DE10139617A1 - Drive arrangement, especially for vehicle, has internal combustion engine and electrical current generator(s) with fuel cell and fuel reforming system with connection(s) to engine - Google Patents

Drive arrangement, especially for vehicle, has internal combustion engine and electrical current generator(s) with fuel cell and fuel reforming system with connection(s) to engine

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Abstract

The arrangement has an internal combustion engine (1) and an electrical current generator with a fuel cell (14) and a fuel reforming system (19) for the fuel cell. At least one connection is provided from the fuel reforming system to the engine and a controller controls the flow of a material or mixture from the reforming system into the engine.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a drive device with a Internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Fahrzeugantriebe, bei denen eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie in Verbindung mit einem oder mehreren Elektromotoren Verwendung finden, sind insbesondere im Zusammenhang mit dem sogenannten Zero-Emission-Vehicle bekannt geworden. Derartige Fahrzeuge werden zum Teil mit einem Wasserstofftank versehen, um den für den Betrieb der Brennstoffzelle benötigten Brennstoff bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen wird zusätzlich eine Anlage zur Kraftstoffreformierung vorgesehen, in der herkömmlicher Kraftstoff, der üblicherweise in Form von Kohlenwasserstoffen vorliegt, chemisch aufgespalten wird, wobei der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoff erzeugt wird.Vehicle drives in which a fuel cell for Generation of electrical energy in connection with one or several electric motors are used in particular in connection with the so-called zero-emission vehicle known. Such vehicles are used in part a hydrogen tank in order to operate the Provide fuel cell required fuel. In other embodiments, a system for Fuel reforming provided in the more conventional Fuel, usually in the form of hydrocarbons is present, is chemically split, the for the Operation of the fuel cell generates the required hydrogen becomes.

Die überwiegende Anzahl von Kraftfahrzeugen wird jedoch nach wie vor von Hubkolbenmotoren angetrieben, die zusätzlich mit einem Stromerzeuger in Form einer Lichtmaschine versehen sind, um elektrische Peripheriegeräte mit Energie zu versorgen.The vast majority of motor vehicles, however, will as before driven by reciprocating engines, which also with  provided a generator in the form of an alternator are used to power electrical peripherals supply.

Moderne Kraftfahrzeuge werden jedoch in zunehmendem Maße mit einer Vielzahl von Verbrauchern ausgestattet, um Zusatzfunktionen zur Verbesserung der Motorsteuerung des Komforts und der Sicherheit anzubieten. Hieraus ergibt sich ein erhöhter elektrischer Energiebedarf.However, modern motor vehicles are becoming increasingly involved a variety of consumers equipped to Additional functions to improve the engine control of the To offer comfort and security. It follows from this an increased electrical energy requirement.

Weiterhin ist es bei Fahrzeugen mit herkömmlichem Verbrennungsmotor von Nachteil, dass die Lichtmaschine nur bei laufendem Verbrennungsmotor in Betrieb ist.Furthermore, it is in vehicles with conventional Internal combustion engine disadvantageous that the alternator only is in operation with the internal combustion engine running.

Energieverbraucher, wie Klimaanlagen, Gebläse, Pumpen, etc., die eine zu große Belastung für die Kraftfahrzeugbatterie darstellen, können demnach ebenfalls nur bei laufendem Verbrennungsmotor eingesetzt werden.Energy consumers, such as air conditioners, blowers, pumps, etc., which is too great a burden on the motor vehicle battery can therefore only display while the Internal combustion engine can be used.

Zudem setzen sich insbesondere im Kraftfahrzeugbereich vor allem zur Erfüllung sicherheitsrelevanter Funktionen, wie beispielsweise das Bremsen, Lenken oder Federn, aber auch in anderen Bereichen unter anderem zur Motorenoptimierung, wie z. B. zur Ventilsteuerung, usw., elektrisch betriebene Systeme durch. Diese Systeme werden häufig vollständig elektrisch betrieben und mittels einer Steuereinheit elektronisch geregelt. Bei der Versorgung dieser zusätzlichen elektrischen Verbraucher, deren zusätzlicher Leistungsbedarf ca. 5 bis 10 kW betragen kann, können herkömmliche elektrische Speichereinheiten unter anderem aufgrund ihres niedrigen spezifischen Energieinhalts nur bedingt eingesetzt werden.In addition, particularly in the motor vehicle sector all to fulfill safety-related functions, such as for example braking, steering or suspension, but also in other areas including engine optimization, such as z. B. for valve control, etc., electrically operated systems by. These systems often become completely electric operated and electronically by means of a control unit regulated. When supplying this additional electrical Consumers whose additional power requirements are approx. 5 to 10 kW can be conventional electrical Storage units, among other things, due to their low specific energy content can only be used to a limited extent.

Darüber hinaus ist physikalisch der Wirkungsgrad in der Stromerzeugung durch die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einer Lichtmaschine deutlich eingeschränkt. In addition, the efficiency is physically in the Electricity generation through the combination of an internal combustion engine significantly restricted with an alternator.  

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber eine Antriebsvorrichtung mit Verbrennungsmotor vorzuschlagen, bei der auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors stets ein hoher Betrag an elektrischer Energie zur Verfügung steht und zugleich ein hoher Wirkungsgrad bei der Erzeugung der elektrischen Energie gewährleistet ist.The object of the invention is, in contrast Propose a drive device with an internal combustion engine which is always on even when the combustion engine is at a standstill high amount of electrical energy is available and at the same time a high efficiency in the generation of electrical energy is guaranteed.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is based on a device of type mentioned in the introduction by the characteristic features of claim 1 solved.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.By the measures mentioned in the subclaims advantageous embodiments and developments of the invention possible.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung dadurch aus, dass sowohl ein Verbrennungsmotor als auch eine Brennstoffzelle vorgesehen ist.Accordingly, one according to the invention is distinguished Drive device characterized in that both a Internal combustion engine and a fuel cell provided is.

Da die Brennstoffzelle unabhängig vom Verbrennungsmotor arbeitet, ist somit ebenso ein vom Verbrennungsmotor unabhängiger Betrieb aller elektrischer Zusatzkomponenten möglich. So kann in einem Kraftfahrzeug beispielsweise auch bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor eine Klimatisierungsanlage eingeschaltet bleiben.Because the fuel cell is independent of the internal combustion engine works, is also one of the internal combustion engine Independent operation of all additional electrical components possible. For example, in a motor vehicle with the internal combustion engine switched off The air conditioning system remains switched on.

Darüber hinaus kann mittels der Brennstoffzelle insbesondere auch ein vom Motor unabhängiger Betrieb der sicherheitsrelevanten Komponenten bzw. Funktionen vor allem eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuges realisiert werden. Diese Motor unabhängige elektrische Versorgung, beispielsweise eines entsprechenden Bordnetzes, ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten, elektrisch gesteuerten Systemen vorteilhaft.In addition, the fuel cell can in particular also an operation of the above all, safety-relevant components and functions of a land, water or aircraft. This motor independent electrical supply, for example, a corresponding electrical system especially for safety-related, electrical  controlled systems advantageous.

Vorzugsweise können hiermit die sicherheitsrelevanten Funktionen gewährleistet werden, selbst wenn aufgrund einer Fehlfunktion des Verbrennungsmotors und/oder einer entsprechenden, im Allgemeinen vorhandenen elektrischen Speichereinheit, wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie bzw. eines Fahrzeugakkumulators, diese gestört sind bzw. ausfallen. Eine entsprechende elektrische Notversorgung mittels der Brennstoffzelle ist ganz besonders von Vorteil, z. B. bei einem Aussetzen des Verbrennungsmotors, einer zu starken Entladung der elektrischen Speichereinheit möglicherweise aufgrund vergleichsweise langer Standzeiten, während der Startphase des Verbrennungsmotors, usw. Mit dieser Maßnahme sind für entsprechende Notfälle zusätzliche, relativ schwere elektrische Speichereinheiten entbehrlich, wodurch ein gegebenenfalls höherer Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs minimierbar ist.Preferably, the security-relevant Functions are guaranteed, even if due to a Malfunction of the internal combustion engine and / or one corresponding, generally existing electrical Storage unit, such as a vehicle battery or a vehicle accumulator, these are disturbed or fail. A corresponding electrical emergency supply using the fuel cell is particularly advantageous, z. B. when the engine is suspended, one too strong discharge of the electrical storage unit possibly due to comparatively long downtimes, during the starting phase of the internal combustion engine, etc. With This measure includes additional relatively heavy electrical storage units can be dispensed with, whereby a possibly higher fuel consumption of the Vehicle can be minimized.

Aufgrund der selbstständigen Entladung der elektrischen Speichereinheit, auch ohne Belastung, kann möglicherweise der Energiebedarf der sicherheitsrelevanten Komponenten, z. B. von Lenkung, Bremsen und/oder Federung, ohne die Brennstoffzelle gemäß der Erfindung kurz nach dem Start nicht gedeckt werden. Hierbei müsste der notwendige Ladezustand der elektrischen Speichereinheit bei sich im Betrieb befindlichen Verbrennungsmotor erst erreicht werden, bevor sich das Fahrzeug in Bewegung setzt, was zu vergleichsweise langen Wartezeiten führen könnte. Mittels der Brennstoffzelle kann insbesondere die elektrische Speichereinheit unabhängig vom Verbrennungsmotor geladen werden, so dass die sicherheitsrelevanten Komponenten bereits beim Start einsatzfähig sind und hierdurch nachteilige Wartezeiten verringert bzw. beseitigt werden können.Due to the independent discharge of the electrical Storage unit, even without load, can possibly be the Energy requirements of the safety-relevant components, e.g. B. from Steering, braking and / or suspension without the fuel cell not covered according to the invention shortly after the start. Here, the necessary state of charge of the electrical Storage unit with those in operation Internal combustion engine can only be reached before that Vehicle sets in motion, which is too long Waiting times could result. By means of the fuel cell especially the electrical storage unit regardless of Internal combustion engine so that the safety-relevant components right from the start are operational and thereby disadvantageous waiting times can be reduced or eliminated.

Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei jedoch insbesondere im Falle der nachfolgend geschilderten Weiterbildungen auch ein Einsatz bei stationären vom Stromnetz unabhängigen Anlagen denkbar wäre.The drive device according to the invention is preferred in  Motor vehicles used, but especially in In the case of the further training described below also a Use in stationary systems that are independent of the power grid would be conceivable.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Anlage zur Kraftstoffreformierung für die Brennstoffzelle vorgesehen. Auf diese Weise kann der üblicherweise für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor bislang verwendete Kraftstoff auch für den Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden, wobei in einem Kraftstoffreformator der Brennstoff für die Brennstoffzelle erzeugt wird. Der Brennstoff für die Brennstoffzelle besteht bei den aus heutiger Sicht sinnvoll einsetzbaren Brennstoffzellen aus Wasserstoff.In a development of the invention, a system for Fuel reforming provided for the fuel cell. In this way, the usually for vehicles with Internal combustion engine also used fuel for the Operation of the fuel cell are used, being in one Fuel reformer the fuel for the fuel cell is produced. The fuel for the fuel cell is there for those that can be used sensibly from today's perspective Hydrogen fuel cells.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Verbindung zwischen der Anlage zur Kraftstoffreformierung und dem Verbrennungsmotor vorgesehen. Auf diese Weise kann dem Verbrennungsmotor in bestimmten Betriebsphasen ein als Zwischen- oder Endprodukt der Anlage zur Kraftstoffreformierung vorliegendes Fluid zugeführt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um reinen Wasserstoff oder aber um ein Wasserstoffgemisch mit zusätzlichen Stoffkomponenten, beispielsweise einem CO-Gehalt handeln. Die Zugabe kann beispielsweise über die Kraftstoffzufuhr, die Ladeluft oder aber auch im Falle eines Vergasermotors in das Verbrennungsgemisch des Verbrennungsmotors erfolgen. Durch dosierte Zugaben von Wasserstoff, gegebenenfalls in Verbindung mit CO kann das Verhalten des Verbrennungsmotors bei bestimmten Betriebszuständen sinnvoll verbessert werden.In a further particularly advantageous embodiment of the Invention is a connection between the system for Fuel reforming and the internal combustion engine provided. In this way, the internal combustion engine can in certain Operating phases as an intermediate or end product of the system Fluid present for fuel reforming become. This can, for example, be pure Hydrogen or with a hydrogen mixture additional material components, for example a CO content act. The addition can, for example, via the Fuel supply, the charge air or in the case of a Carburetor engine in the combustion mixture of the Internal combustion engine take place. By adding doses of Hydrogen, possibly in combination with CO, can Behavior of the internal combustion engine at certain Operating conditions can be meaningfully improved.

So kann beispielsweise das Kaltstartverhalten zugunsten einer geringeren Schadstoffemission beeinflusst werden. Sofern eine Abgasrückführung vorgesehen ist, so lassen sich durch Zugabe von Wasserstoff die Abgasrückführungsraten erhöhen, womit eine stärkere NOx-Absenkung verbunden ist. Durch das hervorragende Zündverhalten von Wasserstoff ist weiterhin auch eine Absenkung der Leerlaufdrehzahl des Motors möglich.For example, the cold start behavior can be influenced in favor of lower pollutant emissions. If an exhaust gas recirculation is provided, the exhaust gas recirculation rates can be increased by adding hydrogen, which is associated with a greater NO x reduction. Thanks to the excellent ignition behavior of hydrogen, it is also possible to lower the engine idling speed.

Neben den drei beispielhaften angeführten Nutzungsmöglichkeiten der Wasserstoffzufuhr mit und ohne CO-Anreicherung aus der Anlage zur Reformierung des Kraftstoffs für die Brennstoffzelle an den Verbrennungsmotor sind ohne weiteres auch noch weitere Anwendungsmöglichkeiten offen. Allgemein formuliert steht mit der Möglichkeit der Wasserstoffzufuhr ein weiterer Parameter für die Steuerung des Verbrennungsmotors zur Verfügung.In addition to the three examples listed Possible uses of the hydrogen supply with and without CO enrichment from the fuel reforming plant for the fuel cell to the internal combustion engine are without further also other possible uses. Generally formulated with the possibility of Hydrogen supply is another parameter for the control of the internal combustion engine.

Für die Zugabe der Zwischen- bzw. Endprodukte aus der Kraftstoffreformierung in den Verbrennungsmotor wird vorzugsweise eine Steuereinheit vorgesehen, die die Dosierung der Zugabe abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors steuert, so dass die Möglichkeiten zur Verbesserung des Verhaltens des Verbrennungsmotors voll ausgeschöpft werden können.For the addition of the intermediate or end products from the Fuel reforming in the internal combustion engine preferably a control unit is provided which controls the dosage the addition depending on the operating state of the Internal combustion engine controls, so the possibilities for Improve the behavior of the internal combustion engine fully can be exhausted.

In einer weiteren äußerst vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens eine Verbindung von der Anlage zur Kraftstoffreformierung zu wenigstens einem Katalysator für die Abgasreinigung des Verbrennungsmotors vorgenommen. Auch hierdurch ist eine Vielzahl von Vorteilen zu erzielen. So kann beispielsweise beim Kaltstart eine schnellere Erwärmung des Katalysators durch Zugabe von Wasserstoff oder eines Wasserstoffgemisches erreicht werden. Darüber hinaus wäre beispielsweise die Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators durch Zugabe von Wasserstoff oder eines Wasserstoffgemisches denkbar.In a further extremely advantageous embodiment of the invention, at least one connection is made from the fuel reforming system to at least one catalytic converter for the exhaust gas purification of the internal combustion engine. This also has a number of advantages. For example, during a cold start, the catalyst can be warmed up more quickly by adding hydrogen or a hydrogen mixture. In addition, for example, the regeneration of a NO x storage catalytic converter by adding hydrogen or a hydrogen mixture would be conceivable.

Weiterhin wird vorteilhafterweise auch für die Zugabe der Zwischen- bzw. Endprodukte aus der Kraftstoffreformierung zu einem oder mehreren Katalysatoren zur Abgasbehandlung des Verbrennungsmotors eine Steuereinheit vorgesehen, die die Dosierung der Zugabe abhängig vom Betriebszustand des jeweiligen Katalysators steuert, so dass die Möglichkeiten zur Steuerung des Betriebs bzw. der Regeneration eines solchen Katalysators voll ausgeschöpft werden können.Furthermore, the addition of the Intermediate or end products from fuel reforming one or more catalysts for exhaust gas treatment of the Internal combustion engine provided a control unit which  Dosage of the addition depends on the operating state of the controls each catalyst, so the possibilities to control the operation or regeneration of a such catalyst can be fully exploited.

Da auch in einer Brennstoffzelle der zur Verfügung stehende Brennstoff nicht ganz vollständig umgesetzt wird, wird in einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung zusätzlich eine Turbine und/oder ein Brenner, insbesondere ein katalytisch aktiver Brenner, zur Ausnutzung der Restmengen an Brennstoff, d. h. im oben angeführten Fall an Wasserstoff, vorgesehen. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Gesamtsystems weiter verbessert.Because even in a fuel cell the available one Fuel is not fully implemented in a further special embodiment of the invention additionally a turbine and / or a burner, in particular a catalytically active burner to take advantage of the Residual amounts of fuel, i. H. in the case mentioned above Hydrogen, provided. In this way the Efficiency of the overall system further improved.

Eine solche Turbine kann wiederum auf unterschiedliche Weisen genutzt werden. So ist beispielsweise die Nutzung der Turbine zur Ladeluftverdichtung des Verbrennungsmotors möglich, d. h. die Turbine kann unmittelbar als Turboladerantrieb eingesetzt werden. Weiterhin besteht eine Möglichkeit der energetischen Nutzung dieser Turbine darin, dass damit ein Stromgenerator betrieben wird, der die zur Verfügung stehende elektrische Leistung der Gesamtanlage und damit deren Wirkungsgrad erhöht.Such a turbine can in turn be used in different ways be used. For example, the use of the turbine possible for charge air compression of the internal combustion engine, d. H. the turbine can be used directly as a turbocharger drive become. There is also a possibility of energetic Use of this turbine in that it is a power generator is operated, the available electrical Performance of the overall system and thus its efficiency elevated.

Grundsätzlich können in vorteilhafter Weise bei einer erfindungsgemäßen Kombination eines Verbrennungsmotors mit einer Brennstoffzelle wie alle Zusatzkomponenten auch Verdichtungseinheiten elektromotorisch angetrieben werden. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass die Verdichtungseinheiten und die daraus resultierenden Drücke, beispielsweise der Ladeluft des Verbrennungsmotors, drehzahlunabhängig gesteuert werden können.Basically, in an advantageous manner combination of an internal combustion engine according to the invention a fuel cell like all additional components Compression units are driven by an electric motor. This offers the particular advantage that the Compression units and the resulting pressures, for example the charge air of the internal combustion engine, can be controlled independently of the speed.

Durch die Möglichkeit der elektrischen Ansteuerung sämtlicher Motorperipheriegeräte ergeben sich demnach weitere Steuerparameter für den Betrieb des Verbrennungsmotors. Due to the possibility of electrical control of all Motor peripheral devices therefore result in more Control parameters for the operation of the internal combustion engine.  

Dadurch ist beispielsweise eine Erhöhung der Motorleistung und/oder eine Verbesserung der Abgasemission gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren denkbar, insbesondere während einer Kaltstart-Phase des Verbrennungsmotors. Auch die Veränderung der Motorcharakteristik ist durch derartige Maßnahmen möglich. Dementsprechend können hierdurch vergleichsweise hohe umweltrelevante Anforderungen von entsprechenden Systemen bzw. Fahrzeugen erfüllt werden.This is an increase in engine power, for example and / or an improvement in exhaust gas emissions conventional internal combustion engines conceivable, in particular during a cold start phase of the internal combustion engine. Also the change in engine characteristics is due to such Measures possible. Accordingly, this can comparatively high environmental requirements of corresponding systems or vehicles are met.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung wird zudem wenigstens eine Verdichtungseinheit innerhalb der Anlage zur Kraftstoffreformierung eingesetzt. Hiermit kann die Brennstoffzelle kathoden- und/oder anodenseitig mit einem relativ hohen Druck beaufschlagt werden, um die Leistungsdichte der Brennstoffzelle zu erhöhen. Hierbei werden vorzugsweise die Edukte der Brennstoffzelle wie die Luft, das Wasser und/oder der Kraftstoff bzw. Zwischen- und/oder Produkte der Kraftstoffreformierung mittels einer oder mehrerer Verdichtungseinheiten auf ein vorteilhaft hohes Druckniveau verdichtet. Grundsätzlich können sowohl flüssige als auch verdampfte bzw. gasförmige Kraftstoffe und/oder Wasser bzw. Wasserdampf verwendet werden.In a further special embodiment of the invention is also at least one compression unit within the Plant used for fuel reforming. Hereby the fuel cell on the cathode and / or anode side with a relatively high pressure to be applied to the To increase the power density of the fuel cell. in this connection are preferably the starting materials of the fuel cell such as Air, water and / or fuel or intermediate and / or products of the fuel reforming by means of a or more compression units to an advantageously high Pressure level compressed. Basically, both liquid as well as vaporized or gaseous fuels and / or Water or steam can be used.

