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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein elektrisch antreibbares Fahrzeug. Das Fahrzeug ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar. Bei dem Fahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen bzw. ein Nutzfahrzeug, ein schienengeführtes Fahrzeug, insbesondere einen Zugtriebwagen, ein Wasserfahrzeug oder ein beliebig anderes Fahrzeug handeln.
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Stand der Technik
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Elektrisch antreibbare Fahrzeuge benötigen elektrische Energie zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die den Antrieb des Fahrzeugs darstellt. Die benötigte elektrische Energie kann mittels einer chemischen Batterie, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie, im Fahrzeug gespeichert und somit der elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt werden. Derartige Batterien weisen jedoch begrenzte Speicherkapazitäten auf, so dass die Reichweite des Fahrzeugs ebenfalls begrenzt ist. Geeignete Batterien sind daher groß und teuer.
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Alternativ kann die benötigte elektrische Energie an Bord des Fahrzeugs erzeugt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle benötigt hierzu einen Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, sowie ein Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff, die in der Brennstoffzelle in einer elektrochemischen Reaktion in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden. Als Sauerstofflieferant kann Umgebungsluft genutzt werden, die in der Regel jederzeit verfügbar ist. Der Wasserstoff wird dagegen - in flüssiger Form oder als Gas - an Bord des Fahrzeugs in einem geeigneten Tank bzw. Tanksystem mitgeführt. Die Speicherung von Wasserstoff stellt jedoch nach wie vor eine große Herausforderung für die Fahrzeughersteller dar.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2016 204 900 A1 geht beispielhaft ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Druckbehältersystem zur Speicherung von Brennstoff hervor. Darüber hinaus umfasst das Kraftfahrzeug mindestens einen Brennstoffverbraucher, beispielsweise ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. In diesem Fall wird Wasserstoff als Brennstoff in dem Druckbehältersystem gespeichert. Die mit Hilfe der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie dient der Versorgung mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs.
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Da das Wasserstofftankstellennetz lückenhaft ist, besteht die Gefahr, dass ein wasserstoffbetriebenes Kraftfahrzeug auf dem Weg zur Tankstelle mit leerem Tank liegen bleibt. Um dieses Risiko zu minimieren, wird in der
DE 10 2016 204 900 A1 eine Reservespeichereinrichtung vorgeschlagen, mit deren Hilfe aus mindestens einem unter Atmosphärenbedingungen flüssigen und/oder feststoffförmigen Stoff der von der Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff generiert werden kann. Bei dem unter Atmosphärenbedingungen flüssigen und/oder feststoffförmigen Stoff kann es sich beispielsweise um einen flüssigen Wasserstoffträger (LOHC = „Liquid Organic Hydrogen Carrier“) handeln. Die Freisetzung von Wasserstoff erfolgt in einer chemischen Reaktion dieses Stoffs mit einem wasserhaltigen Gemisch. Die Reservespeichereinrichtung ist daher derart ausgebildet, dass in ihr eine chemische Reaktion stattfinden kann. Darüber hinaus ist sie mit einem Flüssigkeitsvorrat des Kraftfahrzeugs verbunden, beispielsweise mit einem Produktwasservorrat. Zum Nachfüllen des mindestens einen unter Atmosphärenbedingungen flüssigen und/oder feststoffförmigen Stoffs kann die Reservespeichereinrichtung eine Nachfüllöffnung aufweisen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Energieversorgung eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs derart weiterzuentwickeln, dass große Batterien und/oder aufwändige Tanksysteme zur Energiespeicherung entbehrlich sind.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren zum Betreiben eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das elektrisch antreibbare Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs wird mit Hilfe mindestens einer Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt und einer das Fahrzeug antreibenden elektrischen Maschine zur Verfügung gestellt. Erfindungsgemäß wird Wasserstoff, der von der mindestens einen Brennstoffzelle zur Erzeugung der elektrischen Energie benötigt wird, an Bord des Fahrzeugs
- - mittels Elektrolyse aus Wasser erzeugt,
- - durch Hydrierung eines flüssigen organischen Wasserstoffträgers (LOHC) an diesen gebunden und
- - durch Dehydrierung des flüssigen organischen Wasserstoffträgers (LOHC) bei Bedarf wieder freigesetzt wird.
