzichtet werden. Montage- und Fertigungskosten können somit reduziert werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Anschlussplatte zumindest einen Anschluss für ein Reaktionsmedium oder Gas auf. Über die Anschlussplatte können beispielsweise Reaktionsmedien, wie etwas Wasserstoff, Sauerstoff oder auch weitere Gase oder Flüssigkeiten dem Brennstoffzellenstapel zugeführt oder aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt werden. Die Anschlussplatte kann dabei auch beispielsweise als sogenannte nasse Endplatte fungieren. Entsprechende Anschlüsse können die Anschlussplatte durchsetzen und können dem Brennstoffzellenstapel zugewandt in entsprechende medienführende Kanäle des Brennstoffzellenstapels münden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die zweite Stirnseite des Gehäuses eine Öffnung auf, über welche ein zweites Längsende des Brennstoffzellenstapels in Montagestellung im Aufnahmeschacht zugänglich ist. Von Vorteil ist das zweite Längsende des Brennstoffzellenstapels mit Erreichen der Montagestellung im Aufnahmeschacht von außen über die Öffnung in der zweiten Stirnseite zumindest bereichs- oder abschnittsweise zugänglich. Über jene Öffnung in der zweiten Stirnseite kann insbesondere das zweite, etwa der Anschlussplatte abgewandte Längsende des Brennstoffzellenstapels gesondert mit dem Gehäuse verbunden, bzw. mechanisch hieran fixiert werden. Die Öffnung in der zweiten Stirnseite ermöglicht hier eine ungehinderte Zugänglichkeit für entsprechende Montage- und Befestigungselemente. Somit kann der Brennstoffzellenstapel mit seinem zweiten Längsende direkt am oder mit dem Gehäuse mechanisch verbunden werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Brennstoffzellenstapel an seinem zweiten Längsende eine Halterung auf, welche an einer Innenseite der Seitenwandstruktur befestigbar ist. Jene Halterung kann insbesondere nahe der Öffnung der zweiten Stirnseite zu liegen kommen, sodass sie ungehindert von außen über die Öffnung in der zweiten Stirnseite zugänglich ist.

Die Halterung kann beispielsweise einen Montagewinkel aufweisen, welcher mit einem Schenkel etwa am zweiten Längsende des Brennstoffzellenstapels angeordnet und befestigt ist, und welcher mit einem zweiten Schenkel etwa an einer Innenseite der Seitenwandstruktur des Gehäuses befestigbar oder befestigt ist. Der erste und der zweite Schenkel der Halterung, bzw. des Montagewinkels können unter einem vorgegebenen Winkel, etwa senkrecht zueinander ausgerichtet sein.

Ein Montagewinkel ermöglicht ferner einen gewissen Toleranzausgleich in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels. Dies kann insbesondere über die Lebens- und Betriebsdauer der Brennstoffzelleneinheit von Vorteil sein, insbesondere falls der Brennstoffzellenstapel etwa nutzungsbedingt einer Dilatation oder Kontraktion in Längsrichtung unterliegen sollte. Die Befestigung des zweiten Längsendes des Brennstoffzellenstapels an der Seitenwandstruktur ermöglicht ferner die Bildung eines Freiraums zwischen dem zweiten Längsende des Brennstoffzellenstapels und einer die zweite Stirnseite des Gehäuses verschließenden Deckels. Auf diese Art und Weise kann eine

Längenausdehnung oder Kontraktion des Brennstoffzellenstapels in Längsrichtung auch im Betrieb der Brennstoffzelle problemlos bereitgestellt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Seitenwandstruktur angrenzend an die zweite Stirnseite eine die Seitenwandstruktur durchsetzende Revisionsöffnung auf. Die Revisionsöffnung kann beispielsweise mit einem Verschluss, etwa mit einem Schraubverschluss verschlossen sein. Die Revisionsöffnung soll insbesondere eine visuelle Inspektion des Innenraums der Brennstoffzelleneinheit ermöglichen. Insbesondere soll über die Revisionsöffnung ein Spaltmaß zwischen dem zweiten Längsende des Brennstoffzellenstapels und der zweiten Stirnseite des

Gehäusekörpers ermittelbar sein. Jenes Spaltmaß kann Aufschluss über den Betriebszustand oder die Lebensdauer der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere über deren etwa alterungsbedingte Dilatation, geben. Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Seitenwandstruktur einen Boden und eine gegenüberliegende Decke auf. Der lichte Abstand zwischen dem Boden und der Decke entspricht den entsprechenden Außenabmessungen des Brennstoffzellenstapels. Das heißt, die lichte Weite zwischen dem Boden und der Decke der Seitenwandstruktur des Gehäuses entspricht im Wesentlichen dem Außenabstand zwischen einer der Decke zugewandten Außen- und Oberseite des Brennstoffzellenstapels und der Außenseite einer dem Boden des Gehäuses zugewandten Unterseite des Brennstoffzellenstapels.

