DE19913794A1 - Fahrzeug mit einem Antriebsstrang für wenigstens zwei Antriebsräder und mit einem Brennkraftmaschinen-Antrieb sowie mit einem Brennstoffzellensystem - Google Patents
Fahrzeug mit einem Antriebsstrang für wenigstens zwei Antriebsräder und mit einem Brennkraftmaschinen-Antrieb sowie mit einem BrennstoffzellensystemInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug (1) mit einem Brennkraftmaschinen-Antrieb (2) und einem Brennstoffzellensystem. Zur Versorgung des Brennkraftmaschinen-Antriebs und das Brennstoffzellensystem wird flüssiger Brennstoff verwendet. Der Brennkraftmaschinen-Antrieb (2) wird zum Starten und zur Möglichkeit der sofortigen Fahrzeugbewegung nach dem Starten und zur Möglichkeit der sofortigen Fahrzeugbewegung nach dem Starten der Brennkraftmaschine (2) sowie zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems auf eine Arbeitstemperatur verwendet, nach deren Erreichen die Brennstoffzelle (4) in Gang gesetzt wird. Danach erzeugen ein Elektrofahrmotor (5), der vom Brennstoffzellensystem gespeist wird, alleine oder mit dem Brennkraftmaschinen-Antrieb die Momente für die Bewegung des Fahrzeugs (Fig. 1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug mit einem Antriebs
strang für wenigsten zwei Antriebsräder und mit einem Brenn
kraftmaschinen-Antrieb sowie mit einem Brennstoffzellensystem.
Es ist bereits ein aus einem Brennkraftmaschinen-Antrieb und
einem Brennstoffzellensystem-Antrieb bestehender Hybrid-Antrieb
für ein Fahrzeug bekannt (GB 1447 835). Der Brennstoff
zellensystem-Antrieb enthält einen Elektromotor, dessen Welle
an einem Ende mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine und
am anderen Ende mit einer Kupplung verbunden ist. An die Kupp
lung schließen sich ein Antriebsstrang mit Getriebe, Kardan
welle, Ausgleichsgetriebe, Radwellen und Antriebsrädern an. Die
Brennkraftmaschine und die Brennstoffzelle werden von einer ge
meinsamen Kraftstoffquelle je über eine Speiseleitung mit
Wasserstoff versorgt. In jeder Speiseleitung befindet sich ein
Steuerventil, das an eine elektrische Steuerung angeschlossen
ist, die mechanisch mit einem Fußpedal verbunden ist, von
dessen Stellung die Betätigung der beiden Steuerventile in den
Speiseleitungen abhängt. Bei Pedalstellungen, die kleineren
Antriebsleistungen für das Fahrzeug zugeordnet sind, öffnet die
Steuerung das Steuerventil im Zuge des Speiseleitung für die
Brennkraftmaschine. Bei Pedalstellung, die höheren Antriebs
leistungen für das Fahrzeug zugeordnet sind, öffnet die Steue
rung beide Steuerventile in den Speiseleitungen für die Brenn
kraftmaschine und die Brennstoffzelle, d. h. beide Antriebe
arbeiten gleichzeitig.
Wenn die Brennstoffzelle betriebsbereit sein soll, um ihre Lei
stung ohne Unterbrechung zur Verfügung stellen zu können, ist
eine zusätzliche Steuereinheit vorhanden, die die Brennkraft
maschine bei niedriger Leistungsabgabe für das Fahrzeug im
Leerlauf arbeiten läßt, während die Brennstoffzelle Leistung
abgibt. Bei größerem Leistungsbedarf arbeiten beide Antriebe
zusammen. Im Leerlauf wird der Brennkraftmaschine so viel
Kraftstoff zugeführt, daß sie für den Elektromotor, der die An
triebsleistung erzeugt, nicht als Bremse wirkt.
