DE102010032886A1 - Electrical power supply system for providing operating power to e.g. passenger car, has heat source connected with separation unit of refrigerating unit, and formed by waste heat from region of supply and/or removal of medium to/from cell - Google Patents

Electrical power supply system for providing operating power to e.g. passenger car, has heat source connected with separation unit of refrigerating unit, and formed by waste heat from region of supply and/or removal of medium to/from cell Download PDF

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Abstract

The system (1) has an adsorption refrigerating unit i.e. refrigerant circuit (17), for cooling a fuel cell i.e. proton conducting membrane fuel cell (2), and an electrical energy storage device i.e. battery (3). Waste heat from a region of supply and/or removal of a medium to/from the fuel cell is formed as a heat source for the refrigerating unit. The heat source is indirectly connected with a separation unit (19) i.e. cylinder, of the refrigerating unit. The heat source is designed as an intercooler (10) for flowing of compressed air to the fuel cell.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieversorgungssystem, umfassend zumindest eine Brennstoffzelle und einen elektrischen Energiespeicher nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to an electrical energy supply system, comprising at least one fuel cell and an electrical energy storage device according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.

Brennstoffzellen, beispielsweise Brennstoffzellen auf der Basis von protonenleitenden Membranen (PEM-Brennstoffzellen), werden häufig zum Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere zum Antrieb von Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen, verwendet. Um die vergleichsweise geringe Dynamik in der Leistungsbereitstellung der Brennstoffzelle auszugleichen und möglichst effizient einen hochdynamischen Fahrbetrieb realisieren zu können, sind die in solchen „Brennstoffzellenfahrzeugen” eingesetzten elektrischen Energieversorgungssysteme sehr häufig als Systeme mit Brennstoffzellen und elektrischem Energiespeicher ausgebildet. Häufig werden zusammen mit der Brennstoffzelle dabei sogenannte Hochvoltbatterien oder Hochleistungsbatterien, wie sie beispielsweise aus Einzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie ausgebildet sein können, als elektrische Energiespeicher eingesetzt. Bei derartigen Batterien ist es üblich, dass diese während des Ladens und Entladens, also während des Betriebs der Batterie, eine vergleichsweise hohe Abwärme erzeugen und daher gekühlt werden sollten. Idealerweise ist dabei eine aktive Kühlung der Batterie vorgesehen, welche dafür sorgt, dass die Batterie immer unterhalb einer bestimmten Temperatur betrieben werden kann. Dies dient der Erhöhung der Lebensdauer der Batterie. Alternativ zur Ausgestaltung als Batterie kann der elektrische Energiespeicher auch als Hochleistungskondensator beziehungsweise Supercap ausgebildet sein. Auch solche Kondensatoren können bei Bedarf gekühlt werden.Fuel cells, for example fuel cells based on proton-conducting membranes (PEM fuel cells), are frequently used for driving vehicles, in particular for driving passenger cars or commercial vehicles. In order to compensate for the comparatively low dynamics in the power supply of the fuel cell and to realize a highly dynamic driving operation as efficiently as possible, the electrical energy supply systems used in such "fuel cell vehicles" are very often designed as systems with fuel cells and electrical energy storage. Frequently, so-called high-voltage batteries or high-performance batteries, such as may be formed from single cells in lithium-ion technology, are used as electrical energy storage devices together with the fuel cell. In the case of such batteries, it is usual for them to generate a comparatively high waste heat during charging and discharging, that is to say during operation of the battery, and therefore they should be cooled. Ideally, an active cooling of the battery is provided, which ensures that the battery can always be operated below a certain temperature. This serves to increase the life of the battery. As an alternative to the design as a battery, the electrical energy store can also be designed as a high-performance capacitor or supercap. Even such capacitors can be cooled if necessary.

Die Kühlung ist daher typischerweise so ausgebildet, dass Kühlluft aktiv durch den Bereich des elektrischen Energiespeichers gefördert wird oder dass ein flüssiges Kühlmedium zum Kühlen des elektrischen Energiespeichers eingesetzt wird. Um eine ausreichende Kühlung auch bei hohen Umgebungstemperaturen gewährleisten zu können, ist häufig eine thermische Kopplung des elektrischen Energiespeichers oder des für den elektrischen Energiespeicher verwendeten Kühlmediums an die Klimaanlage eines derartig ausgestatteten Fahrzeugs realisiert. Da die Klimaanlagen typischerweise als Kompressionskälteanlagen ausgebildet sind, bedarf es zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers also einer gewissen Antriebsleistung für den Kältemittelverdichter, welche wiederum direkt oder indirekt vom Antriebssystem zur Verfügung gestellt werden muss und damit den Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems reduziert und den Kraftstoff- beziehungsweise Energieverbrauch erhöht.The cooling is therefore typically designed so that cooling air is actively conveyed through the region of the electrical energy storage device or that a liquid cooling medium is used for cooling the electrical energy storage device. In order to ensure sufficient cooling even at high ambient temperatures, a thermal coupling of the electrical energy storage or the cooling medium used for the electrical energy storage is often realized to the air conditioning of such a vehicle equipped. Since the air conditioning systems are typically designed as compression refrigeration systems, it requires for cooling the electrical energy storage so a certain drive power for the refrigerant compressor, which in turn must be provided directly or indirectly from the drive system available and thus reduces the overall efficiency of the drive system and increases the fuel or energy consumption ,

Aus der DE 103 46 975 A1 ist als Alternative für eine Fahrzeug-Klimaanlage, welche als Kompressionskälteanlage ausgebildet ist, eine Adsorptionskälteanlage beziehungsweise Adsorptionskältemaschine vorgeschlagen. Diese arbeitet dabei in an sich bekannter Art und Weise so, dass über eine Trenneinheit, welche direkt oder mittelbar mit einer Wärmequelle gekoppelt ist, eine Trennung des Kältemittels in Gasphase und Flüssigphase erfolgt. Die Wärme wird bei diesem Aufbau über den Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors bereitgestellt. Ein solcher ist bei dem hier angedachten Aufbau eines elektrischen Energieversorgungssystems jedoch nicht vorhanden.From the DE 103 46 975 A1 is proposed as an alternative for a vehicle air conditioning system, which is designed as a compression refrigeration system, an adsorption refrigeration system or adsorption refrigeration machine. This works in a manner known per se so that via a separation unit which is directly or indirectly coupled to a heat source, a separation of the refrigerant in gas phase and liquid phase takes place. The heat is provided in this structure via the cooling circuit of an internal combustion engine. However, such is not present in the case of the construction of an electrical energy supply system which has been considered here.

