DE10107420A1

DE10107420A1 - Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze

Info

Publication number: DE10107420A1
Application number: DE10107420A
Authority: DE
Inventors: Walter Schopf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-09-19

Abstract

Die Erfindung besteht in der Anordnung von Einrichtungen und in der besonderen Ausgestaltung von KFZs mit Elektroantrieb und Brennstoffzellen, sowie desgleichen an und von Strom- und Wärmeverbrauchern zum Transferieren von Strom und Wärme von der KFZ-Brennstoffzelle zu vorbestimmten Abnehmern beim Parken des KFZ. DOLLAR A Die erfindungsgemäße wechselweise Nutzungsmöglichkeiten der KFZ-Brennstoffzelle, sowohl für den KFZ-Antrieb als auch zur Haushaltsenergieversorgung, schafft eine wirtschaftliche und umweltschonende, zukunftsorientierte Energie-Versorgungskonzeption mit den Vorzügen eines Blockheizkraftwerkes bei der Haushaltsversorgung, mit der DOLLAR A - die Rentabilität und Amortisation einer BZ begünstigt, DOLLAR A - die Primärenergieausbeute effizienter, DOLLAR A - eine günstige Aufbereitung von BZ-Brennstoff aus verfügbaren und kostenakzeptablen Treibstoffen ermöglicht, DOLLAR A - der Übertragungsverlust in Energieversorgungsfernleitungsnetzen entfällt oder stark vermindet wird; DOLLAR A des Weiteren ermöglicht ein(e) eingebundene(s) Rechen-, Steuer- und Regeleinrichtungs-System ein optimales, vielfältiges Transfer-, Reformer- und BZ-Prozeß-Management sowie eine korrekte detaillierte Ermittlung der Einspeise- und Verbrauchskosten für die in unterschiedlichen Formen und zu unterschiedlicher Nutzung transferierten Energien.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit den in dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen.

In Brennstoffzellen (BZ) wird gegenüber anderen Verfahren unter Vermeidung des Umweges über die Wärme- und mechanischer Energie durch direkte Umwandlung von chemischer in elektrische Energie eine erhöhte Energieausbeute erzielt und eine geringere Umweltbelastung verursacht /1, 2, 3, 4/. Damit lassen sich sowohl höhere Wirkungsgrade bereits alleine bei der Stromerzeugung erzielen, als auch höhere thermische Wirkungsgrade bei der Wärmeerzeugung und -Nutzung erreichen, besonders effizient ist daher die BZ bei Kraft-Wärmekopplung und vorteilhafter als herkömmliche Verfahren und Anlagen /5, 6, 7, 15, 23/. Auch ist die Nutzbarkeit heimischer und regenerativer Energien ein Vorteil /8, 9, 12/. Obwohl die Entwicklung der BZ noch nicht abgeschlossen ist, ist sie als zukünftiger Energieversorger (zur Stromversorgung, dem KFZ-Antrieb, und zur Wärmegewinnung für Heizzwecke) wissenschaftlich anerkannter Favorit /5, 10, 11, 12, 15, 17, 19, 20, 21, 24/.

Beim KFZ-Antrieb zeichnet sich die BZ zum Versorgen der Elektro-Antriebsmotore durch einen geringeren Energiebedarf einer günstigeren Primärenergieausbeute bzw. Umsetzung von Primärenergie in bordgerechte Antriebsenergie (Strom) gegenüber herkömmlichen Konzeptionen (vom Netz geladene Batterien) aus. Auch ist die Antriebsaggregatekombination BZ-Elektromotor gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren in ihrer Effiezienz von Vorteil. Ein wesentlicher Vorteil beim KFZ-Einsatz mit reinem Wasserstoffbetrieb ist ihre absolute Emissionsfreiheit. Auch beim Betreiben mit an Bord aufbe reiteten, mit Wasserstoff angereicherten BZ-Brennstoffen ist die Schadstoffemission gegenüber her kömmlichen Verbrennungsmotor-Antriebskonzeption ebenfalls geringer.

Unter den verschiedenen nach ihren Elektrolyten unterschiedenen Bauarten werden PEMFC-Zellen mit relativ niedrigen Arbeitstemperaturen für den KFZ-Antrieb favorisiert, mit bordverträglichen bzw. günstigen Prozeßtemperaturen von 70 bis 90°C.

Ungeachtet ihrer effizienteren Ausnutzung der Primärenergien ist beim KFZ-Einsatz der mit dem Prozeß zwangsläufig vorliegende Wärmeanfall nachteilig, bei manchen Konzeptionen sind daher Kühleinrich tungen erforderlich. Andererseits sind auch BZ-Varianten, so auch die für den KFZ-Einsatz favorisierte PEMFC-Zelle frostgefährdet, sodaß im Stillstand bzw. im nicht fahrtaktiven Betriebszustand bei nied rigen Temperaturen Heizungsbedarf besteht, d. h. sie muß verlustebehaftet in Betrieb gehalten werden.

Eine wesentliche, für die zukünftige Einsatzmöglichkeit der BZ maßgebende Voraussetzung ist - beson ders in Anbetracht schwindender herkömmlicher fossiler flüssiger Treibstoffe - die Verfügbarkeit geeig neter kosten- und umweltverträglicher Brennstoffe. Wasserstoff ist als ernstzunehmende Alternative bekannt /9, 10, 12, 16, 17, 18/.

Herkömmliche Antriebskonzeptionen (Verbrennungsmotore) mit dem Energieträger Wasserstoff gespeist, erfüllen bereits mit modifizierten Verbrennungsmotoren die an solche KFZ-Antriebe gestell ten Erwartungen, was bereits in verschiedenen Versuchsserien der KFZ-Industrie unter Beweis gestellt ist /22/.

Bei den Alternativantrieben mit Brennstoffzellen ist die Entwicklung noch weitgehend im Fluß /11, 13, 17, 19, 21/.

Nach dem derzeitigen Stand sind BZ-Konzeptionen mit reinem Wasserstoff betrieben die am weitesten fortgeschrittenen. Leider setzt jedoch die Wasserstoffgewinnung (noch) kosten- und energie-intensive Verfahren voraus. Neben den Kostengründen dürfte sich wegen der fehlenden und nicht so schnell zu erstellenden Präsentanz eines H2-Tankstellensystems im nächsten Jahrzehnt kaum eine ernste "Was serstoffwirtschaft" realisieren lassen. Gleiches gilt (erst recht) für vorstehend erwähnten Einsatz von Wasserstoff in Verbrennungsmotoren.

Daher kristallisiert und favoritisiert sich auf dem Entwicklungssektor ein BZ-Betrieb mit herkömm lichen wasserstoffhaltigen Gasen oder bzw. und Flüssigtreibstoffen (z. B. Erdgas oder Methanol) heraus. Hierfür besteht aus funktionellen Bedingungen, aus Gründen einer akzeptablen Effizienz des Prozesses in der BZ und der Schädlichkeit einiger Bestandteile (z. B. Kohlenmonoxyd) solcher Treibstoffe wegen, die Erfordernis nach einer speziellen Aufbereitung und Anreicherung wasserstoffhaltiger Brennstoffe.. Hierfür werden der eigentlichen BZ Einrichtungen (Reformer) zugeordnet, die diese Aufgabe aus führen. Der Anreicherungs- und Reinigungsprozess in solchen Reformern kann z. B. vorteilhafterweise nach einem nach dem Stande der Technik bekannten Verfahren der "partiellen Oxydation" /15/ ablau fen, wobei unter Zuführung von Luft und Wasser in einem katalytischen Prozeß die hierbei produzierte Wärme wiederum für die eigentliche endotherme Reformierungsaktion zur Verfügung steht, bzw. genutzt wird, sodaß eine "autotherme Reformierung" vorliegt.

Solche Einrichtungen und die BZ selbst erfordern weitere, für ihre Versorgung und Steuerung Hilfsein richtungen wie Pumpen, Druckregler, Verdampfer und Rohrsysteme. Solche Zusatzeinrichtungen stellen einen zusätzlichen Aufwand dar. Dies betrifft natürlich auch nachstehend abgehandeltem stationären BZ-Einsatzfall. Anzustreben ist daher ein - insbesondere im Mobileinsatz aktuell - minimaler derarti ger Aufwand.

