DE102021121779A1

DE102021121779A1 - Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellensystem und Druckluftbremsanlage sowie Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE102021121779A1
Application number: DE102021121779.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Buhl; Michael Bernath
Original assignee: MAN Truck and Bus SE
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2023-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft u.a. ein Kraftfahrzeug (10) aufweisend ein Brennstoffzellensystem (12) mit mindestens einer Brennstoffzelle (20) und einem ersten Luftzuführungspfad (18), der sich zu der mindestens einen Brennstoffzelle (20) erstreckt und einen ersten Verdichter (24) aufweist. Das Kraftfahrzeug (10) weist eine Druckluftbremsanlage (14) mit mindestens einem Bremsaktor (34) und einem zweiten Luftzuführungspfad (32), der sich zu dem mindestens einen Bremsaktor (34) erstreckt, einen zweiten Verdichter (36) aufweist und separat von dem ersten Luftzuführungspfad (18) ausgebildet ist, auf. Das Kraftfahrzeug (10) weist ein Verbindungsleitungssystem (16) auf, das den ersten Luftzuführungspfad (18) und den zweiten Luftzuführungspfad (32) miteinander verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einer Druckluftbremsanlage und ein Verfahren zum Betreiben dieses Kraftfahrzeugs.
Im Nutzfahrzeugbereich werden Bremsanlagen üblicherweise mittels pneumatischer Aktoren betätigt. Die dafür benötigte Druckluft wird mittels eines Verdichters in ein Reservoir gespeist und dort bei hohem Druck gespeichert. An diese Druckluftbevorratung können unterschiedliche Anforderungen gestellt werden, was gerade die Entwicklung von Verdichtern vor große Herausforderungen stellt. Eine dieser Anforderungen kann bspw. eine Festsetzung einer maximalen Zeitdauer bis zum Erreichen eines bestimmten Druckniveaus sein, was in einer hohen maximalen Verdichterleistung resultiert und damit in vielen Fahrzeuganwendungen für den Normalbetrieb überdimensioniert ist. Bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen kann der Verdichter nicht mehr über einen Verbrennungsmotor angetrieben werden. Stattdessen kann die benötigte Energie bspw. mittels einer extra dafür vorgesehenen Elektromaschine erbracht werden. Der hohe Leistungsbedarf des Verdichters kann dabei u.a. hohe Kosten aufgrund einer leistungsstarken Elektromaschine und eine geringere Sensitivität des Verdichterantriebs in Bereichen mit geringen Volumenströmen mit sich bringen.
Die EP 1 300 589 A2 offenbart ein Fahrzeug, das mit einem Hauptantriebsmotor, mit einem Elektromotor, mit einem Luftpresser und mit einer elektrischen Energiequelle ausgestattet ist. Um einen energieoptimierten, funktionsgerechten Betrieb des Luftpressers zu ermöglichen, wird der Luftpresser zumindest bei mit ausreichender Drehzahl laufendem Hauptantriebsmotor von demselben und sonst im Bedarfsfall von einem Elektromotor z. B. über ein leistungsverzweigtes Getriebe angetrieben. Der Luftpresser stellt dabei die erforderliche Prozessluft für den Betrieb einer auch den Elektromotor speisenden Brennstoffzelle zur Verfügung. Das Fahrzeug weist eine pneumatische Bremseinrichtung und eine pneumatische Niveauregeleinrichtung auf, die sich eine gemeinsame Druckluftzuführung mit der Brennstoffzelle teilen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Technik bei der Druckluftzuführung in einem Kraftfahrzeug zu entwickeln.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug (z. B. Lastkraftwagen oder Omnibus). Das Kraftfahrzeug weist ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und einem ersten Luftzuführungspfad, der sich zu der mindestens einen Brennstoffzelle erstreckt und einen ersten Verdichter aufweist, auf. Das Kraftfahrzeug weist eine Druckluftbremsanlage mit mindestens einem Bremsaktor und einem zweiten Luftzuführungspfad, der sich zu dem mindestens einen Bremsaktor erstreckt, einen zweiten Verdichter aufweist und separat von dem ersten Luftzuführungspfad ausgebildet ist, auf. Das Kraftfahrzeug weist ein Verbindungsleitungssystem auf, das den ersten Luftzuführungspfad und den zweiten Luftzuführungspfad miteinander verbindet.
