DE102007042423A1

DE102007042423A1 - Fahrzeug mit einem Reformer

Info

Publication number: DE102007042423A1
Application number: DE102007042423A
Authority: DE
Inventors: Bruno Dr. Ehrmaier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-12

Abstract

Bei einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Brennstoffzelle, einem Brennstofftank und einem Reformer zum Reformieren von Brennstoff aus dem Brennstofftank zu Wasserstoff, welcher einerseits in der Brennstoffzelle in elektrische Energie und andererseitis im Verbrennungsmotor in mechanische Energie gewandelt werden kann, ist der Reformer dazu eingerichtet, regenerativen Biobrennstoff als Brennstoff zu verarbeiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Brennstoffzelle, einem Brennstofftank und einem Reformer zum Reformieren von Brennstoff aus dem Brennstofftank zu Wasserstoff, welcher einerseits in der Brennstoffzelle in elektrische Energie und andrerseits im Verbrennungsmotor in mechanische Energie gewandelt werden kann.
Heutige Fahrzeuge, wie insbesondere Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, werden in der Regel mittels Verbrennungsmotoren auf der Basis von fossilen, flüssigen Brennstoffen angetrieben. Es gibt zwar bereits erste Fahrzeuge, die als Primärenergieträger Wasserstoff verwenden, jedoch stellt bei dieser Technik das Lagern des Wasserstoffs im Fahrzeug eine vergleichsweise große technische Herausforderung dar.
Bekannt ist es ferner, bei einem von einem Verbrennungsmotor bzw. einer Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeug eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellenaggregat vorzusehen, das elektrische Verbraucher des Fahrzeugs mit Energie versorgt und unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors aktivierbar ist. Die Brennstoffzelle versorgt ggf. auch den Verbrennungsmotor mit elektrischer Energie. So ist z. B. aus DE 197 03 171 A1 ein derartiges Brennstoffzellenaggregat bekannt, welches mit einer Batterie verbunden ist, die beim Anlassen des Verbrennungsmotors Strom abgibt und kurzzeitige Spitzenbelastungen abdeckt. Die Brennstoffzelle wird bei diesem bekannten Fahrzeug mit Wasserstoff aus einem Tank oder indirekt durch Reformierung flüssiger oder gasförmiger Kraftstoffe, beispielsweise in Form von Benzin oder Methanol, über eine gesteuerte Drossel versorgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug der oben genannten Art dahingehend zu verbessern, dass bei vertretbarem technischem Aufwand ein besonders umweltverträglicher Antrieb gewährleistet ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Fahrzeug gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Brennstoffzelle, einem Brennstofftank und einem Reformer zum Reformieren von Brennstoff aus dem Brennstofftank zu Wasserstoff vorgesehen, bei dem der Wasserstoff einerseits in der Brennstoffzelle in elektrische Energie und andrerseits im Verbrennungsmotor in mechanische Energie gewandelt werden kann. Ferner ist erfindungsgemäß der Reformer dazu eingerichtet, regenerativen Biobrennstoff als Brennstoff zu verarbeiten.
Mit anderen Worten sind bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug eine „On Board"-Gewinnung von Wasserstoff aus regenerativem Biobrennstoff bzw. Biofuel und die Weiterverwendung des Wasserstoffs in einer Brennstoffzelle vorgesehen. Damit wird erfindungsgemäß Wasserstoff in einer auch in der Natur vorkommenden Art und Weise im Fahrzeug gespeichert. Erst bei Bedarf wird der Wasserstoff dann extrahiert und einer entsprechenden Verwendung, nämlich zum einen durch Verbrennung im Verbrennungsmotor und zum anderen durch chemische Energieumwandlung in der Brennstoffzelle, zugeführt. Als natürliche Träger von Wasserstoff werden dabei gemäß der Erfindung sämtliche Biobrennstoffe verwendet, die durch regenerative Art gewonnen wurden. Dazu gehören insbesondere wasserstoffreiche Pflanzenöle, also Pflanzenöle, die einen sehr hohen internen Wasserstoffanteil aufweisen. Dazu gehört z. B. Rapsöl, welches gemäß der chemischen Formel C₆₀H₁₂₀O₆ einen hohen Wasserstoffanteil aufweist. Derartige Pflanzenöle können erfindungsgemäß bedenkenlos im Fahrzeug gespeichert werden.
Dabei ist erfindungsgemäß bevorzugt ferner vorgesehen, dass bei Bedarf der regenerative Biobrennstoff, insbesondere das Pflanzenöl, im Verbrennungsmotor auch direkt verbrannt werden kann. Dies ist insbesondere zur Überbrückung der Startphase des Reformers von Vorteil. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor ist daher bevorzugt bivalent ausgelegt.
