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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Brennstoffzellenfahrzeuge werden mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben, der im Fahrzeug in einem Tank gespeichert wird. Der Tank kann z. B. ein Druckgasbehälter (Druck von 350 oder 700 bar) sein, ein Kryotank mit flüssigem Wasserstoff, ein Kryo-Compressed Tank (flüssiger H2, überkritisch bis 350 bar) oder ein Sorptionsspeicher (z. B. Hydridspeicher, Nanotubes). Die bisherigen Tanktechnologien erlauben nicht Wasserstoff in ausreichender Menge on-board zu speichern, um Fahrzeugreichweiten von 1000 km zu ermöglichen, wie z. B. bei heutigen Diesel-ICE Engines. Weiterhin existiert keine ausreichende Tankstellendichte oder im Ausland gar keine H2-Tankstellen. Es kann deshalb häufig passieren, dass der Wasserstofftank und die Batterie des Brennstoffzellenfahrzeugs vor Erreichen der nächsten Tankstelle vollständig leer sind. Die in einem Brennstoffzellenfahrzeug auch eingebaute Hybridbatterie verfügt meist nur über eine Energiemenge für wenige Kilometer, so dass auch hiermit die nächste Wasserstofftankstelle nicht erreicht werden kann. Das Brennstoffzellenfahrzeug würde somit an der Straße liegen bleiben.
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Die
EP 1 779 026 B1 offenbart ein Kraftfahrzeug, das insbesondere als Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet sein kann, mit einem Gasspeichersystem mit mindestens zwei Wasserstofftanks, die aus dem Kraftfahrzeug entnehmbar sind und die über Schnellverbindervorrichtungen und einem Elektroventil mit einer Versorgungsleitung verbunden werden können. Sobald einer oder mehrere der Wasserstofftanks leer sind, können diese gegen Volle ausgetauscht werden. Darüber hinaus kann das System noch einen fest verbauten Reservetank umfassen, der über eine Kopplung mit den Wasserstofftanks befüllt werden kann.
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Nachteilig dabei ist, dass auch durch die Aufteilung des Tanks in mehrere separat austauschbare Tanks die Gesamtreichweite des Fahrzeugs nicht erhöht werden kann. Muss dagegen eine weite Strecke zurückgelegt werden, ohne dass zwischendurch ein Austausch eines leeren Tank möglich ist, so müssen nach dieser zurückgelegten alle Tanks gleichzeitig ausgetauscht werden. Dies ist jedoch aufgrund der Größe und des Gewichts der Tanks sehr aufwendig und umständlich.
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Die
DE 43 20 993 C2 beschreibt ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor und einer Batterie, wobei die Batterie, gegebenenfalls zusammen mit dem Elektromotor vom Kraftfahrzeug lösbar ist, um sie bei Langstreckenfahrten dem Kraftfahrzeug entnehmen zu können. Dabei ist die Batterie in Fahrzeuglängsrichtung auf Führungsschienen ein- und ausfahrbar im Kraftfahrzeug gelagert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen, bei dem eine größere Reichweite mit weniger Aufwand ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen ersten als Wasserstofftank ausgebildeten Energiespeicher mit einer ersten Speicherkapazität, einen zweiten als Batterie ausgebildeten Energiespeicher mit einer zweiten Speicherkapazität und einem Reserveenergiespeicher mit einer dritten Speicherkapazität. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Energiespeicher fest im Brennstoffstellenfahrzeug verbaut ist und dass der Reserveenergiespeicher vom gleichen Typ wie der erste oder zweite Energiespeicher ist, wobei die dritte Speicherkapazität des Reserveenergiespeichers kleiner ist als die Speicherkapazität des ersten oder zweiten Energiespeichers. Weiterhin ist der Reserveenergiespeicher austauschbar und dem Brennstoffzellenfahrzeug entnehmbar.
