EP4504542A1 - Elektrisch betriebenes fahrzeug - Google Patents

Elektrisch betriebenes fahrzeug

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Publication number
EP4504542A1
EP4504542A1 EP23712491.2A EP23712491A EP4504542A1 EP 4504542 A1 EP4504542 A1 EP 4504542A1 EP 23712491 A EP23712491 A EP 23712491A EP 4504542 A1 EP4504542 A1 EP 4504542A1
Authority
EP
European Patent Office
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vehicle
fuel cell
battery
tank
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23712491.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Fiala
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
H2 Power 'n' Heat GmbH
Original Assignee
H2 Power 'n' Heat GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102022126767.9A external-priority patent/DE102022126767A1/de
Application filed by H2 Power 'n' Heat GmbH filed Critical H2 Power 'n' Heat GmbH
Publication of EP4504542A1 publication Critical patent/EP4504542A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/402—Combination of fuel cell with other electric generators

Definitions

  • the invention relates to an electrically operated vehicle, containing
  • a vehicle can be moved on land, water or air.
  • a vehicle may be a passenger car, truck, RV, sailboat, ship, airplane, motorcycle, and the like.
  • energy stored chemically in the fuel is first converted into thermal energy and then into mechanical work.
  • energy stored in a battery is converted into mechanical work via an electric drive.
  • energy chemically stored in a fuel such as hydrogen, is converted directly into electrical energy and then into mechanical work.
  • hybrid drives In addition to these forms of drive, mixed forms, also known as hybrid drives, are known. These use a conventional combustion engine and an additional electrically powered drive with a battery as energy storage. As long as the battery supplies energy, it will the vehicle is powered exclusively by electrical energy. The internal combustion engine is then used as the main drive. Depending on the design, the battery can be charged through recuperation or, in the case of plug-in hybrids, from external energy sources.
  • Hybrid drives use two main drives and two associated energy storage devices - battery and fuel tank. These have a complex structure and are heavy, thereby increasing manufacturing costs, maintenance costs and energy requirements.
  • the disadvantage of exclusively electrically powered vehicles is the limited range, the long charging time and the short lifespan of the batteries. These adverse effects occur more frequently at low temperatures, especially in cold regions, at night and in winter. At low temperatures, the efficiency of the battery decreases. This requires the battery to be heated. The heater is powered by energy from the vehicle battery. This also applies to the passenger compartment. This also needs to be heated electrically to warm it up. This affects the range of the vehicle.
  • DE102009035471A1 discloses a vehicle with a temperature control device for temperature control of a vehicle battery in a vehicle, in which a heat engine or fuel cell is provided as the main drive and the vehicle battery is provided for operating auxiliary units.
  • DE102011079640A1 discloses a cooling system for a fuel cell system with heat extraction.
  • the system includes a stationary energy supply system with a fuel cell system with a fuel cell cooling circuit for cooling the fuel cell system and a battery cooling circuit for cooling a battery.
  • the thermal energy between the fuel cell cooling circuit and the accumulator cooling circuit is exchangeable.
  • DE102014009772A1 discloses an electric vehicle with a fuel cell system.
  • the fuel cell system is intended for recharging the electrical energy storage device.
  • DE102017006158A1 discloses a method for operating an electric vehicle with a range extension by emptying an energy source before energy is absorbed again.
  • DE102011076737A1 discloses a device for providing electrical energy, in which the electrical energy storage is thermally coupled to the fuel cell arrangement by means of a heat transfer arrangement.
  • the well-known fuel cell arrangement is permanently installed in the vehicle. The associated additional costs and additional weight are therefore incurred even when they are not needed, for example if the vehicle is to be used in warmer climates or only in the summer, or if the vehicle is regularly parked in a garage where a additional heating of the battery is not necessary.
  • the object is achieved in that the tank and the fuel cell form modules with which the vehicle is retrofitted.
  • Vehicles that are to be used at low temperatures can be retrofitted with the modules.
  • the otherwise unchanged vehicle can be retrofitted permanently or temporarily, for example for the cold season. Retrofitting with modules enables the production of identical vehicles for both applications - with and without fuel cells - and thus in higher quantities. A higher number of pieces has an advantageous effect on the manufacturing costs.
  • vehicle components especially electrical components such as motors, inverters, etc. can also be heated.
  • the modules can be used as heating and... Power generator combination can be used for mobile applications in camping, for emergency supplies, in emergency shelters, at events and the like.
  • the tank forms its own module and is detachably inserted into the vehicle. Then the tank does not have to be refueled specifically. Rather, the tank can be replaced as a whole, similar to cartridges in a soda bottle.
  • a deposit system can be set up or existing pressure vessel systems can be used.
  • the fuel cell primarily serves as a heat source. High efficiency is achieved when the electrical power generated during operation is used. This can be done directly by connecting electrical consumers. However, it is advantageously provided that the fuel cell is connected to the vehicle battery and electrical energy can be fed into the vehicle battery during operation. Then only one connection is required and the electrical consumers are supplied in the usual way via the on-board network.
  • the fuel tank is a hydrogen tank and the fuel cell can be operated with hydrogen. It goes without saying that other fuel cell technologies are also possible.
  • a control unit can be provided for controlling the fuel cell, which operates the fuel cell at least partially in accordance with a temperature value.
  • the fuel cell can therefore always be operated when the temperature of the energy storage unit of the vehicle's main drive falls below a threshold value. It can also be operated if, for example, the passenger compartment needs to be heated.
  • a method of operating a fuel cell may include the steps:
  • the temperature value may represent the temperature in the passenger compartment of a vehicle or a vehicle battery. However, other temperature values, for example in the cargo area, can also be regulated to a setpoint.
  • the electrical energy is advantageously stored in a vehicle battery, which is intended to drive a vehicle. This can extend the range. Alternatively or additionally, the electrical energy can be fed into the on-board electrical system of a vehicle with one or more electrical consumers. This is particularly useful if a consumer requires permanent electrical energy, for example if an electrical consumer is a cooling unit. Energy losses and signs of aging in the battery due to temporary storage are minimized.
  • the object according to the invention is also achieved by an auxiliary unit for retrofitting a vehicle with an additional energy source
  • Such an auxiliary unit can be installed in any series vehicles. Installation is carried out as required, i.e. the costs and effort only arise if the vehicle is to be driven at low temperatures and a long range is desired.
  • the auxiliary unit can also be used for other purposes. It is particularly advantageous if the tank is detachably connected to the module. The tank can then either be refilled, for example when installed, or exchanged for a full tank.
  • the tank, the fuel cell and the control unit are arranged in a module that can be mounted together and has interfaces via which the module can be connected to the respective functional units of the vehicle.
  • the module can then also be installed and removed by vehicle mechatronics engineers and other specialists who are not familiar with fuel technology. It is sufficient if you know which interfaces the module is connected to in the vehicle. Refinements of the invention are the subject of the subclaims. An exemplary embodiment is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.
  • Fig. l is a schematic representation of a vehicle to illustrate the installation variants of a fuel cell module.
  • Fig.2 is a perspective view of a fuel cell module with a housing and pressure vessel for hydrogen.
  • Fig.3 shows the arrangement from Figure 2 with a support structure without a housing.
  • Fig.4 shows the arrangement from Figure 3 without a support structure.
  • Fig.5 shows the arrangement from Figure 4 from a different perspective.
  • Figure 6 is a side view of the arrangement from Figure 5 without the pressure vessel.
  • Figure 7 is a top view of the arrangement from Figure 6.
  • Fig. 8 is a side view of the arrangement from Figure 6.
  • Fig. 9 shows part of the arrangement from Figure 6 with water/coolant/electricity
  • Fig. 10 shows the arrangement from Figure 6 on a base in use as a stationary fuel cell to provide electrical energy.
  • Fig. 11 is a perspective view of the base from Figure 10 without the housing.
  • Fig. 12 shows the arrangement from Figure 11 from a different perspective.
  • Figure 13 is a side view of the base of Figure 11.
  • Fig. 14 is a schematic representation of the circuits for the mobile application of the arrangement from Figure 2.
  • Fig. 15 is a schematic representation of the cathode subsystem from Figure 14.
  • Fig. 16 is a schematic representation of the anode subsystem from Figure 14.
  • Fig. 17 is a schematic representation of the cooling circuit subsystem.
  • Fig. 18 is a variant of Figure 14 with its own cooling unit if the heat is not only absorbed by the vehicle.
  • Fig. 19 is a further variant of Figure 14 with two separate heat exchangers for e.g. a battery and the cabin
  • Fig. 20 is a schematic representation of the circuits for the stationary application of the arrangement from Figure 10.
  • Figure 1 shows a vehicle generally designated 10.