Der Aufnahmeschacht ist zumindest im Hinblick auf den Boden und die Decke passgenau an die Außenabmessungen des Brennstoffzellenstapels angepasst. Gleichermaßen kann dies auch für eine erste und/oder eine zweite Seitenwand des Aufnahmeschachts zutreffen, welche den entsprechenden Außenwänden des Brennstoffzellenstapels zugewandt sind. Insoweit kann eine Innengeometrie, insbesondere ein Innenquerschnitt des Aufnahmeschachts passgenau an den Außenquerschnitt des Brennstoffzellenstapels angepasst sein. Der Querschnitt verläuft hierbei im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist in der Seitenwandstruktur, etwa in der Decke oder im Boden der Seitenwandstruktur eine Öffnung ausgebildet, durch welche zumindest eine Sammelschiene hindurchführbar und von außen mit dem innerhalb des Gehäuses befindlichen Brennstoffzellenstapel verbindbar ist. Von Vorteil ist die Öffnung derart bemessen, dass beide mit dem Brennstoffzellenstapel zu verbindenden Sammelschienen von außen durch die Öffnung hindurch und von außen mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden werden können. Nach einer Montage können die Sammelschienen innerhalb oder im Bereich der Öffnung verbleiben. Die Sammelschienen können quasi in der Seitenwandstruktur zu liegen kommen.

Nach Montage der zumindest einen Sammelschiene oder beider Sammelschienen kann die Öffnung mittels eines gesonderten Deckels von außen verschlossen werden. Die nachträgliche Anordnung der Sammelschienen über die Außenseite des Gehäuses ermöglicht es, den Aufnahmeschacht, insbesondere dessen Innengeometrie passgenau an die Außengeometrie des Brennstoffzellenstapels anzupassen. Wären die Sammelschienen vor dem Einführen des Brennstoffzellenstapels in den Aufnahmeschacht bereits mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden, so würden sie dessen Einführbewegung in den Schacht behindern oder sogar blockieren.

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Seitenwandstruktur eine erste Seitenwand und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand auf. Von Vorteil sind die ersten und die zweiten Seitenwände über die Decke und den Boden miteinander verbunden. Die Seitenwandstruktur, umfassend die Decke, die erste Seitenwand, den Boden und die zweite Seitenwand, kann insbesondere einstückig ausgestaltet sein. Im Bereich der ersten Seitenwand oder der zweiten Seitenwand oder auch im Bereich beider Seitenwände ist zumindest eine von außen zugängliche Öffnung zur Montage von elektrischen Komponenten, etwa von elektrischen Regelungs- und/oder Überwachungskomponenten oder Kontrollkomponenten ausgebildet. Dies ermöglicht eine nachträgliche Montage solcher Komponenten sowie deren Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel, insbesondere nachdem der Brennstoffzellenstapel im Aufnahmeschacht platziert und angeordnet ist.

Bei den elektronischen Komponenten, den Überwachungskomponenten oder Kontrollkomponenten kann es sich beispielsweise um elektrische Unterbrechungsschalter, um eine Zellspannungsüberwachungseinheit, um eine elektronische Steuer- oder Kontrolleinheit für den Brennstoffzellenstapel oder um Sensorkomponenten, etwa Wasserstoffsensoren handeln.

Die in der ersten und/oder zweiten Seitenwand ausgebildeten Öffnungen für die Montage oder Konfiguration solch elektrischer Komponenten, Überwachungskomponenten oder Kontrollkomponenten können nach erfolgter Montage dieser Komponenten im Gehäuse ebenfalls mit einem gesonderten Deckel verschlossen werden.

