DE102004049587A1

DE102004049587A1 - Vorrichtung zur Aufbereitung der Abgase einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004049587A1
Application number: DE102004049587A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Kammerer; Peter Lamp
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2006-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung der Abgase einer in einem Kraftfahrzeug als Stromerzeuger eingesetzten Brennstoffzelle, umfassend einen Wärmetauscher und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (Abgas-Katalysator und/oder Partikelfilter). Zur Einsparung von Kosten und zur Verringerung des Gewichts und des erforderlichen Bauraums ist vorgesehen, daß der Wärmetauscher und die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind, die als Schalldämpfer und/oder Schalldämmer ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung der Abgase eines in einem Kraftfahrzeug als Stromerzeuger eingesetzten Brennstoffzellensystems, umfassend einen Wärmetauscher und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (Abgas-Katalysator und/oder Partikelfilter).

In Kraftfahrzeugen der Zukunft werden zunehmend als APU (auxiliary power unit) bezeichnete Energiewandler Verwendung finden. Diese Energiewandler zeichnet aus, daß sie unabhängig vom Betriebsmodus des Verbrennungsmotors elektrische und thermische Leistung zur Verfügung stellen können. Derartige Energiewandler können insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit selbsttätiger Motorabschaltung zu einem wesentlichen Bestandteil des Energiekonzepts werden. Da der Generator bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor nicht angetrieben wird, müssen elektrische Verbraucher von der Batterie gespeist werden, was eine entsprechend hohe Kapazität der Batterie erfordert.

Wegen des hohen Wirkungsgrades ist eine Brennstoffzelle als APU zur Stromerzeugung besonders geeignet. Derartige Brennstoffzellen benutzen bei monovalentem Betrieb (d. h. es ist nur ein Kraftstoff an Bord) als Energieträger ein Wasserstoff- und Kohlenmonoxid enthaltendes Synthesegas, das mit einem Reformer aus dem Kraftstoff gewonnen wird, der auch dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Bei der in der Brennstoffzelle erfolgenden elektrochemischen Reaktion wird das Synthesegas mit Luftsauerstoff oxidiert, und es wird Wasser und Kohlendioxid gebildet, wobei Wärme und elektrische Leistung entstehen. Die Oxidation des Synthesegases ist aber nur unvollständig, so daß in dem aus der Brennstoffzelle austretenden Abgas noch brennbare Bestandteile, wie z. B. Kohlenmonoxid oder Wasserstoff oder Methan enthalten ist. Diese brennbaren Bestandteile müssen aufgrund von gesetzlichen Forderungen in einer Nachverbrennungsstufe zu Verbrennungsprodukten Wasser und Kohlendioxid umgesetzt werden. Bei nicht vollständiger Umsetzung (physikalischer Prozeß) kann das so entstandene Abgas jedoch immer noch Emissionen (Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Partikel) enthalten. Aus diesem Grund fordern die Umweltbehörden in manchen Ländern eine Nachbehandlung des Abgases.

Da die Temperatur des Abgases der Brennstoffzelle in bestimmten Betriebspunkten über dem in manchen Ländern vorgeschriebenen Grenzwert (z. B. 400°C beim sog. Grasbrandtest) liegen kann, kann eine Kühlung erforderlich werden. Die in dem heißen Abgas enthaltene Wärmeenergie wird vorzugsweise mit einem Wärmetauscher entzogen. Die dem Abgas entzogene Wärme kann in der Folge genutzt werden, beispielsweise zum Heizen des Fahrgastinnenraums. Da der Verbrennungsmotor im abgeschalteten Zustand keine Wärme erzeugt, kann die dem Abgas der Brennstoffzelle entzogene Abwärme auch benutzt werden, um den Verbrennungsmotor und/oder das Kühlwasser und/oder das Getriebeöl vorzuwärmen.

