DE10350550A1 - Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Brennstoffzellenanlage Download PDF

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Abstract

Es wird ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Brennstoffzellenanlage, wobei zwischen einer Brennstoffzelleneinheit (1) der Brennstoffzellenanlage und einem Druckluftspeicher (13) zur Bereitstellung von Druckluft eine Versorgungsleitung (14, 16) zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (1) mit Druckluft vorgesehen ist, vorgeschlagen, bei dem der konstruktive Aufwand reduziert und gleichzeitig die vorhandenen Komponenten Wirkungsgrad optimiert ausgelegt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen dem Verbrennungsmotor (2) und dem Druckluftspeicher (13) eine weitere Versorgungsleitung (15) zur Versorgung des Verbrennungsmotors (2) mit Druckluft vorgesehen ist.

Description

  • Stand der Technik:
  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Brennstoffzellenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Fahrzeugantriebe, bei denen eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie in Verbindung mit einem oder mehreren Elektromotoren Verwendung findet, sind insbesondere im Zusammenhang mit dem sogenannten "Zero Emission Vehicle" bekannt geworden. Derartige Fahrzeuge werden zum Teil mit einem Wasserstofftank versehen, um den für den Betrieb der Brennstoffzelle benötigten Brennstoff bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen wird zusätzlich eine Anlage zur Kraftstoffreformierung vorgesehen, in der herkömmlicher Kraftstoff, der üblicherweise in Form von Kohlenwasserstoffen vorliegt, chemisch aufgespalten wird, wobei der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoff erzeugt wird.
  • Die überwiegende Anzahl von Kraftfahrzeugen wird jedoch in absehbarer Zeit nach wie vor von Hubkolbenmotoren angetrieben, die zusätzlich mit einem Stromerzeuger in Form einer Lichtmaschine versehen sind, um elektrische Peripheriegeräte mit Energie zu versorgen.
  • Moderne Kraftfahrzeuge werden in zunehmendem Maß mit einer Vielzahl von Verbrauchern ausgestattet, um Zusatzfunktionen zur Verbesserung der Motorsteuerung, des Komforts und der Sicherheit anzubieten. Hieraus ergibt sich ein erhöhter elektrischer Energiebedarf. Dieser Energiebedarf wird beispielsweise durch sogenannte APU-Systeme (Auxiliary Power Unit) aufgebracht. Das bedeutet, dass in einem Fahrzeug mit einem Hubkolbenmotor eine Brennstoffzellenanlage zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen wird. Mit entsprechenden APU-Systemen kann elektrische Energie unabhängig vom Verbrennungsmotor erzeugt und verbraucht werden.
  • Vor allem für Fahrzeugantriebe mit Brennstoffzellen und/oder turbogeladenen Verbrennungsmotoren ist das Antwortverhalten bei dynamischer Lastveränderung von wichtiger Bedeutung für Themen wie Kundenkomfort und Fahrspaß. Um die schnelle Luftnachführung dieser Systeme bei Lastanforderungen zu gewährleisten, sind entsprechend hohe Anforderungen an die Auslegung von Kompressoren und deren Antrieb notwendig. In heutigen Verbrennungsmotoren werden beispielsweise elektronische Zusatzverdichter für ein verbessertes Responseverhalten des Motors verwendet.
  • Darüber hinaus sind bereits Brennstoffzellenanlagen in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bekannt, wobei z.B. zur Notenergieversorgung die Brennstoffzellenanlage mittels einem druckbeaufschlagten Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff betrieben werden kann, wobei unter anderem ein Druckspeicher für das Oxidationsmittel vorhanden ist (vgl.
  • Weiterhin sind bereits Fahrzeuge bekannt, wobei das Druckluftbremssystem des Fahrzeugs bzw. dessen Druckluftspeicher mit einer Versorgungsleitung zur Zufuhr des von der Brennstoffzelle benötigten Luftsauerstoffs verbunden ist (vgl. DE 199 23 783 c2 ).
