DE102009060178A1 - Drive system for e.g. internal combustion engine of vehicle, has fuel cell cooled by flow process air and whose air required region is integrally designed in region of intake air flow of engine, so that air is passed through air inlet - Google Patents

Drive system for e.g. internal combustion engine of vehicle, has fuel cell cooled by flow process air and whose air required region is integrally designed in region of intake air flow of engine, so that air is passed through air inlet Download PDF

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Rolf-Peter Dipl.-Ing. Eßling (FH), 72622
Ralf Dipl.-Ing. Nüßle (FH), 89518
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Abstract

The system has auxiliary energy generator that is formed as a fuel cell (3). The fuel cell is cooled by a flow process air. An air required region of the fuel cell is integrally designed in a region of an intake air flow of an internal combustion engine (1) e.g. diesel engine, so that the air is passed through an air inlet. A grade of passing through of the air required region of the fuel cell is set by an air-guiding element, and an air filter (2) is arranged in a region of the intake air flow in a flow direction from the fuel cell.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und mit einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a drive system for a vehicle with an internal combustion engine and with a fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Grundsätzlich ist es so, dass Fahrzeuge häufig über Verbrennungsmotoren bzw. Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Dieselmotoren, Ottomotoren, Wankelmotoren, Gasturbinen, Stirlingmotoren oder Ähnliches verfügen. Die über einen solchen Verbrennungsmotor bereitgestellte Leistung wird typischerweise zum Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt. Außerdem ist es üblich, dass in einem Fahrzeug ein elektrisches Bordnetz vorhanden ist, in dem verschiedene elektrische Verbraucher über elektrische Leistung betrieben werden können. Denn neben klassischen elektrischen Verbrauchern im Inneren des Fahrzeugs, beispielsweise Unterhaltungselektronik, Klimaanlagen und dergleichen, ist es zunehmend auch so, dass Nebenaggregate des Verbrennungsmotors, wie Pumpen und Ähnliches, über elektrische Leistung angetrieben werden. Die elektrische Leistung wird dabei typischerweise über einen Generator, der häufig als Lichtmaschine bezeichnet wird, bereitgestellt, welcher von dem Verbrennungsmotor direkt oder mittelbar angetrieben wird. Die elektrische Leistung gelangt von dem Generator in das Bordnetz und eine typischerweise vorhandene Batterie, in der ein Teil der erzeugten elektrischen Leistung gespeichert wird, um einen kurzzeitigen Betrieb der elektronischen Komponenten auch beim Stillstand des Verbrennungsmotors realisieren zu können. Außerdem wird über die Batterie das Wiederanlassen des Verbrennungsmotors ermöglicht.Basically, vehicles often have internal combustion engines or internal combustion engines, such as diesel engines, gasoline engines, Wankel engines, gas turbines, Stirling engines or the like. The power provided via such an internal combustion engine is typically used to drive the vehicle. In addition, it is customary for a vehicle to have an electrical on-board network in which various electrical consumers can be operated via electrical power. Because in addition to classic electrical consumers inside the vehicle, such as consumer electronics, air conditioning and the like, it is increasingly the case that ancillaries of the engine, such as pumps and the like, are powered by electrical power. The electrical power is typically provided by a generator, which is often referred to as an alternator, which is driven directly or indirectly by the internal combustion engine. The electric power passes from the generator into the electrical system and a typically existing battery in which a part of the generated electrical power is stored in order to realize a short-term operation of the electronic components even when the internal combustion engine. In addition, the re-starting of the internal combustion engine is made possible via the battery.

Problematisch dabei ist es nun, dass die Erzeugung von elektrischer Leistung aus der für den Betrieb des Verbrennungsmotors genutzten Energie über den Verbrennungsmotor und einen Generator einen eher schlechten Wirkungsgrad aufweist. Damit lässt sich die angestrebte Steigerung an Energieeffizienz durch den Einsatz zahlreicher elektrischer angetriebener Nebenaggregate nicht optimal umsetzen. Eine Verbesserung dieser Problematik verspricht dabei die an sich bekannte Erzeugung von elektrischer Leistung für das Bordnetz und eventuelle Nebenaggregate über eine Brennstoffzelle als Hilfsenergieerzeuger.The problem here is that the generation of electrical power from the energy used for the operation of the internal combustion engine via the internal combustion engine and a generator has a rather poor efficiency. As a result, the targeted increase in energy efficiency can not be optimally implemented by the use of numerous electric-driven ancillary units. An improvement of this problem promises the known per se generation of electrical power for the electrical system and any ancillary equipment via a fuel cell as auxiliary power generator.

Aus der DE 100 65 305 A1 ist ein gattungsgemäßer Aufbau bekannt, bei dem ein Fahrzeug über einen Verbrennungsmotor angetrieben wird, und welches neben diesem Verbrennungsmotor außerdem eine luftatmende Brennstoffzelle aufweist. Diese Brennstoffzelle wird an ihrer Kathodenseite mit anströmender Luft versorgt, welche neben dieser Funktion als Prozessluft außerdem die Funktionalität der Kühlung der Brennstoffzelle mit übernimmt. In der genannten Schrift ist dabei ein gemeinsames Gebläse zur Anströmung eines Kühlwärmetauschers im Kühlkreislauf für den Verbrennungsmotor und gleichzeitig zur Luftversorgung der Brennstoffzelle genutzt.From the DE 100 65 305 A1 a generic construction is known in which a vehicle is driven by an internal combustion engine, and which also has an air-breathing fuel cell in addition to this internal combustion engine. This fuel cell is supplied on its cathode side with incoming air, which also takes over the functionality of the cooling of the fuel cell in addition to this function as process air. In the cited document, a common fan is used for the flow of a cooling heat exchanger in the cooling circuit for the internal combustion engine and at the same time for the air supply of the fuel cell.

