DE102017007090A1 - Vehicle with a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung, welches einen Luftverdichter (14) und eine Abgasturbine (27) zur Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas, welches verdichtete Luft, welche zuvor durch den Luftverdichter (14) verdichtet worden ist, umfasst, aufweist, welches einen Hilfskompressor (23) für Luft und/oder Abgas aufweist, und welches einen Drucktank (25) aufweist, um Luft und/oder Abgas von dem Hilfskompressor (23) aufzunehmen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank (25) in einer oder parallel zu einer Abgasleitung (13, 131, 132) in Strömungsrichtung vor einer Hilfsturbine angeordnet ist, mit einer schaltbaren Verbindung zwischen dem Drucktank (25) und der Hilfsturbine.
Das Fahrzeug (1) kann in einem Verfahren genutzt werden, in welchem das Abbremsen des Fahrzeugs durch die Verwendung eines elektrischen Fahrmotors als Generator durchgeführt wird, wobei die zurückgewonnene Energie in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert wird, und wobei zumindest ein Teil der zurückgewonnen Energie in dem Drucktank (25) gespeichert wird, dadurch, dass der Hilfskompressor mit zumindest einem Teil der zurückgewonnenen Energie angetrieben wird.
The invention relates to a vehicle (1) in a fuel cell system for providing electric drive power, comprising an air compressor (14) and an exhaust gas turbine (27) for recovering energy from the exhaust gas, which compressed air previously compressed by the air compressor (14) comprising an auxiliary compressor (23) for air and / or exhaust gas and having a pressure tank (25) for receiving air and / or exhaust gas from the auxiliary compressor (23). The invention is characterized in that the pressure tank (25) in or parallel to an exhaust pipe (13, 131, 132) is arranged in the flow direction in front of an auxiliary turbine, with a switchable connection between the pressure tank (25) and the auxiliary turbine.
The vehicle (1) may be used in a method in which the deceleration of the vehicle is performed by the use of an electric traction motor as a generator, wherein the recovered energy is stored in an electric energy storage device, and wherein at least a part of the recovered energy in the Pressure tank (25) is stored, characterized in that the auxiliary compressor is driven with at least a portion of the recovered energy.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Fahrzeugs, wobei das Abbremsen des Fahrzeugs durch die Verwendung eines elektrischen Fahrmotors als Generator durchgeführt wird.The invention relates to a vehicle with a fuel cell system for providing electrical drive power according to the closer defined in the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for using such a vehicle, wherein the braking of the vehicle performed by the use of an electric traction motor as a generator becomes.
Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung, welche auch als Brennstoffzellenfahrzeuge bezeichnet werden, sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt. Typischerweise ist ein solches Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem ausgerüstet, welches elektrische Leistung beispielsweise aus komprimiertem Wasserstoff auf der Anodenseite und aus Luft, welche über einen Luftverdichter bereitgestellt wird, auf der Kathodenseite generiert. Eine Vielzahl solcher Brennstoffzellenfahrzeuge umfasst eine Abgasturbine zur Rückgewinnung von Energie aus der Wärme und dem Druck im Abgas, welches unter anderem aus der Abluft besteht, welche von dem besagten Luftverdichter verdichtet wurde, bevor sie die Brennstoffzelle passiert hat. Gemäß der
Gemäß der
Der gattungsgemäße Stand der Technik, veröffentlicht in der
Das Problem mit dieser Anwendung ist es, dass der Hilfskompressor eine relativ hohe Qualität aufweisen muss, da keine Verschmutzung der verdichteten Luft akzeptiert werden kann, wenn die Luft später der Kathode der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Ein weiteres Problem ist es, dass das Druckniveau für die Luft, welche der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird, relativ niedrig ist, beispielsweise bei in etwa 15 kPA maximal. Deshalb ist die Menge an gespeicherter Energie in dem Drucktank relativ klein, was einen großen Drucktank erforderlich macht, wenn eine ausreichende Menge an Energie gespeichert werden soll. Dies verursacht Probleme mit dem Gewicht und dem benötigten Volumen für den Drucktank.The problem with this application is that the auxiliary compressor must be of relatively high quality, since no contamination of the compressed air can be accepted if the air is later provided to the cathode of the fuel cell. Another problem is that the pressure level for the air provided to the fuel cell is relatively low, for example, at about 15 kPa maximum. Therefore, the amount of stored energy in the pressure tank is relatively small, which requires a large pressure tank if a sufficient amount of energy is to be stored. This causes problems with the weight and volume required for the pressure tank.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen und ein Verfahren für die Verwendung eines solchen Fahrzeugs anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und ein solches Fahrzeug bzw. ein solches Verfahren verbessert.The object of the present invention is therefore to provide a vehicle according to the preamble of claim 1 and to provide a method for the use of such a vehicle, which avoids the above-mentioned disadvantages and improves such a vehicle or such a method.
Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1, insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl des Fahrzeugs als auch des Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a vehicle having the features in claim 1, in particular in the characterizing part of claim 1. With regard to the method, the object is achieved by a method having the features in
Das erfindungsgemäße Fahrzeug nutzt einen Luftverdichter und eine Abgasturbine zur Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zusätzlich weist das Brennstoffzellensystem dieses erfindungsgemäßen Fahrzeugs einen Hilfskompressor für Luft und/oder Abgas und einen Drucktank zur Aufnahme der Luft und/oder des Abgases von dem Hilfskompressor auf. Erfindungsgemäß ist das Fahrzeug dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank in der Abgasleitung oder parallel zur der Abgasleitung in Strömungsrichtung vor einer Hilfsturbine angeordnet ist, wobei die Verbindung zwischen dem Drucktank und der Hilfsturbine schaltbar ist. Anders als im oben erwähnten gattungsgemäßen Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Fahrzeug den Hilfskompressor und den Drucktank im Abgasbereich des Brennstoffzellensystems installiert. Der Hilfskompressor kann verwendet werden, um Abgas zu verdichten, welches die Abluft von dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle ebenso enthalten kann wie Abgas von der Anodenseite der Brennstoffzelle. Alternativ oder besonders bevorzugt zusätzlich zu diesem Abgas kann Luft aus der Umgebung des Hilfskompressors verdichtet werden. Die verdichteten Gase, welche Abgas ebenso wie Luft oder Kombinationen hiervon enthalten können, werden dann unter Druck in dem Drucktank gespeichert. Anders als im Stand der Technik wird das komprimierte Gas nicht genutzt um direkt zu der Brennstoffzelle geleitet zu werden. Stattdessen wird es verwendet, um die Hilfsturbine anzutreiben, welche mit einem Generator verbunden sein kann, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Deshalb kann die in dem Drucktank gespeicherte Energie zur Rückgewinnung von Energie zu einem späteren Zeitpunkt durch den Antrieb der Hilfsturbine genutzt werden. Weil das komprimierte Gas aus dem Drucktank nur verwendet wird, um die Hilfsturbine anzutreiben, können die Anforderungen an die Gasqualität sehr gering sein, im Vergleich zu denen für Gas, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird. Deshalb können der Hilfskompressor und die relevanten Komponenten sehr viel kostengünstiger konstruiert werden, als es bei der Anwendung im gattungsgemäßen oben genannten Stand der Technik der Fall ist.The vehicle according to the invention uses an air compressor and an exhaust gas turbine for recovering energy from the exhaust gas, as known from the prior art. In addition, the fuel cell system of this vehicle according to the invention has an auxiliary compressor for air and / or exhaust gas and a pressure tank for receiving the air and / or the exhaust gas from the auxiliary compressor. According to the invention, the vehicle is characterized in that the pressure tank is arranged in the exhaust pipe or parallel to the exhaust pipe in the flow direction in front of an auxiliary turbine, wherein the connection between the pressure tank and the auxiliary turbine is switchable. Unlike in the generic state of the art mentioned above, the vehicle according to the invention has the auxiliary compressor and the pressure tank installed in the exhaust area of the fuel cell system. The auxiliary compressor may be used to compress exhaust gas, which may include the exhaust air from the cathode region of the fuel cell as well as exhaust gas from the anode side of the fuel cell. Alternatively or particularly preferably, in addition to this exhaust gas, air from the environment of the auxiliary compressor can be compressed. The compressed gases, which may include exhaust gas as well as air or combinations thereof, are then stored under pressure in the pressure tank. Unlike in the prior art, the compressed gas is not used directly to the Fuel cell to be passed. Instead, it is used to power the auxiliary turbine, which may be connected to a generator as known in the art. Therefore, the energy stored in the pressure tank can be used to recover energy at a later time by the drive of the auxiliary turbine. Because the compressed gas from the pressure tank is only used to power the auxiliary turbine, the gas quality requirements may be very low compared to that for gas supplied to the fuel cell. Therefore, the auxiliary compressor and the relevant components can be constructed much more cheaply than is the case in the application in the generic state of the art mentioned above.
Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Abbremsen des Fahrzeugs durchgeführt, indem der elektrische Fahrmotor als Generator verwendet wird. Dabei wird Energie in Form von elektrischer Energie zurückgewonnen und in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung wie z.B. einer Batterie, einem Kondensator oder einer Kombination hiervon gespeichert. Dies wird im Allgemeinen auch als regeneratives Bremsen bezeichnet. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Teil der zurückgewonnen Energie in den Drucktank gespeichert, indem der Hilfskompressor mit der zurückgewonnenen elektrischen Energie angetrieben wird. Die elektrische Energie zum Antrieb des Hilfskompressors ist eine Art von Energie, welche in dem Fahrzeug ohnehin vorhanden ist und welche vorzugsweise nicht anderweitig genutzt werden kann. Deshalb ist die in dem Drucktank gespeicherte Energie eine zusätzlich zurückgewonnene Energie, welche beispielsweise in dem Drucktank gespeichert wird, wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung bereits vollgeladen ist. Da das komprimierte Gas in dem Drucktank verwendet wird, um die Hilfsturbine anzutreiben, kann es auf einen relativ hohen Druck verdichtet werden, was die Speicherung einer relativ großen Menge an Energie in einem relativ kleinen Kessel als Drucktank ermöglicht. Vorzugsweise kann der Drucktank und die Ausrüstung dieselbe sein, welche in pneumatischen Bremssystemen in Lastkraftwagen eingesetzt wird. Der Drucktank und der Hilfskompressor ebenso wie die Ventile und die Leitungen, welche benötigt werden, können deshalb zu einem guten Preis am freien Markt eingekauft werden.According to the method of the invention, the deceleration of the vehicle is performed by using the electric traction motor as a generator. In the process, energy is recovered in the form of electrical energy and stored in an electrical energy storage device, such as e.g. a battery, a capacitor or a combination thereof stored. This is commonly referred to as regenerative braking. According to the method of the invention, at least part of the recovered energy is stored in the pressure tank by driving the auxiliary compressor with the recovered electric power. The electrical energy for driving the auxiliary compressor is a type of energy that is present in the vehicle anyway and which preferably can not be used otherwise. Therefore, the energy stored in the pressure tank is an additional recovered energy which is stored, for example, in the pressure tank when the electrical energy storage device is already fully charged. Since the compressed gas in the pressure tank is used to drive the auxiliary turbine, it can be compressed to a relatively high pressure, which allows the storage of a relatively large amount of energy in a relatively small vessel as a pressure tank. Preferably, the pressure tank and equipment may be the same as used in pneumatic brake systems in trucks. The pressure tank and the auxiliary compressor as well as the valves and the pipes which are needed can therefore be bought at a good price on the open market.
Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs wird die Abgasturbine zusätzlich als Hilfsturbine verwendet. Zuallererst vermeidet dies eine zweite Turbine in dem Brennstoffzellensystem. Eine solche Abgasturbine ist eine relativ komplexe Vorrichtung, sodass die Verwendung einer einzigen Turbine als Hilfsturbine ebenso wie als Abgasturbine Kosten, Komplexität, Bauvolumen und Gewicht einspart. Außerdem steht die Abgasturbine typischerweise in Wirkverbindung mit dem Luftverdichter und zumindest einer elektrischen Maschine. Zum Beispiel sind der Luftverdichter und die Abgasturbine auf derselben Welle angeordnet. Zusätzlich kann eine elektrische Maschine mit dieser Welle gekoppelt sein, um als Motor oder Generator zu arbeiten, je nachdem, welche Funktionalität benötigt wird. Ein solcher Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet. In einem solchen Aufbau kann die Verwendung der Abgasturbine zusätzlich als Hilfsturbine den Antrieb des Luftverdichters über das komprimierte Gas in dem Drucktank ermöglichen. Dies hilft, die Menge an benötigter elektrischer Leistung, welche durch die elektrische Maschine, wenn diese als Motor betrieben wird, verbraucht wird, zu reduzieren. Das gespeicherte unter Druck stehende Gas kann hierdurch genutzt werden, um die Menge an Luft, mit welcher die Brennstoffzelle versorgt wird, zu erhöhen, beispielsweise unter Gefrierstartbedingungen, wenn eine hohe Last von dem Brennstoffzellensystem angefordert ist, und/oder wenn das Brennstoffzellensystem mit niedriger Last betrieben wird mit einem dementsprechend sehr kleinen Volumenstrom an Abgas, welcher durch die Abgasturbine strömt.According to a very favorable embodiment