WO2013131615A2

WO2013131615A2 - Fahrzeug mit einem brennstoffzellensystem

Info

Publication number: WO2013131615A2
Application number: PCT/EP2013/000498
Authority: WO
Inventors: Hans-Jörg Heidrich
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2013-09-12
Also published as: WO2013131615A3; DE102012004767A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2), welches eine Brennstoffzelle (3) aufweist, welche ein Gehäuse (4) mit Anschlüssen zur Zu- und Abfuhr von Medien und einen Stapel von Einzelzellen (5) aufweist, welches Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle (3) mit Medien aufweist, und welches ein Steuergerät (22) aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuergerät (22) eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (2) auf einen Maximalwert begrenzt ist, wobei der Maximalwert je nach Leistungsklasse des Brennstoffzellensystems (2) fest vorgegeben ist, und wobei zumindest das Gehäuse (4) der Brennstoffzelle (3) und die Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle (3) mit Medien unabhängig von der Leistungsklasse baugleich ausgeführt sind.

Description

Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden die Brennstoffzellensysteme und die darin verbauten Brennstoffzellen aus, einem Stapel von Einzelzellen entsprechend der für das Fahrzeug geforderten Nettoleistung ausgelegt. Die Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Medien, typischerweise Luft und Wasserstoff sowie Kühlmedium in einem Kühlkreislauf zur Abfuhr von Abwärme der Brennstoffzelle, werden dementsprechend angepasst und hinsichtlich ihrer Leistung und Größe so ausgelegt, dass das Brennstoffzellensystem damit optimal betrieben werden kann. Dies ist hinsichtlich des Wirkungsgrads sicherlich von Vorteil, verursacht jedoch einen erheblichen Aufwand, wenn das Brennstoffzellensystem beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs mit einer niedrigeren Leistungsklasse ausgeliefert werden soll oder auf ein anderes Fahrzeug angepasst werden muss, welches eine andere Leistungsklasse erfordert.

Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik bei Brennstoffzellensystemen kann außerdem auf die DE 10 2010 001 817 A1 verwiesen werden. Bei dem dort

beschriebenen Brennstoffzellensystem ist es so, dass durch einen DC/DC-Wandler baulich die maximale Leistung des Brennstoffzellensystems begrenzt ist. Ein

ausgeklügeltes und vergleichsweise komplexes Energiemanagementsystem sorgt dafür, dass die Grenzwerte der maximalen Leistungsabgabe so ausgenutzt werden, dass ein wirkungsgradoptimierter Betrieb des Brennstoffzellensystems entsteht. Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik wird außerdem auf die WO 2007/115145 A1 verwiesen. Diese beschreibt eine Miniaturbrennstoffzelle, welche analog zu

Miniaturbatterien so ausgebildet ist, dass diese bei gleicher Baugröße durch die

Verschaltung unterschiedlicher Zellblöcke in unterschiedlicher Art und Weise die geforderte Ausgangsleistung bereitstellt.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem anzugeben, welches einfach und mit minimalem Aufwand hinsichtlich Auslegung, Konstruktion und Montage an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lösung ergeben sich außerdem aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass ein Steuergerät des

Brennstoffzellensystems eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems auf einen Maximalwert begrenzt. Dieser Maximalwert ist dabei je nach Leistungsklasse des Brennstoffzellensystems fest vorgegeben und der Aufbau des Brennstoffzellensystems hinsichtlich der Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Medien und zumindest des Gehäuses des Brennstoffzellensystems ist unabhängig von der

