WO2008116781A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung elektrischer energie - Google Patents

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WO2008116781A1
WO2008116781A1 PCT/EP2008/053184 EP2008053184W WO2008116781A1 WO 2008116781 A1 WO2008116781 A1 WO 2008116781A1 EP 2008053184 W EP2008053184 W EP 2008053184W WO 2008116781 A1 WO2008116781 A1 WO 2008116781A1
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air
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Thomas Wahl
Michael Dornhausen
Florian Wahl
Sebastian Maass
Lothar Diehl
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device for generating electrical energy, a method for controlling the same and their use according to the preamble of the independent claims.
  • the object of the present invention is to provide a device for generating electrical energy, which in a simple manner, the use of the residual energy of a combustion exhaust gas allows. This object is achieved by a device with the characterizing features of claim 1 in an advantageous manner.
  • the device comprises an electrochemical cell which is in contact with a combustion exhaust gas and is capable of providing electrical energy due to a concentration gradient between gaseous constituents of a combustion exhaust gas and an air-containing gas mixture.
  • concentration deviations anyway present in a combustion exhaust gas can be used in an elegant manner to generate energy in comparison to air or air-containing gas mixtures.
  • electrochemical conversion of certain undesirable exhaust components of the combustion exhaust gas and thus to achieve a purification of the combustion exhaust gas while using the energy contained in unburned exhaust gas constituents.
  • the device for generating electrical energy has an electrochemical cell in contact with a combustion exhaust gas of an internal combustion engine leading exhaust system, wherein the electrochemical cell is arranged downstream of the internal combustion engine or a catalyst for exhaust aftertreatment in the flow direction of the combustion exhaust gas, or in the housing of an exhaust gas catalyst is integrated. Since operationally high temperatures of the combustion exhaust gases are present in these areas of the exhaust system, an optimum operating temperature of the electrochemical cell of the device is ensured there. This can be supported by a heat-insulating enclosure of the device.
  • an optimal mode of operation can advantageously be ensured if the electrochemical cell is preceded by a supply for a fuel in the exhaust system.
  • the chemical potential of the electrode exposed to the combustion exhaust gas increases and the electric power provided by the electrochemical cell can be adjusted independently of the operating state of a corresponding internal combustion engine or a heater or turbine.
  • the feed for a fuel comprises a reformer for the partial oxidation of the fuel, since in this way electrochemically easily converted gases such as hydrogen can be produced.
  • the device comprises a supply for an air-containing gas mixture comprising, for example, a heat exchanger, the supply and discharge lines for the To be supplied air-containing gas mixture, for the combustion exhaust gas and / or for a cooling water has.
  • the supply for the air-containing gas mixture may have a pressure generating means, so that the air-containing gas mixture of the electrochemical cell with an increased pressure can be supplied. In this way, the electrochemical cell of the device, a preheated and pressurized air-containing gas mixture can be supplied. This prevents heat loss at the electrochemical cell and at the same time increases its efficiency.
  • the supply of the air-containing gas mixture and the combustion exhaust gases to the electrochemical cell takes place substantially in the cross-flow principle. In this way, a uniform load of the electrochemical cell is achieved with a simple technical design of the device.
  • the control of the device is advantageously carried out such that in a first operating mode at low exhaust gas temperature and / or high power consumption, the electrochemical cell of the device is operated as a fuel cell and in a second operating mode in the presence of a high exhaust gas temperature as an electrochemical concentration cell.
  • a plurality of electrochemical cells are subdivided into at least two groups connected in parallel to series-connected electrochemical cells and in the second operating mode all electrochemical cells are connected to form a group of electrochemical cells connected in series.
  • Figure 1 is a schematic representation of an exhaust system into which a
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of an exhaust gas system in which a device for generating electrical energy is integrated
  • FIG. 3 the schematic representation of a device for generating electrical energy according to a first exemplary embodiment
  • 4 shows the schematic representation of a section of the device shown in FIG. 3 with circuitry in an exploded view
  • FIG. 3 the schematic representation of a device for generating electrical energy according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows the schematic representation of a device for generating electrical energy according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a sectional view of the device shown in FIG. 5 along the section line A - A shown in FIG. 5,
  • Figure 7 is a schematic representation of a circuit of the device for
  • Figure 8 is a schematic representation of a circuit of the device for
  • FIG. 1 shows a basic structure of a first embodiment of an exhaust system, in which an inventive device for generating electrical energy 22 is integrated.
  • the exhaust system according to FIG. 1 comprises an internal combustion engine 10 which has an intake side 11 and an exhaust gas side 12. Downstream in the flow direction of the combustion exhaust gas is in a exhaust line 16, a first catalyst for exhaust aftertreatment 18, in particular a 3 -way catalytic converter, and a muffler 14 is provided. Furthermore, a device for generating electrical energy 22 is provided downstream of the first catalyst for exhaust gas aftertreatment 18 in the flow direction of the exhaust gas, which device is designed, for example, as a fuel cell or electrochemical concentration cell, in particular as a high-temperature fuel cell.
  • FIG. 3 schematically shows the structure of a device for generating electrical energy 22 according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • the device for generating electrical energy 22 is designed in particular as a fuel cell or electrochemical concentration or Nernst cell.
  • the generation of electrical energy is based on switching as an electrochemical concentration or Nernst cell on the electrochemical use of the difference of the oxygen partial pressure between the exhaust gas guided in the exhaust system on the one hand and of air or an air-containing atmosphere on the other.
  • As a further source of electrical energy comes in circuit as a fuel cell, the electrochemical oxidation of unburned fuel components in the exhaust gas into consideration.
  • the device for generating electrical energy 22 is preferably designed as a combination of electrochemical concentration cells, as used in comparable form in high-temperature fuel cells.
  • Each electrochemical cell comprises a cathode 32 in contact with air or the air-containing gas mixture and an anode 33 exposed to the exhaust gas.
  • the cathode 32 and the anode 33 are connected to each other in an ion-conducting manner via a solid electrolyte 31.
  • the solid electrolyte used are materials which act as oxygen ion conductors at elevated temperature, such as ZrO 2 stabilized with CaO, MgO, SC 2 O 3 or Y 2 O 3 or a platinum- or palladium-activated cerium-zirconium perovskite such as Pt / CeO , 67Zr 0 , 33 ⁇ 2 or Pd / Ceo, 67Zr 0 , 330 2 .
  • the advantage of the last-mentioned perovskites, in particular, is that they already allow a noticeable conductivity for oxygen ions at temperatures as already achieved in partial-load operation of the internal combustion engine 10 in an exhaust gas flow.