Eine solche Verdichtung kann beispielsweise eingangs- und/oder ausgangsseitig der Anlage bzw. eingangsseitig der Brennstoffzelle vorgenommen werden. Die Verdichtung kann jedoch auch in einer vorherigen Verfahrensstufe bzw. Zwischenstufe der Reformierung vorgenommen werden, so dass bereits der jeweilige Stoffstrom, d. h. die Edukte bzw. Zwischenprodukte, der Anlage zur Kraftstoffreformierung mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt ist. Zum einen kann hierdurch die Kraftstoffreformierung beeinflusst werden, zum anderen steht bei einer etwaigen Verbindung zum Verbrennungsmotor das jeweils zuzuführende Zwischen- bzw. Endprodukt aus der Kraftstoffreformierung bereits mit erhöhtem Druck zur Verfügung, so dass die Zugabe in den Verbrennungsmotor vereinfacht bzw. optimiert wird.Such compression can, for example, and / or the output side of the system or the input side of the Fuel cell can be made. The compression can however also in a previous process stage or Intermediate stage of the reform can be made so that the respective material flow, d. H. the educts or Intermediates, the plant for fuel reforming with a corresponding pressure is applied. For one, can this affects the fuel reforming to another stands in the event of a connection to Internal combustion engine the intermediate or End product from fuel reforming already included increased pressure available so that the addition in the  Internal combustion engine is simplified or optimized.

Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Speicher zur Speicherung eines Zwischenprodukts bzw. Endprodukts der Anlage und/oder eines Stoffes bzw. Stoffgemisches aus der Brennstoffzelle vorgesehen. Mit Hilfe eines entsprechenden Speichers ist vorzugsweise eine zeitlich versetzte Speicherung und Abgabe entsprechender Produkte, Stoffe bzw. Stoffgemische realisierbar. Hierdurch können mögliche Überschüsse, beispielsweise während einer Teillastphase der Brennstoffzelle oder dergleichen, und/oder Mängel, beispielsweise während einer Start- bzw. Störungsphase einer Komponente, dieser Produkte, Stoffe bzw. Stoffgemische in den entsprechenden Betriebsphasen ausgeglichen werden.At least one memory is advantageously used for Storage of an intermediate or end product of Plant and / or a substance or mixture of substances from the Fuel cell provided. With the help of an appropriate Memory is preferably staggered in time Storage and delivery of corresponding products, substances or Mixtures of substances possible. This can be possible Surpluses, for example during a partial load phase of the Fuel cell or the like, and / or defects, for example during a start or fault phase Component, these products, substances or mixtures of substances in the corresponding operating phases are balanced.

In einer besonderen Variante der Erfindung ist der Speicher zur Speicherung eines in den Verbrennungsmotor bzw. die Brennstoffzelle zuzuführenden Stoffes bzw. Stoffgemisches ausgebildet. Diese bevorzugte Ausbildung des Speichers ermöglicht, dass beispielsweise in einer Kaltstart- bzw. Störungsphase des Verbrennungsmotors, der Anlage zur Kraftstoffreformierung und/oder der Brennstoffzelle vor allem wasserstoffhaltiges Gas, insbesondere wasserstoffreiches Reformat, zur Verfügung steht.In a special variant of the invention is the memory for storing one in the internal combustion engine or the Fuel cell to be supplied substance or mixture of substances educated. This preferred design of the memory enables, for example, in a cold start or Fault phase of the internal combustion engine, the system for Fuel reforming and / or the fuel cell especially hydrogen-containing gas, especially hydrogen-rich gas Reformate, is available.

Gegebenenfalls kann während einer Startphase vorzugsweise wasserstoffreiches Reformat aus dem Speicher dem Verbrennungsmotor und/oder der Brennstoffzelle zugeführt werden, bis die Anlage ihre bzw. der Verbrennungsmotor seine vorgegebene Betriebstemperatur erreicht hat. Vor allem durch die Zugabe von zuvor gespeichertem wasserstoffreichem Gas kann das Kaltstartverhalten des Verbrennungsmotors derart verbessern, dass wesentlich weniger Schadstoffe in der Kaltstartphase emittiert werden. Dies führt zu einer deutlichen Reduktion umweltrelevanter Stoffe und somit zur Erfüllung relativ hoher Umweltstandards. If necessary, preferably during a starting phase hydrogen-rich reformate from memory Internal combustion engine and / or the fuel cell supplied until the system is its or the internal combustion engine has reached the specified operating temperature. Mainly by the addition of previously stored hydrogen-rich gas can the cold start behavior of the internal combustion engine in such a way improve that much less pollutants in the Cold start phase can be emitted. This leads to a significant reduction of environmentally relevant substances and thus to Meeting relatively high environmental standards.  

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist mindestens ein zusätzlicher Stromerzeuger zur Versorgung wenigstens von sicherheitsrelevanten Betriebseinheiten während einer Startphase und/oder einem besonderen Betriebsfall vorgesehen ist. Diese Maßnahme erhöht, wie bereits weiter vorne angedeutet, die Sicherheit entsprechender Antriebsvorrichtungen bzw. Fahrzeuge, da diese in zunehmendem Maße elektrisch betriebene und/oder elektronisch gesteuerte sicherheitsrelevante Betriebseinheiten wie Bremsen, Lenkung oder dergleichen umfassen. Dementsprechend gewährleistet der zusätzliche Stromerzeuger einen sicheren Betrieb dieser Betriebseinheiten, selbst bei einer Störung bzw. einem Ausfall bereits vorhandener Komponenten wie Lichtmaschine, Batterie oder dergleichen.In an advantageous variant of the invention, at least an additional power generator to supply at least safety-relevant operating units during a Start phase and / or a special operating case provided is. As already mentioned above, this measure increases hinted at the corresponding security Drive devices or vehicles, as these are increasing Dimensions electrically operated and / or electronically controlled safety-relevant operating units such as brakes, steering or the like. Accordingly, the additional power generators ensure safe operation of this Operating units, even in the event of a fault or a Failure of existing components such as alternator, Battery or the like.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle als der zusätzliche Stromerzeuger ausgebildet. Hierdurch wird bei hohem Sicherheitsniveau der konstruktive Aufwand wesentlich verringert. Gleichzeitig wird gegenüber der Verwendung von Akkumulatoren oder dergleichen als zusätzlicher Stromerzeuger Gewicht eingespart, was insbesondere bei Fahrzeugen zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs führt.Preferably the fuel cell is the additional one Power generator trained. This will at high Safety level of construction effort essential reduced. At the same time, the use of Accumulators or the like as an additional power generator Weight saved, which is particularly a problem in vehicles Improves fuel economy.

Die Erfindung betrifft sowohl Verfahrensvarianten, bei denen das über den Tank dem Prozess zugeführte Wasser als zusätzlicher Brennstoff zugetankt werden muss (Wasserbilanz nicht geschlossen), als auch Varianten, bei denen genügend Wasser hinter der Brennstoffzelle auskondensiert wird, um ein Zutanken von Wasser zu vermeiden (Wasserbilanz geschlossen).The invention relates to both process variants in which the water supplied to the process via the tank as additional fuel has to be refueled (water balance not closed), as well as variants where enough Water is condensed out behind the fuel cell Avoid refueling with water (water balance closed).

Ausführungsbeispielembodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.An embodiment of the invention is in the drawing shown and will be explained in more detail below with reference to the figures  explained.

Im Einzelnen zeigenShow in detail

Fig. 1 ein Schemadiagramm einer Kombination von Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle mit Kraftstoffreformierung, Fig. 1 is a schematic diagram of a combination of combustion engine and fuel cell with fuel reforming,

Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und FIG. 2 shows a representation according to FIG. 1 of a further embodiment of the invention and

Fig. 3 ein Schemadiagramm zur Veranschaulichung der Katalysator-Regeneration in einem erfindungsgemäßen Fahrzeug. Fig. 3 is a schematic diagram for illustrating the catalyst regeneration in a vehicle according to the invention.

Fig. 1 zeigt im unteren Bereich des Diagramms einen Hubkolbenmotor 1 mit angedeuteten Zylindern 2. Dem Hubkolbenmotor 1 wird aus einem Tank 3 Kraftstoff 4 zugeführt. Außenluft 5 wird dem Hubkolbenmotor 1 über einen Motorkompressor 6 zugeführt. Die Außenluft 5 kann alternativ über einen Abgasturbolader 7 vorverdichtet werden. Das Abgas 8 wird von einem Abgaskatalysator 9 nachbehandelt und anschließend in die Umgebung freigesetzt. Dieses Diagramm beschreibt demnach das einem herkömmlichen aufgeladenen Verbrennungsmotor entsprechende Funktionsprinzip. Ergänzend sei an dieser Stelle erwähnt, dass die erfindungsgemäße Kombination auch abweichend von diesem Ausführungsbeispiel bei nicht aufgeladenen Verbrennungsmotoren einsatzfähig ist. Fig. 1 shows the diagram at the bottom of a reciprocating engine 1 with indicated cylinders 2. Fuel 4 is supplied to the reciprocating piston engine 1 from a tank 3 . Outside air 5 is supplied to the reciprocating piston engine 1 via an engine compressor 6 . The outside air 5 can alternatively be pre-compressed via an exhaust gas turbocharger 7 . The exhaust gas 8 is aftertreated by an exhaust gas catalytic converter 9 and then released into the environment. This diagram therefore describes the functional principle corresponding to a conventional supercharged internal combustion engine. In addition, it should be mentioned at this point that the combination according to the invention can also be used, in deviation from this exemplary embodiment, in non-supercharged internal combustion engines.

