WO2023237342A1 - Kraftfahrzeug mit einer range-extender-brennstoffzelle - Google Patents

Kraftfahrzeug mit einer range-extender-brennstoffzelle Download PDF

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WO2023237342A1
WO2023237342A1 PCT/EP2023/063991 EP2023063991W WO2023237342A1 WO 2023237342 A1 WO2023237342 A1 WO 2023237342A1 EP 2023063991 W EP2023063991 W EP 2023063991W WO 2023237342 A1 WO2023237342 A1 WO 2023237342A1
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heat exchanger
fluid circuit
motor vehicle
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Alexander Schydlo
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MAN Truck and Bus SE
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours

Definitions

  • a first independent aspect of the present disclosure relates to a motor vehicle (e.g., a commercial vehicle).
  • the motor vehicle is preferably an electric vehicle (e.g. an electric commercial vehicle). Accordingly, the motor vehicle can be driven exclusively by a battery-operated electric motor.
  • the motor vehicle has at least one fuel cell.
  • the at least one fuel cell is a range extender fuel cell for charging an energy storage device of the motor vehicle.
  • the at least one fuel cell can therefore preferably not be used for the primary drive of the motor vehicle, but rather for charging an energy storage unit of the motor vehicle, e.g. B. to thereby increase the range of the motor vehicle (e.g. a BEV) to increase.
  • the at least one fuel cell can be a (small) fuel cell with only a maximum of 120-150 kW total output.
  • the motor vehicle has a fluid circuit (e.g. a coolant circuit), which can also be referred to below as the first or primary fluid circuit for better differentiation.
  • the first fluid circuit is thermally coupled or can be coupled to the at least one fuel cell, preferably for dissipating waste heat from the at least one fuel cell.
  • the first fluid circuit can be guided at least in sections through the at least one fuel cell (e.g. through a wall section of the at least one fuel cell) and/or via a heat exchanger (e.g. integrated into the at least one fuel cell) with the at least one Fuel cell can be thermally coupled or coupled. Accordingly, thermal energy can be transferable between the first fluid circuit and the at least one fuel cell.
  • the motor vehicle has a further fluid circuit (e.g. a refrigerant circuit), which can also be referred to below as a second or secondary fluid circuit for better differentiation.
  • a further fluid circuit e.g. a refrigerant circuit
  • the second fluid circuit is fluidically separated from the first fluid circuit.
  • the second fluid circuit here has an expansion machine (e.g. coupled to a generator) (e.g. a piston expansion machine and/or turbine).
  • the expansion machine is preferably used to generate mechanical energy by expanding a working medium (e.g. a refrigerant) of the second fluid circuit.
  • the second fluid circuit can be a fluid circuit for energy recovery (e.g. from the waste heat of the at least one fuel cell).
  • the second fluid circuit can be an organic Rankine cycle fluid circuit.
  • the motor vehicle has a replacement heat exchanger (e.g. a coolant/refrigerant heat exchanger).
  • the first fluid circuit and the second fluid circuit are or can be thermally coupled to one another via the exchange heat exchanger.
  • the exchange heat exchanger preferably serves to transfer the waste heat (from the at least one fuel cell) from the first fluid circuit to the second fluid circuit. Thermal energy can thus be transferred between the first fluid circuit and the second fluid circuit via the exchange heat exchanger.
  • additional electrical energy can be provided in an advantageous manner (via the fuel cell) as needed to increase the range of the motor vehicle.
  • fuel cell cooling can advantageously be implemented, which enables energy recovery (via a phase transformation in the second fluid circuit) by supplying mechanical power generated in a cycle (by means of the expansion machine) to a power generator.
  • the (additional or recovered) energy generated in this way can in turn be fed into the energy storage or the drive energy of cooling components, such as. B. radiator fans and / or coolant pumps, partially compensate.
  • cooling components such as. B. radiator fans and / or coolant pumps
  • high-temperature fuel cells can also be used in an advantageous manner, whereby the temperature of the first fluid circuit can be increased and thereby an increase in the driving force for heat transfer can be achieved, which in turn improves the heat transport between the heat source and heat sink in the second fluid circuit and thus saves cooler space can be.
  • the second fluid circuit may be an organic Rankine cycle fluid circuit. Accordingly, the second fluid circuit can be based on a Clausius-Rankine cycle, with a working medium other than water preferably being used.
  • the working medium can be an organic working medium (e.g. a fluorocarbon, such as R245fa).
  • the exchange heat exchanger can be designed as an evaporator of the second fluid circuit (e.g. to implement the organic Rankine cycle). Accordingly, a phase transition of the working medium of the second fluid circuit (from liquid to gaseous) can take place in the exchange heat exchanger.
  • the expansion machine can be coupled or can be coupled to a generator for generating electrical energy.
  • the generator can be rotatably driven by the expansion machine (e.g. via a shaft).
  • energy recovery from the waste heat of the at least one fuel cell can be made possible in an advantageous manner (via a clockwise cycle).
  • the first fluid circuit can have a heat exchanger (e.g. a cooler), which is also referred to below as the first for better differentiation Can be called a heat exchanger.
  • This first heat exchanger is preferably used for, preferably direct, heat exchange with a vehicle environment.
  • the first fluid circuit - in addition to releasing heat to the second fluid circuit via the exchange heat exchanger - can preferably also be designed to release heat to the vehicle environment (as a heat sink).
  • the first heat exchanger can be designed, for example, as an air-coolable heat exchanger (e.g. as a finned tube and/or finned heat exchanger).
  • the first heat exchanger can also be designed as an air/coolant heat exchanger. This can advantageously ensure sufficient removal of waste heat from the at least one fuel cell, particularly during high and/or full load operation.
  • the motor vehicle may include a driver's cab.
  • a driver's cab This can be understood, for example, as the part of the structure of a motor vehicle or commercial vehicle that forms the space for the driver and, if applicable, accompanying persons.
  • the first heat exchanger - viewed in the forward direction of travel - can be arranged behind, preferably completely behind, the driver's cab.
  • the first heat exchanger can be arranged on or in a tower or cooling tower located behind the driver's cab.
  • the first heat exchanger can also be arranged on or adjacent to an outer rear wall of the driver's cab.
  • the first heat exchanger can be arranged behind, preferably completely behind, the at least one fuel cell when viewed in the forward direction of travel.
  • a rear side of the at least one fuel cell (seen in the forward direction of travel) can be arranged in front of a front side of the first heat exchanger.
  • the first heat exchanger can be arranged higher than the at least one fuel cell with respect to a vehicle vertical axis of the motor vehicle.
  • vehicle vertical axis can be, for example: B. the spatial direction standing vertically on a floor plate of the motor vehicle and oriented counter to the direction of gravity can be understood.
  • the first heat exchanger (with respect to the vehicle vertical axis) can thus be arranged above, preferably completely above, the at least one fuel cell.
  • an upper side of the at least one fuel cell (with respect to the vehicle vertical axis) is arranged below an underside of the first heat exchanger.
  • the second fluid circuit can have a heat exchanger, which can be referred to below as a second heat exchanger for better distinction.
  • the second heat exchanger is preferably used for, preferably direct, heat exchange with a vehicle environment.
  • the second fluid circuit can preferably be designed to emit (e.g. direct) heat to the vehicle environment (as a heat sink).
  • the second heat exchanger can be designed, for example, as an air-coolable heat exchanger (e.g. as a finned tube and/or finned heat exchanger).
  • the second heat exchanger can also be designed as an air/refrigerant heat exchanger.
  • the second heat exchanger is preferably designed as a capacitor (e.g.
  • the second heat exchanger can be arranged adjacent to a vehicle front of the motor vehicle.
  • the front of the vehicle can be z. B. the area of the motor vehicle located at the front in relation to the normal forward direction of travel can be understood, which can also be referred to as the “front end”.
  • the second heat exchanger can be arranged adjacent and/or adjacent to a radiator grille of the motor vehicle, which preferably closes with the front of the vehicle.
  • the second heat exchanger can also be arranged adjacent and/or adjacent to a front apron, a front bumper and/or a front cladding of the motor vehicle. Additionally or alternatively, the second heat exchanger can also be arranged in the area of the vehicle front and/or in front of the front axle (seen in the forward direction of travel).
  • ambient air can flow into the second heat exchanger from the front when the motor vehicle is moving forward. Overall, this can advantageously achieve sufficient flow around the second heat exchanger while driving, with the airstream preferably not preheated by other vehicle components.
  • the second heat exchanger can also be arranged behind, preferably completely behind, the at least one fuel cell - viewed in the forward direction of travel.
  • a rear side of the at least one fuel cell (seen in the forward direction of travel) can be arranged in front of a front side of the second heat exchanger.
  • the second heat exchanger - viewed in the forward direction of travel - can be arranged behind, preferably completely behind, the driver's cab.
  • the second heat exchanger can be arranged on or in a tower or cooling tower located behind the driver's cab.
  • the second heat exchanger can also be arranged on or adjacent to an outer rear wall of the driver's cab.
  • this can advantageously eliminate the need for front-end cooling (e.g. in light-duty vehicles), so that the end face of the motor vehicle can be optically and geometrically closed, whereby the flow resistance (Cw value) and thus the fuel consumption of the motor vehicle can be improved .
  • the first fluid circuit can have a first sub-circuit with a first pump device (e.g. a centrifugal or diaphragm pump) and a second sub-circuit with a second pump device (e.g. a centrifugal or diaphragm pump).
  • the first fluid circuit can thus be divided or divisible into the first and second partial circuits.
  • the first partial circuit and the second partial circuit can be fluidly coupled or can be coupled to one another. Accordingly, an exchange or mixing of the respective working media of the first and second partial circuit should preferably be possible.
  • the first and second partial circuits can run parallel to one another.
  • a modular or gradual cooling of the at least one fuel cell can be provided, by means of which a Dissipation of waste heat from the at least one fuel cell as needed as possible can be achieved.
  • the first and second pump devices can be operable independently of one another.
  • the first and second pump devices can be controllable independently of one another.
  • the exchange heat exchanger can, preferably exclusively, be arranged in the first partial circuit.
  • the exchange heat exchanger can be arranged in the first partial circuit downstream of the at least one fuel cell and upstream of the first pump device.
  • the third fluid circuit can be a (further) organic Rankine cycle fluid circuit. Accordingly, the third fluid circuit can be based on a Clausius-Rankine cycle, with a working medium other than water preferably being used.
  • the working medium can be an organic working medium (e.g. a fluorocarbon, such as R245fa).
  • the third fluid circuit can have a further expansion machine (e.g. a piston expansion machine and/or turbine).
  • the further expansion machine preferably serves to generate mechanical energy while expanding a working medium (e.g. a refrigerant) of the third fluid circuit.
  • the third fluid circuit can be a fluid circuit for energy recovery (e.g. from the waste heat of the at least one fuel cell).
  • the third fluid circuit may be an organic Rankine cycle fluid circuit.
  • the at least one fuel cell can be designed as a range extender fuel cell for charging an energy storage device of the motor vehicle.
  • the at least one fuel cell can therefore preferably not be used as the primary drive of the Motor vehicle, but to charge an energy storage device of the motor vehicle in order to thereby increase the range of the motor vehicle (e.g. a BEV).
  • Another aspect of the present disclosure relates to a method of operating a motor vehicle as described in this document. Consequently, all features described in connection with the motor vehicle should also be disclosed and claimable in connection with the method. The same should also apply vice versa.
  • the method includes operating the at least one fuel cell.
  • operating may include reacting a fuel (e.g., hydrogen) with an oxidizer (e.g., oxygen) in the at least one fuel cell.
  • a fuel e.g., hydrogen
  • an oxidizer e.g., oxygen
  • the operation of the at least one fuel cell preferably takes place in a, preferably stationary, operating point with maximum efficiency of the at least one fuel cell.
  • the at least one fuel cell can therefore preferably be operated at an optimal operating point, which, for. B. can be determined by means of corresponding U-l characteristics of at least one fuel cell.
  • the at least one fuel cell is not part of a primary drive of the motor vehicle and is “only” used to recharge an energy storage device, the most economical operation of the at least one fuel cell can be realized in an advantageous manner.
  • Figures 1A-3B schematic representations of motor vehicles according to different embodiments.
  • FIG. 1A, 1B, 2A, 2B, 3A and 3B each show different embodiments of a (highly simplified) motor vehicle 10.
  • the motor vehicle 10 is preferably a commercial vehicle, ie a motor vehicle 10, which is characterized by its design and Device is specifically designed for transporting goods and/or for towing one or more trailer vehicles.
  • the motor vehicle 10 can be a truck, a bus, a semi-trailer, a construction site vehicle and/or an agricultural machine.
  • the motor vehicle 10 can, for example, have a driver's cab 10.1.
  • the motor vehicle 10 can also have one - in the forward direction of travel
  • the first and second fluid circuits 14, 16 are preferably fluidly separated from one another.
  • the first and second fluid circuits 14, 16 There should therefore preferably be no one between the first and second fluid circuits 14, 16 There is a direct fluid connection that enables fluid exchange between the two fluid circuits.
  • the first and second fluid circuits 14, 16 should be thermally coupled or can be coupled to one another via the exchange heat exchanger 17a.