Andererseits birgt - abgesehen von der derzeitigen "Nichtverfügbarkeit" kostenmäßig akzeptablen, oder bzw. und auch emissionsarm hergestellten Wasserstoff-Bevorratungs- und Verfahrensprobleme. Z. B. diffundiert Wasserstoff auch durch Metalle, sodaß sich im KFZ-Tank wirtschaftlich nachteilige, und evtl. aus Sicherheitsaspekten sich gefährlich auswirkbare "Schwunderscheinungen" einstellen. Sicherlich werden irgendwann diesbezüglich resistente Materialien oder Ausführungen zur Verfügung stehen, die aber auch sicherlich ihren Preis haben. Auch sind bei reiner Wassserstoffbetankung aufwendige kon struktive Vorkehrungen gegen das Freisetzen von Wasserstoff - sei auch nur ein "Vertröpfeln" aus den Endpartien der Zapfeinrichtungen - zu treffen, um Knallgasbildung zu vermeiden.

Aus vorgenannten Gründen erscheint daher eine Wassserstofferzeugung oder Anreicherung mit H2 wasserstoffhaltigen Brennstoffen vor Ort für vorteilhaft und anstrebenswert..

Obwohl derzeitige KFZ-BZ-Exponate in ihrer Entwicklungsphase noch mäßige Lebensdauern aufwei sen, ist zu erwarten, daß mit fortschreitender, im Fluß befindlicher Entwicklung, insbesondere für den Sektor Haushaltsenergieversorgung mit Kraft-Wärmekopplung, wo ein Vielfaches an Lebensdauer gegenüber einer KFZ-BZ-Lebens- bzw. Einsatzdauer obligatorisch ist, auch die Entwicklung der KFZ- BZ diesbezüglich befruchtet wird. Dann bergen wohl die im KFZ eingesetzten BZ allerdings in diesem Einsatzfall nicht auszuschöpfende Lebensdauerreserven, was einen unwirtschaftlichen Tatbestand dar stellt. Diesen vorteilhaft auszunutzen, ist auch eine Absicht vorliegenden Erfindungsgedankens.

Wie bei den meisten Anlagen für chemische und thermische Prozesse, Aggregaten und sonstigen Maschinen hängen ihre Lebensdauern stark von den Belastungswechseln denen sie ausgesetzt sind, auch den thermischen, ab, was durch Erfahrungen an 200-kW-Versuchsanlagen /23/ untermauert ist. Eine Vergleichmäßigung der thermischen Belastungen und Betriebszustände ist daher auch bei der BZ anzustreben.

Außer der effizienten Stromerzeugung bietet sich die anfallende Prozesswärme der BZ für die Wärme versorgung der Haushalte an /6, 15, 17, 18, 23/.

Auf Grund eines relativ günstigen Verhältnises (der Energieinhalte) von Stromerzeugung und Wärme entwicklung, das etwa dem Strom- und Heizwärmebedarfsverhältnis der Haushalte in der Heizperiode entspricht oder zumindest nahekommt, bieten sich auch hier wirtschaftliche Einsatzbedingungen für die BZ. Auch entspricht sie Erwartungen und Bedingungen, die an einer im Trend mit Zukunftsperspektive liegenden dezentralen Energieversorgung für den Haushalt mit Kraft-Wärme-Kopplung gestellt werden. Vor allem gilt es, schadstoffemissionsbehaftete und ausfallende Energien wie Atomstrom oder schwin dende, zumindest sich verteuernde fossile Energieträger der derzeitigen überregionalen Stromerzeugung durch ressourcenschonende und umweltfreundlichere Versorgungsverfahren und -Systeme zu ersetzen. Ein Vergleich der spezifischen BZ-Anlagekosten lässt erkennen, daß Kleinanlagen allerdings wesentlich ungünstiger sind als größere, so daß es geboten erscheint, trotz des Trends zu dezentralen Versorgungs einrichtungen eine (zumindest Klein-)Verbundstruktur in der Haushaltsenergieversorgung auf der vor liegenden Versorgungsbasis anzustreben.

Weitere Tatbestände und Aspekte zu den Zukunftsperspektiven vorliegenden Erfindungsgegenstandes:. Da die Wasssertoffgewinnung, ausreichend für eine umfassende "Wasserstoffwirtschaft" mittels Elektrolyse vorerst auf breiter Basis nicht zur Anwendung kommen wird - Atomstrom zukünftig weitgehend global ausscheidet, regenerative Energien im mindestens nächsten Jahrzehnt nicht ausreichend zur Verfügung stehen - kommen als BZ-Brennstoffe wasserstoffhaltige Energieträger infrage.

Bei Außerbetrachtlassen fiskalischer Belastungen wären herkömmliche petrolchemische Treibstoffe als Ausgangsstoffe preislich und auch verfahrenskostenmäßig nach dem heutigen Stand der Technik für die Wasserstoffgewinnung zwar am günstigsten. Jedoch ist diese H2-Gewinnung auch mit Schadstoffemis sionen verbunden. Aber insbesondere auf Grund des abzusehenden "Versiegens" dieser fossilen flüs sigen Energieträger-Ressourcen und in Anbetracht des Bedarfes der verarbeitenden Chemie an diesen Grundstoffen ist diese Art von Wasserstoffgewinnung ohnehin nicht relevant.

Eine zukunftsorientierte und auch umwelfreundlichere Treibstoffgewinnung ist die aus biologisch gewonnenen, ölhaltigen Naturprodukten, oder aus Bio- oder Klärgas /8, 9/. Aber auch hier dürften die Erzeugungs- und Verabeitungskapazitäten gegenüber dem Bedarf - mindestens in dem bzw. den nächs ten Jahrzehnt(en) nicht ausreichen.

Als ein sicherer und geeigneter wasserstoffhaltiger Energieträger für die BZ, wofür auch die relativ leichte Aufbereitbarkeit zum BZ-Brennstoff spricht, ist Erdgas. Von diesem Energieträger, zwar auch fossiler Herkunft und endlicher Verfügbarkeit, steht global nach Expertenprognosen z. Z. relativ noch wenig genutzt und erschlossen eine große Menge zur Verfügung, die im Stande ist, weltweit den gesamten Energiebedarf für mindestens ein Jahrzehnt abzudecken. In Anbetracht dessen, daß nicht spontan und vollständig alle Energieverbraucher auf Erdgas umsteigen werden oder können, ist für eine Menschheitsgeneration ein solcherartiger KFZ-Antrieb als gesichert anzusehen - sicherlich eine (zumindest Zwischen-)Epoche bis zum Finden einer anderen Energiequelle oder gar Energieform.

Als ein "hoffnungsvoller" Energie- und Wasserstofflieferant der Zukunft und somit auch Brennstoff lieferant für die BZ sind in jüngster Zeit entdeckte, am Meeresboden lagernde klumpenartig augebildete Gashydrate /16, 23/. Alleine die bereits entdeckten wasserstoffhaltigen derartigen Vorräte sollen nach Expertenbekunden /23/ eine gespeicherte Energie aufweisen, die die Energieinhalte aller bekannten Kohle-, Erdöl- und Erdgasvorkommen um mindestens das Doppelte übertrifft. Z. Z. ist deren Erschlies sung zwar noch nicht möglich, aber sie stellen doch positive Energieversorgungs-Zukunftsperspektiven dar, die auch für vorliegenden Erfindungsgedanken - auch für die weitere Zukunft - ein nützliches, großes Einsatzfeld versprechen.

Dennoch bleibt der Menschheit die Verpflichtung, mit den zur Verfügung stehenden Energie-Ressour cen sparsam, effizient und umweltschonend umzugehen. Dies ist auch Ziel und Absicht vorliegenden Erfindungsgedankens.

Aufgabe und Ziel vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines wirtschaftlichen und umweltfreund lichen Energieversorgungskonzeptes unter Nutzung der in nächster Zukunft zur Verfügung stehenden Energieressourcen sowohl für den (elektrischen) Antrieb von Kraftfahrzeugen als auch zur Strom- und Wärmeversorgung der Haushalte, Haushaltverbunde oder bzw. und öffentlicher Energieversorgungs netze.

