EP3963700A1 - Antriebssystem und kraftfahrzeug - Google Patents

Antriebssystem und kraftfahrzeug

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EP3963700A1
EP3963700A1 EP20721401.6A EP20721401A EP3963700A1 EP 3963700 A1 EP3963700 A1 EP 3963700A1 EP 20721401 A EP20721401 A EP 20721401A EP 3963700 A1 EP3963700 A1 EP 3963700A1
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EP
European Patent Office
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drive system
fuel cell
rotor
motor vehicle
electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20721401.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Olaf Werner
Georg Göppert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3963700A1 publication Critical patent/EP3963700A1/de
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a drive system with a fuel cell and a motor vehicle with such a drive system.
  • Electrical machines are used in wide areas of technology, increasingly also in the motor vehicle sector as electric motors for driving motor vehicles.
  • the provision of electrical energy for electric motors can take place in various ways, in the area of mobility, for example, via batteries or
  • Fuel cells in the latter case in conjunction with an adequate fuel supply. Fuel cells and their electrochemical functioning are well known in various variants.
  • the basic principle of a fuel cell is to feed hydrogen to one electrode of the fuel cell and oxygen to the other electrode.
  • the hydrogen molecules are split at the electrode and give electrons to the electrode, which flow over a conductor to the other electrode to form oxygen ions together with the oxygen.
  • water is produced and a current flows in the conductor between the electrodes.
  • Oxygen and hydrogen can be stored in their pure form and fed to the fuel cell. But it is also possible to use oxygen from the ambient air. Hydrogen can be obtained from compounds such as methane or ammonia by reforming; in the process, the respective connection is split electrolytically. Unless pure oxygen and pure hydrogen are used, by-products are created that have to be removed from the fuel cell and disposed of.
  • Electric motors especially in the motor vehicle sector, are operated in the high-voltage range. Since individual fuel cells only supply voltages in the range of approx. 1 volt, several cells (quite a few hundred) are connected in series. Even with accumulators, as a rule, several accumulator cells, their
  • Output voltage is determined by the electrochemistry used in them, connected in series in order to obtain the desired operating voltage for the electric motor.
  • the electric motors used (such as permanent magnet synchronous machines or reluctance machines) often require power electronics to control the
  • the object of the invention is therefore to provide a drive system that without
  • the object with regard to the drive system is achieved by a drive system according to claim 1.
  • the object with regard to the motor vehicle is achieved by a motor vehicle according to claim 8.
  • the subclaims each contain advantageous developments.
  • the drive system according to the invention uses an electric motor
  • a unipolar machine as such is known: a rotor in the form of a disk is penetrated by a magnetic field perpendicular to the disk or at least one magnetic field component perpendicular to the disk. Electric current is conducted between the center of the disk and the edge of the disk. The magnetic field results in a Lorentz force on the moving charge carriers, which leads to a torque on the disk.
  • the torque can be dissipated via a rotor shaft connected to the disk; the rotor shaft can also be used as a conductor for making electrical contact with the center of the disk.
  • the rotor shaft and disk can be electrically operated, for example, via a brush each be contacted, the disc is preferably contacted at its outer edge by the brush.
  • a unipolar machine does not require any commutation or any other switching of currents in the machine and can therefore run without irregularities in the torque.
  • a unipolar machine also shows no problems when starting up. Since the generated torque depends on the current strength, high
  • Torques high currents required; if the electrical resistance of the rotor is low, however, these can be achieved at low voltages. What is needed is a power source that is able to deliver high currents without the need for high voltages.
  • a fuel cell is used for this purpose.
  • a sufficiently large electrode area is required for the fuel cell to produce one per unit of time
  • a plurality of fuel cells can also be connected in parallel, the electrodes of the individual fuel cells connected in parallel then forming an electrode for the purposes of this application.
  • the fuel cell is part of the drive system and can be installed in the unipolar machine itself, in which case one can speak of an in-situ fuel cell (ISB).
  • ISB in-situ fuel cell
  • Fuel cells to increase the available voltage are usually unnecessary.
  • the fuel cell encloses the rotor shaft
  • the fuel cell can in particular also enclose the rotor, that is to say the disk, of the unipolar machine in a ring shape.
  • the rotor shaft, rotor and the annular fuel cell can be arranged concentrically to one another.
  • a fuel cell which annularly surrounds the rotor shaft, in particular the rotor itself, offers a large area for the electrodes of the fuel cell, which, as explained above, is required for high currents.
  • an electrode of the fuel cell which surrounds the rotor shaft in an annular manner is connected to the rotor in a rotationally fixed manner. This means in particular that the electrode rotates with the rotor when the unipolar machine is in operation.
  • the fuel cell uses a liquid electrolyte (“wet fuel cell”).
  • the electrolyte can also take on the function of a brush, more precisely the brush that makes electrical contact with the edge of the pane of the unipolar machine.
  • fuel can be supplied to the electrode connected in a rotationally fixed manner to the rotor via a rotary leadthrough and a channel. The channel runs through the rotor shaft and disk, and the rotary feedthrough forms the supply of fuel from a supply into the channel.
  • a liquid electrolyte can also be used for cooling. Specifically, the
  • the fuel cell encircles the rotor and the electrode connected to the rotor in a rotationally fixed manner can be connected to the rotor on the outer edge of the rotor.
  • a brush is provided to the rotor of the
  • Unipolar machine preferably on the outer edge of the disk, to be electrically connected to an electrode of the fuel cell, and a further brush is provided to connect the rotor shaft to another electrode of the fuel cell in an electrically conductive manner.
  • the fuel cell can enclose the rotor shaft, and also the rotor, in a ring shape without an electrode of the fuel cell rotating with the rotor during operation of the unipolar machine.