Bekannt ist auch ein Fahrzeug, das einen Elektromotor, eine
Brennstoffzelle, einen Kompressor zur Zufuhr von Luft zur
Brennstoffzelle, eine Elektromotor zum Antrieb des Kompressors,
einen Reformer, einen Brennstofftank für flüssigen Kraftstoff,
einen Wasserspeicher und einen Verdampfer aufweist. Der flüs
sige Kraftstoff und Wasser werden im Verdampfer in den gas
förmigen Zustand überführt und danach zum Reformer geleitet, in
dem unter Zufuhr von Wärme mit Hilfe eines katalytischen
Brenners Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid gebildet
werden. Das so gebildete wasserstoffhaltige Gas wir der Brenn
stoffzelle zugleich mit Luft unter Druck zugeführt (DE 44 12 451 O1).
Brennstoffzellensysteme, die zur Erzeugung von Wasserstoff aus
einem flüssigen Kraftstoff ein Gaserzeugungssystem besitzen,
haben gegenüber Brennstoffzellensystemen, die aus Tanks mit
gasförmigen Wasserstoff gespeist werden, eine Reihe von Nach
teilen, deren Beseitigung zu deutlichen Mehraufwand führt und
auch nicht vollständig gelingt.
In diesem Zusammenhang ist vor allem das Kaltstartverhalten ein
Problem. Da das Gaserzeugungssystem erst nach Erreichen einer
bestimmten höheren, von der Art des Kraftstoffs abhängigen Be
triebstemperatur funktionsfähig ist, d. h. ein wasserstoff
haltiges Gas erzeugt, muß es nach der Fahrzeuginbetriebnahme
erst aufgeheizt werden. Hierdurch ergibt sich eine Wartezeit
zwischen Fahrzeugstart und Fahrbereitschaft. Durch die Erzeu
gung thermischer Energie für das Aufheizen des Gaserzeugungs
systems wird Kraftstoff im Stillstand verbraucht.
Um die vorstehend erwähnten Nachteile zu vermeiden, könnten
eine zusätzliche Speichereinheit oder ein Verfahren zur
Wasserstofferzeugung ohne hohe Temperaturen, d. h. bei
Umgebungstemperatur eingesetzt werden. Die Speichereinheit
besteht z. B. aus einer elektrischen Batterie, einem
Superkondensator oder einem zusätzlich vorzusehenden
Wasserstofftank. Ein geeignetes Wasserstofferzeugungsverfahren,
das bei Umgebungstemperatur arbeitet, ist nicht bekannt. Die
Speichereinheit muß vor der Inbetriebnahme des Fahrzeugs eine
ausreichende Ladung bzw. Füllung aufweisen, was unter Umständen
nach längeren Stillstandzeiten nicht mehr der Fall ist. Bei
einem auch untet niedrigen Temperaturen arbeitenden
Wasserstofferzeugungsverfahren erhöht sich der Aufwand.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Fahrzeug, das ein
mit flüssigem Kraftstoff gespeistes Brennstoffzellen-System
aufweist, dahingehend weiterzuentwickeln, daß ein Anlassen mit
sofortigem Fahrtbeginn ohne Energieentnahme aus einem zusätz
lichen Gasspeicher für die Brennstoffzelle möglich ist, und ein
Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeugs auszugeben.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Fahrzeug mit wenig
stens einem Antriebsstrang für Antriebsräder und mit einem an
den Antriebsstrang ankuppelbaren Brennkraftmaschinen-Antrieb
sowie mit einem Brennstoffzellensystem gelöst, das eine Brenn
stoffzelle und eine Gaserzeugungseinrichtung aufweist, die bei
höherem Temperaturen aus einem Kraftstoff wasserstoffhaltiges
Gas für die Brennstoffzelle erzeugt, wobei Einrichtungen zur
Überleitung von Wärme aus dem Brennkraftmaschinen-Antrieb in
die Gaserzeugungseinrichtung und in die Brennstoffzelle und
eine Steuerung vorgesehen sind, von der automatisch Aggregate
für die Zufuhr von Kraftstoff und Luft zum
Brennstoffzellensystem nach dem Aufheizen der Gaserzeugungs
einrichtung und der Brennstoffzelle auf Arbeitstemperaturen
einschaltbar sind. Unter Antriebsstrang sind die Bauteile
hinter einer Kupplung des Fahrzeugs bis zu den Antriebsrädern
zu verstehen. Unter Brennkraftmaschinen-Antrieb ist hierbei ein
Antrieb mit einer herkömmlichen Brennkraftmaschine und den für
ihren Betrieb notwendigen Aggregaten wie Anlasser,
Lichtmaschine, Akkumulator, Kraftstoffdosiereinrichtung, Zünd
einrichtung usw. zu verstehen. Der Brennkraftmaschinen-Antrieb
wird auf übliche Weise in Gang gesetzt, indem mittels des
Zündschlüssels die Bauelemente für das Starten betätigt werden.
