WO2024255956A1 - Brennstoffzellensystem und kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2024255956A1
WO2024255956A1 PCT/DE2024/100492 DE2024100492W WO2024255956A1 WO 2024255956 A1 WO2024255956 A1 WO 2024255956A1 DE 2024100492 W DE2024100492 W DE 2024100492W WO 2024255956 A1 WO2024255956 A1 WO 2024255956A1
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fuel cell
converter
housing
cell stack
cell system
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PCT/DE2024/100492
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Heinrich Graf
Christoph Toni Wilhelm
Michael Gunkel
Klaus Amberger
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
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    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the technology disclosed here relates to a fuel cell system and a motor vehicle with such a fuel cell system.
  • Fuel cells are often constructed in the form of a fuel cell stack. Such a fuel cell stack can in particular have several electrodes and membranes in between, whereby two electrodes with a membrane in between form a fuel cell.
  • gaseous fuel such as hydrogen or methane can be converted into electrical energy, which can in particular be used to drive a motor vehicle or another unit or for other functions that require electrical power.
  • the technology disclosed herein relates to a fuel cell system comprising (i) a fuel cell stack, (ii) a DC/DC converter, (iii) a housing, and (iv) one or more electrical connectors.
  • the electrical connector(s) suitably electrically connect the fuel cell stack to the DC/DC converter.
  • the housing encloses the fuel cell stack and the DC/DC converter.
  • a housing can be provided which accommodates both the fuel cell stack and the DC/DC converter, thus enabling easy handling and joint protection.
  • a fuel cell stack can be understood in particular as a sequence of several electrodes with membranes in between.
  • the electrodes can in particular be an anode and a cathode, alternating between them.
  • the membranes can in particular be polymer electrolyte membranes.
  • the housing encloses the components mentioned, although it does not necessarily have to be designed in one piece, but can also be designed in several parts.
  • a housing part can be provided for the fuel cell stack and a housing part for the DC/DC converter.
  • the two housing parts can be connected to one another, in particular detachably connected to one another, for example at a location or level where the fuel cell stack and DC/DC converter adjoin one another.
  • a one-piece design is also possible.
  • the electrical connectors can in particular be designed in the form of busbars. In particular, they can be solid electrical connectors. These can in particular be made of a conductive material such as copper, aluminum, gold or platinum.
  • the electrical connectors typically ensure that that electrical energy is fed from the fuel cell stack to the DC/DC converter.
  • the DC/DC converter can convert a supplied voltage into another voltage, whereby the state is typically maintained as a direct voltage. This can generate an output voltage which is suitable for operating other components such as an electric motor.
  • the fuel cell stack on the other hand, can be operated at a voltage which is optimized for operation, for example in terms of efficiency.
  • the housing is formed in one piece at least from an area laterally surrounding the fuel cell stack to an area laterally surrounding the DC/DC converter.
  • a one-piece design is understood to mean in particular that there is no separation point at which parts can be separated from one another without forcibly breaking up material.
  • a one-piece design can be realized by producing corresponding sections in one piece, for example by casting, pressing or injection molding.
  • a one-piece design as just described can in particular avoid a flange between the DC/DC converter and the fuel cell stack. This can increase overall stability. In addition, space requirements and weight are reduced.
  • the housing between the fuel cell stack and the DC/DC converter does not have a flange.
  • a flange can be understood in particular as a point at which two components are detachably fastened to one another.
  • the detachable fastening can be achieved, for example, by means of screws or clip connections.
  • the housing can have a flange, in particular in an area laterally surrounding the DC/DC converter but spaced from the fuel cell stack, to which a first housing part and a second housing part are detachably fastened to one another.
  • This provides a flange which can detachably fasten a part of the housing, so that the interior of the housing is easily accessible by detaching this part. Stability is increased by arranging this flange laterally surrounding the DC/DC converter and not between the DC/DC converter and the fuel cell stack.
  • the flange can, for example, be arranged such that exactly or at least approximately half of the DC/DC converter is arranged in the first housing part and the other half in the second housing part.
  • the flange can also be further away from the fuel cell than just described or closer to it.
  • the fuel cell stack and part of the DC/DC converter can be arranged in the first housing part. Another part of the DC/DC converter is then typically arranged in the second housing part.
  • the first housing part and/or the second housing part are preferably each designed as one piece, in particular without an additional flange.
  • a detachable fastening can be implemented in particular by means of a screw connection, a clip connection or in another way.
  • the distance between the flange and the fuel cell stack can be, for example, at least 10 cm or at least 20 cm.
  • the DC/DC converter can in particular be designed in the shape of a block and/or a cuboid.
  • the parts of the DC/DC converter can alternatively also be referred to as sections. They do not necessarily have to be visually distinguishable from one another, but can be.
  • a one-piece design of an element can basically be understood to mean that it is not intended to be dismantled into two or more parts without being destroyed by force. The opposite of a one-piece design can be seen in particular if there is a point at which fastening elements such as screws can be loosened in a predetermined manner in order to obtain two parts.
  • the housing is completely formed in one piece. This makes it possible to achieve a particularly high level of stability. In particular, this can mean that the flange just mentioned surrounding the DC/DC converter is dispensed with.
  • the electrical connector(s) can in particular be designed as busbars. These are in particular massive connectors made of an electrically conductive material such as iron, aluminum, copper, gold or platinum, which has a particularly low resistance value and/or is mechanically stable. This makes it possible to achieve high stability and a current-carrying capacity, even for high currents.
  • the electrical connector(s) from the fuel cell stack to the DC/DC converter can be made in one piece.
  • a one-piece electrical connector can be characterized in particular by the fact that it does not contain any point at which two components of the connector could be separated from one another without breaking violently.
  • the electrical connector does not contain any components that are fastened to one another by screws or clip connections. Any fastening means for fastening the electrical connector to the fuel cell stack and/or to the DC/DC converters such as screws or washers do not conflict with the one-piece design.
  • the housing can preferably have exactly one common interior space in which the fuel cell stack and the DC/DC converter are located.
  • the housing can be designed in such a way that it is stable in itself and maintains the interior space due to its own stability.
  • the housing can be designed as a cast component. This allows for simple production and a stable design. In principle, however, other manufacturing processes are also possible.
  • the housing has one or more supports or holders for the fuel cell stack, the electrical connector(s) and/or the DC/DC converter.
  • Such supports can be used to achieve suitable support for the respective component.
  • elements for shock absorption or for electrical or thermal insulation can be installed in such supports.
  • Holders can in particular fix the respective component in the housing so that unintentional movements within the housing are avoided.
  • one or more tunnels are formed in the housing to accommodate the electrical connector(s).
  • Such tunnels can lead in particular from the fuel cell stack to the DC/DC converter.
  • the tunnels can in particular provide electrical insulation.
  • a tunnel can in particular enclose an electrical connector or several electrical connectors on all sides along a section of its or their longitudinal extension.