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Das heißt, dass der von der Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff „on board“ hergestellt wird, so dass eine Betankung des Fahrzeugs mit Wasserstoff entfällt. Des Weiteren entfällt ein Wasserstofftank zur Aufnahme des von außen zugeführten Wasserstoffs. Der an Bord des Fahrzeugs erzeugte Wasserstoff wird stattdessen an einen flüssigen organischen Wasserstoffträgers (LOHC) gebunden und bei Bedarf wieder freigesetzt. Der flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) dient somit als temporärer Wasserstoff- bzw. Energiespeicher. Denn der temporär gespeicherte Wasserstoff wird zusammen mit Sauerstoff in der mindestens einen Brennstoffzelle in elektrische Energie gewandelt. Somit kann nicht nur ein Wasserstofftank entfallen, sondern darüber hinaus auch eine Batterie zum Speichern der elektrischen Energie.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach ein elektrisch antreibbares Fahrzeug nahezu rohstoffunabhängig betrieben werden. Benötigt werden lediglich Wasser und Strom, um mittels Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen.
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Wasser und Strom können dem Fahrzeug einfach von außen zugeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann an Bord erzeugter Wasserstoff und/oder an Bord erzeugte elektrische Energie für die Elektrolyse genutzt werden. Bei der Erzeugung elektrischer Energie in der mindestens einen Brennstoffzelle anfallendes Produktwasser kann hierzu gesammelt werden. Das Produktwasser kann aber auch an die Umgebung abgegeben werden. Weitere Emissionen fallen im Betrieb des Fahrzeugs nicht an.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Wasser, das für die Elektrolyse benötigt wird, einem Wassertank des Fahrzeugs entnommen und/oder von außen durch Betanken des Fahrzeugs mit Wasser zugeführt. Der Wassertank kann beispielsweise zum Speichern von Produktwasser verwendet werden. Auf diese Weise kann das Produktwasser einer Nutzung zugeführt werden und es muss weniger ggf. kein Wasser an die Umgebung abgelassen werden. Bei Bedarf kann auch durch Betanken Wasser nachgefüllt werden. Das Betanken des Fahrzeugs mit Wasser ist im Unterschied zum Betanken mit Wasserstoff einfach zu bewerkstelligen und zudem völlig ungefährlich.
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Elektrische Energie, die für die Elektrolyse benötigt wird, wird bevorzugt einer Batterie des Fahrzeugs entnommen und/oder von außen durch Anschluss des Fahrzeugs an eine externe Stromversorgung zugeführt. Die Batterie kann im Unterschied zu einer Lithium-Ionen-Batterie, die dem Antrieb eines Elektrofahrzeugs dient, deutlich kleiner ausfallen, so dass die zuvor genannten Vorteile der Erfindung (Wegfall des Wasserstofftanks und der Batterie) dennoch weitgehend erhalten bleiben.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die elektrische Energie, die mit Hilfe der mindestens einen Brennstoffzelle erzeugt worden ist, in einer Batterie zwischengespeichert und/oder in ein Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist wird. Sofern in das Bordnetz eingespeist wird, kann eine Batterie enthalten. Sofern - alternativ oder ergänzend - eine Batterie vorgesehen ist, kann über diese auch die zur Elektrolyse benötigte elektrische Energie zur Verfügung gestellt werden. Somit muss - wenn überhaupt - lediglich eine, vorzugsweise kleine Batterie vorhanden sein.
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Vorteilhafterweise wird mittels Elektrolyse erzeugter und/oder durch Dehydrierung freigesetzter Wasserstoff in einem Wasserstofftank zwischengespeichert und über den Wasserstofftank der mindestens einen Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Das Zwischenspeichern von Wasserstoff stellt sicher, dass stets eine ausreichende Menge an Wasserstoff für die mindestens eine Brennstoffzelle zur Verfügung steht, insbesondere während eines Startvorgangs. Da der Wasserstoff lediglich zwischengespeichert wird reicht ein kleiner Behälter, der sich demnach von einem herkömmlichen Wasserstofftank unterscheidet, so dass die zuvor genannten Vorteile der Erfindung (Wegfall des Wasserstofftanks und der Batterie) dennoch weitgehend erhalten bleiben. Im Wasserstofftank zwischengespeicherter Wasserstoff kann zudem zur Hydrierung von LOHC genutzt werden, so dass die zwischengespeicherte Menge klein gehalten werden kann.
