DE102007007934A1 - Vehicle i.e. bus, has compressor connectable with vehicle wheels such that vehicle wheels drive compressor, and heat exchanger arranged downstream to compressor for cooling compressed air - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenantrieb, umfassend einen durch eine Brennstoffzelle mit Elektroenergie versorgten Elektroantrieb zum Antreiben der Fahrzeugräder und eine mit der Brennstoffzelle verbundene Luftversorgungseinrichtung, die einen Luftspeicher zur Speicherung von Druckluft und einen mit der Kathode der Brennstoffzelle verbindbaren und mit dem Luftspeicher verbindbaren ersten Kompressor zur Erzeugung von Druckluft umfasst.The The invention relates to a vehicle having a fuel cell drive, comprising a powered by a fuel cell with electric power Electric drive for driving the vehicle wheels and one with the fuel cell connected air supply device, the one Air storage for storing compressed air and one with the cathode connectable to the fuel cell and connectable to the air reservoir first compressor for generating compressed air comprises.
Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb wird der Elektroantrieb zum Antreiben der Fahrzeugräder durch eine Brennstoffzelle mit Elektroenergie versorgt. Die Brennstoffzelle ihrerseits wird im Allgemeinen durch einen Kompressor, der mit der Brennstoffzelle ständig verbunden ist, mit Luft versorgt. Der Kompressor verfügt üblicherweise über eine eigene Antriebseinrichtung, die wiederum von der Brennstoffzelle mit Elektroenergie versorgt wird. Die für den Antrieb des Kompressors benötigte Energie steht damit nicht mehr für den Elektroantrieb zur Verfügung. Insbesondere bei temporär hohen Leistungsanforderungen an den Elektroantrieb steigt auch der Leistungsbedarf für den Antrieb des Kompressors, so dass die für den Elektroantrieb bereitgestellte Elektroenergie mit steigender Leistungsanforderung um den ebenfalls steigenden Leistungsbedarf des Kompressors verringert wird. Diesen Zielkonflikt gilt es zu lösen.at Vehicles with fuel cell drive is the electric drive to Driving the vehicle wheels through a fuel cell supplied with electrical energy. The fuel cell in turn becomes generally by a compressor that works with the fuel cell constantly connected, supplied with air. The compressor usually has its own drive device, which in turn supplies electricity from the fuel cell becomes. The needed for the drive of the compressor Energy is therefore no longer for the electric drive Available. Especially with temporarily high performance requirements to the electric drive also increases the power requirement for the drive of the compressor, so that for the electric drive provided electric energy with increasing power requirement reduced by the likewise increasing power requirements of the compressor becomes. This conflict of objectives must be resolved.
Es sind Fahrzeuge, beispielsweise Busse, mit Brennstoffzellenantrieb bekannt, die ohne Hybridisierung, d. h. ohne irgendwelche Zwischenspeicher (Schwungrad, Batterie, Supercaps) betrieben werden. Diese Fahrzeuge haben einen entsprechend hohen Verbrauch, da sämtliche Leistungsanforderungen einschließlich der damit verbundenen Dynamik vom Brennstoffzellensystem bzw. vom Brennstoffzellenstack abgedeckt werden müssen. Des Weiteren sind Fahrzeuge bekannt (zum Beispiel verbrennungsmotorische Hybride und mit Brennstoffzellen betriebene Hybride), bei denen der Antrieb zum Teil über einen Verbrennungsmotor oder ein Brennstoffzellensystem, zum anderen über einen entsprechenden Zwischenspeicher wie Batterie, Supercaps oder ein Schwungrad übernommen wird. Diese Zwischenspeicher werden üblicherweise bei Bergabfahrt oder beim Bremsen mit Energie geladen (Rekuperation, Bremsenergierückgewinnung) und bei Bedarf (also Leistungsanforderung) entladen, bzw. wirken unterstützend für den Antrieb. Nachteilig bei diesen Zwischenspeichern sind die relativ hohen Kosten und das relativ hohe Gewicht, der zum Teil komplexe Aufbau und die bei entsprechender Betriebsweise eingeschränkte Lebensdauer. Die beschriebenen Zwischenspeicher haben des Weiteren den Nachteil, dass sie nur für die Zwischenspeicherung von Energie verwendet werden können und keine weiteren "Zusatzfunktionen" übernehmen können, die in sonstiger Art und Weise von Vorteil wären.It are vehicles, such as buses, fuel cell powered known that without hybridization, d. H. without any intermediate storage (flywheel, Battery, supercaps). These vehicles have one correspondingly high consumption, since all performance requirements including the associated dynamics of the fuel cell system or have to be covered by the fuel cell stack. Furthermore, vehicles are known (for example, combustion engine Hybrid and fuel cell hybrid), in which the drive partly via an internal combustion engine or a fuel cell system, on the other hand via a corresponding Cached storage such as battery, supercaps or a flywheel becomes. These buffers are usually downhill or charged with energy during braking (recuperation, brake energy recovery) and if necessary (ie power requirement) unloaded, or act supporting the drive. A disadvantage of These caches are the relatively high cost and the relative high weight, partly complex construction and the corresponding at Operation limited life. The described Caches have the further disadvantage that they only for the caching of energy can be used and can not take on any additional "additional functions", which would be beneficial in any other way.
Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb anzugeben, bei dem der für die Brennstoffzelle benötigte Luftmassenstrom zumindest teilweise unter Einsatz zurückgewonnener Energie erzeugt werden kann.outgoing From this prior art it is an object of the present invention Invention to provide a fuel cell powered vehicle in which the air mass flow required for the fuel cell at least partially using recovered energy can be generated.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.According to the invention These tasks are solved by a vehicle with the features of claim 1
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.advantageous Embodiments and developments of the invention are in the dependent Claims described.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb umfasst einen durch eine Brennstoffzelle mit Elektroenergie versorgten Elektroantrieb zum Antreiben der Fahrzeugräder und eine mit der Brennstoffzelle verbundene Luftversorgungseinrichtung, die einen Luftspeicher zur Speicherung von Druckluft und einen mit der Kathode der Brennstoffzelle verbindbaren und mit dem Luftspeicher verbindbaren ersten Kompressor zur Erzeugung von Druckluft umfasst und ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompressor mit mindestens einem Fahrzeugrad so verbindbar ist, dass das Fahrzeugrad den ersten Kompressor während der Fahrt antreibt. Hierdurch ist eine bedarfsgerechtere Bereitstellung von Druckluft für die Versorgung der Brennstoffzelle ermöglicht. Darüber hinaus wird hierbei bevorzugt ein möglichst geringer Anteil der von der Brennstoffzelle erzeugten Energie zur Erzeugung der Druckluft verbraucht. Ferner sind die Rückgewinnung eines Teils der für den Antrieb des Fahrzeugs aufgewendeten Energie und damit die Einsparung von Kraftstoff ermöglicht.The fuel cell powered vehicle of the present invention includes an electric power supplied by a fuel cell with electric power powered to drive the vehicle wheels and an air supply device connected to the fuel cell, which comprises an air reservoir for storing compressed air and connectable to the cathode of the fuel cell and connectable to the air storage first compressor for generating compressed air and is characterized in that the first compressor with at least one vehicle wheel is connectable so that the vehicle wheel drives the first compressor while driving. This makes it possible to supply compressed air as needed for the supply of the fuel cell. In addition, in this case preferably a small proportion of the energy generated by the fuel cell is consumed to generate the compressed air. Furthermore, the recovery of a portion of the energy used for driving the vehicle and thus the saving of fuel are possible.
Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug wird die beim Bremsen zurückgewinnbare Energie zumindest teilweise dadurch genutzt, dass mindestens ein Kompressor (Luftverdichter) beim Bremsen beispielsweise durch ein zwischengeschaltetes Getriebe und/oder eine Kupplung mit einem Fahrzeugrad oder einer Achse des Fahrzeuges so in Wirkverbindung gebracht werden kann, dass vom Kompressor Luft aus der Umgebung angesaugt, verdich tet und in einem Luftspeicher zwischengespeichert wird. Der Kompressor und der Luftspeicher sind vorzugsweise aus Druckluftbremsanlagen bei Nutzfahrzeugen bekannte Komponenten, da diese kostengünstig sind.at the vehicle according to the invention is when braking recoverable energy used at least partially by that at least one compressor (air compressor) during braking, for example by an intermediate gear and / or a clutch with a vehicle wheel or an axle of the vehicle so in operative connection can be brought that from the compressor air from the environment sucked, compaction tet and cached in an air storage becomes. The compressor and the air reservoir are preferably off Compressed air brake systems in commercial vehicles known components, since These are inexpensive.
