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Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Elektrofahrzeugs.
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Elektrofahrzeuge mit einer die Antriebsleistung für wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor bereitstellenden elektrischen Energiespeichereinrichtung, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Hinsichtlich der Verwendung von Elektrofahrzeugen stellt die Reichweite eines solchen Elektrofahrzeugs typischerweise einen limitierenden Faktor für seine Verwendung und damit letztlich einen erheblichen Nachteil für das Elektrofahrzeug dar. Aus diesem Grund werden bei Elektrofahrzeugen gerne sogenannte Range-Extender eingesetzt. Solche Range-Extender können beispielsweise auf der Basis von Verbrennungsmotoren aufgebaut werden, welche zum Nachladen der Batterie des Elektrofahrzeugs einen Generator antreiben und somit die Reichweite des Elektrofahrzeugs erhöhen.
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Aus der
DE 10 2011 076 737 A1 ist ein Elektro-Hybrid- oder Brennstoffzellen-Fahrzeug bekannt, welches eine elektrische Energiespeichereinrichtung mit einer Brennstoffzelle kombiniert. Der Kern der Erfindung liegt dabei auf einer thermischen Kopplung der Kühlkreisläufe der Brennstoffzellenanlage einerseits und des elektrischen Energiespeichers andererseits. Außerdem geht die Schrift von keinem reinen Elektrofahrzeug aus, sondern verwendet die Brennstoffzelle, um das Fahrzeug – auch bei tiefen Temperaturen – zu starten und dann die Batterie über die Abwärme des Brennstoffzellenkreislaufs aufzuwärmen, bevor diese zum Einsatz kommt. Die Notwendigkeit, die Brennstoffzelle bei sehr niedrigen Temperaturen starten zu müssen, erfordert ein entsprechend komplexes Brennstoffzellensystem, welches für einen solchen Start geeignet ist. Dementsprechend sind in der Brennstoffzelle mehr/andere Katalysatoren notwendig, die auch einen Start bei Temperaturen beispielsweise in der Größenordnung von –30°C ermöglichen. Der Aufbau wird entsprechend aufwändig und teuer, sodass dieses Fahrzeug sicherlich im Kern als Brennstoffzellenfahrzeug mit zusätzlicher Batterie und nicht als Elektrofahrzeug mit einem Range-Extender auf der Basis einer Brennstoffzelle gesehen werden muss. Vielmehr handelt es sich bei dem beschriebenen Antriebskonzept um eine Art seriellen Hybrid, bei welchem die Brennstoffzelle zum ständigen Nachladen der Batterie, letztlich aber als primäre Antriebsquelle, eingesetzt wird.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Elektrofahrzeug anzugeben, welches in der Lage ist, über eine sehr einfache und effiziente Brennstoffzelle die Reichweite eines reinen Elektrofahrzeugs zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Elektrofahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 8 ein besonders günstiges erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines derartigen Elektrofahrzeugs angegeben. Auch hierzu ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug ist es vorgesehen, dass zusätzlich zu einer elektrischen Batterie zur Bereitstellung der elektrischen Antriebsleistung, eine Brennstoffzellenanlage vorhanden ist, über welche bei Bedarf der elektrische Energiespeicher nachgeladen werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug ist es dabei vorgesehen, dass, ähnlich wie im eingangs genannten Stand der Technik, sowohl die Brennstoffzellenanlage als auch der elektrische Energiespeicher über ein eigenes Kühlsystem verfügen. Anders als im Stand der Technik sind diese Kühlsysteme ohne eine direkte thermische Kopplung untereinander ausgebildet. Eine solche direkte thermische Kopplung im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wäre beispielsweise eine Kopplung über einen Wärmetauscher oder eine unmittelbare fluidische Kopplung, bei welcher Kühlmedium zwischen den beiden Kühlsystemen ausgetauscht wird. Die Kühlsysteme sind also bei dem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug nicht thermisch miteinander gekoppelt. Außerdem ist es vorgesehen, dass, anders als im Stand der Technik, durch das Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage auch die elektrische Antriebsmaschine gekühlt wird. Ein reines Elektrofahrzeug wird im Allgemeinen in der Parksituation nach Möglichkeit elektrisch geladen. Das Elektrofahrzeug hängt also beispielsweise an einer Ladestation. Hierdurch ist, auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, eine Funktionsfähigkeit des elektrischen Energiespeichers im Allgemeinen immer sichergestellt. Das Fahrzeug kann also mit Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher direkt losfahren. Dies ist vergleichsweise einfach und effizient möglich, da durch das fortwährende Nachladen im Stillstand, wann immer dies möglich ist, gleichzeitig eine ausreichende Temperierung der Batterie vorliegt. Die Brennstoffzellenanlage, welche unter diesen Umständen gegebenenfalls noch sehr kalt ist, muss dann nicht betrieben werden. Nach dem Losfahren des Elektrofahrzeugs mit Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher kommt es nun zu einer Erwärmung des Kühlmediums im Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage, da in diesem Kühlsystem auch der elektrische Antriebsmotor des Elektrofahrzeugs gekühlt wird, und, sobald er betrieben wird, Abwärme an das Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage abgibt. Die Brennstoffzellenanlage bzw. ihre Brennstoffzelle kann