DE10133580A1

DE10133580A1 - Elektrisches System

Info

Publication number: DE10133580A1
Application number: DE10133580A
Authority: DE
Inventors: Peter Prechtl
Original assignee: P21 GmbH
Current assignee: P21 - POWER FOR THE 21ST CENTURY GMBH, 85649 BRUNN
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-30

Abstract

Es wird unter anderem beschrieben ein elektrisches System, mit einer Anzahl elektrischer Komponenten, die als wenigstens eine elektrische Energiequelle und wenigstens ein elektrischer Verbraucher und/oder wenigstens ein elektronisches System ausgebildet sind, wobei die elektrischen Komponenten in einem elektrischen Netz (22) zusammengefaßt sind und wobei der elektrische Verbraucher und/oder das elektronische System über die elektrische Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt werden. Um die auch während solcher Phasen, in denen das elektrische System nicht betrieben wird, auftretenden Energieverluste auf einfache und zuverlässige Weise ausgleichen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zum Ausgleich von Energieverlusten in wenigstens einer elektrischen Komponente eine Hilfsenergieversorgungseinheit (30) vorgesehen ist und daß die Hilfsenergieversorgungseinheit (30) wenigstens eine Brennstoffzelle (31) aufweist, die mit einem Reservoir (37) für einen Energieträger verbunden ist. Die von der wenigstens einen Brennstoffzelle (31) erzeugte elektrische Leistung kann an wenigstens einer der elektrischen Komponenten übertragen beziehungsweise in das elektrische Netz (22) eingespeist werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches System gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, ein Fahrzeug sowie besondere Verwendungen für ein solches elektrisches System.

Elektrische Systeme sind in vielfältiger Weise ausgebildet und finden unterschiedlichste Einsatzgebiete. Elektrische Systeme können aus einer Anzahl elektrischer Komponenten bestehen, die beispielsweise als wenigstens eine elektrische Energiequelle und wenigstens ein elektrischer Verbraucher und/oder wenigstens ein elektronisches System ausgebildet sind. Dabei kann der elektrische Verbraucher und/oder das elektronische System über die elektrische Energiequelle, die beispielsweise als Akkumulator oder dergleichen ausgebildet sein kann, mit elektrischer Energie versorgt. Ein solches elektrisches System findet beispielsweise in Kraftfahrzeugen Anwendung, wo es als sogenanntes Bordnetz ausgebildet ist.

Heutige elektrische Systeme, beziehungsweise elektrische Energieversorgungssysteme in Kraftfahrzeugen haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht für längere Stillstandszeiten geeignet sind. Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit als Bleiakkumulatoren ausgebildeten elektrischen Energiequellen ausgestattet, die eine recht hohe Selbstentladung besitzen. Außerdem besitzen die elektrischen Verbraucher und/oder die elektrischen Systeme des Fahrzeugs, die Bestandteile des Bordnetzes bilden, auch im abgeschalteten Zustand geringe Leerlauf- beziehungsweise Ruheströme. Derartige Verbraucher und elektronische Systeme sind beispielsweise eine Alarmanlage, die Zentralverriegelung, das Radio, welches häufig auch im Stand-by-Betrieb betrieben wird, der Bordcomputer, große Halbleiterschalter und dergleichen.

Auf Grund dieser geringen Energieverbräuche (Verluste) sowie der Selbstentladung der elektrischen Energiequelle, die bei Kraftfahrzeugen derzeit in der Größenordnung von etwa 1 Watt liegen, sind die meisten Kraftfahrzeuge nach Stillstandszeiten von etwa 2 bis 4 Wochen nicht mehr zu starten. Ein mehrwöchiger Fernurlaub kann somit beispielsweise dazu führen, daß das Kraftfahrzeug nach Rückkehr zum Flughafen nicht mehr betriebsbereit ist, was ein Ärgernis für jeden Autobesitzer darstellt. Diese Problematik ist auch unter dem Begriff "Flughafenproblematik" bekannt. Besonders betroffen sind weiterhin auch Saisonfahrzeuge wie Cabriolets, Wohnmobile und dergleichen, die noch längere Zeiten nicht betrieben werden.

Bis heute müssen derart liegengebliebene Kraftfahrzeuge unter Einsatz von Fremdhilfe mit Starthilfe gestartet werden. Saisonfahrzeuge werden häufig mit einem Ladeerhaltungsgerät versorgt, wenn ein Stromanschluß in der Nähe ist. Diese Lösungsansätze zum Ausgleich von Energieverlusten sind jedoch sehr nachteilig, da sie zum einen sehr aufwendig sind. Weiterhin wird der Ausgleich von Energieverlusten meist erst dann betrieben, wenn die elektrische Energiequelle vollständig entladen worden ist. Durch derartige Tiefentladungen, insbesondere wenn sie regelmäßig auftreten, wird die elektrische Energiequelle, beispielsweise der Akkumulator, jedoch geschädigt. Bei Verwendung von Ladeerhaltungsgeräten ist ein separater Stromanschluß erforderlich, so daß das Fahrzeug nicht überall abgestellt werden kann.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein elektrisches System der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein elektrisches System bereitgestellt werden, mit dem auftretende Energieverluste im System auf einfache und kostengünstige Weise dennoch zuverlässig ausgeglichen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des elektrischen Systems gemäß Patentanspruch 1, des Fahrzeugs gemäß Patentanspruch 21 sowie der vorteilhaften Verwendungen gemäß Patentanspruch 22 und 23. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Vorteile und Merkmale, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektrischen System beschrieben sind, gelten selbstverständlich ebenso auch für das erfindungsgemäße Fahrzeug und umgekehrt. Entsprechendes gilt auch für die erfindungsgemäßen Verwendungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß dem elektrischen System nunmehr eine Hilfsenergieversorgungseinheit zugeordnet wird, die als Brennstoffzellensystem ausgestaltet ist und die gezielt Energie zum Ausgleich von Energieverlusten zur Verfügung stellen kann.

Erfindungsgemäß wird ein elektrisches System bereitgestellt, mit einer Anzahl elektrischer Komponenten, die als wenigstens eine elektrische Energiequelle und/oder wenigstens ein elektrischer Verbraucher und/oder wenigstens ein elektronisches System ausgebildet sind, wobei der elektrische Verbraucher und/oder das elektronische System über die elektrische Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt wird/werden. Das elektrische System ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von Energieverlusten in wenigstens einer elektrischen Komponente eine Hilfsenergieversorgungseinheit vorgesehen ist und daß die Hilfsenergieversorgungseinheit wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, die mit einem Reservoir für einen Energieträger verbunden ist.

Die von der wenigstens einen Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung wird vorteilhaft in das elektrische System eingespeist, beispielsweise indem sie an wenigstens eine der elektrischen Komponenten übertragen wird oder übertragbar ist.

Durch Einsatz einer auf der Brennstoffzellentechnologie basierenden Hilfsenergieversorgungseinheit können die im elektrischen System auftretenden Energieverluste einfach und kostengünstig ausgeglichen werden. Derartige Energieverluste können beispielsweise auf die in der Beschreibungseinleitung genannte Weise auftreten.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß einem an sich bekannten elektrischen System, welches über eine Anzahl elektrischer Komponenten verfügt, nunmehr eine Hilfsenergieversorgungseinheit zugeordnet wird, die elektrische Energie in ausreichendem Maße erzeugen kann, so daß im elektrischen System auftretende Energieverluste damit ausgeglichen werden können.

