DE10013660A1 - Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Das Fahrzeug weist eine Brennstoffzelle (11) auf, welche einem Luftversorgungsmittel (12) wirkverbunden ist. Hierbei ist vorgesehen, dass das Luftversorgungsmittel (12) einen Luftspeicher (13) aufweist. Das Luftversorgungsmittel (12) ist mit einem zum Luftspeicher (13) vorzugsweise parallel geschalteten Luftkompressor (14) versehen. Eine den Luftspeicher (13) mit dem Luftkompressor (14) und mit der Brennstoffzelle (11) wirkverbindende Verbindungsleitung (16) weist ein mittels einer Steuereinheit (18) schaltbares Regelventil (17) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, die mit einem Luftstoffver­ sorgungsmittel wirkverbunden ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Fahrzeuge der hier angesprochenen Art sind bekannt. Dabei ist einer der Betriebsstoffe, mittels welchen die Brennstoffzelle zu versorgen ist, Luft. Zur Luftversorgung von Brenn­ stoffzellen werden Luftkompressoren eingesetzt, mittels welchen das erwünschte Luft­ druckniveau erzeugt und der erforderliche Luftmassenstrom geliefert wird. Das jeweils einzustellende Luftdruckniveau und der variable Luftmassenstrom hängt von betriebs­ spezifischen Lastanforderungen der Brennstoffzelle ab. Zum Betreiben derartiger Luft­ kompressoren ist eine Leistungsaufnahme notwendig, welche ca. bis zu 25% der Netto­ leistung der Brennstoffzelle beträgt. Dabei ist als Antrieb ein mit dem Luftkompressor wirkverbundener Elektromotor und unter Umständen eine mechanisch an den Luftkom­ pressor gekoppelte Expansionsmaschine vorgesehen. Da während eines realen Fahrzy­ klus' hochdynamische Leistungsspitzen auftreten, ergeben sich entsprechend schnelle und hohe Lastanforderungen an den Luftkompressor zur Luftversorgung der Brennstoff­ zelle. Dabei sind bei bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig kurzfristig das maximale Druckverhältnis und der maximale Luftmassenstrom mittels des Luftkompressors zu er­ bringen, so dass sich der Leistungsbedarf des Luftkompressors in entsprechender Weise erhöht. Dies führt zu einer nachteilhaften Minderung der Nettoleistung des Gesamtsy­ stems Brennstoffzelle/Luftkompressor. Eine derartige, durch eine besonders hohe Lei­ stungsaufnahme des Luftkompressors gekennzeichnete Betriebssituation liegt bei­ spielsweise bei einem sogenannten "Start-up" der Brennstoffzelle beziehungsweise des Gesamtsystems Brennstoffzelle/Luftkompressor vor. Die bekannten Brennstoffversor­ gungsmittel für ein mit einer Brennstoffzelle versehenes Fahrzeug sind somit nachteilhaft, da sie entweder nicht das benötigte Luftdruckniveau aufbauen, beziehungsweise den erforderlichen Luftmassenstrom liefern, oder eine verhältnismäßig hohe Leistungsauf­ nahme erfordern.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, dessen Brennstoffzelle in betriebsgünstiger und zuverlässiger Weise mit Luft ver­ sorgbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorge­ schlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass das Luftversorgungsmittel einen Luftspei­ cher aufweist. Ein mit einem Luftspeicher versehenes Luftversorgungsmittel ist beson­ ders zur Realisierung einer zuverlässigen und betriebsgünstigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs geeignet. Dabei dient der Luftspeicher insbesondere zur Luftversorgung der Brennstoffzelle bei auftretenden Betriebslastspitzen, während denen das Luftversorgungsmittel ein maximales Druckniveau und einen maximalen Massen­ strom der Luft in die Brennstoffzelle gewährleisten muss. Da ein Luftversorgungsmittel ohne Luftspeicher nachteilhafterweise eine entsprechend hohe und betriebsungünstige Leistungsaufnahme benötigt, um die hohen Versorgungsanforderungen während der ins­ besondere hochdynamisch auftretenden Leistungsspitzen erfüllen zu können, ist die Be­ reitsstellung eines zusätzlichen Luftspeichers vorteilhaft, da sie ein Betreiben des Luft­ versorgungsmittels unter in Bezug auf die Leistungsaufnahme betriebsgünstigen Para­ metern erlaubt. Aufgrund der zusätzlichen Bereitstellung eines Luftspeichers wird somit eine flexible, zuverlässige und schnelle Luftversorgung der Brennstoffzelle gewährleistet.

