DE102017000516A1

DE102017000516A1 - Brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE102017000516A1
Application number: DE102017000516.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Bader; Matthias Maisch; Ralf Nüßle; Holger Richter; Volker Schempp; Jens Sternemann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2016-12-17
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug (1), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (6) und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (5), sowie mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine (2), mit einem Speichervolumen (23) für in der Brennstoffzelle (6) entstehendes Produktwasser. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass, das Speichervolumen (23) zwei Speicherbereiche (26, 27) umfasst, von welchen einer einen elektrischen Heizwiderstand (28) aufweist, und von welchen der andere einen Verdampfer (29) eines Klimasystems (30) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug mit wenigstens einer Brennstoffzelle und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung sowie wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine und einem Speichervolumen für in der Brennstoffzelle entstehendes Produktwasser.
Ein derartiges Brennstoffzellenfahrzeug ist prinzipiell aus der JP 2005-174608 A sowie vergleichbar auch aus der US 2006/0240299 A1 bekannt. In diesen Fahrzeugen wird das Produktwasser der Brennstoffzelle in einem Speichervolumen gesammelt, um dieses nicht in flüssiger Form in die Umgebung abzugeben. Mit elektrischer Energie wird über einen elektrischen Heizer dieses Produktwasser verdampft, sodass kein flüssiges Produktwasser sondern lediglich Dampf in die Umgebung des Fahrzeugs gelangt.
Ein ähnlicher Aufbau ist auch aus der DE 10 2014 220 501 A1 bekannt. Hier wird das gespeicherte Wasser über elektrische Heizwiderstände aufgeheizt, um über das vorgewärmte Wasser eine optimale Befeuchtung des Lufteintritts des Brennstoffzellensystems zu erreichen.
Aus dem Bereich der Elektrofahrzeuge ist es nun außerdem bekannt, dass elektrisch angetriebene Fahrzeuge nicht nur über eine Reibbremse, sondern auch über die elektrische Antriebsmaschine im generatorischen Betrieb abgebremst werden können. Die dabei anfallende Energie wird typischerweise in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert. Dies dient zur Erhöhung der Energieeffizienz. Der Vorgang wird auch als Rekuperation bezeichnet. Nun kann es dazu kommen, dass Überschussleistung vorhanden ist, welche nicht in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert werden kann, wenn diese bei längerer Bergabfahrt bereits durch die Rekuperationsenergie vollständig geladen ist. Die DE 10 2011 111 594 A1 beschreibt für diesen Fall einen elektrischen Heizwiderstand, welcher die dann anfallende elektrische Energie in Wärme umwandelt, welche direkt in die Umgebung angegeben wird. Dieser Aufbau ist insbesondere bei leichten Fahrzeugen prinzipiell denkbar. Allerdings stellt die Abfuhr der Wärme in die Umgebung einen limitierenden Faktor dar, sodass, insbesondere bei höheren Fahrzeuggewichten, dass Abbremsen typischerweise durch die Reibbremse unterstützt werden muss, was hinsichtlich des dadurch entstehenden Verschleißes im Allgemeinen nicht erwünscht ist, insbesondere nicht bei Nutzfahrzeugen.
Für ein Hybridfahrzeug beschreibt außerdem die DE 10 2006 049 194 A1 einen Aufbau, bei welchem ein spezielles Speichervolumen mit Wasser vorhanden ist, welches durch die Überschussleistung und einen elektrischen Heizwiderstand bei der Rekuperation verdampft wird, wenn die anfallende Leistung nicht in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert werden kann. Problematisch ist es hier, dass einerseits nur ein geringes Volumen an Wasser zur Verfügung steht, da dieses immer mitgeführt werden muss, was bei höheren Volumina den Energieverbrauch des Fahrzeugs unnötig erhöhen würde. Außerdem ist ein ständiges Nachfüllen dieses Wassers durch den Nutzer des Fahrzeugs notwendig, sodass auch hier die Anwendungsmöglichkeiten sehr eingeschränkt sind, insbesondere auf entsprechend kleine und leichte Fahrzeuge wie beispielsweise Personenkraftwagen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches einfach und effizient in annähernd allen Betriebssituationen über die elektrische Antriebsmaschine im generatorischen Betrieb verschleißfrei abgebremst werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Ein vorteilhaftes Betriebsverfahren für ein derartiges Brennstoffzellenfahrzeug ist im Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug weist vergleichbar wie die Brennstoffzellenfahrzeuge im eingangs genannten Stand der Technik ein Speichervolumen für das in der Brennstoffzelle entstehende Produktwasser auf.