Abweichend vom herkömmlichen Funktionsprinzip sind vorliegend vier Zugabestellen 10 bis 13 dargestellt, an denen ein Zwischen- oder Endprodukt der nachfolgend beschriebenen Kraftstoffreformierungsanlage zugesetzt werden kann. Deviating from the conventional functional principle, four addition points 10 to 13 are shown here, at which an intermediate or end product of the fuel reforming system described below can be added.

Die elektrische Energie für die Peripherie des Hubkolbenmotors 1 sowie für sonstige elektrische Komponenten, z. B. eines damit angetriebenen Fahrzeugs, wird vorliegend durch eine Brennstoffzelle 14 erzeugt. Die Brennstoffzelle 14 ist schematisch in den Kathodenbereich 15 sowie den Anodenbereich 16 aufgeteilt. Der Brennstoffzelle 14 wird Brennstoff in Form von relativ wasserstoffreichem Reformat 17 und von Sauerstoff bzw. Außenluft 18 zugeführt. Das als Brennstoff dienende wasserstoffhaltige Reformat 17 wird hierbei in einer Anlage 19 zur Kraftstoffreformierung erzeugt. Der Kraftstoff 20 wird in einem Tank 21 mitgeführt, der unter Umständen identisch mit dem Tank 3 für den Hubkolbenmotor 1 sein kann. Gegebenenfalls wird weiterhin Wasser 22 aus einem Wassertank 23 bereitgestellt. Wie bereits oben angedeutet, kann auch Wasser durch Kondensation aus dem Reaktionsprodukt der Brennstoffzelle gewonnen werden (nicht näher dargestellt).The electrical energy for the periphery of the reciprocating piston engine 1 and for other electrical components, for. B. a vehicle driven thereby, is generated in the present case by a fuel cell 14 . The fuel cell 14 is schematically divided into the cathode area 15 and the anode area 16 . The fuel cell 14 is supplied with fuel in the form of a relatively hydrogen-rich reformate 17 and oxygen or outside air 18 . The hydrogen-containing reformate 17 serving as fuel is generated in a system 19 for fuel reforming. The fuel 20 is carried in a tank 21 which, under certain circumstances, can be identical to the tank 3 for the reciprocating piston engine 1 . If necessary, water 22 is still provided from a water tank 23 . As already indicated above, water can also be obtained by condensation from the reaction product of the fuel cell (not shown in more detail).

Die Außenluft für den Betrieb der Brennstoffzelle 14 wird über einen Kompressor 24 verdichtet und gefördert.The outside air for the operation of the fuel cell 14 is compressed and conveyed via a compressor 24 .

Gegebenenfalls kann eine Vorwärmstufe 26 für einen oder mehrere der Brennstoffzelle 14 bzw. der Anlage zur Kraftstoffreformierung 19 zugeführten Ausgangsstoffe, d. h. den Kraftstoff 20, dem Wasser 22 und/oder der Luft 27, vorgesehen werden, die vorzugsweise die Anodenrestenergie nutzt. Vorteilhafterweise in Strömungsrichtung betrachtet nach der Vorwärmstufe 26 wird die Luft 27 über eine Abzweigung 28 mehreren Komponenten zugeführt.If necessary, a preheating stage 26 can be provided for one or more starting materials supplied to the fuel cell 14 or the system for fuel reforming 19 , ie the fuel 20 , the water 22 and / or the air 27 , which preferably uses the residual anode energy. Advantageously, viewed in the direction of flow after the preheating stage 26 , the air 27 is supplied to a plurality of components via a branch 28 .

Zwei Wärmetauscher 29, 30 dienen zunächst der weiteren, optionalen Anwärmung insbesondere aller Ausgangsstoffe für die Kraftstoffreformierung, d. h. des Kraftstoffs 20, des Wassers 22 sowie der Luft 27. Anschließend werden diese Ausgangsstoffe 20, 22, 27 einem sogenannten Reformer 31 zugeführt. Dort wird der Kraftstoff unter Einsatz eines Katalysatormaterials im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einer exothermen Reaktion in ein wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltiges Synthesegas 25 überführt. Hierbei sind auch Verfahrensvarianten denkbar, bei denen auf die Zugabe von Wasser in den Reformer 31 verzichtet werden kann.Two heat exchangers 29 , 30 are initially used for further, optional heating, in particular of all starting materials for fuel reforming, ie the fuel 20 , the water 22 and the air 27 . These starting materials 20 , 22 , 27 are then fed to a so-called reformer 31 . There, the fuel is converted into a hydrogen and carbon monoxide-containing synthesis gas 25 in an exothermic reaction using a catalyst material in the present exemplary embodiment. Process variants are also conceivable in which the addition of water to the reformer 31 can be dispensed with.

Das wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltige Synthesegas 25 wird nach Abkühlung in dem Wärmetauscher 30 in zwei sogenannten Shift-Stufen 32, 33 weiter behandelt, wobei ein Großteil des im Synthesegas 25 vorhandenen Kohlenmonoxids in einer sogenannten Shift-Reaktion, vorzugsweise mit Hilfe von zusätzlich zugeführtem Wasser 22, zu Kohlendioxid und weiteren Wasserstoff umgewandelt wird. Unterschiedliche Shift-Stufen 32, 33 können hierbei auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten. Während der Shift-Reaktion wird erneut Wärme frei, die im Wärmetauscher 29 ebenfalls zur Vorwärmung von Kraftstoff 20, Wasser 22 und Luft 27 genutzt wird, wie bereits oben angeführt wurde.After cooling in the heat exchanger 30, the synthesis gas 25 containing hydrogen and carbon monoxide is further treated in two so-called shift stages 32 , 33 , with a large part of the carbon monoxide present in the synthesis gas 25 in a so-called shift reaction, preferably with the aid of additionally supplied water 22 , is converted to carbon dioxide and other hydrogen. Different shift stages 32 , 33 can work at different temperature levels. During the shift reaction, heat is released again, which is also used in the heat exchanger 29 for preheating fuel 20 , water 22 and air 27 , as already mentioned above.

Die momentan zur Verfügung stehenden Brennstoffzellen, insbesondere Polymer-Electrolyte-Membrane-Brennstoffzellen (PBMFC), sind anodenseitig sehr empfindlich auf eine sogenannte Kohlenmonoxidvergiftung. Daher wird häufig eine weitere Kohlenmonoxid-Feinreinigungsstufe 34 eingesetzt. Diese Feinreinigungsstufe 34 ist bei künftigen Brennstoffzellen 14 bzw. bei einer Verwendung von Solid- Oxide-Fuel-Cells (SOFC) gegebenenfalls entbehrlich, da diese gegenüber Kohlenmonoxid im Reformatgas weitgehend unempfindlich sind bzw. möglicherweise sein werden.The fuel cells currently available, in particular polymer electrolyte membrane fuel cells (PBMFC), are very sensitive to so-called carbon monoxide poisoning on the anode side. A further carbon monoxide fine cleaning stage 34 is therefore often used. This fine cleaning stage 34 may be unnecessary in future fuel cells 14 or when using solid oxide fuel cells (SOFC), since these are largely insensitive to carbon monoxide in the reformate gas or will possibly be.

SOFC-Brennstoffzellen weisen vorzugsweise Keramikmembranen mit vergleichsweise hoher Arbeitstemperatur auf, so dass im Allgemeinen eine nicht näher dargestellte Heizeinheit zur Erwärmung der Brennstoffzelle 14 auf die Arbeitstemperatur vorzusehen ist.SOFC fuel cells preferably have ceramic membranes with a comparatively high working temperature, so that in general a heating unit (not shown in more detail) is to be provided for heating the fuel cell 14 to the working temperature.

Das wasserstoffhaltige Ausgangsprodukt der Anlage 19, das heißt das Reformat 17, tritt in die Brennstoffzelle ein und wird dort größtenteils mit dem Sauerstoff bzw. der Luft 18, die dem Kathodenbereich 15 zugeführt wird, zu Wasser umgesetzt. Bei diesem Vorgang wird elektrische Energie freigesetzt, die erfindungsgemäß nutzbar ist.The hydrogen-containing starting product of the system 19 , that is to say the reformate 17 , enters the fuel cell and is largely converted into water there with the oxygen or air 18 which is fed to the cathode region 15 . This process releases electrical energy which can be used according to the invention.

Eine gewisse Restmenge an Wasserstoff verlässt jedoch den Anodenbereich 16 ohne die oben angeführte Reaktion durchzuführen. Auch in dem Kathodenabgas nach dem Austritt aus dem Kathodenbereich 15 ist noch eine Restmenge an Sauerstoff enthalten. Der Restwasserstoff 35 und der Restsauerstoff 36 ergeben nach der Zusammenführung ein Knallgasgemisch 37, das in einem Brenner 38 und/oder einer Turbine 39 energetisch weiter genutzt werden kann. Die Abwärme des Brenners 38 oder des Turbinenabgases 40 kann in der Vorwärmstufe 26 zur Vorwärmung von Ausgangsstoffen 20, 22, 27 genutzt werden, wie dies durch einen gestrichelten Doppelpfeil angedeutet ist.However, a certain residual amount of hydrogen leaves the anode region 16 without carrying out the above-mentioned reaction. A residual amount of oxygen is also contained in the cathode exhaust gas after exiting from the cathode region 15 . After the combination, the residual hydrogen 35 and the residual oxygen 36 result in a detonating gas mixture 37 , which can be used further energetically in a burner 38 and / or a turbine 39 . The waste heat from the burner 38 or the turbine exhaust gas 40 can be used in the preheating stage 26 for preheating starting materials 20 , 22 , 27 , as is indicated by a dashed double arrow.

Erfindungsgemäß sind während des Stoffflusses in der Anlage 19 zur Reformierung des Kraftstoffes beispielhaft drei Entnahmestellen 41, 42, 43 vorgesehen, an denen ein Zwischenprodukt, z. B. das Synthesegas 25, das aus nahezu reinem Wasserstoff bestehende Reformat 17, oder aber auch das Restwasserstoff 35 enthaltende Abgas aus dem Anodenbereich 16 über Verdichter 44, 45, 46 und gegebenenfalls über Zwischenspeicher 47, 48, 49 zur Zugabe zu dem Hubkolbenmotor 1 und/oder oder zu dem Abgaskatalysator 9 bereitgestellt wird. Die Zugabe dieser Stoffe kann beispielsweise an den Zugabestellen 10, 11, 12, 13 erfolgen.According to the invention, three removal points 41 , 42 , 43 are provided, for example, during the material flow in the system 19 for reforming the fuel, at which an intermediate product, for. B. the synthesis gas 25 , the reformate 17 consisting of almost pure hydrogen, or else the exhaust gas containing residual hydrogen 35 from the anode region 16 via compressors 44 , 45 , 46 and optionally via intermediate storage 47 , 48 , 49 for addition to the reciprocating piston engine 1 and / or or is provided to the exhaust gas catalytic converter 9 . These substances can be added, for example, at the addition points 10 , 11 , 12 , 13 .