Problematisch bei diesem Aufbau ist es, dass durch das Gebläse zusätzliche Energie für das Beaufschlagen der Brennstoffzelle mit Kühl- und Prozessluft während des Betriebs des Verbrennungsmotors benötigt wird. Außerdem ist das Gebläse vergleichsweise groß und aufwändig, sodass im Stillstand des Verbrennungsmotors, sofern die Brennstoffzelle dann als Standenergieversorgung betrieben werden soll, ein vergleichsweise großer Energieaufwand zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Kühl- und Prozessluft notwendig ist. Des Weiteren handelt es sich bei dem hier dargestellten Aufbau um eine indirekt gekühlte Brennstoffzelle, d. h. die Abwärme der Brennstoffzelle wird über Rohrleitungen und einem darin geführten Medium zu einem Kühlwärmetauscher geführt, was einen erhöhten Bauraumbedarf für zusätzliche Kühlmediumfördereinrichtung, mehr Gewicht und mehr Aufwand für die Rohrleitungsführung beansprucht.The problem with this structure is that additional energy is required by the blower for applying the cooling and process air to the fuel cell during operation of the internal combustion engine. In addition, the blower is relatively large and expensive, so that when the fuel cell is to be operated as a stand-alone power supply, a comparatively large amount of energy to supply the fuel cell with cooling and process air is necessary at standstill of the internal combustion engine. Furthermore, the structure shown here is an indirectly cooled fuel cell, i. H. the waste heat of the fuel cell is routed via pipelines and a medium guided therein to a cooling heat exchanger, which requires an increased space requirement for additional cooling medium conveyor, more weight and more effort for the piping.

Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Antriebssystem für ein Fahrzeug zu schaffen, welches einfach und effizient neben dem Antrieb mit einem Verbrennungsmotor über eine Brennstoffzelle elektrische Energie bereitstellen kann.Object of the present invention is to avoid these disadvantages and to provide a drive system for a vehicle, which can provide electrical energy in a simple and efficient manner in addition to the drive with an internal combustion engine via a fuel cell.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Der Aufbau des Antriebssystems gemäß der Erfindung ist dabei so ausgelegt, dass der die Luft benötigende Bereich der Brennstoffzelle, also typischerweise der Kathodenbereich der Brennstoffzelle, im Bereich der Ansaugluftströmung des Verbrennungsmotors integriert ausgeführt ist, sodass der, die luftbenötigende Bereich der Brennstoffzelle, von der Ansaugluft des Verbrennungsmotors durchströmt ist. Im Betrieb des Verbrennungsmotors wird so durch die Ansaugluftströmung ohne weiteren nennenswerten Energieaufwand neben der Versorgung des Verbrennungsmotors mit dem benötigten Sauerstoff auch die Versorgung der Brennstoffzelle mit dem benötigten Sauerstoff und einem zur Kühlung dienenden Kühlluftstrom gewährleistet. Dabei wird diese Kühlluft geringfügig erwärmt und durch den Sauerstoffverbrauch der Brennstoffzelle an Sauerstoff abgereichert. Dementsprechend muss der Ansaugvolumenstrom des Verbrennungsmotors soweit erhöht werden, dass der verbrauchte Sauerstoff durch eine größere Luftmenge wieder ausgeglichen wird. Aufgrund der üblicherweise vorliegenden Steuerung moderner Verbrennungsmotoren mit Lambda-Sonden stellt dies jedoch kein Problem dar.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. The structure of the drive system according to the invention is designed so that the air-requiring region of the fuel cell, so typically the cathode region of the fuel cell, is integrated in the region of the intake air flow of the engine, so that, the luftbenötigende area of the fuel cell, of the intake air flows through the internal combustion engine. During operation of the internal combustion engine, the supply of the fuel cell with the required oxygen and a cooling air flow serving for cooling are thus ensured by the intake air flow without any further significant expenditure of energy in addition to supplying the internal combustion engine with the required oxygen. In this case, this cooling air is heated slightly and depleted by the oxygen consumption of the fuel cell to oxygen. Accordingly, the intake volume flow of the internal combustion engine must be increased so far that the consumed oxygen is compensated by a larger amount of air again. However, this is not a problem due to the conventional control of modern internal combustion engines with lambda probes.

Da die Brennstoffzelle als reiner Hilfsenergieerzeuger gedacht ist und lediglich zur Versorgung des Bordnetzes mit elektrischer Energie oder zum Wiederaufladen einer Bordbatterie dient, ist die benötigte Sauerstoffmenge gering, sodass durch die dadurch größere benötigte Luftmenge für den Verbrennungsmotor nur ein minimaler Mehraufwand entsteht. Since the fuel cell is intended as a pure auxiliary power generator and only serves to supply the electrical system with electrical energy or recharging an on-board battery, the amount of oxygen required is low, so that only a minimum of extra work is created by the larger required amount of air for the internal combustion engine.

Die luftatmende Brennstoffzelle selbst kann dabei beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein, welche kathodenseitig mit der anströmenden Ansaugluft des Verbrennungsmotors mit Sauerstoff versorgt und gekühlt wird. Anodenseitig kann die Brennstoffzelle dann aus einer beliebigen Quelle mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas versorgt werden. Prinzipiell ist auch der Einsatz einer sogenannten Direktmethanolbrennstoffzelle denkbar, bei welcher im Bereich der Anode der Brennstoffzelle ein flüssiges Kühlmittel/Methanolgemisch vorliegt, welches beispielsweise über einen Flüssigkeitsvorratsspeicher bereitgestellt werden kann.The air-breathing fuel cell itself may be formed, for example, as a PEM fuel cell, which is supplied with oxygen and cooled on the cathode side with the incoming intake air of the internal combustion engine. On the anode side, the fuel cell can then be supplied from any source with hydrogen or a hydrogen-containing gas. In principle, the use of a so-called direct methanol fuel cell is conceivable in which there is a liquid coolant / methanol mixture in the region of the anode of the fuel cell, which can be provided, for example, via a liquid reservoir.

Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann es dabei vorgesehen sein, dass der Verbrennungsmotor als aufgeladener Verbrennungsmotor ausgebildet ist. Ein solcher aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannter aufgeladener Verbrennungsmotor wird über eine Luftfördereinrichtung so betrieben, dass zusätzlich zu der eigenständig angesaugten Luft weitere Luft über diese Luftfördereinrichtung zugeführt wird. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors verbessert. Übliche Luftfördereinrichtungen zur Zufuhr einer derartigen Luftmenge sind beispielsweise ein in über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors mittelbar mechanisch angetriebener Kompressor oder ergänzend oder alternativ hierzu ein sogenannter Turbolader, bei welchem die heißen aus dem Verbrennungsmotor abströmenden Abgase eine Turbine antreiben, welche wiederum einen Strömungsverdichter oder ein Gebläse antreibt, welche zur Förderung einer größeren Menge an Ansaugluft zu dem Verbrennungsmotor ausgelegt ist. Ein solcher aufgeladener Motor kann durch den vergleichsweise großen Luftmassenstrom, mit welchem er betrieben wird, ideal mit der Brennstoffzelle in der Ansaugluftströmung kombiniert werden, da durch die Aufladung des Verbrennungsmotors immer eine ausreichende Luftmenge zum Betrieb der Brennstoffzelle während des Betriebs des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht.According to a particularly favorable and advantageous development of the drive system according to the invention, it can be provided that the internal combustion engine is designed as a supercharged internal combustion engine. Such a supercharged internal combustion engine known from the general state of the art is operated via an air conveying device in such a way that, in addition to the independently sucked-in air, further air is supplied via this air conveying device. This improves the performance of the internal combustion engine. Conventional air conveying devices for supplying such an air quantity are, for example, a compressor which is indirectly mechanically driven via the crankshaft of the internal combustion engine or, alternatively, a so-called turbocharger in which the hot exhaust gases flowing out of the internal combustion engine drive a turbine, which in turn drives a flow compressor or a blower , which is designed to promote a larger amount of intake air to the engine. Such a supercharged engine can be ideally combined with the fuel cell in the intake air flow due to the comparatively large air mass flow with which it is operated, since the charging of the internal combustion engine always provides a sufficient amount of air for operating the fuel cell during operation of the internal combustion engine.

In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann es alternativ oder ergänzend hierzu vorgesehen sein, dass in dem Ansaugluftstrom ein Gebläse angeordnet ist. Ein solches Gebläse in dem Ansaugluftstrom, welches beispielsweise vor der Brennstoffzelle angeordnet sein kann, kann ebenfalls die Versorgung der Brennstoffzelle mit Luft verbessern. Außerdem kann ein solches Gebläse auch die Menge der dem Verbrennungsmotor zugeführten Luft entsprechend erhöhen, wobei hier natürlich kein so starker Effekt wie bei einem aufgeladenen Verbrennungsmotor zu erwarten ist. Daneben hat das Gebläse jedoch den Vorteil, dass es die Brennstoffzelle auch dann mit Luft versorgen kann, wenn der Verbrennungsmotor abgeschaltet ist und damit kein Ansaugluftstrom durch den Verbrennungsmotor aufrechterhalten ist. In diesen Situationen kann das Gebläse dann für einen ausreichenden Luftstrom zur Versorgung der Brennstoffzelle mit dem benötigten Sauerstoff und zur Kühlung derselben genutzt werden. Die Brennstoffzelle kann dann unabhängig vom Betrieb des Verbrennungsmotors elektrische Energie bereitstellen, welche beispielsweise für eine Standklimatisierung oder ähnliche elektrische Verbraucher genutzt werden kann, welche ohne Betrieb des Verbrennungsmotors in dem mit dem Antriebssystem ausgerüsteten Fahrzeug betrieben werden sollen. Dies kann beispielsweise auch das Nachladen einer Batterie, beispielsweise in Form einer Erhaltungsladung bei längerem Stillstand des Fahrzeugs, mit umfassen. Das Gebläse kann dabei entsprechend klein und energieeffizient ausgelegt werden, sodass dieses lediglich zur Bereitstellung des beispielsweise im Stillstand des Verbrennungsmotors benötigten Luftstrom für die Brennstoffzelle ausgebildet ist. Es ist damit kleiner und energieeffizienter auszulegen, als bekannte Gebläse aus dem Stand der Technik.In a further very advantageous embodiment of the drive system according to the invention, it may alternatively or additionally be provided for this purpose that a fan is arranged in the intake air flow. Such a fan in the intake air flow, which may be arranged in front of the fuel cell, for example, can also improve the supply of air to the fuel cell. In addition, such a blower can also increase the amount of air supplied to the engine accordingly, which of course is not expected to be as strong effect as in a supercharged internal combustion engine. In addition, however, the blower has the advantage that it can supply the fuel cell with air even when the internal combustion engine is switched off and thus no intake air flow is maintained by the internal combustion engine. In these situations, the blower can then be used for sufficient air flow to supply the fuel cell with the required oxygen and to cool it. The fuel cell can then provide independent of the operation of the internal combustion engine electrical energy, which can be used for example for a stationary air conditioning or similar electrical consumers, which are to be operated without operation of the internal combustion engine in the vehicle equipped with the drive system. This may include, for example, the recharging of a battery, for example in the form of a trickle charge at a longer standstill of the vehicle with. The blower can be designed to be correspondingly small and energy-efficient, so that this is designed only to provide the required for example at standstill of the engine air flow for the fuel cell. It is thus smaller and more energy efficient to design, as known blowers from the prior art.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebssystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert sind.Further advantageous embodiments of the drive system according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiments, which are explained in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine schematische Darstellung eines möglichen Aufbaus gemäß der Erfindung; 1 a schematic representation of a possible structure according to the invention;