  • the electric power generation device 22 allows a waiver to a separate provided in the exhaust gas oxidation catalyst, since oxidizable exhaust gas components can be effectively eliminated.
  • Suitable electrode materials of the cathode 32 and the anode 33 are metal oxides, for example with spinel structure, with perovskite structure or with pseudobrookite structure.
  • metal oxides with spinel structure AB x B (2 _ x) ' ⁇ 4 with 0 ⁇ x ⁇ 2 so-called 2,3-spinels are suitable in which B a transition metal cation in the oxidation state +11 and B' a transition metal cation in the oxidation state + III, or so-called 4,2-spinels, in which B 'corresponds to a transition metal cation in the oxidation state + IV and B' a transition metal cation in the oxidation state +11.
  • A stands for cobalt, nickel or copper
  • B for chromium, iron or manganese
  • B ' for manganese or chromium
  • A is titanium and B or B 'is cobalt or nickel.
  • metal oxides with Pseudobrookit Quilt AB x B (2-x) corresponds to a transition metal cation in the oxidation state + III ' ⁇ 5 with 0 ⁇ x ⁇ 2, metal oxides in which B a transition metal cation in the oxidation state + IV and B are'.
  • A stands for titanium and B or B 'for chromium, iron, cobalt or manganese.
  • metal oxides with a perovskite structure A (i_ x) A 'x B y B (2 - y)' O (3_ ⁇ ) where 0 ⁇ x ⁇ 2, are metal oxides, for example, where A is scandium, yttrium or lanthanum, A ' for an alkaline earth metal cation, B for cobalt, manganese or nickel and B 'for copper or manganese.
  • the variable ⁇ stands for a correction factor of the oxygen content of the metal oxide in order to ensure the charge neutrality of the compound.
  • Electrode materials are metals of the platinum group metals such as platinum, palladium, rhodium or ruthenium or mixtures thereof, as well as their alloys with silver, gold, cobalt and nickel.
  • the cathode 32 in contact with air is preferably designed as a metal oxide electrode due to the permanently acting oxidizing gas atmosphere, whereas the anode 33 positioned on the exhaust side is preferably designed as a metallic electrode.
  • a voltage can be measured at the electrochemical cell formed from the electrodes 32, 33, ie without removal of electrical energy, if the fuel cell or concentration cell is positioned according to the invention in the exhaust line 16 of a gasoline engine.
  • This cell voltage is temperature dependent. By series connection of individual cells, the producible electrical voltage can be increased. Thus, to achieve an applicable voltage of 13.3 V in automobiles by a series circuit of, for example 23 cells at an operating temperature of 600 0 C. If 31 Y 2 ⁇ 3-stabilized ZrÜ 2 is used as the solid electrolyte and platinum is used as the electrode material, a current of a few amperes is generated per 100 cm 2 of electrode area of anode or cathode at an operating temperature of 600 ° C. If, instead of individual electrochemical cells, as shown in FIG. 3, a stack of concentration cells connected in series with a base area or electrode area of approximately 500 cm 2 is used, an electric current of approximately 10 A can be realized at an operating temperature of 600 ° C. , With an assumed total voltage of 13.3 V, therefore, an electrical power of> 100 W is to be expected.
  • the device for generating electrical energy 22 may also be positioned directly downstream of the exhaust valve of the internal combustion engine 10.
  • phases with a slight excess of oxygen with respect to a lambda value of 1 and phases with a slight lack of oxygen are so compensated that a constant oxygen signal is detected in a region of the exhaust gas line 16 downstream of the first catalyst for the exhaust gas aftertreatment 18.
  • the device for generating electrical energy 22 may be preceded by a supply for a fuel or fuel 24 in the flow direction of the exhaust gas.
  • a supply for a fuel or fuel 24 in the flow direction of the exhaust gas.
  • This allows the operation of the device for generating electrical energy 22 as a fuel cell with a correspondingly higher potential difference between the cathode and anode.
  • a partial oxidation of the metered fuel can be made, which leads to the main products 61 CO and H 2 .
  • the operation with additional fuel corresponds to the operation as a fuel cell or a mixed operation between a pure concentration cell and a fuel cell. If it is a combustion exhaust gas, which contains by itself unburned fuel components, it can also be dispensed with a fuel metering.
  • the device for generating electrical energy 22 is preferably integrated into the exhaust line 16 in such a way that the thermal energy heats the electrochemical concentration cells of the device for generating electrical energy 22 as efficiently as possible.
  • the device for generating electrical energy 22 preferably comprises a heat-insulating sheath 34.
  • the air supplied to the device for generating electrical energy 22 or the air-containing gas mixture supplied to it is preferably preheated by means of an upstream heat exchanger 35.
  • the heat exchanger 35 is designed, for example, as a double-walled section of the exhaust line 16 and is preferably positioned downstream of the device for generating electrical energy 22 in the flow direction of the exhaust gas.
  • the combustion exhaust gas flows in the interior 52 of the heat exchanger 35, whereas in a jacket 51 surrounding the interior 52 of the heat exchanger air or an air-containing gas mixture is preferably conducted according to the countercurrent principle.
  • an inlet opening for the air supplied to the electrical energy generating device 22 may preferably be positioned behind an unillustrated vehicle radiator of a vehicle comprising the electric power generating device 22 to further preheat the supplied air.
  • the air supplied to the device for generating electrical energy 22 or the air-containing gas mixture has an increased pressure.
  • a corresponding device for generating an increased air pressure for example, upstream of the heat exchanger 35 based on the flow direction of the air flow and can be designed in a simple case as a device for generating a back pressure in the air flow, in which, as shown for example in Fig. 3, the Air flow is forced to reverse direction with a small radius of curvature.
  • the large areas of the individual electrochemical concentration cells preferably have the same basic shape and are designed, for example, rectangular.
  • the individual electrochemical concentration cells are electrically connected to one another via a shading 48 in that a first cathode 32a of a first concentration cell is connected to a second anode 33b of a second concentration cell, and a second cathode 32b of the second concentration cell is connected to a third anode 33c of a third concentration cell etc ..
  • An installation space minimization can be achieved if the anodes 33a, 33b of two electrochemical concentration cells each spaced from one another by a space leading the exhaust gas 60 and cathodes 32b, 32c of two electrochemical concentration cells each spaced from each other by an air 62 leading space.
  • the respective solid electrolytes 31a, 31b, 31c are connected to one another via gas-tight, electrically insulating connecting elements 46.
