DE10207757A1 - Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Ein Kraftfahrzeug weist eine Brennstoffzelle auf, welche zumindest einen Teil einer in einem Bordnetz benötigten elektrischen Energie bereitstellt. Außerdem weist das Kraftfahrzeug eine Reiningungsanlage für Scheiben und/oder Scheinwerfer auf, durch welche eine Flüssigkeit auf die Scheiben und/oder Scheinwerfer aufgebracht werden kann. Zur Minimierung des Raumbedarfs und des Aufwands hinsichtlich des Treibstoffes für die Brennstoffzelle, ist diese als Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ausgebildet und nutzt zusammen mit der Reinigungsanlage einen gemeinsamen ein Wasser/Methanolgemisch beinhaltenden Vorratsbehälter.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, welche zumindest einen Teil einer in einem Bordnetz benötigten elektrischen Energie bereitstellt, und mit einer Reinigungsanlage für Scheiben und/oder Scheinwerfer, durch welche eine Flüssigkeit auf die Scheiben und/oder Scheinwerfer aufbringbar ist.
• Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Direkt-Methanol- Brennstoffzellen bekannt, welche mit einem Wasser/Methanolgemisch als Kühlmittel/Brennstoffgemisch einerseits und Luft bzw. Sauerstoff andererseits betrieben werden können.
• Da der Bedarf an elektrischer Energie in Kraftfahrzeugen ständig ansteigt und ggf. auch dann besteht, wenn der die Antriebsenergie erzeugende Energieerzeuger des Kraftfahrzeugs, derzeit meist ein Verbrennungsmotor, nicht eingeschaltet ist, können Brennstoffzellen als elektrische Hilfsenergieerzeuger eingesetzt werden. Diese Hilfsenergieerzeuger, welche auch APU (auxiliary power unit) genannt werden, haben dabei üblicherweise eine Leistung von ca. 0,1 bis 100 kW und dienen der Stromversorgung des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs. Je nach eingesetztem Typ der Brennstoffzelle muss zum Betreiben der APU jedoch ein geeigneter Treibstoff mitgeführt werden, oder es muss die Möglichkeit der on-board Herstellung eines wasserstoffreichen Gases aus dem vorhandenen Treibstoff, z. B. durch Benzin- oder Dieselreformierung geschaffen werden. Alle diese Maßnahmen verursachen einen erheblichen Aufwand und/oder ein entsprechendes Sicherheitsrisiko.
• Des weiteren sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Reinigungsanlagen für Scheiben und/oder Scheinwerfer in Fahrzeugen bekannt. Bei derartigen Reinigungsanlagen wird meist eine Reinigungsflüssigkeit auf die Scheibe und/oder den Scheinwerfer ausgespritzt und dann mittels eines Scheibenwischers oder dergleichen verteilt und zusammen mit den Verschmutzungen wieder entfernt. Bei der Flüssigkeit handelt es sich dabei in vielen Ländern, insbesondere in Nordamerika, um ein Wasser/Methanolgemisch mit geeigneten Zusatzstoffen, wie z. B. Reinigungsadditiven.
• Eine derartige Reinigungsanlage mit verschiedenen Anordnungen von Tanks, welche unterschiedliche Inhaltsstoffe aufweisen können, ist beispielsweise durch die WO 96/22203 beschrieben. Allerdings entsteht hier ein erheblicher Aufwand, da die verschiedenen Tanks immer einzeln nachgefüllt werden müssen.
• Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle und einer Reinigungsanlage dahingehend zu verbessern, dass der Aufwand hinsichtlich des Nachfüllens von mitzuführendem Kraftstoff für die Brennstoffzelle verringert werden kann und der Platzbedarf der Brennstoffzelle und ihrer Peripherie sowie der Platzbedarf der Reinigungsanlage minimiert wird.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Brennstoffzelle als Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ausgebildet ist und zusammen mit der Reinigungsanlage einen gemeinsamen ein Wasser/Methanolgemisch beinhaltenden Vorratsbehälter nutzt.
• Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines einzigen ein Wasser/Methanolgemisch beinhaltenden Vorratsbehälters für die Versorgung der Reinigungsanlage mit Flüssigkeit einerseits und für die Bereitstellung eines Kühlmittel/Brennstoffgemisches für die erfindungsgemäß als Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ausgebildete Brennstoffzelle andererseits, ergeben sich erhebliche Vorteile hinsichtlich des Bauraumes in dem Kraftfahrzeug, da hier nur noch ein einziger Vorratsbehälter vorgesehen werden muss.
• Außerdem ergeben sich auch erhebliche Vorteile für den Betreiber eines derartigen Kraftfahrzeuges, da dieser lediglich den einen Vorratsbehälter mit dem Wasser/Methanolgemisch nachfüllen muss und somit die Versorgung der Brennstoffzelle einerseits und den Betrieb der Reinigungsanlage andererseits aufrechterhalten kann. Da in vielen Teilen der Welt, insbesondere in den Staaten Nordamerikas, ein derartiges Wasser/Methanolgemisch, häufig allerdings noch mit entsprechenden Zusätzen, wie Reinigungsadditiven oder dergleichen, auch bisher bereits für die Reinigungsanlage Verwendung findet, ist für den Benutzer einer derartigen Anlage keine Umgewöhnung notwendig. Ein weiterer Vorteil ist sicherlich auch darin zu sehen, dass bereits eine ausreichende Infrastruktur für die Versorgung mit dem Wasser/Methanolgemisch existiert, da gegenüber den bisher vertriebenen Mitteln lediglich auf die Zugabe der Reinigungsadditive verzichtet werden muß.
• In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung kann die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC/direct-methanol-fuel- cell) als Hilfsenergieerzeuger (APU) mit einer hierfür charakteristischen elektrischen Leistung von ca. 0,1 bis 10 kW ausgebildet sein.
• Ein derartiger Einsatz einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle als APU erlaubt eine Bereitstellung der benötigten elektrischen Energie für das Bordnetz des Kraftfahrzeuges mit einem weitaus besseren Wirkungsgrad als eine vergleichbare Bereitstellung der elektrischen Energie über die gemäß dem Stand der Technik üblichen Maßnahmen, beispielsweise durch das Antreiben einer Lichtmaschine über einen als Fahrantrieb genutzten Verbrennungsmotor.
• Insbesondere weist der Einsatz einer derartigen APU auch den Vorteil auf, dass diese in der Lage ist, ohne störende Geräuschentwicklung Strom bereitzustellen, auch dann, wenn das Antriebsaggregat des Kraftfahrzeuges nicht in Betrieb ist. Dies könnte beispielsweise zum Betrieb einer Standklimatisierung oder zum Betrieb von elektronischen Komponenten, beispielsweise Unterhaltungselektronik, insbesondere in einem Lastkraftwagen während der Pause des Fahrers, sehr günstig und sinnvoll sein.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus dem Ausführungsbeispiel, welches anhand der schematischen Zeichnung nachfolgend näher erläutert wird.
• Es zeigt:
• Fig. 1 eine prinzipmäßige Darstellung der die Erfindung betreffenden Teile eines Kraftfahrzeuges;
• Fig. 2 eine mögliche Ausgestaltung einer Einrichtung zur Zufuhr von Zusatzstoffen in die Flüssigkeit;
• Fig. 3 eine weitere mögliche Ausgestaltung der Einrichtung zur Zufuhr von Zusatzstoffen in die Flüssigkeit;
• Fig. 4 eine weitere alternative Möglichkeit einer Ausgestaltung der Einrichtung zur Zufuhr von Zusatzstoffen in die Flüssigkeit.
• In Fig. 1 ist ein Teil eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kraftfahrzeuges schematisch angedeutet. Dieser Teil des Kraftfahrzeuges umfasst eine als Direkt-Methanol- Brennstoffzelle (DMFC) ausgebildete Brennstoffzelle 1 sowie eine Reinigungsanlage 2 für Scheiben und/oder Scheinwerfer, wovon hier eine Windschutzscheibe 3 symbolisch angedeutet ist. Allerdings wird die Reinigungsanlage 2 im allgemeinen entgegen der schematischen Darstellung der Fig. 1 in an sich bekannter Weise so ausgebildet sein, dass mehrere Scheiben 3 und/oder Scheinwerfer gereinigt werden können.
