DE10142923A1 - Hybridantriebsvorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Hybridantriebsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Hybridantriebsvorrichtung für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen- und Verbrennungsmotorantrieb. Die Hybridantriebsvorrichtung umfaßt wenigstens eine Brennstoffzelle, einen Verbrennungsmotor, einen Generator und/oder einen Elektromotor und eine gemeinsame Kühleinrichtung für die Brennstoffzelle und den Verbrennungsmotor. Der Elektromotor ist als Fahrantrieb vorgesehen und wird von der Brennstoffzelle und/oder dem Verbrennungsmotor mittels des Generators mit Energie versorgt. Der Verbrennungsmotor, die Brennstoffzelle und die Kühleinrichtung sind miteinander durch Wärmeleitungsmittel wärmeleitend verbunden und Steuermittel sind vorgesehen, über die eine Steuerung eines Wärmestromes von Wärme des Verbrennungsmotors zu der Kühleinrichtung und/oder der Brennstoffzelle, von Wärme der Brennstoffzelle zu der Kühleinrichtung und/oder dem Verbrennungsmotor, und/oder von Wärme der Kühleinrichtung zu dem Verbrennungsmotor und/oder der Brennstoffzelle erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hybridantriebsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Hybridantriebsvor­ richtung.

Aus der WO 99/19161 ist ein Hybridfahrzeug bekannt, das durch eine Kombination einer Brennstoffzelle mit einer Gasturbine angetrieben wird. Als Fahrmotor ist ein Elektromotor vorgesehen, der an die Brennstoffzel­ le und einen Generator der Gasturbine angeschlossen ist. Die Brennstoffzelle und die Gasturbine sind so dimensioniert, daß ungefähr die Hälfte der erreichba­ ren Fahrzeugleistung über die Brennstoffzelle in Form elektrischer Energie zur Verfügung gestellt wird. Bei Leistungsanforderungen an das Fahrzeug, die unterhalb der maximalen Brennstoffzellenleistung liegen, wird die Antriebsleistung von der Brennstoffzelle und der mit Brennstoffzellen-Abgas betriebenen Gasturbine auf­ gebracht. Bei höherem Leistungsbedarf wird die Gastur­ bine zur Leistungssteigerung zusätzlich mit Kohlenwas­ serstoff-Brennstoff betrieben. Die Wärme des Gasturbi­ nenabgases wird mittels eines Wärmetauschers zum Vor­ heizen der Zuluft der Brennstoffzelle und der Gastur­ bine verwendet.

Aus der WO 98/40922 ist ein Hybrid-Energieerzeugungs­ system mit einer Brennstoffzelle und einem Verbren­ nungsmotor bekannt. Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird zunächst in einem Pyrolysereaktor in einen Wasserstoff enthaltenden Brennstoffanteil und einen Rest- Brennstoff aufgespalten. Mit dem Wasserstoff enthal­ tenden Anteil wird die Brennstoffzelle betrieben, die die Energie für einen Elektromotor liefert. Der Rest- Brennstoff ist als Treibstoff für den Verbrennungsmo­ tor vorgesehen. Die Arbeit des Verbrennungsmotors wird als mechanische Energie zur Verfügung gestellt oder mittels eines Generators als elektrische Energie dem Elektromotor zugeführt. Die Abgaswärme des Verbren­ nungsmotors wird zum Aufheizen des Pyrolysereaktors und zum Vergasen des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes eingesetzt. Das Hybrid-Energieerzeugungssystem ist zum Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen.

In der älteren Patentanmeldung DE 199 13 794 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenantrieb und ei­ nem Brennkraftmaschinenantrieb vorgeschlagen worden. Die Brennkraftmaschine ist über eine Kupplung mit ei­ nem Antriebsstrang des Fahrzeuges verbunden und die Brennstoffzelle speist einen Elektromotor, der an dem Antriebsstrang ankuppelbar ist. Der Brennkraftmaschi­ nenantrieb wird in einer Startphase als Antrieb des Fahrzeuges bis zum Warmlaufen des Brennstoffzellenan­ triebes eingesetzt und gewährleistet eine sofortige Fahrbereitschaft. In der Startphase wird der Brenn­ kraftmaschinenantrieb außerdem zum Aufheizen des Brennstoffzellenantriebs auf Betriebstemperatur ver­ wendet. Dazu werden die Abgase der Brennkraftmaschine an der Brennstoffzelle entlang geführt und die Brenn­ stoffzelle und die Brennkraftmaschine sind an einem gemeinsamen Kühler angeschlossen. Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenantriebes wird das Antriebsmoment des Fahrzeug von dem Brennstoffzel­ lenantrieb allein oder bei höherem Leistungsbedarf zu­ sammen mit dem Brennkraftmaschinenantrieb aufgebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Hybrid­ antrieb aus Brennstoffzelle und Verbrennungsmotor, der eine sofortige Fahrbereitschaft auch bei einem Kalt­ start gewährleistet, dahingehend weiterzuentwickeln, daß ein einfacher gewichtssparender Aufbau, eine ver­ besserte Energiebilanz und ein emissionsarmer Betrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere in der Startpha­ se, erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird zum einen ein Hybridan­ trieb mit den Merkmalen des Anspruches 1 und zum ande­ ren ein Verfahren zum Betreiben des Hybridantriebes mit den Merkmalen des Anspruches 11 vorgeschlagen.

