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WO2024083698A1 - Fahrzeug mit brennstoffzelle und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

Fahrzeug mit brennstoffzelle und verfahren zu dessen betrieb Download PDF

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WO2024083698A1
WO2024083698A1 PCT/EP2023/078579 EP2023078579W WO2024083698A1 WO 2024083698 A1 WO2024083698 A1 WO 2024083698A1 EP 2023078579 W EP2023078579 W EP 2023078579W WO 2024083698 A1 WO2024083698 A1 WO 2024083698A1
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Richard Kindich
Jonathan Hans-Peter BAIER
Reinhard Blanke
Eugen Krebs
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Daimler Truck Holding AG
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Daimler Truck AG
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a vehicle with a fuel cell according to the preamble of claim 1 and a method for its operation according to the preamble of claim 6.
  • JP 2019-075254 A2 describes a fuel cell system comprising a fuel cell in which hydrogen and oxygen are electrochemically reacted and water is generated by the electrochemical reaction, water storage parts for storing water collected in the fuel cell, a heat exchanger that releases heat from the exchange of a heat exchange medium that receives heat from the fuel cell, a spray part for spraying water from the water storage parts onto the heat exchanger to cool the heat exchanger using latent heat of vaporization, and an abnormality determination part for determining an abnormality related to water spraying of the spray part.
  • the abnormality determination part performs an abnormality determination based on the difference of the theoretical heat release of the heat exchanger when no water is sprayed onto the heat exchanger and an actually measured heat release of the heat exchanger when water is sprayed onto the heat exchanger.
  • the invention is based on the object of specifying a novel vehicle with a fuel cell and a novel method for its operation.
  • the object is achieved according to the invention by a vehicle with a fuel cell having the features of claim 1 and by a method for operating a vehicle with a fuel cell having the features of claim 6.
  • a vehicle according to the invention comprises at least one fuel cell, a cooling system with at least one cooler for cooling the fuel cell, a container for collecting water generated in the fuel cell, a plurality of nozzles arranged in front of the cooler in the direction of travel for directing or spraying water from the container onto the cooler or into an air stream flowing through the cooler, a pump for conveying the water from the container to the nozzles, and a controller that is configured to control and/or regulate the pump with regard to the amount of water conveyed depending on the outside temperature and a temperature of the cooling system.
  • the vehicle is designed as a commercial vehicle, wherein the cooler is arranged on a roof or in the region of the roof of the vehicle, wherein the container is arranged in a lower region of the vehicle.
  • Spraying water onto a warm and/or hot radiator improves cooling performance. Cooling performance is achieved by evaporating the water. This allows energy savings, an improvement in the efficiency of the radiator and therefore a better efficiency of the overall system including the fuel cell. This results in a reduction in the ecological footprint, as more range is achieved with the same use of primary energy.
  • Fig. 1 is a schematic view of a commercial vehicle with fuel cell drive.
  • Figure 1 is a schematic view of a commercial vehicle 1, in particular a tractor for a semitrailer.
  • the commercial vehicle 1 has a drive based on one or more fuel cells.
  • a technology tower 3 is arranged behind a cabin 2 of the commercial vehicle 1, in which one or more hydrogen tanks 4 are arranged.
  • a cooler 5 is arranged on a roof of the cabin 2 or on the technology tower 3 in the roof area.
  • a fuel cell vehicle generates a lot of waste heat. This is further increased by the need for cooling power when the vehicle brakes. If no recuperation is possible, then electrical energy must be converted into heat, which must be dissipated via the cooler 5.
  • one or more nozzles 6 are arranged from which water can be sprayed onto the radiator 5.
  • the water is generated as a spray mist by the fuel cell, discharged from it and collected in a container 7.
  • a container 7 In a commercial vehicle 1, for example, around 50 l of water can be produced per hour.
  • the water is introduced via the nozzles 6 as a water flow or as a spray mist into an air stream which flows through the radiator 5, or is sprayed directly onto the radiator 5.