dann idealerweise erst zu einem späteren Zeitpunkt gestartet werden, insbesondere wenn durch die Abwärme des elektrischen Antriebsmotors im Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage bereits eine für einen effizienten Start der Brennstoffzelle ausreichend hohe Temperatur vorliegt. Die Brennstoffzelle muss dann nicht auf einen Kaltstart bzw. Gefrierstart ausgelegt werden und kann dementsprechend sehr einfach, effizient, kostengünstig und hinsichtlich der Lebensdauer optimiert gestaltet werden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee kann es in dem Elektrofahrzeug außerdem vorgesehen sein, dass durch das Kühlsystem in der Brennstoffzellenanlage leistungselektronische Komponenten des Fahrzeugs gekühlt werden. Auch diese leistungselektronischen Komponenten, insbesondere ein Fahrumrichter, erzeugt Abwärme in dem Augenblick, in dem das Fahrzeug fährt. Auch seine Abwärme kann ideal genutzt werden, um das Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage beim Losfahren schnell zu erwärmen. Im regulären Betrieb reicht die Kühlleistung des Kühlsystems der Brennstoffzellenanlage dann aus, um sowohl die Leistungselektronik als auch den Fahrmotor als auch die Brennstoffzelle selbst zu kühlen, insbesondere wenn die Brennstoffzellenanlage im Sinne eines reinen Range-Extenders aufgebaut ist und eine entsprechend niedrige Nennleistung beispielsweise in der Größenordnung von 10 bis 15 kW, maximal 20 kW aufweist.
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Die Brennstoffzellenanlage des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs selbst kann dabei, wie bereits erwähnt, entsprechend einfach und effizient ausgebildet sein, und kann mit entsprechend geringer Nennleistung, beispielsweise in der soeben beschriebenen Größenordung, realisiert werden. Eine solche Brennstoffzellenanlage ist dann auch hinsichtlich ihres Bauraums sehr effizient und kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee insbesondere mit nur einem Wasserstoffspeicher realisiert werden, dessen Energieinhalt kleiner als der des elektrischen Energiespeichers ist. So kann beispielsweise ein einziger Druckgasbehälter vorgesehen werden, was die Brennstoffzellenanlage hinsichtlich der Speicherung von Wasserstoff sehr effizient macht, da lediglich ein einziger Speicher mit entsprechender Ventileinrichtung vorgesehen werden muss. Auf aufwändige Verrohrungen mehrerer Speichervolumina untereinander, wie sie bei Brennstoffzellenfahrzeugen üblich sind, kann hier leicht verzichtet werden. Der eine Druckgasspeicher für den Wasserstoff kann dann einen Inhalt aufweisen, welcher beispielsweise zur Speicherung von 1–2 kg Wasserstoff ausreicht und damit einem Energieinhalt von 30–60 kWh hat. Die elektrische Energiespeichereinrichtung kann mit 40–80 kWh für den typischen Einsatz in einem Personenkraftwagen dann jeweils entsprechend größer ausgelegt werden.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs sieht es dabei ferner vor, dass die Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanlage hinsichtlich ihrer aktiven Anodenfläche kaskadiert ausgebildet ist. Die Idee ist dabei so, dass der in die Brennstoffzelle einströmende Wasserstoff zuerst auf eine vergleichsweise große Anodenfläche der Brennstoffzelle trifft, beispielsweise eine Mehrzahl von parallel geschalteten Einzelzellen innerhalb der als Brennstoffzellenstapel aufgebauten Brennstoffzelle. Hierdurch wird an der relativ großen aktiven Fläche nun ein Großteil des Wasserstoffs aufgebraucht. Anschließend gelangt der restliche Wasserstoff in den Bereich einer entsprechend kleineren Anodenfläche, insbesondere so, dass das Verhältnis von Wasserstoff zu Anodenfläche genauso oder zumindest ähnlich ist, wie in dem ersten Bereich. An diesem Bereich schließt sich dann ein dritter Bereich an, für den dies im Hinblick auf die Wasserstoffmenge, welche sich erneut verringert hat, wiederum zutrifft. Abschließend kann dann ein weiterer Bereich und am Ende der Kaskade idealerweise eine Einzelzelle angeordnet sein. Diese Einzelzelle kann vorzugsweise in der Art einer Messzelle betrieben werden. Wird an ihr noch eine ausreichende elektrische Spannung erzeugt, dann liegt immer noch eine ausreichende Wasserstoffmenge vor und ist durch die komplette anodenseitige Kaskade der Brennstoffzelle gelangt. Ist dies nicht der Fall, dann füllt sich die Kaskade von ihrem Ende her mit entstandenem Produktwasser und Stickstoff, welcher in dem gespeicherten Wasserstoff vorhanden sein kann, und welcher im Betrieb der Brennstoffzelle auch durch die Membranen der Brennstoffzelle von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert. In diesem Fall kann dann ein nach der letzten Zelle der Kaskade angeordnetes Abblasventil, ein sogenanntes Purge- und Drain-Ventil, entsprechend geöffnet werden, um Produktwasser und inerte Gase in einem kurzen Impuls abzulassen, um dann wieder die volle Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanlage zu gewährleisten. Dieser Aufbau ist vergleichsweise einfach und effizient. Insbesondere benötigt er keine sogenannte Anodenrezirkulation, bei welcher Abgas aus dem Anodenbereich zum Eingang der Anode zurückgeführt wird. Hierdurch kann auf Leitungen, Flüssigkeitsabscheider und insbesondere auf eine Rezirkulationsfördereinrichtung zum Ausgleich der Druckverluste verzichtet werden. Dies macht die Brennstoffzelle sehr einfach, kompakt und hinsichtlich der benötigten Energie für ihren Betrieb sehr effizient.