Die beim Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden heißen Ab
gase heizen die Gaserzeugungseinrichtung und die Brennstoff
zelle auf Betriebstemperaturen bzw. eine für die Funktion aus
reichende Temperatur auf. Sobald die Arbeits- bzw. Betrieb
stemperatur erreicht ist, wird die Zufuhr von Luft und flüs
sigem Kraftstoff zur Gaserzeugungseinrichtung eingeleitet und
die Brennstoffzelle mit der Luft und dem von der Gaserzeugungs
einrichtung ausgegebenen wasserstoffhaltigen Gas in Gang ge
setzt.
Insbesondere ist wenigstens ein an den Antriebsstrang
ankuppelbarer Elektrofahrmotor vorgesehen. Wenn die Brennstoff
zelle Strom erzeugt, wird der z. B. über einen Steller ge
steuerte Elektrofahrmotor durch Betätigen seiner Kupplung an
den Antriebsstrang angeschlossen. Je nach der erforderlichen
Fahrleistung kann die Brennkraftmaschine mit dem Elektrofahr
motor zusammenarbeiten oder von Antriebsstrang abgekuppelt
werden.
Vorzugsweise ist für die Energieversorgung des Brennkraft
maschinen-Antriebs und des Brennstoffzellensystems flüssiger
Kraftstoff vorgesehen. Die erfindungsgemäße Einrichtung er
möglicht die sofortige Fahrbereitschaft eines Fahrzeugs, bei
dem flüssiger Kraftstoff für einen Brennstoffzellensystem-An
trieb verwendet wird. Wartezeiten bei Inbetriebnahme mit abge
kühltem Gaserzeugungssystem lassen sich vermeiden. Weitere Vor
teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind: Kein zusätzlicher
Kraftstoffbedarf zum Heizen des Brennstoffzellensystems vor
Fahrtaufnahme, erhöhte Betriebssicherheit aufgrund der Mög
lichkeit, bei einer Störung des Brennstoffzellensystems die
Fahrt mit der Brennkraftmaschine fortsetzen zu können, und eine
flexible Nutzung von Brennkraftmaschine und Brennstoff
zellensystem-Antrieb je nach Bedarf für zusätzliche oder alter
native Antriebsleistung, Zusatzstromversorgung usw.
Es ist günstig, wenn nach der Funktionsaufnahme der Brennstoff
zelle der Elektrofahrmotor an den Antriebsstrang automatisch
ankuppelbar oder die manuell oder durch Fußpedal durchzu
führende Kupplung des Elektrofahrmotors mit dem Antriebsstrang
freigebbar ist. Sobald die Brennkraftmaschine in Betrieb ist,
kann die Kupplungsverbindung zwischen der Brennkraftmaschine
und dem Antriebsstrang mit den Antriebsrädern hergestellt wer
den, worauf sich das Fahrzeug in Bewegung setzt.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Nennleistung des
Brennkraftmaschinen-Antriebs kleiner als die des Elektrofahr
motors. Die Brennkraftmaschine wird insbesondere zum Anfahren
des Fahrzeugs bei kaltem Gaserzeugungssystem und zum Aufheizen
des Gaserzeugungssytems auf Betriebstemperatur benötigt. Die
hierfür benötigte Leistung ist gering im Vergleich zu der für
die verschiedenen Geschwindigkeiten, Ladezustände und Stei
gungen im üblichen Fahrbetrieb benötigten Leistung.