  • the exchange heat exchanger 17a can be designed as a plate heat exchanger.
  • the exchange heat exchanger 17a can be integrated into the first and second fluid circuits 14, 16.
  • the exchange heat exchanger 17a can have a first fluid channel and a second fluid channel, the first fluid channel forming a section of the first fluid circuit 14 and the second fluid channel forming a section of the second fluid circuit 16.
  • the at least one fuel cell 12 can be, for example, a hydrogen-oxygen fuel cell.
  • the at least one fuel cell 12 can be designed to convert a chemical reaction energy of a continuously supplied fuel (e.g. hydrogen) and an oxidizing agent (e.g. oxygen) into electrical energy.
  • the at least one fuel cell 12 can also include several fuel cells 12. These can be connected to one another (e.g. in series) (e.g. in the form of a stack).
  • the multiple fuel cells 12 can each be, for example, medium and/or high temperature fuel cells.
  • the plurality of fuel cells 12 should preferably not be polymer electrolyte membrane fuel cells.
  • the at least one fuel cell 12 can be coupled in series with at least one electric drive unit. Accordingly, the at least one fuel cell 12 can be used to drive the motor vehicle 10.
  • the at least one fuel cell 12 is preferably designed as a range extender fuel cell. This can (e.g. exclusively) be used to charge the electrical energy storage of the motor vehicle 10.
  • the at least one fuel cell 12 can therefore, for example, be part of a range extender system of the motor vehicle 10. Accordingly, the at least one fuel cell 12 can preferably not be used for the primary drive of the motor vehicle 10.
  • the at least one fuel cell 12 can z. B. be provided exclusively for charging or recharging the electrical energy storage, for example in order to thereby increase the range of the motor vehicle 10 (e.g. a battery-operated electric vehicle).
  • the at least one fuel cell 12 can be connected or connectable to the electrical energy storage via line technology.
  • the at least one fuel cell 12 or the several fuel cells 12 can therefore be dimensioned smaller than in the case of a fuel cell drive (FCEV).
  • FCEV fuel cell drive
  • the multiple fuel cells 12 can have a total power (wheel power) of only max. 120-150 kW (e.g. based on a 40t train).
  • the at least one fuel cell 12 can be operated, preferably exclusively, at an optimal or stationary operating point.
  • the at least one fuel cell 12 can thus be operated, preferably exclusively, at its maximum efficiency.
  • the at least one fuel cell 12 can be switched on when necessary, with an operating point with maximum efficiency being selected.
  • the at least one fuel cell 12 can then be switched off again.
  • the at least one fuel cell 12 can thus be switched on “black/white” or always operated in the same state.
  • the first fluid can then flow through the exchange heat exchanger 17a or its first fluid channel and preferably at least part of it there absorbed waste heat. Ultimately, the first fluid can return to the first conveying device 14c. Accordingly, the at least one fuel cell 12 can be arranged downstream of the first conveying device 14c.
  • the exchange heat exchanger 17a can be arranged downstream of the at least one fuel cell 12.
  • the first fluid circuit 14 can have further optional components, which will be described in more detail below in connection with further motor vehicle concepts.
  • the second fluid circuit 16 preferably serves to recover energy from the waste heat of the at least one fuel cell 12.
  • the second fluid circuit 16 can (also) be a closed fluid circuit.
  • the second fluid circuit 16 can be a refrigerant circuit.
  • a second fluid, which can also be referred to as a working medium, can circulate in the second fluid circuit 14.
  • the second fluid or working medium may comprise an organic refrigerant (e.g. a fluorocarbon, such as R245fa) and/or an inorganic refrigerant (e.g. ammonia or CO2).
  • the second fluid circuit 16 can have a second conveying device 16c for conveying the working medium.
  • a fluorocarbon such as R245fa
  • an inorganic refrigerant e.g. ammonia or CO2
  • the exchange heat exchanger 17a is preferably designed as an evaporator of the second fluid circuit 16.
  • the evaporator can use the waste heat absorbed by the first fluid circuit 14 or its first fluid to heat and evaporate the second fluid of the second fluid circuit 16.
  • the exchange heat exchanger 17a or evaporator can preferably be designed to transfer the waste heat from the first fluid circuit 14 to the second fluid circuit 16.
  • the second fluid or working medium preferably evaporates in the evaporator while absorbing heat at a low temperature (evaporative cooling). An enthalpy of the working medium of the second fluid circuit 16 can thus be increased in the exchange heat exchanger 17a or evaporator.
  • the working medium can be the exchange heat exchanger 17a or evaporator in one gaseous state, for example in the form of wet steam or superheated steam.
  • the output element of the expansion machine 16d can, for example, also be operatively connected to a generator (not expressly shown) in order to obtain electrical energy from the recovered mechanical energy.
  • the electrical energy can, for example, be stored in the electrical energy storage or supplied to an auxiliary consumer (e.g. the first and/or second conveying device 14c, 16c).
  • the second heat exchanger 16a can also be designed as an air/refrigerant heat exchanger.
  • the second heat exchanger 16a can have a, preferably electrically driven, second fan 16b. Accordingly, the second heat exchanger 16a can be cooled or cooled by means of the second fan 16b.
  • the second heat exchanger 16a is designed, for example, as a capacitor. The capacitor can do that The working medium condenses completely, so that the second conveying device 16c can suck in the liquid working medium again. Accordingly, a phase transition of the working medium of the second fluid circuit 16 (from gaseous to liquid) can take place in the second heat exchanger 16a (by heat release).
  • the second heat exchanger 16a is arranged, for example, adjacent and/or adjacent to a vehicle front of the motor vehicle 10.
  • the second heat exchanger 16a can thus be arranged in an area (“front end”) of the motor vehicle 10 that is located at the forefront with respect to the normal forward direction of travel V.
  • the second heat exchanger 16a can be arranged adjacent and/or adjacent to a front apron, a front bumper, a front cladding and/or a radiator grille (not shown) of the motor vehicle 10. Accordingly, the second heat exchanger 16a should be able to receive ambient air from the front when the motor vehicle 10 is moving forward. If a cooling air mass flow is not sufficient, the second fan 16b can also be switched on.
  • the second heat exchanger 16a can also be arranged in front of the replacement heat exchanger 17a and/or the at least one fuel cell 12 - seen in the forward direction of travel V.
  • the second heat exchanger 16a can be arranged in the driver's cab 10.1.
  • the second fluid circuit 16 can be arranged, preferably completely, in the driver's cab 10.1 or within the motor vehicle 10.
  • the exchange heat exchanger 17a and/or the first fluid circuit 14 can also be arranged, preferably completely, in the driver's cab 10.1 or within the motor vehicle 10.
  • the first and second fluid circuit 16 preferably has no further heat exchangers than those described above.
  • the second fluid circuit 16 can have a clockwise cycle, e.g. B. realize an organic Rankine cycle or low-temperature Clausius-Rankine cycle.
  • the exchange heat exchanger 17a or its second fluid channel can be arranged downstream of the second conveying device 16c.
  • the expansion machine 16d can be arranged downstream of the exchange heat exchanger 17a.
  • the second heat exchanger 16a or condenser can be arranged downstream of the expansion machine 16d. Accordingly, by means of the second fluid circuit 16, the waste heat from the at least one fuel cell 12 can be converted into mechanical work or ultimately into electrical energy via the generator.
  • the efficiency of the organic Rankine cycle can be in the range between 3-7%.
  • the organic Rankine cycle should preferably be operated at a stationary operating point in order to achieve maximum efficiency.
  • Figure 1B shows a modified concept compared to Figure 1A.
  • the second heat exchanger 16a is not arranged in the area of the vehicle front of the motor vehicle 10.
  • the motor vehicle 10 preferably has no front-end cooling of the at least one battery cell 12.
  • the second heat exchanger 16a should preferably be arranged behind, preferably completely behind, the driver's cab 10.1 - viewed in the forward direction of travel V.
  • This approach is particularly suitable for light-duty vehicles, whereby the end face or front of the motor vehicle 10 can be closed optically and geometrically by eliminating the front-end cooling. In this way, for example, the flow resistance (Cw value) and thus the fuel consumption of the motor vehicle 10 can be improved.
  • the second heat exchanger 16a can be arranged, for example, on or in the tower 10.2 or cooling tower (located behind the driver's cab 10.1).
  • the second heat exchanger 16a can be arranged on or adjacent to an outer rear wall of the driver's cab 10.1.
  • the second heat exchanger 16a can also be arranged behind, preferably completely behind, the at least one fuel cell 12 and/or the replacement heat exchanger 17a - seen in the forward direction of travel V.
  • the further components of the second fluid circuit 16 or the second fluid circuit 16 as a whole - seen in the forward direction of travel V - can also be arranged behind, preferably completely behind, the first fluid circuit 14 and / or the at least one fuel cell 12.
  • This embodiment also preferably has no further heat exchangers than those described above.
  • Figures 2A and 2B show a modified concept compared to Figure 1A.
  • the first fluid circuit 14 (also) has a heat exchanger, which can also be referred to as the first heat exchanger 14a.
  • the first heat exchanger 14a can be, for example, a cooler.
  • the first heat exchanger 14a or cooler can z. B. be oriented vertically or horizontally.
  • the first heat exchanger 14a is preferably used for, preferably direct, heat exchange with a vehicle environment. Accordingly, the first fluid circuit 14 can preferably be designed to (directly) emit heat to the vehicle environment (as a heat sink).
  • the first fluid can be cooled in the first heat exchanger 14a or cooler.
  • the first heat exchanger 14a can be designed, for example, as an air-coolable heat exchanger (e.g. as a finned tube and/or finned heat exchanger). Additionally or alternatively, the first heat exchanger 14a can also be designed as an air/refrigerant heat exchanger. Furthermore, the first heat exchanger 14a can have a, preferably electrically driven, first fan 14b. Accordingly, the first heat exchanger 14a can be cooled or cooled by means of the first fan 14b. In a preferred variant, the first heat exchanger 14a - seen in the forward direction of travel V - can be arranged behind, preferably completely behind, the driver's cab 10.1.
  • the first heat exchanger 14a can be arranged, for example, on or in the tower 10.2 or cooling tower (located behind the driver's cab 10.1) (see FIG. 2B).
  • the first heat exchanger 14a can be arranged on or adjacent to an outer rear wall of the driver's cab 10.1. Accordingly, the first heat exchanger 14a can also be arranged behind, preferably completely behind, the at least one fuel cell 12 - seen in the forward direction of travel V.
  • the first heat exchanger 14a can be arranged (with respect to the vehicle vertical axis H) above, preferably completely above, the at least one fuel cell (see FIG. 2B).
  • the first sub-circuit 14.1 and the second sub-circuit 14.2 can be fluidly coupled or can be coupled to one another.
  • the first fluid circuit 14 can have a common fluid path or section that is integrated into both the first sub-circuit 14.1 and the second sub-circuit 14.2.
  • the common fluid path or section can have a first end and a second end.
  • the at least one fuel cell 12 can be arranged in the common fluid path (e.g. between the first and second ends). Accordingly, the at least one fuel cell 12 can be integrated into both partial circuits.
  • a first branch can be arranged at the first end of the common fluid path. The first fluid can flow from the first and second partial circuits 14.1, 14.2 into the common fluid path via the first branch.
  • a second branch can be arranged at the second end of the common fluid path. Via the second branch, the first fluid can be divided again into the first and second partial circuits 14.1, 14.2 after flowing through the common fluid path.
  • the first partial circuit 14.1 can have the exchange heat exchanger 17a and/or a first pump device 14c.1 (e.g. a centrifugal or diaphragm pump).
  • the common fluid path with the at least one fuel cell 12 can be arranged downstream of the first pump device 14c.1 in the first partial circuit 14.1.
  • the exchange heat exchanger 17a can be arranged downstream of the common fluid path with the at least one fuel cell 12 in the first partial circuit 14.1.
  • the first conveying device 14c can have the first and second pump devices 14c.1, 14c.2 or in the form of two pump devices, ie the first and second Pump device 14c.1, 14c.2 may be formed.
  • the first and second pump devices 14c.1, 14c.2 can be operated independently of one another.
  • the first and second partial circuits 14.1, 14.2 can be operated independently of one another.
  • the motor vehicle 10 can be designed so that only one of the two sub-circuits (e.g. the first sub-circuit 14.1) is operated in partial or low-load operation (e.g.
  • Figure 3B shows a modified concept compared to Figure 3A.
  • the second partial circuit 14.2 has a further exchange heat exchanger 17b instead of the first heat exchanger 14a for heat exchange with the vehicle environment.
  • the first fluid circuit 14 or its second partial circuit 14.2 is thermally coupled or can be coupled to a third fluid circuit 18.
  • the third fluid circuit 18 is not coupled or can be coupled directly to the second fluid circuit 16.
  • the motor vehicle can have three fluid circuits, namely the first, second and third fluid circuits 14, 16 and 18.
  • the third fluid circuit 18 can be a closed fluid circuit.
  • the third fluid circuit 18 can be fluidically separated from the first and second fluid circuits 14 and 16.
  • the third fluid circuit 18 can z. B. be a refrigerant circuit.
  • a third fluid can circulate in the third fluid circuit 18.
