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Die Erfindung betrifft eine regenerative Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Ebenso betrifft die Erfindung ein Fahrzeugtemperiersystem für ein Kraftfahrzeug und ein Energieversorgungssystem für einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Variieren einer Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum eines mit einer regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2004 027 433 A1 ist ein Fahrzeug mit einer Batterie als einem ersten Energiespeicher und einem Wasserstofftank als einem zweiten Energiespeicher beschrieben. Der Wasserstofftank ist mit einem von einem Elektrolyseur erzeugten Wasserstoff befüllbar. Der Elektrolyseur und die Batterie sind so an eine externe Energiequelle anbindbar, dass zuerst die Batterie aufladbar ist, und ab Überschreiten eines vorgegebenen Ladezustands der Batterie die Energie der externen Energiequelle zum Erzeugen von Wasserstoff zum Befüllen des Wasserstofftanks verwendbar ist. Wird zum Betreiben einer elektrischen Maschine als Antriebsaggregat Energie benötigt, so wird bis zu einem vorgegebenen Ladezustand der Batterie zunächst deren Energie verwendet, und anschließend Wasserstoff aus dem Wasserstofftank in einen Verbrennungsmotor als Brennmittel zur Energieerzeugung verbraucht. Anstelle des Elektrolyseurs und des Verbrennungsmotors soll auch eine reversible Brennstoffzelle einsetzbar sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine regenerative Brennstoffzellenvorrichtung, ein Fahrzeugtemperiersystem für ein Kraftfahrzeug, ein Energieversorgungssystem für einen elektrischen Antriebsmotor eines Fahrzeugs, ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Variieren einer Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum eines mit einer regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft Möglichkeiten zum Heizen oder Kühlen eines Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs durch Nutzung der während der endothermen Elektrolyse und/oder der reversiblen exothermen Reaktion anfallenden Abwärme der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung. Wie unten genauer ausgeführt wird, ist bei einer Verwendung der vorliegenden Erfindung das Heizen oder Kühlen des Fahrzeuginnenraums auf eine für einen Fahrzeuginsassen angenehme Temperatur selbst bei extremen Außentemperaturen bei einem (zusätzlich zu der Abwärme benötigten) Energieverbrauch von nahezu Null möglich. Mittels der vorliegenden Erfindung ist somit ein zum Heizen oder Kühlen des Fahrzeuginnenraums notwendiger Kraftstoffverbrauch/Stromverbrauch signifikant reduzierbar. Die vorliegende Erfindung trägt somit zum Energiesparen und zum Umweltschutz bei.
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Beispielsweise ist der Fahrzeuginnenraum mittels der von der Wärmeübertragungsvorrichtung zumindest teilweise weitergeleiteten Abwärme der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung heizbar. Die bei der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung anfallende Abwärme erlaubt selbst bei extremen Außentemperaturen eine großzügige Beheizung des Fahrzeuginnenraums. Somit ist selbst im Winter ein energiesparendes und wenig stromverbrauchendes Fahren mit einer angenehmen Temperatur im Fahrzeuginnenraum möglich.
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Als Alternative oder als Ergänzung dazu ist der Fahrzeuginnenraum mittels der Sorptionskältemaschine abkühlbar. Zusätzlich zu einem komfortablen, energiesparenden und wenig stromverbrauchenden Fahren im Winter kann somit auch bei extrem sommerlichen Temperaturen noch eine angenehme Temperatur im Fahrzeuginnenraum unter Beibehalt der oben genannten Vorteile realisiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der regenerative Brennstoffzellenvorrichtung umfasst die Sorptionskältemaschine eine Absorptionskältemaschine und ein Austreiber ist als Untereinheit der Sorptionskältemaschine mittels zumindest des Teils der Abwärme der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung beheizbar. Auf dies Weise kann der Fahrzeuginnenraum energiesparend und umweltfreundlich abgekühlt werden. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann die Sorptionskältemaschine auch eine Adsorptionskältemaschine umfassen, wodurch ein Kältespeicher realisierbar ist.