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass dieses Speichervolumen zwei Speicherbereiche umfasst, von welchen einer mit einem elektrischen Heizwiderstand und der andere mit dem Verdampfer eines Klimasystems versehen ist. Dieser Aufbau mit einem Speichervolumen für das Produktwasser, welches erfindungsgemäß diese beiden Speicherbereiche oder -abschnitte aufweist, ist außerordentlich einfach und effizient. Über den elektrischen Heizwiderstand in dem einen Speicherbereich kann das Produktwasser aufgeheizt und insbesondere verdampft werden. Durch die vergleichsweise hohe Wärmeenergie, welche zum Verdampfen des Produktwassers benötigt wird, lässt sich eine sehr effiziente Kühlung des elektrischen Heizwiderstands erreichen. Wird dieser nun im Rahmen der Nutzung von Überschussenergie bei der Rekuperation eingesetzt, dann stellt dies einen ausreichend hohen Leistungsverbrauch im Bereich des Heizwiderstands sicher. Hierdurch können entsprechend hohe Bremsleistungen der elektrischen Antriebsmaschine im generatorischen Betrieb realisiert werden. Damit lassen sich dann beispielsweise auch Nutzfahrzeuge bei einer längeren Bergabfahrt verschleißfrei und effizient über die elektrische Antriebsmaschine abbremsen. Insbesondere kann auf den Aufwand eines zusätzlichen hydrodynamischen Retarders oder elektrodynamischen Retarders, welcher auch als Wirbelstrombremse bezeichnet wird, verzichtet werden. Hierdurch wird das Fahrzeug einfach und kostengünstig und der Bauraum innerhalb des Fahrzeugs kann effizient für andere Anwendungen genutzt werden. Insbesondere lässt sich das Ladevolumen entsprechend erhöhen, was vor allem bei Nutzfahrzeugen ein entscheidender Vorteil ist.
Ergänzend oder alternativ hierzu kann die Überschussenergie auch genutzt werden, um einen elektrisch angetriebenen Verdichter des Klimasystems anzutreiben. Auch hierdurch lässt sich bei entsprechend hoher Leistung des Klimasystems ein erheblicher Anteil an bei der Rekuperation anfallender elektrischer Überschussenergie, welche aufgrund der vollgeladenen elektrischen Energiespeichereinrichtung nicht in diesem gespeichert werden kann, verbraucht werden. Über das Klimasystem, welches in der bekannten Art und Weise mit einem Expansionsventil und einem Kondensator ausgestattet ist, wird dann im Bereich des Verdampfers bzw. Klimaverdampfers „Kälte“ erzeugt. Diese wird von dem Wasser, welche sich in dem Speicherbereich mit dem Verdampfer gesammelt hat, aufgenommen. Das Wasser kann also abgekühlt werden, sodass über die Überschussenergie ein thermischer Energiespeicher aufgeladen wird, in dem Fall also Kälte zwischengespeichert werden kann. Diese Kälte kann in dem Fahrzeug für verschiedene Nutzanwendungen eingesetzt werden. So ist es beispielsweise denkbar, über die Kälte die Klimatisierung einer Fahrzeugkabine vorzunehmen bzw. entsprechend zu unterstützen. Bei einem Austausch von Wasser zwischen den beiden Speicherbereichen kann auch durch die vorherige Abkühlung des Wassers die zum Verdampfen benötigte Energie nochmals vergrößert werden, sodass noch mehr elektrische Energie an dem Heizwiderstand umgesetzt werden kann.
Der Aufbau, welcher sich insbesondere auch für entsprechend schwere Fahrzeuge wie Nutzfahrzeuge eignet, ist dabei ideal hinsichtlich seiner Anwendung, da er zwei verschiedene sich gegebenenfalls auch ergänzende Möglichkeiten zur Nutzung von Überschussenergie bei der Rekuperation bereitstellt. Anders als bei der Verdampfung von extern zugeführtem Wasser im Stand der Technik ist eine solche Wasserzufuhr nicht notwendig, da das Produktwasser der Brennstoffzelle genutzt wird. Bei der Umsetzung von 1 kg Wasserstoff in der Brennstoffzelle entstehen dabei ca. 9 kg Produktwasser. Insbesondere ist es so, dass eine Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs mit vergleichsweise hoher Leistung, also beispielsweise eine Bergauffahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs, zu einem erhöhten Anfall von Produktwasser führt. Kommt es dann nach einer solchen Bergauffahrt zu einer Bergabfahrt, was in einer großen Zahl von Fällen das Übliche ist, dann wird bei einer solchen Bergabfahrt zuerst die elektrische Energiespeichereinrichtung mit der rekuperierten Energie vollgeladen. Ist diese vollgeladen und kann keine weitere elektrische Leistung mehr aufnehmen, dann steht aufgrund der zuvor erfolgten Bergauffahrt und der dabei benötigten höheren Leistung des Brennstoffzellensystems in dieser Situation typischerweise eine vergleichsweise große Menge an Produktwasser in dem Speichervolumen zur Verfügung. Die anfallende elektrische Überschussleistung kann dann zur Beheizung des Heizwiderstands und zum Verdampfen von Produktwasser und/oder zum Abkühlen des Produktwassers zur thermischen Speicherung von „Kälte“ genutzt werden. Durch eine entsprechende Balance zwischen diesen beiden Vorgängen, welche beispielsweise in Abhängigkeit von Temperaturen oder insbesondere gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee in Abhängigkeit des Wasserstandes in dem Speichervolumen mit dem elektrischen Heizwiderstand gesteuert werden kann, kann sichergestellt werden, dass eine ausreichend große Menge an Produktwasser verdampft und in die Umgebung abgegeben wird, sodass das durch den Betrieb der Brennstoffzelle anfallende Produktwasser auch weiterhin vollständig gespeichert werden kann.
