DE10303867A1

DE10303867A1 - Brennkraftmaschine mit einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10303867A1
Application number: DE10303867A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dr. Wetzel; Joachim Tachtler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System aus Brennkraftmaschine und Brennstoffzelle insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Brennkraftmaschine und Brennstoffzellensystem werden mit verdichteter Luft versorgt, wobei zur Verdichtung der Ladeluft für die Brennkraftmaschine und zur Luftversorgung des Brennstoffzellensystems derselbe Verdichter verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein System aus Brennkraftmaschine und Brennstoffzelle gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind bereits Kraftfahrzeuge bekannt, bei denen einerseits eine Brennkraftmaschine und andererseits zusätzlich eine Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Brennkraftmaschine insbesondere zur Fortbewegung des Fahrzeugs dient und die Brennstoffzelle u. a. zur Stromerzeugung für die elektrischen Aggregate vorgesehen ist.

Außerdem beschreibt die DE 199 13 795 C1 eine Vorrichtung mit einem Brennstoffzellensystem und mit einer Brennkraftmaschine, bei der die beiden Aggregate mehrere Bauteile gemeinsam nutzen, und zwar Wärmetauscher, Abgasanlage, Kraftstoffpumpe und Luftfilter.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches System aus Brennkraftmaschine und Brennstoffzelle so weiterzubilden, dass weitere Synergieeffekte zwischen den Aggregaten genutzt werden können, die sich so ergänzen sollen, dass für das Gesamtsystem ein einfacherer Systemaufbau entsteht oder sich geringere Kosten ergeben.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.

Nach der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem, das mit Luft versorgt wird und mit einem Verdichter zur Vorverdichtung von Ladeluft für die Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdichtung der Ladeluft und zur Luftversorgung des Brennstoffzellensystems derselbe Verdichter verwendet wird.

Das hat den Vorteil, dass die Luftversorgung der Brennstoffzellen nicht mittels eines elektrisch betriebenen Kompressors erfolgen muss. Dieser kann entfallen, was den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems stark verbessert, da die elektrische Antriebsleistung des Kompressors der durch die Brennstoffzellen produzierten elektrischen Energie entnommen wird und damit dem eigentlichen Verwendungszweck für das Bordnetz des Kraftfahrzeugs nicht mehr zur Verfügung steht. Ein solcher elektrischer Luftverdichter benötigt bis zu 25% der gerade durch das Brennstoffzellensystem erzeugten elektrischen Energie. Wird dieser durch eine sowieso zum Betrieb der Brennkraftmaschine vorhandene Einrichtung ersetzt, kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems verbessert werden und das Brennstoffzellensystem kann noch mehr zur Verringerung des Norm- und des Praxisverbrauchs des Kraftfahrzeugs beitragen.

Außerdem wird ein weiteres Bauteil gemeinsam von Brennkraftmaschine und Brennstoffzellensystem genutzt, was Kosten senkt und den Systemaufbau aus beiden Aggregaten vereinfacht.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ein von Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebener Turbolader oder ein von einem Abtrieb der Brennkraftmaschine angetriebener Kompressor ist.

Es ist aus Sicht des Energiebedarfs, der gravimetrischen und der volumetrischen Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems vorteilhaft, für die Verdichtung der von den Brennstoffzellen benötigten Luft anderweitig nicht mehr nutzbare Energie des Antriebsstranges zu verwenden. Anergie wird so durch den vom Abgasturbolader angetriebenen Verdichter zu Exergie. Eine solche Luftversorgung des Brennstoffzellensystems hat weiterhin den Vorteil, dass, für mit Benzin, Diesel oder Wasserstoff betriebene Brennkraftmaschinen ein Gleichteile-Konzept der Brennstoffzellenluftversorgung möglich ist. Im Fall der Verwendung eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kompressors ist der energetische Vorteil um dessen Primärenergiebedarf geringer: Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Luftversorgung des Brennstoffzellensystems ein zusätzlicher, elektrisch angetriebener Verdichter verwendet wird.

