DE10006344C2 - Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage, gemäß der
Gattung von Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge mit einer z. B. in der DE 197 55 116 C1
beschriebenen Brennstoffzellenanlage bekannt, welche Brennstoffzellen und einen Kom
pressor zur Komprimierung der den Brennstoffzellen zugeführten Prozessluft zur Stromer
zeugung umfasst. Zudem fördern kleine Pumpen Druckluft zum Anpressen der Brennstoff
zellen. Darüber hinaus sind in mit solchen Brennstoffzellenanlagen ausgerüsteten Kraftfahr
zeugen wie beispielsweise in Reisebussen oder Omnibussen noch weitere Druckluftverbrau
cher wie z. B. eine Druckluftbremsanlage, eine Druckluftfederung sowie eine druckluftbetä
tigte Türschließ- und Türöffnungseinrichtung vorhanden. Für die Kühlung von Antriebskom
ponenten (Brennstoffzellen, Elektroantrieb, Leitungselektronik) werden außerdem große
Luftmengen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit bei niedrigem Druck benötigt.
Unbefriedigend bei diesem Stand der Technik ist jedoch, dass für die Versorgung der
Brennstoffzellenanlage sowie der weiteren Teilsysteme mit Druckluft jeweils eine eigene
Druckluftversorgungseinrichtung und somit eine relativ große Anzahl von diesbezüglichen
Bauteilen und Baugruppen vorhanden ist.
Aus der DE 42 01 795 A1 ist ein Verfahren und eine Anlage zur Leistungssteigerung einer
Wasserstoff/Luft-Brennstoffzelle bekannt, bei der der Sauerstoffpartialdruck der der Brenn
stoffzelle zuströmenden Luft erhöhbar ist, um die elektrische Leistung der Brennstoffzelle bei
Bedarf kurzfristig um ein Mehrfaches der Dauerleistung zu steigern. Dabei ist der Brenn
stoffzellenanlage über eine Druckluftversorgungseinrichtung, welche Luftverdichter und
Druckluftspeicher enthält, mit Druckluft versorgbar.
Aus der DE 43 18 818 A1 ist ein Verfahren zur Bereitstellung von Prozessluft für luftatmende
Brennstoffzellensysteme bekannt, wobei zum Betrieb einer Brennstoffzellenanlage Sauer
stoff aus der Umgebung angesaugt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Nutzfahrzeug der eingangs erwähnten
Art die Druckluftversorgung sämtlicher druckluftbenötigender Teilsysteme des Nutzfahrzeu
ges technisch und wirtschaftlich zu optimieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Nutzfahrzeug hat den Vorteil, dass durch eine gemeinsame, sämtli
che Druckluftverbraucher mit Druckluft versorgende Druckluftversorgungseinrichtung die
Anzahl der Komponenten und damit einhergehend der Platzbedarf, das Gewicht und die
Herstellkosten erheblich verringert werden. Die für alle Teilsysteme benötigte Druckluft-
Gesamtmenge wird hierbei von einem zentralen Luftverdichter vorverdichtet.
Des weiteren beinhaltet die gemeinsame Druckluftversorgungseinrichtung eine vom we
nigstens einen zentralen Luftverdichter wegführende, zentrale Druckluftleitung, von welcher
mindestens eine den Brennstoffzellen zugeordnete Druckluftleitung sowie den weiteren
Druckluftverbrauchern zugeordnete Druckluftleitungen abzweigen.
Gegebenenfalls vorhandene weitere Verzweigungen von Druckluftleitungen sind zur paral
lelen Druckluftversorgung von mehreren Druckluftverbrauchern und/oder durch eine Hinter
einanderschaltung von mehreren Druckluftverbrauchern in einer einzigen Druckluftleitung
zur seriellen Druckluftversorgung vorsehbar.