Insbesondere sind der Brennkraftmaschinen-Antrieb und das
Brennstoffzellensystem in einem Kühlkreislauf gemeinsam an
einen Kühler angeschlossen. Durch einen gemeinsamen Kühler ver
mindert sich der Aufwand für die Antriebssysteme. Außerdem wird
die Brennstoffzelle vor ihrer Inbetriebnahme durch die Brenn
kraftmaschine bereits auf Arbeits- bzw. Betriebstemperatur auf
geheizt. Dies bedeutet auch eine Gewichtseinsparung am Fahr
zeug. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Brennkraft
maschine auch dann über ihren Kühlkreislauf eine höhere Tempe
ratur hat, wenn sie nicht in Betrieb ist, so daß eine bedarfs
weise Inbetriebnahme zur Unterstützung des Elektrofahrmotors
bei höherer Betriebstemperatur erfolgt. Damit wird die bei
kalter Brennkraftmaschine nach dem Ingangsetzen höhere Schad
stofferzeugung vermieden.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsfarm ist vorgesehen,
daß eine Einrichtung zur Überleitung von Wärme aus den Abgasen
der Brennkraftmaschine in die Gaserzeugungseinrichtung vorge
sehen ist. Es ist insbesondere ein außerhalb des Gaserzeugungs
einrichtung verlaufender Bypass angeordnet, der im Betrieb der
Brennkraftmaschine und im Betrieb des Brennstoffzellensystems
für die Abgase durchlässig und vor Inbetriebsetzung des Brenn
stoffzellensystems undurchlässig ist. Wenn das Brennstoffzel
lensystem arbeitet, d. h. Strom erzeugt, entsteht Wärme, die
für den Betrieb des Gaserzeugungssystems ausreicht. Um eine
Überhitzung bei gleichzeitiger Leistungsabgabe der Brennstoff
zelle und der Brennkraftmaschine zu vermeiden, werden dann die
Abgase der Brennkraftmaschine am Gaserzeugungssystem vorbeige
leitet.
Es ist günstig, wenn eine Einrichtung zur Überleitung von Wärme
aus den Abgasen der Brennkraftmaschine aus wenigstens einer im
Inneren der Gaserzeugungseinrichtung verlaufenden Leitung be
steht, die Abgase führt. Diese Ausführungsform zeichnet sich
durch ihren einfachen Aufbau aus.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die Brenn
kraftmaschine, die Gaserzeugungseinrichtung und die Brennstoff
zelle gemeinsam an einen Abgasreiniger angeschlossen. Durch
diese Ausführungsform ist es möglich, das Antriebssystem mit
geringerem Gewicht auszubilden.
Für das Verfahren wird das Problem zum Betrieb eines Fahrzeugs
mit wenigstens einem Antriebsstrang für Antriebsräder und mit
einem an den Antriebsstrang ankuppelbaren Brennkraftmaschinen-
Antrieb sowie mit einem Brennstoffzellsystem, das eine Brenn
stoffzelle und eine Gaserzeugungseinrichtung aufweist, die bei
höheren Temperaturen wasserstoffhaltiges Gas für die Brenn
stoffzelle erzeugt, erfindungsgemäß gelöst, indem der Brenn
kraftmaschinen-Antrieb mit flüssigem Kraftstoff betrieben und
nach dem Starten der Brennkraftmaschine an den Antriebsstrang
ankuppelbar ist, während die heißen Gase die von der Brenn
kraftmaschine erzeugt werden, das Brennstoffzellensystem direkt
und/oder indirekt auf eine wenigstens für die Funktion ausrei
chende Temperatur aufheizen, bei deren Erreichen der Brenn
stoffzellensystem-Antrieb durch Zufuhr von Kraftstoff und Luft
in Gang gesetzt wird. Ein Elektrofahrmotor wird insbesondere
automatisch oder durch Fuß- oder Handbetätigung an den An
triebsstrang angekoppelt und die Brennkraftmaschine wahlweise
von Antriebsstrang abgekoppelt.
Zweckmäßigerweise werden die Brennstoffzelle und die Brenn
kraftmaschine gemeinsam auf eine Betriebstemperatur gekühlt.