  • the third fluid may be an organic refrigerant (e.g. a fluorocarbon, such as R245fa) and/or an inorganic refrigerant (e.g. ammonia or CO2).
  • the third fluid circuit 18 can have a third conveying device 18c for conveying the third fluid.
  • the third conveying device 16c is designed, for example, as a compressor (e.g. a compressor).
  • the third fluid can be compressed or compressed to a higher pressure.
  • the third fluid circuit 18 can, for example, implement a (clockwise) Clausius-Rankine cycle (eg an organic Rankine cycle).
  • the third fluid of the third fluid circuit 18 can therefore preferably undergo a phase transformation during circulation.
  • the third fluid circuit 18 can have a further expansion machine 18d.
  • the further expansion machine 18d can be arranged downstream of the further exchange heat exchanger 17b.
  • the further expansion machine 18d is preferably used to generate mechanical energy by relaxing the third fluid of the third fluid circuit 18.
  • the internal energy of the (evaporated or gaseous) third fluid can be reduced by relaxing the third fluid and thereby partially converted into mechanical energy Energy can be converted.
  • an output element such as an output shaft
  • the further expansion machine 18d can be designed, for example, as a turbine, a piston engine or a scroll expander.
  • the third heat exchanger 18a can be arranged, for example, on or in the tower 10.2 or cooling tower (located behind the driver's cab 10.1).
  • the third heat exchanger 18a can be arranged on or adjacent to an outer rear wall of the driver's cab 10.1.
  • the third heat exchanger 18a can also be arranged behind, preferably completely behind, the at least one fuel cell 12 and/or the further exchange heat exchanger 17b - seen in the forward direction of travel V.
  • the further components of the third fluid circuit 18 or the third fluid circuit 18 as a whole - seen in the forward direction of travel V - can also be behind, preferably completely behind, the first fluid circuit 14, the second fluid circuit 16 and / or the at least one fuel cell 12 may be arranged.
  • This embodiment also preferably has no further heat exchangers than those described above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (10) aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (12) und einen ersten Fluidkreislauf (14), der mit der mindestens einen Brennstoffzelle (12) thermisch gekoppelt oder koppelbar ist. Weiterhin weist das Kraftfahrzeug (10) einen zweiten Fluidkreislauf (16) auf, der eine Expansionsmaschine (16d) zum Erzeugen von mechanischer Energie unter Entspannung eines Arbeitsmediums des zweiten Fluidkreislaufs (16) aufweist. Ferner weist das Kraftfahrzeug (10) einen Austausch-Wärmeübertrager (17a) auf, über den der erste und zweite Fluidkreislauf (14, 16) miteinander thermisch gekoppelt oder koppelbar sind.

Description

Kraftfahrzeug mit einer Range-Extender-Brennstoffzelle
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Betreiben eines ebensolchen Kraftfahrzeugs.
Im Stand der Technik sind batterieelektrische Fahrzeuge, sog. „Battery Electric Vehicle (BEV)“, grundsätzlich bekannt. Derartige Fahrzeuge werden ausschließlich mit einem Elektroantrieb betrieben und benötigen keine fossilen Kraftstoffe. Der Elektroantrieb wird hierbei mit Energie aus einer im Fahrzeug verbauten Batterie versorgt.
Im Nutzfahrzeugbereich ist die Verwendung eines elektrischen Antriebs in der Regel mit einer Steigerung des Gesamtgewichts verbunden. Sollen bspw. Reichweiten von > 800 km erzielt werden, müssen bislang eine Vielzahl von entsprechend schwere Batterien im Fahrzeug verbaut werden, sodass aufgrund des hohen Gewichts stabilere bzw. leistungsfähigere Bauteile (Rahmen, Bremsen, Räder, etc.) verwendet werden müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik zum Erhöhen der Reichweite eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zu schaffen. Vorzugsweise liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine möglichst leichte Technik zur Reichweitenerhöhung mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen.
Diese Aufgaben können mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst werden. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Ein erster unabhängiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Kraftfahrzeug (z. B. ein Nutzfahrzeug). Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug dabei ein Elektrofahrzeug (z. B. ein Elektro-Nutzfahrzeug). Entsprechend kann das Kraftfahrzeug ausschließlich von einem batteriebetriebenen Elektromotor antreibbar sein.
Das Kraftfahrzeug weist mindestens eine Brennstoffzelle auf. Bevorzugt ist die mindestens eine Brennstoffzelle eine Range-Extender-Brennstoffzelle zum Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs. Die mindestens eine Brennstoffzelle kann somit vorzugsweise nicht zum primären Antrieb des Kraftfahrzeugs, sondern zum Aufladen eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs dienen, z. B. um dadurch eine Reichweite des Kraftfahrzeugs (z. B. ein BEV) zu erhöhen. Entsprechend kann die mindestens eine Brennstoffzelle eine (kleine) Brennstoffzelle mit nur max. 120-150 kW Gesamtleistung sein.
Weiterhin weist das Kraftfahrzeug einen Fluidkreislauf (z. B. einen Kühlmittelkreislauf) auf, der zur besseren Unterscheidung im Folgenden auch als erster oder primärer Fluidkreislauf bezeichnet werden kann. Der erste Fluidkreislauf ist mit der mindestens einen Brennstoffzelle thermisch gekoppelt oder koppelbar, vorzugsweise zum Abführen von Abwärme von der mindestens einen Brennstoffzelle. Beispielsweise kann der erste Fluidkreislauf dazu zumindest abschnittsweise durch die mindestens eine Brennstoffzelle (z. B. durch einen Wandungsabschnitt der mindestens einen Brennstoffzelle) geführt sein und/oder über einen (z. B. in die mindestens eine Brennstoffzelle integrierten) Wärmeübertrager mit der mindestens einen Brennstoffzelle thermisch gekoppelt oder koppelbar sein. Entsprechend kann thermische Energie zwischen dem ersten Fluidkreislauf und der mindestens einen Brennstoffzelle übertragbar sein.
Ferner weist das Kraftfahrzeug einen weiteren Fluidkreislauf (z. B. einen Kältemittelkreislauf) auf, der zur besseren Unterscheidung im Folgenden auch als zweiter oder sekundärer Fluidkreislauf bezeichnet werden kann. Bevorzugt ist der zweite Fluidkreislauf vom ersten Fluidkreislauf fluidisch getrennt.
Der zweite Fluidkreislauf weist hierbei eine (z. B. an einen Generator gekoppelte) Expansionsmaschine (z. B. eine Kolbenexpansionsmaschine und/oder Turbine) auf. Bevorzugt dient die Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie unter Entspannung eines Arbeitsmediums (z. B. eines Kältemittels) des zweiten Fluidkreislaufs. Entsprechend kann es sich bei dem zweiten Fluidkreislauf um einen Fluidkreislauf zur Energierückgewinnung (z. B. aus der Abwärme der mindestens einen Brennstoffzelle) handeln. Beispielsweise kann der zweite Fluidkreislauf ein organischer Rankine-Kreisprozess- Fluidkreislauf sein.
Weiterhin weist das Kraftfahrzeug einen Austausch-Wärmeübertrager (z. B. einen Kühlmittel/Kältemittel-Wärmeübertrager) auf. Über den Austausch-Wärmeübertrager sind der erste Fluidkreislauf und der zweite Fluidkreislauf miteinander thermisch gekoppelt oder koppelbar. Bevorzugt dient der Austausch-Wärmeübertrager dabei zum Übertragen der Abwärme (der mindestens einen Brennstoffzelle) von dem ersten Fluidkreislauf auf den zweiten Fluidkreislauf. Über den Austausch-Wärmeübertrager kann somit thermische Energie zwischen dem ersten Fluidkreislauf und dem zweiten Fluidkreislauf übertragbar sein. Insgesamt kann dadurch auf vorteilhafte Weise einerseits (über die Brennstoffzelle) bedarfsgerecht zusätzliche elektrische Energie zur Erhöhung der Reichweite des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. Andererseits kann auf vorteilhafte Weise eine Brennstoffzellenkühlung realisiert werden, die (über eine Phasenumwandlung im zweiten Fluidkreislauf) eine Energierückgewinnung ermöglicht, indem in einem Kreisprozess (mittels der Expansionsmaschine) erzeugte mechanische Leistung einem Stromgenerator zugeführt wird. Die so erzeugte (zusätzliche bzw. rückgewonnene) Energie kann dabei wiederum in den Energiespeicher eingespeist werden bzw. die Antriebsenergie von Kühlkomponenten, wie z. B. Kühlerlüfter und/oder Kühlmittelpumpen, teilweise kompensieren. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Brennstoffzelle hier in einem optimalen Betriebspunkt mit maximalen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Entsprechend können auf vorteilhafte Weise auch Hochtemperatur-Brennstoffzellen verwendet werden, wodurch die Temperatur des ersten Fluidkreislaufs erhöht werden und dadurch eine Steigerung der treibenden Kraft für die Wärmeübertragung erreicht werden kann, wodurch wiederum der Wärmetransport zwischen Wärmequelle und Wärmesenke im zweiten Fluidkreislauf verbessert und somit Kühlerfläche eingespart werden kann.
Nach einem Aspekt kann der zweiten Fluidkreislauf ein organischer Rankine-Kreisprozess- Fluidkreislauf sein. Entsprechend kann der zweite Fluidkreislauf auf einem Clausius-Rankine- Kreisprozess basieren, wobei bevorzugt ein anderes Arbeitsmedium als Wasser eingesetzt wird. Beispielhaft kann das Arbeitsmedium ein organisches Arbeitsmedium (bspw. ein Fluorkohlenwasserstoff, wie z. B. R245fa) sein.
Zudem oder alternativ kann der Austausch-Wärmeübertrager als Verdampfer des zweiten Fluidkreislaufs ausgebildet sein (z. B. zum Realisieren des organischen Rankine- Kreisprozesses). Entsprechend kann im Austausch-Wärmeübertrager ein Phasenübergang des Arbeitsmediums des zweiten Fluidkreislaufs (von flüssig nach gasförmig) erfolgen.
Zudem oder alternativ kann die Expansionsmaschine mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt oder koppelbar sein. Beispielsweise kann der Generator von der Expansionsmaschine (z. B. über eine Welle) drehantreibbar sein. Insgesamt kann dadurch (über einen rechtsläufigen Kreisprozess) auf vorteilhafte Weise eine Energierückgewinnung aus der Abwärme der mindestens einen Brennstoffzelle ermöglicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der erste Fluidkreislauf einen Wärmeübertrager (z. B. einen Kühler) aufweisen, der im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als erster Wärmeübertrager bezeichnet werden kann. Bevorzugt dient dieser erste Wärmeübertrager zum, vorzugsweise direkten, Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebung. Entsprechend kann der erste Fluidkreislauf - zusätzlich zu einer Wärmeabgabe an den zweiten Fluidkreislauf über den Austausch-Wärmeübertrager - bevorzugt auch zu einer Wärmeabgabe an die Fahrzeugumgebung (als Wärmesenke) ausgebildet sein. Der erste Wärmeübertrager kann dazu bspw. als luftkühlbarer Wärmeübertrager (z. B. als ein Rippenrohr- und/oder Lamellen-Wärmeübertrager) ausgebildet sein. Zudem oder alternativ kann der erste Wärmeübertrager auch als ein Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet sein. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch insbesondere im Hoch- und/oder Volllastbetrieb ein ausreichendes Abführen von Abwärme von der mindestens einen Brennstoffzelle sichergestellt werden.
Nach einem weiteren Aspekt kann das Kraftfahrzeug ein Fahrerhaus umfassen. Hierunter kann bspw. der Teil des Aufbaus eines Kraftfahrzeugs bzw. Nutzfahrzeugs verstanden werden, der den Raum für Fahrzeugführer und ggf. Begleitpersonen bildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der erste Wärmeübertrager - in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, dem Fahrerhaus angeordnet sein. Beispielsweise kann der erste Wärmeübertrager an oder in einem hinter dem Fahrerhaus befindlichen Turm bzw. Kühlturm angeordnet sein. Zudem oder alternativ kann der erste Wärmeübertrager auch an oder benachbart zu einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses angeordnet sein. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch ein Umströmen des ersten Wärmeübertragers mit durch andere Fahrzeugkomponenten vorgewärmte Luft möglichst vermieden werden und zudem eine die weiteren Fahrzeugkomponenten möglichst wenig beeinflussende Wärmeabgabe erreicht werden.
Nach einem weiteren Aspekt kann der erste Wärmeübertrager in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen hinter, vorzugsweise vollständig hinter, der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Rückseite der mindestens einen Brennstoffzelle (in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen) vor einer Vorderseite des ersten Wärmeübertragers angeordnet sein.