  • a reformer is integrated into the drive system.
  • the drive system with unipolar machine, fuel cell and reformer can then be viewed as a drive module to which the fuel (for example, but not limited to, ammonia or methane) can be fed.
  • the fuel for example, but not limited to, ammonia or methane
  • hydrogen is generated from the fuel.
  • the magnetic field that penetrates the disk of the unipolar machine is generated by at least one magnet that is part of the unipolar machine.
  • the at least one magnet is an electromagnet.
  • the electromagnet can for example be supplied with electricity by a generator, wherein the generator can be driven by the unipolar machine.
  • a permanent magnet is used as the magnet of the unipolar machine.
  • the unipolar machine can be controlled via the fuel supply to the fuel cell.
  • the fuel cell In order to enable this control precisely and with short reaction times, the fuel cell must be highly dynamic. The fuel cell should be operated without excess if possible in order to achieve a
  • the behavior of the unipolar machine can be influenced by interventions in the coil, e.g. with spontaneous load reduction.
  • the direction of travel of the unipolar machine can be changed by reversing the direction of the magnetic field, i.e. by changing the direction of the current in the windings of the
  • Hydrogen for the fuel cell can, for example, either be in pure form in a pressure vessel, as a compound (e.g. ammonia, methane, methanol), or in bound form in solids or liquids.
  • Oxygen can, for example, be stored in pure form or taken from the air.
  • fuel cells with alkaline electrolytes such as a solution of KOH.
  • fuel cells with alkaline electrolytes such as a solution of KOH.
  • the motor vehicle according to the invention has a drive system as described above, with a unipolar machine and a fuel cell.
  • the unipolar machine is intended to provide a traction torque for the motor vehicle.
  • the unipolar machine drives a further electrical machine. It can be a generator to supply a low-voltage
  • a generator driven by the unipolar machine can also supply an electromagnet of the unipolar machine with power or a reformer for the fuel in the fuel cell.
  • the motor vehicle has at least two drive systems as described above and each of the drive systems is provided for driving a wheel or a group of wheels of the motor vehicle.
  • Figure 1 shows the basic concept of a conventional drive system.
  • Figure 2 shows the basic concept of the drive system according to the invention.
  • Figure 3 shows an embodiment of the drive system according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates the current curve and magnetic field in the embodiment from FIG
  • FIG. 5 shows another embodiment of the invention
  • Figure 8 shows the use of a reformer in connection with a
  • Fig. 1 shows the basic concept of a conventional drive system.
  • Electric motor 340 (for example a permanently excited synchronous machine) is supplied with electrical energy from a fuel cell 310. This is done through a
  • Power storage 320 and power electronics 330 which store the currents in the
  • the fuel cell 310 consists of a plurality of fuel cell elements 311 connected in series. Each fuel cell element 311 is itself a fuel cell. The voltages of the individual fuel cell elements 31 1 add up due to the series connection, so that the fuel cell 310 can provide the voltage required to operate the electric motor 340.
  • Fig. 2 shows the basic concept of a drive system according to the invention.
  • a unipolar machine 2 is supplied with electricity directly from a fuel cell 3.
  • An electrode 31 of the fuel cell 3 is shown symbolically in order to illustrate that the fuel cell 3 has electrodes 31 with a large area compared to the embodiment in FIG. 1 in order to provide a high current intensity for the unipolar machine 2. In contrast to the concept shown in FIG. 1, a high voltage is not required.
  • FIG 3 shows an embodiment of a drive system 1 according to the invention, with a unipolar machine 2 and a fuel cell 3.
  • the unipolar machine 2 has a rotor 4 and a rotor shaft 5 and a magnet 6, which in this embodiment is an electromagnet; Windings 61 des
  • Electromagnets are shown.
  • the rotor shaft 5 is by means of bearings 51 in a
  • the fuel cell 3 surrounds the rotor shaft 5 and rotor 4 in an annular manner.
  • An electrode 31 of the fuel cell 3 is connected non-rotatably to the rotor 4 at an outer edge 41 of the rotor 4.
  • this electrode 31 rotates with the rotor 4 relative to a further electrode 32 of the fuel cell 3; the further electrode 32 rests relative to the Installation environment of the drive system 1.
  • the rotationally fixed connection between the rotor 4 and the electrode 31 also provides an electrically conductive connection between the outer edge 41 of the rotor 4 and the electrode 31.
  • An electrically conductive connection between the electrode 32 and the rotor shaft 5 is established by the brush 7.
  • a liquid electrolyte for example KOH
  • Hydrogen can reach the channel 53 (only shown on one side of the rotor) in the rotor shaft 5 and rotor 4 and from there to the electrode 31 via the fuel feed 100 through a rotary leadthrough 52.
  • Oxygen can reach the channel 33 and from there into the electrode 32 via the fuel supply 101.
  • areas 35 and 36 are provided, where the splitting of oxygen and
  • These regions 35 and 36 can have, for example, platinum-coated carbon nanotubes in order to offer a large surface for the reaction catalyzed by platinum.
  • the channels 53 and 33 branch off to the
  • Areas 35 and 36 in order to ensure the supply of hydrogen or oxygen to the areas 35 and 36, respectively.
  • FIG. 4 again shows the embodiment shown in FIG. 3. In the interests of clarity of illustration, some reference symbols and hatching have been omitted here compared to FIG. 3. Channels 33 and 53 were also not shown.
