DE102008019695B3 - Ein kompaktes Wasserstoffverbrennungssystem mit Dampferzeugung, welches eine Mikrodampfturbine für den Antrieb eines umweltfreundlichen Elektro-Hybridfahrzeugs verwendet - Google Patents

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Abstract

Ein kompaktes Wasserstoffverbrennungssystem mit Dampferzeugung unter Verwendung einer Mikrodampfturbine für den Antrieb eines elektrischen Hybridfahrzeugs besteht aus einer Wasserstoffbrennkammer (1), welche einen Auslass besitzt, bei dem es sich um eine spiralförmige Röhre (3) handelt und dieser dient als Wärmetauscher (3). Diese Wasserstoffbrennkammer (1) wird mit der spiralförmigen Röhre (3) in einen Wasserdampfkessel (2) getaucht, der gleichzeitig als Druckkammer dient und mit einer Kondensator-Mikrodampfturbine (4) mit geschlossenem Kreislauf verbunden ist, angeschlossen an einen Stromgenerator (6), der Strom an den Elektromotor (10) liefert, und eine Hybridsteueranlage (15) zusammen mit einem zweiten kleinen Stromgenerator (13) gekoppelt mit einem Stirlingmotor (12), die Restwärme aus einem Wärmetauscher (5) extrahiert und diese in elektrische Energie umwandelt und in die Hybridsteueranlage (15) speichert. Dies alles wird kompakt in den Motorraum eines Elektrofahrzeugs eingebaut.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein verbessertes System der Dampferzeugung durch Verbrennung von Wasserstoff, sowie die Nutzung einer kleinen Mikrodampfturbine gekoppelt mit einem Stromgenerator und einer Hybridsteueranlage zur Erzeugung von Strom für den Antrieb eines Motorfahrzeugs mit einem kompakten Motorraum.
  • Bekannt ist die Nutzung von Wasserstoff in der Brennstoffzellentechnologie als Treibstoff zur Erzeugung von Strom für den Antrieb eines Elekotrofahrzeugmotores. Derartige Anwendungen auf dem Sektor von Fahrzeugen zeigen beispielsweise die US 6 591 926 B2 , die US 4 253 428 oder die US 3 101 592 .
  • Bekannte Lösungen haben die Nachteile, dass die Herstellung sehr teuer ist aufgrund der Verwendung von teuren Teilen, wie Platinmembranen sowie das hohe Gewicht und der erhebliche Platz, den die Brennstoffzelle in dem Motorraum eines Elektrofahrzeuges einnimmt
  • Diese haben die Nachteile, dass die Herstellung sehr teuer ist aufgrund der Verwendung von teuren Teilen, wie Platinmembranen, sowie das hohe Gewicht und der viel einnehmende Platz der Brennstoffzelle in dem Motorraum des Elektrofahrzeugs.
  • Auch wenn eine Turbine bei maximaler Leistung höchst effizient ist, sinkt die Effizienz bei langsamerem Betrieb, wie z. B. bei einem langsam fahrenden Fahrzeug und dies ist der Hauptgrund, worum die Turbinen bislang nicht für Motorfahrzeuge genutzt wurden. Die Erfindung übergeht das Problem, indem sie die Mikrodampfturbine bei optimaler Leistung und ohne Unterbrechung durch Einbau einer Hybridsteueranlage betreibt, wobei die Blindleistung bei niedriger Geschwindigkeit gespeichert wird und die volle Leistung der Batterien der Turbine automatisch ausgeschaltet wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anwendung einer preiswerten herkömmlichen Technologie zur Herstellung eines umweltfreundlichen Elektrofahrzeugs mit einem kompakten Antrieb zu erschaffen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei der Erfindung ein verbessertes System unter der herkömmlichen Technologie verwendet wird zur Erzeugung von hochwirksamen Dampf durch Verbrennen von Wasserstoff in einer Brennkammer, die in einer gut isolierten Dampfkessel angebracht ist, zum Antrieb einer kleinen Mikrodampfturbine mit geschlossenem Kondensationskreislauf, die mit einem Stromgenerator und eine Hybridsteueranlage angeschlossen ist, um die durch dieses System erzeugte elektrische Energie zu optimieren.
  • Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Rückgewinnung der aus der Turbine entweichenden Restwärme des Dampfes und der Abhitze des verbrannten Wasserstoffs, die durch einen Wärmetauscher geleitet werden, welcher mit einem kleinen Stirlingmotor verbunden ist. Der Sterlingmotor betreibt einen zweiten Stromgenerator, der zur Erzeugung von Elektrizität dient und diese wird in der Hybridsteueranlage gespeichert, um als elektrische Energie wieder aufbereitet zu werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Kompaktheit der Anlage, bei der es sich um eine kleine Mikrodampfturbine mit geschlossenem Kreislauf handelt, die aus wenigen Teilen besteht im Vergleich mit einem Verbennungsmotor und nur wenig Platz innerhalb des Motorraums des Motorfahrzeugs einnimmt.
  • Das oben genannte System funktioniert wie ein „onboard”-Kraftwerk, welche nur geringe Batteriekapazität benötigt, weil die Batterien immer geladen werden, und somit wird an Gewicht und an weiteren Platz im Motorraum gespart. Dieses System ist ein kostengünstiger Ersatz für ein Brennstoffzellenfahrzeug und verlängert auch die Reichweite eines Elektrofahrzeugs.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Umweltfreundlichkeit, die ohne CO2-Austritt auskommt und bei der der einzige Schadstoff NOX ist, der aufgrund der Temperatur der Wasserstoffverbrennung entsteht und anschließend durch einen herkömmlichen NOX-Katalysator ausströmt.
  • Das letzte Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines absolut umweltfreundlichen, kostengünstigen Fahrzeugs mit der heute verfügbaren Technik für Menschen in den armen Regionen der Welt, wo Wasserstoff durch Elektrolyse aus Solarenergie oder mit Nachtstrom erzeugt werden kann.
  • Die Zeichnungen zeigen die Merkmale der Erfindung;
  • Zeichnung 1: Ein Ablaufdiagramm, welches die Bestandteile und die Funktion der Erfindung darstellt.
  • Zeichnung 2: Zeigt die beweglichen und unbeweglichen Teile der Erfindung.
  • Die Wasserstoffbrennkammer (1) hat zwei Einlassöffnungen, eine für Wasserstoff (16) und die andere für Luft (17) und einen Auslass, welches als Wärmetauscher (3) dient in Form eines Spiralschlauchs, der die Brennkammer (1) umschließt und den Dampfkessel (2) durch einen Wärmetauscher (5) zum NOX-Katalysator (9) an der Auslassöffnung verlässt, der Wasserstoff wird mit Luft durch Elektrofunkenbildung (8) entzündet, die durch die Wasserstoffverbrennung erzeugte Hitze erwärmt das Wasser im Dampfkessel (2), wodurch Dampf mit hoher Temperatur entsteht und der im Dampfkessel (2) entstandene Druck drückt den Dampf in die Mikrodampfturbine (4), die an einem Stromgenerator (6) angeschlossen ist, der Strom an den Elektromotor (10) oder die Motoren an den Rädern liefert, die das Fahrzeug antreiben, der aus der Mikrodampfturbine (4) entweichende Dampf läuft durch den Wärmetauscher (5) zum Kondensator (7) durch die Pumpe (11) sowie das Wasser zum Dampfkessel (2), wodurch der Kreislauf abgeschlossen ist, der Dampf, der die Wasserstoffbrennkammer (1) nach der Wasserstoffverbrennung verlässt, läuft ebenso durch den Wärmetauscher (5) und den NOX-Katalysator (9) zum Auslass, der Stirlingmotor (12) extrahiert die aus der Mikrodampfturbine (4) austretende Restwärme und die Abhitze der Wasserstoffverbrennung vom Wärmetauscher (5) und betreibt einen kleinen, zusätzlichen Stromgenerator (13), der die Elektroenergie zur Speicherung in die Hybridanlage (15) einspeist, die an die Batterie (14) angeschlossen ist.

