DE102019000517A1 - Antriebssystem, Fahrzeug und Verwendung eines Turboladers - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem (10) für ein Fahrzeug, wobei das Antriebssystem (10) einen Flüssig-Wasserstoffbehälter (6), eine Brennstoffzelle (7) und einen Elektromotor (8) aufweist, wobei das Antriebssystem (10) derart eingerichtet ist, dass durch den Flüssig-Wasserstoffbehälter (6) bereigestellter Wasserstoff der Brennstoffzelle (7) zugeführt wird und von der Brennstoffzelle (7) erzeugter Strom (9) zum Antrieb des Elektromotres (8) bereitgestellt wird, wobei das Antriebssystem (10) weiterhin einen Turbolader (1) aufweist, der derart im Antriebssystem (10) angeordnet ist, dass im Abgasstrom (2) des Turboladers (1) von der Brennstoffzelle (7) erzeugter Dampf geführt wird und auf der Verdichterseite des Turboladers (1) für die Brennstoffzelle (7) bereitzustellender Wasserstoff geführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Antriebssystem (10) und eine Verwendung eines Turboladers (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, ein Fahrzeug und die Verwendung eines Turboladers.
  • Brennstoffzellen können durch eine chemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff elektrische Energie erzeugen. Ihr Vorteil ist, dass sie nicht dem beschränkten Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen unterliegen. Moderne Brennstoffzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 60-70%.
  • Seit den 1990er Jahren wird an der Verwendung von Brennstoffzellen für Brennstoffzellenfahrzeuge geforscht. Diese sind Transportmittel, bei denen elektrische Energie aus den Energieträgern Wasserstoff oder Methanol durch eine Brennstoffzelle erzeugt und direkt mit einem Elektroantrieb in Bewegung umgewandelt oder in einer Traktionsbatterie zwischengespeichert wird. Der elektrische Speicher ermöglicht zum einen die Rekuperation und zum anderen entlastet er die Brennstoffzelle von Lastwechseln. Diese Antriebsform wird trotz Einschränkungen im Betrieb in Kleinserien gefertigt. Einschränkungen ergeben sich durch das noch dünne Tankstellennetz. Im Vergleich zu Elektroautos läuft der Tankvorgang schneller ab, und es können problemlos Reichweiten von mehreren hundert Kilometern erzielt werden.
  • Üblicherweise wird der Wasserstoff bei Brennstoffzellenfahrzeugen in Druckgasbehältern gespeichert. Durch den Einsatz neuer Materialien ist der effektive Schwund durch Diffusion stark verringert. Waren für den Kfz-Bereich um das Jahr 2000 noch Drucktanks mit 200 bis 350 bar üblich, so sind 2011 schon 700 und 800-bar-Tanks mit höherer Kapazität gebräuchlich. Das komplette Wasserstoff-Drucktanksystem für einen Pkw wiegt ca. 125 kg.
  • Eine höhere Energiedichte lässt sich durch Flüssiggasspeicher erreichen. Dazu wird der Wasserstoff verflüssigt (LH2) und bei niedrigem Druck bei tiefen Temperaturen (Siedepunkt -252,8 °C, 20,4 K) gelagert. Der Energieaufwand für die Verflüssigung beträgt je nach Menge und angewandter Methode 28 % bis 46 % des Energieinhaltes des Wasserstoffs. Der Druck stellt dann für die Gestaltung des Tanks kein Problem mehr dar. Da jedoch der Eingangsdruck von Brennstoffzellen in der Regel höher ist als der Speicherdruck von Flüssiggasspeichern, wird zusätzliche Energie benötigt, um den Wasserstoff aus dem Flüssiggasbehälter zu verdichten.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder ganz zu überwinden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Antriebssystem, ein Fahrzeug mit einem solchen Antriebssystem und eine Verwendung eines Turboladers gemäß der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein erfindungsgemäßes Antriebssystem für ein Fahrzeug einen Flüssig-Wasserstoffbehälter, eine Brennstoffzelle und einen Elektromotor auf, wobei das Antriebssystem derart eingerichtet ist, dass durch den Flüssig-Wasserstoff-Behälter bereitgestellter Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird und von der Brennstoffzelle erzeugter Strom zum Antrieb des Elektromoters bereitgestellt wird, wobei das Antriebssystem weiterhin einen Turbolader aufweist, der derart im Antriebssystem angeordnet ist, dass im Abgasstrom des Turboladers von der Brennstoffzelle erzeuger Dampf geführt wird und auf der Verdichterseite des Turboladers für die Brennstoffzelle bereitzustellender Wasserstoff geführt wird.
  • Ein an sich bekannter Turbolader weist eine Abgasseite und eine Verdichterseite auf, wobei auf der Abgasseite ein Abgasstrom zum Antreiben eines Turbinenrades verwendet wird, das auf der Verdichterseite eine Verdichtung eines einströmenden Gases herbeiführt.
  • Auf diese Weise kann die Energie aus dem Wasserdampf, der die Brennstoffzelle verlässt, zur Verdichtung des Wasserstoffes aus dem Flüssiggasbehälter herangezogen werden. Es ist also keine Zuführung zusätzlicher Verdichtungsenergie mehr notwendig. Auf einen Kompressor an dieser Stelle kann verzichtet werden.
  • Bevorzugt weist der Flüssig-Wasserstoffbehälter einen Speicherdruck von 1-2 bar auf. Dies sind typische Werte für Flüssig-Wasserstoffbehälter.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Brennstoffzelle für einen Betrieb mit gasförmigem Wasserstoff bei 6 bis 8 bar Eingangsdruck ausgelegt. Dies sind typische Werte für eine Brennstoffzelle.
  • Insbesondere ist die Brennstoffzelle eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, eine alkalische Brennstoffzelle, eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle oder eine Festoxid-Brennstoffzelle. Solche Brennstoffzellen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem Antriebssystem nach dem ersten Aspekt der Erfindung vorgeschlagen.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Turbolader, durch den von einer Brennstoffzelle erzeugter Dampf im Abgasstrom geführt wird, dazu verwendet, um Wasserstoff aus einem Flüssig-Wasserstoffbehälter auf den Eingangsdruck der Brennstoffzelle zu verdichten.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • 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 verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt einen Turbolader für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer schematischen Ansicht;
    • 2 zeigt Komponenten einer Ausführurngsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer schematischen Ansicht; und
    • 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer schematischen Ansicht.
  • Ausführliche Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt einen Turbolader für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems in einer schematischen Ansicht. Dieser ist mit 1 bezeichnet. Turbolader 1 weist eine Abgasseite und eine Verdichterseite auf. Durch die Abgasseite wird ein Abgasstrom 2 geführt, der zum Antrieb eines Turbinenrads 4 dient. Das Turbinenrad 4 ist mit einem Verdichterrad 5 auf der Verdichterseite gekoppelt, das sich zusammen mit dem Turbinenrad 4 dreht. Das Verdichterrad 5 dient zur Verdichtung eines Verdichtungsstroms 3.
  • 2 zeigt, wie der Turbolader 1 zusammen mit weiteren Komponenten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems angeordnet ist. Der Verdichtungsstrom 3 wird aus einem Flüssigwasserstoffbehälter 6 mit verdampftem Wasserstoff gespeist und mündet in einer Brennstoffzelle 7. Auf diese Weise wird durch den Flüssigwasserstoffbehälter 6 bereitgestellter Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt. Durch die Verdichtung im Turbolader 1 wird der Wasserstoff auf den Eingangsdruck der Brennstoffzelle von typischerweise 6-8 bar verdichtet.
  • Die Brennstoffzelle 7 erzeugt Wasserdampf, der als Abgasstrom 2 dem Turbolader 1 zugeführt wird und dort zum Antrieb des Turbinenrads 4 dient.
  • In 3 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems dargestellt und mit 10 bezeichnet. Das Antriebssystem 10 weist zusätzlich zu den Komponenten aus 2 einen Elektromotor 8 auf, der von der Brennstoffzelle 7 mit Strom 9 versorgt wird.

