DE102012215474A1

DE102012215474A1 - Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, mit einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102012215474A1
Application number: DE201210215474
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Andreas Buchner; Michael Bauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit einem im Vorderwagenbereich angeordneten Brennstoffzellensystem, dem von der Fahrzeug-Stirnseite aus ein Kühlluftstrom zugeführt wird und für welches weiterhin ein Luftführungs- und Aufbereitungssystem für die im Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoff reagierende Prozessluft vorgesehen ist, wobei die Luftführung für die Prozessluft vollständig getrennt von der Kühlluftführung ist und eine Luftverdichtungseinheit die Prozessluft aus dem Bereich vor der gegenüber der Fahrzeugfront weiter hinten liegenden Windschutzscheibe des Fahrzeugs oder aus dem Bereich der Radkästen der Vorderräder des Fahrzeugs absaugt. Hingegen kann der Abluftstrom der Prozessluft und der Abluftstrom der Kühlluft vor dem Austritt in die Umgebung zumindest anteilig zusammengeführt sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit einem im Vorderwagenbereich angeordneten Brennstoffzellensystem, dem von der Fahrzeug-Stirnseite aus ein Kühlluftstrom zugeführt wird und für welches weiterhin ein Luftführungs- und Aufbereitungssystem für die im Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoff reagierende Prozessluft vorgesehen ist.
Derzeit werden Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellensystemen entwickelt, welche elektrische Energie zur Versorgung elektrischer Antriebsmotoren für die Fahrzeuge bereit stellen sollen. Brennstoffzellensysteme, jedenfalls solche der PEM-Bauart, müssen im Betrieb gekühlt werden. Neben einer Flüssigkeitskühlung mit einem Wärmetauscher, in dem die von einer Kühlflüssigkeit in der „Brennstoffzelle” (hiermit wird vorliegend der sog. Stack von Einzel-Brennstoffzellen-Elementen bezeichnet) aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird, ist auch eine direkte Luftkühlung der Brennstoffzelle angedacht, wobei ein Umgebungsluftstorm als Kühlluftstrom geeignet durch die Brennstoffzelle hindurch geführt wird.
Neben der Kühlluft benötigt eine solche luftgekühlte Brennstoffzelle selbstverständlich noch die sog. Prozessluft, d. h. einen Frischluft- oder Umgebungsluftstrom, von welchem die Sauerstoffmoleküle in der Brennstoffzelle mit dem dieser üblicherweise in Form von Wasserstoff zugeführten Brennstoff chemisch reagieren. Naheliegend ist es nun, sowohl den Kühlluftstrom als auch den Prozessluftstrom gemeinsam (zusammen) an der Stirnseite des Fahrzeugs abzugreifen, so wie dies an den bisherigen mit einer Brennkraftmaschine als Antriebsaggregat ausgerüsteten Kraftfahrzeugen für den dort einem Kühlwasser-Wärmetauscher zur Kühlung der Brennkraftmaschine zugeführten Kühlluftstrom und den Ansaug-Luftstrom der Brennkraftmaschine üblich ist.