• Die Reinigungsanlage 2 besteht dabei aus Leitungselementen 4 und wenigstens einer Fördereinrichtung 5 zum Fördern der für die Reinigung genutzten Flüssigkeit sowie Mittel 6, beispielsweise Düsen, zum Aufbringen der Flüssigkeit auf die Windschutzscheibe 3 und/oder die Scheinwerfer. Außerdem kann die Reinigungsanlage 2 über eine Einrichtung 7 zur Zufuhr von Zusatzstoffen in die Flüssigkeit verfügen. Die Flüssigkeit für die Reinigungsanlage 2 stammt dabei aus einem Vorratsbehälter 8, welcher ein Gemisch aus Wasser und Methanol enthält. Dieses Gemisch aus reinem Wasser und Methanol wird dabei in vielen Teilen der Welt ohnehin bereits sehr häufig verwendetet, um als Flüssigkeit für derartige Reinigungsanlagen 2 zu dienen, wobei die Vorteile eines derartigen Gemisches insbesondere darin zu sehen sind, dass ein solches je nach Anteil an Methanol einen sehr niedrigen Gefrierpunkt aufweist und so, bei den üblicherweise auftretenden Außentemperaturen, nicht einfriert. Der Unterschied zu dem bisher bereits eingesetzten Gemisch und dem, welches nun in dem Vorratsbehälter enthalten ist, ist lediglich darin zu sehen, dass das bisher eingesetzte Gemisch oft noch Reinigungsadditive, wie z. B. Tenside, oder Duftstoffe enthält. Diese Zusatzstoffe werden nun nicht mehr mit dem Gemisch in den Vorratsbehälter 8 gegeben, sondern können, z. B. in der Form eines Konzentrats, über die Einrichtung 7 zur Zufuhr von Zusatzstoffen in die Flüssigkeit in der Reinigungsanlage 2 zugegeben werden.
• Über weitere Leitungselemente 9 sowie eine weitere Fördereinrichtung 10 kann somit das in dem Vorratsbehälter 8 befindliche reine Wasser/Methanolgemisch nun auch als Kühlmittel/Brennstoffgemisch in die DMFC 1 gefördert werden. In der DMFC 1 wird dieses Wasser/Methanolgemisch zusammen mit Luftsauerstoff oder gegebenenfalls auch einem anderen geeigneten Oxidationsmittel zumindest teilweise in Wasser und elektrische Energie umgesetzt. Falls nicht umgesetzte Bestandteile des Wasser/Methanolgemisches anfallen, so können diese beispielsweise über eine gestrichelt angedeutete, optionale Rückleitung 11 in den Vorratsbehälter 8 zurückgeleitet werden.
• Die von der DMFC 1 erzeugte elektrische Energie gelangt in ein prinzipmäßig angedeutetes Bordnetz 12 des Kraftfahrzeuges und kann dort zur Energieversorgung von elektrischen Energieverbrauchern in dem Kraftfahrzeug in an sich bekannten Weise genutzt werden. Als typische Energieverbraucher sind dabei neben der eigentlichen Kraftfahrzeugelektrik und -elektronik auch Navigationsgeräte, Klimaanlage, Kühlgeräte, Unterhaltungselektronik und dergleichen denkbar. Durch den Einsatz der DMFC 1 können diese Energieverbraucher auch im Stillstand des Kraftfahrzeuges ohne größere Lärmentwicklung und ohne die Umwelt belastende Emissionen betreiben werden. Besonders günstig ist dies beispielsweise bei einer Standklimatisierung, z. B. einer Zeit- oder ferngesteuerten Klimatisierung des Fahrzeugs vor der Fahrt, oder dem Betrieb von Kühlgeräten und Unterhaltungselektronik bei stillstehendem Fahrzeug, z. B. bei Lastkraftwagen während den Pausen des Fahrers. Aber auch bei Anwendungen während des Betriebs des Kraftfahrzeuges lassen sich Einsparungen an für den Fahrantrieb benötigtem Kraftstoff erzielen, da die DMFC 1 einen deutlich besseren Wirkungsgrad aufweist als z. B. das System aus Verbrennungsmotor, als Antriebsaggregat für den Fahrantrieb, und Lichtmaschine.
• Die Kombination der DMFC 1 und der Reinigungsanlage 2 unter Verwendung eines einzigen Vorratsbehälters 8 ermöglicht entsprechende Vereinfachungen bei der Bereitstellung und dem Nachfüllen der benötigten Betriebsstoffe. Außerdem lassen sich vor allem für ein Kraftfahrzeug sehr günstige Eigenschaften hinsichtlich Kosten, Gewicht und Volumen der jeweiligen Anlagen erreichen, da diese den Vorratsbehälter 8, als ein bestimmendes Bauteil hinsichtlich des von dem jeweiligen System benötigten Volumens, gemeinsam nutzen. Weitere Optimierungen hinsichtlich des Packagings etc. ergeben sich daraus entsprechend.