2 einen möglichen Aufbau gemäß der Erfindung in einer alternativen Ausführungsform; 2 a possible construction according to the invention in an alternative embodiment;

3 einen möglichen Aufbau gemäß der Erfindung in einer weiteren alternativen Ausführungsform; 3 a possible construction according to the invention in a further alternative embodiment;

4 einen möglichen Aufbau gemäß der Erfindung in einer vierten alternativen Ausführungsform; 4 a possible construction according to the invention in a fourth alternative embodiment;

5 ein Luftfiltergehäuse mit einer Brennstoffzelle für ein Antriebssystem gemäß der Erfindung in einem ersten Betriebszustand; 5 an air cleaner housing with a fuel cell for a drive system according to the invention in a first operating state;

6 ein Luftfiltergehäuse mit einer Brennstoffzelle für ein Antriebssystem gemäß der Erfindung in einem zweiten Betriebszustand; und 6 an air filter housing with a fuel cell for a drive system according to the invention in a second operating state; and

7 ein Luftfiltergehäuse mit einer Brennstoffzelle für ein Antriebssystem gemäß der Erfindung in einer alternativen Ausführungsform. 7 an air filter housing with a fuel cell for a drive system according to the invention in an alternative embodiment.

In der Darstellung der 1 ist sehr grundlegend der prinzipielle Aufbau beziehungsweise die prinzipielle Funktionsweise des erfindungsgemäßen Antriebssystems dargelegt. Das Antriebssystem besteht in an sich bekannter Art und Weise aus einem Verbrennungsmotor 1, welcher die zum Vortrieb eines nicht dargestellten Fahrzeugs benötigte Leistung in an sich bekannter Art und Weise bereitstellt. Dieser Verbrennungsmotor 1 saugt über einen an sich ebenfalls bekannten Luftfilter 2 die für seinen Betrieb benötigte Ansaugluft an, um den in ihr enthaltenen Sauerstoff zumindest teilweise zusammen mit einem Brennstoff zu verbrennen und die dabei freiwerdende Energie zur Bereitstellung mechanischer Leistung zu nutzen. Zwischen dem Luftfilter 2 und dem Verbrennungsmotor 1 ist nun im Bereich des Ansaugluftstroms eine Brennstoffzelle 3 angeordnet. Diese Brennstoffzelle 3 soll als luftatmende Brennstoffzelle ausgebildet sein, sodass ihrem Kathodenbereich Luft zur Bereitstellung des benötigten Sauerstoffs über die Ansaugluft des Verbrennungsmotors 1 zugeführt wird. Außerdem soll die Brennstoffzelle 3 so ausgebildet sein, dass sie durch diese zugeführte Luft ausreichend gekühlt wird. Derartige luftatmende Brennstoffzellen 3, welche mit Prozessluft und Kühlluft gleichermaßen versorgt werden, sind dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Diese sind typischerweise als PEM-Brennstoffzellen aufgebaut und können anodenseitig mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas beaufschlagt werden. Auch der Betrieb der Anodenseite mit einem flüssigen Kühlmittel-Methanolgemisch ist grundsätzlich denkbar. Die Brennstoffzelle 3 wäre dann als sogenannte Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) ausgebildet.In the presentation of the 1 is very fundamentally set out the basic structure or the basic operation of the drive system according to the invention. The drive system consists in a conventional manner of an internal combustion engine 1 which provides the power required to propel a vehicle, not shown, in a manner known per se. This internal combustion engine 1 sucks on a per se also known air filter 2 The required for its operation, intake air to at least partially burn the oxygen contained in it together with a fuel and to use the energy released to provide mechanical power. Between the air filter 2 and the internal combustion engine 1 is now in the range of intake air flow a fuel cell 3 arranged. This fuel cell 3 should be designed as an air-breathing fuel cell, so that its cathode area air to provide the required oxygen via the intake air of the engine 1 is supplied. In addition, the fuel cell 3 be designed so that it is sufficiently cooled by this supplied air. Such air-breathing fuel cells 3 , which are supplied with process air and cooling air alike, are known from the general state of the art. These are typically constructed as PEM fuel cells and can be applied to the anode side with hydrogen or a hydrogen-containing gas. The operation of the anode side with a liquid coolant-methanol mixture is conceivable in principle. The fuel cell 3 would then be designed as a so-called direct methanol fuel cell (DMFC).

In der Darstellung der 2 ist eine detailliertere Ausführungsform dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass sowohl die Brennstoffzelle 3 als auch der Verbrennungsmotor 1 aus einem Brennstofftank 4 mit dem benötigten Brennstoff versorgt werden. Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel könnte prinzipiell einen Verbrennungsmotor 1 zeigen, welcher mit Wasserstoff aus einem Brennstofftank 4 versorgt wird. Aus dem gleichen Brennstofftank 4 könnte dann auch die Brennstoffzelle 3 mit Wasserstoff versorgt werden. In an sich bekannter Art und Weise sind als Brennstofftank 4 für den Wasserstoff beispielsweise Druckgastanks oder Metallhydridtanks denkbar.In the presentation of the 2 a more detailed embodiment is shown. It can be seen that both the fuel cell 3 as well as the internal combustion engine 1 from a fuel tank 4 be supplied with the required fuel. This in 2 illustrated embodiment could in principle be an internal combustion engine 1 show which with hydrogen from a fuel tank 4 is supplied. From the same fuel tank 4 could then also the fuel cell 3 be supplied with hydrogen. In a manner known per se, as a fuel tank 4 For example, pressurized gas tanks or metal hydride tanks are conceivable for the hydrogen.