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Vorzugsweise ist die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung derart direkt oder indirekt an einen elektrischen Antriebsmotor des Fahrzeugs anbindbar, dass der von der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung erzeugte Strom an den elektrischen Antriebsmotor ausgebbar ist. Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung, welche zum Beheizen oder Kühlen des Fahrzeuginnenraums so vorteilhaft nutzbar ist, kann somit auch zum Sicherstellen einer Stromversorgung des elektrischen Antriebsmotors verwendet werden. Insbesondere kann die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung als Ergänzung zu einer Batterie, wie beispielsweise einer konventionellen Li-Ionen-Batterie, eingesetzt werden. Durch die zusätzliche Verwendung der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung zusammen mit der Batterie können eine Speicherkapazität und eine Energiedichte eines aus der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung und der Batterie gebildeten Energieversorgungssystems gesteigert werden. Dabei kann auch der potentielle Gewichtsvorteil der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung gegenüber einer zusätzlich verwendeten zweiten Batterie genutzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung dazu ausgelegt, als endotherme Elektrolyse unter Verbrauch des bereitgestellten Stroms Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten und mittels der reversiblen exothermen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser Strom zu erzeugen. Eine derartige regenerative Brennstoffzellenvorrichtung ist vergleichsweise leicht und kostengünstig herstellbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung dieses Typs von regenerativer Brennstoffzellenvorrichtung limitiert ist. Stattdessen können auch andere exotherme und endotherme Reaktionen mittels der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung ausführbar sein, wobei die anfallende Abwärme zum Heizen oder Kühlen des Fahrzeuginnenraums nutzbar ist.
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Vorteilhaft ist auch ein Fahrzeugtemperiersystem für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen regenerative Brennstoffzellenvorrichtung, der Wärmeübertragungsvorrichtung und/oder der Sorptionskältemaschine.
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Die oben ausgeführten Vorteile sind auch bei einem Energieversorgungssystem für einen elektrischen Antriebsmotor eines Fahrzeugs gewährleistet, welches eine derartige regenerative Brennstoffzellenvorrichtung und eine Batterie, mittels welcher der elektrische Antriebsmotor bestrombar ist, umfasst, wobei die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung und die Batterie elektrisch an eine gemeinsame elektrische Schnittstelle angebunden sind, über welche ein Ladestrom von einer fahrzeugexternen Stromversorgungsquelle derart an die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung und die Batterie bereitstellbar ist, dass die Batterie aufladbar und mindestens ein an die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung angebundener Speicher für ein bei der endothermen Elektrolyse erzeugtes Elektrolyseprodukt auffüllbar ist. Somit ist ein „Betanken” des Energieversorgungssystems trotz der zusätzlichen Nutzung der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung unter Beibehaltung der rein elektrischen Schnittstelle möglich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Energieversorgungssystems ist der elektrische Antriebsmotor in einem Booster-Betrieb gleichzeitig mittels der Batterie und mittels der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung mit Strom versorgbar. Die realisierbare parallele Versorgung des elektrischen Antriebsmotors aus der Batterie und der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung trägt zur Erhöhung des maximalen Motorstroms bei.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung und die Batterie an den generatorisch betreibbaren elektrischen Antriebsmotor und/oder einem Generator des Kraftfahrzeugs anbindbar, und ein von dem generatorisch betreibbaren elektrischen Antriebsmotor und/oder dem Generator erzeugter Generatorstrom ist derart an die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung und an die Batterie bereitstellbar, dass die Batterie aufladbar und der mindestens eine Speicher auffüllbar ist. Die vorliegende Erfindung trägt somit auch zur Erhöhung der Energierückgewinnung bei rekuperativen Bremsvorgängen bei.
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Auch ein Elektrofahrzeug mit einer entsprechenden regenerativen Bremsvorrichtung oder mit einem derartigen Energieversorgungssystem realisiert die vorausgehend beschriebenen Vorteile.
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Des Weiteren sind die aufgezählten Vorteile auch realisierbar durch ein Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Variieren einer Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum eines mit einer regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs. Das Verfahren ist gemäß den Ausführungsformen der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung und des Energieversorgungssystems weiterbildbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1a bis 1d schematische Darstellungen und Koordinatensysteme zum Erläutern einer Funktionsweise einer Ausführungsform der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung; und
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2 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Variieren einer Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum eines mit einer regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a bis 1d zeigen schematische Darstellungen und Koordinatensysteme zum Erläutern einer Funktionsweise einer Ausführungsform der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die in 1a schematisch dargestellte regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Elektrofahrzeug oder in einem Hybridfahrzeug, verwendbar. Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist zum Ausführen einer endothermen Elektrolyse unter Verbrauch eines bereitgestellten Stroms und zum Erzeugen von Strom mittels einer zu der Elektrolyse reversiblen exothermen Reaktion ausgelegt. In dem Ausführungsbeispiel der 1a ist die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 dazu ausgelegt, als endotherme Elektrolyse unter Verbrauch des bereitgestellten Stroms Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten und mittels der reversiblen exothermen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser (Knallgasreaktion) Strom zu erzeugen. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Auslegung der regerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 jedoch nur beispielhaft zu interpretieren ist. Vorzugsweise ist die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 in ihrem aktivierten Zustand so ansteuerbar, dass entweder die endotherme Elektrolyse oder die exothermen Reaktion mittels der regerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 ausführbar ist.
