DE102010052797A1

DE102010052797A1 - Brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE102010052797A1
Application number: DE102010052797A
Authority: DE
Inventors: Ismail Levent Sarioglu; Dr. Klein Olaf
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-11-27
Filing date: 2010-11-27
Publication date: 2012-05-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug (1), umfassend – eine Brennstoffzelleneinheit (2) mit mindestens einer Brennstoffzelle, mittels derer in einem galvanischen Prozess eine chemische Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel in elektrische Energie umgewandelt werden kann, – einen elektrischen Traktionsmotor (14) zum Antreiben eines oder mehrerer Antriebsräder (15, 16) des Brennstoffzellenfahrzeugs (1), wobei der elektrische Traktionsmotor (14) an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist und von dieser mit elektrischem Strom versorgt werden kann, – eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung (5), die an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist und für eine Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (2) mit dem Oxidationsmittel eingerichtet ist, wobei die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung (5) mindestens eine Oxidationsmittelzufuhrleitung (6, 21), mindestens ein Kompressormittel (7, 20) zum Verdichten des Oxidationsmittels und einen Oxidationsmittelspeicherbehälter (8) umfasst, der an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist und innerhalb dessen unter Druck stehendes Oxidationsmittel gespeichert und wahlweise der Brennstoffzelleneinheit (2) zugeführt werden kann, wobei – das Brennstoffzellenfahrzeug (1) mindestens einen elektrischen Antriebsmotor (17, 22) umfasst, der an den elektrischen Traktionsmotor (14) sowie an das Kompressormittel (7, 20) angeschlossen ist und das Kompressormittel (7, 20) elektrisch antreiben kann, so dass der Oxidationsmittelspeicherbehälter (8) und/oder die Brennstoffzelleneinheit (2) von dem elektrisch antreibbaren Kompressormittel (7, 20) mit verdichtetem Oxidationsmittel versorgt werden können/kann, und wobei – der elektrische Traktionsmotor (14) dazu eingerichtet ist, in einem Generatorbetrieb mechanische Bremsenergie des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) in elektrische Energie zu wandeln und den elektrischen Antriebsmotor (17, 22) zu speisen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit mit mindestens einer Brennstoffzelle, mittels derer in einem galvanischen Prozess eine chemische Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel in elektrische Energie umgewandelt werden kann, einen elektrischen Traktionsmotor zum Antreiben eines oder mehrerer Antriebsräder des Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei der elektrische Traktionsmotor an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen ist und von dieser mit elektrischem Strom versorgt werden kann, eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung, die an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen ist und für eine Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit dem Oxidationsmittel eingerichtet ist, wobei die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung mindestens eine Oxidationsmittelzufuhrleitung, mindestens ein Kompressormittel zum Verdichten des zugeführten Oxidationsmittels und einen Oxidationsmittelspeicherbehälter umfasst, der an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen ist und innerhalb dessen unter Druck stehendes Oxidationsmittel gespeichert und wahlweise der Brennstoffzelleneinheit zugeführt werden kann.
Brennstoffzellenfahrzeuge sind in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesen Brennstoffzellenfahrzeugen wird in einer Brennstoffzelleneinheit mit mindestens einer Brennstoffzelle galvanisch eine chemische Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs (zum Beispiel Wasserstoff) mit einem Oxidationsmittel (zum Beispiel sauerstoffhaltige Umgebungsluft) in elektrische Energie umgewandelt, die direkt oder indirekt (über elektrische Zwischenspeichermittel, wie zum Beispiel Akkumulatoren oder Kondensatoren) einem elektrischen Traktionsmotor zur Verfügung gestellt wird, der seinerseits auf die Antriebsräder des Brennstoffzellenfahrzeugs wirkt und diese antreiben kann. Das Oxidationsmittel wird der Brennstoffzelleneinheit mittels einer Oxidationsmittelversorgungseinrichtung zur Verfügung gestellt, die in der Regel ein Kompressormittel zum Ansaugen und Verdichten zumindest eines Teils des Oxidationsmittels und zur vollständigen oder teilweisen Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit dem verdichteten Oxidationsmittel aufweist.
Typischerweise beträgt der Betriebsdruck innerhalb einer Brennstoffzelleneinheit, der mit Hilfe eines Kompressormittels realisiert werden kann, etwa 1 bis 3 bar. Wenn seitens des Fahrzeugführers eine erhöhte Leistung angefordert wird, so bestimmt das Kompressormittel die Reaktionszeit der Brennstoffzelleneinheit, da das Kompressormittel die langsamste Komponente der Oxidationsmittelversorgungseinrichtung ist. Die minimale Zeitdauer eines modernen Kompressormittels, um eine Leistungserhöhung auf 90% der maximalen Kompressormittelleistung zu realisieren, beträgt typischerweise etwa eine Sekunde. Während dieser Zeitdauer gibt die Brennstoffzelleneinheit nicht ihre maximale Leistung ab und verhindert dadurch eine höhere Fahrzeugbeschleunigung. Ferner ist der Leistungsbedarf dadurch erhöht, dass das Kompressormittel rasch beschleunigt wird. Um diese Verzögerungszeiten auszugleichen, werden im Stand der Technik häufig Traktionsbatterien eingesetzt, die elektrische Energie speichern und bei Bedarf an den Traktionsmotor abgeben können. Traktionsbatterien haben allerdings den Nachteil, dass sie relativ schwer sind und dadurch das Fahrzeuggewicht erhöhen. Die Stromspeicherung mit Hilfe einer Traktionsbatterie ist ferner relativ komplex und daher teuer.