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Dieser einfache und effiziente Aufbau der Brennstoffzelle lässt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs insbesondere auch dadurch erreichen, dass die Brennstoffzellenanlage auf einen sehr engen statischen Betriebsbereich ausgelegt ist. Ein solcher enger statischer Betriebsbereich, im Idealfall ein einziger statischer Betriebspunkt der Brennstoffzellenanlage, erlaubt einen Aufbau, welcher sehr wirkungsvoll den Betrieb der Brennstoffzellenanlage in eben diesen engen Betriebsbereich erlaubt. Alle Strömungsquerschnitte, Komponenten zur Gasversorgung, eine Luftfördereinrichtung und dergleichen können auf diesen engen Betriebsbereich hin optimiert ausgelegt werden, sodass eine sehr kompakte und in diesem engen Betriebsbereich hinsichtlich des Wirkungsgrades optimierte Brennstoffzellenanlage entsteht.
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Eine weitere außerordentlich günstige und vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs sieht es nun ferner vor, dass ein Brenner zur thermischen Umsetzung von Wasserstoff vorgesehen ist, dessen Wärme dem Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage und/oder, zumindest mittelbar, einem Fahrzeuginnenraum zugute kommt. Der Winterbetrieb von Elektrofahrzeugen ist hinsichtlich der zu erzielenden Reichweite typischerweise immer kritisch. Um den Innenraum des Fahrzeugs aufzuheizen, wird „wertvolle” in dem elektrischen Energiespeicher gespeicherte Energie verwendet. Hierdurch wird die Reichweite entsprechend reduziert. Das Einspeichern der Energie beim Laden des elektrischen Energiespeichers in diesen sowie die nachfolgende Entnahme und Umwandlung in thermische Energie zur Beheizung des Innenraums ist dabei hinsichtlich der gesamten Wirkungsgradkette wenig effizient. Bei dem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug kann nun, sofern der Wasserstoff im Tank der Brennstoffzellenanlage vorhanden ist, dieser Wasserstoff verbrannt werden. Ein geeigneter Brenner, beispielsweise ein katalytischer Brenner oder ein Porenbrenner, kann so aus dem Wasserstoff Wärme mit einem sehr hohen Wirkungsgrad erzeugen. Diese Wärme kann dann entweder zur Aufheizung des Kühlsystems der Brennstoffzellenanlage verwendet werden, um gemeinsam mit der Abwärme des elektrischen Antriebsmotors die Brennstoffzellenanlage schnellstmöglich aufzuheizen. Entweder mittelbar über das Kühlmedium des Kühlsystems der Brennstoffzellenanlage oder auch direkt mit einem Luft/Abgas-Wärmetauscher an dem Brenner kann die entstandene thermische Energie dann auch genutzt werden, um den Innenraum des Fahrzeugs zu heizen. Hierdurch wird die in der elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeicherte elektrische Energie nicht für die Innenraumheizung benötigt, sodass die aufgrund der elektrischen Energiespeichereinrichtung vorliegende Reichweite des Fahrzeugs durch die Innenraumheizung nicht nachteilig beeinflusst wird. Außerdem kann die Innenraumheizung über das Verbrennen von Wasserstoff hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades sehr viel effizienter erfolgen.