Die in einem oder mehreren Luftspeichern gespeicherte Druckluft kann mehrfach und/oder für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. Die im Luftspeicher gespeicherte und unter Druck stehende Luft kann bei Anfahrvorgängen zum Beispiel eine Entlastung des Kompressors (des Brennstoffzellensystems) übernehmen, was zu einer geringeren notwendigen Leistung der Brennstoffzelle und damit zur Kraftstoffeinsparung führt. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, da der Kompressor bei Brennstoffzellensystemen der Nebenverbraucher mit der größten notwendigen Leistung ist (kann ca. 10% bis 15% einer Brennstoffzellenstackleistung betragen). Dadurch, dass bei Laständerungen (nach oben, d. h. mehr Last) der notwendige Luftmassenstrom teilweise aus dem oder den Luftspeichern bezogen werden kann, wird der Kompressor entlastet, was zu Kraftstoffeinsparungen und zu einer verbesserten, d. h. höheren Dynamik des Brennstoffzellensystems führt, ohne zusätzlichen (energetischen) Aufwand.The can be stored in one or more air tanks stored compressed air used repeatedly and / or for different purposes become. The air stored in the air reservoir and pressurized air For example, when starting up, it may relieve the load Compressor (the fuel cell system) take over what to a lower necessary performance of the fuel cell and thus leading to fuel savings. This is why particularly advantageous because the compressor in fuel cell systems the secondary consumer with the largest necessary Performance is (can be about 10% to 15% of a fuel cell stack performance be). Because when load changes (upward, d. H. more load) the necessary air mass flow partly from the or the air reservoirs, the compressor is resulting in fuel savings and improved fuel economy d. H. higher dynamics of the fuel cell system leads, without additional (energetic) effort.
Außerdem lassen sich durch die zusätzlich zu dem aus dem Kompressor des Brennstoffzellensystems stammenden Luftstrom und dem aus dem oder den Luftspeichern stammenden Luftstrom so genannte Boostfunktionen, d. h. die Erfüllung einer kurzfristigen Leistungsanforderung, die über der eigentlichen maximalen Dauerleistung des Brennstoffzellensystems liegt, darstellen, ohne dass hierfür ein Kompressor (des Brennstoffzellensystems) diese "Zusatzleistung" abdecken können muss. Diese Boostfunktion lässt sich damit auch relativ verbrauchsarm realisieren, da der kurzfristig notwendige Zusatzluftstrom für die Boostfunktion durch Druckluft aus dem Luftspeicher entnommen werden kann. Die Leistungskennlinie bzw. die Leistungsspitzen des Kompressors des Brennstoffzellensystems lassen sich durch die im Luftspeicher gespeicherte Druckluft somit kappen, was zu einem verbesserten dynamischen Verhalten und zu Kraftstoffeinsparungen führt.Furthermore Let's go through the addition to that from the compressor of the fuel cell system derived air stream and that of the or the air reservoirs derived airflow so-called boost functions, d. H. the fulfillment of a short-term performance requirement, the above the actual maximum continuous power of the fuel cell system is, without this a compressor (the Fuel cell system) can cover this "additional power" got to. This boost function is also relatively easy realize low consumption, since the short-term necessary additional air flow for the boost function by compressed air from the air reservoir can be removed. The power characteristic or the power peaks the compressor of the fuel cell system can be through the Thus stored in the air storage compressed air thus cut off, resulting in a improved dynamic behavior and fuel savings leads.
Eine weitere Option zur Verwendung der in dem Luftspeicher gespeicherten Druckluft ergibt sich für eine verbesserte Startfähigkeit (auch Kaltstartfähigkeit) bzw. für damit im Zusammenhang stehende Anfahr- und Abfahrvorgänge des Brennstoffzellensystems (Startup/Shutdown) oder Spülverfahren (Purgeprozeduren), wie nachfolgend näher beschrieben wird.A another option to use the stored in the air storage Compressed air results in improved startability (also cold start capability) or for related standing start-up and shutdown processes of the fuel cell system (Startup / shutdown) or rinsing (purge) procedures, as described in more detail below.
Ein weiterer Vorteil ist, dass auch dann, wenn der Luftspeicher voll ist, die volle Bremsverzögerung sicher gestellt ist, beispielsweise indem Druckluft aus dem Luftspeicher oder direkt nach der Verdichtung abgeblasen wird. Im Gegensatz zu Hybridantrieben mit Stromspeichern ist zum Erreichen der vollen Bremsverzögerung, unabhängig von einem Füllgrad des Speichers, kein spezielles Bremssystem notwendig (mechanisch/hydraulisch), welches bei den Stromspeichern den Teil der Bremsenergie abbaut, der durch den vollen Speicher nicht mehr durch die elektrische (regenerative) Bremseinrichtung übernommen werden kann.One Another advantage is that even when the air reservoir is full is, the full braking deceleration is ensured, for example by removing compressed air from the air reservoir or directly after compression is blown off. Unlike hybrid drives with power storage is independent to achieve full braking deceleration from a filling level of the memory, no special braking system necessary (mechanical / hydraulic), which in the power storage breaks down the part of the braking energy that passes through the full store no longer taken over by the electrical (regenerative) braking device can be.
