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DE10326055B4 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und entsprechendes Kraftfahrzeug - Google Patents

Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und entsprechendes Kraftfahrzeug Download PDF

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DE10326055B4
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Abstract

Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) einer mit Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine (16), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Nachbehandlungsbetriebsstoff-Bereitstellungseinrichtung (12), aufweisend eine Aufbereitungseinrichtung (36) und mit einem der Nachbehandlungsbetriebsstoff-Bereitstellungseinrichtung (12) zugeordneten Brennstoffzellensystem (28) aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (30) und einen der Brennstoffzelle (30) vorgeschalteten Reformer (29), dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinrichtung (36) dem Brennstoffzellensystem (28) nachgeschaltet ist und ein Abgas der Brennstoffzelle (30) und/oder ein Reformat des Reformers (29) zum Nachbehandlungsbetriebsstoff aufbereitet, und dass der Reformer (29) mit Kraftstoff gespeist ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer mit Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Nachbehandlungsbetriebsstoff-Bereitstellungseinrichtung aufweisend eine Aufbereitungseinrichtung und mit einem der Nachbehandlungsbetriebsstoff-Bereitstellungseinrichtung zugeordneten Brennstoffzellensystem aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und einen der Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformer.
  • Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Abgasnachbehandlungsvorrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
  • Die Druckschrift DE 102 19 799 A1 beschreibt eine Verbrennungsvorrichtung zur Energieerzeugung durch Kraftstoffverbrennung und eine Abgasreinigungsanlage zur Umformung der bei der Verbrennung entstehenden Abgasbestandteile mit einem zusätzlichen Betriebsstoff. Dieser zusätzliche Betriebsstoff wird durch mindestens eine Wasserstoff-Erzeugungseinheit wenigstens teilweise zu einem wasserstoffhaltigen Brennstoff umgeformt.
  • Zur Durchführung einer Abgasnachbehandlung der Verbrennungsabgase einer Brennkraftmaschine ist also die Bereitstellung mindestens eines geeigneten Nachbehandlungsbetriebsstoffs erforderlich, welcher beispielsweise eine erwünschte NOx-Reduktion im Rahmen der Abgasnachbehandlung ermöglicht. Die Bereitstellung eines derartigen Nachbehandlungsbetriebsstoffs ist aber verhältnismäßig aufwendig. Dabei ist es insbesondere bekannt, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug mindestens einen zusätzlichen, eigens für die Abgasnachbehandlung vorgesehenen Betriebsstoff mitzuführen.
    •
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu schaffen, mittels welcher in verhältnismäßig einfacher Weise eine hinreichende Bereitstellung eines Nachbehandlungsbetriebsstoffs möglich ist.
  • Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinrichtung dem Brennstoffzellensystem nachgeschaltet ist und ein Abgas der Brennstoffzelle und/oder ein Reformat des Reformers zum Nachbehandlungsbetriebsstoff aufbereitet, und dass der Reformer mit Kraftstoff gespeist ist. Somit ist es möglich, auf die verhältnismäßig aufwendige Mitführung eines zusätzlichen, eigens für die Abgasnachbehandlung vorgesehen Betriebsstoffs zu verzichten, da das anfallende Brennstoffzellenabgas und das Reformat nach einer geeigneten Aufbereitung zur Abgasnachbehandlung genutzt werden können.
