DE102020203490A1

DE102020203490A1 - Lagerungsanordnung und Verfahren zur Lagerung eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102020203490A1
Application number: DE102020203490.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Giuseppe Marino; Ralph Leonard Fung; Johannes Biesdorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-09-23

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Lagerungsanordnung (23) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (1) und mindestens ein Lagerelement (25), wobei der Brennstoffzellenstapel (1) mit dem mindestens einen Lagerelement (25) verbunden und um eine erste Achse (27) des Brennstoffzellenstapels (1) beweglich gelagert ist. Ferner betrifft die Anmeldung ein Verfahren zur Lagerung eines Brennstoffzellenstapels (1).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerungsanordnung umfassend einen Brennstoffzellenstapel und mindestens ein Lagerelement. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Fahrzeug umfassend die Lagerungsanordnung sowie auf ein Verfahren zur Lagerung eines Brennstoffzellenstapels, wobei ein Brennstoffzellenstapel mittels mindestens eines Lagerelements gelagert wird.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Bei Brennstoffzellen wird chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie gewandelt. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Protone exchange membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. PEM-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt. Bei PEM-Brennstoffzellen herrschen üblicherweise Betriebstemperaturen unterhalb von 120° C.
Darüber hinaus sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cell (SOFC)-Brennstoffzellen bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen. SOFC-Brennstoffzellen finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.
Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. In einer Brennstoffzelle wird der Brennstoff an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- →2 H₂O
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet werden kann, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Dabei ist die Protonen-leitfähige Polymermembran ist in der Regel zwischen zwei Gasdiffusionslagen eingebettet. Die Membran oder die beiden Gasdiffusionslagen sind an Kontaktflächen mit Katalysatormaterial beschichtet. Außerhalb der Gasdiffusionslagen befinden sich beidseitig Bipolarplatten.
Die eingesetzten Bipolarplatten übernehmen verschiedene Funktionen. Sie dienen als Verteilerstruktur und zur Herstellung eines elektrischen Kontakts. Die Bipolarplatten verteilen Reaktionsgase gleichmäßig über die aktive Fläche der Brennstoffzelle und leiten Elektronen von den Gasdiffusionslagen in benachbarte Brennstoffzellen. Flüssiges Wasser oder als Reaktionsprodukt entstehender Wasserdampf und Produktgase werden aus der Brennstoffzelle abtransportiert. Des Weiteren wird Wärme aus der Katalysatorschicht in Kühlmittel abgeleitet.
Ein Brennstoffzellenstapel findet insbesondere Anwendung in einem Fahrzeug.
Bestimmte Lagen des Brennstoffzellenstapels im Betrieb, die auch als Stellung oder Ausrichtungen bezeichnet werden können, insbesondere geneigte Lagen, sind nachteilig, da sich Wasser, insbesondere flüssiges Wasser, das gefrieren kann, in Ausgängen der Brennstoffzellen, Manifolds oder in Ports sammeln kann. Durch die Wasseransammlungen kann der Brennstoffzellenstapel einen erhöhten Druckverlust aufweisen. Ferner ist ein Befeuchtungszustand des Brennstoffzellenstapels unkontrolliert, so dass undefinierte Betriebszustände auftreten können.
Geneigte Lagen des Brennstoffzellenstapels entstehen unter anderem dadurch, dass beispielsweise das Fahrzeug, in dem der Brennstoffzellenstapel gelagert, also angeordnet, ist, in einer Hanglage, auf einer Steigung oder auf einer ansonsten geneigten Oberfläche wie einer schrägen Garage oder Rampe steht.
Da die Neigung einer Vorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel umfasst, und insbesondere die Ausrichtung eines Fahrzeugs, nur begrenzt beeinflussbar sind, ist es erforderlich, dass die Lage beziehungsweise die räumliche Ausrichtung des Brennstoffzellenstapels in Relation zu der Vorrichtung, insbesondere in Relation zum Fahrzeug, ausgeglichen wird.