Wie bereits erwähnt, wird gemäß der Erfindung der Wasserstoff aus dem Energieträger Biobrennstoff erst bei Bedarf gemäß entsprechend erfindungsgemäß bevorzugter Verfahren gewonnen. Als besonders bevorzugte Methode zur Extraktion des Wasserstoffs aus dem regenerativ erzeugten Biobrennstoff wird im erfindungsgemäßen Fahrzeug vorteilhaft der so genannte Reforming-Prozess verwendet, bei dem eine katalytische Erzeugung von Wasserstoff mittels Druck und Temperatur aus dem Biobrennstoff-Ausgangsstoff erfolgt. Dabei wird das Ausgangsmaterial in kleine chemische Basis-Moleküle refraktioniert. Die Basis-Moleküle können ohne größere Schadstoff-Emission in Energie umgewandelt werden. Erfindungsgemäß bevorzugt können dabei die Basis-Moleküle, auch wenn sie nicht zu reinem Wasserstoff refraktioniert wurden, sondern noch Kohlenstoffanteile aufweisen, auch als solche im erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor verbrannt werden. Der aus dem Biobrennstoff gewonnene Wasserstoff kann ferner, wie erwähnt, innerhalb der Brennstoffzelle chemisch in Strom umgewandelt werden.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist ferner zum Überbrücken einer Aufwärmzeit des Reformers ein elektrischer Pufferspeicher vorgesehen, in dem von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie zwischengespeichert werden kann. Als Pufferspeicher können dabei so genannte Super-Kondensatoren oder konventionelle Batterien dienen.
Alternativ oder zusätzlich kann auch, wie oben erwähnt, eine direkte Verbrennung des Biobrennstoffs im bivalent ausgelegten Verbrennungsmotor genutzt werden, um die Aufwärmzeit des Reformers zu überbrücken.
Um den Schadstoffausstoß des erfindungsgemäßen Fahrzeugs weiter zu verringern, ist ferner bevorzugt die Brennstoffzelle mit einer Kühleinrichtung vorgesehen, in der zum Kühlen der Brennstoffzelle Kohlendioxid aus dem Reformer zugeführt werden kann. Durch eine derartige Zugabe von Kohlendioxid (CO₂) und/oder Kohlenmonoxid (CO) in die Brennstoffzelle kann neben deren Kühlung auch eine Prozesssteuerung erfolgen.
Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug aus dem regenerativen Biobrennstoff vorteilhaft zunächst Methan refraktioniert, welches nachfolgend (z. B. in einem mehrstufigen Reformierungsprozess) erst in Wasserstoff umgesetzt wird. Das Methan kann dann im Fahrzeug zwischengespeichert werden, wobei die dazu erforderliche Technik im Vergleich zu einer Speicherung von Wasserstoff leichter zu realisieren ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung entfällt der Themenkomplex der Speicherung von Wasserstoff in flüssiger oder gasförmiger Phase in einem Fahrzeug. Regenerativ gewonnene Biobrennstoffe (insbesondere Pflanzenöle) können hingegen in Fahrzeugen bedenkenlos mitgeführt werden. Sicherheitstechnisch sind Biobrennstoffe aufgrund des höheren Einflammpunktes unkritisch. Aufgrund der Einstufung einiger Biobrennstoffe als Lebensmittel stellen diese selbst bei einem Unfall für die Umwelt nahezu kein Problem dar.
Der CO₂-Gesamt-Ausstoß ist bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug deutlich geringer, als bei herkömmlichen Fahrzeugen, welche mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Durch die erfindungsgemäße Extraktion von Wasserstoff sowie des Kohlenstoffs aus dem Biobrennstoff und deren direkte Verwendung in speziell dazu angepassten Energieumwandlungsprozessen im Fahrzeug ergibt sich erfindungsgemäß eine bessere Energiebilanz und insbesondere auch eine schadstoffärmere Verbrennung während der Zeit der Benutzung des zugehörigen Verbrennungsmotors.
Es ergibt sich dadurch eine fast neutrale CO₂-Gesamtbilanz, da während der Entstehung des Pflanzenmaterials, aus dem der regenerative Biobrennstoff gewonnen wurde, viel CO₂ abgebaut wird. Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist daher (trotz einer gewissen CO₂-Freisetzung während der Fahrt) besonders niedrige Gesamtemissionswerte auf.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrzeugs anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die Figur eine stark vereinfachte Darstellung der wesentlichen Bauelemente eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Fahrzeugs, welche entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung für dessen Antrieb dienen.
In der Figur ist ein Brennstofftank 10, ein Reformer 12, eine Brennstoffzelle 14, ein Verbrennungsmotor 16 und eine Batterie 18 eines weiter nicht näher veranschaulichten Fahrzeugs dargestellt. Der Brennstofftank 10 ist mit einem regenerativen Biobrennstoff, vorliegend Rapsöl mit der chemischen Formel C₆₀H₁₂₀O₆ gefüllt.
Der Biobrennstoff kann über eine Leitung 20 dem Reformer zur Verfügung gestellt werden, welcher das Ausgangsmaterial in chemische Basis-Moleküle refraktioniert. Die chemischen Basis-Moleküle sind Wasserstoff (H₂), Methan (CH₄), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoffoxid (HO₂). Diese Basis-Moleküle können alternativ oder gleichzeitig einzeln oder in Kombination sowohl der Brennstoffzelle 14 als auch dem Verbrennungsmotor 16 zur weiteren chemischen Umsetzung und zur Erzeugung von elektrischer bzw. mechanischer Energie zugeführt werden.
Dabei kann sowohl mit der Brennstoffzelle 14 als auch einer (nicht dargestellten) Lichtmaschine am Verbrennungsmotor 16 erzeugte elektrische Energie in der Batterie 18 gespeichert werden.
Der Verbrennungsmotor 16 ist bivalent ausgelegt und dazu eingerichtet, dass in ihm während der Startphase des Reformers 12 der regenerative Biobrennstoff direkt verbrannt werden kann. Dazu ist eine Leitung 22 zwischen dem Brennstofftank 10 und dem Verbrennungsmotor 16 vorgesehen, durch welche dem Verbrennungsmotor 16 der regenerative Biobrennstoff zugeführt werden kann.