Dieser kann dann wesentlich kleiner dimensioniert werden als ein elektrisch angetriebener, der, entsprechend des Stands der Technik, als einziger Verdichter die Luftversorgung des Brennstoffzellensystems sicherstellt. Die Verwendung eines zusätzlichen elektrisch angetriebenen Verdichters hat den Vorteil, dass bei nicht in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine vom Brennstoffzellensystem ebenfalls elektrische Energie bereitgestellt werden kann. Da bei Fahrzeugstillstand mit abgeschalteter Brennkraftmaschine gewöhnlich auch nur geringere elektrische Leistung benötigt wird, kann der zusätzliche Verdichter wie gesagt kleiner dimensioniert werden, was wiederum zu weniger Energieverbrauch für dessen Betrieb führt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter für die Ladeluft der Brennkraftmaschine einen elektrischen Hilfsantrieb besitzt. Dieser kann dann auch den zusätzlichen Verdichter ersetzten. Bei Stillstand der Brennkraftmaschine wird dann zum Beispiel der Turbolader, angetrieben durch den elektrischen Hilfsantrieb, als zusätzlicher elektrisch angetriebener Verdichter verwendet. Dadurch erhält das Brennstoffzellensystem bei Stillstand der Brennkraftmaschine sein volles Leistungspotential. Außerdem kann bei mit niedriger Drehzahl in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine der elektrische Hilfsantrieb für den Ladeluftverdichter als Booster zur Steigerung des Ladeluftdrucks betrieben werden.

Ein bevorzugtes Verfahren nach der Erfindung zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit Ladeluft und eines Brennstoffzellensystems mit vorverdichteter Luft, wo bei ein Verdichter die Ladeluft für die Brennkraftmaschine vorverdichtet, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter auch die Versorgungsluft des Brennstoffzellensystems vorverdichtet.

Dadurch wird bei in Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems größer, wodurch dessen verfügbare elektrische Leistung steigt und der Treibstoffverbrauch des Fahrzeugs gesenkt wird.

Außerdem kann durch Entfall des Luftverdichters im Brennstoffzellensystem dessen Gehäuse kleiner dimensioniert werden.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur stellt ein schematisiertes Blockdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.

Bei der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäss der Zeichnung ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle APU (Auxiliary Power Unit) in einen Isolierkörper 1 eingebettet. Diese APU ist mit einer Brennkraftmaschine 2 über einen Abgasturbolader 3 zusammengeschaltet. Der Luft-/Gasdurchsatz des Brennkraftmaschine-Brennstoffzellensystems ist durch die Pfeile dargestellt. Von einem Verdichter 4 des Abgasturboladers 3 wird Luft 5 angesaugt und im nicht gezeichneten Ansaugtrakt verdichtet. Diese verdichtete Luft 6 wird sowohl als Ladeluft 7 der Brennkraftmaschine 2 als auch als Versorgungsluft 8 dem Brennstoffzellensystem APU zugeleitet. Abgas 9 der Brennkraftmaschine 2 entspannt sich beim Antreiben einer Turbine 10 des Abgasturboladers 3.

Claims

Brennkraftmaschine (2), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (APU), das mit vorverdichteter Luft (6) versorgt wird, und mit einem Verdichter (4) zur Vorverdichtung von Ladeluft (7) für die Brennkraftmaschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass zur Verdichtung der Ladeluft (7) und zur Luftversorgung des Brennstoffzellensystems (APU) derselbe Verdichter (4) verwendet wird.
Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (4) ein von einem Abtrieb der Brennkraftmaschine (2) angetriebener Kompressor ist.
Brennkraftmaschine (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (4) ein von Abgasen (9) der Brennkraftmaschine (2) angetriebener Abgasturbolader (3) ist.
Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Luftversorgung des Brennstoffzellensystems (APU) ein zusätzlicher, elektrisch angetriebener Verdichter verwendet wird.
Brennkraftmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (4) für die Ladeluft (7) der Brennkraftmaschine (2) einen elektrischen Hilfsantrieb besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zur Versorgung einer Brennkraftmaschine (2) mit Ladeluft (7) und eines Brennstoffzellensystems (APU) mit vorverdichteter Versorgungsluft (8), wobei ein Verdichter (4) die Ladeluft (7) für die Brennkraftmaschine (2) vorverdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (4) auch die Versorgungsluft (8) des Brennstoffzellensystems (APU) vorverdichtet.