DE10006344A1 - Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage, insbesondere Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage, insbesondere Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage (2), insbesondere ein Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage, welche mit Druckluft versorgte Brennstoffzellen (4) aufweist, beinhaltend weitere Druckluftverbraucher (20, 34, 46) wie Druckluftbremsanlage, Fahrzeugheizung oder dergleichen. Die Erfindung sieht vor, daß sämtliche Druckluftverbraucher (4, 20, 34, 46) mit Druckluft einer gemeinsamen, mindestens einen zentralen Luftverdichter (6) aufweisenden Druckluftversorgungseinrichtung (1) versorgbar sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage, insbe­ sondere von einem Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage, gemäß der Gattung von Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge mit einer z. B. in der DE 197 55 116 C1 beschriebenen Brennstoffzellenanlage bekannt, welche Brenn­ stoffzellen und einen Kompressor zur Komprimierung der den Brennstoffzellen zu­ geführten Prozessluft zur Stromerzeugung umfasst. Zudem fördern kleine Pumpen Druckluft zum Anpressen der Brennstoffzellen. Darüber hinaus sind in mit solchen Brennstoffzellenanlagen ausgerüsteten Kraftfahrzeugen wie beispielsweise in Rei­ sebussen oder Omnibussen noch weitere Druckluftverbraucher wie z. B. eine Druckluftbremsanlage, eine Druckluftfederung sowie eine druckluftbetätigte Türschließ- und Türöffnungseinrichtung vorhanden. Für die Kühlung von Antriebs­ komponenten (Brennstoffzellen, Elektroantrieb, Leitungselektronik) werden außer­ dem große Luftmengen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit bei niedrigem Druck benötigt.
Unbefriedigend bei diesem Stand der Technik ist jedoch, dass für die Versorgung der Brennstoffzellenanlage sowie der weiteren Teilsysteme mit Druckluft jeweils eine eigene Druckluftversorgungseinrichtung und somit eine relativ große Anzahl von diesbezüglichen Bauteilen und Baugruppen vorhanden ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Kraft­ fahrzeug der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welchem die Druckluftversor­ gung der Teilsysteme auf einfachere und kostengünstigere Weise erfolgt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug hat den Vorteil, daß durch eine gemeinsame, sämtliche Druckluftverbraucher mit Druckluft versorgende Druckluftversorgungsein­ richtung die Anzahl der Komponenten und damit einhergehend der Platzbedarf, das Gewicht und die Herstellkosten erheblich verringert werden. Die für alle Teilsysteme benötigte Druckluft-Gesamtmenge wird hierbei von einem zentralen Luftverdichter vorverdichtet.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Wei­ terbildungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Kraftfahr­ zeugs möglich.
Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Maßnahme beinhaltet die gemeinsame Druckluftversorgungseinrichtung eine vom zentralen Luftverdichter wegführende, zentrale Druckluftleitung, von welcher mindestens eine den Brennstoffzellen zuge­ ordnete Druckluftleitung sowie den weiteren Druckluftverbrauchern zugeordnete Druckluftleitungen abzweigen, sowie in mindestens einigen dieser Druckluftleitungen Ventile, in Abhängigkeit deren Schaltzustandes von der vom zentralen Luftverdichter erzeugten Druckluft-Gesamtmenge dem betreffenden Druckluftverbraucher individu­ ell eine bestimmte Druckluft-Teilmenge zuführbar ist.
Zur Bevorratung von komprimierter Druckluft weist die Druckluftversorgungseinrich­ tung mindestens einen Druckluftspeicher auf, vorzugsweise einen zentralen, von der zentralen Druckluftleitung mit Druckluft versorgten Druckluftspeicher sowie weitere diesem nachgeordnete Druckluftspeicher.
Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Weiterbildung umfasst die Druckluftver­ sorgungseinrichtung außerdem eine Steuer- und Regeleinrichtung, durch welche als Stellglieder die Ventile und/oder die Luftverdichter und/oder die Druckluftspeicher in Abhängigkeit der von den Druckluftverbrauchern benötigten Druckluft-Teilmengen und/oder des dort benötigten Druckniveaus ansteuerbar sind.
Zeichnungen
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer Druckluftversorgungseinrich­ tung eines Nutzfahrzeuges gemäß der Erfindung in bevorzugter Ausfüh­ rungsform;
Fig. 2 eine ebenfalls stark schematisierte Darstellung einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Druckluftversorgungseinrichtung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnete Druckluftversorgungseinrichtung dient in bevorzugter Ausführungsform zur Druckluftversorgung sämtlicher Druckluftverbrau­ cher eines Kraftfahrzeuges, vorzugsweise eines Nutzfahrzeuges (z. B. Omnibus), welches mit einer Brennstoffzellenanlage 2 ausgerüstet ist. Solche Brennstoffzellen­ anlagen 2 benötigen bekanntermaßen Sauerstoff aus der Umgebungsluft zur Stro­ merzeugung, gereinigte Druckluft zum Anpressen ihrer Brennstoffzellen 4 sowie Kühlluft zum Kühlen der Brennstoffzellen 4, des Elektroantriebs bzw. der Leistungs­ elektronik.
Zu diesem und weiteren Zwecken umfasst die Druckluftversorgungseinrichtung 1 einen zentralen, durch einen Motor M angetriebenen Luftverdichter 6, welcher in ei­ ner zentralen Druckluftleitung 8 aufgenommen ist, um von der Atmosphäre durch einen bedarfsweise vorgeschalteten Luftfilter 10 gereinigte Luft anzusaugen und zu komprimieren. Die angesaugte und komprimierte Druckluft ist in einem dem zentra­ len Luftverdichter 6 nachgeordneten zentralen Druckluftspeicher 12 speicherbar.
An einer bezogen auf den zentralen Druckluftspeicher 12 stromabwärts angeordne­ ten Verzweigungsstelle 14 zweigt von der zentralen Druckluftleitung 8 eine in Fig. 1 linke Druckluftleitung 16 ab, welche die für den Betrieb der Brennstoffzellen 4 der Brennstoffzellenanlage 2 notwendige Druckluft liefert, sowie eine in Fig. 1 rechte Druckluftleitung 18, die weiteren Druckluftverbrauchern 20 des Kraftfahrzeuges (z. B. Omnibus) zugeordnet ist, bei welchen es sich beispielsweise um eine Druckluft­ bremsanlage, eine Druckluftfederung, eine druckluftbetätigte Türschließ- und Türöff­ nungseinrichtung, eine Kneeling-Einrichtung zur einseitigen Absenkung beispiels­ weise des Omnibusses als Einstiegserleichterung an Haltestellen oder Ähnliches handelt. Die in die rechte Druckluftleitung 18 eingespeiste Druckluft wird den einzel­ nen Verbrauchern 20 über eine Verteilerschiene 22 zugeführt. Der rechten Druck­ luftleitung 18 ist außerdem ein eigener, bezüglich der Verteilerschiene 22 stromauf­ wärts angeordneter Luftverdichter 24 zugeordnet sowie ein eigener Druckluftspei­ cher 26 und Bedarfsweise ein Luftfilter 28. Ein stromabwärts der Verzweigungsstel­ le 14 geführter, in Fig. 1 rechter Teil 30 einer mittleren Druckluftleitung 32 mündet in eine Frischluft- und Heizungseinrichtung 34 des Omnibusses, wo die vorverdichtete Druckluft zur Frischluftversorgung des Fahrgastraumes bzw. zum Heizen oder Küh­ len verwendet wird.