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Brennstoffzellenanlage vorzuschlagen, bei dem der konstruktive Aufwand gegenüber dem Stand der Technik reduziert und gleichzeitig das Antwortverhalten der Systeme bei dynamischer Lastanforderung optimiert werden.
  • Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Fahrzeug der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
  • Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Fahrzeug dadurch aus, dass zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Druckluftspeicher eine weitere Versorgungsleitung zur Versorgung des Verbrennungsmotors mit Druckluft vorgesehen ist.
  • Mit Hilfe der weiteren, zweiten Versorgungsleitung, die insbesondere vom gemeinsamen Druckluftspeicher ausgeht, wird eine Mehrfachnutzung zumindest des Druckluftspeichers sowohl für die Brennstoffzelleneinheit als auch für den Verbrennungsmotor realisierbar. Beispielsweise handelt es sich beim Verbrennungsmotor als konventioneller Hubkolbenmotor und/oder als Wasserstoffverbrennungsmotor, der gegebenenfalls einen Turbolader aufweist. Gemäß der Erfindung wird somit eine Reduktion der vorhandenen Komponenten bei sehr hoher Dynamik sowohl der Brennstoffzelleneinheit als „ auch des Verbrennungsmotors bei dynamischen Lastveränderungen erreicht.
  • Vorteilhafterweise weisen die Versorgungsleitungen jeweils wenigstens ein Regelventil zur Regelung der Befüllung und/oder Entleerung des Druckluftspeichers auf. Mit dieser Maßnahme wird eine vorteilhafte Strategie zur Befüllung bzw. Entleerung des Druckluftspeichers realisierbar. Vorzugsweise wird die Funktion Befüllen des Druckluftspeichers durch eine regelbare Druckluftpumpe unterstützt. Beispielsweise kann der Druckluftspeicher gleichzeitig oder zeitlich versetzt Druckluft dem Verbrennungsmotor und/oder der Brennstoffzelleneinheit zuführen. Im Allgemeinen ist ein vorteilhaftes Öffnen bzw. Schließen des bzw. der gegebenenfalls vorhandenen Regelventile mittels einer insbesondere elektronischen Kontrolleinheit zu realisieren.
  • Denkbar ist ein austauschbarer Druckluftspeicher. Vorzugsweise ist wenigstens eine Druckerzeugungseinheit zum Erzeugen der Druckluft vorgesehen. Hierdurch kann ein häufigeres Austauschen des Druckluftspeichers vermieden werden, was den Kundenkomfort verbessert. Mit Hilfe der On Board mitgeführten Druckerzeugungseinheit kann eine nahezu automatische Befüllung des Druckluftspeichers realisiert werden, vorzugsweise in Abhängigkeit des Bedarfs, insbesondere unter Verwendung einer elektrischen Kontrolleinheit mit entsprechenden Sensoren wie Drucksensoren oder dergleichen.
  • In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Druckerzeugungseinheit als Luft- und/oder Abgasverdichter bzw. Turbolader des Verbrennungsmotors und/oder der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet. Entsprechende Abgasverdichter bzw. Turbolader sind in derzeitigen Fahrzeugen bereits vielfach im Einsatz. Mit dieser Maßnahme kann eine Mehrfachnutzung des Abgasturboladers als Kompressor bzw. Druckerzeugungseinheit zur Befüllung des Druckluftspeichers in vorteilhafter Weise vorgesehen werden. Dies reduziert wiederum die Anzahl der Komponenten des Fahrzeugs, was sowohl den konstruktiven als auch den wirtschaftlichen Aufwand zur Realisierung der Erfindung vermindert. Vorzugsweise ist die weitere Versorgungsleitung zwischen dem Abgasturbolader und dem Druckluftspeicher angeordnet.
  • Alternativ oder in Kombination hierzu kann die Druckerzeugungseinheit als Verdichter der Brennstoffzellenanlage ausgebildet werden. Derzeitige Brennstoffzellenanlagen weisen bereits vielfach einen von der Brennstoffzelleneinheit angetriebenen Kompressor auf, so dass auch bei dieser Variante der Erfindung die Anzahl der Komponenten im Fahrzeug durch Mehrfachnutzung vorteilhaft minimierbar ist.
