Baureihenkonzept Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Baureihenkonzept für Brennstoffzellensysteme, gemäß dem auf einfache Weise Brennstoffzellensysteme gefertigt werden können, indem erfindungsgemäß bereitgestellte, geeignet ausgebildete Systemkomponenten mit- einander verbunden werden, wobei unterschiedliche Leistungsklassen abgedeckt werden können. Dabei kann ein und dasselbe Basismodul für jede dieser Leis- tungsklassen verwendet werden.

Stand der Technik Der Markt für Energieversorgungseinrichtungen aller Art ist hinsichtlich der Leistungs-und Kapazitätsklassen fein abgestuft. Betrachtet man Batterien als An- schauungsbeispiel, so werden diese in der Regel für spezielle Einsatzorte konzi- piert und für den entsprechenden Verwendungszweck optimiert.

So gibt es z. B. jede der bekannten Batterietypen"Micro","Mignon","Baby","Mono", die jeweils eine bestimmte äußere Form und eine Nennspannung von 1,5V aufwei- sen, in qualitativ unterschiedlichen Ausführungen, die sich hinsichtlich ihrer Kapazi- tät, aber auch anderen Eigenschaften wie Auslaufsicherheit, Temperaturbereich, etc. unterscheiden. Ähnliches gilt auch für Autobatterien (Starterbatterien), die es beispielsweise mit unterschiedlichsten, zum Teil nahe beieinander liegenden Kapazitäten (z. B. 50 Ah, 55 Ah, 60 Ah, 70 Ah, 80 Ah, 90 Ah, 100 Ah, ....) gibt.

Dagegen sind Brennstoffzelleneinrichtungen, die als netzunabhängige Energiever- sorgungseinrichtungen für einen bestimmten Verwendungszweck vorgesehen sind, zur Zeit noch Individuallösungen : Sie unterscheiden sich mehr oder weniger stark von Brennstoffzelleneinrichtungen, die für einen anderen Verwendungszweck vor- gesehen sind. Daher sind Komponenten bzw. aus solchen Komponenten gebildete Strukturen eines Brennstoffzellensystems mit einer groß dimensionierten Brenn- stoffzelleneinrichtung nur in Ausnahmefällen für ein kleiner dimensioniertes System

geeignet. Dies schlägt sich negativ sowohl auf den Anschaffungspreis der gesam- ten Systeme, wie auch der Einzelkomponenten nieder.

Beschreibung der Erfindung Angesichts dieser Nachteile ist es eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein Kon- zept bereitzustellen, dass dazu beiträgt, die (Komplexitäts-) Kosten von Brennstoff- zellensystemen zu senken und damit ihre Akzeptanz zu erhöhen. Die allgemeine Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Baureihenkonzept : Dadurch können auf denselben strukturellen Prinzipien basierende, aber unterschiedlich große und/oder leistungsfähige Vorrichtungen zusammen mit anderen Systemkomponenten ver- wendet werden, die in ein und derselben Ausführung mit jeder dieser unterschiedli- chen Vorrichtungen kombiniert werden. Die in unterschiedlichen Vorrichtungen ein- setzbaren Komponenten werden auch als Gleichteile bezeichnet. Ihre Vorteile sind vielgestaltig : Auf Hersteller-und Zuliefererseite verringern sie die Herstellungs-und Lagerkosten. Ihre Verwendung vereinheitlicht im Allgemeinen die Systemstruktur und vereinfacht somit den Zusammenbau, und sorgt dadurch im Endeffekt für nied- rigere Herstellungskosten. Für den Konsumenten ergeben sich-verglichen mit Individuallösungen-niedrigere Anschaffungs-, Ersatzteil-und Reparaturkosten, etc.

Eine spezielle Aufgabe der Erfindung ist es, Einrichtungen zur Realisierung des oben beschriebenen Baureihenkonzepts bereitzustellen, sowie ein Verfahren, um unter Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtungen ein Brennstoffzellensys- tem zu fertigen.