  • the vehicle 10 is a passenger vehicle. It goes without saying that the invention can also be used for any other vehicle, i.e. trucks, mobile homes, sailboats, ships, airplanes, motorcycles and the like.
  • the vehicle has a cavity at the back or front, such as a trunk 12 or 18, respectively.
  • a fuel cell module 14 can be installed in the trunk 12 or 18.
  • the fuel cell module 14 is supplied with hydrogen from a tank 16 via a supply line 20.
  • FIG. 2 shows the fuel cell module 14 and the tank 16 in detail.
  • the tank 16 comprises two pressure vessels 22 with a volume of, for example, 6 l each and, for example, 350 bar or 700 bar, which are filled with liquid hydrogen.
  • other gases or liquids can of course also be used in more or fewer pressure vessels 22.
  • the pressure vessels 22 are bottle-shaped and secured to a common base plate 24 in a crash-safe manner.
  • Tension straps 26 are provided for this. It goes without saying that other crash-safe fastenings are also possible instead of tension straps.
  • the base plate 24 can be firmly screwed into the vehicle or fixed in some other way before the pressure vessels 22 are attached. This makes the installation of the base plate 24 easier.
  • the tension straps 26 can also be operated by laypeople, so that the pressure vessels 22 can be easily released and replaced, maintained and/or filled if necessary.
  • the supply line 20 to the fuel cell module 14 is provided with a manually operated shut-off 28 on the module side. It goes without saying that instead of a manually operated barrier, automatically closing barriers are also possible.
  • T-pieces 30 and 34 or a corner piece 32 are installed in the supply line 20 upstream of the barrier 28. About the T-piece 30 is a first pressure vessel 22 is connected. It goes without saying that additional pressure vessels can also be connected via additional T-pieces. Another pressure vessel is connected to the corner piece 32. If only one pressure vessel 22 is provided, no T-piece 30 is required. It goes without saying that instead of a corner piece 32, a linear connection is also possible.
  • a filling connection 36 with a valve that opens in the direction of the supply line is connected to the T-piece 34.
  • the pressure containers 22 can be filled and refilled via the filling connection 36 when the shut-off 28 is closed. Instead of filling the pressure containers 22 via the filling connection 36, empty pressure containers 22 can also be replaced by full pressure containers.
  • a quick connection 38 is opened and the tension straps 26 are released.
  • the quick connector 38 can, for example, be designed similarly to commercially available quick connectors for hoses from garden technology, in which the opening in the pressure container 22 is closed by a valve as soon as the quick connector 38 is released. It goes without saying that any other connection can also be used.
  • replaceable pressure containers 22 enables the use of a deposit system so that not every gas station has to provide the required fuel at a gas pump.
  • the tank 16 is firmly integrated into the fuel cell module 14 and housed together with it. Then only one nozzle is accessible from the outside for filling. The fuel cell module 14 is then slightly larger, but easier to install.
  • Figure 2 shows the fuel cell module 14 with a simple housing 40 made of thin sheet metal.
  • the housing 40 serves to protect against environmental influences, dust and unauthorized access.
  • Figure 3 shows the arrangement from Figure 2 without housing 40.
  • a support structure 42 can be seen on which the housing 40 is held.
  • the support structure 42 includes a front 50, a back 52, side walls 54 and 56, a bottom 58 and a top 60.
  • the side walls 54 and 56 and the bottom 58 of the support structure 42 are made of a solid material, for example 4 mm thick steel, in order to avoid damage to the components inside as much as possible, even in the event of an accident.
  • the interior of the essentially cuboid-shaped support structure 42 is easily accessible via an opening 44 in the top 60 and several openings 46 in the side walls 54 and 56.
  • the components of the fuel cell module 14 described below are attached to this support structure 42.
  • the openings 44, 46 enable access to the interior and, on the other hand, also reduce the weight of the fuel cell module 14. In addition, less material is required for the support structure 42. This reduces costs.
  • Figure 4 shows the fuel cell module 14 without side walls 54 and 56 and without top 60 from a first perspective in which the front 50 can be seen completely.
  • Figure 5 shows the same fuel cell module 14 from a second perspective, in which the back 52 can be seen completely.
  • the front 50 has an opening 62 provided with a grid. Air is sucked in from outside through opening 62. This is illustrated in Figure 14 by an arrow 74. The air flows through a filter and a funnel 64 into a compressor or blower 66. This is illustrated in FIGS. 14 and 15 by an arrow 74. In the compressor or blower 66, the air is compressed from the ambient pressure in the range of 1 bar to a higher pressure of, for example, 1.3 bar and transported into the fuel cell.
  • the output of the compressor or blower 66 is connected to a humidifier 68 via a connecting line 70.
  • the humidifier 68 the water content of the air is increased.
  • the air is supplied from the humidifier 68 to the fuel cell 76 via a line 80.
  • the fuel cell is attached to the rear wall 52 of the support structure 42 and can be clearly seen in FIG.
  • An increase in the air pressure and thus the amount of oxygen at the cathode 98 of the fuel cell 76 has a positive effect on the performance of the fuel cell 76, but at the same time requires more drive power on the compressor 66.
  • the compressor 66 is the largest consumer of all components in the fuel cell module 14. The operating strategy is therefore crucial for a good overall efficiency of the fuel cell module 14.
  • the cathode circuit is illustrated separately again in FIG.
  • a high-pressure valve 82 and subsequently a low-pressure valve 84 are arranged in the line 20.
  • the high-pressure valve 82 the pressure of the fuel from the tank 16 is reduced from, for example, 700 bar or 350 bar to a lower pressure of, for example, 10 bar.
  • the subsequent, controllable low-pressure valve 84 regulates the pressure of the fuel to the required operating pressure of the fuel cell 76, for example between 1 and 2.5 bar.
  • the low pressure valve 84 thus regulates the pressure to the operating pressure of the anode circuit.
  • An optional heat exchanger 102 is used to adapt the gas temperature to the fuel cell temperature.
  • the fuel is fed via a supply line 86 to the anode of the fuel cell 76.
  • the hydrogen path (anode subsystem) described in this way is illustrated separately again in FIG. It provides the required amount of hydrogen in the correct concentration, pressure and temperature to the fuel cell 76 for the electrochemical reaction.
  • the fuel reacts with the oxygen contained in the air.
  • the way fuel cells work is well known and therefore does not need to be explained in more detail here. In principle, any fuel cell is suitable.
  • the fuel is molecular hydrogen and the fuel cell is a low-temperature polymer electrolyte fuel cell, also referred to as NT-PEM-BZ.
  • the reaction produces heat and water.
  • a voltage is generated on the electrodes.
  • the water generated in the fuel cell 76 is sent via a line 88 to the humidifier 68. There it is used to humidify the air entering the arrangement. Behind the humidifier, the gas is released to the outside as exhaust gas via a check valve 92. The check valve can also be designed as a siphon. This is illustrated in Figure 14 by an arrow 94. Heat is generated during operation of the fuel cell 76. The heat is dissipated via a cooling circuit generally designated 96. The cooling circuit 96 is illustrated separately again in FIG. Depending on the quality of the hydrogen, the present fuel cell 76 achieves electrical efficiencies of up to 40%. This means that up to 60% of the energy supplied is generated as heat during operation. The thermal output is therefore in a similar range to the useful electrical output. The operating temperature is comparatively low and is in the range of 60 to 85°C. For this reason, the exhaust gas enthalpy is low and the exhaust gas enthalpy flow reaches a proportion of 5-15%.
  • the electrical power of the fuel cell system results from the power of the fuel cell stack minus the power of the components.
  • the electrical efficiency results from the effective power described above, the mass flow of the hydrogen and its calorific value:
  • connection is that the greatest effective efficiency is achieved at low current densities. At high current densities, the electrical efficiency decreases due to the increasing power requirements of the components and the decreasing fuel cell efficiency.
  • the thermal power will also be determined from the power of the fuel cell stack, the fuel energy supplied and the exhaust gas enthalpy flow. The following relationship results for the thermal efficiency
  • the overall efficiency of the fuel cell module 14 increases as the heat is utilized. In winter operation, an overall efficiency of over 90% can be achieved.
  • the thermal output can be used in the mobile application as heating heat for the vehicle interior and as a heat source for the thermal management system of the vehicle battery at operating temperature.
  • the heat from the fuel cell 76 is absorbed and dissipated via the cooling circuit 96.
  • the design of the thermal management required for this depends not only on the connection to the fuel cell 76 but also on the auxiliary units used and their integration into the vehicle.
  • the main task of thermal management is to monitor the temperature of the components, regulate the optimal temperature range and ensure a quick start-up after standstill.
  • Figure 14 and Figure 17 show the required components and their interconnection.