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffzelle unter Überdruck betrieben, der über den Kompressor 24 bereitgestellt wird. Wasser und Kraftstoff können hierbei in flüssiger, verdampfter oder gasförmiger Form mittels nicht näher dargestellter Pumpen auf das notwendige Druckniveau gebracht werden.In the present exemplary embodiment, the fuel cell is operated under excess pressure, which is provided via the compressor 24 . Water and fuel can be brought to the necessary pressure level in liquid, vaporized or gaseous form by means of pumps (not shown).

Fig. 2 stellt schematisch eine weitere Ausführungsvariante, d. h. eine alternative Anlage 19' zur Kraftstoffreformierung dar. Es handelt sich hierbei um die sogenannte Dampfreformierung. Hierbei wird auf die Zugabe von Luft in den Reformer 31 und damit auf eine exotherme partielle Oxidation verzichtet. In einer solchen Anlage muss eine endotherme Dampfreformierung im Reformer 31' stattfinden, wozu Wärme über einen Brenner 50 in den Reformer 31' eingekoppelt wird. In diesem Brenner 50 kann beispielsweise das anfallende Anodenrestgas und bei Bedarf zusätzlicher Kraftstoff 20 umgesetzt werden. FIG. 2 schematically represents a further embodiment variant, ie an alternative system 19 'for fuel reforming. This is the so-called steam reforming. The addition of air to the reformer 31 and thus an exothermic partial oxidation are dispensed with. In such a system, endothermic steam reforming must take place in the reformer 31 ', for which purpose heat is coupled into the reformer 31 ' via a burner 50 . In this burner 50 , for example, the residual anode gas and, if necessary, additional fuel 20 can be converted.

Hauptvorteile dieser Variante sind die höhere Wasserstoffkonzentration im Reformat 17 sowie die Möglichkeit, die Anlage 19' zur Erzeugung von Reformat bei hohen Systemdrücken zu betreiben, ohne dass nennenswerte Kompressionsarbeit aufzubringen ist, da die Kompressionsarbeit von Flüssigkeiten, d. h. Wasser 22 und Kraftstoff 20 in flüssiger Phase, mit wenig Arbeitsaufwand mittels nicht näher dargestellter Pumpe bzw. Pumpen realisierbar ist. Diese Pumpe bzw. Pumpen erzeugen den höheren Betriebsdruck der Kraftstoffreformierung zur Erhöhung der Leistungsdichte der Brennstoffzelle 14 und können zudem dazu verwendet werden, die Zwischenprodukte bzw. Produkte der Kraftstoffreformierung zur Speicherung bzw. Entnahme mit vergleichsweise hohem Druck zu beaufschlagen.The main advantages of this variant are the higher hydrogen concentration in the reformate 17 and the possibility of operating the system 19 'for generating reformate at high system pressures without any significant compression work being necessary, since the compression work of liquids, ie water 22 and fuel 20 in the liquid phase , can be implemented with little effort by means of a pump or pumps (not shown). These pumps or pumps generate the higher operating pressure of the fuel reforming to increase the power density of the fuel cell 14 and can also be used to apply a relatively high pressure to the intermediate products or products of the fuel reforming for storage or removal.

Dies wäre eine Möglichkeit, bei der die Verdichter 44 und 45 an den Entnahmestellen 41 und 42 entfallen bzw. durch vergleichsweise einfache Rückschlagventile 51 und 52 ersetzt werden können. Für diese Variante wäre ein Taktbetrieb im Stoffstrom sinnvoll, um eine Entkopplung des Drucks zur Entnahme bzw. im Stofffluss der Shift-Stufen 32', 33' der Feinreinigungsstufe 34 und dem Anodenbereich 16 zu erreichen. This would be a possibility in which the compressors 44 and 45 at the removal points 41 and 42 are omitted or can be replaced by comparatively simple check valves 51 and 52 . For this variant, a cycle operation in the material flow would make sense in order to decouple the pressure for removal or in the material flow of the shift stages 32 ', 33 ' of the fine cleaning stage 34 and the anode region 16 .

Hierzu sind in der Darstellung gemäß Fig. 2 Umschaltventile 51, 52 angeordnet, die taktweise den Stofffluss entweder zur Entnahme (Entnahme- bzw. Speicher-Takt) mit sehr hohem Überdruck, z. B. ca. 100 bar, oder aber zur nachfolgenden Reinigungsstufe (Shift- bzw. Brennstoffzellen-Takt) mit geringem Überdruck, z. B. ca. 3 bar, führen.For this purpose, in the illustration according to FIG. 2, changeover valves 51 , 52 are arranged, which intermittently switch the material flow either for removal (removal or storage cycle) with a very high overpressure, e.g. B. about 100 bar, or for the subsequent cleaning stage (shift or fuel cell cycle) with a slight excess pressure, for. B. approx. 3 bar.

Beispielsweise können hierfür die nicht näher dargestellten Pumpen bzw. Pumpe vor allem den Kraftstoff 20 und das Wasser 22 im Entnahme- bzw. Speicher-Takt mit dem sehr hohen Überdruck von ca. 100 bar und im Shift- bzw. Brennstoffzellen-Takt mit geringem Überdruck von ca. 3 bar beaufschlagen.For example, the pumps or pump (not shown in more detail) can primarily use the fuel 20 and the water 22 in the extraction or storage cycle with the very high overpressure of approximately 100 bar and in the shift or fuel cell cycle with low overpressure of about 3 bar.

Neben den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Verschaltungsvarianten zur Wasserstofferzeugung sind auch andere Varianten denkbar, z. B. eine Kohlenmonoxid- Feinreinigung durch Methanisierung oder durch Metallmembranen.In addition to the illustrated in Fig. 1 and Fig. 2 types of interconnection for hydrogen production, other variants are conceivable, for. B. a carbon monoxide fine cleaning by methanation or through metal membranes.

Die Abfolge der einzelnen Komponenten der geschilderten Ausführungsbeispiele kann je nach Ausführungsvariante unterschiedlich sein. Verschiedene Komponenten können auch zu einer oder mehreren Baueinheiten integriert werden. Je nach verwendeter Membran bei der Brennstoffzelle können in dieser Figur nicht dargestellte Maßnahmen zur Befeuchtung des Kathoden- und/oder Anodenzulaufs erforderlich werden. Ebenso sind die entsprechenden Komponenten zur Wasserrückgewinnung aus dem Anoden- und/oder Kathodenrestgas nicht dargestellt.The sequence of the individual components of the described Embodiments can vary depending on the design variant be different. Different components can too one or more units can be integrated. Depending on Membrane used in the fuel cell can in this Figure measures not shown for moistening the Cathode and / or anode inlet are required. As well are the corresponding components for water recovery not shown from the anode and / or cathode residual gas.

In dem geschilderten Ausführungsbeispiel wird die elektrische Energie durch die Brennstoffzelle und die Vortriebsenergie des Fahrzeugs durch den Hubkolbenmotor geliefert. Die erfindungsgemäße Merkmalskombination ist jedoch nicht auf aufgeladene Hubkolbenmotoren beschränkt, sondern ist mit allen bekannten Verbrennungsmotoren realisierbar. In the described embodiment, the electrical Energy from the fuel cell and the propulsion energy of the vehicle supplied by the reciprocating engine. The However, the combination of features according to the invention is not based on charged reciprocating engines limited, but is with all known internal combustion engines can be implemented.  

Die dargestellten Verdichter bzw. Kompressoren zur Luftverdichtung im Verfahrensschema für den Hubkolbenmotor 1 bzw. für den Betrieb der Brennstoffzelle 14 können ebenso kombiniert werden wie beispielsweise die Turbinen zur Entspannung der jeweiligen Medien. So können beispielsweise der Kompressor 24 und der Motorkompressor 6 ebenso zusammengefasst werden wie der Abgasturbolader 7 mit der Turbine 39.The compressors or compressors shown for air compression in the process diagram for the reciprocating piston engine 1 or for the operation of the fuel cell 14 can also be combined, for example the turbines for expanding the respective media. For example, the compressor 24 and the engine compressor 6 can be combined as well as the exhaust gas turbocharger 7 with the turbine 39 .

Die Nutzung der an den Turbinen gewonnenen Expansionsarbeit kann in nicht näher dargestellter Weise über einen Generator in Form der Rückgewinnung von elektrischer Energie durchgeführt werden. Denkbar ist auch eine mechanische Kopplung (Welle, Riemen, etc.), wie sie z. B. beim konventionellen Abgasturbolader realisiert ist. Hierbei sind wiederum beliebige Kombinationen zwischen allen Kompressoren, z. B. den Kompressoren 6, 24 denkbar, wobei diese Kompressoren bei Bedarf in anderen Ausführungsformen auch elektromotorisch angetrieben werden. Das Gleiche gilt für die Verdichter 44, 45, 46.The expansion work obtained on the turbines can be used in a manner not shown in more detail via a generator in the form of the recovery of electrical energy. A mechanical coupling (shaft, belt, etc.) is also conceivable, as used for. B. is realized in the conventional exhaust gas turbocharger. Here are any combinations between all compressors, z. B. the compressors 6 , 24 conceivable, these compressors being driven by an electric motor if necessary in other embodiments. The same applies to the compressors 44 , 45 , 46 .

Die Verfügbarkeit von Reformat 17 mit einem hohen Wasserstoffgehalt bietet neben dem Vorteil der motorunabhängigen Verfügbarkeit von elektrischer Energie mit im Vergleich zu einem Stromgenerator bzw. einer Lichtmaschine deutlich besseren Wirkungsgraden auch interessante Möglichkeiten zur Verbesserung des Betriebs des Verbrennungsmotors. Dabei kann der Kraftstoff 4 für den Hubkolbenmotor 1 und der Kraftstoff 20 für die Anlage 19 zur Kraftstoffreformierung identisch oder unterschiedlich sein.The availability of Reformat 17 with a high hydrogen content offers, in addition to the advantage of the availability of electrical energy independent of the engine with significantly better efficiencies compared to a power generator or an alternator, also interesting possibilities for improving the operation of the internal combustion engine. The fuel 4 for the reciprocating piston engine 1 and the fuel 20 for the system 19 for fuel reforming can be identical or different.