In der Darstellung der 3 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei welcher in dem Brennstofftank 4 ein beliebiges, typischerweise kohlenwasserstoffhaltiges Gemisch als Brennstoff vorliegt. Dieses könnte beispielsweise Benzin, Diesel, Methanol oder auch Erdgas oder dergleichen sein. Über ein solches Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisendes Brennmittel lässt sich dann der Verbrennungsmotor 1 unmittelbar versorgen. Bevor dieses Brennmittel in den Bereich der Brennstoffzelle 3 gelangt, passiert es in der Darstellung der 3 ein prinzipmäßig angedeutetes Gaserzeugungssystem 5, welches so ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist. In einem solchen Gaserzeugungssystem 5 wird aus dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt. Diese Gaserzeugung kann beispielsweise durch Heißdampfreformierung, partielle Oxidation und/oder entsprechende Aufbereitungen des Gasstroms erfolgen. Das Ergebnis ist bei all diesen Gaserzeugungssystemen 5 immer ein wasserstoffhaltiges Gas mit einem mehr oder weniger großen Anteil an Wasserstoff, CO2 und gegebenenfalls Resten des Ausgangsbrennstoffes. Dieses wasserstoffhaltige Gasgemisch wird in der Darstellung der 3 dem Anodenraum der Brennstoffzelle 3 zugeführt und der Wasserstoffanteil darin kann in der Brennstoffzelle 3 weitgehend umgesetzt werden. Das verbleibende Restgas verlässt die Brennstoffzelle 3 dann und gelangt über ein Leitungselement 6 in den Bereich der Ansaugluft zu dem Verbrennungsmotor 1, sodass keine Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder Restwasserstoff in die Umgebung zu erwarten sind, da diese Stoffe in dem Verbrennungsmotor 1 mit umgesetzt werden.In the presentation of the 3 an alternative embodiment is shown in which in the fuel tank 4 Any, typically hydrocarbon-containing mixture is present as a fuel. This could be for example gasoline, diesel, methanol or even natural gas or the like. About such a carbon and hydrogen fuel having then the internal combustion engine 1 provide immediately. Before this fuel into the area of the fuel cell 3 happens, it happens in the presentation of 3 a principle indicated gas generating system 5 , which is also known from the prior art. In such a gas generating system 5 A hydrogen-containing gas is generated from the hydrocarbonaceous fuel. This gas generation can be done for example by hot steam reforming, partial oxidation and / or appropriate treatment of the gas stream. The result is in all these gas generation systems 5 always a hydrogen-containing gas with a greater or lesser amount of hydrogen, CO 2 and optionally residues of the starting fuel. This hydrogen-containing gas mixture is shown in the illustration of 3 the anode compartment of the fuel cell 3 supplied and the hydrogen content therein may be in the fuel cell 3 be implemented to a large extent. The remaining residual gas leaves the fuel cell 3 then and passes over a pipe element 6 in the range of intake air to the engine 1 so that no emissions of unburned hydrocarbons or residual hydrogen are expected in the environment as these substances are present in the internal combustion engine 1 to be implemented with.

Der Einsatz einer solchen Leitung 6 ist selbstverständlich auch beim Betrieb der Brennstoffzelle 3 mit reinem Wasserstoff denkbar, sodass diese eventuell verbleibenden Restwasserstoff in den Bereich der Ansaugluft mit einbringen kann, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig vermieden werden.The use of such a pipe 6 is of course also in the operation of the fuel cell 3 with pure hydrogen conceivable, so that any residual hydrogen may bring in the area of the intake air, so that hydrogen emissions to the environment safely and reliably avoided.

In der Darstellung der 4 ist nun basierend auf dem Ausführungsbeispiel der 2 eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei welcher neben dem Verbrennungsmotor 1 und der Brennstoffzelle 3 außerdem die elektrischen Komponenten gezeigt sind. Die elektrischen Leistungsflüsse sind dabei durch die gestrichelten Linien entsprechend angedeutet. Im Bereich des Verbrennungsmotors 1 ist ein Generator 7 angeordnet, welcher aus der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors 1 elektrische Leistung bereitstellt. Diese elektrische Leistung kann dann einem beispielhaft angedeuteten elektrischen Verbraucher beziehungsweise Bordnetz 8 zugeführt werden. Außerdem kann ein Teil der elektrischen Leistung in eine Batterie 9 zur späteren Verwendung eingespeichert werden. Zusätzlich kann die Batterie 9 und damit der elektrische Verbraucher 8 beziehungsweise das Bordnetz auch durch elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle 3 mit unterstützt werden.In the presentation of the 4 is now based on the embodiment of 2 an alternative embodiment shown, in which in addition to the internal combustion engine 1 and the fuel cell 3 In addition, the electrical components are shown. The electrical power flows are indicated by the dashed lines accordingly. In the area of the internal combustion engine 1 is a generator 7 arranged, which from the mechanical power of the internal combustion engine 1 provides electrical power. This electrical power can then be an example indicated electrical consumers or electrical system 8th be supplied. Also, part of the electrical power can be in a battery 9 be stored for later use. In addition, the battery 9 and thus the electrical consumer 8th or the electrical system also by electric power from the fuel cell 3 to be supported with.

