DE10139617A1 - Antriebsvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem elektrischen Stromerzeuger - Google Patents
Antriebsvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem elektrischen StromerzeugerInfo
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Abstract
Es wird eine Antriebsvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (1) und einem elektrischen Stromerzeuger (14) vorgeschlagen, bei der zuverlässig ein hoher Betrag an elektrischer Energie mit gutem Wirkungsgrad bereitgestellt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Brennstoffzelle (14) als Stromerzeuger vorgesehen ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem
Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Fahrzeugantriebe, bei denen eine Brennstoffzelle zur
Erzeugung elektrischer Energie in Verbindung mit einem oder
mehreren Elektromotoren Verwendung finden, sind insbesondere
im Zusammenhang mit dem sogenannten Zero-Emission-Vehicle
bekannt geworden. Derartige Fahrzeuge werden zum Teil mit
einem Wasserstofftank versehen, um den für den Betrieb der
Brennstoffzelle benötigten Brennstoff bereitzustellen. In
anderen Ausführungsformen wird zusätzlich eine Anlage zur
Kraftstoffreformierung vorgesehen, in der herkömmlicher
Kraftstoff, der üblicherweise in Form von Kohlenwasserstoffen
vorliegt, chemisch aufgespalten wird, wobei der für den
Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoff erzeugt
wird.
Die überwiegende Anzahl von Kraftfahrzeugen wird jedoch nach
wie vor von Hubkolbenmotoren angetrieben, die zusätzlich mit
einem Stromerzeuger in Form einer Lichtmaschine versehen
sind, um elektrische Peripheriegeräte mit Energie zu
versorgen.
Moderne Kraftfahrzeuge werden jedoch in zunehmendem Maße mit
einer Vielzahl von Verbrauchern ausgestattet, um
Zusatzfunktionen zur Verbesserung der Motorsteuerung des
Komforts und der Sicherheit anzubieten. Hieraus ergibt sich
ein erhöhter elektrischer Energiebedarf.
Weiterhin ist es bei Fahrzeugen mit herkömmlichem
Verbrennungsmotor von Nachteil, dass die Lichtmaschine nur
bei laufendem Verbrennungsmotor in Betrieb ist.
Energieverbraucher, wie Klimaanlagen, Gebläse, Pumpen, etc.,
die eine zu große Belastung für die Kraftfahrzeugbatterie
darstellen, können demnach ebenfalls nur bei laufendem
Verbrennungsmotor eingesetzt werden.
Zudem setzen sich insbesondere im Kraftfahrzeugbereich vor
allem zur Erfüllung sicherheitsrelevanter Funktionen, wie
beispielsweise das Bremsen, Lenken oder Federn, aber auch in
anderen Bereichen unter anderem zur Motorenoptimierung, wie
z. B. zur Ventilsteuerung, usw., elektrisch betriebene Systeme
durch. Diese Systeme werden häufig vollständig elektrisch
betrieben und mittels einer Steuereinheit elektronisch
geregelt. Bei der Versorgung dieser zusätzlichen elektrischen
Verbraucher, deren zusätzlicher Leistungsbedarf ca. 5 bis
10 kW betragen kann, können herkömmliche elektrische
Speichereinheiten unter anderem aufgrund ihres niedrigen
spezifischen Energieinhalts nur bedingt eingesetzt werden.
Darüber hinaus ist physikalisch der Wirkungsgrad in der
Stromerzeugung durch die Kombination eines Verbrennungsmotors
mit einer Lichtmaschine deutlich eingeschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber eine
Antriebsvorrichtung mit Verbrennungsmotor vorzuschlagen, bei
der auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors stets ein
hoher Betrag an elektrischer Energie zur Verfügung steht und
zugleich ein hoher Wirkungsgrad bei der Erzeugung der
elektrischen Energie gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der
einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung
möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße
Antriebsvorrichtung dadurch aus, dass sowohl ein
Verbrennungsmotor als auch eine Brennstoffzelle vorgesehen
ist.
Da die Brennstoffzelle unabhängig vom Verbrennungsmotor
arbeitet, ist somit ebenso ein vom Verbrennungsmotor
unabhängiger Betrieb aller elektrischer Zusatzkomponenten
möglich. So kann in einem Kraftfahrzeug beispielsweise auch
bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor eine
Klimatisierungsanlage eingeschaltet bleiben.
Darüber hinaus kann mittels der Brennstoffzelle insbesondere
auch ein vom Motor unabhängiger Betrieb der
sicherheitsrelevanten Komponenten bzw. Funktionen vor allem
eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuges realisiert werden.
Diese Motor unabhängige elektrische Versorgung,
beispielsweise eines entsprechenden Bordnetzes, ist
insbesondere bei sicherheitsrelevanten, elektrisch
gesteuerten Systemen vorteilhaft.
Vorzugsweise können hiermit die sicherheitsrelevanten
Funktionen gewährleistet werden, selbst wenn aufgrund einer
Fehlfunktion des Verbrennungsmotors und/oder einer
entsprechenden, im Allgemeinen vorhandenen elektrischen
Speichereinheit, wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie
bzw. eines Fahrzeugakkumulators, diese gestört sind bzw.
ausfallen. Eine entsprechende elektrische Notversorgung
mittels der Brennstoffzelle ist ganz besonders von Vorteil,
z. B. bei einem Aussetzen des Verbrennungsmotors, einer zu
starken Entladung der elektrischen Speichereinheit
möglicherweise aufgrund vergleichsweise langer Standzeiten,
während der Startphase des Verbrennungsmotors, usw. Mit
dieser Maßnahme sind für entsprechende Notfälle zusätzliche,
relativ schwere elektrische Speichereinheiten entbehrlich,
wodurch ein gegebenenfalls höherer Kraftstoffverbrauch des
Fahrzeugs minimierbar ist.
Aufgrund der selbstständigen Entladung der elektrischen
Speichereinheit, auch ohne Belastung, kann möglicherweise der
Energiebedarf der sicherheitsrelevanten Komponenten, z. B. von
Lenkung, Bremsen und/oder Federung, ohne die Brennstoffzelle
gemäß der Erfindung kurz nach dem Start nicht gedeckt werden.
Hierbei müsste der notwendige Ladezustand der elektrischen
Speichereinheit bei sich im Betrieb befindlichen
Verbrennungsmotor erst erreicht werden, bevor sich das
Fahrzeug in Bewegung setzt, was zu vergleichsweise langen
Wartezeiten führen könnte. Mittels der Brennstoffzelle kann
insbesondere die elektrische Speichereinheit unabhängig vom
Verbrennungsmotor geladen werden, so dass die
sicherheitsrelevanten Komponenten bereits beim Start
einsatzfähig sind und hierdurch nachteilige Wartezeiten
verringert bzw. beseitigt werden können.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung in
Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei jedoch insbesondere im
Falle der nachfolgend geschilderten Weiterbildungen auch ein
Einsatz bei stationären vom Stromnetz unabhängigen Anlagen
denkbar wäre.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Anlage zur
Kraftstoffreformierung für die Brennstoffzelle vorgesehen.
