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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugaggregat mit einem Verbrennungsmotor,
einer diesem zugeordneten Abgasbehandlungseinrichtung sowie mit einem
thermisch mit der Abgasbehandlungseinrichtung gekoppelten Brennstoffzellensystem,
das einen Reformer und mindestens eine Brennstoffzelle umfasst.
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Es
sind Kraftfahrzeugaggregate bekannt, die dem Antrieb und der elektrischen
Bordenergieversorgung eines Kraftfahrzeugs dienen. Das Kraftfahrzeugaggregat
weist eine verbrennungsmotorische Einheit auf, die aus einem Verbrennungsmotor
und einer diesem nachgeschalteten, die motorischen Abgase reinigenden
Abgasbehandlungseinrichtung besteht und üblicherweise für den Antrieb
des Kraftfahrzeugs zuständig
ist. Ferner weist das Kraftfahrzeugaggregat ein Brennstoffzellensystem
auf. Das auch als „auxiliarypower-unit" (APU) bezeichnete
Brennstoffzellensystem eignet sich besonders zur elektrischen Bordenergieversorgung,
da es im Vergleich zu einem herkömmlichen,
von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Generator (Lichtmaschine)
wirkungsgradgünstiger
arbeitet. Der Einsatz von APU's
bietet sich daher gerade in solchen Fahrzeugen mit einem großen elektrischen
Energiebedarf an, wie dies beispielsweise bei Oberklassefahrzeugen
mit ihren vielen Stromverbrauchern der Fall ist. Das Brennstoffzellensystem
kann aber auch als Antriebseinheit verwendet werden, wie dies beispielsweise
bei Hybridfahrzeugen der Fall ist, bei denen das Brennstoffzellensystem
eine zusätzliche
Antriebseinheit zum Verbrennungsmotor bildet und damit einen kraftstoffsparenden
Fahrzeugantrieb ermöglicht.
Trotz der vorstehend genannten Vorteile kommt es bei dem hier angesprochenen
Kraftfahrzeugaggregat während
des Betriebes, insbesondere während
der Kaltstartphase, zu unerwünschten
Schadstoffemissionen, die im Wesentlichen von der verbrennungsmotorischen
Einheit hervorgerufen werden.
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Aus
der
DE 100 54 007
A1 ist eine Einrichtung mit Verbrennungsmotor bekannt,
dem ein Abgaskatalysator zugeordnet ist. Ferner liegt ein thermisch
mit dem Abgaskatalysator gekoppeltes Brennstoffzellensystem vor,
das ein Gaserzeugungssystem und mindestens eine Brennstoffzelle
aufweist. Das Brennstoffzellensystem kann in der Startphase des
Fahrzeugs den Abgaskatalysator des Verbrennungsmotors vorheizen,
wodurch die Abgasemissionen beim Start verringert werden.
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Das
Brennstoffzellensystem kann mit dem Verbrennungsmotor und/oder der
Abgasbehandlungseinrichtung thermisch gekoppelt sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeugaggregat
der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem der Ausstoß von unerwünschten
Schadstoffen sehr gering ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Abgasbehandlungseinrichtung über eine mit einem Absperrventil
versehene Leitung heißes
Reformatgas aus dem Reformer zuführbar
ist. Der Reformer weist die Fähigkeit
auf, während
der Kaltstartphase sehr schnell sehr heißes Gas mittels des Absperrventils
beeinflussbar zur Verfügung
zu stellen.
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Mittels
der thermischen Kopplung kann ein Wärmeaustausch zwischen dem Brennstoffzellensystem
und dem Verbrennungsmotor und/oder zwischen dem Brennstoffzellensystem
und der Abgasbehandlungseinrichtung stattfinden. Sofern das Temperaturniveau
im Brennstoffzellensystem höher
ist als im Verbrennungsmotor beziehungsweise in der Abgasbehandlungseinrichtung,
entsteht ein Wärmefluss
vom Brennstoffzellensystem zum Verbrennungsmotor beziehungsweise
zur Abgasbehandlungseinrichtung, der zu einer Erwärmung des
Verbrennungsmotors beziehungsweise der Abgasbehandlungseinrichtung
führt.
Ein derartiger Wärmefluss
ist dann von Vorteil, wenn der Verbrennungsmotor und die Abgasbehandlungseinrichtung
sich in der Kaltstartphase oder einer Kaltlaufphase befinden, also
nicht mit Betriebstemperatur, sondern mit einer geringeren Temperatur
arbeiten, da mittels der zugeführten
Wärme die
Betriebstemperatur schneller erreicht werden kann und damit die
Verweilzeit in der Kaltstart- beziehungsweise Kaltlaufphase verkürzt wird.