Das Bereitstellen von solchen, von außen zugänglichen Öffnungen ermöglicht es, nicht nur den Brennstoffzellenstapel, sondern auch zugehörige elektronische Komponenten in ein und demselben Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit unterzubringen. Auf diese Art und Weise kann ein höheres Maß an Systemintegration erreicht werden. Ferner wird hierdurch eine besonders einfache Handhabung und Montage der gesamten Brennstoffzelleneinheit, etwa in einem Kraftfahrzeug ermöglicht.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die zumindest eine den Gehäusekörper durchsetzende Öffnung mit einem Deckel gasdicht verschließbar. Sind mehrere Öffnungen im Gehäusekörper, beispielsweise im Boden, im Bereich der zweiten Stirnseite oder im Bereich einer von erster und zweiter Seitenwand vorgesehen, so ist für jede der Öffnungen ein gesonderter Deckel vorgesehen. Der Deckel kann einen Anbindungsrand aufweisen, welcher korrespondierend, bzw. komplementär zum Rand der betreffenden Öffnung ausgestaltet ist. An der Öffnung und am Deckel können miteinander korrespondierende Befestigungselemente, etwa in Form von Schraublöchern und Gewindebohrungen ausgestaltet sein. Auf diese Art und Weise kann mittels geeigneter Befestigungselemente, etwa mittels Schrauben, der betreffende Deckel an der jeweiligen Öffnung angeordnet und gasdicht befestigt werden. Ferner ist denkbar, dass an dem Deckel und/oder an der Berandung der betreffenden Öffnung des Gehäuses eine Dichtung vorgesehen oder angeordnet ist.

Ein die betreffende Öffnung verschließbarer Deckel kann beispielsweise auch abnehmbar verschließbar am Gehäuse angeordnet sein. Ein lösbar am Gehäuse angeordneter Deckel kann beispielsweise auch zu Reparaturzwecken von Vorteil sein, etwa wenn einzelne elektronische Komponenten oder

Überwachungskomponenten oder auch Komponenten der Leistungsverteilung innerhalb des Brennstoffzellengehäuses ausgetauscht werden müssen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der die zumindest eine Öffnung verschließende Deckel eine geringere Material stärke als die Seitenwandstruktur, die erste Stirnseite oder die zweite Stirnseite auf. Insbesondere weist der im Bereich der zumindest eine Öffnung anordenbare gesonderte Deckel eine quasi Sollbruchstelle auf. Sollte beispielsweise der Druck im Inneren des Gehäuses einen zulässigen Höchstwert überschreiten, so kann der Deckel eine Sollbruchstelle bereitstellen, um ein Bersten des Gehäusekörpers zu vermeiden. Der Deckel kann beispielsweise aus einem Metallblech gefertigt sein. Der Gehäusekörper kann aus einem Metallgussmaterial gefertigt sein.

Nach einerweiteren Ausgestaltung kann der im Bereich einer den Gehäusekörper durchsetzenden Öffnung anzuordnende oder daran angeordnete Deckel ein geringeres Maß an mechanischer Festigkeit, Stabilität oder Druckstabilität als der hieran angrenzende Bereich des Gehäusekörpers aufweisen.

Nach einerweiteren Ausgestaltung ist der Gehäusekörper einteilig aus Metallguss gefertigt. Es handelt sich somit um ein Metallgussgehäuse. Ein solches Gehäuse kann eine besonders stabile und dauerhaltbare Einhausung für den Brennstoffzellenstapel als auch für die weiteren Komponenten der Brennstoffzelleneinheit, etwa für elektronische Komponenten oder Überwachungskomponenten bereitstellen. Nach einer weiteren Ausgestaltung des Gehäuses weist der Gehäusekörper an einer Seitenwand zumindest einen nach außen abragenden und fluchtend mit einem Boden oder mit einer Decke des Gehäusekörpers verlaufenden Montageflansch auf. An der betreffenden Seitenwand können auch mehrere, etwa in Längsrichtung voneinander beabstandete Montageflansche ausgestaltet sein.

Gleichermaßen ist denkbar, dass am Boden oder an der Decke des Gehäusekörpers zumindest ein nach außen abragender und fluchtend mit einer angrenzenden Seitenwand verlaufender Montageflansch vorgesehen ist. Auch hier können mehrere, etwa in Längsrichtung des Gehäusekörpers zueinander versetzt angeordnete Montageflansche vorgesehen sein.

Nach einerweiteren Ausgestaltung kann beispielsweise im Übergangsbereich zwischen der ersten Seitenwand und dem Boden ein oder mehrere

Montageflansche angeordnet sein. Gegenüberliegend, bzw. diagonal hierzu können im Übergangsbereich zwischen der Decke und der zweiten Seitenwand gleichermaßen ein oder mehrere Montageflansche angeordnet sein. Dies ermöglicht eine besonders effiziente und einfache Montage des Gehäuses, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Entwicklung eine Brennstoffzelleneinheit, welche ein zuvor beschriebenes Gehäuse und einen in dem Gehäuse angeordneten Brennstoffzellenstapel aufweist.