Die Gaszusammensetzung an den drei beispielhaft angegebenen Entnahmestellen 41, 42, 43 unterscheidet sich qualitativ wie folgt:
Entnahmestelle 41: mittlerer Wasserstoff- und hoher Kohlenmonoxid-Gehalt
Entnahmestelle 42: hoher Wasserstoff- und geringer Kohlenmonoxid-Gehalt
Entnahmestelle 43: geringer Wasserstoff- und geringer Kohlenmonoxid-Gehalt.
The gas composition at the three tapping points 41 , 42 , 43 given by way of example differs qualitatively as follows:
Withdrawal point 41 : medium hydrogen and high carbon monoxide content
Withdrawal point 42 : high hydrogen and low carbon monoxide content
Withdrawal point 43 : low hydrogen and low carbon monoxide content.

Je nach vorgesehenem Verwendungszweck kann für den Betrieb des Hubkolbenmotors 1 auch eine andere Anordnung und Anzahl von Entnahmestellen zweckmäßig sein.Depending on the intended use, a different arrangement and number of tapping points can also be expedient for the operation of the reciprocating piston engine 1 .

Die über die Entnahmestelle 41, 42, 43 entnommenen Stoffe können für den Motorbetrieb nutzbringend wie folgt eingesetzt werden.The substances removed via the removal point 41 , 42 , 43 can be used for engine operation as follows.

Beim Kaltstart des Verbrennungsmotors sind möglichst kurze Anspringzeiten des Katalysators von Vorteil, da der Löwenanteil der emittierten Schadstoffe (HC, CO, NOx) in dieser Kaltstartphase emittiert wird, während der Katalysator noch nicht die für die chemische Umsetzung der Schadstoffe notwendige Mindesttemperatur erreicht hat. Dieses Problem wird dadurch noch verschärft, dass um Zündaussetzer zu vermeiden, während der ersten Kaltstartzyklen die Hubkolbenmotoren 1 mit fetter Mischung gefahren werden, d. h. mit einem sehr hohen Anteil an Kraftstoff, was zwangsläufig zu hohen Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffrohemissionen führt. Dieses Kaltstartverhalten kann nun in vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung wie folgt verbessert werden.When the internal combustion engine is cold started, the shortest possible light-off times of the catalytic converter are advantageous, since the lion's share of the pollutants emitted (HC, CO, NO x ) is emitted in this cold start phase, while the catalytic converter has not yet reached the minimum temperature required for the chemical conversion of the pollutants. This problem is exacerbated by the fact that, in order to avoid misfires, the reciprocating piston engines 1 are run with a rich mixture, ie with a very high proportion of fuel, during the first cold start cycles, which inevitably leads to high carbon monoxide and hydrocarbon raw emissions. This cold start behavior can now be improved as follows in advantageous embodiments of the invention.

Während der kritischen Kaltstartphase wird der Katalysator zur Abgasnachbehandlung durch Zugabe von wasserstoffhaltigem Reformat an den Zugabestellen 12 oder 13 aufgeheizt.During the critical cold start phase, the catalytic converter for exhaust gas aftertreatment is heated by adding hydrogen-containing reformate at the addition points 12 or 13 .

Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Verfahren auch bei mehreren Abgaskatalysatoren anwendbar. Eventuell notwendige Zusatzluft kann über ein Luftgebläse (nicht näher dargestellt) zudosiert werden. Diese effektive Heizmaßnahme wird wegen den extrem niedrigen Zündtemperaturen von Wasserstoff/Luftmischungen an edelmetallhaltigen Katalysatoren, wie sie zur Abgasnachbehandlung eingesetzt werden, ermöglicht.Deviates from the illustrated embodiment This process also applies to several catalytic converters  applicable. Any additional air that is required can be supplied via a Air blowers (not shown in detail) are metered. This effective heating measure is due to the extremely low Ignition temperatures of hydrogen / air mixtures Precious metal-containing catalysts, such as Exhaust gas treatment can be used.

Es ist weiterhin bekannt, dass insbesondere Beimischungen von Kohlenmonoxid diese Zündtemperatur stark ansteigen lassen. Die an sich für den Einsatz einer kohlenmonoxid-empfindlichen Brennstoffzelle 14 vorhandenen Shift-Stufen 32, 33 und Feinreinigungsstufe 34 sorgen jedoch dafür, dass ein nahezu kohlenmonoxidfreies Reformat 17 zur Verfügung steht. Dies ist nunmehr in vorteilhafter Weise für den Kaltstart des Abgaskatalysators 9 einsetzbar, so dass die Zündtemperatur auf dem gewünschten niedrigen Niveau gehalten wird.It is also known that, in particular, admixtures of carbon monoxide cause this ignition temperature to rise sharply. However, the shift stages 32 , 33 and fine cleaning stage 34 , which are per se available for the use of a carbon monoxide-sensitive fuel cell 14 , ensure that an almost carbon monoxide-free reformate 17 is available. This can now be used advantageously for the cold start of the exhaust gas catalytic converter 9 , so that the ignition temperature is kept at the desired low level.

Weiterhin ist es von besonderem Vorteil, dass mit diesem Verfahren der Wärmeeintrag ganz gezielt in die aktive Katalysatorbeschichtung des Abgaskatalysators 9 bzw. weiterer Katalysatoren erfolgt und Wärmeverluste durch Aufheizen von inertem Ballast (Rohrwandung, Katalysatorträger) minimiert werden. Sofern die Anfangstemperatur für den vollständigen Umsatz der Wasserstoff/Luftmischung nicht ausreicht, so wird kein schädliches Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff, sondern nur unschädlicher Wasserstoff emittiert. Die beschriebene Maßnahme kann sowohl kurz vor dem Einschalten des Hubkolbenmotors durchgeführt werden, kann sich aber auch mit der Warmlaufphase des Hubkolbenmotors zeitlich überdecken.Furthermore, it is of particular advantage that with this method the heat input takes place in a targeted manner in the active catalyst coating of the exhaust gas catalytic converter 9 or further catalytic converters and heat losses are minimized by heating inert ballast (tube wall, catalytic converter support). If the initial temperature is not sufficient for the complete conversion of the hydrogen / air mixture, then no harmful carbon monoxide or hydrocarbon is emitted, but only harmless hydrogen. The measure described can be carried out shortly before the reciprocating piston engine is switched on, but can also overlap with the warm-up phase of the reciprocating piston engine.

Um die Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Rohemissionen und die notwendige Gemischanfettung während der Kaltstartphase des Hubkolbenmotors 1 zu reduzieren bzw. ganz zu vermeiden, kann dem Hubkolbenmotor 1 neben (oder anstelle) dem eigentlichen Kraftstoff 4 über die Zugabestellen 10 und/oder 11 wasserstoffreiches Reformat zugeführt werden. Bedingt durch die extreme Reaktivität des Wasserstoffs kann dabei die Gemischanfettung für den Hubkolbenmotor 1 reduziert bzw. ganz vermieden werden. Selbst bei nicht vollständiger Umsetzung des Wasserstoffs im Verbrennungsmotor wird dabei nur unschädlicher Wasserstoff emittiert. Im Extremfall wäre ein reiner Wasserstoffbetrieb während der Kaltstartphase bei entsprechender Anlagenauslegung (Größe des Zwischenspeichers, Druck, Gaserzeugungskapazität, etc.) denkbar.In order to reduce or avoid the raw carbon monoxide and hydrocarbon emissions and the necessary mixture enrichment during the cold start phase of the reciprocating engine 1 , the reciprocating engine 1 can be supplied with (or instead of) the actual fuel 4 via the addition points 10 and / or 11 hydrogen-rich reformate become. Due to the extreme reactivity of the hydrogen, the mixture enrichment for the reciprocating piston engine 1 can be reduced or avoided entirely. Even if the hydrogen is not fully converted in the internal combustion engine, only harmless hydrogen is emitted. In extreme cases, pure hydrogen operation would be conceivable during the cold start phase with the appropriate system design (size of the buffer store, pressure, gas generation capacity, etc.).

Sofern eine Abgasrückführung vorgesehen ist, sind ebenfalls vorteilhafte weiterbildende Maßnahmen möglich. Bei der Abgasrückführung handelt es sich um ein etabliertes Verfahren zur Reduktion der Stickoxidrohemissionen. Bei sogenannten quantitätsgeregelten Motoren (Drosselklappe) kann durch die Abgasrückführung zudem eine Entdrosselung und infolgedessen eine Wirkungsgradverbesserung erreicht werden.If an exhaust gas recirculation is provided, are also advantageous further training measures possible. In the Exhaust gas recirculation is an established process to reduce raw nitrogen oxide emissions. With so-called quantity-controlled motors (throttle valve) can be controlled by the Exhaust gas recirculation also dethrottling and as a result an improvement in efficiency can be achieved.

Bei Brennverfahren mit innerer Gemischbildung ist die Höhe der Abgasrate durch die ansteigenden Partikelemissionen begrenzt, insbesondere ist bei Volllast überhaupt keine Abgasrückführung möglich. Bei Verfahren mit äußerer Gemischbildung ist die Abgasrückführungsrate dadurch begrenzt, dass mit steigender Abgasrückführungsrate die sichere Ladungsentflammung nicht mehr gewährleistet ist und die Gefahr von Zündaussetzern beim Betrieb des Hubkolbenmotors 1 wächst.In combustion processes with internal mixture formation, the level of the exhaust gas rate is limited by the increasing particulate emissions; in particular, exhaust gas recirculation is not possible at full load. In processes with an external mixture formation, the exhaust gas recirculation rate is limited by the fact that, with an increasing exhaust gas recirculation rate, the safe charge ignition is no longer guaranteed and the risk of misfires during operation of the reciprocating piston engine 1 increases .

Auch hier ist bei höheren Lasten des Hubkolbenmotors 1 keine Abgasrückführung möglich. Durch das zusätzliche Einbringen von wasserstoffhaltigem Reformat 17 in den Hubkolbenmotor, z. B. an den Zugabestellen 10 oder 11, lassen sich aufgrund der höheren Reaktivität des Wasserstoffs im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen höhere Abgasrückführungsraten und somit eine stärkere Stickoxidabsenkung realisieren. Here too, exhaust gas recirculation is not possible with higher loads on the reciprocating piston engine 1 . By additionally introducing hydrogen-containing reformate 17 into the reciprocating engine, e.g. B. at the addition points 10 or 11 , due to the higher reactivity of the hydrogen compared to conventional fuels, higher exhaust gas recirculation rates and thus a greater reduction in nitrogen oxide can be realized.

