DE102008056064A1

DE102008056064A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie zur Montage auf einem Fahrzeugdach

Info

Publication number: DE102008056064A1
Application number: DE102008056064A
Authority: DE
Inventors: Joachim Seitz
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-06

Abstract

Eine Vorrichtung dient zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die Vorrichtung ist dabei auf ein Fahrzeugdach, insbesondere das Dach eines Omnibusses, montiert. Die Vorrichtung weist zumindest ein Brennstoffzellensystem (4) auf. Das Brennstoffzellensystem (4) weist mindestens eine Luftversorgungseinrichtung und mindestens eine Brennstoffzelle (6) auf. Erfindungsgemäß ist eine Ansaugöffnung (17) der Luftversorgungseinrichtung in Richtung einer gegenüber einem Fahrgastraum geschlossenen Dachfläche (2) des Fahrzeugs (1) ausgerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, welche auf einem Fahrzeugdach, insbesondere dem Dach eines Omnibus, montiert ist, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Gattungsgemäße Vorrichtungen zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines Brennstoffzellensystems sind aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Vorrichtungen können dabei zur Erzeugung von elektrischer Energie für Hilfsaggregate und Nebenantriebe ebenso eingesetzt werden, wie zur Erzeugung von elektrischer Energie zum Antrieb des Fahrzeugs, wobei unter der Bezeichnung Fahrzeug jedwedes Fahrzeug zu Wasser, zu Lande oder in der Luft verstanden werden muss.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 50 177 A1 ist ein Dachmodul für ein Fahrzeug bekannt, welches eine integrierte Klimaanlage aufweist. Das Dachmodul weist neben der integrierten Klimaanlage insbesondere auch ein Brennstoffzellensystem mit einer Reformierungseinrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Brennmittel auf. Die in dem System integrierte Klimaanlage korrespondiert dabei über entsprechende Öffnungen in dem Fahrzeugdach mit dem Fahrgastinnenraum.
Ein vergleichbares System ist in der DE 10 2005 028 853 A1 beschrieben. Bei dem dort dargestellten Aufbau handelt es sich um eine Funktionseinheit für ein Fahrzeugdach, insbesondere ein Omnibusdach, das über wenigstens eine mit einer Dachluke verschließbare Dachöffnung und eine aufgesetzte oder dachintegrierte Funktionseinheit verfügt. Hier ist ferner beschrieben, dass es sich bei der Funktionseinheit um eine Brennstoffzelle handeln kann.
Lediglich in der erstgenannten DE 103 50 177 A1 wird dabei ein Lufteinlass beschrieben, welcher jedoch lediglich zur Kühlung der Kondensatoren beziehungsweise Kühler für die Brennstoffzelle dient. In der zweitgenannten DE 10 2005 028 853 A1 wird am Ausführungsbeispiel nur die Klimaanlage beschrieben, welche Luft aus dem Fahrzeuginnenraum oder durch die Dachluke aus dem das Fahrzeug umgebenden Luftraum ansaugt, um die Fahrgastzelle entsprechend zu klimatisieren. Dies entspricht dabei dem in der erstgenannten Schrift beschriebenen Aufbau mit den Dachöffnungen zwischen der Funktionseinheit auf dem Dach und dem Fahrgastraum.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, welche auf einem Fahrzeugdach montiert ist, zu schaffen, die in der Lage ist, einen dauerhaften und zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, und dabei so ausreichend mit den erforderlichen Medien versorgt werden kann, dass auch hohe Leistungen über einen langen Zeitraum hinweg zuverlässig abgerufen werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die Ansaugung der für die Brennstoffzelle benötigten Luft über dem gegenüber dem Fahrgastraum geschlossenen Dach kann erreicht werden, dass eine ausreichend hohe Menge an frischer Luft angesaugt werden kann. Die Luftansaugung beeinflusst dabei weder die Luftqualität noch die Luftmenge im Fahrgastraum und aufgrund des geschlossenen Dachs zwischen der Luftansaugung und des Fahrgastraums kommt es auch nicht zu entsprechenden Geräuschemissionen der Luftansaugung in den Fahrgastraum hinein.