Vorteilhaft kann somit eine Druckluft-Kopplung der Druckluftbremsanlage und des Luftzuführungspfads des Brennstoffzellensystems erreicht werden. Vorteilhaft kann damit ermöglicht werden, dass sich das Brennstoffzellensystem und die Druckluftbremsanlage beim Erzeugen der Druckluft gegenseitig unterstützen können. Im praktischen Einsatz des Kraftfahrzeugs ist im Wesentlichen keine Situation konstruierbar, in welcher sowohl das Brennstoffzellensystem als auch die Druckluftbremsanlage gleichzeitig den maximalen Luftbedarf erfordern, wodurch diese Kopplung besonders sinnvoll sein kann. Durch die Kopplung können unterschiedliche Vorteile erzielt werden, wie bspw. Lebensdauererhöhung der Verdichter, Wirkungsgradverbesserung der Verdichter und/oder Kostenreduktionen. Mit Blick auf die Kostenreduktion kann bspw. abhängig von der gewünschten Fahrzeugperformance die Verdichtergröße reduziert werden, was ggfs. mit einer Kostensenkung einhergeht. Ein weiterer Nebeneffekt kann eine Optimierung der Verdichterkennfelder sein, was wiederrum zu einer Wirkungsgradverbesserung führen kann. Die Kopplung kann vorteilhaft noch Vorteile für die Lebensdauer bspw. des Brennstoffzellensystems mit sich bringen, da bspw. ein lebensdauerschädliches Ab- und Anstellen des Brennstoffzellenverdichters vermieden werden kann.
Beispielsweise kann der erste Verdichter und/oder der zweite Verdichter als ein Gebläse ausgeführt sein.
In einem Ausführungsbeispiel verbindet das Verbindungsleitungssystem den ersten Luftzuführungspfad stromabwärts von dem ersten Verdichter und den zweiten Luftzuführungspfad stromaufwärts von dem zweiten Verdichter miteinander, vorzugsweise zum Zuführen von Druckluft von dem ersten Verdichter zu dem zweiten Verdichter. Bspw. kann der im Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommende (erste) Verdichter auf hohe Volumenströme bei geringen Druckniveaus (bis max. 4 bar) ausgelegt sein. Der erste Verdichter kann sich daher sehr gut eignen, um den Massenstrom für den zweiten Verdichter der Druckluftbremsanlage vorzuverdichten. Die damit verbundene vorteilhafte Verringerung des max. Volumenstroms bzw. des benötigten Druckverhältnisses für den zweiten Verdichter kann mit einer Verringerung der maximalen Leistungsaufnahme einhergehen, wodurch den eingangs genannten Problemen entgegengewirkt werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel verbindet das Verbindungsleitungssystem den zweiten Luftzuführungspfad stromabwärts von dem zweiten Verdichter und den ersten Luftzuführungspfad (z. B. stromaufwärts oder stromabwärts von dem ersten Verdichter) miteinander, vorzugsweise zum Zuführen von Druckluft von dem zweiten Verdichter zu dem ersten Luftzuführungspfad (z. B. stromaufwärts oder stromabwärts von dem ersten Verdichter). Vorteilhaft kann damit bspw. eine Wirkungsgradverbesserung erzielt werden. Maximale Luftbedarfe des Brennstoffzellensystems können teilweise über die Druckluftbremsanlage (z. B. von ein Druckluftreservoir der Druckluftbremsanlage) bedient werden. Dies erlaubt bspw. einen verlängerten Verdichterbetrieb der ersten Verdichters im optimalen Betriebspunkt (Verdichterkennfeld).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel verbindet das Verbindungsleitungssystem den zweiten Luftzuführungspfad stromabwärts von dem zweiten Verdichter und eine Luftlagerung des ersten Verdichters (z. B. eine Luftlagerung einer Antriebswelle des ersten Verdichters) miteinander, vorzugsweise zum Zuführen von Druckluft von dem zweiten Verdichter zu der Luftlagerung. Vorteilhaft kann damit eine Lebensdauererhöhung des ersten Verdichters des Brennstoffzellensystems erreicht werden. Herkömmlich kann eine Luftlagerung bei jedem Stopp des ersten Verdichters abreißen, sodass dieser beim Wiederhochlauf aus der Haft- und Gleitreibung startet. Dies resultiert in einem erhöhten Verschleiß der Lager und damit in einer verringerten Lebensdauer. Vorteilhaft kann die Luftlagerung des ersten Verdichters bereits vor dessen Hochlauf mit Druckluft aus der Druckluftbremsanlage durchströmt werden. Der Lagerverschleiß kann vorteilhaft reduziert werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der zweite Luftzuführungspfad ein Druckluftreservoir (z. B. Drucklufttank) auf und das Verbindungsleitungssystem zweigt von dem Druckluftreservoir und/oder stromabwärts von dem Druckluftreservoir ab.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verbindungsleitungssystem mindestens eine Ventileinrichtung auf, vorzugsweise mit mindestens einem Absperrventil, Rückschlagventil, Druckregelventil und/oder Druckbegrenzungsventil.