  • Mit Vorteil ist mindestens ein Nachbehandlungsbetriebsstoff Ammoniak und die Aufbereitungseinrichtung ein Ammoniak-Katalysator. Insbesondere im Personenkraftwagenbereich ist das Mitführen von Ammoniak problematisch aufgrund eines regelmäßigen Betankens des Kraftfahrzeugs mit einem zweiten Betriebsstoff, der toxisch ist und somit eine Gefahr darstellt. Eine derartige Mitführung und Bereitstellung von Ammoniak ist somit für den Alltagsbetrieb eines Kraftfahrzeugs nicht akzeptabel. Eine Umwandlung wenigstens eines Teils des Brennstoffzellenabgases und/oder des Reformats in Ammoniak mittels der Aufbereitungseinrichtung (Ammoniak-Katalysator) erlaubt es nun, Ammoniak betriebssicher auch in einem Kraftfahrzeug zur Abgasnachbehandlung einzusetzen, wobei gleichzeitig auch die Ammoniakbereitstellung in verhältnismäßig einfacher Weise möglich ist. Der Ammoniak-Katalysator ist vorzugsweise als Ammoniak-Edelmetallkatalysator ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist die Aufbereitungseinrichtung an ihrer Eintrittsseite für das Brennstoffzellenabgas und/oder das Reformat mit einem Brennstoffzellensystem und an ihrer Austrittsseite mit einem Reduktionskatalysator zur NOx-Reduktion verbunden. Die Aufbereitungseinrichtung stellt somit eine direkte Verbindung zwischen dem Brennstoffzellensystem und dem Reduktionskatalysator dar, so dass gegebenenfalls eine kompakte Anordnung dieser voneinander ansonsten unabhängigen Funktionseinrichtungen beispielsweise in einem Kraftfahrzeug möglich ist.
  • Vorteilhafterweise ist der Reduktionskatalysator ein SCR-Katalysator. Bei dem SCR-Katalysator handelt es sich um einen selektiven Reduktionskatalysator („selective catalytic reduction"), dessen konstruktiver Aufbau und Funktionsweise an sich bekannt sind, so dass auf eine entsprechende detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
  • Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist die Aufbereitungseinrichtung an ihrer Austrittsseite zusätzlich mit einem Ammoniak-Zwischenspeicher verbunden, der seinerseits mit dem Reduktionskatalysator in Verbindung steht. Übersteigen die mittels der Aufbereitungseinrichtung gebildeten Ammoniakströme den Nachbehandlungsbetriebsstoff-Bedarf des Reduktionskatalysators der Abgasnachbehandlungsvorrichtung, so kann der Ammoniak-Zwischenspeicher dazu dienen, überschüssiges Ammoniak, beziehungsweise ammoniakhaltige Gase, in selbigem zwischenzuspeichern. Bei einem gegebenenfalls zeitweise auftretenden höheren Ammoniak-Bedarf des Reduktionskatalysators kann selbiger zusätzlich oder ausschließlich mit einer hinreichenden Menge an Ammoniak aus dem Ammoniak-Zwischenspeicher beaufschlagt werden. Somit dient der Ammoniak-Zwischenspeicher zur angepassten und flexiblen Ammoniakbeaufschlagung des Reduktionskatalysators.
  • Mit Vorteil sind die Aufbereitungseinrichtung und der Ammoniak-Zwischenspeicher an ihrer jeweiligen Austrittsseite mit einer entsprechenden Dosiereinrichtung verbunden, die zur dosierten Ammoniakbeaufschlagung des Reduktionskatalysators dienen. Mittels der Dosiereinrichtungen ist es möglich, eine nahezu stöchiometrische Ammoniakversorgung des Reduktionskatalysators in relativ effizienter und betriebsgünstiger Weise zu gewährleisten. Dabei ist die jeweilige Dosiereinrichtung vorzugsweise als Durchflusssteuereinrichtung ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem mittels einer zusätzlichen, zuschaltbaren Brennstoffzellenabgas-Bypassleitung mit einem Abgasstrang der Abgasnachbehandlungsvorrichtung verbunden. Somit wird das Brennstoffzellenabgas, das durch die Brenstoffzellenabgas-Bypassleitung geführt wird, nicht zur Aufbereitungseinrichtung geleitet und somit auch nicht in Ammoniak umgewandelt, so dass eine Überproduktion von Ammoniak mittels der Aufbereitungseinrichtung aus dem Brennstoffzellenabgas vermieden werden kann. Das durch die Brennstoffzellenabgas-Bypassleitung geführte überschüssige Brennstoffzellenabgas gelangt direkt in einen Abgasstrang der Abgasnachbehandlungsvorrichtung, vorzugsweise in den Reduktionskatalysator.
  • Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist der Reduktionskatalysator an seiner Abgaseintrittsseite, unter Zwischenschaltung eines Oxidationskatalysators, mit einer Brennkraftmaschine an deren Abgasseite verbunden. Der Oxidationskatalysator wird entweder bei einem mageren Betrieb der Brennkraftmaschine oder mittels zusätzlicher Lufteinblasung unter Luftüberschuss betrieben, um Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, Stickstoffmonoxid zu Stickstoffoxid, sowie Kohlenwasserstoff-Verbindungen zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren, jeweils unter Verbrauch von Sauerstoff. Dagegen arbeitet der Reduktionskatalysator ohne eine zusätzliche Lufteinblasung unter Luftmangel und reduziert die im Abgas enthaltenen Stickoxide zur Stickstoff unter Freisetzung von Sauerstoff. Derartige Katalysatoren sind an sich bekannt, so dass auf deren detaillierte Beschreibung und Funktionsweise verzichtet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise eine Energiebereitstellungs-Hilfseinrichtung zur kontinuierlichen oder zeitweisen Versorgung mindestens einer Funktionseinheit mit elektrischem Strom. Ein derart eingesetztes Brennstoffzellensystem wird quasi stationär betrieben und erlaubt dabei eine flexible Bedarfsdeckung der zur Abgasnachbehandlung notwendigen Ammoniakmenge. Aufgrund dieses Freiheitsgrads ist eine erheblich vereinfachte Prozessführung der Abgasnachbehandlung möglich, insbesondere aufgrund der kontrollierbaren Ammoniakerzeugung mittels der Aufbereitungseinrichtung, die dem Brennstoffzellensystem nachgeschaltet ist.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Kraftfahrzeug, mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung, gemäß Anspruch 10 vorgeschlagen. Mittels eines derartigen Kraftfahrzeugs lassen sich die in Bezug auf die Abgasnachbehandlungsvorrichtung vorerwähnten Vorteile erzielen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer in einem Kraftfahrzeug integrierten Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß einer möglichen Ausführungsform und
  • 2 eine Diagrammdarstellung in Bezug auf eine mögliche katalytische Ammoniakbildung aus einem Brennstoffzellenabgas in Abhängigkeit der Betriebstemperatur desselben Brennstoffzellenabgases.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer allgemein mit 10 bezeichneten Abgasnachbehandlungsvorrichtung in einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt). Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 weist eine Nachbehandlungsbetriebsstoff-Bereitstellungseinrichtung 12 und eine Abgasfördereinrichtung 14 auf. Die Abgasfördereinrichtung 14 ist mit der Abgasseite einer Brennkraftmaschine 16 verbunden und führt zu einem Oxidationskatalysator 18, der mittels einer Abgasleitung 20 mit einem Reduktionskatalysator 22 verbunden ist. Vom Reduktionskatalysator 22 führt eine Abgasleitung 24 zu mindestens einer, nicht dargestellten Funktionseinheit des Kraftfahrzeugs zur Weiterleitung des Abgases der Brennkraftmaschine 16 gemäß Pfeil 26. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 ist mit einem allgemein mit 28 bezeichneten Brennstoffzellensystem verbunden. Das Brennstoffzellensystem 28 enthält einen Reformer 29, der aus dem mittels einer Kraftstoffzuführleitung 32 zugeführten Kraftstoff ein Reformat erzeugt, in dem Wasserstoff abgespalten ist, eine Mehrzahl an Brennstoffzellen 30, mittels welchen elektrische Energie, insbesondere zur wirkungsgradgünstigen On-Board-Stromproduktion erzeugt wird und eine Abzweigung 31 mittels derer Reformat aus dem Brennstoffzellensystem 28 herausgeführt werden kann, ohne die Brennstoffzellen 30 zu durchlaufen. Brennstoffzellenabgas und/oder abgezweigtes Reformat werden durch Leitungen 34 zu einer Aufbereitungseinrichtung 36 geführt, mittels welcher die Erzeugung von Ammoniak erfolgt. Hierzu ist die Aufbereitungseinrichtung 36 vorzugsweise als ein Ammoniak-Edelmetallkatalysator ausgebildet. Von der Aufbereitungseinrichtung 36 führt eine Ammoniakzuführleitung 38 zum Reduktionskatalysator 22. Die Ammoniakzuführleitung 38 ist mit einer Dosiereinrichtung 40 versehen, die vorzugsweise als Durchflusssteuereinrichtung ausgebildet ist. Die Ammoniakzuführleitung 38 ist gleichzeitig mit einer Ammoniakförderleitung 42 verbunden, die einen Ammoniak-Zwischenspeicher 46 mit der Ammoniakzuführleitung 38 verbindet. Die Ammoniakförderleitung 42 ist ebenfalls mit einer Dosiereinrichtung 44, insbesondere in Form einer Durchflussteuereinrichtung versehen. Vom Brennstoffzellensystem 28 führt ferner eine gestrichelt dargestellte Brennstoffzellenabgas-Bypassleitung 48 zur Ammoniakzuführleitung 38. Die Brennstoffzellenabgas-Bypassleitung 48 dient dazu, das Brennstoffzellenabgas direkt von den Brennstoffzellen 30 zur Ammoniakzuführleitung 38 und von dieser in den Reduktionskatalysator 22 zu führen, ohne dass das Brennstoffzellenabgas mittels der Aufbereitungseinrichtung 36 in Ammoniak umgewandelt wird. Die Brennstoffzellenabgas-Bypassleitung 48 ist ebenfalls mit einer Dosiereinrichtung 50 versehen, die bevorzugt als Durchflusssteuereinrichtung ausgebildet ist.
  • Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 10 wird somit zur Abgasnachbehandlung mit Ammoniak als Nachbehandlungsbetriebsstoff beaufschlagt, wobei das Ammoniak (NH3) mittels der Aufbereitungseinrichtung 36 aus dem Brennstoffzellenabgas und/oder dem Reformat gewonnen wird. Überschüssiges Ammoniak kann gegebenenfalls im Ammoniak-Zwischenspeicher 46 zwischengespeichert werden und bei Bedarf mittels der Dosiereinrichtung 50 (in Kooperation mit der Dosiereinrichtung 44) kontrolliert in den Reduktionskatalysator 22 eingegeben werden. Bei einer in Bezug auf den Ammoniak-Bedarf des Reduktionskatalysators 22 überschüssigen Brennstoffzellenabgasproduktion kann alternativ oder zusätzlich zur Zwischenspeicher-Lösung das überschüssige Brennstoffzellenabgas durch die Brennstoffzellenabgas-Bypassleitung 48 mittels der Dosiereinrichtung 50 kontrolliert durch die Ammoniakzuführleitung 38 in Kooperation mit der Dosiereinrichtung 40 in den Reduktionskatalysator 22 geführt werden.
  • Mittels der Bypass- und/oder Zwischenspeicher-Lösung in Kooperation mit den Dosiereinrichtungen 50, 44, 40 ist es möglich, eine nahezu stöchiometrische Versorgung des Reduktionskatalysators 22 mit Ammoniak zu gewährleisten. Dabei kommt es im Reduktionskatalysator 22 zur folgenden Reaktion: 2·NH3 + NO2 + NO ↔ 2·N2 + 3·H2O.
  • Dem Brennstoffzellensystem 28 wird in bekannter Weise soviel Kraftstoff über die Kraftstoffzuführleitung 32 zugeführt, wie zur Erzeugung der jeweils geforderten elektrischen Leistung, welche durch das Brennstoffzellensystem 28 abzudecken ist, notwendig ist. Am Reformer 29 wird der zugeführte Kraftstoff in ein wasserstoffreiches Gas umgesetzt. Ein variabler Anteil des Wasserstoffs wird in den Brennstoffzellen 30 zur Herstellung elektrischer Energie verbraucht, so dass ein Rest an Wasserstoff (H2) im Brennstoffzellenabgas neben anderen Abgaskomponenten, wie zum Beispiel CO, CO2, N2 und CH4, vorhanden bleibt. Dieses über 100°C heiße Brennstoffzellenabgas kann der Aufbereitungseinrichtung 36 zugeführt werden, welche beispielsweise als Ammoniak-Edelmetallkatalysator ausgebildet sein kann. Mittels der Aufbereitungseinrichtung 36 wird aus dem Brennstoffzellenabgas und/oder dem Reformat eine signifikante Menge an Ammoniak synthetisiert. Dies geht aus 2 hervor, in welcher Y-Achse die Durchsatzmenge in mol/sek und die X-Achse die Betriebstemperatur in °C darstellt. Die Kennlinie "a" entspricht dem N2-Anteil im aufbereiteten Brennstoffzellenabgas und/oder Reformat, die Kennlinie "c" stellt den entsprechenden NH3-Anteil, die Kennlinie "d" stellt den entsprechenden H2-Anteil und die Kennlinie "b" stellt den entsprechenden Rest-Anteil im aufbereiteten Brennstoffzellenabgas und/oder Reformat, das heißt bei Austritt aus der Aufbereitungseinrichtung 36, dar.
