WO2002057105A1 - Drive mechanism, particularly for a vehicle, comprising an internal combustion engine and at least one electric power generator - Google Patents

Drive mechanism, particularly for a vehicle, comprising an internal combustion engine and at least one electric power generator Download PDF

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WO2002057105A1
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combustion engine
fuel
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Ian Faye
Frank Brenner
Michael Nau
Martin Maier
Marc Bareis
Frank Ilgner
Horst Harndorf
Rainer Saliger
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Drive device in particular for a vehicle, with an internal combustion engine and at least one electric power generator
  • the invention relates to a drive device with an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • Vehicle drives in which a fuel cell for generating electrical energy is used in conjunction with one or more electric motors have become known in particular in connection with the so-called zero-emission vehicle.
  • Such vehicles are partially provided with a hydrogen tank in order to provide the fuel required for the operation of the fuel cell.
  • a system for fuel reforming is additionally provided, in which conventional fuel, which is usually in the form of hydrocarbons, is chemically split, the hydrogen required for the operation of the fuel cell being generated.
  • the object of the invention in contrast, is to propose a drive device with an internal combustion engine, in which a high amount of electrical energy is always available even when the internal combustion engine is at a standstill, and at the same time a high degree of efficiency in the generation of the electrical energy is ensured.
  • a drive device is characterized in that both an internal combustion engine and a fuel cell are provided.
  • an air conditioning system can remain switched on even when the internal combustion engine is switched off.
  • the fuel cell can in particular also be used to operate the safety-relevant components or functions of a land, water or aircraft independently of the engine.
  • This motor-independent electrical supply for example a corresponding electrical system, is electrical, in particular in the case of safety-relevant ones controlled systems advantageous.
  • a corresponding electrical emergency supply using the fuel cell is particularly advantageous, e.g. if the internal combustion engine is interrupted, the electrical storage unit is discharged too much, possibly due to a comparatively long idle time, during the start-up phase of the internal combustion engine, etc. With this measure, additional, relatively heavy electrical storage units are unnecessary for corresponding emergencies, which may result in a possibly higher fuel consumption of the vehicle being minimized is.
  • the energy requirements of the safety-relevant components e.g. of steering, braking and / or suspension without the fuel cell according to the invention are not covered shortly after starting.
  • the necessary state of charge of the electrical storage unit should only be reached when the internal combustion engine is in operation before the vehicle starts to move, which could lead to comparatively long waiting times.
  • the electrical storage unit can be charged independently of the internal combustion engine, so that the safety-relevant components can be used right from the start and disadvantageous waiting times can thereby be reduced or eliminated.
  • the drive device according to the invention is preferred in Motor vehicles are used, but in particular in the case of the further developments described below, use in stationary systems which are independent of the power grid would also be conceivable.
  • a system for fuel reforming is provided for the fuel cell.
  • the fuel usually used up to now for vehicles with an internal combustion engine can also be used for the operation of the fuel cell, the fuel for the fuel cell being generated in a fuel reformer.
  • the fuel for the fuel cell in the fuel cells that can usefully be used today consists of hydrogen.
  • a connection is provided between the fuel reforming system and the internal combustion engine.
  • the fluid can be supplied to the internal combustion engine in certain operating phases as an intermediate or end product of the fuel reforming system.
  • This can be, for example, pure hydrogen or a hydrogen mixture with additional substance components, for example a CO content.
  • the addition can take place, for example, via the fuel supply, the charge air or, in the case of a carburetor engine, into the combustion mixture of the internal combustion engine.
  • the behavior of the internal combustion engine under certain operating conditions can be sensibly improved by metered additions of hydrogen, possibly in conjunction with CO.
  • the cold start behavior can be influenced in favor of lower pollutant emissions.
  • the exhaust gas recirculation rates can be increased by adding hydrogen, with which a greater reduction in NO x is associated. Thanks to the excellent ignition behavior of hydrogen, it is also possible to lower the engine idling speed.
  • Possible uses - the supply of hydrogen with and without CO - enrichment from the system for reforming the fuel for the fuel cell to the internal combustion engine have other possible uses.
  • the option of supplying hydrogen provides another parameter for controlling the internal combustion engine.
  • a control unit is preferably provided which controls the dosage of the addition depending on the operating state of the internal combustion engine, so that the possibilities for improving the behavior of the internal combustion engine can be fully exploited.
  • At least one connection is made from the fuel reforming system to at least one catalytic converter for the exhaust gas purification of the internal combustion engine.
  • NO x storage catalyst conceivable by adding hydrogen or a hydrogen mixture.
  • a control unit is also advantageously provided for the addition of the intermediate or end products from the fuel reforming to one or more catalysts for exhaust gas treatment of the internal combustion engine Dosage of the addition depends on the operating state of the respective catalyst controls, so that the possibilities for controlling the operation or the regeneration of such a catalyst can be fully exhausted.
  • a turbine and / or a burner in particular a catalytically active burner, is additionally used to utilize the remaining amounts of fuel, i.e. in the case of hydrogen, provided above. In this way, the efficiency of the overall system is further improved.
  • Such a turbine can in turn be used in different ways.
  • the turbine can be used for charge air compression of the internal combustion engine, i.e. the turbine can be used directly as a turbocharger drive.
  • this turbine there is a possibility of using this turbine for energy purposes by operating a power generator which increases the electrical power available to the entire system and thus its efficiency.
  • compression units like all additional components, can also be driven by an electric motor.
  • At least one compression unit is also used within the fuel reforming system.
  • a relatively high pressure can be applied to the fuel cell on the cathode and / or anode side in order to increase the power density of the fuel cell.
  • the starting materials of the fuel cell such as the air, the water and / or the fuel or intermediate and / or products of the fuel reforming, are preferably compressed to an advantageously high pressure level by means of one or more compression units.
  • both liquid and vaporized or gaseous fuels and / or water or water vapor can be used.
  • Such compression can be carried out, for example, on the input and / or output side of the system or on the input side of the fuel cell.
  • the compression can, however, also be carried out in a previous process stage or intermediate stage of the reforming, so that the respective material flow, ie the educts or intermediate products, of the fuel reforming system is already subjected to a corresponding pressure.
  • this can influence the fuel reforming; on the other hand, in the event of a connection to the internal combustion engine, the intermediate or end product to be supplied from the fuel reforming is already available at elevated pressure, so that the addition to the Internal combustion engine is simplified or optimized.
  • At least one memory is provided for storing an intermediate or end product of the system and / or a substance or mixture of substances from the fuel cell.
  • a temporally staggered storage and delivery of corresponding products, substances or substance mixtures can preferably be implemented. In this way, possible excesses, for example during a partial load phase of the fuel cell or the like, and / or defects, for example during a start or malfunction phase of a component, of these products, substances or substance mixtures can be compensated for in the corresponding operating phases.
  • the memory is designed to store a substance or mixture of substances to be fed into the internal combustion engine or the fuel cell.
  • This preferred embodiment of the memory makes it possible, for example, for hydrogen-containing gas, in particular hydrogen-rich reformate, to be available, for example, in a cold start or fault phase of the internal combustion engine, the system for fuel reforming and / or the fuel cell.
  • hydrogen-rich reformate can be fed from the memory to the internal combustion engine and / or the fuel cell until the system has reached its operating temperature.
  • the cold start behavior of the internal combustion engine can be improved in such a way that significantly fewer pollutants are emitted in the cold start phase. This leads to a significant reduction in environmentally relevant substances and thus to the fulfillment of relatively high environmental standards.
  • at least one additional power generator is provided for supplying at least safety-relevant operating units during a starting phase and / or a special operating case. As already indicated above, this measure increases the security accordingly
  • the fuel cell is preferably designed as the additional power generator.
  • the design effort is significantly reduced with a high level of security.
  • weight is saved compared to the use of batteries or the like as an additional power generator, which leads to an improvement in fuel consumption, particularly in vehicles.
  • the invention relates both to process variants in which the water supplied to the process via the tank has to be refueled as additional fuel (water balance not closed), and to variants in which sufficient water is condensed out behind the fuel cell in order to avoid refueling ( Water balance closed)
  • 1 is a schematic diagram of a combination of internal combustion engine and fuel cell with fuel reforming
  • FIG. 2 shows a representation according to FIG. 1 of a further embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic diagram to illustrate the regeneration of the catalyst in a vehicle according to the invention.
  • the reciprocating piston engine 1 shows a reciprocating piston engine 1 with indicated cylinders 2 in the lower area of the diagram.
  • the reciprocating piston engine 1 is supplied with fuel 4 from a tank 3.
  • Outside air 5 is supplied to the reciprocating piston engine 1 via an engine compressor 6.
  • the outside air 5 can alternatively be pre-compressed via an exhaust gas turbocharger 7.
  • the exhaust gas 8 is aftertreated by an exhaust gas catalytic converter 9 and then released into the environment.
  • This diagram therefore describes the functional principle corresponding to a conventional supercharged internal combustion engine.
  • the combination according to the invention can also be used, in deviation from this exemplary embodiment, in non-supercharged internal combustion engines.
  • the electrical energy for the periphery of the reciprocating piston engine 1 and for other electrical components, for example a vehicle driven thereby, is generated in the present case by a fuel cell 14.
  • the fuel cell 14 is schematically divided into the cathode area 15 and the anode area 16.
  • the fuel cell 14 is supplied with fuel in the form of a relatively hydrogen-rich reformate 17 and oxygen or outside air 18.
  • the hydrogen-containing reformate 17 serving as fuel is generated in a system 19 for fuel reforming.
  • the fuel 20 is carried in a tank 21 which, under certain circumstances, can be identical to the tank 3 for the reciprocating piston engine 1.
  • water 22 is still provided from a water tank 23. As already indicated above, water can also be obtained by condensation from the reaction product of the fuel cell (not shown in more detail).
  • the outside air for the operation of the fuel cell 14 is compressed and conveyed via a compressor 24.
  • a preheating stage 26 for one or more starting materials supplied to the fuel cell 14 or the system for fuel reforming 19, i.e. the fuel 20, the water 22 and / or the air 27 are provided, which preferably uses the anode residual energy.
  • the air 27 is supplied to a plurality of components via a branch 28.
  • Two heat exchangers 29, 30 are initially used for further, optional heating, in particular of all starting materials for fuel reforming, ie of fuel 20, water 22 and air 27. These starting materials 20, 22, 27 are then fed to a so-called reformer 31.
  • the fuel is used in the present exemplary embodiment in FIG an exothermic reaction in a hydrogen and carbon monoxide-containing synthesis gas 25. Process variants are also conceivable in which the addition of water to the reformer 31 can be dispensed with.
  • the hydrogen and carbon monoxide-containing synthesis gas 25 is further treated in two so-called shift stages 32, 33, with a large part of the carbon monoxide present in the synthesis gas 25 in a so-called shift reaction, preferably with the aid of additionally supplied water 22 , is converted to carbon dioxide and other hydrogen.
  • shift stages 32, 33 can work at different temperature levels.
  • heat is released again, which is also used in the heat exchanger 29 for preheating fuel 20, water 22 and air 27, as already mentioned above.
