-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, der ein Wasserstofftank und ein Kühlsystem zugeordnet sind, und mit einem unter der Fahrgastzelle ausgebildeten Tunnel, in dem sich der Wasserstofftank befindet, wobei der Tunnel eine innenseitige Tunnelfläche und der Wasserstofftank eine außenseitige Tankfläche aufweist und zwischen der innenseitigen Tunnelfläche und der außenseitigen Tankfläche ein Freiraum besteht.
-
Bei Kraftfahrzeugen, wie insbesondere Personenkraftwagen, die eine Fahrgastzelle aufweisen, befindet sich in der Regel unter der Fahrgastzelle ein Tunnel, der sich in Längsrichtung bzw. in Hauptfahrtrichtung des Kraftfahrzeugs von dessen vorderem Teil zu dessen hinterem Teil erstreckt. Der Tunnel verbindet also einen Vorderwagen des Kraftfahrzeugs mit einem Hinterwagen bzw. Heck und dient dabei zum Aufnehmen eines Antriebsstranges und zum Durchleiten des Abgases.
-
Kraftfahrzeuge, die mit gasförmigen Energieträgern betrieben werden, wie insbesondere Wasserstoff, weisen im Regelfall ein großes Tanksystem auf. Vor allem bei Kraftfahrzeugen, die eine Brennstoffzelle als Antriebsaggregat aufweisen, benötigt das Tanksystem viel Bauraum. Es ist allgemein bekannt, für solche Kraftfahrzeuge das Tanksystem oder zumindest Teile davon im Tunnel anzuordnen.
-
Erfindungsgemäß ist ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle geschaffen, der ein Wasserstofftank und ein Kühlsystem zugeordnet sind, und mit einem unter einer Fahrgastzelle ausgebildeten Tunnel, in dem sich der Wasserstofftank befindet, wobei der Tunnel eine innenseitige Tunnelfläche und der Wasserstofftank eine außenseitige Tankfläche aufweist und zwischen der innenseitigen Tunnelfläche und der außenseitigen Tankfläche ein Freiraum besteht. Gemäß der Erfindung ist in dem Freiraum mindestens eine Kühlleitung des Kühlsystems angeordnet. Der erfindungsgemäße Tunnel ist insbesondere zur Fahrgastzelle hin mittels einer Tunnelwandung begrenzt, die vorzugsweise einen Deckenabschnitt und zwei Seitenwandabschnitte aufweist. Ferner ist der Tunnel vorteilhaft zum Fahrzeuguntergrund des Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs hin mittels eines Tunnelbodens begrenzt. Die Tunnelwandung bzw. der Deckenabschnitt und die beiden Seitenwandabschnitte und/oder der Tunnelboden bilden damit innenseitige Tunnelflächen. Der erfindungsgemäße Wasserstofftank ist außen mittels einer Tankwandung begrenzt, die damit eine außenseitige Tankfläche bildet.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem handelt es sich insbesondere um ein Kühlsystem einer Brennstoffzelle, bei dem Kühlwasser durch von einer Brennstoffzelle erwärmt und nachfolgend zur Kühlung durch einen von Luft durchströmten Kühler gefördert wird (direkte Kühlung). Ferner wird ein Kühlsystem bevorzugt, bei dem reines Wasser in Luft eingesprüht wird, die der Brennstoffzelle zugeführt wird (indirekte Kühlung). Das Wasser verdampft und wird anschließend aus dem Abgas der Brennstoffzelle auskondensiert. Dieses Auskondensieren erfolgt vorzugsweise zweistufig in einem Hochtemperatur-Hochtemperatur-Kondensator oder einem Hochtemperatur-Niedertemperatur-Kondensator.
-
Alternativ handelt es sich um ein Kompressionskühlsystem. Bei einem solchen Kühlsystem wird ein gasförmiges Kältemittel bzw. Kühlmedium durch einen Kompressor insbesondere adiabatisch (ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) verdichtet, wodurch sich das Kältemittel erwärmt. Die Wärmeenergie des gasförmigen, komprimierten Kältemittels wird mittels eines Verflüssigers an die Umgebung abgegeben, wodurch das Kältemittel kondensiert. Danach strömt das Kältemittel zur Druckabsenkung durch eine Drossel und dann weiter in einen Verdampfer. Der Verdampfer befindet sich in bzw. an dem zu kühlenden Raum bzw. Bauteil. Dort entnimmt das verdampfende Kältemittel die notwendige Verdampfungswärme (Siedekühlung) und strömt wieder als Gas zurück zum Kompressor. Mit den erfindungsgemäßen Kühlleitungen wird bei dem derartigen Kühlsystem insbesondere das gasförmige, unter Druck stehende Kältemittel und/oder das flüssige Kältemittel transportiert.