Aus der DE 100 13 660 A1 ist ein Brennstoffzellenfahrzeug bekannt, das einen Oxidationsmittelspeicherbehälter aufweist, der zwischen dem Kompressormittel und der Brennstoffzelleneinheit angeordnet ist und strömungstechnisch mit diesen beiden Komponenten verbunden ist. Der Oxidationsmittelspeicherbehälter ist dazu in der Lage, eine durch sein Speichervolumen und seinen Speicherdruck definierte Menge des Oxidationsmittels unter einem hohen Druck zu speichern. Wenn eine erhöhte Leistung benötigt wird, kann das Oxidationsmittel aus dem Oxidationsmittelspeicherbehälter in die Brennstoffzelleneinheit strömen und mit dem Brennstoff reagieren. Durch diese Maßnahme kann die mechanische Trägheit des Kompressormittels kompensiert werden. Dynamische Laständerungen können mit Hilfe des Oxidationsmittelspeicherbehälters wirksam gepuffert beziehungsweise aufgefangen werden.
Die DE 10 2007 007 934 A1 offenbart ein Brennstoffzellenfahrzeug der eingangs genannten Art, bei dem die mechanische Bremsenergie des Fahrzeugs ohne den Einsatz elektrochemischer Speichermittel (Batterien oder dergleichen) rekuperiert werden kann. Bei diesem Brennstoffzellenfahrzeug ist das bremsende Antriebsrad beziehungsweise die bremsende Antriebsachse über ein Getriebemittel oder über ein Kupplungsmittel mit dem Kompressormittel, das seinerseits mechanisch antreibbar ist, gekoppelt. Das Kompressormittel kann somit über das bremsende Antriebsrad beziehungsweise die bremsende Antriebsachse angetrieben werden. Das von dem mechanischen Kompressormittel verdichtete Oxidationsmittel wird in dem Speichervolumen des Oxidationsmittelspeicherbehätters gespeichert und kann der Brennstoffzelleneinheit insbesondere bei Leistungsspitzen zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise kann ein Bremsenergierückgewinnungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug zur Verfügung gestellt werden, das keine Stromspeicherung mittels einer Traktionsbatterie erfordert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellenfahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine alternative Möglichkeit der Bremsenergierückgewinnung zur Verfügung stellt und auftretende Leistungsspitzen kompensieren kann.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Brennstoffzellenfahrzeug der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass das Brennstoffzellenfahrzeug mindestens einen elektrischen Antriebsmotor umfasst, der an den elektrischen Traktionsmotor sowie an das Kompressormittel angeschlossen ist und das Kompressormittel elektrisch antreiben kann, so dass der Oxidationsmittelspeicherbehälter und/oder die Brennstoffzelleneinheit von dem elektrisch antreibbaren Kompressormittel mit verdichtetem Oxidationsmittel versorgt werden können/kann, und dass der elektrische Traktionsmotor dazu eingerichtet ist, in einem Generatorbetrieb mechanische Bremsenergie des Brennstoffzellenfahrzeugs in elektrische Energie zu wandeln und den elektrischen Antriebsmotor zu speisen. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise eine zumindest teilweise Rekuperation von Bremsenergie, die bei einem Abbremsen des Brennstoffzellenfahrzeugs entsteht. Dadurch, dass mindestens ein Kompressormittel vorgesehen ist, das vorliegend mit Hilfe des elektrischen Antriebsmotors elektrisch angetrieben wird, kann für die Rekuperation von Bremsenergie auf die Verwendung zwischengeschalteter Getriebe- beziehungsweise Kupplungsmittel verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass kein elektrochemisches Speichermittel erforderlich ist, um die während des Abbremsens mittels des elektrischen Traktionsmotors erzeugbare elektrische Energie zu speichern. Darüber hinaus können dynamische Laständerungen mit Hilfe des Oxidationsmittelspeicherbehälters in vorteilhafter Weise wirksam gepuffert beziehungsweise aufgefangen werden. Wenn der Fahrer des Brennstoffzellenfahrzeugs eine höhere Leistung anfordert, kann zusätzlich das unter Druck stehende Oxidationsmitttel aus dem Oxidationsmittelspeicherbehälter in die Brennstoffzelleneinheit einströmen und chemisch mit dem Brennstoff reagieren. Das Speichervolumen und der maximale Speicherdruck und damit die Menge des innerhalb des Oxidationsmittelspeicherbehälters speicherbaren Oxidationsmittels sind vorzugsweise so gewählt sein, dass diese Menge ausreichend ist, um die Brennstoffzelleneinheit so lange mit höherer Leistung betreiben zu können, bis das Kompressormittel seinerseits mit höherer Leistung arbeitet und dann die für die chemische Reaktion erforderliche Menge des Oxidationsmittels zu Verfügung stellen kann. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine von der Trägheit des Kompressormittels unabhängige Funktion der Brennstoffzelleneinheit erreicht werden. Vorzugsweise weist die Brennstoffzelleneinheit eine Anzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen auf. Eine derartige Brennstoffzelleneinheit wird häufig auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet. Dadurch, dass mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen die Brennstoffzelleneinheit bilden, kann die resultierende elektrische Spannung im Vergleich zu einer einzelnen Brennstoffzelle wesentlich erhöht werden. Der mindestens eine elektrische Antriebsmotor kann in einer vorteilhaften Ausführungsform elektrisch an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen sein. Durch diese elektrische Vernetzung mit der Brennstoffzelleneinheit kann der mindestens eine elektrische Antriebsmotor vorteilhaft von der Brennstoffzelleneinheit mit elektrischem Strom versorgt werden, wenn der elektrische Traktionsmotor nicht in der Generatorbetriebsart betrieben wird und somit seinerseits keinen elektrischen Strom liefern kann. Eine zusätzliche Stromversorgungseinrichtung (insbesondere ein elektrochemisches Speichermittel) ist nicht erforderlich.
Um die Zufuhr des von dem elektrisch antreibbaren Kompressormittel verdichteten Oxidationsmittels in die Brennstoffzelleneinheit unter Umgehung des Oxidationsmittelspeicherbehälters zu ermöglichen, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung eine Bypass-Leitung umfasst, die an die Brennstoffzelleneinheit und an das Kompressormittel angeschlossen ist, zur direkten Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit dem von dem Kompressormittel verdichteten Oxidationsmittel.
Damit die Oxidationsmittelzufuhr in die Brennstoffzelleneinheit gesteuert werden kann, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass in der Bypass-Leitung ein Ventilmittel zum selektiven Öffnen und Schließen der Bypass-Leitung angeordnet ist. Um den Druck und den Volumenstrom des Oxidationsmittels durch die Bypass-Leitung regeln zu können, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das Ventilmittel ein Regelventilmittel ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung ein erstes Kompressormittel, das an den Oxidationsmittelspeicherbehälter angeschlossen ist, und ein zweites Kompressormittel, das an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen ist, aufweist, wobei eines der beiden Kompressormittel an den elektrischen Antriebsmotor angeschlossen ist. Dadurch, dass die Funktion des einen elektrisch angetriebenen Kompressormittels in dieser Ausführungsform auf zwei voneinander unabhängige Kompressormittel aufgeteilt ist, können die Kompressormittel kompakter und damit insgesamt leiser ausgeführt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellenfahrzeug einen ersten elektrischen Antriebsmotor, der an das erste Kompressormittel angeschlossen ist, und einen zweiten elektrischen Antriebsmotor, der an das zweite Kompressormittel angeschlossen ist, aufweist, wobei beide elektrischen Antriebsmotoren an den elektrischen Traktionsmotor angeschlossen sind und in dessen Generatorbetrieb mit elektrischem Strom versorgt werden können. Dadurch, dass zwei elektrische Antriebsmotoren vorgesehen sind, die an den elektrischen Traktionsmotor angeschlossen sind und jeweils eines der beiden Kompressormittel antreiben können, können beide Kompressormittel kupplungs- beziehungsweise getriebelos mit dem elektrischen Traktionsmotor gekoppelt werden.
In einer alternativen Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, dass eines der beiden Kompressormittel mechanisch antreibbar ausgebildet ist und über ein Übersetzungsmittel, insbesondere über ein Getriebe- oder Kupplungsmittel, von dem elektrischen Traktionsmotor angetrieben werden kann. Dadurch kann die mechanische Bremsenergie des Brennstoffzellenfahrzeugs genutzt werden, die direkt auf eines der beiden Kompressormittel übertragen werden kann, so dass ebenfalls ein regeneratives Bremsen möglich ist. Insbesondere kann das erste Kompressormittel, das an den Oxidationsmittelspeicherbehälter angeschlossen ist, mechanisch antreibbar ausgebildet sein, so dass mehr Oxidationsmittel im Speichervolumen des Oxidationsmittelspeicherbehälters gespeichert werden kann.
Um die Kompressormittel unabhängig voneinander mit dem Oxidationsmittel versorgen zu können, ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung eine erste Oxidationsmittelzufuhrleitung, die an das erste Kompressormittel angeschlossen ist, und eine zweite Oxidationsmittelzufuhrleitung, die an das zweite Kompressormittel angeschlossen ist, aufweist.