Die dachseitige Ansaugung weist dabei den Vorteil auf, dass sie unabhängig von der Montage entsprechender Module einer Dachfunktionseinheit erfolgen kann. So können beispielsweise weitere Funktionsmodule wie Klimaanlagen, Kühleinrichtungen oder dergleichen im Bereich vor, hinter oder neben der erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung positioniert werden, ohne dass deren gegebenenfalls warme oder an Sauerstoff abgereicherte Abluft als Ansaugluft in das Brennstoffzellensystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelangt. Dadurch wird es möglich, das System mit großen Mengen an vergleichsweise kühler und frischer Luft zu versorgen, und somit eine hohe Leistungsfähigkeit einerseits und eine verlängerte Lebensdauer des Systems andererseits zu erzielen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand der nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Omnibus mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine vergrößerte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf dem Omnibusdach;
3 eine prinzipmäßige Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer möglichen Ausführungsform; und
4 eine schematische Draufsicht auf ein Omnibusdach mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist ein Fahrzeug 1, hier beispielhaft ein schematisch angedeuteter Omnibus 1, zu erkennen. Dieser Omnibus 1 weist auf seinem Fahrzeugdach 2 eine insbesondere bei Omnibussen häufig anzutreffende Dachfunktionseinheit 3 auf. Die Dachfunktionseinheit 3 besteht dabei zumindest aus einem Brennstoffzellensystem, welches in einem Teilabschnitt 4 der Dachfunktionseinheit 3 angedeutet ist.
Dieses Brennstoffzellensystem 4 ist in der Darstellung der 2 nochmals detaillierter zu erkennen. Da die Dachkonstruktion beziehungsweise die Beplankung beziehungsweise Abdeckung eines Fahrzeugdaches typischerweise nicht besonders tragfähig ist, sind Dachaufbauten wie die Dachfunktionseinheit 3 im Allgemeinen auf entsprechenden Tragrahmen montiert. In 2 sind zwei Träger 5 eines solchen Tragrahmens nochmals explizit dargestellt. Auf diesen Trägern 5 ruht dann das hier als quaderförmiger Kasten dargestellte Brennstoffzellensystem 4.
In 3 ist nun in einer Seitenansicht eine stark schematisierte Darstellung des Innenlebens des Brennstoffzellensystems 4 zu erkennen. Kern des Brennstoffzellensystems 4 ist dabei eine Brennstoffzelle 6, welche einen Anodenbereich 7 und einen Kathodenbereich 8 aufweist. Die Brennstoffzelle kann beispielsweise als PEM- Brennstoffzelle ausgebildet sein, wobei unter dem Begriff Brennstoffzelle hier typischerweise ein Stapel aus Einzelzellen verstanden werden soll, welcher auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet wird. Neben der Brennstoffzelle 6 weist das Brennstoffzellensystem 4 in jedem Fall eine Luftversorgungseinrichtung 9 auf. Die Luftversorgungseinrichtung 9 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als integriertes Luftmodul ausgeführt, welches zumindest eine Verdichtereinrichtung 10 und einen Luftfilter 11 umfasst. Die Verdichtungseinrichtung kann dabei als Kompressor, beispielsweise Schraubenkompressor oder dergleichen ausgebildet sein, es ist jedoch auch denkbar, dass die Verdichtereinrichtung 10 als Strömungsverdichter oder Gebläse ausgebildet ist. Der Verdichter 10 wird dabei üblicherweise über einen hier nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Es ist jedoch auch denkbar, ihn ganz oder unterstützend durch eine Turbine anzutreiben, welche beispielsweise Druck- und Wärme aus einem Abgas der Brennstoffzelle 6 in mechanische Energie wandelt.