Mit dieser Maßnahme wird die Brennkraftmaschine auch dann, wenn
sie nicht in Betrieb ist, auf Betriebstemperatur gehalten, so
daß beim Zuschalten der Brennkraftmaschine zur Leistungserhöhung
des Fahrzeugsantriebs nicht wie beim Kaltstart einer Brenn
kraftmaschine eine höherer Schadstoffausstoß entsteht.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben,
aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile er
geben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einem
Brennkraftmaschinen-Antrieb und einem Brennstoffzel
lensystems-Antrieb in einem ersten Betriebszustand,
Fig. 2 das in Fig. 1 dargestellte Fahrzeug in einem zweiten
Betriebszustand,
Fig. 3 das in Fig. 1 dargestellte Fahrzeug in einem dritten
Betriebszustand.
Ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Fahrzeug weist einen Brenn
kraftmaschinen-Antrieb mit einer Brennkraftmaschine 2 auf, der
alle für seine Funktion notwendigen Hilfsaggregate, z. B. An
lasser, Lichtmaschine, Akkumulator, Kraftstoffdosiereinrich
untg, Zündeinrichtung, Spannungsregler usw., enthält. Diese be
kannten Hilfsaggregate sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
Das Brennkraftmaschinen-Antriebssystem wird in folgenden auch
Brennkraftmaschine 2 genannt. Weiterhin enthält das Fahrzeug 1
einen Brennstoffzellensystem-Antrieb mit an sich bekanntem Auf
bau. Von diesen für Kraftfahrzeuge bekannten Brennstoffzellen
system-Antrieb sind in der Zeichnung die Gaserzeugungs
einrichtung 3, die Brennstoffzelle 4, und der Elektrofahrmotor
5 und eine Abgasreinigungseinheit 6 dargestellt. Von der Gas
erzeugungseinrichtung 3 verläuft eine Verbindungsleitung 7 für
wasserstoffhaltiges Gas zur Brennstoffzelle 4. Über eine
Leitung 8 wird der Brennstoffzelle 4 Reaktionsluft zugeführt.
Von der Brennstoffzelle 4 verläuft eine Leitung 9 für die Ab
führung der Restluft bzw. von Abgasen zur Abgasreinigungs
einheit 6. Ein Abgasleitung 10 verbindet die Gaserzeugungs
einrichtung 3 mit der Abgasreinigungseinheit 6, an die der
Fahrzeugauspuff 18 angeschlossen ist.
Der Elektrofahrmotor 5 ist über eine Kupplung 11 und ein Diffe
rential 12 mit der Kardanwelle 13 verbunden, die über ein wei
teres Differential 14 die Achse 15 mit den Rädern 16 antreibt.
Die Brennkraftmaschine 2 ist über eine Kupplung 17 mit dem Dif
ferential 12 verbunden.
Die Brennkraftmaschine 2 und die Brennstoffzelle 4 besitzen
einen gemeinsamen Kühlkreislauf mit einem Kühler 19. Die
Brennstoffzelle 4 ist insbesondere eine H2/O2-Brennstoffzelle
mit protonenleitender Membran, eine sog. PEM-Zelle, und setzt
sich aus einem Stack einzelner Brennstoffzellen zusammen. Neben
dem Kühler 19 sind in der Zeichnung die Leitungen 20 zwischen
Brennkraftmaschine 2 und Kühler 19, zwischen Brennkraftmaschine
2 und Brennstoffzelle 4 und zwischen Brennstoffzelle 4 und
Kühler 19 dargestellt.
Von der Brennkraftmaschine 2 verläuft eine Abgasleitung 21 zur
Gaserzeugungseinrichtung 3, in der die Abgasleitung z. B. in
Form einer Heizschlange 22 hindurchgeführt ist. Von der Heiz
schlange 22 verläuft eine Abgasleitung 23 zwischen der Gaser
zeugungseinrichtung 3 und der Abgasreinigungseinheit 6. Von der
Abgasleitung 21 zweigt eine Bypass-Leitung 24 ab, mit der die
Gaserzeugungseinrichtung 3 umgangen wird. In der Bypass-Leitung
24 ist ein Absperrelement 25, z. B. eine Klappe, ein Ventil
oder ein Schieber, angeordnet.
Das Fahrzeug 1 besitzt einen Kraftstofftank 26, in dem sich
beispielsweise flüssiges Methanol befindet. Der Kraftstoff im
Tank 26 wird sowohl für die Versorgung der Brennkraftmaschine 2
als auch für die Versorgung der Brennstoffzelle 4 verwendet.
