Brennstoffzellensysteme und hoch integrierte Verbrennungsmotor/Generator-Kombinationen für Hybridantriebe

Abstract

So genannte Brennstoffzellenhybridfahrzeuge können verallgemeinert als elektrische angetriebene Fahrzeuge betrachtet werden, die mit einem Brennstoffzellensystem als Stromerzeugungseinheit ausgerüstet sind, das mit einem elektrischen Energiespeicher parallel geschaltet ist. Auf Grund der Entkopplung der Drehmomenterzeugung für den Antrieb von der Primärenergieerzeugung lassen sich mit dieser Antriebskonfiguration attraktive Fahrzeugpackage realisieren. Ansätze dafür zeigen beispielsweise die GM-Studien "Hy-Wire" und "Sequel", sowie das modulare Fahrzeugkonzept des DLR auf. Von entscheidender Bedeutung für den Gesamtwirkungsgrad des oben beschriebenen Antriebskonzeptes ist der Wirkungsgrad der Stromerzeugungseinheit. Das Wirkungspotenzial von PEFC-Brennstoffzellensytemen wurde von mehreren Fahrzeugherstellern in Fahrzeugen aufgezeigt. Jedoch ist neben einigen wichtigen technischen Fragen, wie z.B. der Tieftemperaturtauglichkeit und der Leistungsdichte, insbesondere die Frage der Speicherung des Wasserstoffs an Bord noch nicht befriedigend gelöst. Eine Stromerzeugungseinheit auf Basis eines Freikolbenlineargenerators ist eine technische Alternative zum PEFC- Brennstoffzellensystem. Freikolbenmotoren können in unterschiedlichen Bauformen realisiert werden. Die häufigste Bauform ist die Doppelkolbenbauweise mit zwei Brennräumen, die auch von einem von Volvo geführten Konsortium favorisiert wird. Volvo hat Simulationen für das System veröffentlicht, die von Wirkungsgraden von 46% auf Basis einer HCCI-Verbrennung berichten. Der Ansatz des DLR basiert auf einer Einzelkolbenlösung, die es ermöglicht, einen variablen Hubraum darzustellen. Dadurch lassen sich Wandwärme-, Reib- und Drosselverluste verringern. Das Gesamtkonzept lässt sich mit "Online-Downsizing" umschreiben, was zu signifikant höheren Teillastwirkungsgraden führt.