  • the magnetic field 500 which is generated by the magnet 6, in the area of the rotor 4 is shown by arrows. The magnetic field 500 is only shown for part of the rotor 4, but the magnetic field is in the area of the rotor 4
  • a current profile 550 is shown, from the electrode 32 via the brush 7, rotor shaft 5 and rotor 4 to electrode 31.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a drive system 1 according to the invention with a unipolar machine 2 and a fuel cell 3. Many of the elements shown are analogous to the embodiment of FIG. 3, so that from a repetition of
  • the fuel cell 3 surrounds the rotor shaft 5 and the rotor 4 in an annular manner.
  • the electrode 31 is not connected non-rotatably to the rotor 4. Rather, when the unipolar machine 2 is in operation, both electrode 31 and electrode 32 are at rest relative to an installation environment of the
  • FIG. 6 shows an example of the integration of the drive system 1 according to the invention in an overall system, here in a motor vehicle 600, which is only shown schematically.
  • the drive system 1 is used in the motor vehicle 600 as a traction machine and, via a transmission 615, drives a differential 610, which transmits torque to the wheels 620.
  • the drive system 1 drives an electrical machine 630 via a transmission 635, which can act as a generator of a low-voltage voltage and feeds a low-voltage electrical system via a battery 633.
  • the electric machine 630 can also be used for recuperation and for driving when the motor vehicle 600 is maneuvering.
  • ammonia is used as the fuel supply in one
  • Pressure accumulator 640 carried along at about 9 bar pressure. From there the ammonia goes to a reformer 650, which splits the ammonia into hydrogen and nitrogen. The nitrogen is released into the environment, the hydrogen passes through a Control system 660 finally to drive system 1. Reforming 650 and control system 660 are supplied with low voltage (NV) from battery 633.
  • the control system 660 includes valves (not shown) to control the supply of
  • the oxygen can be supplied to the drive system 1 as part of the ambient air, for which purpose the control system 660 can comprise a compressor (not shown).
  • Electrolyte here a solution of KOH, is discharged from the drive system 1, more precisely from the fuel cell 3 of the drive system 1, to an assembly 670, in which reaction products of the reaction taking place in the fuel cell 3 are removed from the electrolyte.
  • the main reaction product is water, which is partly made up of the
  • Electrolyte solution removed, leaving a more concentrated solution of KOH to the
  • Fuel cell 3 can be returned.
  • the electrolyte solution is also cooled in the unit 670.
  • a hydrogen supply can also be carried in the motor vehicle 600.
  • Fig. 7 shows schematically further possible uses of the invention
  • a drive system 1 is coupled to a further electrical machine 730 via a transmission 735 and, together with this, drives wheels 720 via a differential 710.
  • a further electrical machine 730 is coupled to a drive system 1 according to the invention via a transmission 735 and together with it drives wheels 720 via a differential 710.
  • the drive system 1 according to the invention is coupled and, together with it, drives wheels 720 via a transmission 735 and a differential 710.
  • a drive system 1 according to the invention is coupled directly to a further electrical machine 730 and drives together with this via a
  • two drive systems 1 are provided, each of which drives a wheel or a wheel group, such as front and rear wheels, 620.
  • the ratios 735 can be implemented in various ways, for example via spur gears, planetary gears or belt gears; manual transmissions are also possible.
  • FIG. 8 illustrates two ways of using a reformer 650 in FIG.
  • the reformer 650 is a separate device that is separate from the drive system 1.
  • the reformer 650 is supplied with fuel, here ammonia.
  • ammonia is split into nitrogen and hydrogen, the nitrogen is released into the environment, and the hydrogen is transferred to the fuel cell of the
  • Drive system 1 according to the invention delivered.
  • the water produced in the fuel cell is discharged from the drive system 1.
  • the reformer 650 is integrated into the drive system 1 according to the invention, so that the reformer 650 and drive system 1 form a module which can also be installed as a whole in a motor vehicle.
  • the module will
  • Fuel here ammonia, is supplied, which is split into hydrogen and nitrogen in the reformer 650.
  • the hydrogen is used in the fuel cell of the

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Abstract

Ein Antriebssystem (1) umfasst eine Unipolarmaschine (2) und eine Brennstoffzelle (3) zur Versorgung der Unipolarmaschine (2) mit elektrischer Energie. Die Brennstoffzelle (3) kann ringförmig um eine Rotorwelle (5) eines Rotors (4) der Unipolarmaschine (2) angeordnet sein. In einem Kraftfahrzeug (600) kann die Unipolarmaschine (2) zur Bereitstellung eines Traktionsmoments vorgesehen sein.

Description

ANTRIEBSSYSTEM UND KRAFTFAHRZEUG
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einer Brennstoffzelle und ein Kraftfahrzeug mit solch einem Antriebssystem. Elektrische Maschinen finden in weiten Bereichen der Technik Anwendung, zunehmend auch im Kraftfahrzeugbereich als Elektromotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Die Bereitstellung elektrischer Energie für Elektromotoren kann auf verschiedene Weisen erfolgen, im Bereich der Mobilität etwa über mitgeführte Akkumulatoren oder
Brennstoffzellen, in letzterem Fall in Verbindung mit einem adäquaten Kraftstoffvorrat. Brennstoffzellen und ihre elektrochemische Funktionsweise sind in verschiedenen Varianten hinlänglich bekannt. Das Grundprinzip einer Brennstoffzelle besteht darin, einer Elektrode der Brennstoffzelle Wasserstoff, der anderen Elektrode Sauerstoff zuzuführen. Die Wasserstoffmoleküle werden an der Elektrode gespalten und geben Elektronen an die Elektrode ab, welche über einen Leiter zur anderen Elektrode fließen um dort zusammen mit dem Sauerstoff Sauerstoffionen zu bilden. Letztlich entsteht dabei Wasser und es resultiert ein Stromfluss im Leiter zwischen den Elektroden.