Leistungsklasse baugleich. Hierdurch wird der Aufwand bei der Auslegung des

Brennstoffzellensystems minimiert. Ein Brennstoffzellensystem, welches baugleich aufgebaut ist, kann an verschiedene Leistungsklassen durch die Vorgabe des maximalen Leistungswerts in einem Steuergerät angepasst werden. So kann beispielsweise ein auf eine Maximalleistung von 100 kW ausgelegtes Brennstoffzellensystem in einer 60 kW- Leistungsklasse so ausgelegt werden, dass der maximale Leistungswert auf 60 kW begrenzt ist oder in einer 80 kW-Leistungsklasse auf 80 kW. Damit ändert sich der Brennstoffverbrauch bei bestimmten Lastzyklen. So wäre es beispielsweise möglich, das Brennstoffzellensystem bei Verwendung in der 80 kW-Leistungsklasse, also mit einer maximalen Nettoleistung von 80 kW, so auszulegen, dass dieses ein Verbrauchsoptimum im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) hat. Genau dasselbe Fahrzeug mit einem baugleichen Brennstoffzellensystem könnte bei einer Beschränkung der maximalen Nettoleistung auf 60 kW so ausgelegt werden, dass dieses in einem

Stadtverbrauchszyklus deutlich weniger Brennstoff verbraucht, als das baugleiche Fahrzeug mit höherer Leistung. Ein auf Autobahnfahrt optimiertes Fahrzeug könnte dann beispielsweise in der 100 kW-Leistungsklasse mit einer maximalen Nettoleistung von 100 kW realisiert werden. Entsprechend dieser Vorgabe lässt sich ein im Verbrauch optimiertes Fahrzeug für verschiedene Fahrprofile anbieten. Dies ist in etwa mit der Verwendung ein und desselben Verbrennungsmotors bei herkömmlichen Fahrzeugen vergleichbar, welcher durch eine entsprechende Anpassung der Software in

verschiedenen Leistungsklassen angeboten wird, ohne dass Bauart und Hubraum des Verbrennungsmotors hierfür geändert werden müssten.

Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug kann dies gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung damit einhergehen, dass die Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Medien eine Luftfördereinrichtung umfasst, wobei die Drehzahl der Luftfördereinrichtung in Abhängigkeit der Leistungsklasse nach oben begrenzt ist.

Hierdurch wird der maximale geförderte Luftstrom begrenzt. Dies ist bei niedrigen Leistungsklassen problemlos möglich. Der Energiebedarf der Luftfördereinrichtung reduziert sich somit und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems wird verbessert.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs kann die Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Medien alternativ oder

vorzugsweise ergänzend zu der Luftfördereinrichtung eine Anodenrezirkulation mit einem Rezirkulationsgebläse umfassen, wobei die Drehzahl des Rezirkulationsgebläses in Abhängigkeit der Leistungsklasse nach oben begrenzt ist. Für die Rezirkulation von unverbrauchtem Wasserstoff um den Anodenraum gilt im Wesentlichen dasselbe wie für die Luftversorgung. Bei einer niedrigen Leistungsklasse ist auch hier kein hoher

Leistungsbedarf im Bereich des Rezirkulationsgebläses notwendig. Durch die

Begrenzung der Drehzahl des Rezirkulationsgebläses in Abhängigkeit der

Leistungsklasse lässt sich so weiter Energie einsparen, ohne dass verschiedene

Bautypen von Rezirkulationsgebläsen bzw. Antriebsmotoren für die Rezirkulationsgebläse bei der Montage des Brennstoffzellensystems vorgehalten werden müssen.

Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug kann es dabei in einer sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Anzahl der Einzelzellen in der Brennstoffzelle unabhängig von der Leistungsklasse immer dieselbe ist. In dieser besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung ist das Brennstoffzellensystem also insgesamt absolut identisch aufgebaut, egal welche Leistungsklasse durch den im Steuergerät einprogrammierten Wert der maximalen Leistungsabgabe des

Brennstoffzellensystems vorgegeben wird. Dieser Aufbau ist hinsichtlich der Planung und Bereitstellung des Brennstoffzellensystems besonders günstig, da hier identische

Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden können, welche lediglich durch die