Diese Aufgabe wird durch das Basismodul gemäß Anspruch 1, die Brennstoffzel- leneinrichtung gemäß Anspruch 5, die Wärmetauschereinrichtung gemäß Anspruch 6, den Brennstofftank gemäß Anspruch 8, sowie das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrie- ben.

Das in Anspruch 1 definierte Basismodul für ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Anschlusseinrichtung für eine Brennstoffzelleneinrichtung, eine Anschlussein-

richtung für eine Wärmetauschereinrichtung und eine Anschlusseinrichtung für eine Brennstoffzufuhreinrichtung.

Das Basismodul ist gewissermaßen das zentrale Verbindungsglied zwischen einer "Brennstoffquelle", wie z. B. einer Brennstoffleitung oder einem Brennstofftank, ei- ner Brennstoffzelleneinrichtung als Brennstoffverbraucher, und einer Wärmetau- schereinrichtung zur Regelung des Wärmehaushalts der Brennstoffzelleneinrich- tung (beispielsweise zur Kühlung der Brennstoffzelleneinrichtung und/oder zur Rückgewinnung von Fluidkomponenten aus dem Abstrom der Brennstoffzellenein- richtung). Im Unterschied zu diesen ankoppelbaren Einrichtungen ist das Basismo- dul selbst leistungs-und verbrauchsinvariant. Das Basismodul kann unter anderem Fluidfördereinrichtungen (Pumpen, Filter, Dosiereinrichtungen), Entsorgungsein- richtungen für Abfallstoffe, Steuereinrichtungen für das Brennstoffzellensystem, elektrische Anschlüsse für über das Brennstoffzellensystem zu versorgende Ein- richtungen und weitere, zur Systemperipherie zählende Einrichtungen aufweisen.

Die Anschlusseinrichtung des Basismoduls für die Brennstoffzelleneinrichtung kann unter anderem auch Einrichtungen umfassen, die neben der Fluidverbindung auch eine feste mechanische Verbindung zwischen dem Basismodul und einer anzu- schließenden Brennstoffzelleneinrichtung ermöglichen.

Die Anschlusseinrichtung für eine Brennstoffzufuhreinrichtung kann ein Anschluss, z. B. eine Steckkupplung, für eine Brennstoffversorgungsleitung sein, aber auch ein Anschluss für einen Brennstofftank. Dieser Anschluss kann innerhalb des Basis- moduls, aber auch an einer Außenseite des Basismoduls vorgesehen sein. In letz- terem Fall ist es leichter möglich, Brennstofftanks mit unterschiedlichen Fassungs- vermögen und unterschiedlichen äußeren Ausmaßen am Basismodul anzukoppeln.

Die Verbindung zwischen Basismodul und Brennstofftank kann derart ausgebildet sein, dass Basismodul und Brennstofftank eine vom Hersteller bereitgestellte Ein- heit bilden, wobei der Brennstofftank im eingebauten oder angekoppelten Zustand wiederauffüllbar ist. Die Anschlusseinrichtung kann aber auch einen Steckplatz für eine Brennstoffpatrone (oder für mehrere Brennstoffpatronen) umfassen, welcher mit wenigen Handgriffen das einfache Austauschen entleerter Brennstoffpatronen durch volle Brennstoffpatronen ermöglicht.

In besonders bevorzugten Weiterbildungen des Basismoduls sind die drei An- schlussseinrichtungen an einer Seite des Basismoduls vorgesehen bzw. zwei An- schlussseinrichtungen an einer Seite des Basismoduls vorgesehen und die dritte Anschlusseinrichtung an der gegenüberliegenden Seite des Basismoduls vorgese- hen.

Dadurch wird eine Brennstoffzellen-Systemarchitektur bereitgestellt, die eine vor- teilhafte räumliche Anordnung der einzelnen Komponenten ermöglicht, so dass geometrisch bedingte Konflikte zwischen den einzelnen Systemkomponenten ver- mieden und etwaige räumliche Konflikte zwischen dem Brennstoffzellensystem und der Umgebung von vornherein auf bestimmte Raumrichtungen eingeschränkt wer- den.