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verbindungsleitungssystem eine Reinigungsvorrichtung zum Reinigen der Druckluft auf, vorzugsweise angeordnet zum Reinigen der von dem zweiten Luftzuführungspfad zu dem ersten Luftzuführungspfad zugeführten Druckluft. Vorteilhaft kann damit erreicht werden, dass auch von der Druckluftbremsanlage sehr reine bzw. saubere Luft zu der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführt werden kann, was für deren Betrieb besonders vorteilhaft sein kann. Die Reinigungsvorrichtung kann ermöglichen, dass auch sehr hohe Anforderungen hinsichtlich der Reinheit der Druckluft erfüllt werden können.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Reinigungsvorrichtung einen Ölabscheider auf.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verbindungsleitungssystem einen Druckminderer auf, vorzugsweise angeordnet zum Mindern eines Drucks der von dem zweiten Luftzuführungspfad zu dem ersten Luftzuführungspfad zugeführten Druckluft. Vorteilhaft kann damit ermöglicht werden, dass die Druckluftbremsanlage auf einem höheren Druckniveau für die Druckluft betrieben werden kann als das Brennstoffzellensystem und die Druckluft aus der Druckluftbremsanlage dennoch im Brennstoffzellensystem verwendet werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der erste Verdichter elektrisch und/oder mittels einer Abgasturbine des Kraftfahrzeugs (z. B. des Brennstoffzellensystems) angetrieben. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Verdichter bspw. elektrisch angetrieben sein.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Druckverhältnis des ersten Verdichters kleiner als ein Druckverhältnis des zweiten Verdichters.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Kraftfahrzeug ferner eine Steuereinheit auf, die dazu konfiguriert ist, eine Leistung des ersten Verdichters und eine Leistung des zweiten Verdichters aufeinander abzustimmen, vorzugsweise zum Erfüllen eines Druckluftbedarfs der mindestens einen Brennstoffzelle (z. B. gleichzeitig) durch den ersten Verdichter und den zweiten Verdichter und/oder zum Erfüllen eines Druckluftbedarfs der Druckluftbremsanlage (z. B. gleichzeitig) durch den ersten Verdichter und den zweiten Verdichter.
Vorzugsweise kann sich der Begriff „Steuereinheit“ auf eine Elektronik (z. B. mit Mikroprozessor(en) und Datenspeicher) und/oder eine mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Steuerung beziehen, die je nach Ausbildung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben und/oder Verarbeitungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hierin der Begriff „Steuern“ verwendet wird, kann damit gleichsam zweckmäßig auch „Regeln“ bzw. „Steuern mit Rückkopplung“ und/oder „Verarbeiten“ umfasst bzw. gemeint sein.
Vorzugweise kann das Verbindungsleitungssystem separat von dem Brennstoffzellensystem und der Druckluftbremsanlage ausgebildet sein (und bspw. an diese angeschlossen sein).
Ein weitere Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs wie hierin offenbart. Das Verfahren weist ein Zuführen von Druckluft von dem ersten Verdichter über das Verbindungsleitungssystem zu dem zweiten Verdichter auf. Alternativ oder zusätzlich weist das Verfahren ein Zuführen von Druckluft von dem zweiten Verdichter über das Verbindungsleitungssystem zu dem ersten Luftzuführungspfad, vorzugsweise stromaufwärts oder stromabwärts des ersten Verdichters, und/oder zu einer Luftlagerung des ersten Verdichters, auf. Vorteilhaft können mit dem Verfahren die gleichen Vorteile erreicht werden, die bereits unter Bezugnahme auf das Kraftfahrzeug beschrieben wurden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner ein Reinigen der Druckluft in dem Verbindungsleitungssystem, vorzugsweise mittels Abscheiden von Öl aus der Druckluft und/oder vor einem Einleiten in das Brennstoffzellensystem, auf (z. B mittels der Reinigungsvorrichtung).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner ein Druckmindern der Druckluft in dem Verbindungsleitungssystem, vorzugsweise vor einem Einleiten in das Brennstoffzellensystem, auf (z. B. mittels des Druckminderers).
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine rein schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem und einer Druckluftbremsanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und
2 eine rein schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem und einer Druckluftbremsanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.
Die 1 zeigt rein schematisch ein Kraftfahrzeug 10. Das Kraftfahrzeug 10 ist bevorzugt als ein Nutzfahrzeug, besonders bevorzugt als ein Lastkraftwagen oder ein Omnibus, ausgeführt.
Das Kraftfahrzeug 10 weist ein Brennstoffzellensystem 12, eine Druckluftbremsanlage 14 und ein Verbindungsleitungssystem 16 auf. Das Brennstoffzellensystem 12 und die Druckluftbremsanlage 14 können separat ausgebildet sein. Das Brennstoffzellensystem 12 und die Druckluftbremsanlage 14 können von dem Verbindungsleitungssystem 16 verbunden sein.