Programmierung des Steuergeräts auf die verschiedenen Leistungsklassen angepasst werden. Hierdurch ergeben sich Synergien bei der Entwicklung und Auslegung des Brennstoffzellensystems ebenso wie durch den Einsatz von Gleichteilen, welche hinsichtlich der Herstellungskosten, Transport- und Lagerungskosten gegenüber der Bevorratung und Bereitstellung von verschiedenartigen Bauteilen einen erheblichen Vorteil ermöglichen und den Aufwand hinsichtlich der Fertigungslogistik reduzieren.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass die Anzahl der Einzelzellen in dem unveränderten Gehäuse entsprechend der Leistungsklasse angepasst ist, wobei ein in dieser

Ausgestaltung zwingend erforderlicher DC/DC-Wandler unabhängig von der Anzahl der Einzelzellen der Brennstoffzelle eine konstante Spannung erzeugt. Diese Variante des erfindungsgemäßen Fahrzeugs kann durch die Verwendung desselben Gehäuses der Brennstoffzelle hinsichtlich der Peripheriebauteile um die Brennstoffzelle immer noch identisch ausgeführt sein. Im Inneren des Gehäuses wird die Anzahl der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels jedoch in Abhängigkeit der Leistungsklasse entsprechend variiert. Hierdurch werden Zellen eingespart. Insbesondere beim Einsatz von teuren Materialien im Bereich der Zellen, wie beispielsweise Katalysatormaterialien oder dergleichen, kann eine Einsparung von Einzelzellen durchaus einen Kostenvorteil bieten. Durch die

Verwendung der gleichen Peripherie aufgrund des gleichen Gehäuses und der gleichen Anschlüsse steigt der Aufwand beim Einsatz einer derartigen Brennstoffzelle gegenüber der Auslegung eines speziell angepassten Brennstoffzellensystems jedoch nur minimal. Da sich aufgrund der Änderung in der Anzahl der Einzelzellen die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels ändert, ist bei diesem Aufbau der DC/DC-Wandler erforderlich, um die Zwischenkreisspannung, also die Ausgangsspannung des DC/DC- Wandlers, unabhängig von der Anzahl der Zellen in der Brennstoffzelle konstant zu halten. Auch dies stellt einen typischerweise nicht allzu großen Aufwand dar, da ein DC/DC-Wandler in Brennstoffzellensystemen häufig ohnehin vorhanden ist, sodass dieser entsprechend mitgenutzt und durch eine Anpassung der Software in der genannten Art und Weise eingesetzt werden kann. In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung dieses Aspekts des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist es ferner vorgesehen, dass in dem je nach eingesetzter Anzahl von Einzelzellen gegebenenfalls verbleibenden Hohlraum in dem Gehäuse wenigstens ein Abstandsblock eingebracht ist. Ein solcher Abstandsblock in dem Gehäuse der Brennstoffzelle des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sorgt dafür, dass der konstruktive Aufbau der Brennstoffzelle weiterhin entsprechend stabil ist, und dass dasselbe Gehäuse mit denselben Anschlüssen in jedem Fall verwendet werden kann, egal mit wie vielen Einzelzellen es, in Abhängigkeit der geforderten Leistungsklasse, bestückt ist.

Dabei kann ein einziger Abstandsblock eingesetzt werden, oder auch eine Mehrzahl derartiger Abstandsblöcke, sodass beispielsweise mit in ihrer Größe angepassten Abstandsblöcken je nach Leistungsklasse und entstehendem Hohlraum in dem Gehäuse durch das Einlegen von ein, zwei, drei oder mehr Abstandsblöcken der Stapel der Brennstoffzelle mechanisch wieder stabilisiert werden kann. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, standardisierte Abstandsblöcke zu nutzen, ohne dass für jede einzelne Leistungsklasse und jede einzelne Anzahl von Einzelzellen ein eigener Abstandsblock hergestellt und bereitgehalten werden muss.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist es dabei vorgesehen, dass der Abstandsblock in Leichtbauweise ausgeführt ist. Eine solche Leichtbauweise des Abstandsblocks, welcher beispielsweise aus Kunststoff oder einem Kunststoffgraphitmaterial bestehen kann, gewährleistet einen sicheren und zuverlässigen Halt der Einzelzellen in dem Gehäuse, ohne das Gewicht der Brennstoffzelle unnötig zu erhöhen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es deshalb vorgesehen sein, dass der Abstandsblock eine Wabenstruktur und/oder ein faserverstärktes Material aufweist. Solche Leichtbaumaterialien sind besonders gut geeignet, um beispielsweise aus Kunststoff, Kohlenstoff, Graphit, Glas oder Metall hergestellt zu werden und die oben genannten Aufgaben in der Brennstoffzelle ideal zu erfüllen.

