DE102006009082A1 - Kraftfahrzeug mit einem mit tiefkalt gespeichertem Kraftstoff betriebenen Aggregat - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Aggregat, insbesondere Antriebsaggregat, welches mit einem bei Umgebungstemperatur gasförmigen, jedoch in einem Fahrzeug-Tank tiefkalt gespeicherten Kraftstoff betrieben wird, der bei Zufuhr zum Aggregat durch Wärmetausch mit einem wärmeren Medium erwärmt wird. Dabei wird der aus dem Fahrzeug-Tank für den Betrieb des Aggregats entnommene Kraftstoff mit der sog. kalten Seite eines thermoelektrischen Generators insbesondere in Form eines sog. Seebeck-Elements in Kontakt gebracht, um mit diesem elektrischen Strom für das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs zu erzeugen. Die andere, sog. warme Seite des thermoelektrischen Generators wird vorzugsweise mit dem auch für den Wärmetausch mit dem kalten Kraftstoff herangezogenen wärmeren Medium beaufschlagt, wobei der thermoelektrische Generator im Wärmetauscher für den Wärmetausch zwischen dem aus dem Tank entnommenen Kraftstoff und dem wärmeren Medium integriert sein kann.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Aggregat, insbesondere Antriebsaggregat, welches mit einem bei Umgebungstemperatur gasförmigen, jedoch in einem Fahrzeug-Tank tiefkalt gespeichertem Kraftstoff betrieben wird, der bei Zufuhr zum Aggregat durch Wärmetausch mit einem wärmeren Medium erwärmt wird. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE 195 06 486 C2 sowie auf die DE 198 54 581 A1 verwiesen.
• Derzeit befinden sich Kraftfahrzeuge mit sog. Kryotanks in der Entwicklungsphase, in denen vorzugsweise Wasserstoff als Kraftstoff vorzugsweise für das Antriebsaggregat, ggf. jedoch auch für ein Hilfsaggregat des Fahrzeugs in tiefkaltem, insbesondere kryogenem Zustand gespeichert wird. Beim Antriebsaggregat kann es sich bspw. um eine Brennkraftmaschine handeln, beim Hilfsaggregat bspw. um eine Brennstoffzelle, in der elektrische Energie entweder nur zur Versorgung des elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs oder auch zur Versorgung eines oder mehrerer elektrischer Antriebsmotoren erzeugt wird.
• Der im Fahrzeug-Kraftstoff-Tank gespeicherte flüssige Wasserstoff muss dem diesen verbrennenden Aggregat als Gas zur Verfügung gestellt werden, weshalb im Rahmen dieser Zufuhr ein Verdampfungsprozess zwischengeschaltet ist, der in einem geeigneten Wärmetauscher unter Aufnahme von Wärme aus einem Wärmeträger erfolgt. Als Wärmeträger kann bspw. das Kühlmittel der Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen, vgl. bspw. die oben erstgenannte DE 195 06 486 C2 .
• Grundsätzlich wird angestrebt, Systeme mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu betreiben. In diesem Sinne eine Verbesserungsmaßnahme für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Fahrzeug-Tank für den Betrieb des Aggregats entnommene Kraftstoff mit einem thermoelektrischen Generator insbesondere in Form eines sog. Seebeck-Elements in Kontakt gebracht wird, um mit diesem elektrischen Strom für das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs zu erzeugen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
• Vorgeschlagen wird somit, die Kälte des aus dem Tank entnommenen Kraftstoffs (Wasserstoffs) zumindest teilweise zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen und diese dem Fahrzeug-Bordnetz zur Verfügung zu stellen, so dass hiermit der übliche Strom-Generator des Kraftfahrzeugs entlastet wird. Die Erzeugung von elektrischer Energie aus der Kälte des Kraftstoffs kann dabei über einen sog. thermoelektrischen Generator erfolgen, der üblicherweise aus zwei unterschiedlichen elektrischen Halbleiter-Materialien aufgebaut ist, die thermisch und elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Setzt man diese Materialpaarung einem Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke aus, bildet sich in dieser Materialpaarung eine elektrische Spannung. Durch Kombination einer Vielzahl von solchen Materialpaarungen können bei entsprechend leistungsfähiger Wärmequelle und Wärmesenke wirtschaftlich nutzbare elektrische Leistungen erzielt werden. Solche Elemente werden auch als Seebeck-Elemente bezeichnet und stellen eine Umkehrung der bekannten Peltierelemente dar.
• An einem Kraftfahrzeug mit einem Tank für tiefkalt gespeicherten Kraftstoff, insbesondere einem Kryotank, liegt nun eine besonders leistungsfähige Wärmesenke vor, da im Falle von kryogenem Wasserstoff als Kraftstoff dieser mit einer Temperatur von nur wenigen Kelvin aus dem Tank entnommen wird.
• Zwar ist die Verwendung eines thermoelektrischen Generators an einem Kraftfahrzeug mit einem Kryotank bereits bekannt, und zwar aus der oben zweitgenannten DE 198 54 581 A1 , jedoch wird nach dieser Schrift der thermoelektrische Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der bei der Verbrennung des sog. Boil-Off-Gases freiwerdenden Wärme genutzt. Von diesem bekannten Stand der Technik unterscheidet sich die vorliegende Erfindung grundlegend in zweifacher Weise: Zum einen wird vorliegend die Kälte des aus dem Tank entnommenen Kraftstoffs genutzt und nicht die bei dessen Verbrennung entstehende Wärme; zum anderen erfolgt die elektrische Energiegewinnung während des Betriebs des genannten Aggregats und nicht bei dessen Stillstand, während dessen allein Boil-Off-Gas anfallen kann.