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Sowohl während der endothermen Elektrolyse als auch während der exothermen Reaktion fällt eine Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 an. Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist zusätzlich derart ausgelegt und direkt oder indirekt so an eine Wärmeübertragungsvorrichtung 14 des Kraftfahrzeugs und/oder an eine Sorptionskältemaschine 16 des Kraftfahrzeugs anbindbar/angebunden, dass die Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 zumindest teilweise an die Wärmeübertragungsvorrichtung 14 weiterleitbar ist und/oder zumindest eine Untereinheit der Sorptionskältemaschine 16 mittels zumindest eines Teils der Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 beheizbar ist. In der Ausführungsform der 1a ist die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 sowohl an die Wärmeübertragungsvorrichtung 14 als auch an die Sorptionskältemaschine 16 angebunden. Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann auch ein Teil eines (kompakten) Fahrzeugtemperiersystems sein, welches die Wärmeübertragungsvorrichtung 14 und/oder die Sorptionskältemaschine 16 zusätzlich umfasst. Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann somit zusammen mit der Wärmeübertragungsvorrichtung 14 und/oder der Sorptionskältemaschine 16 als eine (kompakte) bauliche Einheit ausgebildet sein.
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Sofern die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 an die Wärmeübertragungsvorrichtung 14 angebunden ist, kann die zumindest teilweise an die Wärmeübertragungsvorrichtung 14 bereitgestellte Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 in einen Fahrzeuginnenraum eines (mit der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 und der Wärmeübertragungsvorrichtung 14 ausgestatteten) Fahrzeugs, insbesondere in einen Fahrgastraum, weitergeleitet werden. Auf diese Weise ist der Fahrzeuginnenraum mittels der von der Wärmeübertragungsvorrichtung 14 zumindest teilweise weitergeleiteten Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 heizbar. Somit kann die Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums genutzt werden, wodurch zumindest weniger Kraftstoff und/oder weniger elektrische Energie zum Fahrzeugheizen benötigt wird. Insbesondere kann die Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 zum komfortablen Beheizen des Fahrzeuginnenraums ausreichend sein. Die hier beschriebene Nutzbarkeit der die Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 reduziert somit einen Energieverbrauch eines Fahrzeugs bei Heizen.
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Unter der Sorptionskältemaschine 16 kann z. B. eine Sorptionsklimaanlage verstanden werden. Die Sorptionskältemaschine 16 kann insbesondere eine Absorptionskältemaschine 16 oder eine Adsorptionskältemaschine umfassen/sein. Wie unten genauer ausgeführt wird, kann mittels eines Beheizens zumindest einer Untereinheit der Sorptionskältemaschine 16 mittels zumindest des Teils der Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 der Fahrzeuginnenraum mittels der Sorptionskältemaschine 16 abgekühlt werden. Somit kann auch in diesem Fall die Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 dazu genutzt werden, einen zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums notwendigen Kraftstoffverbrauch und/oder Verbrauch an elektrischer Energie zumindest zu reduzieren. Auch kann die Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 zum komfortablen Kühlen des Fahrzeuginnenraums soweit ausreichen, dass kein Kraftstoffverbrauch und kein Verbrauch an elektrischer Energie zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums notwendig sind. Auch beim Kühlen des Fahrzeuginnenraums kann somit Energie eingespart werden.
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Beispielsweise weist eine zur endothermen Spaltung von Wasser und zur Stromgewinnung durch die Knallgasreaktion ausgelegte regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 (insbesondere im Brennstoffzellenbetrieb) häufig eine Abwärme 12 auf, welche zumindest einer thermischen Leistung von mindestens 6,5 kW entspricht. Dies ist ausreichend für einen Heizbetrieb, bei welchem selbst bei extremen Außentemperaturen eine gute Beheizung des Fahrzeuginnenraums auf eine angenehme Temperatur erreicht wird. Auch zum verlässlichen Kühlen des Fahrzeuginnenraums auf eine angenehme Temperatur ist die thermische Leistung von 6,5 kW selbst bei heißen Außentemperaturen ausreichend.