Dabei soll

- den eingeschränkten, besonders den zukunftsrelevanten BZ-Brennstoff-Versorgungsmöglichkeiten Rechnung getragen werden, unter Berücksichtigung von Lösungsfindungen zur Aufbereitung des BZ- Brennstoffes vor Ort,
- dem Trend nach dezentraler Energieversorgung der Haushalte durch Versorgungseinrichtungen mit der effizienteren Arbeitsweise eines Block-Heizkraftwerkes entsprochen werden,
- neben vorteilhaften konstruktiven Ausführungen und Anordnungen der mechanischen Komponenten eine zweckentsprechende vorteilhafte Steuer- und Regeleinrichtung und -Strategie einbezogen sein.

Die Lösung der genannten Aufgaben wird durch die in den Ansprüchen und in den Ausführungs beispielen angeführten erfindungsgemäßen Ausführungsmerkmale erzielt.

Vorteile

Im wesentlichen wird durch den erfindungsgemäßen kombinierten Einsatz der Brennstoffzelle sowohl für den KFZ-Antrieb als auch für die Haushalts-Energieversorgung eine wirtschaftliche und umwelt schonende Versorgungskonzeption geschaffen, die beim Versiegen der herkömmlichen Energieres sourcen den zukünftigen Energiebedarf weitgehend abzudecken vermag.

Detailvorteile bestehen darin, indem:

- durch die kombinierte Strom- und Wärmenutzung der BZ zur Haushaltsenergieversorgung und beim Einspeisen in öffentliche Versorgungsnetze die Primärenergieausbeute besonders effizient ist,
- bei Belieferung öffentlicher Versorgungsnetze die herkömmlicherweise hohen Übertragungsverluste (beim Transport über weite Entfernungen vom Kraftwerk zum Verbraucher) stark vermindert werden,
- durch die mehrfache bzw. zusätzliche Nutzung der KFZ-BZ, die in ihrem herkömmlicherweise zuge dachten Einsatzfall, der Stromversorgung bordeigener Elektro-Antriebsmotore nur relativ kurzen Betriebsphasen ausgesetzt ist, ihre Rentabilität und Amortisation äußerst günstig beeinflußt wird, wodurch eine weitere BZ im Haushalt zur Wärmeversorgung erspart bleibt,
- durch zweckmäßige Betriebseinrichtungen an Bord des BZ-bestückten KFZ und in Abnehmerstationen eine wirtschaftliche Brennstoffaufbereitung für die BZ aus verfügbaren und kostenakzeptablen wasser stoffhaltigen Energieträgern auch die Nutzung heimischer (nachwachsender) Energieträger ermöglicht wird,
- eine in den Erfindungsgegenstand einbezogene Wasserstoffgewinnung mittels Wasser-Elektrolyseein richtung, versorgt von ebenso eingebundenen Solarzellen, die die Wirtschafltlichkeit der Einrichtung steigert und zur Gewinnung von BZ-Brennstoff beiträgt,
- durch die Nutzung überschüssiger exothermer Reaktionswärme eines mittels partieller Oxydation betriebenen Reformers, die unter bestimmten Ausführungs- und Betriebsbedingungen auftreten kann, die Wirtschaftlichkeit der Einrichtung abermals gesteigert wird,
- durch die Anordnung eines Wärmespeichers im BZ-betriebenen KFZ die Voraussetzung für ein dynamisches Betriebsverhalten des Brenstoffzellen-KFZ-Antriebes geschaffen werden, in dem er als spontaner Wärmelieferant dient für gesteigerte endotherme Reformierungsreaktionen im Reformer,
- durch die Anordnung und Einbeziehung von Einrichtungen zur BZ-Brennstoffaufbereitung in Betriebsstationen der Abnehmer (vor Ort), vor allem was die Herstellung reinen Wasserstoffes betrifft, eine günstige Brennstoffversorgungskonzeption darstellt, weil dadurch die/der etwas problematische Wasserstoffbevorratung größeren Umfangs und -weite Transporte entfallen,
- durch einen "nahtlosen" Übergang vom Fahrbetrieb in die energieübertragende Parkphase die ver schleiß- und alterungsbeschleunigenden Auswirkungen von BZ-Betriebsunterbrechungen vermieden oder zumindest vermindert werden,
- weil sich bei frostgefährdeten Abstellplätzen ein unwirtschaftliches Inbetriebhalten bzw. Beheizen frostempfindlicher BZ erübrigt,
- durch die konstruktive Ausbildung des Reformers und seiner zugegeordneten Hilfseinrichtungen als eine leicht demontier und montierbare Baueinheit, sowie der im KFZ und den Abnahmestationen zum Zwecke des Umsetzens dieser Einheit angeordneten Einrichtungen und Anschlüsse, kann diese brennstoffaufbereitende Komponente alternativ im KFZ oder in der Abnehmerstation positioniert werden, wodurch je nach Vorliegen und Berücksichtigung verschiedener Betriebs- und Einsatzkriterien wie die Zusammensetzung des zur Verfügung stehenden Ausgangsbrennstoffes, Betankungsvermögen, Fahr- und Einsatzweisen des KFZ, die Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Energieversorgungs konzeption nochmals günstig beeinflußt wird,
- mittels der eingebundenen microprozessorgesteuerte(n) Steuer- und Regeleinrichtung und -Systeme
- - ein optimales Einsatzmanagement der meist nur relativ kurzzeitig im Fahrbetrieb aktiven PKW's zur Haushaltsenergieversorgung,
- - in Abstimmung mit dem Abnahmebedarf und Dirigismus weiterer Lieferanten die Steuerung und den Ablauf eines optimalen Arbeitsprozesses in der BZ und Einspeisevorganges,
- - unter Berücksichtigung von Verbrauchs- und Angebotsspitzen eine gerechte Vergütung für die einge speiste Energie, mit Berücksichtigung unterschiedlicher Besteuerungsweisen für die unterschiedlichen Energieformen und Einsatzweisen,
- - in Verbindung mit Rechen- und Steuersystemen überregionaler Versorgungsverbünde ein weiträumiges wirtschaftliches Energie-Versorgungsmanagement

ermöglicht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen aus den Beschreibungen der Ausführungsbeispiele hervor.

In den nachfolgenden Beschreibungen werden an Hand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Übertragen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze mit einem bordeigenen Reformer zur Aufbereitung des Brennstoffes.

Fig. 2 stellt eine Modifikation des im wesentlichen aus Fig. 1 übernommenen schematischen Ausführ ungsbeispieles dar, bei der die BZ

- im Fahrbetrieb mit an Bord gespeicherten, reinem H₂ oder bevorzugt einen gasförmigen hoch mit H₂ angereichertem Medium betrieben wird,
- bei stationärer Betriebsweise (beim Einspeisen von Strom und Wärme in Haushalts- oder öffentliche Versorgungsnetze) durch einem von in der Abnehmerstation angeordneten Reformer aufbereiteten Brennstoff betrieben wird.

Zu Fig. 1

Erfindungsgemäß weist das mit einer BZ 10 bestückte Elektrofahrzeug 1, 8a, 8b, 8c, 8c eine der Über tragung von Strom und Wärme dienende Ankoppel- und Übertragungsvorrichtung 2 auf, die im nicht aktiven (Fahr-)Betriebszustand des KFZ 1 mit einer in einer Garage oder an einem beliebig anderen KFZ-Abstellplatz eines Haushaltes 4, oder eines Haushalt-Verbundes 4/5/6, oder auf bzw. an einer Stellfläche einer öffentlichen Parkeinrichtung 7 angeordneten, kompatiblen Ankoppel- und Übertra gungsvorrichtung 3 in einer energietransferierfähigen Verbindung steht. Die Abnehmerstationen 4, 5, 6, 7 weisen noch näher beschriebene Betriebs- und Versorgungseinrichtungen auf, sowie Betan kungsvorrichtungen für H2-haltige Treibstoffe.