Ein zusätzlicher Vorteil des Aufbaus ist es, dass kein flüssiges Wasser in die Umgebung abgegeben werden muss, da das gesamte Produktwasser über ohnehin vorhandene Überschussenergie verdampft werden kann. Es gelangt dann dampfförmig in die Umgebung, was insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts hinsichtlich der Gefahr eines Einfrierens von auf die Oberfläche der Straße gelangendes Produktwasser einen entscheidenden Vorteil darstellt. Anders als in den meisten Anwendungen gemäß dem Stand der Technik wird dafür keine zusätzliche Energie benötigt, sondern lediglich Überschussenergie genutzt, welche für eine anderweitige Nutzung in dem System ohnehin nicht zur Verfügung stünde.
Die zwei Speicherbereiche des erfindungsgemäß aufgebauten Speichervolumens können dabei über ein Leitungselement mit einer Ventileinrichtung verbunden sein. Eine solche Verbindung über eine Ventileinrichtung und ein Leitungselement stellt sicher, dass die Bereiche je nach Bedarf miteinander verbunden oder gegeneinander abgesperrt werden können. So kann beispielsweise bei einer großen Menge von anfallendem Produktwasser, welches idealerweise gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee über eine Zuleitung in den Speicherbereich mit dem elektrischen Heizwiderstand gelangt, auf die beiden Speicherbereiche verteilt werden. Anschließend können die Speicherbereiche gegeneinander abgesperrt werden, sodass diese sich nicht durch den Austausch von Wasser thermisch beeinflussen, insbesondere wenn der eine Bereich gekühlt und der andere Bereich beheizt wird. Ist das Produktwasser beispielsweise in dem Speicherbereich mit dem elektrischen Heizwiderstand durch Überschussleistung der Rekuperation vollständig verdampft worden, dann kann bei Bedarf abgekühltes Wasser aus dem anderen Speicherbereich nachströmen. Hierfür wird die Ventileinrichtung dann wieder geöffnet. Die Ventileinrichtung stellt also eine flexible Nutzung der beiden Speicherbereiche sicher.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass der Speicherbereich mit dem Verdampfer einen Wärmetauscher aufweist. Über einen solchen Wärmetauscher kann die eingespeicherte Kälte aus dem Speicherbereich mit dem Verdampfer genutzt werden, beispielsweise für die schon angesprochene Klimatisierung einer Fahrgastkabine, oder auch beispielsweise für die Klimatisierung eines Laderaums bei einem Nutzfahrzeug.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es ferner vorgesehen, dass der Wärmetauscher Teil eines Kühlkreislaufs für die Abfuhr von Abwärme der Brennstoffzelle und/oder der Batterie ist. Hierdurch kann über die eingespeicherte Kälte, welche mit Überschussleistung der Rekuperation „hergestellt“ worden ist, für die Kühlung der Systeme mitgenutzt werden. So kann beispielsweise bei einer längeren Bergabfahrt und entsprechend hoher anfallender Überschussleistung thermische Energie in Form von „Kälte“ in dem Speicherbereich mit dem Verdampfer zwischengespeichert werden. Bei einer anschließenden Bergauffahrt wird eine entsprechend hohe Leistung des Brennstoffzellensystems benötigt. Insbesondere eine Bergauffahrt eines relativ schweren Nutzfahrzeugs bei langsamer Fahrt sorgt sehr schnell für eine hohe thermische Belastung des Brennstoffzellensystems. Durch die langsame Fahrt kann eine ausreichende Kühlung in einem herkömmlichen Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems eventuell nicht gewährleistet sein. In diesem Fall müsste die zur Verfügung stehende elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems abgeregelt werden, um eine Überhitzung der Brennstoffzelle zu vermeiden. In einer solchen Situation kann nun über den Wärmetauscher Kälte aus dem Speicherbereich mit dem Verdampfer als thermischen Speicher genutzt werden, um die Kühlung der Brennstoffzelle zu verbessern und eine ausreichende Kühlleistung auch bei hoher erzeugter elektrischer Leistung der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Die thermische Limitierung kann somit verhindert oder zumindest hinausgezögert werden. Das Wasser in dem Speicherbereich mit dem Verdampfer wird dadurch erwärmt und kann bei der zu erwartenden darauffolgenden Bergabfahrt wieder abgekühlt und/oder in dem anderen Speicherbereich verdampft werden.