Der Patent Abstract of Japan 06-036786 A beschreibt einen vergleichbaren Aufbau auch für eine Brennstoffzelle. Hierbei besteht jedoch der entscheidende Nachteil, dass die im Kühlkreislauf einer Brennstoffzelle anfallende Abwärme, insbesondere beim Einsatz einer PEM-Brennstoffzelle, auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau von ca. 70 bis 90°C liegt. Diese Abwärme ist zum Betrieb einer Adsorptionskältemaschine zwar prinzipiell ausreichend, für einen effizienten und kompakten Aufbau jedoch extrem niedrig.Of the Patent Abstract of Japan 06-036786 A describes a comparable structure for a fuel cell. However, there is the decisive disadvantage that the waste heat arising in the cooling circuit of a fuel cell, in particular when using a PEM fuel cell, is at a comparatively low temperature level of approximately 70 to 90 ° C. Although this waste heat is sufficient in principle to operate an adsorption refrigerator, it is extremely low for an efficient and compact design.

Speziell für die Kühlung einer Batterie in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Hybridfahrzeug oder auch einem Brennstoffzellenfahrzeug, beschreibt die DE 10 2008 039 908 A1 eine Adsorptionskältemaschine, welche mit Wärme aus einem Brenner versorgt wird. Dieser Brenner ist dabei direkt oder mittelbar mit einer Trenneinheit verbunden und kann flüssige, gasförmige oder feste Brennstoffe umsetzen. Als Alternative ist ein elektrisch betriebenes Heizelement dargelegt.Specifically for the cooling of a battery in a vehicle, such as a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle, describes the DE 10 2008 039 908 A1 an adsorption chiller, which is supplied with heat from a burner. This burner is directly or indirectly connected to a separation unit and can implement liquid, gaseous or solid fuels. As an alternative, an electrically operated heating element is set forth.

Der Aufbau hat dabei den Nachteil, dass entweder zusätzlicher Brennstoff für den Brenner oder zusätzliche elektrische Energie für das elektrische Heizelement bereitgestellt werden muss. Damit wird die eingangs genannte Problematik, dass die Wärmequelle für die Adsorptionskältemaschine einen zusätzlichen Energiebedarf auslöst, nicht oder nicht effizient verringert, sodass nach wie vor Einbußen am Gesamtwirkungsgrad bestehen.The design has the disadvantage that either additional fuel for the burner or additional electrical energy for the electric heating element must be provided. Thus, the problem mentioned above that the heat source for the adsorption chiller triggers an additional energy requirement, not or not efficiently reduced, so that there are still losses in the overall efficiency.

Es ist die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Energieversorgungssystem mit Brennstoffzelle und elektrischem Energiespeicher dahingehend zu verbessern, dass bei ausreichender Kühlung des elektrischen Energiespeichers ein bestmöglicher Gesamtwirkungsgrad erzielt wird.It is the object of the present invention to improve an electrical energy supply system with fuel cell and electrical energy storage to the effect that with sufficient cooling of the electrical energy storage the best possible overall efficiency is achieved.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektrischen Energieversorgungssystems ergeben sich dabei aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße elektrische Energieversorgungssystem ist im Anspruch 9 angegeben.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the electrical energy supply system according to the invention result from the hereof dependent subclaims. A preferred use for the electrical power supply system according to the invention is specified in claim 9.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass, wie im zuletzt genannten Stand der Technik, eine Adsorptionskältemaschine vorgesehen ist, welche zur Kühlung der Brennstoffzelle und/oder des elektrischen Energiespeichers eingesetzt wird. Die Wärmequelle für die Adsorptionskältemaschine bildet dabei Abwärme aus dem Bereich der Zufuhr und/oder Abfuhr von Medien zu/von der Brennstoffzelle. Im Bereich des Brennstoffzellensystems werden Medien zu der Brennstoffzelle geführt, typischerweise Wasserstoff und verdichtete Luft als Sauerstoffquelle. Nach der Brennstoffzelle werden die Reststoffe, also an Sauerstoff abgereicherte Luft und typischerweise eine gewisse Menge an Restwasserstoff, wieder aus dem Bereich der Brennstoffzelle entfernt und bei einigen Brennstoffzellensystemen über einen Brenner oder katalytischen Brenner nachverbrannt, um mit den so entstehenden heißen Abgasen eine Turbine anzutreiben, welche mechanische Leistung beispielsweise zum Betrieb des Verdichters für die Zuluft zur Brennstoffzelle bereitstellt. The solution according to the invention provides that, as in the last-mentioned prior art, an adsorption chiller is provided, which is used for cooling the fuel cell and / or the electric energy storage. The heat source for the adsorption chiller forms waste heat from the area of supply and / or discharge of media to / from the fuel cell. In the area of the fuel cell system, media are conducted to the fuel cell, typically hydrogen and compressed air as an oxygen source. After the fuel cell, the residual substances, ie oxygen depleted air and typically a certain amount of residual hydrogen, are removed from the area of the fuel cell and combusted in some fuel cell systems via a burner or catalytic burner to drive a turbine with the resulting hot exhaust gases, which mechanical power, for example, provides for the operation of the compressor for the supply air to the fuel cell.