  • PEMFC polymer electrolyte membrane fuel cells
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • SOFC fuel cells preferably have ceramic membranes with a comparatively high working temperature, so that in general a heating unit (not shown in more detail) is to be provided for heating the fuel cell 14 to the working temperature.
  • a residual amount of hydrogen leaves the anode region 16 without performing the above reaction.
  • a residual amount of oxygen is also contained in the cathode exhaust gas after exiting from the cathode region 15.
  • the residual hydrogen 35 and the residual oxygen 36 result in a detonating gas mixture 37, which can be used further energetically in a burner 38 and / or a turbine 39.
  • the waste heat from the burner 38 or the turbine exhaust gas 40 can be used in the preheating stage 26 for preheating starting materials 20, 22, 27, as is indicated by a dashed double arrow.
  • three removal points 41, 42, 43 are provided at the plant 19 for reforming the fuel during the material flow, at which an intermediate product, e.g. the synthesis gas 25, the reformate 17 consisting of almost pure hydrogen, or else the exhaust gas containing the residual hydrogen 35 from the anode region 16 via compressors 44, 45, 46 and optionally via intermediate stores 47, 48, 49 for addition to the reciprocating piston engine 1 and / or or is provided to the catalytic converter 9.
  • an intermediate product e.g. the synthesis gas 25, the reformate 17 consisting of almost pure hydrogen, or else the exhaust gas containing the residual hydrogen 35 from the anode region 16 via compressors 44, 45, 46 and optionally via intermediate stores 47, 48, 49 for addition to the reciprocating piston engine 1 and / or or is provided to the catalytic converter 9.
  • These substances can be added, for example, at the addition points 10, 11, 12, 13.
  • the fuel cell is operated under excess pressure, which is provided via the compressor 24.
  • Water and fuel can be brought to the necessary pressure level in liquid, vaporized or gaseous form by means of pumps (not shown)
  • switch valves 51, 52 are arranged in the illustration according to FIG. approx. 100 bar, or for the subsequent cleaning stage (shift or fuel cell cycle) with a slight overpressure, e.g. approx. 3 bar.
  • the pumps or pump can primarily use the fuel 20 and the water 22 in the extraction or storage cycle with the very high overpressure of approximately 100 bar and in the shift or fuel cell cycle with low overpressure of about 3 bar.
  • connection variants for hydrogen generation shown in FIGS. 1 and 2 are also conceivable, e.g. a carbon monoxide purification by methanation or by metal membranes.
  • the sequence of the individual components of the described exemplary embodiments can vary depending on the variant. Different components can also be integrated into one or more units. Depending on the membrane used in the fuel cell, measures for moistening the cathode and / or anode feed, not shown in this figure, may be required. The corresponding components for water recovery from the anode and / or cathode residual gas are also not shown.
  • the electrical energy is supplied by the fuel cell and the propulsion energy of the vehicle by the reciprocating piston engine.
  • the combination of features according to the invention is not limited to supercharged reciprocating piston engines, but can be implemented with all known internal combustion engines.
  • the compressors or compressors shown for air compression in the process diagram for the reciprocating piston engine 1 or for the operation of the fuel cell 14 can also be combined, for example the turbines for expanding the respective media.
  • the compressor 24 and the engine compressor 6 can be combined as well as the exhaust gas turbocharger 7 with the turbine 39.
  • the expansion work obtained on the turbines can be used in a manner not shown in more detail via a generator in the form of the recovery of electrical energy.
  • a mechanical coupling (shaft, belt, etc.) is also conceivable, e.g. is realized in the conventional exhaust gas turbocharger. Any combination between all compressors, e.g. the compressors 6, 24 are conceivable, these compressors also being driven by an electric motor in other embodiments if required. The same applies to the compressors 44, 45, 46.
  • Reformat 17 with a high hydrogen content offers, in addition to the advantage of the availability of electrical energy independent of the engine with significantly better efficiencies compared to an electric generator or an alternator, also interesting possibilities for improving the operation of the internal combustion engine.
  • the fuel 4 for the reciprocating piston engine 1 and the fuel 20 for the system 19 for fuel reforming can be identical or different.
  • Tapping point 41 medium hydrogen and high
  • the substances removed via the removal point 41, 42, 43 can be used for engine operation as follows.
  • the shortest possible light-off times of the catalytic converter are advantageous, since the lion's share of the pollutants emitted (HC, CO, N0 X ) is emitted in this cold start phase, while the catalytic converter has not yet reached the minimum temperature required for the chemical conversion of the pollutants.
  • This problem is exacerbated by the fact that in order to avoid misfires during the first cold start cycles, the reciprocating engines 1 are run with a rich mixture, ie with a very high proportion of fuel, which inevitably leads to high carbon monoxide and hydrocarbon raw emissions.
  • This cold start behavior can now be advantageous s
  • Embodiments of the invention can be improved as follows.
  • the catalytic converter for exhaust gas aftertreatment is heated by adding hydrogen-containing reformate at the addition points 12 or 13.
  • this method is also used for several exhaust gas catalysts
  • exhaust gas recirculation is provided, advantageous further training measures are also possible.
  • Exhaust gas recirculation is an established process for reducing raw nitrogen oxide emissions.
  • quantity-controlled engines throttle valve
  • exhaust gas recirculation can also be used to dethrottle and, consequently, to improve efficiency.
  • the level of the exhaust gas rate is limited by the increasing particulate emissions; in particular, exhaust gas recirculation is not possible at full load.
  • the exhaust gas recirculation rate is limited by the fact that, with an increasing exhaust gas recirculation rate, the safe charge ignition is no longer guaranteed and the risk of misfires during operation of the reciprocating piston engine 1 increases.
  • Catalyst generates a rich reducing atmosphere so that the nitrogen oxide stored as nitrate is released again and reduced to harmless nitrogen in a reducing atmosphere with the formation of carbon dioxide and / or water.
  • Direct petrol injection is currently the preferred engine variant.
  • the rich combustion management is still problematic, since increased particle and hydrocarbon emissions occur. These emissions can also be reduced by adding pre-engineered, highly reactive, hydrogen-containing reformate; in extreme cases, pure hydrogen operation is also conceivable.
  • the high reactivity of the hydrogen would be advantageous in the regeneration in full flow, since the expected shortened reaction times can reduce the additional fuel consumption which is generated indirectly by the fuel consumption for the H 2 production by the reforming.
  • the Increased reactivity of the hydrogen-containing reformate would therefore also be advantageous when used for regeneration of the storage catalyst in a tandem system according to FIG. 3.
  • the reciprocating engine 1 is two
  • Storage catalysts 53, 54 arranged with the interposition of a changeover valve 55. With the help of the changeover valve 55, the storage catalytic converters 53, 54 can be switched on alternately into the flow of the exhaust gas 8 or one of the extraction points 41, 42, 43 for hydrogen-containing synthesis gas 25 or reformate 17.
  • the storage catalytic converter located in the exhaust gas stream i.e. In the switching state shown, the storage catalytic converter 54 is used for exhaust gas purification and is loaded with nitrogen oxides, while the storage catalytic converter connected to an extraction point 41, 42, 43, i.e. in the switching state shown, the storage catalytic converter 53 is regenerated.
  • Periodic switching with the aid of the switching valve 55 thus ensures that the exhaust gas 8 of nitrogen oxides is continuously de-riched. This arrangement can easily be used in combination with further catalytic converter units for exhaust gas purification.
  • the reformate 17 provides a highly reactive reducing agent for storage regeneration, rapid catalyst regeneration is possible even with small reformate throughputs. This leads to a reduction in the indirect fuel consumption generated by the provision of the reformate.
  • the invention is not based on the connection of the material flows between the system 19 for fuel reforming and the
  • Inadequate supply of the electrical systems can be determined by the control unit, for example if the on-board electrical system voltage is caused by an insufficient charge state of the electrical storage unit (not shown), e.g. the generally existing vehicle battery drops.
  • the fuel cell 14 in particular enables this electrical storage unit to be charged.
  • the corresponding operating materials 17, 18 are supplied to the fuel cell 14.
  • a direct supply of electrical components can also be provided by means of the fuel cell 14. Basically, the aforementioned measures with the aid of the fuel cell 14 ensure the function of an emergency system for maintaining the functionality of at least the safety-relevant systems.
  • the number of mechanical couplings between the individual units can be reduced with the combination of features according to the invention.
  • a "belt-free" motor is possible.
  • the installation space can be reduced in size and made more flexible, the wear of such mechanical drive couplings being eliminated.

Abstract

The invention relates to a drive mechanism, particularly for a vehicle, comprising an internal combustion engine (1) and an electric power generator (14). The aim of the invention is to produce said drive mechanism which produces a high amount of electric energy with a good degree of efficiency in a reliable manner. This is achieved by using a fuel cell (14) as an electric power generator.

Description

"Antriebsvorrichtung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens einem elektrischen Stromerzeuger""Drive device, in particular for a vehicle, with an internal combustion engine and at least one electric power generator"
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a drive device with an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Fahrzeugantriebe, bei denen eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie in Verbindung mit einem oder mehreren Elektromotoren Verwendung finden, sind insbesondere im Zusammenhang mit dem sogenannten Zero-Emission-Vehicle bekannt geworden. Derartige Fahrzeuge werden zum Teil mit einem Wasserstofftank versehen, um den für den Betrieb der Brennstoffzelle benötigten Brennstoff bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen wird zusätzlich eine Anlage zur Kraftstoffreformierung vorgesehen, in der herkömmlicher Kraftstoff, der üblicherweise in Form von Kohlenwasserstoffen vorliegt, chemisch aufgespalten wird, wobei der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoff erzeugt wird.Vehicle drives in which a fuel cell for generating electrical energy is used in conjunction with one or more electric motors have become known in particular in connection with the so-called zero-emission vehicle. Such vehicles are partially provided with a hydrogen tank in order to provide the fuel required for the operation of the fuel cell. In other embodiments, a system for fuel reforming is additionally provided, in which conventional fuel, which is usually in the form of hydrocarbons, is chemically split, the hydrogen required for the operation of the fuel cell being generated.
Die überwiegende Anzahl von Kraftfahrzeugen wird jedoch nach wie vor von Hubkolbenmotoren angetrieben, die zusätzlich mit einem Stromerzeuger in Form einer Lichtmaschine versehen sind, um elektrische Peripheriegeräte mit Energie zu versorgen.However, the majority of motor vehicles are still driven by reciprocating engines, which are also included a generator in the form of an alternator are provided to supply electrical peripheral devices with energy.
Moderne Kraftfahrzeuge werden jedoch in zunehmendem Maße mit einer Vielzahl von Verbrauchern ausgestattet, um Zusatzfunktionen zur Verbesserung der Motorsteuerung des Komforts und der Sicherheit anzubieten. Hieraus ergibt sich ein erhöhter elektrischer Energiebedarf.However, modern motor vehicles are increasingly being equipped with a large number of consumers in order to offer additional functions for improving the engine control of comfort and safety. This results in an increased electrical energy requirement.
