DE10019780A1 - Aggregat, insbesondere Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Aggregat (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, dass für den Betrieb neben weiteren Betriebsstoffen Sauerstoff benötigt. Es ist vorgesehen, dass das Aggregat (1) eine den Sauerstoff aus der Umgebungsluft separierende Membran (15) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aggregat, insbesondere Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug, das für den Betrieb neben weiteren Betriebsstoffen Sauerstoff benötigt, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind gattungsgemäße Aggregate zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs bekannt. Im Falle eines mit Brennstoffzellen betriebenen Kraftfahrzeugs werden bei Verwendung beispielsweise eines Methanol-Wasserdampf-Reformers Methanol, Wasser und Umgebungsluft als Betriebsstoffe eingesetzt. Der Betriebsstoff Methanol wird in einer Reformeinheit in ein Wasserstoffgas umgewandelt, das einer Gasreinigung unterzogen wird. Im Anschluss an die Reinigung liegt ein erstes Brenngas vor, das in einem sogenannten "Brennstoffzellen-Stack" zur Erzeugung von elektrischem Strom mit Umgebungsluft reagiert. Als Reaktionsprodukt entsteht Wasser. Die Brennstoffzelle für ein derartiges, bekanntes Stromerzeugungssystem weist jedoch mehrere Nachteile auf, da der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte von Brennstoffzellen nur in unzureichendem Maße den Anforderungen in einem Kraftfahrzeug genügen.

Im Stand der Technik wurden zur Lösung dieser Nachteile beispielsweise Hybridfahrzeuge vorgeschlagen, bei welchen eine Brennstoffzelle dazu dient, auf einer relativ langen Fahrtstrecke den Antrieb zu ermöglichen, wobei bei Kurzstrecken wie zum Beispiel im Stadtverkehr auf ein konventionelles Verbrennungsmotorsystem zurückgegriffen werden kann.

Weiterhin wird in der DE 22 45 956 A1 vorgeschlagen, ein Brennstoffzellen- Stromerzeugungssystem mit einer Brennstoffzellen-Baugruppe zu verbinden, die neben der Einrichtung zum Zuführen von Luft auch eine Einrichtung zum Zuführen von reinem Sauerstoff und Wasserstoff als Brennstoff vorsieht. Wenn die Leistungsanforderungen an die Brennstoffzelle eine vorbestimmte Last übersteigt, kann durch die Zuführung von reinem Sauerstoff oder Wasserstoff der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte der Brennstoffzelle erhöht werden. Bei einer Brennstoffzellen-Baugruppe, die das Zuführen von reinem Sauerstoff und Wasserstoff ermöglicht, muss der Wasserstoff und der Sauerstoff in separaten Behältern mitgeführt werden oder aus Wasser mittels Elektrolyse im Kraftfahrzeug hergestellt werden. Die Kombination von Brennstoffzelle mit einer Lithiumhochenergiezelle ist sehr kostenaufwendig und erhöht das Gewicht des Fahrzeuges nachteilig.