Mit Vorteil weist das Luftversorgungsmittel einen zum Luftspeicher parallel geschalteten Luftkompressor auf. Das Luftversorgungsmittel weist somit zwei voneinander unabhän­ gige, parallel geschaltete Versorgungseinheiten für die Luftbeaufschlagung der Brenn­ stoffzelle auf. Hierdurch wird eine zuverlässige, schnelle und flexible Luftzufuhr in die Brennstoffzelle ermöglicht.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist das Luftversorgungsmittel einen strom­ aufwärts zum Luftspeicher in Reihe angeordneten und mit diesem in Wirkverbindung ste­ henden Luftkompressor auf. Auch ein derart ausgebildetes Luftversorgungsmittel ge­ währleistet eine schnelle und zuverlässige Luftversorgung für die Brennstoffzelle auch bei innerhalb eines realen Fahrzyklus' auftretenden hochdynamischen Leistungsspitzen.

Vorteilhafterweise weist eine den Luftkompressor mit dem Luftspeicher wirkverbindende Verbindungsleitung ein mittels einer Steuereinheit schaltbares Regelventil auf. Durch das mittels einer Steuereinheit schaltbare Regelventil ist es möglich, insbesondere während eines Schwachlastbetriebs der Brennstoffzelle den Luftspeicher durch weiteres Betreiben des Luftkompressors unter Volllast mit unter Druck stehender Luft zu beaufschlagen. Bei Auftreten einer Lastspitze während des Fahrzyklus' kann durch entsprechende Betäti­ gung des Regelventils nahezu verzögerungsfrei die im Luftspeicher unter Druck gespei­ cherte Luft zur zusätzlichen Beaufschlagung der Brennstoffzelle freigesetzt werden, so dass der Luftkompressor nicht die gesamte erforderliche Luftmenge liefern muss, son­ dern vorteilhafterweise zusammen mit dem Luftspeicher die Brennstoffzelle mit unter Druck stehender Luft beaufschlägt. In dieser Weise wird eine zuverlässige Luftbeauf­ schlagung der Brennstoffzelle gewährleistet, wobei zusätzlich vermieden werden kann, dass während eines Schwachlastbetriebs der Brennstoffzelle der Luftkompressor bei ei­ ner entsprechend reduzierten Luftversorgung unter relativ ungünstigen Teillastwirkungs­ graden arbeitet. Der Luftkompressor kann somit stets wirkungsgradgünstig betrieben werden, indem durch ihn lastabhängig die Brennstoffzelle und/oder der Luftspeicher mit unter Druck stehender Luft beaufschlagbar sind. Diese Flexibilität in Bezug auf die Be­ aufschlagung der Brennstoffzelle mit unter Druck stehender Luft durch den Luftkompres­ sor und/oder den Luftspeicher ermöglicht einen betriebs- beziehungsweise wirkungs­ gradgünstigen Start-Up-Betrieb der Brennstoffzelle und des Luftversorgungsmittels. Es ergibt sich somit eine höhere Regeldynamik des Gesamtsystems Brennstoffzel­ le/Luftversorgungsmittel und gleichzeitig die Möglichkeit, den Luftkompressor verhältnis­ mäßig klein zu dimensionieren. Dabei zeichnet sich ein relativ klein dimensionierter Luft­ kompressor durch ein bessertes Teillastverhalten (Wirkungsgrad) aus und gewährleistet somit eine vergrößerte Regelspanne zum betriebsgünstigen Beaufschlagen der Brenn­ stoffzelle mit unter Druck stehender Luft.