Zur Versorgung des Elektro-Antriebsmotors 9 dient die im KFZ 1 angeordnete BZ 10. Dieser sind zur Erzeugung von Wasserstoff, oder auch nur zur Anreicherung der ihr zugeführten wasserstoffhaltigen flüssigen oder gasförmigen Energieträger ein Reformer 11 mit noch weiteren für den Betrieb der BZ erforderlichen Hilfseinrichtungen bzw. -Aggregate, wie z. B. Pumpen, Verdampfer, Ventile und sonstige Aktoren und Sensoren, dargestellt als Verbund 12, zugeordnet. Den Brennstoff bevorratet Gastank 13, der über Ventil 14 mit der außerhalb angebrachten Ankoppel- und Übertragungseinrichtung 2 in Ver bindung steht, bzw. über sie betankt wird. Der von der BZ erzeugte Gleichstrom wird über die Leitungen 15 abgegriffen und einem Umsetzer 16 zugeführt. Dieser wandelt ihn in einen für die KFZ- Antriebskonzeption üblicherweise vorteilhafteren Wechselstrom um. Der Umsetzer 16 und die Polausbildung des Antriebsmotors sind frequenzmäßig so ausgelegt und aufeinander abgestimmt, daß sowohl das Frequenzspektrum für den Fahrbetrieb, als auch die Netzfrequenz externer Abnehmer abgedeckt wird. Gleiche Anpassungskriterien gelten für die Spannung. Erforderlichenfalls ist zur Vermeidung zu vieler Zellenanordnungen (wegen der begrenzten niedrigen Zellenspannung) ein Trafo 17 nachgeschaltet. Der auch als Spannungsregler ausgebildete Umformer 16 gleicht last- und alterungsbe dingte Spannungsabfälle aus. Je nach Konzeption und praktischen Aspekten kann Trafo 17 auch in einer der Abnehmer-Stationen 4, 5, 6 oder 7 untergebracht sein. Ein dem Umformer 16 bzw. dem Trafo 17 nachgesetzter Umschalter 18 stellt eine Verbindung alternativ zum Fahrwerksantrieb 9 oder über Leitung 19 zur Ankoppel- und Übertragungseinrichtung 2 her.

Die in der BZ 10 anfallende Wärme wird über Leitungen 20 einem Wärmetauscher 21 zugeführt. Im Fahrbetrieb wird die Überschußwärme aus der BZ 10 erforderlichenfalls über Wärmetauscherkreis 22, Absperrventil 23 einem Kühler 24 zugeführt.

Bei stationärem, erfindungsgemäßem Einsatz der KFZ-Brennstoffzelle zum Versorgen von Haushalten 4 oder Fernwärmenetzen 33 wird über Wärmetauscherkreis 25, Pumpe 26, die alternativ auch extern angeordnet sein kann, über Ankoppel- und Übertragervorrichtungseinrichtung 2 und 3 ein Wärmeträger medium zu einer Abnehmerstation 4, 5, 6 oder 7 geleitet.

Der Wärmetauscher 21 ist vorteilhafterweise so ausgebildet und mit (nicht dargestellten) anderen Komponenten so vernetzt, daß er auch in einem gewissen Masse als Wärmespeicher dient, als Wärmelieferant für eine spontane Wärmezuführung an dem Reformer 11 zur Steigerung der Dynamik der gesamten BZ-Anlage.

Alle aktiven Vorgänge an Bord, insbesondere die Prozesssteuerung der BZ 10 und des Reformers 11 mit seinen Hilfseinrichtungen 12, sowohl im Fahrbetrieb als auch beim Energietransfer, werden von einer microprozessorgesteuerten Regeleinrichtungen 27 gemanagt, die mit verschiedenen Sensoren zur Erfassung der Betriebswerte in Verbindung steht. Im Fahrbetriebszustand ist eine autarke Arbeitsweise dieser Bordeinrichtung vorteilhaft, während beim Energietransfer an externe Verbraucher ein Zusam menspiel mit einer weiteren in der Abnehmerstation 4 angeordneten microprozessorgesteuerten Regel einrichtung sinnvoll ist.

Pos. 4 stilisiert in Form einer Umrahmung einen Haushalt als Strom- und Wärmeabnehmer.

Sein Strom-Verbrauchersystem 28 wird über Umschalter 47 von einem öffentlichen Stromversorgungs netz, bestehend aus einem Hochspannungsnetz 29, der Trafostation 30 und dem regionalen Versorgungsnetz 31 versorgt, oder alternativ über Verbindungsleitung 49, mit der Ankoppel- und Übertragungseinrichtung 3-2 mit der KFZ-BZ 10 verbunden. Eine weitere dargestellte Schaltalternative dieses Schaltelementes ermöglicht das zusätzliche Einspeisen von Strom in das öffentliche Netz 31. Sein Wärmeverbrauchersystem 32 kann sowohl wie herkömmlicher- und häufigerweise üblich durch ein Fernwärmenetz 33, als auch durch die erfindungsgemäße Versorgung durch die BZ 10 oder bzw. und durch einen herkömmlichen Heizkessel 34 versorgt werden..

Bei Fernwärmebezug ist zum Übernehmen der Wärme aus dessen flüssigen Wärmeträger obliga torischerweise ein Wärmetauscher 46 eingesetzt, mit den Wärmetauscherkreis 46a. Für die erfindungs gemäße Wärmeversorgung ist er um einen Wärmetauscherkreis 46c erweitert, der über einen Zähler 44 und erforderlichenfalls einer Pumpe 45 mit der Ankoppelungs- und Übertragereinrichtung 3 verbunden ist. Über den Wärmetauscherkreis 46d des Heizkessels 34 kann in Spitzenzeiten bei unzureichender Wärmeversorgung durch die BZ 10 und fehlender Fernwärmeversorgung übermäßiger Wärmebedarf des Haushaltes abgedeckt werden.

Zur Erfassung der im Hauslhalt verbrauchten oder weitergeleiteten Energien sind Zähler 36, 37, 38, 39, 42, 43, 44, 52, 54 in den Ab- und Zuleitungen angeordnet, ebenso ein Stromhauptschalter 39 und Absperr hähne 40, 41, 53. Natürlich umfasst eine solche Betriebseinrichtung auch eine (nicht dargestellte) Wasserversorgung.

In die Ankoppel- und Übertragereinrichtungen 3 und 4 zum Übertragen von Strom und Wärme aus der BZ 10 des KFZ 1 sind zum Zwecke eines rationellen Handlings Einrichtungen zum Betanken des ange dockten KFZ 1 integriert. Für den Fall des Betankens mit gasförmigen Energie- bzw. Wasserstoffträ gern weist der Gas-Versorgungsstrang 50 einen zur Ankoppelungs- und Übertragereinrichtung 3 einen Durchflußmengenzähler 47 und ein Absperrventil 53 auf.

Die microprozessorgesteuerte Regeleinrichtung 53 managt auch alle aktiven Vorgänge beim Energie transfer und beim Betanken.

Da

a) leistungsmäßig die BZ eines (mittelstarken) PKW ein Mehrfaches des Energiebedarfes eines Haushaltes zu erbringen vermag,
b) in Anbetracht dessen, daß (trotz eines relativ günstigen Teillastwirkungsgrades der BZ) bei geringer Auslastung dennoch zwangsläufig ein nicht allzu wirtschaftlicher Betrieb zu erwarten ist,
c) meist nur ein Teil der zur erfindungsgemäßen Energieübertragung bestimmten KFZ für diesen Ener gietransfer stets zur Verfügung stehen werden,

ist es vorteilhaft, mit einem mit einer BZ bestückten KFZ immer mehrere Haushalte zu versorgen. Deshalb ist ein Versorgungsverbund von Haushalten vorteilhaft. Am wirtschaftlichsten und anstrebens wert erscheinen ohnehin konzentriert angeordnete und zu einem Versorgungsverbund zusammenge schlossene Wohnungen, wobei die unter Pos

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beschriebenen Betriebseinrichtungen nur einmal erfor derlich sind. Auch können anliegende KFZ-Parkeinrichtungen

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in solche Verbünde einbezogen sein, doch dürfte deren Beitrag mehr für öffentliche Versorgungssysteme prädestiniert sein.

Die dem Transfer der unterschiedlichen Energien bzw. Energieträgermedien zwischen den BZ bestück ten KFZ 1 und einem Abnehmer 4 dienende Ankoppel- und Übertragereinrichtung 2 und 3 ist vorteil hafterweise als eine Baueinheit, in einer koaxialen Ausführungsweise ausgeführt. Sie besteht im wesentlichen aus in auf radialer Distanz gehaltenen ineinander steckbaren Rohrstücken, einem äußeren Rohr 55, einem mittleren Rohr 56 und einem inneren Rohr 57, die mittels einer Dicht- und Isolierbasis 61 fixiert sind. Die so gebildeten Ringkanäle 58, 59 sind für einen flüssigen Wärmeträger bestimmt, der dritte Kanal, das innere Rohr 57, steht für den Treibstofftransport beim Betanken zur Verfügung. Die dichtend steckbaren Rohrenden sind als elektrische Verbindungskontakte 68 ausgebildet. Das korresspondierende Gegenstück 3 ist gleichgeartet. Im getrennten Zustand verschließen zweckentsprechende Ventileinrichtungen 62 die Endpartien der Rohre.