  • the arrangement of the individual concentration cells within the device for generating electrical energy 22 takes place in particular in a manner in which the air supply and -auslassöffhungen 38, 40 of the individual concentration cells are provided on a different side or place as appropriate Abgaszu Operations- and -auslassöffhungen 42, 44.
  • the combustion exhaust gas 60 and the air 62 are guided at an angle of approximately 90 ° to each other.
  • the combustion exhaust gas 60 flows around spaces 62 filled with air, which are delimited by electrochemical concentration cells 64 formed of anodes and cathodes, not shown here, applied to solid electrolytes.
  • Examples for interconnecting the electrochemical cells of the device for generating electrical energy 22 as a function of their operating method as a fuel cell or concentration cell are shown in FIGS. 5 and 6.
  • the device for generating electrical energy 22 in particular at high exhaust gas temperatures of, for example, more than 700 0 C operated as an electrochemical concentration cell, since it has a low internal resistance at these temperatures and thus is able to high electrical power alone by the difference to provide the oxygen partial pressure of air and exhaust gas.
  • the anodic side of the concentration cells is supplied with exhaust gas by means of a switching device 56.
  • the device for generating electrical energy 22 is preferably operated when exceeding a certain exhaust gas temperature as a concentration cell.
  • all the electrochemical cells (32a-32f; 33a-33f) of the stack are connected completely in series, preferably by closing a switch 55.
  • the control of the switch 55 and the switching device 56 is preferably carried out by means of a controller 57, wherein the switching or connecting the fuel gas supply from a fuel or fuel 61 to the exhaust gas 60 preferably takes place simultaneously with the change in the electrical interconnection of the electrochemical cells of the stack.
  • a controller 57 wherein the switching or connecting the fuel gas supply from a fuel or fuel 61 to the exhaust gas 60 preferably takes place simultaneously with the change in the electrical interconnection of the electrochemical cells of the stack.
  • the switching itself is preferably controlled with respect to the exhaust gas temperature and / or the height of the exhaust gas volume flow and in dependence on the lambda value of the exhaust gas.
  • an operation of the device for generating electrical energy 22 at high temperatures as a fuel cell is possible.
  • the electrical energy generated by the device for generating electrical energy 22 can be used for the sole or additional provision of electrical energy for a motor vehicle with or without an internal combustion engine. It can be ensured by means of a control unit that the vehicle battery or the electrical system are supplied with current of constant voltage at a suitable height. Furthermore, the control of the internal combustion engine can be carried out temporarily or as needed such that the device for generating electrical energy 22 is kept in an optimal operating state by supplying a combustion exhaust gas with a suitable composition, for example. A rich exhaust gas with a lambda value less than 1.
  • the integration of a device for generating electrical energy 22 in the exhaust system of a stationary combustion system for heating or power plant purposes is possible.
  • the positioning of a device for generating electrical energy 22 in the exhaust line of a mobile or stationary combustion system in addition to cleaning corresponding combustion exhaust gases contributes, since at the electrodes of the electrochemical concentration cells oxidizable exhaust gas constituents such as hydrocarbons, hydrogen and carbon monoxide are oxidized.

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Abstract

Es wird eineVorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie(22) beschrieben mit mindestens einer elektrochemischen Zelle, umfassend eine erste und eine zweite Elektrode, sowie einen Festelektrolyten, auf dem die erste und die zweite Elektrode aufgebracht ist. Die erste Elektrode (32) steht in Kontakt mit einem lufthaltigen Gasgemisch (62) und die zweite Elektrode (33) in Kontakt mit einem Verbrennungsabgas (60). Beide Elektroden (32, 33) sind über einen elektrischen Energiespeicher (50) oder einen Erzeuger mechanischer, chemischer oder thermischer Energie elektrisch miteinander verbunden.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, ein Verfahren zur Steuerung derselben und deren Verwendung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Heute werden insbesondere in mobilen Anwendungen aber auch in stationären Systemen wie Heizanlagen oder bei Kraftwerksanwendungen Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Für den Antrieb des Generators muss bspw. ein Verbrennungsmotor zusätzliche mechanische Energie aufbringen. Dabei resultiert über das Gesamtsystem hinweg ausgehend vom Kraftstoff über den Betrieb des Verbrennungsmotors bis hin zum Generator ein relativ geringer Wirkungsgrad, der bei Umwandlung von Kraftstoff in elektrische Energie je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors in einer Größenordnung von 10 bis 40% anzusiedeln ist. Im Fall eines Fahrzeugantriebs kann es dabei insbesondere im Teillastbereich des Verbrennungsmotors durch zusätzlichen Generatorbetrieb zu einem deutlichen Mehrverbrauch kommen, der in der Größenordnung von 10 bis 20 % des Verbrauchs ohne Generatorbetrieb liegt.
Durch die begrenzten Ressourcen klassischer Motorenkraftstoffe zielen viele Bestrebungen auf eine Reduzierung des Verbrauchs von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen ab, sodass sich der Betrieb eines zusätzlichen Generators als unwirtschaftlich darstellt.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie bereitzustellen, die auf einfache Weise die Nutzung der Restenergie eines Verbrennungsabgases ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in vorteilhafter Weise gelöst.
Dies beruht insbesondere darauf, dass die Vorrichtung eine elektrochemische Zelle umfasst, die in Kontakt mit einem Verbrennungsabgas steht und in der Lage ist, aufgrund eines Konzentrationsgradienten zwischen gasförmigen Bestandteilen eines Verbrennungsabgases und eines lufthaltigen Gasgemischs elektrische Energie bereitzustellen. Der besondere Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, dass die in einem Verbrennungsabgas technisch bedingt sowieso vorliegenden Konzentrationsabweichungen im Vergleich zu Luft oder lufthaltigen Gasgemischen auf elegante Weise zur Energiegewinnung genutzt werden können. Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit, bestimmte unerwünschte Abgasbestandteile des Verbrennungsabgases selektiv elektrochemisch umzusetzen und so eine Reinigung des Verbrennungsabgases zu erreichen bei gleichzeitiger Nutzung der in unverbrannten Abgasbestandteilen enthaltenen Energie.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie eine elektrochemische Zelle in Kontakt mit einem ein Verbrennungsabgas eines Verbrennungsmotors führenden Abgassystem aufweist, wobei die elektrochemische Zelle in Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases dem Verbrennungsmotor oder einem Katalysator zur Abgasnachbehandlung unmittelbar nachgeordnet wird, oder die in das Gehäuse eines Abgaskatalysators integriert ist. Da in diesen Bereichen des Abgassystems betriebsbedingt hohe Temperaturen der Verbrennungsabgase vorliegen, ist dort eine optimale Betriebstemperatur der elektrochemischen Zelle der Vorrichtung gewährleistet. Unterstützt werden kann dies durch eine wärmeisolierende Umhüllung der Vorrichtung.