Zudem oder alternativ kann der erste Wärmeübertrager bezüglich einer Fahrzeughochachse des Kraftfahrzeugs höher angeordnet sein als die mindestens eine Brennstoffzelle. Als „Fahrzeughochachse“ kann dabei z. B. die senkrecht auf einer Bodenplatte des Kraftfahrzeugs stehende und entgegen der Schwerkraftrichtung orientiere Raumrichtung verstanden werden. Beispielsweise kann der erste Wärmeübertrager (bzgl. der Fahrzeughochachse) somit oberhalb, vorzugsweise vollständig oberhalb, der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet sein. Besonders bevorzugt ist eine Oberseite der mindestens einen Brennstoffzelle (bzgl. der Fahrzeughochachse) unterhalb einer Unterseite des ersten Wärmeübertragers angeordnet. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch ein Anströmen des ersten Wärmeübertragers mit ggf. durch weitere Komponenten der Brennstoffzellenkühlung vorgewärmte Luft während der Fahrt möglichst vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der zweite Fluidkreislauf einen Wärmeübertrager aufweisen, der im Folgenden zur besseren Unterscheidung als zweiter Wärmeübertrager bezeichnet werden kann. Bevorzugt dient der zweite Wärmeübertrager zum, vorzugsweise direkten, Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebung. Entsprechend kann der zweite Fluidkreislauf bevorzugt zu einer (z. B. direkten) Wärmeabgabe an die Fahrzeugumgebung (als Wärmesenke) ausgebildet sein. Der zweite Wärmeübertrager kann dazu bspw. als luftkühlbarer Wärmeübertrager (z. B. als ein Rippenrohr- und/oder Lamellen- Wärmeübertrager) ausgebildet sein. Zudem oder alternativ kann der zweite Wärmeübertrager auch als ein Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet sein. Bevorzugt ist der zweite Wärmeübertrager dabei als ein Kondensator ausgebildet (z. B. zum Realisieren des organischen Rankine-Kreisprozesses). Entsprechend kann im zweiten Wärmeübertrager (durch Wärmeabgabe) ein Phasenübergang des Arbeitsmediums des zweiten Fluidkreislaufs (z. B. von gasförmig nach flüssig) erfolgen. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch eine Energierückgewinnung aus der Abwärme der mindestens einen Brennstoffzelle ermöglicht werden.
Nach einer Ausführungsform kann der zweite Wärmeübertrager benachbart zu einer Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Als Fahrzeugfront kann dabei z. B. der sich bezüglich der normalen Vorwärtsfahrtrichtung zuvorderst befindliche Bereich des Kraftfahrzeugs verstanden werden, welcher auch als „Front-End“ bezeichnet werden kann.
Zudem oder alternativ kann der zweite Wärmeübertrager benachbart und/oder angrenzend zu einem, vorzugsweise mit der Fahrzeugfront abschließenden, Kühlergrill des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
Zudem oder alternativ kann der zweite Wärmeübertrager auch benachbart und/oder angrenzend zu einer Frontschürze, einer Frontstoßstange und/oder einer Frontverkleidung des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Zudem oder alternativ kann der zweite Wärmeübertrager auch im Bereich der Fahrzeugfront und/oder (in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen) vor der Frontachse angeordnet sein.
Zudem oder alternativ kann der zweite Wärmeübertrager bei einer Vorwärtsfahrt des Kraftfahrzeugs frontal mit Umgebungsluft anströmbar sein. Insgesamt kann dadurch auf vorteilhafte Weise während der Fahrt eine ausreichende Umströmung des zweiten Wärmeübertragers mit möglichst nicht durch andere Fahrzeugkomponenten vorgewärmten Fahrtwind erreicht werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der zweite Wärmeübertrager auch - in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Rückseite der mindestens einen Brennstoffzelle (in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen) vor einer Vorderseite des zweiten Wärmeübertragers angeordnet sein.
Zudem oder alternativ kann der zweite Wärmeübertrager - in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, dem Fahrerhaus angeordnet sein. Beispielsweise kann der zweite Wärmeübertrager an oder in einem hinter dem Fahrerhaus befindlichen Turm bzw. Kühlturm angeordnet sein. Zudem oder alternativ kann der zweite Wärmeübertrager auch an oder benachbart zu einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses angeordnet sein. Insgesamt kann dadurch auf vorteilhafte Weise (z. B. bei Schwachlastfahrzeugen) eine Front-End- Kühlung entfallen, sodass die Stirnfläche des Kraftfahrzeugs optisch und geometrisch geschlossen werden, wodurch der Strömungswiderstand (Cw-Wert) und damit der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs verbessert werden kann.
Nach einem weiteren Aspekt kann der erste Fluidkreislauf einen ersten Teilkreislauf mit einer ersten Pumpeneinrichtung (z. B. einer Kreisel- oder Membranpumpe) und einen zweiten Teilkreislauf mit einer zweiten Pumpeneinrichtung (z. B. einer Kreisel- oder Membranpumpe) aufweisen. Der erste Fluidkreislauf kann somit in den ersten und zweiten Teilkreislauf aufgeteilt bzw. aufteilbar sein. Der erste Teilkreislauf und der zweite Teilkreislauf können dabei fluidisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sein. Entsprechend soll bevorzugt ein Austausch bzw. ein Vermischen der jeweiligen Arbeitsmedien des ersten und zweiten Teilkreislaufs möglich sein. Beispielsweise können der erste und zweite Teilkreislauf parallel zueinander verlaufen. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch eine modulare bzw. stufenweise Kühlung der mindestens einen Brennstoffzelle bereitgestellt werden, mittels derer ein möglichst bedarfsgerechtes Abführen von Abwärme von der mindestens einen Brennstoffzelle erreicht werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt können die erste und zweite Pumpeneinrichtung unabhängig voneinander betreibbar sein. Beispielsweise können die erste und zweite Pumpeneinrichtung unabhängig voneinander steuerbar sein.
Zudem oder alternativ können der erste und zweite Teilkreislauf unabhängig voneinander betreibbar sein. Beispielsweise kann dies durch ein unterschiedliches Ansteuern der ersten und zweiten Pumpeneinrichtung erfolgen. Entsprechend kann das Kraftfahrzeug z. B. ausgebildet sein, dass in einem Schwachlastbetrieb nur einer der beiden Teilkreisläufe betrieben wird und in einem Hoch- bzw. Volllastbetrieb der andere der beiden Teilkreisläufe hinzugeschaltet wird.
Zudem oder alternativ kann der Austausch-Wärmeübertrager, vorzugsweise ausschließlich, in dem ersten Teilkreislauf angeordnet sein. Beispielsweise kann der Austausch- Wärmeübertrager im ersten Teilkreislauf stromab der mindestens eine Brennstoffzelle und stromauf der ersten Pumpeneinrichtung angeordnet sein.
Zudem oder alternativ kann die mindestens eine Brennstoffzelle im ersten und zweiten Teilkreislauf angeordnet sein. Lediglich beispielhaft kann der erste Fluidkreislauf dazu einen gemeinsamen Fluidpfad aufweisen, der sowohl in den ersten Teilkreislauf als auch in den zweiten Teilkreislauf eingebunden ist und in dem die mindestens eine Brennstoffzelle angeordnet ist. Insgesamt kann durch das „Aufteilen“ bzw. „Modularisieren“ des ersten Fluidkreislaufs in zwei gekoppelte Teilkreisläufe ein möglichst bedarfsgerechterer Betrieb der Brennstoffzellenkühlung erreicht werden.
Nach einem weiteren Aspekt kann das Kraftfahrzeug ferner eine Steuereinrichtung (z. B. ein Steuergerät) aufweisen. Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, in einem ersten Betriebsmodus (z. B. einem Teil- bzw. Schwachlastbetrieb) nur den ersten Teilkreislauf zu betreiben und/oder in einem zweiten Betriebsmodus (z. B. einem Hoch- bzw. Volllastbetrieb) den ersten Teilkreislauf und den zweiten Teilkreislauf, vorzugsweise gleichzeitig, zu betreiben. In diesem Zusammenhang kann somit bevorzugt auch von einer ersten Kühlstufe (erster Betriebsmodus) und einerzweiten Kühlstufe (zweiter Betriebsmodus) gesprochen werden. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch eine bedarfsgerechte und energieeffiziente Steuerung der Kühlleistung je nach aktueller Leistungsanforderung ermöglicht werden. Um auf vorteilhafte Weise die Kühlleistung weiter zu erhöhen, kann das Kraftfahrzeug gemäß einem weiteren Aspekt ferner einen dritten Fluidkreislauf (z. B. einen Kaltem ittelkreislauf) aufweisen. Bevorzugt ist der dritte Fluidkreislauf vom ersten und/oder zweiten Fluidkreislauf fluidisch getrennt. Weiterhin kann das Kraftfahrzeug einen weiteren Austausch- Wärmeübertrager aufweisen, über den der dritte Fluidkreislauf und der erste Fluidkreislauf (z. B. dessen zweiter Teilkreislauf) thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind. Bevorzugt dient der weitere Austausch-Wärmeübertrager zum Übertragen der Abwärme (der mindestens einen Brennstoffzelle) von dem ersten Fluidkreislauf auf den dritten Fluidkreislauf. Über den weiteren Austausch-Wärmeübertrager kann somit thermische Energie zwischen dem ersten Fluidkreislauf und dem dritten Fluidkreislauf übertragbar sein.
Nach einem weiteren Aspekt kann der dritte Fluidkreislauf ein (weiterer) organischer Rankine- Kreisprozess-Fluidkreislauf sein. Entsprechend kann der dritte Fluidkreislauf auf einem Clausius-Rankine-Kreisprozess basieren, wobei bevorzugt ein anderes Arbeitsmedium als Wasser eingesetzt wird. Beispielhaft kann das Arbeitsmedium ein organisches Arbeitsmedium (bspw. ein Fluorkohlenwasserstoff, wie z. B. R245fa) sein.
Zudem oder alternativ kann der weitere Austausch-Wärmeübertrager als Verdampfer des dritten Fluidkreislaufs ausgebildet sein (z. B. zum Realisieren des organischen Rankine- Kreisprozesses). Entsprechend kann im weiteren Austausch-Wärmeübertrager ein Phasenübergang des Arbeitsmediums des dritten Fluidkreislaufs (von flüssig nach gasförmig) erfolgen.
Zudem oder alternativ kann der dritte Fluidkreislauf eine weitere Expansionsmaschine (z. B. eine Kolbenexpansionsmaschine und/oder Turbine) aufweisen. Bevorzugt dient die weitere Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie unter Entspannung eines Arbeitsmediums (z. B. eines Kältemittels) des dritten Fluidkreislaufs. Entsprechend kann es sich bei dem dritten Fluidkreislauf um einen Fluidkreislauf zur Energierückgewinnung (z. B. aus der Abwärme der mindestens einen Brennstoffzelle) handeln. Beispielsweise kann der dritte Fluidkreislauf ein organischer Rankine-Kreisprozess-Fluidkreislauf sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann der dritte Fluidkreislauf einen Wärmeübertrager aufweisen, der im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als dritter Wärmeübertrager bezeichnet werden kann. Bevorzugt dient der dritte Wärmeübertrager zum, vorzugsweise direkten, Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebung. Entsprechend kann der dritte Fluidkreislauf bevorzugt zu einer (direkten) Wärmeabgabe an die Fahrzeugumgebung (als Wärmesenke) ausgebildet sein. Der dritte Wärmeübertrager kann bspw. als luftkühlbarer Wärmeübertrager (z. B. als ein Rippenrohr- und/oder Lamellen-Wärmeübertrager) ausgebildet sein. Zudem oder alternativ kann der dritte Wärmeübertrager auch als ein Luft/Kältemittel- Wärmeübertrager ausgebildet sein. Bevorzugt ist der dritte Wärmeübertrager als ein Kondensator ausgebildet (z. B. zum Realisieren des organischen Rankine-Kreisprozesses). Entsprechend kann im dritten Wärmeübertrager (durch Wärmeabgabe) ein Phasenübergang des Arbeitsmediums des dritten Fluidkreislaufs (von gasförmig nach flüssig) erfolgen. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch eine Energierückgewinnung aus der Abwärme der mindestens einen Brennstoffzelle ermöglicht werden.
Nach einem weiteren Aspekt kann der dritte Wärmeübertrager - in Vorwärtsfahrtrichtung gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, dem Fahrerhaus angeordnet sein. Beispielsweise kann der dritte Wärmeübertrager an oder in einem hinter dem Fahrerhaus befindlichen Turm bzw. Kühlturm angeordnet sein. Zudem oder alternativ kann der dritte Wärmeübertrager auch an oder benachbart zu einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses angeordnet sein. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch ein Umströmen des dritten Wärmeübertragers mit durch andere Fahrzeugkomponenten vorgewärmte Luft möglichst vermieden werden und zudem eine die weiteren Fahrzeugkomponenten möglichst wenig beeinflussende Wärmeabgabe erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die mindestens eine Brennstoffzelle eine Gesamtleistung von maximal 150 kW (Radleistung), bevorzugt maximal 120 kW (Radleistung) aufweisen. Die mindestens eine Brennstoffzelle kann somit hinsichtlich der zum Antrieb des Kraftfahrzeugs benötigten Leistung unterdimensioniert sein bzw. zum Antrieb des Kraftfahrzeugs nur für einen Teil- oder Schwachlastbetrieb ausgelegt sein.
Zudem oder alternativ kann die mindestens eine Brennstoffzelle eine Mittel- und/oder Hochtemperaturbrennstoffzelle (z. B. eine Festoxidbrennstoffzelle) aufweisen. Beispielsweise kann die mindestens eine Brennstoffzelle eine Arbeitstemperatur von über 150°C aufweisen.