  • the cooler 5 is blown by the air flow, for example the airstream FW while driving.
  • the nozzles 6 are arranged in this air flow and can be designed similarly to the nozzles for the cleaning water on a windshield.
  • the nozzles 6 are supplied with water from the container 7.
  • the entire cooler 5 is wetted and the cooler 5 is additionally cooled as a result of the evaporation enthalpy, for example by about two to three degrees more than without the spraying.
  • the container 7 for collecting the water from the fuel cell is located, for example, in a lower area of the commercial vehicle 1.
  • the water is pumped from the container 7 to the nozzles 6 by means of a pump (not shown).
  • the spray mist generated by the fuel cell can also be applied directly to the cooler 5.
  • a control (not shown) can be provided which decides when and how much water is sprayed depending on at least one temperature, for example the outside temperature and/or a temperature of the cooling system of the commercial vehicle 1.
  • a collecting device for example a tub or channel, can be provided behind the cooler 5 to collect part of the sprayed water that may not have evaporated.
  • An outlet from this collecting device, for example to the container 7, can be guided along an ascending and thus warmer line to the cooler 5 and wet it. In this way, this line is also additionally cooled as a result of evaporation enthalpy and the cooling effect is increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit mindestens einer Brennstoffzelle, einem Kühlsystem mit mindestens einem Kühler (5) zum Kühlen der Brennstoffzelle, einem Behälter (7) zum Auffangen von in der Brennstoffzelle erzeugtem Wasser, einer Mehrzahl von in Fahrtrichtung (F) vor dem Kühler (5) angeordneten Düsen (6) zum Leiten oder Sprühen von Wasser aus dem Behälter (7) auf den Kühler (5) oder in einen den Kühler (5) durchströmenden Luftstrom, einer Pumpe zum Fördern des Wassers aus dem Behälter (7) zu den Düsen (6), und einer Steuerung, die dazu konfiguriert ist, abhängig von der Außentemperatur und einer Temperatur des Kühlsystems die Pumpe hinsichtlich der Menge des geförderten Wassers zu steuern und/oder zu regeln, wobei das Fahrzeug als ein Nutzfahrzeug (1) ausgebildet ist, wobei der Kühler (5) auf einem Dach oder im Bereich des Dachs des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei der Behälter (7) in einem unteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist.

Description

Fahrzeug mit Brennstoffzelle und Verfahren zu dessen Betrieb
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Betrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
JP 2019-075254 A2 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle, in der Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch umgesetzt werden und Wasser durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wird, Wasserspeicherteile zum Speichern von in der Brennstoffzelle gesammeltem Wasser, einen Wärmetauscher, der Wärme aus dem Austausch eines Wärmeaustauschmediums abgibt, das Wärme von der Brennstoffzelle aufnimmt, ein Sprühteil zum Sprühen von Wasser aus den Wasserspeicherteilen auf den Wärmetauscher zum Kühlen des Wärmetauschers unter Verwendung latenter Verdampfungswärme, und ein Anomaliebestimmungsteil zum Bestimmen einer Anomalie in Bezug auf das Wassersprühen des Sprühteils. Der Anomaliebestimmungsteil führt eine Anomaliebestimmung auf der Grundlage der Differenz der theoretischen Wärmefreisetzung des Wärmetauschers, wenn kein Wasser auf den Wärmetauscher gesprüht wird, und einer tatsächlich gemessenen Wärmefreisetzung des Wärmetauschers, wenn Wasser auf den Wärmetauscher gesprüht wird, durch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Fahrzeug mit Brennstoffzelle und ein neuartiges Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, ein Kühlsystem mit mindestens einem Kühler zum Kühlen der Brennstoffzelle, einen Behälter zum Auffangen von in der Brennstoffzelle erzeugtem Wasser, eine Mehrzahl von in Fahrtrichtung vor dem Kühler angeordneten Düsen zum Leiten oder Sprühen von Wasser aus dem Behälter auf den Kühler oder in einen den Kühler durchströmenden Luftstrom, eine Pumpe zum Fördern des Wassers aus dem Behälter zu den Düsen, und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, abhängig von der Außentemperatur und einer Temperatur des Kühlsystems die Pumpe hinsichtlich der Menge des geförderten Wassers zu steuern und/oder zu regeln. Erfindungsgemäß ist das Fahrzeug als ein Nutzfahrzeug ausgebildet, wobei der Kühler auf einem Dach oder im Bereich des Dachs des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei der Behälter in einem unteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist.