Vorzugsweise sind die Anschlusseinrichtung für die Brennstoffzelleneinrichtung und die Anschlusseinrichtung für die Wärmetauschereinrichtung an der selben Sei- te des Basismoduls vorgesehen, da die Brennstoffzelleneinrichtung und Wärme- tauschereinrichtung auf vergleichbare Art und Weise mit der Leistungskapazität des Brennstoffzellensystems skalieren. Eine Änderung der Skalierung erfolgt zweckmäßigerweise nur entlang einer Raumrichtung, d. h. durch ein Verlän- gern/Verkürzen von Brennstoffzelleneinrichtung und Wärmetauschereinrichtung, bei jeweils gleichbleibendem Querschnitt. Mit dieser Anordnung kann erreicht wer- den, dass zu jeder Brennstoffzelleneinrichtung eine entsprechend ausgelegte Wärmetauschereinrichtung bereitgestellt werden kann, die in dieser Raumrichtung (Längsrichtung) gleiche Abmessungen aufweisen.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung umfasst eine Anschlusseinrich- tung zum Anschließen der Brennstoffzelleneinrichtung an der dafür am Basismodul vorgesehenen Anschlusseinrichtung. Die Anschlusseinrichtung der Brennstoffzel- leneinrichtung ist komplementär zu der Anschlusseinrichtung für die Brennstoffzel- leneinrichtung am Basismodul ausgebildet. Diese zueinander komplementären An- schlusseinrichtungen bleiben identisch für unterschiedlich skalierte Brennstoffzel- leneinrichtungen, so dass ein und dasselbe Basismodul zum Aufbau unterschied- lich dimensionierter Brennstoffzellensysteme verwendbar ist.

Ähnlich wie die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung umfasst die erfin- dungsgemäße Wärmetauschereinrichtung eine Anschlusseinrichtung zum An- schließen der Wärmetauschereinrichtung an der dafür am Basismodul vorgesehe- nen Anschlusseinrichtung, komplementär zu der Anschlusseinrichtung für die Wärmetauschereinrichtung am Basismodul ausgebildet ist.

Wie oben bereits angesprochen, ist die Wärmetauschereinrichtung vorteilhafter- weise in Abhängigkeit von einer Leistungsklasse der zugehörigen Brennstoffzellen- einrichtung derart dimensioniert, dass die Brennstoffzelleneinrichtung und die Wärmetauschereinrichtung in wenigstens einer räumlichen Dimension, z. B. in einer Längsrichtung, gleiche Abmessungen aufweisen.

Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung einen Brennstofftank bereit, der zur Ver- wendung mit dem erfindungsgemäßen Basismodul eingerichtet ist, und der zu die- sem Zwecke eine Anschlusseinrichtung zum Anschließen des Brennstofftanks an der am Basismodul vorgesehenen Anschlusseinrichtung für eine Brennstoffzufuhr- einrichtung aufweist, wobei die Ankopplungseinrichtung des Brennstofftanks kom- plementär zu der des Basismoduls ausgebildet ist.

Die oben angegebene Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellensystems gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst : An- koppeln einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung und einer erfin- dungsgemäßen Wärmetauschereinrichtung an den hierfür am erfindungsgemäßen Basismodul vorgesehenen Anschlusseinrichtungen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren den weiteren Schritt : Ankoppeln eines erfindungsgemäßen Brennstofftanks an der an dem Basismodul vorgesehenen Anschlusseinrichtung für eine Brennstoffzufuhreinrichtung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1A : ein erstes nach dem Baureihenkonzept der vorliegenden Erfindung aufge- bautes Brennstoffzellensystem ; Fig. 1 B : das in Fig. 1A verwendete erfindungsgemäße Basismodul ; Fig. 2 : ein zweites Brennstoffzellensystem nach dem Baureihenkonzept der vor- liegenden Erfindung ; Fig. 3 : ein drittes Brennstoffzellensystem nach dem Baureihenkonzept der vorlie- genden Erfindung ; Fig. 4 : weitere Brennstoffzellensysteme nach dem Baureihenkonzept der vorliegenden Erfindung.