  • the coolant is passed through a filter 112 to a coolant pump 110. This pumps the coolant through the fuel cell 76, where the reaction heat is absorbed. Part of the coolant is directed via a throttle valve 114 to electronic components 116 in the vehicle that need to be cooled and where heat is also absorbed.
  • the warm coolant streams are brought together again at a T-piece 118.
  • the warm coolant can be conveyed from there to the vehicle battery 120 and/or into the passenger compartment. This is where the heat is given off. If no heating is to occur, the coolant can be routed via a bypass 122.
  • a bypass valve 124 is provided for this purpose. The bypass valve 124 overrides the thermal coupling in order to stop introducing excess heat into the vehicle, for example because the fuel cell takes too long to shut down.
  • the 3-way valve 124 is used to ideally distribute the heat flow to a cooler or a heat exchanger for heating the vehicle battery 120 or the vehicle interior.
  • the cooling medium must be electrically insulating because it is in direct contact with the conductive bipolar plates. This can be achieved, for example, by using deionized coolants.
  • An integrated control device 126 at the bottom of the support structure 42 controls, regulates and monitors the operation. It includes the different operating modes, such as the starting process, the three operating points and the shutdown process.
  • the controller 126 communicates with the vehicle control unit. In particular, signals relating to temperatures and battery status of the vehicle are read out at the control unit diagnostics interface.
  • the control device 126 is specifically supplied with signals via signal lines, which Represent temperature of the battery 120, the passenger compartment and the fuel cell 76.
  • the control unit 126 is also supplied with signals which represent the state of charge of the battery 120.
  • the fuel cell module 14 can replace the heater that is otherwise installed as standard. However, the measuring points remain the same. If the temperature falls below a threshold value, the fuel cell 76 is switched on.
  • a heat exchanger is provided in the housing for heat transfer.
  • the input and output of the heat exchanger each form interfaces for water or glycol lines.
  • the filling opening for example, is suitable for connection.
  • the lines can be broken open and fitted with a T-piece.
  • Water pipes are connected to the heating circuit, for example of the passenger compartment and/or the battery and/or possibly other components.
  • the regulation by the controller is based on the vehicle outlet temperature at the heat exchanger. If only inlet temperature signals are available, the heat loss value for the vehicle may be determined or estimated to take path losses into account.
  • the fuel cell module 14 provides energy that is cost-effective, makes optimal use of the hydrogen and has low complexity. Instead of combining a large fuel cell with a small battery as in today's common fuel cell vehicles, the present invention takes the opposite approach.
  • a small fuel cell that delivers up to 11 kilowatts of electrical power, for example, is installed in an electric vehicle with normal storage capacity. This approach allows not only the costs and the package but also the application effort to be significantly reduced.
  • it can be operated stationary in, for example, three operating points. Since the load points are charging points for the vehicle battery, this also helps with integration and integration into the vehicle. Example operating points are listed below:
  • medium load point with an electrical power of 3.6 kW and a thermal power of 6.2 kW. This is useful, for example, for operating operationally relevant consumers in the vehicle, such as lights and fans.
  • high load point with an electrical power of 11.0 kW and a thermal power of 20.5 kW. Such a load point is particularly useful for additional consumers, for example if a cooling or air conditioning system is to be operated or a mobile office is being operated.
  • switch-on conditions include the thermal switch-on conditions when the vehicle is switched off, no charging current is flowing, the outside temperature is below 15°C and the battery charge level allows charging, i.e. that the battery is not already fully charged.
  • the electrical switch-on conditions include that the vehicle is driving and, according to the navigation device, the range is not sufficient to reach the destination with the current charge level of the battery.
  • the charge level of the battery must allow charging. In principle, operation makes sense if the temperature of the battery is below the optimal operating temperature of, for example, 15°C.
  • Retrofitting vehicles with an electric main drive is advantageously only necessary if the temperatures at the locations where the vehicle is moved actually fall below the threshold of, for example, 15 ° C.
  • fuel cells also work in cold temperatures and prevent the battery from freezing.
  • the fuel cell module can have its own small battery for its own operation and the start-up phase.
  • the fuel cell module 14 can also be used in the stationary area, for example when camping or as an emergency power supply for agricultural machinery, construction machinery, for the fire department and in disaster control as a replacement for emergency generators that are powered by climate-damaging fossil fuels.
  • FIGS. 9 to 13 and FIG. 18 A second exemplary embodiment, in which the fuel cell module 14 is used in a stationary manner, is illustrated in FIGS. 9 to 13 and FIG. 18.
  • Connections 200 for power transfer are provided in the base 58.
  • the connections 200 are with an inverter 130 in module 14 connected, where the electrical energy that can be tapped from the fuel cell 76 is converted into a desired voltage, for example 12, 24, 48, 230 or 400 volts.
  • connections 202 are provided for connection to the water circuit.
  • the fuel cell module 14 is placed on a base 204.
  • the base 204 has the external shape of a four-legged table 206. Power is provided at conventional electrical outlets 208 on the front 210 of the base 204.
  • the tank 16 can be attached to the panel on the back of the base 204 with the base plate 24.
  • Figure 11 shows the base 204 without casing.
  • the base 204 is provided with a floor 212 slightly above ground level.
  • a conversion unit 222 is attached to the floor 212, which converts the voltage provided by the fuel cell module 14 into a voltage required by the consumer, for example an alternating voltage of 230 V or 400 V.
  • the power is transferred to projecting connections 214 on the top of the base 204, which interact with the connections 200 on the bottom of the module 14.
  • a refill port 216 for cooling water on the base 204 which can be closed with a screw cap, enables the cooling circuit 224 and expansion tank 218 to be filled and refilled with coolant.
  • the coolant pump 226 can be seen in Figure 13.
  • a fan 220 is also arranged on the floor 212.
  • the fan 220 serves to dissipate heat to the outside into the area below the floor 212.
  • a capacitor 228 is arranged above the fan 220. This can be clearly seen in Figures 11 and 13.
  • the fuel cell module 14 is placed on the base 204 between two angles 230 and 234 (FIG. 11) and can be held and fastened there with straps 232 on fastening angles 236. This is illustrated in Figure 10.
  • a heat exchanger 238 for the fuel and the condenser 228 with fan 220 are integrated into the cooling circuit. These are located in base 204.
  • Fig. 19 is a further variant of Figure 14 with two separate heat exchangers for, for example, a battery and the cabin 320.
  • Fig. 20 shows circuits for the stationary application of the arrangement from Figure 10.
  • a filter 227 can optionally be arranged in front of the pump.
  • top, bottom, bottom, right and “left” refer exclusively to the attached drawings. It is understood that claimed devices can also adopt a different orientation.
  • the term “including” and the term “comprising” mean that further components not mentioned may be provided.
  • the terms “essentially”, “predominantly” and “predominantly” include all features that have a majority of a property or content, i.e. more than all other components or properties of the feature mentioned, i.e. for two components, for example more than 50%.

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Abstract

Ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, enthaltend eine elektrisch wiederaufladbare Fahrzeugbatterie zum Versorgen eines Elektroantriebs für die Fortbewegung des Fahrzeugs; einen Tank zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs; und eine mit Kraftstoff aus dem Tank betriebene Brennstoffzelle zum Heizen von Fahrgastraum, Fahrzeugkomponenten und/oder Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs; ist dadurch gekennzeichnet, dass der Tank und die Brennstoffzelle Module bilden, mit welchen das Fahrzeug nachgerüstet ist.

Description

Patentanmeldung
H2 Power ‘n‘ Heat GmbH, Templiner Straße I 9B, 14473 Potsdam
Elektrisch betriebenes Fahrzeug
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, enthaltend
(a) eine elektrisch wiederaufladbare Fahrzeugbatterie zum Versorgen eines Elektroantriebs für die Fortbewegung des Fahrzeugs;
(b) einen Tank zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs; und
(c) eine mit Kraftstoff aus dem Tank betriebene Brennstoffzelle zum Heizen von Fahrgastraum, Fahrzeugkomponenten und/oder Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs.
Ein Fahrzeug kann zu Land, zu Wasser oder in der Luft bewegt werden. Insbesondere kann ein Fahrzeug ein Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Wohnmobile, Segelboote, Schiffe, Flugzeuge, Motorräder und dergleichen sein.
In der Vergangenheit wurden die meisten Fahrzeuge mit fossilen Kraftstoffen, beispielsweise in einem Verbrennungsmotor betrieben. Zur Erreichung von Klimaneutralität werden nunmehr andere Lösungen gesucht. Insbesondere Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb und einer leistungsfähigen Fahrzeugbatterie sind bereits serienmäßig verfügbar. Es sind auch Antriebe mit Brennstoffzelle bekannt.