  • the electrical connector(s) can be electrically insulated from the housing.
  • the housing itself can be made of an electrically conductive material such as steel or iron without causing undesirable current flows or short circuits.
  • such electrical insulation can be achieved using plastic insulation elements at suitable locations.
  • the housing has an opening on one side.
  • This can in particular be covered by a media pressure plate.
  • a media pressure plate is understood in particular to be a plate which exerts pressure on other components, in particular on the fuel cell stack. This can ensure particularly good electrical contact between the electrode plates and membranes or other components within the fuel cell stack.
  • the media pressure plate can be connected to suitable means such as springs which generate such pressure.
  • the media pressure plate is preferably designed as a single piece. It can in particular cover both the fuel cell stack and the DC/DC converter. This makes it possible to achieve a particularly simple design, as only one media pressure plate is required. This can close the aforementioned opening in the housing. This means that additional manufacturing steps can be dispensed with.
  • the fuel cell stack and/or DC/DC converter can in particular be covered on one side. It can be complete or partial, preferably at least predominantly.
  • a partition wall is arranged in the housing between the fuel cell stack and the DC/DC converter. Such a partition wall can be arranged in particular within a common interior of the housing. This makes it possible to achieve a certain separation between the installation spaces of the DC/DC converter and the fuel cell stack.
  • a partition wall can bring about vibration isolation.
  • a partition wall can also be arranged within a housing that is one-piece on the outside.
  • the fuel cell stack can in particular have a plurality of electrodes that are parallel to one another and can be aligned transversely to a separating plane and/or to a partition wall between the fuel cell stack and the DC/DC converter.
  • An advantageous geometry can be achieved by arranging them transversely to the separating plane or partition wall, whereby busbars and media supply lines and media discharge lines in particular can be laid in an advantageous manner. This can lead to a particularly compact design.
  • the technology disclosed here also relates to a motor vehicle having a fuel cell system as described herein.
  • a fuel cell system as described herein.
  • all embodiments and variants described herein can be used. The advantages already described can be achieved in this way.
  • a fuel cell or a fuel cell stack can be designed in particular as an energy converter, which can in particular convert the chemical energy of a fuel into other forms of energy, for example, into electrical energy and/or kinetic energy.
  • the technology disclosed here can be used in mobile applications such as motor vehicles (for example, passenger cars, motorcycles, commercial vehicles), in particular for providing energy for at least one drive engine for moving the motor vehicle.
  • a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel (for example, hydrogen) and oxidizing agents (for example, air, oxygen and peroxides) into reaction products, thereby producing electricity and heat.
  • the electrodes of the fuel cell can in particular be anodes and cathodes. These can in particular be separated by an ion-selective or ion-permeable separator.
  • the anode is supplied with fuel.
  • Preferred fuels are hydrogen, low-molecular alcohol, biofuels or liquefied natural gas.
  • the cathode is typically supplied with oxidizing agent.
  • Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides.
  • the ion-selective separator can, for example, be designed as a proton exchange membrane (PEM).
  • a cation-selective polymer electrolyte membrane is preferably used.
  • the DC/DC converter can in particular be designed as a voltage converter.
  • the voltage converter can also be referred to as a power converter.
  • the voltage converter can in particular form an electrical coupling element between at least one fuel cell, which generates the primary voltage from the primary voltage network, and at least one energy storage device and/or at least one electrical Drive machine to which the secondary voltage from the secondary voltage network is applied. Additional components can be provided on both the primary and secondary sides of the voltage converter.
  • the DC/DC converter is preferably designed as a direct current converter.
  • the voltage converter can be connected to an electrical intermediate circuit of the motor vehicle for this purpose.
  • the voltage converter can function as a boost converter and/or a buck converter.
  • the voltage converter can itself have a control unit. Alternatively, the control functionality can also be taken over by the control unit of the fuel cell system and/or by a higher-level control unit.
  • the already described one-piece media pressure plate can be combined with the housing being one-piece or at least being one-piece at a connection point between the DC/DC converter and the fuel cell stack. This results in a particularly stable and simple design.
  • the installation space in a front end of a vehicle is limited and will become even smaller in some cases, particularly in future fuel cell vehicle architectures. It therefore makes sense to find and exploit potential for reducing installation space.
  • a flange between two components with a similar footprint fuel cell stack, DC/DC converter
  • a flange between two components can fundamentally be a weak point that can lead to acoustic abnormalities, which are counteracted with design measures that increase complexity and weight. Due to their high efficiency and low emissions, fuel cells are one of the most important power sources for future motor vehicles, along with rechargeable batteries.
  • Fuel cells are used in particular for fuel cell electric drives.
  • a fuel cell electric drive comprises a large number of components, including a fuel cell stack comprising a large number of fuel cells for converting chemical reaction energy into electrical energy and a DC/DC converter for regulating the power flow from the fuel cell stack to a high-voltage battery and/or other components.
  • the fuel cell stack and the DC/DC converter are usually arranged in separate housings, for example next to one another or one above the other. Such housings are typically screwed together. These housings are typically only connected locally, via the screw connections, so that optimal rigidity, strength and acoustics are not ensured. In addition, it is typically necessary to ensure the quality of the screw connections.
  • a flange level between the components also requires its own installation space, which is not available for other components or functions. Several mechanical interfaces must be coordinated, represented and sealed between the individual components.
  • one-piece busbars and one-piece media pressure plate can be considered to be functionally independent of one another. These can therefore also be claimed independently of one another. Nevertheless, together they can produce a synergistic effect.
  • the media pressure plate only closes off an opening which is arranged only adjacent to the fuel cell stack, but not adjacent to the DC/DC converter.
  • the integral housing integrates the fuel cell stack, the power electronics and busbars, whereby support brackets and/or mounts can already be cast onto the housing.
  • the integral housing can take on all structural tasks as a cast component.
  • a housing assembly can serve as a functional carrier to which additional add-on parts are mounted.
  • a large media pressure plate can be used that spans the DC/DC converter. It integrates the media interface of the fuel cell stack and the mounting cover of the power electronics.
  • busbars which conduct the current generated in the fuel cell stack to the power electronics, can be pushed from the direction of the power electronics through a channel in the housing to the fuel cell stack.
  • the busbars can be locally molded with an insulating material in the transition area of the stack to the power electronics, to which a seal is attached.
  • the busbars can be screwed on from the power electronics side in the screw-in direction.
  • the housing as a structural component, for example as an injection-molded part, it is possible to avoid the need for additional support.
  • Fig. 1 a fuel cell system according to an embodiment
  • Fig. 2 a fuel cell system according to another
  • Fig. 3 a fuel cell system according to another
  • Fig. 4 a partial interior view of a fuel cell system.
  • Fig. 1 shows an embodiment which has a flange surrounding a DC/DC converter and therefore falls under claim 1.
  • the other figures show alternative embodiments without such a flange.