Dies hat zur Folge, dass Schadstoffemissionen, die aufgrund des
nicht bei Betriebstemperatur arbeitenden Verbrennungsmotors durch
diesen verstärkt entstehen
und von der Abgasbehandlungseinrichtung nicht in ausreichendem Maß eliminiert
werden können,
beispielsweise weil die Abgasbehandlungseinrichtung auch nicht bei
Betriebstemperatur arbeitet, weitgehend vermieden werden können. Damit bietet
die thermische Kopplung also die Möglichkeit, den im Verbrennungsmotor
und in der Abgasbehandlungseinrichtung ablaufenden Prozessen Wärme zuzuführen und
damit unerwünschte
Effekte, wie beispielsweise die Bildung und Emission von Schadstoffen
auf ein Minimum zu reduzieren. Grundsätzlich ist es mittels der thermischen
Kopplung auch möglich, dass
ein Wärmefluss
vom Verbrennungsmotor beziehungsweise von der Ab gasbehandlungseinrichtung zum
Brennstoffzellensystem stattfindet, nämlich dann, wenn das Brennstoffzellensystem
ein niedrigeres Temperaturniveau als der Verbrennungsmotor beziehungsweise
die Abgasbehandlungseinrichtung aufweist.
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Vorzugsweise
ist das Brennstoffzellensystem mit dem Ansaugbereich des Verbrennungsmotors,
insbesondere Luftansaugbereich, und/oder dem Motorkühlkreis
des Verbrennungsmotors thermisch gekoppelt. Mittels der thermischen
Kopplung des Brennstoffzellensystems mit dem Ansaugbereich des Verbrennungsmotors
kann eine Erwärmung
des Ansaugtraktes durchgeführt
werden. Auf diese Weise ist es möglich,
die dem Verbrennungsmotor über
den Ansaugbereich zugeführten
Betriebsstoffe derart vorzuwärmen,
dass sich in Bezug auf den Verbrennungsprozess wirkungsgraderhöhende und
emissionsmindernde Effekte ergeben. Handelt es sich bei dem Ansaugbereich
um den Luftansaugbereich, so kann die in diesem geführte Verbrennungsluft
vorgewärmt
werden. Handelt es sich bei dem Ansaugbereich um einen Kraftstoffzuführungsbereich,
so kann in diesem der Kraftstoff für den Verbrennungsmotor vorgewärmt werden.
Bei den Verbrennungsmotoren mit Ansaugrohreinspritzung bewirkt die
Erwärmung des
Ansaugbereichs eine verminderte Wandfilmbildung des Kraftstoffs
in der Kaltlauf- beziehungsweise Kaltstartphase des Verbrennungsmotors,
das heißt, die
in dieser Betriebsphase verstärkt
stattfindende Bildung eines unerwünschten Kraftstofffilms an
den Wänden
des Verbrennungsmotors wird weitgehend vermieden. Alternativ oder
zusätzlich
kann das Brennstoffzellensystem auch mit dem Motorkühlkreislauf
thermisch gekoppelt sein, so dass auf diese Weise eine thermische
Kopplung mit sämtlichen Kühlmittel
führenden
Bereichen des Motorgehäuses möglich ist.
Sofern der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur noch nicht
erreicht hat, kann mittels der thermischen Kopplung mit dem Motorkreislauf eine
sehr schnelle Erwärmung
des Motorgehäuses erfolgen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem
mit einer Abgasrückführeinrichtung
des Verbrennungsmotors thermisch gekoppelt ist. Vorzugsweise ist
die Abgasrückführeinrichtung
eine innere Abgasrückführeinrichtung
des Verbrennungsmotors, das heißt,
das Motorgehäuse
weist bereits entsprechende Kanäle auf, über die
das Abgas nach beziehungsweise mit Verlassen der Brennkammer in
den Zuführbereich der
Brennkammer rückgeführt und
anschließend
der Brennkammer wieder zugeführt
wird. Die thermische Kopplung des Brennstoffzellensystems mit der
Abgasrückführeinrichtung
kann alternativ oder ergänzend
zur Kopplung des Brennstoffzellensystems mit dem Ansaugbereich beziehungsweise
dem Motorkühlkreislauf
erfolgen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die thermische
Kopplung ein- und ausschaltbar ausgebildet ist. Die thermische Kopplung
kann dadurch gezielt zu gewünschten
Betriebszuständen
beziehungsweise Betriebsphasen der miteinander zu koppelnden Einrichtungen
eingeschaltet beziehungsweise aktiviert werden. Da eine unerwünschte Schadstoffbildung
besonders dann auftritt, wenn der Verbrennungsmotor und/oder die
Abgasbehandlungseinrichtung nicht bei Betriebstemperatur arbeitet/arbeiten,
ist vorgesehen, dass die thermische Kopplung nur während der
Kaltstartphase des Verbrennungsmotors oder der Kaltstartphase der
Abgasbehandlungseinrichtung vorliegt. Eine Zuführung von Wärme aus dem Brennstoffzellensystem
während
der Kaltstartphase ist möglich,
da das Brennstoffzellensystem sehr schnell auf Betriebstemperatur
kommt. Es ist möglich,
die Dauer der thermischen Kopplung nach derjenigen Einrichtung mit
der längeren
Kaltstartphase durchzuführen.