Das Brennstoffzellensystem 12 kann elektrische Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 erzeugen. Bspw. kann die elektrische Energie einer elektrischen Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs 10 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Energie einem elektrischen Energiespeicher (z. B. Traktionsbatterie) zugeführt werden. Der elektrische Energiespeicher kann die gespeicherte elektrische Energie einer elektrischen Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs 10 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 zuführen. Die elektrische Antriebseinheit kann bspw. ein elektrischer Zentralantrieb sein oder mehrere elektrische Antriebsmotoren umfassen, z. B. Radnabenmotoren oder radnahe Motoren.
Das Brennstoffzellensystem 12 weist einen Kathodenpfad bzw. ersten Luftzuführungspfad 18 und mindestens eine Brennstoffzelle 20 auf. Das Brennstoffzellensystem 12 kann ferner einen Anodenpfad bzw. Brennstoffzuführungspfad 22 aufweisen.
Der erste Luftzuführungspfad 18 ist zum Zuführen von Luft zu der mindestens einen Brennstoffzelle 20 ausgebildet. Der erste Luftzuführungspfad 18 erstreckt sich bis zu der mindestens einen Brennstoffzelle 20 bzw. ist an diese angeschlossen.
Der erste Luftzuführungspfad 18 kann einen nicht im Detail dargestellten Lufteinlass aufweisen. Durch den Lufteinlass kann der erste Luftzuführungspfad 18 Luft aus einer Umgebung des Kraftfahrzeugs 10 ansaugen.
Der erste Luftzuführungspfad 18 weist einen ersten Verdichter 24, z. B. ein Gebläse, auf. Der erste Verdichter 24 kann Luft von dem Lufteinlass des ersten Luftzuführungspfads 18 ansaugen und verdichten. Der erste Verdichter 24 kann die Luft bspw. von Umgebungsdruck bis ungefähr 4 bar oder weniger verdichten. Die verdichtete Luft vom ersten Verdichter 24 kann der mindestens einen Brennstoffzelle 20 zugeführt werden.
Der erste Verdichter 24 kann eine pneumatische Lagerung bzw. Luftlagerung 26 aufweisen. Mittels der Luftlagerung 26 kann bspw. eine Antriebswelle bzw. Antriebsspindel des ersten Verdichters 24 gelagert sein. Ein Luftkissen der Luftlagerung 26 kann die Antriebswelle drehbar lagern und zentrieren. Es ist möglich, dass die Luftlagerung 26 über einen Druckluftkanal 28, der vom ersten Luftzuführungspfad 18 stromabwärts des ersten Verdichters 24 abzweigt, mit Druckluft versorgt werden kann. Nach Durchströmen der Luftlagerung 26 kann die Druckluft den ersten Verdichter 24 an einem Auslass verlassen, z. B. in Richtung zu der mindestens einen Brennstoffzelle 20 über den ersten Luftzuführungspfad 18.
Der erste Verdichter 24 ist bevorzugt von einem Elektroantrieb 30 angetrieben. Der Elektroantrieb 30 kann antreibend mit einer Antriebswelle des ersten Verdichters 24 verbunden sein. Alterativ oder zusätzlich kann der erste Verdichter 24 bspw. von einer Abgasturbine angetrieben sein, z. B. von einer Abgasturbine des Brennstoffzellensystems 12.
Es ist möglich, dass der erste Luftzuführungspfad 18 weitere Komponenten aufweist, die nicht dargestellt sind. Bspw. kann die Luft in dem ersten Luftführungspfad 18 vor der Zuführung zu der mindestens einen Brennstoffzelle 20 noch in einer entsprechenden Komponente behandelt werden, z. B. gefiltert, konditioniert (z. B. gekühlt oder erwärmt), be- oder entfeuchtet, druckgeregelt und/oder gereinigt (z. B. Ölabscheidung), und/oder zwischengespeichert werden.
Die mindestens eine Brennstoffzelle 20 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennstoffzellen auf. Die Brennstoffzellen 20 können bevorzugt in einem oder mehreren Stapeln oder jeglicher anderer Packung angeordnet sein. Die mindestens eine Brennstoffzelle 20 ist bevorzugt eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Wasserstoff kann der mindestens einen Brennstoffzelle 20 über den Brennstoffzuführungspfad 22 zugeführt werden, vorzugsweise kontinuierlich. (Luft-) Sauerstoff kann der mindestens einen Brennstoffzelle 20 über den ersten Luftzuführungspfad 18 zugeführt werden, vorzugsweise kontinuierlich. Es ist allerdings auch möglich, dass der mindestens einen Brennstoffzelle 20 bspw. ein von Wasserstoff abweichender Brennstoff zugeführt wird, z. B. Methanol, eine wässrige Methanollösung oder ein gasförmiges Methanol-Wasser-Gemisch. Bspw. kann die mindestens eine Brennstoffzelle 20 als Direktmethanol-Brennstoffzelle ausgeführt sein.