Durch das Aufsprühen von Wasser auf einen warmen und/oder heißen Kühler wird die Kühlleistung verbessert. Es entsteht eine Kühlleistung durch das Verdampfen des Wassers. Somit kann eine Energieeinsparung, eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Kühlers und dadurch ein besserer Wirkungsgrad des Gesamtsystems einschließlich der Brennstoffzelle erzielt werden. Dadurch ergibt sich eine Verringerung des ökologischen Fußabdruckes, da mehr Reichweite mit gleichem Einsatz von Primärenergie erzielt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Nutzfahrzeugs mit Brennstoffzellen-Antrieb.
Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Nutzfahrzeugs 1, insbesondere einer Zugmaschine für einen Sattelzug. Das Nutzfahrzeug 1 weist einen auf ein oder mehreren Brennstoffzellen basierenden Antrieb auf. Hierfür ist hinter einer Kabine 2 des Nutzfahrzeugs 1 ein Technikturm 3 angeordnet, in dem insbesondere ein oder mehrere Wasserstofftanks 4 angeordnet sind. Auf einem Dach der Kabine 2 oder auf dem Technikturm 3 im Dachbereich ist ein Kühler 5 angeordnet.
Ein Brennstoffzellen-Fahrzeug erzeugt viel Abwärme. Diese wird zusätzlich erhöht durch den Bedarf von Kühlleistung beim Abbremsen des Fahrzeuges. Wenn keine Rekuperation möglich ist, dann muss elektrische Energie in Wärme gewandelt werden, die über den Kühler 5 abgeführt werden muss.
In Fahrtrichtung F vor dem Kühler 5 sind ein oder mehrere Düsen 6 angeordnet, aus denen Wasser auf den Kühler 5 gesprüht werden kann. Das Wasser wird als Sprühnebel durch die Brennstoffzelle erzeugt, aus dieser ausgeleitet und in einem Behälter 7 aufgefangen. Bei einem Nutzfahrzeug 1 können beispielsweise etwa 50I Wasser pro Stunde anfallen. Das Wasser wird über die Düsen 6 als Wasserfluss oder als Sprühnebel in einen Luftstrom eingebracht, welcher den Kühler 5 durchströmt, oder direkt auf den Kühler 5 gesprüht.
Der Kühler 5 wird durch den Luftstrom, beispielsweise Fahrtwind FW während der Fahrt, angeblasen. In diesem Luftstrom sind die Düsen 6 angeordnet, die ähnlich den Düsen für das Reinigungswasser einer Windschutzscheibe ausgebildet sein können. Die Düsen 6 werden mit dem Wasser aus dem Behälter 7 versorgt. Insbesondere wird so der gesamte Kühler 5 benetzt und der Kühler 5 infolge Verdampfungsenthalpie zusätzlich gekühlt, beispielsweise um etwa zwei Grad bis drei Grad mehr als ohne das Einsprühen.
Der Behälter 7 zum Sammeln des Wassers aus der Brennstoffzelle befindet sich beispielsweise in einem unteren Bereich des Nutzfahrzeugs 1. Mittels einer Pumpe (nicht dargestellt) wird das Wasser aus dem Behälter 7 zu den Düsen 6 gefördert. Alternativ kann der durch die Brennstoffzelle generierte Sprühnebel auch direkt auf den Kühler 5 aufgebracht werden.