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Bei einem Elektrofahrzeug ist herkömmlicher Weise ein Heizen oder Kühlen des Fahrzeugs ausschließlich mittels einer Steigerung des Verbrauchs an elektrischer Energie möglich. Das Gewährleisten einer angenehmen Temperatur in einem Elektrofahrzeug erfordert damit nach dem Stand der Technik ein häufigeres Nachladen/Nachtanken von elektrischer Energie. Diese herkömmliche Komforteinbuße ist jedoch mittels der oben beschriebenen Anbindung der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 an die Wärmeübertragungsvorrichtung 14 und/oder an die Sorptionskältemaschine 16 behebbar. Ein Fahrer wird somit zum Kauf/Benutzen eines umweltfreundlichen und leisen Elektrofahrzeugs angeregt.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass bei jedem Fahrzeugtyp mittels der oben beschriebenen Anbindung der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 an die Wärmeübertragungsvorrichtung 14 und/oder an die Sorptionskältemaschine 16 eine für einen Insassen angenehme Temperatur im Fahrzeuginnenraum auf umweltfreundliche und energiesparende Weise gewährleistbar ist.
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Gegebenenfalls kann zumindest ein Teil der Abwärme 12 vor einer Weiterleitung an die Wärmeübertragungsvorrichtung 14 und/oder an die Sorptionskältemaschine 16 in einem Speicher zwischengespeichert werden. Auf diese Weise kann selbst während eines längeren Vorliegens der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 in einem deaktivierten Zustand die Abwärme 12 zumindest teilweise noch zum Heizen oder Kühlen des Fahrzeuginnenraums verwendet werden.
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In 1b ist eine mit der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 verwendbare Sorptionskältemaschine 16 beispielhaft dargestellt. Die Sorptionskältemaschine 16 ist als Absorptionskältemaschine 16 ausgebildet, wobei ein Austreiber 18 als Untereinheit der Sorptionskältemaschine 16 mittels zumindest des Teils der Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 beheizbar ist. In dem dargestellten Beispiel ist die Sorptionskältemaschine 16 speziell eine LiBr/H2O-Absorptionskälteanlage und weist damit Wasser als Kältemittel in einem Kältemittelkreis 20 und eine wässrige Lithiumbromid-Lösung als Lösungsmittel in einem Lösungsmittelkreis 22 auf.
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In einem Verdampfer 24 in dem Kältemittelkreis 20 wird flüssiges Wasser mittels einer Pumpe 26 auf eine Rohrleitung 28 gesprüht. Der in dem Verdampfer 24 vorliegende Druck wird so niedrig gehalten, dass das auf die Rohrleitung 28 gesprühte Wasser verdampft und somit ein Abkühlen eines über die Rohrleitung 28 geführten Kaltwassers, z. B. von 12°C auf 6°C, bewirkt. Mittels des Verdampfens des Wassers auf der Rohrleitung 28 wird somit dem Kaltwasser Wärme entzogen, so dass das abgekühlte Kaltwasser zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums nutzbar ist.
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Um den niedrigen Druck im Verdampfer 24 aufrechtzuerhalten, wird Wasserdampf über eine Leitung 30 aus dem Verdampfer in einen in dem Lösungsmittelkreis 22 liegenden Absorber 32 überführt und dort in dem Lösungsmittel gelöst. Das mit dem Wasser verdünnte Lösungsmittel wird anschließend mittels einer weiteren Pumpe 34 aus dem Absorber 32 über eine Leitung 36 in den im Lösungsmittelkreis 22 liegenden Austreiber 18 gepumpt. Die in den Austreiber 18 des Lösungsmittelkreislaufs 22 einleitbare Abwärme 12 bewirkt ein Beheizen des verdünnten Lösungsmittels, wodurch Wasserdampf freigesetzt wird, welcher aus dem Austreiber 18 über eine Leitung 38 in einen im Kühlmittelkreis 20 liegenden Kondensator 40 entweichen kann. Das im Austreiber 18 zurückverbleibende konzentrierte Lösungsmittel kann über einen Lösungs-Wärme-Tauscher 42 in den Absorber 32 zurückgeführt werden. Der in den Kondensator 40 entweichende Wasserdampf kondensiert dort zu Wasser, welches erneut mittels der Pumpe 26 aus dem Kondensator 40 über eine Leitung 44 in den Verdampfer 24 pumpbar und danach auf die Rohrleitung 28 sprühbar ist.