Weiterhin kann eine optimale Betriebsweise vorteilhafterweise dann gewährleistet werden, wenn der elektrochemischen Zelle eine Zufuhr für einen Brennstoff im Abgassystem vorangeschaltet ist. Auf diese Weise erhöht sich das chemische Potential der dem Verbrennungsabgas ausgesetzten Elektrode und die von der elektrochemischen Zelle bereitgestellte elektrische Leistung kann unabhängig vom Betriebszustand eines entsprechenden Verbrennungsmotors bzw. einer Heizeinrichtung oder Turbine eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zufuhr für einen Brennstoff einen Reformer zur partiellen Oxidation des Kraftstoffes umfasst, da auf diese Weise elektrochemisch leicht umzusetzende Gase wie Wasserstoff erzeugt werden können.
Darüber hinaus ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung eine Zufuhr für ein lufthaltiges Gasgemisch umfasst, die beispielsweise einen Wärmetauscher umfasst, der Zu- und Ableitungen für das zuzuführende lufthaltige Gasgemisch, für das Verbrennungsabgas und/oder für ein Kühlwasser aufweist. Zusätzlich kann die Zufuhr für das lufthaltige Gasgemisch ein Druckerzeugungsmittel aufweisen, sodass das lufthaltige Gasgemisch der elektrochemischen Zelle mit einem erhöhten Druck zuführbar ist. Auf diese Weise kann der elektrochemischen Zelle der Vorrichtung ein vorgewärmtes und unter Druck stehendes lufthaltiges Gasgemisch zugeführt werden. Dies verhindert Wärmeverluste an der elektrochemischen Zelle und erhöht gleichzeitig deren Wirkungsgrad.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Zufuhr des lufthaltigen Gasgemischs und der Verbrennungsabgase zu der elektrochemischen Zelle im wesentlichen im Kreuzstromprinzip. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Belastung der elektrochemischen Zelle bei gleichzeitig einfacher technischer Ausführung der Vorrichtung zu erreichen.
Die Steuerung der Vorrichtung erfolgt vorteilhafter Weise derart, dass in einem ersten Betriebsmodus bei niedriger Abgastemperatur und/oder hohem Strombedarf die elektrochemische Zelle der Vorrichtung als Brennstoffzelle betrieben wird und in einem zweiten Betriebsmodus bei Vorliegen einer hohen Abgastemperatur als elektrochemische Konzentrationszelle. Dazu werden im ersten Betriebsmodus, in dem eine erhöhte Zellspannung zu erwarten ist, mehrere elektrochemische Zellen in mindestens zwei parallel miteinander verschalteten Gruppen an seriell geschalteten elektrochemischen Zellen unterteilt und im zweiten Betriebsmodus alle elektrochemischen Zellen zu einer Gruppe seriell miteinander verschalteter elektrochemischer Zellen verbunden.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden, darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 die schematische Darstellung eines Abgassystems, in das eine
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie integriert ist,
Figur 2 eine alternative Ausführung eines Abgassystems, in das eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie integriert ist,
Figur 3 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 4 die schematische Darstellung eines Ausschnittes der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung mit Beschaltung in einer Explosionsdarstellung,
Figur 5 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel,
Figur 6 eine Schnittdarstellung der in Figur 5 dargestellten Vorrichtung entlang der in Figur 5 abgebildeten Schnittlinie A— A,
Figur 7 die schematische Darstellung einer Beschaltung der Vorrichtung zur
Erzeugung elektrischer Energie bei Betrieb als Brennstoffzelle und
Figur 8 die schematische Darstellung einer Beschaltung der Vorrichtung zur
Erzeugung elektrischer Energie bei Betrieb als Konzentrationszelle.
Die in den Figuren 1 bis 8 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen, soweit nicht anders angegeben, stets funktionsgleiche Bau- und Systemkomponenten.
In Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer ersten Ausfuhrungsform eines Abgassystems dargestellt, in das eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 integriert ist. Das Abgassystem gemäß Figur 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 10, der eine Ansaugseite 11 sowie eine Abgasseite 12 aufweist. In Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases nachgeordnet ist in einem Abgasstrang 16 ein erster Katalysator zur Abgasnachbehandlung 18, insbesondere ein 3 -Wege- Abgaskatalysator, sowie ein Schalldämpfer 14 vorgesehen. Weiterhin ist dem ersten Katalysator zur Abgasnachbehandlung 18 in Strömungsrichtung des Abgases nachgeordnet eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 vorgesehen, die beispielsweise als Brennstoffzelle oder elektrochemische Konzentrationszelle, insbesondere als Hochtemperaturbrennstoffzelle ausgeführt ist.
Eine alternative Ausführungsform eines eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 aufweisenden Abgassystems ist in Figur 2 dargestellt. Dabei umfasst das Abgassystem zusätzlich einen zweiten Katalysator zur Abgasnachbehandlung 20, der bspw. der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 in Strömungsrichtung des Abgases nachgeordnet in dem Abgasstrang 16 positioniert ist. Dabei ist der erste Katalysator zur Abgasnachbehandlung 18 vorzugsweise als Oxidationskatalysator ausgeführt und der zweite Katalysators zur Abgasnachbehandlung 20 bspw. als 3 -Wege- Abgaskatalysator. In Figur 3 ist schematisch der Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 insbesondere als Brennstoffzelle oder elektrochemische Konzentrations- oder Nernstzelle ausgestaltet. Die Erzeugung elektrischer Energie beruht bei Schaltung als elektrochemische Konzentrations- oder Nernstzelle auf der elektrochemischen Nutzung der Differenz des Sauerstoffpartialdrucks zwischen dem im Abgassystem geführten Abgas einerseits und von Luft oder einer lufthaltigen Atmosphäre andererseits. Als weitere Quelle elektrischer Energie kommt bei Schaltung als Brennstoffzelle die elektrochemische Oxidation von unverbrannten Kraftstoffbestandteilen im Abgas in Betracht.
Wird die Differenz des Sauerstoffpartialdrucks zwischen dem im Abgassystem geführten Abgas einerseits und von Luft oder einer lufthaltigen Atmosphäre andererseits zur Gewinnung elektrischer Energie genutzt, so lässt sich die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 insbesondere im Zusammenwirken mit Motoren, die bei einer Sauerstoffverhältniszahl von λ = 1 betrieben werden, wie bspw. Otto-Motoren, mit besonders hohem Wirkungsgrad betreiben, da deren Verbrennungsabgase i.d.R. einen besonders niedrigen Sauerstoffpartialdruck aufweisen.
Die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 ist vorzugsweise als Kombination elektrochemischer Konzentrationszellen ausgeführt, wie sie in vergleichbarer Form bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen zum Einsatz kommt. Jede elektrochemische Zelle umfasst eine mit Luft oder dem lufthaltigen Gasgemisch in Kontakt stehende Kathode 32 sowie eine dem Abgas ausgesetzte Anode 33. Die Kathode 32 und die Anode 33 sind ionenleitend über einen Festelektrolyten 31 miteinander verbunden. Als Festelektrolyt werden Materialien eingesetzt, die bei erhöhter Temperatur als Sauerstoffionenleiter wirken, wie z.B. mit CaO, MgO, SC2O3 oder Y2O3 stabilisiertes Zrθ2 oder ein Platin- oder Palladium-aktiviertes Cer-Zirkonium-Perowskit wie Pt/Ceo,67Zr0,33θ2 bzw. Pd/Ceo,67Zr0,3302. Vorteil insbesondere der letztgenannten Perowskite ist, dass sie bereits eine merkliche Leitfähigkeit für Sauerstoffionen bei Temperaturen ermöglichen, wie sie in einem Abgasstrom bereits bei Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors 10 erreicht werden.
Demgegenüber benötigen typische SOFC-Elektrolyte wie yttriumstabilisiertes Zirkondioxid oder LaGaθ3 Betriebstemperaturen von mehr als 6000C. Darüber hinaus gestatten die oben erwähnten Perovskite eine Oxidation von Methan, das in Abhängigkeit vom gewählten Brennverfahren auch in erhöhter Konzentration auftreten kann, bereits bei 350-450 0C mit einem Umsatz von 90-100 %. Bei diesen Temperaturen wird darüber hinaus auch eine Oxidation von CO katalysiert. In dieser Ausführungsform ermöglicht die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 einen Verzicht auf einen separaten im Abgasstrang vorgesehenen Oxidationskatalysator, da oxidierbare Abgasbestandteile wirkungsvoll eliminiert werden können.
Als Elektrodenmaterialien der Kathode 32 bzw. der Anode 33 kommen Metalloxide beispielsweise mit Spinellstruktur, mit Perowskitstruktur oder mit Pseudobrookitstruktur in Betracht. So eignen sich als Metalloxide mit Spinellstruktur ABxB(2_x)'θ4 mit 0 < x < 2 sogenannte 2,3-Spinelle, bei denen B einem Übergangsmetallkation in der Oxidationsstufe +11 und B' einem Übergangsmetallkation in der Oxidationsstufe +III entspricht, oder sogenannte 4,2-Spinelle, bei denen B' einem Übergangsmetallkation in der Oxidationsstufe +IV und B' einem Übergangsmetallkation in der Oxidationsstufe +11 entspricht. Dabei steht im Fall von 2,3-Spinellen beispielsweise A für Cobalt, Nickel oder Kupfer, B für Chrom, Eisen oder Mangan und B' für Mangan oder Chrom. Im Fall von 4,2-Spinellen steht beispielsweise A für Titan und B bzw. B' für Cobalt oder Nickel.
Als Metalloxide mit Pseudobrookitstruktur ABxB(2_x)'θ5 mit 0 < x < 2 eignen sich Metalloxide, bei denen B einem Übergangsmetallkation in der Oxidationsstufe +IV und B' einem Übergangsmetallkation in der Oxidationsstufe +III entspricht. Dabei steht beispielsweise A für Titan und B bzw. B' für Chrom, Eisen, Cobalt oder Mangan.
Als Metalloxide mit Perowskitstruktur A(i_x)A'xByB(2-y)'O(3_δ) mit 0 < x < 2 eignen sich Metalloxide, bei denen beispielsweise A für Scandium, Yttrium oder Lanthan steht, A' für ein Erdalkalimetallkation, B für Cobalt, Mangan oder Nickel und B' für Kupfer oder Mangan. Die Variable δ steht für einen Korrekturfaktor des Sauerstoffgehalts des Metalloxids, um die Ladungsneutralität der Verbindung zu gewährleisten.
Weiterhin eignen sich als Elektrodenmaterialien Metalle der Platingruppenmetalle wie Platin, Palladium, Rhodium oder Ruthenium bzw. Mischungen derselben, sowie deren Legierungen mit Silber, Gold, Kobalt und Nickel. Dabei wird bspw. die mit Luft in Kontakt stehende Kathode 32 aufgrund der permanent einwirkenden oxidierenden Gasatmosphäre bevorzugt als metalloxidische Elektrode ausgeführt, während hingegen die auf der Abgasseite positionierte Anode 33 bevorzugt als metallische Elektrode ausgeführt wird.
Bei Nutzung des Sauerstoffpartialdruckunterschiedes zwischen Luft oder einer lufthaltigen Gasatmosphäre und einem Abgas kommen zur Gewinnung elektrischer Energie an den Elektroden 32, 33 der Vorrichtung zur Erzeugung elektrische Energie 22 die folgenden elektrochemischen Reaktionen zustande, wenn der Stromkreis zwischen Anode 33 und Kathode 32 mittels eines Elektronenleiters ggf. unter Zwischenschaltung eines elektrischen Verbrauchers 50 geschlossen wird: Luftseite / Kathode: O2 + 4 e" -> 2 O2" Abgasseite / Anode 2 O2' -> O2 + 4 e"
Während dieses Prozesses tritt ein Sauerstoffionenstrom durch den Festelektrolyten 31 auf und es erfolgt ein elektrischer Stromfluss über nicht dargestellte elektrische Anschlüsse der Elektroden 32, 33 bzw. daran angeschlossene elektrische Verbraucher 50.