DE 11 2015 002 691 T5 beschreibt ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem Lagerabteil, in dem ein Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Im Falle einer schweren Kollision ist das Brechen einer Befestigungsstruktur vorgesehen, so dass sich der Brennstoffzellenstapel nach unten in einen Schutzraum zwischen dem Lagerabteil und einer Fahrbahnoberfläche bewegt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Lagerungsanordnung vorgeschlagen umfassend einen Brennstoffzellenstapel und mindestens ein Lagerelement, wobei der Brennstoffzellenstapel mit dem mindestens einen Lagerelement verbunden und um eine erste Achse des Brennstoffzellenstapels beweglich gelagert ist.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Lagerung eines Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, wobei der Brennstoffzellenstapel mittels mindestens eines Lagerelements um eine erste Achse des Brennstoffzellenstapels beweglich gelagert wird.
Ferner wird ein Fahrzeug umfassend die Lagerungsanordnung vorgeschlagen.
Die erste Achse kann eine Querachse, eine Längsachse, eine Diagonalachse oder eine Kombination daraus sein, insbesondere eine Querachse. Die erste Achse des Brennstoffzellenstapels liegt bevorzugt in einer horizontalen Ebene. Die erste Achse, insbesondere die Querachse, ist mehr bevorzugt im Wesentlichen orthogonal zu einer Bewegungsrichtung des Fahrzeugs, insbesondere bei Geradeausfahrt, angeordnet. Im Wesentlichen orthogonal ist dahingehend zu verstehen, dass die erste Achse des Brennstoffzellenstapels mit der Bewegungsrichtung einen Winkel von 75° bis 105°, mehr bevorzugt von 80° bis 100°, zum Beispiel 90°, einschließt.
Das Fahrzeug weist bevorzugt mindestens eine Fahrzeugachse auf, an der mindestens ein Rad befestigt ist. Bevorzugt weist das Fahrzeug mindestens ein Rad auf, mehr bevorzugt mindestens zwei Räder und weiter bevorzugt mindestens vier Räder. Das Fahrzeug kann zum Beispiel ein elektrisches Einrad, ein Motorrad, ein Roller, eine Autorikscha, ein PKW, ein Bus oder ein LKW sein. Die erste Achse des Brennstoffzellenstapels ist bevorzugt im Wesentlichen parallel zu der mindestens einen Fahrzeugachse angeordnet. Im Wesentlichen parallel ist dahingehend zu verstehen, dass die erste Achse des Brennstoffzellenstapels mit der mindestens einen Fahrzeugachse einen Winkel von bevorzugt weniger als 30°, mehr bevorzugt weniger als 10° und insbesondere bevorzugt weniger als 5° einschließt.
Die Lagerungsanordnung kann ein Hauptlager umfassen, das den Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen trägt. Bevorzugt ist das Hauptlager entlang einer vertikalen Geraden, die durch den Schwerpunkt des Brennstoffzellenstapels verläuft, angeordnet. Das Hauptlager kann unterhalb des Schwerpunkts, insbesondere in einer hängenden Ausführungsform, oder oberhalb des Schwerpunkts, insbesondere in einer liegenden Ausführungsform, angeordnet sein. Bei einer Anordnung entlang der vertikalen Geraden durch den Schwerpunkt kann es sich auch um eine Anordnung handeln, die um eine Distanz, die bis zu 10 % der längsten Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels beträgt, zur vertikalen Geraden versetzt ist. Unter dem Schwerpunkt wird insbesondere der Massenmittelpunkt verstanden. Das Hauptlager ist insbesondere an der ersten Achse des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
Das mindestens eine Lagerelement dient besonders der Ausrichtung des Brennstoffzellenstapels, insbesondere hinsichtlich der Neigung, und zweitrangig der Aufnahme der Gewichtskraft des Brennstoffzellenstapels.
Der Brennstoffzellenstapel besitzt eine Stapelrichtung, unter der üblicherweise eine Richtung im Wesentlichen orthogonal zu den einzelnen, insbesondere planaren Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verstanden wird. Die Stapelrichtung ist üblicherweise im Wesentlichen orthogonal zu den Lagen der Brennstoffzellen wie der Membran und/oder den Bipolarplatten.