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Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs gelöst. Wie bereits erwähnt ermöglicht das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug die ausschließliche Verwendung der Brennstoffzellenanlage als Range-Extender in einer sehr einfachen und effizienten Art. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines derartigen Elektrofahrzeugs sieht es dementsprechend vor, dass beim Starten des Elektrofahrzeugs elektrische Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher genutzt wird, bis ein Kühlmedium in dem Kühlkreislauf der Brennstoffzellenanlage einen vorgegebenen Temperaturwert überschritten hat, und bis der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers einen vorgegebenen Ladezustand unterschritten hat, wonach die Brennstoffzellenanlage zum Laden des elektrischen Energiespeichers gestartet wird. Auch bei erfindungsgemäßen Betriebsverfahren, wird ähnlich wie oben bereits erwähnt, davon ausgegangen, dass ein Elektrofahrzeug – nach längeren Standzeiten – immer in der Lage ist, aus dem aufgeladenen elektrischen Energiespeicher zu starten. Typischerweise wird ein Elektrofahrzeug, wann immer dies möglich ist, an ein Ladegerät angehängt, sodass der elektrische Energiespeicher durch diesen Ladevorgang, zumindest eine Erhaltungsladung, immer eine ausreichende Temperatur aufweist, um mit dem Elektrofahrzeug loszufahren. Erst nachdem einerseits die Temperatur des Kühlmediums in dem Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage einen vorgegebenen Wert erreicht hat und außerdem der Ladezustand des elektrischen Energiespeichers unter einen vorgegebenen Wert abgesunken ist, wird die hocheffizient ausgebildete Brennstoffzellenanlage gestartet, um den elektrischen Energiespeicher nachzuladen und damit die Reichweite des Elektrofahrzeug zu erhöhen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun insbesondere vorgesehen, dass der vorgegebene Temperaturwert mit 5°C an der kühlsten Stelle des Kühlsystems der Brennstoffzellenanlage vorgegeben wird. Ein solcher vorgegebener Temperaturwert von wenigstens 5°C an der kühlsten Stelle des Kühlsystems der Brennstoffzellenanlage stellt sicher, dass die Brennstoffzellenanlage nicht aus Temperaturen unterhalb von 5°C heraus gestartet werden muss. Der Start einer Brennstoffzellenanlage von Temperaturen oberhalb 5°C stellt bei der heutigen Technologie typischerweise jedoch keine große Herausforderung dar. Die Brennstoffzellenanlage kann dementsprechend sehr einfach und effizient realisiert werden, da für einen Start bei Temperaturen von zumindest 5°C die einfachste Technologie ausreichend ist. Die Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanlage kann also mit effizienten Katalysatoren in vergleichsweise geringer Menge, insbesondere im Vergleich zu einer Brennstoffzelle, welche bei sehr niedrigen Temperaturen von beispielsweise weniger als –20°C starten müsste, ausgebildet werden. Sie kann dementsprechend kostengünstig und insbesondere auch mit einer langen Lebensdauer realisiert werden.
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Ferner ist es gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass der vorgegebene Ladezustand, ab welchem das Nachladen des elektrischen Energiespeichers startet, sofern das Kühlsystem der Brennstoffzellenanlage eine ausreichend hohe Temperatur aufweist, zwischen 60% und 80% der Vollladung des elektrischen Energiespeichers vorgegeben wird. Die Brennstoffzellenanlage wird also entsprechend früh gestartet, um den elektrischen Energiespeicher nachzuladen.
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Insbesondere ist es dabei so, dass bei der Verwendung einer Brennstoffzellenanlage mit einer Leistung von beispielsweise 15 kW, wie es oben in einem Zahlenbeispiel erwähnt worden ist, diese nicht ausreicht, um einen herkömmlichen Personenkraftwagen entsprechend dynamisch zu betreiben. Idealerweise müsste also darauf geachtet werden, dass der Wasserstoffspeicher der Brennstoffzellenanlage zum Nachladen des elektrischen Energiespeichers leer „gemacht” worden ist, bevor der elektrische Energiespeicher selbst leer ist, sodass keine Situationen auftreten können, in denen die maximale Antriebsleistung durch die maximale Leistung der Brennstoffzellenanlage vorgegeben wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs sowie des Betriebsverfahrens für dieses Elektrofahrzeug ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Elektrofahrzeug in einem Aufbau gemäß der Erfindung;
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2 die Brennstoffzellenanlage gemäß einer möglichen Ausführungsform in dem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug;
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3 eine Prinzipdarstellung des anodenseitigen Aufbaus der Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanlage in einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs;
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4 einen möglichen Aufbau eines Kühlsystems der Brennstoffzellenanlage in dem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug;
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5 einen alternativen möglichen Aufbau des Kühlsystems der Brennstoffzellenanlage in dem erfindungsgemäßen Elektrofahrzeug;
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6 eine schematische Darstellung des möglichen Aufbaus einer Innenraumheizung für das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug in einer ersten Ausführungsform;
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7 eine schematische Darstellung des möglichen Aufbaus einer Innenraumheizung für das erfindungsgemäße Elektrofahrzeug in einer zweiten Ausführungsform; und
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8 ein Ablaufdiagramm für den Standardbetrieb des erfindungsgemäßen Elektrofahrzeugs.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Elektrofahrzeug 1 angedeutet, welches über einen elektrischen Antriebsmotor 2 angetrieben ist. Der elektrische Antriebsmotor 2 wird über eine Leistungselektronik 3 mit elektrischer Leistung aus einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 versorgt. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 kann dabei insbesondere in Form von einer oder mehreren Batterien ausgebildet sein. Ebenso wäre es denkbar, sogenannte Hochleistungskondensatoren für die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 einzusetzen. Auch eine Kombination von Kondensatoren und Batterie ist denkbar, wobei in dieser Kombination die Kondensatoren mit entsprechend hohen Leistungen kurzzeitig geladen und entladen werden können, während die Batterie für die längerfristige Speicherung der elektrischen Energie vorgesehen ist. Bei der Ausbildung des Elektrofahrzeugs 1 als Personenkraftwagen kann die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 insbesondere einen Energieinhalt von ca. 60 kWh aufweisen. Wie bei Elektrofahrzeugen 1 allgemein üblich, wird die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 typischerweise im längeren Stillstand des Elektrofahrzeugs 1 immer nachgeladen, beispielsweise durch den Anschluss des Fahrzeugs an eine Ladestation. Beim Losfahren des Fahrzeugs ist diese also idealerweise immer voll geladen und steht durch die Ladung auf ein zumindest für das Losfahren des Elektrofahrzeugs 1 geeignetem Temperaturniveau zur Verfügung. Die im regulären Betrieb beim Laden und Entladen entstehende Abwärme der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 wird über ein mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 verbundenes an sich bekanntes Kühlsystem 5, welches in der Darstellung der 1 lediglich angedeutet ist, abgeführt.