  • Fig. 1 shows a fuel cell system 100 according to an embodiment in a purely schematic view, wherein some components are not shown and some components are not connected to each other.
  • the fuel cell system 100 has a fuel cell stack 110 and a DC/DC converter 120. These components are only shown schematically here, since their internal functionality is not discussed further here.
  • the fuel cell stack 110 is basically designed to produce electrical energy from gaseous fuel or from another fluid fuel.
  • the DC/DC converter is designed to transform a voltage supplied by the fuel cell stack into another voltage.
  • the fuel cell system 100 has a housing 200.
  • the housing 200 is divided into a first housing part 201 and a second housing part 202. These can be connected to one another at a flange 205, although they are not connected to one another in the illustration in Fig. 1.
  • the connection can be made in the usual way using screw connections.
  • a separation plane 230 is provided between the fuel cell stack 110 and the DC/DC converter 120. This is shown here only as a purely virtual plane, with the fuel cell stack 110 and the DC/DC converter 120 being adjacent to one another at this point. adjoin or are at least only minimally spaced apart from one another. Immediately outside such a location where the fuel cell stack 110 and the DC/DC converter 120 adjoin or are only minimally spaced apart from one another, and in particular at the parting plane 230, the housing 200 or the first housing part 201 is designed in one piece. No flange is provided at this point which could be used to separate two housing parts from one another without violent destruction.
  • the housing 200 encloses an interior space 207, which is divided into a first receiving space 210 for the fuel cell stack 110 and a second receiving space 220 for the DC/DC converter 120.
  • the two receiving spaces 210, 220 adjoin one another at the separation plane 230, although this can also be a purely virtual separation.
  • An opening 208 is formed on one side of the first receiving space 210. In a fully assembled state, this opening is closed by a media pressure plate, which is not shown in Fig. 1, however. This allows pressure to be exerted on the fuel cell stack 110, for example in order to better press electrodes and membranes together. In the embodiment shown in Fig. 1, this opening 208 does not extend to an area which is arranged surrounding the DC/DC converter 120.
  • Fastening elements 240 are provided for fastening the housing 200.
  • the housing 200 can thus be fastened to a body of a motor vehicle, or it can also be fastened to other components.
  • a stable design of the housing 200 means that no additional support elements or other stabilizing elements are required for the housing 200.
  • Fig. 2 shows a fuel cell system 100 according to a second embodiment.
  • the housing 200 is initially open on the entire side facing to the front left and is closed by a media pressure plate 251 and a cover 252.
  • an opening is also formed immediately surrounding the DC/DC converter 120, which is closed by the cover 252.
  • the cover 252 is thus a cover of the DC/DC converter.
  • the media pressure plate 251 typically serves to exert pressure on the fuel cell stack 110.
  • Fig. 3 shows a purely schematic view of a fuel cell system 100 according to a third embodiment.
  • This media pressure plate 250 closes the entire opening 208, i.e. both directly adjacent to the fuel cell stack 110 and directly adjacent to the DC/DC converter 120.
  • a partition wall 260 is formed on the separation plane 230. This separates the first receiving area 210 from the second receiving space 220, but does not mean that housing parts can be separated from one another without force at this point.
  • the housing 200 is nevertheless formed in one piece at this point.
  • a total of six media interfaces 255 are present in the media pressure sheet 251 and in the media pressure plate 250, respectively. These allow an advantageous supply and removal of media such as gaseous fuel and air to and from the fuel cell stack 110, provided that its electrodes are aligned transversely to the parting plane 230 or partition wall 260, since media connections are typically routed transversely to the electrodes.
  • a design with electrodes parallel to the parting plane 230 or partition wall 260 would move the media interfaces 255 to one end and thus increase the installation space requirement.
  • Fig. 4 shows an interior of a housing 200 in a sectional view.
  • the fuel cell stack 110 and the DC/DC converter 120 are shown schematically next to each other within the housing 200.
  • the partition wall 260 is located between them, as already mentioned with reference to Fig. 3.
  • An electrical connector 130 is provided for the electrical connection between the fuel cell stack 110 and the DC/DC converter 120.
  • this is designed as a busbar. It is designed in one piece, i.e. there is no connection that can be released without using force between a connection of the DC/DC converter 120 and a connection of the fuel cell stack 110. This allows for a particularly simple design.
  • the electrical connector 130 runs in a tunnel 270 which is formed within the housing 200.
  • the tunnel 270 is designed such that the electrical connector 130 can be inserted therein and is electrically insulated from the rest of the housing 200, in particular if this is required due to a housing material.
  • the tunnel 270 runs in particular below the partition wall 260.
  • several such electrical connectors 130 may be present, for example to electrically connect a positive pole and a negative pole of the fuel cell stack 110 to corresponding terminals of the DC/DC converter 120.
  • the expression "at least one” has been partially omitted for the sake of simplicity. If a feature of the technology disclosed here is described in the singular or indefinitely (e.g. the fuel cell stack, the DC/DC converter, etc.), the plural form is also intended to be disclosed at the same time (e.g. the at least one fuel cell stack, the at least one DC/DC converter, etc.).

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (110), einem DC/DC-Wandler (120), einem Gehäuse (200) und einem oder mehreren elektrischen Verbindern (130), wobei der oder die elektrischen Verbinder (130) den Brennstoffzellenstapel (110) mit dem DC/DC-Wandler (120) elektrisch verbinden, und wobei das Gehäuse (200) den Brennstoffzellenstapel (110) und den DC/DC-Wandler (120) umschließt, und wobei das Gehäuse (200) in einem Bereich seitlich umgebend um den DC/DC-Wandler (120), aber beabstandet von dem Brennstoffzellenstapel (110), einen Flansch (205) aufweist. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.

Description

Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen sind häufig in Form eines Brennstoffzellenstapels aufgebaut. Ein solcher Brennstoffzellenstapel kann insbesondere mehrere Elektroden und dazwischenliegende Membranen aufweisen, wobei je zwei Elektroden mit dazwischenliegender Membran eine Brennstoffzelle bilden. Insbesondere kann damit gasförmiger Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan in elektrische Energie umgesetzt werden, welche insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs oder einer anderen Einheit oder für andere Funktionen, welche elektrischen Strom benötigen, verwendet werden kann..
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein einfacheres und/oder stabileres Gehäuse vorzuschlagen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend (i) einen Brennstoffzellenstapel, (ii) einen DC/DC-Wandler, (iii) ein Gehäuse und (iv) einen oder mehrere elektrische Verbinder. Der oder die elektrischen Verbinder verbinden zweckmäßig den Brennstoffzellenstapel mit dem DC/DC-Wandler elektrisch. Das Gehäuse umschließt den Brennstoffzellenstapel und den DC/DC-Wandler.
