DE102020113994A1

DE102020113994A1 - Brennstoffzellen-Fahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102020113994A1
Application number: DE102020113994.2A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Martin Mühleisen
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Fahrzeug (1) mit einer einem Wasserstofftank (4) aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung (3), wobei der Wasserstofftank (4) über eine Wasserstoffleitung (5) mit mindestens einer Düse (6) verbunden ist, der über einen Kanal (7) Sauerstoff zuführbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer einen Wasserstofftank aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung, wobei der Wasserstofftank über eine Wasserstoffleitung mit mindestens einer Düse verbunden ist, der über einen Kanal Sauerstoff zuführbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs.
Brennstoffzellen-Fahrzeugen unterscheiden sich von Kraftfahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren dadurch, dass durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Brennstoffzellen elektrische Energie aus einer elektrochemischen Reaktion erzeugt wird, die für die Speisung eines elektrischen Traktionsmotores eingesetzt wird. Bei dieser elektrochemischen Reaktion reagiert Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff.
Im Übrigen entsprechen Brennstoffzellen-Fahrzeuge weitgehend Kraftfahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren und unterliegen auch deren Rahmenbedingungen, insbesondere dass bei schlechter Traktion das Fahrzeug über die Räder auch nur schlecht beschleunigen kann, und zwar sowohl mit positiver Beschleunigung für eine Geschwindigkeitserhöhung als auch mit negativer Beschleunigung für eine Verzögerung.
Die TW 201006695 A beschreibt ein Kraftfahrzeug, bei dem bei einer erhöhten Leistungsanforderung durch den Nutzer ein Elektrolyseur betrieben wird, der Wasserstoff generiert, der mit dem Brennstoff gemischt wird, um eine erhöhte Verbrennungseffizienz bereit zu stellen. In der CN 209880732 A wird für die Verbesserung der Froststartfähigkeiten eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs offenbart, wie bei einem Froststart Wasserstoff dem Wasserstofftank entnommen und in einem Verbrenner verbrennt wird, wobei die Verbrennungsabgase zum Antrieb einer Turbine für eine Wasserpumpe genutzt werden. Die Wärme der Verbrennungsabgase wird über einen Wärmetauscher an das Wasser abgegeben. Die US 2011/0308232 A1 beschreibt einen Düsenflugzeugtriebwerk, bei dem eine virtuelle Wand aus erhöhtem Druckl hinter dem Triebwerk erzeugt wird, um die Beschleunigung zu verbessern.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen, bei dem das Beschleunigungsverhalten verbessert ist. Aufgabe ist weiterhin, ein Verfahren für ein verbessertes Beschleunigungsverhalten anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das eingangs genannte Brennstoffzellen-Fahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der Wasserstofftank über eine Wasserstoffleitung mit mindestens einer nach aussen gerichteten Düse verbunden ist, der über einen Kanal Sauerstoff zuführbar ist. Mit dieser Düse wird ausgenutzt, dass der im Brennstoffzellen-Fahrzeug mitgeführte Wasserstoff nicht nur zur Umsetzung in den Brennstoffzellen der Brennstoffzellenvorrichtung genutzt werden kann, sondern auch zur Speisung einer einen Rückstosseffekt bereit stellenden Düse. Der Wasserstoff wird zur Düse geleitet und über die Verbrennung mit Sauerstoff in heiße Luft mit anschließender Expansion und Ausströmung umgesetzt, wobei die Ausströmung den in die entgegen gesetzte Richtung wirkenden Impuls bewirkt. Hierdurch entsteht eine zusätzliche Antriebskraft, die prinzipiell ohne die Räder wirksam ist und so auch bei schlechter Traktion beispielsweise eine Verzögerung ermöglicht.
Wenn sowohl im Heckbereich als auch im Frontbereich der Karosserie eine der Düsen angeordnet ist, besteht zu einen die zuvor genannte Möglichkeit, die im Frontbereich zur Verzögerung zu nutzen, während die Düse im Heckbereich eine positive Beschleunigung bietet, die die mit dem Elektromotor gebotene Beschleunigung ergänzen oder ersetzen kann, insbesondere, wenn über die Räder keine ausreichende Traktion geboten werden kann oder das Brennstoffzellen-Fahrzeug sich fest gefahren hat.
Vorteilhaft ist auch, wenn sowohl auf der linken Seite als auch auf der rechten Seite aussermittig eine der Düsen angeordnet ist. Mit diesen Düsen besteht die Möglichkeit, eine seitwärts gerichtete Kraft zu erzeugen, wobei die aussermittige Anordnung dazu führt, dass bei Betätigung einer der Düsen ein Drehmoment um die Hochachse erzeugt wird, also das Durchfahren einer Kurve unterstützt wird.