Sofern der Verbrennungsmotor eine längere Kaltstartphase hat als die
Abgasbehandlungseinrichtung, kann die thermische Kopplung nach der
Kaltstartphase des Verbrennungsmotors ausgelegt sein. Im umgekehrten
Fall kann die Dauer der thermischen Kopplung nach der Kaltstartphase
der Abgasbehandlungseinrichtung ausgelegt sein, oder es können die
sowohl der Verbrennungsmotor als auch die Abgasbehandlungseinrichtung
berücksichtigt
sein.
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Es
ist vorgesehen, dass die thermische Kopplung über mindestens ein Medium erfolgt.
Das Medium ist mindestens ein Gas, mindestens eine Flüssigkeit
und/oder mindestens ein Festkörper.
Zur Wärmeübertragung
können
auch mehrere Medien, insbesondere Medien mit unterschiedlichen Aggregatszuständen, eingesetzt
werden. Somit ist eine Wärmeübertragung
mittels eines Gases und einer Flüssigkeit
ebenso möglich
wie mittels einer Flüssigkeit
und eines Festkörpers
oder mittels eines Gases und eines Festkörpers. Die Wärmeübertragung
kann mittels Wärmeleitung,
Wärmekonvektion
und/oder Wärmestrahlung
erfolgen. Die Kombination der Medien beziehungsweise der unterschiedlichen
Aggregatszustände
kann dabei beliebig vorgenommen werden.
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Vorzugsweise
wird die thermische Kopplung mittels mindestens eines Wärmetauschers
durchgeführt.
Der Wärmetauscher
kann ein Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher,
ein Gas/Festkörper-Wärmetauscher,
ein Flüssigkeits/Festkörper-Wärmetauscher,
ein Gas/Gas-Wärmetauscher,
ein Flüssigkeit/Flüssigkeits-Wärmetauscher
oder ein Festkörper/Festkörper-Wärmetauscher
sein. Ebenso können
mehrere dieser Wärmetauscher
miteinander kombiniert sein, um eine thermische Kopplung zwischen
dem Brennstoffzellensystem und dem Verbrennungsmotor und/oder der
Abgasbehandlungseinrichtung herzustellen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem
ein Wärmeabführsystem
aufweist, und dass die thermische Kopplung mit dem Wärmeabführsystem,
vorzugsweise über
mindestens einen Abzweig, verbunden ist. Vorzugsweise führt das
Wärmeabführsystem des
Brennstoffzellensystems ein Heißmedium,
das mit dem Luftansaugbereich, der Abgasrückführeinrichtung, dem Motorkreislauf
des Verbrennungsmotors und/oder der Abgasbehandlungseinrichtung
gekoppelt ist oder mindestens einer der vorstehend genannten Einrichtungen
zugeführt
wird. Aus dem Wärmeabführsystem
kann also Wärme
mittels des Heißmediums
vorzugsweise über
mindestens einen Abzweig abgeführt
werden. Als Heißmedium
kann ein gasförmiges
oder flüssiges
Medium eingesetzt werden. So ist es in einer ersten Variante möglich, dass das
Wärmeabführsystem
ein Heißgas
als Heißmedium
führt und
dass das Heißgas über den
Abzweig von dem Wärmeabführsystem
abgeführt
und über eine
am Verbrennungsmotor beziehungsweise an der Abgasbehandlungseinrichtung
angeordneten Einmündung
diesen Einrichtungen direkt zugeführt wird. Unter einer direkten
Zuführung
ist dabei zu verstehen, dass das Heißgas der Verbrennungsluft (Ansaugluft)
oder dem Abgas zugeführt
wird und sich mit diesem vermischt. Sofern die Einmündung im
Luftansaugbereich angeordnet ist, wird mittels des Heißgases die
Verbrennungsluft erwärmt
und es kommt zur Bildung eines Verbrennungsluft-Heißgas-Gemisches,
das in den Verbrennungsprozess eingebracht wird. Sofern die Einmündung an
der Abgasrückführeinrichtung
angeordnet ist, erfolgt eine Erwärmung des
Abgases mittels dem Heißgas,
wobei sich das Heißgas
mit dem Abgas vermischt und als Heißgas-Abgas-Gemisch über die
Abgasrückführeinrichtung
dem Verbrennungsmotor beziehungsweise dem Verbrennungsprozess zugeführt wird.