Der Brennstoffzellenstapel ist bevorzugt so angeordnet, dass die Stapelrichtung im Wesentlichen parallel zu einer horizontalen Ebene ist. Unter im Wesentlichen parallel wird insbesondere verstanden, dass die Stapelrichtung mit der horizontalen Ebene einen Winkel von bevorzugt weniger als 30°, mehr bevorzugt weniger als 10° und insbesondere bevorzugt weniger als 5° einschließt. Eine solche Anordnung wird auch als liegender oder horizontaler Einbau des Brennstoffzellenstapels bezeichnet.
Der Brennstoffzellenstapel kann auch so angeordnet sein, dass die Stapelrichtung im Wesentlichen orthogonal zu der horizontalen Ebene ist. Unter im Wesentlichen orthogonal wird insbesondere verstanden, dass die Stapelrichtung mit der horizontalen Ebene einen Winkel bevorzugt im Bereich von 75° bis 105°, mehr bevorzugt von 80° bis 100°, insbesondere 90° einschließt. Eine solche Anordnung wird auch als vertikaler oder stehender Einbau des Brennstoffzellenstapels bezeichnet.
Die Lagerungsanordnung umfasst bevorzugt eine Befestigungsvorrichtung. Die Befestigungsvorrichtung kann ein Rahmen wie ein Montagerahmen, insbesondere eine Karosserie des Fahrzeugs sein. Insbesondere ist die Befestigungsvorrichtung starr mit dem Fahrzeug verbunden.
Der Brennstoffzellenstapel ist insbesondere beweglich in Relation zu der Befestigungsvorrichtung gelagert. Eine Verbindung zwischen dem mindestens einen Lagerelement und der Befestigungsvorrichtung kann beweglich oder unbeweglich sein oder eine Kombination aus beidem.
Bevorzugt weist die Lagerungsanordnung einen freien Bewegungsraum auf, in dem der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist und in dem die Position und/oder Ausrichtung des Brennstoffzellenstapels variabel sind.
Bevorzugt weist das mindestens eine Lagerelement eine Länge auf, wobei die Länge weiter bevorzugt variabel ist. Die bewegliche Lagerung des Brennstoffzellenstapels ist insbesondere durch die variable Länge des mindestens einen Lagerelements gegeben.
Bevorzugt umfasst die Lagerungsanordnung mehr als ein Lagerelement, mehr bevorzugt mehr als zwei Lagerelemente und insbesondere bevorzugt mindestens vier Lagerelemente. Die einzelnen Lagerelemente können gleichen oder verschiedenen Typs sein. Die Länge eines einzelnen Lagerelements ist bevorzugt von mindestens einem weiteren Lagerelement unabhängig.
Bevorzugt wird mittels des mindestens einen Lagerelements ein Winkel α zwischen einer zweiten Achse des Brennstoffzellenstapels und einer horizontalen Ebene in einem Bereich von 0 bis 15° eingestellt. Die zweite Achse kann eine Querachse, eine Längsachse, eine Diagonalachse oder eine Kombination daraus sein, insbesondere eine Längsachse. Die zweite Achse entspricht weiter bevorzugt der Stapelrichtung. Entsprechend wird bevorzugt eine waagerechte Ausrichtung des Brennstoffzellenstapels eingestellt, wobei eine stärkere Neigung über einen Winkel von 15° hinaus vermieden wird. Eine waagerechte Anordnung kann auch so beschrieben werden, dass ein Winkel des Brennstoffzellenstapels zu einer Senkrechten konstant gehalten wird.
Die Erfindung ist in verschiedenen Formen ausführbar, wobei die einzelnen Elemente der Ausführungsformen untereinander kombinierbar sind.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Lagerelement einen Stellkolben. Insbesondere besteht das mindestens eine Lagerelement aus einem Stellkolben. Der Stellkolben ist insbesondere ein pneumatischer oder hydraulischer Stellkolben. Der Stellkolben weist bevorzugt eine variable Länge auf. Weiter bevorzugt umfasst die Lagerungsanordnung mindestens zwei Stellkolben.