Mittels eines solchen Brennstoffzellensystems kann ein Gehäuse bereitgestellt werden, welches sowohl den Brennstoffzellenstapel wie auch den DC/DC-Wandler aufnimmt und somit eine einfache Handhabung sowie einen gemeinsamen Schutz ermöglicht.
Unter einem Brennstoffzellenstapel kann insbesondere eine Abfolge mehrerer Elektroden mit dazwischenliegenden Membranen verstanden werden. Bei den Elektroden kann es sich insbesondere abwechselnd um eine Anode und eine Kathode handeln. Bei den Membranen kann es sich insbesondere um Polymerelektrolytmembranen handeln. Das Gehäuse umschließt die erwähnten Komponenten, wobei es nicht zwingend einstückig ausgebildet sein muss, sondern auch mehrteilig ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann ein Gehäuseteil für den Brennstoffzellenstapel und ein Gehäuseteil für den DC/DC-Wandler vorgesehen sein. Die beiden Gehäuseteile können beispielsweise an einem Ort oder einer Ebene, wo Brennstoffzellenstapel und DC/DC-Wandler aneinandergrenzen, miteinander verbunden sein, insbesondere lösbar miteinander verbunden sein. Wie weiter unten beschrieben werden wird, ist jedoch auch eine einteilige Ausführung möglich. Die elektrischen Verbinder können insbesondere in Form von Busbars ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich um massive elektrische Verbinder handeln. Diese können insbesondere aus einem leitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Gold oder Platin ausgebildet sein. Die elektrischen Verbinder sorgen typischerweise dafür, dass von dem Brennstoffzellenstapel elektrische Energie zum DC/DC- Wandler geleitet wird. Der DC/DC-Wandler kann eine gelieferte Spannung in eine andere Spannung umsetzen, wobei typischerweise der Zustand als Gleichspannung erhalten wird. Dadurch kann eine Ausgangsspannung erzeugt werden, welche zum Betrieb anderer Komponenten wie beispielsweise eines Elektromotors geeignet ist. Der Brennstoffzellenstapel kann demgegenüber bei einer Spannung betrieben werden, welche für den Betrieb optimiert wird, beispielsweise hinsichtlich des Wirkungsgrads.
Gemäß einer Ausführung ist das Gehäuse mindestens von einem Bereich seitlich umgebend um den Brennstoffzellenstapel aus bis zu einem Bereich seitlich umgebend um den DC/DC-Wandler aus einstückig ausgebildet. Unter einer einstückigen Ausführung sei insbesondere verstanden, dass keine Trennstelle vorgesehen ist, an welcher Teile voneinander gelöst werden können, ohne Material gewaltsam aufzubrechen. Beispielsweise kann eine einstückige Ausführung dadurch realisiert werden, dass entsprechende Abschnitte einstückig hergestellt werden, beispielsweise durch Gießen, Pressen oder Spritzformen. Durch eine einstückige Ausführung wie eben beschrieben kann insbesondere ein Flansch zwischen DC/DC-Wandler und Brennstoffzellenstapel vermieden werden. Dadurch kann insgesamt die Stabilität erhöht werden. Außerdem werden Platzbedarf und Gewicht verringert.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem DC/DC-Wandler keinen Flansch aufweist. Unter einem Flansch kann insbesondere eine Stelle verstanden werden, an welcher zwei Komponenten lösbar aneinander befestigt sind. Die lösbare Befestigung kann beispielsweise mittels Schrauben oder Klipsverbindungen erreicht werden. Durch den Verzicht auf einen solchen Flansch kann insbesondere eine höhere Stabilität und eine einfachere Ausführung erreicht werden.
Das Gehäuse kann insbesondere in einem Bereich seitlich umgebend um den DC/DC-Wandler, aber beabstandet von dem Brennstoffzellenstapel, einen Flansch aufweisen, an welchem ein erster Gehäuseteil und ein zweiter Gehäuseteil lösbar aneinander befestigt sind. Dadurch wird ein Flansch vorgesehen, welcher einen Teil des Gehäuses lösbar befestigen kann, so dass durch ein Lösen dieses Teils der Innenraum des Gehäuses einfach zugänglich wird. Durch die Anordnung dieses Flansches seitlich umgebend um den DC/DC-Wandler und nicht etwa zwischen DC/DC-Wandler und Brennstoffzellenstapel wird die Stabilität erhöht. Der Flansch kann beispielsweise so angeordnet sein, dass genau oder zumindest in etwa die Hälfte des DC/DC-Wandlers im ersten Gehäuseteil und die andere Hälfte im zweiten Gehäuseteil angeordnet sind. Der Flansch kann auch weiter als eben beschrieben von der Brennstoffzelle entfernt sein oder näher an ihr sein. Beispielsweise können in dem ersten Gehäuseteil der Brennstoffzellenstapel und ein Teil des DC/DC-Wandlers angeordnet sein. In dem zweiten Gehäuseteil ist dann typischerweise ein anderer Teil des DC/DC-Wandlers angeordnet. Der erste Gehäuseteil und/oder der zweite Gehäuseteil sind bevorzugt jeweils einstückig ausgeführt, insbesondere ohne weiteren Flansch. Eine lösbare Befestigung kann insbesondere mittels einer Schraubverbindung, einer Clipsverbindung oder auf andere Art realisiert werden. Ein Abstand des Flansches zum Brennstoffzellenstapel kann beispielsweise mindestens 10 cm oder mindestens 20 cm betragen. Der DC/DC-Wandler kann insbesondere blockförmig und/oder quaderförmig ausgeführt sein. Die Teile des DC/DC-Wandlers können alternativ auch als Abschnitte bezeichnet werden. Sie müssen nicht zwingend optisch voneinander abgrenzbar sein, können dies jedoch sein. Unter einer einstückigen Ausführung eines Elements kann grundsätzlich verstanden werden, dass es nicht dafür vorgesehen ist, ohne gewaltsame Zerstörung in zwei oder mehr Teile zerlegt zu werden. Als Gegensatz zu einer einstückigen Ausführung kann insbesondere angesehen werden, wenn eine Stelle vorhanden ist, an welcher sich Befestigungsmittel wie Schrauben auf vorgesehene Art und Weise lösen lassen, um zwei Teile zu erhalten.
Gemäß einer Ausführung, welche nicht unter Anspruch 1 fällt, ist das Gehäuse vollständig einstückig ausgebildet. Dadurch kann eine besonders hohe Stabilität erreicht werden. Insbesondere kann dies bedeuten, dass auf den eben erwähnten Flansch seitlich umgebend um den DC/DC-Wandler verzichtet wird.
Der oder die elektrischen Verbinder können insbesondere als Busbars ausgebildet sein. Dabei handelt es sich insbesondere um massige Verbinder aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Eisen, Aluminium, Kupfer, Gold oder Platin, welches einen besonders niedrigen Widerstandswert hat und/oder mechanisch stabil ist. Dadurch kann eine hohe Stabilität und eine Stromtragfähigkeit auch hoher Ströme erreicht werden.