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Durch das Vorsehen eines zusätzlichen Reserveenergiespeichers ist auf besonders vorteilhafte Weise die Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs erhöhbar. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, dass nicht der erste oder zweite Energiespeicher dem Fahrzeug entnommen werden muss, sondern der Reserveenergiespeicher, der wesentlich kleiner und leichter ausgestaltet sein kann aufgrund seiner geringeren Speicherkapazität.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Reserveenergiespeicher als Reservewasserstofftank ausgebildet. Gerade bei einem Reservewasserstofftank ist es besonders vorteilhaft, diesen austauschbar auszugestalten. Dadurch ist es möglich, einen leeren Reservewasserstofftank auch durch im Einzelhandel, wie beispielsweise in Baumärkten, erhältliche Reservewasserstofftanks auszutauschen. Aufgrund des geringeren Gewichts des Reservewasserstofftanks ist ein Austausch wesentlich weniger aufwendig als ein Austausch des Hauptwasserstofftanks. Gleichzeitig können durch den Reservewasserstofftank zusätzliche Reichweiten erzielt werden, die das Erreichen der nächsten Wasserstofftankstelle ermöglichen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Energiespeicher ein Ventil und eine Druckminderungseinrichtung auf und der Reserveenergiespeicher ist mit dem ersten Energiespeicher über das Ventil und die Druckminderungseinrichtung koppelbar. Durch die Ausgestaltung des Wasserstofftanks mit einem Ventil und einer Druckminderungseinrichtung können vorteilhafterweise Hochdruckleitungen im Fahrzeug vermeiden werden. Das Ventil kann dabei elektrisch ansteuerbar sein, wie beispielsweise zum Zweck einer Notabschaltung, um für mehr Sicherheit zu sorgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Reserveenergiespeicher mittels mindestens einer flexiblen Leitung mit dem ersten Energiespeicher koppelbar. Die flexiblen Leitungen können dabei beispielsweise als flexible Metallschläuche oder metallummantelte Schläuche ausgebildet sein. Die Leitungen enthalten bevorzugt ein Rückschlagventil um das Zurückströmen von Wasserstoff aus dem Fahrzeug zu vermeiden. Weiterhin ist es möglich, dass der Anschluss des Reserveenergiespeichers über Schnellverschlüsse erfolgt. Durch diese Ausgestaltungen wird eine besonders einfache und sichere Kopplungsmöglichkeit des Reserveenergiespeichers bereitgestellt, die einen schnellen und unkomplizierten Austausch des Reserveenergiespeichers ermöglicht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Reserveenergiespeicher als Reservebatterie ausgebildet. Insbesondere kann die Reservebatterie eine HV-Batterie oder eine LV-Batterie sein. Auch durch das Vorsehen einer Reservebatterie als Reserveenergiespeicher kann die Reichweite des Brennstoffzellenfahrzeugs erhöht werden. Zudem ist auch eine Reservebatterie leicht und ohne großen Aufwand austauschbar. Darüber hinaus können auch mehrere austauschbare Reserveenergiespeicher vom gleichen Typ oder unterschiedlichen Typs vorgesehen sein, wie beispielsweise ein als Reservewasserstofftank ausgebildeter und ein als Reservebatterie ausgebildeter Reserveenergiespeicher.