Die Druckluftversorgungseinrichtung umfasst außerdem eine Steuer- und Regeleinrichtung,
durch welche als Stellglieder innerhalb der Druckluftversorgungseinrichtung vorgesehener
Ventile und/oder vorgesehener Luftverdichter und/oder vorgesehener Druckluftspeicher in
Abhängigkeit der von den Druckluftverbrauchern benötigten Druckluft-Teilmengen und/oder
des dort benötigten Druckniveaus ansteuerbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die in der Druckluftversorgungs
einrichtung vorgesehenen Ventile in mindestens einigen dieser Druckluftleitungen angeord
net sein, wobei in Abhängigkeit des Schaltzustandes der Ventile von der vom zentralen Luft
verdichter erzeugten Druckluft-Gesamtmenge dem betreffenden Druckluftverbraucher indivi
duell eine bestimmte Druckluft-Teilmenge zugeführt ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildun
gen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Nutzfahrzeugs möglich.
Zur Bevorratung von komprimierter Druckluft weist die Druckluftversorgungseinrichtung min
destens einen Druckluftspeicher auf, vorzugsweise einen zentralen, von der zentralen
Druckluftleitung mit Druckluft versorgten Druckluftspeicher sowie weitere diesem nachge
ordnete Druckluftspeicher.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in den Zeichnungen dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer Druckluftversorgungseinrichtung eines
Nutzfahrzeuges gemäß der Erfindung in bevorzugter Ausführungsform,
Fig. 2 eine ebenfalls stark schematisierte Darstellung einer weiteren Ausführungsform der
Druckluftversorgungseinrichtung.
Die in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnete Druckluftversorgungseinrichtung dient in bevor
zugter Ausführungsform zur Druckluftversorgung sämtlicher Druckluftverbraucher eines
Nutzfahrzeuges (z. B. Omnibus), welches mit einer Brennstoffzellenanlage 2 ausgerüstet ist.
Solche Brennstoffzellenanlagen 2 benötigen bekanntermaßen Sauerstoff aus der Umge
bungsluft zur Stromerzeugung, gereinigte Druckluft zum Anpressen ihrer Brennstoffzellen 4
sowie Kühlluft zum Kühlen der Brennstoffzellen 4, des Elektroantriebs bzw. der Leistungs
elektronik.
Zu diesem und weiteren Zwecken umfasst die Druckluftversorgungseinrichtung 1 einen zent
ralen, durch einen Motor M angetriebenen Luftverdichter 6, welcher in einer zentralen
Druckluftleitung 8 aufgenommen ist, um von der Atmosphäre durch einen bedarfsweise vor
geschalteten Luftfilter 10 gereinigte Luft anzusaugen und zu komprimieren. Die angesaugte
und komprimierte Druckluft ist in einem dem zentralen Luftverdichter 6 nachgeordneten
zentralen Druckluftspeicher 12 speicherbar.
An einer bezogen auf den zentralen Druckluftspeicher 12 stromabwärts angeordneten Ver
zweigungsstelle 14 zweigt von der zentralen Druckluftleitung 8 eine in Fig. 1 linke Druckluft
leitung 16 ab, welche die für den Betrieb der Brennstoffzellen 4 der Brennstoffzellenanlage 2
notwendige Druckluft liefert, sowie eine in Fig. 1 rechte Druckluftleitung 18, die weiteren
Druckluftverbrauchern 20 des Nutzfahrzeuges (z. B. Omnibus) zugeordnet ist, bei welchen
es sich beispielsweise um eine Druckluftbremsanlage, eine Druckluftfederung, eine druck
luftbetätigte Türschließ- und Türöffnungseinrichtung, eine Kneeling-Einrichtung zur einseiti
gen Absenkung beispielsweise des Omnibusses als Einstiegserleichterung an Haltestellen
oder Ähnliches handelt. Die in die rechte Druckluftleitung 18 eingespeiste Druckluft wird den
einzelnen Verbrauchern 20 über eine Verteilerschiene 22 zugeführt. Der rechten Druckluft
leitung 18 ist außerdem ein eigener, bezüglich der Verteilerschiene 22 stromaufwärts ange
ordneter Luftverdichter 24 zugeordnet sowie ein eigener Druckluftspeicher 26 und bedarfs
weise ein Luftfilter 28. Ein stromabwärts der Verzweigungsstelle 14 geführter, in Fig. 1
rechter Teil 30 einer mittleren Druckluftleitung 32 mündet in eine Frischluft- und Heizungs
einrichtung 34 des Omnibusses, wo die vorverdichtete Druckluft zur Frischluftversorgung
des Fahrgastraumes bzw. zum Heizen oder Kühlen verwendet wird.