Der Speicherbereich mit dem Verdichter kann dabei insbesondere thermisch isoliert ausgeführt werden. Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mit einer thermischen Isolierung des Speicherbereichs mit dem Verdampfer verbessert die Nutzung dieses Speicherbereichs zur Speicherung von thermischer Energie ohne nennenswerten konstruktiven Aufwand weiter.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee als Nutzfahrzeug, insbesondere als Nutzfahrzeug mit einem zulässigen Gesamtgewicht von mehr als 10 000 kg ausgebildet sein. Insbesondere bei Nutzfahrzeugen und hier insbesondere bei Nutzfahrzeugen mit zulässigen Gesamtgewichten von mehr als 10 000 kg sind die benötigten elektrischen Leistungen beispielsweise beim Anfahren oder bei einer Bergauffahrt entsprechend hoch. Soll ausschließlich über die elektrische Antriebsmaschine oder die elektrischen Antriebsmaschinen, da hier typischerweise mehrere vorhanden sind, im generatorischen Betrieb das Nutzfahrzeug verschleißfrei abgebremst werden, so fällt eine entsprechend hohe Überschussleistung an. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau und die Möglichkeit, die Überschussleistung einerseits zum Verdampfen von zuvor entstandenem Produktwasser zu nutzen und andererseits zur Erzeugung von Kälte und zur thermischen Speicherung dieser Kälte kann ein ausreichend hoher Verbrauch an Überschussleistung gewährleistet werden, sodass das verschleißfreie Abbremsen des Nutzfahrzeugs auch bei höheren Gewichten des Nutzfahrzeugs und längeren Bremsphasen oder Bergabfahrten problemlos gewährleistet werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fahrzeugs ist es, wie schon erwähnt, vorgesehen, dass die elektrische Überschussleistung, welche immer dann anfällt, wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung bereits vollgeladen ist, und die wenigstens eine elektrische Antriebsmaschine im generatorischen Betrieb zum Abbremsen des Fahrzeugs genutzt wird, entweder zum Betrieb des Klimasystems und/oder zur Beheizung des elektrischen Heizwiderstands eingesetzt wird, um so über die elektrische Antriebsmaschine auch bei vollgeladener elektrischer Energiespeichereinrichtung weiterhin eine ausreichend hohe Bremsleistung für das Fahrzeug zur Verfügung stellen zu können. Das Verfahren wurde oben bereits bei der Erläuterung der Vorrichtung ausführlich beschrieben, sodass dies nicht nochmals wiederholt werden muss.
Die Aufteilung der Überschussenergie kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens dabei in Abhängigkeit des Füllstandes in dem Speicherbereich mit dem elektrischen Heizwiderstand erfolgen, sodass immer ein ausreichendes Volumen an Produktwasser verdampft wird, um wieder Speichervolumen für die Aufnahme von entstehendem Produktwasser der Brennstoffzelle bei der Weiterfahrt des Fahrzeugs zur Verfügung zu haben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeugs sowie des Verfahrens ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug;
2 ein Speichervolumen für Produktwasser in einer ersten Ausführungsform des Brennstoffzellenfahrzeugs; und
3 ein Speichervolumen für Produktwasser in einer zweiten Ausführungsform des Brennstoffzellenfahrzeugs.

In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 zu erkennen, welches über einen angedeuteten Elektromotor als elektrische Antriebsmaschine 2 angetrieben werden soll. Die elektrische Maschine 2 ist über eine Leistungselektronik 3 und ein Steuerungsmodul 4 einerseits mit einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 5 sowie andererseits mit einer Brennstoffzelle 6 verbunden. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 5 kann dabei Batteriezellen, Superkondensatoren oder eine Kombination hiervon aufweisen. Die Brennstoffzelle 6 soll beispielsweise als Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie ausgebildet sein. Die deshalb auch als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack bezeichnete Brennstoffzelle 6 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sehr stark vereinfacht einen Kathodenraum 7, einen hiervon durch eine protonenleitende Membran 8 getrennten Anodenraum 9 sowie einen Kühlwärmetauscher 10 auf, welcher Teil eines hier in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kühlkreislaufs 11, welcher in 3 noch zu erkennen sein wird, ist.