Auf diese Weise kann der üblicherweise für Fahrzeuge mit
Verbrennungsmotor bislang verwendete Kraftstoff auch für den
Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden, wobei in einem
Kraftstoffreformator der Brennstoff für die Brennstoffzelle
erzeugt wird. Der Brennstoff für die Brennstoffzelle besteht
bei den aus heutiger Sicht sinnvoll einsetzbaren
Brennstoffzellen aus Wasserstoff.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird eine Verbindung zwischen der Anlage zur
Kraftstoffreformierung und dem Verbrennungsmotor vorgesehen.
Auf diese Weise kann dem Verbrennungsmotor in bestimmten
Betriebsphasen ein als Zwischen- oder Endprodukt der Anlage
zur Kraftstoffreformierung vorliegendes Fluid zugeführt
werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um reinen
Wasserstoff oder aber um ein Wasserstoffgemisch mit
zusätzlichen Stoffkomponenten, beispielsweise einem CO-Gehalt
handeln. Die Zugabe kann beispielsweise über die
Kraftstoffzufuhr, die Ladeluft oder aber auch im Falle eines
Vergasermotors in das Verbrennungsgemisch des
Verbrennungsmotors erfolgen. Durch dosierte Zugaben von
Wasserstoff, gegebenenfalls in Verbindung mit CO kann das
Verhalten des Verbrennungsmotors bei bestimmten
Betriebszuständen sinnvoll verbessert werden.
So kann beispielsweise das Kaltstartverhalten zugunsten einer
geringeren Schadstoffemission beeinflusst werden. Sofern eine
Abgasrückführung vorgesehen ist, so lassen sich durch Zugabe
von Wasserstoff die Abgasrückführungsraten erhöhen, womit
eine stärkere NOx-Absenkung verbunden ist. Durch das
hervorragende Zündverhalten von Wasserstoff ist weiterhin
auch eine Absenkung der Leerlaufdrehzahl des Motors möglich.
Neben den drei beispielhaften angeführten
Nutzungsmöglichkeiten der Wasserstoffzufuhr mit und ohne
CO-Anreicherung aus der Anlage zur Reformierung des Kraftstoffs
für die Brennstoffzelle an den Verbrennungsmotor sind ohne
weiteres auch noch weitere Anwendungsmöglichkeiten offen.
Allgemein formuliert steht mit der Möglichkeit der
Wasserstoffzufuhr ein weiterer Parameter für die Steuerung
des Verbrennungsmotors zur Verfügung.
Für die Zugabe der Zwischen- bzw. Endprodukte aus der
Kraftstoffreformierung in den Verbrennungsmotor wird
vorzugsweise eine Steuereinheit vorgesehen, die die Dosierung
der Zugabe abhängig vom Betriebszustand des
Verbrennungsmotors steuert, so dass die Möglichkeiten zur
Verbesserung des Verhaltens des Verbrennungsmotors voll
ausgeschöpft werden können.
In einer weiteren äußerst vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird wenigstens eine Verbindung von der Anlage zur
Kraftstoffreformierung zu wenigstens einem Katalysator für
die Abgasreinigung des Verbrennungsmotors vorgenommen. Auch
hierdurch ist eine Vielzahl von Vorteilen zu erzielen. So
kann beispielsweise beim Kaltstart eine schnellere Erwärmung
des Katalysators durch Zugabe von Wasserstoff oder eines
Wasserstoffgemisches erreicht werden. Darüber hinaus wäre
beispielsweise die Regeneration eines
NOx-Speicherkatalysators durch Zugabe von Wasserstoff oder
eines Wasserstoffgemisches denkbar.
Weiterhin wird vorteilhafterweise auch für die Zugabe der
Zwischen- bzw. Endprodukte aus der Kraftstoffreformierung zu
einem oder mehreren Katalysatoren zur Abgasbehandlung des
Verbrennungsmotors eine Steuereinheit vorgesehen, die die
Dosierung der Zugabe abhängig vom Betriebszustand des
jeweiligen Katalysators steuert, so dass die Möglichkeiten
zur Steuerung des Betriebs bzw. der Regeneration eines
solchen Katalysators voll ausgeschöpft werden können.
Da auch in einer Brennstoffzelle der zur Verfügung stehende
Brennstoff nicht ganz vollständig umgesetzt wird, wird in
einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung
zusätzlich eine Turbine und/oder ein Brenner, insbesondere
ein katalytisch aktiver Brenner, zur Ausnutzung der
Restmengen an Brennstoff, d. h. im oben angeführten Fall an
Wasserstoff, vorgesehen. Auf diese Weise wird der
Wirkungsgrad des Gesamtsystems weiter verbessert.
Eine solche Turbine kann wiederum auf unterschiedliche Weisen
genutzt werden. So ist beispielsweise die Nutzung der Turbine
zur Ladeluftverdichtung des Verbrennungsmotors möglich, d. h.
die Turbine kann unmittelbar als Turboladerantrieb eingesetzt
werden. Weiterhin besteht eine Möglichkeit der energetischen
Nutzung dieser Turbine darin, dass damit ein Stromgenerator
betrieben wird, der die zur Verfügung stehende elektrische
Leistung der Gesamtanlage und damit deren Wirkungsgrad
erhöht.
Grundsätzlich können in vorteilhafter Weise bei einer
erfindungsgemäßen Kombination eines Verbrennungsmotors mit
einer Brennstoffzelle wie alle Zusatzkomponenten auch
Verdichtungseinheiten elektromotorisch angetrieben werden.
Dies bietet den besonderen Vorteil, dass die
Verdichtungseinheiten und die daraus resultierenden Drücke,
beispielsweise der Ladeluft des Verbrennungsmotors,
drehzahlunabhängig gesteuert werden können.
Durch die Möglichkeit der elektrischen Ansteuerung sämtlicher
Motorperipheriegeräte ergeben sich demnach weitere
Steuerparameter für den Betrieb des Verbrennungsmotors.