Bei Verbrennungsmotoren wird chemisch im Kraftstoff gespeicherte Energie zunächst in thermische Energie und dann in mechanische Arbeit umgewandelt. Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird die in einer Batterie gespeicherte Energie über einen elektrischen Antrieb in mechanische Arbeit umgewandelt. Bei einer Brennstoffzelle wird die chemisch in einem Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff, gespeicherte Energie direkt in elektrische Energie und dann in mechanische Arbeit umgewandelt.
Neben diesen Antriebsformen sind Mischformen, auch als Hybridantrieb bezeichnet, bekannt. Diese verwenden einen herkömmlichen Verbrennungsmotor und einen zusätzlichen elektrischbetriebenen Antrieb mit Batterie als Energiespeicher. Solange die Batterie Energie liefert, wird das Fahrzeug ausschließlich mit elektrischer Energie angetrieben. Danach wird der Verbrennungsmotor als Hauptantrieb eingesetzt. Je nach Bauart kann die Batterie durch Rekuperation oder bei Plug-In-Hybriden an externen Energiequellen aufgeladen werden. Bei Hybridantrieben werden zwei Hauptantriebe und zwei zugehörige Energiespeicher - Batterie und Kraftstofftank - verwendet. Diese sind komplex aufgebaut und haben ein hohes Gewicht und erhöhen dadurch die Herstellungskosten, den Wartungsaufwand und den Energiebedarf.
Nachteilig bei ausschließlich elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist die begrenzte Reichweite, die lange Zeit zum Aufladen und die kurze Lebensdauer der Batterien. Diese nachteiligen Effekte treten verstärkt bei niedrigen Temperaturen, also insbesondere in kalten Regionen, Nachts und im Winter auf. Bei niedrigen Temperaturen sinkt die Effizienz der Batterie. Das macht ein Beheizen der Batterie erforderlich. Die Heizung wird mit Energie aus der Fahrzeugbatterie betrieben. Dies gilt ebenso für den Fahrgastraum. Auch dieser muss zur Erwärmung elektrisch beheizt werden. Dies beeinträchtigt die Reichweite des Fahrzeugs.
Stand der Technik
DE102009035471A1 offenbart ein Fahrzeug mit einer Temperiervorrichtung zur Temperierung einer Fahrzeugbatterie in einem Fahrzeug, bei welchem eine Wärmekraftmaschine oder Brennstoffzelle als Hauptantrieb und die Fahrzeugbatterie zum Betrieb von Nebenaggregaten vorgesehen ist.
DE102011079640A1 offenbart ein Kühlsystem für ein Brennstoffzellensystem mit Wärmeauskopplung. Das System umfasst eine stationäre Energieversorgungsanlage mit einem Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenkühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellensystems und einem Akkumulatorkühlkreislauf zur Kühlung eines Akkumulators. Die Wärmeenergie zwischen dem Brennstoffzellenkühlkreislauf und dem Akkumulatorkühlkreislauf ist austauschbar.
DE102014009772A1 offenbart ein Elektrofahrzeug mit einer Brennstoffzellenanlage. Die Brennstoffzellenanlage ist zum Nachladen der elektrischen Energiespeichereinrichtung vorgesehen. DE102017006158A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines E-Fahrzeugs mit Reichweitenverlängerung indem ein Energieträger geleert wird bevor Energie wieder aufgenommen wird.
DE102011076737A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bereitstellung elektrischer Energie, bei welcher der elektrische Energiespeicher mit der Brennstoffzellenanordnung mittels einer Wärmeübertragungsanordnung thermisch gekoppelt ist. Die bekannte Brennstoffzellenanordnung ist fest im Fahrzeug verbaut. Die damit verbundenen zusätzlichen Kosten und das zusätzliche Gewicht fallen folglich auch dann an, wenn sie gar nicht benötigt werden, etwa wenn das Fahrzeug in wärmeren Klimazonen oder nur im Sommer benutzt werden soll, oder wenn das Fahrzeug regelmäßig in einer Garage geparkt ist, wo eine zusätzliche Erwärmung der Batterie nicht erforderlich ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein elektrisch betriebenes Fahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, welches auch bei niedrigen Temperaturen eine hohe Reichweite ermöglicht. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, weitere Nutzungsmöglichkeiten für Brennstoffzellen zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Tank und die Brennstoffzelle Module bilden, mit welchen das Fahrzeug nachgerüstet ist. Fahrzeuge, bei denen kein Bedarf für eine zusätzliche Erwärmung der Batterie besteht, etwa weil das Fahrzeug nur bei höheren Temperaturen genutzt wird, können dann ohne Brennstoffzelle und Tank fahren. Das spart Kosten und Gewicht, wodurch eine höhere Reichweite erzielt werden kann. Fahrzeuge, die auch bei niedrigen Temperaturen genutzt werden sollen, können mit den Modulen nachgerüstet werden. Die Nachrüstung des ansonsten unveränderten Fahrzeugs kann dauerhaft oder temporär, etwa für die kalte Jahreszeit, erfolgen. Die Nachrüstung mit Modulen ermöglicht die Herstellung von identischen Fahrzeugen für beide Anwendungen - mit und ohne Brennstoffzelle - und somit in höheren Stückzahlen. Eine höhere Stückzahl wirkt sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten aus. Neben Fahrgastraum und Fahrzeugbatterie können auch Fahrzeugkomponenten, insbesondere elektrische Komponenten wie Motor, Inverter etc. beheizt werden.
Ein besonderer Vorteil der Module ergibt sich daraus, dass diese auch für weitere Verwendungen unabhängig vom Fahrzeug zur Verfügung stehen. So können die Module als Heizungs- und Stromgenerator-Kombination für mobile Anwendungen im Campingbereich, zur Notfallversorgung, in Notunterkünften, auf Veranstaltungen und dergleichen eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Tank ein eigenes Modul bildet und lösbar in das Fahrzeug eingesetzt ist. Dann muss der Tank nicht eigens betankt werden. Vielmehr kann der Tank, ähnlich wie Kartuschen in einem Getränke sprudl er, als Ganzes ausgetauscht werden. Hierfür kann beispielsweise ein Pfandsystem eingerichtet werden oder auf bestehende Druckbehältersysteme zurückgegriffen werden.
Die Brennstoffzelle dient vornehmlich als Wärmequelle. Eine hohe Effizienz wird erreicht, wenn der während des Betriebs erzeugte elektrische Strom genutzt wird. Dies kann direkt durch Anschließen von elektrischen Verbrauchern erfolgen. Es ist aber vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Brennstoffzelle an die Fahrzeugbatterie angeschlossen ist und elektrische Energie beim Betrieb in die Fahrzeugbatterie einspeisbar ist. Dann ist nur ein Anschluss erforderlich und die elektrischen Verbraucher werden in üblicher Weise über das Bordnetz versorgt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kraftstofftank ein Wasserstofftank ist und die Brennstoffzelle mit Wasserstoff betreibbar ist. Es versteht sich, dass andere Brennstoffzellentechnologien aber ebenfalls möglich sind.
Es kann eine Steuereinheit zur Steuerung der Brennstoffzelle vorgesehen ist, welche die Brennstoffzelle zumindest teilweise nach Maßgabe eines Temperaturwertes betreibt. So kann die Brennstoffzelle immer dann betrieben werden, wenn die Temperatur des Energiespeichers des Hauptantriebs des Fahrzeugs unter einen Schwellwert sinkt. Sie kann auch betrieben werden, wenn beispielsweise der Fahrgastraum geheizt werden soll.
Ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle kann die Schritte umfassen:
(a) Ermitteln eines Temperaturwertes;
(b) Regeln des Temperaturwertes durch Erzeugen von thermischer Energie mit der Brennstoffzelle auf einen Sollwert; wobei
(c) elektrische Energie, welche beim Betrieb der Brennstoffzelle erzeugt wird, gespeichert oder für einen elektrischen Verbraucher genutzt wird. Der Temperaturwert kann die Temperatur im Fahrgastraum eines Fahrzeugs oder einer Fahrzeugbatterie repräsentieren. Es können aber auch andere Temperaturwerte, etwa im Laderaum, auf einen Sollwert geregelt werden.
Die elektrische Energie wird vorteilhafterweise in einer Fahrzeugbatterie gespeichert, welche zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist. Dadurch kann eine Verlängerung der Reichweite erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Energie in das Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern eingespeist werden. Das ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein Verbraucher dauerhaft elektrische Energie erfordert, etwa wenn ein elektrischer Verbraucher ein Kühlaggregat ist. Energieverluste und Alterungserscheinungen in der Batterie durch Zwischenspeicherung werden so minimiert.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst durch ein Hilfsaggregat zum Nachrüsten eines Fahrzeugs mit einer zusätzlichen Energiequelle, enthaltend
(a) einen Tank zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs;
(b) eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie;
(c) eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzelle in Abhängigkeit einer Temperatur und / oder des Batteriefüllstandes.