Die Abgasrückführung mittels
eines Abgas-Heißgas-Gemisches ist gegenüber der
Abgasrückführung mittels Abgas
dahingehend von Vorteil, dass aufgrund des Vorhandenseins von oxidierbaren
Bestandteilen im Heißgas
das Abgas-Heißgas-Gemisch
zusätzlich auch
ein oxidierbares Potential beziehungsweise Reduktionspotential für den Verbrennungsprozess
aufweist. Gleiches gilt für
die Zuführung
eines Abgas-Heißgas-Gemisches
in die Abgasbehandlungseinrichtung. Sofern die Abgasbehandlungseinrichtung
eine Oxidationseinrichtung ist, kann das Heißgas sowohl aufgrund seiner
Wärme als
auch aufgrund seiner oxidierbaren Bestandteile den Oxidationsprozess
beziehungsweise den Katalysatorprozess verbessern. In einer zweiten
Variante ist es möglich,
dass anstelle von Heißgas
als Heißmedium flüssiges Heißmedium
im Wärmeabführsystem
geführt
und aus diesem mittels des Abzweigs abgeführt wird. In diesem Fall kann
die Einmündung
am Motorkreislauf des Verbrennungsmotors angeordnet sein, so dass
das flüssige
Heißmedium
direkt in den Motorkreislauf zugeführt wird und sich dort mit
dem Kühlmittel
vermischt. Auf diese Weise kommt es sehr schnell zu einem Aufwärmen des
gesamten Kühlmittel
geführten
Bereiches im Motorgehäuse.
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Vorzugsweise
kann vorgesehen sein, dass das Wärmeabführsystem
als Kühlkreislauf
ausgebildet ist und dass der Kühlkreislauf
und der Motorkühlkreislauf
einen gemeinsamen Kühlkreislauf
bilden. Der Kühlkreislauf
des Wärmeabführsystems
und der Motorkühlkreislauf
sind in diesem Fall quasi direkt miteinander gekoppelt, so dass
Wärmeverluste durch
zwischengeschaltete Wärmetauscher
oder Zuleitungen zwischen dem Wärmeabführsystem
und dem Motorkühlkreislauf
vermieden werden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dem Wärmeabführsystem
mindestens der eine Reformer, mindestens eine Gasreinigungseinrichtung
und/oder mindestens die eine Brennstoffzelle zugeordnet sind. Besonders
vorteilhaft ist die Zuordnung des Reformers zu dem Wärmeabführsystem.
Gegenüber
der Brennstoffzelle verfügt
der Reformer beispielsweise über
eine wesentlich geringere thermisch relevante Masse. Daher weist
der Reformer die Fähigkeit
auf, während
der Kaltstartphase sehr schnell sehr heißes Gas zur Verfügung zu
stellen. Insbesondere erweist sich bei Verwendung des von dem Reformer
erzeugten Reformats der weite Temperaturbereich, in dem sich das Reformat
befinden kann (400°C
bis 900°C)
und die weite Spreizung der Konzentrationen einzelner Reformerbestandteile,
beispielsweise je nach Bedarf hohe H2-/CO2-Anteile oder hoher CH4-Anteile,
als besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine optimale Minderung
der Schadstoffemissionen, da die in einem weiten Bereich einstellbaren
Reformateigenschaften die thermische Kopplung optimal im Hinblick
auf eine Verringerung der Schadstoffemissionen einstellen lassen.
Eine Zuordnung weiterer oder anderer Einrichtungen des Brennstoffzellensystems
zum Wärmeabführsystem
ist aber ohne weiteres auch möglich.
Hier können
beispielsweise selektive Oxidationsreaktoren oder Wassergas-Shiftstufen der Gasreinigungseinrichtung
mit dem Wärmeabführsystem gekoppelt
sein. Die Kombination der jeweils dem Wärmeabführsystem zugeordneten Einrichtungen des
Brennstoffzellensystems richtet sich nach den jeweils durch die
thermische Kopplung zu erzielenden Temperaturniveaus und der -im
Falle einer direkten Zuführung
von Heißgas
mit oxidierbaren Bestandteilen- in den Verbrennungsprozessen des
Verbrennungsmotors und/oder der Abgasbehandlungseinrichtung gewünschten
Reduktionspotentiale.
