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DE102019111301A1 - Antriebssystem und Kraftfahrzeug - Google Patents

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DE102019111301A1
DE102019111301A1 DE102019111301.6A DE102019111301A DE102019111301A1 DE 102019111301 A1 DE102019111301 A1 DE 102019111301A1 DE 102019111301 A DE102019111301 A DE 102019111301A DE 102019111301 A1 DE102019111301 A1 DE 102019111301A1
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electrode
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Georg Göppert
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Abstract

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

Description

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

Claims (10)

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