Damit die Oxidationsmittelzufuhr in die Brennstoffzelleneinheit gesteuert werden kann, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass in der zweiten Oxidationsmittelzufuhrleitung ein Ventilmittel zum selektiven Öffnen und Schließen der zweiten Oxidationsmittelzufuhrleitung angeordnet ist. Vorzugsweise ist dieses Ventilmittel ein Regelventilmittel, so dass der Druck und der Volumenstrom des Oxidationsmittels durch die zweite Oxidationsmittelzufuhrleitung geregelt werden können.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Oxidationsmittelspeicherbehälter ein Einlassventilmittel und ein Auslassventilmittel aufweist, die als Regelventilmittel ausgebildet sind. Dadurch kann der Fluss – insbesondere der Druck und der Volumenstrom – des Oxidationsmittels in den Oxidationsmittelspeicherbehälter hinein und aus dem Oxidationsmittelspeicherbehälter hinaus in die Brennstoffzelleneinheit in vorteilhafter Weise geregelt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf 1 weist ein stark schematisiert dargestelltes Brennstoffzellenfahrzeug 1, das gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, eine Brennstoffzelleneinheit 2 auf, die eine Anzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen umfasst. Eine derartige Brennstoffzelleneinheit 2 wird häufig auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet. Mit Hilfe der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 2 kann in bekannter Weise in einem galvanischen Prozess eine chemische Reaktionsenergie, die bei einer Reaktion eines kontinuierlich den Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführten Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel entsteht, in elektrische Energie umgewandelt werden. Dadurch, dass mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen die Brennstoffzelleneinheit 2 bilden, kann die resultierende elektrische Spannung im Vergleich zu einer einzelnen Brennstoffzelle wesentlich erhöht werden.
Die Brennstoffzelleneinheit 2 ist an eine Brennstoffzufuhrleitung 3 angeschlossen, mittels derer die Anoden der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 2 mit einem Brennstoff versorgt werden können. Der Brennstoff, der den Brennstoffzellen zugeführt wird, kann insbesondere Wasserstoff sein, der in einem nicht explizit dargestellten Wasserstofftank des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 gespeichert ist. Alternative geeignete Brennstoffe sind zum Beispiel organische Verbindungen wie Methan oder Methanol, die ebenfalls in einem geeigneten Brennstofftank des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 gespeichert sind. Ferner ist eine Brennstoffauslassleitung 4 vorgesehen, mittels derer überschüssiger, bei der chemischen Reaktion nicht verbrauchter Brennstoff aus der Brennstoffzelleneinheit 2 abgeführt werden kann.
Damit in den Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 2 die gewünschte chemische Reaktion stattfinden kann, bei der chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, muss den Kathoden der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 2 ein Oxidationsmittel zugeführt werden. Zu diesem Zweck weist das Brennstoffzellenfahrzeug 1 eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 5 auf, die in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Oxidationsmittelzufuhrleitung 6, ein Kompressormittel 7 zum Ansaugen und Verdichten des Oxidationsmittels und zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit 2 mit dem verdichteten Oxidationsmittel umfasst. Das Oxidationsmittel ist vorzugsweise sauerstoffhaltige Umgebungsluft oder aber reiner Sauerstoff. Ferner umfasst die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 5 einen in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels hinter dem Kompressormittel 7 angeordneten Oxidationsmittelspeicherbehälter 8, innerhalb dessen verdichtetes und unter Druck stehendes Oxidationsmittel gespeichert werden kann. Ferner ist eine Bypass-Leitung 9 vorgesehen, die in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels hinter dem Kompressormittel 7 angeordnet ist. Ein Absperrmittel 10, das hinter dem Kompressormittel 7 und vor der Bypass-Leitung 9 und dem Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 angeordnet ist, dient dem Zweck, das Kompressormittel 7 bei Bedarf vollständig von den dahinter geschalteteten Komponenten der Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 5 abkoppeln zu können.
Über die Bypass-Leitung 9 kann das für die chemische Reaktion erforderliche Oxidationsmittel unter Umgehung des Oxidationsmittelspeicherbehälters 8 direkt in die Brennstoffzelleneinheit 2 geleitet werden. In der Bypass-Leitung 9 ist ein Ventilmittel 11 angeordnet, das vorzugsweise ein Regelventilmittel ist, mittels dessen während des Betriebs des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 der Druck und der Volumenstrom des Oxidationsmittels durch die Bypass-Leitung 9 geregelt werden können. Dem Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 ist zum einen ein Einlassventilmittel 12 vorgeschaltet und zum anderen ein Auslassventilmittel 13 nachgeschaltet. Wenn das Einlassventilmittel 12 geöffnet ist und das Auslassventilmittel 13 geschlossen ist, kann das von dem Kompressormittel 7 verdichtete Oxidationsmittel unmitteibar in den Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 geleitet werden. Das Einlass- und das Auslassventilmittel 12, 13 sind vorzugsweise als Regelventilmittel ausgebildet, um den Volumenstrom und den Druck des Oxidationsmittels, das in den Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 hinein- beziehungsweise aus diesem herausströmen soll, regeln zu können. Überschüssiges Oxidationsmittel sowie die bei der chemischen Reaktion innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 2 entstehenden Reaktionsprodukte können mit Hilfe einer Oxidationsmittelauslassleitung 19 aus der Brennstoffzelleneinheit 2 abgeführt werden. Es soll an dieser Stelle ausdrücklich angemerkt werden, dass die genaue Lage des Ventilmittels 11 in der Bypass-Leitung 9 sowie der Einlass- und Auslassventilmittel 12, 13 in Abhängigkeit vom Aufbau der Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 5 durchaus variieren kann. Entsprechend den konstruktiven Ausgestaltungen der Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 5 kann auch die Anzahl der einzusetzenden Ventilmittel unterschiedlich sein und entsprechend angepasst werden.