In einer weiteren sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es ferner vorgesehen sein, dass der Abstandsblock Leitungen für Medien und elektrische Leitungen aufweist. Ein solcher Abstandsblock, welcher die Leitungen für die Medien, beispielsweise Luft, Abluft, Wasserstoff, Restwasserstoff und Kühlmedien aufweist, eignet sich ideal, um anstelle der Einzelzellen in das Gehäuse der Brennstoffzelle eingesetzt zu werden. Ohne weitere Maßnahmen kann dann vergleichbar einem das gesamte Gehäuse ausfüllenden Stapel an Einzelzellen die Montage unverändert fortgeführt werden. Dies gilt

insbesondere beim Einsatz von mehreren einzelnen Abstandsblöcken, welche beispielsweise in Form und Abmessung einer Einzelzelle entsprechen und so beim Stapeln einfach und effizient mit eingelegt werden können. Sie übernehmen dann die Funktionalität hinsichtlich der Kühlung, der Medienführung und dergleichen analog zu den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels, weisen jedoch nicht dessen elektrochemische Funktionalität auf und müssen somit nicht mit den teilweise teuren Materialien bestückt werden, wie die Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels.

In einer alternativen Ausgestaltung hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass der je nach eingesetzter Anzahl an Einzelzellen gegebenenfalls verbleibende Hohlraum in dem Gehäuse Rohrleitungselemente für die Medien und Verbinder für die elektrische Leistung aufweist. Solche Verbinder und Rohrleitungen können ergänzend oder alternativ zu einem Abstandsblock eingesetzt werden. Sie bilden eine alternative Möglichkeit, welche beispielsweise den Einsatz eines zentral angeordneten Abstandsblocks ermöglicht, welcher keine Funktionalität zur Leitung von elektrischer Leistung und/oder Medien aufweisen muss oder können eingesetzt werden, wenn auf einen Abstandsblock gänzlich verzichtet werden soll.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Fahrzeug gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; und

Fig. 2 ein Fahrzeug gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.

In der Darstellung der Figur 1 ist ein Fahrzeug 1 zu erkennen, welches schematisiert als Kasten angedeutet ist. Dieses Fahrzeug 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 2, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für das Fahrzeug vorgesehen ist. Kern des Brennstoffzellensystems 2 ist eine Brennstoffzelle 3, welche in einem Gehäuse 4 als Stapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen 5 aufgebaut ist. Das Gehäuse 4 umfasst außerdem einen Wärmetauscher 6, welcher Teil eines sehr stark vereinfachten

Kühlkreislaufs mit einer Kühlmittelfördereinrichtung 7 zur Abfuhr von Abwärme der Brennstoffzelle 3 über einen Kühlwärmetauscher 8 an die Umgebung des Fahrzeugs 1 ist.

Die Brennstoffzelle 3 erzeugt elektrische Leistung, welche über eine Leistungselektronik 9 einem angedeuteten Fahrmotor 10 zum Antrieb eines schematisiert angedeuteten Rades des Fahrzeugs 1 zugeführt wird. Um die Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle 3 zu ermöglichen, sind Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle 3 mit Medien notwendig. Neben dem Kühlmittel des Kühlkreislaufs als erstes Medium wird einem Anodenraum der Brennstoffzelle 3 Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 11 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 12 als weiteres Medium zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt aus der Brennstoffzelle 3 über eine