Die Hilfsenergieversorgungseinheit weist erfindungsgemäß wenigstens eine Brennstoffzelle auf. In einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer PEM- Brennstoffzelle, wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Energieträger, wie beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff aus der Luft, in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt, wie beispielsweise Wasser, umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil, einer Membran und einem Kathodenteil. Die Membran besteht aus einem gasdichten und Protonen leitenden Material und ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird der Energieträger zugeführt, während auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen, beziehungsweise Wasserstoffionen, erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff und es bildet sich Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom an wenigstens eine der elektrischen Komponenten im elektrischen System übertragen. Der Energieträger ist vorteilhaft in einem eigens dafür vorgesehenen Reservoir gespeichert, wobei das Reservoir vorteilhaft über geeignete Verbindungsmittel, etwa Verbindungsleitungen oder dergleichen, mit der Brennstoffzelle verbunden ist.

Durch den Einsatz einer solchen Hilfsenergieversorgungseinheit im elektrischen System wird nunmehr erreicht, daß dem elektrischen System auch bei langen Stillstandszeiten über die Hilfsenergieversorgungseinheit immer elektrische Energie zugeführt werden kann, wobei diese elektrische Energie zum Ausgleich von Energieverlusten herangezogen wird. Einige nicht ausschließliche Beispiele dafür werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.

Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz in bestimmten elektrischen Systemen beschränkt. Vorteilhaft kann das elektrische System jedoch im Bereich der Automobilindustrie eingesetzt werden. Natürlich sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar.

Vorteilhaft kann die Hilfsenergieversorgungseinheit mehr als eine Brennstoffzelle aufweisen, wobei die einzelnen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stack, beziehungsweise Brennstoffzellenstapel, zusammengefaßt sind. Über die Größe des Stacks, beziehungsweise die Anzahl der darin befindlichen Brennstoffzellen, läßt sich die vom Brennstoffzellen-Stack erzeugte elektrische Leistung genau einstellen, so daß die Hilfsenergieversorgungseinheit an die zu erwartenden beziehungsweise auftretenden Energieverluste genau angepaßt werden kann. Wenn nur geringe Energieverluste zu erwarten sind, kann die Anzahl und/oder Leistungskapazität der eingesetzten Brennstoffzelle(n) entsprechend niedrig gehalten werden, während bei hohen Energieverlusten eine entsprechend größere Anzahl von Brennstoffzellen, beziehungsweise eine oder mehrere Brennstoffzellen mit höherer Leistungskapazität eingesetzt wird/werden.

Vorteilhaft können die elektrischen Komponenten Bestandteil eines elektrisches Netzes sein, wobei die Hilfsenergieversorgungseinheit zum Ausgleich von Energieverlusten im elektrischen Netz ausgebildet ist. In diesem Fall ist die Hilfsenergieversorgungseinheit vorzugsweise Bestandteil des elektrischen Netzes. Wenn das elektrische System im Zusammenhang mit einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, kann es sich bei dem elektrischen Netz beispielsweise um das im Fahrzeug eingesetzte Bordnetz handeln.

Vorteilhaft kann die wenigstens eine Brennstoffzelle eine Leistung erzeugen, die an die Energieverluste in der wenigstens einen elektrischen Komponente und/oder die Leistung im elektrischen Netz angepaßt ist.

Insbesondere dann, wenn im elektrischen System nur geringe Energieverluste auszugleichen sind, können die Brennstoffzellen entsprechend klein ausgebildet sein. Dadurch wird auch der Bauraumbedarf der gesamten Hilfsenergieversorgungseinheit minimiert, was insbesondere im Hinblick auf den Einsatz des elektrischen System in Kraftfahrzeugen von erheblichem Vorteil ist. Weiterhin sind kleine Brennstoffzellen kostengünstig in ihrer Herstellung.

Durch die Anpassung der Hilfsenergieversorgungseinheit an die tatsächlich auftretenden - beziehungsweise zu erwartenden - Energieverluste, wird es möglich, die Hilfsenergieversorgungseinheit als eine Art "Mikroenergieversorgung" für das elektrische System auszugestalten. Bei der Hilfsenergieversorgungseinheit handelt es sich dann um eine "Mikro-Hilfsenergieversorgungseinheit", wobei die Hilfsenergieversorgungseinheit auch als "Auxiliary Power Unit" bezeichnet wird.

Vorteilhaft kann als Brennstoffzelle eine Brennstoffzelle mit geringer Leistung vorgesehen sein. Dabei ist die Erfindung nicht auf Brennstoffzellen mit bestimmten Leistungen beschränkt. Ebenso ist die Erfindung nicht auf bestimmte Betriebsdauern, in denen die Brennstoffzelle aktiviert ist, beschränkt.

Wichtig ist lediglich, daß die Brennstoffzelle in der Lage ist, die im elektrischen System auftretenden Energieverluste zu kompensieren. Beispielsweise kann eine solche Brennstoffzelle, beziehungsweise eine auf einer solchen Brennstoffzelle ausgerichtete Hilfsenergieversorgungseinheit derart dimensioniert sein, daß sich der in einem Fahrzeug auftretende Energieverlust von beispielsweise 1 Watt ausgleichen läßt. Derart kleine Brennstoffzellen lassen sich besonders kostengünstig herstellen, so daß die Hilfsenergieversorgungseinheit vorteilhaft auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Außerdem benötigen Brennstoffzellen mit dem genannten Leistungsspektrum nur sehr wenig Brennstoff, so daß auch das Reservoir für den Energieträger entsprechend klein gehalten werden kann.

Vorzugsweise ist die Leistung der Brennstoffzelle(n) an den tatsächlichen Energieverlust, insbesondere in Abhängigkeit der Stillstandszeit des elektrischen Systems angepaßt. Dies soll anhand eines nicht ausschließlichen Beispiels verdeutlicht werden.

Angenommen, das elektrische System weist einen Energieverlust in der Größenordnung von etwa 1 Watt auf. Dann sollte die Brennstoffzelle derart ausgelegt sein, daß mit ihr eine im Mittel gleiche Energieabgabe von etwa 1 Watt realisierbar ist. Dazu kann die Brennstoffzelle unterschiedlich dimensioniert sein. Wenn die Brennstoffzelle eine Leistungskapazität von 1 Watt aufweist, müßte dies im Dauerbetrieb gefahren werden, um die auftretenden Energieverluste zu kompensieren. Wenn nun die Brennstoffzelle eine Leistungskapazität von beispielsweise 100 Watt aufweist, bedeutet dies, daß die Brennstoffzelle nicht permanent in Betrieb sein muß. Eine solche Brennstoffzelle kann beispielsweise in regelmäßigen Abständen für einen bestimmten Zeitraum aktiviert werden. Die Zeiträume und zeitlichen Abstände sind dabei so zu wählen, daß die Energieverluste ausgeglichen werden können. Wenn nun eine Brennstoffzelle mit noch höherer Leistung, beispielsweise einer Leistung mit 500 Watt eingesetzt wird, können die zeitlichen Abstände zwischen den aktiven Betriebszuständen der Brennstoffzelle noch weiter vergrößert und/oder die Zeiträume, in denen die Brennstoffzelle aktiviert ist, noch weiter verkürzt werden.