Der Brennstoffzuführungspfad 22 kann einen Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoff, zu der mindestens einen Brennstoffzelle 20 zuführen. Der Brennstoffzuführungspfad 22 kann sich bis zu der mindestens einen Brennstoffzelle 20 erstrecken bzw. and diese angeschlossen sein. Der Brennstoffzuführungspfad 22 kann an einem Brennstoffreservoir, z. B. einen Brennstofftank, angeschlossen sein. Es ist möglich, dass der Brennstofftank ein Drucktank (z. B. Wasserstoffdrucktank) ist.
Die Druckluftbremsanlage 14 kann das Kraftfahrzeug 10 bremsen. Bspw. kann die Druckluftbremsanlage 14 eine Feststellbremse und/oder eine Betriebsbremse des Kraftfahrzeugs 10 aufweisen. Es ist möglich, dass die Druckluftbremsanlage 14 mindestens einen Bremskreis aufweist, z. B. einen Bremskreis für eine Betriebsbremse an einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs 10, einen Bremskreis für eine Betriebsbremse an einer Hinterachse des Kraftfahrzeugs 10 und/oder einen Bremskreis für eine Feststellbremse des Kraftfahrzeugs 10 (optional mit einer Anhängerversorgung). Es ist auch möglich, dass der Druckluftbremsanlage 14 ein weiterer Kreis für mindestens einen pneumatische Nebenverbraucher des Kraftfahrzeugs 10 zugeordnet ist, wie z. B. eine Luftfederung, eine Türsteuerung, eine Getriebesteuerung und/oder ein Horn.
Die Druckluftbremsanlage 14 weist mindestens einen Bremsaktor 34 und einen zweiten Luftzuführungspfad 32 auf.
Der mindestens eine Bremsaktor 34 kann mittels Druckluft betätigt sein. Bspw. kann der mindestens eine Bremsaktor 34 einer Vorderachse-Betriebsbremse, einer Hinterachs-Betriebsbremse und/oder einer Feststellbremse des Kraftfahrzeugs 10 zugeordnet sein.
Der zweite Luftzuführungspfad 32 ist zum Zuführen von Luft zu dem mindestens einen Bremsaktor 34 ausgebildet. Der zweite Luftzuführungspfad 32 erstreckt sich bis zu dem mindestens einen Bremsaktor 34 bzw. ist an diese angeschlossen.
Der zweite Luftzuführungspfad 32 kann einen nicht im Detail dargestellten Lufteinlass aufweisen. Durch den Lufteinlass kann der zweite Luftzuführungspfad 32 Luft aus einer Umgebung des Kraftfahrzeugs 10 ansaugen.
Der zweite Luftzuführungspfad 32 weist einen zweiten Verdichter 36, z. B. ein Gebläse, auf. Der zweite Luftführungspfad 32 kann ferner ein Druckluftreservoir 38, z. B. in Form mindestens eines Drucklufttanks, aufweisen.
Der zweite Verdichter 36 kann Luft von dem Lufteinlass des zweiten Luftzuführungspfads 32 ansaugen und verdichten. Der zweite Verdichter 36 kann die Luft bspw. von Umgebungsdruck zu einem Bereich zwischen ca. 8 bar und ca. 12 bar verdichten. Damit kann der zweite Verdichter 36 ein Druckverhältnis aufweisen, das größer als ein Druckverhältnis des ersten Verdichters 24 ist. Die verdichtete Luft vom zweiten Verdichter 36 kann dem Druckluftreservoir 38 und/oder dem mindestens einen Bremsaktor 34 zugeführt werden.
Der zweite Verdichter 36 ist bevorzugt von einem Elektroantrieb 40 angetrieben. Der Elektroantrieb 40 kann antreibend mit einer Antriebswelle des zweite Verdichters 36 verbunden sein. Der zweite Verdichter 36 kann bspw. ein Kolbenverdichter oder ein Schraubenverdichter sein.
Es ist möglich, dass der zweite Luftzuführungspfad 32 weitere Komponenten aufweist, die nicht dargestellt sind. Bspw. kann der zweite Luftzuführungspfad 32 einen Lufttrockner und/oder ein Mehrkreisschutzventil (z. B. Vierkreisschutzventil) aufweisen.
Das Verbindungsleitungssystem 16 verbindet die separat ausgebildeten Luftzuführungspfade 18, 32 miteinander.
Das Verbindungsleitungssystem 16 kann den ersten Luftzuführungspfad 18 stromabwärts von dem ersten Verdichter 24 und den zweiten Luftzuführungspfad 32 stromaufwärts von dem zweiten Verdichter 36 miteinander verbinden. Vorzugsweise kann über das Verbindungsleitungssystem 16 Druckluft von dem ersten Verdichter 24 zu dem zweiten Verdichter 36 zugeführt werden.
