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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug zur Beförderung von Personen und/oder Nutzlasten mit einem elektrischen Fahrantrieb und mindestens einer, bevorzugt mit Methanol gespeisten Brennstoffzelle, welche in einem integralen Antriebsmodul angebracht sind, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus das besagte integrale Antriebsmodul.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Fahrzeuge bei denen ein elektrischer Fahrantrieb zumindest zeitweilig dafür sorgt oder mit dazu beiträgt, dass das Fahrzeug beschleunigt und die Fahrbewegung unter Überwindung der Fahrwiderstände beibehält sind aus Umweltschutzgründen stark im Kommen, es werden immer mehr sog. ZEV oder Zero Emission Vehicles nachgefragt.
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Derzeit werden solche Fahrzeuge in der überwiegenden Zahl der Fälle von einer wiederaufladbaren Batterie gespeist, wobei die wiederaufladbare Batterie in manchen Fällen durch einen als Range Extender fungierenden Verbrennungsmotor unterstützt wird, der während der Fahrt nachladen kann. Damit gehen die bekannten Probleme einher. Insbesondere stellt sie nach wie vor das Schadstoffproblemproblem (HC-Emissionen, CO, NOx, etc). Ein anderes gravierendes Problem ist, dass nach wie vor noch keine tragfähigen Konzepte dafür entwickelt werden konnten, wie man in überschaubarer Zeit die benötigte, flächendeckende Anzahl von Ladestationen errichten kann.
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Abhilfe schafft die Brennstoffzellentechnik und hier insbesondere die Methanol-Brennstoffzellentechnik. Sie gestattet es, ein Fahrzeug in mehr oder minder gewohnter Art und Weise mit flüssigem Kraftstoff zu betanken. Dieser wird dann mithilfe einer Brennstoffzelle an Bord in Strom umgesetzt. Der bislang im Rahmen der Brennstoffzellentechnik häufig als Kraftstoff verwendete Wasserstoff in seiner Reinform hat allerdings den entscheidenden Nachteil, dass er sich nur bedingt und mit großem technischen Aufwand speichern lässt. Zudem geht von dem nach wie vor unvermeidlich während der Lagerung entweichenden, leichtflüchtigen Wasserstoff ein hohes Gefahrenpotenzial aus, sobald das Fahrzeug nicht an einem hervorragend belüfteten Ort geparkt wird.
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Aufgrund dessen ist zunehmend die Methanol-Brennstoffzelle im Vordringen. Ähnlich wie der bekannte Alkohol (Ethanol) kann Methanol problemlos gelagert und getankt werden. Zudem lässt sich Methanol nachhaltig unter Verwendung von Solarstrom oder Windstrom aus dem vor Ort durch Elektrolyse gewonnenem Wasserstoff herstellen. Bei dieser Art von Methanolgewinnung wird CO2 gebunden, das sonst in die Atmosphäre geleitet worden wäre oder das sich bereits in der Atmosphäre befindet.
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Auch dort, wo fortschrittliche Methanol-Brennstoffzellen verwendet werden, besteht aber noch ein erheblicher Optimierungsbedarf.
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So ist es derzeit üblich, die einzelnen Komponenten, die zum Antrieb eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellen benötigt werden, einzeln am Fahrzeug anzubringen und dort miteinander zu verbinden. Dies führt zu einem großen Montageaufwand, zu Platzverschwendung am Fahrzeuggestell, bietet eine höhere Fehleranfälligkeit bei der Montage und führt im Allgemeinen zu einem komplexen Gesamtsystem.
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DIE DER ERFINDUNG ZU GRUNDE LIEGENDE AUFGABE
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Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug zu entwickeln, an welchem die Komponenten zum Antrieb mit mindestens einer Brennstoffzelle platzsparend und einfach angebracht werden können.