Im Ergebnis ist durch Ausnutzung des in dem Wasserstofftank der Brennstoffzellenvorrichtung mitgeführten Wasserstoffs die Speisung der als Steuerdüsen fungierenden Düsen möglich, die vorzugsweise nach aussen gerichtet sind, um den Abgasstrahl nicht unter die Karosserie leiten zu müssen, was prinzipiell gleichfalls möglich, aber nicht bevorzugt ist.,
Vorgesehen ist weiterhin, dass der die mindestens eine Düse mit dem Wasserstofftank verbindenden Wasserstoffleitung ein Dosierventil zugeordnet ist, um so eine gezielte Dosierung des Wasserstoffs vornehmen und damit die Größe der Beschleunigung bestimmen zu können.
Um für die Verbrennung des Wasserstoffes ausreichend Sauerstoff aus der Luft bereit stellen zu können, ist vorgesehen, dass dem Kanal der Düse Sauerstoff enthaltende Luft von einem Verdichter und/oder elektrischen Turbolader der Brennstoffzellenvorrichtung durch eine Luftleitung zuführbar ist. Damit werden Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung genutzt, die sowieso vorhanden sind, so dass die Komplexität nicht weiter gesteigert werden muss.
Weiterhin weist die Düse einen von einer Karosserie weg weisenden Mündungsbereich auf, in den die Wasserstoffleitung und der Kanal münden, und der durch einen verstellbaren Stopfen verschließbar ist. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, dass die Düse während des Stillstandes des Brennstoffzellen-Fahrzeuges geschlossen werden kann zur Vermeidung von Verunreinigungen.
Das Verfahren zum Betreiben eines vorstehend geschilderten Brennstoffzellen-Fahrzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens einen Sensor oder ein Fahrassistenzsystem ein Bedarf für eine Beschleunigung des Brennstoffzellen-Fahrzeug erkannt und aus dem Wasserstofftank der Düse Wasserstoff zugeleitet wird. Dadurch wird eine erhöhte Sicherheit geboten, wobei schnellere Beschleunigungen ermöglicht sind, und zwar sowohl positiv als auch negativ und als Querbeschleunigung.
Um die Sicherheitsaspekte nicht zu vernachlässigen, ist vorgesehen, dass vor einer Freigabe der Düse durch Assistenzsysteme der Zustand des Untergrundes und/oder der Verlauf der Strasse überprüft wird, also kontrolliert wird, ob die erhöhte Beschleunigung sicher umgesetzt werden kann, also die Strasse beispielsweise frei ist und geradeaus führt und keine Glätte droht.
Bevorzugt ist weiterhin, wenn bei Ermittelung eines elektronischen Stabilitätsprogrammes, dass auch durch einen Bremseingriff das Brennstoffzellen-Fahrzeug nicht durch eine Kurve geführt werden kann, eine der aussermittig auf der Seite angeordnete Düse aktiviert wird, um so das Brennstoffzellen-Fahrzeug auf der Strasse zu halten oder eine höhere Kurvengeschwindigkeit zu ermöglichen.
Vorgesehenn ist auch, dass bei Erkennen des Wunsches nach einer positiven Beschleunigung eine Berechnung des Wasserstoffbedarfes für die Brennstoffzellenvorrichtung und die Düse und/oder ein Abgleich des dynamischen Leistungsbedarfes erfolgt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit einer durch eine Wasserstoffleitung mit dem Wasserstofftank verbundenen Düse, und
2 eine isolierte Darstellung der Düse, links im geschlossenen Zustand und rechts im geöffneten Zustand.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs 1, welches mit einer Antriebseinrichtung 2 ausgestattet ist. Die Antriebseinrichtung 2 umfasst eine Brennstoffzellenvorrichtung 3, die einen Wasserstofftank 4 zum Speichern und Miführen von Wasserstoff aufweist. Der Wasserstofftank 4 ist über eine Wasserstoffleitung 5 mit mindestens einer nach aussen gerichteten Düse 6 verbunden ist, der über einen Kanal 7 auch Sauerstoff zuführbar ist.
Sowohl im Heckbereich 8 als auch im Frontbereich 9 der Karosserie sowie sowohl auf der linken Seite als auch auf der rechten Seite aussermittig kann eine der Düsen 6 angeordnet sein. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist nur die eine Düse 6 im Heckbereich 8 gezeigt. Es können aber auch mehrere in eine Richtung weisende Düsen 6 genutzt werden auf, für jede der Richtungen.
Gezeigt ist auch, dass der die Düse 6 mit dem Wasserstofftank 4 verbindenden Wasserstoffleitung 5 ein Dosierventil 10 zugeordnet ist. Dem Kanal 7 der Düse 6 ist Sauerstoff enthaltende Luft von einem Verdichter und/oder elektrischen Turbolader der Brennstoffzellenvorrichtung 3 durch eine Luftleitung zuführbar.
