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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Brennstoffzellenanordnung für ein Kraftfahrzeug, eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug.
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Brennstoffzellen dienen dazu, gasförmige oder flüssige Energieträger wie beispielsweise Wasserstoff in elektrischen Strom umzuwandeln und können deshalb zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Der Einbau einer Brennstoffzelle in ein Kraftfahrzeug erfordert typischerweise die Beachtung von vorgegebenen Einbauräumen und eine Optimierung des Platzbedarfs.
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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, einen Platzbedarf von Brennstoffzellen zu optimieren und/oder zu verringern. 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.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Brennstoffzellenanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend (i) mehrere Elektrodenplatten, welche zusammen einen Brennstoffzellenstack bilden, und (ii) eine oder mehrere Stromschienen, welche die Elektrodenplatten elektrisch kontaktieren, wobei in einem Einbauzustand die Stromschienen unterhalb des Brennstoffzellenstacks angeordnet sind. Es hat sich gezeigt, dass durch eine solche Ausführung der Platzbedarf einer Brennstoffzellenanordnung optimiert werden kann, insbesondere da andere Komponenten wie beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine zwischen die Stromschienen von unten eingreifen können. Zudem wird durch die untenseitige Anordnung der Stromschienen ein Ansauggeräuschdämpfer, welcher typischerweise über der Brennstoffzellenanordnung angeordnet ist, nicht zusätzlich erhöht.
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Die Elektrodenplatten sind insbesondere Platten, an welchen elektrochemische Prozesse zur Umsetzung von Brennstoff in elektrische Energie stattfinden. Typischerweise weist ein Brennstoffzellenstack mehrere Elektrodenplatten auf, welche parallel zueinander ausgerichtet sind. Sie sind in geeigneter Weise elektrisch miteinander verbunden. Die Stromschienen dienen typischerweise dem elektrischen Kontaktieren der Elektrodenplatten und dem Herstellen elektrischer Verbindungen sowie dem Anschluss des Brennstoffzellenstacks, so dass dieser elektrische Energie an andere Komponenten eines Kraftfahrzeugs abgeben kann. Unter einem Einbauzustand wird typischerweise derjenige Zustand verstanden, welchen der Brennstoffzellenstack bzw. die Brennstoffzellenanordnung in einem Kraftfahrzeug bei normaler Lage des Kraftfahrzeugs auf der Straße einnimmt. Ein solcher Einbauzustand ist typischerweise bei einem Brennstoffzellenstack erkennbar, selbst wenn dieser noch nicht in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist. Insbesondere können hierfür Medienführungen und/oder Anschlüsse zu anderen Komponenten herangezogen werden.
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Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenanordnung ein Gehäuse auf, welches den Brennstoffzellenstack und/oder die Stromschienen umschließt. Ein solches Gehäuse kann beispielsweise zum Schutz des Brennstoffzellenstacks und zur Abgrenzung gegenüber anderen Komponenten dienen. Es kann jedoch auch mit anderen Komponenten integral ausgebildet sein. Typischerweise gehen diverse Durchführungen für Medienanschlüsse und/oder elektrische Anschlüsse durch das Gehäuse durch.
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In dem Gehäuse können insbesondere oberhalb des Brennstoffzellenstacks eine oder mehrere Rippen ausgebildet sein. Derartige Rippen können beispielsweise eine Kühlfunktion realisieren und/oder können einen vorteilhaften Anschluss an andere Komponenten wie beispielsweise einen Ansauggeräuschdämpfer ermöglichen. Insbesondere kann zwischen den Rippen eine andere Komponente wie beispielsweise Teile eines Ansauggeräuschdämpfers aufgenommen werden. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Ausführung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weist die Brennstoffzellenanordnung ferner einen Ansauggeräuschdämpfer auf, welcher oberhalb des Brennstoffzellenstacks angeordnet ist. Ein solcher Ansauggeräuschdämpfer ist typischerweise dazu ausgebildet, angesaugte Luft in geeigneter Weise zu führen und auf die Verwendung innerhalb einer Brennstoffzelle vorzubereiten, beispielsweise durch Filterung. Hierzu kann der Ansauggeräuschdämpfer beispielsweise einen Luftfilter aufweisen. Der Ansauggeräuschdämpfer kann auch diverse Kanäle oder sonstige Luftführungskomponenten aufweisen, um für eine geeignete und geräuscharme Luftführung zu sorgen. Die Anordnung oberhalb des Brennstoffzellenstacks ermöglicht eine vorteilhafte Versorgung der Brennstoffzelle und eine platzsparende Anordnung.
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Der Ansauggeräuschdämpfer kann insbesondere in einen oder mehrere Zwischenräume zwischen den Rippen eingreifen. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Ausführung, da Teile zwischen den Rippen angeordnet werden können, welche ansonsten oberhalb der Rippen angeordnet werden müssten.