Weitere nicht dargestellte, automatisch sich über die gesamte Stirnseite der Ankoppel- und Übertrager einrichtungen sich schließende Klappen zur Vermeidung von Kanalverschmutzungen, sowie besondere Wärmeisolationen bei reiner Wasserstoffbetankung und Einrichtungen zum "Spülen" der End- und freiliegenden Partien der Steckrohre mit einem neutralisierenden Medium, wie z. B. Helium, (zur Ver meidung von Knallgasbildung bei Luftkontakt) sind nützlich bzw. selbstverständlich.

Desweiteren ist es zweckmäßig, Übertragungskontakte für Steuerleitungen, bevorzugt ausgeführt als ein zeitgemäßes Bussystem, mit zu integrieren. Allerdings können solche Systeme auch auf drahtlosem Wege aufgegbaut sein, oder es werden die Steuersignale über die Stromleiter 55, 56, 57 moduliert übertragen.

Zum Orten der zusammenzufügenden Steckverbindungen beim Andocken des abgestellten KFZ an die Abnehmerstation besitzen die Ankoppelungs- und Übertragereinrichtungshälften 2, 3 elektrisch/elek tronische Positionsmelder 64, die die räumlichen Zuordnungen dieser zusammenzufügenden Partien 2 und 3 erfassen und an die Regeleinrichtung 53 melden, die ihrerseits wiederum Steuer- und Korrektur kommandos an die mit Verstellaktoren 66 gibt. Diese Positionierungs und Nachführeinrichtung 65 kann natürlich auch auf anderer Basis als dargestellt, ausgeführt sein - z. B. durch Gelenkmecha nismen. Als Verstellaktoren können z. B. Druckzylinder Einsatz finden. Bevorzugt sind diese Posi tionierungseinrichtungen nur an den Übertragungseinrichtungen der Abnehmerstationen 4, 5, 6, 7 angebracht.

Wie aus den in Pos. 1 aufgeführten Betriebseinrichtungen erkennbar, ist vorliegende BZ-Antriebskon zeption darauf abgestimmt, daß ein H2-haltiger flüssiger oder gasförmiger Brennstoff durch den an Bord aktiven Reformer 11 für die Prozeßfähigkeit in der Brennstoffzelle 10 aufbereitet wird. Die über schüssige Reaktionswärme der BZ und des Reformers wird im Betriebszustand des "Energietransferie rens", und somit des externen Nutzens der BZ, durch flüssige Wärmeträger in einen geschlossenen Kreislauf zum Wärmetauscher 21 des Verbrauchers 4 geleitet.

Die Übertragung und externe Nutzung des in der BZ erzeugten Stromes als Premisse erfolgt auf üblichen bekannten Wegen.

Die Steuerung der BZ-Aktivität dabei läuft nach den jeweils momentan vorliegenden Strombedarfs kriterien ab, unter Berücksichtigung des Angebotsvolumens etwaiger weiterer beteiligter Stromliefe ranten mit verschiedenen evtl. vertraglich festgelegten Einspeisekonditionen. Auch kann der Wärme bedarf der Abnehmer die BZ-Steuerstrategie bestimmen. In beiden Fällen wird dann die Überschuß energie der anderen Gattung in ein mit der Abnehmerstation verbundenes öffentliches Versorgungsnetz 31 oder 33 transferiert. Andererseits ist die Gesamtkonzeption so abgestimmt, daß bei fehlender Präsenz bzw. Kapazität energieliefernder BZ-KFZ 10 öffentliche Versorgungsnetze 31, 33 in Anspruch genommen werden. Für das Praktizieren dieser Möglichkeit des Energietransferierens in beiden Richtungen, schafft die unter dem Stand der Technik bereits erwähnte, in Aussicht stehende EnEV für Klein-Block heizkraftwerke mit Kraft-Wärmekopplung - denen vorliegender Erfindungsgegenstand zuzuordnen ist - insbesondere durch seinen § 10 Abs. (2) die juristischen Voraussetzungen.

Für den Fall von Wärmeversorgungsengpässen - bei Nichtinanspruchnahme bzw. -Vorhandensein öffentlicher Wärmeversorgungsnetze - kann auch ein herkömmlicher autarker Haushalts-Heizkessel 34 zum Einsatz kommen.

Ein Tatbestand der einer vorteilhaften Nutzung des Erfindungsgegenstandes zu Gute kommt ist, daß viele Pendler ihre Fahrzeuge nach Erreichen der Arbeitsstelle in einer Tageszeit höchsten industriellen Strombedarfes abstellen, worin ein großes Nutzungspotential stromerzeugender, erfindungsgemäßer Klein-Blockheizkraftwerke liegt. Daher erscheinen Parkeinrichtungen von Firmen und öffentlichen Insti tutionen zum Einbeziehen in das erfindungsgemäße Energieversorgungskonzept prädestiniert.

Zur Steuerung der einzelnen BZ-Aktivitäten, zur Regelung einer verschiedenrangigen Inanspruchnahme der einzelnen Fahrzeuge zum "Einspeisen" von Energie in Haushalts- und öffentliche Versorgungsnetze, sowie zu einer bedarfsrelevanten/zeitabhängigen Vergütung bietet der derzeitige Stand der Microelek tronik bzw. die zur Verfügung stehenden Kommunikationsseinrichtungen bereits die technischen Vor aussetzungen. Einbezogen in den Erfindungsgegenstand ist ein vernetztes Computersystem, das die Steuerung der Energieerzeugung und -Übertragung übernimmt. Zum vorteilhaften Praktizieren des erfindungsgemäßen "Einspeisens" sind im Fahrzeug angeordnete Chipkartenleseeinrichtungen und Anzeigedisplays, die von einem Bordcomputer gesteuert, die aktuellen Daten des Energietransferierens erfassen, vermitteln und verarbeiten. So können z. B. vertraglich vorbestimmte Regularien über den Energieerzeugungs-, Abgabe- und Vergütungsmodus und die aktuelle Kontostände dazu in der Chip karte gespeichert sein; sie kann quasi als Schlüssel zum Einleiten eines Andock- und Einspeisevor ganges ausgebildet sein. Dabei sind die in den BZ-KFZ und in den Abnehmer-Einrichtungen 4 angeord neten microprozessorgesteuerten Steuergeräte 27, 53 miteinander vernetzt bzw. miteinander dialog- und sich ergänzend arbeitsfähig. Das bordeigene Steuergerät 27 ist vorteilhafterweise in andere bereits bekannte bzw. in Entwicklung befindliche Bordcomputer-Steuersysteme, wie z. B. Antriebs- Stabili sierungs- oder Bremsmanagementsysteme, integriert oder umgekehrt.

Die in den Abnehmerstationen 4, 5, 6, 7 installierten microprozessorgesteuerten Steuergeräte 27, 53, ins besondere die der Abnehmerstationen, sind vorteihafterweise auch mit Energiemangementsystemen überregionaler Energieversorgungsverbünde vernetzt.

Bei der erfindungsgemäßen Umsetzung und Nutzung der Energieträger, bevorzugt Erdgas, wird deren Energieinhalt zu unterschiedlichen Zwecken, so zum Antreiben des KFZ, für die direkte Haushalts strom- oder Wärmeversorgung oder zum Versorgen öffentlicher überregionaler Energieversorgungs netze eingesetzt. Da der Energieverbrauch für diese unterschiedlichen Einsatzfälle stark unterschiedlich besteuert (auch bleiben) wird, müssen Vorkehrungen und technische Voraussetzungen für eine detail lierte getrennte Verbrauchserfassung getroffen werden. Hierzu weist sowohl das BZ-bestückte Fahr zeug 1 sowie die Verbraucherstation 4 in den Energieträger- Ein- und -Ausgangspfaden Durchflußmen gen- und -Energiemesser 36 bis 44 auf, aus deren Meßwerten sich die anteiligen, in Energieform- und Verwendungsweise unterschiedlichen Energieverbräuche, sowie die in öffentliche Versorgungsnetze eingespeisten Energiemengen erfassen lassen. Diesen, und den darauf aufbauenden Verrechnungsvor gängen kommt insofern eine gewisse Bedeutung zu, die die transferierten Energien oder Energieträger

- unterschiedlicher Art sind,
- zwischen den Stationen unterschiedliche, ihren Energiegehalt und Preis verändernde Wandlungen erfahren,
- unterschiedlichen merkantilen Gesetzmäßigkeiten unterliegen (z. B. ob eine Energie aus einem öffent lichen Versorgungsnetz bezogen, oder in ein solches eingespeist wird)
- und auch fiskalisch bei unterschiedlichen Einsatz- und Nutungsweisen unterschiedlich belastet sind.