Ausgehend von einem bekannten Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb, bei dem ein Kompressor permanent mit der Brennstoffzelle verbunden ist, kann eine Verbesserung im Sinne der Ziele der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht werden, dass bei dem oben beschriebenen Fahrzeug weiterhin eine Umschalteinheit vorgesehen ist, durch die der erste Kompressor zu jeder Zeit entweder nur mit der Kathode der Brennstoffzelle o der nur mit dem Luftspeicher verbindbar ist und dass ein zweiter Kompressor vorgesehen ist, der ständig mit der Kathode der Brennstoffzelle verbunden ist.outgoing from a known fuel cell powered vehicle in which a compressor is permanently connected to the fuel cell can an improvement in terms of the objectives of the present invention be achieved in that in the vehicle described above Furthermore, a switching unit is provided, through which the first Compressor either at all times only with the cathode of the fuel cell o which is connectable only to the air storage and that a second Compressor is provided, which is constantly connected to the cathode Fuel cell is connected.
Dabei ist der hier als zweiter Kompressor bezeichnete Luftverdichter der ohnehin vorhandene, ständig mit der Brennstoffzelle verbundene Kompressor, während der erste Kompressor einen zusätzlichen Luftverdichter darstellt, der über die Umschalteinheit stets nur mit einer der Komponenten Luftspeicher oder Brennstoffzelle verbunden ist, so dass entweder der Luftspeicher befällt wird, um Energie zu speichern, oder der vom zweiten Kompressor der Brennstoffzelle zugeleitete Luftmassenstrom durch den ersten Kompressor verstärkt wird, beispielsweise um Spitzen in der Leistungsanforderung des Elektroantriebs abzudecken.Here, the air compressor referred to here as the second compressor is the already existing, constantly connected to the fuel cell compressor, while the first compressor is an additional air compressor, which is always connected via the switching unit only one of the components air storage or fuel cell, so that either the air reservoir is used to store energy, or that of the second compressor Fuel cell supplied mass air flow is amplified by the first compressor, for example, to cover peaks in the power requirement of the electric drive.
Soll der erste Kompressor ohne zusätzlichen Brennstoffverbrauch betrieben werden, um – wie oben beschrieben – Energie zwischenzuspeichern oder den Luftmassenstrom des zweiten Kompressors zu verstärken, kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Wirkverbindung zwischen dem ersten Kompressor und dem Fahrzeugrad bzw. einer Achse des Fahrzeugs nur beim Bremsen hergestellt wird, indem zum Beispiel eine Wirkverbindung zwischen der Bremseinrichtung und dem ersten Kompressor vorgesehen wird. Auf diese Weise wird gleichzeitig mit der Betätigung der Betriebsbremse des Fahrzeugs der erste Kompressor angetrieben und so die ansonsten verlorene Bremsenergie genutzt.Should the first compressor without additional fuel consumption be operated to - as described above - energy temporarily store or the air mass flow of the second compressor can be advantageous provided that the Operative connection between the first compressor and the vehicle wheel or an axle of the vehicle is made only during braking, by, for example, an operative connection between the braking device and the first compressor is provided. This way will simultaneously with the operation of the service brake of Vehicle the first compressor driven and so the otherwise used lost braking energy.
Um generell eine hohe Bremswirkung bei gleichzeitig geringem Raum- und Gewichtsbedarf des Luftspeichers sicherzustellen, ist es vorteilhaft, bei dem mit der Antriebsachse verbindbaren ersten Kompressor einen Mehrstufenverdichter, vorzugswei se mit jeweiliger Zwischenkühlung, zu verwenden. Aufgrund des damit erzielbaren hohen Druckniveaus lässt sich mehr Luftmasse bei gleichen geometrischen Abmessungen im Luftspeicher unterbringen als bei nur einstufiger Verdichtung. Weiter vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass vor und/oder nach dem Luftspeicher (also eingangs- und/oder ausgangsseitig) ein Filter (Aktivkohlefilter) angebracht ist, der potentielle Verschmutzungen und Partikel aus dem Luftmassenstrom herausfiltert. Die Ankopplung des ersten Kompressors an den Elektroantrieb bzw. an ein Fahrzeugrad des Fahrzeugs oder eine Antriebsachse kann beispielsweise so erfolgen, dass der Luftverdichter je nach Luftdruckbedarf für die oben genannten Prozesse und Anwendungsmöglichkeiten zugeschaltet wird. Dies bringt in diesem Betriebsmodus keine Kraftstoffeinsparung, sichert aber gegebenenfalls die ausreichende Druckluftversorgung für die oben genannten Prozesse und Anwendungen ab, ohne dass hierfür ein sehr großes Luftspeichervolumen installiert werden muss.Around generally a high braking effect with low spatial and to ensure weight requirement of the air reservoir, it is advantageous in the first compressor connectable to the drive axle, a multi-stage compressor, vorzugswei se with respective intermediate cooling to use. Due to the achievable high pressure levels leaves more air mass with the same geometric dimensions in the air reservoir accommodate than with single-stage compression. Further advantageous can be provided that before and / or after the air storage (ie input and / or output side) a filter (activated carbon filter) is attached, the potential contamination and particles from the Air mass flow filters out. The coupling of the first compressor to the electric drive or to a vehicle wheel of the vehicle or For example, a drive axle can be made such that the air compressor depending on the air pressure required for the above processes and applications is switched on. This brings no fuel saving in this mode of operation, but secures if necessary the adequate compressed air supply for the above mentioned Processes and applications from, without this a very large air storage volume must be installed.