In an sich bekannter Weise wird dem Kathodenraum 7 der Brennstoffzelle 6 Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 12 zugeführt. Die Luft strömt über einen Gas/Gas-Befeuchter 13 in den Kathodenraum 7 der Brennstoffzelle 6. Die aus dem Kathodenraum 7 abströmende mit Feuchtigkeit und in der Brennstoffzelle 6 entstandenem Produktwasser beladene Abluft gelangt wiederum durch den Befeuchter 13, um die trockene und warme Zuluft zu befeuchten. Sie strömt dann über einen Wasserabscheider 14 zu einer Abluftturbine 15. Die Abluftturbine 15 dient dazu, thermische Energie und Druckenergie aus der Abluft zurückzugewinnen. Sie ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer gemeinsamen Welle 16 mit der Luftfördereinrichtung 12 angeordnet, um so die zurückgewonnene Leistung unmittelbar für den Antrieb der Luftfördereinrichtung 12 zur Verfügung stellen zu können. Auf der gemeinsamen Welle 16 ist außerdem eine elektrische Maschine 17 angeordnet, welche die zusätzlich benötigte elektrische Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 12 zur Verfügung stellt. Für den Fall, dass im Bereich der Abluftturbine 15 mehr Leistung zurückgewonnen wird, als für den Antrieb der Luftfördereinrichtung 12 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 17 auch generatorisch betrieben werden, und ihre Leistung der elektrischen Energiespeichereinrichtung 5 zum Laden zur Verfügung stellen.
Die Anodenseite mit dem Anodenraum 9 der Brennstoffzelle 6 ist ebenfalls in einer an sich bekannten Ausführungsvariante aufgebaut. Dem Anodenraum 9 wird dabei Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 18 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 19 zugeführt. Über eine Gasstrahlpumpe 20 gelangt der Wasserstoff dann in den Anodenraum 9. Nicht verbrauchter Wasserstoff zusammen mit einem Teil des in der Brennstoffzelle 6 entstehenden Produktwassers und inerten Gasen, welche sich aus dem gespeicherten Wasserstoff anreichern und durch die Membranen 8 vom Kathodenraum 7 in den Anodenraum 9 diffundieren, werden über eine Rezirkulationsleitung 21 zu der Gasstrahlpumpe 20 zurückgeleitet und von dieser angesaugt. Sie werden so vermischt mit dem frischen Wasserstoff dem Anodenraum 9 erneut zugeführt. In der Rezirkulationsleitung 21 befindet sich ein Wasserabscheider 22, welcher die Flüssigkeit aus den rezirkulierten Abgasen abscheidet, um ein Fluten der Gasverteilungskanäle im Anodenraum 9 zu verhindern. Das abgeschiedene Wasser sowohl des Wasserabscheiders 14 auf der Kathodenseite als auch des Wasserabscheiders 22 auf der Anodenseite wird nun in einem gemeinsamen Speichervolumen 23 für das Produktwasser der Brennstoffzelle 6 gesammelt. Hierfür ist das Speichervolumen 23 mit Zuleitungen 24, 25 mit dem jeweiligen Wasserabscheider 14, 22 verbunden. Ferner wird in einem realen Aufbau ein - hier nicht dargestelltes - Abblasventil mit der Rezirkulationsleitung 21 verbunden sein, um zum Beispiel von Zeit zu Zeit die inerten Gase abzublasen.
In der Darstellung der 2 ist eine erste mögliche Ausführungsform des Speichervolumens 23 zu erkennen. Dieses weist zwei Speicherbereiche bzw. Speicherbehälter 26, 27 auf. Der Speicherbereich 26 weist dabei einen elektrischen Heizwiderstand 28 auf, welcher, wie es in der Darstellung der 2 angedeutet ist, zumindest mit der Leistungselektronik 3 der elektrischen Antriebsmaschine 2 und damit mittelbar mit dieser verbunden ist. Der andere Speicherbereich 27 weist einen Verdampfer 29 auf, welcher Teil eines Klimasystems 30 ist. Neben dem Verdampfer 29 umfasst das Klimasystem 30 einen elektrisch angetriebenen Verdichter 31, einen Kondensator 32 sowie ein Expansionsventil 33. Innerhalb des Speichervolumens 23 sind die beiden Speicherbereiche 26, 27 über ein Leitungselement 34 und eine Ventileinrichtung 35 in diesem Leitungselement 34 miteinander verbunden. Der Speicherbereich 26 weist außerdem eine von oben um ein gewisses Wegstück in das Innere des Speicherbereichs 26 ragende Trennwand 36 auf, welche den Bereich, in dem die gemeinsame Zuleitung 24, 25 von den Wasserabscheidern 14, 22 in den Speicherbereich 26 mündet, von einem Abschnitt trennt, in welchem ein Dampfauslass 37 angeordnet ist. Der elektrische Heizwiderstand 28 ist dabei räumlich auf der dem Dampfauslass 37 zugewandten Seite angeordnet, die Mündung des Leitungselements 34 auf der der Zuleitung 24, 25 zugewandten Seite.