Im Bereich der zu der Brennstoffzelle strömenden Medien und im Bereich der von der Brennstoffzelle abströmenden Medien entsteht dabei an verschiedenen Stellen Wärme, welche so nicht oder nicht vollständig benötigt wird. Beispielsweise erwärmt sich die der Brennstoffzelle zugeführte Zuluft beim Verdichten derselben sehr stark, sodass diese entsprechend gekühlt werden muss, um die Membranen der Brennstoffzelle, beim Einsatz einer PEM-Brennstoffzelle, nicht unnötig auszutrocknen. Diese Kühlung der verdichteten Zuluft übernimmt typischerweise ein Ladeluftkühler, welcher beispielsweise in einen Kühlkreislauf der Brennstoffzelle eingebunden ist. Diese Abwärme lässt sich nun gemäß einer ersten besonders günstigen Ausführungsform der hier vorliegenden Erfindung als Wärmequelle für die Adsorptionskältemaschine nutzen. Das Temperaturniveau der verdichteten Luft liegt typischerweise bei ca. 150°C bis 250°C und damit deutlich über dem Temperaturniveau des Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle. Die nach dem Verdichter verdichtete Zuluft hat dabei typischerweise eine ausreichend hohe Temperatur, um eine einfache und kompakte Adsorptionskältemaschine anzutreiben.In the area of the media flowing to the fuel cell and in the area of the media flowing away from the fuel cell, heat is generated at various points, which is thus not or not completely required. For example, the supply air supplied to the fuel cell heats up very strongly when it is compressed, so that it must be cooled accordingly in order not to unnecessarily dry out the membranes of the fuel cell when using a PEM fuel cell. This cooling of the compressed supply air typically takes on a charge air cooler, which is integrated, for example, in a cooling circuit of the fuel cell. This waste heat can now be used according to a first particularly advantageous embodiment of the present invention as a heat source for the adsorption chiller. The temperature level of the compressed air is typically at about 150 ° C to 250 ° C and thus significantly above the temperature level of the cooling circuit of the fuel cell. The compressed after the compressor supply air typically has a sufficiently high temperature to drive a simple and compact Adsorptionskältemaschine.

Eine alternative Möglichkeit ist die Nutzung der im Bereich des Brenners oder katalytischen Brenners entstehenden Wärme, bevorzugt nach dem Durchströmen der Turbine, da diese Wärme nicht anderweitig genutzt werden kann und an die Umgebung abgegeben wird. Diese Wärme ließe sich dann zum Betrieb der Adsorptionskältemaschine nutzen, ohne dass hierfür zusätzliche Energie aufgewendet werden müsste.An alternative possibility is the use of heat generated in the region of the burner or catalytic burner, preferably after flowing through the turbine, since this heat can not be used elsewhere and is released to the environment. This heat could then be used to operate the adsorption chiller without the need for additional energy.

Die Adsorptionskältemaschine kann dabei direkt beziehungsweise über einen Wärmetauscher und einen geeigneten Kühlkreislauf indirekt zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers und alternativ oder ergänzend zur Kühlung der Brennstoffzelle selbst oder auch zur unterstützenden Kühlung eines Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle mitgenutzt werden.The Adsorptionskältemaschine can be shared directly or via a heat exchanger and a suitable cooling circuit indirectly for cooling the electric energy storage and alternatively or in addition to cooling the fuel cell itself or for supporting cooling of a cooling circuit of the fuel cell.

Eine bevorzugte Verwendung des beschriebenen erfindungsgemäßen elektrischen Energieversorgungssystems liegt dabei im Bereitstellen von Antriebsenergie für ein Fahrzeug. Insbesondere bei Fahrzeuganwendungen, in denen aus Gründen der Dynamik Brennstoffzellen mit elektrischen Energiespeichern in praktisch allen denkbaren Szenarien kombiniert werden, spielt eine möglichst effiziente Kühlung insbesondere des elektrischen Energiespeichers, aber gegebenenfalls auch die Unterstützung des Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle, eine entscheidende Rolle für eine langlebige Funktionalität des elektrischen Energieversorgungssystems. Wenn diese erzielt werden kann, ohne dass hierfür zusätzliche Energie verwendet werden muss, dann lässt sich ein entsprechend hoher Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Energieversorgungssystems realisieren. Dies ist von entscheidendem Vorteil für Energieverbrauch und Reichweite des Fahrzeugs, sodass hier die bevorzugte Verwendung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen elektrischen Energieversorgungssystems zu sehen ist.A preferred use of the described electrical energy supply system according to the invention is in the provision of drive energy for a vehicle. In particular, in vehicle applications in which fuel cells are combined with electrical energy storage in virtually all conceivable scenarios for reasons of dynamics plays as efficient as possible cooling of the electrical energy storage, but possibly also the support of the cooling circuit of the fuel cell, a crucial role for a long-lasting functionality of the electric power supply system. If this can be achieved without additional energy has to be used, then a correspondingly high overall efficiency of the electrical energy supply system can be realized. This is of decisive advantage for the energy consumption and range of the vehicle, so that the preferred use of the above-described electric power supply system according to the invention can be seen here.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrischen Energieversorgungssystems ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches unter Bezugnahme auf die Figuren nachfolgend näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the electrical power supply system according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which will be described in more detail with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein elektrisches Energieversorgungssystem gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; 1 an electric power supply system according to the invention in a first embodiment;

2 ein elektrisches Energieversorgungssystem gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform; und 2 an electric power supply system according to the invention in a second embodiment; and

3 ein elektrisches Energieversorgungssystem gemäß der Erfindung in einer dritten Ausführungsform. 3 an electric power supply system according to the invention in a third embodiment.