Ferner kann eine Steuerung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die abhängig von mindestens einer Temperatur, beispielsweise der Außentemperatur und/oder einer Temperatur des Kühlsystems des Nutzfahrzeugs 1, entscheidet, wann und wieviel Wasser gesprüht wird.
Ferner kann in Fahrtrichtung F hinter dem Kühler 5 eine Auffangeinrichtung (nicht dargestellt), beispielsweise eine Wanne oder Rinne, zum Auffangen eines Teils des aufgesprühten Wassers vorgesehen sein, das gegebenenfalls nicht verdampft ist. Ein Ablauf aus dieser Auffangeinrichtung, beispielsweise zum Behälter 7 hin, kann entlang einer aufsteigenden und damit wärmeren Leitung zum Kühler 5 geführt sein und diese benetzen. Auf diese Weise wird auch diese Leitung infolge Verdampfungsenthalpie zusätzlich gekühlt und der Kühleffekt vergrößert. Bezugszeichenliste
1 Nutzfahrzeug Kabine Technikturm Wasserstofftank
5 Kühler
6 Düse
7 Behälter
F Fahrtrichtung
FW Fahrtwind

Claims

Patentansprüche Fahrzeug mit mindestens einer Brennstoffzelle, einem Kühlsystem mit mindestens einem Kühler (5) zum Kühlen der Brennstoffzelle, einem Behälter (7) zum Auffangen von in der Brennstoffzelle erzeugtem Wasser, einer Mehrzahl von in Fahrtrichtung (F) vor dem Kühler (5) angeordneten Düsen (6) zum Leiten oder Sprühen von Wasser aus dem Behälter (7) auf den Kühler (5) oder in einen den Kühler (5) durchströmenden Luftstrom, einer Pumpe zum Fördern des Wassers aus dem Behälter (7) zu den Düsen (6), und einer Steuerung, die dazu konfiguriert ist, abhängig von der Außentemperatur und einer Temperatur des Kühlsystems die Pumpe hinsichtlich der Menge des geförderten Wassers zu steuern und/oder zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug als ein Nutzfahrzeug (1) ausgebildet ist, wobei der Kühler (5) auf einem Dach oder im Bereich des Dachs des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei der Behälter (7) in einem unteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom durch Fahrtwind (FW) erzeugbar ist. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) dazu angeordnet sind, den gesamten Kühler (5) zu benetzen. Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Fahrtrichtung (F) hinter dem Kühler (5) eine Auffangeinrichtung zum Auffangen eines nicht verdampften Teils des auf den Kühler (5) gesprühten Wassers angeordnet ist, wobei die Auffangeinrichtung einen Ablauf aufweist, der entlang einer aufsteigenden Leitung zum Kühler (5) geführt und dazu ausgebildet ist, diese mit dem aufgefangenen Wasser zu benetzen. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ferner eine Kabine (2) und einen hinter der Kabine (2) angeordneten Technikturm (3) umfasst, in dem Wasserstofftanks (4) angeordnet sind, wobei der Kühler (5) im Bereich des Dachs der Kabine (2) auf dem Technikturm (3) angeordnet ist. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit mindestens einer Brennstoffzelle und einem Kühlsystem mit mindestens einem Kühler (5) zum Kühlen der Brennstoffzelle, wobei in der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser in einem Behälter (7) aufgefangen wird und mittels einer Pumpe zu einer Mehrzahl von in Fahrtrichtung (F) vor dem Kühler (5) angeordneten Düsen (6) gefördert und von den Düsen (6) auf den Kühler (5) oder in einen den Kühler (5) durchströmenden Luftstrom geleitet oder gesprüht wird, wobei mittels einer Steuerung abhängig von der Außentemperatur und einer Temperatur des Kühlsystems die Pumpe hinsichtlich der Menge des geförderten Wassers gesteuert und/oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug als ein Nutzfahrzeug (1) ausgebildet ist, wobei der Kühler (5) auf einem Dach oder im Bereich des Dachs des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei der Behälter (7) in einem unteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet ist.
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