Zur Verteilung der in die zentrale Druckluftleitung 8 eingesaugte Gesamt- Druckluftmenge in von den jeweiligen Druckluftverbrauchern 4, 20, 34 benötigte Druckluft-Teilmengen sind in mindestens einigen der Druckluftleitungen Ventile vor­ handen, welche entweder als Mehrwegeventile oder als Drosselventile ausgebildet sein können, die eine Drosselung des sie passierenden Druckluftstromes erlauben.
So ist z. B. in Abhängigkeit der Drosselstellung eines in der rechten Druckluftlei­ tung 18 eingangsseitig angeordneten Drosselventils 36 der Verteilerschiene 22 indi­ viduell eine bestimmte Druckluft-Teilmenge zuführbar.
Die durch einen weiteren Luftfilter 28 hindurch der linken Druckluftleitung 16 zuge­ führte Druckluft dient zum einen als Sauerstofflieferant für die Brennstoffzellen 4 und zum anderen als Kühlluft für die Elektroantriebskomponenten und die Brennstoffzel­ len 4. Zu letzterem Zweck ist den Brennstoffzellen 4 ein Wasserkühlnetz 38 zuge­ ordnet, welchem mittels eines Wärmetauschers durch die vorbeiströmende Kühlluft Wärme entziehbar ist. Die hierdurch aufgeheizte Druckluft kann dann in den rechten Teil 30 der mittleren Druckluftleitung 32 eingespeist und zum Heizen des Fahr­ gastraumes genutzt werden. Die den Brennstoffzellen 4 direkt zugeführte Druckluft- Teilmenge zum Kühlen oder zur Sauerstoffversorgung ist durch eine entsprechende Drosselstellung eines in der linken Druckluftleitung 16 eingangsseitig angeordneten Drosselventils 40 einstellbar. Überschüssige Druckluft ist durch ein weiteres Drossel­ ventil 42 hindurch einem linken Teil 44 der mittleren Druckluftleitung 32 zuführbar, welche in ein Wasserkühlsystem 46 des Fahrzeugmotors mündet.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei identische und analoge Bauteile und Baugruppen mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind wie in Fig. 1. Gemäß dieser Ausführungsform beinhaltet die Druckluftversor­ gungseinrichtung 1 eine Steuer- und Regeleinrichtung 48, durch welche als Stellglie­ der die Ventile 36, 40, 42, die Luftverdichter 6, 24 und die Druckluftspeicher 12, 26 in Abhängigkeit der von den Druckluftverbrauchern 4, 20, 34, 46 benötigten Druckluft- Teilmengen und/oder des dort benötigten Druckniveaus der Druckluft mittels in Fig. 2 strichpunktiert dargestellter Steuerleitungen 50 ansteuerbar sind. Die Messung die­ ser Regelgrößen erfolgt durch in Fig. 2 nicht dargestellte, den Druckluftverbrauchern zugeordnete Sensoren. Eine Zuordnung gemessener Regelgrößen zu gewünschten Reaktionen der Stellglieder kann durch Kennfelder oder Algorithmen erfolgen, wel­ che beispielsweise in einem Kennfeldspeicher der Steuer- und Regeleinrichtung 48 abgelegt sind.
Neben der Verzweigungsstelle 14 der zentralen Druckluftleitung 8 können innerhalb der Druckluftversorgungseinrichtung 1 weitere Verzweigungen zur parallelen Druck­ luftversorgung mehrerer Druckluftverbraucher und/oder eine Hintereinanderschal­ tung von mehreren Druckluftverbrauchern in einer einzigen Druckluftleitung zur se­ riellen Druckluftversorgung vorgesehen sein. Beispielsweise kann die in einer Aus­ gangsleitung 52 der Brennstoffzellen 4 anstehende Abluft, welche diesen mit niedri­ gem Druck und hoher Strömungsgeschwindigkeit entweicht, zur Kühlung oder Hei­ zung von in Strömungsrichtung gesehen stromabwärts angeordneten Fahrzeugkom­ ponenten genutzt werden.