Zur Verteilung der in die zentrale Druckluftleitung 8 eingesaugte Gesamt-Druckluftmenge in
von den jeweiligen Druckluftverbrauchern 4, 20, 34 benötigte Druckluft-Teilmengen sind in
mindestens einigen der Druckluftleitungen Ventile vorhanden, welche entweder als Mehrwe
geventile oder als Drosselventile ausgebildet sein können, die eine Drosselung des sie pas
sierenden Druckluftstromes erlauben.
So ist z. B. in Abhängigkeit der Drosselstellung eines in der rechten Druckluftleitung 18 ein
gansseitig angeordneten Drosselventils 36 der Verteilerschiene 22 individuell eine bestimmte
Druckluft-Teilmenge zuführbar.
Die durch einen weiteren Luftfilter 28 hindurch der linken Druckluftleitung 16 zugeführte
Druckluft dient zum einen als Sauerstofflieferant für die Brennstoffzellen 4 und zum anderen
als Kühlluft für die Elektroantriebskomponenten und die Brennstoffzellen 4. Zu letzterem
Zweck ist den Brennstoffzellen 4 ein Wasserkühlnetz 38 zugeordnet, welchem mittels eines
Wärmetauschers durch die vorbeiströmende Kühlluft Wärme entziehbar ist. Die hierdurch
aufgeheizte Druckluft kann dann in den rechten Teil 30 der mittleren Druckluftleitung 32 ein
gespeist und zum Heizen des Fahrgastraumes genutzt werden. Die den Brennstoffzellen 4
direkt zugeführte Druckluft-Teilmenge zum Kühlen oder zur Sauerstoffversorgung ist durch
eine entsprechende Drosselstellung eines in der linken Druckluftleitung 16 eingangsseitig
angeordneten Drosselventils 40 einstellbar. Überschüssige Druckluft ist durch ein weiteres
Drosselventil 42 hindurch einem linken Teil 44 der mittleren Druckluftleitung 32 zuführbar,
welche in ein Wasserkühlsystem 46 des Fahrzeugmotors mündet.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei identische und
analoge Bauteile und Baugruppen mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind wie in
Fig. 1. Gemäß dieser Ausführungsform beinhaltet die Druckluftversorgungseinrichtung 1
eine Steuer- und Regeleinrichtung 48, durch welche als Stellglieder die Ventile 36, 40, 42,
die Luftverdichter 6, 24 und die Druckluftspeicher 12, 26 in Abhängigkeit der von den
Druckluftverbrauchern 4, 20, 34, 46 benötigten Druckluft-Teilmengen und/oder des dort be
nötigten Druckniveaus der Druckluft mittels in Fig. 2 strichpunktiert dargestellter Steuerlei
tungen 50 ansteuerbar sind. Die Messung dieser Regelgrößen erfolgt durch in Fig. 2 nicht
dargestellte, den Druckluftverbrauchern zugeordnete Sensoren. Eine Zuordnung gemes
sener Regelgrößen zu gewünschten Reaktionen der Stellglieder kann durch Kenn
felder oder Algorithmen erfolgen, welche beispielsweise in einem Kennfeldspeicher
der Steuer- und Regeleinrichtung 48 abgelegt sind.
Neben der Verzweigungsstelle 14 der zentralen Druckluftleitung 8 können innerhalb der
Druckluftversorgungseinrichtung 1 weitere Verzweigungen zur parallelen Druckluftversor
gung mehrerer Druckluftspeicher und/oder eine Hintereinanderschaltung von mehreren
Druckluftverbraucher und/oder eine Hintereinanderschaltung von mehreren Druckluft
verbrauchern in einer einzigen Druckluftleitung zur seriellen Druckluftversorgung vorgesehen
sein. Beispielsweise kann die in einer Ausgangsleitung 52 der Brennstoffzellen 4 anstehen
de Abluft, welche diesen mit niedrigen Druck und hoher Strömungsgeschwindigkeit ent
weicht, zur Kühlung oder Heizung von in Strömungsrichtung gesehen stromabwärts ange
ordneten Fahrzeugkomponenten genutzt werden.