Insbesondere können der oder die elektrischen Verbinder von dem Brennstoffzellenstapel bis zum DC/DC-Wandler einstückig sein. Ein einstückig ausgebildeter elektrischer Verbinder kann sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass er keine Stelle enthält, an welcher zwei Komponenten des Verbinders ohne gewaltsames Brechen voneinander lösbar wären. Insbesondere enthält der elektrische Verbinder keine Komponenten, welche durch Schrauben oder Klipsverbindungen aneinander befestigt werden. Etwaige Befestigungsmittel zur Befestigung des elektrischen Verbinders an dem Brennstoffzellenstapel und/oder an dem DC/DC-Wandler wie beispielsweise Schrauben oder Beilagscheiben stehen der einstückigen Ausführung nicht entgegen.
Das Gehäuse kann bevorzugt genau einen gemeinsamen Innenraum haben, in welchem sich der Brennstoffzellenstapel und der DC/DC-Wandler befinden. Insbesondere kann das Gehäuse so ausgebildet sein, dass es in sich stabil ist und den Innenraum schon aufgrund eigener Stabilität aufrechterhält. Insbesondere kann das Gehäuse als Gussbauteil ausgebildet sein. Dies erlaubt eine einfache Herstellung und eine stabile Ausführung. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Herstellungsverfahren möglich.
Gemäß einer Ausführung weist das Gehäuse eine oder mehrere Auflagen oder Halterungen für den Brennstoffzellenstapel, den oder die elektrischen Verbinder und/oder den DC/DC-Wandler auf. Durch derartige Auflagen kann eine geeignete Halterung der jeweiligen Komponente erreicht werden. Beispielsweise können in derartigen Auflagen Elemente zur Stoßabsorption oder zur elektrischen oder thermischen Isolierung verbaut sein. Halterungen können insbesondere die jeweilige Komponente im Gehäuse fixieren, so dass unbeabsichtigte Bewegungen innerhalb des Gehäuses vermieden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind in dem Gehäuse ein oder mehrere Tunnel zur Aufnahme des oder der elektrischen Verbinder ausgebildet. Derartige Tunnel können insbesondere vom Brennstoffzellenstapel bis zum DC/DC-Wandler führen. Die Tunnel können insbesondere für eine elektrische Isolierung sorgen. Ein Tunnel kann insbesondere einen elektrischen Verbinder oder mehrere elektrische Verbinder entlang eines Abschnitts seiner bzw. ihrer Längserstreckung allseitig umschließen. Insbesondere können der oder die elektrischen Verbinder gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert sein. Dadurch kann das Gehäuse selbst aus einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Stahl oder Eisen ausgebildet sein, ohne dass es zu unerwünschten Stromflüssen oder Kurzschlüssen kommt. Beispielsweise kann eine solche elektrische Isolation über Isolationselemente aus Kunststoff an geeigneten Stellen erreicht werden.
Gemäß einer Ausführung weist das Gehäuse an einer Seite eine Öffnung auf. Diese kann insbesondere von einer Mediendruckplatte überdeckt sein. Unter einer Mediendruckplatte wird insbesondere eine Platte verstanden, welche auf andere Komponenten, insbesondere auf den Brennstoffzellenstapel, einen Druck ausübt. Dadurch kann innerhalb des Brennstoffzellenstapels für eine besonders gute elektrische Kontaktierung der Elektrodenplatten und Membranen oder anderen Komponenten gesorgt werden. Insbesondere kann die Mediendruckplatte mit geeigneten Mitteln wie beispielsweise Federn verbunden sein, welche einen solchen Druck erzeugen.
Vorzugsweise ist die Mediendruckplatte einstückig ausgeführt. Sie kann insbesondere sowohl den Brennstoffzellenstapel wie auch den DC/DC- Wandler überdecken. Dadurch kann insbesondere eine einfache Ausführung erreicht werden, da nur eine Mediendruckplatte benötigt wird. Diese kann die erwähnte Öffnung im Gehäuse verschließen. Auf zusätzliche Arbeitsschritte bei der Fertigung kann dadurch verzichtet werden. Die Überdeckung von Brennstoffzellenstapel und/oder DC/DC-Wandler kann insbesondere an einer Seite sein. Sie kann vollständig oder teilweise, vorzugsweise mindestens überwiegend, sein. Gemäß einer Ausführung ist in dem Gehäuse zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem DC/DC-Wandler eine Trennwand angeordnet. Eine solche Trennwand kann insbesondere innerhalb eines gemeinsamen Innenraums des Gehäuses angeordnet sein. Somit kann eine gewisse Abtrennung zwischen Einbauräumen von DC/DC-Wandler und Brennstoffzellenstapel erreicht werden. Beispielsweise kann eine solche Trennwand eine Schwingungsisolation herbeiführen. Dies ist jedoch nicht zu verwechseln mit der Ausführung mit zwei separaten Gehäuseteilen, welche auch bei der Verwendung einer solchen Trennwand nicht implementiert sein muss. Vielmehr kann auch eine Trennwand innerhalb eines außenseitig einstückigen Gehäuses angeordnet werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann insbesondere mehrere zueinander parallele Elektroden aufweisen, welche quer zu einer Trennebene und/oder zu einer Trennwand zwischen Brennstoffzellenstapel und DC/DC-Wandler ausgerichtet sein können. Durch eine Anordnung quer zur Trennebene oder Trennwand kann eine vorteilhafte Geometrie erreicht werden, wobei insbesondere Busbars und Medienzuleitungen sowie Medienableitungen in vorteilhafter Weise verlegt werden können. Dies kann zu einer besonders kompakten Bauweise führen.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, aufweisend ein Brennstoffzellensystem wie hierin beschrieben. Bezüglich des Brennstoffzellensystems kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Die bereits beschriebenen Vorteile können dabei erreicht werden.
Eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel kann insbesondere als Energiewandler eingerichtet sein, welcher insbesondere die chemische Energie eines Brennstoffs in andere Energieformen umwandeln kann, beispielsweise in elektrische Energie und/oder in Bewegungsenergie. Beispielsweise kann die hier offenbarte Technologie in mobilen Anwendungen wie Kraftfahrzeugen (zum Beispiel Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) verwendet werden, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) und Oxidationsmittel (zum Beispiel Luft, Sauerstoff und Peroxide) in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert.