Weiterhin ist die minimale realisierbare Leerlaufdrehzahl bei quantitätsgeregelten Motoren momentan u. a. dadurch limitiert, dass im Leerlauf nicht beliebig angedrosselt werden kann, da es sonst durch den mit steigender Drosselung ansteigenden Restgasgehalt im Zylinder des Hubkolbenmotors 1 zu Zündaussetzern kommen kann. Durch Zugabe von reaktivem wasserstoffhaltigen Reformat 17, z. B. an den Zugabestellen 10 oder 11, wird die Gefahr von Zündaussetzern reduziert, so dass die Kraftstoffmenge insgesamt (Wasserstoff und konventioneller Kraftstoff) und damit auch die Leerlaufdrehzahl verringert werden kann. Im Extremfall ist auch hier ein reiner Wasserstoffbetrieb denkbar.Furthermore, the minimum achievable idling speed for quantity-controlled engines is currently limited, among other things, by the fact that it is not possible to throttle freely at idle, since otherwise the residual gas content in the cylinder of the reciprocating piston engine 1, which increases with increasing throttling, can lead to misfires. By adding reactive hydrogen-containing reformate 17 , e.g. B. at the addition points 10 or 11 , the risk of misfires is reduced so that the total amount of fuel (hydrogen and conventional fuel) and thus the idle speed can be reduced. In extreme cases, pure hydrogen operation is also conceivable here.

Auch bei sogenannten qualitätsgeregelten Motoren ist die Leerlaufdrehzahl nach unten limitiert, da eine zu starke Gemischabmagerung ebenfalls zu einem verschlechterten Ausbrand der Ladung bzw. zu Zündaussetzern führt. Auch hier ist durch die vormotorische Zugabe von wasserstoffhaltigem Reformat 17 wegen der extrem breiten Zündgrenzen von Wasserstoff eine Absenkung der Leerlaufdrehzahl möglich. Auch bei solchen Motoren ist sowohl ein Mischbetrieb als auch ein reiner Wasserstoffbetrieb denkbar.Even in the case of so-called quality-controlled engines, the idling speed is limited downwards, because excessive mixture leaning also leads to a deteriorated charge burnout or misfiring. Here too, the pre-engine addition of hydrogen-containing reformate 17 makes it possible to lower the idle speed because of the extremely wide ignition limits of hydrogen. Mixed operation as well as pure hydrogen operation are also conceivable in such engines.

Durch die Absenkung der Leerlaufdrehzahl lässt sich bei Hubkolbenmotoren sowohl der Schadstoffausstoß als auch der Kraftstoffverbrauch reduzieren.By lowering the idle speed, Reciprocating engines both pollutant emissions and Reduce fuel consumption.

Zur Reinigung des Abgases von Stickoxiden werden derzeit bevorzugt NOx-Speicherkatalysatoren bevorzugt eingesetzt. Dabei wird das Abgas zunächst durch einen Oxidationskatalysator geleitet, in dem das vorhandene Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid umgewandelt wird. Dieses wird als Nitrat in einer nachfolgenden (z. B. bariumoxidhaltigen) Speicherkomponente eingelagert. Der Speicherkatalysator muss nach einer Beladungsphase periodisch regeneriert werden. Bislang wird für die Regeneration des Katalysators eine fette reduzierende Atmosphäre generiert, damit das als Nitrat eingelagerte Stickoxid wieder freigesetzt und in reduzierender Atmosphäre unter Kohlendioxid- und/oder Wasserbildung zu unschädlichem Stickstoff reduziert wird.To purify the exhaust gas from nitrogen oxides, NO x storage catalysts are currently preferably used. The exhaust gas is first passed through an oxidation catalytic converter in which the existing nitrogen monoxide is converted into nitrogen dioxide. This is stored as nitrate in a subsequent storage component (e.g. containing barium oxide). The storage catalytic converter must be regenerated periodically after a loading phase. So far, a rich reducing atmosphere has been generated for the regeneration of the catalyst, so that the nitrogen oxide stored as nitrate is released again and reduced to harmless nitrogen in a reducing atmosphere with the formation of carbon dioxide and / or water.

Die Generierung der Fettphase ist dabei sowohl innermotorisch als auch nachmotorisch denkbar. Beider Benzindirekteinspritzung wird derzeit die innermotorische Variante favorisiert. Allerdings ist die fette Verbrennungsführung noch problembehaftet, da erhöhte Partikel- und Kohlenwasserstoff-Emissionen auftreten. Durch vormotorische Zugabe von hochreaktivem, wasserstoffhaltigem Reformat sind auch diese Emissionen absenkbar, wobei im Extremfall wiederum ein reiner Wasserstoffbetrieb denkbar ist.The generation of the fat phase is both internal engine as well as post-engine conceivable. In the Gasoline direct injection is currently the engine Variant favors. However, the fat one Combustion management still problematic because of increased Particle and hydrocarbon emissions occur. By pre-motoric addition of highly reactive, hydrogen-containing These emissions can also be reduced in the reformate In extreme cases, pure hydrogen operation is also conceivable is.

Beim Dieselmotor ist die innermotorische Generierung von Fettphasen im Vergleich zur Benzindirekteinspritzung wegen der noch höheren Partikel- und Kohlenwasserstoff-Emissionen noch problematischer. Die genannten Probleme können durch die vormotorische Zugabe von wasserstoffhaltigem Reformat hier ebenfalls zumindest entschärft wenn nicht vermieden werden.With the diesel engine, the internal engine generation of Fat phases compared to direct petrol injection of even higher particle and hydrocarbon emissions even more problematic. The problems mentioned can be solved by the pre-motoric addition of hydrogen-containing reformate here also at least defused if not avoided.

Wegen der genannten Probleme wird für den Dieselmotor auch die nachmotorische Generierung von Fettphasen diskutiert. Auch hier sollten sich durch die nachmotorische Zugabe von wasserstoffhaltigem Reformat Vorteile bei der Regeneration ergeben.Because of the problems mentioned for the diesel engine too the post-motor generation of fat phases is discussed. Here too, the post-motoric addition of Hydrogen-containing reformate benefits in regeneration result.

Die hohe Reaktivität des Wasserstoffs wäre bei der Regeneration im Vollstrom von Vorteil, da wegen der zu erwartenden verkürzten Reaktionszeiten der Kraftstoffmehrverbrauch, der indirekt durch den Kraftstoffverbrauch für die H2-Erzeugung durch die Reformierung erzeugt wird, verringert werden kann. Die erhöhte Reaktivität des wasserstoffhaltigen Reformats wäre somit auch bei Verwendung zur nachmotorischen Speicherkatalysatorregeneration in einem Tandemsystem gemäß Fig. 3 von Vorteil.The high reactivity of the hydrogen would be advantageous in the regeneration in full flow, since the expected shortened reaction times can reduce the additional fuel consumption which is generated indirectly by the fuel consumption for the H 2 production by the reforming. The increased reactivity of the hydrogen-containing reformate would thus also be advantageous when used for the regeneration of the storage catalyst in a tandem system according to FIG. 3.

In Fig. 3 sind dem Hubkolbenmotor 1 zwei Speicherkatalysatoren 53, 54 unter Zwischenschaltung eines Umschaltventils 55 angeordnet. Mit Hilfe des Umschaltventils 55 können die Speicherkatalysatoren 53, 54 wechselweise in den Strom des Abgases 8 bzw. einer der Entnahmestellen 41, 42, 43 für wasserstoffhaltiges Synthesegas 25 bzw. Reformat 17 zugeschaltet werden. Der im Abgasstrom befindliche Speicherkatalysator, d. h. in dem dargestellten Schaltzustand der Speicherkatalysator 54, dient hierbei zur Abgasreinigung und wird mit Stickoxiden beladen, während der einer Entnahmestelle 41, 42, 43 zugeschaltete Speicherkatalysator, d. h. im dargestellten Schaltzustand der Speicherkatalysator 53 regeneriert wird. Durch periodisches Umschalten mit Hilfe des Umschaltventils 55 ist somit eine kontinuierliche Entreicherung des Abgases 8 von Stickoxiden gewährleistet. Diese Anordnung ist ohne weiteres in Kombination mit weiteren Katalysatoreinheiten zur Abgasreinigung einsetzbar.In FIG. 3, two storage catalytic converters 53 , 54 are arranged for the reciprocating piston engine 1 with the interposition of a changeover valve 55 . With the help of the changeover valve 55 , the storage catalytic converters 53 , 54 can be switched on alternately into the flow of the exhaust gas 8 or one of the extraction points 41 , 42 , 43 for hydrogen-containing synthesis gas 25 or reformate 17 . The storage catalytic converter located in the exhaust gas stream, ie the storage catalytic converter 54 in the switching state shown, is used for exhaust gas purification and is loaded with nitrogen oxides, while the storage catalytic converter connected to an extraction point 41 , 42 , 43 , ie the storage catalytic converter 53 is regenerated in the switching state shown. Periodic switching with the aid of the switching valve 55 thus ensures that the exhaust gas 8 of nitrogen oxides is continuously de-riched. This arrangement can easily be used in combination with further catalytic converter units for exhaust gas purification.

Da mit dem Reformat 17 ein hochreaktives Reduktionsmittel zur Speicherregeneration zur Verfügung steht, ist eine schnelle Katalysatorregeneration auch bei kleinen Reformatdurchsätzen möglich. Dies führt zu einer Absenkung des indirekten Kraftstoffmehrverbrauchs, der durch die Bereitstellung des Reformats erzeugt wird.Since the reformate 17 provides a highly reactive reducing agent for storage regeneration, rapid catalyst regeneration is possible even with small reformate throughputs. This leads to a reduction in the indirect fuel consumption generated by the provision of the reformate.

Insgesamt sind beliebige Kombinationen der genannten vor- und nachmotorischen Maßnahmen denkbar.Any combination of the above and post-motor measures conceivable.