Der typische Druck des Oxidationsmittels, der während des Betriebs innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 2 herrscht und mit Hilfe des Kompressormittels 7 der Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 5 realisiert werden kann, liegt typischerweise in einer Größenordnung zwischen 1 und etwa 3 bar. Über die Bypass-Leitung 9 wird der Brennstoffzelleneinheit 2 das verdichtete Oxidationsmittel zugeführt. Wenn das Kompressormittel 7 nicht mit seiner maximalen Leistung arbeitet, kann es dazu verwendet werden, bei geöffnetem Einlassventilmittel 12 den Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 mit verdichtetem Oxidationsmittel zu füllen, so dass innerhalb des Speichervolumens des Oxidationsmittelspeicherbehälters 8 unter Druck stehendes Oxidationsmittel gespeichert werden kann.
Wenn der Fahrer des Brennstoffzellenfahrzeugs eine höhere Leistung anfordert, wird das Auslassventilmittel 13 geöffnet, so dass zusätzlich das unter Druck stehende Oxidationsmitttel aus dem Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 in die Brennstoffzelleneinheit 2 einströmen kann. Das Speichervolumen und damit die Menge des innerhalb des Oxidationsmittelspeicherbehälters 8 speicherbaren Oxidationsmittels sollten vorzugsweise so gewählt sein, dass diese Menge ausreichend ist, um die Brennstoffzelleneinheit 2 so lange mit höherer Leistung betreiben zu können, bis das Kompressormittel 7 seinerseits mit höherer Leistung arbeitet und dann die für die chemische Reaktion erforderliche Menge des Oxidationsmittels zu Verfügung stellen kann. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine von der Trägheit des Kompressormittels 7 unabhängige Funktion der Brennstoffzelleneinheit 2 erreicht. Dynamische Laständerungen können mit Hilfe des Oxidationsmittelspeicherbehälters 8 somit wirksam gepuffert beziehungsweise aufgefangen werden.
Die elektrische Energie, die in der Brennstoffzelleneinheit 2 bei der chemischen Reaktion des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel entsteht, wird einem elektrischen Traktionsmotor 14 zur Verfügung gestellt, der elektrisch an die Brennstoffzelleneinheit 2 angeschlossen ist, um dadurch in an sich bekannter Weise ein oder mehrere Antriebsräder 15, 16 des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 anzutreiben. Das Kompressormittel 7 wird vorliegend rein elektrisch angetrieben und ist an einen elektrischen Antriebsmotor 17 angeschlossen, der von einer Stromversorgungseinrichtung 18 gespeist werden kann. Der elektrische Antriebsmotor 17 ist darüber hinaus auch an den elektrischen Traktionsmotor 14 angeschlossen. Bei einem Bremsvorgang des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 kann mit Hilfe des elektrischen Traktionsmotors 14 mechanische Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Dabei wird der elektrische Traktionsmotor 14 im Generator-Modus betrieben, so dass er elektrischen Strom erzeugen kann. Auf diese Weise ist es möglich, den elektrischen Antriebsmotor 17 des Kompressormittels 7 mit elektrischem Strom zu versorgen, der durch die Umwandlung mechanischer Bremsenergie in elektrische Energie mittels des elektrischen Traktionsmotors 14 erzeugt wird. Wenn der elektrische Traktionsmotor 14 nicht im Generator-Modus betrieben wird und somit keinen elektrischen Strom liefern kann, wird der elektrische Antriebsmotor 17 des Kompressormittels 7 herkömmlich mittels der Stromversorgungseinrichtung 18 mit elektrischem Strom versorgt.
In einer besonders vorteilhaften Variante für die Stromversorgung des elektrischen Antriebsmotors 17 besteht die Möglichkeit, dass keine (zusätzliche) Stromversorgungseinrichtung 18 vorgesehen ist. Der elektrische Antriebsmotor 17 ist bei dieser Variante elektrisch an die Brennstoffzelleneinheit 2 angeschlossen. Diese Situation wird in 1 durch eine gestrichelte Verbindungslinie zwischen dem elektrischen Antriebsmotor 17 und der Brennstoffzelleneinheit 2 veranschaulicht. Durch diese elektrische Vernetzung mit der Brennstoffzelleneinheit 2 kann der elektrische Antriebsmotor 17 von der Brennstoffzelleneinheit 2 mit elektrischem Strom versorgt werden, wenn der elektrische Traktionsmotor 14 nicht in der Generatorbetriebsart betrieben wird und somit seinerseits keinen elektrischen Strom liefern kann.