Rezirkulationsleitung 13 einer sogenannten Anodenrezirkulation 14 zurück zum Eingang des Anodenraums und wird diesem zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 11 erneut zugeführt. Ein solcher Anodenkreislauf ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss. Im Bereich der Rezirkulationsleitung 13 befindet sich eine

Rezirkulationsgasfördereinrichtung 15, welche hier als Rezirkulationsgebläse 15 ausgebildet sein soll. Sie dient dazu, die Druckverluste in der Rezirkulationsleitung 13 und in dem Anodenraum der Brennstoffzelle 3 auszugleichen und eine Kreislaufströmung des Wasserstoffs in der Anodenrezirkulation 14 aufrechtzuerhalten. Außerdem reichert sich mit der Zeit Wasser bzw. Kondensat und Inertgas in der Anodenrezirkulation 14 an. Dieses kann über den angedeuteten Wasserabscheider 16, welcher typischerweise zusätzlich eine Ventileinrichtung aufweist, von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit des

Wasserstands, der Leistung oder anderer Parameter, abgelassen werden. Auch dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.

Der Brennstoffzelle 3 wird über eine weitere Einrichtung zur Versorgung mit Medien Luft zugeführt. Hierfür umfasst die Einrichtung zur Versorgung mit Medien eine

Luftfördereinrichtung 17, über welche Luft aus der Umgebung des Fahrzeugs 1 über einen nicht dargestellten Luftfilter angesaugt und über einen Befeuchter 18 einem Kathodenraum der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Die an Sauerstoff abgereicherte Abluft gelangt wiederum über den Befeuchter 18 und gibt die in der Brennstoffzelle 3 aufgenommene Feuchte an den trockenen Zuluftstrom ab, um Membranen der als PEM- Brennstoffzelle ausgebildeten Brennstoffzelle 3 entsprechend zu befeuchten. Nach dem Befeuchter 18 ist typischerweise ein Kondensatabscheider 19 angeordnet, um flüssiges Wasser aus dem Abgasstrom abzuscheiden, bevor dieser in einer Turbine 20 entspannt wird, um verbleibende thermische Energie und Druckenergie zumindest teilweise aus der Abluft zurückzugewinnen. Die Turbine 20 kann idealerweise zum Antrieb der

Luftfördereinrichtung 17 mitgenutzt werden. Da die im Bereich der Turbine 20 anfallende Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 17 typischerweise nicht ausreicht, ist außerdem eine elektrische Maschine 21 vorgesehen, welche die Leistungsdifferenz ausgleicht und für den Antrieb der Luftfördereinrichtung 17 in der gewünschten Art und Weise sorgt. Der Aufbau wird insgesamt auch als elektrischer Turbolader oder ETC bezeichnet und ist ebenfalls aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Bei einem Leistungsüberschuss im Bereich der Turbine 20 kann die elektrische Maschine 21 auch generatorisch betrieben werden, um zusätzlich elektrische Leistung für das Fahrzeug 1 bzw. sein Bordnetz bereitzustellen.