Die Brennstoffzelle kann beispielsweise mit einem flüssigen oder gasförmigen Energieträger betrieben werden. Als Energieträger kommen beispielsweise in Frage reiner Wasserstoff (komprimiert oder verflüssigt), andere Kohlenwasserstoffe, die sich in Brennstoffzellen direkt oder indirekt einsetzen lassen, wie etwa Methanol, Benzin und dergleichen, sonstige Stoffe, die Energie speichern können und bei Bedarf Wasserstoff freisetzen können, oder dergleichen.

Als flüssiger Energieträger kann beispielsweise Methanol eingesetzt werden. Wenn eine mit Methanol betriebene Hilfsenergieversorgungseinheit in einem elektrischen System eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, um die darin auftretenden Energieverluste auszugleichen, würden bei einem Energieverbrauch von ungefähr 0,7 Watt etwa zwei Liter Methanol ausreichen, um ein Kraftfahrzeug ein Jahr lang betriebsbereit zu halten. Dieser Energieträger könnte einfach in einem Reservoir - wie beispielsweise bei der Scheibenwaschflüssigkeit - mitgeführt und bei Bedarf an einer Tankstelle nachgefüllt werden.

Als gasförmiger Energieträger kommt beispielsweise Wasserstoff in Frage. Wasserstoff kann beispielsweise in einem als kleine Druckgasflasche ausgebildeten Reservoir - vergleichbar mit der CO₂-Flasche für einen Wassersprudelautomaten - unter hohem Druck gespeichert werden. Wenn das Reservoir leer ist, kann dieses beispielsweise erneut aufgefüllt beziehungsweise durch ein aufgefülltes Reservoir ersetzt werden.

In weiterer Ausgestaltung kann zwischen Reservoir und Brennstoffzelle wenigstens eine Dosiereinrichtung vorgesehen sein. Über die Dosiereinrichtung wird die Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Energieträgers geregelt. Beispielsweise kann es sich bei der Dosiereinrichtung um eine Drossel, einen Druckminderer, ein Ventil oder dergleichen handeln. Vorteilhaft ist die Dosiereinrichtung als Ventil und hier insbesondere als bi-stabiles Ventil ausgebildet. Bi-stabile Ventile haben den Vorteil, daß sie im Ruhezustand keine Energie, beispielsweise keinen Strom, verbrauchen. Ein Energiepuls, beziehungsweise Strompuls, ist nur während des eigentlichen Schaltvorgangs des Ventils vonnöten.

In weiterer Ausgestaltung kann die Hilfsenergieversorgungseinheit wenigstens einen Wandler zur Anpassung der Brennstoffzellenspannung an die Spannung der wenigstens einen elektrischen Komponente und/oder an die Spannung des elektrischen Netzes aufweisen. Dabei kann der Wandler beispielsweise als sogenannter "DC/DC-Wandler" ausgebildet sein. Ein solcher Wandler hat die Aufgabe, die in der vorteilhaft sehr klein ausgebildeten Brennstoffzelle erzeugte Spannung an die für die elektrische Komponente und/oder das elektrische Netz erforderliche Spannung anzupassen. Die geeignete Dimensionierung des Wandlers, der an sich bereits bekannt ist, ergibt sich dabei aus den jeweils vorherrschenden konstruktiven Voraussetzungen, insbesondere aus der Dimensionierung der Brennstoffzelle(n) sowie der elektrischen Komponente(n), beziehungsweise des elektrischen Netzes.

Vorzugsweise kann weiterhin eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Hilfsenergieversorgungseinheit vorgesehen sein. Über die Steuereinrichtung kann die Hilfsenergieversorgungseinheit, insbesondere deren Betriebsdauer, gesteuert werden. Dazu verfügt die Steuereinrichtung vorteilhaft über eine Rechnereinheit sowie darin abgelegte, geeignete Programmittel.

Vorzugsweise kann die Steuereinrichtung Einschaltmittel und/oder Ausschaltmittel für die Hilfsenergieversorgungseinheit aufweisen.

Über die Einschaltmittel kann die Steuereinrichtung die Hilfsenergieversorgungseinheit gezielt einschalten. Das hat den Vorteil, daß die Hilfsenergieversorgungseinheit nicht dauerhaft in Betrieb ist, sondern nur unter bestimmten Voraussetzungen eingeschaltet wird. So ist es beispielsweise denkbar, daß die Einschaltmittel zeitbasiert funktionieren. Bei den Einschaltmitteln kann es sich beispielsweise um eine Art Zeitschaltuhr handeln, über die die Hilfsenergieversorgungseinheit zu bestimmten Zeiten eingeschaltet wird. So ist es beispielsweise denkbar, daß die Hilfsenergieversorgungseinheit unabhängig vom Betriebszustand des elektrischen Systems in regelmäßigen Zeitabständen eingeschaltet wird. In anderer Ausgestaltung ist es denkbar, daß die Einschaltmittel die Hilfsenergieversorgungseinheit nur dann einschalten, wenn das elektrische System eine bestimmte Zeit lang nicht in Betrieb gewesen ist. In der Steuereinrichtung wird in einem solchen Fall registriert, wenn das elektrische System abgestellt wird. Nach Ablauf eines bestimmten, vorgegebenen Zeitraums, in dem Energieverluste im elektrischen System auftreten, wird die Hilfsenergieversorgungseinheit dann aktiviert, um die Energieverluste auszugleichen. Dabei wird der Zeitraum vorteilhaft so dimensioniert, daß die Energieverluste im elektrischen System einen festgelegten unteren Grenzwert noch nicht unterschritten haben.

Ebenso ist es denkbar, daß die Steuereinrichtung Einschaltmittel in Form von Mitteln zur Ladungsüberwachung der elektrischen Energiequelle aufweist. Die Einschaltmittel überwachen dabei den aktuellen Ladungszustand der elektrischen Energiequelle. Wenn die Energiequelle einen bestimmten Grenzwert der Ladung unterschreitet, wird die Hilfsenergieversorgungseinheit aktiviert.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausführungsformen für die Einschaltmittel beschränkt. Durch die geeignete Auswahl der Einschaltmittel wird es möglich, den elektrischen Komponenten und/oder dem elektrischen Netz definiert Energie zuzuführen. Dies soll an Hand eines nicht ausschließlichen Beispiels kurz erläutert werden.

Wenn sich das elektrische System beispielsweise in einem Fahrzeug befindet, könnte die Hilfsenergieversorgungseinheit über die Steuereinrichtung beispielsweise erst dann aktiviert werden, wenn das Fahrzeug länger als einen bestimmten Zeitraum, etwa eine Woche oder dergleichen, nicht bewegt wird, oder wenn der Ladungszustand der elektrischen Energiequelle, beispielsweise der Fahrzeugbatterie, einen kritischen Grenzwert unterschreitet. Auf diese Weise wird die Brennstoffzelle der Hilfsenergieversorgungseinheit nur dann betrieben, wenn dies auch wirklich nötig ist. Dies führt unter anderem zu einem reduzierten Verbrauch des Energieträgers und damit zu längeren Wartungs- beziehungsweise Nachfüllintervallen.