Figur 1 zeigt ein erstes bevorzugtes Beispiel der Anwendung des erfindungsgemä- ßen Baureihenkonzepts der vorliegenden Erfindung. Das in Figur 1A gezeigte Brennstoffzellensystem 1 besteht aus drei Systemkomponenten, nämlich einem zentral vorgesehenen Basismodul 10 und an diesem seitlich angeschlossenen Brennstoffzellen-20 und Wärmetauschereinrichtungen 30. Zur besseren Veran- schaulichung ist das Basismodul 10 in Figur 1 B nochmals separat dargestellt.

Das Basismodul 10 weist eine Anschlusseinrichtung 12 für die Brennstoffzellenein- richtung 20, eine Anschlusseinrichtung 13 für die Wärmetauschereinrichtung 30, und eine Anschlusseinrichtung 15 für eine Brennstoffpatrone 150 auf. Die An- schlusseinrichtungen 12 und 13 sind so vorgesehen, dass keine konstruktionsbe- dingten Konflikte auftreten, wenn eine der beiden Einrichtungen 20,30 oder beide Einrichtungen 20,30 ausgetauscht und durch entsprechende größer oder kleiner dimensionierte Einrichtungen ersetzt werden sollen. Innerhalb des Basismoduls 10 ist eine Anschlusseinrichtung 15 für eine Brennstoffversorgungseinrichtung vorge- sehen ; im vorliegenden Fall ist dies ein Steckplatz für eine Brennstoffpatrone 150.

Die Darstellung ist streng schematisch zu verstehen. So sind keine Fluidförderein- richtungen, elektronische Einrichtungen etc. eingezeichnet. Was die Fluidführung anbelangt, so ist der Einfachheit nur der Brennstoffkreislauf (Anodenkreislauf) dar-

gestellt. Die Brennstoffversorgung erfolgt über die Brennstoffpatrone 150. Der Brennstoff wird im Basismodul 10 mit einem anderen Fluid zu einem Brennstoffge- misch versetzt ; dieses Brennstoffgemisch wird anodenseitig der Brennstoffzellen- einrichtung 20 zugeführt. Danach wird es in der Wärmetauschereinrichtung 30 ge- kühlt und rezykliert.

Die Figuren 2 und 3 zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen von Brennstoff- zellensystemen 1, die nach dem Baureihenkonzept der vorliegenden Erfindung konzipiert sind.

Bei diesen Darstellungen ist der Grad der Abstraktion gegenüber Figur 1 weiter erhöht (so sind unter anderem keine Fluidweg mehr eingezeichnet). Im Unter- schied zur Figur 1 sind bei den Ausführungsformen von Figur 2 und 3 die An- schlusseinrichtungen 15 des Basismoduls 10 so vorgesehen, dass ein Brennstoff- tank 50 außen an dem Basismodul angeschlossen werden kann.

Beim Basismodul 10 von Figur 2 sind an der Seite, die der Anschlusseinrichtung 15 für den Brennstofftank 50 gegenüberliegt, zwei Anschlusseinrichtungen 12 und 13 für eine Brennstoffzelleneinrichtung 20 und eine Wärmetauschereinrichtung 30 vorgesehen. In dieser bevorzugten Ausführungsform-wie auch bei denen von Fi- gur 3 und Figur 4-werden die Brennstoffzelleneinrichtung 20 und die Wärmetau- schereinrichtung 30 an derselben Seite des Basismoduls 10 angebracht. Zu jeder Brennstoffzelleneinrichtung 20 einer bestimmten Leistungsklasse gehört eine ent- sprechend leistungsfähige Wärmetauschereinrichtung 30, wobei sich die Größe der Einrichtungen 20 und 30 beim Wechsel der Leistungsklasse nur entlang einer Raumrichtung ändert, und zwar vorzugsweise im gleichen Ausmaß.