Nach der Nernst 'sehen Gleichung kann an der aus den Elektroden 32, 33 gebildeten elektrochemischen Zelle im Leerlauf, also ohne Entnahme elektrischer Energie, eine Spannung gemessen werden, wenn die Brennstoffzelle bzw. Konzentrationszelle erfindungsgemäß im Abgasstrang 16 eines Ottomotors positioniert ist. Aus der allgemeinen Nernst' sehen Gleichung für gasförmige Komponenten
Figure imgf000009_0001
mit
E = Elektrodenpotenzial
R = universelle Gaskonstante, 8,314 J mol 1 K"1 n = Äquivalenzzahl (Anzahl der übertragenen Elektronen), im folgenden = 4
F = Faradaykonstante, 96485 C mol 1
T = absolute Temperatur a = Aktivität der reaktiven Spezies, bei Gasen entspricht dies dem Partialdruck des Gases, folgt
Figure imgf000009_0002
Setzt man als typische, in einem Verbrennungsabgas realisierte Werte in die Gleichung für die TTeemmppeerraattuurr TT = = 6000C und für den Sauerstoffpartialdruck p(O2) = 10~14 bar ein, so resultiert eine Spannung von
Figure imgf000009_0003
Diese Zellspannung ist temperaturabhängig. Durch Reihenschaltung von einzelnen Zellen lässt sich die erzeugbare elektrische Spannung steigern. So ist durch Reihenschaltung von beispielsweise 23 Zellen bei einer Betriebstemperatur von 600 0C eine in Automobilen anwendbare Spannung von 13,3 V zu erzielen. Wird als Festelektrolyt 31 Y2θ3-stabilisiertes ZrÜ2 eingesetzt und als Elektrodenmaterial Platin, so wird je 100 cm2 Elektrodenfläche von Anode bzw. Kathode bei einer Betriebstemperatur von 600 0C ein Strom von einigen Ampere erzeugt. Werden statt einzelner elektrochemischer Zellen, wie in Figur 3 dargestellt, ein Stapel von in Serie geschalteten Konzentrationszellen mit einer Grundfläche bzw. Elektrodenfläche von ca. 500 cm2 verwendet, lässt sich bei einer Betriebstemperatur von 600 0C ein Strom von ca. 10 A realisieren. Bei einer angenommenen Gesamtspannung von 13,3 V ist also eine elektrische Leistung von >100 W zu erwarten.
Um entsprechend hohe Betriebstemperaturen zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 im Bereich des motornah positionierten ersten Katalysators zur Abgasnachbehandlung 18 diesem in Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases nachgeordnet in Kontakt mit dem Abgasstrang 16 positioniert ist, da in diesem Bereich die Temperatur der Verbrennungsabgase aufgrund der Nähe zum Verbrennungsmotor 10 noch vergleichsweise hoch ist und somit die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 durch die Verbrennungsabgase ausreichend beheizt werden kann. Dabei wird eine Betriebstemperatur der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 von möglichst über 500 0C, im Idealfall zwischen 700 0C und 900 0C angestrebt. Alternativ kann die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 auch unmittelbar dem Auslassventil des Verbrennungsmotors 10 nachgeordnet positioniert sein.
Ferner herrscht in den Verbrennungsabgasen in einem dem ersten Katalysator zur Abgasnachbehandlung 18 nachgeordneten Bereich ein zeitlich relativ gleichbleibender Sauerstoffpartialdruck im Verbrennungsabgas. Dieser gleichbleibende Sauerstoffpartialdruck kommt durch die sauerstoffspeichernde Wirkung des als 3 -Wege Katalysators ausgeführten ersten Katalysators zur Abgasnachbehandlung 18 zustande. Darüber hinaus wird der Sauerstoffpartialdruck des Abgases in diesem Bereich auch aktiv mittels einer üblicherweise zur Motorsteuerung herangezogenen Lambda-Regelung nivelliert, bei der die Sauerstoffkonzentration mittels einer stromabwärts hinter dem ersten Katalysator zur Abgasnachbehandlung 18 angeordneten Lambdasonde durch zeitliche Anpassung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoffgemischs weitgehend konstant gehalten wird. Dabei werden Phasen mit leichtem Sauerstoffüberschuss bezüglich einem Lambda-Wert von 1 und Phasen mit leichtem Sauerstoffmangel so ausgeglichen, dass in einem dem ersten Katalysator zur Abgasnachbehandlung 18 nachgeordneten Bereich des Abgasstrangs 16 ein konstantes Sauerstoffsignal detektiert wird.
Optional kann der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 eine Zufuhr für einen Kraftoder Brennstoff 24 in Strömungsrichtung des Abgases vorgeschaltet sein. Dies ermöglicht den Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 als Brennstoffzelle mit entsprechend höherer Potenzialdifferenz zwischen Kathode und Anode. Innerhalb der als Zufuhr (24) für einen Kraft- Brennstoff (61) dienende Dosiervorrichtung kann eine partielle Oxidation des zu dosierenden Kraftstoffs vorgenommen werden, die zu den Hauptprodukten 61 CO und H2 führt. Der Betrieb mit zusätzlichem Brennstoff entspricht dann dem Betrieb als Brennstoffzelle oder einem Mischbetrieb zwischen einer reinen Konzentrationszelle und einer Brennstoffzelle. Handelt es sich um ein Verbrennungsabgas, das von sich aus unverbrannte Kraftstoffanteile enthält, so kann auf eine Kraftstoffzudosierung auch verzichtet werden.
Die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 ist vorzugsweise derart in den Abgasstrang 16 integriert, dass die thermische Energie möglichst effizient die elektrochemischen Konzentrationszellen der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 erhitzt. Dazu umfasst die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 vorzugsweise eine wärmeisolierende Umhüllung 34. Weiterhin wird die der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 zugeführte Luft bzw. das ihr zugeführte lufthaltige Gasgemisch vorzugsweise mittels eines vorgeschalteten Wärmetauschers 35 vorerwärmt. Der Wärmetauscher 35 ist beispielsweise als doppelwandiger Abschnitt des Abgasstranges 16 ausgeführt und vorzugsweise der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 in Strömungsrichtung des Abgases nachgeordnet positioniert. Dabei strömt beispielsweise im Inneren 52 des Wärmetauschers 35 das Verbrennungsabgas, während hingegen in einem das Innere 52 des Wärmetauschers umgebenden Mantel 51 Luft bzw. ein lufthaltiges Gasgemisch vorzugsweise nach dem Gegenstromprinzip geführt wird. Darüber hinaus kann eine Einlassöffnung für die der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 zugeführte Luft vorzugsweise hinter einem nicht dargestellten Fahrzeugkühler eines die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 umfassenden Fahrzeugs positioniert sein, um eine weitere Vorwärmung des zugeführten Luft zu erreichen.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 zugeführte Luft bzw. das lufthaltige Gasgemisch einen erhöhten Druck aufweist. Eine entsprechende Vorrichtung zur Erzeugung eines erhöhten Luftdrucks wird beispielsweise bezogen auf die Strömungsrichtung des Luftzustroms dem Wärmetauscher 35 vorgeschaltet und kann in einem einfachen Fall als Vorrichtung zur Erzeugung eines Staudrucks im Luftstrom ausgeführt sein, bei der, wie bspw. in Fig. 3 dargestellt, der Luftstrom zu einer Richtungsumkehr mit geringem Kurvenradius gezwungen wird.