Weiterhin ist es durch die Ausgestaltung der Steuereinrichtung möglich, daß die Hilfsenergieversorgungseinheit in bestimmten Intervallen aktiviert wird. So ist beispielsweise ein Szenario denkbar, in dem die Hilfsenergieversorgungseinheit in bestimmten Zeitabständen immer für einen bestimmten Zeitraum aktiviert wird. Dabei kann der Aktivierungszeitraum so bemessen sein, daß die von der Brennstoffzelle erzeugte Energie zwar nicht ausreicht, um den im elektrischen System auftretenden Energieverlust komplett auszugleichen. Durch die relativ häufige Einschaltung der Hilfsenergieversorgungseinheit wird jedoch sichergestellt, daß dem elektrischen System regelmäßig, wenn auch in geringeren Mengen, elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird, so daß die im elektrischen System auftretenden Energieverluste einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten.

Das Einschalten der Hilfsenergieversorgungseinheit über die Steuereinrichtung kann beispielsweise derart erfolgen, daß entsprechende Zeitwerte, beziehungsweise Ladungswerte, mit Referenzwerten verglichen werden. Diese Referenzwerte können beispielsweise in Form geeigneter Kennlinien, Kennfelder, als Dateien oder dergleichen vorliegen. Die Werte für die Referenzwerte können beispielsweise zunächst durch entsprechende Versuchsreihen ermittelt werden. Es ist jedoch auch denkbar, daß die einzelnen Referenzwerte mit Hilfe geeigneter Programmittel, somit rechnergestützt, ermittelt werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe geeigneter Simulationsverfahren erfolgen.

Wenn in einem solchen Fall nun ein Zeitwert, beziehungsweise ein Wert über den Ladungszustand, von der Steuereinrichtung erfaßt worden ist, wird in der Steuereinrichtung, vorzugsweise automatisch, dieser Wert mit vorhandenen Referenzwerten verglichen. Da jedem Referenzwert eine bestimmte Aktion, beispielsweise Ein- oder Ausschalten der Hilfsenergieversorgungseinheit, zugeordnet ist, kann bei Übereinstimmung zwischen ermitteltem Wert und Referenzwert eine entsprechende Aktion ausgeführt werden, beispielsweise indem die Hilfsenergieversorgungseinheit eingeschaltet wird.

Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für die Ausschaltmittel, so daß diesbezüglich auf die Ausführungen zu den Einschaltmitteln verwiesen wird.

Die Einschaltmittel und/oder Ausschaltmittel können beispielsweise mit der Dosiereinrichtung verbunden sein. Wenn die Dosiereinrichtung als Ventil ausgebildet ist, kann das Ventil folglich in der genannten Weise über die Steuereinrichtung gesteuert, das heißt geöffnet und geschlossen werden.

Vorteilhaft kann die Hilfsenergieversorgungseinheit eine Speichereinrichtung aufweisen. In diesem Fall können die von den Einschaltmitteln der Steuereinrichtung ermittelten Werte und/oder entsprechende Referenzwerte zu diesen Werten zumindest zeitweilig in der Speichereinrichtung abgespeichert sein. Die Speichereinrichtung kann entweder Bestandteil der Steuereinrichtung sein, oder als zur Steuereinrichtung separates Bauelement vorliegen. Wichtig ist lediglich, daß die Steuereinrichtung zumindest zeitweilig Zugriff auf die Speichereinrichtung nehmen kann. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Arten von Speichereinrichtungen beschränkt. Durch die zumindest zeitweilige Speicherung von Werten, beziehungsweise Daten, lassen sich historische Entwicklungen besonders einfach nachweisen. Solche Nachweise können beispielsweise dann erforderlich sein, wenn eventuelle Fehler aufgedeckt oder sonstige Aussagen zu historischen Entwicklungen gemacht werden sollen. Dies kann beispielsweise im Rahmen von Wartungs-, Reparaturarbeiten oder dergleichen von Nutzen sein. Bei Wartungs- und Reparaturarbeiten können die in der Speichereinrichtung abgelegten Informationen einfach und bequem ausgelesen und ausgewertet werden.

In weiterer Ausgestaltung können Anzeigemittel vorgesehen sein. Die Anzeigemittel können beispielsweise als Lampe, als Display, etwa als Display in einem Bordcomputer oder dergleichen, ausgebildet sein. Über die Anzeigemittel kann beispielsweise angezeigt werden, ob die Hilfsenergieversorgungseinheit ein- oder ausgeschaltet ist, ob noch genügend Energieträger im Reservoir enthalten ist, ob die Hilfsenergieversorgungseinheit fehlerfrei arbeitet und dergleichen.

Vorteilhaft kann das Reservoir als Druckspeicher ausgebildet sein. In dem Druckspeicher, der beispielsweise als kleine Druckgasflasche oder dergleichen ausgebildet ist, wird der Energieträger unter erhöhtem Druck gespeichert. Das hat den Vorteil, daß keine Fördermittel wie Pumpen oder dergleichen erforderlich sind, um den im Reservoir befindlichen Energieträger zur Brennstoffzelle zu transportieren.

In weiterer Ausgestaltung kann das Reservoir als Metall-Hydridspeicher ausgebildet sein. Dabei handelt es sich im allgemeinen um einen Speicher, in dem Hydrid bildende Metallegierungen in feinteiliger Form eingefüllt sind. Ein solcher Speicher besitzt eine hohe Speicherkapazität.

Ein als Druckspeicher oder Metall-Hydridspeicher ausgebildetes Reservoir eignet sich besonders zum Speichern gasförmiger Energieträger, wie Wasserstoff und dergleichen.

Metall-Hydridspeicher sind an sich bekannt und werden derzeit beispielsweise zur Speicherung von Wasserstoff eingesetzt. Metall-Hydridspeicher können hergestellt werden, in dem das Speichermedium - etwa in Form eines Pulvers - in einen entsprechenden Behälter - in etwa wie bei bekannten "Haarspraydosen" - eingefüllt wird. Derartige Metall-Hydridspeicher lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise herstellen.

In anderer Ausgestaltung kann das Reservoir mit einem - zusätzlichen - Druckspeicher verbunden sein. In einer solchen Anordnung ist es möglich, daß der Energieträger im eigentlichen Reservoir nicht unter erhöhtem Druck steht. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein flüssiger Energieträger verwendet wird, der dann einfach und problemlos in das Reservoir eingefüllt werden kann. Das Reservoir ist jedoch mit einem Druckspeicher verbunden, in dem sich beispielsweise ein unter Druck stehendes Gas befindet, wobei dieses unter Druck stehende Gas auch auf die im Reservoir befindliche Flüssigkeit wirkt. Wenn eine Verbindung zwischen Reservoir und Druckspeicher sowie zwischen Reservoir und Brennstoffzelle geöffnet ist, wird der Energieträger mittels des aus dem Druckspeicher expandierenden Gases in Richtung der Brennstoffzelle transportiert. Der Druckspeicher kann beispielsweise in Form einer kleinen Druckgasflasche vorliegen, die bei Bedarf auf einfache und bequeme Weise ausgetauscht werden kann. Die Erfindung ist nicht auf das genannte Beispiel beschränkt.

In weiterer Ausgestaltung kann das Reservoir derart zur Brennstoffzelle angeordnet sein, daß der Energieträger auf Grund der Schwerkraft in die Brennstoffzelle gelangt. Auch in diesem Fall kann auf eine separate Fördereinrichtung verzichtet werden.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungs- oder Anordnungsvarianten für das Reservoir beschränkt. Wichtig ist lediglich, daß auf separate Fördereinrichtungen wie Pumpen oder dergleichen verzichtet werden kann, da solche Fördereinrichtungen zu ihrem Betrieb wiederum Energie benötigen würden.