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Die an die Sorptionskältemaschine 16 bereitgestellte Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann somit zum Aufrechterhalten eines Kreislaufs genutzt werden, welcher eine fortlaufende Kühlung des über die Rohrleitung 28 geführten Kaltwassers ermöglicht. Eine Abwärme des mittels der 1b dargestellten Prozesses kann über externe Wärmetauscher 46 und 48, welche beispielsweise mittels eines Wassers von einem Kühlturm und/oder mittels eines anders bereitgestellten Kühlwassers betrieben werden, abgeführt werden. Da die Pumpen 26 und 34 kaum Energie verbrauchen, wird die zum Aufrechterhalten des Prozesses benötigte Energie fast ausschließlich über die Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 gedeckt. Damit ist eine Fahrzeugkühlung, welche die Energieressourcen des Kraftfahrzeugs kaum beansprucht, möglich.
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Somit kann eine kostengünstige LiBr/H2O-Absorptionskälteanlage als Sorptionskältemaschine 16 so eingesetzt werden, dass selbst bei heißen Außentemperaturen der Fahrzeuginnenraum mittels der Abwärme 12 angenehm abkühlbar ist.
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Es wird auch darauf hingewiesen, dass als Sorptionskältemaschine 16 eine Adsorptionskältemaschine, d. h. eine Sorptionskältemaschine 16 mit einem festen Sorptionsmittel, einsetzbar ist. Eine derartige Sorptionskältemaschine 16 kann unter einer Nutzung der Abwärme 12 insbesondere als Kältespeicher eingesetzt werden.
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In der Ausführungsform der 1a ist die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 vorteilhafterweise derart direkt oder indirekt an einem elektrischen Antriebsmotor 50 des Kraftfahrzeugs anbindbar/angebunden, dass der von der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 erzeugte Strom an den elektrischen Antriebsmotor 50 ausgebbar ist. Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 bildet insbesondere zusammen mit einer Batterie 52, welche beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie ist, ein Energieversorgungssystem für den elektrischen Antriebsmotor 50. Auch mittels der Batterie 52 ist der elektrische Antriebsmotor 50 bestrombar. Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 unterstützt somit die Batterie 52. Dies trägt zu einer Erhöhung der Speicherkapazität und der Energiedichte des aus den Komponenten 10 und 52 bestehenden Energieversorgungssystems, speziell für ein Elektrofahrzeug, gegenüber einer herkömmlichen Fahrzeugbatterie bei. Außerdem kann auf diese Weise eine Lebensdauer der Batterie 52 durch Reduktion der anfallenden Lade- und Entlade-Zyklen gesteigert werden. Dies bewirkt auch eine Entkopplung von Leistung und Energieinhalt des Energieversorgungssystems, während bei einer herkömmlichen Verwendung von lediglich einer Fahrzeugbatterie zur Energieversorgung des elektrischen Antriebsmotors 50 Leistung und Energie direkt zusammenhängen.
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Durch die Nutzung der Abwärme 12 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 zum Heizen oder Kühlen des Fahrzeuginnenraums wird kaum eine Energie der Batterie 52 zum Einstellen einer angenehmen Temperatur im Fahrzeuginnenraum benötigt. Dies bewirkt eine signifikante Reduktion des Verbrauchs der auf der Batterie 52 gespeicherten Energie, insbesondere bei einem Elektrofahrzeug, wodurch eine zusätzliche Schonung der Batterie 52 und ein längeres und weiteres Fahren mittels der auf der Batterie 52 gespeicherten Energie ermöglicht wird. Eine Reichweite eines mit der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 und der Batterie 52 ausgestatteten Fahrzeugs nach einem Betanken ist mindestens auf über 200 km steigerbar. Eine Akzeptanz eines Elektrofahrzeugs für einen Fahrer wird damit gesteigert.
