DE10252156A1

DE10252156A1 - Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10252156A1
Application number: DE10252156A
Authority: DE
Inventors: Raymond Prof. Dr.-Ing. habil. Freymann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-11-09
Filing date: 2002-11-09
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie sowie mit einer die Abwärme der Brennkraftmaschine in mechanische Energie umwandelnden Wärmekraftmaschine, wobei die von dieser abgegebene Energie ohne weitere Umwandlung zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Wird die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie vorrangig zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet, so kann der elektrische Antrieb über einen letztlich von der Brennstoffzelle gespeisten Elektromotor einer ersten Achse und der mechanische Antrieb über die Wärmekraftmaschine einer zweiten Achse des zumindest zweiachsigen Kraftfahrzeugs zugeordnet sein oder es können beide Antriebe auf eine gemeinsame mit den angetriebenen Fahrzeug-Rädern in Verbindung stehende Abtriebswelle geleitet werden. Wenn ein Reformer zur Aufbereitung von Brennstoff für die Brennstoffzelle aus einem anderen Brennstoff vorgesehen ist, wird neben der Abwärme der Brennstoffzelle auch die Abwärme des Reformers einem über die Wärmekraftmaschine geführten Wärmeträgerkreislauf zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie, sowie mit einer die Abwärme der Brennstoffzelle in mechanische Energie umwandelnden Wärmekraftmaschine. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 196 36 738 A1 verwiesen.

Grundsätzlich sind Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung von elektrischer Energie bekannt. Solche Systeme können sowohl im stationären Betrieb (Remote Stromerzeugung) als auch im mobilen Bereich, d.h. letztlich zum Antrieb von Kraftfahrzeugen oder von Hilfsaggregaten derselben eingesetzt werden.

Ein Nachteil an derzeit in der Entwicklung befindlichen Brennstoffzellensystemen ist, dass nur ein Teil der zugeführten Brennstoffenergie in elektrische Energie umgewandelt wird, während die im chemisch-elektrischen Umwandlungsprozess entstehende Abwärme zumeist nicht genutzt wird. Relativ große Wärmemengen fallen auch dann an, wenn die Brennstoffzelle eine hohe elektrische Leistung (bei entsprechend hoher elektrischer Stromstärke) abgibt. Die Wärmeenergie resultiert dabei aus den inneren Widerstandsverlusten des sog. Brennstoffzellen-Stacks oder Brennstoffzellen-Stapels, denn bekanntlich werden eine größere Zahl von Brennstoff-Einzelzellen zu einem solchen Stack in Reihe geschaltet, um eine ausreichend hohe elektrische Spannung zu gewinnen. Dabei gilt diese Feststellung bezüglich Abwärme-Verlusten grundsätzlich sowohl für sog. Niedertemperatur-Brenstoffzellen (sog. PEM- = Polymer-Electrolyte-Membran-Brennstoffzellen) als auch für Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC = Solid Oxyd Fuel Cell).

Der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellen-Systems kann nun erhöht werden, wenn – wie in der eingangs genannten DE 196 36 738 A1 bereits vorgeschlagen ist – zusätzlich die Abwärmeenergie der Brennstoffzelle genutzt wird. Eine bevorzugte Möglichkeit hierfür besteht in der Verwendung einer Wärmekraftmaschine, der ein geeignetes Abwärme-Übertragungsmedium aus der Brennstoffzelle zugeführt wird, welches, je nach Brennstoffzellen-Typ, primär aus einem Kühlwasserstrom oder aus einem Heißluftstrom bestehen kann. Dabei kann diese Wärmekraftmaschine entweder einen elektrischen Generator antreiben und somit letztlich elektrischen Strom liefern oder über eine geeignete Maschine mechanische Energie bereitstellen, wofür in dieser Schrift, die sich auf stationäre Brennstoffzellen bezieht, bspw. ein Luftverdichter genannt ist.