Zur Verdeutlichung ist in Figur 4 eine Vergrößerung der in Figur 3 abgebildeten Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 abgebildet.
Die Großflächen der einzelnen elektrochemischen Konzentrationszellen weisen vorzugsweise die selbe Grundform auf und sind beispielsweise rechteckig ausgeführt. Dabei sind die einzelnen elektrochemischen Konzentrationszellen so miteinander elektrisch über eine Verschattung 48 verbunden, dass eine erste Kathode 32a einer ersten Konzentrationszelle mit einer zweiten Anode 33b einer zweiten Konzentrationszelle verbunden ist und eine zweite Kathode 32b der zweiten Konzentrationszelle mit einer dritten Anode 33c einer dritten Konzentrationszelle etc.. Dadurch addieren sich die an den Elektroden 32a, 32b, 33a, 33c jeweils anliegenden elektrischen Spannungen in geeigneter Weise auf.
Eine Bauraumminimierung kann erreicht werden, wenn die Anoden 33a, 33b zweier elektrochemischer Konzentrationszellen jeweils einander gegenüber beabstandet durch einen das Abgas 60 führenden Raum angeordnet sind und Kathoden 32b, 32c zweier elektrochemischer Konzentrationszellen jeweils einander gegenüber beabstandet durch einen Luft 62 führenden Raum. Dabei sind die jeweiligen Feste lektrolyte 31a, 31b, 31c über gasdichte, elektrisch isolierende Verbindungselemente 46 miteinander verbunden.
Alternativ erfolgt die Anordnung der einzelnen Konzentrationszellen innerhalb der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 insbesondere in einer Weise, bei der die Luftzuführungs- und -auslassöffhungen 38, 40 der einzelnen Konzentrationszellen an einer anderen Seite bzw. Stelle vorzusehen sind wie entsprechende Abgaszuführungs- und -auslassöffhungen 42, 44.
Diesbezüglich ist eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 nach dem Kreuzstromprinzip möglich wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Dabei bezeichnen gleich Bezugszeichen weiterhin gleiche Bauteilkomponenten.
Bei dieser zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 werden das Verbrennungsabgas 60 und die Luft 62 in einem Winkel von annähernd 90° zueinander geführt. Hierbei umströmt das Verbrennungsabgas 60 mit Luft 62 gefüllte Räume, die von elektrochemischen Konzentrationszellen 64, gebildet aus hier nicht dargestellten auf Festelektrolyten aufgebrachten Anoden und Kathoden, begrenzt wird.
Zur Vereinfachung des Gesamtaufbaus eines entsprechenden, die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 aufweisenden Abgassystems ist es möglich, die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 in das Gehäuse des ersten bzw. des zweiten Katalysators zur Abgasnachbehandlung 18, 20 zu integrieren. Auf diese Weise wird eine besonders effektive Beheizung der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 gewährleistet.
Beispiele zur Verschaltung der elektrochemischen Zellen der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 in Abhängigkeit ihres Betriebsverfahrens als Brennstoffzelle bzw. Konzentrationszelle sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Dabei wird die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 insbesondere bei hohen Abgastemperaturen von bspw. mehr als 7000C als elektrochemische Konzentrationszelle betrieben, da sie bei diesen Temperaturen einen geringen Innenwiderstand aufweist und somit in der Lage ist, eine hohe elektrische Leistung alleine durch die Differenz des Sauerstoffpartialdrucks von Luft und Abgas bereitzustellen. In diesem Betriebsmodus wird der anodischen Seite der Konzentrationszellen mittels einer Umschaltvorrichtung 56 Abgas zugeführt.
Bei Betrieb als Brennstoffzelle tritt zwar ein zusätzlicher Verbrauch an Kraftstoff auf; in diesem Verfahrensmodus wird jedoch die direkte Umwandlung eines Brenn- oder Kraftstoffs wie bspw. Wasserstoff in elektrische Energie ohne weitere Zwischenaggregate und somit ohne zusätzliche Umwandlungsverluste ermöglicht. Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 und je nach Bedarf an elektrischer Leistung im Gesamtsystem ist daher eine Kombination beider Betriebsmodi sinnvoll.
So wird die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 vorzugsweise bei Überschreitung einer bestimmten Abgastemperatur als Konzentrationszelle betrieben. In diesem Betriebszustand werden, wie in Figur 8 dargestellt, alle elektrochemischen Zellen (32a - 32f; 33a - 33f) des Stacks vorzugsweise durch Schließen eines Schalters 55 vollständig in Reihe geschaltet.
Erfolgt eine Betriebsweise der elektrochemischen Zellen der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 als Brennstoffzelle ggf. unter Zufuhr eines Brenn- oder Kraftstoffs, so erhöht sich die Potenzialdifferenz an den Elektroden der einzelnen elektrochemischen Zellen entsprechend in Abhängigkeit vom zugeführten Kraft- oder Brennstoff. In diesem Fall erfolgt, wie in Figur 7 dargestellt, die Beschaltung der elektrochemischen Zellen des Stacks durch entsprechende Stellung des Schalters 55 beispielsweise in Form einer doppelten oder ggf. drei- oder mehrfachen Serienschaltung der Einzelzellen. Die in Serie geschalteten Zellenreihen ihrerseits sind dabei zueinander parallel geschaltet.
Die Ansteuerung des Schalters 55 sowie der Umschaltvorrichtung 56 erfolgt vorzugsweise mittels einer Steuerung 57, wobei das Um- oder Zuschalten der Brenngaszufuhr von einem Brenn- oder Kraftstoff 61 auf das Abgas 60 vorzugsweise zeitgleich mit der Änderung der elektrischen Verschaltung der elektrochemischen Zellen des Stacks erfolgt. So werden beim Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 als Brennstoffzelle zwei oder mehr Stackabschnitte parallel geschaltet. Nach dem Umschalten auf einen Betrieb als Konzentrationszelle wird die Anzahl parallel geschalteter Stacks verringert, z.B. von zwei Stackabschnitte auf eine Reihenschaltung des gesamten Stacks. In entsprechender Weise erhöht sich in entsprechender Weise die Anzahl der in Serie geschalteten elektrochemischen Einzelzellen. Die Umschaltung selbst wird bevorzugt in Bezug auf die Abgastemperatur und/oder die Höhe des Abgasvolumenstrom sowie in Abhängigkeit vom Lambda-Wert des Abgases gesteuert. Grundsätzlich ist jedoch auch ein Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 bei hohen Temperaturen als Brennstoffzelle möglich. Weiterhin ist es möglich, die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 im Brennstoffzellenmodus potentiostatisch zu betreiben, wobei ein je nach im Abgas vorliegender Menge an unverbrannten Kraftstoffanteilen schwankender Strom zu erwarten ist.