Sauerstoff und Wasserstoff können in Reinform bevorratet und der Brennstoffzelle zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu verwenden. Wasserstoff kann aus Verbindungen wie Methan oder Ammoniak durch Reformierung gewonnen werden; dabei wird die jeweilige Verbindung elektrolytisch aufgespalten. Soweit nicht mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff gearbeitet wird, entstehen Nebenprodukte, die aus der Brennstoffzelle entfernt und entsorgt werden müssen.
Elektromotoren, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, werden im Hochvoltbereich betrieben. Da einzelne Brennstoffzellen aber nur Spannungen im Bereich von ca. 1 Volt liefern, werden mehrere Zellen (durchaus einige Hundert) in Reihe geschaltet. Auch bei Akkumulatoren werden in der Regel mehrere Akkumulatorzellen, deren
Ausgangsspannung durch die in ihnen verwendete Elektrochemie bestimmt ist, in Reihe geschaltet, um die gewünschte Betriebsspannung für den Elektromotor zu erhalten. Die verwendeten Elektromotoren (etwa permanenterregte Synchronmaschinen oder Reluktanzmaschinen) benötigen häufig eine Leistungselektronik, um die
Stromversorgung zu steuern. Insbesondere müssen Ströme in der elektrischen Maschine häufig in Abhängigkeit von einer Winkellage eines Rotors der elektrischen Maschine geschaltet werden, wozu die Winkellage des Rotors über Winkelgeber (z.B. Resolver) ermittelt werden kann. Die genannten Schaltvorgänge führen zu
Ungleichförmigkeiten im Drehmoment der elektrischen Maschine und in den Radial- sowie Axialkräften der elektrischen Maschine. Dies ist häufig unerwünscht und kann im Kraftfahrzeugbereich zu sogenannten Noise-Vibration-Harshness-Problemen (NVH- Problemen) führen. Ferner zeigen solche elektrischen Maschinen häufig
Anlaufschwächen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Antriebssystem anzugeben, das ohne
Hochvolttechnik auskommt und bei dem Ungleichförmigkeiten im Antriebsdrehmoment und in den Radial- sowie Axialkräften vermieden werden. Außerdem soll ein
entsprechendes Kraftfahrzeug angegeben werden.
Die Aufgabe hinsichtlich des Antriebssystems wird gelöst durch ein Antriebssystem gemäß Anspruch 1. Die Aufgabe hinsichtlich des Kraftfahrzeugs wird gelöst durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8. Die Unteransprüche enthalten jeweils vorteilhafte Weiterbildungen.
Das erfindungsgemäße Antriebssystem verwendet als Elektromotor eine
Unipolarmaschine. Eine Unipolarmaschine als solche ist bekannt: Ein Rotor in Form einer Scheibe wird von einem Magnetfeld senkrecht zur Scheibe oder zumindest einer Magnetfeldkomponente senkrecht zur Scheibe durchsetzt. Zwischen dem Zentrum der Scheibe und dem Rand der Scheibe wird elektrischer Strom geführt. Aufgrund des Magnetfeldes resultiert eine Lorentzkraft auf die bewegten Ladungsträger, welche zu einem Drehmoment auf die Scheibe führt. Das Drehmoment kann über eine mit der Scheibe verbundene Rotorwelle abgeführt werden; die Rotorwelle kann auch als Leiter zur elektrischen Kontaktierung des Zentrums der Scheibe verwendet werden.
Rotorwelle und Scheibe können beispielsweise über jeweils eine Bürste elektrisch kontaktiert werden, wobei die Scheibe vorzugsweise an ihrem Außenrand von der Bürste kontaktiert wird.
Eine Unipolarmaschine benötigt prinzipbedingt keine Kommutierung oder anderweitige Schaltung von Strömen in der Maschine und kann somit ohne Ungleichförmigkeiten im Drehmoment laufen. Auch zeigt eine Unipolarmaschine keine Probleme beim Anlaufen. Da das generierte Drehmoment von der Stromstärke abhängt, sind für hohe
Drehmomente hohe Stromstärken gefordert; bei niedrigem elektrischem Widerstand des Rotors sind diese jedoch bei niedrigen Spannungen erzielbar. Erforderlich ist daher eine Stromquelle, die in der Lage ist, hohe Stromstärken zu liefern, ohne hierfür hohe Spannungen zu benötigen.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Brennstoffzelle eingesetzt. Für die Brennstoffzelle ist eine hinreichend große Elektrodenfläche erforderlich, um pro Zeiteinheit eine
ausreichende Menge an Wasserstoff und Sauerstoff umsetzen zu können, um die für die gewünschte Stromstärke pro Zeiteinheit erforderliche Ladungsmenge bereitstellen zu können. Es können auch mehrere Brennstoffzellen parallel geschaltet werden, die dabei parallel geschalteten Elektroden der einzelnen Brennstoffzellen bilden im Sinne dieser Anmeldung dann eine Elektrode. Die Brennstoffzelle ist Teil des Antriebssystems und kann in der Unipolarmaschine selbst verbaut sein, in welchem Fall man von einer In-Situ-Brennstoffzelle (ISB) sprechen kann. Eine Reihenschaltung mehrerer
Brennstoffzellen zur Erhöhung der zur Verfügung stehenden Spannung ist in der Regel entbehrlich.