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Nach
einer Weiterbildung ist eine, die Kaltstartphase erfassende, bei
Vorliegen der Kaltstartphase die thermische Kopplung einschaltende
Steuereinheit vorgesehen. Mittels der Steuereinheit ist ein gezieltes
Anschalten der thermischen Kopplung während der Kalt startphase möglich. Dies
kann beispielsweise in der Weise geschehen, dass die Steuereinheit
den Betriebszustand der Brennstoffzelle beziehungsweise des Wärmeabführsystems
der Brennstoffzelle mittels Erfassungssensoren überwacht und bei Vorliegen
eines ausreichenden Wärmeniveaus die
thermische Kopplung einschaltet. Sofern die thermische Kopplung
an mehreren Stellen des Verbrennungsmotors und eine thermische Kopplung
mit der Abgasbehandlungseinrichtung vorgesehen ist, kann die Steuereinheit
mittels Steuerventilen oder dergleichen eine Art Zuteilungsmanagement
durchführen, indem
die Steuereinheit mittels Wärme-
beziehungsweise Temperaturerfassungssensoren an den Koppelstellen
das Wärme-
beziehungsweise Temperaturniveau an der jeweiligen Koppelstelle
erfasst und eine dem jeweiligen Wärmebedarf entsprechende Wärmezuführung durchführt.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass bei Nicht-Vorliegen der Kaltstartphase die
thermische Kopplung mittels der Steuereinheit ausgeschaltet ist. Damit
kann vermieden werden, dass bei Erreichen der Betriebstemperatur
des Verbrennungsmotors beziehungsweise der Abgasbehandlungseinrichtung ein
Wärmerückfluss
vom Verbrennungsmotor und der Abgasbehandlungseinrichtung zum Brennstoffzellensystem
stattfindet, wenn das Temperaturniveau des Verbrennungsmotors beziehungsweise
der Abgasbehandlungseinrichtung höher liegt als das des Brennstoffzellensystems.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus Kombinationen der in den Unteransprüchen genannten
Merkmale.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Kraftfahrzeugaggregat gemäß eines
ersten Ausführungsbeispiels;
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2 das
Kraftfahrzeugaggregat gemäß 1 nach
einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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3 das
Kraftfahrzeugaggregat gemäß 1 nach
einem dritten Ausführungsbeispiel
und
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4, 5 Ausführungsbeispiele
einer thermischen Kopplung zwischen einem Brenn stoffzellensystem
und einem Verbrennungsmotor.
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In 1 ist
in schematischer Darstellung der Aufbau ein Kraftfahrzeugaggregat 1 gezeigt,
das einen Verbrennungsmotor 2, eine dem Verbrennungsmotor 2 nachgeschaltete
Abgasbehandlungseinrichtung 3 und ein Brennstoffzellensystem 4 aufweist. Der
Verbrennungsmotor 2 umfasst einen Ansaugbereich für Kraftstoff
(nicht in 1 dargestellt) und einen Luftansaugbereich 5,
der eine Luftleitung 6 und einen Ansaugtrakt 7 enthält. Die
Luftleitung 6 und der Ansaugtrakt 7 sind derart
zueinander angeordnet, dass Verbrennungsluft 8 über die
Luftleitung 6 in den Ansaugtrakt 7 strömt und von
dort in den Brennraum 9 gelangt. Der Verbrennungsmotor 2 weist
ferner einen Abgassammler 10 auf, der mit einer Abgasleitung 11 verbunden
ist, wobei die Abgasleitung 11 in die Abgasbehandlungseinrichtung 3 mündet. Der Ausgang
der Abgasbehandlungseinrichtung 3 ist mit einer zweiten
Abgasleitung 12 verbunden, mittels der das Abgas gemäß Pfeil 13 das
Kraftfahrzeugaggregat 1 verlässt. Die Abgasbehandlungseinrichtung 3 kann
als Oxidationskatalysator, Redox-Katalysator oder dergleichen ausgebildet
sein. Die vorstehend beschriebene Anordnung und Ausführung des
Verbrennungsmotors 2 und der Abgasbehandlungseinrichtung 3 sind
an sich bekannt, so dass diesbezüglich
keine weitergehende Beschreibung erfolgt.
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Das
Brennstoffzellensystem 4 umfasst einen Reformer 14,
eine Gasreinigungseinrichtung 15 und eine Brennstoffzelle 16.
Die Gasreinigungseinrichtung 15 ist als selektiver Oxidationsreaktor
ausgebildet. Die Gasreinigungseinrichtung 15 kann anstelle eines
selektiven Oxidationsreaktors eine Wassergas-Shiftstufe oder eine
Kombination eines selektiven Oxidationsreaktors und einer Wassergas-Shiftstufe
sein. Als Brennstoffzelle können
sämtliche
gängigen
Typen verwendet werden. Vorzugsweise sind jedoch Hochtemperaturmembranbrennstoffzellen (HTPEMFC)
oder andere Hochtemperatursysteme vorgesehen. Die Brennstoffzelle 16 kann
auch als Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) ausgebildet sein. Die Brennstoffzelle 16 ist über eine
Brennstoffzellenbetriebsmittelleitung 17 mit der Gasreinigungseinrichtung 15 verbunden,
wobei die Gasreinigungseinrichtung 15 wiederum über eine
Reformatleitung 18 mit dem Reformer 14 verbunden
ist. Der in 1 dargestellte Stofffluss sieht
wie folgt aus: Ein Kraftstoff 19 wird über einen Katalysator 20 (E-Kat)
dem Reformer 14 zugeführt.