Die Erfindung ist nicht auf die Verbindung der Stoffströme zwischen der Anlage 19 zur Kraftstoffreformierung und den Komponenten zum Betrieb des Hubkolbenmotors 1 bzw. dessen Abgasnachbehandlung beschränkt.The invention is not limited to the connection of the material flows between the system 19 for fuel reforming and the components for operating the reciprocating piston engine 1 or its exhaust gas aftertreatment.

Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, durch die Kombination einer Brennstoffzelle 14 mit einem Verbrennungsmotor, z. B. einem Hubkolbenmotor 1, eine hohe elektrische Leistung bei hohen Wirkungsgraden unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors bereitzustellen. Bei einem Fahrzeug mit einer Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung kann daher auch bei einem abgeschalteten Verbrennungsmotor elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad und geringstem Schadstoffausstoß für den Betrieb von Nebenaggregaten oder das Aufladen einer Batterie bereitgestellt werden. Darüber hinaus können bei Stillstand des Verbrennungsmotors auch die Zwischenspeicher 47, 48, 49 aufgefüllt werden.The main advantage of the invention is to combine a fuel cell 14 with an internal combustion engine, e.g. B. a reciprocating engine 1 to provide high electrical power at high efficiencies regardless of the operation of the internal combustion engine. In a vehicle with a drive device according to the invention, electrical energy with high efficiency and the lowest pollutant emissions can therefore be provided for the operation of auxiliary units or the charging of a battery even when the internal combustion engine is switched off. In addition, the buffers 47 , 48 , 49 can also be filled when the internal combustion engine is at a standstill.

Durch die motorunabhängig verfügbare elektrische Energie kommen neue Möglichkeiten bei der Elektrifizierung von Nebenaggregaten in Frage. So kann beispielsweise eine Standklimatisierung durch elektrisch angetriebene Klimakomponenten realisiert werden. Der Einsatz von elektrisch angetriebenen Hochdruckpumpen, beispielsweise in Common-Rail oder sogenannten Pumpe-Düse-Aggregaten, ist zugunsten einer bedarfsgerechten und wirkungsgradoptimalen Betriebsweise möglich.Thanks to the electrical energy available independently of the motor come new opportunities in the electrification of Auxiliary units in question. For example, a Parking air conditioning by electrically powered Climate components can be realized. The use of electrically driven high pressure pumps, for example in Common rail or so-called pump-nozzle units in favor of needs-based and efficiency-optimized Operation possible.

Weitere mit Elektrizität aus der Brennstoffzelle 14 zu versorgende Systeme sind beispielsweise ein elektrohydraulischer Ventilbetrieb sowie elektrisch beheizbare Katalysatorvorrichtungen. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Versorgung sicherheitsrelevanter Systeme bzw. Komponenten des Fahrzeugs, wie z. B. elektrisch betätigbare bzw. elektronisch gesteuerte Bremse, Lenkung und/oder Federung.Further systems to be supplied with electricity from the fuel cell 14 are, for example, electrohydraulic valve operation and electrically heated catalytic converter devices. Of particular importance is the supply of safety-related systems or components of the vehicle, such as. B. electrically actuated or electronically controlled brake, steering and / or suspension.

In einem besonderen Betriebsfall kann gegebenenfalls von der Steuereinheit eine unzureichende Versorgung der elektrischen Systeme festgestellt werden, beispielsweise wenn die Bordnetzspannung durch unzureichenden Ladezustand der nicht näher dargestellten elektrischen Speichereinheit, z. B. die im Allgemeinen vorhandene Fahrzeugbatterie, abfällt. In einem entsprechenden Fall ermöglicht insbesondere die Brennstoffzelle 14 ein Aufladen dieser elektrischen Speichereinheit. Hierfür werden die entsprechenden Betriebsstoffe 17, 18 der Brennstoffzelle 14 zugeführt.In a special case of operation, the control unit may determine that the electrical systems are insufficiently supplied, for example if the on-board electrical system voltage is insufficient due to the insufficient state of charge of the electrical storage unit, not shown. B. the generally existing vehicle battery drops. In a corresponding case, the fuel cell 14 in particular enables this electrical storage unit to be charged. For this purpose, the corresponding operating materials 17 , 18 are supplied to the fuel cell 14 .

Alternativ hierzu kann in entsprechenden besonderen Betriebsfällen mittels der Brennstoffzelle 14 auch eine direkte Versorgung elektrischer Komponenten vorgesehen werden. Grundsätzlich gewährleisten die zuvor genannten Maßnahmen mit Hilfe der Brennstoffzelle 14 die Funktion eines Notsystems zur Erhaltung der Funktionsfähigkeit mindestens der sicherheitsrelevanten Systeme.Alternatively, in corresponding special operating cases, a direct supply of electrical components can also be provided by means of the fuel cell 14 . Basically, the aforementioned measures with the aid of the fuel cell 14 ensure the function of an emergency system for maintaining the functionality of at least the safety-relevant systems.

Weiterhin kann mit der erfindungsgemäßen Merkmalskombination die Anzahl der mechanischen Kopplungen zwischen den einzelnen Aggregaten reduziert werden. Es ist gewissermaßen ein "riemenfreier" Motor möglich. Der Einbauraum kann hierdurch verkleinert und flexibler ausgebildet werden wobei der Verschleiß derartiger mechanischer Antriebskopplungen entfällt.Furthermore, with the combination of features according to the invention the number of mechanical couplings between each Aggregates can be reduced. It's kind of a "belt-free" motor possible. This allows the installation space reduced in size and more flexible Wear of such mechanical drive couplings eliminated.

Darüber hinaus ergeben sich die oben angeführten Möglichkeiten, in vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung innovative Verbrennungs- und Abgaskonzepte zur Verbesserung des Emissionsverhaltens durch die Verfügbarkeit von wasserstoffhaltigem Reformat zu verwirklichen.In addition, the above results Possibilities in advantageous developments of the invention innovative combustion and exhaust gas concepts for improvement the emission behavior through the availability of to implement hydrogen-containing reformate.

Claims (17)

1. Antriebsvorrichtung, insbesondere für Fahrzeuge, mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Stromerzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.1. Drive device, in particular for vehicles, with an internal combustion engine and an electrical power generator, characterized in that a fuel cell ( 14 ) is provided. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung für die Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.2. Device according to claim 1, characterized in that a system ( 19 ) for fuel reforming for the fuel cell ( 14 ) is provided. 3. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verbindung von der Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung zu dem Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist.3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one connection from the system ( 19 ) for fuel reforming to the internal combustion engine ( 1 ) is provided. 4. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur dosierten Steuerung des Zuflusses eines Stoffes bzw. Stoffgemisches aus der Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung in den Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit for metered control of the inflow of a substance or substance mixture from the system ( 19 ) for fuel reforming into the internal combustion engine ( 1 ) is provided. 5. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verbindung von der Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung zu wenigstens einem Abgaskatalysator (9) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one connection from the system ( 19 ) for fuel reforming to at least one exhaust gas catalytic converter ( 9 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is provided. 6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur dosierten Steuerung des Zuflusses eines Stoffes bzw. Stoffgemisches aus der Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung in einen Abgaskatalysator (9) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist. 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit for metered control of the inflow of a substance or mixture of substances from the system ( 19 ) for fuel reforming into an exhaust gas catalytic converter ( 9 ) of the internal combustion engine ( 1 ) is provided. 7. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Turbine (39) zur Restmengenverwertung von nicht in der Brennstoffzelle (14) umgesetztem Brennstoff vorgesehen ist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a turbine ( 39 ) is provided for recycling residual quantities of fuel not converted in the fuel cell ( 14 ). 8. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner (38) zur Restmengenverwertung von nicht in der Brennstoffzelle (14) umgesetztem Brennstoff vorgesehen ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a burner ( 38 ) is provided for the residual quantity utilization of fuel not converted in the fuel cell ( 14 ). 9. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichtung der Ladeluft bzw. des Verbrennungsgemisches des Verbrennungsmotors (1) mit der Turbine (39) vorgesehen ist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a compression of the charge air or the combustion mixture of the internal combustion engine ( 1 ) with the turbine ( 39 ) is provided. 10. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels der Turbine (39) angetriebener Stromgenerator vorgesehen ist.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a current generator driven by means of the turbine ( 39 ) is provided. 11. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromotorischer Verdichter (6) zur Verdichtung der Ladeluft bzw. des Verbrennungsgemisches des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an electromotive compressor ( 6 ) is provided for compressing the charge air or the combustion mixture of the internal combustion engine. 12. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdichter (24) zur Verdichtung eines Stoffes bzw. Stoffgemisches für den Betrieb der Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one compressor ( 24 ) is provided for compressing a substance or mixture of substances for the operation of the fuel cell ( 14 ). 13. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdichter (44, 45, 46) zur Verdichtung eines Stoffes bzw. Stoffgemisches zur Zugabe in den Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist.13. Device according to one of the above claims, characterized in that at least one compressor ( 44 , 45 , 46 ) is provided for compressing a substance or mixture of substances for addition into the internal combustion engine ( 1 ). 14. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Speicher (47, 48, 49) zur Speicherung eines Zwischenprodukts (25) bzw. Endprodukts (17) der Anlage (19) und/oder eines Stoffes bzw. Stoffgemisches (35) aus der Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.14. Device according to one of the above claims, characterized in that at least one memory ( 47 , 48 , 49 ) for storing an intermediate product ( 25 ) or end product ( 17 ) of the system ( 19 ) and / or a substance or substance mixture ( 35 ) from the fuel cell ( 14 ) is provided. 15. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (47, 48, 49) zur Speicherung eines in den Verbrennungsmotor (1) bzw. die Brennstoffzelle (14) zuzuführenden Stoffes bzw. Stoffgemisches (17, 25, 35) ausgebildet ist.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the memory ( 47 , 48 , 49 ) for storing a substance or substance mixture ( 17 , 25 , 35 ) to be fed into the internal combustion engine ( 1 ) or the fuel cell ( 14 ). is trained. 16. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher Stromerzeuger zur Versorgung wenigstens von sicherheitsrelevanten Betriebseinheiten während einer Startphase und/oder einem besonderen Betriebsfall vorgesehen ist.16. Device according to one of the claims mentioned, characterized characterized that at least one additional Electricity generator to supply at least safety-relevant operating units during a Start phase and / or a special operating case provided is. 17. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (14) als der zusätzliche Stromerzeuger (14) ausgebildet ist.17. Device according to one of the above claims, characterized in that the fuel cell ( 14 ) is designed as the additional power generator ( 14 ).
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