Von Vorteil und nach einerweiteren Ausführungsform weist die Brennstoffzelleneinheit neben dem Brennstoffzellenstapel noch weitere Komponenten, etwa elektronische Komponenten, Überwachungskomponenten oder Kontrollkomponenten im Inneren des Gehäuses auf, welche für den ordnungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit unabdingbar sind.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Entwicklung schließlich ein Kraftfahrzeug mit einer zuvor beschriebenen Brennstoffzelleneinheit oder mit einem zuvor beschriebenen Gehäuse für eine solche Brennstoffzelleneinheit, bzw. für einen Brennstoffzellenstapel.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Entwicklung ferner ein Verfahren zur Montage einer Brennstoffzelleneinheit. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte des Bereitstellens eines zuvor beschriebenen Gehäuses und zumindest eines Brennstoffzellenstapels. Dabei wird der Brennstoffzellenstapel zunächst über die erste Stirnseite des Gehäuses in den dort angrenzenden Aufnahmeschacht eingeschoben. Alsdann erfolgt über zumindest eine das Gehäuse durchsetzende Öffnung eine Montage oder Wartung von im Gehäuse angeordneten Brennstoffzellenkomponenten oder die Anordnung bzw. Montage weiterer, der Brennstoffzelleneinheit zugehöriger Komponenten, etwa elektronischer Komponenten, Überwachungskomponenten oder Kontrollkomponenten.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel wird nach erfolgter Montage oder Wartung vom im Gehäuse anordenbaren Brennstoffzellenkomponenten die betreffende Öffnung mittels eines Deckels verschlossen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Entwicklung werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Brennstoffzelleneinheit vor einer Montage des Brennstoffzellenstapels im Gehäuse,

Fig. 3 eine weitere perspektivische Darstellung der Brennstoffzelleneinheit vor einer Montage,

Fig. 4 eine Darstellung der Brennstoffzelleneinheit nach erfolgter Montage, Fig. 5 eine Draufsicht auf die zweite Stirnseite nach Einsetzen des Brennstoffzellenstapels,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der zweiten Seitenwand von außen,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Unterseite der Brennstoffzelleneinheit nach Montage von Sammelschienen,

Fig. 8 eine Ansicht der Unterseite nach Anordnung eines die Montageöffnung verschließenden Deckels und

Fig. 9 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Montageverfahrens für die Brennstoffzelleneinheit. Detaillierte Beschreibung

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug 1 weist eine Kraftfahrzeugkarosserie 2 mit einem als Fahrgastzelle fungierenden Innenraum 3 auf. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Antrieb 4 auf, welcher insbesondere als elektrischer Antrieb ausgestaltet ist. Das Fahrzeug 1 verfügt ferner über eine Brennstoffzelleneinheit 10. Die Brennstoffzelleneinheit 10 ist dazu ausgestaltet, elektrische Energie für den Antrieb 4 bereitzustellen.

Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Brennstoffzelleneinheit 10 weist ein Gehäuse 12 mit einem Gehäusekörper 11 sowie einen Brennstoffzellenstapel 50 auf. Der

Brennstoffzellenstapel 50 ist Teil einer integrierten Baugruppe 52, welche ferner einer Anschlussplatte 54 für den Brennstoffzellenstapel 50 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 50 verfügt über eine Anzahl aufeinandergestapelter Bipolarplatten, die typischerweise in Längsrichtung miteinander verspannt sind. Ein erstes Längsende 51 des Brennstoffzellenstapels 50 ist mit der Anschlussplatte 54 verbunden. Die Anschlussplatte 54 weist zumindest einen ersten Anschluss 55 und einen zweiten Anschluss 57 für Medien, etwa für Reaktionsmedien und/oder Reaktionsprodukte, mithin für Gase oder Gas-Flüssigkeitsgemische auf. Die Anschlussplatte 54 steht mit einem Außenrand 58 seitlich vom Längsende 51 des Brennstoffzellenstapels 50 über. Dem Brennstoffzellenstapel 50 zugewandt bildet die Anschlussplatte 54 quasi einen nach außen abragenden Absatz oder Flanschabschnitt aus. Das Gehäuse 12 der Brennstoffzelleneinheit 10 weist einen einteiligen