Die Elektroden der Brennstoffzelle können insbesondere Anoden und Kathoden sein. Diese können insbesondere durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sein. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird typischerweise mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind beispielsweise Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (Protone Exchange Membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Der DC/DC-Wandler kann insbesondere als Spannungswandler ausgebildet sein. Dieser kann insbesondere eingerichtet sein, eine primäre Spannung in eine sekundäre Spannung zu wandeln, insbesondere bezüglich Spannungslevel. Der Spannungswandler kann auch als Stromrichter bezeichnet werden. Der Spannungswandler kann insbesondere ein elektrisches Koppelglied bilden zwischen mindestens einer Brennstoffzelle, die die primäre Spannung vom primären Spannungsnetz generiert, und mindestens einer Energiespeichereinrichtung und/oder mindestens einer elektrischen Antriebsmaschine, an der/denen die sekundäre Spannung vom sekundären Spannungsnetz anliegt. Sowohl auf der Primärseite wie auch auf der Sekundärseite des Spannungswandlers können weitere Komponenten vorgesehen sein. Der DC/DC-Wandler ist bevorzugt als Gleichspannungswandler ausgebildet. Der Spannungswandler kann hierzu an einem elektrischen Zwischenkreis des Kraftfahrzeugs angeschlossen sein. Der Spannungswandler kann als Hochsetzsteller und/oder als Tiefsetzsteller fungieren. Der Spannungswandler kann selbst ein Steuergerät besitzen. Alternativ kann die Steuerfunktionalität auch vom Steuergerät des Brennstoffzellensystems und/oder von einem übergeordneten Steuergerät übernommen werden.
Insbesondere kann die bereits beschriebene einstückig ausgebildete Mediendruckplatte damit kombiniert werden, dass das Gehäuse einstückig ausgebildet ist oder zumindest an einer Verbindungsstelle zwischen DC/DC- Wandler und Brennstoffzellenstapel einstückig ausgebildet ist. Dadurch wird eine besonders stabile und einfache Ausführung erreicht.
Mit anderen Worten ist insbesondere der Bauraum in einem Vorderwagen begrenzt und wird insbesondere bei zukünftigen Brennstoffzellenfahrzeug- Architekturen teilweise noch kleiner werden. Deshalb ist es sinnvoll, Potenziale zur Bauraumreduzierung zu finden und zu heben. Ein Flansch zwischen zwei Bauteilen mit ähnlichem Footprint (Brennstoffzellenstapel, DC/DC-Wandler) ist im Bauraum daher suboptimal, wie die Erfinder der vorliegenden Anmeldung herausgefunden haben. Dies ist insbesondere der Fall aufgrund seiner umlaufenden auskragenden Eigenschaft. Zusätzlich hat es sich herausgestellt, dass ein Flansch zwischen zwei Bauteilen grundsätzlich eine Schwachstelle sein kann, die zu akustischen Auffälligkeiten führen kann, denen mit konstruktiven Maßnahmen, die die Komplexität und das Gewicht erhöhen, entgegenwirkt wird. Wegen ihrer hohen Wirkungsgrade und geringen Emissionen zählen Brennstoffzellen neben wiederaufladbaren Batterien zu den wichtigsten Stromquellen von künftigen Kraftfahrzeugen. Brennstoffzellen werden insbesondere für brennstoffzellenelektrische Antriebe verwendet. Ein brennstoffzellenelektrischer Antrieb umfasst eine Vielzahl von Komponenten, dabei unter anderem einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen zur Umwandlung chemischer Reaktionsenergie in elektrische Energie und einen DC/DC-Wandler zur Regelung des Leistungsflusses vom Brennstoffzellenstapel zu einer Hochvoltbatterie und/oder andere Komponenten. Üblicherweise sind der Brennstoffzellenstapel und der DC/DC-Wandler in separaten Gehäusen beispielsweise nebeneinander oder übereinander angeordnet. Derartige Gehäuse werden typischerweise miteinander verschraubt. Diese Gehäuse sind typischerweise nur lokal, über die Verschraubungen, miteinander verbunden, so dass keine optimale Steifigkeit, Festigkeit und Akustik gegeben sind. Außerdem ist es typischerweise erforderlich, die Qualität der Verschraubungen sicherzustellen. Eine Flanschebene zwischen den Bauteilen benötigt zudem eigenen Bauraum, der für andere Bauteile oder Funktionen so nicht zur Verfügung steht. Zwischen den Einzelkomponenten sind mehrere mechanische Schnittstellen abzustimmen, darzustellen und abzudichten.
Insbesondere wird deshalb vorgeschlagen, den Brennstoffzellenstapel und den DC/DC-Wandler in ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren. Außerdem können Lagerböcke und/oder Lagerträger zur Positionierung des Brennstoffzellenstapels oder des Brennstoffzellensystems mit dem gemeinsamen Gehäuse integriert werden. Dies bringt insbesondere den Vorteil mit sich, dass für die zwei Komponenten des Brennstoffzellensystems nur ein Gehäuse produziert wird, das kompakter und leichter ist als zwei separate, miteinander verbundene Gehäuse. Da auf lokale Verbindungen durch Verschraubungen zweier Bauteile verzichtet werden kann, sind eine höhere Steifigkeit und Festigkeit und eine verbesserte Akustik beim integrierten Bauteil gegeben. Zudem entfällt eine Qualitätsprüfung der Flanschverbindung.
Es sei insbesondere verstanden, dass die hierin offenbarten Untermerkmale der ganz oder zumindest teilweise einstückigen Ausführung eines Gehäuses (Verzicht auf einen Flansch an der Verbindungsstelle zwischen DC/DC- Wandler und Brennstoffzellenstapel), einstückig ausgeführte Busbars und einstückig ausgeführte Mediendruckplatte als funktional voneinander unabhängig betrachtet werden können. Diese können somit auch unabhängig voneinander beansprucht werden. Trotzdem können sie zusammen einen synergetischen Effekt ergeben.
Gemäß einer alternativen Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass die Mediendruckplatte nur eine Öffnung abschließt, welche lediglich benachbart zum Brennstoffzellenstapel, jedoch nicht benachbart zum DC/DC-Wandler angeordnet ist.
Insbesondere wird bei dem Gehäuse nur ein Strukturbauteil verwendet, welches tragende Eigenschaften übernimmt und Stapel und Leistungselektronik integriert. Das Integralgehäuse integriert den Brennstoffzellenstapel, die Leistungselektronik sowie Busbars, wobei Tragböcke und/oder Aufnahmen bereits am Gehäuse angegossen sein können. Das Integralgehäuse kann als Gussbauteil die kompletten strukturellen Aufgaben übernehmen. Ein Gehäuseverbund kann als Funktionsträger dienen, an welchem weitere Anbauteile montiert werden. Um den Bauraumbedarf zu minimieren, den Montageaufwand zu reduzieren und die Struktur zu optimieren, kann eine große, den DC/DC-Wandler übergreifende Mediendruckplatte verwendet werden. Sie integriert die Medienschnittstelle des Brennstoffzellenstapels sowie den Montagedeckel der Leistungselektronik.