In einer Ausführungsform umschließt die Brennstoffzelle die Rotorwelle der
Unipolarmaschine ringförmig. Die Brennstoffzelle kann insbesondere auch den Rotor, also die Scheibe, der Unipolarmaschine ringförmig umschließen. Rotorwelle, Rotor und die ringförmige Brennstoffzelle können konzentrisch zueinander angeordnet sein. Eine Brennstoffzelle, welche die Rotorwelle, insbesondere den Rotor selbst, ringförmig umschließt, bietet eine große Fläche für die Elektroden der Brennstoffzelle, was, wie oben dargelegt, für hohe Stromstärken erforderlich ist. ln einer Weiterbildung ist eine Elektrode der die Rotorwelle ringförmig umschließenden Brennstoffzelle drehfest mit dem Rotor verbunden. Dies bedeutet insbesondere, dass sich die Elektrode bei Betrieb der Unipolarmaschine mit dem Rotor dreht. Diese
Weiterbildung ist möglich, wenn die Brennstoffzelle einen flüssigen Elektrolyten verwendet („nasse Brennstoffzelle“). In dieser Weiterbildung kann der Elektrolyt auch die Funktion einer Bürste übernehmen, genauer der Bürste, welche die elektrische Kontaktierung des Randes der Scheibe der Unipolarmaschine herstellt. In dieser Weiterbildung kann eine Kraftstoffzuführung zu der drehfest mit dem Rotor verbundenen Elektrode über eine Drehdurchführung und einen Kanal erfolgen. Der Kanal verläuft dabei durch Rotorwelle und Scheibe, und die Drehdurchführung bildet die Zuführung des Kraftstoffs aus einem Vorrat in den Kanal. Ein flüssiger Elektrolyt kann ferner auch zur Kühlung verwendet werden. Speziell kann in dieser Weiterbildung die
Brennstoffzelle den Rotor ringförmig umschließen und die drehfest mit dem Rotor verbundene Elektrode kann am Außenrand des Rotors mit dem Rotor verbunden sein.
In einer anderen Weiterbildung ist eine Bürste vorgesehen, um den Rotor der
Unipolarmaschine, vorzugsweise am Außenrand der Scheibe, mit einer Elektrode der Brennstoffzelle elektrisch zu verbinden, und eine weitere Bürste ist vorgesehen, um die Rotorwelle elektrisch leitend mit einer weiteren Elektrode der Brennstoffzelle zu verbinden. In diesem Fall kann die Brennstoffzelle die Rotorwelle, und auch den Rotor, ringförmig umschließen, ohne dass eine Elektrode der Brennstoffzelle im Betrieb der Unipolarmaschine mit dem Rotor rotiert.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Reformierer in das Antriebssystem integriert. Das Antriebssystem mit Unipolarmaschine, Brennstoffzelle und Reformierer kann dann als Antriebsmodul angesehen werden, welchem der Kraftstoff (etwa, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Ammoniak oder Methan) zugeführt werden kann. Im Reformierer wird aus dem Kraftstoff Wasserstoff erzeugt.
Das Magnetfeld, welches die Scheibe der Unipolarmaschine durchsetzt, wird von mindestens einem Magneten erzeugt, welcher Teil der Unipolarmaschine ist. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Magnet ein Elektromagnet. Der Elektromagnet kann beispielsweise durch einen Generator mit Strom versorgt werden, wobei der Generator durch die Unipolarmaschine angetrieben werden kann. Es ist aber auch denkbar, dass in einer anderen Ausführungsform als Magnet der Unipolarmaschine ein Permanentmagnet verwendet wird.
Grundsätzlich ist anzumerken, dass die Unipolarmaschine über die Kraftstoffzufuhr zur Brennstoffzelle gesteuert werden kann. Um diese Steuerung präzise und mit kurzen Reaktionszeiten zu ermöglichen, ist eine hohe Dynamik der Brennstoffzelle erforderlich. Die Brennstoffzelle sollte möglichst ohne Überschuss betrieben werden, um ein
Nachlaufen bei Lastwechseln zu vermeiden. Zugeführter Wasserstoff bzw. Sauerstoff sollte sich schnell gleichmäßig über die Elektrodenflächen verteilen, ohne dass sich in Bereichen der Brennstoffzelle Ansammlungen von Wasserstoff bzw. Sauerstoff bilden, die nach Unterbrechung oder Reduktion der Kraftstoffzufuhr die Elektroden über das gewünschte Maß beaufschlagen. Ferner kann das Verhalten der Unipolarmaschine, soweit deren Magnet ein Elektromagnet ist, durch Eingriffe in die Spule beeinflusst werden, z.B. bei spontaner Lastwegnahme. Eine Änderung der Laufrichtung der Unipolarmaschine kann durch Umkehrung der Richtung des Magnetfelds erreicht werden, also durch Änderung der Stromrichtung in den Wicklungen des
Elektromagneten.
Wasserstoff für die Brennstoffzelle kann beispielsweise entweder in reiner Form etwa in einem Druckbehälter, als Verbindung (z.B. Ammoniak, Methan, Methanol), oder gebunden in Festkörpern oder Flüssigkeiten vorliegen. Sauerstoff kann beispielsweise in reiner Form bevorratet oder der Luft entnommen werden.
Es können unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Beispielsweise Brennstoffzellen mit alkalischem Elektrolyten, etwa einer Lösung von KOH. Weitere nicht einschränkende Beispiele sind Membranbrennstoffzelle, Direkt- Methanol-Brennstoffzelle, Phosphorsäure-Brennstoffzelle, Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle oder Festoxid-Brennstoffzelle. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug hat ein Antriebssystem wie vorstehend beschrieben, mit Unipolarmaschine und Brennstoffzelle. Die Unipolarmaschine ist zur Bereitstellung eines Traktionsmoments für das Kraftfahrzeug vorgesehen.
In einer Ausführungsform treibt die Unipolarmaschine eine weitere elektrische Maschine an. Dabei kann es sich um einen Generator zur Versorgung eines Niedervolt-
Bordnetzes des Kraftfahrzeugs handeln. Ein von der Unipolarmaschine angetriebener Generator kann auch einen Elektromagneten der Unipolarmaschine mit Strom versorgen oder einen Reformierer für den Kraftstoff der Brennstoffzelle.