Gehäusekörper 11 auf. Der Gehäusekörper 11 kann aus einem Metallguss gefertigt sein. Der Gehäusekörper 11 weist einen Aufnahmeschacht 20 auf, welcher an eine erste Stirnseite 18 des Gehäusekörpers 11 angrenzt. Gegenüberliegend weist der Gehäusekörper 11 eine zweite Stirnseite 19 auf. Zwischen den Stirnseiten 18, 19 ist eine Seitenwandstruktur 13 vorgesehen. Die Seitenwandstruktur 13 weist eine Decke 15, einen gegenüberliegenden Boden 17 sowie eine erste Seitenwand 14 und eine zweite Seitenwand 16 auf. Die ersten und zweiten Seitenwände 14, 16 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander auf gegenüberliegenden Außenseiten des Gehäusekörpers 11. Gleichermaßen erstrecken sich die Decke 15 und der Boden 17 ebenfalls parallel zueinander und bilden den Boden und die Oberseite des Gehäuses 12.

Montagetechnisch ist vorgesehen, den Brennstoffzellenstapel 50 mit seinem zweiten Längsende 53 voran in den Aufnahmeschacht 20 einzuschieben. Der Aufnahmeschacht 20 weist eine stirnseitige Öffnung 31 im Gehäusekörper 11 auf. Hinsichtlich seines Innenquerschnitts ist der Aufnahmeschacht 20 an einen Außenquerschnitt des Brennstoffzellenstapels 50 angepasst. Die stirnseitige Öffnung 31 ist von einem umlaufenden Rand 28 umgeben. In der Endmontagestellung, wie sie beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist, gelangt die Anschlussplatte 54 abdichtend an jenem Rand 28 zur Anlage. Die Anschlussplatte 54 fingiert hierbei als Verschlussdeckel 46 für die Öffnung 31.

An der Oberseite, mithin an der Außenseite der Decke 15 ist angrenzend bzw. in unmittelbarer Nähe der zweiten Stirnseite 19 eine Revisionsöffnung 70 vorgesehen, welche beispielsweise mittels eines Verschlusses 72 verschlossen ist. Der

Verschluss kann als Schraubverschluss ausgestaltet sein und kann bei Bedarf aus der Revisionsöffnung 70 herausgeschraubt werden, um das Innere des Gehäuses 12, insbesondere einen Spaltabstand zwischen dem zweiten Längsende 53 des Brennstoffzellenstapels 50 und der zweiten Stirnseite 19 des Gehäuses 12 zumindest visuell zu inspizieren.

An der ersten Seitenwand 14 sind ferner zwei in Längsrichtung voneinander beabstandete Montageflansche 22 ausgebildet oder angeordnet. Diese sind über Versteifungsrippen 23 an der Außenseite der ersten Seitenwand 14 angeordnet und befestigt. Die Montageflansche 22 ragen nach außen von der ersten Seitenwand 14 ab. Sie sind aber in Verlängerung der Unterseite bzw. in Verlängerung des Bodens 17 angeordnet. Eine Unterseite der Montageflansche 22 ist fluchtend zu der Außenseite des Bodens angeordnet

Im Übergang zwischen der Decke 15 und der zweiten Seitenwand 16 sind ebenfalls zwei Montageflansche 24 vorgesehen. Auch diese sind mittels Rippen 23 strukturverstärkt an der Decke 15 angeordnet. Sie erstrecken sich nach oben, das heißt von der Decke 15 nach außen und sind in etwa fluchtend zur Außenseite der zweiten Seitenwand 16 ausgerichtet bzw. angeordnet.

Die Montageflansche 22, 24 bilden jeweils einzelne Montagepunkte oder Montagestellen für die Befestigung des Gehäuses 12 an der Kraftfahrzeugkarosserie 2.

An der ersten Seitenwand 14 ist ferner ein Anschlussstück 74, etwa für ein gasförmiges Medium vorgesehen. Im Bereich der ersten Stirnwand 18 und außerhalb der Anschlussplatte 54 ist ein elektrischer Anschluss-Stecker 88 ausgebildet, über welchen beispielsweise eine elektrische Verbindung mit einem externen Steuergerät kabelgebunden hergestellt werden kann.