Demnach umfaßt eine erfindungsgemäße Hybridantriebs­ vorrichtung wenigstens eine Brennstoffzelle, einen Verbrennungsmotor, einen Generator, einen Elektromotor und eine gemeinsame Kühleinrichtung für die Brenn­ stoffzelle und den Verbrennungsmotor, wobei der Elekt­ romotor von der Brennstoffzelle und/oder dem Verbren­ nungsmotor mittels des Generators mit Energie versorgt wird, sowie Wärmeleitungsmittel, die den Verbrennungs­ motor, die Brennstoffzelle und die Kühleinrichtung miteinander wärmeleitend verbinden, und wobei Steuer­ mittel vorgesehen sind, über die eine Steuerung eines Wärmestromes von Wärme des Verbrennungsmotors zu der Kühleinrichtung und/oder der Brennstoffzelle, von Wär­ me der Brennstoffzelle zu der Kühleinrichtung und/oder dem Verbrennungsmotor, und/oder von Wärme der Kühlein­ richtung zu dem Verbrennungsmotor und/oder der Brenn­ stoffzelle erfolgt. Statt den beiden als Generator und Elektromotor verwendeten Elektromaschinen können auch eine oder zwei Elektromaschinen als Generator und/oder Elektromotor eingesetzt werden.

Durch die wärmeleitende Verbindung von Kühleinrich­ tung, Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle unterein­ ander sowie die Steuermittel wird erreicht, daß die von dem Verbrennungsmotor und/oder der Brennstoffzelle erzeugte Wärme in Abhängigkeit vom Betriebszustand vorteilhaft genutzt bzw. verteilt werden kann. Bei Be­ trieb der Brennstoffzelle oder des Verbrennungsmotors kann die Abwärme unmittelbar zu der jeweils anderen Komponente geleitet werden und zum Aufheizen auf bzw. zum Aufrechterhalten der Betriebstemperatur dienen.

Beim Kaltstart ist durch den Verbrennungsmotor eine sofortige Fahrbereitschaft gewährleistet. Die Abwärme des Verbrennungsmotors wird über die Steuermittel zu­ mindest teilweise zur Brennstoffzelle geleitet und Heizen diese auf Betriebstemperatur. Die gemeinsame Kühleinrichtung kann dabei ganz oder teilweise aus dem Kühlkreislauf ausgekoppelt sein. Der Leistungsbedarf bei mittleren Fahranforderungen, z. B. im Stadtverkehr, kann allein über den Betrieb der Brennstoffzelle ge­ deckt werden. Über die Steuermittel kann mit der Ab­ wärme der Brennstoffzelle der nicht im Betrieb befind­ liche Verbrennungsmotor auf Betriebstemperatur gehal­ ten werden, so daß bei erhöhtem Leistungsbedarf der Verbrennungsmotor betriebswarm zugeschaltet werden kann. Dieses führt zu besseren Emissionswerten und ei­ nem geringeren Motorenverschleiß. Wenn die Brennstoff­ zelle und der Verbrennungsmotor gemeinsam betrieben werden, kann die erzeugte Wärme der gemeinsamen Kühl­ einrichtung zugeführt und dort an die Umgebung abgege­ ben werden. Die Kühleinrichtung kann dabei so ausge­ legt sein, daß eine zeitweilige Wärmespeicherung, z. B. durch eine entsprechende Wahl eines Kühlmediums oder einen zusätzlichen Wärmespeicher, ermöglicht wird. Diese Wärme kann der Brennstoffzelle und/oder dem Verbrennungsmotor in der Startphase zugeführt werden, um die Dauer der Startphase zu verkürzen.

Das Drehmoment für die Fortbewegung des Fahrzeuges wird sowohl beim Verbrennungsmotor- und als auch beim Brennstoffzellenbetrieb von dem Elektromotor aufge­ bracht. Es müssen daher nicht die Drehmomente von E­ lektromotor und Verbrennungsmotor mit unterschiedli­ cher Charakteristik über mechanische Mittel, wie ent­ sprechend ausgelegte Getriebe, zusammengeführt sowie für jeden Motor eine Motorsteuerung vorgesehen werden, wodurch sich der Aufbau des Antriebes vereinfacht. E­ lektromotoren, z. B. in Form von Asynchronmotoren, er­ reichen hohe Drehzahlen bis 20.000 min-1. Dieses er­ möglicht eine Reduzierung der notwendigen Unterset­ zungsstufen und führt damit zu einfachen und kompakten Getrieben. Da die Fortbewegung des Fahrzeuges über den Elektromotor gesteuert wird, muß der Verbrennungsmotor nicht über einen weiten Drehzahlbereich betrieben wer­ den bzw. steuerbar sein. Die Drehzahl des Motors kann vielmehr vorteilhaft hinsichtlich Wirkungsgrad und E­ mission festgelegt bzw. der Verbrennungsmotor kann konstruktiv auf die Drehzahlvorgabe des Generators ab­ gestimmt werden. Dadurch können auch in der Startphase günstige Emissionswerte des Verbrennungsmotors erzielt werden.