Dadurch ist beispielsweise eine Erhöhung der Motorleistung
und/oder eine Verbesserung der Abgasemission gegenüber
herkömmlichen Verbrennungsmotoren denkbar, insbesondere
während einer Kaltstart-Phase des Verbrennungsmotors. Auch
die Veränderung der Motorcharakteristik ist durch derartige
Maßnahmen möglich. Dementsprechend können hierdurch
vergleichsweise hohe umweltrelevante Anforderungen von
entsprechenden Systemen bzw. Fahrzeugen erfüllt werden.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung
wird zudem wenigstens eine Verdichtungseinheit innerhalb der
Anlage zur Kraftstoffreformierung eingesetzt. Hiermit kann
die Brennstoffzelle kathoden- und/oder anodenseitig mit einem
relativ hohen Druck beaufschlagt werden, um die
Leistungsdichte der Brennstoffzelle zu erhöhen. Hierbei
werden vorzugsweise die Edukte der Brennstoffzelle wie die
Luft, das Wasser und/oder der Kraftstoff bzw. Zwischen-
und/oder Produkte der Kraftstoffreformierung mittels einer
oder mehrerer Verdichtungseinheiten auf ein vorteilhaft hohes
Druckniveau verdichtet. Grundsätzlich können sowohl flüssige
als auch verdampfte bzw. gasförmige Kraftstoffe und/oder
Wasser bzw. Wasserdampf verwendet werden.
Eine solche Verdichtung kann beispielsweise eingangs-
und/oder ausgangsseitig der Anlage bzw. eingangsseitig der
Brennstoffzelle vorgenommen werden. Die Verdichtung kann
jedoch auch in einer vorherigen Verfahrensstufe bzw.
Zwischenstufe der Reformierung vorgenommen werden, so dass
bereits der jeweilige Stoffstrom, d. h. die Edukte bzw.
Zwischenprodukte, der Anlage zur Kraftstoffreformierung mit
einem entsprechenden Druck beaufschlagt ist. Zum einen kann
hierdurch die Kraftstoffreformierung beeinflusst werden, zum
anderen steht bei einer etwaigen Verbindung zum
Verbrennungsmotor das jeweils zuzuführende Zwischen- bzw.
Endprodukt aus der Kraftstoffreformierung bereits mit
erhöhtem Druck zur Verfügung, so dass die Zugabe in den
Verbrennungsmotor vereinfacht bzw. optimiert wird.
Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Speicher zur
Speicherung eines Zwischenprodukts bzw. Endprodukts der
Anlage und/oder eines Stoffes bzw. Stoffgemisches aus der
Brennstoffzelle vorgesehen. Mit Hilfe eines entsprechenden
Speichers ist vorzugsweise eine zeitlich versetzte
Speicherung und Abgabe entsprechender Produkte, Stoffe bzw.
Stoffgemische realisierbar. Hierdurch können mögliche
Überschüsse, beispielsweise während einer Teillastphase der
Brennstoffzelle oder dergleichen, und/oder Mängel,
beispielsweise während einer Start- bzw. Störungsphase einer
Komponente, dieser Produkte, Stoffe bzw. Stoffgemische in den
entsprechenden Betriebsphasen ausgeglichen werden.
In einer besonderen Variante der Erfindung ist der Speicher
zur Speicherung eines in den Verbrennungsmotor bzw. die
Brennstoffzelle zuzuführenden Stoffes bzw. Stoffgemisches
ausgebildet. Diese bevorzugte Ausbildung des Speichers
ermöglicht, dass beispielsweise in einer Kaltstart- bzw.
Störungsphase des Verbrennungsmotors, der Anlage zur
Kraftstoffreformierung und/oder der Brennstoffzelle vor allem
wasserstoffhaltiges Gas, insbesondere wasserstoffreiches
Reformat, zur Verfügung steht.
Gegebenenfalls kann während einer Startphase vorzugsweise
wasserstoffreiches Reformat aus dem Speicher dem
Verbrennungsmotor und/oder der Brennstoffzelle zugeführt
werden, bis die Anlage ihre bzw. der Verbrennungsmotor seine
vorgegebene Betriebstemperatur erreicht hat. Vor allem durch
die Zugabe von zuvor gespeichertem wasserstoffreichem Gas
kann das Kaltstartverhalten des Verbrennungsmotors derart
verbessern, dass wesentlich weniger Schadstoffe in der
Kaltstartphase emittiert werden. Dies führt zu einer
deutlichen Reduktion umweltrelevanter Stoffe und somit zur
Erfüllung relativ hoher Umweltstandards.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist mindestens
ein zusätzlicher Stromerzeuger zur Versorgung wenigstens von
sicherheitsrelevanten Betriebseinheiten während einer
Startphase und/oder einem besonderen Betriebsfall vorgesehen
ist. Diese Maßnahme erhöht, wie bereits weiter vorne
angedeutet, die Sicherheit entsprechender
Antriebsvorrichtungen bzw. Fahrzeuge, da diese in zunehmendem
Maße elektrisch betriebene und/oder elektronisch gesteuerte
sicherheitsrelevante Betriebseinheiten wie Bremsen, Lenkung
oder dergleichen umfassen. Dementsprechend gewährleistet der
zusätzliche Stromerzeuger einen sicheren Betrieb dieser
Betriebseinheiten, selbst bei einer Störung bzw. einem
Ausfall bereits vorhandener Komponenten wie Lichtmaschine,
Batterie oder dergleichen.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle als der zusätzliche
Stromerzeuger ausgebildet. Hierdurch wird bei hohem
Sicherheitsniveau der konstruktive Aufwand wesentlich
verringert. Gleichzeitig wird gegenüber der Verwendung von
Akkumulatoren oder dergleichen als zusätzlicher Stromerzeuger
Gewicht eingespart, was insbesondere bei Fahrzeugen zu einer
Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs führt.
Die Erfindung betrifft sowohl Verfahrensvarianten, bei denen
das über den Tank dem Prozess zugeführte Wasser als
zusätzlicher Brennstoff zugetankt werden muss (Wasserbilanz
nicht geschlossen), als auch Varianten, bei denen genügend
Wasser hinter der Brennstoffzelle auskondensiert wird, um ein
Zutanken von Wasser zu vermeiden (Wasserbilanz geschlossen).
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigen
Fig. 1 ein Schemadiagramm einer Kombination von
Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle mit
Kraftstoffreformierung,
Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1 einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 3 ein Schemadiagramm zur Veranschaulichung der
Katalysator-Regeneration in einem
erfindungsgemäßen Fahrzeug.
Fig. 1 zeigt im unteren Bereich des Diagramms einen
Hubkolbenmotor 1 mit angedeuteten Zylindern 2. Dem
Hubkolbenmotor 1 wird aus einem Tank 3 Kraftstoff 4
zugeführt. Außenluft 5 wird dem Hubkolbenmotor 1 über einen
Motorkompressor 6 zugeführt. Die Außenluft 5 kann alternativ
über einen Abgasturbolader 7 vorverdichtet werden. Das Abgas
8 wird von einem Abgaskatalysator 9 nachbehandelt und
anschließend in die Umgebung freigesetzt. Dieses Diagramm
beschreibt demnach das einem herkömmlichen aufgeladenen
Verbrennungsmotor entsprechende Funktionsprinzip. Ergänzend
sei an dieser Stelle erwähnt, dass die erfindungsgemäße
Kombination auch abweichend von diesem Ausführungsbeispiel
bei nicht aufgeladenen Verbrennungsmotoren einsatzfähig ist.