Weiterhin ist es bei Fahrzeugen mit herkömmlichem Verbrennungsmotor von Nachteil, dass die Lichtmaschine nur bei laufendem Verbrennungsmotor in Betrieb ist. Energieverbraucher, wie Klimaanlagen, Gebläse, Pumpen, etc., die eine zu große Belastung für die Kraftfahrzeugbatterie darstellen, können demnach ebenfalls nur bei laufendem Verbrennungsmotor eingesetzt werden.Furthermore, it is disadvantageous in vehicles with a conventional internal combustion engine that the alternator is only in operation when the internal combustion engine is running. Energy consumers, such as air conditioning systems, blowers, pumps, etc., which place too great a load on the motor vehicle battery can therefore also only be used when the internal combustion engine is running.
Zudem setzen sich insbesondere im Kraftfahrzeugbereich vor allem zur Erfüllung sicherheitsrelevanter Funktionen, wie beispielsweise das Bremsen, Lenken oder Federn, aber auch in anderen Bereichen unter anderem zur Motorenoptimierung, wie z.B. zur Ventilsteuerung, usw., elektrisch betriebene Systeme durch. Diese Systeme werden häufig vollständig elektrisch betrieben und mittels einer Steuereinheit elektronisch geregelt. Bei der Versorgung dieser zusätzlichen elektrischen Verbraucher, deren zusätzlicher Leistungsbedarf ca. 5 bis 10 kW betragen kann, können herkömmliche elektrische Speichereinheiten unter anderem aufgrund ihres niedrigen spezifischen Energieinhalts nur bedingt eingesetzt werden.In addition, especially in the automotive sector, they are used primarily to perform safety-related functions, such as braking, steering or springs, but also in other areas, among other things, to optimize engines, such as for valve control, etc., electrically operated systems. These systems are often operated entirely electrically and electronically controlled by means of a control unit. When supplying these additional electrical consumers, the additional power requirement of which can be approximately 5 to 10 kW, conventional electrical storage units can be used only to a limited extent, inter alia because of their low specific energy content.
Darüber hinaus ist physikalisch der Wirkungsgrad in der Stromerzeugung durch die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einer Lichtmaschine deutlich eingeschränkt. Vorteile der ErfindungIn addition, physically, the efficiency in power generation is significantly restricted by the combination of an internal combustion engine with an alternator. Advantages of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber eine Antriebsvorrichtung mit Verbrennungsmotor vorzuschlagen, bei der auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors stets ein hoher Betrag an elektrischer Energie zur Verfügung steht und zugleich ein hoher Wirkungsgrad bei der Erzeugung der elektrischen Energie gewährleistet ist.The object of the invention, in contrast, is to propose a drive device with an internal combustion engine, in which a high amount of electrical energy is always available even when the internal combustion engine is at a standstill, and at the same time a high degree of efficiency in the generation of the electrical energy is ensured.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved on the basis of a device of the type mentioned in the introduction by the characterizing features of claim 1.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.Advantageous designs and developments of the invention are possible through the measures mentioned in the subclaims.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung dadurch aus, dass sowohl ein Verbrennungsmotor als auch eine Brennstoffzelle vorgesehen ist.Accordingly, a drive device according to the invention is characterized in that both an internal combustion engine and a fuel cell are provided.
Da die Brennstoffzelle unabhängig vom Verbrennungsmotor arbeitet, ist somit ebenso ein vom Verbrennungsmotor unabhängiger Betrieb aller elektrischer Zusatzkomponenten möglich. So kann in einem Kraftfahrzeug beispielsweise auch bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor eine Klimatisierungsanläge eingeschaltet bleiben.Since the fuel cell works independently of the internal combustion engine, all electrical additional components can also be operated independently of the internal combustion engine. In a motor vehicle, for example, an air conditioning system can remain switched on even when the internal combustion engine is switched off.
Darüber hinaus kann mittels der Brennstoffzelle insbesondere auch ein vom Motor unabhängiger Betrieb der sicherheitsrelevanten Komponenten bzw. Funktionen vor allem eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuges realisiert werden. Diese Motor unabhängige elektrische Versorgung, beispielsweise eines entsprechenden Bordnetzes, ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten, elektrisch gesteuerten Systemen vorteilhaft.In addition, the fuel cell can in particular also be used to operate the safety-relevant components or functions of a land, water or aircraft independently of the engine. This motor-independent electrical supply, for example a corresponding electrical system, is electrical, in particular in the case of safety-relevant ones controlled systems advantageous.
Vorzugsweise können hiermit die sicherheitsrelevanten Funktionen gewährleistet werden, selbst wenn aufgrund einer Fehlfunktion des Verbrennungsmotors und/oder einer entsprechenden, im Allgemeinen vorhandenen elektrischen Speichereinheit, wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie bzw. eines Fahrzeugakkumulators, diese gestört sind bzw. ausfallen. Eine entsprechende elektrische Notversorgung mittels der Brennstoffzelle ist ganz besonders von Vorteil, z.B. bei einem Aussetzen des Verbrennungsmotors, einer zu starken Entladung der elektrischen Speichereinheit möglicherweise aufgrund vergleichsweise langer Standzeiten, während der Startphase des Verbrennungsmotors, usw. Mit dieser Maßnahme sind für entsprechende Notfälle zusätzliche, relativ schwere elektrische Speichereinheiten entbehrlich, wodurch ein gegebenenfalls höherer Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs minimierbar ist.This can preferably ensure the safety-relevant functions, even if they are faulty or fail due to a malfunction of the internal combustion engine and / or a corresponding, generally existing electrical storage unit, such as, for example, a vehicle battery or a vehicle accumulator. A corresponding electrical emergency supply using the fuel cell is particularly advantageous, e.g. if the internal combustion engine is interrupted, the electrical storage unit is discharged too much, possibly due to a comparatively long idle time, during the start-up phase of the internal combustion engine, etc. With this measure, additional, relatively heavy electrical storage units are unnecessary for corresponding emergencies, which may result in a possibly higher fuel consumption of the vehicle being minimized is.
Aufgrund der selbstständigen Entladung der elektrischen Speichereinheit, auch ohne Belastung, kann möglicherweise der Energiebedarf der sicherheitsrelevanten Komponenten, z.B. von Lenkung, Bremsen und/oder Federung, ohne die Brennstoffzelle gemäß der Erfindung kurz nach dem Start nicht gedeckt werden. Hierbei üsste der notwendige Ladezustand der elektrischen Speichereinheit bei sich im Betrieb befindlichen Verbrennungsmotor erst erreicht werden, bevor sich das Fahrzeug in Bewegung setzt, was zu vergleichsweise langen Wartezeiten führen könnte. Mittels der Brennstoffzelle kann insbesondere die elektrische Speichereinheit unabhängig vom Verbrennungsmotor geladen werden, so dass die sicherheitsrelevanten Komponenten bereits beim Start einsatzfähig sind und hierdurch nachteilige Wartezeiten verringert bzw. beseitigt werden können.Due to the independent discharge of the electrical storage unit, even without load, the energy requirements of the safety-relevant components, e.g. of steering, braking and / or suspension without the fuel cell according to the invention are not covered shortly after starting. In this case, the necessary state of charge of the electrical storage unit should only be reached when the internal combustion engine is in operation before the vehicle starts to move, which could lead to comparatively long waiting times. By means of the fuel cell, in particular the electrical storage unit can be charged independently of the internal combustion engine, so that the safety-relevant components can be used right from the start and disadvantageous waiting times can thereby be reduced or eliminated.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei jedoch insbesondere im Falle der nachfolgend geschilderten Weiterbildungen auch ein Einsatz bei stationären vom Stromnetz unabhängigen Anlagen denkbar wäre .The drive device according to the invention is preferred in Motor vehicles are used, but in particular in the case of the further developments described below, use in stationary systems which are independent of the power grid would also be conceivable.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Anlage zur Kraftstoffreformierung für die Brennstoffzelle vorgesehen. Auf diese Weise kann der üblicherweise für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor bislang verwendete Kraftstoff auch für den Betrieb der Brennstoffzelle verwendet werden, wobei in einem Kraftstoffreformator der Brennstoff für die Brennstoffzelle erzeugt wird. Der Brennstoff für die Brennstoffzelle besteht bei den aus heutiger Sicht sinnvoll einsetzbaren Brennstoffzellen aus Wasserstoff.In a development of the invention, a system for fuel reforming is provided for the fuel cell. In this way, the fuel usually used up to now for vehicles with an internal combustion engine can also be used for the operation of the fuel cell, the fuel for the fuel cell being generated in a fuel reformer. The fuel for the fuel cell in the fuel cells that can usefully be used today consists of hydrogen.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Verbindung zwischen der Anlage zur Kraftstoffreformierung und dem Verbrennungsmotor vorgesehen. Auf diese Weise kann dem Verbrennungsmotor in bestimmten Betriebsphasen ein als Zwischen- oder Endprodukt der Anlage zur Kraftstoffreformierung vorliegendes Fluid zugeführt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um reinen Wasserstoff oder aber um ein Wasserstoffgemisch mit zusätzlichen Stoffkomponenten, beispielsweise einem CO-Gehalt handeln. Die Zugabe kann beispielsweise über die Kraf stoffzufuhr, die Ladeluft oder aber auch im Falle eines Vergasermotors in das Verbrennungsgemisch des Verbrennungsmotors erfolgen. Durch dosierte Zugaben von Wasserstoff, gegebenenfalls in Verbindung mit CO kann das Verhalten des Verbrennungsmotors bei bestimmten Betriebszuständen sinnvoll verbessert werden.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, a connection is provided between the fuel reforming system and the internal combustion engine. In this way, the fluid can be supplied to the internal combustion engine in certain operating phases as an intermediate or end product of the fuel reforming system. This can be, for example, pure hydrogen or a hydrogen mixture with additional substance components, for example a CO content. The addition can take place, for example, via the fuel supply, the charge air or, in the case of a carburetor engine, into the combustion mixture of the internal combustion engine. The behavior of the internal combustion engine under certain operating conditions can be sensibly improved by metered additions of hydrogen, possibly in conjunction with CO.
So kann beispielsweise das Kaltstartverhalten zugunsten einer geringeren Schadstoffemission beeinflusst werden. Sofern eine Abgasrückführung vorgesehen ist, so lassen sich durch Zugabe von Wasserstoff die Abgasrückführungsraten erhöhen, womit eine stärkere NOx-Absenkung verbunden ist. Durch das hervorragende Zündverhalten von Wasserstoff ist weiterhin auch eine Absenkung der Leerlaufdrehzahl des Motors möglich. Neben den drei beispielhaften angeführtenFor example, the cold start behavior can be influenced in favor of lower pollutant emissions. If exhaust gas recirculation is provided, the exhaust gas recirculation rates can be increased by adding hydrogen, with which a greater reduction in NO x is associated. Thanks to the excellent ignition behavior of hydrogen, it is also possible to lower the engine idling speed. In addition to the three examples listed
Nutzungsmöglichkeiten -der Wasserstoffzufuhr mit und ohne CO- Anreicherung aus der Anlage zur Reformierung des Kraftstoffs für die Brennstoffzelle an den Verbrennungsmotor sind ohne weiteres auch noch weitere Anwendungsmöglichkeiten offen. Allgemein formuliert steht mit der Möglichkeit der Wasserstoffzufuhr ein weiterer Parameter für die Steuerung des Verbrennungsmotors zur Verfügung.Possible uses - the supply of hydrogen with and without CO - enrichment from the system for reforming the fuel for the fuel cell to the internal combustion engine have other possible uses. In general terms, the option of supplying hydrogen provides another parameter for controlling the internal combustion engine.