Claims (6)

  1. Wasserstoffverbrennungssystem mit einer Dampferzeugungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrodampfturbine (4) für den Antrieb eines Elektro-Hybridfahrzeugs und eine Wasserstoffbrennkammer (1) vorgesehen sind, wobei die Wasserstoffbrennkammer (1) Einlässe für Wasserstoff (16) und Luft (17) und eine spiralförmige Auslassröhre (3) aufweist, wobei die Auslass röhre (3) als Wärmetauscher für die Dampferzeugung dient und die Wasserstoffbrennkammer (1) und die Auslassröhre in einem Dampfkessel (2) unter Wasser angebracht sind.
  2. Wasserstoffverbrennungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfkessel (2) einen Einlass für das Wasser und einen Auslass für Dampf aufweist und als Druckbehälter dient und gleichzeitig den Dampf in die Mirkoturbine (4) bläst.
  3. Wasserstoffverbrennungssytem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher von einem Wärmeleiter (3) in Form eines kompakten gekrümmten Spiralschlauchs gebildet ist, bei dem ein Ende an die Wasserstoffbrennkammer (1) unter Wasser angeschlossen ist und das andere Ende aus dem Dampfkessel (2) führt und den Auslass für den verbrannten Wasserstoff (energiearmer Dampf) bildet.
  4. Wasserstoffverbrennungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kondensator-Mikroturbine (4) mit geschlossenem Kreislauf, die an einem Stromgenerator (6) zur Erzeugung, der für den Antrieb eines Elektrofahrzeuges erforderlichen elektrischen Energie angeschlossen ist.
  5. Wasserstoffverbrennungssytem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch, einen Wärmetauscher (5) zum Wärmetausch mit den den Wärmetauscher (5) durchsetzenden Auslassröhren der Mirkodampfturbine (4) und der Wasserstoffbrennkammer (1) zur Nutzung der Restwärme für die Erzeugung elektrischer Energie.
  6. Wasserstoffverbrennungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, einen Mini-Stirlingmotor (12), der mit dem Wärmetauscher (5) gekoppelt ist, wobei der Mini-Stirlingmotor (12) an einem zweiten Stromgenerator (13) angeschlossen ist, um die aus der Mirkodampfturbine (4) austretende Restwärme und die Abhitze der Wasserstoffverbrennung zu extrahieren und diese in elektische Energie umzuwandeln, die in einer Hybridsteueranlange (15) gespeichert wird.
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