In einer Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug mindestens zwei Antriebssysteme wie vorstehend beschrieben auf und jedes der Antriebssysteme ist zum Antrieb eines Rades oder einer Radgruppe des Kraftfahrzeugs vorgesehen.
Nachfolgend werden die Erfindung und ihre Vorteile an Hand der beigefügten
Zeichnungen näher beschrieben.
Figur 1 zeigt das prinzipielle Konzept eines herkömmlichen Antriebssystems. Figur 2 zeigt das prinzipielle Konzept des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems. Figur 4 veranschaulicht Stromverlauf und Magnetfeld in der Ausführungsform aus
Fig. 3.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antriebssystems.
Figur 6 zeigt eine Möglichkeit des Einsatzes des erfindungsgemäßen
Antriebssystems in einem Kraftfahrzeug.
Figur 7 zeigt weitere Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
Antriebssystems in einem Kraftfahrzeug. Figur 8 zeigt den Einsatz eines Reformierers im Zusammenhang mit einem
erfindungsgemäßen Antriebssystem. Die Zeichnungen stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und sind nicht als Beschränkung der Erfindung auf die gezeigten Ausführungsbeispiele aufzufassen.
Fig. 1 zeigt das prinzipielle Konzept eines herkömmlichen Antriebssystems. Ein
Elektromotor 340 (etwa eine permanenterregte Synchronmaschine) wird von einer Brennstoffzelle 310 mit elektrischer Energie versorgt. Dies geschieht über einen
Stromspeicher 320 und eine Leistungselektronik 330, welche die Ströme im
Elektromotor steuert, etwa für eine Kommutierung sorgt. Die Brennstoffzelle 310 besteht aus mehreren Brennstoffzellenelementen 311 , die in Reihe geschaltet sind. Jedes Brennstoffzellenelement 311 ist selbst eine Brennstoffzelle. Die Spannungen der einzelnen Brennstoffzellenelemente 31 1 addieren sich aufgrund der Reihenschaltung, so dass die Brennstoffzelle 310 die zum Betrieb des Elektromotors 340 erforderliche Spannung bereitstellen kann.
Fig. 2 zeigt das prinzipielle Konzept eines erfindungsgemäßen Antriebssystems. Eine Unipolarmaschine 2 wird von einer Brennstoffzelle 3 direkt mit Strom versorgt.
Symbolisch gezeigt ist eine Elektrode 31 der Brennstoffzelle 3, um zu veranschaulichen, dass die Brennstoffzelle 3 Elektroden 31 mit im Vergleich zur Ausführungsform in Fig. 1 großer Fläche aufweist, um eine hohe Stromstärke für die Unipolarmaschine 2 bereitzustellen. Eine hohe Spannung ist im Gegensatz zum in Fig. 1 gezeigten Konzept nicht erforderlich.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 , mit einer Unipolarmaschine 2 und einer Brennstoffzelle 3. Die Unipolarmaschine 2 hat einen Rotor 4 und eine Rotorwelle 5 sowie einen Magneten 6, bei dem es sich in dieser Ausführungsform um einen Elektromagneten handelt; Wicklungen 61 des
Elektromagneten sind gezeigt. Die Rotorwelle 5 ist mittels Lagern 51 in einer
Einbauumgebung des Antriebssystems 1 gelagert. Die Brennstoffzelle 3 umschließt Rotorwelle 5 und Rotor 4 ringförmig. Eine Elektrode 31 der Brennstoffzelle 3 ist an einem Außenrand 41 des Rotors 4 drehfest mit dem Rotor 4 verbunden. Im Betrieb der Unipolarmaschine 2 rotiert diese Elektrode 31 mit dem Rotor 4 relativ zu einer weiteren Elektrode 32 der Brennstoffzelle 3; die weitere Elektrode 32 ruht dabei relativ zur Einbauumgebung des Antriebssystems 1. Durch die drehfeste Verbindung zwischen dem Rotor 4 und der Elektrode 31 ist zugleich eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Außenrand 41 des Rotors 4 und der Elektrode 31 gegeben. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Elektrode 32 und der Rotorwelle 5 wird durch Bürste 7 hergestellt.
In der hier gezeigten Ausführungsform wird ein flüssiger Elektrolyt, beispielsweise KOH, in der Brennstoffzelle 3 eingesetzt. Über Kraftstoffzuführung 100 kann Wasserstoff durch eine Drehdurchführung 52 in den Kanal 53 (nur auf einer Seite des Rotors gezeigt) in Rotorwelle 5 und Rotor 4 und von dort zu Elektrode 31 gelangen. Über Kraftstoffzuführung 101 kann Sauerstoff in den Kanal 33 und von dort in die Elektrode 32 gelangen. An den Elektroden 31 bzw. 32, in Kontakt mit dem Elektrolyten, sind Bereiche 35 bzw. 36 vorgesehen, an denen die Aufspaltung von Sauerstoff und
Wasserstoff stattfindet. Diese Bereiche 35 bzw. 36 können beispielsweise platinierte Kohlenstoffnanoröhren aufweisen, um eine große Oberfläche für die durch Platin katalysierte Reaktion zu bieten. Die Kanäle 53 und 33 verzweigen sich zu den
Bereichen 35 bzw. 36, um die Zuführung von Wasserstoff bzw. Sauerstoff zu den Bereichen 35 bzw. 36 zu gewährleisten.
Ebenso wäre es denkbar, über Kraftstoffzuführung 100 Sauerstoff und über
Kraftstoffzuführung 101 Wasserstoff in die Brennstoffzelle 3 zu führen.