Für die Zugabe der Zwischen- bzw. Endprodukte aus der Kraftstoffreformierung in den Verbrennungsmotor wird vorzugsweise eine Steuereinheit vorgesehen, die die Dosierung der Zugabe abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors steuert, so dass die Möglichkeiten zur Verbesserung des Verhaltens des Verbrennungsmotors voll ausgeschöpft werden können.For the addition of the intermediate or end products from the fuel reforming into the internal combustion engine, a control unit is preferably provided which controls the dosage of the addition depending on the operating state of the internal combustion engine, so that the possibilities for improving the behavior of the internal combustion engine can be fully exploited.
In einer weiteren äußerst vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens eine Verbindung von der Anlage zur Kraftstoffreformierung zu wenigstens einem Katalysator für die Abgasreinigung des Verbrennungsmotors vorgenommen. Auch hierdurch ist eine Vielzahl von Vorteilen zu erzielen. So kann beispielsweise beim Kaltstart eine schnellere Erwärmung des Katalysators durch Zugabe von Wasserstoff oder eines Wasserstoffgemisches erreicht werden. Darüber hinaus wäre beispielsweise die Regeneration einesIn a further extremely advantageous embodiment of the invention, at least one connection is made from the fuel reforming system to at least one catalytic converter for the exhaust gas purification of the internal combustion engine. This also has a number of advantages. For example, during a cold start, the catalyst can be warmed up more quickly by adding hydrogen or a hydrogen mixture. In addition, regeneration would be one
NOx-Speicherkatalysators durch Zugabe von Wasserstoff oder eines Wasserstoffgemisches denkbar.NO x storage catalyst conceivable by adding hydrogen or a hydrogen mixture.
Weiterhin wird vorteilhafterweise auch für die Zugabe der Zwischen- bzw. Endprodukte aus der Kraftstoffreformierung zu einem oder mehreren Katalysatoren zur Abgasbehandlung des Verbrennungsmotors eine Steuereinheit vorgesehen, die die Dosierung der Zugabe abhängig vom Betriebszustand des jeweiligen Katalysators steuert, so dass die Möglichkeiten zur Steuerung des Betriebs bzw. der Regeneration eines solchen Katalysators voll ausgeschöpft werden können.Furthermore, a control unit is also advantageously provided for the addition of the intermediate or end products from the fuel reforming to one or more catalysts for exhaust gas treatment of the internal combustion engine Dosage of the addition depends on the operating state of the respective catalyst controls, so that the possibilities for controlling the operation or the regeneration of such a catalyst can be fully exhausted.
Da auch in einer Brennstoffzelle der zur Verfügung stehende Brennstoff nicht ganz vollständig umgesetzt wird, wird in einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung zusätzlich eine Turbine und/oder ein Brenner, insbesondere ein katalytisch aktiver Brenner, zur Ausnutzung der Restmengen an Brennstoff, d.h. im oben angeführten Fall an Wasserstoff, vorgesehen. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Gesamtsystems weiter verbessert.Since the available fuel is not completely converted even in a fuel cell, in a further special embodiment of the invention a turbine and / or a burner, in particular a catalytically active burner, is additionally used to utilize the remaining amounts of fuel, i.e. in the case of hydrogen, provided above. In this way, the efficiency of the overall system is further improved.
Eine solche Turbine kann wiederum auf unterschiedliche Weisen genutzt werden. So ist beispielsweise die Nutzung der Turbine zur Ladeluftverdichtung des Verbrennungsmotors möglich, d.h. die Turbine kann unmittelbar als Turboladerantrieb eingesetzt werden. Weiterhin besteht eine Möglichkeit der energetischen Nutzung dieser Turbine darin, dass damit ein Stromgenerator betrieben wird, der die zur Verfügung stehende elektrische Leistung der Gesamtanlage und damit deren Wirkungsgrad erhöht .Such a turbine can in turn be used in different ways. For example, the turbine can be used for charge air compression of the internal combustion engine, i.e. the turbine can be used directly as a turbocharger drive. Furthermore, there is a possibility of using this turbine for energy purposes by operating a power generator which increases the electrical power available to the entire system and thus its efficiency.
Grundsätzlich können in vorteilhafter Weise bei einer erfindungsgemäßen Kombination eines Verbrennungsmotors mit einer Brennstoffzelle wie alle Zusatzkomponenten auch Verdichtungseinheiten elektromotorisch angetrieben werden. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass die Verdichtungseinheiten und die daraus resultierenden Drücke, beispielsweise der Ladeluft des Verbrennungsmotors, drehzahlunabhängig gesteuert werden können.Basically, in a combination according to the invention of an internal combustion engine with a fuel cell, compression units, like all additional components, can also be driven by an electric motor. This offers the particular advantage that the compression units and the resulting pressures, for example the charge air of the internal combustion engine, can be controlled independently of the speed.
Durch die Möglichkeit der elektrischen Ansteuerung sämtlicher Motorperipheriegeräte ergeben sich demnach weitere Steuerparameter für den Betrieb des Verbrennungsmotors . Dadurch ist beispielsweise eine Erhöhung der Motorleistung und/oder eine Verbesserung der Abgasemission gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren denkbar, insbesondere während einer Kaltstart-Phase des Verbrennungsmotors. Auch die Veränderung der Motorcharakteristik ist durch derartige Maßnahmen möglich. Dementsprechend können hierdurch vergleichsweise hohe umweltrelevante Anforderungen von entsprechenden Systemen bzw. Fahrzeugen erfüllt werdenThe possibility of electrical control of all motor peripheral devices accordingly results in further control parameters for the operation of the internal combustion engine. As a result, for example, an increase in engine performance and / or an improvement in exhaust gas emission compared to conventional internal combustion engines is conceivable, in particular during a cold start phase of the internal combustion engine. Such measures can also be used to change the engine characteristics. Accordingly, comparatively high environmentally relevant requirements can be met by corresponding systems or vehicles
In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung wird zudem wenigstens eine Verdichtungseinheit innerhalb der Anlage zur Kraftstoffreformierung eingesetzt. Hiermit kann die Brennstoffzelle kathoden- und/oder anodenseitig mit einem relativ hohen Druck beaufschlagt werden, um die Leistungsdichte der Brennstoffzelle zu erhöhen. Hierbei werden vorzugsweise die Edukte der Brennstoffzelle wie die Luft, das Wasser und/oder der Kraftstoff bzw. Zwischen- und/oder Produkte der Kraftstoffreformierung mittels einer oder mehrerer Verdichtungseinheiten auf ein vorteilhaft hohes Druckniveau verdichtet. Grundsätzlich können sowohl flüssige als auch verdampfte bzw. gasförmige Kraftstoffe und/oder Wasser bzw. Wasserdampf verwendet werden.In a further special embodiment of the invention, at least one compression unit is also used within the fuel reforming system. With this, a relatively high pressure can be applied to the fuel cell on the cathode and / or anode side in order to increase the power density of the fuel cell. In this case, the starting materials of the fuel cell, such as the air, the water and / or the fuel or intermediate and / or products of the fuel reforming, are preferably compressed to an advantageously high pressure level by means of one or more compression units. In principle, both liquid and vaporized or gaseous fuels and / or water or water vapor can be used.
Eine solche Verdichtung kann beispielsweise eingangs- und/oder ausgangsseitig der Anlage bzw. eingangsseitig der Brennstoffzelle vorgenommen werden. Die Verdichtung kann jedoch auch in einer vorherigen Verfahrensstufe bzw. Zwischenstufe der Reformierung vorgenommen werden, so dass bereits der jeweilige Stoffstrom, d.h. die Edukte bzw. Zwischenprodukte, der Anlage zur Kraftstoffreformierung mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt ist. Zum einen kann hierdurch die Kraftstoffreformierung beeinflusst werden, zum anderen steht bei einer etwaigen Verbindung zum Verbrennungsmotor das jeweils zuzuführende Zwischen- bzw. Endprodukt aus der Kraftstoffreformierung bereits mit erhöhtem Druck zur Verfügung, so dass die Zugabe in den Verbrennungsmotor vereinfacht bzw. optimiert wird.Such compression can be carried out, for example, on the input and / or output side of the system or on the input side of the fuel cell. The compression can, however, also be carried out in a previous process stage or intermediate stage of the reforming, so that the respective material flow, ie the educts or intermediate products, of the fuel reforming system is already subjected to a corresponding pressure. On the one hand, this can influence the fuel reforming; on the other hand, in the event of a connection to the internal combustion engine, the intermediate or end product to be supplied from the fuel reforming is already available at elevated pressure, so that the addition to the Internal combustion engine is simplified or optimized.
Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Speicher zur Speicherung eines Zwischenprodukts bzw. Endprodukts der Anlage und/oder eines Stoffes bzw. Stoffgemisches aus der Brennstoffzelle vorgesehen. Mit Hilfe eines entsprechenden Speichers ist vorzugsweise eine zeitlich versetzte Speicherung und Abgabe entsprechender Produkte, Stoffe bzw. Stoffgemische realisierbar. Hierdurch können mögliche Überschüsse, beispielsweise während einer Teillastphase der Brennstoffzelle oder dergleichen, und/oder Mängel, beispielsweise während einer Start- bzw. Störungsphase einer Komponente, dieser Produkte, Stoffe bzw. Stoffgemische in den entsprechenden Betriebsphasen ausgeglichen werden.Advantageously, at least one memory is provided for storing an intermediate or end product of the system and / or a substance or mixture of substances from the fuel cell. With the help of a corresponding memory, a temporally staggered storage and delivery of corresponding products, substances or substance mixtures can preferably be implemented. In this way, possible excesses, for example during a partial load phase of the fuel cell or the like, and / or defects, for example during a start or malfunction phase of a component, of these products, substances or substance mixtures can be compensated for in the corresponding operating phases.
In einer besonderen Variante der Erfindung ist der Speicher zur Speicherung eines in den Verbrennungsmotor bzw. die Brennstoffzelle zuzuführenden Stoffes bzw. Stoffgemisches ausgebildet. Diese bevorzugte Ausbildung des Speichers ermöglicht, dass beispielsweise in einer Kaltstart- bzw. Störungsphase des Verbrennungsmotors, der Anlage zur Kraftstoffreformierung und/oder der Brennstoffzelle vor allem wasserstoffhaltiges Gas, insbesondere wasserstoffreiches Reformat, zur Verfügung steht.In a special variant of the invention, the memory is designed to store a substance or mixture of substances to be fed into the internal combustion engine or the fuel cell. This preferred embodiment of the memory makes it possible, for example, for hydrogen-containing gas, in particular hydrogen-rich reformate, to be available, for example, in a cold start or fault phase of the internal combustion engine, the system for fuel reforming and / or the fuel cell.