• Gesteigert werden kann die mit einem steigenden Temperaturgefälle steigende Effektivität des thermoelektrischen Generators, wenn nicht nur dessen sog. kalte Seite mit dem kalten aus dem Tank entnommenen (kryogenen) Kraftstoff beaufschlagt wird, sondern weiterhin die andere, sog. warme Seite des thermoelektrischen Generators mit dem auch für den Wärmetausch mit dem kalten Kraftstoff herangezogenen wärmeren Medium beaufschlagt wird. Dieses wärmere Medium ist üblicherweise nennenswert wärmer als die Umgebungstemperatur, die ansonsten an der „warmen Seite" des thermoelektrischen Generators anliegen würde. Besonders vorteilhaft ist diese Maßnahme insofern, als dieses genannte wärmere Medium ohnehin bereits in die Umgebung des aus dem Tank entnommenen Kraftstoffs geleitet werden muss, und zwar zum Wärmetausch mit diesem, um den Kraftstoff im gasförmigen Zustand dem genannten Aggregat zuführen zu können. In diesem Zusammenhang ist es unter konstruktiven Gesichtspunkten besonders vorteilhaft, wenn der thermoelektrische Generator in einem bzw. dem Wärmetauscher für den Wärmetausch zwischen dem aus dem Tank entnommenen Kraftstoff und dem wärmeren Medium baulich integriert ist.
• Die beigefügte Prinzipskizze dient der weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Dabei ist mit der Bezugsziffer 1 ein Kryo-Tank eines Kraftfahrzeugs zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff in tiefkaltem Zustand gekennzeichnet, aus dem über ein Ventil 2 Wasserstoff als Kraftstoff entnommen und über eine Leitung 3 einem nicht dargestellten Aggregat des Fahrzeugs zur Verbrennung zugeführt werden kann. Diese Leitung 3 ist durch eine sog. Nebensystemkapsel 4 hindurchgeführt, in der ein Wärmetauscher 5 vorgesehen ist, in welchem die Leitung 3 im Wärmetausch mit einem über eine andere Leitung 6a herangeführten und über eine Leitung 6b hinweggeführten wärmeren Medium steht, so dass der kalte Wasserstoff in der Leitung 3 in diesem Wärmetauscher 5 erwärmt und somit in den gasförmigen Zustand überführt wird. Bezüglich des Transports des Wasserstoffs in der Leitung 3 ist stromauf dieses Wärmetauschers 5 in der sog. Nebensystemkapsel 4 ein thermoelektrischer Generator 7 vorgesehen, dessen kalte Seite mit der Leitung 3 und somit mit dem darin geführten kalten Wasserstoff in wärmeleitender Verbindung steht und dessen warme Seite mit dem über die Leitung 6b herangeführten und über eine Leitung 6c abgeführten genannten wärmeren Medium in wärmeleitender Verbindung steht. Aufgrund des somit am thermoelektrischen Generator 7 anliegenden Temperaturgefälles in der Größenordnung von einigen 100 Grad kann mit dem thermoelektrischen Generator elektrischer Strom erzeugt bzw. elektrische Leistung gewonnen werden und zwar bei üblichen Wirkungsgraden sowie bei vertretbarer Größe dieses thermoelektrischen Generators und des diesen beaufschlagenden Massenstroms insbesondere von kaltem Wasserstoff in einer beachtlichen bzw. nennenswerten Höhe. Wenn die somit gewonnene elektrische Energie dem elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs zugeführt wird, ist diese nutzbar und entlastet somit einen weiterhin vorhandenen elektrischen Energieerzeuger, so dass der Gesamt-Wirkungsgrad des Fahrzeugs hiermit gesteigert werden kann, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (3)

1. Kraftfahrzeug mit einem Aggregat, insbesondere Antriebsaggregat, welches mit einem bei Umgebungstemperatur gasförmigen, jedoch in einem Fahrzeug-Tank (1) tiefkalt gespeichertem Kraftstoff betrieben wird, der bei Zufuhr zum Aggregat durch Wärmetausch mit einem wärmeren Medium erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Fahrzeug-Tank (1) für den Betrieb des Aggregats entnommene Kraftstoff mit einem thermoelektrischen Generator (7) insbesondere in Form eines sog. Seebeck-Elements in Kontakt gebracht wird, um mit diesem elektrischen Strom für das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs zu erzeugen.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, während die sog. kalte Seite des thermoelektrischen Generators (7) mit dem kalten aus dem Tank entnommenen Kraftstoff beaufschlagt wird, die andere, sog. warme Seite des thermoelektrischen Generators (7) mit dem auch für den Wärmetausch mit dem kalten Kraftstoff herangezogenen wärmeren Medium beaufschlagt wird.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (7) in einem Wärmetauscher (5) für den Wärmetausch zwischen dem aus dem Tank entnommenen Kraftstoff und dem wärmeren Medium integriert ist.