Nun ist es bei der Darstellung der 4 so, dass die gesamte, von dem Verbrennungsmotor 1 bereitgestellten Energie über den Generator 7 in elektrische Leistung umgewandelt wird. Diese elektrische Leistung kann dann in dem Bordnetz 8 zum Antrieb von Elektromotoren für den Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden. Dieser Aufbau hätte dann den Vorteil, dass diese Elektromotoren als elektrischer Verbraucher 8 im Falle eines Abbremsen des Fahrzeugs generatorisch betrieben werden können, um so elektrische Energie beim Bremsen des Fahrzeugs zurückzugewinnen. Auch diese Energie könnte, wie durch den gestrichelten Doppelpfeil zwischen dem elektrischen Verbraucher 8 und der Batterie 9 angedeutet, in einem solchen Fall in der Batterie 9 gespeichert werden, um dem Bordnetz, welches in diesem Fall auch den Antrieb des Fahrzeugs mit übernimmt, zur Verfügung gestellt zu werden.Now it is in the presentation of 4 so that the whole, from the internal combustion engine 1 provided power over the generator 7 is converted into electrical power. This electrical power can then be in the electrical system 8th be used to drive electric motors for driving the vehicle. This structure would then have the advantage that these electric motors as electrical consumers 8th can be operated as a generator in the event of a deceleration of the vehicle, so as to recover electrical energy when braking the vehicle. Also, this energy could, as by the dashed double arrow between the electrical load 8th and the battery 9 indicated in such a case in the battery 9 be stored in order to the on-board network, which in this case also takes over the drive of the vehicle, to be provided.

Ein solcher an sich bekannter Aufbau wird auch als serieller Hybridantrieb bezeichnet, bei dem der Verbrennungsmotor 1 die gesamte von ihm erzeugte Energie an den Generator 7 abgibt. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn ein zusätzlicher elektrischer Energieerzeuger in Form der Brennstoffzelle 3 bereitsteht, welcher zumindest während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 ohne zusätzlichen Energieaufwand über den Ansaugluftstrom des Verbrennungsmotors 1 mit dem benötigten Luftstrom als Prozess- und Kühlluft versorgt werden kann.Such a per se known construction is also referred to as a serial hybrid drive, in which the internal combustion engine 1 all the energy it generates to the generator 7 emits. It is particularly advantageous if an additional electrical energy generator in the form of the fuel cell 3 is ready, which at least during operation of the internal combustion engine 1 without additional energy consumption via the intake air flow of the internal combustion engine 1 can be supplied with the required air flow as process and cooling air.

In der Darstellung der 5 ist nun beispielhaft ein möglicher Aufbau eines Luftfiltergehäuses 10 gezeigt, in welchem neben dem Luftfilter 2 die Brennstoffzelle 3 mit angeordnet ist. Das Luftfiltergehäuse 10 weist dabei einen Lufteintritt 11 sowie zwei Luftaustritte 12 auf. Die von dem in 5 nicht dargestellten Verbrennungsmotor 1 angesaugte Luft strömt nun, wie von den Pfeilen angedeutet, durch den Lufteintritt 11 in das Luftfiltergehäuse 10 ein und passiert zuerst einen an sich bekannten Luftfilter 2, um die angesaugte Luft von Verunreinigungen zu befreien. Dann strömt die Luft in dem hier dargestellten Betriebszustand über die beiden Luftaustritte 12 weiter in Richtung des hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors 1. Dabei ist einer der Luftaustritte 12.1 in Strömungsrichtung der Luft vor der Brennstoffzelle 3 angeordnet, der andere der Luftaustritte 12.2 in Strömungsrichtung der Luft nach der Brennstoffzelle 3. Im Bereich vor der Brennstoffzelle 3 sind außerdem Luftleitelemente 13, hier beispielhaft in Form einer Jalousie, angeordnet. Durch die Luftleitelemente 13 lässt sich die Durchströmung des die Luft benötigenden Bereichs der Brennstoffzelle 3 entsprechend einstellen. In dem in 5 dargestellten Betriebszustand erfolgt eine vergleichsweise große Durchströmung der Brennstoffzelle 3 mit Luft, sodass ein großer Teil des Ansaugluftstroms über den Luftaustritt 12.2 zum Verbrennungsmotor 1 strömt. Um ein direktes Abströmen der gesamten angesaugten Luft über den vor der Brennstoffzelle 3 angeordneten Luftaustritt 12.1 zu verhindern, ist in diesem eine Drosselklappe 14 angeordnet, um den durchströmbaren Querschnitt des Luftaustritts 12.1 einstellbar zu machen. Die Drosselklappe 14 erlaubt es so, den Strömungswiderstand im Luftaustritt 12.1 so einzustellen, dass eine gleichmäßige Durchströmung der Brennstoffzelle 3 gewährleistet ist. In der Darstellung der 6 ist dieser Aufbau nochmals in einer alternativen Betriebssituation dargestellt. In dieser Betriebssituation ist die Brennstoffzelle 3 außer Betrieb und wird nicht von der Ansaugluft angeströmt. Deshalb sind die als Jalousie ausgebildeten Luftleitelemente 13 hier verschlossen. Die Drosselklappe 14 im Bereich des Luftaustritts 12.1 ist dagegen vollständig geöffnet. Die Ansaugluft im Verbrennungsmotor 1 gelangt so über den Lufteintritt 11, den Luftfilter 2 und den Luftaustritt 12.1 unmittelbar zum Verbrennungsmotor. Die Brennstoffzelle 3 wird nicht durchströmt, über den Luftaustritt 12.2 strömt also keine Ansaugluft.In the presentation of the 5 is now an example of a possible construction of an air filter housing 10 shown in which next to the air filter 2 the fuel cell 3 is arranged with. The air filter housing 10 has an air inlet 11 as well as two air outlets 12 on. The of the in 5 not shown internal combustion engine 1 sucked air flows now, as indicated by the arrows, through the air inlet 11 in the air filter housing 10 and first passes a known air filter 2 to remove polluted air from the intake air. Then, in the operating state shown here, the air flows over the two air outlets 12 continue in the direction of the internal combustion engine, not shown here 1 , This is one of the air outlets 12.1 in the flow direction of the air in front of the fuel cell 3 arranged, the other of the air outlets 12.2 in the flow direction of the air after the fuel cell 3 , In the area in front of the fuel cell 3 are also air guide elements 13 , here for example in the form of a blind arranged. Through the air guide elements 13 allows the flow through the area of the fuel cell requiring air 3 adjust accordingly. In the in 5 shown operating state takes place a comparatively large flow through the fuel cell 3 with air, so that a large part of the intake air flow through the air outlet 12.2 to the internal combustion engine 1 flows. To direct outflow of all the intake air over the front of the fuel cell 3 arranged air outlet 12.1 To prevent this is a throttle 14 arranged to the flow-through cross-section of the air outlet 12.1 to make adjustable. The throttle 14 thus allows the flow resistance in the air outlet 12.1 to adjust so that a uniform flow through the fuel cell 3 is guaranteed. In the presentation of the 6 this structure is shown again in an alternative operating situation. In this operating situation, the fuel cell 3 out of service and is not flown by the intake air. Therefore, designed as a shutter air guide elements 13 locked here. The throttle 14 in the area of the air outlet 12.1 is completely open. The intake air in the internal combustion engine 1 thus passes over the air inlet 11 , the air filter 2 and the air outlet 12.1 directly to the combustion engine. The fuel cell 3 is not flowed through the air outlet 12.2 So no intake air flows.