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Des Weiteren kann der Reserveenergiespeicher, insbesondere die Reservebatterie, über einen Notschalter mit dem Brennstoffzellenfahrzeug koppelbar sein. Die Reservebatterie und das Fahrzeug können dabei beispielsweise über elektrische Stecker/Buchsen und/oder flexible Kabel miteinander verbunden sein. Durch den Notschalter ist es vorteilhafterweise möglich, die Reservebatterie im Gefahrenfall elektrisch vom Fahrzeugsystem zu trennen. Gleichzeitig kann die Reservebatterie auch durch das elektrische System im Fahrzeug aufgeladen werden. Darüber hinaus können die Anschlüsse der Batterie berührungssicher ausgelegt sein, z. B. nach IP2x, um für ausreichende Sicherheit zu sorgen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, den Reserveenergiespeicher an einer crashsicheren Stelle im Fahrzeug anzuordnen. Bevorzugt ist der Reserveenergiespeicher im Kofferraumbereich des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet, insbesondere im vorderen Teil des hinteren Kofferraumes oder in der Reserveradmulde. Darüber hinaus können Haltevorrichtungen im Fahrzeug vorgesehen sein. Als Anschluss-/Haltevorrichtungen kommen z. B. Metallschienen in Frage, auf denen der Reserveenergiespeicher gegen Wegrutschen durch Spanneinrichtungen, wie z. B. Spannbänder und/oder Spannbügel, gesichert wird. Darüber können auch mehrere Haltevorrichtungen für weitere volle oder bereits leere Reserveenergiespeicher vorgesehen sein. Somit kann für ausreichende Stabilität und Sicherheit bei der Anordnung des Reserveenergiespeichers im Fahrzeug gesorgt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Brennstoffzellenfahrzeug eine Hebe- und Senkvorrichtung auf, auf der der Reserveenergiespeicher anordenbar ist und mittels welcher der Reserveenergiespeicher heb- und senkbar ist. Das Fahrzeug kann beispielsweise mit einer mechanischen, elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Hebe- und Senkvorrichtung ausgestattet sein. Der Reserveenergiespeicher kann dabei wie auf einer Hebebühne aus oder in das Fahrzeug bewegt werden, was einen Austausch des Reserveenergiespeichers erheblich vereinfacht.
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Des Weiteren können noch zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Beispielsweise kann der Reservewasserstofftankbereich gasdicht gegenüber dem Fahrzeug ausgelegt sein, um ein Eindringen von Leckagewasserstoff in das Fahrzeug zu verhindern. Weiterhin kann der Reservewasserstofftankbereich zwangsbelüftet werden, um evt. beim Betrieb, der Montage oder Demontage des Tanks austretenden Wasserstoff schnell zu verdünnen, damit keine kritische H2-Konzentrationsgrenze überschritten wird. Im Bereich des Reservewasserstofftanks können ein oder mehrere Wasserstoffsensoren vorgesehen sein, um evt. H2-Leckagen zu detektieren und bei Grenzwertüberschreitung den Reservetank und/oder das Brennstoffzellen-System abzuschalten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenfahrzeugs 1 mit einem ersten Energiespeicher 2, einem zweiten Energiespeicher 3 und einem Reserveenergiespeicher 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der erste Energiespeicher 2 ist dabei als Wasserstofftank ausgebildet und der zweite Energiespeicher 3 als Batterie. Der Wasserstofftank ist dabei fest im Brennstoffzellenfahrzeug 1 verbaut während der Reserveenergiespeicher 4 austauschbar und dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 entnehmbar ist. Der Reserveenergiespeicher 4 ist vorzugweise in einer crashsicheren Position im Brennstoffzellenfahrzeug 1 angebraucht, z. B. im vorderen Teil des hinteren Kofferraums oder der Reserveradmulde. Der Reserveenergiespeicher 4 kann dabei als Reservewasserstofftank oder als Reservebatterie, insbesondere als HV-Batterie oder LV-Batterie, ausgebildet sein. Exemplarisch ist hierbei nur ein Reserveenergiespeicher dargestellt, es können aber auch weitere Reserveenergiespeicher vom gleichen Typ oder unterschiedlichen Typs vorgesehen sein. Weiterhin können fahrzeugseitig entsprechende Anschluss-, Halte- und (Sicherheitseinrichtungen vorgesehen sein.