Beim Austritt des Abgases aus der Brennstoffzelle kommt es auch zu einer Geräuschentwicklung, die insbesondere im Stillstand des Fahrzeugs bei abgeschaltetem Verbrennungsmotors störend in Erscheinung tritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei niedrigen Herstellungskosten und geringem Platzbedarf eine Rückgewinnung der in dem Abgas enthaltenen Wärmeenergie, eine Umwandlung oder Rückhaltung der in dem Abgas enthaltenen schädlichen Stoffe und zugleich eine Verringerung der Schallemission ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher und die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind, die als Schalldämpfer und/oder Schalldämmer ausgebildet ist. Diese Baueinheit erfüllt somit eine dreifache Funktion, indem sie gleichzeitig der Wärmerückgewinnung, der Nachbehandlung des Abgases und zur Verringerung der Schallemission dient.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein von einer Brennstoffzelle gebildetes APU-System schematisch dargestellt. Eine Brennstoffzelle 1 wird über eine Leitung 5 mit Synthesegas versorgt, das in einem (nicht gezeigten Reformer) aus dem Brennstoff einer Brennkraftmaschine gewonnen wird. Die Brennstoffzelle 1 wird ferner über eine Leitung 6 mit Luft versorgt. Eine der Brennstoffzelle 1 zugeordnete Prozeßluft-Versorgung ist mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Eine Leitung 7 dient zur Zufuhr von Wasser, was bei bestimmten Bauarten von Brennstoffzellen erforderlich ist. Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, der chemische Energie direkt in elektrischen Strom umwandeln kann. Bei der Oxidation des Synthesegases entsteht Wärme, so daß das aus der Leitung 8a austretende Abgas eine Temperatur von 300 bis 600°C hat. Die Abgasleitung 8a mündet in eine Baueinheit 3. In dieser Baueinheit 3 sind ein Wärmetauscher und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zusammengefaßt. Das gekühlte Abgas tritt durch eine Leitung 8b aus der Baueinheit 3 aus. Ein Wärmeaustauschmedium, wie z. B. Wasser tritt durch eine Leitung 9a in die Baueinheit 3 ein, und es tritt in erwärmtem Zustand durch eine Leitung 9b aus dieser wieder aus. In der Baueinheit 3 ist ein (nicht gezeigter) Kanal für die Abgase ausgebildet, der die Abgasleitungen 8a und 8b miteinander verbindet. Dieser Abgaskanal ist so ausgebildet, daß die Einströmöffnung an der Baueinheit 3 möglichst hoch oben und die Ausströmöffnung möglichst tief unten angeordnet ist, wobei sich zwischen der Ein- und der Ausströmöffnung des Kanals kein ansteigender Bereich befindet. Infolge dieser Ausbildung hat der Abgaskanal die Funktion eines Wasserstoppers. Bei einer Wasserdurchfahrt kann Wasser durch die Abgasleitung 8b in den Abgaskanal gelangen, wodurch das Abgas am Ausströmen gehindert ist. Dadurch bildet sich in dem Abgaskanal ein Rückstau, der ein weiteres Ansteigen des Wassers bis zu der höher gelegenen Abgasleitung 8a verhindert. Die Brennstoffzelle 1 ist daher vor eindringendem Wasser geschützt.
Der in der Baueinheit 3 angeordnete Wärmetauscher zur Rückgewinnung der in dem Abgas enthaltenen Wärmeenergie und die Abgasnachbehandlungseinrichtung sind so ausgebildet, daß sie die Funktion eines Schalldämpfers und/oder Schalldämmers haben. Auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren sind zahlreiche Bauarten von Schalldämpfern bekannt, die darauf beruhen, daß durch variable Strömungsquerschnitte, d. h. Drosselstellen und Diffusoren die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases variiert wird, um Druckwellen zu kompensieren. Zu diesem Zweck kann die Innenwand des Abgaskanals auch mit einem schalldämmenden Material ausgekleidet sein. Diese an sich bekannten Konstruktionsmerkmale eines Schalldämpfers werden im vorliegenden Fall auf die den Wärmetauscher und die Abgasbehandlungseinrichtung umfassende Baueinheit übertragen. Beispielsweise kann die Abgasbehandlungseinrichtung, die einen Katalysator und/oder einen Filter umfassen kann, im Sinne einer Drossel ausgebildet und dem als Wärmetauscher dienenden Abgasrohr vorgeschaltet sein.
Dadurch, daß die Baueinheit 3 eine dreifache Funktion erfüllt, indem sie als Wärmetauscher, als Abgasbehandlungseinrichtung und als Schalldämpfer dient, wird neben einer Kosteneinsparung eine Verringerung des Gewichts und, was im Automobilbau von besonderer Bedeutung ist, eine Verringerung des erforderlichen Bauraums erzielt.
Für den Fall, daß dem aus der Brennstoffzelle 1 austretenden Abgas keine Wärme entzogen werden soll, ist ein Ventil 4 und eine Umgehungsleitung 8c vorgesehen, so daß das Abgas die Baueinheit 3 umgehen kann.

1: Brennstoffzelle
2: Prozeßluftversorgung
3: Baueinheit
4: Ventil
5: Synthesegasleitung
6: Luftleitung
7: Wasserleitung
8a: Abgasleitung (heiß)
8b: Abgasleitung (kalt)
8c: Umgehungsleitung
9a: Wasserleitung (kalt)
9b: Wasserleitung (warm)

Claims

Vorrichtung zur Aufbereitung der Abgase eines in einem Kraftfahrzeug als Stromerzeuger eingesetzten Brennstoffzellensystems, umfassend einen Wärmetauscher und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (Abgas-Katalysator und/oder Partikelfilter), dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher und die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu einer Baueinheit (3) zusammengefaßt sind, die als Schalldämpfer und/oder Schalldämmer ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Baueinheit (3) ein Kanal für die Abgase ausgebildet ist, wobei die Einströmöffnung in einem oberen Punkt der Baueinheit und die Ausströmöffnung in einem unteren Punkt der Baueinheit angeordnet ist und sich zwischen der Ein- und der Ausströmöffnung des Kanals kein ansteigender Bereich befindet.