Beispielsweise kann das Verbindungsleitungssystem 16 eine Verbindungsleitung 42 und/oder eine Ventileinrichtung 44 aufweisen.
Die Verbindungsleitung 42 kann an einen Leitungsabschnitt des ersten Luftzuführungspfads 18 stromabwärts des ersten Verdichters 24 angeschlossen sein. Die Verbindungsleitung 42 kann an einen Leitungsabschnitt des zweiten Luftzuführungspfads 32 stromaufwärts des zweiten Verdichters 36 angeschlossen sein.
Die Ventileinrichtung 44 kann bspw. zum Blockieren, Freigeben und/oder Anpassen eines Strömungsquerschnitts durch die Verbindungsleitung 42 angeordnet sein. Die Ventileinrichtung 44 kann bspw. an einem Einlass der Verbindungsleitung 42, an einem Auslass der Verbindungsleitung 42 oder an jeglicher Stelle zwischen einem Einlass und einem Auslass der Verbindungsleitung 42 angeordnet sein. Die Ventileinrichtung 44 kann bspw. mindestens ein Absperrventil, Rückschlagventil, Druckregelventil und/oder Druckbegrenzungsventil aufweisen.
Im Ausführungsbeispiel von 1 kann von dem ersten Verdichter 24 verdichtete Luft aus dem Brennstoffzellensystem 12 über das Verbindungsleitungssystem 16 zu der Druckluftbremsanlage 14 zugeführt werden. Der erste Verdichter 24 kann somit bspw. Luft für den zweiten Verdichter 36 vorverdichten. Entsprechend können die Betriebe bzw. Leistungen der beiden Verdichter 24 und 36 aneinander angepasst werden. Bevorzugt können die Leistungen mittels einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs 10 aneinander angepasst werden. Bspw. kann eine Leistung des zweiten Verdichters 36 an ein Druckniveau und/oder einen Druckluftvolumenstrom der Druckluft, die die Druckluftbremsanlage 14 bzw. der zweite Luftzuführungspfad 32 von dem ersten Verdichter 24 über das Verbindungsleitungssystem 16 empfängt, angepasst werden. Es ist auch möglich, dass die Anpassungen jeweils derart erfolgen, dass unter Berücksichtigung der Druckluft, die von dem ersten Verdichter 24 zu der Druckluftbremsanlage 14 bzw. dem zweiten Luftzuführungspfad 32 zugeführt werden, der Druckluftbedarf (z. B. in Bezug auf Volumenstrom und/oder Druckniveau) der mindestens einen Brennstoffzelle 20 und/oder der Druckluftbedarf der Druckluftbremsanlage 14 gedeckt werden kann.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit modifiziertem Verbindungsleitungssystem 16. Die Verbindungsleitungssysteme 16 der 1 und 2 können miteinander kombiniert werden und bspw. teilweise ineinander integriert werden, z. B. aufweisend mindestens einen gemeinsam Leistungsabschnitt und/oder eine gemeinsame Ventileinrichtung.
Das Verbindungsleitungssystem 16 kann den zweiten Luftzuführungspfad 32 stromabwärts von dem zweiten Verdichter 36 und den ersten Luftzuführungspfad 18 stromaufwärts von dem erste Verdichter 24 miteinander verbinden. Vorzugsweise kann über das Verbindungsleitungssystem 16 Druckluft von dem zweiten Verdichter 36 zu dem ersten Verdichter 24 zugeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verbindungsleitungssystem 16 den zweiten Luftzuführungspfad 32 stromabwärts von dem zweiten Verdichter 36 und den ersten Luftzuführungspfad 18 stromabwärts von dem ersten Verdichter 24 miteinander verbinden (nicht dargestellt). Vorzugsweise kann über das Verbindungsleitungssystem 16 Druckluft von dem zweiten Verdichter 36 zu dem ersten Luftzuführungspfad 18 stromabwärts des ersten Verdichters 24 zugeführt werden.
Das Verbindungsleitungssystem 16 kann den zweiten Luftzuführungspfad 32 stromabwärts von dem zweiten Verdichter 36 und die Luftlagerung 26 miteinander verbinden, z. B. direkt oder über den Druckluftkanal 28. Vorzugsweise kann über das Verbindungsleitungssystem 16 Druckluft von dem zweiten Verdichter 36 zu der Luftlagerung 26 des ersten Verdichters 24 zugeführt werden.
Beispielsweise kann das Verbindungsleitungssystem 16 eine Verbindungsleitung 46 und/oder eine Verbindungsleitung 48 aufweisen.