Zu Fig. 2

KFZ 70 weist zur Versorgung der BZ. 75 mit ihren zugeordneten Hilfseinrichtungen 76 einen Brenn stofftank 77 auf. Im Fahrt-Betriebszustand wird der von der BZ 75 erzeugte Strom durch die Leitungen 79, über Umformer 80 und Umschalter 81 den Antriebs-Elektromotor 74 und bei stationärer Betriebs weise der Ankoppel- und Übertragungseinrichtung 71 zugeführt. Umsetzer 80 und Antriebsmotor 74 sind vorteilhafterweise, wie bereits die zweckentsprechenden Komponenten unter Fig. 1 beschrieben, aufeinander abgestimmt. Zum Ausgleich evtl. vorhandener krasser Spannungsunterschiede zwischen den Bord- und Abnehmernetz 82, 88 ist abnehmerseitig ein Trafo 86 vorgesehen. Um belastungs- und alters bedingte Spannungsunterschiede bzw. -Schwankungen der Brennstoffzellen ausregeln zu können, ist der Frequenzumformer 80 gleichzeitig wiederum auch als Spannungsregler (für den kleinen vorkommenden Bereich) ausgebildet.

Die in der BZ 75 erzeugte Wärme wird über die Sammelleitungen 95 dem Kühlkreis 96 eines Wärme tauschers 97 zugeführt. Bei Fahrbetrieb wird die Überschußwärme erforderlichenfalls durch den Kühl kreis 98 über Absperrventil 99 einem Kühler 100 zugeführt. Bei stationärem Einsatz des KFZ 70, beim Wärmetransfer an einen Abnehmer 73, wird über Wärmetauscherkreis 101 mit Pumpe 102 die alter nativ auch extern in der Abnehmerstation 73 angeordnet sein kann, ein flüssiger Wärmeträger über Wärmezähler 103, Absperrventil 104, der Ankoppel- und Übertragereinrichtung 71 zugeführt.

Alle aktiven Vorgänge und Prozesse werden wiederum von der microprozessorgesteuerten Regelein richtung 105 gemanagt, die aus den mittels Sensoren und Zählern gewonnenen Meßwerte die Betriebs parameter speichert und unter Einbeziehung von Rechenprozessen zur Signal und Kommandogabe verwertet.

Im stationären Verbraucher 73 wird der von der Ankoppel- und Übertragungseinrichtung 72 übernom mene Strom aus der BZ 75 über Schalt- und Meßeinrichtungen 84, 85, Trafo 86 zu einem Umschalter 87 geleitet, der alternativ das Haushaltsnetz 68 oder ein öffentliches Versorgungsnetz 89, oder beide mit diesem Versorgungspfad verbindet.

Die übertragene Wärme wird einem Wärmetauscher 108 zugeführt. Dieser ermöglicht einen Wärme transfer über den Kreis 109, dem Ventil 110 zu einem Haushaltsheizkreis 111, über Wärmetauscher kreis 112, Zähler 113, Ventil 114 zu einem Fernwärmeversorgungsnetz 115. Desweiteren führt ein Wärmetauscherkreis 116 zu einem Reformer 117 mit seinen peripheren Hilfseinrichtungen 118. Dieser Pfad ist für den Fluß von endothermer als auch exothermer Prozeßwärme des Reformers 117 von und zum Wärmetauscher 108 vorgesehen. Der Reformer 117 erhält den aufzubereitenden Treibstoff - bevorzugt Erdgas - über Ventil- und Meßeinrichtungen 119, 120 aus einem Ferngasnetz 121. Er arbeitet vorteilhafterweise nach dem bekannten Verfahren der "partiellen Oxydation" bei dem vorgenannter wärmegewinnender Effekt unter bestimmten Betriebsbedingungen auftritt.

Desweiteren umfasst der Erfindungsgedanke eine Einbeziehung einer Wasserstoffgewinnung auf kata lytischem Wege. Hierfür sind, bevorzugt an einer baulichen Einrichtung des Verbrauchers 73, oder an einer zugeordneten Anlage Solarzellen 122, die einen dafür ausgebildeten Reformer 125 oder entspre chende weiterer Einrichtungen den Strom zur H2-Gewinnung liefern. Der so erzeugte Wasserstoff wird, ebenso wie der vom Reformer 117 erzeugte, im Vorratstank 123 gespeichert und steht zum Betanken mit BZ ausgerüsteter KFZ zu Verfügung.

Eine microprozessorgesteuerte Regeleinrichtung 124 die mit Sensoren und Zählereinrichtungen der Abnehmerstation vernetzt ist, managt auch hier wieder, wie unter Fig. 1 beschrieben, alle aktiven Vorgänge, vorteilhafterweise im Dialog mit einer Steuer-Regel und Recheneinrichtung eines überregionalen Energieversorgungssystems.

Eine weitere, bildlich nicht dargestellte Ausgestaltung des Erfingsgegenstandes besteht darin, daß der Reformer 11, 117 und seine zugegeordneten Hilfseinrichtungen 12, 11a, 11b, 11c als leicht demontier- und montierbare Einheit zusammengefasst und ausgebildet sind. Diese Baueinheit, das KFZ 70 und die Abnehmerstation 73 weisen leicht verbind- und lösbare Einrichtungen derart auf, so, daß diese Bauein heit alternativ in beiden, dem BZ-KFZ 70 und in der Abnehmerstation 73 angeordnet und betrieben werden kann. Somit kann ein Reformer sowohl die Aufgaben gemäß des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 als auch die des der Fig. 2 erfüllen. Absicht und Zweck besteht darin, mit einem einmalig investierten Reformer und seiner Hilfseinrichtung den unterschiedlichen Einsatzbedingungen des BZ- betriebenen KFZ und Brennstoff-Beschaffenheiten in einer ökonomisch günstigen Weise gerecht zu werden.

Desweiteren weist die Abnehmerstation 73 zum Zwecke des Umsetzens dieser Reformer-Hilfsein richtungs-Einheit eine roboterhaft arbeitende Umsetzeinrichtung auf.

Litereaturhinweise

/1/ Prof. Dr. Wolf Vielstich: "Brennstoffzellen" Labor 2000 1989
/2/ "Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen" Projektinfo 5/00
/3/ Reinhard Seifert: "Die Brennstoffzelle" FAZ vom 12. 09. 2000
/4/ Ferdinand Panik: "Brenstoffzellenentwicklung" Spiegel(-Gespräch) 36/2000
/5/ L. Jörissen und J. Garche: "Effizient und sauber" FAZ 27. 10. 98
/6/ Robert Donnerbauer: "Strom und Wärme aus Kleinst-Brennstoffzelle/Einfamilienhäuser im Visier" VDI nachrichten 4. 8. 00
/7/ Praxis und Produkte "Brennstoffzelle" FAZ 11. 11. 00
/8/ "Klärgas als Energieträger für Brennstoffzellen" VERFAHRENSTECHNIK 34 (2000) Nr 10
/9/ Dorothe Ostle: "Methanol ist auch für den Straßenverkehr zukunusträchtig" FAZ 3. 1. 99
/10/ "Im Jahr 2004 treibt Wasserstoff den Berufsverkehr an" VDI nachrichten 23. 4. 99
/11/ J. Friedrich, R. Kraus, D. Spaniel: "Stand und Entwicklungsmöglichkeiten des BZ-Elektrofahrzeuges" VDI Berichte 1378
/12/ Friedrich Wilhelm Korf: "Für die Brennstoffzelle" FAZ 28. 11. 00
/13/ Horst Rademacher: "Sacramento ist z. Z. der Nabel der alternativen Antriebswelt" FAZ 28. 11. 00
/14/ "Antriebskonzepte im Vergleich" VDI nachrichten 22. 05. 97
/15/ "Stationäre Brennstoffzellen" Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch
/16/ Diedrich v. Sandern: "Unermeßliche Energievorräte" Leserbrief in FAZ 22. 12. 00
/17/ Henning von Wedel: "Industrie will groß in die Wasserstofftechnologie einsteigen" VDI nachrichten 19. 3. 99
/18/ Pressebericht Hyfforum 2000: "Der Wasserstoff soll das Ölmonopol brechen" FAZ 14. 9. 00
/19/ "Linienbus mit Nullemission" VDI nachrichten 30. 05. 97
/20/ "Das Auto, das nur Dampf macht" ADAC Motorwelt 7/97
/21/ J. Große, M. Waidhas "Fortschritte bei der PEM-Brennstoffzellenentwicklung" VDI Berichte 1378
/22/ "So fahren wir in die Zukunft" Firmendruck der BWW-Group
/23/ F. A. Brammer, P. Biehle, M. Steiner: "Erfahrungen mit 200-kW-PAFZ-Anlagen in Deutschland" VDI GET Jahrbuch 99
/24/ "PKW mit Brennstoffzellen" GM-Firmenreport Salzburger Nachrichten 14. 08. 2000