Neben dem Luftmodul 9 und der Brennstoffzelle 6 sind in dem hier beispielhaft dargestellten Brennstoffzellensystem 4 außerdem ein Anodenmodul 12 sowie eine Befeuchtungseinrichtung 13 zu erkennen. Die Funktionalität dieser Einrichtungen beziehungsweise Module spielt für die hier vorliegende Erfindung keine Rolle, so dass hierauf nur ganz kurz eingegangen werden soll. Das Anodenmodul kann beispielsweise eine entsprechende Aufbereitung des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, welcher über ein Leitungselement 14 aus einer Druckspeichereinrichtung 15 (welche in 3 nicht dargestellt ist), umfassen. Dies wird dann typischerweise ein entsprechendes Druckreduktionsventil sein. Außerdem ist es denkbar, dass in dem Anodenmodul 12 Einrichtungen vorhanden sind, welche zur Rezirkulation von Anodenabgas dienen, welches den Anodenbereich 7 der Brennstoffzelle 6 unverbraucht verlässt, und welches in den Bereich vor der Anode 7 zurückgeführt werden soll. Solche Rezirkulationseinrichtungen können beispielsweise Gebläse und/oder Gasstrahlpumpen sein. Das Anodenmodul 2 kann ferner Wasserabscheider oder Befeuchter mit umfassen.
Das Befeuchtungsmodul 13 dient zur Befeuchtung der von dem Luftmodul 9 zur Brennstoffzelle 6 strömenden Luft. Zur Bereitstellung der benötigten Feuchtigkeit kann beispielsweise das Kathodenabgas verwendet werden, welches zumindest einen Teil des in der Brennstoffzelle 6 entstehenden Produktwassers enthält und so über eine geeignete wasserdampfdurchlässige Membran die zur Brennstoffzelle 6 strömende Zuluft befeuchten kann.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 4 verschiedene Anschlusselemente beispielsweise zur Zu- und Abfuhr von Kühlmedium sowie entsprechende Sensoren und elektrische Komponenten zur Verteilung beziehungsweise zum Abführen der von der Brennstoffzelle 6 erzeugten elektrischen Leistung an die jeweiligen Verbraucher, beispielsweise einen elektrischen Antriebsstrang für das Fahrzeug 1.
Das Brennstoffzellensystem ist, wie bereits oben erwähnt, auf entsprechenden Trägern 5 montiert. Diese Träger 5 können wie in 3 dargestellt, Öffnungen 16 aufweisen. Das Luftmodul 9 weist an seinem beim bestimmungsgemäßen Gebrauch typischerweise unten, also in Richtung des Fahrzeugdaches 2 liegenden Ende, eine Ansaugöffnung 17 auf, welche in 3 beispielhaft dargestellt ist. Durch die Ansaugöffnung 17 wird nun zwischen dem Brennstoffzellensystem 4 und dem Fahrzeugdach 2 befindliche Luft durch das Luftmodul 9 für das Brennstoffzellensystem angesaugt. Dadurch, dass das Brennstoffzellensystem 4 beziehungsweise die komplette Dachfunktionseinheit 3 auf entsprechenden Trägern 5 des Tragrahmens angeordnet ist, gibt es einen Hohlraum 18 zwischen der Funktionseinheit 3 und dem Fahrzeugdach 2. Da die Funktionseinheit 3 selbst typischerweise nach unten abgeschlossen ist und das Fahrzeugdach 2 gegenüber dem Fahrgastraum ebenfalls geschlossen ist, liegt in diesem Hohlraum 18 frische, also entsprechend kühle und einen hohen Sauerstoffgehalt aufweisende Luft vor. Die Luft strömt durch entsprechende Hohlräume, welche sich bei der Montage zwischen der Funktionseinheit 3 und den Trägern 5 ergeben, in diesen Hohlraum 18 ein. Es kann jedoch auch durch die bereits beschriebenen Öffnungen 16 in den Trägern das Einströmen von Luft in den Hohlraum 18 entsprechend unterstützt beziehungsweise begünstigt werden. Einige beispielhafte Strömungswege der angesaugten Luft sind durch die mit L bezeichneten Pfeile in den 2 und 3 beispielhaft angedeutet.