Entsprechend wird der Brennstoffzellenstapel bevorzugt hydraulisch und/oder pneumatisch beweglich gelagert.
Die Stellkolben können auch als Kolbenstangen bezeichnet werden und stellen Aktuatoren dar. Insbesondere weist die Lagerungsanordnung vier Stellkolben auf. Der Brennstoffzellenstapel hat üblicherweise eine quaderförmige Form mit einer rechteckigen Grundfläche, die vier Ecken aufweist. Die vier Stellkolben sind bevorzugt jeweils an einer der Ecken angeordnet und weiter bevorzugt befestigt.
Jeder Stellkolben weist bevorzugt ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, wobei weiter bevorzugt das erste Ende an der Befestigungsvorrichtung und das zweite an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet und insbesondere befestigt ist. Weiter bevorzugt sind das erste Ende und/oder das zweite Ende des Stellkolbens schwenkbar mit der Befestigungsvorrichtung beziehungsweise mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden. Insbesondere bevorzugt ist das erste Ende des Stellkolbens schwenkbar mit der Befestigungsvorrichtung verbunden, so dass ein Winkel zwischen dem Stellkolben und einer Oberfläche der Befestigungsvorrichtung variabel ist.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Lagerelement ein Seil. Bevorzugt ist der Brennstoffzellenstapel entsprechend hängend beweglich gelagert. In dieser Ausführungsform wird bevorzugt das Seil anstelle des Stellkolbens eingesetzt. Während der Stellkolben den Brennstoffzellenstapel stützt, hängt der Brennstoffzellenstapel an dem Seil. Bevorzugte Positionen und Befestigungen des Seils und eine bevorzugte Anzahl der Seile entsprechen den Ausführungen zum Stellkolben. Ferner weist das Seil bevorzugt eine variable Länge auf. Insbesondere weisen mindestens zwei Seile in einer Stellung des Brennstoffzellenstapels unterschiedliche Längen auf.
Durch die variable Länge des Seils beziehungsweise des Stellkolbens wird die horizontale Lage des Brennstoffzellenstapels eingestellt.
Weiter kann die Lagerungsanordnung Führungen umfassen, die eine Position des Brennstoffzellenstapels zusätzlich kontrollieren.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Lagerelement eine bewegliche Masse, die der Einstellung eines Gleichgewichts, insbesondere der Einstellung der waagerechten Lage des Brennstoffzellenstapels, dient. Entsprechend wird der Brennstoffzellenstapel bevorzugt mittels Verlagerung der beweglichen Masse beweglich gelagert. Die bewegliche Masse kann einen Festkörper und/oder eine Flüssigkeit umfassen.
Die bewegliche Masse, die insbesondere in Relation zu dem Brennstoffzellenstapel beweglich ist, kann an einem Punkt oder an mehr als einem Punkt, zum Beispiel an zwei Punkten, verlagerbar, also beweglich sein.
Der bewegliche Festkörper kann zum Beispiel auf mindestens einer Schiene beweglich, insbesondere verschiebbar sein. Die Position des beweglichen Festkörpers in Relation zu dem Brennstoffzellenstapel kann zum Beispiel über einen Linearantrieb oder einen Seilzug einstellbar sein. Zur Verlagerung der beweglichen Masse an zwei Punkten kann das Prinzip der sogenannten kommunizierenden Röhren eingesetzt werden.
Die Lagerungsanordnung kann verschiedene Behälter, insbesondere Taschen umfassen, die an verschiedenen Positionen an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind und in die die Flüssigkeit umgepumpt werden kann.
Befindet sich das Fahrzeug beziehungsweise die Befestigungsvorrichtung in einer waagerechten Position, so ist die bewegliche Masse bevorzugt entlang einer vertikalen Geraden angeordnet, die durch den Schwerpunkt des Brennstoffzellenstapels verläuft. Kommt es zu einer Neigung des Fahrzeugs, insbesondere der Befestigungsvorrichtung, wird die bewegliche Masse von der vertikalen Geraden entfernt, um eine waagerechte Anordnung des Brennstoffzellenstapels einzustellen und dazu eine Bewegung des Brennstoffzellenstapels relativ zu der Befestigungsvorrichtung zu bewirken.