Zudem oder alternativ kann die mindestens eine Brennstoffzelle keine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle aufweisen.
Zudem oder alternativ kann die mindestens eine Brennstoffzelle als eine Range-Extender- Brennstoffzelle zum Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Die mindestens eine Brennstoffzelle kann somit vorzugsweise nicht zum primären Antrieb des Kraftfahrzeugs, sondern zum Aufladen eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs dienen, um dadurch eine Reichweite des Kraftfahrzeugs (z. B. ein BEV) zu erhöhen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, wie es in diesem Dokument beschrieben ist. Folglich sollen alle im Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug beschriebenen Merkmale auch im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart und beanspruchbar sein. Entsprechendes soll auch umgekehrt gelten.
Das Verfahren weist ein Betreiben der mindestens einen Brennstoffzelle auf. Beispielsweise kann das Betreiben ein Reagieren eines Brennstoffs (z. B. Wasserstoff) mit einem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff) in der mindestens eine Brennstoffzelle umfassen. Bevorzugt erfolgt das Betreiben der mindestens einen Brennstoffzelle in einem, vorzugsweise stationären, Betriebspunkt mit maximalem Wirkungsgrad der mindestens einen Brennstoffzelle. Die mindestens eine Brennstoffzelle kann somit vorzugsweise in einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden, welcher z. B. mittels entsprechender U-l- Kennlinien der mindestens einen Brennstoffzelle ermittelt werden kann. Insbesondere, falls die mindestens eine Brennstoffzelle nicht Teil eines primären Antriebs des Kraftfahrzeugs ist und „nur“ zum Wiederaufladen eines Energiespeichers verwendet wird, kann so auf vorteilhafte Weise ein möglichst wirtschaftlicher Betrieb der mindestens eine Brennstoffzelle realisiert werden.
Ferner weist das Verfahren ein Abführen von Abwärme mittels des ersten Fluidkreislaufs von der mindestens eine Brennstoffzelle auf. Beispielsweise kann das Abführen dabei ein Zirkulieren von einem (ersten) Fluid (z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch) im ersten Fluidkreislauf umfassen, welches Wärme von der mindestens eine Brennstoffzelle aufnimmt.
Weiterhin weist das Verfahren ein Übertragen der (abgeführten) Abwärme von dem ersten Fluidkreislauf auf den zweiten Fluidkreislauf mittels des Austausch-Wärmeübertragers auf. Beispielsweise kann der Austausch-Wärmeübertrager dazu in Form eines Plattenwärmeübertragers ausgebildet sein, durch den die durch das Fluid des ersten Fluidkreislaufs aufgenommene Abwärme an ein Arbeitsmedium (z. B. R245fa) des zweiten Fluidkreislaufs übertragen wird. Bevorzugt erfolgt dabei ein Verdampfen des Arbeitsmediums des zweiten Fluidkreislaufs im Austausch-Wärmeübertrager. Ferner weist das Verfahren ein Erzeugen mechanischer Energie mittels der Expansionsmaschine des zweiten Fluidkreislaufs unter Entspannung des Arbeitsmediums des zweiten Fluidkreislaufs auf. Beispielsweise kann das vorzugsweise dampfförmige Arbeitsmedium durch eine (z. B. als Kolbenexpansionsmaschine ausgebildete) Expansionsmaschine strömen und dabei Arbeit in der Expansionsmaschine verrichten. Auf vorteilhafte Weise kann dadurch die Abwärme der mindestens eine Brennstoffzelle zumindest teilweise in mechanische Energie überführt werden, welche sodann z. B. zur Stromgenerierung genutzt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Verfahren ferner ein Erzeugen elektrischer Energie aus der mittels der Expansionsmaschine erzeugten mechanischen Energie mittels eines Generators des Kraftfahrzeugs aufweisen. Beispielsweise kann das Erzeugen dabei ein (Dreh- )Antreiben des Generators durch die mechanische Energie der Expansionsmaschine umfassen. Weiterhin kann das Verfahren ein Speichern der (z. B. gesamten) erzeugten elektrischen Energie in einem Energiespeicher des Kraftfahrzeugs (z. B. einer Traktionsbatterie) aufweisen. Bevorzugt soll die erzeugte elektrische Energie somit ausschließlich zum Laden des Energiespeichers verwendet werden. Die elektrische Energie soll somit vorzugsweise nicht unmittelbar einem Antrieb des Kraftfahrzeugs zugeführt werden, sondern zunächst zum (Auf-)Laden des Energiespeichers verwendet werden. Insgesamt kann dadurch auf vorteilhafte Weise - neben einer Konditionierung der mindestens einen Brennstoffzelle - zusätzliche elektrische Energie zur Erhöhung der Reichweite des Kraftfahrzeugs aus der Abwärme der mindestens einen Brennstoffzelle zurückgewonnen werden.
Die zuvor beschriebenen Aspekte und Merkmale sind dabei beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1A-3B: schematische Darstellungen von Kraftfahrzeugen gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, sodass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden. Die Figuren 1A, 1 B, 2A, 2B, 3A und 3B zeigen jeweils verschiedene Ausführungsformen eines (stark vereinfacht dargestellten) Kraftfahrzeugs 10. Bevorzugt handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug 10 jeweils um ein Nutzfahrzeug, d. h. ein Kraftfahrzeug 10, das durch seine Bauart und Einrichtung speziell zum Transport von Gütern und/oder zum Ziehen eines oder mehrerer Anhängerfahrzeuge ausgelegt ist. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug 10 ein Lastkraftwagen, ein Omnibus, ein Sattelschlepper, ein Baustellenfahrzeug und/oder eine landwirtschaftliche Maschine sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann bspw. ein Fahrerhaus 10.1 aufweisen. Weiterhin optional kann das Kraftfahrzeug 10 auch einen - in Vorwärtsfahrtrichtung
V gesehen - hinter dem Fahrerhaus befindlichen bzw. angeordneten Turm 10.2 (z. B. einen Kühlturm) aufweisen. Als „Vorwärtsfahrrichtung“ des Kraftfahrzeugs 10 kann z. B. die Richtung verstanden werden, in der sich das Kraftfahrzeug 10 bei normaler Vorwärtsfahrt (ohne Lenkeinschlag) fortbewegt. Der Turm 10.2 kann dabei an oder benachbart zu einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses 10.1 angeordnet sein. Der Turm 10.2 kann somit außerhalb des Fahrerhauses 10.1 angeordnet sein. Der Turm 10.2 kann sich (vorrangig) entlang der Fahrzeughochachse H erstrecken.
Weiterhin kann das Kraftfahrzeug 10 als ein Elektrofahrzeug (z. B. ein Elektro-Nutzfahrzeug) ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug 10 mittels eines zentralen Elektroantriebs, mittels mehrerer Elektroradnabenantriebe oder mehrerer radnaher Elektroantriebe betrieben werden bzw. betreibbar sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann einen elektrischen Energiespeicher (z. B. eine Traktionsbatterie) aufweisen (nicht dargestellt). Der elektrische Energiespeicher kann elektrische Energie für mindestens eine elektrische Antriebseinheit zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 bereitstellen. Der Energiespeicher kann dabei als ein Hochvolt-Energiespeicher ausgeführt sein. Der Hochvolt-Energiespeicher kann z. B. mit einer Gleichspannung zwischen 60 V und 1 ,5 kV, besonders bevorzugt zwischen 400
V und 850 V, betrieben werden bzw. betreibbar sein. Der Energiespeicher kann extern über ein an einer Ladesteckdose des Kraftfahrzeugs 10 angeschlossenes elektrisches Ladekabel aufladbar sein. Entsprechend kann das Kraftfahrzeug 10 ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug, d. h. ein sog. „Battery Electric Vehicle“ - BEV, sein.
Figur 1A zeigt ein Kraftfahrzeug 10 gemäß einem ersten Konzept. Das Kraftfahrzeug 10 weist dabei mindestens eine Brennstoffzelle 12, einen ersten Fluidkreislauf 14, einen zweiten Fluidkreislauf 16 und einen Austausch-Wärmeübertrager 17a auf.
Der erste und zweite Fluidkreislauf 14, 16 sind bevorzugt fluidisch voneinander getrennt.
Zwischen dem ersten und zweiten Fluidkreislauf 14, 16 soll somit vorzugsweise keine, einen Fluidaustausch zwischen den beiden Fluidkreisläufen ermöglichende, direkte Fluidverbindung bestehen. Der erste und zweite Fluidkreislauf 14, 16 sollen jedoch über den Austausch- Wärmeübertrager 17a miteinander thermisch gekoppelt oder koppelbar sein. Zwischen den beiden Fluidkreisläufen kann somit bevorzugt zwar kein Stoffaustausch, jedoch ein Wärmeaustausch erfolgen. Beispielsweise kann der Austausch-Wärmeübertrager 17a als ein Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein. Der Austausch-Wärmeübertrager 17a kann in den ersten und zweiten Fluidkreislauf 14, 16 eingebunden sein. Beispielsweise kann der Austausch-Wärmeübertrager 17a einen ersten Fluidkanal und einen zweiten Fluidkanal aufweisen, wobei der erste Fluidkanal einen Abschnitt des ersten Fluidkreislaufs 14 bildet und der zweite Fluidkanal einen Abschnitt des zweiten Fluidkreislaufs 16 bildet.
Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann bspw. eine Wasserstoff-Sauerstoff- Brennstoffzelle sein. Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann ausgebildet sein, eine chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und eines Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff) in elektrische Energie zu wandeln. Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann dazu auch mehrere Brennstoffzellen 12 umfassen. Diese können (z. B. in Form eines Stacks) miteinander (z. B. seriell) verschaltet sein. Die mehreren Brennstoffzellen 12 können bspw. jeweils Mittel- und/oder Hochtemperaturbrennstoffzellen sein. Die mehreren Brennstoffzellen 12 sollen bevorzugt keine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen sein. Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann seriell mit mindestens einer elektrischen Antriebseinheit gekoppelt sein. Entsprechend kann die mindestens eine Brennstoffzelle 12 zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 dienen.
Bevorzugt ist die mindestens eine Brennstoffzelle 12 allerdings als eine Range-Extender- Brennstoffzelle ausgebildet. Diese kann dabei (z. B. ausschließlich) zum Laden des elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs 10 dienen. Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann somit bspw. Teil eines Range- Extender-Systems des Kraftfahrzeugs 10 sein. Entsprechend kann die mindestens eine Brennstoffzelle 12 vorzugsweise nicht zum primären Antrieb des Kraftfahrzeugs 10 dienen. Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann z. B. ausschließlich zum Laden bzw. Aufladen des elektrischen Energiespeichers vorgesehen sein, bspw. um dadurch die Reichweite des Kraftfahrzeugs 10 (z. B. ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug) zu erhöhen. Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann dabei mit dem elektrischen Energiespeicher leitungstechnisch verbunden oder verbindbar sein. Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 bzw. die mehreren Brennstoffzellen 12 können damit kleiner als im Fall eines Brennstoffzellenantriebs (FCEV) dimensioniert sein. Beispielsweise können die mehreren Brennstoffzellen 12 eine Gesamtleistung (Radleistung) von nur max. 120-150 kW (z. B. bezogen auf einen 40t Zug) aufweisen.
Da die mindestens eine Brennstoffzelle 12 bevorzugt nicht als primärer Antrieb genutzt werden soll, kann die mindestens eine Brennstoffzelle 12, vorzugsweise ausschließlich, in einem optimalen bzw. stationären Betriebspunkt betrieben werden. Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann somit, vorzugsweise ausschließlich, mit ihrem maximalen Wirkungsgrad betrieben werden. Beispielsweise kann die mindestens eine Brennstoffzelle 12 bei Bedarf eingeschaltet werden, wobei ein Betriebspunkt mit maximalen Wirkungsgrad gewählt wird. Ist eine gewünschte Aufladung des elektrischen Energiespeichers erreicht, kann die mindestens eine Brennstoffzelle 12 sodann wieder ausgeschaltet werden. Die mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann somit „schwarz/weiß“ eingeschaltet werden bzw. immer in demselben Zustand betrieben werden.
Der erste Fluidkreislauf 14 dient bevorzugt zum Abführen von Abwärme von der mindestens einen Brennstoffzelle 12. Hierzu ist der erste Fluidkreislauf 14 mit der mindestens einen Brennstoffzelle 12 thermisch gekoppelt oder koppelbar. Beispielsweise kann der erste Fluidkreislauf 14 zumindest abschnittsweise in die mindestens eine Brennstoffzelle 12 (z. B. in einen Wandungsabschnitt der mindestens einen Brennstoffzelle 12) zu deren direkter Kühlung integriert sein. Es ist allerdings beispielsweise auch möglich, dass der erste Fluidkreislauf 14 einen Brennstoffzellen-Wärmeübertrager (nicht dargestellt) aufweist, mittels dem der erste Fluidkreislauf 14 mit der mindestens einen Brennstoffzelle 12 (zur Übertragung von Abwärme) thermisch gekoppelt oder koppelbar ist. Beispielsweise kann dieser Brennstoffzellen-Wärmeübertrager direkt in die mindestens eine Brennstoffzelle 12 (z. B. in einem Wandungsabschnitt) integriert sein.