of the vehicle according to the invention, the exhaust gas turbine is additionally used as an auxiliary turbine. First of all, this avoids a second turbine in the fuel cell system. Such an exhaust gas turbine is a relatively complex device, so that the use of a single turbine as an auxiliary turbine as well as exhaust gas saves costs, complexity, volume and weight. In addition, the exhaust gas turbine is typically in operative connection with the air compressor and at least one electric machine. For example, the air compressor and the exhaust turbine are arranged on the same shaft. In addition, an electric machine may be coupled to this shaft to operate as a motor or generator, depending on what functionality is needed. Such a construction is also referred to as an electric turbocharger or engine-assisted turbocharger. In such a construction, the use of the exhaust gas turbine in addition as an auxiliary turbine can enable the drive of the air compressor via the compressed gas in the pressure tank. This helps to reduce the amount of required electric power consumed by the electric machine when operating as a motor. The stored pressurized gas may thereby be utilized to increase the amount of air supplied to the fuel cell, for example, under freeze start conditions when a high load is requested from the fuel cell system, and / or when the low load fuel cell system is operated with a correspondingly very small volume flow of exhaust gas, which flows through the exhaust gas turbine.
Eine weitere Alternative des beschriebenen Aufbaus eines elektrischen Turboladers hat die Wirkverbdingung lediglich auf der elektrischen Seite, beispielsweise, indem eine Turbine und ein Generator einerseits und ein Luftverdichter und ein Motor andererseits verwendet wird. Diese können dann elektrisch verbunden sein, beispielsweise über Leistungselektronik und /oder eine elektrische Energiespeichereinrichtung.Another alternative of the described structure of an electric turbocharger has the Wirkgebdingung only on the electrical side, for example, by a turbine and a generator on the one hand and an air compressor and a motor on the other hand is used. These can then be electrically connected, for example via power electronics and / or an electrical energy storage device.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs ist der Drucktank parallel zu der Abgasleitung angeordnet, wobei beide parallelen Zweige jeweils wenigstens eine Ventileinrichtung aufweisen. Mit solchen Ventileinrichtungen kann die Strömung des Abgases durch die Abgasleitung einerseits oder in den Drucktank andererseits kontrolliert werden. Dabei kann die Verwendung des Bypass um den Drucktank entsprechend der Anforderungen des Brennstoffzellensystems geschaltet werden. Die zumindest zwei Ventileinrichtungen können auch als integriertes 3/2-Wegeventil an einem der Verzweigungspunkte angeordnet sein.In a further very advantageous embodiment of the vehicle, the pressure tank is arranged parallel to the exhaust pipe, wherein both parallel branches each have at least one valve device. With such valve devices, the flow of the exhaust gas through the exhaust pipe on the one hand or in the pressure tank on the other hand can be controlled. In this case, the use of the bypass to the pressure tank can be switched according to the requirements of the fuel cell system. The at least two valve devices can also be arranged as an integrated 3/2-way valve at one of the branching points.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs und des Verfahrens zum Betreiben eines solchen Fahrzeugs können den weiteren abhängigen Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel entnommen werden, welches nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Figur beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the vehicle according to the invention and the method for operating such a vehicle can be taken from the further dependent subclaims and the exemplary embodiment which is described in detail below with reference to the figure.
Die einzige beigefügte Figur zeigt in einer Prinzipskizze ein Brennstoffzellensystem in einem angedeuteten Fahrzeug gemäß der Erfindung. The sole attached figure shows a schematic diagram of a fuel cell system in an indicated vehicle according to the invention.
In der einzigen beigefügten Figur ist ein Fahrzeug
Der Kathodenbereich
Die Abgasleitung
Wenn komprimiertes Gas in dem Drucktank
Bei geringeren Lasten ist die zurückgewonnene Energie durch die Abgasturbine
Auch bei einem Gefrierstart des Brennstoffzellensystems
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102015004718 A1 [0003]DE 102015004718 A1 [0003]
- DE 102007007934 A1 [0004]DE 102007007934 A1 [0004]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |