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Hintergrund
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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeuges, insbesondere Ein- und Zweiräder, dreirädrige und vierrädrige Fahrzeuge wie Fahrräder, Motorräder, Quads und Automobile.
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Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Fahrräder mit ein bis vier Rädern, welche den Fahrer ein ermüdungsarmes Fortbewegen durch den Einsatz der Brennstoffzellentechnologie ermöglichen.
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Entsprechende Fahrzeuge verfügen neben Brennstoffzelle und einem Gastank häufig über einen Akku zur Zwischenspeicherung der von der Brennstoffzelle generierten elektrischen Energie und einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeuges. Die Brennstoffzellentechnologie in Fahrzeugen, insbesondere Fahrrädern, ist wesentlich durch das Gewicht der Baugruppen: Brennstoffzelle, Gastank, Akku sowie Elektromotor mit entsprechender Schwerpunktsverlagerung sowie Wirkungsgrad, Kühlung und Lebensdauer der Brennstoffzelle gekennzeichnet. Eine Minimierung des Fahrzeuggewichtes, die Optimierung der Kühlung sowie ein möglichst günstiger Fahrzeugschwerpunkt und eine lange Lebensdauer stehen einem Kosten- und Wettbewerbsdruck gegenüber.
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Der Stand der Technik umfasst allgemein bekannte Konzepte zu Fahrzeugen, insbesondere Fahrräder, Motorrädern und Automobilen, deren Antriebssystem über eine Brennstoffzelle verfügt. Limitierend wirken sich dabei bisher besonders, dass mit der Brennstoffzellentechnologie verbundene Gewicht mit einer Veränderung des Fahrzeugschwerpunktes sowie die Kühlung der Brennstoffzelle und deren Lebensdauer auf die Funktion des Fahrzeuges aus. Besonders bei Fahrrädern mit vergleichsweise geringen Gewicht sowie Platz gegenüber Automobilen und einem oftmals sehr häufigen Gebrauch im Alltag, mit vielen Start-Stopp-Zyklen und Kurzstrecken, stellen diese Faktoren eine besonders große Herausforderung an technische Lösungen.
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Es gilt deshalb diese Hürden zu überwinden und Brennstoffzellentechnologien für Fahrzeuge bereitzustellen die umgesetzt möglichst leicht sind, einen möglichst optimalen Schwerpunkt des Fahrzeuges erzielen und über eine wirksame Kühlung der Brennstoffzelle verfügen sowie Lösungen zur Verlängerung der Lebensdauer bereitzustellen.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Fahrzeug mit Brennstoffzelle und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeuges bereitzustellen, die ein geringes Fahrzeuggewicht, günstigen Fahrzeugschwerpunkt, wirksame und effiziente Kühlung der Brennstoffzelle sowie lange Lebensdauer der Brennstoffzelle erzielen können.
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Für die Lösung dieser Aufgaben stellt die Erfindung ein Fahrzeug und Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4 bereit, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen. Durch die Bezugnahme wird der Wortlaut der Ansprüche zum Inhalt der Beschreibung erklärt.
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Nachfolgend werden grundlegende Zusammenhänge für Lösungen beschrieben. Die Brennstoffzelle kann im unteren, schwerpunktsgünstigen Bereich des Fahrzeuges angebracht werden, ebenso wie Akku und Gastank. Ein oder mehrere Elektromotoren können sowohl auf ein oder mehrere Radachsen, als auch bei Fahrrädern im Bereich der Tretkurbel angebracht sein. Insbesondere kann ein Fahrrad mit Muskelkraft und/oder durch den Elektromotor angetrieben werden. Die Kühlung z.B. mittels eines Kühlkörpers, welcher auch ein Teil des Fahrzeuges, insbesondere der Lenker eines Fahrrades, sein kann, kann von der Brennstoffzelle räumlich getrennt sein und befindet sich bevorzugt im oberen und/oder vorderen Teil des Fahrzeuges. Dies bewirkt insbesondere beim Fahrrad, dass durch diese Position, ein oder mehrere Kühlkörper vor Verschmutzung weitgehend geschützt sind und der Fahrtwind direkt als Kühlmedium auf den Kühlkörper trifft, sodass sich die Kühlwirkung verbessert. Brennstoffzelle und Kühlkörper können mittels einer Heatpipe bzw. Wärmerohr oder einem anderen Wärmeübertrager zum Wärmetransport und -austausch verbunden werden.
Ergänzend kann der Fahrtwind auch weitere Bereiche kühlen, insbesondere die Brennstoffzelle selbst und den Fahrzeugrahmen und/oder -verkleidung, welche ebenfalls als Kühlkörper genutzt werden können, indem entweder direkte Wärmeleitung und/oder andere Wärmeübertrage genutzt werden.
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Erfindungsgemäß ist es auch möglich einen Luftstrom während der Fahrt von der Fahrzeugvorderseite, beim Fahrrad insbesondere vom Lenker und/oder Unterrohr des Hauptrahmens, zur Brennstoffzelle zu leiten, insbesondere durch den Fahrzeugrahmen hindurch. Die Brennstoffzelle wird vom Luftstrom entsprechend über eine geeignete Austauschoberfläche und/oder Kühlkörper gekühlt. Anschließend tritt der Luftstrom wieder aus dem Fahrzeug, bevorzugt der Brennstoffzelle aus. Zur besseren Ansaugung der Luft kann beispielsweise eine trichterförmige Öffnung eingesetzt werden.
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In einer anderen erfindungsgemäßen Lösung wird die Brennstoffzelle in den Rahmen integriert oder stellt selbst einen tragenden Teil dieses dar. Zumindest ist sie jedoch so mit dem Rahmen verbunden, dass eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit und Kühlwirkung durch eine passive Kühlung des Rahmens mittels Umgebungsluft und Fahrtwind erzielt wird.
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Zu Gewährleistung einer dauerhaft hohen Kühlleistung können Brennstoffzellengehäuse oder Kühlelemente der Brennstoffzelle mit einer selbstreinigenden Oberfläche versehen werden und/oder an einer vom Schmutz gut geschützten Position am Fahrrad verbaut werden, die idealer Weise gut vom Regen, zur Reinigung, erreichbar ist. Besonders eignen sich schutzabweisende Lacke zur Beschichtung, die gleichzeitig über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen sowie Beschichtungstechnologie vergleichbar mit dem Lotoseffekt.
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Erfindungsgemäß sind verschiedene Brennstoffzellentechnologien im Fahrzeug einsetzbar, insbesondere Wasserstoff- und Methan-Brennstoffzellen. Der Einsatz von Biogas stellt eine umweltfreundliche Lösung im Vergleich zu konventionellen, nicht erneuerbaren Energien dar. Als Besonderheit beim Betrieb einer Methan-Brennstoffzelle kommt zum tragen, dass sich Methan bei einer Entspannung abkühlt und somit insbesondere flüssiges Methan aus einem entsprechend geeigneten Gastank im bzw. am Fahrzeug bei seiner Entspannung gleichzeitig zur Kühlung der Brennstoffzelle genutzt werden kann.
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Besonders vorteilhaft für das Gesamtgewicht eines Fahrzeuges und dessen Schwerpunkt ist es, wenn Brennstoffzelle, Gastank z. B. Flüssiggastank, Akku und Elektromotor kompakt in der Fahrzeugmitte und im unteren Bereich, beim Fahrrad insbesondere im Bereich der Tretkurbel bzw. darüber, in jedem Fall im unteren Teil des Rahmens, verbaut werden und/oder in den angrenzenden Rahmen integriert werden. Da dadurch Wege zur Übertragung von Gas zwischen Gastank und Brennstoffzelle sowie für elektrische Energie zwischen Brennstoffzelle, Akku und Elektromotor minimiert werden. In einer Variante wird ein Elektromotor an einem oder mehrerer Räder, insbesondere Radachsen befestigt, um die Räder direkt antreiben zu können. In einer weiteren Variante wird eine Heatpipe, welche Brennstoffzelle und einen Kühlkörper verbindet, zur zusätzlichen Kühlung der Brennstoffzelle genutzt. Als Kühlkörper kommt auch der Fahrradrahmen selbst infrage, insbesondere wenn dieser aus einem gut wärmeleitfähigen Material besteht, dazu kann dieser Beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein.