Andererseits kann auch jeder andere vorbekannte Hyb­ ridantrieb in Kombination mit einer Brennstoffzelle mit dem Erfindungsgegenstand ausgerüstet werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Hybridantriebsvorrichtung wird das Antriebsmo­ ment der Antriebsvorrichtung bis zum Erreichen einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle bzw. des Brenn­ stoffzellensystems durch den Verbrennungsmotor mittels des Generators und des Elektromotor erzeugt und die Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellensystem werden mit den elektrischen Heizmitteln und der Abwärme des Verbrennungsmotors, die über die Wärmeleitungsmittel und die Steuermittel zumindest teilweise zur Brenn­ stoffzelle bzw. zum Brennstoffzellensystem geleitet werden, auf Betriebstemperatur erhitzt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Fahrzeug auch bei einem Kaltstart sofort fahrbereit. Der Verbrennungsmotor dient beim Kaltstart zum Fahrantrieb und zum Aufheizen des Brennstoffzellenantriebs. Das Antriebskonzept von Verbrennungsmotor, Generator und Elektromotor ermöglicht einen emissionsarmen Verbren­ nungsmotorbetrieb bei optimaler Drehzahl hinsichtlich Wirkungsgrad und Emission. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit eine kurze und emissionsarme Kaltstartphase erreicht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Hybridantriebsvorrichtung ein Brennstoff­ zellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einer Gaserzeugungseinrichtung zum Erzeugen von was­ serstoffhaltigem Gas für die Brennstoffzelle. Dadurch wird es möglich, daß die Antriebsvorrichtung mit ge­ eigneten Kraftstoffen, wie Benzin und Diesel, Alkoho­ len, insbesondere Methanol, sowie anderen Kohlenwas­ serstoffbrennstoffen, betrieben werden kann, ohne daß für die Brennstoffzelle separat Wasserstoff im Fahr­ zeug mitgeführt werden muß.

Bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung sind das Brennstoffzellensystem oder Komponenten des Brenn­ stoffzellensystems, wie beispielsweise Brennstoffzel­ le, Gaserzeugungseinrichtung, Verdampfer, Gasreinin­ gunsstufen wie CO-Shift- oder CO-Oxydations-Stufe, ü­ ber die Wärmeleitungsmittel und die Steuermittel mit dem Verbrennungsmotor und der Kühleinrichtung wärme­ leitend verbunden. Dadurch sind das Brennstoffzellen­ system bzw. Komponenten des Brennstoffzellensystems in den Kühlkreislauf eingebunden und die erzeugte Wärme kann in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Kompone­ ten abgeführt bzw. zu diesen hingeleitet werden. Damit kann eine vorteilhafte Wärmeverteilung erreicht wer­ den.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung werden der Verbrennungsmotor und die Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellensystem mit dem gleichen Brennstoff betrieben. Es ist nur eine Art von Brenn­ stoffspeicher mit Speicherbehälter und Zuleitungen notwendig, wodurch ein einfacherer, gewichtsparender und kostengünstiger Aufbau erreicht wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind für die Brennstoffzelle bzw. das Brenn­ stoffzellensystem elektrische Heizmittel vorgesehen. Die elektrischen Heizmittel ermöglichen ein schnelles Aufheizen der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzel­ lensystems oder einzelner Komponenten auf Betriebstem­ peratur. Sie sind ohne zusätzlichen Aufwand an den vorhandenen Generator anschließbar. Der Brennstoffzel­ lenantrieb kann beim Kaltstart noch schneller auf Be­ triebstemperatur aufgeheizt werden, da die elektri­ schen Heizmittel die Wärme im Gegensatz zur Abwärme des Verbrennungsmotors ohne Verzögerung abgeben.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Brennstoffzelle bzw. das Brennstoffzellen­ system zusätzlich mit dem elektrischen Heizmittel auf Betriebstemperatur erhitzt. Durch die Kombination von elektrischem Heizmittel und Abwärme wird zeitlich ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur und damit ein rascher Übergang zum emissionsarmen Brennstoffzel­ lenantrieb gewährleistet.

Bei einer zweckmäßigen Fortbildung des Verfahrens wird eine aus vorherigem Betrieb der Antriebsvorrichtung in der Kühleinrichtung vorhandene Restwärme über die Wär­ meleitungsmittel und die Steuermittel zum Verbren­ nungsmotor und/oder zur Brennstoffzelle bzw. zum Brennstoffzellensystem geleitet. Durch dieses Verfah­ ren wird die Energiebilanz verbessert und die Dauer der Startphase abgekürzt.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird bei Betrieb der Brennstoffzelle und nicht im Be­ trieb befindlichen Verbrennungsmotor die Abwärme der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems über die Wärmeleitungsmittel und die Steuermittel zumindest teilweise zu dem Verbrennungsmotor geleitet, um die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors aufrechtzu­ erhalten. Bei erhöhtem Leistungsbedarf kann der Verbrennungsmotor dem Brennstoffzellenantrieb jeder­ zeit betriebswarm zugeschaltet werden. Der Verbren­ nungsmotor weist im betriebswarmen Zustand günstigere Emissionswerte und einen geringeren Verschleiß auf. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann ei­ ne mechanische Überbrückung von der Brennkraftmaschine zur Elektroantriebsmaschine und/oder zur Antriebsachse gegebenenfalls mit wandelbarer Übersetzung dargestellt werden. Dadurch kann die Elektroantriebsmaschine klei­ ner dimensioniert werden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwend­ bar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Antriebsvorrichtung; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Antriebsvorrichtung in einer alternativen Ausführungsform mit einer Wär­ mespeichereinrichtung; und.