In der Darstellung der 1 ist ein elektrisches Energieversorgungssystem 1 zu erkennen, welches insbesondere zur Bereitstellung von Antriebsleistung für ein Fahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen, vorgesehen sein kann. Es umfasst im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 2 sowie eine Batterie 3 als elektrischen Energiespeicher, welche in an sich bekannter Art und Weise zur Bereitstellung der elektrischen Antriebsleistung vorgesehen sind, welche dann über einen Antriebsmotor dem Bereich der Antriebsräder direkt oder mittelbar zum Vortrieb des Fahrzeugs zugeführt wird.In the presentation of the 1 is an electrical energy supply system 1 to recognize, which may be provided in particular for the provision of drive power for a vehicle, such as a passenger car. It essentially comprises a fuel cell 2 as well as a battery 3 as an electrical energy store, which are provided in a manner known per se for providing the electrical drive power, which is then fed via a drive motor to the region of the drive wheels directly or indirectly for propulsion of the vehicle.

Die Brennstoffzelle 2 soll dabei als sogenannte PEM-Brennstoffzelle 2 ausgebildet sein, welche aus einer Vielzahl von Einzelzellen besteht, die jeweils über einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 verfügen. Außerdem ist in der Darstellung der 1 ein Wärmetauscher 6 im Bereich der Brennstoffzelle 2 zu erkennen, welcher über einen angedeuteten Kühlmittelkreislauf 7 der Brennstoffzelle 2 zur Kühlung derselben genutzt werden kann. Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff, aus einem Druckgastank 8 zugeführt. Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 wird Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Diese Luft wird über einen Verdichter 9 bereitgestellt und strömt über einen Ladeluftkühler 10 sowie einen optionalen Befeuchter 11 in den Bereich des Kathodenraums 5. Die Batterie 3 soll als Hochvoltbatterie beziehungsweise Hochleistungsbatterie ausgebildet sein, beispielsweise in der Form einer Lithium-Ionen-Batterie, welche aus mehreren elektrisch parallel und/oder seriell miteinander verschalteten Einzelzellen gebildet ist. Die Batterie 3 soll dabei in an sich bekannter Art und Weise über einen Kühlkreislauf 12 gekühlt werden. Dieser Kühlkreislauf 12 besteht aus einer Kühlmittelpumpe 13, einem Drei-Wege-Ventil 14, durch welches das Kühlmittel wahlweise oder durch eine Aufteilung der einzelnen Volumenströme entweder durch die Batterie 3 oder um die Batterie 3 herumgeleitet wird. Außerdem weist der Kühlkreislauf einen Wärmetauscher 15 auf, in welchem das in dem Kühlkreislauf strömende Kühlmedium abgekühlt wird. Des Weiteren ist ein Ausgleichsbehälter 16 für das Kühlmedium im Bereich des Kühlkreislaufs 12 vorgesehen. Der Kühlkreislauf 12 für die Batterie 3 ist dabei über den Wärmetauscher 15 mit einem Kältemittelkreislauf 17 gekoppelt, der gemäß des Funktionsprinzips einer Absorptionskältemaschine arbeitet. Bei dem Kältemittelkreislauf 17 kann es sich beispielsweise um einen eigens zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 und/oder der Batterie 3 vorgesehenen Kältemittelkreislauf handeln. Ergänzend oder alternativ ist es auch denkbar, dass der Kältemittelkreislauf 17 Teil einer nach dem Adsorptionsprinzip arbeitenden Fahrzeugklimaanlage ist.The fuel cell 2 is intended as a so-called PEM fuel cell 2 be formed, which consists of a plurality of individual cells, each having an anode space 4 and a cathode compartment 5 feature. In addition, in the presentation of the 1 a heat exchanger 6 in the field of fuel cell 2 to recognize which via an indicated coolant circuit 7 the fuel cell 2 can be used for cooling the same. The anode compartment 4 the fuel cell 2 becomes fuel, for example hydrogen, from a pressurized gas tank 8th fed. The cathode compartment 5 the fuel cell 2 air is supplied as an oxygen supplier. This air is through a compressor 9 provided and flows through a charge air cooler 10 and an optional humidifier 11 in the area of the cathode compartment 5 , The battery 3 should be designed as a high-voltage battery or high-performance battery, for example in the form of a lithium-ion battery, which is formed of a plurality of electrically parallel and / or series-interconnected individual cells. The battery 3 is intended in a known manner via a cooling circuit 12 be cooled. This cooling circuit 12 consists of a coolant pump 13 , a three-way valve 14 through which the coolant either or by a division of the individual volume flows either by the battery 3 or the battery 3 is led around. In addition, the cooling circuit has a heat exchanger 15 in which the cooling medium flowing in the cooling circuit is cooled. Furthermore, a surge tank 16 for the cooling medium in the area of the cooling circuit 12 intended. The cooling circuit 12 for the battery 3 is over the heat exchanger 15 with a refrigerant circuit 17 coupled, which operates according to the principle of operation of an absorption chiller. In the refrigerant circuit 17 For example, it may be a separate one for cooling the fuel cell 2 and / or the battery 3 act refrigerant circuit provided. Additionally or alternatively, it is also conceivable that the refrigerant circuit 17 Part of a working according to the Adsorptionsprinzip vehicle air conditioner.