-
Die außenseitige Tankfläche ist vorzugsweise gerundet gestaltet und die innenseitige Tunnelfläche zumindest teilweise gewinkelt gestaltet. Die erfindungsgemäße Kühlleitung ist dann vorteilhaft im Freiraum zwischen der gerundeten Tankfläche und der gewinkelten Tunnelfläche angeordnet. Die Kühlleitung ist dabei insbesondere an die Form der umgebenden Bauteile, vorliegend Tank und Tunnel hinsichtlich ihrer Querschnittsform angepasst. Die derartige Gestaltung nutzt besonders vorteilhaft freien bzw. leeren Bauraum, der sich mit der ansonsten technisch sinnvollsten Konstruktion einer zugehörigen Karosserie des Fahrzeugs sowie eines zugehörigen Wasserstofftanks ohnehin ergeben hat.
-
Die Kühlleitung gemäß der Erfindung bildet besonders bevorzugt einen Abschnitt eines Hochtemperaturkreislaufs des Kühlsystems. Der Hochtemperaturkreislauf ist ein Kreislauf bzw. Bereich des Kühlsystems, an dem Komponenten mit einer Temperatur von größer ca. 60°C gekühlt werden. Solche Komponenten sind insbesondere ein Ladeluftkühler der Brennstoffzelle, die Brennstoffzelle selbst oder einer Kondensator einer indirekten Kühlung. Dabei ist dann vorteilhaft die Brennstoffzelle im Hinterwagen des Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs verbaut. Ferner ist vorteilhaft mindestens ein Kühler des Kühlsystems im Vorderwagen des Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs verbaut.
-
Alternativ bildet die Kühlleitung gemäß der Erfindung einen Abschnitt eines Niedertemperaturkreislaufs des Kühlsystems. Der Niedertemperaturkreislauf ist ein Kreislauf bzw. Bereich des Kühlsystems, an dem Komponenten mit einer Temperatur von kleiner ca. 60°C gekühlt werden. Solche Komponenten sind insbesondere Elektronikbauteile, ein HV-Speicher (High Voltage Speicher) oder ein Kondensator einer indirekten Kühlung. Die Brennstoffzelle ist dabei vorzugsweise im Vorderwagen des Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs verbaut. Ferner ist vorteilhaft mindestens ein Kühler des Kühlsystems im Hinterwagen des Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs verbaut.
-
Im erfindungsgemäßen Kühlsystem ist auch vorteilhaft mindestens ein weiteres zu kühlendes Bauteil des Kraftfahrzeugs angeordnet. Ein solches Bauteil ist insbesondere ein Ladeluftkühler der Brennstoffzelle.
-
Darüber hinaus sind bevorzugt gemäß der Erfindung zwei oder mehr Kühlleitungen des Kühlsystems in je einem zugehörigen Freiraum zwischen Tunnelfläche und Tankfläche ausgebildet.
-
Mit der erfindungsgemäßen Lösung und ihren Weiterbildungen ist es möglich, ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, vom Vorderwagen in den Hinterwagen zu bringen, wo es für eine Kühlung der Brennstoffzelle sowie weiterer Bauteile genutzt werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dadurch sowohl der Vorderwagen als auch der Hinterwagen für die Kühlfunktionen genutzt werden kann. Dies ist im Hinblick auf die insgesamt am Fahrzeug zur Verfügung stehende Außenfläche und den dort zur Verfügung stehenden Bauraum vorteilhaft.
-
Die erfindungsgemäße gezielte Führung einer oder mehrere Kühlleitungen durch einen Freiraum des Tunnels kann vorteilhaft zum Verbinden von zwei oder mehr Kühlkomponenten eines Brennstoffzellensystems genutzt werden. So kann insbesondere vorteilhaft Kühlflüssigkeit von einem Kühler zu einer Brennstoffzelle geführt werden.
-
Mit der Lösung gemäß der Erfindung kann besonders vorteilhaft Kühlflüssigkeit von einem Frontkühler zum Hinterwagen des zugehörigen Fahrzeugs hingeführt und zurückgeführt werden. Dies ist besonders im Hinblick auf eine Kühlung einer im Hinterwagen positionierten Brennstoffzelle von Vorteil.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine Seitensicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs,
-
2 die Draufsicht II gemäß 1,
-
3 den Schnitt III-III gemäß 2 und
-
4 die Draufsicht gemäß 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs.
-
In den Fig. ist je ein Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug 10 dargestellt, das als Personenkraftwagen (PKW) gestaltet ist und dabei einen Vorderwagen 12 mit zwei Vorderrädern 14, eine bezogen auf die Fahrzeuglängsachse dahinter angeordnete Fahrgastzelle 16 sowie einen nochmals dahinter angeordneten Hinterwagen 18 mit zwei Hinterrädern 20 aufweist.
-
Am Vorderwagen 12 befindet sich frontseitig ein Fronteinlass 22 für Außenluft, die gegebenenfalls mittels eines Frontventilators 24 durch einen dahinter liegenden Frontkühler 26 geleitet werden kann.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 befindet sich im Hinterwagen 18 eine Brennstoffzelle 28, die als Teil eines Antriebsaggregats für das Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug 10 wirkt. Die Brennstoffzelle 28 und der Frontkühler 26 sind in ein Kühlsystem 30 integriert, das einen Hochtemperaturkreislauf bildet und insbesondere zum direkten Kühlen der Brennstoffzelle 28 dient. Dazu sind als Teil des Kühlsystems 30 zwei Kühlleitungen 32 vorgesehen, mittels denen ein (nicht dargestelltes) Kühlmittel bzw. Kühlmedium vom Frontkühler 26 zur Brennstoffzelle 28 und zurück transportiert werden kann. Die Kühlleitungen 32 sind dazu vom Vorderwagen 12 zum Hinterwagen 18 und zurück geführt.