  • Generell kann ein Fahrzeug sowohl einen Abgasverdichter bzw. Turbolader als auch einen Verdichter der Brennstoffzellenanlage bzw. Kompressor der Brennstoffzelleneinheit und eine separate Druckerzeugungseinheit aufweisen. Beispielsweise ist die separate Druckerzeugungseinheit des Druckluftspeichers als Druckluftpumpe, Radialverdichter, mechanischer Lader, wie z.B. ein Rootsgebläse, Schraubenverdichter, Flügelzellenverdichter, Spirallader oder dergleichen ausgebildet, die gegenüber einem Kompressor bzw. Verdichter mit hohem Verdichtungsverhältnis konstruktiv einfacher ausgebildet werden kann. Dementsprechend kann auf vergleichsweise technisch einfache bzw. kostengünstige Druckerzeugungseinheiten zur Erzeugung des Drucks des Druckluftspeichers zurückgegriffen werden. Beispielsweise werden hierfür handelsübliche Komponenten verwendet.
  • Weiterhin kann durch die Verwendung einer separaten Druckerzeugungseinheit für den Druckluftspeicher eine Reduktion der Anforderungen an den Abgasverdichter bzw. Turbolader und/oder an den Kompressor bzw. Verdichter der Brennstoffzellenanlage erreicht werden, was eine deutlich Wirkungsgrad optimalere Auslegung des Gesamtsystems bzw. der entsprechenden Komponenten bewirken kann. Beim Stand der Technik werden gerade diese Komponenten, d.h. der Abgasturbolader bzw. der Kompressor der Brennstoffzelleneinheit, derart ausgelegt, dass diese auch vergleichsweise hohe Laständerungen bzw. Spitzenlasten umsetzen können. Durch den vorteilhaften Druckluftspeicher können entsprechende Spitzenanforderungen zum Teil besser erfüllt werden, so dass die Auslegung gerade des Abgasverdichters bzw. des Kompressors der Brennstoffzelleneinheit entsprechend optimaler gestaltet werden kann. Insbesondere gilt dies für die Laufradauslegung und dem Arbeitsbedarf des Laufgeschirrs, da die Anforderung an eine schnelle Hochlaufzeit mit Hilfe der Erfindung entfallen kann. Dies führt sowohl zu einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads als auch zu einer kostengünstigen Auslegung des Systems.
  • Vorteilhafterweise ist eine Bypasseinheit zur Umgehung des Druckluftspeichers vorgesehen. Das heißt, dass im Allgemeinen parallel zum Druckluftspeicher ein Bypass- bzw. eine Verbindungsleitung zum Verbinden des Verbrennungsmotors bzw. dessen Komponenten mit der Brennstoffzelle bzw. deren Komponenten vorhanden ist. Mit dieser Maßnahme kann z.B. eine Versorgung der Verbrennungsmotorkomponenten durch die Brennstoffzellenanlagenkomponenten realisiert werden. Häufig weisen die Verbrennungsmotorkomponenten eine vergleichsweise hohe Leistung auf, so dass in bestimmten Betriebs- bzw. Fahrzuständen mit Hilfe des Verbrennungsmotors Druckluft dem Druckluftspeicher und/oder der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft zugeführt werden kann. Andererseits kann beispielsweise mit Hilfe des Verdichters der Brennstoffzelleneinheit eine Aufladung der vom Verbrennungsmotor benötigten Luft realisiert werden. Gegebenenfalls kann hierbei ein Abgasturbolader entbehrlich werden.
  • Generell kann der Verbrennungsmotor als Brennstoff Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffe wie Benzin oder Diesel verwenden. Weiterhin kann der Verbrennungsmotor sowohl mit oder ohne Einspritzsystem betrieben werden.