Abweichend vom herkömmlichen Funktionsprinzip sind vorliegend
vier Zugabestellen 10 bis 13 dargestellt, an denen ein
Zwischen- oder Endprodukt der nachfolgend beschriebenen
Kraftstoffreformierungsanlage zugesetzt werden kann.
Die elektrische Energie für die Peripherie des
Hubkolbenmotors 1 sowie für sonstige elektrische Komponenten,
z. B. eines damit angetriebenen Fahrzeugs, wird vorliegend
durch eine Brennstoffzelle 14 erzeugt. Die Brennstoffzelle 14
ist schematisch in den Kathodenbereich 15 sowie den
Anodenbereich 16 aufgeteilt. Der Brennstoffzelle 14 wird
Brennstoff in Form von relativ wasserstoffreichem Reformat 17
und von Sauerstoff bzw. Außenluft 18 zugeführt. Das als
Brennstoff dienende wasserstoffhaltige Reformat 17 wird
hierbei in einer Anlage 19 zur Kraftstoffreformierung
erzeugt. Der Kraftstoff 20 wird in einem Tank 21 mitgeführt,
der unter Umständen identisch mit dem Tank 3 für den
Hubkolbenmotor 1 sein kann. Gegebenenfalls wird weiterhin
Wasser 22 aus einem Wassertank 23 bereitgestellt. Wie bereits
oben angedeutet, kann auch Wasser durch Kondensation aus dem
Reaktionsprodukt der Brennstoffzelle gewonnen werden (nicht
näher dargestellt).
Die Außenluft für den Betrieb der Brennstoffzelle 14 wird
über einen Kompressor 24 verdichtet und gefördert.
Gegebenenfalls kann eine Vorwärmstufe 26 für einen oder
mehrere der Brennstoffzelle 14 bzw. der Anlage zur
Kraftstoffreformierung 19 zugeführten Ausgangsstoffe, d. h.
den Kraftstoff 20, dem Wasser 22 und/oder der Luft 27,
vorgesehen werden, die vorzugsweise die Anodenrestenergie
nutzt. Vorteilhafterweise in Strömungsrichtung betrachtet
nach der Vorwärmstufe 26 wird die Luft 27 über eine
Abzweigung 28 mehreren Komponenten zugeführt.
Zwei Wärmetauscher 29, 30 dienen zunächst der weiteren,
optionalen Anwärmung insbesondere aller Ausgangsstoffe für
die Kraftstoffreformierung, d. h. des Kraftstoffs 20, des
Wassers 22 sowie der Luft 27. Anschließend werden diese
Ausgangsstoffe 20, 22, 27 einem sogenannten Reformer 31
zugeführt. Dort wird der Kraftstoff unter Einsatz eines
Katalysatormaterials im vorliegenden Ausführungsbeispiel in
einer exothermen Reaktion in ein wasserstoff- und
kohlenmonoxidhaltiges Synthesegas 25 überführt. Hierbei sind
auch Verfahrensvarianten denkbar, bei denen auf die Zugabe
von Wasser in den Reformer 31 verzichtet werden kann.
Das wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltige Synthesegas 25 wird
nach Abkühlung in dem Wärmetauscher 30 in zwei sogenannten
Shift-Stufen 32, 33 weiter behandelt, wobei ein Großteil des
im Synthesegas 25 vorhandenen Kohlenmonoxids in einer
sogenannten Shift-Reaktion, vorzugsweise mit Hilfe von
zusätzlich zugeführtem Wasser 22, zu Kohlendioxid und
weiteren Wasserstoff umgewandelt wird. Unterschiedliche
Shift-Stufen 32, 33 können hierbei auf unterschiedlichen
Temperaturniveaus arbeiten. Während der Shift-Reaktion wird
erneut Wärme frei, die im Wärmetauscher 29 ebenfalls zur
Vorwärmung von Kraftstoff 20, Wasser 22 und Luft 27 genutzt
wird, wie bereits oben angeführt wurde.
Die momentan zur Verfügung stehenden Brennstoffzellen,
insbesondere Polymer-Electrolyte-Membrane-Brennstoffzellen
(PBMFC), sind anodenseitig sehr empfindlich auf eine
sogenannte Kohlenmonoxidvergiftung. Daher wird häufig eine
weitere Kohlenmonoxid-Feinreinigungsstufe 34 eingesetzt.
Diese Feinreinigungsstufe 34 ist bei künftigen
Brennstoffzellen 14 bzw. bei einer Verwendung von Solid-
Oxide-Fuel-Cells (SOFC) gegebenenfalls entbehrlich, da diese
gegenüber Kohlenmonoxid im Reformatgas weitgehend
unempfindlich sind bzw. möglicherweise sein werden.
SOFC-Brennstoffzellen weisen vorzugsweise Keramikmembranen
mit vergleichsweise hoher Arbeitstemperatur auf, so dass im
Allgemeinen eine nicht näher dargestellte Heizeinheit zur
Erwärmung der Brennstoffzelle 14 auf die Arbeitstemperatur
vorzusehen ist.
Das wasserstoffhaltige Ausgangsprodukt der Anlage 19, das
heißt das Reformat 17, tritt in die Brennstoffzelle ein und
wird dort größtenteils mit dem Sauerstoff bzw. der Luft 18,
die dem Kathodenbereich 15 zugeführt wird, zu Wasser
umgesetzt. Bei diesem Vorgang wird elektrische Energie
freigesetzt, die erfindungsgemäß nutzbar ist.
Eine gewisse Restmenge an Wasserstoff verlässt jedoch den
Anodenbereich 16 ohne die oben angeführte Reaktion
durchzuführen. Auch in dem Kathodenabgas nach dem Austritt
aus dem Kathodenbereich 15 ist noch eine Restmenge an
Sauerstoff enthalten. Der Restwasserstoff 35 und der
Restsauerstoff 36 ergeben nach der Zusammenführung ein
Knallgasgemisch 37, das in einem Brenner 38 und/oder einer
Turbine 39 energetisch weiter genutzt werden kann. Die
Abwärme des Brenners 38 oder des Turbinenabgases 40 kann in
der Vorwärmstufe 26 zur Vorwärmung von Ausgangsstoffen 20,
22, 27 genutzt werden, wie dies durch einen gestrichelten
Doppelpfeil angedeutet ist.