Der erste Fluidkreislauf 14 kann ein geschlossener Fluidkreislauf sein. Der erste Fluidkreislauf 14 kann ein Kühlmittelkreislauf sein. In dem ersten Fluidkreislauf 14 kann ein erstes Fluid (z. B. ein Kühlmittel, wie z. B. Wasser oder eine Wasser-Glykol-Gemisch) zirkulieren. Hierbei kann der erste Fluidkreislauf 14 eine erste Fördervorrichtung 14c (z. B. einer Kreisel- oder Membranpumpe) zur Förderung des ersten Fluids aufweisen. Nach der Förderung durch die erste Fördervorrichtung 14c kann das erste Fluid zuerst die mindestens eine Brennstoffzelle 12 durchströmen und vorzugsweise Abwärme von dieser abführen. Am Austritt aus der mindestens einen Brennstoffzelle 12 kann eine Temperatur des ersten Fluids z. B. im Bereich von 90-95 °C liegen. Anschließend kann das erste Fluid den Austausch-Wärmeübertrager 17a bzw. dessen ersten Fluidkanal durchströmen und dort vorzugsweise zumindest einen Teil der aufgenommen Abwärme abgeben. Letztlich kann das erste Fluid wieder zur ersten Fördervorrichtung 14c gelangen. Entsprechend kann die mindestens eine Brennstoffzelle 12 stromab der ersten Fördervorrichtung 14c angeordnet sein. Der Austausch-Wärmeübertrager 17a kann stromab der mindestens einen Brennstoffzelle 12 angeordnet sein. Ferner kann der erste Fluidkreislauf 14 weitere optionale Komponenten aufweisen, die nachfolgend im Zusammenhang mit weiteren Kraftfahrzeugkonzepten noch eingehender beschrieben werden.
Der zweite Fluidkreislauf 16 dient bevorzugt zur Energierückgewinnung aus der Abwärme der mindestens einen Brennstoffzelle 12. Der zweite Fluidkreislauf 16 kann (ebenfalls) ein geschlossener Fluidkreislauf sein. Der zweite Fluidkreislauf 16 kann ein Kältemittelkreislauf sein. In dem zweiten Fluidkreislauf 14 kann ein zweites Fluid zirkulieren, welches auch als Arbeitsmedium bezeichnet werden kann. Das zweite Fluid bzw. das Arbeitsmedium kann ein organisches Kältemittel (z. B. ein Fluorkohlenwasserstoff, wie z. B. R245fa) und/oder ein anorganisches Kältemittel (z. B. Ammoniak oder CO2) aufweisen. Der zweite Fluidkreislauf 16 kann dazu eine zweite Fördervorrichtung 16c zur Förderung des Arbeitsmediums aufweisen. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1A ist die zweite Fördervorrichtung 16c beispielhaft als ein Verdichter (z. B. einen Kompressor) ausgebildet. Mittels des Verdichters kann das Arbeitsmedium verdichtet bzw. auf einen höheren Druck komprimiert werden. Weiterhin kann in dem Ausführungsbeispiel von Figur 1A der zweite Fluidkreislauf 16 beispielhaft einen (rechtsläufigen) Clausius-Rankine-Kreisprozess realisieren. Beispielsweise kann der zweite Fluidkreislauf 16 einen organischen Rankine-Kreisprozess realisieren. Das Arbeitsmedium des zweiten Fluidkreislaufs 16 kann somit beim Zirkulieren bevorzugt einer Phasenumwandlung unterzogen werden.
Bevorzugt ist der Austausch-Wärmeübertrager 17a dazu als Verdampfer des zweiten Fluidkreislaufs 16 ausgebildet. Der Verdampfer kann dabei die vom ersten Fluidkreislauf 14 bzw. dessen erstes Fluid aufgenommene Abwärme zum Erwärmen und Verdampfen des zweiten Fluids des zweiten Fluidkreislaufs 16 nutzen. Entsprechend kann der Austausch- Wärmeübertrager 17a bzw. Verdampfer bevorzugt zum Übertragen der Abwärme von dem ersten Fluidkreislauf 14 auf dem zweiten Fluidkreislauf 16 ausgebildet sein. Bevorzugt verdampft das zweite Fluid bzw. Arbeitsmedium im Verdampfer unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur (Siedekühlung). Im Austausch-Wärmeübertrager 17a bzw. Verdampfer kann somit eine Enthalpie des Arbeitsmediums des zweiten Fluidkreislaufes 16 erhöht werden. Das Arbeitsmedium kann den Austausch-Wärmeübertrager 17a bzw. Verdampfer in einem gasförmigen Zustand, zum Beispiel in Form von Nassdampf oder überhitztem Dampf, verlassen.
Ferner weist der zweite Fluidkreislauf 16 eine Expansionsmaschine 16d auf. Bevorzugt dient die Expansionsmaschine 16d zum Erzeugen von mechanischer Energie unter Entspannung des Arbeitsmediums des zweiten Fluidkreislaufs 16. In der Expansionsmaschine 16d kann die innere Energie des (verdampften bzw. gasförmigen) Arbeitsmediums durch Entspannen des Arbeitsmediums abgebaut und dabei teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden. Dadurch kann beispielsweise ein Ausgabeelement, wie eine Abtriebswelle, der Expansionsmaschine 16d angetrieben werden. Die Expansionsmaschine 16d kann beispielsweise als eine Turbine, eine Kolbenmaschine oder ein Scroll-Expander ausgeführt sein.
Das Ausgabeelement der Expansionsmaschine 16d kann beispielsweise auch mit einem Generator (nicht ausdrücklich dargestellt) trieblich verbunden sein, um elektrische Energie aus der zurückgewonnenen mechanischen Energie zu gewinnen. Die elektrische Energie kann beispielsweise in dem elektrischen Energiespeicher gespeichert werden oder zu einem Nebenverbraucher (z. B. der ersten und/oder zweiten Fördervorrichtung 14c, 16c) zugeführt werden.
Weiterhin kann der zweite Fluidkreislauf 16 einen Wärmeübertrager aufweisen, der im Folgenden zur besseren Unterscheidung als zweiter Wärmeübertrager 16a bezeichnet werden kann. Der zweite Wärmeübertrager 16a kann bspw. ein Kühler sein. Der zweite Wärmeübertrager 16a bzw. Kühler kann dabei z. B. vertikal oder horizontal orientiert sein. Bevorzugt dient der zweite Wärmeübertrager 16a zum, vorzugsweise direkten, Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebung. Entsprechend kann der zweite Fluidkreislauf 16 bevorzugt zu einer (direkten) Wärmeabgabe an die Fahrzeugumgebung (als Wärmesenke) ausgebildet sein. Im zweiten Wärmeübertrager 16a bzw. Kühler kann das Arbeitsmedium abgekühlt werden. Der zweite Wärmeübertrager 16a kann dazu bspw. als luftkühlbarer Wärmeübertrager (z. B. als ein Rippenrohr- und/oder Lamellen- Wärmeübertrager) ausgebildet sein. Zudem oder alternativ kann der zweite Wärmeübertrager 16a auch als ein Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet sein. Ferner kann der zweiter Wärmeübertrager 16a einen, vorzugsweise elektrisch angetriebenen, zweiten Lüfter 16b aufweisen. Entsprechend kann der zweite Wärmeübertrager 16a mittels des zweiten Lüfters 16b gekühlt oder kühlbar sein. Im Ausführungsbeispiel von Figur 1A ist der zweite Wärmeübertrager 16a beispielhaft als ein Kondensator ausgeführt. Der Kondensator kann das Arbeitsmedium vollständig kondensieren, sodass die zweite Fördervorrichtung 16c das flüssige Arbeitsmedium wieder ansaugen kann. Entsprechend kann im zweiten Wärmeübertrager 16a (durch Wärmeabgabe) ein Phasenübergang des Arbeitsmediums des zweiten Fluidkreislaufs 16 (von gasförmig nach flüssig) erfolgen.
In dem in Figur 1A dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Wärmeübertrager 16a dabei beispielhaft benachbart und/oder angrenzend zu einer Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet. Der zweite Wärmeübertrager 16a kann somit in einem sich bezüglich der normalen Vorwärtsfahrtrichtung V zuvorderst befindliche Bereich („Front-End“) des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet sein. Beispielsweise kann der zweite Wärmeübertrager 16a benachbart und/oder angrenzend zu einer Frontschürze, einer Frontstoßstange, einer Frontverkleidung und/oder einem Kühlergrill (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet sein. Entsprechend soll der zweite Wärmeübertrager 16a bei einer Vorwärtsfahrt des Kraftfahrzeugs 10 frontal mit Umgebungsluft anströmbar sein. Falls dabei ein Kühlluftmassenstrom nicht ausreichend sein sollte, kann zusätzlich der zweite Lüfter 16b zugeschaltet werden. Dieses Konzept eignet sich dabei bevorzugt für Schwachlast- bzw. leichte Nutzfahrzeuge. Der zweite Wärmeübertrager 16a kann ferner - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - vor dem Austausch-Wärmeübertrager 17a und/oder der mindestens einen Brennstoffzelle 12 angeordnet sein. Der zweite Wärmeübertrager 16a kann im Fahrerhaus 10.1 angeordnet sein. Der zweite Fluidkreislauf 16 kann, vorzugsweise vollständig, im Fahrerhaus 10.1 bzw. innerhalb des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet sein. Auch der Austausch-Wärmeübertrager 17a und/oder der erste Fluidkreislauf 14 können, vorzugsweise vollständig, im Fahrerhaus 10.1 bzw. innerhalb des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet sein. Bevorzugt weist der erste und zweite Fluidkreislauf 16 in dieser Ausführungsform keine weiteren Wärmeübertrager als die vorstehend beschrieben auf.
Wie vorstehend erwähnt, kann der zweite Fluidkreislauf 16 einen rechtsläufigen Kreisprozess, z. B. einen organischen Rankine-Kreisprozess bzw. Niedertemperatur Clausius-Rankine- Kreisprozess realisieren. Hierbei kann der Austausch-Wärmeübertrager 17a bzw. dessen zweiter Fluidkanal stromab der zweiten Fördervorrichtung 16c angeordnet sein. Die Expansionsmaschine 16d kann stromab des Austausch-Wärmeübertragers 17a angeordnet sein. Der zweite Wärmeübertrager 16a bzw. Kondensator kann stromab der Expansionsmaschine 16d angeordnet sein. Entsprechend kann mittels des zweiten Fluidkreislaufs 16 die Abwärme der mindestens einen Brennstoffzelle 12 in mechanische Arbeit bzw. über den Generator letztlich in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad des organischen Rankine-Kreisprozesses kann dabei, wie für alle Niedertemperatur Clausius-Rankine-Kreisprozesse, im Bereich zwischen 3-7% liegen. Bevorzugt sollte der organischen Rankine-Kreisprozess dabei in einem stationären Betriebspunkt betrieben werden, um den maximalen Wirkungsgrad zu erzielen.
Die Figur 1 B zeigt ein gegenüber der Figur 1A modifiziertes Konzept. In Figur 1 B ist der zweite Wärmeübertrager 16a nicht im Bereich der Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet. Bevorzugt weist das Kraftfahrzeug 10 keinerlei Front-End-Kühlung der mindestens einen Batteriezelle 12 auf. Der zweite Wärmeübertrager 16a soll in dieser beispielhaften Ausführungsform bevorzugt - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, dem Fahrerhaus 10.1 angeordnet sein. Dieser Ansatz eignet sich bevorzugt für Schwachlastfahrzeuge, wobei durch den Entfall der Front-End-Kühlung die Stirnfläche bzw. Front des Kraftfahrzeugs 10 optisch und geometrisch geschlossen werden kann. Hierdurch kann bspw. der Strömungswiderstand (Cw-Wert) und damit der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs 10 verbessert werden.
Der zweite Wärmeübertrager 16a kann dabei bspw. an oder in dem (hinter dem Fahrerhaus 10.1 befindlichen) Turm 10.2 bzw. Kühlturm angeordnet sein. Dabei kann der zweite Wärmeübertrager 16a an oder benachbart zu einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses 10.1 angeordnet sein. Entsprechend kann der zweite Wärmeübertrager 16a auch - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, der mindestens einen Brennstoffzelle 12 und/oder dem Austausch-Wärmeübertrager 17a angeordnet sein. Ferner können auch die weiteren Komponenten des zweiten Fluidkreislaufs 16 bzw. der zweite Fluidkreislauf 16 insgesamt - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, dem ersten Fluidkreislauf 14 und/oder der mindestens einen Brennstoffzelle 12 angeordnet sein. Bevorzugt weist auch diese Ausführungsform keine weiteren Wärmeübertrager als die vorstehend beschrieben auf.