Die Verbindungsleitung 46 kann an einen Leitungsabschnitt oder das Druckluftreservoir 38 des zweiten Luftzuführungspfads 32 stromabwärts von dem zweiten Verdichter 36 angeschlossen sein. Die Verbindungsleitung 46 kann an einen Leitungsabschnitt des ersten Luftzuführungspfads 18 stromaufwärts (oder stromabwärts) von dem ersten Verdichter 24 angeschlossen sein.
Die Verbindungsleitung 48 kann an einen Leitungsabschnitt oder das Druckluftreservoir 38 des zweiten Luftzuführungspfads 32 stromabwärts von dem zweiten Verdichter 36 angeschlossen sein. Die Verbindungsleitung 46 kann an die Luftlagerung 26 oder den Druckluftkanal 28 angeschlossen sein.
Das Verbindungsleitungssystem 16 kann eine Reinigungsvorrichtung 50 zum Reinigen der Druckluft aufweisen. Vorzugsweise ist die Reinigungsvorrichtung 50 so angeordnet, dass sie Druckluft, die von dem zweiten Luftzuführungspfad 32 zu dem ersten Luftzuführungspfad 18 zugeführt wird, reinigen kann. Bevorzugt kann die Reinigungsvorrichtung 50 einen Ölabscheider zum Abscheiden von Öl aus der Druckluft aufweisen. Die Reinigungsvorrichtung 50 kann bspw. in die Verbindungsleitung 46 und/oder 48 eingebaut sein.
Es ist auch möglich, dass die Ventileinrichtung 44 bspw. einen Druckminderer aufweist. Bevorzugt kann der Druckminderer einen Druck der von dem zweiten Luftzuführungspfad 32 zu dem ersten Luftzuführungspfad 18 zugeführten Druckluft mindern. Vorzugsweise kann auf ein Druckniveau des ersten Luftführungspfads 18 oder darunter gemindert werden, z. B. auf unter 4 bar.
Im Ausführungsbeispiel von 2 kann von dem zweiten Verdichter 36 verdichtete Luft aus der Druckluftbremsanlage 14 über das Verbindungsleitungssystem 16 zu dem Brennstoffzellensystem 12 zugeführt werden. Der zweite Verdichter 36 kann somit bspw. Luft für den ersten Verdichter 24 vorverdichten und/oder die Luftlagerung 26 mit Druckluft versorgen. Entsprechend können die Betriebe bzw. Leistungen der beiden Verdichter 24 und 36 aneinander angepasst werden. Bevorzugt können die Leistungen mittels einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs 10 aneinander angepasst werden. Bspw. kann eine Leistung des ersten Verdichters 24 an ein Druckniveau und/oder einen Druckluftvolumenstrom der Druckluft, die das Brennstoffzellensystem 12 bzw. der erste Luftzuführungspfad 18 von dem zweiten Verdichter 36 über das Verbindungsleitungssystem 16 empfängt, angepasst werden. Es ist auch möglich, dass die Anpassungen jeweils derart erfolgen, dass unter Berücksichtigung der Druckluft, die von dem zweiten Verdichter 36 zu dem Brennstoffzellensystem 12 bzw. dem ersten Luftzuführungspfad 18 zugeführt werden, der Druckluftbedarf (z. B. in Bezug auf Volumenstrom und/oder Druckniveau) der mindestens einen Brennstoffzelle 20 und/oder der Druckluftbedarf der Druckluftbremsanlage 14 gedeckt werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und beispielsweise unabhängig von den Merkmalen bezüglich des Vorhandenseins und/oder der Konfiguration des Brennstoffzellensystems, der Druckluftbremsanlage und/oder des Verbindungsleitungssystems des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart. Alle Bereichsangaben hierin sind derart offenbart zu verstehen, dass gleichsam alle in den jeweiligen Bereich fallenden Werte einzeln offenbart sind, z. B. auch als jeweils bevorzugte engere Außengrenzen des jeweiligen Bereichs.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: Brennstoffzellensystem
14: Druckluftbremsanlage
16: Verbindungsleitungssystem
18: erster Luftzuführungspfad
20: Brennstoffzelle
22: Brennstoffzuführungspfad
24: erster Verdichter
26: Luftlagerung
28: Druckluftkanal
30: Elektroantrieb
32: zweiter Luftzuführungspfad
34: Bremsaktor
36: zweiter Verdichter
38: Druckluftreservoir
40: Elektroantrieb
42: Verbindungsleitung
44: Ventileinrichtung
46: Verbindungsleitung
48: Verbindungsleitung
50: Reinigungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1300589 A2 [0003]

Claims

Kraftfahrzeug (10), vorzugsweise Nutzfahrzeug, aufweisend: ein Brennstoffzellensystem (12) mit mindestens einer Brennstoffzelle (20) und einem ersten Luftzuführungspfad (18), der sich zu der mindestens einen Brennstoffzelle (20) erstreckt und einen ersten Verdichter (24) aufweist; eine Druckluftbremsanlage (14) mit mindestens einem Bremsaktor (34) und einem zweiten Luftzuführungspfad (32), der sich zu dem mindestens einen Bremsaktor (34) erstreckt, einen zweiten Verdichter (36) aufweist und separat von dem ersten Luftzuführungspfad (18) ausgebildet ist; und ein Verbindungsleitungssystem (16), das den ersten Luftzuführungspfad (18) und den zweiten Luftzuführungspfad (32) miteinander verbindet.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1, wobei: das Verbindungsleitungssystem (16) den ersten Luftzuführungspfad (18) stromabwärts von dem ersten Verdichter (24) und den zweiten Luftzuführungspfad (32) stromaufwärts von dem zweiten Verdichter (36) miteinander verbindet, vorzugsweise zum Zuführen von Druckluft von dem ersten Verdichter (24) zu dem zweiten Verdichter (36).