• Für den Betrieb der DMFC 1 ist es dabei, wie oben bereits erläutert, notwendig, dass in dem Vorratsbehälter 8 ein reines Wasser/Methanolgemisch bevorratet wird. Die Zufuhr von den ggf. erforderlichen oder gewünschten Zusatzstoffen kann in idealer Weise erst im Bereich der Reinigungsanlage 2, und hier insbesondere nachdem die Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter 8 die Fördereinrichtung 5 passiert hat, erfolgen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass keine unerwünschten Bestandteile der Zusatzstoffe zurück in den Vorratsbehälter 8 gelangen, welche den Betrieb der DMFC 1 beeinträchtigen könnten. Dies kann außerdem über hier nicht dargestellte Rückschlagventile, Rückschlagklappen oder dergleichen zusätzlich abgesichert werden.
• In Fig. 2 ist nun eine Möglichkeit dargestellt, die Zusatzstoffe in den Bereich der in der Reinigungsanlage 2 strömenden Flüssigkeit einzubringen. Dabei ist die hier dargestellte Einrichtung 7 zur Zufuhr der Zusatzstoffe als Vorratstank 13 für die hier dann in idealer - aber nicht zwingender - Weise flüssig vorliegenden Zusatzstoffe ausgebildet, wobei der Vorratstank 13 eine Verbindungsleitung 14 zu den Leitungselementen 4 der Reinigungsanlage aufweist. Im Bereich der Verbindungsleitung 14 ist dabei ein steuerbares Absperrventil 15 angeordnet, so dass die Zufuhr der in flüssiger oder ggf. auch granulierter Form vorliegenden Zusatzstoffe aus dem Vorratstank 13 in die in den Leitungselementen 4 strömende Flüssigkeit gesteuert werden kann. Beispielsweise könnte immer dann, wenn die Fördereinrichtung 5 betrieben wird, die Ventileinrichtung 15 geöffnet sein, so dass beim Benutzten der Reinigungsanlage 2 eine sich durch den Querschnitt der Verbindungsleitung 14 ergebene Menge an Zusatzstoffen in die Flüssigkeit dosiert wird. Neben dieser reinen Dosierung über die Schwerkraft wäre hier prinzipiell selbstverständlich auch eine weitere Fördereinrichtung zur Dosierung der Zusatzstoffe denkbar.
• Eine weitere Alternative der Einrichtung 7 ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist das Leitungselement 4 im Bereich der Einmündung der Verbindungsleitung 14 in seinem durchströmbaren Querschnitt entsprechend verengt, so dass sich ein Unterdruck ausbilden wird, durch welchen die Zusatzstoffe, die hierbei flüssig vorliegen müssen, durch die Verbindungsleitung 14 ansaugt werden, so dass diese von der in der Reinigungsanlage 2 strömenden Flüssigkeit mitgerissen werden können.
• In Fig. 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Einrichtung 7 dargestellt, bei welcher die Zusatzstoffe als Feststoffe ausgebildet sind, welche sich über einen längeren Zeitraum langsam in der Flüssigkeit lösen. Die in Fig. 4 als Pellets 16 dargestellten Zusatzstoffe können dabei so ausgebildet sein, dass sich jeweils ein Teil der Zusatzstoffe in der vorbeiströmenden Flüssigkeit löst und so für die gewünschte Konzentration der Zusatzstoffe in der Flüssigkeit beim Aufbringen auf die Scheibe 3 und/oder die Scheinwerfer sorgt. Die Pellets 16 sind dann nach einigen Wochen oder Monaten aufgebraucht und können durch neue Pellets 16 ersetzt werden. Zur Aufnahme der Pellets 16 in den Leitungselementen 4 können entsprechende Bereiche 17 vorgesehen sein, welche als Erweiterungen in den Leitungselementen 4 ausgebildet sind, so dass hier Platz zur Aufnahme der Pellets 16 entsteht. Damit die Leitungselemente 4 durch die Pellets 16 nicht verstopft werden, insbesondere nicht dann, wenn die Pellets 16 sich durch teilweises Auflösen verkleinern, kann außerdem eine Rückhalteeinrichtung 18, beispielsweise ein Gitter oder dergleichen, zwischen dem Bereich 17 und dem weiterführenden Teil des Leitungselementes 4 vorgesehen sein.
• Neben der im Ausführungsbeispiel dargestellten Verwendung der DMFC 1 als APU wäre ein vergleichbarer Aufbau mit einem einzigen ein Wasser/Methanolgemisch beinhaltenden Vorratsbehälter 8 selbstverständlich auch dann denkbar, wenn über die DMFC 1 ein Teil oder die gesamte Energie für den Antrieb des Kraftfahrzeuges bereitgestellt wird. Ein derartiger Aufbau würde sich lediglich hinsichtlich der Größe der DMFC 1 und der Größe des Vorratsbehälters 8 von dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel unterscheiden.