Ein solches Hilfsaggregat kann in beliebige Serienfahrzeuge eingebaut werden. Der Einbau erfolgt nach Bedarf, d.h. die Kosten und der Aufwand entstehen nur dann, wenn das Fahrzeug bei niedrigen Temperaturen bewegt werden soll und eine hohe Reichweite angestrebt ist. Das Hilfsaggregat kann aber auch anderen Verwendungen zugeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Tank lösbar an dem Modul angeschlossen ist. Dann kann der Tank entweder, beispielsweise im eingebauten Zustand, nachgefüllt oder gegen einen vollen Tank ausgetauscht werden.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Tank, die Brennstoffzelle und die Steuereinheit in einem gemeinsam montierbaren Modul angeordnet sind, welches Schnittstellen aufweist, über welche das Modul an die jeweiligen Funktionseinheiten des Fahrzeugs anschließbar ist. Das Modul kann dann auch von solchen Kraftfahrzeugmechatronikem und anderen Fachkräften ein- und ausgebaut werden, die im Bereich der Brennstofftechnologie nicht bewandert sind. Es ist ausreichend, wenn sie wissen, an welchen Schnittstellen das Modul im Kraftfahrzeug angeschlossen wird. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Definitionen
In dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen haben alle Begriffe eine dem Fachmann geläufige Bedeutung, welche der Fachliteratur, Normen und den einschlägigen Intemetseiten und Publikationen, insbesondere lexikalischer Art, beispielsweise www.Wikipedia.de, www.wissen.de oder der Wettbewerber, forschenden Institute, Universitäten und Verbände dargelegt sind. Insbesondere haben die verwendeten Begriffe nicht die gegenteilige Bedeutung dessen, was der Fachmann den obigen Publikationen entnimmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. l ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs zur Illustration der Einbauvarianten eines Brennstoffzellen-Moduls.
Fig.2 ist eine perspektivische Darstellung eines Brennstoffzellen-Moduls mit Gehäuse und Druckbehältem für Wasserstoff.
Fig.3 zeigt die Anordnung aus Figur 2 mit Träger Struktur ohne Gehäuse.
Fig.4 zeigt die Anordnung aus Figur 3 ohne Trägerstruktur.
Fig.5 zeigt die Anordnung aus Figur 4 aus einer anderen Perspektive.
Fig.6 ist eine Seitenansicht der Anordnung aus Figur 5 ohne Druckbehälter.
Fig.7 ist eine Draufsicht auf die Anordnung aus Figur 6.
Fig.8 ist eine Seitenansicht der Anordnung aus Figur 6.
Fig.9 zeigt einen Teil die Anordnung aus Figur 6 mit Wasser-/Kühlmittel-/Strom-
Anschlüssen auf der Unterseite der Trägerstruktur.
Fig.10 zeigt die Anordnung aus Figur 6 auf einer Basis in der Verwendung als stationäre Brennstoffzelle zur Bereitstellung von elektrischer Energie.
Fig.11 ist eine perspektivische Darstellung der Basis aus Figur 10 ohne Gehäuse.
Fig.12 zeigt die Anordnung aus Figur 11 aus einer anderen Perspektive.
Fig.13 ist eine Seitenansicht der Basis aus Figur 11.
Fig.14 ist eine schematische Darstellung der Kreisläufe für die mobile Anwendung der Anordnung aus Figur 2.
Fig.15 ist eine schematische Darstellung des Teilsystems Kathode aus Figur 14.
Fig.16 ist eine schematische Darstellung des Teilsystems Anode aus Figur 14.
Fig.17 ist eine schematische Darstellung des Teilsystems Kühlkreislauf. Fig.18 ist eine Variante von Figur 14 mit eigener Kühleinheit, wenn die Wärme nicht nur durch das Fahrzeug abgenommen wird.
Fig.19 ist eine weitere Variante von Figur 14 mit zwei separaten Wärmetauschern für z.B. eine Batterie und die Kabine
Fig.20 ist eine schematische Darstellung der Kreisläufe für die stationäre Anwendung der Anordnung aus Figur 10.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Fahrzeug. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Fahrzeug 10 ein Personenkraftfahrzeug. Es versteht sich, dass die Erfindung auch für jedes andere Fahrzeug, also Lastkraftwagen, Wohnmobile, Segelboote, Schiffe, Flugzeuge, Motorräder und dergleichen angewendet werden kann. Das Fahrzeug hat hinten oder vorne einen Hohlraum, etwa einen Kofferraum 12 bzw. 18. In dem Kofferraum 12 oder 18 kann ein Brennstoffzellen-Modul 14 installiert werden. Das Brennstoffzellen-Modul 14 wird über eine Zuleitung 20 mit Wasserstoff aus einem Tank 16 versorgt.
Figur 2 zeigt das Brennstoffzellen-Modul 14 und den Tank 16 im Detail. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Tank 16 zwei Druckbehälter 22 mit einem Volumen von beispielsweise je 6 1 und beispielsweise 350 bar oder 700 bar, die mit flüssigem Wasserstoff gefüllt sind. Je nach Brennstoffzelle können selbstverständlich auch andere Gase oder Flüssigkeiten in mehr oder weniger Druckbehältern 22 verwendet werden.
Die Druckbehälter 22 sind flaschenförmig und crash-sicher auf einer gemeinsamen Basisplatte 24 befestigt. Hierfür sind Spanngurte 26 vorgesehen. Es versteht sich, dass statt Spanngurten auch andere crash-sichere Befestigungen auch möglich sind. Die Basisplatte 24 kann fest im Fahrzeug verschraubt oder auf andere Weise fixiert werden, bevor die Druckbehälter 22 befestigt werden. Dies erleichtert die Installation der Basisplatte 24. Die Spanngurte 26 können auch vom Laien bedient werden, so dass die Druckbehälter 22 bei Bedarf leicht gelöst und ausgetauscht, gewartet und/oder befüllt werden können.
Die Zuleitung 20 zum Brennstoffzellen-Modul 14 ist modulseitig mit einer handbetätigten Absperrung 28 versehen. Es versteht sich, dass statt einer handbetätigten Absperrung auch selbsttätig schließende Absperrungen möglich sind. Stromaufwärts zur Absperrung 28 sind T- Stücke 30 und 34 bzw. ein Eckstück 32 in die Zuleitung 20 installiert. Über das T-Stück 30 ist ein erster Druckbehälter 22 angeschlossen. Es versteht sich, dass weitere Druckbehälter ebenfalls über weitere T-Stücke angeschlossen werden können. An dem Eckstück 32 ist ein weiterer Druckbehälter angeschlossen. Wenn nur ein Druckbehälter 22 vorgesehen ist, ist kein T-Stück 30 erforderlich. Es versteht sich, dass statt eines Eckstücks 32 auch ein linearer Anschluss möglich ist.
An dem T-Stück 34 ist ein Befüllanschluss 36 mit einem in Richtung der Zuleitung öffnenden Ventil angeschlossen. Über den Befüllanschluss 36 können die Druckbehälter 22 bei geschlossener Absperrung 28 gefüllt und nachgefüllt werden. Statt die Druckbehälter 22 über den Befüllanschluss 36 zu füllen, können auch leere Druckbehälter 22 durch volle Druckbehälter ersetzt werden. Hierzu wird ein Schnellanschluss 38 geöffnet und die Spanngurte 26 gelöst. Der Schnellanschluss 38 kann beispielsweise ähnlich wie handelsübliche Schnellanschlüsse für Schläuche aus der Gartentechnik ausgebildet sein, bei denen die Öffnung im Druckbehälter 22 durch ein Ventil verschlossen wird, sobald der Schnellanschluss 38 gelöst wird. Es versteht sich, dass auch jeder andere Anschluss eingesetzt werden kann.
Die Verwendung von austauschbaren Druckbehältern 22 ermöglicht die Nutzung eines Pfandsystems, so dass nicht jede Tankstelle den erforderlichen Kraftstoff an einer Zapfsäule bereitstellen muss. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Tank 16 in das Brennstoffzellen-Modul 14 fest integriert und gemeinsam mit diesem eingehaust. Dann ist nur ein Stutzen zum Befüllen von außen zugänglich. Das Brennstoffzellen-Modul 14 ist dann etwas größer, aber leichter zu installieren.
