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Die Erfindung betrifft einen Lastkraftwagen mit einem Führerhaus und einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Der Einsatz von Brennstoffzellensystemen, um Lastkraftwagen zumindest teilweise elektrisch anzutreiben, ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Offenlegung
US 2021/0155224 A1 beschreibt einen solchen Lastkraftwagen, bei welchem im Bereich hinter dem Führerhaus im sogenannten Heckturm ein Brennstoffzellensystem samt Wasserstoffspeicher und Leistungselektronik angeordnet ist. Zur Kühlung des Brennstoffzellensystems sind seitlich am Fahrzeug Kühlmodule angebracht, welche über Lüfter für eine Zwangskonvektion von Kühlluft sorgen, um so die Abwärme des Brennstoffzellensystems abzuführen.
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In der Praxis ist es dabei so, dass das Brennstoffzellensystem der genannten US-Offenlegung als sogenannter Range Extender ausgebildet ist, also nicht zur alleinigen Bereitstellung der gesamten Antriebsleistung für den Lastkraftwagen ausgelegt sein muss. Ist dies jedoch der Fall, kommt es zu zwei unterschiedlichen Problemen, welche im Prinzip des Brennstoffzellensystems bedingt sind. Brennstoffzellensysteme für mobile und insbesondere automobile Anwendungen verwenden häufig einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel in PEM-Bauweise. Diese Brennstoffzellenstapel haben Betriebstemperaturen in der Größenordnung von typischerweise weniger als 95°C, in seltenen Fällen auch knapp darüber. Das Problem im Vergleich zu Verbrennungsmotoren ist es nun, dass durch die geringere Temperatur des Brennstoffzellensystems im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor auch das die Abwärme abführende Kühlmedium eine sehr viel geringere Temperatur aufweist. Die Temperaturspreizung zwischen der Temperatur der Umgebungsluft, welche zur Abkühlung des Kühlmediums in einem Kühler bzw. Kühlmedienwärmetauscher genutzt wird und der Abwärme der Brennstoffzelle ist damit sehr viel kleiner als im Vergleich dazu die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungsluft und der Abwärme eines Verbrennungsmotors. Alleine dadurch sinkt die zur Verfügung stehende Kühlleistung bezogen auf eine Flächeneinheit des Kühlers bei der Kühlung eines Brennstoffzellensystems ab. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, werden dabei häufig andere Kühlstrategien wie eine indirekte Kühlung über eine Klimaanlage oder dergleichen eingesetzt oder es müssen sehr viel größere von der Umgebungsluft durchströmte Kühlflächen zur Verfügung gestellt werden, was häufig im Rahmen der gegebenen Form und des gegebenen Designs nicht oder nur schwer umsetzbar ist.
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Daneben sind bei Anwendungen in Lastkraftwagen auch Hecktürme als Kühltürme bekannt, bei denen die einströmende Kühlluft Kühlmedienwärmetauscher von Brennstoffzellensystemen kühlt. Um den benötigen Volumenstrom an Kühlluft bereitzustellen ist es dabei aber in der Praxis immer notwendig einen Gebläse mit zum Teil hoher Leistung mitlaufen zu lassen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen verbesserten Lastkraftwagen mit einem Brennstoffzellensystem anzugeben, welcher eine effiziente Kühlung auch bei großer Nennleistung des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Lastkraftwagen mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Lastkraftwagen ist es vorgesehen, dass in Fahrtrichtung hinter einem Führerhaus des Lastkraftwagens ein Kühlturm angeordnet ist, welcher eine größere Höhe als das Führerhaus aufweist. Der wenigstens eine Kühleinlass dieses Kühlturms befindet sich dabei im Bereich oberhalb des Führerhauses. Der Kühlturm überragt das Führerhaus, sodass sich im Bereich oberhalb des Führerhauses bzw. oberhalb des Führerhausdachs ein Staudruck ergibt, welcher dafür sorgt, dass eine ausreichende Menge an Kühlluft über den oder die Kühllufteinlässe in den Kühlturm gelangt. Dabei ist der Kühllufteinlass über ein in sich geschlossenes Volumen mit dem wenigstens einen Kühlmedienwärmetauscher verbunden ist. Dieser kann insbesondere abgedichtet mit dem Volumen verbunden sein. Dieses in sich geschlossene und abgedichtete Volumen stellt also sicher, dass der gesamte über den Kühllufteinlass einströmende Luftstrom den Kühlmedienwärmetauscher anströmt. Durch die Kombination von erzeugten Staudruck und verlustfreier Zuleitung der Kühlluft zum dem Kühlmedienwärmetauscher in dem Kühlturm lässt sich der maximal verfügbare Kühlluftstrom verlustfrei zur Kühlung nutzen. Dadurch kann der zusätzliche Einsatz von elektrischen Gebläsen etc. vermieden oder zumindest sehr lange hinausgezögert werden. Dies steigert die Energieeffizienz.