Das Brennstoffzellensystem 2 ist insoweit sehr vereinfacht beschrieben und dargestellt. Es kann selbstverständlich über weitere zusätzliche Komponenten, Ventile, eine elektrische Energiespeichereinrichtung und dergleichen verfügen. Auch dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und üblich und für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass hierauf nachfolgend nicht näher eingegangen werden muss.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug 1 bzw. das in ihm angebrachte Brennstoffzellensystem 2 weist nun außerdem ein Steuergerät 22 auf. Dieses Steuergerät 22 hat zumindest die Funktionalität, dass es eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems 2 auf einen Maximalwert begrenzt. Dieser Maximalwert ist je nach gewünschter Leistungsklasse des Brennstoffzellensystems 2 fest vorgegeben. Verschiedene baugleiche und identisch aufgebaute Brennstoffzellensysteme 2 mit denselben Komponenten können so für verschiedene Leistungsklassen eingesetzt werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, das Brennstoffzellensystem 2 in identischem Aufbau in demselben Fahrzeug 1 in unterschiedlichen Leistungsklassen anzubieten, beispielweise als 60 kW- Brennstoffzellensystem, als 80 kW-Brennstoffzellensystem oder als 100 kW- Brennstoffzellensystem. Damit können unterschiedliche Verkaufspreise des Fahrzeugs 1 einhergehen und insbesondere unterschiedliche Anforderungen und Erwartungen an das Fahrzeug 1 erfüllt werden. So kann insbesondere ein als 60 kW-Brennstoffzellensystem ausgelegtes Brennstoffzellensystem sein Verbrauchsoptimum im Stadtverkehr haben, während ein identisch aufgebautes Brennstoffzellensystem 2 mit höherer Leistungsklasse sein Verbrauchsoptimum beispielsweise im NEFZ (neuer Europäischer Fahrzyklus) oder im Autobahnverkehr hat. Dadurch, dass das Brennstoffzellensystem 2 unverändert aufgebaut wird, muss hinsichtlich der Auslegung und der Montage nichts in dem

Brennstoffzellensystem 2 verändert werden. Es reicht aus, das Steuergerät 22 so zu programmieren, dass es zur jeweiligen Leistungsklasse angepasst ist. Neben der Ansteuerung der Leistungselektronik 9, so, dass die Maximalleistung in der gewünschten Leistungsklasse begrenzt wird, kann und sollte zur Optimierung des Energieverbrauchs über das Steuergerät 22 auch eine Ansteuerung der Luftfördereinrichtung 17, des Rezirkulationsgebläses 15 sowie gegebenenfalls der Fördereinrichtung 7 für Kühlmittel in dem Kühlkreislauf mit erfolgen. Da bei einer Leistungsklasse, welche nicht die gesamte maximal verfügbare Leistung der Brennstoffzelle 3 abruft, auch für die Luftversorgung, die Anodenrezirkulation und die Kühlmittelrezirkulation nicht der volle Volumenstrom benötigt wird, lässt sich durch eine Begrenzung der Drehzahlen dieser genannten Einrichtungen eine weitere Energieeinsparung in dem Brennstoffzellensystem erzielen.

Unabhängig davon können in dem Brennstoffzellensystem 2 Gleichteile eingesetzt werden, und es kann eine immer gleichartige Montage mit einfacher und effizienter Lagerhaltung bewerkstelligt werden. Erst mit der Programmierung des Steuergeräts 22 wird dann die Leistungsklasse des Brennstoffzellensystems 2 bzw. des Fahrzeugs 1 endgültig festgelegt.

Eventuelle Mehrkosten für die gegebenenfalls überdimensionierte Luftfördereinrichtungen 17, das Rezirkulationsgebläse 15 und andere Komponenten lassen sich typischerweise durch die Verwendung von mehr identischen Bauteilen und den hierdurch reduzierten Aufwand bei der Planung und Auslegung des Systems wieder einsparen. Vergleichbares gilt im Prinzip auch für die Brennstoffzelle 3 selbst sowie die darin verbauten Einzelzellen 5.

Nun kann es insbesondere bei den Einzelzellen 5 der Brennstoffzelle jedoch auch so sein, dass diese beispielsweise aufgrund von teuren und sehr hochwertigen Materialien, Katalysatoren oder dergleichen, einen vergleichsweise hohen Preis haben. In diesem Fall kann es gemäß einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs 1 , welche in der Darstellung der Figur 2 zu erkennen ist, auch vorgesehen sein, dass bei identischem Aufbau des Gehäuses 4 der Brennstoffzelle 3 die Anzahl an Einzelzellen 5 mit der Leistungsklasse variiert wird. Dies ist am Beispiel des Fahrzeugs 1 in der