Claims (9)

1. Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage (2), insbesondere Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage, welche mit Druckluft versorgte Brennstoffzellen (4) aufweist, beinhaltend weitere Druckluftverbraucher (20, 34, 46) wie Druckluft­ bremsanlage, Fahrzeugheizung oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Druckluftverbraucher (4, 20, 34, 46) mit Druckluft einer gemein­ samen, mindestens einen zentralen Luftverdichter (6) aufweisenden Druckluft­ versorgungseinrichtung (1) versorgbar sind.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft­ versorgungseinrichtung (1) eine vom zentralen Luftverdichter (6) wegführende, zentrale Druckluftleitung (8) beinhaltet, von welcher mindestens eine den Brennstoffzellen (4) zugeordnete Druckluftleitung (16) sowie den weiteren Druckluftverbrauchern (20, 34, 46) zugeordnete Druckluftleitungen (18, 32) ab­ zweigen.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Ver­ zweigungen von Druckluftleitungen zur parallelen Druckluftversorgung von mehreren Druckluftverbrauchern und/oder eine Hintereinanderschaltung von mehreren Druckluftverbrauchern in einer einzigen Druckluftleitung zur seriellen Druckluftversorgung vorgesehen sind.
4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft­ versorgungseinrichtung (1) Ventile (36, 40, 42) in mindestens einigen der Druckluftleitungen (16, 18) beinhaltet, wobei in Abhängigkeit des Schaltzu­ stands der Ventile (36, 40, 42) von der vom zentralen Luftverdichter (6) er­ zeugten Druckluft-Gesamtmenge dem betreffenden Druckluftverbraucher (4, 20, 34, 46) individuell eine bestimmte Druckluft-Teilmenge zuführbar ist.
5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft­ versorgungseinrichtung (1) mindestens einen Druckluftspeicher (12, 26) zur Bevorratung von Druckluft aufweist, unter anderem einen zentralen, von der zentralen Druckluftleitung (8) mit Druckluft versorgten Druckluftspeicher (12), welcher dem zentralen Luftverdichter (6) und wenigstens einem der Druckluft­ verbraucher (4, 20, 34, 46) zwischengeordnet ist.
6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft­ versorgungseinrichtung (1) mindestens einen weiteren, einem oder mehreren Druckluftverbrauchern (20) zu- und dem zentralen Luftverdichter (6) nachge­ ordneten Luftverdichter (24) umfaßt.
7. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftversorgungseinrichtung (1) eine Steuer- und Regeleinrich­ tung (48) beinhaltet, durch welche als Stellglieder die Ventile (36, 40, 42) und/oder die Luftverdichter (6, 24) und/oder die Druckluftspeicher (12, 26) in Abhängigkeit der von den Druckluftverbrauchern (4, 20, 34, 46) benötigten Druckluft-Teilmengen und/oder des dort benötigten Druckniveaus ansteuerbar sind.
8. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass es ein Omni­ bus ist, wobei die weiteren Druckluftverbraucher einen oder mehrere der fol­ genden Druckluftverbraucher umfassen: eine Druckluftbremsanlage (20), eine druckluftbetätigte Türschließ- und Türöffnungseinrichtung (20), eine Frischluft- und Heizungseinrichtung (34) zur Heizung und Versorgung eines Fahrgastrau­ mes mit Frischluft, ein Wasserkühlsystem (46) zur Kühlung von Antriebskom­ ponenten, beispielsweise eines Fahrzeugmotors, eine Kneeling-Einrich­ tung (20) zur einseitigen Absenkung des Omnibusses als Einstiegserleichte­ rung an Haltestellen oder Ähnlichem.
9. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftversorgungseinrichtung (1) einen zentralen, bezüglich dem Luftverdichter (6) stromaufwärts angeordneten Luftfilter (10) umfasst, sowie wahlweise weitere, in den Druckluftleitungen (16, 18) angeordnete Luftfil­ ter (28).
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