  • Bei dem Ammoniak-Zwischenspeicher 46 handelt es sich insbesondere um eine optionale Funktionseinheit. Der weitere konstruktive Aufbau und die Funktionsweise der in 1 dargestellten Funktionseinheiten sind an sich bekannt, so dass auf deren detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
    • 10
    Abgasnachbehandlungsvorrichtung
    12
    Nachbehandlungsbetriebsstoff-Bereitstellungseinrichtung
    14
    Abgasfördereinrichtung
    16
    Brennkraftmaschine
    18
    Oxidationskatalysator
    20
    Abgasleitung
    22
    Reduktionskatalysator
    24
    Abgasleitung
    26
    Pfeil
    28
    Brennstoffzellensystem
    29
    Reformer
    30
    Brennstoffzelle
    31
    Abzweigung
    32
    Kraftstoffzuführleitungen
    34
    Leitungen
    36
    Aufbereitungseinrichtung
    38
    Ammoniakzuführleitung
    40
    Dosiereinrichtung
    42
    Ammoniakförderleitung
    44
    Dosiereinrichtung
    46
    Ammoniak-Zwischenspeicher
    48
    Brennstoffzellenabgas-Bypassleitung
    50
    Dosiereinrichtung

Claims (10)

  1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) einer mit Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine (16), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Nachbehandlungsbetriebsstoff-Bereitstellungseinrichtung (12), aufweisend eine Aufbereitungseinrichtung (36) und mit einem der Nachbehandlungsbetriebsstoff-Bereitstellungseinrichtung (12) zugeordneten Brennstoffzellensystem (28) aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (30) und einen der Brennstoffzelle (30) vorgeschalteten Reformer (29), dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinrichtung (36) dem Brennstoffzellensystem (28) nachgeschaltet ist und ein Abgas der Brennstoffzelle (30) und/oder ein Reformat des Reformers (29) zum Nachbehandlungsbetriebsstoff aufbereitet, und dass der Reformer (29) mit Kraftstoff gespeist ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Nachbehandlungsbetriebsstoff Ammoniak und die Aufbereitungseinrichtung (36) ein Ammoniak-Katalysator ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinrichtung (36) an ihrer Eintrittsseite für das Brennstoffzellenabgas und/oder das Reformat mit einem Brennstoffzellensystem (28) und an ihrer Austrittsseite mit einem Reduktionskatalysator (22) zur NOx-Reduktion verbunden ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionskatalysator (22) ein SCR-Katalysator ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinrichtung (36) an ihrer Austrittsseite zusätzlich mit einem Ammoniak-Zwischenspeicher (46) verbunden ist, der seinerseits mit dem Reduktionskatalysator (22) in Verbindung steht.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungseinrichtung (36) und der Ammoniak-Zwischenspeicher (46) an ihrer jeweiligen Austrittsseite mit einer entsprechenden Dosiereinrichtung (40, 44) verbunden sind, die zur dosierten Ammoniakbeaufschlagung des Reduktionskatalysators (22) dienen.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (28) mittels einer zusätzlichen, zuschaltbaren Brennstoffzellenabgas-Bypassleitung (48) mit einem Abgasstrang der Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionskatalysator (22) an seiner Abgaseintrittsseite, unter Zwischenschaltung eines Oxidationskatalysators (18) mit einer Brennkraftmaschine (16) an deren Abgasseite verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (28) eine Energiebereitstellungs-Hilfseinrichtung ist zur kontinuierlichen oder zeitweisen Versorgung mindestens einer Funktionseinheit mit elektrischem Strom.
  10. Kraftfahrzeug mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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