Das Fahrzeug 1 soll nun insbesondere als Nutzfahrzeug 1, und hier insbesondere als Nutzfahrzeug 1 mit einem zulässigen Gesamtgewicht von wenigstens 10 t ausgebildet sein. Für ein solches Nutzfahrzeug 1 ist es einerseits wichtig, eine ausreichende Leistung zur Verfügung zu stellen, um auch bei voller Zuladung beispielsweise eine Bergauffahrt realisieren zu können. Andererseits ist es wichtig, auch bei einer Bergabfahrt eines solchen vergleichsweise schweren Nutzfahrzeugs 1 eine verschließfreie Dauerbremse zur Verfügung zu haben, um das Nutzfahrzeug 1 ohne einen übermäßigen Verschleiß an Bremsscheiben und Bremsklötzen abbremsen zu können und um das Nutzfahrzeug 1 über eine längere Strecke hinweg in seiner Fahrt verlangsamen zu können, ohne dass mechanische Bremselemente überhitzen. Dies könnte nämlich den Ausfall der mechanischen Bremselemente zur Folge haben, was ein Sicherheitsrisiko darstellt.
In Nutzfahrzeugen 1 mit herkömmlicher Antriebstechnik sind dazu typischerweise sogenannte Retarder verbaut. Diese können beispielsweise in Form von hydrodynamischen Retardern ausgebildet sein, welche ein Arbeitsmedium umwälzen und erwärmen, welches dann über den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors mit abgekühlt wird, oder welche in Form von sogenannten Wasserretardern direkt das Kühlwasser als Arbeitsmedium nutzen. Solche Retarder wandeln die Bremsleistung in Abwärme um, welche dann typischerweise über den Fahrtwind des Fahrzeugs 1 an die Umgebung abgegeben wird. Bei dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 1 ist es im Gegensatz dazu möglich, über die elektrische Maschine 2 im generatorischen Betrieb das Fahrzeug abzubremsen. Dabei entsteht elektrische Leistung, welche in der Energiespeichereinrichtung 5 gespeichert werden kann. Solange die Energiespeichereinrichtung 5 in der Lage ist, die anfallende elektrische Leistung aufzunehmen, lässt sich damit eine ausreichende Bremsleistung für das Fahrzeug 1 generieren. Dies ist nicht nur verschleißfrei, sondern erlaubt auch das Rückgewinnen von Energie in Form von generatorisch erzeugter elektrischer Leistung. Dieser Vorgang ist bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen allgemein bekannt und üblich und wird auch als Rekuperation bezeichnet.
Nun ist es so, dass für den Fall, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung 5 vollgeladen ist, die elektrische Leistung, welche beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 von der elektrischen Maschine 2 im generatorischen Betrieb erzeugt wird, nicht mehr benötigt wird. Diese Überschussleistung muss jedoch abgenommen werden, um ein Abbremsen des Fahrzeugs 1 zu ermöglichen. Über das Fahrzeug 1 mit dem Sammelvolumen 23 kann nun das in dem Sammelvolumen 23 gesammelte Produktwasser über den Heizwiderstand 28, welcher mit dieser Überschussleistung versorgt wird, aufgeheizt werden. Der Heizwiderstand 28 muss dabei nicht von dem Kühlsystem bzw. dem Kühlkreislauf 11 der Brennstoffzelle 6 gekühlt werden, sondern erwärmt und verdampft zumindest einen Teil des Produktwassers in dem Speicherbereich 26. Hierfür wird eine vergleichsweise große elektrische Energie benötigt, sodass eine entsprechend große Bremsleistung ohne Verschleiß an den mechanischen Bremsen zur Verfügung gestellt werden kann. Der Dampf, welcher beim Verdampfen des Produktwassers im Speicherbereich 26 entsteht, kann durch den Dampfauslass 37 in die Umgebung gelangen. Hierdurch wird einerseits angefallenes Produktwasser in dampfförmiger Form an die Umgebung abgegeben, sodass die Abgabe von flüssigem Produktwasser, welche bei niedrigen Temperaturen zur Eisbildung auf der Straße führen könnte, in vorteilhafter Weise verhindert wird. Andererseits ist durch diesen Aufbau die Bereitstellung einer ausreichend großen Bremsleistung auch zum Abbremsen eines schweren Nutzfahrzeugs 1 möglich.