Wird eine Bewegung der beweglichen Masse an mehr als einem Punkt eingesetzt, können mindestens zwei Teile der beweglichen Masse unabhängig voneinander bewegt werden. Die mindestens zwei Teile der beweglichen Masse können gleich oder unterschiedlich groß sein.
In einer vierten bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Lagerelement einen konvex geformten Körper. Der konvex geformte Körper ist bevorzugt eine Halbkugel. Weiter bevorzugt ist der konvex geformte Körper unterhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Bevorzugt ist der Brennstoffzellenstapel derart mittels des konvex geformten Körpers beweglich gelagert, dass der Brennstoffzellenstapel mit dem konvex geformten Körper starr verbunden ist und der konvex geformte Körper beweglich die Befestigungsvorrichtung berührt, insbesondere beweglich auf der Befestigungsvorrichtung aufliegt. Der konvex geformte Körper ist bevorzugt entlang einer vertikalen Geraden durch den Schwerpunkt, insbesondere unterhalb des Schwerpunkts, des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
Bevorzugt besitzen der Brennstoffzellenstapel und der konvex geformte Körper zusammen einen externen Schwerpunkt, der insbesondere in dem konvex geformten Körper liegt. Der konvex geformte Körper umfasst insbesondere eine zusätzliche Masse. Entsprechend wird der Brennstoffzellenstapel bevorzugt mittels des externen Schwerpunktes, der insbesondere unterhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, beweglich gelagert. Durch den externen Schwerpunkt entsteht bevorzugt im Fall einer Krängung oder Neigung des Brennstoffzellenstapels ein aufrichtendes Moment.
Zusätzlich kann der Brennstoffzellenstapel durch die Führungen, die Seile, umfassen können, geführt werden. Die Führungen können auch durch Stäbe und die Stäbe umgebende Ringe ausgebildet sein, wobei die Ringe bevorzugt fest mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden sind.
Der konvex geformte Körper und/oder eine Oberfläche, insbesondere der Befestigungsvorrichtung, die mit dem konvex geformten Körper beweglich in Kontakt ist, weisen bevorzugt einen geringen Reibwert auf. Der konvex geformte Körper und/oder die Oberfläche besitzen bevorzugt eine Gleitreibungszahl µ_G von nicht mehr als 0,3. Der konvex geformte Körper und/oder die Oberfläche, die mit dem konvex geformten Körper beweglich in Kontakt ist, können eine Beschichtung, insbesondere zur Reduktion der Gleitreibung, bevorzugt eine PTFE-Beschichtung, aufweisen.
In jeglicher Ausführungsform ist es bevorzugt, dass eine aktuelle Lage oder Ausrichtung des Brennstoffzellenstapels mittels mindestens eines Lagesensors, insbesondere mindestens eines MEMS-Lagesensors ermittelt wird, dessen Signal weiter bevorzugt zur Einstellung der Ausrichtung und/oder Auslenkung des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der Neigung des Brennstoffzellenstapels, eingesetzt wird. Der mindestens eine Lagesensor ist bevorzugt an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Die Einstellung der Ausrichtung und/oder Auslenkung kann alternativ auch passiv in Abhängigkeit von der Art der Aufhängung durch Gravitation erfolgen.
Bevorzugt wird zur beweglichen Lagerung des Brennstoffzellenstapels eine elektronische Steuerung umfassend eine Steuereinheit eingesetzt, die insbesondere die Signale der Lagesensoren verwendet, um Aktuatoren zu betätigen.