Bei dem beschriebenen Brennstoffzellensystem mit im Luftspeicher gespeicherter, durch Bremsenergie erzeugter Druckluft besteht die Möglichkeit, beim Startvorgang den zweiten Kompressor zu unterstützen, so dass dieser weniger Energie benötigt und mehr Energie aus dem Brennstoffzellensystem dem Fahrantrieb zur Verfügung gestellt werden kann.at the fuel cell system described with stored in the air storage, by compressed air generated by compressed air, it is possible during the Startup process to support the second compressor, so that this requires less energy and more energy the fuel cell system the drive available can be made.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass stromabwärts hinter dem ersten Kompressor mindestens ein Wärmetauscher zur Kühlung der Druckluft vorgesehen ist. Diese Wärmetauscher können vorteilhaft dadurch ausgenutzt werden, dass die Sekundärseite eines Wärmetauschers in den Kühlkreislauf der Brennstoffzelle bzw. in einen Kreislauf zum Vorwärmen von Fluidströmen einbezogen ist.In An embodiment of the invention can be provided that downstream at least one heat exchanger behind the first compressor is provided for cooling the compressed air. These heat exchangers can be advantageously exploited by the Secondary side of a heat exchanger in the cooling circuit the fuel cell or in a circuit for preheating of fluid flows is involved.
Die bei der Verdichtung entstehende Abwärme kann über einen Wärmetauscher dem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle zugeführt werden. Da der Betrieb des Kompressors, d. h. die Verdichtung, vor allem dann stattfindet, wenn verzögert bzw. gebremst wird, läuft das Brennstoffzellensystem im niedrigen Lastbereich und trägt nur eine minimale Wärmeleistung in den Kühlkreislauf ein, so dass die bei der Verdichtung entstehende Abwärme ohne die Gefahr einer Überlastung des Kühlkreislaufes aufgenommen werden kann; dies trägt eher dazu bei, dass der Kühlkreis auf Temperatur bleibt und das Brennstoffzellensystem nicht auskühlt bzw. das bei erforderlicher Heizung des Fahrzeuginnenraums noch genügend Heizwärme zur Verfügung steht. Alternativ kann die bei der Verdichtung entstehende Abwärme bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellensystem mit Reformierung/Gaserzeugung auch zur Vorwärmung von Fluidströmen verwendet werden, die bei der Reformierung/Gaserzeugung erhitzt werden müssen.The Waste heat generated during compression can over a heat exchanger to the cooling circuit of the fuel cell be supplied. Since the operation of the compressor, i. H. the compression, especially takes place when delayed or braked, the fuel cell system runs in low load range and carries only a minimum heat output in the cooling circuit, so that during compression resulting waste heat without the risk of overloading the cooling circuit can be recorded; this carries more likely to keep the cooling circuit at temperature and the fuel cell system does not cool or the with required heating of the vehicle interior still enough heating heat is available. Alternatively, in the compression resulting waste heat in vehicles with fuel cell system with reforming / gas generation also for preheating fluid streams used in the reforming / gas generation heated Need to become.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mindestens eine mit dem Luftspeicher verbindbare Zerstäubungseinrichtung zur Zerstäubung von Fluiden vorgesehen ist. Dabei kann beispielsweise eine Zerstäubungseinrichtung als Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung des Luftmassenstroms mit Wasser und/oder zur Zerstäubung eines Brennstoffs bei der Gaserzeugung ausgeführt sein. Weiter kann mit der im Speicherbehälter befindlichen Druckluft eine Gaserzeugungs- bzw. Reformierungseinheit versorgt werden. Insbesondere einem (katalytischen) Brenner, einer Gasreinigungseinheit (z. B. partielle Oxidation) oder einer sonstigen Komponenten innerhalb oder an der Gaserzeugungseinheit kann Druckluft zudosiert werden.Farther can be provided that at least one with the air reservoir connectable atomizing device for atomization of fluids is provided. In this case, for example, a sputtering device as moistening device for moistening the air mass flow with water and / or to atomize a fuel be carried out the gas generation. Continue with the im Compressed air is a gas generating or reforming unit are supplied. In particular, a (catalytic) Burner, a gas purification unit (eg partial oxidation) or other components within or at the gas generating unit compressed air can be added.
Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die im Luftspeicher gespeicherte Druckluft in einem ersten Ausführungsbeispiel zur Realisierung einer Befeuchtungseinrichtung herangezogen. Über das hohe Druckniveau der gespeicherten Druckluft lässt sich zum Beispiel eine Zweistoffdüse zur Zerstäubung von Wasser realisieren. Auch die Zerstäubung von anderen Fluiden als Wasser kann, insbesondere im Zusammenhang mit einem Brennstoffzellensystem mit Gaserzeugung und Reformierung, zum Beispiel durch die Zerstäubung von Methanol und Ethanol (auch im Gemisch mit Wasser) zusammen mit der gespeicherten Luft in einer Zweistoffdüse, vorteilhaft genutzt werden. Eine weitere Möglichkeit der Nutzung der gespeicherten Druckluft besteht im Betrieb eines (katalytischen) Brenners innerhalb eines Gaserzeugungssystems, so dass sich insgesamt auch für Brennstoffzellensysteme mit Gaserzeugung eine verbesserte Dynamik erzielen lässt.In this embodiment of the invention, the compressed air stored in the air reservoir is used in a first embodiment for the realization of a moistening device. The high pressure level of the stored compressed air makes it possible, for example, to realize a two-substance nozzle for atomising water. The atomization of fluids other than water, especially in connection with a fuel cell system with gas generation and reforming, for example, by the atomization of methanol and ethanol (also in admixture with water) together with the stored air in a two-fluid nozzle, can be used advantageously. Another way of using the stored compressed air is in the operation of a (catalytic) burner within a gas generating system, so that in total for fuel cell systems with gas generation to achieve improved dynamics.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass weiterhin eine vor der Kathode der Brennstoffzelle angeordnete Umschalteinheit zur Aufteilung des Luftmassenstroms in zwei Teilströme und zur Zuführung eines Teilstroms zur Anode der Brennstoffzelle vorgesehen ist.In a development of the invention is provided that continue a switching unit arranged in front of the cathode of the fuel cell for the division of the air mass flow into two partial flows and for supplying a partial flow to the anode of the fuel cell is provided.
Die gespeicherte Druckluft kann in dieser Ausgestaltung der Erfindung auch dazu verwendet werden, vor der Einleitung des Startvorgangs (d. h. ohne Kompressor) das in der Brennstoffzelle und den Rohrleitungen angesammelte und den Startvorgang behindernde Wasser mit relativ hohem Druck durch Druckluft aus dem Luftspeicher auszublasen, was einen schnelleren und besseren Start ermöglicht. Die gespeicherte Druckluft kann daneben auch für Spül- oder Abschaltvorgänge (= so genannte Purge- oder Shutdownprozeduren) verwendet werden, um das Brennstoffzellensystem und den Brennstoffzellenstack trocken zu blasen. Weiter besteht die Möglichkeit, dass das innerhalb des Brennstoffzellensystems durch das Auskühlen nach dem Abstellen des Fahrzeugs kondensierte Wasser (bei kalten Temperaturen mit der Gefahr des Ein- bzw. Festfrierens verbunden) sukzessive (zum Beispiel der Abkühlkurve folgend, während der Nacht ohne Anlaufen des Kompressors) auszublasen und dadurch das Einfrieren des Wassers im System zu verhindern.The stored compressed air can in this embodiment of the invention also be used before starting the boot process (that is, without a compressor) in the fuel cell and piping accumulated and the startup obstructing water with relative high pressure by compressed air from the air reservoir to blow out what a faster and better start possible. The saved Compressed air can also be used for flushing or shutdown (= so-called purge or shutdown procedures) can be used, to dry the fuel cell system and the fuel cell stack blow. Next there is the possibility that within of the fuel cell system by cooling after the Parking the vehicle condensed water (in cold temperatures associated with the risk of freezing or freezing) successively (for example following the cooling curve while the night without starting the compressor) and thereby blow to prevent the freezing of water in the system.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts hinter der Brennstoffzelle mindestens ein Drosselelement zur Erzeugung eines einstellbaren Staudrucks vorgesehen ist.In Another embodiment of the invention is provided that downstream behind the fuel cell at least one throttle element for generating an adjustable dynamic pressure is provided.