Mit Vorteil ist die Steuereinheit mit dem Luftkompressor und dem Luftspeicher wirkver­ bunden. Die Wirkverbindung der Steuereinheit mit dem Luftspeicher dient insbesondere zur Ermittlung des jeweils vorliegenden Speicherdrucks und/oder der im Luftspeicher enthaltenen Speichermenge an Luft. Die Wirkverbindung zwischen der Steuereinheit und dem Luftkompressor dient zur Ermittlung von jeweils vorliegenden Betriebsparametern des Luftkompressors sowie zur lastabhängigen Betriebssteuerung desselben.

Vorzugsweise ist der Luftspeicher in einem oder mehreren Fahrzeugkarosserie­ hohlräumen angeordnet. Hierdurch wird eine optimale Raumausnutzung einer bereits entwickelten beziehungsweise noch zu konzipierenden Fahrzeugkarosserie gewährleis­ tet. Dabei kann die Zwischenspeicherung der Luft in Luftspeichern in Form einer "Dead- End"-Anordnung (Kopfanordnung) und/oder in einer integrierten Durchflussanordnung erfolgen. Bei der integrierten Durchflussanordnung ist der Luftspeicher durchströmter Bestandteil einer Zuführleitung zwischen Luftkompressor und Brennstoffzelle, während bei einer Kopfanordnung keine derartige, im wesentlichen kontinuierliche Durchströmung des Luftspeichers mit unter Druck stehender Luft erfolgt.

Vorzugsweise ist der Luftspeicher mittels einer Kunststoffauskleidung abgedichtet. Eine Kunststoffauskleidung ist besonders geeignet, auch gegebenenfalls geometrisch kompli­ ziert ausgebildete Karosseriehohlräume zur Zwischenspeicherung von unter Druck ste­ hender Luft zu nutzen. Dabei sind Kunststoffauskleidungen fertigungstechnisch verhält­ nismäßig einfach herstellbar und in Bezug auf eine zu realisierende Abdichtung von Ka­ rosseriehohlräumen besonders zuverlässig.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist eine Brennstoffzelle mit einem erfin­ dungsgemäßen Luftversorgungsmittel anhand eines Blockschaltbildes dargestellt.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Brennstoffzelle 11 eines Fahrzeugs (nicht dargestellt), die mit einem Luftversorgungsmittel 12 wirkverbunden ist. Das Luftver­ sorgungsmittel 12 dient zur Beaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mit unter Druck ste­ hender Luft. Das Luftversorgungsmittel 12 weist einen Druckluftspeicher 13 und einen Luftkompressor 14 auf, welche zueinander parallel geschaltet mit der Brennstoffzelle 11 zur Beaufschlagung derselben mit Druckluft wirkverbunden sind. Der Luftkompressor 14 ist durch einen Elektromotor 20 mittels mechanischer Kopplungsmittel 29 und/oder durch eine Expansionsmaschine 19 mittels mechanischer Kopplungsmittel 28 antreibbar. Zur Beaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mit Druckluft saugt der Luftkompressor 14 durch die als Pfeil 21 dargestellte Ansaugleitung Luft an und führt selbige in Form von Druckluft durch die als Pfeile 15 dargestellte Druckluftzuführleitung der Brennstoffzelle 11 zu. Die Brennstoffzelle 11 wird mittels der als Pfeil 25 dargestellten Zuführleitung mit einem oder mehreren Brennstoffen beaufschlagt. Die beim Betreiben der Brennstoffzelle 11 entste­ henden Abgase werden in der hier beispielhaft gezeichneten Ausführungsvariante mittels der als Pfeile 26 dargestellten Abgasleitungen zunächst in einen Katbrenner 31 und an­ schließend in die Expansionsmaschine 19 geführt und können von dort mittels der als Pfeil 27 dargestellten Leitung zu weiteren, nicht dargestellten Aggregaten des Fahrzeugs geleitet werden. Der Druckluftspeicher 13 ist mittels einer als Doppelpfeile 16 dargestell­ ten Verbindungsleitung mit der als Pfeil 15 dargestellten Druckluftzuführleitung verbun­ den. Die Verbindungsleitung (Doppelpfeile 16) weist ein magnetisch betätigbares Regel­ ventil 17 auf, mittels welcher der Durchfluss an Druckluft durch die als Doppelpfeile 16 dargestellte Verbindungsleitung in Richtung Druckluftspeicher 13 beziehungsweise in Richtung Brennstoffzelle 11 einstellbar ist. Das Regelventil 17 ist somit geeignet, die Be­ aufschlagung des Druckluftspeichers 13 mit Druckluft mittels des Luftkompressors 14 oder die Beaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mit Druckluft aus dem Druckluftspeicher 13 bei entsprechender Betriebsstellung einzuleiten. Hierzu ist das Regelventil 17 mittels einer als Doppelpfeil 24 dargestellten Steuerleitung mit einer Steuereinheit 18 operativ verbunden. Die Steuereinheit 18 ist ferner mittels einer als Pfeil 23 dargestellten Daten­ übertragungsleitung mit dem Druckluftspeicher 13, mittels einer als Doppelpfeil 22 darge­ stellten Steuerleitung mit dem Luftkompressor 14 und mittels einer als Doppelpfeil 30 dargestellten Steuerleitung mit dem Elektromotor 20 wirkverbunden.