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Antriebsvorrichtung in einer alternativen Ausführungsform mit einer Hoch­ temperaturspeichereinrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Antriebs­ vorrichtung 1 umfaßt ein Brennstoffzellensystem 2, welches gegebenenfalls aus mindestens einer Brenn­ stoffzelle 3 und einer Gaserzeugungseinrichtung 4 be­ steht, einen Verbrennungsmotor 5, einen Generator 6, einen Elektromotor 7 und eine Kühleinrichtung 8.

Das Brennstoffzellensystem 2 ist aus der mindestens einen Brennstoffzelle 3 aufgebaut. Üblicherweise wer­ den mehrere Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack zusammengefaßt. Die Anzahl der eingesetzten Brennstoffzellen bzw. die Anordnung und Verschaltung mehrerer Brennstoffzellenstacks richtet sich nach den geforderten Leistungsdaten, d. h. im we­ sentlichen den Anforderungen an Strom und Spannung hinsichtlich des verwendeten Elektromotors bzw. der E­ lektromotoren. Das Brennstoffzellensystem 2 umfaßt zweckmäßigerweise eine Gaserzeugungseinrichtung 4, die aus geeigneten kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt. Als Brennstoffe kommen insbesondere Alkohole wie Methanol, konventio­ nelle Treibstoffe wie Benzin und Diesel, Natural Gas und Liquified Petrol Gas in Frage, die beispielsweise durch partielle Oxidation oder Wasserdampfreformierung in das wasserstoffreiche Gas umgewandelt werden. Der Gaserzeugungseinrichtung sind (nicht dargestellte) Gasreinigungsstufen wie Shift-Stufe oder CO- Oxidationsstufe nachgeschaltet.

Der Verbrennungsmotor 5 und das Brennstoffzellensystem 2 werden zweckmäßigerweise mit dem gleichen Brenn­ stoff, mit Wasserstoff bei Abwesenheit einer Gaserzeu­ gungsvorrichtung 4, ansonsten mit den zuvor genannten Brennstoffen betrieben. Als Verbrennnungsmotor 5 kön­ nen beispielsweise Diesel- oder Ottomotoren vorgesehen sein, die hinsichtlich Drehzahl, Hubvolumen, Emission etc. für einen Generatorantrieb ausgelegt sind. Gene­ rator 6 und Verbrennungsmotor 5 sind über eine Welle 13 miteinander verbunden.

Der Verbrennungsmotor 5, das Brennstoffzellensystem 2 und die Kühleinrichtung 8 sind über Wärmeleitungsmit­ tel 10 untereinander wärmeleitend verbunden. Im Aus­ führungsbeispiel sind die Wärmeleitungsmittel 10 als Leitungen und die Kühleinrichtung 8 als ein Kühler ausgeführt, in denen eine Kühlflüssigkeit zirkuliert. Zur Unterstützung der Kühlung ist am Kühler 8 ein Ge­ bläse 16 vorgesehen. In den Leitungen 10 sind steuer­ bare Ventile, beispielsweise Dreiwegeventile, als Steuermittel 11 angeordnet. Die Kühleinrichtung 8 kann durch entsprechende Wahl des Kühlmediums oder durch (nicht dargestellte) Wärmespeicher für eine zeitweise Wärmespeicherung vorgesehen werden. Die gespeicherte Wärme kann zum Erwärmen von Brennstoffzelle 3 und/oder Verbrennungsmotor 5 verwendet werden. Die Masse des Verbrennungsmotors 5 selbst kann auch als Wärmespei­ cher bzw. Wärmepuffer dienen, um beispielsweise einen gemittelten Betrieb der Kühleinrichtung 8 vorzusehen.

Daneben wäre es auch denkbar, zusätzliche Wärmespei­ chereinrichtungen und/oder Hochtemperaturspeicher als eigenständige Bauteile einzusetzen, wie dies später anhand von Fig. 2 und Fig. 3 noch eingehend erläutert wird.

Der Fluß der Kühlflüssigkeit und damit der Wärmestrom kann über die Ventile 11 im Kühlkreislauf aus Brenn­ stoffzellensystem 2, Verbrennungsmotor 5 und Kühler 8 gesteuert werden. Durch eine entsprechende Stellung des Dreiwegeventils 11a kann die Kühlflüssigkeit von dem Verbrennungsmotor 5 ausschließlich zum Kühler 8, ausschließlich zum Brennstoffzellensystem 2 oder in einem entsprechenden Verhältnis sowohl zum Kühler 8 als auch zum Brennstoffzellensystem 2 geleitet werden. Über das Dreiwegeventil 11b erfolgt eine Steuerung der Kühlflüssigkeit zum Verbrennungsmotor 5. Über eine entsprechende Stellung der Dreiwegeventile 11a und 11b können somit das Brennstoffzellensystem 2, der Verbrennungsmotor 5 oder der Kühler 8 ganz oder teil­ weise aus dem Kühlkreislauf ein- bzw. ausgekoppelt werden. Pumpen 12 dienen zur Unterstützung der Zirku­ lation der Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf.

In Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsart, d. h. vom Betriebszustand von Brennstoffzellensystem 2 und Verbrennungsmotor 5, kann die im Verbrennungsmotor 5 und/oder der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Brennstoffzel­ lensystem 2 erzeugte Wärme an die jeweils anderen Kom­ ponenten des Kühlkreislaufs verteilt werden.

Bei einem Kaltstart werden die Dreiwegeventile 11 so eingestellt, daß der Kühler 8 vollständig oder teil­ weise aus dem Kühlkreislauf ausgekoppelt wird, so daß die Abwärme des Verbrennungsmotors 5 dem Brennstoff­ zellensytem 2 zugeleitet wird. Außerdem wird über (nicht dargestellte) Schaltmittel eine elektrische Heizung 17 in Betrieb gesetzt, die zumindest auf.ein­ zelne Komponenten des Brennstoffzellensystems 2 wie Brennstoffzelle 3 oder Gaserzeugungseinrichtung 4, wirkt. Die elektrische Heizung 17 ist über Leitungen 18 an den Generator 6 angeschlossen, so daß mit Star­ ten des Verbrennungsmotors 5 über den Generator 6 die benötigte Energie bereitgestellt wird. Zusätzlich kön­ nen (nicht dargestellte) Energiespeicher, beispiels­ weise eine Batterie, vorgesehen sein, deren Energie insbesondere in der Startphase zur Verfügung steht. Ein Aufladen der Batterie kann über den Generator 5 erfolgen.

Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoff­ zellensystems 2 wird das Fahrzeug vorzugsweise nur ü­ ber das Brennstoffzellensystem 2 angetrieben. Die Ven­ tile 11 werden so eingestellt, daß ein Anteil der von dem Brennstoffzellensystem 2 erwärmten Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 5 zirkuliert und diesen so auf Betriebstemperatur hält. Bei gleich­ zeitigem Betrieb von Verbrennungsmotor 5 und Brenn­ stoffzellensystem 2 wird die Ventileinstellung so ge­ wählt, daß über die Kühleinrichtung 8, gegebenenfalls durch Zuschalten des Gebläses 16 eine ausreichende Kühlung von Brennstoffzellensystem 2 und Verbrennungs­ motor 5 gewährleistet ist.

Als Fahrantrieb für das Fahrzeug ist mindestens ein E­ lektromotor 7 vorgesehen, der das mechanische Drehmo­ ment zum Fahrzeugantrieb erzeugt. Es sind aber auch mehrere Elektromotoren, beispielsweise an jeder Achse oder jedem Rad eines Fahrzeuges möglich. Der Elektro­ motor 7 ist über Anschlußleitungen 14 und 15 mit dem Brennstoffzellensystem 2 und dem Generator 6 verbun­ den. Über (nicht dargestellte) Steuereinrichtungen wird die Drehzahl des Elektromotors 7 sowie das Um­ schalten bzw. das Zuschalten des Generators 6 oder der Brennstoffzelle 3 gesteuert. Der Elektromotor 7 treibt ein (nicht dargestelltes) Getriebe an, das entspre­ chend des Drehzahlbereiches des Elektromotors unter­ setzt ist und das Antriebsmoment letztlich auf die An­ triebsräder überträgt. Zusätzlich können (nicht darge­ stellte) Kupplungs- und Getriebemittel vorgesehen sein, die eine unmittelbare Nutzung des Verbrennungs­ motors 5 zum Vortrieb ermöglichen, beispielsweise bei Defekt des Elektromotors 7 oder besonders hohem Leis­ tungsbedarf.

Günstig ist, eine mechanische Überbrückung von der Brennkraftmaschine zur Elektroantriebsmaschine und/oder zur Antriebsachse gegebenenfalls mit wandelbarer Übersetzung vorzusehen. Dadurch kann die Elektroan­ triebsmaschine kleiner dimensioniert werden. In einer Weitergestaltung der Erfindung kann der Generator ent­ fallen, um den Leistungsbedarf zu vermindern.

Die Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 kann als optiona­ le, um eine Wärmespeichereinrichtung 19 ergänzte Vari­ ante gesehen werden. Auch für diese Variante gelten die oben angeführten Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen vergleichbar. Neben der zusätzlichen Wärmespei­ chereinrichtung 19 ist das in Fig. 2 dargestellte Aus­ führungsbeispiel lediglich um die Verbindungen des Wärmeleitungsmittels 10 zu der Wärmespeichereinrich­ tung 19 ergänzt. Um die Wärmespeichereinrichtung 19 nun zum Speichern und wieder Abgeben der Wärme an das Wärmeleitungsmittel 10 nutzen zu können, müssen dem­ entsprechend die Ventile 11 in dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel als Vierwegeventile 11a', 11b' ausgebildet sein. Ansonsten verhalten sich die Mög­ lichkeiten hinsichtlich des Einsatzes einer derartigen Antriebsvorrichtung 1 analog zu dem bereits gesagten, mit dem Unterschied daß hier mehr Wärme eingespeichert werden kann, so daß die Energieausnutzung verbessert wird.