Vorteilhaft kann die wenigstens eine Brennstoffzelle als DMFC-Brennstoffzelle ausgebildet sein. Bei einer DMFC-(Direct Methanol Fuel Cell)-Brennstoffzelle handelt es sich um einen Brennstoffzellentyp, in dem Methanol ohne vorangehende thermische Spaltung direkt umgewandelt wird. DMFC-Brennstoffzellen werden folglich bevorzugt mit flüssigen Energieträgern betrieben.

In anderer Ausgestaltung kann die wenigstens eine Brennstoffzelle als PEM- Brennstoffzelle ausgebildet sein. Bei einer PEM-(Proton Exchange Membrane)- Brennstoffzelle handelt es sich um eine Brennstoffzelle mit Protonen leitender Membran als Elektrolyt. Die Arbeitstemperatur einer solchen Brennstoffzelle liegt beispielsweise zwischen 60 und 80°C, als Brennstoff dient reiner Wasserstoff. PEM- Brennstoffzellen können aber auch bei anderen Temperaturen arbeiten. PEM- Brennstoffzellen verfügen über eine hohe Leistungsdichte und werden folglich vorzugsweise mit gasförmigen Energieträgern betrieben.

Will man eine PEM-Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Energieträger, wie Erdgas, Methanol, Benzin oder dergleichen betreiben, muß man den Kohlenwasserstoff in einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Aus diesem Grund kann der PEM-Brennstoffzelle vorteilhaft eine derartige Vorrichtung vorgeschaltet sein.

Die Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff besteht in der Regel aus einer Anzahl von einzelnen Vorrichtungen, bei denen es sich beispielsweise um chemische Reaktoren, wie Reformer, Shift-Reaktoren, Reaktoren für die selektive Oxidation, Verdampfer, Wärmetauscher, katalytische Brenner und dergleichen handeln kann. In einigen der genannten Vorrichtungen, die wiederum aus einer Anzahl von Einzelkomponenten bestehen können, finden exotherme Reaktionen statt, das heißt es wird Wärme frei. Diese Wärme muß abgeführt werden, was über einen Wärmetauscher erfolgen kann. In anderen Vorrichtungen wird hingegen Wärme benötigt. Diese Wärme kann beispielsweise über geeignete katalytische Brenner bereitgestellt werden.

Um aus dem - beispielsweise zunächst flüssigen - Energieträger Wasserstoff für die Brennstoffzelle herstellen zu können, wird dieser Energieträger beispielsweise zunächst in einem Verdampfer verdampft. In einem anschließenden Reformer wird das verdampfte Material dann in ein wasserstoffreiches Gas reformiert. Wenn die CO-Gehalte nach dem Reformieren noch zu hoch sind, kann der CO-Gehalt im Shift- Reaktor reduziert und anschließend in dem Reaktor zur selektiven Oxidation noch weiter reduziert werden. Dadurch wird der CO-Gehalt auf für die Brennstoffzelle tolerierbare Werte reduziert.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartig ausgestaltete Vorrichtungen zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff beschränkt. Insbesondere bei kleinen Brennstoffzellensystemen kann zur Reinigung beziehungsweise Abtrennung des Brennstoffs von unerwünschten Stoffen eine Vorrichtung mit Trennmembran oder dergleichen eingesetzt werden. Vorrichtungen mit Trennmembran arbeiten beispielsweise derart, daß die Trennmembran nur für den Brennstoff durchlässig ist, währen andere Stoffe an der Trennmembran zurückgehalten werden und diese nicht passieren können.

Vorteilhaft können die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff in Mikrostrukturtechnik, also in Form von Mikroreaktoren, ausgebildet sein, so daß für die Vorrichtung und damit für die gesamte Hilfsenergieversorgungseinheit nur ein geringer Platzbedarf erforderlich ist.

In anderer Ausgestaltung kann die wenigstens eine Brennstoffzelle als SOFC- Brennstoffzelle ausgebildet sein. Bei einer SOFC-(Solid Oxide Fuel Cell)- Brennstoffzelle handelt es sich um eine Feststoff-Brennstoffzelle mit einem Sauerstoffionen leitenden Keramikelektrolyten und einer Arbeitstemperatur von beispielsweise 600 bis 1.000°C. SOFC-Brennstoffzellen können aber auch bei anderen Temperaturen arbeiten. Als Brennstoff eignen sich sowohl reiner Wasserstoff als auch kohlenstoffhaltige Brennstoffe, wie Erdgas, Benzin und dergleichen, die ohne thermische Spaltung direkt in der Brennstoffzelle reagieren.

Da SOFC-Brennstoffzellen beispielsweise unter einem häufigen Einschalten und Ausschalten leiden, kann es sinnvoll sein, derartige Brennstoffzellen mit höherer Leistung (etwa 100 Watt, 500 Watt oder dergleichen) zu verwenden. Solche Brennstoffzellen brauchen zum Ausgleich von Energieverlusten, insbesondere von Energieverlusten in der Größenordnung von 1 Watt, nur in relativ großen Zeitabständen aktiviert zu werden, so daß sich die Einschalt- und Ausschaltprozedur in Grenzen hält.

Insbesondere diejenigen vorbeschriebenen Brennstoffzellentypen, die mit Benzin als Energieträger funktionieren, haben den Vorteil, daß auf ein separates Reservoir für den Energieträger verzichtet werden kann. Insbesondere dann, wenn das elektrische System in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird, verfügt das Kraftfahrzeug in der Regel über einen Kraftstofftank, in dem Benzin oder Diesel in großem Maße gespeichert ist. Der Kraftfahrzeugtank kann somit auch als Reservoir für die Hilfsenergieversorgungseinheit dienen.

Aus diesem Grund eignen sich besonders auch SOFC-Brennstoffzellen für die Hilfsenergieversorgungseinheit. Der Vorteil derartiger Brennstoffzellen besteht nämlich darin, daß die Menge an verfügbarem Energieträger für deren Betrieb wesentlich größer ist. Bei Einsatz einer SOFC-Brennstoffzelle in der Hilfsenergieversorgungseinheit für ein Fahrzeug, die mit Benzin aus dem eigentlichen Kraftstofftank betrieben wird, kommt es folglich nicht so sehr auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle an. Wichtig ist lediglich, daß die Leistungskapazität der Brennstoffzelle ausreichend hoch ist, um die austretenden Energieverluste während des - längeren - Stillstands des Fahrzeugs auszugleichen. Der geringere Wirkungsgrad und damit der erhöhte Energieverbrauch der Brennstoffzelle kann daher in Kauf genommen werden, da mit dem Kraftstofftank des Fahrzeugs ein sehr großes Reservoir für den Energieträger der Brennstoffzelle zur Verfügung steht.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Hilfsenergieversorgungseinheit auf der Basis eines Brennstoffzellensystems kann dieses besonders klein und platzsparend sowie unter Einsatz kostengünstiger Einzelkomponenten realisiert werden.

In weiterer Ausgestaltung können Mittel zur Luftversorgung für die Brennstoffzelle vorgesehen sein. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Typen solcher Mittel beschränkt.