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Zur Gewährleistung der Kühlung der Brennstoffzelle ist es auch möglich diese bei Überschreitung einer kritischen Temperatur abzuschalten. Dazu verfügt Akku über eine ausreichende Restkapazität zur autonomen Spannungsversorgung des Elektromotors, bis die Brennstoffzelle wieder ausreichend abgekühlt ist. Der Akku wird von der Brennstoffzelle geladen, wenn sich diese in einem zulässigen Betriebstemperaturbereich befindet und eine Ladung aufgrund der vorhandenen Ladekapazität des Akkus sinnvoll ist. In einer Variante wird die Kühlwirkung durch Maßnahmen verbessert, insbesondere mittels Oberflächenmaterial, - struktur und -beschichtung sowie eine Form und Position der Brennstoffzelle, welche günstig für eine Kühlung durch den Fahrtwind ist. In einer weiteren Variante wird die Brennstoffzelle zusätzlich mittels aktiver Kühlung z.B. mittels Ventilator gekühlt. Ein Mikrocontroller der mit entsprechenden Sensoren, insbesondere Temperatursensor für Brennstoffzelle, Spannungsmesser für Akku, verbunden ist, kann die jeweils energieoptimale Lösung zur Steuerung von Betriebszyklen der Brennstoffzelle und/oder aktiver Kühlung berechnen.
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Ergänzende und alternative Lösungsvarianten werden insbesondere bereitgestellt durch: Eine sich selbst (passiv) kühlende flache Brennstoffzelle in der Rahmenmitte, insbesondere beim Fahrrad im Bereich des Hauptrahmens.
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Aktive Kühlung der Brennstoffzelle, insbesondere mittels Ventilator, wobei die elektrische Energie durch Nutzung von Sonnenlicht mittels Photovoltaikzellen, insbesondere dünne organische Photovoltaikzellen, generiert wird und/oder durch den Akku zur Verfügung gestellt wird. Photovoltaikzellen können dazu vorzugsweise auf der Brennstoffzellengehäuseaußenseite und/oder auf dem Rahmen oder zwischen diesem aufgebracht oder befestigt sein.
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Für eine besonders hohe Kühlwirkung wird die Rahmenoberfläche, ähnlich einem Kühlkörper so strukturiert, dass eine besonders große Oberfläche zum Wärmeaustausch verfügbar ist.
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In Abhängigkeit von der Temperatur der Brennstoffzelle kann zusätzlich zur passiven Kühlung eine aktive Kühlung z.B. mittels Ventilator zugeschalten werden, dies kann auch durch eine Steuerung oder Regelung erfolgen. In einer Variante kann temporär die Leistung der Brennstoffzelle reduziert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.
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Die Brennstoffzelle wird so konzipiert und ausgelegt, dass sie während des Betriebs von innen heraus ausreichend durch Luft, insbesondere die zum Betrieb und/oder Kühlung einströmenden Gase, gekühlt wird. Dadurch sind die Wärmeaustauschflächen weitgehend vor Verschmutzung geschützt. Um Verbrennungen der menschlichen Haut vorzubeugen, kann das Brennstoffzellengehäuse eine Wärmeisolationsschicht besitzen oder ein Schutzgitter über den Brennstoffzellengehäuse, durch welches eine Kühlung des Brennstoffzellengehäuses gewährleistet ist, eine Verbrennungsgefahr jedoch minimiert wird.
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Neben dem Hauptrahmen eignen sich als Kühlkörper, entsprechende Materialeigenschaften mit ausreichend hoher Wärmeleitfähigkeit vorausgesetzt, auch die Pedalarme, Lenker, Felgen, Speichen, Zahnräder und Kette als Kühlkörper, welche selbst oder mittels Heatpipe oder anderem Wärmeübertrager mit der Brennstoffzelle verbunden werden können.
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Wasserdampf aus einer Brennstoffzelle kann durch Kondensation als Wasser für eine zusätzliche Kühlwirkung per Verdunstung z.B. auf porösen oder rauen Oberflächen wie Kühlkörper, Rahmen oder entsprechend ausgeführte Außen- und/oder Innenoberflächen der Brennstoffzelle genutzt werden.
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Ein Fahrzeugrahmen, der als passiver Kühlkörper wirkt kann mit einer Flüssigkeit gefüllt sein, welche unter anderem durch Konvektion den Wärmetransport und die Kühlwirkung weiter verbessert. Die Brennstoffzelle kann hierzu Teil des Rahmens sein oder mit diesem und/oder der Flüssigkeit verbunden sein.
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Es kann die Innenseite des Rahmens mittels durchströmender Luft als schmutzgeschützter Bereich zur Kühlung genutzt werden.
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Als aktive Kühlung für die Brennstoffzelle kann eine Wasserkühlung eingesetzt werden.
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Das Gehäuse der Brennstoffzelle kann aus einem sehr wärmeleitfähigen und festen Material wie z.B. einer Aluminium-Kupferlegierung, besonders dünn ausführt werden, damit selbst bei leichter bis mäßiger Verschmutzung eine ausreichende Kühlwirkung gewährleistet ist.
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Ab einer bestimmten Temperatur der Brennstoffzelle werden mittels Bimetall und mechanischer Vorrichtung zusätzliche Kühlflächen an der Brennstoffzelle in den Fahrtwind hinein, automatisch aus- und eingefahren. In einer Variante sind diese zusätzlichen Kühlflächen an anderen Kühlkörpern, außer der Brennstoffzelle befestigt.
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Der innere Bereich einer Brennstoffzelle mit der höchsten Temperatur wird mittels einer oder mehrere Heatpipes direkt mit dem Gehäuse der Brennstoffzelle und/oder anderen Kühlkörpern verbunden, um eine besonders effektive Kühlung sicherzustellen.
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Mittels Peltier-Element zwischen Brennstoffzelle und Kühler kann die Kühlung weiter intensiviert werden.
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Alle beschriebenen Möglichkeiten können, vorausgesetzt technisch wirksam, kombiniert werden.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Eine Ausführungsform sieht ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeuges vor, insbesondere zum Betrieb von Fahrrädern mittels Brennstoffzelle. Der Wärmeaustausch zwischen Brennstoffzelle, welche sich schwerpunktsgünstig im unteren Bereich des Fahrzeuges befindet, und einem Kühlkörper im vorderen Teil des Fahrzeuges wird über eine Heatpipe realisiert. Die Heatpipe wird dazu am und/oder im Rahmen des Fahrzeuges entlanggeführt. Ein Kühlkörper am Steuerrohr des Fahrrades wird von der Umgebungsluft und dem Fahrtwind gekühlt.
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In einer anderen Ausführungsform eines Fahrrades wird während der Fahrt Luft durch eine Öffnung im Steuerrohr in das Unterrohr des Hauptrahmens direkt zu einer im Unterrohr integrierten Brennstoffzelle zur Kühlung geführt und verlässt diese nach dem durchströmen mit Wärmeaustausch wieder.
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Eine weitere Ausführungsform sieht ein Fahrrad mit Brennstoffzelle vor, bei welchem die Brennstoffzelle im unteren, schwerpunktsgünstigen Bereich am Rahmen, befestigt ist. Eine Heatpipe ist mit der Brennstoffzelle verbunden und verläuft im inneren des Unterrohrs, welches gleichzeitig als Kühlkörper dient und über eine Öffnung im Steuerrohr während der Fahrt von Luft durchströmt wird, welche zur inneren Kühlung dient und welche das Unterrohr über eine Öffnung an dessen Unterseite verlässt. Diese Öffnung ist mittels eines Spritzschutzes gegen Schmutz geschützt. Die Öffnung im Steuerrohr verfügt über ein Fliegengitter gegen Verschmutzung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Brennstoffzelle am unteren Ende des Unterrohrs des Hauptrahmens eines Fahrrades, über der Tretkurbel angebracht. Eine Heatpipe verbindet die Wasserstoffbrennstoffzelle mit dem Unterrohr zum Wärmeaustausch. Dazu verfügt das Unterrohr über eine Öffnung, an der zur Brennstoffzelle zugewandten Seite. Die Heatpipe durchläuft das Unterrohr im Inneren 30 bis 90cm Richtung Steuerrohr und ist mit dem Unterrohr für einen Wärmeaustausch verbunden. Das Unterrohr ist aus einer hochfesten Aluminium-Kupferlegierung gefertigt, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein Gastank ist am Sitzrohr des Hauptrahmens befestigt und zur Gasversorgung mit der Brennstoffzelle verbunden. Ein Akku ist im Sitzrohr verbaut und kann durch Entfernung der Sattelstütze gewechselt werden. Ein Elektromotor ist im Vorderrad, zum Antrieb dieses, verbaut, sodass das Fahrrad sowohl Muskelkraft getrieben über eine Tretkurbel und Gangschaltung über das Hinterrad, als auch einen Elektromotor oder beides zusammen angetrieben werden kann. Brennstoffzelle und Gastank sind schwerpunktsgünstig im unteren Teil des Hauptrahmens befestigt. Der Elektromotor ist über eine Schaltung am Lenker in verschiedene Leistungsstufen zuschaltbar.
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Weitere Varianten als Lösungen können im Fahrzeug oder Verfahren umgesetzt werden, hierzu wird insbesondere auf die generellen Lösungen als Basis, insbesondere zur Kombination und Ergänzung, verwiesen.