Durch die Ansaugöffnung 17 wird nun die im Hohlraum 18 befindliche Luft, also vergleichsweise kühle und frische Luft, welche durch die anderen Elemente der Funktionseinheit 3, wie beispielsweise ein Kühlmodul und/oder eine Klimaanlage unbeeinflusst ist, von dem Luftmodul 9 angesaugt und als vergleichsweise kühler und mit hohem Sauerstoffgehalt vorliegender Luftstrom zur Brennstoffzelle 6 weitergeleitet. Dadurch ist trotz der typischerweise sehr eng ineinander geschachtelten Einheiten der Funktionseinheit 3 eine zuverlässige und sichere Luftversorgung der Brennstoffzelle 6 möglich, welche eine hohe Leistungsfähigkeit und eine hohe Lebensdauer der Brennstoffzelle 6 garantiert.
In 4 ist nun nochmals in einer Draufsicht die gesamte Funktionseinheit 3 auf dem Fahrzeugdach 2 zu erkennen. Dabei ist die oben bereits erwähnte Druckspeichereinrichtung 15 zu erkennen, welche in der durch den Pfeil F angedeuteten Fahrtrichtung des Fahrzeugs hinter in diesem Fall zwei Brennstoffzellensystemen 4.1 und 4.2 angeordnet ist. Außerdem ist in Fahrtrichtung hinter der Druckspeichereinrichtung 15 eine herkömmliche Klimaanlage 19 zu erkennen, auf deren Funktionsweise hier nicht näher eingegangen werden soll. Dabei ist die Klimaanlage 19 in Fahrtrichtung F in dem dargestellten Ausführungsbeispiel hinter den Brennstoffzellensystemen 4.1 und 4.2 sowie hinter der Druckspeichereinrichtung 15 angeordnet. Dies ist besonders sinnvoll, da im Bereich der Klimaanlage 19 ebenfalls erwärmte und gegebenenfalls „verbrauchte”, also um einen gewissen Sauerstoffanteil abgereicherte Luft aus dem Fahrgastraum anfällt. Dadurch dass die Klimaanlage 19 in Fahrtrichtung F hinter den Brennstoffzellensystem 4.1 und 4.2 angeordnet ist, wird verhindert, dass diese „verbrauchte” Luft von dem Luftmodul 9 angesaugt wird. Dabei spielt es keine Rolle, ob, wie hier dargestellt, die Druckspeichereinrichtung 15 zwischen der Klimaanlage 19 und den Brennstoffzellensystemen 4.1 und 4.2 angeordnet ist oder, ob eine umgekehrte Anordnung mit der Druckspeichereinrichtung 15 in Fahrtrichtung F ganz hinten gewählt wird.
Die Tatsache, dass hier zwei Brennstoffzellensysteme 4.1 und 4.2 parallel nebeneinander auf dem Fahrzeugdach 1 in der Funktionseinheit 3 angeordnet sind, liegt daran, dass ein modularer Aufbau gewählt ist, bei dem die Anpassung an die erforderliche Antriebsleistung des Fahrzeugs 1 durch eine entsprechende höhere Anzahl an Brennstoffzellensystemen realisiert wird. Das Brennstoffzellensystem 4 kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass es zum Antrieb eines herkömmlichen Personenkraftwagens optimiert ist. Für den Antrieb eines Omnibus können dann zwei oder mehr derartige Systeme miteinander kombiniert werden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei zwei Brennstoffzellensysteme 4.1 und 4.2 miteinander kombiniert, welche nebeneinander angeordnet sind. Es wäre selbstverständlich auch denkbar, die beiden Brennstoffzellensysteme 4.1 und 4.2 in Fahrtrichtung F hintereinander anzuordnen.
