DE10006344C2 - Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Nutzfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage

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Description

Stand der Technik
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.
Vorteile der Erfindung
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.
Zeichnungen
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.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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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