Die Wärmespeichereinrichtung 19 kann dabei als feste oder fluidische Masse ausgebildet sein, welche ideal­ erweise eine Isolation gegenüber der Umgebung auf­ weist. Im Gegensatz zu der Masse des Brennstoffzellen­ systems 2 bzw. der Brennstoffzelle 3 und des Verbren­ nungsmotors 5 kann in einer derartigen Wärmespei­ chereinrichtung 19 die Wärme über einen längeren Zeit­ raum gespeichert werden. So ist es beispielsweise denkbar, daß die eingespeicherte Wärme auch bei einer längeren Standzeit der Antriebsvorrichtung 1, z. B. ü­ ber den Zeitraum einiger Stunden, auf einem so hohen Temperaturniveau zur Verfügung steht, daß diese den Wiederstart bzw. die Anwärmung der Antriebsvorrichtung 1 für den Wiederstart in idealer Weise unterstützen kann.

Neben der hier dargestellten Lage der Wärmespei­ chereinrichtung 19 wäre es auch denkbar, diese im Be­ reich der Kühleinrichtung 8 anzuordnen, wie dies oben bereits kurz angedeutet wurde. Dabei wäre dann eine Einsparung an Leitungslängen sowie die Weiterverwen­ dung der Dreiwegeventilen 11a, 11b möglich.

In Fig. 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Antriebsvorrichtung 1 dargestellt. Darin ist ein Abgasstrang 20 der Verbrennungsmaschine 5 mit einem Krümmer 21, einem Katalysator 22 und einem Endschall­ dämpfer 23 prinzipmäßig angedeutet. Des weiteren ist eine Wärmetauscheinrichtung 24 zu erkennen, welche in einer wärmeleitenden Verbindung mit einer Hochtempera­ turspeichereinrichtung 25 steht. Die Wärmetauschein­ richtung 24 erlaubt es, einen Teil der in dem Abgas der Verbrennungsmaschine 5 enthaltenen thermischen E­ nergie in die Hochtemperaturspeichereinrichtung 25 einzuladen, wenn die Verbrennungsmaschine 5 betrieben wird. In idealer Weise wird hierfür die Wärme­ tauscheinrichtung 24 als Rohrwärmetauscher ausgebil­ det, welcher über einen Wärmeträgermedium, hier insbe­ sondere ein Druckgas, mit der Hochtemperaturspei­ chereinrichtung 25 in Verbindung steht. Der einfache und kostengünstige Aufbau eines derartigen Rohrwärme­ tauschers als Wärmetauscheinrichtung 24 erlaubt es, daß dieser auch bei Dauerbetrieb, nachdem die Hochtem­ peraturspeichereinrichtung 25 bereits bis zu ihrer ma­ ximalen Speicherkapazität aufgefüllt ist, in dem Ab­ gasstrang 20 verbleiben kann, so daß auf teure, kom­ plizierte und störanfällige Umschaltelemente zur Ver­ hinderung der Überhitzung des Wärmeträgermediums ver­ zichtet werden kann.

Die Hochtemperaturspeichereinrichtung 25 kann dabei vergleichbar zu der Wärmespeichereinrichtung 19 ausge­ bildet sein, wobei gegebenenfalls ein weiterer Wärme­ tauscher zum Übertrag der Wärme auf die Wärmeleitungs­ mittel 10 vorgesehen sein kann. Durch das Einspeichern von Wärme in der Hochtemperaturspeichereinrichtung 25 auf einem sehr hohen Temperaturniveau kann die Wärme über einen entsprechend langen Zeitraum gespeichert werden, ehe sie sich auf ein Temperaturniveau abkühlt, welches für die Verwendung, beispielsweise beim Kalt­ start der Antriebsvorrichtung 1, uninteressant ist.

In besonders günstiger Weise wird die in der Hochtem­ peraturspeichereinrichtung 25 eingespeicherte Wärme dabei so genutzt, daß je nach Bedarf zunächst Wärme auf einem weitaus niedrigeren Temperaturniveau, wel­ ches sich beispielsweise in den Komponenten, also in der Brennstoffzelle 3, in dem Verbrennungsmotor 5 und falls vorhanden in dem Gaserzeugungssystem 4 befindet in der Antriebsvorrichtung 1 zu Vorheizzwecken ausge­ tauscht wird. Die Wärme kann von der Verbrennungsma­ schine 5 zu der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Brennstoff­ zellensystem 2 geleitet werden, oder auch in umgekehr­ ter Richtung, wie es oben bereits beschrieben wurde, je nach Betriebszustand der Antriebsvorrichtung 1. Falls die optionale Wärmespeichereinrichtung 19 in der Antriebsvorrichtung 1 vorhanden ist, so kann diese selbstverständlich in dieses System mit einbezogen werden, da auch in ihr Wärme auf dem niedrigeren Tem­ peraturniveau, im allgemeinen dem Temperaturniveau der Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf, eingespeichert ist. Anschließend an diese Vorheizphase wird dann die Wärme aus der Hochtemperaturspeichereinrichtung 25, welche sich auf deutlich höherem Temperaturniveau befindet, entnommen und den Komponenten mit Wärmebedarf zugelei­ tet. Zum Transport der Wärme dient auch hier der Kühl­ kreislauf mit dem Wärmeleitungsmittel 10.