Der Kältemittelkreislauf 17 arbeitet mit einer Kältemittellösung K + L, die aus einem Kältemittel K einerseits und einem Lösungsmittel L andererseits gebildet ist. Bei dem Kältemittel K kann es sich dabei vorzugsweise um Ammoniak oder Wasser handeln, bei dem Lösungsmittel L vorzugsweise um Wasser oder Lithiumbromid. Zur Realisierung des Funktionsprinzips der Adsorptionskältemaschine umfasst der Kältemittelkreislauf 17 eine Kältemittelpumpe 18, bei der es sich insbesondere um eine Hochdruckpumpe handelt, mittels welcher einer Trenneinheit 19 die Kühlmittellösung K + L zuführbar ist. Die Trenneinheit 19, welche vorzugsweise ein Zylinder ist, ist dabei direkt mit dem Ladeluftkühler 10 als Wärmequelle verbunden, sodass die im Ladeluftkühler 10 anfallende Abwärme der verdichteten zur Brennstoffzelle 2 strömenden Luft, mit ihrem Temperaturniveau von ca. 150°C bis 200°C, als Wärmequelle für die Trenneinheit 19 des Kältemittelkreislauf 17 dient. Durch die Abwärme aus dem Ladeluftkühler 10 wird die Kältemittellösung K + L erwärmt. Aufgrund des eher niedrigen Siedepunkts des Kältemittels wird dieses Verdampfen, während das Lösungsmittel auch nach der Erwärmung im flüssigen Aggregatzustand verbleibt. Das Kältemittel K lässt sich somit von dem Lösungsmittel L trennen. Anschließend wird das Kältemittel K über eine erste Versorgungsleitung 20 einem Kondensator 21, welcher bevorzugt ein luftgekühlter Kondensator ist, zugeführt. Das Kältemittel kühlt sich im Bereich dieses Kondensators unter Abgabe von Wärme entsprechend ab und kommt somit wieder in den flüssigen Aggregatzustand. Der Kältemittelkreislauf 17 umfasst dann in Strömungsrichtung nach dem Kondensator 21 einen Verdampfer 22, in welchem unter Wärmeaufnahme eine Expansion und Verdampfung des Kältemittels K stattfindet. Die gewünschte Kühlwirkung wird also in diesem Bauteil erreicht. Der Verdampfer 22 ist daher in direktem Kontakt mit dem Wärmetauscher 15 beziehungsweise ist zusammen mit diesem als ein Bauteil ausgebildet. Das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 12 der Batterie 3 wird so durch die im Bereich des Verdampfers 22 stattfindende Expansion und Verdampfung entsprechend abgekühlt, sodass dem Kühlmedium im Kühlkreislauf 12 Wärme entzogen wird und dieses dann wieder zur Kühlung der Batterie 3 eingesetzt werden kann.The refrigerant circuit 17 operates with a refrigerant solution K + L, which is formed from a refrigerant K on the one hand and a solvent L on the other hand. The refrigerant K may preferably be ammonia or water, with the solvent L preferably water or lithium bromide. For realizing the principle of operation of the adsorption refrigerating machine, the refrigerant circuit comprises 17 a refrigerant pump 18 , which is in particular a high-pressure pump, by means of which a separation unit 19 the coolant solution K + L can be supplied. The separation unit 19 , which is preferably a cylinder, is directly with the intercooler 10 connected as a heat source, so that in the intercooler 10 accumulating waste heat of the compressed to the fuel cell 2 flowing air, with its temperature level of about 150 ° C to 200 ° C, as a heat source for the separation unit 19 of the refrigerant circuit 17 serves. Due to the waste heat from the intercooler 10 the refrigerant solution K + L is heated. Due to the rather low boiling point of the refrigerant, this evaporation, while the solvent remains in the liquid state even after heating. The refrigerant K can thus be separated from the solvent L. Subsequently, the refrigerant K via a first supply line 20 a capacitor 21 , which is preferably an air-cooled condenser supplied. The refrigerant cools down accordingly in the region of this condenser with the release of heat and thus returns to the liquid state of aggregation. The refrigerant circuit 17 then includes downstream of the condenser 21 an evaporator 22 , in which under heat absorption, an expansion and evaporation of the refrigerant K takes place. The desired cooling effect is thus achieved in this component. The evaporator 22 is therefore in direct contact with the heat exchanger 15 or is formed together with this as a component. The cooling medium in the cooling circuit 12 the battery 3 is so by the in the area of the evaporator 22 Cooled expansion and evaporation accordingly cooled so that the cooling medium in the cooling circuit 12 Heat is removed and this again to cool the battery 3 can be used.

In dem Kältemittelkreislauf 17 findet sich in Strömungsrichtung nach dem Verdampfer 22 ein Adsorber 23, welchem das Kältemittel K und das Lösungsmittel L zugeführt werden. Hierfür ist zwischen der Trenneinheit 19 und dem Adsorber 23 eine weitere Versorgungsleitung 24 angeordnet, mittels welcher dem Adsorber 23 das in der Trenneinheit 19 aus der Kältemittellösung K + L abgetrennte Lösungsmittel L zuführbar ist. In der hier gewählten Darstellung des Kältemittelkreislaufs 17 ist die Versorgungsleitung 24 dabei so ausgebildet, dass diese im Bereich eines Mantelrohrs 25 mit der das Kältemittel K enthaltenden Leitung zusammengeführt ist, sodass im Bereich des Mantelrohrs das Lösungsmittel L vor dem Eintritt in den Adsorber 23 abgekühlt wird. Das abgekühlte Lösungsmittel L und das Kältemittel K werden dem Adsorber 23 dann gemeinsam zugeführt. Das abgekühlte Lösungsmittel L hat dabei das Bestreben, das Kältemittel K bis zur Sättigung aufzunehmen, sodass nach dem Adsorber 23 wieder die Kältemittellösung K + L vorliegt, welches mittels der Kältemittelpumpe 18 wieder der Trenneinheit 19 zugeführt werden kann.In the refrigerant circuit 17 can be found downstream of the evaporator 22 an adsorber 23 to which the refrigerant K and the solvent L are supplied. This is between the separation unit 19 and the adsorber 23 another supply line 24 arranged, by means of which the adsorber 23 that in the separation unit 19 from the refrigerant solution K + L separated solvent L can be supplied. In the representation of the refrigerant circuit selected here 17 is the supply line 24 in this case designed so that these in the region of a jacket tube 25 with the line containing the refrigerant K is brought together, so that in the region of the jacket tube, the solvent L before entering the adsorber 23 is cooled. The cooled solvent L and the refrigerant K become the adsorber 23 then fed together. The cooled solvent L has a tendency to absorb the refrigerant K to saturation, so after the adsorber 23 again the refrigerant solution K + L is present, which by means of the refrigerant pump 18 again the separation unit 19 can be supplied.