Ein Teil des gesammelten Produktwassers, und hier liegt der besondere Vorteil darin, dass dieses Produktwasser nicht zugeführt werden muss, sondern in der Brennstoffzelle 6 selbst entsteht, kann über das Leitungselement 34 bei geöffneter Ventileinrichtung 35 in den Sammelbereich 27 gelangen. Wird dann die Ventileinrichtung 35 wieder abgesperrt, so ist der Sammelbereich 27 mit diesem Teil des Produktwassers gefüllt. In dem Sammelbereich 27 befindet sich, wie bereits angesprochen, der Verdampfer 29 des Klimasystems 30. Über das Klimasystem 30 kann das in dem Speicherbereich 27 befindliche Produktwasser abgekühlt werden. Hierdurch wird ein abgekühltes Produktwasser zur Verfügung gestellt, welches auch über einen längeren Zeitraum hinweg, insbesondere wenn der Speicherbereich 27 mit einer hier nicht dargestellten thermischen Isolierung versehen ist, seine Temperatur hält. Die Überschussleistung, welche nun zum Teil zum Beheizen des elektrischen Heizwiderstands 28 und zum anderen Teil zum Betrieb des elektrischen Verdichters 31 verwendet werden kann, kann also in dem Speicherbereich 26 Wasser verdampfen und in dem Speicherbereich 27 gleichzeitig Wasser sehr stark abkühlen. Dieses kühle Wasser stellt dann einen thermischen Speicher für Kälte dar. Diese Kälte kann bei Bedarf verwendet werden, beispielsweise zur Temperierung bzw. Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums bzw. der Fahrerkabine, oder auch zur Abkühlung des Ladeguts, beispielsweise bei einem Nutzfahrzeug, welches als Kühltransporter ausgebildet ist. Außerdem ist es möglich, das sehr stark abgekühlte Produktwasser im Speicherbereich 27 bei Bedarf in den Speicherbereich 26 zurückfließen zu lassen, sodass dieses erwärmt und verdampft werden kann, insbesondere dann, wenn keine ausreichende Menge an Produktwasser mehr im Speicherbereich 26 vorhanden ist. Hierfür muss einfach die Ventileinrichtung 35 geöffnet werden. Durch das sehr stark abgekühlte Produktwasser aus dem Speicherbereich 27 wird dann ein noch höherer Wärmeeintrag im Speicherbereich 26 notwendig, bis dieses Wasser verdampft, sodass die Überschussleistung, welche verbraucht werden kann, noch höher ist und damit eine noch höhere Bremsleistung zur Verfügung gestellt werden kann.
In der Darstellung der 3 ist ein vergleichbarer Aufbau wie in 2 dargestellt. Dieselben Bauelemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen, sodass nachfolgend lediglich auf die Unterschiede zwischen den Aufbauten gemäß 2 und 3 näher eingegangen wird. Neben dem Verdampfer 29 in dem Speicherbereich 27 ist hier außerdem ein Wärmetauscher 38 in dem Speicherbereich 27 zu erkennen. Dieser Wärmetauscher 38 ist Teil des hier dargestellten Kühlkreislaufs 11 der Brennstoffzelle 6. In dem hier dargestellten Kühlkreislauf 11 ist dabei eine Kühlmedienfördereinrichtung 39, der Kühlwärmetauscher 10 der Brennstoffzelle 6 sowie ein Kühler 40 zur Abfuhr der Abwärme an die Umgebung dargestellt. Über ein Dreiwege-Ventil 41 lässt sich nun bei Bedarf der Wärmetauscher 38 von dem Kühlmedium mit durchströmen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn in dem Speicherbereich 27 abgekühltes Produktwasser gespeichert ist, beispielsweise von einer zuvor erfolgten längeren Bergabfahrt des Fahrzeugs 1. Kommt nun beispielsweise eine Bergauffahrt des Fahrzeugs 1, dann ist das Brennstoffzellensystem typischerweise thermisch dadurch limitiert, dass es vergleichsweise schwierig ist, die Abwärme des Brennstoffzellensystems, deren Niveau im Allgemeinen unter 100° C liegt, effizient an die Umgebung abzuführen. Gelingt dies nicht mehr, beispielsweise weil eine hohe Leistung von der Brennstoffzelle 6 benötigt wird, gleichzeitig aber nur wenig Fahrtwind vorliegt, insbesondere also bei einer langsamen Bergauffahrt des Fahrzeugs 1, dann kann es dazu kommen, dass die Brennstoffzelle 6 thermisch überlastet werden würde, was mit einer Limitierung der Leistung verhindert werden muss. Insbesondere in einem solchen Fall kann nun durch das Umstellen des Dreiwege-Ventils 41 das Kühlmedium des Kühlkreislaufs11 durch den Wärmetauscher 38 geleitet werden. Es wird dort entsprechend abgekühlt, sodass die Eingangstemperatur des Kühlmediums in den Kühlwärmetauscher 10 der Brennstoffzelle 6 niedriger ist, als wenn der Wärmetauscher 38 nicht durchströmt wird. Hierdurch