Die mittels der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 erzeugte elektrische Energie kann zur alleinigen oder zusätzlichen Bereitstellung elektrischer Energie für ein Kraftfahrzeug mit oder ohne Verbrennungsmotor herangezogen werden. Dabei kann mittels einer Steuerungseinheit gewährleistet werden, dass die Fahrzeugbatterie bzw. das Bordnetz mit Strom konstanter Spannung in geeigneter Höhe versorgt werden. Weiterhin kann die Steuerung des Verbrennungsmotors zeitweilig oder bedarfsweise derart erfolgen, dass die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 in einem optimalen Betriebszustand gehalten wird durch Zufuhr eines Verbrennungsabgases mit einer geeigneten Zusammensetzung bspw. eines fetten Abgases mit einem Lambda-Wert kleiner als 1.
Alternativ ist die Integration einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 in den Abgasstrang eines stationären Verbrennungssystems zu Heiz- oder Kraftwerkszwecken möglich. In beiden Fällen trägt die Positionierung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie 22 in den Abgasstrang eines mobilen oder stationären Verbrennungssystems zusätzlich zur Reinigung entsprechender Verbrennungsabgase bei, da an den Elektroden der elektrochemischen Konzentrationszellen oxidierbare Abgasbestandteile wie Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff und Kohlenmonoxid oxidiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie (22), insbesondere Brennstoffzelle, mit mindestens einer elektrochemischen Zelle, umfassend eine erste und eine zweite Elektrode, sowie einen Festelektrolyten, auf dem die erste und die zweite Elektrode aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (32) in Kontakt mit einem lufthaltigen Gasgemisch (62) steht, dass die zweite Elektrode (33) in Kontakt mit einem Verbrennungsabgas (60) und/oder einem gasförmigen Kraft- oder Brennstoff (61) steht, und dass die erste und die zweite Elektrode (32, 33) über einen elektrischen Energiespeicher (50) oder einen Erzeuger mechanischer, chemischer oder thermischer Energie elektrisch miteinander verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dass die elektrochemische Zelle (64) an einem ein Verbrennungsabgas (60) eines Verbrennungsmotors (10) führenden Abgassystem vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine wärmeisolierende Umhüllung (34) der Vorrichtung vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Zelle (64) an dem Abgassystem in Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases (60) dem Verbrennungsmotor (12) oder einem Katalysator zur Abgasnachbehandlung (18) unmittelbar nachgeordnet positioniert ist, oder dass sie in das Gehäuse eines Katalysators zur Abgasnachbehandlung (18, 20) integriert ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemischen Zelle (64) eine Zufuhr für einen Brennstoff (24) in das Abgassystem in Strömungsrichtung des Verbrennungsabgases (60) vorgeschaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr (24) für einen Brennstoff (61) einen Reformer zur partiellen Oxidation eines Kraftstoffes umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr für das lufthaltige Gasgemisch vorgesehen ist, die einen Wärmetauscher (35) umfasst, der Zu- und Ableitungen für das zuzuführende lufthaltige Gasgemisch (62) aufweist sowie Zu- und Ableitungen für das Verbrennungsabgas (60) und/oder ein Kühlwasser.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr für das lufthaltige Gasgemisch (62) ein Druckerzeugungsmittel (53) aufweist, sodass das lufthaltige Gasgemisch (62) der elektrochemischen Zelle (64) mit einem erhöhten Druck zuführbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese in ein Kraftfahrzeug integriert ist und dass die Zufuhr für das lufthaltige Gasgemisch (62) einen Gaseinlass aufweist, der im Bereich einer Kühlvorrichtung für Kühlwasser des Fahrzeugs vorgesehen ist
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (32) als Metalloxidelektrode mit einer Perowskit-, einer Spinell- oder einer Pseudobrookitstruktur ausgebildet ist und dass die zweite Elektrode (33) ein Platingruppenmetall oder eine silberhaltige, goldhaltige, cobalthaltige oder nickelhaltige Legierung enthält.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festelektrolyt (31) mit Calcium-, Magnesium-, Scandium- oder Yttriumoxid stabilisiertes Zirkondioxid oder einen edelmetallaktivierten Cer-Zirkonium-Perowskit umfasst.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des lufthaltigen Gasgemischs (62) und die der Verbrennungsabgase (60) im wesentlichen im Kreuzstromprinzip erfolgt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist zur zumindest zeitweiligen Steuerung einer das Verbrennungsabgas erzeugenden stationären Heizanlage, Turbine oder Verbrennungsmotors, sodass ein Verbrennungsabgas mit einem Lambda-Wert von < 1 resultiert.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrochemische Zellen (64) seriell nacheinander geschaltet sind.
15. Vorrichtung nach Ansprach 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Gruppen mit im Wesentlichen gleicher Anzahl an seriell miteinander verschalteten elektrochemischen Zellen (64, 32a - 32f; 33a - 33f) parallel geschaltet sind.
16. Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie (22), insbesondere Brennstoffzelle, mit mindestens zwei elektrochemischen Zellen (32a - 32f; 33a - 33f) umfassend eine erste und eine zweite Elektrode (32a - 32f; 33a - 33f) sowie einen Festelektrolyten (31), auf dem die erste und die zweite Elektrode (32a - 32f; 33a - 33f) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus die elektrochemischen Zellen (32a - 32f; 33a - 33f) als Brennstoffzelle betrieben werden und in einem zweiten Betriebsmodus als elektrochemische Konzentrationszellen.
17. Verfahren nach Ansprach 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier elektrochemische Zellen (32a - 32f; 33a - 33f) vorgesehen sind, und dass im ersten Betriebsmodus die elektrochemischen Zellen (32a - 32f; 33a - 33f) mindestens zwei parallel geschaltete Gruppen an seriell geschalteten elektrochemischen Zellen bilden, und dass im zweiten Betriebsmodus alle elektrochemischen Zellen (32a - 32f; 33a - 33f) eine Gruppe seriell miteinander verschalteter elektrochemischer Zellen bilden.
18. Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung elektrischer Energie aus Abgasen von Verbrennungsmotoren, Heizanlagen oder Kraftwerksturbmen.
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