Darstellung der Figur 2 angedeutet. Die meisten Bauteile sind dabei baugleich und identisch zu den in Figur 1 dargestellten Bauteilen aufgebaut. Lediglich ein zusätzlicher DC/DC-Wandler 23 ist bei dem in Figur 2 dargestellten Aufbau zwingend notwendig. Er kann jedoch auch bei dem in Figur 1 dargestellten Aufbau vorhanden und Teil der Leistungselektronik 9 sein. Über den DC/DC-Wandler 23 wird sichergestellt, dass die Spannung am Ausgang des DC/DC-Wandlers 23, welche in die Leistungselektronik 9 oder, falls der DC/DC-Wandler 23 in der Leistungselektronik 9 integriert ausgebaut ist, in den Rest der Leistungselektronik 9 eingespeist wird, immer dieselbe ist. Der DC/DC- Wandler 23 stellt dies unabhängig von der Anzahl der verbauten Einzelzellen 5, welche einen entsprechenden Einfluss auf die Gesamtspannung der Brennstoffzelle 3 haben, sicher.

Die Brennstoffzelle 3 ist nun so ausgebildet, dass das Gehäuse 4, wie bereits erwähnt, immer identisch ausgeführt ist. Dadurch lassen sich Anschlüsse für die Medien, also für Luft und Wasserstoff, für das Kühlmedium und dergleichen identisch zu dem in Figur 1 gezeigten Aufbau realisieren. Lediglich innerhalb des Gehäuses 4 ist die Zahl der Einzelzellen 5 entsprechend der Leistungsklasse variiert. Der verbleibende Hohlraum innerhalb des Gehäuses 4, welcher in der Darstellung der Figur 2 auf der linken Seite des Stapels der Einzelzellen 5 angedeutet ist, kann vorzugsweise mit einem Abstandsblock 24 ausgefüllt sein. Dabei kann entweder ein einziger Abstandsblock 24 verwendet werden oder mehrere Abstandsblöcke 24, sodass je nach Anzahl der Einzelzellen 5 in der Brennstoffzelle 3 mit einem oder mehreren, idealerweise baugleich aufgebauten

Abstandsblöcken 24, der verbleibende Hohlraum aufgefüllt werden kann. Der oder die Abstandsblöcke 24 dienen dabei der mechanischen Stabilisierung des Stapels der Einzelzellen.

In der hier dargestellten bevorzugten Weiterbildung können sie außerdem

Leitungselemente 25 mit aufweisen, welche zur Durchführung, in diesem Fall der Zuluft und der Abluft, durch den Abstandsblock 24 vorgesehen sind. Hierdurch sind keine zusätzlichen Verrohrungen oder dergleichen notwendig. Ergänzend dazu können im Bereich des Abstandsblocks 24 außerdem elektrische Leitungselemente vorhanden sein, sodass auch die elektrische Kontaktierung der Einzelzellen 5 und des hieraus ausgebildeten Zellenstapels einschließlich des Abstandsblocks 24 unverändert gegenüber dem Aufbau mit der maximalen Anzahl an Einzelzellen 5 erfolgen kann.

Da der Abstandsblock 24 die mechanische Stabilisierung des Stapels in dem Gehäuse 5 sicherstellt, sollte dieser entsprechend stabil aufgebaut sein. Gleichzeitig sollte er nicht mehr Gewicht als nötig haben, um die Brennstoffzelle 3 nicht unnötig schwer zu machen. Er kann beispielsweise aus einem Graphit/Kunststoffblock, einem reinen Kunststoffblock oder auch einem faserverstärkten Kunststoffblock bestehen. Auch Wabenmaterialien beispielsweise aus Kunststoff oder Metall sind als leichtbauender Abstandsblock 24 mit hoher mechanischer Festigkeit sehr gut geeignet. Im Prinzip könnte er auch aus Metall massiv ausgeführt werden, dies ist jedoch hinsichtlich des Gewichts nicht unbedingt zu bevorzugen.

Gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Aufbau hat der Aufbau des Fahrzeugs in der Ausgestaltung gemäß Figur 2 den Vorteil, dass die Anzahl der Einzelzellen der

Brennstoffzelle 3 entsprechend reduziert ist. Für den Fall, dass die Einzelzellen 5 vergleichsweise kostenintensiv in der Herstellung und in ihren Materialien sind, kann dies ein entsprechender Vorteil sein. Zusammen mit einer entsprechenden Programmierung des Steuergeräts 22 kann so nicht nur die Software auf die entsprechende

Leistungsklasse des Brennstoffzellensystems 2 angepasst werden, sondern auch die Anzahl der Einzelzellen 5 in der Brennstoffzelle 3 des Brennstoffzellensystems 2. Die weiteren Komponenten können unverändert bleiben, sodass weiterhin die oben genannten Vorteile erzielt werden können. Da bei der Brennstoffzelle 3 das Gehäuse 4 und die Anschlüsse identisch zu dem in Figur 1 dargestellten Aufbau aufgebaut sind, sind auch hier keinerlei Änderungen notwendig und die Montage der Brennstoffzelle 3 kann identisch erfolgen, sodass lediglich darauf geachtet werden muss, dass die mit der entsprechenden Anzahl an Einzelzellen 5 bestückte Brennstoffzelle 3 gemäß ihrer geplanten Leistungsklasse eingesetzt wird.

Claims

Patentansprüche

Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2), welches eine Brennstoffzelle (3) aufweist, welche ein Gehäuse (4) mit Anschlüssen zur Zu- und Abfuhr von Medien und einen Stapel von Einzelzellen (5) aufweist, welches Einrichtungen zur

Versorgung der Brennstoffzelle (3) mit Medien aufweist, und welches ein

Steuergerät (22) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

durch das Steuergerät (22) eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (2) auf einen Maximalwert begrenzt ist, wobei der Maximalwert je nach Leistungsklasse des Brennstoffzellensystems

(2) fest vorgegeben ist, und wobei zumindest das Gehäuse (4) der Brennstoffzelle (3) und die Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle (3) mit Medien unabhängig von der Leistungsklasse baugleich ausgeführt sind.

Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle (3) mit Medien eine

Luftfördereinrichtung (17) umfassen, wobei die Drehzahl der Luftfördereinrichtung (17) in Abhängigkeit der Leistungsklasse nach oben begrenzt ist.

Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass,

die Einrichtungen zur Versorgung der Brennstoffzelle

(3) mit Medien eine

Anodenrezirkulation (14) mit einem Rezirkulationsgebläse (15) umfassen, wobei die Drehzahl des Rezirkulationsgebläses (15) in Abhängigkeit der Leistungsklasse nach oben begrenzt ist.

4. Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Anzahl der Einzelzellen (5) der Brennstoffzelle (3) unabhängig von der

Leistungsklasse immer dieselbe ist.

5. Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3, bei welchem das

Brennstoffzellensystem (2) ferner einen DC/DC-Wandler (23) aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Anzahl der Einzelzellen (5) in dem unveränderten Gehäuse (4) entsprechend der Leistungsklasse angepasst ist, wobei der DC/DC-Wandler (23) unabhängig von der Anzahl der Einzelzellen (5) der Brennstoffzelle (3) eine konstante Spannung erzeugt.

6. Fahrzeug (1) nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

in dem je nach eingesetzter Anzahl von Einzelzellen (5) gegebenenfalls

verbleibenden Hohlraum in dem Gehäuse (4) wenigstens ein Abstandsblock (24) eingebracht ist.

7. Fahrzeug (1) nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Abstandsblock (24) in Leichtbauweise ausgeführt ist.

8. Fahrzeug (1) nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Abstandsblock (24) eine Wabenstruktur und/oder ein faserverstärktes Material aufweist.

9. Fahrzeug (1) nach Anspruch 6, 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Abstandsblock (24) Leitungselemente (25) für Medien und elektrische Leitungen aufweist.

10. Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

der je nach eingesetzter Anzahl an Einzelzellen (5) gegebenenfalls verbleibende Hohlraum in dem Gehäuse (4) Rohrleitungselemente für die Medien und Verbinder für die elektrische Leistung aufweist.