10: Brennstofftank
12: Reformer
14: Brennstoffzelle
16: Verbrennungsmotor
18: Batterie
20: Leitung
22: Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19703171 A1 [0003]

Claims

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (16), einer Brennstoffzelle (14), einem Brennstofftank (10) und einem Reformer (12) zum Reformieren von Brennstoff aus dem Brennstofftank (10) zu Wasserstoff, welcher einerseits in der Brennstoffzelle (14) in elektrische Energie und andererseits im Verbrennungsmotor (16) in mechanische Energie gewandelt werden kann, bei dem der Reformer (12) dazu eingerichtet ist, regenerativen Biobrennstoff als Brennstoff zu verarbeiten.
Fahrzeug nach Anspruch 1, bei dem zum Überbrücken einer Aufwärmzeit des Reformers (12) der Verbrennungsmotor (16) bivalent ausgelegt und dazu eingerichtet ist, dass in ihm während einer Startphase des Reformers (12) der regenerative Biobrennstoff direkt verbrannt werden kann.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zum Überbrücken einer Aufwärmzeit des Reformers (12) ein elektrischer Pufferspeicher (18) vorgesehen ist, in dem von der Brennstoffzelle (14) erzeugte elektrische Energie zwischengespeichert werden kann.
Fahrzeug nach Anspruch 3, bei dem der elektrische Pufferspeicher mit einem Super-Kondensator gestaltet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Brennstoffzelle (14) mit einer Kühleinrichtung versehen ist, in der zum Kühlen der Brennstoffzelle (14) Kohlendioxid aus dem Reformer (12) zugeführt werden kann.