Es wurde jedoch erkannt, dass diese naheliegende Lösung ungünstig ist, weshalb hiermit für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine demgegenüber verbesserte Führung von Kühlluft und Prozessluft aufgezeigt werden soll (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung). Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführung für die Prozessluft vollständig von der Führung der Kühlluft getrennt ist und eine Luftverdichtungseinheit die Prozessluft aus dem Bereich vor der gegenüber der Fahrzeugfront weiter hinten liegenden Windschutzscheibe des Fahrzeugs oder aus dem Bereich eines der Radkästen der Vorderräder des Fahrzeugs absaugt. Insbesondere ist dabei sowohl für die Prozessluft als auch für die Kühlluft ein eigenständiges Filterelement vorgesehen, stromab dessen der jeweilige Luftstrom seiner Verwendung zugeführt wird, d. h. als Kühlluftstrom oder als Prozessluftstrom zum Einsatz kommt. Weitere Weiterbildungen sind Inhalt der weiteren Unteransprüche.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, jeden der Luftströme in der für ihn günstigsten Art zu führen und zu behandeln, wozu auch eine luftstromspezifische Filtrierung, d. h. Abscheidung von störenden Partikeln, bspw. Staubpartikeln oder dergleichen zählen kann. Unterschiedliche Filter können vorgesehen werden, nämlich gröbere für die Kühlluft und feinere Filter für die Prozessluft, wodurch der Druckverlust insbesondere für den bzw. im Kühlluftstrom reduziert werden kann, was der erbringbaren Kühlleistung förderlich ist. Insbesondere jedoch wird der Prozessluftstrom an einer anderen Stelle des Fahrzeugs abgegriffen als der Kühlluftstrom, womit an der Fahrzeug-Stirnseite bzw. an der Stirnfläche des an heutigen Personenkraftwagen sog. Motorraums eine ausreichend große Fläche zur Darstellung bzw. Gewinnung eines großen Kühlluftstromes zur Verfügung steht. Die Prozessluft hingegen wird von einer für den Betrieb der Brennstoffzelle ohnehin erforderlichen Luftverdichtungseinheit aus dem Bereich vor der gegenüber der Fahrzeugfront weiter hinten liegenden Windschutzscheibe des Fahrzeugs oder aus dem Bereich der Radkästen der Vorderräder des Fahrzeugs abgesaugt. Diese genannten Absaugstellen für die Prozessluft haben sich hinsichtlich der Druck- und Strömungsverhältnise auch bei höheren Fahrgeschwindigkeiten des Fahrzeugs sowie hinsichtlich der Beaufschlagung mit unerwünschten Fremdpartikeln als besonders günstig erwiesen, insbesondere weil die Anforderungen an die Reinheit der Prozessluft bei Brennstoffzellen wesentlich höher als bei den heute verwendeten Brennkraftmaschinen ist. Dass in den genannten Bereichen der Luft-Absaugstellen an üblichen Kraftfahrzeugen bei höheren Fahrgeschwindigkeiten ein Unterdruck vorliegt, ist unerheblich, da die Prozessluft ohnehin verdichtet werden muss und eine hierfür vorgesehene Luftverdichtungseinheit die benötigte Prozessluft einfach aus der Umgebung absaugen kann.
Es kann die Aufbereitung der Prozessluft grundsätzlich, d. h. nicht nur hinsichtlich des Drucks der angesaugten Prozessluft, nicht nur bedarfsgerecht hinsichtlich der Leistungsabgabe des Brennstoffzellsystems erfolgen, sondern es kann im Rahmen der Prozessluft-Aufbereitung auch generell die aktuelle Luftanströmung des Fahrzeugs und somit auch dessen Fahrzustand geeignet berücksichtigt werden. Insbesondere ist hierbei neben der Fahrgeschwindigkeit und damit dem Luftdruck auch die Temperatur und/oder die Luftfeuchte der angesaugten Prozessluft zu nennen. Bekanntlich kann insbesondere bei Brennstoffzellen der PEM-Bauart eine Befeuchtung der Prozessluft erforderlich sein. Vorzugsweise kann die Temperatur der Einzel-Brennstoffzellen der „Brennstoffzelle”, d. h. des Brennstoffzellen-Stacks in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt werden. Da sich bei höheren Fahrgeschwindigkeiten unter Anforderung einer unveränderten Leistungsabgabe der Brennstoffzelle eine geringere Temperatur der Einzel-Brennstoffzellen einstellt, kann somit bei höherer Fahrgeschwindigkeit der Druck des Prozessluftstromes reduziert werden. Dies erhöht den Systemwirkungsgrad bei gleichbleibender Zellkennlinie, d. h. ansonsten unveränderter Betriebscharakteristik.
Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung können der Abluftstrom der Prozessluft und der Abluftstrom der Kühlluft vor dem Austritt in die Umgebung zumindest anteilig zusammengeführt sein. Damit ergibt sich eine Verdünnung des in der Prozess-Abluft der Brennstoffzelle enthaltenen (und aus der chemischen Reaktion des Wasserstoffs herrührenden) Wassers, wobei vorteilhafterweise die im Abluftstrom der Kühlluft enthaltene Wärmemenge bzw. Wärmeenergie dafür sorgt, dass dieses Wasser solchermaßen dampfförmig bzw. gasförmig gebunden bleibt, dass keine (unerwünschte) Nebelbildung erfolgt.