Im Reformer 14 wird ein Reformatgas, (Reformat) erzeugt,
das über
die Reformatleitung 18 der Gasreinigungseinrichtung 15 zugeführt wird.
In der Gasreinigungseinrichtung 15 erfolgt eine Aufbereitung
des Reformats in der Weise, dass Reformatbestandteile, wie beispielsweise
Kohlenstoffmonoxid (CO) in ihrer Konzentration gemindert werden,
so dass ein gereinigtes, wasserstoffreiches Betriebsmittel der Brennstoffzelle 16 zugeführt wird,
die daraus elektrische Energie erzeugt, die über die Anschlüsse 21 abgeführt werden
kann. Ferner wird bei dem Brennstoffzellenprozess Abgas erzeugt,
das gemäß Pfeil 22 vom
Brennstoffzellensystem 4 abgeführt wird. Die vorstehend beschriebene
Ausbildung des Brennstoffzellensystems 4 ist an sich bekannt und
wird daher nicht weiter ausgeführt.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kraftfahrzeugaggregats 1 ist
in der Reformatleitung 18 eine Abzweigung 23 vorgesehen, über die
heißes
Reformat aus dem Brennstoffzellensystem 4 über eine
Leitung 24 abgeführt
werden kann. Ferner ist zwischen der Abzweigung 23 und der
Gasreinigungseinrichtung 15 ein Absperrventil 25 in
der Reformatleitung vorgesehen. Das Absperrventil 25, die
Abzweigung 23 und die Leitung 24 sind Bestandteile
eines Wärmeabführsystems 26 des
Brennstoffzellensystems 4. Die Leitung 24 ist über eine
Einmündung 27 mit
der ersten Abgasleitung 11 verbunden. Ferner ist eine Steuereinheit 29 vorgesehen,
die über
Sensorsignalleitungen 30, 31 mit Temperatursensoren
oder Wärmeerfassungssensoren,
die in 1 nicht dargestellt sind, verbunden sind. Die Steuereinheit 29 ist
ferner über
eine Sensorsignalleitung 32 mit dem Reformer 14 verbunden.
Darüber
hinaus besteht über
die Steuerleitungen 33, 34 eine Verbindung zu
dem ersten Absperrventil 25 und dem zweiten Absperrventil 28.
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Es
ergibt sich folgende Funktionsweise: Bei einem Einschalten des Kraftfahrzeugaggregats 1 werden
der Verbrennungsmotor 2, die Abgasbehandlungseinrichtung 3 und
das Brennstoffzellensystem 4 gestartet. In dieser Startphase
werden das erste Absperrventil 25 und das zweite Absperrventil 28 geschlossen,
so dass ein Zufluss von Reformat in die Gasreinigungseinrichtung 15 und
in die erste Abgasleitung 11 nicht erfolgen kann. Die Steuereinheit 29, die
sowohl den Betriebszustand in dem Verbrennungsmotor 2,
der Abgasbehandlungseinrichtung 3 und dem Reformer 14 erfasst, öffnet das
zweite Absperrventil 28, wenn das Reformat des Reformers 14 eine
vorgegebene Temperatur und Gaszusammensetzung aufweist. Zur Feststellung
der Reformattemperatur sind entsprechende Sensoren im Reformer 14 beziehungsweise
in den Reformat führenden
Leitungen vorgesehen, die in 1 nicht
dargestellt sind. Die Erfassung der Gaszusammensetzung kann mittels
entsprechender Gassensoren oder empirisch ermittelter Kennlinien,
die eine Abhängigkeit
zwischen der Gaszusammensetzung des Reformats und der Temperatur
des Reformers 14 beschreiben, erfasst werden. Das Reformat
strömt
bei geöffnetem zweiten
Absperrventil 28 über
die Leitung 24 und der Einmündung 27 in die erste
Abgasleitung 11 und vermischt sich dort mit dem aus dem
Verbrennungsmotor 2 kommenden Abgas zu einem Abgas-Reformat-Gemisch.