  • Grundsätzlich kann mittels dem Bordnetzsystem bzw. einer Kontrolleinheit eine vorteilhafte Regelbarkeit des Druckluftspeichers, insbesondere im Zusammenwirken mit den Regelventilen und der regelbaren Drucklufterzeugungseinheit realisiert werden. Beispielsweise können zur Füllung bzw. Entleerung des Druckluftspeichers passive Überdruckventile gegebenenfalls mit Rückschlag und/oder elektrisch ansteuerbare Ventile verwendet werden.
  • Ausführungsbeispiel:
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
  • 1 ein schematisches Schaubild einer erfindungsgemäßen Variante,
  • 2 ein schematisches Schaubild einer weiteren, erfindungsgemäßen Variante,
  • 3 ein schematisches Schaubild einer dritten, erfindungsgemäßen Variante,
  • 4 ein schematisches Schaubild einer erfindungsgemäßen Variante mit zusätzlichen Details und
  • 5 ein schematisches Schaubild einer weiteren, erfindungsgemäßen Variante mit anderen Details.
  • In 1 ist eine Brennstoffzelle 1 und ein Verbrennungsmotor 2 schematisch dargestellt. Hierbei ist lediglich der Luftpfad der Brennstoffzelle 1 bzw. des Motors 2 abgebildet, wobei der entsprechende Brennstoffpfad aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
  • Die dargestellten Komponenten tauschen Luft mit der Umgebung 3 bzw. Umwelt 3 aus. Beispielsweise wird der Motor 2 über einen Luftfilter 4 und einem Abgasturbolader 5 sowie einem HFM-Sensor 8 mit Luft versorgt. Die Luft wird hierbei mittels einem Verteilersystem in die Verbrennungskammern des Motors 2 verteilt bzw. eingefüllt. Im Allgemeinen wird unter HFM (Heiß-Film-Luft-Massenmessung) ein System für die Steuerung von Kraftstoffeinspritzung und Zündung verstanden, das bereits seit Jahren im Handel erhältlich ist. Der Abgasturbolader 5 weist insbesondere einen Verdichter 6 auf, der mittels einer Turbine 7 angetrieben wird, wobei diese durch das Abgas des Motors 2 betrieben wird.
  • Die Brennstoffzelle 1 wird über einen Kompressor 9 sowie einer Dosierung 10 bzw. Durchflussmengenzähler 10 mit Luft versorgt. Die aus der Brennstoffzelle 1 ausströmende, zum Teil umgeformte Luft wird über einen Expander 11 wieder an die Umgebung 3 abgegeben. Der Expander 11 treibt zum Teil mit Unterstützung durch einen elektrischen Antrieb 12 den Kompressor 9 an.
  • Zwischen den Komponenten des Verbrennungsmotors 2 und der Brennstoffzelle 1 ist ein Druckluftspeicher 13 vorgesehen. Der Speicher 13 ist mittels einer Leitung 14 bzw. 16 mit der Brennstoffzelle 1 bzw. deren Komponenten verbunden. Die Leitungen 14 bzw. 16 umfassen Regelventile 17 bzw. 18. Im Unterschied zur Variante gemäß 1 kann ohne nähere Darstellung auch eine Zusammenlegung der Leitungen 14 und 16 bzw. der Ventile 17 und 18 unter vorteilhafter Verwendung eines entsprechend ausgebildeten bzw. funktionalen, einzigen Ventils vorgesehen werden.
  • Weiterhin ist der Druckluftspeicher 13 mittels einer Leitung 15, die ein Ventil 19 umfasst, mit dem Motor 2 bzw. dessen Verteilersystem für die Verbrennungsluft vorteilhaft verbunden. Der Druckluftspeicher 13 wird gemäß der Variante der 1 mittels einem Druckluftsensor 20 und einem Rückschlagventil 21 versorgt. Durch die Verwendung des Druckluftspeichers 13 kann insbesondere der Kompressor 9 sowie der Verdichter 6 inklusive des Antriebs (elektrisch, Turbine) Wirkungsgrad optimaler ausgelegt bzw. betrieben werden, so dass die Anforderung an ein schnelles Hochlaufverhalten des Laufgeschirrs entfällt. Im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem der Kompressor 9 sowie der Verdichter 6 dynamischen Laständerungen schnell folgen muss, können diese Komponenten gemäß der Erfindung optimaler für die relevanten Betriebsbereiche des Verbrennungsmotors bzw. der Brennstoffzelle ausgelegt werden, da entsprechende Spitzenlaständerungen durch den Druckluftspeicher 13 gepuffert bzw. aufgefangen werden können. Mit diesem System kann eine sehr hohe Dynamik sowohl des Motors 2 als auch der Brennstoffzelle 1 realisiert werden.