Das hier vorgestellte Brennstoffzellenfahrzeug 1 ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise eine zumindest teilweise Rekuperation von Bremsenergie, die bei einem Abbremsen des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 entsteht. Dadurch, dass das Kompressormittel 7 vorliegend mit Hilfe des elektrischen Antriebsmotors 17 rein elektrisch angetrieben wird, kann für die Rekuperation von Bremsenergie auf die Verwendung zwischengeschalteter Getriebe- beziehungsweise Kupplungsmittel, die eine große Masse aufweisen, verzichtet werden. Ferner ist kein elektrochemischer Speicher (insbesondere in Form einer Traktionsbatterie) erforderlich.
Unter Bezugnahme auf 2 soll nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenfahrzeugs 1 näher erläutert werden. Der grundlegende Aufbau des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 weist zahlreiche Gemeinsamkeiten mit dem ersten Ausführungsbeispiel auf, so dass nachfolgend in erster Linie auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
Es hat sich gezeigt, dass die Regelstrategie bei dem oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 mitunter eine hohe Komplexität aufweisen kann. Um einen weiteren Freiheitsgrad zu schaffen, weist die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 5 vorliegend ein erstes Kompressormittel 7 und ein zweites Kompressormittel 20 auf. Das erste Kompressormittel 7 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels vor dem Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 angeordnet ist und an eine erste Oxidationsmittelzufuhrleitung 6 angeschlossen. Dem Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 ist zum einen ein Einlassventilmittel 12 vorgeschaltet und zum anderen ein Auslassventilmittel 13 nachgeschaltet. Das Einlass- und das Auslassventilmittel 12, 13 sind vorzugsweise als Regelventilmittel ausgebildet, um dadurch den Druck und den Volumenstrom des Oxidationsmittels, das in den Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 hinein- beziehungsweise wieder aus diesem herausströmen soll, in vorteilhafter Weise regeln zu können. Wenn das Einlassventilmittel 12 geöffnet ist und das Auslassventilmittel 13 geschlossen ist, kann das von dem ersten Kompressormittel 7 vorverdichtete Oxidationsmittel unmittelbar in den Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 geleitet werden, so dass in dem Speichervolumen des Oxidationsmittelspeicherbehälters 8 verdichtetes und unter Druck stehendes Oxidationsmittel gespeichert werden kann. Das zweite Kompressormittel 20 ist an eine zweite Oxidationsmittelzufuhrleitung 21 angeschlossen und kann der Brennstoffzelleneinheit 2 das für die chemische Reaktion erforderliche Oxidationsmittel direkt zuführen. In der zweiten Oxidationsmittelzufuhrleitung 21 ist ein Ventilmittel 23 angeordnet, das vorzugsweise wiederum ein Regelventilmittel ist, mittels dessen während des Betriebs des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 der Druck und der Volumenstrom des Oxidationsmittels durch die zweite Oxidationsmittelzufuhrleitung 21 in die Brennstoffzelleneinheit 2 geregelt werden können. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, die Brennstoffzelleneinheit 2 mit einer großen Menge des Oxidationsmittels mit einem niedrigen Druck zu versorgen. Die Funktion des Oxidationsmittelspeicherbehälters 8 entspricht derjenigen, die oben unter Bezugnahme auf 1 bereits erläutert wurde. Wenn eine höhere Leistung angefordert wird, wird das Auslassventilmittel 13 geöffnet und das unter Druck stehende Oxidationsmitttel strömt aus dem Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 in die Brennstoffzelleneinheit 2 ein und kann dort mit dem Brennstoff reagieren. Das Speichervolumen und damit die Menge des innerhalb des Oxidationsmittelspeicherbehälters 8 speicherbaren Oxidationsmittels sind vorzugsweise so gewählt, dass diese Menge ausreichend ist, um die Brennstoffzelleneinheit 2 so lange mit höherer Leistung betreiben zu können, bis das zweite Kompressormittel 20 eine ausreichende Menge des Oxidationsmittels zur Verfügung stellen kann. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine von der Trägheit des zweiten Kompressormittels 20 unabhängige Funktion der Brennstoffzelleneinheit 2 erreicht. Dynamische Laständerungen können mit Hilfe des Oxidationsmittelspeicherbehälters 8 wirksam gepuffert beziehungsweise aufgefangen werden. Die elektrische Energie, die bei der chemischen Reaktion des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel in der Brennstoffzelleneinheit 2 erzeugt wird, wird auch in diesem Ausführungsbeispiel einem elektrischen Traktionsmotor 14 zur Verfügung gestellt, der an die Brennstoffzelleneinheit 2 angeschlossen ist, um dadurch ein oder mehrere Antriebsräder 15, 16 des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 anzutreiben.