Die DE 29 49 011 C2 beschreibt eine Kombination einer Lithiumhochenergiezelle des Typs Li/H₂O oder Li/H₂O₂ und einer Brennstoffzelle, wobei die Lithiumzelle eine Primärzelle ist und aus der Lithiumzelle erzeugter Wasserstoff und aus H₂O₂ erzeugter Sauerstoff in der Brennstoffzelle verbrannt werden. Dieser bereits bekannte Verbesserungsvorschlag weist mehrere zur Erhöhung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrades von Brennstoffzellen weisen mehrere Nachteile auf. Bei einem Fahrzeuges mit Hybridantrieb wird nicht die Leistungsdichte oder der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verbessert, sondern durch den Zusatz eines bekannten Verbrennungsmotors eine zusätzliche Vortriebsenergiequelle für eine bestimmte Last vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aggregat, insbesondere ein Antriebsaggregat für Kraftfahrzeuge vorzuschlagen, das für den Betrieb neben weiteren Betriebsstoffen Sauerstoff benötigt und mittels welchem ein verbessertes Betriebsverhalten in Hinsicht auf die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad erzielbar ist. Diese Aufgabe wird durch ein Aggregat mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dabei ist das gattungsgemäße Aggregat dadurch gekennzeichnet, dass es eine den Sauerstoff aus der Umgebungsluft separierende Membran aufweist. Es werden vorzugsweise spezifisch an die molekulare Größe des Sauerstoffs angepasste Membranen verwendet. Bisher wurden in Aggregaten von Kraftfahrzeugen keine Membranen eingesetzt, die in der Lage sind, Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu separieren. In Kraftfahrzeugen wurde bisher Umgebungsluft als Betriebsstoff verwandt, die dem Aggregat zugeführt und in dem Aggregat verbrannt wurde. Ferner wurde gemäß einer alternativen Ausführungsform reiner Sauerstoff im Kraftfahrzeug mitgeführt oder beziehungsweise mittels Elektrolyse aus mitgeführtem Wasser gewonnen. Dagegen ist es vorteilhafterweise mittels eines erfindungsgemäßen Aggregats möglich, Sauerstoff als Betriebsstoff in angereicherter oder in reiner Form mittels einer Membran in direkter und betriebsgünstiger Weise aus der Umgebungsluft zu gewinnen und in dem Aggregat zu verbrennen, wodurch die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad auf Grund der Bereitstellung an angereichertem oder reinem Sauerstoff energiesparend erhöht wird und gleichzeitig auf aufwendige auf zusätzliche Baugruppen, wie Sauerstoffspeichervorrichtungen verzichtet werden kann. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Aggregat, das reinen Sauerstoff mittels der Membran separiert, sehr zuverlässig, da die Membran weitestgehend hinsichtlich der Separierung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft störunanfällig ist. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Aggregat, da angereicherter oder reiner Sauerstoff zugeführt und verbrannt wird, emissionsärmer als bisher eingesetzte Aggregate. Die Sauerstoff aus der Umgebungsluft separierende Membran hat außerdem den Vorteil, das andere in der Umgebungsluft vorkommende Gase, wie zum Beispiel Kohlenmonoxide oder Stickoxide sowie schwefelhaltige Verbindungen, die den Verbrennungsprozess im Aggregat negativ beeinflussen, durch die Membran separiert und deshalb vorteilhafterweise nicht in das Aggregat gelangen können, sodass selbiges geeignet ist, Energie unter reduzierter Emissionen zu produzieren. Ferner kann da Aggregat vorteilhafterweise in energiesparender Weise betrieben werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Membran Poren mit Durchmessern im Nanometer-Bereich auf. Dadurch ist vorteilhafterweise eine Separation im molekularen Bereich, das heißt im Bereich von Atomen oder Molekülen, wie sie beispielsweise in der Umgebungsluft vorkommen, möglich. Die molekularen Bestandteile der Umgebungsluft können anhand ihrer unterschiedlichen Größe mit Vorteil hochselektiv getrennt werden. Eine derartig ausgebildete weist somit hochselektive Eigenschaften auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Poren derart ausgebildet, dass sie von Sauerstoff jedoch nicht von Stickstoff durchdrungen werden. Vorteilhafterweise weist die Nanoporen aufweisende Membran eine hohe Selektivität für Sauerstoff auf. Die Umgebungsluft setzt sich aus ungefähr 78 Vol.-% Stickstoff und 21 Vol.-% Sauerstoff sowie kleineren Mengen Kohlendioxid und Edelgasen zusammen. Die Poren im Nanometer-Bereich lassen vorteilhafterweise aufgrund ihres Durchmessers aus der Umgebungsluft ausschließlich oder nahezu ausschließlich Sauerstoff passieren. Ein Aggregat, insbesondere ein Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug, das eine solche Membran aufweist, wird somit wie beabsichtigt mit Sauerstoff nicht jedoch aber mit Stickstoff beaufschlagt. Der Durchmesser der Poren kann jedoch auch so gewählt sein, dass vor allem aber nicht ausschließlich Sauerstoff aus der Umgebungsluft durch die Membran hindurchdringt. Das heißt, im Sinne der Erfindung ist unter dem Durchdringen von Sauerstoff durch die Membran zu verstehen, dass ausschließlich, oder nahezu ausschließlich Sauerstoff oder mehrheitlich Sauerstoff die Membran durchdringt. Es kann deshalb auch vorgesehen sein, dass beispielsweise ein Aggregat für ein Kraftfahrzeug mit einem Gemisch beaufschlagt wird, was vor allem aus Sauerstoff und geringen Mengen an Edelgasen oder anderen Bestandteilen, jedoch nicht Stickstoff, bestehen kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran aus Polyfurfurylalkohol hergestellt ist. Polyfurfurylalkohol wird durch einen geeigneten physikalischen oder chemischen Prozess so modifiziert und umgewandelt, dass die Membran erhalten wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Membran durch Pyrolyse des Polyfurfurylalkohols hergestellt. Mit Vorteil entsteht bei der thermischen Zersetzung des Polyfurfurylalkohols eine Membran, die molekulare Poren mit Selektivität für bestimmte Atome oder Moleküle aufweist. Mit Vorteil entsteht durch die Pyrolyse eine Membran, die beispielsweise als Film oder in einer anderen Form eine solche mechanische Stabilität aufweist, dass sie in Aggregaten in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Die Pyrolyse gestattet es vorteilhafterweise weiterhin, dass die Membran eine gleichbleibende und nahezu konstante Selektivität für Gasbestandteile der Umgebungsluft aufweist.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Membran ein baueinheitliches Bestandteil des Aggregats. Vorteilhafterweise ist die Membran nicht über ein Schlauch- oder Zuleitungssystem mit dem Aggregat, insbesondere Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug, verbunden, sondern ist die Membran im Aggregat eingebaut, das heißt die Membran ist innerhalb des Aggregats positioniert und integriert. Vorteilhafterweise wird dadurch eine sehr kompakte und montagefreundliche Anordnung der Membran im Aggregat erreicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Membran in einem Betriebsstoffzuführweg des Aggregats angeordnet. Das Aggregat kann über mehrere Betriebsstoffzuführwege mit Betriebsstoffen versorgt werden. Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, in den Betriebsstoffzuführwegen, die Umgebungsluft in die Brennstoffzelle leiten, die Sauerstoff aus der Umgebungsluft separierende Membran so einzubauen, dass das Aggregat mit dem aus der Umgebungsluft separierten Sauerstoff beaufschlagt wird. Da die Betriebszuführwege auch in den bekannten Aggregaten, insbesondere Antriebsaggregaten, zum Einsatz kommen, ist nur ein geringer apparativer Mehraufwand für den Einbau oder Einsatz der separierenden Membran erforderlich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Aggregat eine Brennstoffzelle. Brennstoffzellen gewinnen durch die Reaktion eines wasserstoffreiches Gases und des Sauerstoffs der Umgebungsluft Strom für den Elektroantrieb beispielsweise eines Kraftfahrzeuges. Mit Vorteil kann die Brennstoffzelle mittels der Sauerstoff separierenden Membran direkt, das heißt ohne aufwendige, externe Zuführmittel, mit reinem Sauerstoff beaufschlagt werden. Der separierte, reine Sauerstoff kann vorteilhafterweise in der Brennstoffzelle mit dem wasserstoffreichen Brenngas zur Reaktion gebracht werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Brennstoffzelle ein Ansaugsystem auf, in dem die Membran angeordnet ist. Eine im Ansaugsystem der Brennstoffzelle angeordnete Membran ermöglicht vorteilhafterweise eine kompakte Ausgestaltung der Brennstoffzelle.