Wie nun die Abwärme einer in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Brennstoffzelle in vorteilhafter Weise genutzt werden kann, soll hiermit aufgezeigt werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass die von der Wärmekraftmaschine abgegebene Energie ohne weitere Umwandlung zum Antrieb des Kraftfahrzeugs oder eines Fahrzeug-Hilfsaggregats verwendet wird. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Vorgeschlagen wird somit, die von der Wärmekraftmaschine, welche mit der Abwärme der Brennstoffzelle betrieben wird, abgegebene mechanische Leistung nicht weiter umzuwandeln, sondern sofort direkt in Nutzleistung umsetzten, was insbesondere in Form eines direkten Antriebs des Kraftfahrzeugs erfolgen kann. Handelt es sich bei der Brennstoffzelle jedoch um eine relativ leistungsschwache Bauart – bspw. im Hinblick auf einen Einsatz als APU = auxillary power unit – so fällt eine geringere Menge von Abwärme an, die dann lediglich für den direkten Antrieb eines Hilfsaggregates des Kraftfahrzeugs genutzt werden kann.

Weitere Abwärmeenergieanteile können dann anfallen, wenn das Brennstoffzellensystem mit einem sog. Reformer zur Aufbereitung von Brennstoffzellen-Brennstoff (Wasserstoff) aus einem anderen Brennstoff (bspw. Erdgas, Benzin oder Dieselkraftstoff) versehen ist. Die in einem Reformer ablaufenden chemischen Reaktionen sind im allgemeinen stark exotherm, wodurch große Verlustenergien auf einem hohen Temperaturniveau anfallen. Nun wird vorgeschlagen, auch die Abwärme eines solchen Reformers über einen geeigneten Wärmeträger(-Kreislauf) der vorgeschlagenen Wärmkraftmaschine zuzuführen, die die daraus gewonnene Energie dann zum Antrieb insbesondere des Kraftfahrzeugs zur Verfügung stellt.

Auf diesen Fall der Energie-Bereitstellung vorrangig zum Antrieb des Kraftfahrzeugs näher eingehend wird insbesondere ein sog. Parallelantrieb beider Systeme, d.h. des die elektrische Energie aus der Brennstoffzelle nutzenden Systems und des die Brennstoffzellen- sowie ggf. die Reformer-Abwärme nutzenden Systems, vorgeschlagen. Bevorzugt kann dabei der elektrische Antrieb über einen letztlich von der Brennstoffzelle gespeisten Elektromotor einer ersten Achse des Kraftfahrzeugs und der mechanische Antrieb über die Wärmekraftmaschine einer zweiten Achse des zumindest zweiachsigen Kraftfahrzeugs zugeordnet sein. Dies ermöglicht einen relativ einfachen Systemaufbau. Denkbar ist aber auch, dass beide Antriebe auf eine gemeinsame mit den angetriebenen Fahrzeug-Rädern in Verbindung stehende Abtriebswelle geleitet werden, was größere Freiheiten im Hinblick auf die Aufteilung des jeweiligen Antriebsmomentes bezüglich der beiden Fahrzeug-Achsen (insbesondere Vorderachse und Hinterachse) bietet.

Lediglich der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass es grundsätzlich auch möglich ist, dass die Wärmekraftmaschine einen elektrischen Generator antreibt, wobei die in diesem erzeugte elektrische Energie letztlich zum Antrieb des Kraftfahrzeugs über einen Elektromotor verwendet wird, jedoch erfolgt dann wieder eine mehrmalige Energieum wandlung, was bekanntermaßen mit erheblichen Verlusten verbunden ist und somit den Gesamt-Wirkungsgrad reduziert. Dies gilt in besonderem Maße, falls die erzeugte elektrische Energie in einer geeigneten Speichereinheit zwischengespeichert werden muss bzw. zwischengespeichert wird.