Die Kraftstoffleitung zur Brennkraftmaschine 2 ist in der
Zeichnung nicht dargestellt. An der Brennkraftmaschine 2 sind
schematisch ein Eingang 27 für Luft und ein Eingang 28 für den
Kraftstoff dargestellt, die z. B. in einem zu der Brennkraft
maschine 2 gehörigen, nicht näher bezeichneten Gemischbildner
angeordnet sind.
Der Gaserzeugungseinrichtung 3 wird der Kraftstoff über eine
nicht näher dargestellte Leitung an einen schematisch darge
stellten Eingang 29 zugeführt. Luft wird der Gaserzeugungs
einrichtung 3 über einen schematisch dargestellten Eingang 30
zugeführt. In der Gaserzeugungseinrichtung 3 wird der von der
Brennstoffzelle 4 benötigte Wasserstoff aus dem Kraftstoff ab
getrennt. Beispielsweise weist die Gaserzeugungseinrichtung 3
in an sich bekannter Weise einen Verdampfer auf, in dem der
Kraftstoff und Wasser aus einen nicht dargestellten Wasser
speicher in einen gasförmigen Zustand überführt und an
schließend zu einem Reformer geleitet werden, in dem mittels
eines katalytischen Brenners ein wasserstoffhaltiges Gas ge
bildet wird, aus dem Restgas abgeschieden wird, das über die
Abgasleitung 10 abgeführt wird. Das wasserstoffhaltige Gas und
Luft werden unter Druck der Brennstoffzelle 4 zugeführt, in der
die für den Betrieb des Elektrofahrmotors 5 benötigte elek
trische Energie erzeugt wird.
Eine Steuerung 31, die unter anderem einen Steller für den
Elektrofahrmotor 5 enthält, ist über nicht näher bezeichneten
Leitungen mit dem Elektrofahrmotor 5, den elektrisch Aggregaten
der Brennkraftmaschine 2, wenigstens einem Temperaturfühler in
der Gaserzeugungseinrichtung 3, der Brennstoffzelle 4, dem Ab
sperrelement 25, der Kupplung 17 und der Kupplung 11 verbunden.
Der Verbrennungsmotor 2 hat z. B. eine Antriebsleistung von 30
kW, während der Elektrofahrmotor 5 eine Antriebsleistung von 70
kW besitzt. Es sind jedoch auch andere Leistungsverhältnisse
möglich. Die für die Heizung der Gaserzeugungseinrichtung 3 aus
dem kalten Zustand auf Betriebstemperatur benötigte Wärme kann
aus den Abgasen der Brennkraftmaschine 2 auch mittels eines
Wärmetauschers gewonnen werden, der ein anderes Wärme
trägermedium als die Abgase in der Gaserzeugungseinrichtung 3
zirkulieren läßt.
Durch Umdrehen eines nicht näher dargestellten Zündschlüssels
in einem mit der Steuerung 31 verbundenen Zündschloß wird die
Brennkraftmaschine 2 in üblicher Weise gestartet. Das Fahrzeug
1 ist nach dem Ingangsetzen der Brennkraftmaschine 2 fahr
bereit. Durch Einlegen eine nicht dargestellten ersten Gangs
und Betätigen der Kupplung 17 mittels der Steuerung 31 setzt
sich das Fahrzeug 1 in Bewegung. Die Kupplung 11 ist dabei
nicht betätigt. Das Absperrelement 25 sperrt die Bypass-Leitung
24. Die Brennkraftmaschine 2 treibt über das Differential 12,
die Kardanwelle 13, das Differential 14 und die Achse 15 die
Räder 16 an. Der vorstehend beschriebene Zustand des Fahrzeugs
1 ist in Fig. 1 dargestellt. Im Leerlauf der Brennkraftmaschine
2, insbesondere aber während der Fahrt bei entsprechender Lei
stungsabgabe, heizen die Abgase der Brennkraftmaschine 2 die
Gaserzeugungseinrichtung 3 auf. Die Abgase der Brennkraft
maschine 2 gelangen nach dem Passieren der Heizschlange 22 über
die Abgasleitung 23 in die Abgasreinigungseinheit 6 und von
dort über den Auspuff 18 ins Freie. Die Brennkraftmaschine 2
wird durch die Zirkulation von Kühlflüssigkeit, die auch über
die Brennstoffzelle 4 geleitet wird, im Kühler 19 auf einem für
den Betrieb günstigen Wert gehalten. Die Brennstoffzelle 4 wird
dabei ebenfalls auf z. B. 80°C bis 90°C erwärmt.