Um den Bauraumbedarf zu minimieren und die Montage zu vereinfachen, können Busbars, welche den im Brennstoffzellenstapel entstehenden Strom zur Leistungselektronik leiten, aus Richtung der Leistungselektronik durch jeweils einen Kanal im Gehäuse zum Brennstoffzellenstapel geschoben werden. Die Busbars können lokal im Übergangsbereich des Stapels zur Leistungselektronik mit einem isolierenden Material umspritzt sein, an welchem eine Dichtung angebracht wird. Die Verschraubung der Busbars kann seitens der Leistungselektronik in Einschraubrichtung erfolgen.
Durch eine Ausführung des Gehäuses als Strukturbauteil, beispielsweise als Spritzgussteil, kann insbesondere vermieden werden, dass dieses eine zusätzliche Unterstützung benötigt.
Die hier offenbarte Technologie wird nun mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 : ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2: ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel,
Fig. 3: ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel, und
Fig. 4: eine partielle Innenansicht eines Brennstoffzellensystems. Fig. 1 zeigt dabei ein Ausführungsbeispiel, welches einen Flansch umgebend um einen DC/DC-Wandler aufweist und deshalb unter Anspruch 1 fällt. Die anderen Figuren zeigen alternative Ausführungsbeispiele ohne einen solchen Flansch.
Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer rein schematischen Ansicht, wobei einige Komponenten nicht gezeigt sind und einige Komponenten nicht miteinander verbunden sind.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist einen Brennstoffzellenstapel 110 sowie einen DC/DC-Wandler 120 auf. Diese Komponenten sind hier nur rein schematisch dargestellt, da auf deren interne Funktionalität hier nicht weiter eingegangen wird. Der Brennstoffzellenstapel 110 ist grundsätzlich dazu ausgebildet, aus gasförmigem Brennstoff oder aus einem anderen fluidförmigen Brennstoff elektrische Energie herzustellen. Der DC/DC- Wandler ist dazu ausgebildet, eine vom Brennstoffzellenstapel gelieferte Spannung in eine andere Spannung zu transformieren.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ein Gehäuse 200 auf. Das Gehäuse 200 ist vorliegend unterteilt in einen ersten Gehäuseteil 201 und einen zweiten Gehäuseteil 202. Diese können an einem Flansch 205 miteinander verbunden werden, wobei sie in der Darstellung von Fig. 1 nicht miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann in üblicher weise über Schraubverbindungen erfolgen.
Zwischen dem Brennstoffzellenstapel 110 und dem DC/DC-Wandler 120 ist eine Trennebene 230 vorgesehen. Diese ist vorliegend nur als rein virtuell gedachte Ebene eingezeichnet, wobei an dieser Stelle der Brennstoffzellenstapel 110 und der DC/DC-Wandler 120 aneinander angrenzen oder zumindest nur minimal voneinander beabstandet sind. Unmittelbar außerhalb eines solchen Orts, an dem der Brennstoffzellenstapel 110 und der DC/DC-Wandler 120 aneinander angrenzen oder nur minimal voneinander beabstandet sind, und insbesondere an der Trennebene 230, ist das Gehäuse 200 bzw. der erste Gehäuseteil 201 einstückig ausgeführt. Es ist an dieser Stelle kein Flansch vorgesehen, welcher dazu dienen könnte, zwei Gehäuseteile ohne gewaltsame Zerstörung voneinander zu lösen.
Das Gehäuse 200 umschließt einen Innenraum 207, welcher in einen ersten Aufnahmeraum 210 für den Brennstoffzellenstapel 110 und einen zweiten Aufnahmeraum 220 für den DC/DC-Wandler 120 unterteilt ist. Die beiden Aufnahmeräume 210, 220 grenzen an der Trennebene 230 aneinander, wobei dies auch nur eine rein virtuelle Trennung sein kann.
An einer Seite ist an dem ersten Aufnahmeraum 210 eine Öffnung 208 ausgebildet. Diese Öffnung ist in einem fertig zusammengebauten Zustand von einer Mediendruckplatte verschlossen, welche in Fig. 1 jedoch nicht dargestellt ist. Dadurch kann ein Druck auf den Brennstoffzellenstapel 110 ausgeübt werden, beispielsweise um Elektroden und Membranen besser aneinanderzupressen. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführung erstreckt sich diese Öffnung 208 nicht bis zu einem Bereich, welcher umgebend um den DC/DC-Wandler 120 angeordnet ist.
Zur Befestigung des Gehäuses 200 sind Befestigungselemente 240 vorgesehen. Damit kann das Gehäuse 200 an einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs befestigt werden, oder es kann auch an anderen Komponenten befestigt werden. Durch eine stabile Ausführung des Gehäuses 200 kann erreicht werden, dass keine zusätzlichen Auflageelemente oder sonstigen stabilisierenden Elemente für das Gehäuse 200 mehr erforderlich sind. Fig. 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist dabei das Gehäuse 200 an der gesamten nach links vorne weisenden Seite zunächst offen und von einer Mediendruckplatte 251 und einem Deckel 252 verschlossen. Im Gegensatz zur Ausführung von Fig. 1 ist somit auch unmittelbar umgebend um den DC/DC-Wandler 120 eine Öffnung ausgebildet, welche von dem Deckel 252, verschlossen wird. Der Deckel 252 ist somit ein Deckel des DC/DC-Wandlers. Dies erlaubt eine einfachere Zugänglichkeit des zweiten Aufnahmeraums 220, in welchem sich der DC/DC-Wandler 120 befindet. Auf den Flansch 205 und damit auf die Zweiteilug des Gehäuses 200 wird dagegen bei der Ausführung von Fig. 2 verzichtet. Die Mediendruckblatte 251 dient typischerweise der Ausübung eines Drucks auf den Brennstoffzellenstapel 110. Der Deckel 252 deckt dagegen die Öffnung lediglich ab.
Fig. 3 zeigt rein schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zum zweiten Ausführungsbeispiel ist dabei kein Deckel, sondern nur eine einzige, gemeinsame und einstückig ausgeführte Mediendruckplatte 250 vorhanden. Diese Mediendruckplatte 250 verschließt die gesamte Öffnung 208, also sowohl unmittelbar benachbart zum Brennstoffzellenstapel 110 wie auch unmittelbar benachbart zum DC/DC-Wandler 120.
An der Trennebene 230 ist vorliegend eine Trennwand 260 ausgebildet. Diese trennt den ersten Aufnahmebereich 210 von dem zweiten Aufnahmeraum 220, führt jedoch nicht dazu, dass an dieser Stelle Gehäuseteile voneinander gewaltfrei abtrennbar wären. Das Gehäuse 200 ist an dieser Stelle trotzdem einstückig ausgebildet. In den Fig. 2 und 3 sind jeweils insgesamt sechs Medienschnittstellen 255 in der Mediendruckblatte 251 bzw. in der Mediendruckplatte 250 vorhanden. Diese erlauben eine vorteilhafte Zu- und Abführung von Medien wie gasförmigem Brennstoff und Luft zu und von dem Brennstoffzellenstapel 110, sofern dessen Elektroden quer zur Trennebene 230 bzw. Trennwand 260 ausgerichtet sind, da Medienanschlüsse typischerweise quer zu den Elektroden geführt werden. Eine Ausführung mit Elektroden parallel zur Trennebene 230 bzw. Trennwand 260 würde die Medienschnittstellen 255 an eine Stirnseite verschieben und damit den Bauraumbedarf vergrößern.