Beispielsweise kann die Luftversorgung ohne zusätzliche Hilfsmittel auf der Basis der von der Brennstoffzelle im Betrieb erzeugten Abwärme erfolgen. Wie weiter oben bereits beschrieben wurde, benötigt eine Brennstoffzelle zu ihrem Betrieb Sauerstoff, der beispielsweise aus der Luft entnommen werden kann. Dazu ist es vorteilhaft, daß ein Luftstrom erzeugt wird, der an der Kathode der Brennstoffzelle vorbeiströmt. Um zu vermeiden, daß zur Erzeugung des Luftstroms separate Fördereinrichtungen, wie Pumpen oder dergleichen, eingesetzt werden müssen, wird auf die während des Betriebs der Brennstoffzelle entstehende Abwärme zurückgegriffen. Diese Abwärme kann beispielsweise in geeigneter Weise kanalisiert werden, so daß auf Grund entstehender Konvektion ein gerichteter Luftstrom erzeugt werden kann. Eine solche Art der Luftzufuhr ist weiterhin sehr kostengünstig.

Ebenso ist es denkbar, daß der Luftstrom mittels Lüftern, Kompressoren oder dergleichen erzeugt wird. Vorteilhaft weisen diese Mittel eine geringe Leistung auf, so daß zu deren Betrieb nur wenig elektrische Energie erforderlich ist. Derartige Mittel sind im Vergleich zur Erzeugung des Luftstroms auf der Basis von Konvektion leistungsfähiger.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, mit einem Antrieb sowie einem wie vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen elektrischen System. Der Antrieb des Fahrzeugs kann dabei als elektrischer Antrieb und/oder als Brennkraftmaschine ausgebildet sein. Bei dem elektrischen System handelt es sich vorteilhaft um das Bordnetz des Fahrzeugs. Die Hilfsenergieversorgungseinheit kann beispielsweise als sogenannte APU (Auxiliary Power Unit) Bestandteil des Bordnetzes sein und im Bordnetz entstehende Energieverluste, beispielsweise durch Selbstentladung der Fahrzeugbatterie, durch Ruheströme in einzelnen Verbrauchern oder dergleichen, ausgleichen. Desweiteren wird auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen elektrischen System vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes elektrisches System vorteilhaft in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, verwendet.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine wie vorstehend beschriebene Hilfsenergieversorgungseinheit als APU (Auxiliary Power Unit) in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, verwendet.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Ansicht ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen System;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hilfsenergieversorgungseinheit;
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hilfsenergieversorgungseinheit; und
Fig. 4 zwei Diagramme, bei denen in Teil a) der Ladezustand einer elektrischen Energiequelle über die Zeit und in Teil b) die Leistung einer Brennstoffzelle über die Zeit aufgetragen ist.
In Fig. 1 ist ein Fahrzeug 10 dargestellt, das ein elektrisches System 20 mit einer Anzahl elektrischer Komponenten aufweist. Das elektrische System 20 ist dabei als elektrisches Netz 22, im vorliegenden Fall als Bordnetz 22 des Fahrzeugs 10 ausgebildet. Das Bordnetz 22 verfügt über eine Anzahl elektrischer Verbraucher und/oder elektronischer Systeme. Im Beispiel gemäß Fig. 1 sind exemplarisch vier elektrische Verbraucher dargestellt, nämlich ein als Alarmanlage ausgebildeter elektrischer Verbraucher 23, eine als elektrischer Verbraucher 24 dargestellte Zentralverriegelung, ein als Radio ausgebildeter elektrischer Verbraucher 25 sowie ein als ein großer Halbleiterschalter ausgebildeter elektrischer Verbraucher 26. Selbstverständlich können im Bordnetz 22 auch andere oder zusätzliche elektrische Verbraucher und/oder elektronische Systeme vorgesehen sein. Die für den Betrieb der elektrischen Verbraucher 23, 24, 25, 26 erforderliche elektrische Energie wird über eine als Fahrzeugbatterie ausgebildete elektrische Energiequelle 21 zur Verfügung gestellt.
Wenn nun ein solches Fahrzeug 10 beispielsweise eine gewisse Zeit lang nicht bewegt wird, führt dies auf Grund der Selbstentladung der elektrischen Energiequelle 21 sowie geringen Leerlauf- und Ruheströmen in den elektrischen Verbrauchern 23, 24, 25, 26 zu Energieverlusten im elektrischen System 20. Diese Energieverluste können dazu führen, daß das Fahrzeug nach einer längeren Stillstandszeit nicht mehr gestartet werden kann, da sich die Batterie 21 entladen hat. Um diese Nachteile zu umgehen, weist das elektrische System 20 nunmehr eine Hilfsenergieversorgungseinheit 30 auf, über die in ausreichendem Maß elektrische Energie erzeugt wird, um die im Bordnetz 22 auftretenden Energieverluste auszugleichen beziehungsweise zu kompensieren.
In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine solche Hilfsenergieversorgungseinheit 30 dargestellt. Die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 weist zunächst wenigstens eine Brennstoffzelle 31 auf. Vorteilhaft sind mehrere Brennstoffzellen 31 zu einem sogenannten Brennstoffzellen-Stack zusammengefügt, wobei jedoch zur besseren Übersicht in Fig. 2 nur eine einzige Brennstoffzelle 31 dargestellt ist.
Die Brennstoffzelle 31 verfügt über einen Kathodenbereich 32 sowie einen Anodenbereich 33, die durch eine Membran 34 voneinander getrennt sind. Im Kathodenbereich 32 wird der Brennstoffzelle Sauerstoff zugeführt, der beispielsweise aus der Luft entnommen werden kann. Zu diesem Zweck wird der Sauerstoff der Kathode 32 vorteilhaft als Luftstrom zugeführt, wie dies schematisch durch Pfeil 38 dargestellt ist.
Auf der Anodenseite 33 der Brennstoffzelle 31 wird dieser über eine Zufuhrleitung 35 ein geeigneter Energieträger zugeführt. Dabei kann es sich je nach Ausgestaltung der Brennstoffzelle 31 um einen gasförmigen oder flüssigen Energieträger handeln, der in einem Reservoir 37 gespeichert ist. Zwischen Brennstoffzelle 31 und Reservoir 37 kann wenigstens eine Dosiereinrichtung 36 vorgesehen sein. Eine solche Dosiereinrichtung 36 ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und daher optional. Die Dosiereinrichtung 36 kann beispielsweise als Drossel, als Druckminderer, als Ventil oder dergleichen ausgebildet sein. Über die Dosiereinrichtung 36 wird die Menge des der Brennstoffzelle 31 zugeleiteten Energieträgers bestimmt.
Der Energieträger ist im Reservoir 37 vorteilhaft unter hohem Druck gespeichert, so daß in der Zufuhrleitung 35 keine Fördereinrichtung, wie etwa eine Pumpe oder dergleichen, erforderlich ist, um den Energieträger zur Brennstoffzelle 31 zu transportieren.
Die Brennstoffzelle 31 ist über einen geeigneten Wandler 39, im vorliegenden Fall einen DC/DC-Wandler mit dem Bordnetz 22 verbunden.
Über die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 wird es nunmehr möglich, die im Bordnetz 22 auftretenden Energieverluste auszugleichen. Im Fahrzeugbereich weisen die Energieverluste beispielsweise einen Wert von etwa 1 Watt auf. Die Brennstoffzelle 31 wird daher so dimensioniert, daß sie diese Energieverluste kompensieren kann. Die Energie wird dabei mit hoher Energiedichte im Energieträger gespeichert. Wenn es sich bei dem Energieträger um einen flüssigen Energieträger, wie beispielsweise Methanol oder dergleichen, handelt, reichen bei einem Energieverbrauch von etwa 0,7 Watt etwa zwei Liter Methanol aus, um das Kraftfahrzeug 10 ein Jahr lang betriebsbereit zu halten. Der flüssige Energieträger kann einfach im Reservoir 37 - wie bei der Scheibenwaschflüssigkeit - mitgeführt und bei Bedarf an einer Tankstelle nachgefüllt werden. Bei Einsatz eines solchen Energieträgers ist die Brennstoffzelle 31 vorteilhaft als DMFC-Brennstoffzelle ausgebildet. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Wandler 39 die Aufgabe, die Brennstoffzellenspannung an die Bordnetzspannung anzupassen.
Um die von der Brennstoffzelle 31 erzeugte elektrische Leistung gezielt in das Bordnetz 22 übertragen zu können, kann weiterhin eine Steuereinrichtung 40 vorgesehen sein, die mit der Dosiereinrichtung 36 verbunden sein kann. Da es sich bei der Steuereinrichtung 40 um ein optionales Merkmal handelt, ist diese in Fig. 2 gestrichelt dargestellt. Die Steuereinrichtung 40 kann eine Rechnereinheit 41 aufweisen und zumindest zeitweilig mit einer Speichereinrichtung 42 verbunden sein. In der Speichereinrichtung 42 können entsprechende Referenzwerte abgelegt sein und je nach Bedarf von der Steuereinrichtung 40 ausgelesen werden. Ebenso ist es denkbar, daß von der Steuereinrichtung 40 erzeugte Werte in der Speichereinrichtung 42 abgelegt werden.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise einer solchen Hilfsenergieversorgungseinheit 30 beschrieben.