  • Darüber hinaus ist 1 zu entnehmen, dass ein Bypass 22 parallel zum Druckluftspeicher 13 vorhanden ist. Mit Hilfe des Bypasses 22 kann z.B. der Verbrennungsmotor mit der Brennstoffzellen-Kompressorsluft versorgt und umgekehrt ein Aufladen der Kompressorluft des Brennstoffzellensystems realisiert werden.
  • In 2 ist eine zweite Variante gemäß der Erfindung dargestellt, wobei ähnliche bzw. identische Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 dargestellt sind. Im Unterschied zur 1 weist der Motor 2 Luft umfasste Einspritzventile 23 auf.
  • In 3 ist eine weitere Variante gemäß der Erfindung dargestellt, die im Unterschied zur Variante gemäß 2 keinen Bypass 22 sowie keinen Abgasturbolader 5 aufweist. Ansonsten entspricht diese Variante der Variante gemäß 2.
  • 4 zeigt schematisch eine vierte Variante gemäß der Erfindung, wobei vergleichbare Elemente wiederum gleiche Bezugszeichen aufweisen. 4 verdeutlicht weitere Komponenten des erfindungsgemäßen Systems, wobei insbesondere auch der Brennstoff- bzw. Wasserstoffpfad der Brennstoffzelle 1 zu einem wesentlichen Teil dargestellt ist. Dagegen wird auf eine detaillierte Darstellung des Motorsystems aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
  • Im Unterschied zu den vorhergehenden Figuren ist dem Kompressor 9 ein Filter 24 vorgeschaltet. Weiterhin ist dem Expander 11 ein Kondensatabscheider 25 nachgeschaltet, wobei das Kondensat einem Zwischenspeicher 27 zugeführt wird. Ohne nähere Darstellung kann das Kondensat 26 z.B. zur Befeuchtung der Brennstoffzellenluft und/oder des Wasserstoffs, etc. verwendet werden. Hierfür ist unter anderem ein Befeuchter 32 insbesondere zur Befeuchtung der Brennstoffzellenluft vorgesehen, wobei dieser gemäß 4 parallel im Bypass verschaltet ist.
  • In 4 ist weiterhin ein Wasserstofftank 28 dargestellt, der Wasserstoff über ein Dosierelement 29 der Brennstoffzelle 1 zuführt. Das zum Teil umgeformte Restgas, das Restwasserstoff in einem gewissen Anteil umfasst, wird mittels einer Rückführung 30 bzw. einer Wasserstoffpumpe 31 zur Einspeisung in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt.
  • In 5 ist eine weitere Variante der Erfindung dargestellt, wobei insbesondere der Wasserstoffpfad als auch Teile der Kontrolleinheit dargestellt sind. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle 1 mittels einem Wasserstofftank 40 mit Wasserstoff versorgt werden. Alternativ hierzu kann jedoch die Komponente 40 als Gaserzeugungseinheit 40, insbesondere als Reformer gegebenenfalls mit Reinigungsstufen ausgebildet werden, wobei der Reformer über Druckregelventile 33 mit der Brennstoffzelle 1 in Verbindung steht. Die Brennstoffzelle 1 weist ausgangsseitig ebenfalls Druckregelventile 33 auf.