Fig. 4 zeigt ein Inneres eines Gehäuses 200 in einer Schnittansicht. Dabei sind der Brennstoffzellenstapel 110 und der DC/DC-Wandler 120 schematisch nebeneinander innerhalb des Gehäuses 200 gezeigt. Dazwischen befindet sich wie schon mit Bezug auf Fig. 3 erwähnt die Trennwand 260.
Zur elektrischen Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 110 und dem DC/DC-Wandler 120 ist ein elektrischer Verbinder 130 vorgesehen. Dieser ist vorliegend als Busbar ausgebildet. Er ist einstückig ausgebildet, d.h. dass zwischen einem Anschluss des DC/DC-Wandlers 120 und einem Anschluss des Brennstoffzellenstapels 110 keine gewaltfrei lösbare Verbindung vorhanden ist. Dies erlaubt eine besonders einfache Ausführung.
Der elektrische Verbinder 130 verläuft in einem Tunnel 270, welcher innerhalb des Gehäuses 200 ausgebildet ist. Der Tunnel 270 ist so ausgeführt, dass der elektrische Verbinder 130 darin eingeführt werden kann und gegenüber dem Rest des Gehäuses 200 elektrisch isoliert ist, insbesondere falls dies aufgrund eines Gehäusematerials erforderlich ist. Der Tunnel 270 verläuft insbesondere unterhalb der Trennwand 260. Insbesondere können auch mehrere solche elektrische Verbinder 130 vorhanden sein, beispielsweise um einen Pluspol und einen Minuspol des Brennstoffzellenstapels 110 mit entsprechenden Anschlüssen des DC/DC- Wandlers 120 elektrisch zu verbinden.
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Brennstoffzellenstapel, der/ein DC/DC-Wandler, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Brennstoffzellenstapel, der mindestens eine DC/DC-Wandler, etc.).
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste
100 Brennstoffzellensystem
110 Brennstoffzellenstapel
120 DC/DC-Wandler
130 elektrischer Verbinder
200 Gehäuse
201 erster Gehäuseteil
202 zweiter Gehäuseteil
205 Flansch
207 Innenraum
208 Öffnung
210 erster Aufnahmeraum
220 zweiter Aufnahmeraum
230 Trennebene
240 Befestigungselemente
250 Mediendruckplatte
251 Mediendruckplatte
252 Deckel
255 Medienschnittstellen
260 Trennwand
270 Tunnel

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100), umfassend
- einen Brennstoffzellenstapel (110),
- einen DC/DC-Wandler (120),
- ein Gehäuse (200), und
- einen oder mehrere elektrische Verbinder (130), wobei der oder die elektrischen Verbinder (130) den Brennstoffzellenstapel (110) mit dem DC/DC-Wandler (120) elektrisch verbinden, wobei das Gehäuse (200) den Brennstoffzellenstapel (110) und den DC/DC-Wandler (120) umschließt, und wobei das Gehäuse (200) in einem Bereich seitlich umgebend um den DC/DC-Wandler (120), aber beabstandet von dem Brennstoffzellenstapel (110), einen Flansch (205) aufweist, an welchem ein erster Gehäuseteil (201 ) und ein zweiter Gehäuseteil (202) lösbar aneinander befestigt sind.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 , wobei das Gehäuse (200) mindestens von einem Bereich seitlich umgebend um den Brennstoffzellenstapel (110) aus bis zu einem Bereich seitlich umgebend um den DC/DC-Wandler (120) aus einstückig ausgebildet ist.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (200) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (110) und dem DC/DC-Wandler (120) keinen Flansch aufweist.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem ersten Gehäuseteil (201 ) der Brennstoffzellenstapel (110) und ein Teil des DC/DC-Wandlers (120) angeordnet sind und in dem zweiten Gehäuseteil (202) ein anderer Teil des DC/DC-Wandlers (120) angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Gehäuseteil (201) und/oder der zweite Gehäuseteil (202) jeweils einstückig ausgeführt ist bzw. sind.
6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder die elektrischen Verbinder (130) als Busbars ausgebildet sind.
7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder die elektrischen Verbinder (130) von dem Brennstoffzellenstapel (110) bis zum DC/DC-Wandler (120) einstückig sind.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (200) genau einen gemeinsamen Innenraum (207) hat, in welche sich der Brennstoffzellenstapel (110) und der DC/DC-Wandler (120) befinden.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (200) als Gussbauteil ausgebildet ist.
10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (200) eine oder mehrere Auflagen oder Halterungen für den Brennstoffzellenstapel (110), den oder die elektrischen Verbinder (130) und/oder den DC/DC-Wandler (120) aufweist.
11 . Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Gehäuse (200) ein oder mehrere Tunnel (270) zur Aufnahme des oder der elektrischen Verbinder (130) ausgebildet sind.
12. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der oder die elektrischen Verbinder (130) gegenüber dem Gehäuse (200) elektrisch isoliert sind.
13. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (200) an einer Seite eine Öffnung (208) aufweist, welche von einer Mediendruckplatte (250) überdeckt ist.
14. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 13, wobei die Mediendruckplatte (250) einstückig sowohl den Brennstoffzellenstapel (110) wie auch den DC/DC-Wandler (120) überdeckt.
15. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Gehäuse (200) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (110) und dem DC/DC-Wandler (120) eine Trennwand (260) ausgebildet ist.
16. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoffzellenstapel (110) mehrere zueinander parallele Elektroden aufweist, welche quer zu einer Trennebene (230) und/oder zu einer Trennwand (260) zwischen Brennstoffzellenstapel (110) und DC/DC-Wandler (120) ausgerichtet sind.
17. Kraftfahrzeug, aufweisend ein Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014187831A (ja) * 2013-03-25 2014-10-02 Toyota Motor Corp Ｄｃ−ｄｃコンバータ及び燃料電池車両
DE102020109999A1 (de) * 2019-06-07 2020-12-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzelleneinheit

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007207582A (ja) * 2006-02-02 2007-08-16 Hitachi Ltd 燃料電池モジュール
EP2949500B1 (de) * 2014-05-27 2017-05-17 Brusa Elektronik AG Antriebskreis- und Brennstoffzellenkompressor-Energieversorgungs- und Regelungseinheit
DE102021206211A1 (de) * 2021-06-17 2022-12-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzelleneinheit

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014187831A (ja) * 2013-03-25 2014-10-02 Toyota Motor Corp Ｄｃ−ｄｃコンバータ及び燃料電池車両
DE102020109999A1 (de) * 2019-06-07 2020-12-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzelleneinheit

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