Über die Steuereinrichtung 40 ist beispielsweise eine intelligente Durchführung von Ladungszyklen für die Fahrzeugbatterie 21 möglich. Wenn von der Steuereinrichtung 40 ein entsprechendes Signal ausgeht, wird beispielsweise die Dosiereinrichtung 36 geöffnet, so daß der Energieträger aus dem Reservoir 37 in die Brennstoffzelle 31 eintreten kann. Damit wird die Brennstoffzelle 31 und somit auch die gesamte Hilfsenergieversorgungseinheit 30 aktiviert. Wenn die Dosiereinrichtung 36 über die Steuereinrichtung 40 geschlossen wird, wird die Brennstoffzelle 31 und damit die gesamte Hilfsenergieversorgungseinheit 30 abgeschaltet.
Die Steuereinrichtung 40 kann die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 beispielsweise zeitgesteuert, etwa auf der Basis einer Zeitschaltuhr, oder ladungsgesteuert in bezug auf den Ladungszustand der Batterie 21 steuern. Die eigentliche Steuerung der Hilfsenergieversorgungseinheit 30 kann dabei vorteilhaft über in der Rechnereinheit 41 abgelegte Programmittel erfolgen.
Nach Ablauf eines bestimmten Zeitraums, oder aber wenn die Batterie 21 einen bestimmten Ladungswert erreicht hat, wird dann die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 über die Steuereinrichtung 40 aktiviert. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß ein Verbrauch des Energieträgers für die Brennstoffzelle 31 nur dann auftritt, wenn die Bereitstellung elektrischer Energie über die Brennstoffzelle 31 auch tatsächlich erforderlich ist. So ist es beispielsweise denkbar, daß die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 über die Steuereinrichtung 40 erst dann aktiviert wird, wenn das Fahrzeug 10 länger als eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise länger als eine Woche, nicht bewegt worden ist.
Durch die gezielte Aktivierbarkeit der Hilfsenergieversorgungseinheit 30 lassen sich längere Wartungs- beziehungsweise Nachfüllintervalle für den Energieträger realisieren.
In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform einer Hilfsenergieversorgungseinheit 30 dargestellt. Die in Fig. 3 dargestellte Hilfsenergieversorgungseinheit 30 zeichnet sich durch eine anders ausgestaltete Brennstoffzelle 31 aus. Bei der in Fig. 3 dargestellten Brennstoffzelle 31 handelt es sich um eine SOFC-Brennstoffzelle, die bei Temperaturen von 800 bis 1.000°C betrieben wird. Aus diesem Grund ist die Brennstoffzelle 31 von einer geeigneten Isolation 43 umgeben. Der Grundaufbau der Hilfsenergieversorgungseinheit 30 entspricht jedoch der in Fig. 2 dargestellten Hilfsenergieversorgungseinheit 30, so daß gleiche Bauelemente mit identischen Bezugsziffern versehen sind und zum Grundaufbau auf die Ausführungen im Zusammenhang mit Fig. 2 verweisen wird. Die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 ist wiederum mit dem Bordnetz 22 verbunden.
In der für die SOFC-Brennstoffzelle 31 vorgesehenen Isolation 43 ist im Bereich der Kathode 32 ein Strömungskanal 44 vorgesehen, über den der Kathode der erforderliche Sauerstoff zugeführt wird, was durch Pfeil 38 dargestellt ist. Um zu vermeiden, daß die Anströmung der Kathode 32 über eine separate Förderungseinrichtung, wie beispielsweise eine Pumpe oder dergleichen, erfolgen muß, wird bei der in Fig. 3 dargestellten Brennstoffzelle 31 von dem Effekt der freien Konvektion (natürlicher Auftrieb von warmer Luft; warme Luft steigt nach oben, da sie leichter ist als kalte Luft) Gebrauch gemacht. Während des Betriebs der Brennstoffzelle 31 entsteht nämlich Wärme, die aus der Isolation 43 nach außen abgeführt werden muß. Die Wärme tritt über die Kathode 32 in den Kanal 44 ein und erwärmt die dort stehende Luft. Da die erwärmte Luft auf Grund der Konvektion zu strömen beginnt, entsteht ein Luftstrom 38, der die Kathode 32 mit Sauerstoff versorgt.
Als Energieträger für die SOFC-Brennstoffzelle 31 kann ein flüssiger Energieträger in Form von Benzin oder dergleichen eingesetzt werden. In diesem Fall kann es sich bei dem Reservoir 37 um den eigentlichen Kraftstofftank des Fahrzeugs 10 handeln, so daß kein separates Reservoir für den Energieträger erforderlich ist, was zu einer weiteren Reduzierung des Bauraums für die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 führt.
Durch den Einsatz der Hilfsenergieversorgungseinheit 30 auf der Basis der Brennstoffzellentechnologie im elektrischen System 20 wird erreicht, daß beim Stillstand des Fahrzeugs 10 auftretende Energieverluste zumindest in solch einem Maß ausgeglichen werden können, daß das Fahrzeug auch nach einer längeren Stillstandszeit immer noch gestartet werden kann. Dabei ist die Hilfsenergieversorgungseinheit 30, insbesondere die Brennstoffzelle 31, derart dimensioniert, daß sich der auftretende Energieverlust, der bei Fahrzeugen derzeit etwa 1 Watt beträgt, in ausreichendem Maß ausgeglichen werden kann. Da die zur Erzeugung einer solch geringen Leistung erforderlichen Brennstoffzellen sehr klein dimensioniert sind, kann weiterhin auch der Energieträger-Verbrauch der Brennstoffzellen sehr gering gehalten werden, so daß sich für die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 lange Wartungs- beziehungsweise Nachfüllintervalle ergeben.
Die Arbeitsweise der Hilfsenergieversorgungseinheit 30 zur Kompensation der auftretenden Energieverluste wird nun anhand von Fig. 4 beschrieben. In Fig. 4a ist zunächst ein Diagramm dargestellt, bei dem der Ladezustand L der elektrischen Energiequelle 21 über der Zeit t in Form einer Ladezustandskurve 50 dargestellt ist. In Fig. 4b ist ein Diagramm dargestellt, bei dem die von der Brennstoffzelle 31 abgegebene Leistung P über die Zeit t in Form einer Leistungskurve 60 dargestellt ist.
Wenn nun ein Fahrzeug über einen längeren Zeitraum abgestellt wird, führen die auftretenden Verluste sowie die Selbstentladung der Energiequelle 21 dazu, daß der Ladezustand L der Energiequelle stetig abnimmt. In Fig. 4a wird davon ausgegangen, daß der Ausgangsladezustand der Energiequelle 21 0.8 (80% der maximal möglichen Ladung) beträgt. Ab einem kritischen Ladezustand L0 ist die Energiequelle 21 soweit entladen, daß das Fahrzeug ohne fremde Hilfe nicht mehr gestartet werden kann. Sobald dieser kritische Ladezustand L0 zum Zeitpunkt t1 erreicht ist, wird die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 aktiviert. Dazu wird die Brennstoffzelle 31 in Betrieb genommen. Wie in Fig. 4b gezeigt ist, wird die Brennstoffzelle 31 im Ausführungsbeispiel derart betrieben, daß sie ab dem Zeitpunkt t1 zum Ausgleich der Energieverluste 100% ihrer Leistung P in das elektrische System 20 einspeist. Während der Ladezeit 70, die zwischen den beiden Zeitpunkten t1 und t2 liegt, wird die Energiequelle 31 aufgeladen, so daß deren Ladezustand erneut ansteigt (Kurve 50 in Fig. 4a). Wenn ein definierter Ladezustand - hier zum Zeitpunkt t2 - erreicht ist, wird die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 wieder abgeschaltet. Nun wird der Ladezustand der Energiequelle 21 im weiteren zeitlichen Verlauf wieder langsam abnehmen. Wenn der kritische Ladezustand L0 wiederum erreicht wird, wird die Hilfsenergieversorgungseinheit 30 erneut aktiviert.
Über die Leistungskapazität der Brennstoffzelle 31 läßt sich die Dauer der Ladezeit 70 und/oder der Abstand zwischen einzelnen Ladephasen (Aktivierungsphasen der Brennstoffzelle) gezielt einstellen. Bezugszeichenliste 10 Fahrzeug (beispielsweise Kraftfahrzeug)
20 elektrisches System
21 elektrische Energiequelle (beispielsweise Batterie)
22 elektrisches Netz (beispielsweise Bordnetz)
23 elektrischer Verbraucher (beispielsweise Alarmanlage)
24 elektrischer Verbraucher (beispielsweise Zentralverriegelung)
25 elektrischer Verbraucher (beispielsweise Radio)
26 elektrischer Verbraucher (beispielsweise Halbleiterschalter)
30 Hilfsenergieversorgungseinheit
31 Brennstoffzelle
32 Kathode
33 Anode
34 Membran
35 Zufuhr Energieträger
36 Dosiereinrichtung
37 Reservoir
38 Luftzufuhr
39 Wandler (beispielsweise DC/DC-Wandler)
40 Steuereinrichtung
41 Rechnereinheit
42 Speichereinrichtung
43 Isolation
44 Strömungskanal
50 Ladezustandskurve der elektrischen Energiequelle
60 Leistungskurve der Brennstoffzelle
70 Ladezeit
L Ladezustand der elektrischen Energiequelle
L0 kritischer Ladezustand der elektrischen Energiequelle
P Leistung der Brennstoffzelle
t Zeit