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Damit ist ein einfacher und effizienter Aufbau gegeben, welcher in den allermeisten Betriebssituationen alleine durch den Staudruck oberhalb des Führerhauses und die Verlustfreie Zuleitung der Kühlluft zu dem Kühlmedienwärmetauscher eine ausreichende Durchströmung des Kühlmedienwärmetauschers in dem Kühlturms mit Luft ermöglicht. Damit ist eine effiziente Abfuhr der Abwärme des Brennstoffzellensystems möglich. Die Abwärme des Brennstoffzellensystems kann dabei sowohl die Abwärme des Brennstoffzellenstapels oder der Brennstoffzellenstapel umfassen als auch von Komponenten der Leistungselektronik, welche in dem Kühlkreislauf parallel oder in Reihe zu dem oder den Brennstoffzellenstapeln entsprechend gekühlt werden.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens sieht es dabei vor, dass der Kühlturm wenigstens einen seitlichen Kühlluftauslass aufweist. Die Kühlluft kann also vorzugsweise auf einer oder insbesondere auch auf beiden Seiten des Kühlturms nach dem Durchströmen der entsprechenden Kühlmedienwärmetauscher für die Kühlflüssigkeit der Brennstoffzelle wieder in die Umgebung abströmen. Ein seitliches Abströmen im Bereich des Kühlturms, also zwischen dem Führerhaus und dem Aufbau des Fahrzeugs in Fahrtrichtung des Lastkraftwagens gesehen, ist dabei außerordentlich effizient, da die Aerodynamik des Fahrzeugs durch die dort ausströmende Kühlluft nur sehr wenig beeinflusst bzw. gestört wird.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens kann es außerdem vorsehen, dass der Kühlturm an dem Chassis fixiert ist. Eine solche Fixierung an dem Fahrzeugchassis, der Kühlturm ist also fest mit dem Fahrzeugchassis verbunden, ist besonders effizient im Aufbau. Das eigentliche Führerhaus kann dementsprechend vorgelagert sein und muss hinsichtlich der Konstruktion nicht weiter verändert werden, da lediglich der Kühlturm an die Stelle des sonst üblichen Heckturms auf dem Fahrzeugchassis, unabhängig vom Führerhaus montiert werden kann.
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Wie bereits erwähnt kann der Kühlturm dabei Kühlmedienwärmetauscher für die Kühlflüssigkeit des Brennstoffzellensystems aufweisen. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens umfasst der Kühlturm dabei wenigstens zwei Kühlmedienwärmetauscher für die Kühlflüssigkeit des Brennstoffzellensystems. Diese können über einen oder getrennte Kühlmitteleinlässe im Bereich oberhalb des Führerhauses in dem Kühlturm ihre Kühlluft erhalten, welche dann seitlich durch jeweils einen der Kühlmedienwärmetauscher hindurch wieder aus dem Kühlturm und damit aus dem Fahrzeug abströmt. Eine solche Aufteilung maximiert dabei die zur Verfügung stehende Kühlfläche in einem symmetrischen Aufbau außerordentlich effizient und kann beispielsweise ein Brennstoffzellensystem mit zwei getrennten Brennstoffzellenstapeln, wie es in Lastkraftwagen häufig üblich ist, ideal kühlen.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens kann es ferner vorgesehen sein, dass der Kühlturm Kühlluftfördereinrichtungen zur Unterstützung der Durchströmung des Kühlturms mit Kühlluft aufweist. Solche an sich bekannten Kühlluftfördereinrichtungen in Form von Gebläsen können hier ebenfalls verbaut werden. Aufgrund des relativ hohen anliegenden Staudrucks im Bereich der Kühllufteinlässe oberhalb des Führerhauses ist ihr Betrieb jedoch nur in einzelnen Betriebssituationen notwendig, beispielsweise bei entsprechend hoher Umgebungstemperatur oder einer besonders großen abfallenden Abwärme und geringer Fahrgeschwindigkeit, beispielsweise bei einer Bergauffahrt. Die Kühlluftfördereinrichtungen können vorzugsweise elektromotorisch betrieben werden, sodass diese in Abhängigkeit eines Temperaturwerts, beispielsweise der Abluft, oder in Abhängigkeit eines ohnehin gemessenen Temperaturwerts des Kühlmediums bei Bedarf eingeschaltet werden. Ansonsten werden sie nicht betrieben, um so ein möglichst energieeffizientes Brennstoffzellensystem zu gewährleisten.
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Der Aufbau erlaubt dabei eine ideale Kühlung des Brennstoffzellensystems bzw. seiner Brennstoffzellen in dem Lastkraftwagen, sodass eine entsprechend geringe Vorlauftemperatur von beispielsweise ca. 60°C trotz der relativ niedrigen Temperaturdifferenz zu den üblicherweise auftretenden Umgebungstemperaturen bereitgestellt werden kann. Damit lassen sich hohe Lebensdauern der einzelnen Brennstoffzellen realisieren. Gleichzeitig kann bei dem erfindungsgemäßen Lastkraftwagen eine hohe Kühlleistung bereitgestellt werden, welche nur in Sonderfällen durch Kühlluftfördereinrichtungen unterstützt werden muss, sodass insgesamt ein sehr energieeffizienter Betrieb mit entsprechend hoher Reichweite des Lastkraftwagens möglich wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Lastkraftwagens in einer möglichen Ausgestaltung gemäß der Erfindung; und
- 2 eine Draufsicht auf einen Teil des Aufbaus gemäß 1.