Der Aufbau hat dabei zwei entscheidende Vorteile. Bei der reinen Nutzung einer Adsorptionskältemaschine mit dem Kältemittelkreislauf 17 zur Kühlung der Batterie 3 entsteht der entscheidende Vorteil dadurch, dass die im Ladeluftkühler 10 anfallende Abwärme unmittelbar als Wärmequelle für die Trenneinheit 19 genutzt werden kann. Zusätzliche Energie ist also zur Erwärmung der Trenneinheit 19 nicht notwendig. Außerdem wird die Wärme aus der verdichtenden Luft im Bereich des Ladeluftkühlers 10 so nicht in den Kühlmittelkreislauf 7 der Brennstoffzelle 2 eingetragen, wie es bei sonstigen Aufbauten häufig üblich ist. Da aufgrund des vergleichsweise geringen Temperaturniveaus der Brennstoffzelle 2 die Abfuhr der Abwärme durch den Kühlmittelkreislauf 7 der Brennstoffzelle 2 ohnehin schwierig ist, stellt dies einen entscheidenden Vorteil dar, da durch die im Bereich des Ladeluftkühlers 10 anfallende Abwärme dieser ohnehin schon sensible Kühlmittelkreislauf 7 der Brennstoffzelle 2 nicht weiter belastet wird.The structure has two decisive advantages. In the pure use of an adsorption chiller with the refrigerant circuit 17 for cooling the battery 3 The decisive advantage arises from the fact that in the intercooler 10 accumulating waste heat directly as a heat source for the separation unit 19 can be used. Additional energy is thus used to heat the separation unit 19 unnecessary. In addition, the heat from the compressed air in the area of the intercooler 10 so not in the coolant circuit 7 the fuel cell 2 registered, as is common in other constructions. Because of the comparatively low temperature level of the fuel cell 2 the removal of waste heat through the coolant circuit 7 the fuel cell 2 is difficult anyway, this represents a decisive advantage because of the in the intercooler 10 accumulating waste heat of this already sensitive coolant circuit 7 the fuel cell 2 will not be charged further.

Ergänzend oder alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform wäre es dabei selbstverständlich auch denkbar, neben dem Kühlkreislauf 12 für die Batterie 3 auch Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf 7 der Brennstoffzelle 2 über den Kältemittelkreislauf 17 abzuführen.In addition or as an alternative to the embodiment shown here, it would of course also be conceivable, in addition to the cooling circuit 12 for the battery 3 also heat from the coolant circuit 7 the fuel cell 2 over the refrigerant circuit 17 dissipate.

In der Darstellung der 2 ist ein vergleichbarer Aufbau des elektrischen Energieversorgungssystems 1 in einer alternativen Ausführungsform zu erkennen. Dieselben Bauteile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen und arbeiten analog zur obigen Beschreibung der 1. Es soll daher lediglich auf die Unterschiede zwischen den beiden elektrischen Energieversorgungssystemen 1 näher eingegangen werden. Als Wärmequelle für die Trenneinheit 19 des Kältemittelkreislaufs 17 dient in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Abgas nach einer Turbine 26 in dem elektrischen Energieversorgungssystem 1. Diese Turbine 26 treibt zusammen mit einem elektrischen Motor 27 den Verdichter 9 zur Verdichtung der Zuluft zu der Brennstoffzelle 2 an. Dieser aus dem Stand der Technik bekannte Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Der Aufbau ist dabei so ausgeführt, dass der Motor 27 und die Turbine 26 den Verdichter 9 gemeinsam antreiben. Liegt im Bereich der Turbine 26 eine ausreichende Menge an Energie beziehungsweise Leistung vor, so kann die Turbine 26 den Verdichter 9 auch alleine antreiben und im Falle, das im Bereich der Turbine 26 ein Leistungsüberschuss vorliegt, kann der Motor 27 als Generator mit angetrieben werden, um elektrische Energie zu erzeugen.In the presentation of the 2 is a comparable construction of the electric power supply system 1 to recognize in an alternative embodiment. The same components are provided with the same reference numerals and work analogously to the above description of 1 , It is therefore intended only to the differences between the two electrical power systems 1 be discussed in more detail. As a heat source for the separation unit 19 of the refrigerant circuit 17 is used in the embodiment shown here, the exhaust gas to a turbine 26 in the electric power supply system 1 , This turbine 26 drives together with an electric motor 27 the compressor 9 for the compression of the supply air to the fuel cell 2 at. This construction known from the prior art is also referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). The structure is designed so that the engine 27 and the turbine 26 the compressor 9 drive together. Located in the area of the turbine 26 a sufficient amount of energy or power, so the turbine 26 the compressor 9 also driving alone and in case of that, in the area of the turbine 26 there is an excess of power, the engine can 27 be powered as a generator to generate electrical energy.