Gegebenenfalls kann während einer Startphase vorzugsweise wasserstoffreiches Reformat aus dem Speicher dem Verbrennungsmotor und/oder der Brennstoffzelle zugeführt werden, bis die Anlage ihre bzw. der Verbrennungsmotor seine s vorgegebene Betriebstemperatur erreicht hat. Vor allem durch die Zugabe von zuvor gespeichertem wasserstoffreichem Gas kann das Kaltstartverhalten des Verbrennungsmotors derart verbessern, dass wesentlich weniger Schadstoffe in der Kaltstartphase emittiert werden. Dies führt zu einer deutlichen Reduktion umweltrelevanter Stoffe und somit zur Erfüllung relativ hoher Umweltstandards. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist mindestens ein zusätzlicher Stromerzeuger zur Versorgung wenigstens von sicherheitsrelevanten Betriebεeinheiten während einer Startphase und/oder einem besonderen Betriebsfall vorgesehen ist. Diese Maßnahme erhöht, wie bereits weiter vorne angedeutet, die Sicherheit entsprechenderOptionally, during a start-up phase, preferably hydrogen-rich reformate can be fed from the memory to the internal combustion engine and / or the fuel cell until the system has reached its operating temperature. Above all, by adding previously stored hydrogen-rich gas, the cold start behavior of the internal combustion engine can be improved in such a way that significantly fewer pollutants are emitted in the cold start phase. This leads to a significant reduction in environmentally relevant substances and thus to the fulfillment of relatively high environmental standards. In an advantageous variant of the invention, at least one additional power generator is provided for supplying at least safety-relevant operating units during a starting phase and / or a special operating case. As already indicated above, this measure increases the security accordingly
Antriebsvorrichtungen bzw. Fahrzeuge, da diese in zunehmendem Maße elektrisch betriebene und/oder elektronisch gesteuerte εicherheitsrelevante Betriebseinheiten wie Bremsen, Lenkung oder dergleichen umfassen. Dementsprechend gewährleistet der .zusätzliche Stromerzeuger einen sicheren Betrieb dieser Betriebseinheiten, selbst bei einer Störung bzw. einem Ausfall bereits vorhandener Komponenten wie Lichtmaschine, Batterie oder dergleichen.Drive devices or vehicles, since these increasingly include electrically operated and / or electronically controlled safety-relevant operating units such as brakes, steering or the like. Accordingly, the additional power generator ensures safe operation of these operating units, even in the event of a malfunction or failure of existing components such as an alternator, battery or the like.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle als der zusätzliche Stromerzeuger ausgebildet. Hierdurch wird bei hohem Sicherheitsniveau der konstruktive Aufwand wesentlich verringert. Gleichzeitig wird gegenüber der Verwendung von Akkumulatoren oder dergleichen als zusätzlicher Stromerzeuger Gewicht eingespart, was insbesondere bei Fahrzeugen zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs führt.The fuel cell is preferably designed as the additional power generator. As a result, the design effort is significantly reduced with a high level of security. At the same time, weight is saved compared to the use of batteries or the like as an additional power generator, which leads to an improvement in fuel consumption, particularly in vehicles.
Die Erfindung betrifft sowohl Verfahrensvarianten, bei denen das über den Tank dem Prozess zugeführte Wasser als zusätzlicher Brennstoff zugetankt werden muss (Wasserbilanz nicht geschlossen) , als auch Varianten, bei denen genügend Wasser hinter der Brennstoffzelle auskondensiert wird, um ein Zutanken von Wasser zu vermeiden (Wasserbilanz geschlossen)The invention relates both to process variants in which the water supplied to the process via the tank has to be refueled as additional fuel (water balance not closed), and to variants in which sufficient water is condensed out behind the fuel cell in order to avoid refueling ( Water balance closed)
Ausführungsbeispielembodiment
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert .An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail below with reference to the figures explained.
Im Einzelnen zeigenShow in detail
Fig. 1 ein Schemadiagramm einer Kombination von Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle mit Kraftstoffreformierung,1 is a schematic diagram of a combination of internal combustion engine and fuel cell with fuel reforming,
Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung undFIG. 2 shows a representation according to FIG. 1 of a further embodiment of the invention
Fig. 3 ein Schemadiagramm zur Veranschaulichung der Katalysator-Regeneration in einem erfindungsgemäßen Fahrzeug.3 shows a schematic diagram to illustrate the regeneration of the catalyst in a vehicle according to the invention.
Fig. 1 zeigt im unteren Bereich des Diagramms einen Hubkolbenmotor 1 mit angedeuteten Zylindern 2. Dem Hubkolbenmotor 1 wird aus einem Tank 3 Kraftstoff 4 zugeführt. Außenluft 5 wird dem Hubkolbenmotor 1 über einen Motorkompressor 6 zugeführt. Die Außenluft 5 kann alternativ über einen Abgasturbolader 7 vorverdichtet werden. Das Abgas 8 wird von einem Abgaskatalysator 9 nachbehandelt und anschließend in die Umgebung freigesetzt. Dieses Diagramm beschreibt demnach das einem herkömmlichen aufgeladenen Verbrennungsmotor entsprechende Funktionsprinzip. Ergänzend sei an dieser Stelle erwähnt, dass die erfindungsgemäße Kombination auch abweichend von diesem Ausführungsbeispiel bei nicht aufgeladenen Verbrennungsmotoren einsatzfähig ist.1 shows a reciprocating piston engine 1 with indicated cylinders 2 in the lower area of the diagram. The reciprocating piston engine 1 is supplied with fuel 4 from a tank 3. Outside air 5 is supplied to the reciprocating piston engine 1 via an engine compressor 6. The outside air 5 can alternatively be pre-compressed via an exhaust gas turbocharger 7. The exhaust gas 8 is aftertreated by an exhaust gas catalytic converter 9 and then released into the environment. This diagram therefore describes the functional principle corresponding to a conventional supercharged internal combustion engine. In addition, it should be mentioned at this point that the combination according to the invention can also be used, in deviation from this exemplary embodiment, in non-supercharged internal combustion engines.
Abweichend vom herkömmlichen Funktionsprinzip sind vorliegend vier Zugabestellen 10 bis 13 dargestellt, an denen ein Zwischen- oder Endprodukt der nachfolgend beschriebenen Kraftstoffreformierungsanläge zugesetzt werden kann. Die elektrische Energie für die Peripherie des Hubkolbenmotors 1 sowie für sonstige elektrische Komponenten, z.B. eines damit angetriebenen Fahrzeugs, wird vorliegend durch eine Brennstoffzelle 14 erzeugt. Die Brennstoffzelle 14 ist schematisch in den Kathodenbereich 15 sowie den Anodenbereich 16 aufgeteilt. Der Brennstoffzelle 14 wird Brennstoff in Form von relativ wasserstoffreichem Reformat 17 und von Sauerstoff bzw. Außenluft 18 zugeführt. Das als Brennstoff dienende wasserstoffhaltige Reformat 17 wird hierbei in einer Anlage 19 zur Kraftstoffreformierung erzeugt. Der Kraftstoff 20 wird in einem Tank 21 mitgeführt, der unter Umständen identisch mit dem Tank 3 für den Hubkolbenmotor 1 sein kann. Gegebenenfalls wird weiterhin Wasser 22 aus einem Wassertank 23 bereitgestellt. Wie bereits oben angedeutet, kann auch Wasser durch Kondensation aus dem Reaktionsprodukt der Brennstoffzelle gewonnen werden (nicht näher dargestellt) .Deviating from the conventional functional principle, four addition points 10 to 13 are shown here, at which an intermediate or end product of the fuel reforming system described below can be added. The electrical energy for the periphery of the reciprocating piston engine 1 and for other electrical components, for example a vehicle driven thereby, is generated in the present case by a fuel cell 14. The fuel cell 14 is schematically divided into the cathode area 15 and the anode area 16. The fuel cell 14 is supplied with fuel in the form of a relatively hydrogen-rich reformate 17 and oxygen or outside air 18. The hydrogen-containing reformate 17 serving as fuel is generated in a system 19 for fuel reforming. The fuel 20 is carried in a tank 21 which, under certain circumstances, can be identical to the tank 3 for the reciprocating piston engine 1. If necessary, water 22 is still provided from a water tank 23. As already indicated above, water can also be obtained by condensation from the reaction product of the fuel cell (not shown in more detail).
Die Außenluft für den Betrieb der Brennstoffzelle 14 wird über einen Kompressor 24 verdichtet und gefördert. Gegebenenfalls kann eine Vorwärmstufe 26 für einen oder mehrere der Brennstoffzelle 14 bzw. der Anlage zur Kraftstoffreformierung 19 zugeführten Ausgangsstoffe, d.h. den Kraftstoff 20, dem Wasser 22 und/oder der Luft 27, vorgesehen werden, die vorzugsweise die Anodenrestenergie nutzt. Vorteilhafterweise in Strömungsrichtung betrachtet nach der Vorwärmstufe 26 wird die Luft 27 über eine Abzweigung 28 mehreren Komponenten zugeführt.The outside air for the operation of the fuel cell 14 is compressed and conveyed via a compressor 24. If necessary, a preheating stage 26 for one or more starting materials supplied to the fuel cell 14 or the system for fuel reforming 19, i.e. the fuel 20, the water 22 and / or the air 27 are provided, which preferably uses the anode residual energy. Advantageously, viewed in the direction of flow after the preheating stage 26, the air 27 is supplied to a plurality of components via a branch 28.
Zwei Wärmetauscher 29, 30 dienen zunächst der weiteren, optionalen Anwärmung insbesondere aller Ausgangsstoffe für die Kraftstoffreformierung, d.h. des Kraftstoffs 20, des Wassers 22 sowie der Luft 27. Anschließend werden diese Ausgangsstoffe 20, 22, 27 einem sogenannten Reformer 31 zugeführt. Dort wird der Kraftstoff unter Einsatz eines Katalysatormaterials im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einer exothermen Reaktion in ein Wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltiges Synthesegas 25 überführt. Hierbei sind auch Verfahrensvarianten denkbar, bei denen auf die Zugabe von Wasser in den Reformer 31 verzichtet werden kann.Two heat exchangers 29, 30 are initially used for further, optional heating, in particular of all starting materials for fuel reforming, ie of fuel 20, water 22 and air 27. These starting materials 20, 22, 27 are then fed to a so-called reformer 31. There, the fuel is used in the present exemplary embodiment in FIG an exothermic reaction in a hydrogen and carbon monoxide-containing synthesis gas 25. Process variants are also conceivable in which the addition of water to the reformer 31 can be dispensed with.