Die Figuren 2A und 2B zeigen ein gegenüber der Figur 1A modifiziertes Konzept. In Figur 2A bzw. 2B weist der erste Fluidkreislauf 14 (ebenfalls) einen Wärmeübertrager auf, der auch als erster Wärmeübertrager 14a bezeichnet werden kann. Der erste Wärmeübertrager 14a kann bspw. ein Kühler sein. Der erste Wärmeübertrager 14a bzw. Kühler kann dabei z. B. vertikal oder horizontal orientiert sein. Bevorzugt dient der erste Wärmeübertrager 14a zum, vorzugsweise direkten, Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebung. Entsprechend kann der erste Fluidkreislauf 14 bevorzugt zu einer (direkten) Wärmeabgabe an die Fahrzeugumgebung (als Wärmesenke) ausgebildet sein. Im ersten Wärmeübertrager 14a bzw. Kühler kann das erste Fluid abgekühlt werden. Beispielsweise kann das erste Fluid (nach dessen Förderung durch die erste Fördervorrichtung 14c) zuerst die mindestens eine Brennstoffzelle 12 durchströmen und dort Abwärme aufnehmen. Anschließend kann das erste Fluid den Austausch-Wärmeübertrager durchströmen und dort als Wärmequelle für den zweiten Fluidkreislauf 16 dienen. Danach kann das erste Fluid zu dem ersten Wärmeübertrager 14a strömen, wo eine konvektive Wärmeübertragung an die Fahrzeugumgebung stattfinden kann. Anschließend kann das abgekühlte erste Fluid wiederum zur ersten Fördervorrichtung 14c strömen. Entsprechend kann die mindestens eine Brennstoffzelle 12 stromab der Pumpenreinrichtung angeordnet sein. Der Austausch-Wärmeübertrager 17a kann stromab der mindestens einen Brennstoffzelle 12 angeordnet sein. Der ersten Wärmeübertrager 14a kann stromab des Austausch-Wärmeübertragers 17a angeordnet sein.
Der erste Wärmeübertrager 14a kann bspw. als luftkühlbarer Wärmeübertrager (z. B. als ein Rippenrohr- und/oder Lamellen-Wärmeübertrager) ausgebildet sein. Zudem oder alternativ kann der erste Wärmeübertrager 14a auch als ein Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet sein. Ferner kann der erste Wärmeübertrager 14a einen, vorzugsweise elektrisch angetriebenen, ersten Lüfter 14b aufweisen. Entsprechend kann der erste Wärmeübertrager 14a mittels des ersten Lüfters 14b gekühlt oder kühlbar sein. In einer bevorzugten Variante ist der erste Wärmeübertrager 14a - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, dem Fahrerhaus 10.1 angeordnet sein. Der erste Wärmeübertrager 14a kann dabei bspw. an oder in dem (hinter dem Fahrerhaus 10.1 befindlichen) Turm 10.2 bzw. Kühlturm angeordnet sein (vgl. Figur 2B). Dabei kann der erste Wärmeübertrager 14a an oder benachbart zu einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses 10.1 angeordnet sein. Entsprechend kann der erste Wärmeübertrager 14a auch - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, der mindestens einen Brennstoffzelle 12 angeordnet sein. Der erste Wärmeübertrager kann 14a kann (bzgl. der Fahrzeughochachse H) oberhalb, vorzugsweise vollständig oberhalb, der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet sein (vgl. Figur 2B). Der erste Wärmeübertrager 14a auch - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, dem Austausch- Wärmeübertrager 17a angeordnet sein. Ferner kann der erste Fluidkreislauf 14 insgesamt - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, der dem zweiten Fluidkreislauf 16 angeordnet sein. Bevorzugt weist auch diese Ausführungsform keine weiteren Wärmeübertrager als die vorstehend beschrieben auf. Die Figur 3A zeigt ein gegenüber der Figur 2A bzw. 2B modifiziertes Konzept. In Figur 3A weist der erste Fluidkreislauf 14 einen ersten Teilkreislauf 14.1 und einen zweiten Teilkreislauf 14.2 auf. Der erste Fluidkreislauf 14 kann somit in den ersten und zweiten Teilkreislauf 14.1 und 14.2 aufgeteilt bzw. aufteilbar sein. Der erste Teilkreislauf 14.1 und der zweite Teilkreislauf 14.2 können fluidisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sein. Beispielsweise kann der erste Fluidkreislauf 14 dazu einen gemeinsamen Fluidpfad bzw. Abschnitt aufweisen, der sowohl in den ersten Teilkreislauf 14.1 als auch in den zweiten Teilkreislauf 14.2 eingebunden ist.
Der gemeinsame Fluidpfad bzw. Abschnitt kann dabei ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisen. In den gemeinsamen Fluidpfad (z. B. zwischen dem ersten und zweiten Ende) kann die mindestens eine Brennstoffzelle 12 angeordnet sein. Entsprechend kann die mindestens eine Brennstoffzelle 12 in beide Teilkreisläufe eingebunden sein. Am ersten Ende des gemeinsamen Fluidpfads kann eine erste Verzweigung angeordnet sein. Über die erste Verzweigung kann das erste Fluid vom ersten und zweiten Teilkreislauf 14.1 , 14.2 in den gemeinsamen Fluidpfad einströmen. Am zweiten Ende des gemeinsamen Fluidpfads kann eine zweite Verzweigung angeordnet sein. Über die zweite Verzweigung kann das erste Fluid nach Durchströmen des gemeinsamen Fluidpfads erneut in den ersten und zweiten Teilkreislauf 14.1 , 14.2 aufgeteilt werden.
Neben dem gemeinsamen Fluidpfad mit der mindestens eine Brennstoffzelle 12 kann der erste Teilkreislauf 14.1 den Austausch-Wärmeübertrager 17a und/oder eine erste Pumpeneinrichtung 14c.1 (z. B. einer Kreisel- oder Membranpumpe) aufweisen. Beispielsweise kann der gemeinsame Fluidpfad mit der mindestens einen Brennstoffzelle 12 stromab der ersten Pumpeneinrichtung 14c.1 im ersten Teilkreislauf 14.1 angeordnet sein. Der Austausch-Wärmeübertrager 17a kann stromab des gemeinsamen Fluidpfads mit der mindestens einen Brennstoffzelle 12 im ersten Teilkreislauf 14.1 angeordnet sein.
Der zweite Teilkreislauf 14.2 kann - neben dem gemeinsamen Fluidpfad mit der mindestens einen Brennstoffzelle 12 - den ersten Wärmeübertrager 14a und/oder eine zweite Pumpeneinrichtung 14c.2 (z. B. einer Kreisel- oder Membranpumpe) aufweisen. Beispielsweise kann der gemeinsame Fluidpfad mit der mindestens einen Brennstoffzelle 12 stromab der zweiten Pumpeneinrichtung 14c.2 im zweiten Teilkreislauf 14.2 angeordnet sein. Der erste Wärmeübertrager 14a kann stromab des gemeinsamen Fluidpfads mit der mindestens einen Brennstoffzelle 12 im zweiten Teilkreislauf 14.2 angeordnet sein. Im Fall, dass der erste Fluidkreislauf 14 einen ersten Teilkreislauf 14.1 und einen zweiten Teilkreislauf 14.2 aufweist, kann die erste Fördervorrichtung 14c die erste und zweite Pumpeneinrichtung 14c.1 , 14c.2 aufweisen bzw. in Form von zwei Pumpeneinrichtungen, d. h. der ersten und zweiten Pumpeneinrichtung 14c.1 , 14c.2, ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die erste und zweite Pumpeneinrichtung 14c.1 , 14c.2 dabei unabhängig voneinander betreibbar. Entsprechend können der erste und zweite Teilkreislauf 14.1 , 14.2 unabhängig voneinander betreibbar sein. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug 10 ausgebildet sein, dass in einem Teil- bzw. Schwachlastbetrieb (z. B. bei einer Autobahnfahrt) nur einen der beiden Teilkreisläufe (z. B. der erste Teilkreislauf 14.1) betrieben wird und in einem Hoch- bzw. Volllastbetrieb der erste und zweite Teilkreislauf 14.1 , 14.2 (z. B. parallel) betrieben werden. Hierzu kann das Kraftfahrzeug 10 eine entsprechende Steuereinrichtung (z. B. ein Steuergerät, nicht dargestellt) aufweisen. Die Steuereinrichtung kann mit der ersten und zweiten Pumpeneinrichtung 14c.1 , 14c.2 signaltechnisch verbunden sein. Die Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, in einem ersten Betriebsmodus Mi (z. B. einem Teil- bzw. Schwachlastbetrieb) nur den ersten oder zweiten Teilkreislauf 14.1 , 14.2 zu betreiben. Weiterhin kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, in einem zweiten Betriebsmodus M2 (z. B. einem Hoch- bzw. Volllastbetrieb) den ersten Teilkreislauf 14.1 und den zweiten Teilkreislauf 14.2 (gleichzeitig) zu betreiben. Über den zweiten Teilkreislauf 14.2 kann sodann zusätzlich Abwärme über den, vorzugsweise im Turm angeordneten, ersten Wärmeübertrager nach außen abgeführt werden.
Die Figur 3B zeigt ein gegenüber der Figur 3A modifiziertes Konzept. In Figur 3B weist der zweite Teilkreislauf 14.2 anstelle des ersten Wärmeübertragers 14a zum Wärmeaustausch mit der Fahrzeugumgebung einen weiteren Austausch-Wärmeübertrager 17b auf. Über diesen ist der erste Fluidkreislauf 14 bzw. dessen zweiter Teilkreislauf 14.2 mit einem dritten Fluidkreislauf 18 thermisch gekoppelt oder koppelbar. Bevorzugt ist der dritte Fluidkreislauf 18 allerdings nicht direkt bzw. unmittelbar an den zweiten Fluidkreislauf 16 gekoppelt bzw. koppelbar. Insgesamt kann das Kraftfahrzeug in dieser Variante drei Fluidkreisläufe, nämlich den ersten, zweiten und dritten Fluidkreislauf 14, 16 und 18 aufweisen.
Der dritte Fluidkreislauf 18 kann ein geschlossener Fluidkreislauf sein. Der dritte Fluidkreislauf 18 kann vom ersten und zweiten Fluidkreislauf 14 und 16 fluidisch getrennt sein. Der dritte Fluidkreislauf 18 kann z. B. ein Kältemittelkreislauf sein. In dem dritten Fluidkreislauf 18 kann ein drittes Fluid zirkulieren. Das dritte Fluid kann ein organisches Kältemittel (z. B. ein Fluorkohlenwasserstoff, wie z. B. R245fa) und/oder ein anorganisches Kältemittel (z. B. Ammoniak oder CO2) aufweisen. Hierbei kann der dritte Fluidkreislauf 18 eine dritte Fördervorrichtung 18c zur Förderung des dritten Fluids aufweisen. Im Ausführungsbeispiel von Figur 3B ist die dritte Fördervorrichtung 16c beispielhaft als ein Verdichter (z. B. einen Kompressor) ausgebildet. Mittels des Verdichters kann das dritte Fluid verdichtet bzw. auf einen höheren Druck komprimiert werden. Weiterhin kann in dem Ausführungsbeispiel von Figur 3B der dritte Fluidkreislauf 18 beispielhaft einen (rechtsläufigen) Clausius-Rankine- Kreisprozess (z.B. einen organischen Rankine-Kreisprozess) realisieren. Das dritte Fluid des dritten Fluidkreislaufs 18 kann somit beim Zirkulieren bevorzugt einer Phasenumwandlung unterzogen werden.
Nach der Förderung durch die dritte Fördervorrichtung 18c kann das dritte Fluid zuerst den weiteren Austausch-Wärmeübertrager 17b durchströmen. Der weitere Austausch- Wärmeübertrager 17b kann somit stromab der dritten Fördervorrichtung 18c angeordnet sein. Bevorzugt ist der weitere Austausch-Wärmeübertrager 17b dazu als Verdampfer des dritten Fluidkreislaufs 18 ausgebildet. Der Verdampfer kann dabei die vom ersten Fluidkreislauf 14 bzw. dessen erstes Fluid aufgenommene Abwärme zum Erwärmen und Verdampfen des dritten Fluids des dritten Fluidkreislaufs 18 nutzen. Entsprechend kann der weitere Austausch- Wärmeübertrager 17b bzw. Verdampfer bevorzugt zum Übertragen der Abwärme von dem ersten Fluidkreislauf 14 auf den dritten Fluidkreislauf 18 ausgebildet sein. Im weiteren Austausch-Wärmeübertrager 17b bzw. Verdampfer kann eine Enthalpie des dritten Fluids des dritten Fluidkreislaufs 18 erhöht werden. Das dritte Fluid kann den weiteren Austausch- Wärmeübertrager 17b bzw. Verdampfer in einem gasförmigen Zustand, zum Beispiel in Form von Nassdampf oder überhitztem Dampf, verlassen.
Ferner kann der dritte Fluidkreislauf 18 eine weitere Expansionsmaschine 18d aufweisen. Die weitere Expansionsmaschine 18d kann stromab des weiteren Austausch-Wärmeübertragers 17b angeordnet sein. Bevorzugt dient die weitere Expansionsmaschine 18d zum Erzeugen von mechanischer Energie unter Entspannung des dritten Fluids des dritten Fluidkreislaufs 18. In der weiteren Expansionsmaschine 18d kann die innere Energie des (verdampften bzw. gasförmigen) dritten Fluids durch Entspannen des dritten Fluids abgebaut und dabei teilweise in mechanische Energie umgewandelt werden. Dadurch kann beispielsweise ein Ausgabeelement, wie eine Abtriebswelle, der weiteren Expansionsmaschine 18d angetrieben werden. Die weitere Expansionsmaschine 18d kann beispielsweise als eine Turbine, eine Kolbenmaschine oder ein Scroll-Expander ausgeführt sein. Das Ausgabeelement der weiteren Expansionsmaschine 18d kann beispielsweise auch mit einem weiteren Generator (nicht ausdrücklich dargestellt) trieblich verbunden sein, um elektrische Energie aus der zurückgewonnene mechanischen Energie zu gewinnen. Die elektrische Energie kann beispielsweise in dem elektrischen Energiespeicher gespeichert werden oder zu einem Nebenverbraucher (z. B. der ersten und/oder zweiten Fördervorrichtung 14c, 16c) zugeführt werden.