Figur 2 zeigt das Brennstoffzellen-Modul 14 mit einem einfachen Gehäuse 40 aus dünnem Blech. Das Gehäuse 40 dient zum Schutz gegen Umwelteinflüsse, Staub und unbefugten Zugriff. Figur 3 zeigt die Anordnung aus Figur 2 ohne Gehäuse 40. Man erkennt eine Trägerstruktur 42, auf welcher das Gehäuse 40 gehalten ist. Die Trägerstruktur 42 umfasst eine Vorderseite 50, eine Rückseite 52, Seitenwände 54 und 56, einen Boden 58 und eine Oberseite 60. Die Seitenwände 54 und 56 und der Boden 58 der Träger Struktur 42 bestehen aus einem festen Material, beispielsweise 4mm-dickem Stahl, um auch im Fall eines Unfalls eine Beschädigung der darin befindlichen Komponenten möglichst zu vermeiden.
Der Innenraum der im Wesentlichen Quader-förmigen Träger Struktur 42 ist über eine Öffnung 44 in der Oberseite 60 und mehrere Öffnungen 46 in den Seitenwänden 54 und 56 gut zugänglich. Die nachstehend beschriebenen Komponenten des Brennstoffzellen-Moduls 14 sind an dieser Träger Struktur 42 befestigt. Die Öffnungen 44, 46 ermöglichen einerseits den Zugang zum Innenraum, und verringern andererseits auch das Gewicht des Brennstoffzellen-Moduls 14. Außerdem ist weniger Material für die Träger Struktur 42 erforderlich. Das reduziert die Kosten.
Figur 4 zeigt das Brennstoffzellen-Modul 14 ohne Seitenwände 54 und 56 und ohne Oberseite 60 aus einer ersten Perspektive, in der die Vorderseite 50 vollständig zu sehen ist. Figur 5 zeigt das gleiche Brennstoffzellen-Modul 14 aus einer zweiten Perspektive, in der die Rückseite 52 vollständig zu sehen ist.
Man erkennt in Figur 4, dass die Vorderseite 50 eine mit einem Gitter versehene Öffnung 62 aufweist. Durch die Öffnung 62 wird Luft von außen angesaugt. Dies ist in Figur 14 durch einen Pfeil 74 illustriert. Die Luft strömt durch einen Filter und einen Trichter 64 in einen Kompressor oder Gebläse 66. Dies ist in Figur 14 und Figur 15 durch einen Pfeil 74 illustriert. Im Kompressor oder Gebläse 66 wird die Luft vom Umgebungsdruck im Bereich von 1 bar auf einen höheren Druck von beispielsweise 1,3 bar verdichtet und in die Brennstoffzelle transportiert.
Der Ausgang des Kompressors oder Gebläses 66 ist über eine Verbindungsleitung 70 mit einem Befeuchter 68 verbunden. Im Befeuchter 68 wird der Wassergehalt der Luft erhöht. Vom Befeuchter 68 wird die Luft über eine Leitung 80 der Brennstoffzelle 76 zugeführt. Die Brennstoffzelle ist an der Rückwand 52 der Träger Struktur 42 befestigt und in Figur 4 gut zu erkennen. Eine Erhöhung des Luftdrucks und damit der Sauerstoffmenge an der Kathode 98 der Brennstoffzelle 76 wirkt sich positiv auf die Leistung der Brennstoffzelle 76 aus, erfordert aber gleichzeitig mehr Antriebsleistung am Kompressor 66. Der Kompressor 66 ist der größte Verbraucher aller Komponenten im Brennstoffzellen-Modul 14. Damit ist die Betriebsstrategie ausschlaggebend für ein guten Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzelle-Moduls 14. Der Kathodenkreislauf ist in Figur 15 noch einmal separat illustriert.
Ebenfalls auf der Vorderseite 50 ist der Eingang für die Brennstoffzufuhr, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Wasserstoff, durch die Zuleitung 20. Hinter der Vorderseite 50 ist ein Hochdruckventil 82 und nachfolgend ein Niederdruckventil 84 in der Leitung 20 angeordnet. Mit dem Hochdruckventil 82 wird der aus dem Tank 16 anliegende Druck des Brennstoffs von beispielsweise 700 bar oder 350 bar auf einen niedrigeren Druck von beispielsweise 10 bar reduziert. Das nachfolgende, regelbare Niederdruckventil 84 regelt den Druck des Brennstoffs auf den erforderlichen Betriebsdruck der Brennstoffzelle 76, beispielsweise zwischen 1 bis 2,5 bar. Das Niederdruckventil 84 reguliert so den Druck auf den Betriebsdruck des Anodenkreislaufs. Um Schäden an der Membran der Brennstoffzelle 76 zu vermeiden, ist der Druckunterschied zwischen Anode 100 und Kathode 98 möglichst gering. Ein optionaler Wärmetauscher 102 dient der Anpassung der Gastemperatur an die Brennstoffzellentemperatur.
Der Brennstoff wird über eine Zuleitung 86 zur Anode der Brennstoffzelle 76 geleitet. Der so beschriebene Wasserstoffpfad (Anodensubsystem) ist in Figur 16 noch einmal separat illustriert. Er stellt die benötigte Menge an Wasserstoff in der richtigen Konzentration, in dem richtigen Druck und in der richtigen Temperatur der Brennstoffzelle 76 für die elektrochemische Reaktion zur Verfügung.
In der Brennstoffzelle 76 reagiert der Brennstoff mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff. Die Funktionsweise von Brennstoffzellen ist allgemein bekannt und braucht daher hier nicht näher erläutert werden. Grundsätzlich ist jede Brennstoffzelle geeignet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Brennstoff molekularer Wasserstoff und die Brennstoffzelle eine Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, auch als NT-PEM-BZ bezeichnet. Bei der Reaktion entsteht Wärme und Wasser. Außerdem wird an den Elektroden eine Spannung erzeugt.
Um einer Wasserstoffunterversorgung vorbeugen, wird üblicherweise der Anode 100 mehr Wasserstoff zugeführt als die Reaktion verbraucht. Der überschüssige Wasserstoff kann rezirkuliert werden, wobei überschüssiges Wasser im Wasserstoff nach der Anode 100 mit Hilfe eines Wasserabscheiders 102 abgeschieden wird. Eine aktiv angesteuerte Rezirkulationspumpe 106 schließt optional den Kreislauf und führt das Wasserstoffgemisch zur Zuleitung 104 des Frischwassersstoffs. Die optionale Rezirkulation ermöglicht eine bessere Durchströmung der Brennstoffzelle 76, verbessert das Wassermanagement und verringert die Verluste.
Das in der Brennstoffzelle 76 erzeugte Wasser wird über eine Leitung 88 zum Befeuchter 68. Dort dient es zur Befeuchtung der in die Anordnung eintretenden Luft. Hinter dem Befeuchter wird das Gas als Abgas über ein Rückschlagventil 92 nach außen abgegeben. Das Rückschlagventil kann auch als Syphon ausgeführt sein. Dies ist in Figur 14 durch einen Pfeil 94 illustriert. Beim Betrieb der Brennstoffzelle 76 wird Wärme erzeugt. Die Wärme wird über einen allgemein mit 96 bezeichneten Kühlkreislauf abgeführt. Der Kühlkreislauf 96 ist in Figur 17 noch einmal separat illustriert. Die vorliegende Brennstoffzelle 76 kommt in Abhängigkeit von der Qualität des Wasserstoffs auf elektrische Wirkungsgrade von bis zu 40%. Das heißt, dass während des Betriebs bis zu 60% der zugeführten Energie als Wärme anfallen. Die Wärmeleistung liegt damit in einem ähnlichen Bereich wie die elektrische Nutzleistung. Die Betriebstemperatur ist vergleichsweise niedrig und liegt im Bereich von 60 bis 85°C. Aus diesem Grund ist die Abgasenthalpie gering und der Abgasenthalpiestrom erreicht einen Anteil von 5-15%.
Die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems ergibt sich aus der Leistung des Brennstoffzellenstapels abzüglich der Leistungen für die Komponenten. Der elektrische Wirkungsgrad ergibt sich aus der vorab beschriebenen effektiven Leistung, dem Massenstrom des Wasserstoffs sowie dessen Heizwert:
Allgemein besteht der Zusammenhang, dass der größte effektive Wirkungsgrad bei geringen Stromdichten erreicht wird. Bei hohen Stromdichten sinkt aufgrund des zunehmenden Leistungsbedarfs der Komponenten und des abnehmenden Brennstoffzellenwirkungsgrads der elektrische Wirkungsgrad. Die thermische Leistung wird ebenso aus der Leistung des Brennstoffzellenstapels, der zugeführten Brennstoffenergie und aus dem Abgasenthalpiestrom ermittelt werden. Für den thermischen Wirkungsgrad ergibt sich der nachfolgende Zusammenhang
Bezogen auf den eingesetzten Wasserstoff steigt mit der Ausnutzung der Wärme der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellen-Moduls 14. Im Winterbetrieb kann hierdurch ein Gesamtwirkungsgrad von über 90% erreicht werden. Die Wärmeleistung kann in der mobilen Anwendung als Heizwärme für den Fahrzeuginnenraum und als Wärmequelle des Thermomanagementsystems der Fahrzeugbatterie auf Betriebstemperatur verwendet werden. Über den Kühlkreislauf 96 wird die Wärme der Brennstoffzelle 76 aufgenommen und abgeführt. Die Gestaltung des hierfür erforderlichen Thermomanagements ist neben der Anbindung an die Brennstoffzelle 76 auch von den verwendeten Nebenaggregaten und der Einbindung in das Fahrzeug abhängig. Die Hauptaufgabe des Thermomanagements ist es die Temperatur der Komponenten zu überwachen, den optimalen Temperaturbereich einzuregeln und ein schnelles Hochfahren nach dem Stillstand sicherzustellen. Fig.14 und Figur 17 zeigen die benötigten Komponenten und deren Verschaltung.