Das Wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltige Synthesegas 25 wird nach Abkühlung in dem Wärmetauscher 30 in zwei sogenannten Shift-Stufen 32, 33 weiter behandelt, wobei ein Großteil des im Synthesegas 25 vorhandenen Kohlenmonoxids in einer sogenannten Shift-Reaktion, vorzugsweise mit Hilfe von zusätzlich zugeführtem Wasser 22, zu Kohlendioxid und weiteren Wasserstoff umgewandelt wird. Unterschiedliche Shift-Stufen 32, 33 können hierbei auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten. Während der Shift-Reaktion wird erneut Wärme frei, die im Wärmetauscher 29 ebenfalls zur Vorwärmung von Kraftstoff 20, Wasser 22 und Luft 27 genutzt wird, wie bereits oben angeführt wurde.After cooling in the heat exchanger 30, the hydrogen and carbon monoxide-containing synthesis gas 25 is further treated in two so-called shift stages 32, 33, with a large part of the carbon monoxide present in the synthesis gas 25 in a so-called shift reaction, preferably with the aid of additionally supplied water 22 , is converted to carbon dioxide and other hydrogen. Different shift stages 32, 33 can work at different temperature levels. During the shift reaction, heat is released again, which is also used in the heat exchanger 29 for preheating fuel 20, water 22 and air 27, as already mentioned above.
Die momentan zur Verfügung stehenden Brennstoffzellen^ insbesondere Polymer-Electrolyte-Membrane-Brennstoffzellen (PEMFC) , sind anodenseitig sehr empfindlich auf eine sogenannte Kohlenmonoxidvergiftung. Daher wird häufig eine weitere Kohlenmonoxid-Feinreinigungsstufe 34 eingesetzt. Diese Feinreinigungsstufe 34 ist bei künftigen Brennstoffzellen 14 bzw. bei einer Verwendung von Solid- Oxide-Fuel-Cells (SOFC) gegebenenfalls entbehrlich, da diese gegenüber Kohlen onoxid im Reformatgas weitgehend unempfindlich sind bzw. möglicherweise sein werden.The fuel cells currently available, in particular polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), are very sensitive to so-called carbon monoxide poisoning on the anode side. A further carbon monoxide fine cleaning stage 34 is therefore often used. This fine cleaning stage 34 may be unnecessary in future fuel cells 14 or when using solid oxide fuel cells (SOFC), since these are largely insensitive to carbon onoxide in the reformate gas or will possibly be.
SOFC-Brennstoffzellen weisen vorzugsweise Keramikmembranen mit vergleichsweise hoher Arbeitstemperatur auf, so dass im Allgemeinen eine nicht näher dargestellte Heizeinheit zur Erwärmung der Brennstoffzelle 14 auf die Arbeitstemperatur vorzusehen ist.SOFC fuel cells preferably have ceramic membranes with a comparatively high working temperature, so that in general a heating unit (not shown in more detail) is to be provided for heating the fuel cell 14 to the working temperature.
Das wasserstoffhaltige Ausgangsprodukt der Anlage 19, das heißt das Reformat 17, tritt in die Brennstoffzelle ein und wird dort größtenteils mit dem Sauerstoff bzw. der Luft 18, die ,dem Kathodenbereich 15 zugeführt wird, zu Wasser umgesetzt. Bei diesem Vorgang wird elektrische Energie freigesetzt, die erfindungsgemäß nutzbar ist.The hydrogen-containing starting product of the system 19, the is called the reformate 17, enters the fuel cell and is largely converted to water there with the oxygen or air 18 that is supplied to the cathode region 15. This process releases electrical energy which can be used according to the invention.
Eine gewisse Restmenge an Wasserstoff verlässt jedoch den Anodenbereich 16, ohne die oben angeführte Reaktion durchzuführen. Auch in dem Kathodenabgas nach dem Austritt aus dem Kathodenbereich 15 ist noch eine Restmenge an Sauerstoff enthalten. Der Restwasserstoff 35 und der Restsauerstoff 36 ergeben nach der Zusammenführung ein Knallgasgemisch 37, das in einem Brenner 38 und/oder einer Turbine 39 energetisch weiter genutzt werden kann. Die Abwärme des Brenners 38 oder des Turbinenabgases 40 kann in der Vorwärmstufe 26 zur Vorwärmung von Ausgangsstoffen 20, 22, 27 genutzt werden, wie dies durch einen gestrichelten Doppelpfeil angedeutet ist.However, some residual amount of hydrogen leaves the anode region 16 without performing the above reaction. A residual amount of oxygen is also contained in the cathode exhaust gas after exiting from the cathode region 15. After the combination, the residual hydrogen 35 and the residual oxygen 36 result in a detonating gas mixture 37, which can be used further energetically in a burner 38 and / or a turbine 39. The waste heat from the burner 38 or the turbine exhaust gas 40 can be used in the preheating stage 26 for preheating starting materials 20, 22, 27, as is indicated by a dashed double arrow.
Erfindungsgemäß sind während des Stoffflusses in der Anlage 19 zur Reformierung des Kraftstoffes beispielhaft drei Entnahmestellen 41, 42, 43 vorgesehen, an denen ein Zwischenprodukt, z.B. das Synthesegas 25, das aus nahezu reinem Wasserstoff bestehende Reformat 17, oder aber auch das Restwasserstoff 35 enthaltende Abgas aus dem Anodenbereich 16 über Verdichter 44, 45, 46 und gegebenenfalls über Zwischenspeicher 47, 48, 49 zur Zugabe zu dem Hubkolbenmotor 1 und/oder oder zu dem Abgaskatalysator 9 bereitgestellt wird. Die Zugabe dieser Stoffe kann beispielsweise an den Zugabestellen 10, 11, 12, 13 erfolgen.According to the invention, three removal points 41, 42, 43 are provided at the plant 19 for reforming the fuel during the material flow, at which an intermediate product, e.g. the synthesis gas 25, the reformate 17 consisting of almost pure hydrogen, or else the exhaust gas containing the residual hydrogen 35 from the anode region 16 via compressors 44, 45, 46 and optionally via intermediate stores 47, 48, 49 for addition to the reciprocating piston engine 1 and / or or is provided to the catalytic converter 9. These substances can be added, for example, at the addition points 10, 11, 12, 13.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffzelle unter Überdruck betrieben, der über den Kompressor 24 bereitgestellt wird. Wasser und Kraftstoff können hierbei in flüssiger, verdampfter oder gasförmiger Form mittels nicht näher dargestellter Pumpen auf das notwendige Druckniveau
Figure imgf000017_0001
In the present exemplary embodiment, the fuel cell is operated under excess pressure, which is provided via the compressor 24. Water and fuel can be brought to the necessary pressure level in liquid, vaporized or gaseous form by means of pumps (not shown)
Figure imgf000017_0001
Hierzu sind in der Darstellung gemäß Fig. 2 Umschaltventile 51, 52 angeordnet, die taktweise den Stofffluss entweder zur Entnahme (Entnahme- bzw. Speicher-Takt) mit sehr hohem Überdruck, z.B. ca. 100 bar, oder aber zur nachfolgenden Reinigungsstufe (Shift- bzw. Brennstoffzellen-Takt) mit geringem Überdruck, z.B. ca. 3 bar, führen.For this purpose, switch valves 51, 52 are arranged in the illustration according to FIG. approx. 100 bar, or for the subsequent cleaning stage (shift or fuel cell cycle) with a slight overpressure, e.g. approx. 3 bar.
Beispielsweise können hierfür die nicht näher dargestellten Pumpen bzw. Pumpe vor allem den Kraftstoff 20 und das Wasser 22 im Entnahme- bzw. Speicher-Takt mit dem sehr hohen Überdruck von ca. 100 bar und im Shift- bzw. Brennstoffzellen-Takt mit geringem Überdruck von ca. 3 bar beaufschlagen.For example, the pumps or pump (not shown in more detail) can primarily use the fuel 20 and the water 22 in the extraction or storage cycle with the very high overpressure of approximately 100 bar and in the shift or fuel cell cycle with low overpressure of about 3 bar.
Neben den in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Verschaltungsvarianten zur Wasserstofferzeugung sind auch andere Varianten denkbar, z.B. eine Kohlenmonoxid- Feinreinigung durch Methanisierung oder durch Metallmembranen.In addition to the connection variants for hydrogen generation shown in FIGS. 1 and 2, other variants are also conceivable, e.g. a carbon monoxide purification by methanation or by metal membranes.
Die Abfolge der einzelnen Komponenten der geschilderten Ausführungsbeispiele kann je nach Ausführungsvariante unterschiedlich sein. Verschiedene Komponenten können auch zu einer oder mehreren Baueinheiten integriert werden. Je nach verwendeter Membran bei der Brennstoffzelle können in dieser Figur nicht dargestellte Maßnahmen zur Befeuchtung des Kathoden- und/oder Anodenzulaufs erforderlich werden. Ebenso sind die entsprechenden Komponenten zur Wasserrückgewinnung aus dem Anoden- und/oder Kathodenrestgas nicht dargestellt.The sequence of the individual components of the described exemplary embodiments can vary depending on the variant. Different components can also be integrated into one or more units. Depending on the membrane used in the fuel cell, measures for moistening the cathode and / or anode feed, not shown in this figure, may be required. The corresponding components for water recovery from the anode and / or cathode residual gas are also not shown.
In dem geschilderten Ausführungsbeispiel wird die elektrische Energie durch die Brennstoffzelle und die Vortriebsenergie des Fahrzeugs durch den Hubkolbenmotor geliefert . Die erfindungsgemäße Merkmalskombination ist jedoch nicht auf aufgeladene Hubkolbenmotoren beschränkt, sondern ist mit allen bekannten Verbrennungsmotoren realisierbar. Die dargestellten Verdichter bzw. Kompressoren zur Luftverdichtung im Verfahrensschema für den Hubkolbenmotor 1 bzw. für den Betrieb der Brennstoffzelle 14 können ebenso kombiniert werden wie beispielsweise die Turbinen zur Entspannung der jeweiligen Medien. So können beispielsweise der Kompressor 24 und der Motorkompressor 6 ebenso zusammengefasst werden wie der Abgasturbolader 7 mit der Turbine 39.In the exemplary embodiment described, the electrical energy is supplied by the fuel cell and the propulsion energy of the vehicle by the reciprocating piston engine. However, the combination of features according to the invention is not limited to supercharged reciprocating piston engines, but can be implemented with all known internal combustion engines. The compressors or compressors shown for air compression in the process diagram for the reciprocating piston engine 1 or for the operation of the fuel cell 14 can also be combined, for example the turbines for expanding the respective media. For example, the compressor 24 and the engine compressor 6 can be combined as well as the exhaust gas turbocharger 7 with the turbine 39.