Der Zustand, insbesondere hinsichtlich der Lage, eines Systems, umfassend die Lagerungsvorrichtung und insbesondere den Brennstoffzellenstapel, kann, gegebenenfalls alternativ oder ergänzend zur passiven Regelung mittels Gravitation, mit einem Bestimmungsverfahren bestimmt werden, wobei die folgenden Schritte umfasst sind:

- Ausgeben eines vordefinierten Steuersignals zur Änderung zumindest eines Systemparameters des Systems,
- Erfassen einer tatsächlichen Systemreaktion anhand eines ersten Stromparameters des Systems in Abhängigkeit von der Änderung des System parameters,
- Bestimmen des Systemzustands in Abhängigkeit von der tatsächlichen Systemreaktion,
- ggf. Vergleichen der tatsächlichen Systemreaktion mit einer erwarteten Systemreaktion, wobei das Bestimmen des Systemzustands in Abhängigkeit von dem Vergleich erfolgt,
- ggf. Senden von Systeminformationen in Abhängigkeit von der tatsächlichen Systemreaktion an eine, insbesondere externe oder interne, Datenbank,
- ggf. Erhalt von Referenzinformationen für die erwartete Systemreaktion und/oder zum Bestimmen des Systemzustands von einer, insbesondere externen oder internen, Datenbank.

Bei dem ersten Stromparameter kann es sich vorzugsweise um eine elektrische Spannung oder eine elektrische Stromstärke handeln. Insbesondere kann der erste Stromparameter an dem Brennstoffzellenstapel gemessen werden. Das System kann vorteilhafterweise einen Stromsensor und/oder einen Spannungssensor aufweisen, um den ersten Stromparameter zu erfassen.
Es ist denkbar, dass beim Erfassen der tatsächlichen Systemreaktion zumindest ein oder mehrere Zusatzparameter in Abhängigkeit von der Änderung des Systemparameters erfasst werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Zusatzparameter um einen Zustandsparameter in Bezug auf ein Drehmoment handeln.
Die erwartete Systemreaktion kann vorzugsweise Referenzdaten umfassen, die einen erwarteten Wert oder eine erwartete Änderung des ersten Stromparameters abbilden. Ferner können die Referenzdaten zulässige Neigungswinkel umfassen. Bei Überschreitung der zulässigen Neigungswinkel kann von der Steuereinheit eine entsprechende Meldung ausgegeben werden.
Der erste Stromparameter wird bevorzugt mittels des mindestens einen Lagesensors, insbesondere mittels des mindestens eines MEMS-Lagesensors, erfasst. Entsprechend wird der mindestens eine Lagesensor bevorzugt zur Meldung einer Schieflage eingesetzt um die Aktuatoren auf Basis gespeicherter Daten vom mindestens einen Lagesensor anzusteuern.
Weiter bevorzugt erfolgt die Ermittlung der Lage des Brennstoffzellenstapels unter Durchführung des Bestimmungsverfahrens.
Vorteile der Erfindung
Durch die bewegliche Lagerung und insbesondere die Kontrolle der Neigung des Brennstoffzellenstapels kann eine waagerechte Lage des Brennstoffzellenstapels unabhängig von der direkten Umgebung des Brennstoffzellenstapels, insbesondere unabhängig von einer Befestigungsvorrichtung und einem Fahrzeug, gewährleistet werden.
Durch Vermeidung einer ausgeprägten Neigung des Brennstoffzellenstapels können unerwünschte Wasseransammlungen im Brennstoffzellenstapel, die auch eine Gefahr des Einfrierens bedeuten, vermieden werden. Ein Ablauf des Brennstoffzellenstapels kann als tiefster Punkt des Brennstoffzellenstapels erhalten werden.
Zusätzlich dient die bewegliche Lagerung des Brennstoffzellenstapels einer Vibrationsreduktion, also einer Dämpfung.