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei: das Verbindungsleitungssystem (16) den zweiten Luftzuführungspfad (32) stromabwärts von dem zweiten Verdichter (36) und den ersten Luftzuführungspfad (18) miteinander verbindet, vorzugsweise zum Zuführen von Druckluft von dem zweiten Verdichter (36) zu dem ersten Luftzuführungspfad (18).
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: das Verbindungsleitungssystem (16) den zweiten Luftzuführungspfad (32) stromabwärts von dem zweiten Verdichter (36) und eine Luftlagerung (26) des ersten Verdichters (24) miteinander verbindet, vorzugsweise zum Zuführen von Druckluft von dem zweiten Verdichter (36) zu der Luftlagerung (26).
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der zweite Luftzuführungspfad (32) ein Druckluftreservoir (38) aufweist und das Verbindungsleitungssystem (16) vom dem Druckluftreservoir (38) oder stromabwärts von dem Druckluftreservoir (38) abzweigt.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: das Verbindungsleitungssystem (16) mindestens eine Ventileinrichtung (44) aufweist, vorzugsweise mit mindestens einem Absperrventil, Rückschlagventil, Druckregelventil und/oder Druckbegrenzungsventil.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: das Verbindungsleitungssystem (16) eine Reinigungsvorrichtung (50) zum Reinigen der Druckluft aufweist, vorzugsweise angeordnet zum Reinigen der von dem zweiten Luftzuführungspfad (32) zu dem ersten Luftzuführungspfad (18) zugeführten Druckluft.
Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 7, wobei: die Reinigungsvorrichtung (50) einen Ölabscheider aufweist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: das Verbindungsleitungssystem (16) einen Druckminderer aufweist, vorzugsweise angeordnet zum Mindern eines Drucks der von dem zweiten Luftzuführungspfad (32) zu dem ersten Luftzuführungspfad (18) zugeführten Druckluft.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der erste Verdichter (24) elektrisch und/oder mittels einer Abgasturbine des Kraftfahrzeugs angetrieben ist; und/oder der zweite Verdichter (36) elektrisch angetrieben ist.
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: ein Druckverhältnis des ersten Verdichters (24) kleiner ist als ein Druckverhältnis des zweiten Verdichters (36).
Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: eine Steuereinheit, die dazu konfiguriert ist, eine Leistung des ersten Verdichters (24) und eine Leistung des zweiten Verdichters (36) aufeinander abzustimmen, vorzugweise: - zum Erfüllen eines Druckluftbedarfs der mindestens einen Brennstoffzelle (20) durch den ersten Verdichter (24) und den zweiten Verdichter (36); und/oder - zum Erfüllen eines Druckluftbedarfs der Druckluftbremsanlage (14) durch den ersten Verdichter (24) und den zweiten Verdichter (36).
Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren aufweist: Zuführen von Druckluft von dem ersten Verdichter (24) über das Verbindungsleitungssystem (16) zu dem zweiten Verdichter (36); und/oder Zuführen von Druckluft von dem zweiten Verdichter (36) über das Verbindungsleitungssystem (16) zu dem ersten Luftzuführungspfad (18), vorzugsweise stromaufwärts oder stromabwärts des ersten Verdichters (24), und/oder zu einer Luftlagerung (26) des ersten Verdichters (24).
Verfahren nach Anspruch 13, ferner aufweisend: Reinigen der Druckluft in dem Verbindungsleitungssystem (16), vorzugsweise mittels Abscheiden von Öl aus der Druckluft und/oder vor einem Einleiten in das Brennstoffzellensystem (12).
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, ferner aufweisend: Druckmindern der Druckluft in dem Verbindungsleitungssystem (16), vorzugsweise vor einem Einleiten in das Brennstoffzellensystem (12).