In der Darstellung der 7 ist ein geringfügig modifizierter Aufbau des Luftfiltergehäuses 10 zu erkennen. Neben den bereits beschriebenen Luftleitelementen 13 der Drosselklappe 14 ist hier auch im Bereich des Lufteintritts 11 eine Drosselklappe 15 angeordnet sowie in Strömungsrichtung vor dem Luftfilter 2 ein weiterer Lufteintritt 16, welcher seinerseits mit einer Drosselklappe 17 und einem Gebläse 18 versehen ist. In Betriebssituationen, in denen die Brennstoffzelle 3 betrieben werden soll, ohne dass der Verbrennungsmotor 1 betrieben wird oder einen ausreichenden Ansaugluftstrom zur Verfügung stellt, kann bei diesem Aufbau, bei abgesperrtem Lufteintritt 11, über den Lufteintritt 16 und das Gebläse 18 ein entsprechender Volumenstrom an Luft zur Verfügung gestellt werden. Auch dieser passiert zuerst den Luftfilter 2, bevor er durch die geöffneten Luftleitelemente 13 zu der Brennstoffzelle 3 gelangt und diese als Prozess- und Kühlluft durchströmt. Durch die geschlossene Drosselklappe 14 im Bereich des Luftaustritts 12.1 wird ein Abströmen in Richtung des Verbrennungsmotors vermieden. Die gesamte Luft gelangt also durch die Brennstoffzelle 3 und kann diese mit Prozessluft versorgen und sie entsprechend kühlen. Die Luft gelangt dann über den Luftaustritt 12.2 in Richtung des Verbrennungsmotors 1. Sofern der Verbrennungsmotor 1 nicht betrieben wird, ist ein entsprechendes Ventil, welches hier nicht dargestellt ist, im Bereich des Luftaustritts 12.2 vorgesehen, sodass die über das Gebläse 18 geförderte Luft nicht durch den Verbrennungsmotor 1 hindurchgedrückt werden muss, sondern vor diesem abströmen kann. Der in 7 dargestellte Aufbau lässt sich prinzipiell auch beim Betrieb des Verbrennungsmotors 1 entsprechend nutzen, sodass durch das Gebläse 18 eine geringfügige Erhöhung des Ansaugluftstroms zu dem Verbrennungsmotor 1 realisiert werden kann. Das Gebläse 18 wird dabei jedoch vergleichsweise klein und mit geringer Leistungsaufnahme konzipiert sein, da es typischerweise nur zum Betrieb der Brennstoffzelle beim Stillstand des Verbrennungsmotors 1 gedacht ist. Über das Gebläse 18 wird also beim Betrieb des Verbrennungsmotors 1 kein Zustand erreicht, welcher einer Aufladung des Verbrennungsmotors, beispielsweise durch einen mechanisch angetriebenen Kompressor oder einen Turbolader entspricht, wie dies eingangs bereits beschrieben wurde.In the presentation of the 7 is a slightly modified construction of the air cleaner housing 10 to recognize. In addition to the already described air guide elements 13 the throttle 14 Here is also in the area of air intake 11 a throttle 15 arranged as well as in the flow direction in front of the air filter 2 another air intake 16 , which in turn with a throttle 17 and a blower 18 is provided. In operating situations in which the fuel cell 3 should be operated without the internal combustion engine 1 operated or provides a sufficient intake air flow can, in this construction, with shut-off air inlet 11 , over the air intake 16 and the fan 18 a corresponding volume flow of air can be made available. This also happens first the air filter 2 before going through the open air deflectors 13 to the fuel cell 3 passes and this flows through as process and cooling air. Through the closed throttle 14 in the area of the air outlet 12.1 an outflow is avoided in the direction of the internal combustion engine. The entire air thus passes through the fuel cell 3 and can supply them with process air and cool them accordingly. The air then passes through the air outlet 12.2 in the direction of the internal combustion engine 1 , Unless the internal combustion engine 1 is not operated, is a corresponding valve, which is not shown here, in the region of the air outlet 12.2 provided so that over the blower 18 not conveyed air by the internal combustion engine 1 must be pushed through, but can flow off this. The in 7 shown structure can in principle also during operation of the internal combustion engine 1 use accordingly so that through the blower 18 a slight increase of the intake air flow to the internal combustion engine 1 can be realized. The fan 18 However, it will be designed comparatively small and with low power consumption, since it is typically only for operation of the fuel cell at standstill of the internal combustion engine 1 thought is. About the blower 18 So it is during operation of the internal combustion engine 1 reaches no state which corresponds to a charge of the internal combustion engine, for example by a mechanically driven compressor or a turbocharger, as already described above.