-
Unter der Fahrgastzelle 16 befindet sich mittig und über deren gesamte Längserstreckung hinweg ein Tunnel 34, der zur Fahrgastzelle 16 hin mittels einer Tunnelwandung 36 und nach unten hin mittels eines Tunnelbodens 38 abgegrenzt und dadurch insbesondere weitgehend verschlossen ist. Die Tunnelwandung 36 und der Tunnelboden 38 bilden dabei eine innenseitige Tunnelfläche, die insbesondere am Übergang zwischen Tunnelwandung 36 und Tunnelboden 38 gewinkelt gestaltet ist. In dem Tunnel 34 befindet sich ein langgestreckter Wasserstofftank 40, der für die Brennstoffzelle 28 Wasserstoff als Brennstoff bereitstellt. Der Wasserstofftank 40 ist zum Tunnel 34 hin mittels einer dabei insbesondere zylindrischen bzw. gerundeten Tankwandung 42 abgegrenzt. Zwischen dieser Tankwandung 42 und der Tunnelwandung 36 bzw. dem Tunnelboden 38 befindet sich dabei ein Freiraum 44, der vorliegend gezielt als Bauraum für die Kühlleitungen 32 genutzt wird.
-
Für das Fördern des Kühlmediums in den Kühlleitungen 32 sind in dem derart gestalteten Kühlsystem 30 ferner eine Kühlmittelpumpe 46, eine optionale zweite Kühlmittelpumpe 48, ein Ionentauscher 50 sowie ein Ausgleichsbehälter 52 vorgesehen. Auch diese Komponenten 46, 48, 50 bzw. 52 können vorteilhaft in dem Freiraum 44 oder einem Teil von diesem angeordnet sein.
-
Ferner kann in dem Kühlsystem 30 vorteilhaft ein weiteres zu kühlendes Bauteil 54, wie insbesondere ein Ladeluftkühler angeordnet sein.
-
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugs 10 veranschaulicht, bei dem die Brennstoffzelle 28 in einem Hochtemperaturkreislauf eines Kühlsystems 30 im Vorderwagen 12 angeordnet ist und am bezogen auf die Hauptfahrtrichtung hinteren Ende des Tunnels 34 sich eine Elektromaschine bzw. ein Elektromotor 56 befindet. Dieser Elektromotor 56 ist in einen Niedertemperaturkreislauf des Kühlsystems 30 eingebunden. Dazu sind wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 zwei Kühlleitungen 32 durch zugehörige Freiräume 44 im Tunnel 34 von vorne nach hinten hin und nach vorne zurückgeführt.
-
Im Hinterwagen 18 dieses Ausführungsbeispiels befinden sich ferner zwei Heckkühler 58 sowie eine Kühlmittelpumpe 46, die ebenfalls in den Niedertemperaturkreislauf des Kühlsystems 30 eingebunden sind.
-
Im Vorderwagen 12 des zugehörigen Kraftfahrzeugs 10 sind ferner in den Hochtemperaturkreislauf des Kühlsystems 30 noch ein Ionentauscher 50 sowie ein Ausgleichsbehälter 52 integriert.
-
In dem Niedertemperaturkreislauf sind auch noch weitere zu kühlende Komponenten 54 im Vorderwagen 12 angeordnet, nämlich vorliegend ein Gleichstrom- und/oder ein Wechselstrom-Wandler für einen Kompressor, sowie eine optionale Kühlmittelpumpe 48.
-
In dem Hochtemperaturkreislauf des Kühlsystems 30 gemäß 4 ist im Vorderwagen 12 darüber hinaus noch ein Frontkühler 26 sowie ebenfalls eine Kühlmittelpumpe 46, ein Ionentauscher 50 sowie ein Ausgleichsbehälter 52 integriert. Auch in diesem Hochtemperaturkreislauf können ferner weitere Komponenten 54 mit Kühlbedarf geschaltet sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug
- 12
- Vorderwagen
- 14
- Vorderrad
- 16
- Fahrgastzelle
- 18
- Hinterwagen
- 20
- Hinterrad
- 22
- Fronteinlass
- 24
- Frontventilator
- 26
- Frontkühler
- 28
- Brennstoffzelle als Antriebsaggregat
- 30
- Kühlsystem
- 32
- Kühlleitung
- 34
- Tunnel
- 36
- Tunnelwandung als Tunnelfläche
- 38
- Tunnelboden als Tunnelfläche
- 40
- Wasserstofftank als Funktionsbauteil
- 42
- Tankwandung als Tankfläche
- 44
- Freiraum
- 46
- Kühlmittelpumpe
- 48
- optionale, zweite Kühlmittelpumpe
- 50
- Ionentauscher
- 52
- Ausgleichsbehälter
- 54
- zu kühlendes Bauteil
- 56
- Elektromotor
- 58
- Heckkühler