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Das darüber hinaus vorgeschlagene elektrisch antreibbare Fahrzeug umfasst:
- - mindestens eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie für eine das Fahrzeug antreibende elektrische Maschine,
- - eine Einrichtung zur Elektrolyse sowie
- - einen ersten Speicher für einen durch Hydrierung angereicherten flüssigen organischen Wasserstoffträger (LOHC+) und einen zweiten Speicher für einen durch Dehydrierung abgereicherten flüssigen organischen Wasserstoffträger (LOHC-) zur Versorgung der mindestens einen Brennstoffzelle mit Wasserstoff.
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Das vorgeschlagene elektrisch antreibbare Fahrzeug ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Somit sind mit dem Fahrzeug die gleichen Vorteile wie mit dem Verfahren erzielbar. Insbesondere kann auf einen großen Wasserstofftank und/oder eine große Batterie als Energiespeicher verzichtet werden, da vorliegend die beiden Speicher für den flüssigen organischen Wasserstoffträger (LOHC) als Wasserstoff- und damit Energiespeicher dienen.
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Die Anreicherung des flüssigen organischen Wasserstoffträgers mit Wasserstoff erfolgt durch Hydrierung. Die Freisetzung von Wasserstoff erfolgt durch Dehydrierung des flüssigen organischen Wasserstoffträgers. Die Prozesse sind reversibel, so dass der flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) wiederverwendbar ist. Das heißt, dass LOHC nicht verbraucht wird und demzufolge auch nicht nachgefüllt werden muss. LOHC wird vorliegend lediglich als Träger- bzw. Speichermaterial verwendet.
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Zur Hydrierung von LOHC muss Wasserstoff zugeführt werden, der mittels Elektrolyse an Bord des Fahrzeugs erzeugt wird. Die Elektrolyse wiederum benötigt Wasser und elektrische Energie. Wasser und/oder elektrische Energie kann bzw. können von außen zugeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann bzw. können vorhandenes Wasser, beispielsweise Produktwasser, das in der mindestens einen Brennstoffzelle anfällt, und/oder mittels der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie zur Durchführung der Elektrolyse verwendet werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass ein Wassertank zur Bevorratung von Wasser vorhanden ist. Hierin kann auch Produktwasser gesammelt werden, so dass dieses einer Nutzung zuführbar ist. Der Wassertank ist vorzugsweise über einen Tankstutzen oder eine Nachfüllöffnung mit Wasser befüllbar. Durch Befüllen des Wassertanks mit Wasser von außen kann sichergestellt werden, dass die verfügbare Wassermenge nicht unter eine vorgegebene Mindestmenge fällt.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Batterie zum Speichern elektrischer Energie vorhanden ist. Sofern zumindest ein Teil der von der mindestens einen Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie nicht von der elektrischen Maschine oder einem anderen elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs, wie beispielsweise einer Heizung oder dergleichen, benötigt wird, kann dieser in der Batterie zwischengespeichert werden. Die in der Batterie zwischengespeicherte Energie kann auch zur Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse genutzt werden. Die Batterie benötigt demnach keine großen Speicherkapazitäten, so dass sie entsprechend klein ausgelegt werden kann. Vorteilhafterweise ist die Batterie über einen Steckkontakt an eine externe Stromversorgung anschließbar. Die Batterie kann somit bei Bedarf auch von außen über den Steckkontakt geladen werden.
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Des Weiteren kann ein Wasserstofftank zum Zwischenspeichern von Wasserstoff vorhanden sein. Der Wasserstofftank nimmt vorzugsweise mittels Elektrolyse erzeugten Wasserstoff und/oder durch Dehydrierung freigesetzten Wasserstoff auf.