Für die konstruktiven Ausgestaltungen der beiden Kompressormittel 7, 20 gibt es unterschiedliche Möglichkeiten:

a) das erste Kompressormittel 7 und das zweite Kompressormittel 20 werden elektrisch angetrieben,
b) das erste Kompressormittel 7 wird elektrisch und das zweite Kompressormittel 20 wird mechanisch angetrieben,
c) das erste Kompressormittel 7 wird mechanisch und das zweite Kompressormittel 20 wird elektrisch angetrieben.

In 2 ist die Variante a) gezeigt, bei der das erste Kompressormittel 7 und das zweite Kompressormittel 20 elektrisch angetrieben werden. Das erste Kompressormittel 7 ist an einen ersten elektrischen Antriebsmotor 17 angeschlossen, der von einer Stromversorgungseinrichtung 18 gespeist werden kann. Der erste elektrische Antriebsmotor 17 ist ferner an den elektrischen Traktionsmotor 14 angeschlossen. Bei einem Bremsvorgang des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 kann – wie oben bereits erläutert – im Generator-Modus des elektrischen Traktionsmotors 14 mechanische Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt werden. Dadurch kann dann der erste elektrische Antriebsmotor 17, der das erste Kompressormittels 7 antreibt, mit elektrischem Strom versorgt werden. Wenn der elektrische Traktionsmotor 14 nicht im Generator-Modus betrieben wird und somit keinen elektrischen Strom liefern kann, wird der erste elektrische Antriebsmotor 17 des Kompressormittels 7 herkömmlich mittels der Stromversorgungseinrichtung 18 mit elektrischem Strom versorgt.
In entsprechender Weise ist das zweite Kompressormittel 20 an einen zweiten elektrischen Antriebsmotor 22 angeschlossen, der ebenfalls von der Stromversorgungseinrichtung 18 gespeist werden kann. Auch der zweite elektrische Antriebsmotor 22 ist an den elektrischen Traktionsmotor 14 angeschlossen, so dass er im Generator-Modus des Traktionsmotors 14 mit elektrischem Strom versorgt werden kann. Wenn der elektrische Traktionsmotor 14 nicht im Generator-Modus betrieben wird und somit keinen elektrischen Strom liefern kann, wird der zweite elektrische Antriebsmotor 22 herkömmlich mittels der Stromversorgungseinrichtung 18 mit elektrischem Strom versorgt.
In einer besonders vorteilhaften Variante für die Stromversorgung der elektrischen Antriebsmotoren 17, 22 besteht auch in diesem Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, dass keine (zusätzliche) Stromversorgungseinrichtung 18 vorgesehen ist. Die elektrischen Antriebsmotoren 17, 22 sind dabei elektrisch an die Brennstoffzelleneinheit 2 angeschlossen. Diese Situation wird in 2 durch gestrichelte Verbindungslinien zwischen den beiden elektrischen Antriebsmotoren 17, 22 und der Brennstoffzelleneinheit 2 veranschaulicht. Durch diese elektrische Vernetzung mit der Brennstoffzelleneinheit 2 können die elektrischen Antriebsmotoren 17, 22 von der Brennstoffzelleneinheit 2 mit elektrischem Strom versorgt werden, wenn der elektrische Traktionsmotor 14 nicht in der Generatorbetriebsart betrieben wird und somit seinerseits keinen elektrischen Strom liefern kann.
Wenn gemäß den beiden oben genannten Varianten b) und c) eines der beiden Kompressormittel 7, 20 elektrisch und das jeweils andere mechanisch angetrieben wird, besteht die Möglichkeit, dass das mechanisch antreibbare Kompressormittel 7, 20 über ein zwischengeschaltetes Übersetzungsmittel (insbesondere über ein Getriebe- oder Kupplungsmittel) von dem elektrischen Traktionsmotor 14 angetrieben wird.