Die Nutzung der an den Turbinen gewonnenen Expansionsarbeit kann in nicht näher dargestellter Weise über einen Generator in Form der Rückgewinnung von elektrischer Energie durchgeführt werden. Denkbar ist auch eine mechanische Kopplung (Welle, Riemen, etc.), wie sie z.B. beim konventionellen Abgasturbolader realisiert ist. Hierbei sind wiederum beliebige Kombinationen zwischen allen Kompressoren, z.B. den Kompressoren 6, 24 denkbar, wobei diese Kompressoren bei Bedarf in anderen Ausführungsformen auch elektromotorisch angetrieben werden. Das Gleiche gilt für die Verdichter 44, 45, 46.The expansion work obtained on the turbines can be used in a manner not shown in more detail via a generator in the form of the recovery of electrical energy. A mechanical coupling (shaft, belt, etc.) is also conceivable, e.g. is realized in the conventional exhaust gas turbocharger. Any combination between all compressors, e.g. the compressors 6, 24 are conceivable, these compressors also being driven by an electric motor in other embodiments if required. The same applies to the compressors 44, 45, 46.
Die Verfügbarkeit von Reformat 17 mit einem hohen Wasserstoffgehalt bietet neben dem Vorteil der motorunabhängigen Verfügbarkeit von elektrischer Energie mit im Vergleich zu einem Ξtromgenerator bzw. einer Lichtmaschine deutlich besseren Wirkungsgraden auch interessante Möglichkeiten zur Verbesserung des Betriebs des Verbrennungsmotors. Dabei kann der Kraftstoff 4 für den Hubkolbenmotor 1 und der Kraftstoff 20 für die Anlage 19 zur Kraftstoffreformierung identisch oder unterschiedlich sein.The availability of Reformat 17 with a high hydrogen content offers, in addition to the advantage of the availability of electrical energy independent of the engine with significantly better efficiencies compared to an electric generator or an alternator, also interesting possibilities for improving the operation of the internal combustion engine. The fuel 4 for the reciprocating piston engine 1 and the fuel 20 for the system 19 for fuel reforming can be identical or different.
Die GasZusammensetzung an den drei beispielhaft angegebenen Entnahmestellen 41, 42, 43 unterscheidet sich qualitativ wie folgt: Entnahmestelle 41: mittlerer Wasserstoff- und hoherThe gas composition at the three tapping points 41, 42, 43 given by way of example differs qualitatively as follows: Tapping point 41: medium hydrogen and high
Kohlenmonoxid-GehaltCarbon monoxide content
Entnahmestelle 42: hoher Wasserstoff- und geringerWithdrawal point 42: high hydrogen and lower
Kohlenmonoxid-GehaltCarbon monoxide content
Entnahmestelle 43 : geringer Wasserstoff- und geringerWithdrawal point 43: less hydrogen and less
Kohlenmonoxid-Gehalt .Carbon monoxide content.
Je nach vorgesehenem Verwendungszweck kann für den Betrieb des Hubkolbenmotors 1 auch eine andere Anordnung und Anzahl von Entnahmestellen zweckmäßig sein.Depending on the intended use, a different arrangement and number of tapping points can also be expedient for the operation of the reciprocating piston engine 1.
Die über die Entnahmestelle 41, 42, 43 entnommenen Stoffe können für den Motorbetrieb nutzbringend wie folgt eingesetzt werden.The substances removed via the removal point 41, 42, 43 can be used for engine operation as follows.
Beim Kaltstart des Verbrennungsmotors sind möglichst kurze Anspringzeiten des Katalysators von Vorteil, da der Löwenanteil der emittierten Schadstoffe (HC, CO, N0X) in dieser KaltStartphase emittiert wird, während der Katalysator noch nicht die für die chemische Umsetzung der Schadstoffe notwendige Mindesttemperatur erreicht hat. Dieses Problem wird dadurch noch verschärft, dass um Zündaussetzer zu vermeiden, während der ersten Kaltstartzyklen die Hubkolbenmotoren 1 mit fetter Mischung gefahren werden, d.h. mit einem sehr hohen Anteil an Kraftstoff, was zwangsläufig zu hohen Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffrohe issionen führt. Dieses Kaltstartverhalten kann nun in vorteilhaften sWhen the internal combustion engine is cold started, the shortest possible light-off times of the catalytic converter are advantageous, since the lion's share of the pollutants emitted (HC, CO, N0 X ) is emitted in this cold start phase, while the catalytic converter has not yet reached the minimum temperature required for the chemical conversion of the pollutants. This problem is exacerbated by the fact that in order to avoid misfires during the first cold start cycles, the reciprocating engines 1 are run with a rich mixture, ie with a very high proportion of fuel, which inevitably leads to high carbon monoxide and hydrocarbon raw emissions. This cold start behavior can now be advantageous s
Ausführungsformen der Erfindung wie folgt verbessert werden.Embodiments of the invention can be improved as follows.
Während der kritischen Kaltstartphase wird der Katalysator zur Abgasnachbehandlung durch Zugabe von wasserstoffhaltigem Reformat an den Zugabestellen 12 oder 13 aufgeheizt. Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Verfahren auch bei mehreren Abgaskatalysatoren
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During the critical cold start phase, the catalytic converter for exhaust gas aftertreatment is heated by adding hydrogen-containing reformate at the addition points 12 or 13. In a departure from the exemplary embodiment shown, this method is also used for several exhaust gas catalysts
Figure imgf000021_0001
11 wasserstoffreiches Reformat zugeführt werden. Bedingt durch die extreme Reaktivität des Wasserstoffs kann dabei die Gemischanfettung für den Hubkolbenmotor 1 reduziert bzw. ganz vermieden werden. Selbst bei nicht vollständiger Umsetzung des Wasserstoffs im Verbrennungsmotor wird dabei nur unschädlicher Wasserstoff emittiert. Im Extremfall wäre ein reiner Wasserstoffbetrieb während der Kaltstartphase bei entsprechender Anlagenauslegung (Größe des Zwischenspeichers, Druck, Gaserzeugungskapazität, etc.) denkbar.11 hydrogen-rich reformate can be fed. Due to the extreme reactivity of the hydrogen, the mixture enrichment for the reciprocating piston engine 1 can be reduced or avoided entirely. Even if the hydrogen is not fully converted in the internal combustion engine, only harmless hydrogen is emitted. In extreme cases, pure hydrogen operation would be conceivable during the cold start phase with the appropriate system design (size of the buffer store, pressure, gas generation capacity, etc.).
Sofern eine Abgasrückführung vorgesehen ist, sind ebenfalls vorteilhafte weiterbildende Maßnahmen möglich. Bei der Abgasrückführung handelt es sich um ein etabliertes Verfahren zur Reduktion der Stickoxidrohemissionen. Bei sogenannten quantitätsgeregelten Motoren (Drosselklappe) kann durch die Abgasrückführung zudem eine Entdrosselung und infolgedessen eine Wirkungsgradverbesserung erreicht werden.If exhaust gas recirculation is provided, advantageous further training measures are also possible. Exhaust gas recirculation is an established process for reducing raw nitrogen oxide emissions. In so-called quantity-controlled engines (throttle valve), exhaust gas recirculation can also be used to dethrottle and, consequently, to improve efficiency.
Bei Brennverfahren mit innerer Gemischbildung ist die Höhe der Abgasrate durch die ansteigenden Partikelemissionen begrenzt, insbesondere ist bei Volllast überhaupt keine Abgasrückführung möglich. Bei Verfahren mit äußerer Gemischbildung ist die Abgasrückführungsrate dadurch begrenzt, dass mit steigender Abgasrückführungsrate die sichere Ladungsentflammung nicht mehr gewährleistet ist und die Gefahr von Zündaussetzern beim Betrieb des Hubkolbenmotors 1 wächst.In combustion processes with internal mixture formation, the level of the exhaust gas rate is limited by the increasing particulate emissions; in particular, exhaust gas recirculation is not possible at full load. In processes with an external mixture formation, the exhaust gas recirculation rate is limited by the fact that, with an increasing exhaust gas recirculation rate, the safe charge ignition is no longer guaranteed and the risk of misfires during operation of the reciprocating piston engine 1 increases.
Auch hier ist bei höheren Lasten des Hubkolbenmotors 1 keine Abgasrückführung möglich. Durch das zusätzliche Einbringen von wasserstoffhaltigem Reformat 17 in den Hubkolbenmotor, z.B. an den Zugabestellen 10 oder 11, lassen sich aufgrund der höheren Reaktivität des Wasserstoffs im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen höhere Abgasrückführungsraten und somit eine stärkere Stickoxidabsenkung realisieren.
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Here too, exhaust gas recirculation is not possible with higher loads on the reciprocating piston engine 1. The additional introduction of hydrogen-containing reformate 17 into the reciprocating piston engine, for example at the addition points 10 or 11, makes it possible to achieve higher exhaust gas recirculation rates and thus a greater reduction in nitrogen oxide due to the higher reactivity of the hydrogen in comparison with conventional fuels.
Figure imgf000023_0001
Katalysators eine fette reduzierende Atmosphäre generiert, damit das als Nitrat eingelagerte Stickoxid wieder freigesetzt und in reduzierender Atmosphäre unter Kohlendioxid- und/oder Wasserbildung zu unschädlichem Stickstoff reduziert wird.Catalyst generates a rich reducing atmosphere so that the nitrogen oxide stored as nitrate is released again and reduced to harmless nitrogen in a reducing atmosphere with the formation of carbon dioxide and / or water.
Die Generierung der Fettphase ist dabei sowohl inner otoriεch als auch nachmotorisch denkbar. Bei derThe generation of the fat phase is conceivable both internally and post-motor. In the
Benzindirekteinspritzung wird derzeit die innermotorische Variante favorisiert. Allerdings ist die fette Verbrennungsführung noch problembehaftet, da erhöhte Partikel- und Kohlenwasserstoff-Emissionen auftreten. Durch vormotorische Zugabe von hochreaktivem, wasserstoffhaltigem Reformat sind auch diese Emissionen absenkbar, wobei im Extremfall wiederum ein reiner Wasserstoffbetrieb denkbar ist.Direct petrol injection is currently the preferred engine variant. However, the rich combustion management is still problematic, since increased particle and hydrocarbon emissions occur. These emissions can also be reduced by adding pre-engineered, highly reactive, hydrogen-containing reformate; in extreme cases, pure hydrogen operation is also conceivable.
Beim Dieselmotor ist die innermotorische Generierung von Fettphasen im Vergleich zur Benzindirekteinspritzung wegen der noch höheren Partikel- und Kohlenwasserstoff-Emissionen noch problematischer. Die genannten Probleme können durch die vormotorische Zugabe von wasserstoffhaltigem Reformat hier ebenfalls zumindest entschärft wenn nicht vermieden werden.In diesel engines, the internal engine generation of fat phases is even more problematic than direct gasoline injection because of the even higher particle and hydrocarbon emissions. The problems mentioned can at least be mitigated if not avoided by the pre-motoric addition of hydrogen-containing reformate.
Wegen der genannten Probleme wird für den Dieselmotor auch die nachmotorische Generierung von Fettphasen diskutiert. Auch hier sollten sich durch die nachmotorische Zugabe von wasserstoffhaltigem Reformat Vorteile bei der Regeneration ergeben.Because of the problems mentioned, the post-engine generation of fat phases is also discussed for the diesel engine. Here too, the post-motoric addition of hydrogen-containing reformate should result in advantages in regeneration.