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Das Elektrofahrzeug 1 weist nun zusätzlich als sogenannten Range-Extender eine Brennstoffzellenanlage 6 auf. Diese Brennstoffzellenanlage 6, welche in der Darstellung der 2 in einer möglichen Ausführungsform etwas detaillierter dargestellt ist, ist in der Darstellung der 1 lediglich durch eine Brennstoffzelle 7 der Brennstoffzellenanlage 6 sowie ein 24 V-Gebläse als Luftfördereinrichtung 8 der Brennstoffzellenanlage 6 prinzipmäßig angedeutet. Über einen DC/DC-Wandler 9 stehen die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 und die Brennstoffzellenanlage 6, und hier insbesondere die Brennstoffzelle 7 und als Leistungsverbraucher die Luftfördereinrichtung 8, untereinander in Verbindung. Die Brennstoffzellenanlage 6 weist ihrerseits ein ebenfalls in der Darstellung der 1 lediglich angedeutetes Kühlsystem 10 zur Temperierung der Brennstoffzelle 7 auf.
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Die Brennstoffzellenanlage 6 ist in einer möglichen Ausführungsform in der Darstellung der 2 etwas detaillierter dargestellt. Sie soll als reiner Range-Extender für das Elektrofahrzeug 1 ausgebildet sein. Dementsprechend ist die Brennstoffzellenanlage 6 sehr einfach aufgebaut und vorzugsweise auf einen Betriebspunkt bzw. einen engen statischen Betriebsbereich hin ausgelegt und auf diesen hinsichtlich ihres Wirkungsgrades optimiert. Die Brennstoffzellenanlage 6 weist neben der bereits erwähnten Brennstoffzelle 7 und der Luftfördereinrichtung 8, welche vorzugsweise als Gebläse oder Verdichter ausgebildet ist, insbesondere als Verdichter auf einem Spannungsniveau von 12, 24 oder 48 V, einen Druckgasspeicher 11 für den Wasserstoff auf. Die Druckgasspeicher 11 soll aus einem einzigen Speichervolumen bestehen, beispielsweise einem Druckgasbehälter bzw. einer Druckgasflasche, in welcher eine Wasserstoffmenge von etwa 1–1,5 kg Wasserstoff bei einem Nenndruck von bis zu 700 bar gespeichert ist. Über ein Tankventil 12 und einen Druckminderer 13, welcher insbesondere als Hinterdruckregler ausgebildet ist, wird der Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 11 der Anodenseite der Brennstoffzelle 7 zugeführt, welche in der Darstellung der 3 nochmals in einer möglichen Ausführungsform näher beschrieben ist. Über ein Abblasventil 14, welches auch als Drain-Purge-Ventil bezeichnet wird, kann Restwasserstoff und sich auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 7 ansammelndes Produktwasser und inerte Gase von Zeit zu Zeit in eine Abluftanlage 15 abgelassen werden. Über die bereits angesprochene Luftfördereinrichtung wird Luft in die Kathodenseite der Brennstoffzelle 7 gefördert. Die Luft durchströmt dabei einen Befeuchter 16, welcher insbesondere als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet ist. Die trockene Zuluft wird hierin befeuchtet und durch die Kathodenseite der Brennstoffzelle 7 geleitet. Die an Sauerstoff abgereicherte und mit dem Produktwasser beladene Abluft strömt wiederum durch den Befeuchter 16 und gibt die in ihr enthaltene Feuchte an die Zuluft ab. Die Abluft gelangt dann in die Abluftanlage 15 und verdünnt dort gegebenenfalls über das Abblasventil 14 aus der Anodenseite der Brennstoffzelle 7 mit abgeblasenen Wasserstoff, bevor das Gemisch mit Wasserstoffkonzentrationen, welche unterhalb von hinsichtlich einer Zündung kritischen Konzentration liegen, in die Umgebung abströmt.