Die mit dem Luftkompressor 14, dem Druckluftspeicher 13, dem Regelventil 17 und dem Elektromotor 20 operativ verbundene Steuereinheit 18 ist somit geeignet, in flexibler Wei­ se insbesondere durch geeignetes Verstellen des Regelventils 17 die Druckluftbeauf­ schlagung des Druckluftspeichers 13 mittels des Luftkompressors 14 und die Druckluft­ beaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mittels des Luftkompressors 14 und/oder des Druckluftspeichers 13 zu steuern. Der in Form einer "Dead-End"-Anordnung (Kopfanord­ nung) mit dem Luftkompressor 14 und der Brennstoffzelle 11 parallel wirkverbundene Druckluftspeicher 13 gewährleistet somit eine zuverlässige und betriebsgünstige Druck­ luftbeaufschlagung der Brennstoffzelle 11 gegebenenfalls in Kooperation mit dem Luft­ kompressor 14. Dabei kann bei einem Schwachlastbetrieb der Brennstoffzelle 11 der Druckluftspeicher 13 mittels des weiterhin bei einem günstigen Wirkungsgrad unter höhe­ rer Last betreibbaren Luftkompressors 14 mit gegebenenfalls überschüssiger Druckluft zur Zwischenspeicherung beaufschlagt werden. Bei im Fahrzyklus auftretenden Lastspit­ zen der Brennstoffzelle 11 wird durch entsprechende Verstellung des Regelventils 17 mittels der Steuereinheit 18 eine nahezu verzögerungsfreie und hinreichende Beauf­ schlagung der Brennstoffzelle 11 mit Druckluft aus dem Druckluftspeicher 13 gewährlei­ stet. Dabei ist eine Druckluftbeaufschlagung der Brennstoffzelle 11 durch den Druck­ luftspeicher 13 alleine oder in Kooperation mit dem Luftkompressor 14 möglich. Zur Steuerung der in die Brennstoffzelle 11 zuzuführenden Druckluftmenge kann die Druckluftzuführleitung 15 vorzugsweise unmittelbar vor der Brennstoffzelle 11 mit einem weite­ ren, nicht dargestellten Regelventil versehen sein, welches mittels der Steuereinheit 18 einstellbar sein kann. Dieses zustätzliche Regelventil erlaubt neben der Mengeneinstel­ lung an in die Brennstoffzelle 11 zuzuführender Druckluft mittels des Luftkompressors 14 und/oder des Druckluftspeichers 13 auch eine schnelle und zuverlässige Schaltung zwi­ schen einer Druckluftbeaufschlagung durch den Luftkompressor 14 in die Brennstoffzelle 11 und einer Druckluftbeaufschlagung durch den Luftkompressor 14 in den Druckluftspei­ cher 13.

Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform kann der Druckluftspeicher 13 ein durchströmter Bestandteil der als Pfeil 15 dargestellten Druckluftzuführleitung zwischen Kompressor 14 und Brennstoffzelle 11 sein. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Druckluftbeaufschlagung der Brennstoffzelle 11 lediglich durch den Druckluftspeicher 13, welcher eingangsseitig zur Zwischenspeicherung von Druckluft mit dem Luftkompressor 14 wirkverbunden ist. Ein zwischen dem Druckluftspeicher 13 und der Brennstoffzelle 11 zwischengeschaltetes Regelventil ermöglicht eine lastabhängige, betriebs- beziehungs­ weise wirkungsgradgünstige Beaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mit zwischengespei­ cherter Druckluft.

Entsprechend einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann das Luftversor­ gungsmittel 12 zusätzlich mit einer separaten Verbindungsleitung zwischen Luftkompres­ sor 14 und Druckluftspeicher 13 versehen sein, wobei mittels entsprechender Regelven­ tile (nicht dargestellt) in der zusätzlichen Verbindungsleitung und der Druckluftzuführlei­ tung 15 (unmittelbar stromabwärts des Luftkompressors 14) eine schnelle und zuverläs­ sige Schaltung zwischen den folgenden Druckluftzuführeinstellungen des Luftversor­ gungsmittels 12 möglich ist:

• - Druckluftbeaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mittels des Luftkompressors 14 alleine;
• - Druckluftbeaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mittels des Druckluftspeichers 13 allei­ ne;
• - Druckluftbeaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mittels des Luftkompressors 14 in Ko­ operation mit dem Druckluftspeicher 13;
• - Druckluftbeaufschlagung der Brennstoffzelle 11 mittels des Druckluftspeichers 13 alleine unter gleichzeitiger Druckluftbeaufschlagung des Druckluftspeichers 13 mittels des Luft­ kompressors 14 (integrierte Durchflussanordnung des Druckluftspeichers 13).

Ein gemäß einer der obengenannten Ausführungsformen ausgebildetes Luftversor­ gungsmittel 12 vermeidet eine ansonsten notwendige Überdimensionierung des Luftkom­ pressors 14 mit dem sich daraus ergebenden schlechten Teillastverhalten desselben. Es kann mittels einer wirkungsgradgünstigen, verhältnismäßig großen Leistung eines kleiner dimensionierten Luftkompressors 14 in Schwachlastzeiten der Brennstoffzelle 11 eine betriebsgünstige Zwischenspeicherung von Druckluft im Druckluftspeicher 13 erfolgen, welcher gegebenenfalls zusätzlich zum Luftkompressor 14 zur Druckluftbeaufschlagung während Betriebslastspitzen der Brennstoffzelle 11 zugeschaltet werden kann.

Claims (7)

1. Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, die mit einem Luftversorgungsmittel wirkver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftversorgungsmittel (12) einen Luftspeicher (13) aufweist.

2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftversor­ gungsmittel (12) einen zum Luftspeicher (13) parallel geschalteten Luftkompressor (14) aufweist.

3. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftversorgungsmittel (12) einen stromaufwärts zum Luftspeicher (13) in Reihe angeordneten und mit diesem in Wirkverbindung stehenden Luftkompressor (14) aufweist.

4. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Luftkompressor (14) mit dem Luftspeicher (13) wirkverbindende Ver­ bindungsleitung (16) ein mittels einer Steuereinheit (18) schaltbares Regelventil (17) aufweist.

5. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (18) mit dem Luftkompressor (14) und dem Luftspeicher (13) wirkverbunden ist.

6. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspeicher (13) in einem oder mehreren Fahrzeugkarosseriehohlräumen angeordnet ist.

7. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspeicher (13) mittels einer Kunststoffauskleidung abgedichtet ist.