Dadurch kann die im Luftspeicher gespeicherte Luft bei Fahrzeugstillstand (beim Brennstoffzellenbus zum Beispiel Anhalten an einer Bushaltestelle) zur alleinigen Versorgung der Brennstoffzelle genutzt werden, wobei sich dann die Brennstoffzelle auf Minimallast, d. h. sehr kleine Massenströme der Fluide Luft und Brennstoff, befindet. Dies hat den Vorteil, dass beim Fahrzeugstillstand (Brennstoffzellen-System läuft) keine störenden Kompressorgeräusche zu hören sind. Das Brennstoffzellensystem läuft praktisch lautlos mit den Drücken aus dem Luftspeicher und dem Wasserstofftank.Thereby can store the air stored in the air storage at vehicle standstill (at the fuel cell bus, for example, stopping at a bus stop) be used for the sole supply of the fuel cell, wherein then the fuel cell to minimum load, d. H. very small Mass flows of the fluids air and fuel, is located. This has the advantage that when the vehicle is stationary (fuel cell system running) no disturbing compressor noise can be heard. The fuel cell system runs practically silent with the pressures from the air reservoir and the hydrogen tank.
Hierbei besteht weiterhin die Möglichkeit, dass in diesem Betriebszustand das gesamte Druckniveau (Anode und Kathode), durch zunehmendes Schließen der auf der Ausgangsseite der Brennstoffzelle befindlichen Drosselelemente angehoben wird, was zu einer deutlichen Anhebung der U-I-Kennlinie und damit zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt. Die Anhebung des gesamten Druckniveaus ist deshalb möglich, weil beide Fluidströme, also Wasserstoff und Luft, aus Tanks kommen, deren Druckniveau deutlich höher liegt als der übliche Betriebs druck der Brennstoffzelle, bzw. Luft auf einem Druckniveau zur Verfügung gestellt werden kann, das deutlich höher liegt als das, welches der Kompressor des Brennstoffzellensystems zur Verfügung stellen kann.in this connection there is still the possibility that in this operating condition the entire pressure level (anode and cathode), by increasing closing the throttle elements located on the output side of the fuel cell is raised, resulting in a significant increase in the U-I characteristic and thus leading to improved efficiency. The raising the entire pressure level is possible because both Fluid streams, ie hydrogen and air, come from tanks, their pressure level is much higher than the usual Operating pressure of the fuel cell, or air at a pressure level can be made that much higher as that which is the compressor of the fuel cell system can provide.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung steht der zweite Kompressor mit einer Expansionsmaschine so in Wirkverbindung steht, dass die Expansionsmaschine im Betrieb des Fahrzeugs den zweiten Kompressor antreibt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Expansionsmaschine stromabwärts hinter der Brennstoffzelle so angeordnet ist, dass die aus der Brennstoffzelle austretenden Gase die Expansionsmaschine antreiben. Alternativ ist vorgesehen, dass die Expansionsmaschine zwischen dem Luftspeicher und der Brennstoffzelle so angeordnet ist, dass die aus dem Luftspeicher austretende Druckluft die Expansionsmaschine antreibt. Bei der letzteren Alternative ist weiterhin vorteilhaft zum Befüllen des Luftspeichers ein Bypass zur Umgehung der Expansionsmaschine vorgesehen, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten.According to one Another embodiment of the invention is the second compressor is in operative connection with an expansion machine, that the Expansion engine in the operation of the vehicle the second compressor drives. It can be provided that the expansion machine downstream of the fuel cell is arranged so that the gases leaving the fuel cell are the expansion engine drive. Alternatively, it is provided that the expansion machine between the air reservoir and the fuel cell so arranged is that the compressed air emerging from the air reservoir, the expansion machine drives. In the latter alternative is also advantageous to bypass the air reservoir bypass to bypass The expansion machine provided a trouble-free To ensure operation.