Die Steuerung 31 überwacht die Temperatur in der Gaserzeugungs
einrichtung 3. Wenn die Gaserzeugungseinrichtung 3 ihre Be
triebstemperatur erreicht hat, wird sie durch die Steuerung 31
automatisch in Betrieb genommen, indem Luft und Kraftstoff zu
geführt werden. Für die Luft- und Kaltstoffzufuhr sind bei
spielsweise nicht dargestellte Kompressoren vorgesehen, die vom
Akkumulator und der Lichtmaschine der Brennkraftmaschine 2
gespeist werden. Da die Gaserzeugungseinrichtung 3 und die
Brennstoffzelle 4 zu diesem Zeitpunkt bereits ihre Betriebstem
peraturen haben, wird innerhalb weniger Sekunden von der Brenn
stoffzelle 4 Strom erzeugt, wodurch die Aggregate der Brenn
stoffzellensystems und der Elektrofahrmotor 5 mit Strom ver
sorgt werden. Die Steuerung 31 betätigt die Kupplung 11, öffnet
die Kupplung 17 und schaltet die Brennkraftmaschine 2 aus. Das
Fahrzeug 1 wird nunmehr von Elektrofahrmotor 5 angetrieben. Die
Bypass-Leitung 24 ist hierbei weiterhin gesperrt. Die Gaserzeu
gungseinrichtung 3 erzeugt die für ihren Betrieb notwendige
Wärme selbst. Der vorstehend beschriebene Betriebszustand ist
in Fig. 2 dargestellt und an Hand der Stellungen der Kupplungen
11, 12 erkennbar.
Da die Brennkraftmaschine 2 durch die Abwärme der Brennstoff
zelle 2 weiter beheizt wird, kann sie im Bedarfsfall zur Lei
stungssteigerung wieder eingeschaltet werden, wobei die Kupp
lung 17 wieder geschlossen wird.
Das Fahrzeug 1 wird dann von der Brennkraftmaschine 2 und dem
Elektrofahrmotor 5 angetrieben. In dieser Betriebsweise, die in
Fig. 3 dargestellt ist, ist die Bypass-Leitung 24 durchlässig,
wodurch eine unerwünscht hohe Erwärmung des Gaserzeugungs
einrichtung 3 vermieden wird.
Claims (16)
1. Fahrzeug (1) mit wenigstens einem Antriebsstrang für An
triebsräder (16) und mit einem an den Antriebsstrang an
kuppelbaren Brennkraftmaschinen-Antrieb (2) sowie mit
einem Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle (4)
und eine Gaserzeugungseinrichtung (3) aufweist, die bei
höheren Temperaturen aus einem Kraftstoffwasserstoff
haltiges Gas für die Brennstoffzelle (4) erzeugt, wobei
Einrichtungen für die Überleitung von Wärme aus dem Brenn
krafmaschinen-Antrieb in die Gaserzeugungseinrichtung (3)
und in die Brennstoffzelle (4) und eine Steuerung (31)
vorgesehen sind, von der automatisch Aggregate für die Zu
fuhr von Kraftstoff und Luft zum Brennstoffzellensystem
nach dem Aufheizen der Gaserzeugungseinrichtung (3) und
der Brennstoffzelle (4) auf Arbeitstemperatur einschaltbar
sind.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein an den Antriebsstrang ankuppelbaren Elek
trofahrmotor (5) vorgesehen ist.
3. Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Energieversorgung des Brennkraftmaschinen-An
triebs und des Brennstoffzellensystems flüssiger Krafstoff
vorgesehen ist.
4. Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach
der Funktionsaufnahme der Brennstoffzelle (4) der Elektro
fahrmotor (5) an den Antriebsstrang automatisch ankuppel
bar oder die manuell oder durch Fußpedal durchzuführende
Kupplung des Elektrofahrmotors (5) mit dem Antriebsstrang
freigebbar ist.
5. Fahrzeug nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Nennleistung des Brennkraftmaschinen-An
triebs (2) kleiner als die Nennleistung des Elektrofahr
motors (5) ist.
6. Fahrzeug nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der Brennkraftmaschinen-Antrieb
(2) und der Brennstoffzellensystem-Antrieb in einem Kühl
kreislauf gemeinsam an einen Kühler (19) angeschlossen
sind.
7. Fahrzeug nach zumindest einem der vorangegangenen An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur
Überleitung von Wärme aus den Abgasen des Brennkraft
maschinen-Antriebs (2) in die Gaserzeugungseinrichtung (3)
vorgesehen ist.
8. Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung zur Überleitung von Wärme eine im Innern der
Gaserzeugung (3) verlaufende Leitung (22) für die Abgas
rückführung ist.
9. Fahrzeug nach zumindest einen der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Ein
richtung für die Überleitung von Wärme aus den Abgasen des
Brennkraftmaschinen-Antriebs (1) in die Gaserzeugungs
einrichtung (3) ein außerhalb der Gaserzeugungseinrichtung
verlaufender Bypass (24) angeordnet ist, der ein von der
Steuerung (31) betätigbares Sperrelement (25) aufweist.
10. Fahrzeug nach zumindest einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennkraftma
schinen-Antrieb (2) und der Brennstoffzellensystem-Antrieb
an einen gemeinsamen Abgasreiniger (6) angeschlossen sind.
11. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs mit wenigstens einem
Antriebsstrang und mit einem an den Antriebsstrang ankup
pelbaren Brennkraftmaschinen-Antrieb sowie mit einen
Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und eine
Gaserzeugungseinrichtung aufweist, die bei höheren Tempe
raturen aus einen flüssigen Kraftstoff wasserstoffhaltiges
Gas für die Brennstoffzelle erzeugt, wobei der Brenn
kraftmaschinen-Antrieb mit flüssigem Kraftstoff betrieben
und nach dem Starten der Brennkraftmaschine an den
Antriebsstrang zur Fortbewegung des Fahrzeugs ankuppelbär
ist, während die von der Brennkraftmaschine erzeugten
heißen Abgase direkt und/oder indirekt das Brennstoff
zellensystem auf eine wenigstens für die Funktion aus
reichende Temperatur aufheizen, bei deren Erreichen das
Brennstoffzellensystem durch Zufuhr von Kraftstoff und
Luft in Gang gesetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Brennstoffzellensystem einen an den Antriebsstrang ankup
pelbaren Elektrofahrmotor aufweist, der nach dem Erreichen
der Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystem auto
matisch an den Antriebsstrang ankuppelt wird oder daß eine
Kupplung des Elektrofahrmotors zum Antriebsstrang für die
Fuß- oder Handbetätigung freigegeben wird und der Brenn
kraftmaschinen-Antrieb wahlweise vom Antriebsstrang abge
koppelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennkraftmaschinen-Antrieb und Brennstoffzellen
system-Antrieb gemeinsam auf den Antriebsstrang einwirken.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brennstoffzellensystem-Antrieb nach der Funktions
aufnahme der Brennstoffzelle alleine auf den Antriebs
strang einwirkt.
15. Verfahren nach zumindest einen der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle
und der Brennkraftmaschinen-Antrieb gemeinsam auf eine Be
triebstemperatur gekühlt werden.
16. Verfahren nach zumindest einen der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zu einer Ein
richtung in der Gaserzeugungseinrichtung für die Über
leitung der Wärme paralleler Bypass außerhalb der Gaser
zeugungseinrichtung beim Betrieb der Brennkraftmaschine
und nicht in Betrieb befindlicher Brennstoffzelle sowie
bei arbeitender Brennstoffzelle und nicht im Betrieb be
findlicher Brennkraftmaschine gesperrt wird und bei zu
gleich arbeitender Brennkraftmaschine und Brennstoffzelle
durchlässig gesteuert wird.
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