Claims

1. Elektrisches System mit einer Anzahl elektrischer Komponenten, die als wenigstens eine elektrische Energiequelle (21) und/oder wenigstens ein elektrischer Verbraucher (23, 24, 25, 26) und/oder wenigstens ein elektronisches System ausgebildet sind, wobei der elektrische Verbraucher (23, 24, 25, 26) und/oder das elektronische System über die elektrische Energiequelle (21) mit elektrischer Energie versorgt wird/werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von Energieverlusten bei wenigstens einer elektrischen Komponente (21, 23, 24, 25, 26) eine Hilfsenergieversorgungseinheit (30) vorgesehen ist und daß die Hilfsenergieversorgungseinheit (30) wenigstens eine Brennstoffzelle (31) aufweist, die mit einem Reservoir (37) für einen Energieträger verbunden ist.

2. Elektrisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsenergieversorgungseinheit (30) mehr als eine Brennstoffzelle (31) aufweist, und daß die Brennstoffzellen (31) zu einem Brennstoffzellen-Stack zusammengefaßt sind.

3. Elektrisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Komponenten (21, 23, 24, 25, 26) Bestandteil eines elektrischen Netzes (22) sind und daß die Hilfsenergieversorgungseinheit (30) zum Ausgleich von Energieverlusten im elektrischen Netz (22) ausgebildet ist.

4. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Brennstoffzelle (31) eine Leistung erzeugt, die an die Energieverluste in der wenigstens einen elektrischen Komponente (21, 23, 24, 25, 26) und/oder die Leistung im elektrischen Netz (22) angepaßt ist.

5. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Brennstoffzelle (31) mit einem flüssigen oder gasförmigen Energieträger betrieben wird.

6. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Reservoir (37) und Brennstoffzelle (31) wenigstens eine Dosiereinrichtung (36) vorgesehen ist.

7. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsenergieversorgungseinheit (30) wenigstens einen Wandler (39) zur Anpassung der Brennstoffzellenspannung an die Spannung der wenigstens einen elektrischen Komponente (21, 22, 23, 24, 25, 26) und/oder an die Spannung des elektrischen Netzes (22) aufweist.

8. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (40) zur Steuerung der Hilfsenergieversorgungseinheit (30) vorgesehen ist.

9. Elektrisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (40) Einschaltmittel und/oder Ausschaltmittel für die Hilfsenergieversorgungseinheit (30) aufweist.

10. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speichereinrichtung (42) vorgesehen ist.

11. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Anzeigemittel vorgesehen sind.

12. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (37) als Druckspeicher ausgebildet ist.

13. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (37) als Metall-Hydridspeicher ausgebildet ist.

14. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (37) mit einem Druckspeicher verbunden ist.

15. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (37) derart zur Brennstoffzelle (31) angeordnet ist, daß der Energieträger auf Grund der Schwerkraft in die Brennstoffzelle (31) gelangt.

16. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Brennstoffzelle (31) als DMFC- Brennstoffzelle ausgebildet ist.

17. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Brennstoffzelle (31) als PEM- Brennstoffzelle ausgebildet ist.

18. Elektrisches System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der PEM- Brennstoffzelle eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff vorgeschaltet ist.

19. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Brennstoffzelle (31) als SOFC- Brennstoffzelle ausgebildet ist.

20. Elektrisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Luftversorgung (38) für die Brennstoffzelle (31) vorgesehen sind.

21. Fahrzeug, mit einem Antrieb und einem elektrischen System (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 20.

22. Verwendung eines elektrischen Systems (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 in einem Fahrzeug (10), insbesondere in einem Bordnetz (22) eines Fahrzeugs (10).

23. Verwendung einer Hilfsenergieversorgungseinheit (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 als APU (Auxiliary Power Unit) in einem Fahrzeug (10), insbesondere in einem Bordnetz (22) eines Fahrzeugs (10).