Vorteilhafterweise ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Ansaugsystem einen Umgebungsluftzuführkanal aufweist, der in einen Sauerstoffzuführkanal übergeht und dass im Zuführbereich die Membran angeordnet ist. Vorteilhafterweise gelangt über das Ansaugsystem Umgebungsluft in den Umgebungsluftzuführkanal. Durch die Sauerstoff separierende Membran wird aus der angesaugten Umgebungsluft im Umgebungsluftzuführkanal der Sauerstoff separiert, in dem der Sauerstoff als einziger oder im wesentlichen einziger Bestandteil der Umgebungsluft durch die Membran hindurchdringen kann. Der Umgebungsluftzuführkanal geht so vorteilhafterweise in einen Sauerstoffzuführkanal über.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer Membran bei einem Aggregat, wobei die Membran im Ansaugsystem/Zuführkanal einer Brennstoffzelle angeordnet ist. Der Zuführkanal kann den Umgebungsluftzuführkanal und den Sauerstoffzuführkanal umfassen. Vorteilhafterweise kann die Membran in dem Aggregat verwendet werden, um im Ansaugsystem und/oder im Zuführkanal der Brennstoffzelle aus der Umgebungsluft Sauerstoff zu separieren, der der Brennstoffzelle in reiner Form zugeführt werden kann.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Aggregats mit Ansaugsystem und Zuführkanälen und

