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Stand der Technik:
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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und
einer Brennstoffzellenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ).
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Aufgabe und Vorteile der
Erfindung:
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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.
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Diese
Aufgabe wird, ausgehend von einem Fahrzeug der einleitend genannten
Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
genannten Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiel:
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der
Figuren nachfolgend näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigen:
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1 ein
schematisches Schaubild einer erfindungsgemäßen Variante,
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2 ein
schematisches Schaubild einer weiteren, erfindungsgemäßen Variante,
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3 ein
schematisches Schaubild einer dritten, erfindungsgemäßen Variante,
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4 ein
schematisches Schaubild einer erfindungsgemäßen Variante mit zusätzlichen
Details und
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5 ein
schematisches Schaubild einer weiteren, erfindungsgemäßen Variante
mit anderen Details.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.