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Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 und die Batterie 52 sind elektrisch an eine gemeinsame elektrische Schnittstelle 54 angebunden, über welche ein Ladestrom von einer fahrzeugexternen Stromversorgungsquelle 56 derart an die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 und an die Batterie 52 bereitstellbar ist, dass die Batterie 52 aufladbar und mindestens ein an die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 angebundener Speicher 58a und 58b für ein bei der endothermen Elektrolyse erzeugtes Elektrolyseprodukt auffüllbar ist. Ein „Betanken” des mit dem Energieversorgungssystem ausgestatteten Fahrzeugs ist somit rein elektrisch möglich. Ein direktes Nachfüllen des mindestens einen Speichers 58a und 58b ist nicht notwendig. Das Bereitstellen des Ladestroms an die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 und an die Batterie 52 kann wahlweise gleichzeitig oder in einer vorgegebenen Reihenfolge erfolgen. Die gemeinsame elektrische Schnittstelle 54 kann beispielsweise eine Ladeelektronik sein.
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Mittels eines Energiemanagers 60 kann der Energiefluss zwischen dem elektrischen Antriebsmotor 50, der Batterie 52 und der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 steuerbar sein. Beispielsweise kann das Ansteuern der Komponenten 10, 50 und 52 mittels des Energiemanagers 60 so erfolgen, dass der elektrische Antriebsmotor 50 in einem Booster-Betrieb gleichzeitig mittels der Batterie 52 und mittels der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit elektrischem Strom versorgbar ist. Bei einem Normalbetrieb des elektrischen Antriebsmotors 50 hingegen kann der Stromfluss zwischen den Komponenten 10, 50 und 52 so angesteuert werden, dass wahlweise zuerst die Energie der Batterie 52 oder zuerst die auf der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 in Form der Elektrolyseprodukte gespeicherte Energie zum Betreiben des elektrischen Antriebsmotors 50 verbraucht wird.
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Optionalerweise können die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 und die Batterie 52 an dem generatorisch betreibbaren elektrischen Antriebsmotor 50 und/oder einem (nicht skizzierten) Generator des Kraftfahrzeugs anbindbar/angebunden sein. Vorzugsweise ist in diesem Fall ein von dem generatorisch betreibbaren elektrischen Antriebsmotor 50 und/oder dem Generator (beim Abbremsen des Kraftfahrzeugs) erzeugter Generatorstrom derart an die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 und an die Batterie 52 bereitstellbar, dass die Batterie 52 aufladbar und der mindestens eine Speicher 58a und 58b (durch Ausführen der endothermen Elektrolyse) auffüllbar ist. Der Generatorstrom kann wahlweise gleichzeitig oder in einer vorgegebenen Reihenfolge an die Batterie 52 und an die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 bereitstellbar sein. Die auf diese Weise realisierbare Aufteilung des Generatorstroms auf die Batterie 52 und auf die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 bewirkt eine Erhöhung des zurückgewonnenen Energieanteils während des rekuperativen Bremsens. Da außerdem in diesem Fall während des rekuperativen Bremsens der an die Batterie 52 ausgegebene Generatorstrom ohne eine Reduzierung der Rekuperationseffizienz reduzierbar ist, wird die Batterie 52 besser geschont. Dies bewirkt eine Erhöhung der Lebensdauer der Batterie 52.
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In der Ausführungsform der 1a umfasst die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung beispielhaft eine Elektrolyseeinheit 62 (bzw. einen Elektrolyseur) und eine Brennstoffzelleneinheit 64. Die Elektrolyseeinheit 62 ist dazu ausgelegt, unter Verbrauch eines bereitgestellten Stroms/Ladestroms Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Optionaler Weise kann dazu de-ionisiertes Wasser einem Tank 66 der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 entnehmbar sein. Mittels der Brennstoffzelleneinheit 64 ist die Knallgasreaktion zur Stromerzeugung ausführbar. Als Alternative zu der getrennten Ausbildung der Einheiten 62 und 64 kann die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 jedoch auch eine kompakt ausgebildete Elektrolyse- und Brennstoffzelleneinheit haben.
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Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung der 1a ist als geschlossenes System ausgebildet, so dass zusätzlich zu einem Wasserstoffspeicher 58a zum Abspeichern des bei der endothermen Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs noch ein Sauerstoffspeicher 58b zum Lagern des gleichzeitig gewonnenen Sauerstoffs in der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 vorhanden ist. Bei dem geschlossenen System ist die Elektrolyseeinheit 62 bevorzugt als Gleichdruck-Elektrolyseur ausgebildet, so dass sowohl der erzeugte Wasserstoff als auch der gewonnene Sauerstoff druckbeaufschlagt an die Speicher 58a und 58b abgegeben werden.