Die 2 zeigt, dass die Düse 6 einen von einer Karosserie weg weisenden Mündungsbereich 11 aufweist, in den die Wasserstoffleitung 5 und der Kanal 7 münden, und der durch einen verstellbaren Stopfen 12 verschließbar ist. Auf der linken Seite der 2 ist der verschlossene Zustand gezeigt, während die rechte Seite den geöffneten Zustand zeigt, bei dem Wasserstoff durch die Wasserstoffleitung 5 mit dem geöffneten Dosierventil 10 zusammen mit der Sauerstoff enthaltenden Luft in den Ausströmbereich strömen kann für die Generierung eines Rückstosses.
Mit dieser Vorrichtung ist es möglich ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges 1 durchzuführen, bei dem über mindestens einen Sensor oder ein Fahrassistenzsystem ein Bedarf für eine Beschleunigung des Brennstoffzellen-Fahrzeug 1 erkannt und aus dem Wasserstofftank 4 der Düse 6 Wasserstoff zugeleitet wird. Dieser Sensor kann beispielsweise die Fahrpedalstellung erfassen und den Wunsch des Nutzers zur positiven Beschleunigung erkennen. Auch kann ein Sensor ein Hindernis auf dem Fahrweg detektieren und eine negative Beschleunigung, also eine Bremsung auslösen.
Vorzugsweise wird vor einer Freigabe der Düse 6 durch Assistenzsysteme der Zustand des Untergrundes und/oder der Verlauf der Strasse überprüft und/oder bei Ermittelung eines elektronischen Stabilitätsprogrammes, dass auch durch einen Bremseingriff das Brennstoffzellen-Fahrzeug 1 nicht durch eine Kurve geführt werden kann, eine der aussermittig auf der Seite angeordnete Düse 6 aktiviert.
Bei Erkennen des Wunsches nach einer positiven Beschleunigung erfolgt eine Berechnung des Wasserstoffbedarfes für die Brennstoffzellenvorrichtung 1 und die Düse 6 und/oder ein Abgleich des dynamischen Leistungsbedarfes, da die Düse 6 als Booster träger als die Brennstoffzellenvorrichtung 1 reagiert.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellen-Fahrzeug
2: Antriebseinrichtung
3: Brennstoffzellenvorrichtung
4: Wasserstofftank
5: Wasserstoffleitung
6: Düse
7: Kanal
8: Heckbereich
9: Frontbereich
10: Dosierventil
11: Mündungsbereich
12: Stopfen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

TW 201006695 A [0004]
CN 209880732 A [0004]
US 2011/0308232 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzellen-Fahrzeug (1) mit einer einen Wasserstofftank (4) aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstofftank (4) über eine Wasserstoffleitung (5) mit mindestens einer Düse (6) verbunden ist, der über einen Kanal (7) Sauerstoff zuführbar ist.
Brennstoffzellen-Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Heckbereich (8) als auch im Frontbereich (9) der Karosserie eine der Düsen (6) angeordnet ist.
Brennstoffzellen-Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl auf der linken Seite als auch auf der rechten Seite aussermittig eine der Düsen (6) angeordnet ist.
Brennstoffzellen-Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der die mindestens eine Düse (6) mit dem Wasserstofftank (4) verbindenden Wasserstoffleitung (5) ein Dosierventil (10) zugeordnet ist.
Brennstoffzellen-Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kanal (7) der Düse (6) Sauerstoff enthaltende Luft von einem Verdichter und/oder elektrischen Turbolader der Brennstoffzellenvorrichtung (3) durch eine Luftleitung zuführbar ist.
Brennstoffzellen-Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (6) einen von einer Karosserie weg weisenden Mündungsbereich (11) aufweist, in den die Wasserstoffleitung (5) und der Kanal (7) münden, und der durch einen verstellbaren Stopfen (12) verschließbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens einen Sensor oder ein Fahrassistenzsystem ein Bedarf für eine Beschleunigung des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (1) erkannt und aus dem Wasserstofftank (4) der Düse (6) Wasserstoff zugeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Freigabe der Düse (6) durch Assistenzsysteme der Zustand des Untergrundes und/oder der Verlauf der Strasse überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ermittelung eines elektronischen Stabilitätsprogrammes, dass auch durch einen Bremseingriff das Brennstoffzellen-Fahrzeug (1) nicht durch eine Kurve geführt werden kann, eine der aussermittig auf der Seite angeordnete Düse (6) aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen des Wunsches nach einer Beschleunigung eine Berechnung des Wasserstoffbedarfes für die Brennstoffzellenvorrichtung (3) und die Düse (6) und/oder ein Abgleich des dynamischen Leistungsbedarfes erfolgt.