Durch diese Verfahrensweise kann mit relativ geringen Wärmemengen aus der Hochtemperaturspeichereinrichtung 25 bereits eine ausreichend hohe Starttemperatur für die vorzuheizenden Komponenten erreicht werden, so daß bei einem derartigen Verfahren die Hochtemperaturspei­ chereinrichtung 25 entsprechend klein und damit kos­ tengünstig ausgeführt werden kann. Durch das Vorheizen der Verbrennungsmaschine 5 lassen sich dabei z. B. die Startemissionen verringern, bei der Gaserzeugungsein­ richtung 4 wird der direkte Start so überhaupt erst möglich.

Selbstverständlich muß bei einem derartigen kaskaden­ artigen Vorheizverfahren darauf geachtet werden, daß beim Eintrag von Wärme aus der Hochtemperaturspei­ chereinrichtung 25 in die Wärmeleitungsmittel 10 die gegebenenfalls zusätzlich vorhandene Wärmespeicherein­ richtung 19, welche zu dem Zeitpunkt im allgemeinen "leer" sein wird, nicht von den Wärmeleitungsmitteln 19 durchströmt wird, da die Wärmespeichereinrichtung 19 ansonsten einen Teil der für die Vorheizung der je­ weiligen Komponente gedachte Wärme aus der Hochtempe­ raturspeichereinrichtung 25 aufnehmen würde, welche dann für den bestimmungsgemäßen Zweck nicht mehr zur Verfügung stünde.

Beim Einsatz einer derartigen Hochtemperaturspei­ chereinrichtung 25 muß außerdem darauf geachtet wer­ den, daß die Wärmeleitungsmittel 10 nicht durch Über­ temperatur geschädigt werden. Beim Einsatz von mit Frostschutz versetztem Kühlwasser kann sich dies bei­ spielsweise durch ein Cracken von Molekülen im Bereich des Frostschutzes bemerkbar machen. Eine Verbesserung läßt sich z. B. dadurch erzielen, daß nach dem Errei­ chen einer bestimmten Temperatur in der Hochtempera­ turspeichereinrichtung 25 der Wärmeübertragungsmecha­ nismus zwischen der Hochtemperaturspeichereinrichtung 25 und den Wärmeleitungsmitteln 10 abgeriegelt oder vollständig unterbrochen wird. Diese Regelung des Wär­ meflusses zwischen dem Wärmeleitungsmittel 10 und der Hochtemperaturspeichereinrichtung 25 kann vorzugsweise über einen wärmeleitenden Festkörper mit veränderli­ cher Kontaktfläche erfolgen oder, wie oben bereits bei der besonders günstigen Ausführungsform für das Ein­ speichern der Wärme aus dem Abgasstrang 20 in die Hochtemperaturspeichereinrichtung 25 beschrieben, über einen Wärmeträgerkreislauf mit einem geeigneten Wärme­ trägermedium, insbesondere Druckgas. Zu Isolierzwecken könnte dann der Kreislauf einfach abgesperrt werden.

Sollte die Temperatur in der Hochtemperaturspei­ chereinrichtung 25 trotz Abregelung eine zulässige Höchsttemperatur überschreiten, so kann eine Abfuhr von Wärme über die Kühleinrichtung 8, beispielsweise durch einen Mindestvolumenstrom, welcher durch die Ventile 11 vorgegeben wird, sichergestellt werden.

Die Wärme aus der Wärmespeichereinrichtung 19 und aus der Hochtemperaturspeichereinrichtung 25 kann nach Kriterien des Vorrangs der Nützlichkeit, sobald also abzusehen ist, daß im Bereich der Antriebsvorrichtung 1 aktuell keine Wärme benötigt wird, auch für andere Wärmenutzer verwendet werden. Beispiele wären hier ein Frontscheibenwärmetauscher, ein Heizwärmetauscher so­ wie Getriebe- bzw. Motorölwärmetauscher, Batteriewär­ metauscher und dergleichen. Insbesondere der Batterie­ wärmetauscher stellt hier eine sehr günstige Möglich­ keit der Verwendung in einem derartigen Hybridsystem dar, das insbesondere die Elektrotraktionsbatterie (nicht dargestellt), welche in derartigen Antriebsvor­ richtungen 1 zu Pufferzwecken häufig eingesetzt wird, bei sehr kalten Temperaturen eine sehr ungenügende Leistungsperformance zeigt. Dabei kann die Elektro­ traktionsbatterie sinnvollerweise ihre Wärme ganz zum Schluß erhalten, wenn die anderen Aggregate bereits ausreichend vorgeheizt sind.