Alles in allem lässt sich so durch die Integration einer luftatmenden und luftgekühlten Brennstoffzelle 3 in den Ansaugluftstrom der Verbrennungskraftmaschine 1 ein Aufbau realisieren, bei dem eine Brennstoffzelle 3 ideal genutzt werden kann, um die Bordstromversorgung eines Fahrzeugs mit dem erfindungsgemäßen Antriebsstrang entweder komplett zu übernehmen oder zumindest ergänzend zu einem von dem Verbrennungsmotor 1 angetriebenen Generator 7 zu unterstützen.All in all, this can be achieved by integrating an air-breathing and air-cooled fuel cell 3 in the intake air flow of the internal combustion engine 1 realize a structure in which a fuel cell 3 can be used ideally to take over the on-board power supply of a vehicle with the drive train according to the invention either completely or at least in addition to one of the internal combustion engine 1 powered generator 7 to support.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10065305 A1 [0004] DE 10065305 A1 [0004]

Claims (10)

Antriebssystem für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Brennstoffzelle als Hilfsenergieerzeuger, wobei die Brennstoffzelle luftatmend ausgebildet ist und durch die anströmende Prozessluft gekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der die Luft benötigende Bereich der Brennstoffzelle (3) im Bereich der Ansaugluftströmung des Verbrennungsmotors (1) integriert ausgeführt ist, sodass dieser von der Ansaugluft durchströmbar ist.Drive system for a vehicle having an internal combustion engine and a fuel cell as an auxiliary power generator, wherein the fuel cell is air-breathing and is cooled by the inflowing process air, characterized in that the area of the fuel cell requiring air ( 3 ) in the region of the intake air flow of the internal combustion engine ( 1 ) is integrated, so that it can be flowed through by the intake air. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Durchströmung des die Luft benötigenden Bereichs der Brennstoffzelle (3) durch Luftleitelemente (13) einstellbar ist.Drive system according to claim 1, characterized in that the degree of flow through the air-requiring region of the fuel cell ( 3 ) by air guiding elements ( 13 ) is adjustable. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die luftatmende Brennstoffzelle (3) in den Ansaugbereich für die Ansaugluft des Verbrennungsmotors (1) integriert ausgeführt ist, wobei durch die Luftleitelemente (13) der Anteil der durch den Luft benötigenden Bereich der Brennstoffzelle (3) zum Verbrennungsmotor (1) und der an dem die Luft benötigenden Bereich der Brennstoffzelle (3) vorbei zum Verbrennungsmotor (1) strömende Anteil der Ansaugluft einstellbar ist.Drive system according to claim 2, characterized in that the air-breathing fuel cell ( 3 ) in the intake area for the intake air of the internal combustion engine ( 1 ) is integrated, wherein by the air guide elements ( 13 ) the proportion of the area of the fuel cell required by the air ( 3 ) to the internal combustion engine ( 1 ) and at the area of the fuel cell requiring air ( 3 ) over to the combustion engine ( 1 ) flowing portion of the intake air is adjustable. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Ansaugluftströmung in Strömungsrichtung vor der Brennstoffzelle (3) ein Luftfilter (2) angeordnet ist.Drive system according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the region of the intake air flow in the flow direction in front of the fuel cell ( 3 ) an air filter ( 2 ) is arranged. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) als aufgeladener Verbrennungsmotor (1) ausgebildet ist.Drive system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the internal combustion engine ( 1 ) as a supercharged internal combustion engine ( 1 ) is trained. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ansaugluftstrom ein Gebläse (18) angeordnet ist.Drive system according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the intake air flow, a blower ( 18 ) is arranged. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) in ein Luftfiltergehäuse (10) integriert ausgeführt ist.Drive system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fuel cell ( 3 ) in an air filter housing ( 10 ) is integrated. Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfiltergehäuse (10) einen Lufteintritt (11) aufweist, sowie zwei mit dem Verbrennungsmotor (1) verbundene Luftaustritte (12, 12.1, 12.2), wobei einer der Luftaustritte (12.1) in Strömungsrichtung vor der Brennstoffzelle (3) und einer der Luftaustritt (12.2) in Strömungsrichtung nach der Brennstoffzelle (3) angeordnet ist.Drive system according to claim 7, characterized in that the air filter housing ( 10 ) an air inlet ( 11 ), and two with the internal combustion engine ( 1 ) associated air outlets ( 12 . 12.1 . 12.2 ), one of the air outlets ( 12.1 ) in the flow direction in front of the fuel cell ( 3 ) and one of the air outlet ( 12.2 ) in the flow direction after the fuel cell ( 3 ) is arranged. Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmbare Querschnitt des vor der Brennstoffzelle (3) angeordneten Luftaustritts (12.1) einstellbar ausgebildet ist.Drive system according to claim 8, characterized in that the flow-through cross-section of the front of the fuel cell ( 3 ) arranged air outlet ( 12.1 ) is adjustable. Antriebssystem nach Anspruch 8 oder 9; dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer mit einem Gebläse (18) versehener Lufteintritt (16) an dem Luftfiltergehäuse (10) ausgebildet ist, wobei beide Lufteintritte (11, 16) in ihrem durchströmbaren Querschnitt einstellbar ausgebildet sind.Drive system according to claim 8 or 9; characterized in that another with a blower ( 18 ) provided air inlet ( 16 ) on the air filter housing ( 10 ), both air inlets ( 11 . 16 ) are designed to be adjustable in their flow-through cross-section.
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