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DIE ERFINDUNGSGEMÄSSE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es wird hierzu ein Fahrzeug zur Beförderung von Personen und / oder Gütern mit einem elektrischen Fahrantrieb und mindestens einer bevorzugt mit Methanol gespeisten Brennstoffzelle zur (direkten oder indirekten) Versorgung des Antriebs mit Strom vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle in einem Antriebsmodul am Fahrzeug verbaut ist, wobei das besagte Antriebsmodul bevorzugt zudem alle weiteren oder zumindest die entscheidenden Elemente zum Antrieb des Fahrzeugs beinhaltet - also zumeist mindestens jene Hauptelemente, die zur Herstellung von Strom aus Methanol, zu dessen Speicherung und zu dessen Umwandlung in Rotationsenergie zur fahrtauglichen Abgabe an die Antriebswellen benötigt werden. Somit umfasst das Antriebsmodul zumeist die schon angesprochene mindestens eine Brennstoffzelle mit vorgeschalteter Methanol-Reformierung, bevorzugt in Form eines Reformersystems, zudem vorzugsweise den Treibstofftank mit Treibstofffördersystem, jedenfalls die Batterie, mindestens einen Elektromotor mit Inverter, das Getriebe und optional Steuerungs- und Regelungselemente, also etwa die zum Drive by Wire notwendigen Stellmotoren für die besagten Hauptelemente.
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Das Antriebsmodul ist hierbei integral, abgeschlossen ausgeführt, zumeist derart, dass die notwendige Abschirmung seines Inhalts vor schädlichen Witterungseinflüssen vollständig oder zumindest im Wesentlichen erreicht wird. Bevorzugt ist das Antriebsmodul vollständig vormontiert ausgeführt, das heißt die von ihm enthaltenen Komponenten sind fahrfertig mechanisch miteinander verbunden und dabei bevorzugt auch elektrisch vollständig miteinander verkabelt, sowohl was den Fahrstrom angeht, als auch die Steuerung. Bevorzugt ist es so, dass die einzigen Schnittstellen des Antriebsmoduls zum es tragenden Fahrzeug die Radantriebswellen und die Steckverbindung(en) zum Anschluss der Steuerleitungen und/oder des fahrzeugeigenen Busses und ggf. der Stromleitung zur Versorgung des Restfahrzeugs mit Arbeitsstrom (Airbags, Sitzverstellung, Infotainment, Beleuchtung, Heizung, Lüftung, Klimatisierung usw.) sind. Eventuell hinzukommen kann noch eine Schnittstelle zum Anschluss an einen oder mehrere Kühler (Motorkühlung und/oder Ölkühler) und eine zusätzliche Schnittstelle zum Anschluss an ein Flüssigkraftstoffeinfüll- bzw. Flüssigkraftstoffspeichermodul sowie eventuell eine weitere Schnittstelle als Starkstromschnittstelle zum Anschluss einer optionalen externen Ladestromquelle, wie etwa einer Wallbox. Damit sind die für die meisten Anwendungsfälle vorgesehenen Schnittstellen bevorzugt abschließend genannt.
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So kann das komplette Antriebsmodul vor dem Einbau in das Fahrzeug vormontiert, die einzelnen Komponenten dort verbunden und das Antriebsmodul geschlossen werden, sodass nur noch das integrale Antriebsmodul quasi als einzelnes Teil und die zum Antriebsmodul führenden Teile wie Leitungen, Schläuche etc. am Fahrzeug verbaut werden müssen.
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So ist es möglich die für den Antrieb entscheidenden Elemente in einer kompakten und somit platzsparenden, geschlossenen integralen Form als Einbaulösung zur Verfügung zu stellen. Neben der Kompaktheit zeichnet sich das System zudem durch seine Einfachheit und geringe Fehlermöglichkeiten beim Einbau aus, wodurch derartige Antriebsmodule an verschiedensten Arten von Fahrzeugen und Chassis-Typen einfach angebracht werden können. So besteht die Möglichkeit, unterschiedlichste Fahrzeuge mit einem derartigen Antrieb ausrüsten zu können.
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Es sei an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen, dass der Begriff „Fahrzeug“ einen weiteren und einen engeren Sinn aufweist. Im engeren Sinne meint „Fahrzeug“ ein konventionelles Landfahrzeug wie beispielsweise einen PKW, einen LKW oder einen Transporter. Zudem umfasst der Begriff natürlich auch unkonventionelle Landfahrzeuge wie Baumaschinen, etc. Im weiteren Sinne umfasst der Begriff „Fahrzeug“ aber auch Wasserfahrzeuge und Luftfahrzeuge.