Jedes der Brennstoffzellensysteme 4.1 und 4.2 verfügt dabei über ein entsprechendes Luftmodul 9 mit dachseitiger Luftansaugung sowie eine Brennstoffzelle 6 und die benötigten Module zur Befeuchtung 13 und Versorgung der Anode 7, sofern dies erforderlich ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Funktionseinheit 3 verfügen beide Brennstoffzellensysteme 4.1 und 4.2 dabei zusammen über ein Kühlmodul 20, welches über entsprechende Leitungselemente, welche hier nicht näher dargestellt sind, mit beiden Brennstoffzellensystemen 4.1 und 4.2 verbunden ist und in diesen die benötigten Kühlwärmetauscher mit einem Kühlmedium durchströmen, beispielsweise im Bereich der jeweiligen Brennstoffzellen 6. Der hier dargestellte Aufbau der Funktionseinheit 3 zeigt das Kühlmodul 20 in dem in Fahrtrichtung F vorne liegenden Bereich, also vor den Brennstoffzellensystemen 4.1 und 4.2 sowie der Druckspeichereinrichtung 15 und der Klimaanlage 19. Dadurch wird sichergestellt, dass der in Fahrtrichtung von vorne anströmende Fahrtwind direkt in das Kühlmodul 20 einströmt und ohne weitere Fördermittel wie Lüfter oder dergleichen zur Kühlung von entsprechenden Kühlwärmetauschern in dem Kühlmodul 20 dienen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10350177 A1 [0003, 0005]
- DE 102005028853 A1 [0004, 0005]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, welche auf ein Fahrzeugdach, insbesondere das Dach eines Omnibus, montiert ist, mit zumindest einem Brennstoffzellensystem, welches wenigstens eine Luftversorgungseinrichtung und wenigstens eine Brennstoffzelle umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftversorgungseinrichtung 9 wenigstens eine Ansaugöffnung (17) aufweist, welche in Richtung einer gegenüber einem Fahrgastraum geschlossenen Dachfläche des Fahrzeugs (1) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (4, 4.1, 4.2) auf einem Tragrahmen (Träger 5) angeordnet ist, welcher so ausgebildet ist, dass die Luftversorgungseinrichtung (9) zumindest im Bereich der Ansaugöffnung (17) vom Dach (2) beabstandet angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftversorgungseinrichtung als Luftmodul (9) ausgebildet ist, welche zumindest eine Luftfiltereinrichtung (11), zumindest eine Verdichtungseinrichtung (10) und die wenigstens eine Ansaugöffnung (17) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem wenigstens einen Brennstoffzellensystem (4, 4.1, 4.2) wenigstens eine Brenngasspeichereinrichtung (15), insbesondere mit wenigstens einem Hochdruckwasserstofftank, vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem wenigstens einen Brennstoffzellensystem (4, 4.1, 4.2) wenigstens ein Kühlmodul (20) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kühlmodul (20) in Fahrtrichtung (F) des Fahrzeugs (1) vor dem wenigstens einen Brennstoffzellensystem (4, 4.1, 4.2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Brennstoffzellensystem (4, 4.1, 4.2) wenigstens ein Anodenmodul (12) und/oder wenigstens eine Befeuchtungseinrichtung (13) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem wenigstens einen Brennstoffzellensystem (4, 4.1, 4.2) wenigstens eine Klimaanlage (19) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage (19) in Fahrtrichtung (F) hinter dem wenigstens einen Brennstoffzellensystem (4, 4.1, 4.2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (4.1, 4.2) vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (4.1, 4.2) in Fahrtrichtung (F) hinter einem Kühlmodul (20) nebeneinander angeordnet sind.