Das Kühlmittel wird durch einen Filter 112 zu einer Kühlmittelpumpe 110 geleitet. Diese pumpt das Kühlmittel durch die Brennstoffzelle 76, wo die Reaktionswärme aufgenommen wird. Ein Teil des Kühlmittels wird über ein Drosselventil 114 zu Elektronikkomponenten 116 im Fahrzeug geleitet, die zu kühlen sind und wo ebenfalls Wärme aufgenommen wird. Die warmen Kühlmittelströme werden an einem T-Stück 118 wieder zusammengeführt. Das warme Kühlmittel kann von dort zur Fahrzeugbatterie 120 und/oder in den Fahrgastraum gefördert werden. Dort wird die Wärme abgegeben. Wenn keine Erwärmung erfolgen soll, kann das Kühlmittel über einen Bypass 122 geleitet werden. Hierzu ist ein Bypassventil 124 vorgesehen. Das Bypassventil 124 setzt die thermische Kopplung außer Kraft um ggf. überschüssige Wärme nicht mehr ins Fahrzeug einzuleiten, etwa weil die Brennstoffzelle zu lange beim Runterfahren braucht.
Durch die Ansteuerung einer Kühlmittel pumpe 110 und durch die Ansteuerung der verschiedenen Ventile wird der für das Brennstoffzellen-Modul 14 optimale Temperaturbereich eingeregelt. Über das 3-Wegeventil 124 erfolgt die ideale Aufteilung des Wärmestroms auf einen Kühler oder einen Wärmetauscher zur Erwärmung der Fahrzeugbatterie 120 oder den Fahrzeuginnenraums. Das Kühlmedium muss elektrisch isolierend sein, da es in direktem Kontakt mit den leitenden Bipolarplatten steht. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von deionisierten Kühlmitteln verwirklicht werden.
Ein integriertes Steuergerät 126 am Boden der Träger Struktur 42 steuert, regelt und überwacht den Betrieb. Es beinhaltet die verschiedenen Betriebsweisen, wie zum Beispiel den Startvorgang, die beispielsweise drei Betriebspunkte und der Ab schaltvorgang. Die Steuerung 126 kommuniziert mit dem Fahrzeugsteuergerät. Insbesondere werden Signale zu Temperaturen und Batteriezustand des Fahrzeugs an der Kontrolleinheit- Diagnosesschnittstelle ausgelesen. Das Steuergerät 126 ist konkret über Signalleitungen mit Signalen beaufschlagt, welche die Temperatur der Batterie 120, des Fahrgastraums und der Brennstoffzelle 76 repräsentieren. Das Steuergerät 126 ist ferner mit Signalen beaufschlagt, welche den Ladezustand der Batterie 120 repräsentieren. Dabei kann das Brennstoffzellen-Modul 14 die ansonsten serienmäßig eingebaute Heizung ersetzen. Die Messpunkte bleiben jedoch die gleichen. Wenn ein Temperaturschwellwert unterschritten wird, wird die Brennstoffzelle 76 eingeschaltet.
Für die Wärmeübertragung ist ein Wärmeübertrager im Gehäuse vorgesehen. Eingang und Ausgang des Wärmeübertragers bilden jeweils Schnittstellen für Wasser- oder Glykolleitungen. Zum Anschließen sind beispielsweise die Befüllöffnung geeignet. Alternativ können die Leitungen aufgebrochen und mit einem T-Stück versehen werden. Wasserleitungen werden an den Heizkreislauf beispielsweise der Fahrgastzelle und/oder der Batterie und/oder ggf. anderer Komponenten angeschlossen. Die Regelung durch die Steuerung erfolgt auf die Fahrzeugaustrittstemperatur am Wärmeübertrager. Wenn nur Signale für die Eintrittstemperatur zur Verfügung stehen, können ggf. der Wärmeverlustwert für das Fahrzeug bestimmt oder geschätzt werden, um die Wegeverluste zu berücksichtigen.
Mit dem Brennstoffzellen-Modul 14 wird Energie bereitgestellt, die kostengünstig ist, den Wasserstoff optimal ausnutzt und eine geringe Komplexität besitzt. Anstatt wie in heute üblichen Brennstoffzellenfahrzeugen eine große Brennstoffzelle mit einer kleinen Batterie zu kombinieren, verfolgt die vorliegende Erfindung den entgegengesetzten Weg. Es wird eine kleine Brennstoffzelle, die beispielsweise bis zu 11 Kilowatt elektrischer Leistung liefert, in ein Elektrofahrzeug mit normaler Speicherkapazität verbaut. Durch diesen Ansatz lässt sich neben den Kosten und dem Package auch der Applikationsaufwand deutlich reduzieren. Um die Lebensdauer der Brennstoffzelle zu verbessern kann diese stationär in beispielsweise drei Betriebspunkten betrieben werden. Da es sich bei den Lastpunkten um Ladepunkte der Fahrzeugbatterie handelt, hilft dies auch der Integration sowie der Einbindung in das Fahrzeug. Nachfolgend sind beispielhafte Betriebspunkte aufgeführt:
1. niedriger Lastpunkt (nahe dem Leerlauf) mit einer elektrischen Leistung von 2,1 kW und einer thermischen Leistung von 3,0 kW. Dieser dient zum Heizen der Batterie bei niedrigen Temperaturen.
2. mittlerer Lastpunkt mit einer elektrischen Leistung von 3,6 kW und einer thermischen Leistung von 6,2 kW. Dies ist beispielsweise zum Betrieb betriebsrelevanter Verbraucher im Fahrzeug, beispielsweise Licht und Lüfter sinnvoll. 3. hoher Lastpunkt mit einer elektrischen Leistung von 11,0 kW und einer thermischen Leistung von 20,5 kW. Ein solcher Lastpunkt ist besonders bei weiteren Verbrauchern sinnvoll, etwa wenn eine Kühl- oder Klimaanlage betrieben werden soll oder ein mobiles Office betrieben wird.
Es gibt verschiedene Einschaltbedingungen. Dazu gehören die thermischen Einschaltbedingungen, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist, kein Ladestrom fließt, die Außentemperatur unterhalb von 15°C liegt und der Ladezustand der Batterie ein Aufladen zulässt, d.h. dass die Batterie nicht bereits vollständig geladen ist. Zu den elektrischen Einschaltbedingungen gehört, dass das Fahrzeug fährt und die Reichweite laut Navigationsgerät nicht mit dem derzeitigen Ladezustand der Batterie bis zum Ziel ausreicht. Auch hier muss gelten, dass der Ladezustand der Batterie ein Aufladen zulassen muss. Grundsätzlich ist der Betrieb sinnvoll, wenn die Temperatur der Batterie unterhalb der optimalen Betriebstemperatur von beispielsweise 15°C liegt.
Eine Nachrüstung von Fahrzeugen mit elektrischem Hauptantrieb ist vorteilhafterweise nur dann erforderlich, wenn die Temperaturen an den Orten, wo das Fahrzeug bewegt wird, tatsächlich unter den Schwellwert von beispielsweise 15°C fallen. Anders als Wärmepumpen arbeiten Brennstoffzellen auch bei Kälte und ermöglichen so, dass die Batterie nicht einfriert. Das Brennstoffzellen-Modul kann eine eigene kleine Batterie für den eigenen Betrieb und die Anlaufphase aufweisen.