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Der als Wasserstofftank ausgebildete erste Energiespeicher 2 ist vorzugsweise bereits mit einem Ventil und einer Druckminderungseinrichtung ausgestattet, um Hochdruckleitungen im Brennstoffzellenfahrzeug 1 zu vermeiden. Das Ventil kann elektrisch angesteuert werden, z. B. für eine Notabschaltung. Der Anschluss eines als Reservewasserstofftanks ausgebildeten Reserveenergiespeichers 4 geschieht z. B. über Schnellverschlüsse. Die Leitungen enthalten ein Rückschlagventil um das Zurückströmen von Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 zu vermeiden. Der Reservewasserstofftank kann mit dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 über flexible Leitungen verbunden werden, z. B. über flexible Metallschläuche oder metallummantelte Schläuche. Bevorzugt ist der Reservewasserstofftankbereich gasdicht gegenüber dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 ausgelegt, um ein Eindringen von Leckagewasserstoff in das Brennstoffzellenfahrzeug 1 zu verhindern. Weiterhin kann der Reservewasserstofftankbereich zwangsbelüftet werden, um evt. beim Betrieb, der Montage oder Demontage des Tanks austretenden Wasserstoff schnell zu verdünnen, damit keine kritische H2-Konzentrationsgrenze überschritten wird. Im Bereich des Reservewasserstofftanks können ein oder mehrere Wasserstoffsensoren vorgesehen sein, um evt. H2-Leckagen zu detektieren und bei Grenzwertüberschreitung den Reservetank und/oder das Brennstoffzellensystem abzuschalten.
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Bei einer Ausbildung des Reserveenergiespeichers 4 als Reservebatterie können die Anschlüsse der Batterie berührungssicher ausgelegt sein, z. B. nach IP2x. Die Reservebatterie und das Brennstoffzellenfahrzeug 1 sind z. B. über elektrische Stecker/Buchsen und/oder flexible Kabel miteinander verbunden. Gleichzeitig kann die Reservebatterie auch durch das elektrische System im Brennstoffzellenfahrzeug 1 aufgeladen werden. Der Anschluss der Reservebatterie kann über einen Notschalter erfolgen, der im Gefahrenfall die Reservebatterie elektrisch vom Fahrzeugsystem trennt.
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Als Anschluss-/Haltevorrichtungen des Reserveenergiespeichers 4 können z. B. Metallschienen vorgesehen sein, auf denen der Reserveenergiespeicher 4 gegen Wegrutschen durch Spanneinrichtungen, wie z. B. Spannbänder und/oder Spannbügel, gesichert wird. Weiterhin kann das Brennstoffzellenfahrzeug 1 mehrere Haltevorrichtungen für weitere volle oder bereits leere Reserveenergiespeicher 4 aufweisen.
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Aufgrund des Gewichtes des Reserveenergiespeichers 4 ist möglicherweise keine manuelle Montage/Demontage in das bzw. aus dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 möglich. Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 kann deshalb mit einer mechanischen, elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Hebe- und Senkvorrichtung ausgestattet sein. Der Reserveenergiespeicher 4 kann dabei wie auf einer Hebebühne aus dem oder in das Brennstoffzellenfahrzeug 1 bewegt werden.
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Die Reserveenergiespeicher 4 können vorzugsweise so dimensioniert werden, dass eine zusätzliche Fahrzeugreichweite von mindestens 50 km, vorzugsweise mindestens 100 km erreicht wird.
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Bei leeren Energiespeichern 2, 3 ist so eine Reichweite bis zur nächsten H2-Tankstelle möglich. Weiterhin können die Reserveenergiespeicher 4 nicht nur an Tankstellen erhältlich sein, sondern auch im Einzelhandel, wie z. B. in Baumärkten. Dadurch werden die Flexibilität, die Akzeptanz und der Kundennutzen von Brennstoffzellenfahrzeugen 1 erhöht. Auch Fahrten im europäischen Ausland ohne Wasserstofftankstellen-Infrastruktur werden so möglich, da die Reserveenergiespeicher 4 über den Einzelhandel im Ausland vertrieben werden können. Die entladenen bzw. leeren Reserveenergiespeicher 4 können dann vom Handel wieder zurückgenommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenfahrzeug
- 2
- Erster Energiespeicher
- 3
- Zweiter Energiespeicher
- 4
- Reserveenergiespeicher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1779026 B1 [0003]
- DE 4320993 C2 [0005]