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Der Wasserstofftank dient demnach lediglich als Puffer, da als eigentlicher Wasserstoffspeicher der flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) dient. Entsprechend klein kann der Wasserstofftank ausfallen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Fahrzeugs und
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in er 1 dargestellte elektrisch antreibbare Fahrzeug 1 weist eine elektrische Maschine 3 als Antrieb auf. Die von der elektrischen Maschine 3 benötigte elektrische Energie wird an Bord des Fahrzeugs 1 erzeugt und nicht in einer Batterie gespeichert, so dass eine Batterie entfallen kann.
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Zum Erzeugen der elektrischen Energie weist das Fahrzeug 1 mindestens eine Brennstoffzelle 2 auf, die Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser wandelt. Die elektrische Energie I wird der elektrischen Maschine 3 zugeführt. Das ferner anfallende Wasser H2O, auch Produktwasser genannt, wird über einen Auslass 12 aus dem Fahrzeug 1 abgeführt.
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Der zum Erzeugen der elektrischen Energie von der Brennstoffzelle 2 benötigte Wasserstoff H2 wird an Bord des Fahrzeugs 1 mittels Elektrolyse erzeugt. Das Fahrzeug 1 weist hierzu eine Einrichtung zur Elektrolyse 7 auf. Dieser Einrichtung 7 wird von außen über einen Tankstutzen 10 Wasser H2O sowie über einen Steckkontakt 11 elektrische Energie I zugeführt. Der mittels Elektrolyse erzeugte Wasserstoff H2 wird dann durch Hydrierung an einen Stoff gebunden, und zwar an einen flüssigen organischen Wasserstoffträger (LOHC). Das derart angereicherte LOHC+ wird dann in einem Speicher 8 vorgehalten. Bei Bedarf wird der gebundene Wasserstoff durch Dehydrierung von LOHC+ wieder freigesetzt und der Brennstoffzelle 2 zur Verfügung gestellt. Das abgereicherte LOHC- wird anschließend einem Speicher 9 zugeführt. Dieses kann erneut durch Hydrierung mit Wasserstoff angereichert werden, so dass ein Kreislauf entsteht.
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Das in der 1 dargestellte Fahrzeug 1 benötigt lediglich Wasser H2O und Strom I. Da Wasser und Strom im Betrieb des Fahrzeugs 1 anfallen bzw. erzeugt werden, können die Tankintervalle vergleichsweise lang ausfallen. Insbesondere kann Produktwasser als Wasservorrat genutzt werden, das in diesem Fall dann nicht über den Auslass 12 abgelassen wird.
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Der 2 ist beispielhaft ein elektrisch antreibbares Fahrzeug 1 zu entnehmen, das alle zuvor beschriebenen Komponenten des Fahrzeugs 1 der 1 aufweist, darüber hinaus aber noch weitere Komponenten, durch welche komplexere Kreisläufe bzw. Verbindungen geschaffen werden.
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Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, kann die für die Elektrolyse notwendige elektrische Energie I einer Batterie 5 entnommen werden, in welche zumindest ein Teil der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten elektrischen Energie I eingespeist wird. Die Batterie 5 kann auch überschüssige elektrische Energie i aus der elektrischen Maschine 3 aufnehmen. Darüber hinaus kann - zumindest kurzzeitig - die elektrische Maschine 3 mit elektrischer Energie I aus der Batterie 5 versorgt werden.
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In der 2 ist ebenfalls beispielhaft ein Wassertank 4 dargestellt, der in der Brennstoffzelle 2 anfallendes Produktwasser aufnimmt, um dieses der Einrichtung zur Elektrolyse 7 zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise muss weniger Wasser von außen aufgenommen werden und es muss weniger Wasser über den Auslass 12 abgelassen werden.
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Das Fahrzeugs 1 der 2 weist darüber hinaus einen Wasserstofftank 6 auf, der jedoch lediglich als Zwischenspeicher fungiert. Er nimmt mittels Elektrolyse und/oder durch Dehydrierung von LOHC+ erzeugten Wasserstoff auf, um diesen dann bei Bedarf der Brennstoffzelle 2 zur Verfügung zu stellen. Mit Hilfe des zwischengespeicherten Wasserstoffs kann auch der im Speicher 9 vorhandene LOHC- erneut hydriert werden, um den Speicher 8 mit LOHC+ aufzufüllen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016204900 A1 [0004, 0005]