Zum Antrieb der Turbine 26 werden heiße Abgase verwendet, welche aus einem Brenner 28, typischerweise einem katalytischen Brenner, einem Porenbrenner oder dergleichen, stammen. Dem Brenner 28 werden die Abgase aus dem Kathodenraum 5 und dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle zugeführt, welche Reste an Sauerstoff und Reste an Wasserstoff aufweisen. Optional und hier nicht dargestellt kann dem Brenner 28 außerdem Kraftstoff beziehungsweise Wasserstoff beispielsweise aus dem Bereich des Druckgastanks 8 bei Bedarf zugeführt werden. Im Bereich des Brenners 28 werden die Reststoffe in den Abgasen der Brennstoffzelle 2 dann entsprechend verbrannt. Die heißen und unter Überdruck gegenüber der Umgebung stehenden Abgase treiben dann die Turbine 26. Sie weisen auch nach der Turbine 26 typischerweise immer noch ein vergleichsweise hohes Temperaturniveau auf und sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Wärmeübertrager 29 mit der Trenneinheit 19 des Kältemittelkreislaufs 17 verbunden, um als Wärmequelle für diese Trenneinheit 19 zu dienen. Der Kältemittelkreislauf 17 funktioniert dann wie oben bereits ausgeführt.To drive the turbine 26 Hot exhaust gases are used, which come from a burner 28 , typically a catalytic burner, a pore burner or the like. The burner 28 the exhaust gases from the cathode compartment 5 and the anode compartment 4 fed to the fuel cell, which have radicals of oxygen and hydrogen radicals. Optional and not shown here is the burner 28 also fuel or hydrogen, for example, from the area of the compressed gas tank 8th be supplied as needed. In the area of the burner 28 become the residues in the exhaust gases of the fuel cell 2 then burned accordingly. The hot exhaust gases that are under pressure from the environment then drive the turbine 26 , They also point to the turbine 26 typically still a comparatively high temperature level and are in the embodiment shown here via a heat exchanger 29 with the separation unit 19 of the refrigerant circuit 17 connected to as a heat source for this separation unit 19 to serve. The refrigerant circuit 17 then works as above.

Ein weiterer Unterschied in dem hier dargestellten Aufbau liegt nun darin, dass der Ladeluftkühler 10 nach dem Verdichter 9 in an sich bekannter Art und Weise in einen Kühlmittelkreislauf, beispielsweise den Kühlmittelkreislauf 7 der Brennstoffzelle 2, integriert ausgebildet ist, wie in der Darstellung der 2 angedeutet.Another difference in the structure shown here is that the intercooler 10 after the compressor 9 in a manner known per se in a coolant circuit, for example, the coolant circuit 7 the fuel cell 2 , is integrated, as shown in the illustration of 2 indicated.

Prinzipiell wäre es selbstverständlich auch denkbar, die heißen Abgase des Brenners 28 ganz oder zumindest teilweise zur direkten Beheizung der Trenneinheit 19 zu nutzen, also ohne, dass die heißen Abgase zuvor durch die Turbine 26 geleitet worden sind. Die verbleibende Abwärme könnte dann immer noch in der Turbine 26 mit umgesetzt werden. Dieser Aufbau würde allerdings die Energieausbeute im Bereich der Turbine 26 nachteilig beeinflussen, sodass hierdurch eine leichte Verringerung des Gesamtwirkungsgrads gegenüber dem oben geschilderten Idealfall zu befürchten wäre.In principle, it would of course also conceivable, the hot exhaust gases of the burner 28 entirely or at least partially for direct heating of the separation unit 19 to use, without, that the hot exhaust gases before through the turbine 26 have been conducted. The remaining waste heat could then still be in the turbine 26 to be implemented with. However, this structure would be the energy yield in the turbine 26 adversely affect, so this would be a slight reduction in the overall efficiency compared to the ideal case described above to be feared.

In der Darstellung der 3 ist nun eine weitere alternative Ausführungsform des elektrischen Energieversorgungssystems 1 dargestellt. Auch dieses entspricht im Wesentlichen dem bereits beschriebenen Aufbau. Neben dem Kältemittelkreislauf 17, welcher analog dem in 2 gezeigten Aufbau angeordnet ist, findet sich in dem elektrischen Energieversorgungssystem 1 gemäß 3 außerdem ein zweiter Kältemittelkreislauf 17', welcher nach demselben Funktionsprinzip arbeitet und welcher nach dem im Rahmen der 1 beschriebenen Prinzip aufgebaut ist. Der Kältemittelkreislauf 17 nutzt also den Wärmeübertrager 29 im heißen Abgas nach der Turbine 26 als Wärmequelle, während der Kältemittelkreislauf 17' den Ladeluftkühler 10 als Wärmequelle nutzt. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Kältemittelkreislauf 17 dabei zur Kühlung der Batterie 3, während der Kältemittelkreislauf 17' ohne eine konkrete Kühlanwendung dargestellt ist. Über diesen Kältemittelkreislauf 17' könnte beispielsweise ein Fahrgastinnenraum eines mit dem elektrischen Energieversorgungssystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs und/oder der Kühlmittelkreislauf 7 der Brennstoffzelle 1 gekühlt oder unterstützend abgekühlt werden.In the presentation of the 3 is now another alternative embodiment of the electrical power system 1 shown. This also essentially corresponds to the structure already described. In addition to the refrigerant circuit 17 , which analogously to in 2 is arranged in the electrical power supply system 1 according to 3 also a second refrigerant circuit 17 ' , which operates on the same principle of operation and which after in the context of 1 described principle is constructed. The refrigerant circuit 17 thus uses the heat exchanger 29 in the hot exhaust after the turbine 26 as a heat source, while the refrigerant circuit 17 ' the intercooler 10 as a heat source uses. In the in 3 illustrated embodiment, the refrigerant circuit is used 17 while cooling the battery 3 while the refrigerant circuit 17 ' is shown without a specific cooling application. About this refrigerant circuit 17 ' For example, a passenger compartment could be one with the electrical power system 1 equipped vehicle and / or the coolant circuit 7 the fuel cell 1 be cooled cooled or supportive.