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Aggregats mit einer radial in einem Rohr aufgetragenen Membran.

Die Fig. 1 zeigt ein in einem nicht dargestellten Fahrzeug installiertes Aggregat 1, das als Brennstoffzelle 3 ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 3 ist eingangsseitig mit voneinander getrennten Zuführleitungen 5 und ausgangsseitig mit einer Abgasleitung 17 wirkverbunden. Die Zuführleitungen 5 sind als Betriebsstoffzuführwege in Form eines Wasserstoffzuführkanals 7 und eines kanalförmigen Ansaugsystems 9 für die Umgebungsluft ausgebildet.

Das Ansaugsystem 9 umfasst einen Umgebungsluftzuführkanal 11, welcher mit einem Sauerstoffzuführkanal 13 der Brennstoffzelle 3 mittels einer zwischenangeordneten Membran 15 wirkverbunden ist. Der Sauerstoffzuführkanal 13 ist mit einer nicht dargestellten Reaktionseinheit der Brennstoffzelte 3 operativ verbunden. Die Membran 15 ist somit in der Brennstoffzelle 3 in einem Übergangsbereich zwischen Umgebungsluftzuführkanal 11 und Sauerstoffzuführkanal 13 angeordnet.

Der Wasserstoffzuführkanal 7 wird mittels eines nicht dargestellten Reformers mit einem wasserstoffreichen Gas versorgt. Das wasserstoffreiche Gas wird durch den Wasserstoffzuführkanal 7 in die Brennstoffzelle 3 geführt. Ferner wird mittels des Ansaugsystems 9 wird Umgebungsluft in den Umgebungsluftzuführkanal 11 zugeführt. Durch die im Umgebungsluftzuführkanal 11 und im Sauerstoffzuführkanal 13 vorherrschenden Betriebsdruckverhältnisse wird Umgebungsluft in einem ersten Schritt mittels des Umgebungsluftzuführkanals 11 angesaugt und eingangsseitig zur Membran 15 geleitet. Die Membran 15 weist als Durchgangsöffnungen ausgebildete Poren mit Durchmessern im Nanometer-Bereich auf. Die Durchmesser dieser Poren sind so gewählt, dass die Poren verschiedene Gase oder Bestandteile der Umgebungsluft unterschiedlich stark oder überhaupt nicht durch die Membran 15 passieren lassen. Die Membran 15 ist dabei so ausgebildet, dass sie aufgrund der vorherrschenden Druckverhältnisse im Ansaugsystem 9 - beziehungsweise im Umgebungsluftzuführkanal 11 - und im Sauerstoffzuführkanal 13 einerseits, und andererseits aufgrund der gewählten Größe der Durchmesser der in ihr vorhandenen Poren, ausschließlich oder wenigstens hauptsächlich Sauerstoff in den Sauerstoffzuführkanal 13 hindurch diffundieren lässt. Andere Bestandteile der Umgebungsluft, wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, können die Membran 15 aufgrund der gewählten Größe der Porendurchmesser nicht durchdringen.