Die beschriebenen Führungen des Brennstoffzellenstapels sind insbesondere auf unebener Piste zur Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels vorteilhaft.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
2 Seitenansichten einer ersten Ausführungsform einer Lagerungsanordnung,
3 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform der Lagerungsanordnung,
4 Seitenansichten einer zweiten Ausführungsform einer Lagerungsanordnung,
5 Seitenansichten einer dritten Ausführungsform einer Lagerungsanordnung,
6 eine Draufsicht der dritten Ausführungsform der Lagerungsanordnung,
7 Seitenansichten einer weiteren dritten Ausführungsform einer Lagerungsanordnung,
8 Seitenansichten einer vierten Ausführungsform einer Lagerungsanordnung und
9 eine Draufsicht der vierten Ausführungsform der Lagerungsanordnung.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 1 mit mehreren Brennstoffzellen 3. Jede Brennstoffzelle 3 weist eine Membran 5, zwei Gasdiffusionslagen 7, eine Anode 9 und eine Kathode 11 auf. Protonen 21 werden über die Membran 5 transportiert. Die einzelnen Brennstoffzellen 3 sind durch Bipolarplatten 13, die eine Kühlplatte 15 umfassen können, voneinander abgegrenzt. Der Brennstoffzellenstapel 1, dem Wasserstoff und Sauerstoff sowie ein Kühlmittel zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 17 abgeschlossen und weist Stromsammler 19 auf.
2 zeigt Seitenansichten einer ersten Ausführungsform einer Lagerungsanordnung 23. Die Lagerungsanordnung 23 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 1 und vier Lagerelemente 25, von denen lediglich zwei hier dargestellt sind. Die Lagerelemente 25 sind in der hier dargestellten Ausführungsform als Stellkolben 29 ausgeführt. Die Stellkolben 29 weisen jeweils eine variable Stellkolbenlänge 47 auf. Durch die variable Stellkolbenlänge 47 ist der Brennstoffzellenstapel 1 um eine erste Achse 27 des Brennstoffzellenstapels 1 beweglich gelagert. Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel 1 gegenüber einer Befestigungsvorrichtung 49 beweglich gelagert, an der die Stellkolben 29 mit einem ersten Ende 51 befestigt sind.
Die Lagerungsanordnung 23 weist ferner Lager 53 auf, die beweglich oder unbeweglich sein können. Die Lager 53 können insbesondere drehbar sein. Eines der Lager 53, ist ein Hauptlager 54, das beweglich ist. Darüber hinaus sind alternative Lagerpositionen 55 kenntlich gemacht.
Eine Lage oder Ausrichtung, insbesondere eine Neigung, der Befestigungsvorrichtung 49, die zum Beispiel eine Karosserie eines Fahrzeugs 37 sein kann, ist variabel. Je nach Neigungswinkel des Fahrzeugs 37 ist auch die Befestigungsvorrichtung 49 geneigt, während der Brennstoffzellenstapel 1 in der Lagerungsanordnung 23 in einer waagerechten Position verbleibt.
Ein Winkel β 59, der von einem der Lagerelemente 25 und der Befestigungsvorrichtung 49 eingeschlossen wird, ist in Abhängigkeit der Neigung des Fahrzeugs 37 variabel und kann auch als Neigungswinkel der Befestigungsvorrichtung 49 bezeichnet werden, während ein hier nicht dargestellter Winkel a, der von einer zweiten Achse 39 des Brennstoffzellenstapels 1 und einer horizontalen Ebene 41 eingeschlossen ist, konstant ist und in dieser Darstellung 0° beträgt.
3 zeigt eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform der Lagerungsanordnung 23 gemäß 2. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist quaderförmig und die Lagerelemente 25 in Form von Stellkolben 29 sind an Ecken 61 des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet.
4 zeigt Seitenansichten einer zweiten Ausführungsform einer Lagerungsanordnung 23, die teilweise der Lagerungsanordnung 23 gemäß der 2 und 3 entspricht. Ein Unterschied besteht darin, dass anstelle der Stellkolben 29 Seile 31 eingesetzt werden und der Brennstoffzellenstapel 1 hängend und nicht wie gemäß den 2 und 3 liegend gelagert ist.
Die 5, 6 und 7 zeigen eine dritte Ausführungsform einer Lagerungsanordnung 23, wobei die Lagerungsanordnung 23 eine bewegliche Masse 33 umfasst.