Fig. 4 zeigt nochmals die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform. Im Interesse der Klarheit der Darstellung wurde hier gegenüber Fig. 3 auf einige Bezugszeichen und Schraffuren verzichtet. Ebenso wurde von der Darstellung der Kanäle 33 und 53 abgesehen. Durch Pfeile ist das Magnetfeld 500, das von dem Magneten 6 erzeugt wird, im Bereich des Rotors 4 gezeigt. Dabei wird das Magnetfeld 500 nur für einen Teil des Rotors 4 gezeigt, im Bereich des Rotors 4 ist das Magnetfeld jedoch
rotationssymmetrisch um die Rotorwelle 5. Ferner wird ein Stromverlauf 550 gezeigt, von der Elektrode 32 über Bürste 7, Rotorwelle 5 und Rotor 4 zu Elektrode 31.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 mit Unipolarmaschine 2 und Brennstoffzelle 3. Viele der gezeigten Elemente sind analog zu der Ausführungsform aus Fig. 3, so dass von einer Wiederholung der
entsprechenden Erläuterungen abgesehen wird. Auch in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 umschließt die Brennstoffzelle 3 Rotorwelle 5 und Rotor 4 ringförmig. Im
Gegensatz zu der Ausführungsform aus Fig. 3 ist jedoch die Elektrode 31 mit dem Rotor 4 nicht drehfest verbunden. Vielmehr ruhen bei Betrieb der Unipolarmaschine 2 sowohl Elektrode 31 als auch Elektrode 32 relativ zu einer Einbauumgebung des
Antriebssystems 1. Ein elektrischer Kontakt zwischen Rotor 4 und Elektrode 31 wird am Außenrand 41 des Rotors 4 über eine Bürste 7 hergestellt. Ein elektrischer Kontakt zwischen Rotorwelle 5 und Elektrode 32 wird über eine weitere Bürste 7 hergestellt. Über Kraftstoffzuführung 100 kann Wasserstoff in Kanal 34 in der Elektrode 31 gelangen. Über Kraftstoffzuführung 101 kann Sauerstoff in Kanal 33 in der Elektrode 32 gelangen. Ebenso wäre es möglich, Sauerstoff über Kraftstoffzuführung 100, und Wasserstoff über Kraftstoffzuführung 101 zuzuführen. Auch in dieser Ausführungsform verzweigen sich die Kanäle 33 und 34, um Wasserstoff bzw. Sauerstoff zu den
Bereichen 35 und 36 zu führen.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel der Integration des erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 in ein Gesamtsystem, hier in ein Kraftfahrzeug 600, welches nur schematisch dargestellt ist. Das Antriebssystem 1 wird im Kraftfahrzeug 600 als Traktionsmaschine eingesetzt und treibt über eine Übersetzung 615 ein Differential 610 an, welches Drehmoment auf die Räder 620 überträgt. Ferner treibt das Antriebssystem 1 über eine Übersetzung 635 eine elektrische Maschine 630 an, welche als Generator einer Niedervoltspannung wirken kann und über eine Batterie 633 ein Niedervoltbordnetz speist. Insbesondere kann durch die Batterie 633 der Elektromagnet 6 der Unipolarmaschine 2 des
Antriebssystems 1 versorgt werden. Die elektrische Maschine 630 kann auch zum Rekuperieren und zum Antrieb bei Rangierbewegungen des Kraftfahrzeugs 600 genutzt werden.
Als Kraftstoffvorrat wird in diesem Ausführungsbeispiel Ammoniak in einem
Druckspeicher 640 bei etwa 9 bar Druck mitgeführt. Von dort gelangt das Ammoniak in einen Reformierer 650, der das Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff aufspaltet. Der Stickstoff wird an die Umgebung abgegeben, der Wasserstoff gelangt über ein Steuersystem 660 schließlich zum Antriebssystem 1. Reformieren 650 und Steuersystem 660 werden aus der Batterie 633 mit Niedervoltspannung (NV) versorgt. Das Steuersystem 660 umfasst Ventile (nicht gezeigt), um die Zuführung von
Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Antriebssystem 1 zu steuern. Der Sauerstoff kann als Bestandteil der Umgebungsluft an das Antriebssystem 1 geliefert werden, wozu das Steuersystem 660 einen Kompressor (nicht gezeigt) umfassen kann. Elektrolyt, hier eine Lösung von KOH, wird aus dem Antriebssystem 1 , genauer aus der Brennstoffzelle 3 des Antriebssystems 1 , an ein Aggregat 670 abgeführt, in dem Reaktionsprodukte der in der Brennstoffzelle 3 ablaufenden Reaktion aus dem Elektrolyten entfernt werden.
Hauptsächliches Reaktionsprodukt ist Wasser, dieses wird teilweise aus der
Elektrolytlösung entfernt, so dass eine konzentriertere Lösung von KOH an die
Brennstoffzelle 3 zurückgeliefert werden kann. Im Aggregat 670 erfolgt auch eine Kühlung der Elektrolytlösung. Anstatt den Wasserstoff aus beispielsweise Ammoniak in einem Reformierer 650 zu gewinnen, kann auch ein Wasserstoffvorrat im Kraftfahrzeug 600 mitgeführt werden.
Fig. 7 zeigt schematisch weitere Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
Antriebssystems 1 in einem Kraftfahrzeug, wobei die Liste der gezeigten Beispiele keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt. Weitere Einsatzszenarien sind denkbar.
In Beispiel A ist ein erfindungsgemäßes Antriebssystem 1 über eine Übersetzung 735 an eine weitere elektrische Maschine 730 gekoppelt und treibt zusammen mit dieser über ein Differential 710 Räder 720 an.