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Eine Unterseite des Ansauggeräuschdämpfers kann insbesondere komplementär zu einer Oberseite des Gehäuses ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Ausführung. Unter einer komplementären Ausführung sei insbesondere verstanden, dass ein möglichst geringer Abstand zwischen dem Ansauggeräuschdämpfer und dem Gehäuse an allen oder zumindest einigen Stellen ausgebildet wird, wobei die Unterseite des Ansauggeräuschdämpfers insbesondere auch direkt an der Oberseite des Gehäuses anliegen kann. Dadurch wird eine besonders platzsparende Ausführung erreicht.
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Insbesondere kann oberhalb des Brennstoffzellenstacks das Gehäuse ganz oder teilweise integral mit dem Ansauggeräuschdämpfer ausgebildet sein. Dies erlaubt eine doppelte Nutzung des Gehäuses, nämlich als Gehäuse für den Brennstoffzellenstack und für den Ansauggeräuschdämpfer. Auf doppelte Komponenten kann dadurch verzichtet werden. Dies erlaubt eine Einsparung von Bauraum und Gewicht. Unter einer integralen Ausführung kann insbesondere verstanden werden, dass das Gehäuse gleichzeitig einen Bestandteil des Ansauggeräuschdämpfers bildet.
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Insbesondere können die Elektrodenplatten parallel zueinander ausgerichtet sein. Dies erlaubt eine vorteilhafte elektrische Kontaktierung und eine platzsparende Anordnung. Die Elektrodenplatten können insbesondere im Einbauzustand vertikal ausgerichtet sein. Dadurch können sie vorteilhaft von einer Seite wie beispielsweise der Unterseite elektrisch kontaktiert werden. Die dort angeordneten Stromschienen können zu einer solchen Kontaktierung verwendet werden.
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Der Ansauggeräuschdämpfer kann insbesondere einen Luftfilter aufweisen. Dies erlaubt eine Filterung von Luft, so dass das Eindringen von Schmutz oder Feuchtigkeit verhindert wird.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Antriebseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend (i) eine Brennstoffzellenanordnung wie hierin beschrieben und (ii) einen Elektromotor. Bezüglich der Brennstoffzellenanordnung kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen zurückgegriffen werden. Der Elektromotor kann insbesondere mit Strom aus der Brennstoffzellenanordnung versorgt werden und kann für einen Vortrieb eines Kraftfahrzeugs sorgen.
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Der Elektromotor kann insbesondere unterhalb des Brennstoffzellenstacks angeordnet sein. Dies erlaubt eine platzsparende Anordnung. Insbesondere kann der Elektromotor ein Motorgehäuse aufweisen, welches in einen Zwischenraum zwischen mindestens zwei Stromschienen eingreift. Dies erlaubt eine besonders platzsparende Anordnung, da der Platz zwischen den beiden Stromschienen ansonsten typischerweise nicht anderweitig verwendet wird und somit eine besonders dichte Anordnung der Brennstoffzellenanordnung über dem Elektromotor möglich ist.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung wie hierin beschrieben oder eine Antriebseinrichtung wie hierin beschrieben. Bezüglich der Brennstoffzellenanordnung oder der Antriebseinrichtung kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen zurückgegriffen werden.
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Mit anderen Worten ist es insbesondere sinnvoll, bei brennstoffzellenelektrischen Antrieben in Fahrzeugen eine Optimierung des Gesamtsystems in allen Raumrichtungen vorzunehmen. Wegen ihres hohen Wirkungsgrads und geringer Emissionen zählen Brennstoffzellen neben wiederaufladbaren Batterien zu den wichtigsten Stromquellen, welche für die zukünftige Mobilität entwickelt werden. Beispielsweise kann ein Brennstoffzellenstack mit mehreren in Reihe angeordneten Brennstoffzellen verwendet werden. Jede dieser Brennstoffzellen hat typischerweise eine Anode und eine Kathode, die durch einen Elektrolyten und eine spezielle Membran voneinander getrennt sind. Beispielsweise wird Wasserstoff einer Anode zugeführt, und Sauerstoff wird der Kathode zugeführt. Durch eine elektrochemische Reaktion wird so elektrische Energie erzeugt. Die elektrische Energie kann insbesondere für das Betreiben mindestens einer im Fahrzeug verbauten elektrischen Maschine verwendet werden. Der Sauerstoff für die Kathode kann insbesondere über einen Ansauggeräuschdämpfer in ein für eine optimale Luftzufuhr verantwortliches Kathodensubsystem geleitet werden. Der Ansauggeräuschdämpfer kann beispielsweise auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite in einer brennstoffzellenelektrischen Anordnung über dem Brennstoffzellenstack angeordnet werden.