  • Zur Steuerung bzw. Regelung des Systems kann ein Controller 34 vorgesehen werden, dessen Inputgrößen insbesondere vom Druckluftspeicher 13, Sensor 20, einer Leistungsanforderung 35 stammen. Controller-Output-Größen werden insbesondere zur Regelung bzw. Steuerung der Ventile des Gesamtsystems und/oder der Verdichter 9, 5 verwendet.
  • Generell kann gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik der Speicherinhalt eines zusätzlich vorhandenen elektrischen Leistungs- oder Energiespeichers deutlich reduziert werden. Mit Hilfe des Verfahrens zum Befüllen der Behälter 13, 28 und zum dosierten Ablassen der gespeicherten Gase in Betriebszuständen mit hohen Dynamikanforderungen kann, ohne nähere Darstellung, die Druckdifferenz zwischen dem erforderlichen idealen Systemdruck und dem aktuellen Systemdruck als Führungsgröße vorgesehen werden. Diese werden im Allgemeinen mit Hilfe vorteilhafter, nicht dargestellter weiterer Drucksensoren ermittelt.
  • Häufig befindet man sich beim Fahrzyklus in Lastzuständen, bei denen der Brennstoffzelle 1 nur geringe Leistungen abgefordert werden. In diesem Zustand werden vom Kompressor 9 nur geringe Drücke auf der Kathodenseite erzeugt und entsprechend niedrig muss der Druck auch auf der Anodenseite mit den vorgeschalteten Ventilen, z.B. mittels Druckregler, eingeregelt werden. Findet nun aus diesem Zustand heraus ein schnelles Beschleunigen des Fahrzeugs statt, analog dazu bei APU-Anwendungen das Zuschalten eines großen Verbrauchers wie z.B. des Klimakompressors oder dergleichen, dauert es zum Teil beim Stand der Technik ein bis fünf Sekunden, bis die neue, geforderte Leistung, für die ein höherer Druck notwendig ist, anliegt.
  • Um diese Zeit zu überbrücken, wird gemäß der Erfindung Gas aus dem Zwischentank 13 für Luft, bei zu langen Verzögerungen bei der Gasbereitstellung für die Brennstoffzelle auch aus dem optional eingesetzten Wasserstoffspeicher 28, entnommen, das bei Drücken größer dem idealen Betriebsdruck der Brennstoffzelle 1 gespeichert wurde. Die Dosierung erfolgt über die Ventile 17 bzw. 33 gemäß 5, die sowohl passiv, d.h. Öffnen z.B. bei Differenzdruck größer 0,5 bar, oder aktiv, d.h. angesteuert vom Steuergerät 34, ausgebildet werden können. Der ideale Betriebsdruck als Funktion der angeforderten Leistung ist hierbei im Steuergerät 34 durch eine Kennlinie (p(sys_ideal) = f(P(angefordert)) hinterlegt.
  • Zur Füllung des Speichertanks 13 werden idealerweise Betriebszustände gewählt, in denen ein hoher Druck im System anliegt, der z.B. beim Weggehen vom Gaspedal noch ansteht und abgebaut werden soll. Die bei dem hohen Druck anstehenden Reaktionsgase finden hier angesichts der stark abgesunkenen Leistungsabnahme keine Verwendung mehr. Zur Füllung der Tanks 13, 28 können ebenso passive Überdruckventile mit Rückschlag verwendet werden oder elektrisch angesteuerte Ventile.
  • Der Druckabbau in Fahrsituationen, in denen der Druck über dem idealen Betriebsdruck (p(P_angefordert)) liegt, soll zunächst über Öffnen des Ventils 18 gemäß 5 und Füllen des Druckspeichers 13 erfolgen. Das Druckregelventil 33 (Ausgangsseitig der Brennstoffzelle) muss in Folge dessen anders angesteuert werden. Wenn also Δp (= p(sys_aktuell) – p(sys_ideal) größer 0 ist, dann wird das Ventil 18 zum Druckspeicherbefüllen geöffnet, wenn Δp kleiner 0 wird, z.B. bei hohen sprunghaften Leistungsanforderungen öffnet das Ventil 17. wenn im ersten Fall der Druckspeicher 13 bereits gefüllt ist, muss wie bisher der Druckabbau ausschließlich über das ausgangsseitig hinter der Brennstoffzelle 1 angeordnete Druckregelventil 33 erfolgen. Im zweiten Fall kann ein schneller Druckaufbau im Systems über den Puffereffekt des Speichers 13, 28 (bei Kenntnis über den Füllstand) eine entsprechende langsamere und damit Wirkungsgrad optimale Ansteuerung des Kompressors 9 erfolgen.