Die beigefügte Prinzipskizze zeigt auf das wesentliche abstrahiert den Vorderbau eines Personenkraftwagens in Seitenansicht, in dessen bei heutigen PKWs sog. Motorraum 4 ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle 2 angeordnet ist. Mit der Bezugsziffer 1a ist die die Stirnseite des Fahrzeugs bzw. die Stirnfläche des Motorraums 4 im Fahrbetrieb des Fahrzeugs anströmende Umgebungsluft gekennzeichnet, die als Kühlluftstrom 1b zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 verwendet und hierzu geeignet durch diese hindurch geführt wird. Hierzu ist dieser Kühlluftstrom 1b im Motorraum 4 durch eine nicht gezeigte Luftführungsstruktur geeignet geführt, insbesondere auch über bzw. durch eine figürlich nicht dargestellte Filtereinheit.
Mit dem Pfeil 3b ist die sog. Prozessluft gekennzeichnet, die der Brennstoffzelle ebenfalls über ein nicht dargestelltes Kanalsystem zur Reaktion mit dem weiterhin der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff (in Form von Wasserstoff) zugeführt wird. Diese Prozessluft 3b wird gemäß den Pfeilen 3a aus dem Bereich vor der Windschutzscheibe 6 des Kraftfahrzeugs und/oder aus dem Bereich eines Radkastens 7 des Fahrzeug-Vorderrads 8 aus der Umgebung angesaugt und anschließend über eine Luft-Aufbereitungseinrichtung 5 geführt, die unter anderem eine Luftverdichtungseinheit enthält, welche das besagte Ansaugen der Prozessluft aus der Umgebung übernimmt. Im Anschluss an die geeignete Aufbereitung gelangt die Prozessluft 3b in die Brennstoffzelle 2.
Wie die Figur zeigt, ist die Brennstoffzelle 2 im Motorraum 4 in Fzg.-Fahrtrichtung betrachtet relativ weit hinten liegend angeordnet, so dass vor der Brennstoffzelle 2 eine figürlich nicht dargestellte Luftführungsstruktur für die Kühlluft der Brennstoffzelle untergebracht werden kann. Diese weiter hinten liegende Anordnung schützt nicht nur die Brennstoffzelle 2 im Falle eines leichteren Auffahrunfalls vor Beschädigung, sondern erlaubt es auch, die Brennstoffzelle in Fzg.-Querrichtung sehr breit zu dimensionieren, d. h. die gesamte Breite des Motorraumes 4 hinter den Fzg.-Scheinwerfern zu nutzen. Dies ermöglicht eine optimale Verteilung eines möglichst großen Kühlluftstromes, der in der Fzg.-Front zwischen den Scheinwerfern des Fahrzeugs „eingefangen” wird, durch die genannte Luftführungsstruktur auf die gesamte Brennstoffzelle.

Claims

Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, mit einem im Vorderwagenbereich angeordneten Brennstoffzellensystem (2), dem von der Fahrzeug-Stirnseite aus ein Kühlluftstrom (1b) zugeführt wird und für welches weiterhin ein Luftführungs- und Aufbereitungssystem für die im Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoff reagierende Prozessluft (3b) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführung für die Prozessluft (3b) vollständig von der Führung der Kühlluft (1b) getrennt ist und eine Luftverdichtungseinheit die Prozessluft aus dem Bereich vor der gegenüber der Fahrzeugfront weiter hinten liegenden Windschutzscheibe (6) des Fahrzeugs oder aus dem Bereich eines der Radkästen (7) der Vorderräder (8) des Fahrzeugs absaugt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für die Prozessluft (3b) als auch für die Kühlluft (1b) ein eigenständiges Filterelement vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung der Prozessluft (3b) nicht nur bedarfsgerecht hinsichtlich der Leistungsabgabe des Brennstoffzellsystems erfolgt, sondern dass auch die aktuelle Luftanströmung des Fahrzeugs bei der Prozessluft-Aufbereitung geeignet berücksichtigt wird.
Kraftfahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftstrom der Prozessluft und der Abluftstrom der Kühlluft vor dem Austritt in die Umgebung zumindest anteilig zusammengeführt sind.