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Um die Brennstoffzelle 7 nun entsprechend einfach und effizient aufbauen zu können, ist diese auf ihrer Anodenseite kaskadiert ausgebildet. Dies ist beispielhaft in der Darstellung der 3 dargestellt. Hierbei ist nur die Anodenseite der Brennstoffzelle 7 gezeigt. Der Wasserstoff strömt durch die mit 17 bezeichnete Wasserstoffleitung zuerst in eine Anzahl von beispielsweise fünfundzwanzig parallel geschalteten Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 7 ein. Diese sind in der Darstellung der 3 mit I bezeichnet. Anschließend durchströmt das an Wasserstoff bereits abgereicherte Gas bzw. die um den verbrauchten Wasserstoff verringerte Menge an Wasserstoff einen zweiten Block von parallelen Einzelzellen, welcher beispielsweise 15 Zellen umfasst und in der Darstellung der 3 mit II bezeichnet ist. Der Aufbau ist dabei so gewählt, dass der in dem Gas zur Verfügung stehende Wasserstoff im selben Verhältnis zu der zur Verfügung stehenden aktiven Zellfläche auf der Anodenseite der Brennstoffzelle steht, wie im mit I bezeichneten Abschnitt. Anschließend schließt sich ein Abschnitt III an, welcher beispielhaft aus vier Zellen besteht. Auch hier bleibt das Verhältnis von vorhandenem Restwasserstoff zu aktiver Zellfläche gleich. Abschließend ist eine einzige Zelle angeordnet, welche hier als Sensorzelle 18 bezeichnet ist. Im Bereich dieser Zelle lässt sich, sofern eine ausreichende Spannung erzeugt wird, feststellen, ob eine noch ausreichende Menge an Wasserstoff im Bereich dieser Sensorzelle 18 ankommt. Ist dies der Fall, kann die Brennstoffzelle 7 regulär betrieben werden. Ist dies nicht der Fall, dann wird die Spannung im Bereich dieser Sensorzelle 18 entsprechend einbrechen. Dies lässt sich über ein angedeutetes Spannungsmessgerät 19 feststellen. Über eine Steuerungselektronik 20 wird dann das Abblasventil 14 kurz geöffnet, um inerte Gase und Wasser aus der Anodenseite der Brennstoffzelle 7 abzulassen und so ihre ideale Betriebsfähigkeit wieder herzustellen. Durch diesen sogenannten kaskadierten Aufbau der Anodenseite der Brennstoffzelle 7 wird eine sehr gute Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 7 bei sehr einfachem Aufbau der Brennstoffzellenanlage 6 erreicht, insbesondere da die zur Verfügung stehende aktive Fläche der Anoden der jeweiligen vorhanden Wasserstoffmenge angepasst ist, sodass ohne eine aufwändige Rezirkulation von Anodenabgas oder dergleichen die gesamte zur Verfügung stehende Zellfläche im Bereich der Anode ideal ausgenutzt werden kann.
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Die Brennstoffzelle 7 weist nun das bereits angesprochene in der Darstellung der 1 angedeutete Kühlsystem 10 auf, welches ohne direkten thermischen Kontakt zu dem Kühlsystem 5 der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 aufgebaut ist. Das Kühlsystem 10 der Brennstoffzelle kann beispielsweise so aufgebaut sein, wie es in der Darstellung der 4 angedeutet ist. Das Kühlsystem ist als Kühlkreislauf für ein flüssiges Kühlmedium ausgebildet. Es umfasst einen Kühler 21, welcher als Fahrzeugkühler des Elektrofahrzeugs 1 ausgebildet ist, und über welchen Abwärme im regulären Betrieb in die Umgebung des Elektrofahrzeugs 1 abgegeben wird. Über eine Kühlmittelpumpe 22 wird das flüssige Kühlmedium umgepumpt. Es durchströmt dann kühlmittelseitig die elektrische Antriebsmaschine 2 und optional die Leistungselektronik 3. Anschließend wird das flüssige Kühlmedium durch ein temperaturgesteuertes Drehschieberventil oder vorzugsweise ein selbsttätig regelndes Thermostatventil 23, beispielsweise ein Wachsventil, entweder durch die Brennstoffzelle 7 hindurchgeleitet oder in einem Bypass 24 um die Brennstoffzelle 7 herumgeführt. Auch eine entsprechende Aufteilung der Volumina zwischen der Brennstoffzelle 7 und dem Bypass ist prinzipiell denkbar und kann selbsttätig durch das Thermostatventil 23 oder auch ein aktiv angesteuertes Drehschieberventil realisiert werden. Nachdem das flüssige Kühlmedium den Bypass 24 oder die Brennstoffzelle 7 durchströmt hat, gelangt es an ein weiteres Ventil, welches ebenfalls als Drehschieberventil oder insbesondere als Thermostatventil 25, vorzugsweise als Wachsventil, ausgebildet sein kann. Über dieses Ventil wird die Durchströmung des Kühlers 21 und/oder eines parallel zum Kühler 21 liegenden Kühlerbypass 26 entsprechend eingestellt.