Erfindungsgemäß sind während des Stoffflusses in der
Anlage 19 zur Reformierung des Kraftstoffes beispielhaft drei
Entnahmestellen 41, 42, 43 vorgesehen, an denen ein
Zwischenprodukt, z. B. das Synthesegas 25, das aus nahezu
reinem Wasserstoff bestehende Reformat 17, oder aber auch das
Restwasserstoff 35 enthaltende Abgas aus dem Anodenbereich 16
über Verdichter 44, 45, 46 und gegebenenfalls über
Zwischenspeicher 47, 48, 49 zur Zugabe zu dem Hubkolbenmotor
1 und/oder oder zu dem Abgaskatalysator 9 bereitgestellt
wird. Die Zugabe dieser Stoffe kann beispielsweise an den
Zugabestellen 10, 11, 12, 13 erfolgen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffzelle
unter Überdruck betrieben, der über den Kompressor 24
bereitgestellt wird. Wasser und Kraftstoff können hierbei in
flüssiger, verdampfter oder gasförmiger Form mittels nicht
näher dargestellter Pumpen auf das notwendige Druckniveau
gebracht werden.
Fig. 2 stellt schematisch eine weitere Ausführungsvariante,
d. h. eine alternative Anlage 19' zur Kraftstoffreformierung
dar. Es handelt sich hierbei um die sogenannte
Dampfreformierung. Hierbei wird auf die Zugabe von Luft in
den Reformer 31 und damit auf eine exotherme partielle
Oxidation verzichtet. In einer solchen Anlage muss eine
endotherme Dampfreformierung im Reformer 31' stattfinden,
wozu Wärme über einen Brenner 50 in den Reformer 31'
eingekoppelt wird. In diesem Brenner 50 kann beispielsweise
das anfallende Anodenrestgas und bei Bedarf zusätzlicher
Kraftstoff 20 umgesetzt werden.
Hauptvorteile dieser Variante sind die höhere
Wasserstoffkonzentration im Reformat 17 sowie die
Möglichkeit, die Anlage 19' zur Erzeugung von Reformat bei
hohen Systemdrücken zu betreiben, ohne dass nennenswerte
Kompressionsarbeit aufzubringen ist, da die
Kompressionsarbeit von Flüssigkeiten, d. h. Wasser 22 und
Kraftstoff 20 in flüssiger Phase, mit wenig Arbeitsaufwand
mittels nicht näher dargestellter Pumpe bzw. Pumpen
realisierbar ist. Diese Pumpe bzw. Pumpen erzeugen den
höheren Betriebsdruck der Kraftstoffreformierung zur Erhöhung
der Leistungsdichte der Brennstoffzelle 14 und können zudem
dazu verwendet werden, die Zwischenprodukte bzw. Produkte der
Kraftstoffreformierung zur Speicherung bzw. Entnahme mit
vergleichsweise hohem Druck zu beaufschlagen.
Dies wäre eine Möglichkeit, bei der die Verdichter 44 und 45
an den Entnahmestellen 41 und 42 entfallen bzw. durch
vergleichsweise einfache Rückschlagventile 51 und 52 ersetzt
werden können. Für diese Variante wäre ein Taktbetrieb im
Stoffstrom sinnvoll, um eine Entkopplung des Drucks zur
Entnahme bzw. im Stofffluss der Shift-Stufen 32', 33' der
Feinreinigungsstufe 34 und dem Anodenbereich 16 zu erreichen.
Hierzu sind in der Darstellung gemäß Fig. 2 Umschaltventile
51, 52 angeordnet, die taktweise den Stofffluss entweder zur
Entnahme (Entnahme- bzw. Speicher-Takt) mit sehr hohem
Überdruck, z. B. ca. 100 bar, oder aber zur nachfolgenden
Reinigungsstufe (Shift- bzw. Brennstoffzellen-Takt) mit
geringem Überdruck, z. B. ca. 3 bar, führen.
Beispielsweise können hierfür die nicht näher dargestellten
Pumpen bzw. Pumpe vor allem den Kraftstoff 20 und das
Wasser 22 im Entnahme- bzw. Speicher-Takt mit dem sehr hohen
Überdruck von ca. 100 bar und im Shift- bzw.
Brennstoffzellen-Takt mit geringem Überdruck von ca. 3 bar
beaufschlagen.
Neben den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten
Verschaltungsvarianten zur Wasserstofferzeugung sind auch
andere Varianten denkbar, z. B. eine Kohlenmonoxid-
Feinreinigung durch Methanisierung oder durch
Metallmembranen.
Die Abfolge der einzelnen Komponenten der geschilderten
Ausführungsbeispiele kann je nach Ausführungsvariante
unterschiedlich sein. Verschiedene Komponenten können auch zu
einer oder mehreren Baueinheiten integriert werden. Je nach
verwendeter Membran bei der Brennstoffzelle können in dieser
Figur nicht dargestellte Maßnahmen zur Befeuchtung des
Kathoden- und/oder Anodenzulaufs erforderlich werden. Ebenso
sind die entsprechenden Komponenten zur Wasserrückgewinnung
aus dem Anoden- und/oder Kathodenrestgas nicht dargestellt.
In dem geschilderten Ausführungsbeispiel wird die elektrische
Energie durch die Brennstoffzelle und die Vortriebsenergie
des Fahrzeugs durch den Hubkolbenmotor geliefert. Die
erfindungsgemäße Merkmalskombination ist jedoch nicht auf
aufgeladene Hubkolbenmotoren beschränkt, sondern ist mit
allen bekannten Verbrennungsmotoren realisierbar.
Die dargestellten Verdichter bzw. Kompressoren zur
Luftverdichtung im Verfahrensschema für den Hubkolbenmotor 1
bzw. für den Betrieb der Brennstoffzelle 14 können ebenso
kombiniert werden wie beispielsweise die Turbinen zur
Entspannung der jeweiligen Medien. So können beispielsweise
der Kompressor 24 und der Motorkompressor 6 ebenso
zusammengefasst werden wie der Abgasturbolader 7 mit der
Turbine 39.
Die Nutzung der an den Turbinen gewonnenen Expansionsarbeit
kann in nicht näher dargestellter Weise über einen Generator
in Form der Rückgewinnung von elektrischer Energie
durchgeführt werden. Denkbar ist auch eine mechanische
Kopplung (Welle, Riemen, etc.), wie sie z. B. beim
konventionellen Abgasturbolader realisiert ist. Hierbei sind
wiederum beliebige Kombinationen zwischen allen Kompressoren,
z. B. den Kompressoren 6, 24 denkbar, wobei diese Kompressoren
bei Bedarf in anderen Ausführungsformen auch elektromotorisch
angetrieben werden. Das Gleiche gilt für die Verdichter 44,
45, 46.
Die Verfügbarkeit von Reformat 17 mit einem hohen
Wasserstoffgehalt bietet neben dem Vorteil der
motorunabhängigen Verfügbarkeit von elektrischer Energie mit
im Vergleich zu einem Stromgenerator bzw. einer Lichtmaschine
deutlich besseren Wirkungsgraden auch interessante
Möglichkeiten zur Verbesserung des Betriebs des
Verbrennungsmotors. Dabei kann der Kraftstoff 4 für den
Hubkolbenmotor 1 und der Kraftstoff 20 für die Anlage 19 zur
Kraftstoffreformierung identisch oder unterschiedlich sein.
Die Gaszusammensetzung an den drei beispielhaft angegebenen
Entnahmestellen 41, 42, 43 unterscheidet sich qualitativ wie
folgt:
Entnahmestelle 41: mittlerer Wasserstoff- und hoher Kohlenmonoxid-Gehalt
Entnahmestelle 42: hoher Wasserstoff- und geringer Kohlenmonoxid-Gehalt
Entnahmestelle 43: geringer Wasserstoff- und geringer Kohlenmonoxid-Gehalt.
Entnahmestelle 41: mittlerer Wasserstoff- und hoher Kohlenmonoxid-Gehalt
Entnahmestelle 42: hoher Wasserstoff- und geringer Kohlenmonoxid-Gehalt
Entnahmestelle 43: geringer Wasserstoff- und geringer Kohlenmonoxid-Gehalt.
Je nach vorgesehenem Verwendungszweck kann für den Betrieb
des Hubkolbenmotors 1 auch eine andere Anordnung und Anzahl
von Entnahmestellen zweckmäßig sein.
Die über die Entnahmestelle 41, 42, 43 entnommenen Stoffe
können für den Motorbetrieb nutzbringend wie folgt eingesetzt
werden.
Beim Kaltstart des Verbrennungsmotors sind möglichst kurze
Anspringzeiten des Katalysators von Vorteil, da der
Löwenanteil der emittierten Schadstoffe (HC, CO, NOx) in
dieser Kaltstartphase emittiert wird, während der Katalysator
noch nicht die für die chemische Umsetzung der Schadstoffe
notwendige Mindesttemperatur erreicht hat. Dieses Problem
wird dadurch noch verschärft, dass um Zündaussetzer zu
vermeiden, während der ersten Kaltstartzyklen die
Hubkolbenmotoren 1 mit fetter Mischung gefahren werden, d. h.
mit einem sehr hohen Anteil an Kraftstoff, was zwangsläufig
zu hohen Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffrohemissionen
führt. Dieses Kaltstartverhalten kann nun in vorteilhaften
Ausführungsformen der Erfindung wie folgt verbessert werden.
Während der kritischen Kaltstartphase wird der Katalysator
zur Abgasnachbehandlung durch Zugabe von wasserstoffhaltigem
Reformat an den Zugabestellen 12 oder 13 aufgeheizt.
Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
dieses Verfahren auch bei mehreren Abgaskatalysatoren
anwendbar. Eventuell notwendige Zusatzluft kann über ein
Luftgebläse (nicht näher dargestellt) zudosiert werden. Diese
effektive Heizmaßnahme wird wegen den extrem niedrigen
Zündtemperaturen von Wasserstoff/Luftmischungen an
edelmetallhaltigen Katalysatoren, wie sie zur
Abgasnachbehandlung eingesetzt werden, ermöglicht.
Es ist weiterhin bekannt, dass insbesondere Beimischungen von
Kohlenmonoxid diese Zündtemperatur stark ansteigen lassen.
Die an sich für den Einsatz einer kohlenmonoxid-empfindlichen
Brennstoffzelle 14 vorhandenen Shift-Stufen 32, 33 und
Feinreinigungsstufe 34 sorgen jedoch dafür, dass ein nahezu
kohlenmonoxidfreies Reformat 17 zur Verfügung steht. Dies ist
nunmehr in vorteilhafter Weise für den Kaltstart des
Abgaskatalysators 9 einsetzbar, so dass die Zündtemperatur
auf dem gewünschten niedrigen Niveau gehalten wird.
Weiterhin ist es von besonderem Vorteil, dass mit diesem
Verfahren der Wärmeeintrag ganz gezielt in die aktive
Katalysatorbeschichtung des Abgaskatalysators 9 bzw. weiterer
Katalysatoren erfolgt und Wärmeverluste durch Aufheizen von
inertem Ballast (Rohrwandung, Katalysatorträger) minimiert
werden. Sofern die Anfangstemperatur für den vollständigen
Umsatz der Wasserstoff/Luftmischung nicht ausreicht, so wird
kein schädliches Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff,
sondern nur unschädlicher Wasserstoff emittiert. Die
beschriebene Maßnahme kann sowohl kurz vor dem Einschalten
des Hubkolbenmotors durchgeführt werden, kann sich aber auch
mit der Warmlaufphase des Hubkolbenmotors zeitlich
überdecken.
Um die Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Rohemissionen und
die notwendige Gemischanfettung während der Kaltstartphase
des Hubkolbenmotors 1 zu reduzieren bzw. ganz zu vermeiden,
kann dem Hubkolbenmotor 1 neben (oder anstelle) dem
eigentlichen Kraftstoff 4 über die Zugabestellen 10 und/oder
11 wasserstoffreiches Reformat zugeführt werden. Bedingt
durch die extreme Reaktivität des Wasserstoffs kann dabei die
Gemischanfettung für den Hubkolbenmotor 1 reduziert bzw. ganz
vermieden werden. Selbst bei nicht vollständiger Umsetzung
des Wasserstoffs im Verbrennungsmotor wird dabei nur
unschädlicher Wasserstoff emittiert. Im Extremfall wäre ein
reiner Wasserstoffbetrieb während der Kaltstartphase bei
entsprechender Anlagenauslegung (Größe des Zwischenspeichers,
Druck, Gaserzeugungskapazität, etc.) denkbar.
Sofern eine Abgasrückführung vorgesehen ist, sind ebenfalls
vorteilhafte weiterbildende Maßnahmen möglich. Bei der
Abgasrückführung handelt es sich um ein etabliertes Verfahren
zur Reduktion der Stickoxidrohemissionen. Bei sogenannten
quantitätsgeregelten Motoren (Drosselklappe) kann durch die
Abgasrückführung zudem eine Entdrosselung und infolgedessen
eine Wirkungsgradverbesserung erreicht werden.
Bei Brennverfahren mit innerer Gemischbildung ist die Höhe
der Abgasrate durch die ansteigenden Partikelemissionen
begrenzt, insbesondere ist bei Volllast überhaupt keine
Abgasrückführung möglich. Bei Verfahren mit äußerer
Gemischbildung ist die Abgasrückführungsrate dadurch
begrenzt, dass mit steigender Abgasrückführungsrate die
sichere Ladungsentflammung nicht mehr gewährleistet ist und
die Gefahr von Zündaussetzern beim Betrieb des
Hubkolbenmotors 1 wächst.
Auch hier ist bei höheren Lasten des Hubkolbenmotors 1 keine
Abgasrückführung möglich. Durch das zusätzliche Einbringen
von wasserstoffhaltigem Reformat 17 in den Hubkolbenmotor,
z. B. an den Zugabestellen 10 oder 11, lassen sich aufgrund
der höheren Reaktivität des Wasserstoffs im Vergleich zu
konventionellen Kraftstoffen höhere Abgasrückführungsraten
und somit eine stärkere Stickoxidabsenkung realisieren.
Weiterhin ist die minimale realisierbare Leerlaufdrehzahl bei
quantitätsgeregelten Motoren momentan u. a. dadurch limitiert,
dass im Leerlauf nicht beliebig angedrosselt werden kann, da
es sonst durch den mit steigender Drosselung ansteigenden
Restgasgehalt im Zylinder des Hubkolbenmotors 1 zu
Zündaussetzern kommen kann. Durch Zugabe von reaktivem
wasserstoffhaltigen Reformat 17, z. B. an den Zugabestellen 10
oder 11, wird die Gefahr von Zündaussetzern reduziert, so
dass die Kraftstoffmenge insgesamt (Wasserstoff und
konventioneller Kraftstoff) und damit auch die
Leerlaufdrehzahl verringert werden kann. Im Extremfall ist
auch hier ein reiner Wasserstoffbetrieb denkbar.
Auch bei sogenannten qualitätsgeregelten Motoren ist die
Leerlaufdrehzahl nach unten limitiert, da eine zu starke
Gemischabmagerung ebenfalls zu einem verschlechterten
Ausbrand der Ladung bzw. zu Zündaussetzern führt. Auch hier
ist durch die vormotorische Zugabe von wasserstoffhaltigem
Reformat 17 wegen der extrem breiten Zündgrenzen von
Wasserstoff eine Absenkung der Leerlaufdrehzahl möglich. Auch
bei solchen Motoren ist sowohl ein Mischbetrieb als auch ein
reiner Wasserstoffbetrieb denkbar.
Durch die Absenkung der Leerlaufdrehzahl lässt sich bei
Hubkolbenmotoren sowohl der Schadstoffausstoß als auch der
Kraftstoffverbrauch reduzieren.
Zur Reinigung des Abgases von Stickoxiden werden derzeit
bevorzugt NOx-Speicherkatalysatoren bevorzugt eingesetzt.
Dabei wird das Abgas zunächst durch einen
Oxidationskatalysator geleitet, in dem das vorhandene
Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid umgewandelt wird.
Dieses wird als Nitrat in einer nachfolgenden (z. B.
bariumoxidhaltigen) Speicherkomponente eingelagert. Der
Speicherkatalysator muss nach einer Beladungsphase periodisch
regeneriert werden. Bislang wird für die Regeneration des
Katalysators eine fette reduzierende Atmosphäre generiert,
damit das als Nitrat eingelagerte Stickoxid wieder
freigesetzt und in reduzierender Atmosphäre unter
Kohlendioxid- und/oder Wasserbildung zu unschädlichem
Stickstoff reduziert wird.
Die Generierung der Fettphase ist dabei sowohl innermotorisch
als auch nachmotorisch denkbar. Beider
Benzindirekteinspritzung wird derzeit die innermotorische
Variante favorisiert. Allerdings ist die fette
Verbrennungsführung noch problembehaftet, da erhöhte
Partikel- und Kohlenwasserstoff-Emissionen auftreten. Durch
vormotorische Zugabe von hochreaktivem, wasserstoffhaltigem
Reformat sind auch diese Emissionen absenkbar, wobei im
Extremfall wiederum ein reiner Wasserstoffbetrieb denkbar
ist.
Beim Dieselmotor ist die innermotorische Generierung von
Fettphasen im Vergleich zur Benzindirekteinspritzung wegen
der noch höheren Partikel- und Kohlenwasserstoff-Emissionen
noch problematischer. Die genannten Probleme können durch die
vormotorische Zugabe von wasserstoffhaltigem Reformat hier
ebenfalls zumindest entschärft wenn nicht vermieden werden.
Wegen der genannten Probleme wird für den Dieselmotor auch
die nachmotorische Generierung von Fettphasen diskutiert.
Auch hier sollten sich durch die nachmotorische Zugabe von
wasserstoffhaltigem Reformat Vorteile bei der Regeneration
ergeben.
Die hohe Reaktivität des Wasserstoffs wäre bei der
Regeneration im Vollstrom von Vorteil, da wegen der zu
erwartenden verkürzten Reaktionszeiten der
Kraftstoffmehrverbrauch, der indirekt durch den
Kraftstoffverbrauch für die H2-Erzeugung durch die
Reformierung erzeugt wird, verringert werden kann. Die
erhöhte Reaktivität des wasserstoffhaltigen Reformats wäre
somit auch bei Verwendung zur nachmotorischen
Speicherkatalysatorregeneration in einem Tandemsystem gemäß
Fig. 3 von Vorteil.
In Fig. 3 sind dem Hubkolbenmotor 1 zwei
Speicherkatalysatoren 53, 54 unter Zwischenschaltung eines
Umschaltventils 55 angeordnet. Mit Hilfe des
Umschaltventils 55 können die Speicherkatalysatoren 53, 54
wechselweise in den Strom des Abgases 8 bzw. einer der
Entnahmestellen 41, 42, 43 für wasserstoffhaltiges
Synthesegas 25 bzw. Reformat 17 zugeschaltet werden. Der im
Abgasstrom befindliche Speicherkatalysator, d. h. in dem
dargestellten Schaltzustand der Speicherkatalysator 54, dient
hierbei zur Abgasreinigung und wird mit Stickoxiden beladen,
während der einer Entnahmestelle 41, 42, 43 zugeschaltete
Speicherkatalysator, d. h. im dargestellten Schaltzustand der
Speicherkatalysator 53 regeneriert wird. Durch periodisches
Umschalten mit Hilfe des Umschaltventils 55 ist somit eine
kontinuierliche Entreicherung des Abgases 8 von Stickoxiden
gewährleistet. Diese Anordnung ist ohne weiteres in
Kombination mit weiteren Katalysatoreinheiten zur
Abgasreinigung einsetzbar.
Da mit dem Reformat 17 ein hochreaktives Reduktionsmittel zur
Speicherregeneration zur Verfügung steht, ist eine schnelle
Katalysatorregeneration auch bei kleinen Reformatdurchsätzen
möglich. Dies führt zu einer Absenkung des indirekten
Kraftstoffmehrverbrauchs, der durch die Bereitstellung des
Reformats erzeugt wird.
Insgesamt sind beliebige Kombinationen der genannten vor- und
nachmotorischen Maßnahmen denkbar.
Die Erfindung ist nicht auf die Verbindung der Stoffströme
zwischen der Anlage 19 zur Kraftstoffreformierung und den
Komponenten zum Betrieb des Hubkolbenmotors 1 bzw. dessen
Abgasnachbehandlung beschränkt.
Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, durch die
Kombination einer Brennstoffzelle 14 mit einem
Verbrennungsmotor, z. B. einem Hubkolbenmotor 1, eine hohe
elektrische Leistung bei hohen Wirkungsgraden unabhängig vom
Betrieb des Verbrennungsmotors bereitzustellen. Bei einem
Fahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung
kann daher auch bei einem abgeschalteten Verbrennungsmotor
elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad und geringstem
Schadstoffausstoß für den Betrieb von Nebenaggregaten oder
das Aufladen einer Batterie bereitgestellt werden. Darüber
hinaus können bei Stillstand des Verbrennungsmotors auch die
Zwischenspeicher 47, 48, 49 aufgefüllt werden.
Durch die motorunabhängig verfügbare elektrische Energie
kommen neue Möglichkeiten bei der Elektrifizierung von
Nebenaggregaten in Frage. So kann beispielsweise eine
Standklimatisierung durch elektrisch angetriebene
Klimakomponenten realisiert werden. Der Einsatz von
elektrisch angetriebenen Hochdruckpumpen, beispielsweise in
Common-Rail oder sogenannten Pumpe-Düse-Aggregaten, ist
zugunsten einer bedarfsgerechten und wirkungsgradoptimalen
Betriebsweise möglich.
Weitere mit Elektrizität aus der Brennstoffzelle 14 zu
versorgende Systeme sind beispielsweise ein
elektrohydraulischer Ventilbetrieb sowie elektrisch
beheizbare Katalysatorvorrichtungen. Von besonderer Bedeutung
ist hierbei die Versorgung sicherheitsrelevanter Systeme bzw.
Komponenten des Fahrzeugs, wie z. B. elektrisch betätigbare
bzw. elektronisch gesteuerte Bremse, Lenkung und/oder
Federung.
In einem besonderen Betriebsfall kann gegebenenfalls von der
Steuereinheit eine unzureichende Versorgung der elektrischen
Systeme festgestellt werden, beispielsweise wenn die
Bordnetzspannung durch unzureichenden Ladezustand der nicht
näher dargestellten elektrischen Speichereinheit, z. B. die im
Allgemeinen vorhandene Fahrzeugbatterie, abfällt. In einem
entsprechenden Fall ermöglicht insbesondere die
Brennstoffzelle 14 ein Aufladen dieser elektrischen
Speichereinheit. Hierfür werden die entsprechenden
Betriebsstoffe 17, 18 der Brennstoffzelle 14 zugeführt.
Alternativ hierzu kann in entsprechenden besonderen
Betriebsfällen mittels der Brennstoffzelle 14 auch eine
direkte Versorgung elektrischer Komponenten vorgesehen
werden. Grundsätzlich gewährleisten die zuvor genannten
Maßnahmen mit Hilfe der Brennstoffzelle 14 die Funktion eines
Notsystems zur Erhaltung der Funktionsfähigkeit mindestens
der sicherheitsrelevanten Systeme.
Weiterhin kann mit der erfindungsgemäßen Merkmalskombination
die Anzahl der mechanischen Kopplungen zwischen den einzelnen
Aggregaten reduziert werden. Es ist gewissermaßen ein
"riemenfreier" Motor möglich. Der Einbauraum kann hierdurch
verkleinert und flexibler ausgebildet werden wobei der
Verschleiß derartiger mechanischer Antriebskopplungen
entfällt.
Darüber hinaus ergeben sich die oben angeführten
Möglichkeiten, in vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung
innovative Verbrennungs- und Abgaskonzepte zur Verbesserung
des Emissionsverhaltens durch die Verfügbarkeit von
wasserstoffhaltigem Reformat zu verwirklichen.
Claims (17)
1. Antriebsvorrichtung, insbesondere für Fahrzeuge, mit
einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Stromerzeuger,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffzelle (14)
vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung für die
Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verbindung von der
Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung zu dem
Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur dosierten
Steuerung des Zuflusses eines Stoffes bzw. Stoffgemisches aus
der Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung in den
Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verbindung von der
Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung zu wenigstens einem
Abgaskatalysator (9) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen
ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur dosierten
Steuerung des Zuflusses eines Stoffes bzw. Stoffgemisches aus
der Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung in einen
Abgaskatalysator (9) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen
ist.
7. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Turbine (39) zur
Restmengenverwertung von nicht in der Brennstoffzelle (14)
umgesetztem Brennstoff vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Brenner (38) zur
Restmengenverwertung von nicht in der Brennstoffzelle (14)
umgesetztem Brennstoff vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Verdichtung der Ladeluft bzw. des
Verbrennungsgemisches des Verbrennungsmotors (1) mit der
Turbine (39) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein mittels der Turbine (39)
angetriebener Stromgenerator vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein elektromotorischer Verdichter (6)
zur Verdichtung der Ladeluft bzw. des Verbrennungsgemisches
des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdichter (24) zur
Verdichtung eines Stoffes bzw. Stoffgemisches für den Betrieb
der Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdichter (44, 45, 46)
zur Verdichtung eines Stoffes bzw. Stoffgemisches zur Zugabe
in den Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens ein Speicher (47, 48, 49) zur
Speicherung eines Zwischenprodukts (25) bzw. Endprodukts (17)
der Anlage (19) und/oder eines Stoffes bzw.
Stoffgemisches (35) aus der Brennstoffzelle (14) vorgesehen
ist.
15. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Speicher (47, 48, 49) zur
Speicherung eines in den Verbrennungsmotor (1) bzw. die
Brennstoffzelle (14) zuzuführenden Stoffes bzw.
Stoffgemisches (17, 25, 35) ausgebildet ist.
16. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher
Stromerzeuger zur Versorgung wenigstens von
sicherheitsrelevanten Betriebseinheiten während einer
Startphase und/oder einem besonderen Betriebsfall vorgesehen
ist.
17. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (14) als der
zusätzliche Stromerzeuger (14) ausgebildet ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10139617A DE10139617A1 (de) | 2001-01-17 | 2001-08-11 | Antriebsvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem elektrischen Stromerzeuger |
PCT/DE2002/000102 WO2002057105A1 (de) | 2001-01-17 | 2002-01-16 | Antriebsvorrichtung, insbesondere für ein fahrzeug, mit einem verbrennungsmotor und wenigstens einem elektrischen stromerzeuger__ |
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
DE10102046 | 2001-01-17 | ||
DE10139617A DE10139617A1 (de) | 2001-01-17 | 2001-08-11 | Antriebsvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem elektrischen Stromerzeuger |
Publications (1)
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ID=7670916
Family Applications (1)
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DE10139617A Withdrawn DE10139617A1 (de) | 2001-01-17 | 2001-08-11 | Antriebsvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem elektrischen Stromerzeuger |
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