Claims

1. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalts- und öffentliche Versorgungsnetze, bestehend aus
einem KFZ mit Elektroantrieb und bordeigener Brennstoffzelle (BZ), die sowohl mit reinem Wasserstoff oder auch mit Wasserstoff angereicherten gasförmigen Treibstoffen betrieben wird, mit einer nicht aus ausschließlich an Bord angeordneten Einrichtung zur H2-Anreicherung gasförmiger Brennstoffe und aus einem Strom- und Wärmeverbraucher oder -Verteilersystem, bevorzugt ein Haushalt oder ein öffentliches Energie-Versorgungsnetz,
dadurch gekennzeichnet, daß
das mit einer Brennstoffzelle (1, 75) ausgerüstete KFZ (1, 8a, 8b, 8c, 8d) Einrichtungen aufweist und die BZ derart ausgebildet ist, daß sie auch im nichtmobilen Betriebszustand des Fahrzeuges ihren stromerzeugenden Arbeitsprozeß ausführt,
das mit einer Brennstoffzelle (10, 75) ausgerüstete KFZ (1, 8a, 8b, 8c, 8d) und der für die Abnahme von Strom und Wärme vorbestimmte externe Übernehmer (4, 5, 6, 7, 73) Ankoppel- und Übertra gungsvorrichtungen (2, 3, 71, 72) zum Transferieren von in der Brennstoffzelle (10, 75) erzeugte(m) Strom und Wärme aufweisen,
das mit einer Brennstoffzelle (10, 75) ausgerüstete KFZ (1, 8a, 8b, 8c, 8d) und die für die Abnahme von Strom und Wärme vorbestimmte externe Übernehmer (4, 5, 6, 7, 73) Einrichtungen (11, 12, 117, 118) zum Erzeugen von Wasserstoff aus wasserstoffhaltigen Brennstoffen oder zu deren Anreicher ung mit H2 aufweisen,
der für die Abnahme von Strom und Wärme vorbestimmte Abnehmer (4, 5, 6, 8, 73) Einrichtungen (39, 47, 42, 40, 87, 108, 114) zur Verteilung der übernommenen Energien für den eigenen Verbrauch, zur Speicherung und zum Weiterleiten an einen weiteren Abnehmer, bevorzugt ein öffentliches Energiever sorgungsnetz (31, 33, 89, 115) aufweist,
Bauwerke oder sonstige, dem Abnehmer (73) zugeordnete Anlagen Solarzellen (122) zur Stromge winnung aufweisen, sowie eine Einrichtung (125) zum Erzeugen von Wasserstoff auf Wasser-Elektro lyse-Basis, sowie eine Einrichtung (123) zum Speichern des Wasserstoffes und zum Betanken (72) des BZ angetriebenen KFZ (70),
das mit der BZ ausgestattete KFZ (1, 70) und die Abnehmerstation (4, 5, 6, 7, 73) für Strom und Wärme je eine microprozessorgesteuerte Regel- und Steuereinrichtung (27, 105, 53, 124) aufweist, die kommunikationsfähig mit einander vernetzt und so geartet sind, daß sie nach einem vorbestimmten Modus den Arbeitsprozess des Reformers (11, 117), der Brennstoffzelle (10, 75) und ihrer Hilfsein richtungen (12, 76, 118), den Energietransfer zwischen KFZ (1, 70) und Abnehmer (4, 5, 6, 7, 73), die Energie-Verbrauchs-Verteiler- und -Weiterleitungsprozesse, sowie den Betankungsvorgang steuert.

2. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppel- und Übertragungseinrichtung (2, 71, 3, 72) für Strom und Wärme des mit der BZ ausge statteten KFZ (1, 70) und die der Abnehmerstationen (4, 73) auch Elemente (60) zum Betanken des KFZ (1, 70) aufweist.

3. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung (2, 3, 71, 74) für Strom und Wärme und zum Betanken des KFZ (1, 70) eine Baueinheit bilden.

4. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Übertragungseinrichtung (2, 3, 71, 72) aus einem ineinander steckbaren Rohrsystem bestehen, in dem mehrere Rohre (55, 56, 57) koaxial ineinander angeordnet sind,
die kreisringförmigen Zwischenräume (58, 59, 60) die wärmeträger- und treibstoffführenden Kanäle bilden,
die Rohre (55, 56, 57) zueinander (elektrisch) isoliert angeordnet bzw. durch ein Isoliermaterial (61) zusammengefasst sind und als Stromleiter dienen,
wobei ihre zu koppelnden Enden als Steckkontakte (63) ausgebildet sind.

5. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppel- und Übertragungseinrichtung (2, 3, 71, 72) am KFZ (1, 70) oder an der Abnehmerstation (4, 73), oder an beiden, in ihrer Position und Richtungsstellung beweglich angeordnet ist und mit einer Stelleinrichtung (65) mit Verstellaktoren (66) sowie mit zweckentsprechenden Sensoren (61) zur Erfassung der Zuord-nung der Übertragereinrichtungen an KFZ und Abnehmerstation beim Andocken ausgestattet ist.

6. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Aktoren (66) der Stelleinrichtung (65) als Elektromotore oder pneumatische oder hydraulische Druckzylinder ausgebildet sind.

7. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer BZ bestückte KFZ Betriebseinrichtungen aufweist, die aus mindestens einer der nachstehenden Komponenten besteht:

- einem Brennstofftank (13, 77)
- einer Einrichtungen (Reformer) (11) zur Aufbereitung von BZ-Brennstoff,
- einem Wärmetauscher (21, 97),
- einem Wärmespeicher, der vorzugsweise für die Wärmeversorgung des Reformers (11) bei spontanen Leistungsbedürfnissen zur Steigerung der Dynamik der gesamten BZ-Anlage dient, wobei er gleich zeitig, aber er nicht ausschließlich als Wärmetauscher ausgebildet ist,
- einem Stromumsetzer (16), der mindestens einen Frequenzbereich umfasst, der der Betriebsfrequenz des zu versorgenden externen Netzes (28, 31, 88, 89) entspricht,
- einem Trafo (17), der so ausgelegt ist, daß er die Differenz zwischen Betriebsspannung der BZ (12) bzw. der des KFZ Antriebssystems (9) und der des äußeren zu versorgenden Netzes (28, 31) überbrückt;.
- Energiezahl- und Meßeinrichtungen (67) zur detaillierten Erfassung der dem KFZ zugeführten, zu seinem Antrieb verbrauchten oder bzw. und an die Abnehmerstationen abgegebenen Energien- oder Energieträgermengen

8. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1 und beliebig weiterer vor- und nachstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom- und Wärmeabnehmer ein Haushalt (4) ist.

9. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1 und beliebig weiterer vor- und nachstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom- und Wärmeabnehmer aus einem Verbund mehrerer Haushalte (4, 5, 6, 7) und bzw. oder sonstiger Strom- und Wärmeabnehmern (7) besteht.

10. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1 und beliebig weiterer vor- und nachstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom- und Wärmeabnehmer ein öffentliches Versorgungsnetz ist..

11. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnehmerstation (4, 5, 6, 7, 75) für Strom und Wärme mit einer Betankungseinrichtungen für das KFZ (1, 70) ausgestattet ist.

12. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Abnehmerstation (4, 5, 6, 7, 75) für Strom und Wärme Betriebseinrichtungen aufweist, die aus mindestens eine(r) der nachstehenden Komponenten besteht:

- einem Brennstofftank (123) für reinen Wasserstoff oder für einen mit Wasserstoff angereicherten, für den BZ-Betrieb geeigneten Brennstoff,
- einem Treibstoff-Tank oder einer -Versorgungseinrichtung, z. B. ein Gasnetzanschluß, für einen zur Aufbereitung zu einem als BZ-Brennstoff geeigneten Treibstoff,
- Einrichtungen (Reformer) (117) zur Aufbereitung wasserstoffhaltiger Treibstoffe zu Wasserstoff oder H2-angereichertem BZ-Brennstoff;
- einem Wärmetauscher (46, 108) mit mindestens zwei Wärmetauscherkreisen, einen ausschließlich für die BZ-Abwärme und weitere(n) für einen für eigene Verbraucherkreise (111)- oder externe Abnehmer (33, 115);
- einem Wärmespeicher (122) bevorzugt für die von der BZ-übernommenen Wärme,
- einem Trafo (86), mit einem Transformationsverhältnis so, daß er die Differenz zwischen der Betriebsspannung der KFZ-BZ (12, 75) bzw. des KFZ-Antriebssystems (9, 74) und der zu versor genden Netze (68, 89) ausgeglichen wird;
- Verteilereinrichtung für den/die aus der BZ gewonnenen Strom und Wärme, mit einer Fluß- und Steu erstrategie derart versehen, daß ein beliebiger Transfer der Energien bzw. Energieträger zwischen der BZ (10,75) und ihren Energieabnehmern, sowie zwischen vernetzten Abnehmern (28, 31, 32, 33, 88, 89, 111, 115) und gegebenenfalls einem weiteren Energieerzeuger (34) untereinander bewirkt wird;
- eine Einrichtung (125) zur Erzeugung von Wassserstoff durch Wasser-Elektrolyse, wobei vorzugs weise der Strom aus zugeordneten Solarzellen (122) geliefert und der gewonnene Wasserstoff der KFZ- BZ (75) zugeführt wird,
- Mengen- und Energie-Zähl- und Meßeinrichtungen für die zwischen dem BZ-bestückten KFZ (1, 70) und der Abnehmerstation (4, 73), innerhalb zwischen Verbrauchern der Abnehmerstation und zwischen der Abnehmerstation und externen Versorgungsnetzen transferierten Energieen oder Energieträgern.

13. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, 7 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Reformer so geartet sind und Hilfseinrichtungen derart aufweisen, daß sie nach dem bekannten Verfahren der "partiellen Oxidation" arbeiten.

14. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, 6 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformer (11, 17) so geartet und zugeordnete Hilfseinrichtungen und Rohrverbindungen derart ausgeführt sind, daß überschüssige Prozesswärme des Reformers und der Brennstoffzelle dem Nutz wärmekreis (46c, 112) zugeführt wird.

15. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Abnehmer zugeordnete Betriebsstation, insbesondere Haushalten zugeordnete, einen Heizkessel (34) zur Gebrauchswasseraufbereitung aufweist.

16. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, 7 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reformer (11) und seine zugeordneten Hilfseinrichtungen (12) zu einer leicht demontier- und montierbaren betriebsfähigen Einheit zusammengefasst und ausgebildet sind,
und diese Reformer-Hilfseinrichtungs-Einheit (11, 12), das KFZ (1) und die Abnehmerstation (4, 73) zum Zwecke eines beliebigen Umsetzens bzw. Anordnens dieser Reformer-Hilfseinrichtung Einheit (11, 12), Ankoppel- und Übertragungseinrichtungen aufweisen.

17. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, 7, 12 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnehmerstation (73) eine roboterhaft arbeitende Umsetzeinrichtung für die Reformer-Hilfsein richtung-Einheit aufweist.

18. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, 7 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abnehmerstation (73) selbst, oder an zugeordneten KFZ-Parkeinrichtungen (7) Solarzellen (122) angeordnet sind und der damit gewonnene Strom einer in einer Betriebseinrichtung einer Abneh merstation angeordneten Einrichtung (125) zur Wasser-Elektrolyse zugeführt wird.

19. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, 7 und 12 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die microprozessorgesteuerte Steuer- und Regeleinrichtung (27, 53, 105, 124) eine Chipkarten-Lese-, und Datenübertragungseinrichtung beinhaltet.

20. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, 7, 12 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die microprozessorgesteuerte Steuer- und Regeleinrichtung (27, 53, 105, 124) eine Einrichtung zum Offenbaren von Hinweisen und Daten, bevorzugt ein Display aufweist.

21. Einrichtung zum Einspeisen von Strom und Wärme aus KFZ-Brennstoffzellen in Haushalte und öffentliche Versorgungsnetze nach Anspruch 1, 7, 12 und beliebig weiterer vorstehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hauptkomponenten der Einrichtung, das BZ-bestückte KFZ (1, 70) und die Abnehmerstation (4, 73), je eine in ihren Funktionen sich ergänzenden microprossorgesteuerte Regel- und Steuereinrichtung (27, 53, 105, 124) aufweist, die dermaßen geartet sind, daß jeweils eine alleinen, oder bevorzugt im Zusammenspiel beider mindesten drei nachstehende Funktionsmerkmale bewirkt werden:

- Speicherung von Meßwerten und Parametern aus Istwerten,
- Durchführung von Rechenprozessen nach einem vorbestimmten Algorithmus,
- Steuerung von chemischen, mechanischen und elektrischen Prozessen und Vorgängen nach einem vorbestimmten Modus,
- Steuerung des Betriebes der BZ (10. 75) und des eingebundenen Reformers (11) sowohl im Fahrbetrieb als auch beim externen Energietransfer;
- Steuerung des Energietransfers zwischen dem KFZ (1, 70) und dem Abnehmer (4, 73),
- Steuerung des Betankungsvorganges (Ankoppelmanöver, Energieträgertransfer);
- Steuerung eines roboterhaft ablaufenden Umsetzens der Reformer-Hilfseinrichtungs-Einheit vom KFZ (1) in die Abnehmerstation (73) oder umgekehrt;
- detaillierte Erfassung der zwischen dem KFZ (1, 70) und der Abnehmerstation (4, 5, 6, 7, 73) transfe rierten, sowie an öffentliche Versorgungsnetze (31, 33, 34, 89, 11) weitergeleitete unterschiedliche, und unterschiedlichen Verwendungszwecken dienende Energien oder Mengen von Energieträgern,
- Erstellung einer Kosten- und Vergütungsabrechnung für zwischen dem KFZ (1, 70) und der Abneh merstation (4, 5, 6, 7, 73) transferierten, sowie an öffentliche Versorgungsnetze (31, 33, 34, 89, 11) weitere leiteten verschiedenartigen Energien oder Mengen von Energieträgern, unter Berücksichtigung des unterschiedlichen fiskalischen Belastungen bei unterschiedlichen Energieformen und -Nutzungsweisen;
- Erfassung und Speicherung des jeweils aktuellen Energieeinspeisebedarfes eines Abnehmers (4), eines Abnehmerverbundes (4/5/6) oder eines öffentlichen Versorgungsnetzes (31),
mit einem folglich einsetzenden Auswahl- und Einspeisemanagement, unter Berücksichtigung beste hender Vertragsregularien über Einspeiserangigkeiten und -Vergütungssätze, wobei bei der Einspeise zuteilung und -Vergütung noch nachstehende Faktoren Berücksichtigung finden:
- - der aktuelle Einspeisebedarf; unter Berücksichtigung der "Spitzenzeiten",
- - vertraglich vereinbarte, bzw. regelmäßige Einspeisezeiten,
- - die momentane Angebotslage duurch "Einspeisewilliger",
- - bekundete Einspeisedauern bzw. begehrte Einspeisezeiten,
- Offenbarung der Einspeisebedingungen an den Fahrzeughalter bzw. -Fahrer, z. B. Display im KFZ
- Einleitung des Einspeiseprozesses mittels Chipkarte,
- Abrechnungen über Chipkarte, bei Einbeziehung und Verrechnung der Parkgebühren,
- Kommunikation mit Management- und Steuersystemen überregionaler in einem Energieversorgungs verbund stehender Versorgungsnetze.