Bei dem beschriebenen erfindungsgemäßen Fahrzeug ist es unter Verwendung von gespeicherter Druckluft möglich, das Brennstoffzellensystem ohne Batterie oder sonstige Stromspeichereinheit zu starten. Dies kann einfach dadurch realisiert werden, dass die gespeicherte Druckluft und der in den Wasserstofftanks gespeicherte Wasserstoff über ein schaltbares Ventil (das beim Start zu betätigen ist) für die Brennstoffzelle freigegeben wird und jeweils der Kathode bzw. Anode zugeführt wird. An der Brennstoffzelle selbst kann dann elektrische Leistung abgenommen werden, die zum Start des zweiten Kompressors des Brennstoffzellensystems verwendet wird und dieser dann nach einiger Zeit die komplette Versorgung der Kathode der Brennstoffzelle übernimmt. Dies bedeutet, dass das Fahrzeug, in welchem ein solches System mit Druckluftspeicherung verbaut ist, ohne jegliche Art von Stromspeicher auskommen könnte, was erhebliche Einsparung an Kosten (und eventuell Gewicht) zur Folge hat.at the described vehicle according to the invention it is possible using stored compressed air, the fuel cell system without battery or other power storage unit to start. This can be realized simply by the fact that the stored compressed air and stored in the hydrogen tanks Hydrogen via a switchable valve (at the start to be actuated) is released for the fuel cell is and in each case the cathode or anode is supplied. At the fuel cell itself can then be removed electrical power Be the start of the second compressor of the fuel cell system is used and this then after some time the complete supply the cathode of the fuel cell takes over. This means, that the vehicle in which installed such a system with compressed air storage is, could do without any kind of electricity storage, which saves a considerable amount of money (and possibly weight) Episode has.
Das gesamte System ist als eine Art "Low-Cost"-Hybridsystem für Brennstoffzellenbusse (auch für Schienenfahrzeuge) zu sehen, bei denen man nicht den Weg einer komplexen und teuren Stromspeicherung bei der Bremsenergierückgewinnung gehen möchte, aber dennoch das Potenzial hat, Kraftstoff (mit Hilfe von Bremsenergierückgewinnung) einzusparen und die gespeicherte Energie in anderer Art und Weise zu nutzen, als dies bei Systemen mit elektrischer Bremsenergierückgewinnung der Fall ist. Wie bereits beschrieben, kann ein solches System prinzipiell aus Komponenten aufgebaut werden, wie sie in der Druckluftanlage von Nutzfahrzeugen Verwendung finden (Hubkolbenverdichter, Luftspeicher). Es könnte theoretisch auch vorgesehen sein, die Druckluftbremsanlage bzw. ein anderes am Fahrzeug vorhandenes pneumatisches System mit dem Bremseenergierückgewinnungssystem zu koppeln, d. h. dass zum Beispiel untereinander Luftmassen ausgetauscht werden können.The entire system is seen as a kind of "low-cost" hybrid system for fuel cell buses (also for rail vehicles), where you do not want to go the way of complex and expensive energy storage in brake energy reclamation, but still have the potential to use fuel (with Help of brake energy recuperation) and to use the stored energy in a different way than is the case with systems with electrical brake energy recuperation. As already described, such a system can in principle be constructed from components such as are used in the compressed air system of commercial vehicles (reciprocating compressor, air storage). It could theoretically also be provided, the air brake system or another To couple on the vehicle existing pneumatic system with the brake energy recovery system, ie that, for example, air masses can be exchanged with each other.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:following The invention is based on an embodiment and associated drawings explained in more detail. Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts are in all figures with the same reference numerals Mistake.
Das
Ausführungsbeispiel in
Ein
zweiter Kompressor
In
Das beschriebene Speichersystem (Luftspeicherung) ist mit anderen Arten von bei Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeugen verwendeten Speichern kombinierbar (z. B. Stromspeicherung und Luftspeicherung).The described storage system (air storage) is with other types of memories used in hybrid and fuel cell vehicles combinable (eg power storage and air storage).
Am
Luftspeicher
- 11
- Achseaxis
- 22
- Fahrzeugrädervehicle wheels
- 33
- Elektroantriebelectric drive
- 44
- Erster Kompressorfirst compressor
- 55
- Saugtraktintake system
- 66
- Erste UmschalteinheitFirst switching
- 77
- Luftspeicherair storage
- 88th
- Brennstoffzelle fuel cell
- 8.18.1
- Kathodecathode
- 8.28.2
- Anodeanode
- 99
- Zweiter Kompressorsecond compressor
- 1010
- Zweite UmschalteinheitSecond switching
- 1111
- Wärmetauscherheat exchangers
- 1212
- Zerstäubungseinrichtungatomizing
- 1313
- Zuleitungsupply
- 1414
- Erstes Drosselelementfirst throttle element
- 1515
- Zweites Drosselelementsecond throttle element
- 1616
- Expansionsmaschineexpander
- 1717
- Kompressorantriebcompressor drive
- 1818
- GaserzeugungseinheitGas generation unit
- 1919
- Katalytischer Brennercatalytic burner
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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