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In der Darstellung der 1 ist ein Lastkraftwagen 1 beispielhaft angedeutet. Bei dem hier angedeuteten Lastkraftwagen 1 handelt es sich um eine sogenannte Zugmaschine, welche in der Lage ist, einen Auflieger zu ziehen. Umgangssprachlich wird dieser Aufbau auch als Sattelzug oder Sattelschlepper bezeichnet. Der Lastkraftwagen 1 kann aber selbstverständlich auch in anderer Art und Weise aufgebaut sein. Zur Erläuterung der hier vorliegenden Erfindung sind dabei lediglich ein Chassis 2 des Lastkraftwagens 1 sowie ein typischerweise flexibel auf dem Chassis 2 gelagertes und hier mit 3 bezeichnetes Führerhaus relevant. Dieses Führerhaus 3, welches auch als Kabine bezeichnet wird, liegt in Fahrtrichtung F des Lastkraftwagens 1 vorne. Entgegen der Fahrtrichtung folgt auf dieses Führerhaus 3 ein mit 4 bezeichneter Kühlturm, welcher im Bereich eines ansonsten bei vielen Aufbauten üblichen Heckturms liegt. Er ist fest mit dem Chassis 2 verbunden und kann damit unabhängig vom Aufbau des Führerhauses 3 hinter diesem platziert werden. Entscheidend für diesen Kühlturm ist es nun, dass er eine größere Höhe aufweist als das Führerhaus 3. Oberhalb eines Kabinendachs 5 des Führerhauses 3 bildet sich so ein mit gestrichelten Linien angedeuteter Staudruckbereich 6 aus. In diesem Bereich befindet sich ein Kühllufteinlass 7 des Kühlturms 4, welcher beispielsweise aus mehreren parallelen Öffnungen besteht, durch welche die sich in dem Staudruckbereich sammelnde Luft als Kühlluft in den Kühlturm 4 einströmen kann. Über das Kabinendach 5 ragende Leitelemente im Bereich des Kühllufteintritts. Können den Effekt noch zusätzlich verstärken und noch mehr Luft „einsammeln“.
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In der Darstellung der 2 ist eine Draufsicht auf diesen Aufbau zu erkennen. Dabei ist ein Teil des Kabinendachs 5 sowie der Kühlturm 4 von oben gezeigt. Vergleichbar wie in der Darstellung der 1 ist mit fetter durchgezogener Linie die Strömung der Kühlluft angedeutet, welche aus dem Staudruckbereich 6 oberhalb des Kabinendachs 5 durch die Kühllufteinlässe 7 in den Kühlturm 4 einströmt. Innerhalb des Kühlturms 4 wird sie dann jeweils seitlich abgeleitet und strömt über zwei Kühlmedienwärmetauscher 8, in welchen sie ein Kühlmedium des hier nicht dargestellten Brennstoffzellensystems, welches den Lastkraftwagen 1 mit zumindest einem Teil seiner elektrischen Antriebsleistung versorgt, durchströmt. Das Kühlmedium des Brennstoffzellensystems wird in den Kühlmedienwärmetauschern 8 abgekühlt, die Abwärme des Brennstoffzellensystems also an die Kühlluft abgegeben. Nach dem Durchströmen der beiden Kühlmedienwärmetauscher 8 strömt die Kühlluft dann über seitliche Kühlluftauslässe 9, welche als gitterförmiger Kühlluftauslass insbesondere in der Darstellung der 2 auf einer Seite des Kühlturms 4 zu erkennen sind, wieder aus dem Kühlturm 4 ab. Dieses Abströmen der Kühlluft in die Umgebung seitlich zwischen dem Führerhaus 3 und einem hier nicht gezeigten Aufbau oder Auflieger des Lastkraftwagens 1 ist dabei ideal, da hierdurch die Aerodynamik des Lastkraftwagens 1 nicht oder nur minimal gestört wird.
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Es kann jedoch auch Anwendungen geben, bei denen ein Austritt nach hinten zu bevorzugen wäre, z.B. im Bereich kommunaler Fahrzeuge. Dort kann dies aus Gründen des Lärmschutzes und/oder der Sicherheit von Passanten die zu bevorzugende Lösung sein.
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Durch den Staudruck oberhalb des Kabinendachs 5 kann für eine ausreichende Durchströmung der Kühlmedienwärmetauscher 8 in dem Kühlturm 4 gesorgt werden. Zusätzliche Ventilatoren bzw. Gebläse, welche elektromotorisch angetrieben werden können, sind in dem Kühlturm 4 ebenfalls denkbar und können insbesondere in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur bei Bedarf zugeschaltet werden, wie dies auch bei herkömmlichen Kühlanlagen für Verbrennungsmotoren allgemein bekannt und üblich ist. Auf eine Darstellung der Gebläse wurde hier zur Vereinfachung verzichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2021/0155224 A1 [0002]