Die beigefügten 1, 2 zeigen in Prinzipdarstellung jeweils einen möglichen Wärmeträgerkreislauf 1, mit dem die an einem nicht dargestellten Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs vorliegende Abwärme einer Wärmekraftmaschine 2 zugeführt wird, die daraus mechanische Energie gewinnt, die ohne weitere Umwandlung zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet wird.
1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau an einem SOFC-Brennstoffzellensystem, wobei mit der Bezugsziffer 3 ein Siedebehälter bezeichnet ist, dem Wärme W aus dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. In diesem Siedebehälter 3 wird das gemäß angegebener Pfeilrichtung mittels einer Pumpe 4 umgewälzte, zunächst flüssige Wärmeträgermittel erhitzt und dabei in den gasförmigen Zustand überführt. Anschließend daran erfolgt die Entspannung des Wärmeträgermittels in der Wärmekraftmaschine 2, wodurch mechanische Arbeit, symbolisiert durch den Pfeil 5, frei wird. Diese Wärmekraftmaschine 2 verlassend gelangt das Wärmeträgermittel schließlich durch einen Kondensator 6 zur Saugseite der bereits genannten Pumpe 4.
2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau an einem PEM-Brennstoffzellenstack, wobei neben der Wärmekraftmaschine 2 abermals ein Siedebehälter 3 vorgesehen ist, dem Wärme W aus der eigentlichen Brennstoffzelle zugeführt wird. Von diesem aus gelangt das Wärmeträgermittel durch einen Verdichter 7, der von der Wärmekraftmaschine 2 mechanisch angetrieben wird. Ausgehend von diesem Verdichter 7 wird das Wärmeträgermittel durch einen Hochtemperatur-Wärmetauscher 8 geführt, über den Wärme W* aus einem dem Brennstoffzellensystem zugeordneten, nicht dargestellten Reformer an das Wärmeträgermittel abgegeben wird. Daran anschließend erfolgt die Entspannung des Wärmeträgermittels in der Wärmekraftmaschine 2 unter Abgabe von (über den Antrieb des Verdichters 7 hinausgehender) mechanischer Arbeit (Pfeil 5).
Selbstverständlich ist eine Wärmerückgewinnung über eine Wärmekraftmaschine nur dann sinnvoll, wenn sowohl das Wärmeangebot als auch das zur Verfügung stehende Temperaturniveau der Abwärme bestimmte Werte überschreiten. Bei zu geringem Temperaturniveau kann kein akzeptabler Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine erreicht werden. Daraus kann gefolgert werden, dass Hochtemperatur-Brennstoffzellen mit Reformer am besten geeignet sind zur Kombination mit einer Wärmekraftmaschine, dass Hochtemperatur-Brennstoffzellen auch ohne Reformer (vgl. 1) sowie Niedertemperatur-Brennstoffzellen mit Reformer (vgl. 2) immer noch über die nötige Abwärme für einen sinnvollen Einsatz einer Wärmekraftmaschine verfügen, während heutige Niedertemperatur-Brennstoffzellen ohne Reformer derzeit keinen sinnvollen Einsatz einer Wärmekraftmaschine erlauben. Sollten sich jedoch künftig die Temperaturverhältnisse ändern, so kann auch dann eine Nutzung der Abwärmeenergie sinnvoll sein. Stets sollte dabei die Siedetemperatur des im Kreislauf umgewälzten Wärmeträgermittels an das Temperaturangebot des die Abwärme bereitstellenden Systems angepasst werden, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Ausführungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie, sowie mit einer die Abwärme (W) der Brennstoffzelle in mechanische Energie umwandelnden Wärmekraftmaschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass die von der Wärmekraftmaschine (2) abgegebene Energie ohne weitere Umwandlung zum Antrieb des Kraftfahrzeugs oder eines Fahrzeug-Hilfsaggregats verwendet wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie vorrangig zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb über einen letztlich von der Brennstoffzelle gespeisten Elektromotor einer ersten Achse und der mechanische Antrieb über die Wärmekraftmaschine (2) einer zweiten Achse des zumindest zweiachsigen Kraftfahrzeugs zugeordnet ist oder dass beide Antriebe auf eine gemeinsame mit den angetriebenen Fahrzeug-Rädern in Verbindung stehende Abtriebswelle geleitet werden.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Reformer zur Aufbereitung von Bennstoff für die Brennstoffzelle aus einem anderen Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Abwärme (W) der Brennstoffzelle auch die Abwärme (W*) des Reformers einem über die Wärmekraftmaschine (2) geführten Wärmeträgerkreislauf (1) zugeführt wird.