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Der in dem Koordinatensystem der 1c dargestellte Graph gH2 gibt eine Relation zwischen einem in dem Wasserstoffspeicher 58a vorliegenden Speicherdruck pH2 und einem ausreichenden Volumen VH2 des Wasserstoffspeichers 58a wieder. Entsprechend ist eine Relation zwischen einem in dem Sauerstoffspeicher 58b vorliegenden Speicherdruck pO2 und einem ausreichenden Volumen VO2 des Sauerstoffspeichers 58b mittels des Graphens gO2 in dem Koordinatensystemen der 1d dargestellt.
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Wie anhand der Graphen gH2 und gO2 schematisch wiedergegeben, ist bei einem leicht realisierbaren Speicherdruck pH2 und pO2 bereits ein relativ kleines Volumen VH2 und VO2 der Speicher 58a und 58b ausreichend. Der Speicherdruck pH2 und pO2 kann beispielsweise in beiden Speichern 58a und 58b bei 700 bar liegen, so dass für den Wasserstoffspeicher 58a ein Volumen VH2 von 15,5 Liter und für den Sauerstoffspeicher 58b ein Volumen VO2 von 7,5 Liter ausreichend ist. In der Regel ist eine Nachverdichtung nicht notwendig. (Gegebenenfalls kann eine Wasserstoff-Nachverdichtungseinheit benutzt werden.) Es wird darauf hingewiesen, dass bei diesen Volumen VH2 und VO2 für die Speicher 58a und 58b die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit einem Gesamtvolumen von ca. 38 Liter ausbildbar ist. Das Gesamtvolumen der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann damit noch unter dem Volumen der Batterie 52 (bei einer Lithium-Ionen-Batterie typischerweise 50 Liter) liegen.
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Eine Ausstattung der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit dem Tank 66 für de-ionisiertes Wasser 66 ist optional. Außerdem kann die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung 10 auch als offenes System ausgebildet sein, wobei die Brennstoffzelleneinheit 64 Luftsauerstoff zum Ausführen der Knallgasreaktion verwendet. In diesem Fall wird der von der Elektrolyseeinheit 62 erzeugte Sauerstoff in die Atmosphäre entlassen. Wahlweise kann das dabei gewonnene deionisierte Wasser in dem Tank 66 zwischengespeichert oder in die Atmosphäre abgegeben werden. Bei einer Ausbildung der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung 10 als offenes System liegt deren Gesamtvolumen bei ca. 35,5 Liter.
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2 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Variieren einer Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum eines mit einer regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs.
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Zum Ausführen des im Weiteren erläuterten Verfahrens können beispielsweise zumindest einige der zuvor beschriebenen Komponenten verwendet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausführbarkeit des Verfahrens nicht auf das Einsetzen wenigstens einige dieser Komponenten beschränkt ist.
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Beim Nutzen des Verfahrens zum Variieren einer Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum eines mit einer regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung ausgestatteten Kraftfahrzeugs wird mindestens einer der Verfahrensschritte S1 und S2 ausgeführt:
In einem Verfahrensschritt S1 wird eine Abwärme der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung, welche bei einem Ausführen einer endothermen Elektrolyse unter Verbrauch eines bereitgestellten Stroms und/oder bei einer zu der Elektrolyse reversiblen exothermen Reaktion zur Stromerzeugung anfällt, zumindest teilweise an eine Wärmeübertragungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs weitergeleitet. Mittels der Wärmeübertragungsvorrichtung kann die zumindest teilweise bereitgestellte Abwärme deshalb so in einen Fahrzeuginnenraum weitergeleitet werden, dass der Fahrzeuginnenraum mittels der von der Wärmeübertragungsvorrichtung zumindest teilweise weitergeleiteten Abwärme der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung geheizt wird.
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In einem Verfahrensschritt S2 wird zumindest eine Untereinheit einer Sorptionskältemaschine mittels zumindest eines Teils der Abwärme der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung beheizt. Wie oben bereits erklärt ist, kann auf diese Weise der Fahrzeuginnenraum mittels der Sorptionskältemaschine abgekühlt werden.
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Die Verfahrensschritte S1 und S2 können in beliebiger Reihenfolge und mit beliebig vielen Wiederholungen ausgeführt werden. Auf eine erneute Beschreibung der damit realisierten Vorteile wird hier verzichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004027433 A1 [0002]