  • Unter Umständen ist es mit diesem Verfahren auch möglich, bei Kenntnis des Füllstands der Druckbehälter 13, 28, den Kompressor 9, insbesondere im Zusammenspiel mit den Ventilen, bzw. das System in günstigern Wirkungsgradbereichen zu betreiben und hiermit die parasitären Leistungsaufnahme des Kompressors 9 zu reduzieren.
  • Die Verwendung eines Wasserstoffzwischenspeichers 28 direkt vor der Brennstoffzelle 1 bietet sich insbesondere in dem Fall an, in dem zur Erzeugung des Wasserstoffs Reformierungs- und Gasreinigungsstufen vorgeschaltet sind. Die Zeitkonstanten für die Wasserstoffbereitstellung mit herkömmlichen Verfahren dauert bei einem Lastsprung ohne den Speicher 28 häufig mehr als zehn Sekunden, was eine Pufferung mittels dem Speicher 28 erforderlich macht.
  • Grundsätzlich bestehen die wesentlichen Vorteile der Erfindung in der mehrfachen Nutzbarkeit des Drucksystems für die Brennstoffzelle 1 und dem Motorantrieb 2, bei minimalem Modifikationsaufwand bisher üblicher Einzelkomponenten. Der Druckluftspeicher 13 wird in stationären Fahrzeugbetriebspunkten durch die Druckluftpumpe 13 gespeist, so dass besonders hohe Dynamikanforderungen an den elektrischen Verdichterantrieben, z.B. Einspritzventilen, verbunden mit entsprechender Bordnetz- und Energiespeicherbelastung entfallen. Insbesondere kann diese Druckspeichereinheit 13 bei entsprechender Auslegung für den gleichzeitigen dynamischen Betrieb eines turbogeladenen Verbrennungsmotors 2 und einer PEM-Brennstoffzellen-Auxiliary Power Unit, z.B. für das sogenannte Clean Energy Konzeptfahrzeug verwendet werden. Weiterhin können die Kompressoren inklusive Antriebwirkungsgrad optimal ausgelegt und betrieben werden, da die hohen Dynamikanforderungen in vorteilhafter Weise durch den Druckluftspeicher 13 erfüllt werden.

Claims (7)

  1. Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und einer Brennstoffzellenanlage, wobei zwischen einer Brennstoffzelleneinheit (1) der Brennstoffzellenanlage und einem Druckluftspeicher (13) zur Bereitstellung von Druckluft eine Versorgungsleitung (14, 16) zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (1) mit Druckluft vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbrennungsmotor (2) und dem Druckluftspeicher (13) eine weitere Versorgungsleitung (15) zur Versorgung des Verbrennungsmotors (2) mit Druckluft vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitungen (14, 15, 16) jeweils wenigstens ein Regelventil (17, 18, 19) zur Regelung der Befüllung und/oder Entleerung des Druckluftspeichers (13) aufweisen.
  3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine regelbare Druckerzeugungseinheit (5, 9, 20) zum Erzeugen der Druckluft und zur Befüllung des Druckluftspeichers (13) vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungseinheit (5) als Abgasverdichter (5) des Verbrennungsmotors (2) ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungseinheit (9) als Verdichter (9) der Brennstoffzellenanlage ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypasseinheit (22) zur Umgehung des Druckluftspeichers (13) vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckerzeugungseinheit (9) der Brennstoffzelleneinheit (1) zur Versorgung des Verbrennungsmotors (2) bei dynamischem Betrieb ausgebildet ist.
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