In Beispiel B ist eine weitere elektrische Maschine 730 über eine Übersetzung 735 an ein erfindungsgemäßes Antriebssystem 1 gekoppelt und treibt zusammen mit diesem über ein Differential 710 Räder 720 an.
In Beispiel C ist eine weitere elektrische Maschine 730 direkt mit einem
erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 gekoppelt und treibt zusammen mit diesem über eine Übersetzung 735 und ein Differential 710 Räder 720 an. In Beispiel D ist ein erfindungsgemäßes Antriebssystem 1 direkt an eine weitere elektrische Maschine 730 gekoppelt und treibt zusammen mit dieser über eine
Übersetzung 735 und ein Differential 710 Räder 720 an.
In Beispiel E sind zwei erfindungsgemäße Antriebssysteme 1 vorgesehen, von denen jedes jeweils ein Rad oder eine Radgruppe, wie Vorder- und Hinterräder, 620 antreibt.
Grundsätzlich können die Übersetzungen 735 in verschiedener Weise realisiert werden, beispielsweise über Stirnradgetriebe, Planetengetriebe oder Riemengetriebe; auch Schaltgetriebe sind möglich.
Fig. 8 stellt zwei Möglichkeiten des Einsatzes eines Reformierers 650 in
Zusammenwirkung mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem 1 dar. In Beispiel A ist der Reformierer 650 eine separate, von dem Antriebssystem 1 getrennte Einrichtung. Dem Reformierer 650 wird Kraftstoff, hier Ammoniak, zugeführt. Im Reformierer 650 wird Ammoniak in Stickstoff und Wasserstoff aufgespalten, der Stickstoff wird an die Umgebung abgegeben, der Wasserstoff wird an die Brennstoffzelle des
erfindungsgemäßen Antriebssystems 1 geliefert. Das in der Brennstoffzelle entstehende Wasser wird aus dem Antriebssystem 1 abgeführt.
In Beispiel B ist der Reformierer 650 in das erfindungsgemäße Antriebssystem 1 integriert, so dass Reformierer 650 und Antriebssystem 1 ein Modul bilden, welches auch als Ganzes in einem Kraftfahrzeug verbaut werden kann. Dem Modul wird
Kraftstoff, hier Ammoniak, zugeführt, welcher im Reformierer 650 in Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten wird. Der Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle des
Antriebssystems 1 zu Wasser umgesetzt. Dieses Wasser wird zusammen mit dem Stickstoff aus dem Modul abgeführt.
Bezugszeichenliste
1 Antriebssystem
2 Unipolarmaschine
3 Brennstoffzelle
4 Rotor
5 Rotorwelle
6 Magnet
7 Bürste
31 Elektrode
32 Elektrode
33 Kanal
34 Kanal
35 Bereich
36 Bereich
41 Außenrand (Rotor)
51 Lager
52 Drehdurchführung
53 Kanal
61 Wicklung
100 Kraftstoffzuführung
101 Kraftstoffzuführung
310 Brennstoffzelle
311 Brennstoffzellenelement
320 Stromspeicher
330 Leistungselektronik
340 Elektromotor
500 Magnetfeld
550 Stromfluss
600 Kraftfahrzeug 610 Differential
615 Übersetzung
620 Rad oder Radgruppe 630 elektrische Maschine 633 Batterie
635 Übersetzung
640 Ammoniakspeicher 650 Reformierer
660 Steuersystem 670 Aggregat
710 Differential
720 Räder
730 elektrische Maschine 735 Übersetzung

Claims

Patentansprüche
1. Antriebssystem (1 ) mit einer Brennstoffzelle (3), gekennzeichnet durch: eine Unipolarmaschine (2), wobei die Brennstoffzelle (3) zur Versorgung der Unipolarmaschine (2) mit elektrischer Energie vorgesehen ist.
2. Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Brennstoffzelle (3) eine
Rotorwelle (5) eines Rotors (4) der Unipolarmaschine (2) ringförmig umschließt.
3. Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 2, wobei eine Elektrode (31 ) der
Brennstoffzelle (3) drehfest mit dem Rotor (4) verbunden ist.
4. Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 3, wobei eine Kraftstoffzuführung (100) zu der drehfest mit dem Rotor (4) verbundenen Elektrode (31 ) über eine
Drehdurchführung (52) und einen Kanal (53) in Rotorwelle (5) und Rotor (4) erfolgt.
5. Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 2, wobei eine Elektrode (31 ) der
Brennstoffzelle (3) mittels einer Bürste (7) elektrisch leitend mit dem Rotor (4) verbunden ist und eine weitere Elektrode (32) der Brennstoffzelle (3) über eine weitere Bürste (7) elektrisch leitend mit der Rotorwelle (5) verbunden ist.
6. Antriebssystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein
Reformierer (650) in das Antriebssystem (1 ) integriert ist.
7. Antriebssystem (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein
Magnet (6) der Unipolarmaschine (2) ein Elektromagnet ist.
8. Kraftfahrzeug (600) mit einem Antriebssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Unipolarmaschine (2) zur Bereitstellung eines Traktionsmoments für das Kraftfahrzeug (600) vorgesehen ist.
9. Kraftfahrzeug (600) nach Anspruch 8, wobei die Unipolarmaschine (2) eine
weitere elektrische Maschine (630) antreibt.
10. Kraftfahrzeug (600) nach Anspruch 8, wobei das Kraftfahrzeug (600) mindestens zwei Antriebssysteme (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist und jedes der Antriebssysteme (1 ) zum Antrieb eines Rades oder einer Radgruppe (620) des Kraftfahrzeugs (600) vorgesehen ist.
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