Weiterhin kann der dritte Fluidkreislauf 18 einen Wärmeübertrager aufweisen, der als dritter Wärmeübertrager 18a bezeichnet werden kann. Der dritte Wärmeübertrager 18a kann stromab der weiteren Expansionsmaschine 18d angeordnet sein. Der dritte Wärmeübertrager 18a kann bspw. ein Kondensator sein. Der Kondensator kann das dritte Fluid vollständig kondensieren, sodass die dritte Fördervorrichtung 18c das flüssige dritte Fluid wieder ansaugen kann. Entsprechend kann im dritten Wärmeübertrager 18a (durch Wärmeabgabe) ein Phasenübergang des dritten Fluids des dritten Fluidkreislaufs 18 (z. B. von gasförmig nach flüssig) erfolgen. Der dritte Wärmeübertrager 18a bzw. Kondensator kann dabei z. B. vertikal oder horizontal orientiert sein. Bevorzugt dient der dritte Wärmeübertrager 18a zum, vorzugsweise direkten, Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebung. Entsprechend kann der dritte Fluidkreislauf 18 bevorzugt zu einer (direkten) Wärmeabgabe an die Fahrzeugumgebung (als Wärmesenke) ausgebildet sein. Im dritten Wärmeübertrager 18a kann das dritte Fluid abgekühlt werden. Der dritte Wärmeübertrager 16a kann dazu bspw. als luftkühlbarer Wärmeübertrager (z. B. als ein Rippenrohr- und/oder Lamellen- Wärmeübertrager) ausgebildet sein. Zudem oder alternativ kann der dritte Wärmeübertrager 18a auch als ein Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet sein. Ferner kann der dritte Wärmeübertrager 18a einen, vorzugsweise elektrisch angetriebenen, dritten Lüfter 18b aufweisen. Entsprechend kann der dritte Wärmeübertrager 18a mittels des dritten Lüfters 18b gekühlt oder kühlbar sein.
Weiterhin kann der dritte Wärmeübertrager 18a bspw. an oder in dem (hinter dem Fahrerhaus 10.1 befindlichen) Turm 10.2 bzw. Kühlturm angeordnet sein. Dabei kann der dritte Wärmeübertrager 18a an oder benachbart zu einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses 10.1 angeordnet sein. Entsprechend kann der dritte Wärmeübertrager 18a auch - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, der mindestens einen Brennstoffzelle 12 und/oder dem weiteren Austausch-Wärmeübertrager 17b angeordnet sein. Ferner können auch die weiteren Komponenten des dritten Fluidkreislaufs 18 bzw. der dritte Fluidkreislauf 18 insgesamt - in Vorwärtsfahrtrichtung V gesehen - hinter, vorzugsweise vollständig hinter, dem ersten Fluidkreislauf 14, dem zweiten Fluidkreislauf 16 und/oder der mindestens einen Brennstoffzelle 12 angeordnet sein. Bevorzugt weist auch diese Ausführungsform keine weiteren Wärmeübertrager als die vorstehend beschrieben auf.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der
Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste
10 Kraftfahrzeug
10.1 Fahrerhaus
10.2 Turm
12 Brennstoffzelle
14 Erster Fluidkreislauf
14.1 Erster Teilkreislauf
14.2 Zweite Teilkreislauf
14a Ersten Wärmeübertrager
14b Erster Lüfter
14c Erste Fördervorrichtung
14c.1 Erste Pumpeneinrichtung
14c.2 Zweite Pumpeneinrichtung
16 Zweiter Fluidkreislauf
16a Zweiter Wärmeübertrager
16b Zweiter Lüfter
16c Zweite Fördervorrichtung
16d Expansionsmaschine
17a Austausch-Wärmeübertrager
17b Weiteren Austausch-Wärmeübertrager
18 Dritter Fluidkreislauf
18a Dritter Wärmeübertrager
18b Dritter Lüfter
18c Dritte Fördervorrichtung
18d Weitere Expansionsmaschine
H Fahrzeughochachse
L Fahrzeuglängsachse
Mi Erster Betriebsmodus
M2 Zweiter Betriebsmodus
Q Fahrzeugquerachse
V Vorwärtsfahrtrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Kraftfahrzeug (10), vorzugsweise Elektrofahrzeug, aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (12), vorzugsweise eine Range-Extender- Brennstoffzelle zum Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs (10); einen ersten Fluidkreislauf (14), vorzugsweise Kühlmittelkreislauf, wobei der erste Fluidkreislauf (14) mit der mindestens einen Brennstoffzelle (12) thermisch gekoppelt oder koppelbar ist, vorzugsweise zum Abführen von Abwärme von der mindestens einen Brennstoffzelle (12); einen zweiten Fluidkreislauf (16), vorzugsweise ein Kältemittelkreislauf, wobei der zweite Fluidkreislauf (16) eine Expansionsmaschine (16d) zum Erzeugen von mechanischer Energie unter Entspannung eines Arbeitsmediums, vorzugsweise eines Kältemittels, des zweiten Fluidkreislaufs (16) aufweist; und einen Austausch-Wärmeübertrager (17a), über den der erste und zweite Fluidkreislauf (14, 16) miteinander thermisch gekoppelt oder koppelbar sind, vorzugsweise zum Übertragen der Abwärme von dem ersten Fluidkreislauf (14) auf dem zweiten Fluidkreislauf (16).
2. Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 1 , wobei: der zweiten Fluidkreislauf (16) ein organischer Rankine-Kreisprozess-Fluidkreislauf ist; und/oder der Austausch-Wärmeübertrager (17a) als Verdampfer des zweiten Fluidkreislaufs (16) ausgebildet ist; und/oder die Expansionsmaschine (16d) mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt oder koppelbar ist.
3. Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der erste Fluidkreislauf (14) einen ersten Wärmeübertrager (14a) zum Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebung aufweist, wobei der erste Wärmeübertrager (14a) vorzugsweise als luftkühlbarer Wärmeübertrager und/oder als ein Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet ist.
4. Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 3, wobei: das Kraftfahrzeug (10) ein Fahrerhaus (10.1) umfasst und der erste Wärmeübertrager (14a) in Vorwärtsfahrtrichtung (V) gesehen hinter dem Fahrerhaus (10.1), vorzugsweise in einem Turm (10.2), angeordnet ist und/oder an einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses (10.1) angeordnet ist.
5. Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei: der erste Wärmeübertrager (14a) in Vorwärtsfahrtrichtung (V) gesehen hinter der mindestens einen Brennstoffzelle (12) angeordnet ist; und/oder bezüglich einer Fahrzeughochachse (H) des Kraftfahrzeugs (10) höher angeordnet ist als die mindestens eine Brennstoffzelle (12).
6. Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der zweite Fluidkreislauf (16) einen zweiten Wärmeübertrager (16a) zum Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebung aufweist, wobei der zweite Wärmeübertrager (16a) vorzugsweise als luftkühlbarer Wärmeübertrager und/oder ein Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet ist.
7. Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 6, wobei der zweite Wärmeübertrager (16a): a) benachbart zu einer Fahrzeugfront des Kraftfahrzeugs (10) angeordnet ist; und/oder b) benachbart und/oder angrenzend zu einem Kühlergrill des Kraftfahrzeugs (10) angeordnet ist; und/oder c) bei einer Vorwärtsfahrt des Kraftfahrzeugs (10) frontal mit Umgebungsluft anströmbar ist.
8. Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 6, wobei: der zweite Wärmeübertrager (14a) in Vorwärtsfahrtrichtung (V) gesehen hinter der mindestens einen Brennstoffzelle (12) angeordnet ist; und/oder das Kraftfahrzeug (10) ein Fahrerhaus (10.1) umfasst und der zweite Wärmeübertrager (14a) in Vorwärtsfahrtrichtung (V) gesehen hinter dem Fahrerhaus (10.1), vorzugsweise in einem Turm (10.2), angeordnet ist und/oder an einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses (10.1) angeordnet ist.
9. Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei: der erste Fluidkreislauf (14) einen ersten Teilkreislauf (14.1) mit einer ersten Pumpeneinrichtung (14c.1) und einen zweiten Teilkreislauf (14.2) mit einer zweiten Pumpeneinrichtung (14c.2) aufweist, wobei der erste und zweite Teilkreislauf (14.1 , 14.2) fluidisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind.
10. Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 9, wobei: a) die erste und zweite Pumpeneinrichtung (14c.1 , 14c.2) unabhängig voneinander betreibbar sind; und/oder b) der erste und zweite Teilkreislauf (14.1 , 14.2) unabhängig voneinander betreibbar sind; und/oder c) der Austausch-Wärmeübertrager (17a) in dem ersten Teilkreislauf (14.1) angeordnet ist; und/oder d) die mindestens eine Brennstoffzelle (12) im ersten und zweiten Teilkreislauf (14.1) angeordnet ist.
11. Kraftfahrzeug (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, ferner aufweisend: eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus (Mi), vorzugsweise einem Schwachlastbetrieb, nur den ersten Teilkreislauf (14.1) zu betreiben; und in einem zweiten Betriebsmodus (M2), vorzugweise einem Volllastbetrieb, den ersten Teilkreislauf (14.1) und den zweiten Teilkreislauf (14.2), vorzugsweise gleichzeitig, zu betreiben.
12. Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner aufweisend: einen dritten Fluidkreislauf (18), vorzugsweise Kältemittelkreislauf; und einen weiteren Austausch-Wärmeübertrager (17b), über den der dritte Fluidkreislauf (18) und der erste Fluidkreislauf (14), vorzugsweise dessen zweiter Teilkreislauf (14.2), thermisch miteinander gekoppelt oder koppelbar sind, vorzugsweise zum Übertragen der Abwärme von dem ersten Fluidkreislauf (14) auf den dritten Fluidkreislauf (18).
13. Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 12, wobei: der dritte Fluidkreislauf (18) ein organischer Rankine-Kreisprozess-Fluidkreislauf ist; und/oder der weitere Austausch-Wärmeübertrager (17b) als Verdampfer des dritten Fluidkreislaufs (18) ausgebildet ist; und/oder der dritte Fluidkreislauf (18) eine weitere Expansionsmaschine (18d) zum Erzeugen von mechanischer Energie unter Entspannung eines Arbeitsmediums, vorzugsweise eines Kältemittels, des dritten Fluidkreislaufs (18) aufweist, wobei die weitere Expansionsmaschine (18d) vorzugsweise mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt oder koppelbar ist. Kraftfahrzeug (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei: der dritte Fluidkreislauf (18) einen dritten Wärmeübertrager (18a) zum Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebung aufweist, wobei der dritte Wärmeübertrager (18a) vorzugsweise: als luftkühlbarer Wärmeübertrager und/oder ein Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet ist, das Kraftfahrzeug (10) ein Fahrerhaus (10.1) umfasst und der dritte Wärmeübertrager (18a) in Vorwärtsfahrtrichtung (V) gesehen hinter dem Fahrerhaus (10.1), vorzugsweise in einem Turm (10.2), angeordnet ist und/oder an einer äußeren Rückwand des Fahrerhauses (10.1) angeordnet ist. Kraftfahrzeug (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle (12): eine Gesamtleistung von maximal 150 kW, bevorzugt maximal 120 kW aufweist; und/oder eine Mittel- und/oder Hochtemperaturbrennstoffzelle aufweist; und/oder keine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle aufweist; und/oder als eine Range-Extender-Brennstoffzelle zum Laden eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs (10) ausgebildet ist. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend:
- Betreiben der mindestens einen Brennstoffzelle (12), vorzugsweise in einem stationären Betriebspunkt mit maximalem Wirkungsgrad der mindestens einen Brennstoffzelle (12);
- Abführen von Abwärme mittels des ersten Fluidkreislaufs (14) von der mindestens einen Brennstoffzelle (12);
- Übertragen der Abwärme von dem ersten Fluidkreislauf (14) auf den zweiten Fluidkreislauf (16) mittels des Austausch-Wärmeübertragers (17a); und
- Erzeugen mechanischer Energie mittels der Expansionsmaschine (16d) des zweiten Fluidkreislaufs (16) unter Entspannung eines Arbeitsmediums des zweiten Fluidkreislaufs (16). ahren nach Anspruch 16, ferner aufweisend:
- Erzeugen elektrischer Energie aus der mittels der Expansionsmaschine (16d) erzeugten mechanischen Energie mittels eines Generators des Kraftfahrzeugs (10); und - Speichern der erzeugten elektrischen Energie in einem Energiespeicher des
Kraftfahrzeugs (10).
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