Wie insbesondere in Fig. 5 gezeigt, weist die zweite Stirnseite 19 eine Öffnung 33 auf, über welche nahezu der gesamte Bereich des zweiten Längsendes 53 des Brennstoffzellenstapels 50 von außen zugänglich ist, sobald der Brennstoffzellenstapel 50 seine Endmontagestellung im Gehäuse 12 einnimmt. In der Darstellung gemäß Fig. 5 sind einzelne Druckbalken 60 gezeigt, mittels welchen der Brennstoffzellenstapel 50 in Längsrichtung verspannt ist. An den Außenseiten, das heißt der ersten Seitenwand 14 und der zweiten Seitenwand 16 zugeordnet, ist am zweiten Längsende 53 des Brennstoffzellenstapels 50 jeweils eine Halterung 62, 64 vorgesehen.

Bei den Halterungen 62, 64 kann es sich um Montagewinkel handeln. Ein Schenkel der Halterungen 62, 64 ist dabei beispielsweise am jeweils außenliegenden Druckbalken 60 des Brennstoffzellenstapels 50 angeordnet. Ein zweiter Schenkel der jeweiligen Halterung 62, 64 ist alsdann mittels hierfür vorgesehenen Befestigungselementen 66 an der Innenseite der ersten Seitenwand 14 bzw. an der Innenseite der zweiten Seitenwand 16 oder an einer Zwischenwand angeordnet. Die winklige Anbindung mittels der Halterungen 62, 64 ermöglicht eine Montagetoleranzen tolerierende Befestigung. Ferner kann über die Befestigung mittels der Halterungen 62, 64 ein gewisser Längenausgleich zwischen dem Brennstoffzellenstapel 50 und dem Gehäuse 12 bedarfsgerecht bereitgestellt werden. Nach erfolgter Befestigung des zweiten Längsendes 53 des Brennstoffzellenstapels 50 an der Seitenwandstruktur 13 kann die Öffnung 33 im Bereich der zweiten Stirnseite 19 mittels eines gesonderten Deckels 44, wie in Fig. 6 gezeigt, verschlossen werden. Der Deckel 44 kann einen umlaufenden Montagerand oder Montageflansch aufweisen, welcher komplementär oder korrespondierend zum Öffnungsrand 39 der Öffnung 33 ausgestaltet ist. Die Befestigung selbst kann mittels Schrauben erfolgen, die in Gewindebohrungen des Rands 39 eingeschraubt werden.

In den Fig. 3, 4 und 6 ist in perspektivischer Darstellung die zweite Seitenwand des Gehäuses 12 gezeigt. Die zweite Seitenwand 16 ist mit einer Öffnung 30 und mit einer weiteren Öffnung 32 versehen, welche jeweils einen umlaufenden Rand 34, 36 aufweisen. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann die Öffnung 30 mittels eines gesonderten Deckels 40 verschlossen werden. Die Öffnung 32 kann mittels eines gesonderten Deckels 42 verschlossen werden. Die jeweiligen Deckel 40, 42 weisen einen umlaufenden Montagerand oder Montageflansch auf, welcher korrespondierend zum Rand 34, 36 der jeweiligen Öffnungen 30, 32 ausgestaltet ist.

Die Öffnung 30 stellt einen ungehinderten Zugang für elektronische bzw. elektrische Komponenten der Brennstoffzelleneinheit 10 bereit, welche insbesondere nach Montage des Brennstoffzellenstapels 50 im Aufnahmeschacht 20 bestimmungsgemäß montiert und mit dem Brennstoffzellenstapel 50 verbunden bzw. gekoppelt werden können. Hierzu zählen insbesondere elektrische Unterbrechungsschalter 80, 82, welche mit elektrischen Anschlussleitungen 81, 83 verbunden sind, die aus dem Gehäuse herausführen. Die Unterbrechungsschalter 80, 82 fungieren als Not-Aus-Schalter. Sie können andernends mit den in Fig. 7 gezeigten Sammelschienen 90, 92 elektrisch verbunden sein.

Die Öffnung 30 stellt ferner eine Aufnahme für eine Zellspannungsüberwachungseinheit 84 als auch eine Aufnahme für Sensoren 86 bereit, welche beispielsweise als Wasserstoffsensoren ausgestaltet sein können.

Die unmittelbare Anordnung und Integration solch elektrischer, elektronischer Komponenten oder Überwachungskomponenten, aber auch von Kontrollkomponenten in ein und demselben Gehäuse mit dem

Brennstoffzellenstapel ermöglicht eine besonders kompakte und quasi voll integrierte Brennstoffzelleneinheit.