Das Abgas-Reformat-Gemisch ge langt über die erste Abgasleitung 11 in
die Abgasbehandlungseinrichtung 3. In der Abgasbehandlungseinrichtung 3 erfolgt
eine Aufwärmung
aufgrund der im Abgas-Reformat-Gemisch
mitgeführten
Wärme und
eine Nachoxidation der noch im Abgas-Reformat-Gemisch enthaltenen oxidierbaren Bestandteile. Da
das Reformat einen hohen Energieanteil in Form von mitgeführter Wärme und
unverbrannte oxidierbare Bestandteile aufweist, findet durch die
zusätzliche Einleitung
von Reformat in die Abgasbehandlungseinrichtung 3 eine
beschleunigte Erwärmung
statt. Die hier beschriebene thermische Kopplung zwischen dem Brennstoffzellensystem 4 und
Abgasbehandlungseinrichtung 3 erfolgt so lange, bis die
Abgasbehandlungseinrichtung 3 auf Betriebstemperatur geführt ist,
das heißt,
bis die mit einer verminderten Arbeitsleistung verbundene Abgasbehandlungseinrichtung 3 ihre
Kaltstartphase noch nicht beendet hat. Bei Erreichen der Betriebstemperatur
der Abgasbehandlungseinrichtung 3 werden über die
Steuereinheit 29 das erste Absperrventil 25 und
das zweite Absperrventil 28 betätigt, und zwar derart, dass
das zweite Absperrventil 28 geschlossen wird, so dass keine
thermische Kopplung zwischen dem Brennstoffzellensystem 4 und
der Abgasbehandlungseinrichtung 3 mehr vorliegt und dass
das erste Absperrventil 25 geöffnet wird, so dass nun heißes Reformat in
die Gasreinigungseinrichtung einströmen kann. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
dass das erste Absperrventil 25 bereits vor dem Ende der
Kaltstartphase der Abgasbehandlungseinrichtung 3 teilweise
oder ganz geöffnet
wird, so dass der Abgasbehandlungseinrichtung 3 lediglich
Teilströme
des Reformats zufließen
können.
Entsprechende andere Abstufungen des Öffnungsgrades des ersten Absperrventils 25 beziehungsweise
des zweiten Absperrventils 28 sind ebenso möglich.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Kraftfahrzeugaggregats 1. Einrichtungen und Teile, die
bereits anhand der vorangegangenen 1 beschrieben
wurden, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern
auf deren Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden wird lediglich
auf die Unterschiede näher
eingegangen. Das Brennstoffzellensystem 4 ist mit dem Luftansaugbereich 5,
hier insbesondere mit der Luftleitung 6 des Luftansaugbereichs 5 thermisch
gekoppelt. Dazu ist in der Luftleitung 6 eine Einmündung 27' vorgesehen, die
mit der Leitung 24 des Wärmeabführsystems 26 verbunden
ist, so dass Wärme über das
Heißgas
des Reformers 14 des Brennstoffzellensystems 4 dem Luftansaugbereich 5 des
Verbrennungsmotors 2 zugeführt werden kann. Die Ein- und
Ausschaltung der thermischen Kopplung und die Reformatversorgung der
Brennstoffzelle 16 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel
analog zu dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel
mittels der Steuereinheit 29 und des ersten Absperrventils 25 sowie
des zweiten Absperrventils 28. Die Steuereinheit 29 und
die Sensorsignalleitungen 30, 31, 32 sowie
die Steuerleitungen 33 und 34 sind der Einfachheit
halber in 2 nicht dargestellt. Mittels
der thermischen Kopplung des Brennstoffzellensystem 4 mit
dem Luftansaugbereich 5 des Verbrennungsmotors 2 ist
es möglich,
den verbrennungsmotorischen Kaltlauf, der üblicherweise während der
Kaltstartphase stattfindet, durch Zuführung von Heißgas zu
verkürzen.
Da der Reformer 14 die Fähigkeit besitzt, sehr schnell
sehr heißes
Gas bereitzustellen, kann mit Vorteil zu einem sehr frühen Zeitpunkt
das Heißgas
direkt der Ansaugluft zugemischt werden. Mittels der Erwärmung der
Ansaugluft 8 wird während
der Kaltlaufphase eine Wandfilmbildung des Kraftstoffs an den noch
kalten Gehäusewandungen
des Verbrennungsmotors 2 vermieden. Die thermische Kopplung
des Brennstoffzellensystems 4 mit dem Luftansaugbereich 5 bewirkt
somit zum einen eine Minderung der Kaltstartemissionen aufgrund
der verhinderten Wandfilmbildung des Kraftstoffs, zum anderen findet
eine Minderung der Kaltstartemission aufgrund der verkürzten verbrennungsmotorischen
Kaltlaufphase statt. Die thermische Einkopplung kann auch im Ansaugtrakt 7 oder an
einer anderen Stelle des Luftansaugbereichs 5 erfolgen.
Ebenso ist es möglich,
dass eine Erwärmung der
Verbrennungsluft 8 beziehungsweise des Luftansaugbereichs 5 mittels
mindestens eines Wärmetauschers
vorgenommen wird. Wichtig ist, dass eine Erwärmung des Luftansaugbereichs 5 und
der darin geführten
Verbrennungsluft erfolgt, wobei mittels dieser Erwärmung auch
der Kraftstoff und die kraftstoffgeführten Teile vor Eintritt in
den Brennraum 9 erwärmt werden.