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Wird das Elektrofahrzeug 1 nun gestartet, dann fährt es mit Leistung aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 los. Hierdurch wird zumindest im elektrischen Antriebsmotor 2 und, falls diese in das Kühlsystem 10 der Brennstoffzellenanlage 6 eingebunden ist, auch in der Leistungselektronik 3 Abwärme erzeugt, welche das Kühlmedium in dem Kühlsystem 10 der Brennstoffzellenanlage 6 erwärmt. Die Thermostatventile 23, 25 sind nun so ausgebildet, dass in dieser Situation das Kühlmedium um die Brennstoffzelle 7 herum und um den Kühler 21 herum umgepumpt wird. Hierdurch erwärmt sich das Kühlmedium in dem Kühlsystem 10 entsprechend schnell, da eine Abkühlung durch den Kühler 21 nicht stattfindet. Sobald das Kühlmedium eine vorgegebene Temperatur erreicht hat, bei welcher die Brennstoffzelle 7 ohne nennenswerte Schwierigkeiten gestartet werden kann, beispielsweise eine Temperatur von mehr als 5°C an der kältesten Stelle des Kühlsystems 10, dann kann das Thermostatventil 23 umschalten, sodass die Brennstoffzelle 7 von dem Kühlmedium ebenfalls durchströmt wird und bei Bedarf gestartet werden kann. Der Start ist dabei einfach möglich, sodass die Brennstoffzelle 7 nicht auf extreme Kaltstarts ausgelegt werden muss, was ein entscheidender Vorteil hinsichtlich der Menge und der Art der eingesetzten Katalysatoren in der Brennstoffzelle 7 ist. Der Aufbau kann dann im regulären Betrieb durch ein Öffnen des Thermostatventils 25 über den Kühler 21 gekühlt werden.
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In der Darstellung der 5 ist ein weiterer Aufbau zu erkennen, welcher weitgehend mit dem in der Darstellung der 4 beschriebenen Aufbau zu vergleichen ist. Der einzige Unterschied des Kühlsystems 10 besteht darin, dass die Brennstoffzelle 7 von einem eigenen kleinen Kühlkreislauf 27 gekühlt wird, welcher eine eigene Kühlmittelfördereinrichtung 28 aufweist, und welcher über einen Wärmetauscher 29 mit dem Hauptkühlkreislauf des Kühlsystems 10 in Verbindung steht. Insbesondere durch die thermische Kopplung der elektrischen Antriebsmaschine 2 kann es nämlich dazu kommen, dass ein relativ großer Ioneneintrag in das Kühlmedium des Kühlsystems 10 erfolgt. Zwar lassen sich in an sich bekannter Weise Ionenaustauscher in dem Kühlsystem vorsehen, dies kann jedoch entsprechend aufwändig und komplex sein, falls ein sehr hoher Ioneneintrag von der elektrischen Antriebsmaschine 2 in das Kühlsystem 10 auftritt. Aus diesem Grund kann der in der Darstellung der 5 gewählte Aufbau einen Vorteil darstellen, da hinsichtlich des Kühlmediums eine Trennung der beiden Kühlkreisläufe des Kühlsystems 10 der Brennstoffzellenanlage 6 auftritt. Die Problematik hinsichtlich des Ioneneintrags kommt damit nicht zum Tragen.
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In der Darstellung der 6 ist eine Möglichkeit für die Heizung eines Innenraums des Elektrofahrzeugs 1 dargestellt. Über einen prinzipmäßig angedeuteten und mit 30 bezeichneten Luftführungskanal, durch welchen über einen Lüfter 31 Luft in den Innenraum des Elektrofahrzeugs 1 gefördert wird, kann Wärme in diese Luft eingetragen werden. In der Mitte der Darstellung der 6 ist dabei ein elektrischer Heizwiderstand 32 zu erkennen. Dieser wird aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 mit elektrischer Leistung versorgt und erwärmt die an ihm vorbeiströmende Luft. Dies ist der bei Elektrofahrzeugen 1 allgemein übliche Aufbau zur Beheizung des Innenraums. Er ist jedoch vergleichsweise energieintensiv und wirkt sich, dadurch dass er Leistung aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung nutzt, unmittelbar auf die Reichweite des Elektrofahrzeugs 1 aus. Außerdem ist die Wirkungsgradkette zur Ladung der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 und zur Umsetzung am elektrischen Heizwiderstand 32 in Wärme vergleichsweise schlecht. Aus diesem Grund kann zusätzlich oder alternativ zu dem elektrischen Heizwiderstand 32 ein Brenner 33 vorgesehen sein, insbesondere ein Porenbrenner oder katalytischer Brenner, an dem der Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 11 der Brennstoffzellenanlage 6 direkt umgesetzt wird. Über eine solche Verbrennung des Wasserstoffs lässt sich Wärme sehr effizient erzeugen, welche dann zur Beheizung des Innenraums verwendet werden kann. Eine dritte Möglichkeit, Wärme in den Innenraum einzutragen, ist ein Wärmetauscher 34, welcher von dem Kühlmedium des Kühlsystems 10 der Brennstoffzellenanlage 6 durchströmt wird. Aufgrund des Eintrags von Abwärme aus dem elektrischen Fahrmotor 2 und gegebenenfalls der Leistungselektronik 3 in das Kühlmedium dieses Kühlsystems 10 kann auch über diesen Wärmetauscher 34 sehr schnell Wärme für den Innenraum bereitgestellt werden. Gegebenenfalls verzögert sich hierdurch jedoch die Aufheizung der Brennstoffzellenanlage 6, was gegebenenfalls unerwünscht sein kann. Dennoch lassen sich im Prinzip alle drei Möglichkeiten zur Beheizung des Innenraums beliebig untereinander kombinieren.