Die hohe Reaktivität des Wasserstoffs wäre bei der Regeneration im Vollstrom von Vorteil, da wegen der zu erwartenden verkürzten Reaktionszeiten der Kraftstoffmehrverbrauch, der indirekt durch den Kraftstoffverbrauch für die H2-Erzeugung durch die Reformierung erzeugt wird, verringert werden kann. Die erhöhte Reaktivität des wasserstoffhaltigen Reformats wäre somit auch bei Verwendung zur nachmotorischen Speicherkatalysatorregeneration in einem Tandemsystem gemäß Fig. 3 von Vorteil.The high reactivity of the hydrogen would be advantageous in the regeneration in full flow, since the expected shortened reaction times can reduce the additional fuel consumption which is generated indirectly by the fuel consumption for the H 2 production by the reforming. The Increased reactivity of the hydrogen-containing reformate would therefore also be advantageous when used for regeneration of the storage catalyst in a tandem system according to FIG. 3.
In Fig. 3 sind dem Hubkolbenmotor 1 zweiIn Fig. 3, the reciprocating engine 1 is two
Speicherkatalysatoren 53, 54 unter Zwischenschaltung eines Umschaltventils 55 angeordnet. Mit Hilfe des Umschaltventils 55 können die Speicherkatalysatoren 53, 54 wechselweise in den Strom des Abgases 8 bzw. einer der Entnahmestellen 41, 42, 43 für wasserstoffhaltiges Synthesegas 25 bzw. Reformat 17 zugeschaltet werden. Der im Abgasstrom befindliche Speicherkatalysator, d.h. in dem dargestellten Schaltzustand der Speicherkatalysator 54, dient hierbei zur Abgasreinigung und wird mit Stickoxiden beladen, während der einer Entnahmestelle 41, 42, 43 zugeschaltete Speicherkatalysator, d.h. im dargestellten Schaltzustand der Speicherkatalysator 53 regeneriert wird. Durch periodisches Umschalten mit Hilfe des Umschaltventils 55 ist somit eine kontinuierliche Entreicherung des Abgases 8 von Stickoxiden gewährleistet. Diese Anordnung ist ohne weiteres in Kombination mit weiteren Katalysatoreinheiten zur Abgasreinigung einsetzbar.Storage catalysts 53, 54 arranged with the interposition of a changeover valve 55. With the help of the changeover valve 55, the storage catalytic converters 53, 54 can be switched on alternately into the flow of the exhaust gas 8 or one of the extraction points 41, 42, 43 for hydrogen-containing synthesis gas 25 or reformate 17. The storage catalytic converter located in the exhaust gas stream, i.e. In the switching state shown, the storage catalytic converter 54 is used for exhaust gas purification and is loaded with nitrogen oxides, while the storage catalytic converter connected to an extraction point 41, 42, 43, i.e. in the switching state shown, the storage catalytic converter 53 is regenerated. Periodic switching with the aid of the switching valve 55 thus ensures that the exhaust gas 8 of nitrogen oxides is continuously de-riched. This arrangement can easily be used in combination with further catalytic converter units for exhaust gas purification.
Da mit dem Reformat 17 ein hochreaktives Reduktionsmittel zur Speicherregeneration zur Verfügung steht, ist eine schnelle Katalysatorregeneration auch bei kleinen Reformatdurchsätzen möglich. Dies führt zu einer Absenkung des indirekten Kraftstoffmehrverbrauchs, der durch die Bereitstellung des Reformats erzeugt wird.Since the reformate 17 provides a highly reactive reducing agent for storage regeneration, rapid catalyst regeneration is possible even with small reformate throughputs. This leads to a reduction in the indirect fuel consumption generated by the provision of the reformate.
Insgesamt sind beliebige Kombinationen der genannten vor- und nachmotorischen Maßnahmen denkbar.Any combination of the above-mentioned pre- and post-engine measures is conceivable.
Die Erfindung ist nicht auf die Verbindung der Stoffströme zwischen der Anlage 19 zur Kraftstoffreformierung und den
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The invention is not based on the connection of the material flows between the system 19 for fuel reforming and the
Figure imgf000026_0001
Steuereinheit eine unzureichende Versorgung der elektrischen Systeme festgestellt werden, beispielsweise wenn die BordnetzSpannung durch unzureichenden Ladezustand der nicht näher dargestellten elektrischen Speichereinheit, z.B. die im Allgemeinen vorhandene Fahrzeugbatterie, abfällt. In einem entsprechenden Fall ermöglicht insbesondere die Brennstoffzelle 14 ein Aufladen dieser elektrischen Speichereinheit. Hierfür werden die entsprechenden Betriebsstoffe 17, 18 der Brennstoffzelle 14 zugeführt.Inadequate supply of the electrical systems can be determined by the control unit, for example if the on-board electrical system voltage is caused by an insufficient charge state of the electrical storage unit (not shown), e.g. the generally existing vehicle battery drops. In a corresponding case, the fuel cell 14 in particular enables this electrical storage unit to be charged. For this purpose, the corresponding operating materials 17, 18 are supplied to the fuel cell 14.
Alternativ hierzu kann in entsprechenden besonderen Betriebsfällen mittels der Brennstoffzelle 14 auch eine direkte Versorgung elektrischer Komponenten vorgesehen werden. Grundsätzlich gewährleisten die zuvor genannten Maßnahmen mit Hilfe der Brennstoffzelle 14 die Funktion eines Notsystems zur Erhaltung der Funktionsfähigkeit mindestens der sicherheitsrelevanten Systeme.Alternatively, in corresponding special operating cases, a direct supply of electrical components can also be provided by means of the fuel cell 14. Basically, the aforementioned measures with the aid of the fuel cell 14 ensure the function of an emergency system for maintaining the functionality of at least the safety-relevant systems.
Weiterhin kann mit der erfindungsgemäßen Merkmalskombination die Anzahl der mechanischen Kopplungen zwischen den einzelnen Aggregaten reduziert werden. Es ist gewissermaßen ein "riemenfreier" Motor möglich. Der Einbauraum kann hierdurch verkleinert und flexibler ausgebildet werden wobei der Verschleiß derartiger mechanischer Antriebskopplungen entfällt.Furthermore, the number of mechanical couplings between the individual units can be reduced with the combination of features according to the invention. To a certain extent, a "belt-free" motor is possible. As a result, the installation space can be reduced in size and made more flexible, the wear of such mechanical drive couplings being eliminated.
Darüber hinaus ergeben sich die oben angeführten Möglichkeiten, in vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung innovative Verbrennungs- und Abgaskonzepte zur Verbesserung des Emissionsverhaltens durch die Verfügbarkeit von wasserstoffhaltigem Reformat zu verwirklichen. In addition, there are the above-mentioned possibilities to implement innovative combustion and exhaust gas concepts to improve the emission behavior through the availability of hydrogen-containing reformate in advantageous developments of the invention.

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Antriebsvorrichtung, insbesondere für Fahrzeuge, mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Stromerzeuger, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.1. Drive device, in particular for vehicles, with an internal combustion engine and an electrical power generator, characterized in that a fuel cell (14) is provided.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung für die Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.2. Device according to claim 1, characterized in that a system (19) for fuel reforming for the fuel cell (14) is provided.
3. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verbindung von der .Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung zu dem Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist.3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one connection from the system (19) for fuel reforming to the internal combustion engine (1) is provided.
4. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur dosierten Steuerung des Zuflusses eines Stoffes bzw. Stoffgemisches aus der Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung in den Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit for metered control of the inflow of a substance or substance mixture from the system (19) for fuel reforming into the internal combustion engine (1) is provided.
5. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verbindung von der Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung zu wenigstens einem Abgaskatalysator (9) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist .5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one connection from the system (19) for fuel reforming to at least one exhaust gas catalytic converter (9) of the internal combustion engine (1) is provided.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur dosierten Steuerung des Zuflusses eines Stoffes bzw. Stoffgemisches aus der Anlage (19) zur Kraftstoffreformierung in einen Abgaskatalyεator (9) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist . 6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit for metered control of the inflow of a substance or mixture of substances from the system (19) for fuel reforming in an exhaust gas catalytic converter (9) of the internal combustion engine (1) is provided.
7. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Turbine (39) zur Restmengenverwertung von nicht in der Brennstoffzelle (14) umgesetztem Brennstoff vorgesehen ist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a turbine (39) is provided for recycling residual quantities of fuel not converted in the fuel cell (14).
8. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenner (38) zur8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a burner (38) for
Restmengenverwertung von nicht in der Brennstoffzelle (14) umgesetztem Brennstoff vorgesehen ist.Residual quantity utilization of fuel not converted in the fuel cell (14) is provided.
9. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdichtung der Ladeluft bzw. des Verbrennungsgemisches des Verbrennungsmotors (1) mit der Turbine (39) vorgesehen ist.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a compression of the charge air or the combustion mixture of the internal combustion engine (1) with the turbine (39) is provided.
10. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittels der Turbine (39) angetriebener Stromgenerator vorgesehen ist.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a current generator driven by means of the turbine (39) is provided.
11. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromotorischer Verdichter (6) zur Verdichtung der Ladeluft bzw. des Verbrennungsgemisches des Verbrennungsmotors vorgesehen ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an electromotive compressor (6) is provided for compressing the charge air or the combustion mixture of the internal combustion engine.
12. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdichter (24) zur Verdichtung eines Stoffes bzw. Stoffgemisches für den Betrieb der Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one compressor (24) is provided for compressing a substance or mixture of substances for the operation of the fuel cell (14).
13. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdichter (44, 45, 46) zur Verdichtung eines Stoffes bzw. Stoffgemisches zur Zugabe in den Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist.13. Device according to one of the above claims, characterized in that at least one compressor (44, 45, 46) is provided for compressing a substance or mixture of substances for addition into the internal combustion engine (1).
14. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Speicher (47, 48, 49) zur Speicherung eines Zwischenprodukts (25) bzw. Endprodukts (17) der Anlage (19) und/oder eines Stoffes bzw.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one memory (47, 48, 49) for Storage of an intermediate product (25) or end product (17) of the system (19) and / or a substance or
Stoffgemisches (35) aus der Brennstoffzelle (14) vorgesehen ist.Mixture of substances (35) from the fuel cell (14) is provided.
15. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (47, 48, 49) zur Speicherung eines in den Verbrennungsmotor (1) bzw. die Brennstoffzelle (14) zuzuführenden Stoffes bzw. Stoffgemisches (17, 25, 35) ausgebildet ist.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the memory (47, 48, 49) for storing a substance or substance mixture (17, 25, 35) to be fed into the internal combustion engine (1) or the fuel cell (14). is trained.
16. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher Stromerzeuger zur Versorgung wenigstens von sicherheitsrelevanten Betriebseinheiten während einer Startphase und/oder einem besonderen Betriebsfall vorgesehen ist.16. Device according to one of the above claims, characterized in that at least one additional power generator is provided for supplying at least safety-relevant operating units during a starting phase and / or a special operating case.
17. Vorrichtung nach einem der genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (14) als der zusätzliche Stromerzeuger (14) ausgebildet ist. 17. Device according to one of the above claims, characterized in that the fuel cell (14) is designed as the additional power generator (14).
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