DE10065305A1 - Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Bordstromversorgung - Google Patents

Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Bordstromversorgung

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Abstract

Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren lediglich für die Bordstromversorgung Brennstoffzellenanlagen einzusetzen. Gemäß der Erfindung ist für ein Brennstoffzellenmodul (10) einer Brennstoffzellenanlage zur Luftversorgung und/oder zur Kühlung des Brennstoffzellenmoduls ein Gebläse (6) vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Bordstromversorgung, für die wenigstens ein Brennstoffzellenmodul eingesetzt wird.
In Verbindung mit Kraftfahrzeugen sollen Brennstoffzellenanlagen meist zur Energieversorgung eines als Antrieb vorhandenen Elektromotors eingesetzt werden. Es ist aber auch bereits vorgeschlagen worden, bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor lediglich die Bordstromversorgung über eine Brennstoffzellenanlage vorzunehmen. Dies kann alternativ oder ergänzend zur üblicherweise vorhandenen Lichtmaschine erfolgen.
Für den Betrieb der Brennstoffzellen ist die Versorgung mit einem Brennstoff, beispielsweise einem Brenngas, einerseits und mit Luft andererseits notwendig. Weiterhin sind auch üblicherweise Kühlmittel erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, speziell bei einem Kraftfahr­ zeug mit Verbrennungsmotor eine verbesserte Bordstromversor­ gung unter Einbindung einer Brennstoffzellenanlage zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der Erfindung erfolgt die Luftversorgung und/oder die Kühlung des Brennstoffzellenmoduls über ein Gebläse. Das Gebläse kann zweistufig regelbar, aber auch stufenlos regelbar sein. Damit wird in optimaler Weise eine Brennstoffzellenanlage zur Bordstromversorgung eingesetzt. Der Antrieb des Kraftfahrzeuges ist in diesem Fall ein Verbrennungsmotor, wobei er ein Diesel-, Otto- oder aber auch ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor sein kann.
Die Brennstoffzellenanlage besteht für den angegebenen Zweck aus PEM-Brennstoffzellen, und kann vorteilhafterweise durch eine bei höheren Temperaturen betriebene Brennstoffzelle, d. h. sog. HT-PEM-Brennstoffzelle, gebildet sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit weiteren Patentansprüchen. Es zeigen
Figur ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenanlage und
Fig. 2 die Realisierung der Bordstromversorgung bei einem Fahrzeug gemäß Fig. 1.
In der Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug mit 1 bezeichnet, das einen Verbrennungsmotor aufweist. Der Verbrennungsmotor kann ein Diesel-, Otto- oder aber auch insbesondere mit Wasserstoff betriebener Verbrennungsmotor sein. Dem Motor ist eine Bordstromversorgung zugeordnet, die bei einem Kraftfahrzeug üblicherweise aus einem Akkumulator besteht, der über eine Lichtmaschine aufladbar ist.
In der Fig. 1 ist an geeigneter Stelle des Kraftfahrzeuges 1 eine Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul 10 angeordnet. Dargestellt ist beispielhaft ein einzelnes Brennstoffzellenmodul 10 ohne Nebenaggregate, wobei das Brennstoffzellenmodul 10 allein zur Bordstromversorgung eingesetzt wird. Das Brennstoffzellenmodul 10 ist unter dem Boden 2 des KFZ 1 bzw. in einem von Zwischenboden 2' gebildeten freien Raum angeordnet. Angedeutet ist weiterhin ein Auspuff 8, aus dem bei Betrieb des Brennstoffzellenmoduls mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft das entstehende Prozesswasser, bei Betrieb von wasserstoffreichen Gasen mit Nebenbestandteilen letztere entweichen können.
Als Brennstoffzellenmodul 10 wird insbesondere eine mit einer protonenleitfähigen Membran arbeitende PEM-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyt Membrane, Proton Exchange Membrane) gewählt. Eine solche PEM-Brennstoffzelle arbeitet mit Wasserstoff, Benzin, Methanol oder einem anderen Brennstoff, aus dem mittels eines Reformers ein wasserstoffreiches Brenngas gewonnen wird. Der Wasserstoff reagiert in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff, der aus der Umgebungsluft gewonnen wird. Speziell die bei höheren Temperaturen betriebene HT-PEM-Brennstoffzelle hat sich dabei als Brennstoffzellenanlage der Wahl erwiesen. Solche HT-PEM- Brennstoffzellen arbeiten bei Temperaturen oberhalb der üblichen Arbeitstemperatur der PEM-Brennstoffzellen von 60°C, und zwar von 80°C bis etwa 300°C. Die geeignete Arbeitstemperatur liegt etwa zwischen 120 und 200°C.
Wie erwähnt ist zum Betrieb insbesondere von HT-PEM-Brenn­ stoffzellen die Bereitstellung von Sauerstoff als Oxidans erforderlich, das vorteilhafterweise aus der Umgebungsluft gewonnen wird. Weiterhin müssen die Brennstoffzellen bei der erhöhten Arbeitstemperatur gekühlt werden. Es ist also glei­ chermaßen eine Luftversorgung und eine Kühlung des Brenn­ stoffzellenmoduls 10 notwendig.
In Fig. 2 enthält die Fluidleitung des Brennstoffzellen­ moduls 10 ein Thermostatventil 15 zur Einstellung und Definition der Betriebstemperatur in der Brennstoffzellen­ anlage. Es ist weiterhin ein Wärmetauscher 55 vorhanden, der an den Verbrennungsmotor 3 der Fig. 1 thermisch angekoppelt ist. Letzterer Wärmetauscher 55 ist derart zweikreisig ausgebildet, dass er von dem für die Kühlung des Fahreug­ motors 3 zuständigen Fahrzeugkühler 7 mit Gebläse 6 und weiterem Thermostatventil 9 zur Definition des Motorkühl­ kreislaufes angesteuert wird. Der Fahrzeugkühler 7 enthält in bekannter Weise eine nicht im Einzelnen dargestellte Kühlmit­ telpumpe, mit der in einem druckdichten System das Kühlmittel für den Motor 3 gefördert wird.
Durch das in Fig. 2 dargestellte Gesamtsystem mit den beiden Teilkreisläufen wird ein Temperaturausgleich zwischen Verbrennungsmotor 3 und PEM-Brennstoffzellemodul 10 erreicht. Dabei hat das Gebläse 6, das üblicherweise über die Bord­ stromversorgung betrieben wird, gleichermaßen die Funktion der Luftversorgung des Brennstoffzellenmoduls 10 und auch dessen Kühlung.
Mit der beschriebenen Anordnung ergibt sich ein optimaler Betrieb speziell von HT-PEM-Brennstoffzellen in einem solchen Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor aufweist und bei dem lediglich für die Bordstromversorgung ein Brennstoffzel­ lenmodul vorgesehen ist. Dabei ist die Verwendung von HT-PEM- Brennstoffzellen deshalb besonders vorteilhaft, da die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen mit 120 bis 200°C oberhalb der Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors von bis zu 120°C, der bei gegenüber Athmosphärendruck erhöhten Druck erreicht wird, liegt. Dadurch ist immer eine geeignete Temperaturdifferenz zur Kühlung des Brennstoffzellenmoduls definiert. Gleichermaßen wird angewärmte Luft als Oxidans bereitgestellt.