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Alternativ
zur thermischen Kopplung gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 2 ist auch eine thermische Kopplung zwischen dem
Brennstoffzellensystem 4 und dem Ansaugtrakt 7 beziehungsweise dem
Luftansaugbereich 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 3 möglich.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
weist der Verbrennungsmotor 2 eine Abgasrückführeinrichtung 35 auf, die
als innere Abgasrückführung des
Verbrennungsmotors 2 ausgebildet ist, was schematisch durch
den Pfeil mit gleichem Bezugszeichen dargestellt ist. Einrichtungen
und Teile, die bereits anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben
wurden, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern
auf deren Beschreibung verwiesen wird. Das gilt ebenso für die in 3 nicht
dargestellte Steuereinheit 29 sowie die nicht dargestellten
Sensorsignalleitungen 30, 31, 32 und
die Steuerleitungen 33, 34. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 3 ist eine Einmündung 27'' an der Abgasrückführeinrichtung 35 vorgesehen. Die
Einmündung 27'' ist über die Leitung 24 mit
dem Reformer 14 des Brennstoffzellensystems 4 verbunden.
Das Abgas wird, insbesondere während
der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 2, durch die thermische
Kopplung mit dem Brennstoffzellensystem 4 zusätzlich er wärmt und über die
Abgasrückführeinrichtung 35 in
den Ansaugtrakt 7 des Verbrennungsmotors 2 rückgeführt. Die
Zuführung
in den Ansaugtrakt 7 des Verbrennungsmotors hat die Wirkung,
dass eine Bildung von Schadstoffemissionen insbesondere während der
Kaltstartphase des Verbrennungsmotors vermindert wird. Ferner wird
eine Wandfilmbildung des Kraftstoffs im Bereich des Ansaugtraktes
während
der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors vermindert.
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4 zeigt
in schematischer Darstellung das Brennstoffzellensystem 4,
dessen Wärmeabführsystem 26 als
Kühlkreislauf 36 ausgebildet
ist. Das Wärmeabführsystem 26 weist
ferner einen ersten Wärmetauscher 37 auf.
Dem Wärmeabführsystem 26 sind
der Reformer 14, die Gasreinigungseinrichtung 15 und
die Brennstoffzelle 16 zugeordnet, wobei die drei genannten
Einrichtungen analog der Ausführungsformen
des Brennstoffzellensystems 4 in den 1 bis 3 angeordnet
sind. Der erste Wärmetauscher 37 ist
mit einem zweiten Wärmetauscher 38 verbunden,
wobei der zweite Wärmetauscher 38 im Motorkühlkreislauf 39 des
Verbrennungsmotors 2 angeordnet ist. Wärme des Brennstoffzellensystems 4 wird über den
ersten Wärmetauscher 37 des
Wärmeabführsystems 26 abgeführt beziehungsweise
an ein im Wärmetauscher 37 geführtes Medium
(Wasser oder Gas) abgeführt
und dem zweiten Wärmetauscher 38 zugeführt, wo
es zu einer Wärmeabgabe vom
Medium auf das Kühlmittel
des Motorkühlkreislaufs 39 kommt.
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5 zeigt
in schematischer Darstellung eine Anordnung des Brennstoffzellensystems 4 und des
Verbrennungsmotors 2, bei der Kühlkreislauf 36 des
Wärmeabführsystems 26 und
der Motorkühlkreislauf 39 des
Verbrennungsmotors 2 als ein gemeinsamer Kühlkreislauf 40 ausgebildet
sind. Die thermische Kopplung zwischen dem Brennstoffzellensystem 4 und
dem Verbrennungsmotor 2 findet bei diesem Ausführungsbeispiel
in der Art und Weise statt, dass die Wärmeübertragung mittels ein und desgleichen
Wärmemediums
erfolgt. Verluste durch zusätzliche
Wärmetauscher
werden dadurch vermieden.
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Zusammenfassend
bleibt festzuhalten, dass die vorstehend beschriebenen Möglichkeiten
einer thermischen Kopplung zwischen einem Brennstoffzellensystem
und einem Verbrennungsmotor und/oder einer Abgasbehandlungseinrichtung,
insbesondere während
der Kaltstartphase beziehungsweise während des Kaltlaufes des Verbrennungsmotors und
der Abgasbehandlungseinrichtung vorteilhaft ist. Mittels der thermischen
Kopplung kann die Abgasbehandlungseinrichtung schnell auf Betriebstemperatur gebracht
werden. Ferner kann mittels der thermischen Kopplung die Kaltlaufphase
des Verbrennungsmotors verkürzt
werden und es können,
insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Saugrohreinspritzung Wandfilmbildungen
des Kraftstoffs in der Kaltlaufphase vermieden werden. Alle diese
Maßnahmen
führen
letztendlich dazu, dass während
der Kaltstartphase des Kraftfahrzeugaggregats die Bildung von Schadstoffemissionen
verringert ist.