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In der Darstellung der 7 ist eine alternative Ausführungsform zu erkennen. Der Aufbau soll dabei einen Teil des Kühlsystems 10 der Brennstoffzellenanlage 6 darstellen. Wiederum über den elektrischen Heizer 32 und/oder den Brenner 33 kann nun Wärme in das Kühlmedium dieses Kühlsystems 10 eingetragen werden. Hierdurch kann bei Bedarf auch die Aufheizung der Brennstoffzellenanlage 6 beschleunigt werden, sodass diese schneller ihre notwendige Starttemperatur erreicht. Typischerweise wird die Wärme aus dem Kühlsystem 10 nun jedoch über einen Innenraumwärmetauscher 39 und den Lüfter 31 in den Innenraum des Elektrofahrzeugs 1 eingebracht. So können je nach Bedarf alle drei auch im Rahmen der 6 beschriebenen Wärmequellen in dem Elektrofahrzeug zumindest mittelbar über das Kühlmedium des Kühlsystems 10 zur Beheizung des Innenraums des Elektrofahrzeugs 1 verwendet werden. Gleichzeitig lässt sich das Kühlmedium im Kühlsystem 10 und damit die Brennstoffzellenanlage 6 hierdurch bei Bedarf schneller aufheizen.
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Die Brennstoffzellenanlage 6 wird typischerweise eine vergleichsweise geringe Leistung von beispielsweise 10 bis 15 kW aufweisen. Der Energieinhalt des Druckgasspeichers 11 bei beispielsweise 1 bis 1,5 kg Wasserstoff wird in der Größenordnung von 35–50 kWh betragen. Der Energieinhalt der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 soll in etwa doppelt so groß sein, also in der Größenordnung von 60–100 kWh liegen. Bei diesem Aufbau ist es wichtig, dass immer Leistung zum Fahren des Elektrofahrzeugs 1 aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 zur Verfügung steht, weil die Leistung aus dem relativ klein dimensionierten als reiner Range-Extender vorgesehenen Brennstoffzellenanlage 6 typischerweise zu einem dynamischen Bewegen des Elektrofahrzeugs 1 nicht ausreichen würde. Daher kann der reguläre Betrieb, ohne dass eine Beheizung des Innenraums hierin berücksichtigt wäre, analog zum Ablaufdiagramm in 8 erfolgen.
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Die Brennstoffzellenanlage 6 ist in der mit 35 bezeichneten Box aus und die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 wird nicht geladen. Anschließend erfolgt eine Abfrage des Ladezustandes (State of Charge) SOC des elektrischen Energiespeichers 4 und zwar dahingehend, ob dieser kleiner als ein vorgegebener Wert X ist. Dieser Wert kann insbesondere mit ca. 60–80% der Vollladung, insbesondere ca. 70% der Vollladung, vorgegeben werden. Ist der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 unter diesen vorgegebenen Wert von beispielsweise 70% gefallen, dann springt das Ablaufdiagramm zu einer zweiten Abfrage 37. In dieser Abfrage wird die Temperatur des Kühlsystems 10 der Brennstoffzellenanlage 6 mit einem Vorgabewert verglichen. Liegt die Temperatur (Temp), idealerweise an der kühlsten Stelle des Kühlsystems 10 gemessen, oberhalb dieser vorgegebenen Temperatur (Y) von insbesondere ca. 5°C, dann ist die Brennstoffzellenanlage 6 warm genug, um unmittelbar ohne nennenswerte Probleme und ohne eine Degradation der Lebensdauer der Brennstoffzelle 7, zu starten. Wenn nicht, beginnt die Abfrage von neuem. Sind beide Punkte erfüllt, ist also der Ladezustand (SOC) der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 kleiner als beispielsweise 70% der Vollladung und die Temperatur (Temp) des Kühlsystems 10 der Brennstoffzellenanlage 6 liegt oberhalb von 5°C, dann wird in der mit 38 bezeichneten Box das Nachladen der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 über die Brennstoffzellenanlage 6 gestartet.
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Idealerweise ist der Energieinhalt des Druckgasspeichers 6 aufgebraucht, bevor die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 mit ihrem Ladezustand unter einen kritischen Wert abfällt. Hierdurch kann dann sichergestellt werden, dass immer die volle Leistung für das Elektrofahrzeug 1 zur Verfügung steht, und dass es nicht zu Situationen kommt, in denen dieses mit der reinen Maximalleistung der Brennstoffzellenanlage 6 von beispielsweise 15 kW betrieben werden müsste. Diese Leistung würde nicht ausreichen, um ein allgemein übliches Elektrofahrzeug 1 in der Form eines Personenkraftwagens mit der vom Nutzer erwarteten Dynamik zu betreiben.
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Das Elektrofahrzeug 1 gemäß der Erfindung erlaubt somit durch die Brennstoffzelle 7 und eine gewisse gespeicherte Menge an Wasserstoff eine Erhöhung der Reichweite beispielsweise bei einem Verhältnis des Energieinhalts der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 zum Druckgasspeicher 11 von 2:1, also eine Erhöhung der Reichweite um ca. 50% der Ausgangsreichweite. Dies ist in den allermeisten Fällen sinnvoll und nützlich und reicht typischerweise auch aus, um ein Elektrofahrzeug 1 mit einem derartigen Range-Extender auf der Basis der Brennstoffzellenanlage 6 alltagstauglich zu machen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076737 A1 [0003]
