WO2023194064A1

WO2023194064A1 - Elektrisch betriebenes fahrzeug

Info

Publication number: WO2023194064A1
Application number: PCT/EP2023/056716
Authority: WO
Inventors: Christoph Fiala
Original assignee: H2 Power 'n' Heat Gmbh
Priority date: 2022-04-08
Filing date: 2023-03-16
Publication date: 2023-10-12

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

(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;

(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;

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.