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Weitere Wirkungsweisen, Vorteile und Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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OPTIONALE WEITERENTWICKLUNGSMÖGLICHKEITEN
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Besonders günstig ist es, das Fahrzeug so auszuführen, dass das Antriebsmodul in einer abgeschlossenen Box mit Außenhülle von der Umgebung getrennt ist, bis auf die Schnittstellen zu weiterführenden, außerhalb der Box liegenden Teilen. Darüber hinaus besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, dass diese Schnittstellen bevorzugt mindestens einen Antriebswellenflansch, einen Auspuff, einen Tankanschluss und eine Datenbus-Schnittstelle darstellen. Darüber hinaus können und natürlich bevorzugt noch weitere Schnittstellen vorhanden sein, wie zusätzliche Kommunikationsschnittstellen (CAN, Ethernet, etc.), Kühlanschlüsse, Luftzufuhr, Wartungsklappe, Stromversorgung und diverse Weitere.
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Generische Schnittstellenleiste für die vollumfängliche bedarfsgerechte Dimensionierung (CAN/Ethernet/Kommunikationsschnittstelle, Luftzufuhr, Auspuff, Kühlanschlüsse, Wartungsklappe, HV, LV, ...) So wird zu der modulartigen Bauweise und der Einfachheit des Systems beigetragen. Die Fehlermöglichkeiten beim Einbau und auch bei der Bedienung des Antriebsmoduls werden reduziert.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass das Antriebsmodul über Silentblöcke oder über Zwischenlage von Gummi- oder Elastomerpolstern mit dem Fahrzeug in Kontakt steht. So ist das Antriebsmodul sicher mit dem Fahrzeug verbunden und lästige Betriebsgeräusche oder Störungen durch die Interaktion des Antriebsmoduls bzw. dessen Hülle mit dem Fahrzeug oder dem Fahrzeuggestell können vermindert werden.
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Gesagt sei, dass all diejenigen Ansprüche, die dem Wortlaut nach nur bevorzugt auf einen oder mehrere vorhergehende Ansprüche zurückbezogen sind, auch in Alleinstellung Schutz beanspruchen, ohne den nur optionalen Rückbezug auf andere vorangehende Ansprüche.
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Figurenliste
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- Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Antriebsmodul in dreidimensionaler Ansicht.
- Die 2 zeigt eine skizzierte Schnittansicht des erfindungsgenmäßen Antriebsmoduls von oben.
- Die 3 zeigt das Antriebsmodul aus 2 verbaut an einem Fahrzeug.
- Die 4 zeigt eine detaillierte dreidimensionale Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform des Antriebsmoduls.
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AUSFÜHRUNGSBE ISPIELE
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Das Herzstück des Antriebs ist die Brennstoffzelle 3, in diesem Fall bevorzugt eine Methanol-Brennstoffzelle. Zum Betreiben der Brennstoffzelle 3 werden wie in 2 gezeigt diverse andere Bauteile benötigt. Diese können wie in 2 gezeigt direkt ohne Abtrennung nebeneinander im Antriebsmodul 1 verbaut sein oder durch einzelne Wände voneinander getrennt im Antriebsmodul 1 angebracht sein.
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Eine örtliche und thermische Trennung der Bauteile, insbesondere der Brennstoffzelle 3 und der Batterie bzw. den Batterien 4, meist Hochvoltbatterien, ist entscheidend. Insbesondere bei der bevorzugten Verwendung von Hochtemperartur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM), die teilweise bei Temperaturen von über 120°C arbeiten, ist dies wünschenswert. Diese örtliche und thermische Trennung wird bevorzugt durch den Einbau von Bauteilen in einzelne, teilweise isolierte, voneinander abgetrennte Fächer erreicht.