Neben dem zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Regelstrategie besteht ein weiterer Vorteil dieses zweiten Ausführungsbeispiels des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 darin, dass die beiden Kompressormittel 7, 20 kompakter und damit auch leiser ausgeführt werden können und dass ferner ein höherer Druck des Oxidationsmittels im Speichervolumen des Oxidationsmittelspeicherbehälters 8 erreicht werden kann. Während das zweite Kompressormittel 20 die Brennstoffzelleneinheit 2 mit der erforderlichen großen Menge des Oxidationsmittels mit niedrigem Druck versorgt, kann das erste Kompressormittel 7 unabhängig davon den Oxidationsmittelspeicherbehälter 8 mit einer geringen Flussrate, dafür aber mit einem hohen Druck des Oxidationsmittels befüllen. Dadurch wird der Spielraum gerade bei dynamischen Anforderrungen an das Gesamtsystem in vorteilhafter Weise erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenfahrzeug (Schema)
2: Brennstoffzelleneinheit
3: Brennstoffzufuhrleitung
4: Brennstoffauslassleitung
5: Oxidationsmittelversorgungseinrichtung
6: Oxidationsmittelzufuhrleitung
7: Kompressormittel
8: Oxidationsmittelspeicherbehälter
9: Bypass-Leitung
10: Absperrmittel
11: Ventilmittel
12: Einlassventilmittel
13: Auslassventilmittel
14: elektrischer Traktionsmotor
15: Antriebsrad
16: Antriebsrad
17: elektrischer Antriebsmotor
18: Stromversorgungseinrichtung
19: Oxidationsmittelauslassleitung
20: Kompressormittel
21: Oxidationsmittelzufuhrleitung
22: elektrischer Antriebsmotor
23: Ventilmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10013660 A1 [0004]
DE 102007007934 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzellenfahrzeug (1), umfassend – eine Brennstoffzelleneinheit (2) mit mindestens einer Brennstoffzelle, mittels derer in einem galvanischen Prozess eine chemische Reaktionsenergie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel in elektrische Energie umgewandelt werden kann, – einen elektrischen Traktionsmotor (14) zum Antreiben eines oder mehrerer Antriebsräder (15, 16) des Brennstoffzellenfahrzeugs (1), wobei der elektrische Traktionsmotor (14) an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist und von dieser mit elektrischem Strom versorgt werden kann, – eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung (5), die an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist und für eine Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (2) mit dem Oxidationsmittel eingerichtet ist, wobei die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung (5) mindestens eine Oxidationsmittelzufuhrleitung (6, 21), mindestens ein Kompressormittel (7, 20) zum Verdichten des Oxidationsmittels und einen Oxidationsmittelspeicherbehälter (8) umfasst, der an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist und innerhalb dessen unter Druck stehendes Oxidationsmittel gespeichert und wahlweise der Brennstoffzelleneinheit (2) zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass – das Brennstoffzellenfahrzeug (1) mindestens einen elektrischen Antriebsmotor (17, 22) umfasst, der an den elektrischen Traktionsmotor (14) sowie an das Kompressormittel (7, 20) angeschlossen ist und das Kompressormittel (7, 20) elektrisch antreiben kann, so dass der Oxidationsmittelspeicherbehälter (8) und/oder die Brennstoffzelleneinheit (2) von dem elektrisch antreibbaren Kompressormittel (7, 20) mit verdichtetem Oxidationsmittel versorgt werden können/kann, – der elektrische Traktionsmotor (14) dazu eingerichtet ist, in einem Generatorbetrieb mechanische Bremsenergie des Brennstoffzellenfahrzeugs (1) in elektrische Energie zu wandeln und den elektrischen Antriebsmotor (17, 22) zu speisen.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung (5) eine Bypass-Leitung (9) umfasst, die an die Brennstoffzelleneinheit (2) und an das Kompressormittel (7, 20) angeschlossen ist, zur direkten Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (2) mit dem von dem Kompressormittel (7, 20) verdichteten Oxidationsmittel.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypass-Leitung (9) ein Ventilmittel (11) zum selektiven Öffnen und Schließen der Bypass-Leitung (9) angeordnet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmittel (11) ein Regelventilmittel ist, das so ausgebildet ist, dass der Druck und der Volumenstrom des Oxidationsmittels durch die Bypass-Leitung (9) regelbar ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung (5) ein erstes Kompressormittel (7), das an den Oxidationsmittelspeicherbehälter (8) angeschlossen ist, und ein zweites Kompressormittel (20), das an die Brennstoffzelleneinheit (2) angeschlossen ist, aufweist, wobei eines der beiden Kompressormittel (7, 20) an den elektrischen Antriebsmotor (17, 22) angeschlossen ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenfahrzeug (1) einen ersten elektrischen Antriebsmotor (17), der an das erste Kompressormittel (7) angeschlossen ist, und einen zweiten elektrischen Antriebsmotor (22), der an das zweite Kompressormittel (20) angeschlossen ist, aufweist, wobei beide elektrischen Antriebsmotoren (17, 22) an den elektrischen Traktionsmotor (14) angeschlossen sind und in dessen Generatorbetrieb mit elektrischem Strom versorgt werden können.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Kompressormittel (7, 20) mechanisch antreibbar ausgebildet ist und über ein Übersetzungsmittel, insbesondere über ein Getriebe- oder Kupplungsmittel, von dem elektrischen Traktionsmotor (14) angetrieben werden kann.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung (5) eine erste Oxidationsmittelzufuhrleitung (6), die an das erste Kompressormittel (7) angeschlossen ist, und eine zweite Oxidationsmittelzufuhrleitung (21), die an das zweite Kompressormittel (20) angeschlossen ist, aufweist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Oxidationsmittelzufuhrleitung (21) ein Ventilmittel (23) zum selektiven Öffnen und Schließen der zweiten Oxidationsmittelzufuhrleitung (21) angeordnet ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationsmittelspeicherbehälter (8) ein Einlassventilmittel (12) und ein Auslassventilmittel (13) aufweist, die als Regelventilmittel ausgebildet sind.