Claims (6)

  1. Antriebssystem (10) für ein Fahrzeug, wobei das Antriebssystem (10) einen Flüssig-Wasserstoffbehälter (6), eine Brennstoffzelle (7) und einen Elektromotor (8) aufweist, wobei das Antriebssystem (10) derart eingerichtet ist, dass durch den Flüssig-Wasserstoffbehälter (6) bereigestellter Wasserstoff der Brennstoffzelle (7) zugeführt wird und von der Brennstoffzelle (7) erzeugter Strom (9) zum Antrieb des Elektromotres (8) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (10) weiterhin einen Turbolader (1) aufweist, der derart im Antriebssystem (10) angeordnet ist, dass im Abgasstrom (2) des Turboladers (1) von der Brennstoffzelle (7) erzeugter Dampf geführt wird und auf der Verdichterseite des Turboladers (1) für die Brennstoffzelle (7) bereitzustellender Wasserstoff geführt wird.
  2. Antriebssystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Flüssig-Wasserstoffbehälter (6) einen Speicherdruck von 1-2 bar aufweist.
  3. Antriebssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennstoffzelle (7) für einen Betrieb mit gasförmigem Wasserstoff bei 6 bis 8 bar Eingangsdruck ausgelegt ist.
  4. Antriebssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzelle (7) eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, eine alkalische Brennstoffzelle, eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle oder eine Festoxid-Brennstoffzelle ist.
  5. Fahrzeug mit einem Antriebssystem (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  6. Verwendung eines Turboladers (1), durch den von einer Brennstoffzelle (7) erzeugter Dampf im Abgasstrom (2) geführt wird, um Wasserstoff aus einem Flüssig-Wasserstoffbehälter (6) auf den Eingangsdruck der Brennstoffzelle (7) zu verdichten.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10249588A1 (de) * 2002-04-16 2004-05-13 Airbus Deutschland Gmbh Anordnung zur Erzeugung von Wasser an Bord eines Luftfahrzeuges

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