Neben der Versorgung von Fahrzeugen mit Wärme und elektrischer Energie sind verschiedene Sonderanwendungen möglich, ohne das Brennstoffzellen-Modul 14 zu verändern. So können insbesondere bei ausgeschaltetem Antrieb ein Kühlsystem von Kühlfahrzeugen, die Heizung und Stromversorgung von Wohnmobilen und Wohnwagen und Boote mit dem Modul 14 versorgt werden. Neben mobilen Anwendungen kann das Brennstoffzellen-Modul 14 auch im stationären Bereich angewendet werden, etwa beim Camping oder als Notstromversorgung für Landmaschinen, Baumaschinen, für die Feuerwehr und im Katastrophenschutz als Ersatz von Notstromaggregaten, die mit klimaschädlichen, fossilen Brennstoffen betrieben werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem das Brennstoffzellen-Modul 14 stationär eingesetzt wird, ist in Figur 9 bis 13 und Figur 18 illustriert. Im Boden 58 sind Anschlüsse 200 zur Stromübergabe vorgesehen. Die Anschlüsse 200 sind mit einem Inverter 130 im Modul 14 verbunden, an dem die an der Brennstoffzelle 76 abgreifbare elektrische Energie in eine gewünschte Spannung, beispielsweise 12, 24, 48, 230 oder 400 Volt gewandelt wird. Außerdem sind Anschlüsse 202 zum Anschluss an den Wasserkreislauf vorgesehen.
Das Brennstoffzellen-Modul 14 wird auf eine Basis 204 aufgesetzt. Diese ist in Figur 10 zu erkennen. Die Basis 204 hat die äußere Form eines Tischs mit vier Beinen 206. Strom wird an herkömmlichen Steckdosen 208 an der Vorderseite 210 der Basis 204 bereitgestellt. Der Tank 16 kann mit der Bodenplatte 24 an der Verkleidung auf der Rückseite der Basis 204 befestigt werden.
Figur 11 zeigt die Basis 204 ohne Verkleidung. Die Basis 204 ist mit einem leicht über dem Erdboden befindlichen Boden 212 versehen. Auf dem Boden 212 ist eine Wandeleinheit 222 befestigt, welcher die von dem Brennstoffzellen-Modul 14 bereitgestellte Spannung in eine vom Verbraucher geforderte Spannung, beispielsweise eine Wechsel Spannung von 230 V oder 400 V wandelt. Die Stromübergabe erfolgt an vorspringenden Anschlüssen 214 auf der Oberseite der Basis 204, welche mit den Anschlüssen 200 auf der Unterseite des Moduls 14 Zusammenwirken.
Ein mit einem Schraubverschluss verschließbarer Nachfüllstutzen 216 für Kühlwasser an der Basis 204 ermöglicht das Füllen und Nachfüllen des Kühlkreislaufs 224 und Ausgleichsbehälters 218 mit Kühlmittel. Die Kühlmittelpumpe 226 ist in Figur 13 zu erkennen.
Auf dem Boden 212 ist ferner ein Lüfter 220 angeordnet. Der Lüfter 220 dient zum Abführen von Wärme nach außen in den Bereich unterhalb des Bodens 212. Oberhalb des Lüfters 220 ist ein Kondensator 228 angeordnet. Dieser ist in Figur 11 und 13 gut zu erkennen.
Wenn das Brennstoffzellen-Modul 14 stationär verwendet werden soll, etwa um Notstrom bereitzustellen, wird es zwischen zwei Winkeln 230 und 234 (Figur 11) auf die Basis 204 gesetzt und kann dort mit Riemen 232 an Befestigungswinkeln 236 gehalten und befestigt werden. Dies ist in Figur 10 illustriert.
Die stationäre Verwendung mit der Basis 204 arbeitet, wie in Figur 18 illustriert: Zusätzlich zu den bereits in Figur 14 beschriebenen Komponenten sind hier ein Wärmetauscher 238 für den Brennstoff und der Kondensator 228 mit Lüfter 220 in den Kühlkreislauf integriert. Diese befinden sich in der Basis 204. Fig.19 ist eine weitere Variante von Figur 14 mit zwei separaten Wärmetauschern für z.B. eine Batterie und die Kabine 320. Fig.20 zeigt Kreisläufe für die stationäre Anwendung der Anordnung aus Figur 10. Ein Filter 227 kann optional vor der Pumpe angeordnet sein.
Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele dienen der Illustration der in den Ansprüchen beanspruchten Erfindung. Merkmale, welche gemeinsam mit anderen Merkmalen offenbart sind, können in der Regel auch alleine oder in Kombination mit anderen Merkmalen, die im Text oder in den Zeichnungen explizit oder implizit in den Ausführungsbeispielen offenbart sind, verwendet werden. Maße und Größen sind nur beispielhaft angegeben. Dem Fachmann ergeben sich geeignete Bereiche aus seinem Fachwissen und brauchen hier daher nicht näher erläutert werden. Die Offenbarung einer konkreten Ausgestaltung eines Merkmals bedeutet nicht, dass die Erfindung auf diese konkrete Ausgestaltung beschränkt werden soll. Vielmehr kann ein solches Merkmal durch eine Vielzahl anderer, dem Fachmann geläufigen Ausgestaltungen verwirklicht werden. Die Erfindung kann daher nicht nur in Form der erläuterten Ausgestaltungen verwirklicht werden, sondern durch alle Ausgestaltungen, welche vom Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abgedeckt sind.
Die Begriffe "oben", "unten", "rechts" und "links" beziehen sich ausschließlich auf die beigefügten Zeichnungen. Es versteht sich, dass beanspruchte Vorrichtungen auch eine andere Orientierung annehmen können. Der Begriff "enthaltend" und der Begriff "umfassend" bedeuten, dass weitere, nicht-genannte Komponenten vorgesehen sein können. Unter dem Begriff "im Wesentlichen", "vorwiegend" und "überwiegend" fallen alle Merkmale, die eine Eigenschaft oder einen Gehalt mehrheitlich, d.h. mehr als alle anderen genannten Komponenten oder Eigenschaften des Merkmals aufweisen, also bei zwei Komponenten beispielsweise mehr als 50%.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisch betriebenes Fahrzeug, enthaltend
(a) eine elektrisch wiederaufladbare Fahrzeugbatterie zum Versorgen eines Elektroantriebs für die Fortbewegung des Fahrzeugs;
(b) einen Tank zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs; und
(c) eine mit Kraftstoff aus dem Tank betriebene Brennstoffzelle zum Heizen von Fahrgastraum, Fahrzeugkomponenten und/oder Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs; dadurch gekennzeichnet, dass
(d) der Tank und die Brennstoffzelle Module bilden, mit welchen das Fahrzeug nachgerüstet ist.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank ein eigenes Modul bildet und lösbar in das Fahrzeug oder das Modul eingesetzt ist.
3. Fahrzeug nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle an die Fahrzeugbatterie angeschlossen ist und elektrische Energie beim Betrieb in die Fahrzeugbatterie einspeisbar ist.
4. Fahrzeug nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstofftank ein Wasserstofftank ist und die Brennstoffzelle mit Wasserstoff betreibbar ist.
5. Fahrzeug nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur Steuerung der Brennstoffzelle vorgesehen ist, welche die Brennstoffzelle zumindest teilweise nach Maßgabe eines Temperaturwertes betreibt.
6. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit den Schritten:
(a) Ermitteln eines Temperaturwertes;
(b) Regeln des Temperaturwertes durch Erzeugen von thermischer Energie mit der Brennstoffzelle auf einen Sollwert; wobei
(c) elektrische Energie, welche beim Betrieb der Brennstoffzelle erzeugt wird, gespeichert oder für einen elektrischen Verbraucher genutzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturwert die Temperatur im Fahrgastraum eines Fahrzeugs, nach dem Fahrzeugkühler oder einer Fahrzeugbatterie repräsentiert.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie in einer Fahrzeugbatterie gespeichert wird, welche zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgesehen ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie zumindest teilweise in das Bordnetz eines Fahrzeugs mit einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern eingespeist wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein elektrischer Verbraucher ein Kühlaggregat ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungszustand der Batterie ermittelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle nur bei einem Ladungszustand der Batterie betrieben wird, welcher ein weiteres Aufladen erlaubt.
13. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:
(a) Bestimmen einer Entfernung zu einem Ziel
(b) Ermitteln der für die Entfernung benötigten Leistung aus Verbrauch und Ladestand der Fahrzeugbatterie;
(c) Anpassung des Lastpunktes an die benötigte Leistung.
14. Hilfsaggregat zum Nachrüsten eines Fahrzeugs mit einer zusätzlichen Energiequelle, enthaltend
(a) einen Tank zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs;
(b) eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie;
(c) eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzelle in Abhängigkeit einer Temperatur und / oder des Batteriefüllstandes.
15. Hilfsaggregat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank, die Brennstoffzelle und die Steuereinheit in einem gemeinsam montierbaren Modul angeordnet sind, welches Schnittstellen aufweist, über welche das Modul an die jeweiligen Funktionseinheiten des Fahrzeugs anschließbar ist.
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