Claims (10)

1. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle, welche zumindest einen Teil einer in einem Bordnetz benötigten elektrischen Energie bereitstellt, und mit einer Reinigungsanlage für Scheiben und/oder Scheinwerfer, durch welche eine Flüssigkeit auf die Scheiben und/oder Scheinwerfer aufbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle als Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (1) ausgebildet ist und zusammen mit der Reinigungsanlage (2) einen gemeinsamen ein Wasser/Methanolgemisch beinhaltenden Vorratsbehälter (8) nutzt.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (1) als Hilfsenergieerzeuger (AFU) mit einer elektrischen Leistung von 0,1 bis 10 kW ausgebildet ist.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Versorgung der Direkt-Methanol- Brennstoffzelle (1) mit dem Wasser/Methanolgemisch als Kühlmittel/Brennstoffgemisch aus dem Vorratsbehälter (8) und eine Einrichtung zur Versorgung der Reinigungsanlage (2) mit der Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter (8) jeweils wenigstens eine Fördereinrichtung (5, 10) aufweisen.

4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Versorgung der Reinigungsanlage (2) mit Flüssigkeit wenigstens eine Einrichtung (7) zur Zufuhr von Zusatzstoffen in die Flüssigkeit aufweist.

5. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einrichtung (7) zur Zufuhr von Zusatzstoffen in die Flüssigkeit zwischen der Fördereinrichtung (5) und Mitteln (6) zum Aufbringen der Flüssigkeit auf die Scheibe (3) und/oder die Scheinwerfer angeordnet ist.

6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzstoffe Reinigungsadditive, bevorzugt Tenside, enthalten.

7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzstoffe Duftstoffe enthalten.

8. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einrichtung (7) zur Zufuhr von Zusatzstoffen in die Flüssigkeit als Vorratstank (13) für Zusatzstoffe ausgebildet ist, welcher eine Verbindungsleitung (14) zu Leitungselementen (4) der Einrichtung zur Versorgung der Reinigungsanlage (2) mit Flüssigkeit aufweist.

9. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einrichtung (7) zur Zufuhr von Zusatzstoffen in die Flüssigkeit Bereiche (17) aufweist, in welchen ein Kontakt zwischen der Flüssigkeit und den Zusatzstoffen erfolgt, wobei die Zusatzstoffe als Feststoffe (Pellets 16) ausgebildet sind, welche sich über einen längeren Zeitraum langsam in der Flüssigkeit lösen.

10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzstoffe als Pellets (16) ausgebildet sind.