Claims (17)

1. Hybridantriebsvorrichtung, insbesondere für Fahr­ zeuge, mit mindestens einer Brennstoffzelle (3), einem Verbrennungsmotor (5), einem Generator (6) und/oder einem Elektromotor (7) und einer gemein­ samen Kühleinrichtung (8) für die Brennstoffzelle (3) und den Verbrennungsmotor (5), wobei der E­ lektromotor (7) von der Brennstoffzelle (3) und/oder dem Verbrennungsmotor (5) mittels des Ge­ nerators (6) mit Energie versorgt wird, sowie mit Wärmeleitungsmitteln (10), die den Verbrennungsmo­ tor (5), die Brennstoffzelle (3) und die Kühlein­ richtung (8) miteinander wärmeleitend verbinden, und wobei Steuermittel (11) vorgesehen sind, über die eine Steuerung eines Wärmestromes von Wärme des Verbrennungsmotors (5) zu der Kühleinrichtung (8) und/oder der Brennstoffzelle (3), von Wärme der Brennstoffzelle (3) zu der Kühleinrichtung (8) und/oder dem Verbrennungsmotor (5), und/oder von Wärme der Kühleinrichtung (8) zu dem Verbrennungs­ motor (5) und/oder der Brennstoffzelle (3) er­ folgt.

2. Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Brennstoffzellensystem (2) mit wenigstens ei­ ner Brennstoffzelle (3) und einer Gaserzeugungs­ einrichtung (4) zum Erzeugen von wasserstoffhalti­ gem Gas für die Brennstoffzelle (3) umfaßt.

3. Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffzellensystem (2) oder Komponenten (3, 4) des Brennstoffzellensystem (2) über die Wärmeleitungsmittel (10) und die Steuermittel (11) mit dem Verbrennungsmotor (5) und der Kühleinrich­ tung (8) wärmeleitend verbunden sind.

4. Hybridantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (5) und die Brennstoffzelle (3) bzw. das Brennstoffzellensystem (2) zum Be­ trieb mit dem gleichen Brennstoff vorgesehen sind.

5. Hybridantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Brennstoffzelle (3) bzw. das Brennstoff­ zellensystem (2) elektrische Heizmittel (17) vor­ gesehen sind.

6. Hybridantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Überbrückung vom Verbrennungsmo­ tor (5) zum Elektromotor (7) und/oder zu einer An­ triebsachse vorgesehen ist.

7. Hybridantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Wärmeleitungsmittel (10) eine Wär­ mespeichereinrichtung (19) vorgesehen ist.

8. Hybridantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abgasstrang (20) des Verbrennungsmotors (5) eine Wärmetauscheinrichtung (24) vorgesehen ist.

9. Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheinrichtung (24) eine wärmeleitende Verbindung mit einer Hochtemperaturspeicherein­ richtung (25) aufweist.

10. Hybridantriebsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscheinrichtung (24) als Rohrwärmetau­ scher ausgebildet ist, welcher von einem Wärmeträ­ germedium, insbesondere Druckgas, durchströmt ist.

11. Verfahren zum Betreiben einer Hybridantriebsvor­ richtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung bis zum Erreichen einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (3) bzw. des Brennstoffzellensys­ tems (2) durch den Verbrennungsmotor (5) mittels des Generators (6) und des Elektromotors (7) er­ zeugt und die Brennstoffzelle (3) bzw. das Brenn­ stoffzellensystem (2) mit der Abwärme des Verbren­ nungsmotors (5), die über die Wärmeleitungsmittel (10) und die Steuermittel (11) zumindest teilweise zur Brennstoffzelle (3) bzw. zum Brennstoffzellen­ system (2) geleitet wird, auf Betriebstemperatur erhitzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (3) bzw. das Brennstoffzellen­ system (2) mit dem elektrischen Heizmittel (17) auf Betriebstemperatur erhitzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einem vorherigen Betrieb der Antriebsvor­ richtung in der Kühleinrichtung (8) vorhandene Restwärme über die Wärmeleitungsmittel (10) und die Steuermittel (11) zum Verbrennungsmotor (5) und/oder zur Brennstoffzelle (3) bzw. zum Brenn­ stoffzellensystem (2) geleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb der Brennstoffzelle (3) und nicht im Betrieb befindlichen Verbrennungsmotor (5) die Ab­ wärme der Brennstoffzelle (3) bzw. des Brennstoff­ zellensystems (2) über die Wärmeleitungsmittel (10) und die Steuermittel (11) zumindest teilweise zu dem Verbrennungsmotor (5) geleitet wird, um die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors (5) auf­ rechtzuerhalten.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebs der Hybridantriebsvorrichtung (1) anfallende Überschußwärme in einer Wärmespei­ chereinrichtung (19) eingespeichert wird, und daß diese Wärme bei Wärmebedarf in der Hybridantriebs­ vorrichtung (1) an das Wärmeleitungsmittel (10) abgegeben wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebs der Verbrennungsmaschine (5) im Bereich Ihres Abgasstrangs (20) anfallende Wär­ me in einer Hochtemperaturspeichereinrichtung (25) eingespeichert wird, und daß diese Wärme bei Wär­ mebedarf in der Hybridantriebsvorrichtung (1) der an das Wärmeleitungsmittel (10) abgegeben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erwärmen von kalten Komponenten (3, 4, 5) der Hybridantreibseinrichtung (1) zuerst die noch vor­ handenen Wärme aus der Wärmespeichereinrichtung (19) und/oder aus noch warmen Komponenten (3, 4, 5) genutzt wird, wobei nach diesem Vorwärmen mit der gespeicherten Wärme auf niedrigem Temperaturniveau ein Aufheizen der jeweiligen Komponente (3, 4, 5) mit der gespeicherten Wärme auf hohem Temperatur­ niveau aus der Hochtemperaturspeichereinrichtung (25) erfolgt.