5 zeigt Seitenansichten der dritten Ausführungsform der Lagerungsanordnung 23, wobei eine bewegliche Masse 33 als ein Lagerelement 25 in einem Punkt verlagert wird. Eine einteilige bewegliche Masse 33 ist variabel in ihrer Position relativ zum Brennstoffzellenstapel 1. In Abhängigkeit einer negativen oder positiven Neigung der Befestigungsvorrichtung 49 kann die bewegliche Masse 33 in verschiedene Richtungen verschoben werden.
6 zeigt eine Draufsicht der dritten Ausführungsform der Lagerungsanordnung 23 gemäß 5. Die bewegliche Masse 33 ist auf einer Schiene 63 angeordnet und kann mittels eines Bewegungsmittels 65, das ein Seilzug oder eine Zahnstange sein kann, in Zugrichtungen 67 bewegt werden.
7 zeigt Seitenansichten einer weiteren dritten Ausführungsform einer Lagerungsanordnung 23. Die hier dargestellte Lagerungsanordnung 23 entspricht im Wesentlichen der Lagerungsanordnung 23 gemäß den 5 und 6 mit dem Unterschied, dass die bewegliche Masse 33 in einen ersten Teil 69 und einen zweiten Teil 71 aufgeteilt ist. Durch Position und Größe jeweils des ersten Teils 69 und des zweiten Teils 71 der beweglichen Masse 33 ist die Ausrichtung, insbesondere die Neigung des Brennstoffzellenstapels 1 einstellbar.
8 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Lagerungsanordnung 23. In dieser vierten Ausführungsform ist der Brennstoffzellenstapel 1 auf einer Halbkugel, die einen konvex geformten Körper 35 darstellt, gelagert. Die Halbkugel weist eine zusätzliche Masse auf, so dass durch einen externen Schwerpunkt 43, der in der Halbkugel angeordnet ist, im Fall einer Krängung des Brennstoffzellenstapel 1 ein aufrichtendes Moment entsteht.
Zur besseren Positionskontrolle des Brennstoffzellenstapels 1 weist die Lagerungsanordnung 23 Führungen 73 auf. In der hier dargestellten Ausführungsform umfassen die Führungen 73 Seile 31.
9 zeigt eine Draufsicht auf die Lagerungsanordnung 23 gemäß 8. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist auf dem konvex geformten Körper 35, nämlich der Halbkugel, gelagert, die der Einstellung einer waagerechten Lage des Brennstoffzellenstapels 1 dient.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112015002691 T5 [0014]

Claims

Lagerungsanordnung (23) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (1) und mindestens ein Lagerelement (25), wobei der Brennstoffzellenstapel (1) mit dem mindestens einen Lagerelement (25) verbunden und um eine erste Achse (27) des Brennstoffzellenstapels (1) beweglich gelagert ist.
Lagerungsanordnung (23) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lagerelement (25) einen Stellkolben (29), insbesondere einen pneumatischen oder hydraulischen Stellkolben (29), umfasst.
Lagerungsanordnung (23) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lagerelement (25) ein Seil (31) umfasst.
Lagerungsanordnung (23) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lagerelement (25) eine bewegliche Masse (33) umfasst.
Lagerungsanordnung (23) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lagerelement (25) einen konvex geformten Körper (35), insbesondere eine Halbkugel, umfasst.
Fahrzeug (37) umfassend eine Lagerungsanordnung (23) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zur Lagerung eines Brennstoffzellenstapels (1), wobei der Brennstoffzellenstapel (1) mittels mindestens eines Lagerelements (25) um eine erste Achse (27) des Brennstoffzellenstapels (1) beweglich gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen Lagerelements (25) ein Winkel α zwischen einer zweiten Achse (39) des Brennstoffzellenstapels (1) und einer horizontalen Ebene (41) in einem Bereich von 0° bis 15° eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (1) — hydraulisch und/oder pneumatisch, — hängend, — mittels Verlagerung einer beweglichen Masse (33) oder — mittels eines externen Schwerpunktes (43), der unterhalb des Brennstoffzellenstapels (1) angeordnet ist, beweglich gelagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lage des Brennstoffzellenstapels (1) mittels mindestens eines Lagesensors (45), insbesondere eines MEMS-Lagesensors (45), ermittelt wird.