Die weitere, in Fig. 3 gezeigte Öffnung 32 kann zur Montage weiterer Komponenten der Brennstoffzelleneinheit 10 dienen. Die Öffnung 32 kann nach Montage der Komponenten im Gehäuse 12 mittels eines gesonderten Deckels 42 verschlossen werden. Zur Montage des oder der Deckel 40, 42, 44 sind einzelne und mehrere Befestigungselemente 66, etwa in Form von Schrauben vorgesehen. In den Fig. 7 und 8 ist die Außenseite des Bodens 17 des Gehäuses 12 gezeigt. Der Boden 17 weist eine Öffnung 35 auf, über welche die Sammelschienen 90, 92 mit dem Brennstoffzellenstapel 50 mechanisch verbunden werden können, nachdem der Brennstoffzellenstapel 50 im Aufnahmeschacht 20 aufgenommen wurde. Die Montage der Sammelschienen 90, 92 erfolgt dabei von außen, nämlich durch den Boden 17 des Gehäuses 12 hindurch. Dies betrifft die Montage, bzw. die Anordnung der Sammelschienen 90, 92 als auch deren Befestigung an dem Brennstoffzellenstapel 50. Die Öffnung 35 weist einen umlaufenden Öffnungsrand 95 auf, welcher mittels eines durchgehenden bzw. geschlossenen Deckels 48, wie in Fig. 8 gezeigt, verschließbar ist. Die nachträgliche Montage der Sammelschienen 90, 92, welche seitlich zumindest bereichsweise vom Brennstoffzellenstapel 50 überstehen, erfolgt im hier gezeigten Ausführungsbeispiel erst nach der Montage des Brennstoffzellenstapels 50 im Inneren des Gehäuses 12 und durch die Seitenwandstruktur 13 hindurch. Auf diese Art und Weise kann eine Innenquerschnittsgeometrie des Aufnahmeschachts 20 präzise und weitgehend spaltfrei an die Außengeometrie des Brennstoffzellenstapels 50 angepasst werden. In Fig. 9 ist schließlich ein Flussdiagramm eines Montageverfahrens gezeigt. Hierbei werden in einem ersten Schritt ein Brennstoffzellenstapel 50 und ein Gehäuse 12 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 102 wird der Brennstoffzellenstapel 50, wie beispielsweise in Fig. 1 angedeutet, mit seinem zweiten Längsende 53 voran in den Aufnahmeschacht 20 eingeführt, bis eine etwa in Fig. 4 gezeigte Endmontagestellung erreicht wird. Alsdann werden in einem nachfolgenden

Montageschritt 104 die beiden Sammelschienen 90, 92 durch den Boden 17 des Gehäuses 12 hindurch mit dem Brennstoffzellenstapel 50 sowohl mechanisch als auch elektrisch verbunden. Andernends können die Sammelschienen 90, 92 beispielsweise mit den Anschlussleitungen 81, 83 und/oder mit den Unterbrechungsschaltern 80, 82 verbunden werden. Hiernach und im Schritt 106 kann die Öffnung 35 im Boden 17 des Gehäuses 12 mittels eines gesonderten Deckels 48 verschlossen werden.

Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltungen der Entwicklung, zu welcher im Rahmen der Entwicklung weitere zahlreiche Varianten denkbar sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Entwicklung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine oder einige mögliche Implementierung(en) eines Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen. Bezugszeichenliste