Dabei kann der Sauerstoff kann verhältnismäßig schnell die Membran 15 beziehungsweise deren Poren durchdringen, so dass eine zuverlässige und hinreichende Beaufschlagung der Brennstoffzelle 3 mit Sauerstoff gewährleistet ist. Dabei ist die Sauerstoff separierende Fläche der Membran 3 so groß zu wählen, dass infolge des vorliegenden Betriebsdruckunterschieds zwischen Umgebungsluftzuführkanal 11 und Sauerstoffzuführkanal 13 ausreichend Sauerstoff zur Reaktion in der Brennstoffzelle 3 bereitgestellt werden kann. Mittels der Membran 15 wird somit in dem nachgeordneten Sauerstoffzuführkanal 13 der aus der Umgebungsluft separierte, reine oder nahezu reine Sauerstoff geleitet. Der in dem Sauerstoffzuführkanal 13 befindliche Sauerstoff gelangt in die Brennstoffzelle 3, wo er in der Reaktionseinheit mit dem durch den Wasserstoffzuführkanal 7 zugeführten, wasserstoffreichen Gasgemisch chemisch reagieren kann, so dass elektrischer Strom für den Elektroantrieb des Kraftfahrzeugs mittels der Brennstoffzelle 3 herstellbar ist. Der weitere konstruktive Aufbau und die weitere Funktionsweise des Aggregats 1 sind an sich bekannt und werden deshalb nicht im Detail beschrieben oder dargestellt.

Die Fig. 2 zeigt ein Aggregat nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, das im wesentlichen so aufgebaut ist wie das Aggregat gemäß Fig. 1. Insoweit wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen und im Nachstehenden nur noch auf die Unterschiede eingegangen. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Membran 15 radial in einem Rohr 18 aufgetragen, wodurch vorteilhafterweise die Membranfläche gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 vergrößert wird. Die Umgebungsluft wird gemäß Pfeil 19 in den Umgebungsluftzuführkanal 11 geführt, wodurch im Umgebungsluftzuführkanal 11 ein Druck aufgebaut wird, der geringer als der Druck in dem Rohr 18 ist. Die Druckdifferenz ist für den Prozess der Diffusion von Bestandteilen der Umgebungsluft durch die Membran 15 vorteilhaft. Durch Diffusionsprozesse an der Membran 15 wird die Umgebungsluft in ein sauerstoffreiches und ein sauerstoffarmes Gasgemisch geteilt. Die Diffusion durch die Membran 15 führt unter anderem zu einer Separation der Umgebungsluft in verschiedene Bestandteile, wobei vor allem Sauerstoff die Membran 15 durchdringt und so in das Rohr 18 geführt wird. Das sauerstoffreiche Gemisch in dem Rohr 18 wird gemäß Pfeil 21 zur der Brennstoffzelle 3 geleitet und das sauerstoffarme Gasgemisch wird gemäß Pfeil 23 zu der Abgasleitung 17 geführt.

Claims (11)

1. Aggregat, insbesondere Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug, dass für den Betrieb neben weiteren Betriebsstoffen Sauerstoff benötigt, gekennzeichnet durch eine den Sauerstoff aus der Umgebungsluft separierende Membran (15).

2. Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (15) Poren mit Durchmessern im Nanometer-Bereich aufweist.

3. Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der Poren derart ausgebildet sind, dass sie von Sauerstoff nicht jedoch von Stickstoff durchdrungen werden.

4. Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (15) aus Polyfurfurylalkohol hergestellt ist.

5. Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (15) durch Pyrolyse des Polyfurfurylalkohols hergestellt ist.

6. Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (15) baueinheitliches Bestandteil des Aggregats (1) ist.

7. Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (15) einem Betriebsstoffzuführweg (7, 9) des Aggregats (1) angeordnet ist.

8. Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aggregat (1) eine Brennstoffzelle (3) ist.

9. Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) ein Ansaugsystem (9) aufweist, in dem die Membran (15) angeordnet ist.

10. Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugsystem (9) einen Umgebungsluftzuführkanal (11) aufweist, der in einen Sauerstoffzuführkanal (13) übergeht und dass im Übergangsbereich die Membran (15) angeordnet ist.

11. Verwendung einer Membran bei einem Aggregat, insbesondere nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (15) im Ansaugsystem/Zuführkanal (9, 5) einer Brennstoffzelle (3) angeordnet ist.