Claims (6)
1. Nutzfahrzeug mit einer Brennstoffzellenanlage (2), welche mit Druckluft versorgte
Brennstoffzellen (4) aufweist, beinhaltend weitere Druckluftverbraucher wie Druckluft
bremsanlage, Fahrzeugheizung oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass
sämtliche Druckluftverbraucher (4, 20, 34, 46) mit Druckluft einer gemeinsamen, min
destens einen zentralen Luftverdichter (6) aufweisenden Druckluftversorgungseinrich
tung (1) versorgbar sind, dass die Druckluftversorgungseinrichtung (1) eine vom we
nigstens einen zentralen Luftverdichter (6) wegführende, zentrale Druckluftleitung (8)
beinhaltet, von welcher mindestens eine den Brennstoffzellen (4) zugeordnete Druck
luftleitung (16) sowie den weiteren Druckluftverbrauchern (20, 34, 46) zugeordnete
Druckluftleitungen (18, 32) abzweigen, dass gegebenenfalls weitere Verzweigungen
von Druckluftleitungen zur parallelen Druckluftversorgung von mehreren Druckluft
verbrauchern und/oder eine Hintereinanderschaltung von mehren Druckluftverbrau
chern in einer einzigen Druckluftleitung zur seriellen Druckluftversorgung vorsehbar
sind, und dass die Druckluftversorgungseinrichtung (1) eine Steuer- und Regelein
richtung (48) beinhaltet, durch welche als Stellglieder innerhalb der Drucklufiversor
gungseinrichtung (1) vorgesehener Ventile (36, 40, 42) und/oder vorgesehener Luft
verdichter (6, 24) und/oder vorgesehener Druckluftspeicher (12, 26) in Abhängigkeit
der von den Druckluftverbrauchern (4, 20, 34, 46) benötigten Druckluft-Teilmengen
und/oder des dort benötigten Druckniveaus ansteuerbar sind.
2. Nutzfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckluftversor
gungseinrichtung (1) die Ventile (36, 40, 42) in mindestens einigen der Druckluftleitun
gen (16, 18) vorgesehen sind, wobei die Abhängigkeit des Schaltzustands der Venti
le (36, 40, 42) von der vom zentralen Luftverdichter (6) erzeugten Druckluft-
Gesamtmenge dem betreffenden Druckluftverbraucher (4, 20, 34, 46) individuell eine
bestimmte Druckluft-Teilmenge zuführbar ist.
3. Nutzfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftversor
gungseinrichtung (1) mindestens einen Druckluftspeicher (12, 26) zur Bevorratung von
Druckluft aufweist, unter anderem einen zentralen, von der zentralen Druckluftlei
tung (8) mit Druckluft versorgten Druckluftspeicher (12), welcher dem zentralen Luft
verdichter (6) und wenigstens einem der Druckluftverbraucher (4, 20, 34, 46) zwi
schengeordnet ist.
4. Nutzfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluftversor
gungseinrichtung (1) mindestens einen weiteren, einem oder mehreren Druckluft
verbrauchern (20) zu- und dem zentralen Luftverdichter (6) nachgeordneten Luftver
dichter (24) umfasst.
5. Nutzfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, dass es ein Omnibus ist, wobei die weiteren Druckluftverbraucher einen oder
mehrere der folgenden Druckluftverbraucher umfassen: eine Druckluftbremsanla
ge (20), eine druckluftbetätigte Türschließ- und Türöffnungseinrichtung (20), eine
Frischluft- und Heizungseinrichtung (34) zur Heizung und Versorgung eines Fahr
gastraumes mit Frischluft, ein Wasserkühlsystem (46) zur Kühlung von Antriebskom
ponenten, beispielsweise eines Fahrzeugmotors, eine Kneeling-Einrichtung (20) zur
einseitigen Absenkung des Omnibusses als Einstiegserleichterung an Haltestellen
oder Ähnlichem.
6. Nutzfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckluftversorgungseinrichtung (1) einen zentralen, bezüglich dem Luftverdichter (6)
stromaufwärts angeordneten Luftfilter (10) umfasst, sowie wahlweise weitere, in den
Druckluftleitungen (16, 18) angeordnete Luftfilter (28).
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