Das Basismodul 10 von Figur 3 unterscheidet sich dadurch von dem in Figur 2 ge- zeigten, dass hier alle drei Anschlusseinrichtungen 12,13, 15 an einer Seite des Basismoduls 10 vorgesehen sind. Die gezeigte Abfolge, Brennstofftank 50 zwi- schen Brennstoffzelleneinrichtung 20 und Wärmetauschereinrichtung 30 ist nur beispielhaft zu verstehen. Bei der gezeigten Anordnung können mit leistungsfähi- geren Brennstoffzelleneinrichtungen 20 und entsprechend leistungsfähigeren Wärmetauschereinrichtungen 30 auch Brennstofftanks 50 mit höherem Fassungs-

volumen verwendet werden, so dass trotz des erhöhten Verbrauchs keine Verkür- zung der Betriebsdauer oder häufigeres Wiederbefüllen des Tanks 50 in Kauf ge- nommen werden müssen.

Figur 4 zeigt zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Baureihenkonzepts eine weitere Ausführungsform eines Basismoduls 10, das in ein und derselben Ausführung als Kernstück von unterschiedlich dimensionierten Brennstoffzellensys- temen 1 A, 1 B, 1 C verwendbar ist. Die Anordnung der Anschlusseinrichtungen 12 und 13 ist bei diesem Basismodul 10 ähnlich wie bei dem in Figur 2 gezeigten. Im Unterschied dazu ist hier aber wie bei Figur 1 eine Brennstoffpatrone 150 im Ba- sismodul 10 vorgesehen. Die entsprechende Anschlusseinrichtung ist der besseren Anschaulichkeit zuliebe nicht dargestellt.

Da Stackgröße und Wärmetauschervolumen in gleicher Weise (linear) mit der Aus- gangsleistung skalieren, kann ein Basismodul, das die Systemperipherie und die Elektronik beinhaltet, über einen weiten Leistungsbereich verwendet werden. Nur die leistungsabhängigen Einrichtungen, Brennstoffzelleneinrichtung ("Stack") und Wärmetauschereinrichtung ("Wärmetauscher"), und gegebenenfalls ein Brennstoff- tank,"wachsen"oder"schrumpfen"entlang der gleichen Richtung.

Stack und Wärmetauscher werden erfindungsgemäß derart angeordnet, dass sie bei Variation der Ausgangsleistung bei minimalem konstruktivem Aufwand, d. h. unabhängig von den sonstigen Komponenten, entlang derselben räumlichen Rich- tung"wachsen"bzw."schrumpfen"können.

Ferner ist das Konzept auch bei variierenden Einsatzbedingungen des Produkts anwendbar. So müssen die Wärmetauscher-und andere Kühleinrichtungen wie Lüfter um so größer dimensioniert werden, je höher die gewünschte max. Außen- temperatur ist. Der Wärmetauscher und der/die Lüfter müssen daher so angeord- net werden, dass sie unabhängig vom restlichen System"wachsen"bzw.

"schrumpfen"können.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Baureihenkonzepts betreffen verschiedenste Herstellungs-und Betriebsstadien, z. B. :

Konstruktion : geringerer Entwicklungsaufwand Produktion : erhöhte Anzahl Gleichteile und gleicher Montageschritte, verringerte Werkzeugkosten und sonstige Investitionen Einkauf : verringerte Einkaufspreise durch Stückzahleffekte Kundendienst : wie Einkauf ; verringerte Lagerhaltungskosten.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind als beispielhaft, keinesfalls aber als die vorliegende Erfindung einschränkend zu verstehen. Der Schutzbereich der Erfindung wird allein durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert.