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Die Erfindung betrifft Antriebsystem für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Artikel „Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug für emissionsfreie Mobilität", Fickel, Gleyzes, Harrison, Gebert, ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 04, 2011, 113. Jahrgang, Seiten 308 bis 313, ist ein gattungsgemäßes Antriebsystem bekannt, welches ein Verbrennungsantriebsystem kombiniert mit einer Brennstoffzelle und einem zugehörigen Brennstoffzellenantrieb aufweist.
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Aus der
DE 10 2006 017 646 A1 ist ein Verfahren zum Regeln einer Abgastemperatur eines Brennstoffzellensystems bekannt, wobei durch Regelung der Abgastemperatur, insbesondere durch Erhöhung der Abgastemperatur ein Auswurf von flüssigem Abgaswasser an einem Austritt eines Abgasrohres des Brennstoffzellensystems verhindert werden kann. Dadurch wird ein Wassermanagement des Brennstoffzellensystems verbessert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das gattungsgemäße Antriebsystem hinsichtlich eines Wassermanagements der Brennstoffzelle des Antriebsystems zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Antriebsystem für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das Antriebsystem für das Kraftfahrzeug weist eine Brennstoffzelle und ein Verbrennungsantriebsystem auf. Dabei generiert die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenabgas, welches ein Abgaswasser enthält. Erfindungsgemäß wird das Abgaswasser mittels einer Abwärme des Verbrennungsantriebsystems erwärmt.
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Das Verbrennungsantriebssystem weist zumindest einen Verbrennungsmotor mit einem Ansaug-, einem Abgastrakt, einem Kühlsystem und einem Kraftstoffzufuhrsystem auf. Das Verbrennungsantriebsystem kann übliche Zusatzkomponenten wie zum Beispiel eine Aufladevorrichtung, zum Beispiel einen Turbolader oder einen Kompressor, eine Kraftstoffförderanlage, eine Raildruckpumpe enthalten. Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine Brennstoffzelle zur Bordnetzversorgung oder um eine Traktions-Brennstoffzelle handeln, wobei ein Antriebsystem mit Traktions-Brennstoffzelle besonders geeignet als Grundlage für die Erfindung ist, da in diesem Fall häufig Zustände auftreten, in denen die Brennstoffzelle zeitlich nahe an oder gleichzeitig zu einem Betrieb des Verbrennungsantriebsystems betrieben wird. Eine Traktions-Brennstoffzelle ist eine Brennstoffzelle, welche Strom für einen elektrischen Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs liefert. Vorteilhafter Weise handelt es sich bei der Brennstoffzelle um eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle wie zum Beispiel eine Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran PEM. Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen besteht das Problem, dass das Brennstoffzellenabgas bei einem Austritt aus der Brennstoffzelle eine verhältnismäßig niedrige Temperatur aufweist, so dass Abgaswasser auskondensieren kann, was wiederum dazu führen kann, dass das Abgaswasser bei niedrigen Außentemperaturen in nachfolgenden Schlauch oder Rohrleitungen oder nachfolgenden Komponenten gefrieren kann. Bei dem Brennstoffzellenabgas kann es sich um Anoden- oder Kathodenabgas handeln, wobei es sich bevorzugt um ein Kathodenabgas, d. h. um eine Brennstoffzellenabluft, handelt, da das Anodenabgas bevorzugter Weise in der Brennstoffzelle in einem Kreislauf geführt wird.
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Die erfindungsgemäße Erwärmung des Abgaswassers der Brennstoffzelle mit einer Abwärme des Verbrennungsantriebsystems erfolgt, in dem das Abgaswasser mit wärmeabgebenden Bauteilen oder Systemen des Verbrennungsantriebsystems oder mit einem Wärmeaustauschkreislauf des Verbrennungsantriebsystems in Kontakt gebracht wird. Hierzu können ein oder mehrere zusätzliche Wärmetauscher vorgesehen werden. Das Abgaswasser liegt dabei dampfförmig und/oder flüssig vor. Im Falle eines dampfförmigen Vorliegens wird das Abgaswasser vorteilhafter Weise so weit erwärmt, dass eine Auskondensation des Abgaswassers sicher unterbunden werden kann. Im Falle eines flüssigen Vorliegens wird das Abgaswasser vorteilhafter Weise so weit erwärmt, dass es verdampft.
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Eine erste vorteilhafte Weiterbildung des Antriebsystems sieht vor, dass das Verbrennungsantriebsystem einen Ladeluftkühler aufweist und das Abgaswasser einer Kühlseite des Ladeluftkühlers zugeführt wird. In diesem Fall wird Ansaugluft, die durch eine Aufladevorrichtung, wie zum Beispiel einen Turbolader oder einen Kompressor, aufgeladen wurde, zur Erwärmung des Abgaswassers verwendet beziehungsweise das Abgaswasser wird zur Abkühlung der durch die Aufladung erwärmten Ansaugluft verwendet. Dadurch kann der Ladeluftkühler kleiner dimensioniert werden als in dem Fall, dass Umgebungsluft als Kühlmedium genutzt wird. Durch die Kombination der Ladeluftkühlung mit der Brennstoffzellen-Abgaswasser-Erwärmung kann eine Anzahl an benötigten Bauteilen reduziert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Kühlseite des Ladeluftkühlers eine erste Verdampfervorrichtung zur Verdampfung von flüssigem Abgaswasser aufweist. Die Verdampfervorrichtung dient dabei einer gleichmäßigen Verteilung von flüssigem Abgaswasser über einen Strömungsquerschnitt des Ladeluftkühlers, so dass Abgaswasser effizient verdampft werden kann. Vorteilhafter Weise weist die erste Verdampfervorrichtung Strömungselemente wie Rippen oder Riefen oder Elemente zur Erhöhung einer Oberfläche der Kühlseite des Ladluftkühlers zur effizienten Verteilung des Abgaswassers auf.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Abgaswasser einem Abgassystem des Verbrennungsantriebsystems zugeführt wird. Dabei wird das flüssige oder dampfförmige Abgaswasser entweder direkt in das Abgassystem des Verbrennungsantriebsystems eingeleitet und mit den Verbrennungsabgasen zusammen der Atmosphäre zugeführt, oder das Abgaswasser wird einem Abgaswärmetauscher zugeführt, in dem es Wärme aus dem Abgas des Verbrennungsantriebsystems aufnimmt um danach der Atmosphäre zugeführt zu werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Abgassystem des Verbrennungsantriebsystems eine zweite Verdampferstruktur zur Verdampfung von flüssigem Abgaswasser aufweist. Durch die zweite Verdampferstruktur kann flüssiges Abgaswasser gleichmäßig über einen Strömungsquerschnitt des Abgassystems des Verbrennungsantriebsystems verteilt und so effektiv verdampft werden. Vorteilhafter Weise weist die zweite Verdampfervorrichtung Strömungselemente wie Rippen oder Riefen oder Elemente zur Erhöhung einer Oberfläche des Abgassystems des Verbrennungsantriebsystems zur effizienten Verteilung des Abgaswassers auf.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Abgassystem des Verbrennungsantriebsystems einen Turbolader aufweist und das Abgaswasser dem Abgassystem stromaufwärts von dem Turbolader zugeführt wird. Hierdurch entsteht der Vorteil, dass eine den Turbolader antreibende Gesamtabgasmasse erhöht und damit eine Leistung des Turboladers erhöht wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Antriebsystem einen Wasserabscheider aufweist, wodurch das Abgaswasser vor der Erwärmung durch die Abwärme des Verbrennungsantriebsystems von dem Brennstoffzellenabgas zumindest teilweise getrennt wird. Für die oben beschriebene Erfindung und deren Weiterbildungen bedeutet dies, dass Abgaswasser aus dem Brennstoffzellen-Abgas abgetrennt und in flüssiger Form zum Beispiel in einem Sammelbehälter gesammelt wird. Hierdurch entsteht vorteilhafter Weise die Möglichkeit, Abgaswasser kontrolliert und unabhängig von einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle dann einer Erwärmung zu unterziehen, wenn Abwärme des Verbrennungsantriebsystems zur Verfügung steht. Alternativ hierzu sieht eine weitere vorteilhafte Weiterbildung vor, dass das Abgaswasser zusammen mit dem restlichen Brennstoffzellenabgas mit der Abwärme des Verbrennungsantriebsystems erwärmt wird. Diese Alternative hat den Nachteil einer schlechteren Steuerbarkeit, besitzt jedoch den Vorteil eines geringeren Bauteilbedarfs.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispielen und der zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben, aus denen sich weitere Merkmale und Vorteile ergeben. Gleiche Elemente sind dabei mit identischen Bezugszeichen versehen.
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Dabei zeigen
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1 ein Antriebsystem mit einem Ladeluftkühler,
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2 ein Antriebsystem mit einem Ladeluftkühler und einer Verbrennungsabgasmischvorrichtung,
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3 ein alternatives Antriebsystem mit einer Verbrennungsabgasmischvorrichtung.
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1 zeigt ein Antriebsystem 1 mit einer Brennstoffzelle 2 und einem Verbrennungsantriebsystem 3. Das Verbrennungsantriebsystem 3 weist einen Verbrennungsmotor 4, einen Turbolader 5 und einen Ladeluftkühler 6 auf. Ein Abgasauslass 7 der Brennstoffzelle ist dabei mit einer Kühlseite 8 des Ladeluftkühlers 6 verbunden, so dass ein Brennstoffzellenabgas durch die Kühlseite 8 des Ladeluftkühlers 6 strömen kann. Eine Heizseite 9 des Ladeluftkühlers 6 ist mit einem Ansaugluftauslass 10 des Turboladers 5 verbunden, so dass heiße aufgeladene Ansaugluft die Heizseite 9 des Ladeluftkühlers 6 durchströmt und dabei Wärme an das Brennstoffzellenabgas und damit auch an das Abgaswasser der Brennstoffzelle 2 abgeben kann. Die Kühlseite 8 des Ladeluftkühlers 6 weist eine erste Verdampfervorrichtung 13 in Form eines Gitters auf, welches Gitter eine Verteilung von flüssigem Abgaswasser über einen Querschnitt der Kühlseite 8 des Ladeluftkühlers 6 und eine hohe Oberfläche zur Verdampfung des Abgaswassers bewirkt. Das Brennstoffzellenabgas wird nach dem Verlassen der Kühlseite 8 des Ladeluftkühlers 6 mittelbar oder unmittelbar an die Atmosphäre abgegeben. Zwischen dem Abgasauslass 7 der Brennstoffzelle 2 und der Kühlseite 8 des Ladeluftkühlers 6 kann dabei ein Mehrwegeventil angeordnet sein, mittels welchem das Brennstoffzellenabgas entweder direkt an die Atmosphäre abgegeben wird oder über den Ladeluftkühler geführt wird, je nachdem, welcher Kühlbedarf im Ladeluftkühler herrscht oder je nachdem, welche Atmosphärentemperaturen herrschen.
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2 zeigt ein alternatives Antriebsystem 101 mit einem Verbrennungsantriebsystem 103, welches neben dem Verbrennungsmotor 4 und dem Turbolader 5 einen Ladeluftkühler 106 und eine Verbrennungsabgasmischvorrichtung 111 aufweist. Die Verbrennungsabgasmischvorrichtung 111 ist Teil eines Abgassystems 114 des Verbrennungsantriebsystems 103 und weist eine zweite Verdampferstruktur 115 zur Verdampfung von flüssigem Abgaswasser der Brennstoffzelle 2 auf. Das Antriebsystem 101 weist ferner einen Wasserabscheider 112 auf, welcher stromabwärts von dem Abgasauslass 7 der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist und in welchem Abgaswasser aus dem Brennstoffzellenabgas zumindest teilweise abgeschieden und gesammelt wird. Das in dem Wasserabscheider 112 gesammelte Abgaswasser wird entweder kontinuierlich oder über eine nicht gezeigte steuerbare Förder-/Dosieranordnung einer Kühlseite eines Ladeluftkühlers 106 zugeführt. In dem Ladeluftkühler 106 wird das Abgaswasser ganz oder teilweise verdampft. Nach dem Ladeluftkühler 106 wird das Abgaswasser der Verbrennungsabgasmischvorrichtung 111 zugeführt, in welcher es mit einem Abgas des Verbrennungsmotors 4 vereinigt und gemischt wird. Das vereinigte Abgas wird nach der Verbrennungsabgasmischvorrichtung 111 über den Turbolader 5 der Atmosphäre zugeführt. Alternativ hierzu und ebenfalls Teil der erfinderischen Lösung ist ein nicht dargestelltes modifiziertes Antriebssystem 101', bei welchem das Brennstoffzellenabgas komplett ohne Zwischenschaltung des Wasserabscheiders 112 dem Ladeluftkühler 106 zugeführt wird.
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3 zeigt ein anderes alternatives Antriebsystem 201, bei welchem das gesamte Brennstoffzellenabgas der Brennstoffzelle 2 einer Verbrennungsabgasmischvorrichtung 211 zugeführt wird. Auch hier können zwischen der Brennstoffzelle 2 und der Verbrennungsabgasmischvorrichtung 211 Dosiervorrichtungen angeordnet sein, um eine Menge und einen Anteil des der Verbrennungsabgasmischvorrichtung 211 zugeführten Brennstoffzellenabgases einzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 101, 201
- Antriebsystem
- 2
- Brennstoffzelle
- 3, 103
- Verbrennungsantriebsystem
- 4
- Verbrennungsmotor
- 5
- Turbolader
- 6, 106, 206
- Ladeluftkühler
- 7
- Abgasauslass
- 8
- Kühlseite des Ladeluftkühlers
- 9
- Heizseite des Ladeluftkühlers
- 10
- Ansaugluftauslass des Turboladers
- 111, 211
- Verbrennungsabgasmischvorrichtung
- 112
- Wasserabscheider
- 13
- Verdampfervorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006017646 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug für emissionsfreie Mobilität”, Fickel, Gleyzes, Harrison, Gebert, ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 04, 2011, 113. Jahrgang, Seiten 308 bis 313 [0002]