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2 zeigt zudem den Treibstofftank 2, bevorzugt so im Antriebsmodul angebracht, dass sich dieser später im Heck des Fahrzeugs befindet oder zumindest in Richtung Heck des Fahrzeugs zeigt. Von diesem wird der Treibstoff, meist reines Methanol oder auch ein Alkohol-Wasser-Gemisch, besonders bevorzugt ein Methanol-Wasser-Gemisch, zu einem Reformersystem, meist bestehend aus einem Reformer und einem Reformerbrenner, geleitet. Im in 2 gezeigten Beispiel beinhaltet die Brennstoffzelle 3 das Reformersystem. Der Reformerbrenner erhitzt hierbei den Reformer und der flüssige Treibstoff oder auch Brennstoff wird in ein Synthesegas umgewandelt, wodurch der gewünschte Wasserstoff in seiner gasförmigen Phase bereitgestellt wird. Dies geschieht meist in einer katalytischen Reaktion, indem beispielsweise das Gemisch aus Methanol (CH3OH) und Wasser (H2O) katalytisch in Wasserstoffgas (H2) und als Nebenprodukt Kohlenstoffdioxid (CO2) umgesetzt. Das Gemisch aus dem Wasserstoffgas und dem Kohlenstoffdioxid bildet dann das eben erwähnte Synthesegas, welches meist der Anodenseite der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird.
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An der Kathodenseite der Brennstoffzelle 3 liegt bevorzugt normale Luft an, welche meist durch die Ansaugung von Luft an die Brennstoffzelle 3 weitergeleitet wird. Die Luft liefert hier vor allem den notwendigen Sauerstoff, der für die weitere Reaktion benötigt wird.
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Im Zuge dieser weiteren Reaktion treten Wasserstoffionen durch die für Protonen leitfähige und durchlässige Membran der Brennstoffzelle 3 auf die Kathodenseite und elektrische Leistung kann gewonnen werden. Diese elektrische Leistung kann somit zu Batterie 4 weitergeleitet werden. Von dort aus kann mindestens ein Elektromotor 5, bevorzugt über Inverter betrieben werden, welcher die elektrische Energie letztlich in Rotationsenergie umwandelt. Diese Rotationsenergie wird dann bevorzugt über ein Getriebe 6 an die Antriebsflansche 7 weitergegeben. Dort können dann weitere Teile oder direkt die Räder des Fahrzeugs angeschlossen werden.
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Das Antriebsmodul 1 weist zudem bevorzugt weitere Elektronik zur Steuerung, Regelung, Stromversorgung, etc. auf, auf welche bevorzugt über die Datenbus-Schnittstelle 8 zugegriffen werden kann. Es sei betont, dass diese in 2 nur beispielhaft dargestellt ist.
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Wie in 2 gezeigt, ergibt sich so ein abgeschlossenes, integrales Gesamtsystem, welches kompakt und als All-in-One-Einheit am Fahrzeug verbaut werden kann.
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1 zeigt dieses Antriebsmodul 1 nochmals von außen, wobei hier beispielhaft die Außenhülle erkannt werden kann, durch welche das Antriebsmodul von seiner Umgebung abgeschlossen ist. Hier sind auch die Schnittstellen mit der Umgebung zu erkennen, welche hier die Datenbus-Schnittstelle 8, den Tankanschluss 9 und die Antriebsflansche 7 umfassen. Es ist natürlich möglich, auch noch weitere Schnittstellen an dem Antriebsmodul vorzusehen.
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3 zeigt ergänzend das schon in 2 gezeigte Antriebsmodul in verbautem Zustand, wodurch sich das Fahrzeug 10 ergibt. Dies ist in 3 beispielhaft durch die Montage auf ein schematisches Fahrgestell mit Reifen 11 dargestellt. Die Größe der Antriebseinheit 1 kann hierbei natürlich variieren.
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4 zeigt schließlich eine detaillierte Darstellung eines beispielhaften Antriebsmoduls 1. Hierbei ist gut die umschließende Hülle des Antriebsmoduls 1 zu erkennen, die wiederum den Tank 2, die Batterie 4, die Brennstoffzelle 3 und den Elektromotor 5 mit anschließendem Getriebe 6 beinhaltet. Zum Anschluss der Reifen sind die Antriebsflansche 7 vorgesehen. Auch der Tankanschluss 9, der aus der Außenhülle herausragt, ist gut zu erkennen. Eine beispielhafte Datenbus-Schnittstelle 8 ist zudem außerhalb der Außenhülle vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Integrales Antriebsmodul
- 2
- Treibstofftank
- 3
- Brennstoffzelle mit Reformersystem
- 4
- Batterie
- 5
- Elektromotor
- 6
- Getriebe
- 7
- Antriebsflansch
- 8
- Datenbus-Schnittstelle
- 9
- Tankanschluss
- 10
- Fahrzeug
- 11
- Reifen