kann die für das Brennstoffzellensystem bzw. die Brennstoffzelle 6 zur Verfügung stellende Kühlleistung weiter erhöht werden. Die Abkühlung der Brennstoffzelle 6 wird also verbessert, sodass eine Leistungslimitierung aufgrund der nicht ausreichenden Kühlleistung im Idealfall ganz vermieden oder zumindest hinausgezögert werden kann. In dieser Situation, bei hoher Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle 6, wird entsprechend viel Wasserstoff verbraucht. Durch den Verbrauch eines Kilogramms Wasserstoff fallen wiederum neun Kilogramm Produktwasser an, sodass der beispielsweise zuvor durch das Verdampfen des Produktwassers im Speicherbereich 26 weitgehend geleerte Speicherbereich 26 mit frischem Produktwasser gefüllt wird. Folgt anschließend wieder eine Bergabfahrt, dann kann dieses Wasser wieder verdampft und das erwärmte Wasser im Speicherbereich 27 wieder gekühlt werden, wenn die entsprechende Überschussleistung vorliegt.
Alles in allem wird so ein sehr sicherer und verschleißfreier Bremsbetrieb des Fahrzeugs 1, insbesondere in seiner Ausbildung als Nutzfahrzeug, möglich. Der Aufbau ist dabei wartungsfrei und weitgehend selbstregelnd, da der Anfall von Produktwasser ständig vorliegt und somit praktisch immer Produktwasser zum Verdampfen durch den Heizwiderstands 28 zur Verfügung steht. Außerdem kann der Speicherbereich 27 bei Bedarf befüllt werden, um hier als thermischer Speicher Kälte zu speichern. Bei Bedarf kann auch dieses Wasser ebenfalls verdampft werden. Idealerweise wird der Wasserstand in beiden Speicherbereichen 26, 27 über die Ventileinrichtung 34 in der gewünschten Art und Weise geregelt oder angepasst, insbesondere in Abhängigkeit des Wasserstands im Speicherbereich 26, in welchen das Produktwasser einläuft und aus welchem heraus es verdampft wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005174608 A [0002]
US 2006/0240299 A1 [0002]
DE 102014220501 A1 [0003]
DE 102011111594 A1 [0004]
DE 102006049194 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzellenfahrzeug (1), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (6) und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (5), sowie mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine (2), mit einem Speichervolumen (23) für in der Brennstoffzelle (6) entstehendes Produktwasser, dadurch gekennzeichnet, dass, das Speichervolumen (23) zwei Speicherbereiche (26, 27) umfasst, von welchen einer einen elektrischen Heizwiderstand (28) aufweist, und von welchen der andere einen Verdampfer (29) eines Klimasystems (30) aufweist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherbereiche (26, 27) über ein Leitungselement (34) mit einer Ventileinrichtung (35) verbunden sind.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbereich (26) mit dem elektrischen Heizwiderstand (28) eine Zuleitung (24, 25) für das Produktwasser der Brennstoffzelle (6) und eine Dampfableitung (37) aufweist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbereich (27) mit dem Verdampfer (29) einen Wärmetauscher (38) aufweist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (38) Teil eines Kühlkreislaufs (11) für die Abfuhr von Abwärme der Brennstoffzelle (6) und/oder der elektrischen Energiespeichereinrichtung (5) ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbereich (27) mit dem Verdampfer (29) thermisch isoliert ist.
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Nutzfahrzeug (1).
Brennstoffzellenfahrzeug (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutzfahrzeug (1) mehr als 10 000 kg zulässiges Gesamtgewicht aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenfahrzeugs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des elektrischen Heizwiderstands (28) und/oder der Betrieb des Klimasystems (30) mit elektrischer Überschussleistung immer dann erfolgt, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug (1) über die elektrische Antriebsmaschine (2) generatorisch abgebremst wird, und die elektrische Energiespeichereinrichtung (5) vollgeladen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der elektrischen Überschussleistung zwischen dem elektrischen Heizwiderstand (28) und dem Klimasystem (30) in Abhängigkeit des Füllstandes in dem den elektrischen Heizwiderstand (28) aufweisenden Speicherbereich (25) erfolgt.