Claims (10)

1. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Bord­ stromversorgung, für die wenigstens ein Brennstoffzellenmodul eingesetzt wird, dadurch gekennzeich­ net, dass für die Luftversorgung und/oder die Kühlung des Brennstoffzellenmoduls (10) ein Gebläse (6) vorhanden ist.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Gebläse (6) zweistufig regelbar ist.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das über das Brennstoff­ zellenmodul elektrisch versorgte Gebläse (6) stufenlos regelbar ist.
4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 bzw. 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3) ein Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, ein Ottomotor oder ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor, ist.
5. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (6) zur Motorkühlung gleichermaßen die Versorgungs- und/oder Kühlluft für das Brennstoffzellenmodul (10) liefert.
6. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkreislauf des Brennstoffzellenmoduls (10) und der Kühlkreislauf des Motors (3) über einen Wärmetauscher (55) gekoppelt sind.
7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Luftkreislauf des Brennstoffzellenmoduls (10) einerseits und der Kühlkreislauf des Motors (3) andererseits jeweils Thermostatventile (9, 15) zur Definition und Einstellung vorgegebener Temperaturen aufweisen.
8. Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Thermostatventile (9, 15) Bypassleitungen beeinflussen.
9. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul (10) PEM-Brennstoffzellen enthält.
10. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenmodul (10) HT-PEM-Brennstoffzellen enthält.
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