Über zumindest einen der Kältemittelkreisläufe 17, 17', hier den Kältemittelkreislauf 17', kann also ausschließlich oder parallel zur Kühlung beispielsweise der Brennstoffzelle 2 eine Kühlung eines Bereichs erfolgen, welcher außerhalb des Energieversorgungssystems 1 angeordnet ist. Ein solcher externer Bereich oder auch eine externe Komponente, beispielsweise eine Leistungselektronik, ein elektrischer Antriebsmotor oder dergleichen, können so zusätzlich oder ausschließlich über den Kältemittelkreislauf 17' gekühlt werden.About at least one of the refrigerant circuits 17 . 17 ' , here the refrigerant circuit 17 ' , so can only or in parallel to the cooling of the fuel cell, for example 2 a cooling of a region take place, which is outside of the power supply system 1 is arranged. Such an external area or even an external component, for example a power electronics, an electric drive motor or the like, can thus additionally or exclusively via the refrigerant circuit 17 ' be cooled.

Neben der hier dargestellten direkten Beheizung der Trenneinheit 19 entweder über die heißen Abgase oder die heiße verdichtete Zuluft der Brennstoffzelle 2, wäre es selbstverständlich auch denkbar, diese beiden Wärmequellen zur Beheizung einer einzigen Trenneinheit in einem einzigen Kältemittelkreislauf 17 entsprechend einzusetzen. Dafür wäre eine Kombination der in 1 und 2 gezeigten Aufbauten notwendig, wobei die Wärmeübertragung entweder direkt, über Wärmeleitung oder über einen Wärmekreislauf, welcher die Trenneinheit 19, den Wärmeübertrager 29 und den Ladeluftkühler 10 gemeinsam umfasst, erfolgen könnte.In addition to the direct heating of the separation unit shown here 19 either via the hot exhaust gases or the hot compressed supply air of the fuel cell 2 , it would of course also conceivable, these two heat sources for heating a single separation unit in a single refrigerant circuit 17 to use accordingly. For that would be a combination of in 1 and 2 shown structures necessary, the heat transfer either directly, via heat conduction or a heat cycle, which the separation unit 19 , the heat exchanger 29 and the intercooler 10 together.

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  • JP 06-036786 A [0005] JP 06-036786A [0005]
  • DE 102008039908 A1 [0006] DE 102008039908 A1 [0006]

Claims (9)

Elektrisches Energieversorgungssystem (1), umfassend zumindest eine Brennstoffzelle (2) und einen elektrischen Energiespeicher (3), wobei zur Kühlung der Brennstoffzelle (2) und/oder des elektrischen Energiespeichers (3) wenigstens eine Adsorptionskältemaschine (Kältemittelkreislauf 17, 17') vorgesehen ist, wobei Abwärme aus dem Bereich der Zufuhr und/oder Abfuhr von Medien zu/von der Brennstoffzelle (2) die Wärmequelle für die Adsorptionskältemaschine bildet, und wobei die Wärmequelle zumindest mittelbar mit einer Trenneinheit (19) der Adsorptionskältemaschine verbunden ist.Electric power supply system ( 1 ) comprising at least one fuel cell ( 2 ) and an electrical energy store ( 3 ), wherein for cooling the fuel cell ( 2 ) and / or the electrical energy store ( 3 ) at least one Adsorptionskältemaschine (refrigerant circuit 17 . 17 ' ) is provided, wherein waste heat from the area of supply and / or discharge of media to / from the fuel cell ( 2 ) forms the heat source for the Adsorptionskältemaschine, and wherein the heat source, at least indirectly with a separation unit ( 19 ) of the adsorption chiller is connected. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle ein Ladeluftkühler (10) für die zur Brennstoffzelle (2) strömende verdichtete Luft ist.Electrical power supply system according to claim 1, characterized in that the heat source is a charge air cooler ( 10 ) for the fuel cell ( 2 ) is flowing compressed air. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle Verbrennungsabgase einer Nachverbrennung von Abgasen der Brennstoffzelle (2) nutzt.Electrical power supply system according to claim 1 or 2, characterized in that the heat source combustion exhaust gases of an afterburning of exhaust gases of the fuel cell ( 2 ) uses. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle die Abwärme in den Verbrennungsabgasen vor oder nach einer Turbine (26) nutzt.Electrical power supply system according to claim 3, characterized in that the heat source, the waste heat in the combustion exhaust gases before or after a turbine ( 26 ) uses. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachverbrennung in einem katalytischen Brenner (28) erfolgt.Electrical power supply system according to claim 3 or 4, characterized in that the afterburning in a catalytic burner ( 28 ) he follows. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Adsorptionskältemaschine zur Kühlung des elektrischen Energiespeichers (3) über einen von der Adsorptionskältemaschine gekühlten Kühlkreislauf (12) genutzt ist.Electrical energy supply system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one adsorption chiller for cooling the electrical energy storage ( 3 ) via a cooling circuit cooled by the adsorption chiller ( 12 ) is used. Elektrisches Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Adsorptionskältemaschinen vorgesehen sind, welche verschiedene Wärmequellen nutzen.Electrical energy supply system according to one of claims 1 to 6, characterized in that two Adsorptionskältemaschinen are provided, which use different heat sources. Elektrisches Energieversorgungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Adsorptionskältemaschinen zur Kühlung eines externen Bereichs und/oder von externen Komponenten eingesetzt ist.Electrical energy supply system according to claim 7, characterized in that at least one of the adsorption chillers is used for cooling an external area and / or external components. Verwendung des elektrischen Energieversorgungssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zum Bereitstellen von Antriebsenergie für ein Fahrzeug.Use of the electrical energy supply system ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, for providing drive energy for a vehicle.
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