1 Kraftfahrzeug

2 Kraftfahrzeugkarosserie

3 Innenraum

4 Antrieb

10 Brennstoffzelleneinheit

11 Gehäusekörper

12 Gehäuse

13 Seitenwandstruktur

14 Seitenwand

15 Decke

16 Seitenwand

17 Boden

18 Stirnseite

19 Stirnseite

20 Schacht

22 Montageflansch

23 Rippe

24 Montageflansch

28 Rand

30 Öffnung

31 Öffnung

32 Öffnung

34 Rand

35 Öffnung

36 Rand

39 Rand

40 Deckel

42 Deckel

44 Deckel

46 Deckel

48 Deckel

50 Brennstoffzellenstapel 51 Längsende

52 Baugruppe

53 Längsende

54 Anschlussplatte 55 Anschluss

57 Anschluss

58 Rand

60 Druckbalken

62 Halterung 64 Halterung

66 Befestigungselement

70 Revisionsöffnung

72 Verschluss

74 Anschlussstück 80 Unterbrechungsschalter

81 Anschlussleitung

82 Unterbrechungsschalter

83 Anschlussleitung

84 Zellspannungsüberwachungseinheit 86 Sensor

88 Anschluss-Stecker

90 Sammelschiene

92 Sammelschiene

94 Öffnung 95 Rand

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Gehäuse (12) für einen Brennstoffzellenstapel (50), mit: einem Gehäusekörper (11), welcher eine erste Stirnseite (18) und eine zweite Stirnseite (19) sowie eine die Stirnseiten (18, 19) miteinander verbindende Seitenwandstruktur (13) aufweist, ein vom Gehäusekörper (11) umgebener Aufnahmeschacht (20) für den Brennstoffzellenstapel (50), welcher an die erste Stirnseite (18) angrenzt, wobei im Bereich der zweiten Stirnseite (19) oder im Bereich der Seitenwandstruktur (13) zumindest eine den Gehäusekörper (11) durchsetzende Öffnung (30, 32, 33, 35) zur Montage oder Wartung von im Gehäuse (12) anordenbaren Brennstoffzellenkomponenten (80, 82, 84, 86, 90, 92) ausgebildet ist.

2. Gehäuse (12) nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel (50) an einem ersten Längsende (51) eine Anschlussplatte (54) aufweist, die seitlich vom

Brennstoffzellenstapel (50) übersteht, und welche mit Erreichen einer Endmontagestellung des Brennstoffzellenstapels (50) im Aufnahmeschacht (20) an einem im Bereich der ersten Stirnseite (18) liegenden Rand (28) des Aufnahmeschachts (20) anliegt.

3. Gehäuse nach Anspruch 2, wobei die Anschlussplatte (54) zumindest einen Anschluss (55, 57) für ein Reaktionsmedium oder Gas aufweist.

4. Gehäuse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Stirnseite (19) eine Öffnung (33) aufweist, über welche ein zweites Längsende (53) des Brennstoffzellenstapels (50) in Montagestellung im Aufnahmeschacht (20) zugänglich ist.

5. Gehäuse (12) nach Anspruch 4, wobei der Brennstoffzellenstapel (50) an seinem zweiten Längsende (53) eine Halterung (62) aufweist, welche an einer

Innenseite der Seitenwandstruktur (13) befestigbar ist.

6. Gehäuse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Seitenwandstruktur (13) angrenzend an die zweite Stirnseite (19) eine die Seitenwandstruktur (13) durchsetzende Revisionsöffnung (70) ausgebildet ist.

7. Gehäuse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die

Seitenwandstruktur (13) einen Boden (17) und eine gegenüberliegende Decke (15) aufweist, deren lichter Abstand zueinander an die entsprechende Außenabmessung des Brennstoffzellenstapels (50) angepasst ist.

8. Gehäuse (12) nach Anspruch 7, wobei in der Decke (15) oder im Boden (17) eine Öffnung (35) ausgebildet ist, durch welche zumindest eine Sammelschiene (90, 92) hindurchführbar und von außen mit dem innerhalb des Gehäuses (12) befindlichen Brennstoffzellenstapel (50) verbindbar ist.

9. Gehäuse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die

Seitenwandstruktur (13) eine erste Seitenwand (14) und eine gegenüberliegende zweite Seitenwand (16) aufweist und wobei im Bereich der ersten Seitenwand (14) oder der zweiten Seitenwand (16) eine zumindest von außen zugängliche Öffnung (30, 32) zur Montage von elektronischen Komponenten (84), Überwachungskomponenten (86) oder Kontrollkomponenten (80, 82) ausgebildet ist.

10. Gehäuse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine den Gehäusekörper (11) durchsetzende Öffnung (30, 31 , 32, 33, 35) mit einem Deckel (40, 42, 44, 4648) gasdicht verschließbar ist.

11. Gehäuse (12) nach Anspruch 10, wobei der Deckel (40, 42, 44, 46, 48) eine geringere Materialstärke als die Seitenwandstruktur (13), die erste Stirnseite (18) oder die zweite Stirnseite (19) aufweist.

12. Gehäuse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäusekörper (11) einteilig aus Metallguss gefertigt ist.

13. Gehäuse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäusekörper (11) an einer Seitenwand (14) zumindest einen nach außen abragenden und fluchtend mit einem Boden (17) oder mit einer Decke (15) des Gehäusekörpers (11) verlaufenden Montageflansch (22, 24) aufweist.

14. Brennstoffzelleneinheit (10) mit einem Gehäuse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einem im Gehäuse (12) angeordneten Brennstoffzellenstapel (50).

15. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelleneinheit (10) gemäß Anspruch 14 oder mit einem Gehäuse (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13.