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Die hierin beschriebene Ausführung betrifft unter anderem eine verbesserte Anordnung oberhalb des Brennstoffzellenstacks zur Optimierung der räumlichen Ausbreitung des brennstoffzellenelektrischen Antriebs in z-Richtung. Um eine solche Optimierung zu ermöglichen, werden etwaige Stromschienen von der Oberseite des Brennstoffzellenstacks entfernt und auf der Unterseite des Brennstoffzellenstacks verortet. Die Form der Unterseite des Ansauggeräuschdämpfers kann der Form der Oberseite des Brennstoffzellenstacks angepasst werden, so dass die beiden Bauteile optimal ineinandergefügt werden und/oder die Unterseite des Ansauggeräuschdämpfers an der Oberseite des Brennstoffzellenstacks befestigt werden kann. Alternativ kann beispielsweise die Unterseite des Ansauggeräuschdämpfers mit der Oberseite des Brennstoffzellenstacks zu einem gemeinsamen Bauteil integriert werden.
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Durch die Anpassung der Form der Unterseite des Ansauggeräuschdämpfers oder durch die Integration des Bauteils mit der Oberseite des Brennstoffzellenstacks wird die räumliche Ausbreitung des brennstoffzellenelektrischen Antriebs in z-Richtung verringert. So ist ein ausreichender Fußgängerschutz auch bei niedriger Höhe der Motorhaube gegeben, so dass der brennstoffzellenelektrische Antrieb für den Einsatz auch in weniger großen Fahrzeugtypen geeignet ist. Außerdem ist die elektrische Maschine auf der Vorderachse durch die Verortung etwaiger Stromschienen auf der Unterseite des Brennstoffzellenstacks und/oder unterhalb des Brennstoffzellenstacks platzierbar.
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Eine Brennstoffzelle ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (zum Beispiel Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, 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.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigen:
- 1: eine Antriebseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
- 2: eine Antriebseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt rein schematisch eine Antriebseinrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Antriebseinrichtung 1 weist eine Brennstoffzellenanordnung 5 auf. Die Brennstoffzellenanordnung 5 weist mehrere Elektrodenplatten 10 auf, welche zusammen einen Brennstoffzellenstack 15 bilden. Die Elektrodenplatten 10 erstrecken sich parallel zueinander in einer jeweiligen Ebene quer zur Papierebene von 1. Die Elektrodenplatten 10 sind in einem Gehäuse 20 angeordnet, welches den Brennstoffzellenstack 15 umschließt.
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Obenseitig sind an dem Gehäuse 20 zwei Rippen 25, 26 ausgebildet, welche nach oben abstehen und insbesondere für eine Versteifung des Gehäuses 20 sorgen. Über dem Gehäuse 20 ist ein Ansauggeräuschdämpfer 30 ausgebildet, welcher auf den Rippen 25, 26 aufliegt.
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Unter dem Brennstoffzellenstack 15 sind eine erste Stromschiene 40 und eine zweite Stromschiene 45 angeordnet. Diese erstrecken sich quer zur Papierebene von 1. Da 1 einen Einbauzustand zeigt, befindet sich in einem Einbauzustand der Brennstoffzellenstack 15 über diesen Stromschienen 40, 45, wobei die Elektrodenplatten 10 in nicht näher dargestellter Art und Weise von den Stromschienen 40, 45 elektrisch kontaktiert werden. Das Gehäuse 20 umschließt auch die Stromschienen 40, 45.
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Die Antriebseinrichtung 1 weist ferner einen Elektromotor 50 mit einem Motorgehäuse 55 auf. Das Motorgehäuse 55 greift wie gezeigt in einen Zwischenraum zwischen den beiden Stromschienen 40, 45 ein, wobei eine besonders platzsparende Ausführung erreicht wird. Der Platz zwischen den Stromschienen 40, 45 kann anders ausgedrückt genutzt werden, um die Gesamthöhe der Anordnung aus Elektromotor 50 und Brennstoffzellenanordnung 5 zu verringern.
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2 zeigt eine Antriebseinrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Im Wesentlichen sei dabei auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel greift jedoch der Ansauggeräuschdämpfer 30 teilweise in einen Zwischenraum zwischen den beiden Rippen 25, 26 ein, so dass eine noch weitere Verringerung der Gesamthöhe erreicht wird. Damit kann in ähnlicher Weise wie an der Unterseite auch an der Oberseite ein Ineinandergreifen von Komponenten realisiert werden, wodurch eine besonders effiziente Nutzung des vorhandenen Bauraums insbesondere in z-Richtung erfolgt.
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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 Brennstoffzellenstack, der/ein Elektromotor, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Brennstoffzellenstack, der mindestens eine Elektromotor, etc.).
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebseinrichtung
- 5
- Brennstoffzellenanordnung
- 10
- Elektrodenplatten
- 15
- Brennstoffzellenstack
- 20
- Gehäuse
- 25
- Rippe
- 26
- Rippe
- 30
- Ansauggeräuschdämpfer
- 40
- erste Stromschiene
- 45
- zweite Stromschiene
- 50
- Elektromotor
- 55
- Motorgehäuse
