DE102014207597A1 - A regenerative fuel cell device for a motor vehicle and method for varying a temperature in a vehicle interior - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine regenerative Brennstoffzellenvorrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug, welche dazu ausgelegt ist, eine endotherme Elektrolyse unter Verbrauch eines bereitgestellten Stroms auszuführen und mittels einer zu der endothermen Elektrolyse reversiblen exothermen Reaktion Strom zu erzeugen, wobei die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung (10) zusätzlich derart ausgelegt und direkt oder indirekt so an eine Wärmeübertragungsvorrichtung (14) des Kraftfahrzeugs und/oder an eine Sorptionskältemaschine (16) des Kraftfahrzeugs anbindbar ist, dass eine Abwärme (12) der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung (10) zumindest teilweise an die Wärmeübertragungsvorrichtung (14) weiterleitbar ist und/oder zumindest eine Untereinheit (18) der Sorptionskältemaschine (16) mittels zumindest eines Teils der Abwärme (12) der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung (10) beheizbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Variieren einer Temperatur in einem Fahrzeuginnenraum eines mit einer regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung (10) ausgestatteten Kraftfahrzeugs.The invention relates to a regenerative fuel cell device (10) for a motor vehicle which is designed to carry out an endothermic electrolysis while consuming a supplied current and to generate electricity by means of an endothermic electrolysis reversible exothermic reaction, wherein the regenerative fuel cell device (10) in such a way designed and directly or indirectly connected to a heat transfer device (14) of the motor vehicle and / or sorption of a motor vehicle (16) that a waste heat (12) of the regenerative fuel cell device (10) at least partially to the heat transfer device (14) can be forwarded and / or at least one subunit (18) of the sorption refrigeration machine (16) can be heated by means of at least part of the waste heat (12) of the regenerative fuel cell device (10). Furthermore, the invention relates to a method for varying a temperature in a vehicle interior of a motor vehicle equipped with a regenerative fuel cell device (10).
Description
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.The invention relates to a regenerative fuel cell device for a motor vehicle. Likewise, the invention relates to a Fahrzeugtemperiersystem for a motor vehicle and an energy supply system for an electric drive motor of a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a method for varying a temperature in a vehicle interior of a motor vehicle equipped with a regenerative fuel cell device.
Stand der TechnikState of the art
In der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
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.The invention provides a regenerative fuel cell device, a vehicle temperature control system for a motor vehicle, a power supply system for an electric drive motor of a vehicle, an electric vehicle, and a method for varying a temperature in a vehicle interior of a motor vehicle equipped with a regenerative fuel cell device.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
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.The present invention provides possibilities for heating or cooling a vehicle interior of a motor vehicle by utilizing the waste heat of the regenerative fuel cell device occurring during the endothermic electrolysis and / or the reversible exothermic reaction. As will be explained in more detail below, when using the present invention, heating or cooling of the vehicle interior to a comfortable temperature for a vehicle occupant is possible even at extreme outdoor temperatures with virtually zero energy consumption (in addition to waste heat). By means of the present invention, a fuel consumption / power consumption necessary for heating or cooling the vehicle interior is thus significantly reduced. The present invention thus contributes to energy saving and environmental protection.
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.For example, the vehicle interior can be heated by means of the waste heat of the regenerative fuel cell device that is at least partially passed on by the heat transfer device. The waste heat generated in the regenerative fuel cell device allows a generous heating of the vehicle interior even at extreme outside temperatures. Thus, even in winter energy-saving and low-power driving with a comfortable temperature in the vehicle interior is possible.
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.As an alternative or as a supplement thereto, the vehicle interior can be cooled by means of the sorption refrigeration machine. In addition to a comfortable, energy-saving and low-power driving in winter can thus be achieved even in extremely summery temperatures, a pleasant temperature in the vehicle interior while maintaining the advantages mentioned above.
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.In an advantageous embodiment of the regenerative fuel cell device, the sorption refrigeration machine comprises an absorption refrigerating machine and an expeller can be heated as a subunit of the sorption refrigerating machine by means of at least the part of the waste heat of the regenerative fuel cell device. In this way, the vehicle interior can be cooled energy-saving and environmentally friendly. As an alternative or as a supplement thereto, the sorption refrigeration machine can also comprise an adsorption refrigeration machine, as a result of which a cold storage can be realized.
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.Preferably, the regenerative fuel cell device is connectable directly or indirectly to an electric drive motor of the vehicle such that the current generated by the regenerative fuel cell device can be output to the electric drive motor. The regenerative fuel cell device, which can be used so advantageously for heating or cooling the vehicle interior, can thus also be used to ensure a power supply to the electric drive motor. In particular, the regenerative fuel cell device can be used as a supplement to a battery, such as a conventional Li-ion battery. By the additional use of the regenerative fuel cell device together with the battery For example, a storage capacity and an energy density of a power supply system formed of the regenerative fuel cell device and the battery can be increased. In this case, the potential weight advantage of the regenerative fuel cell device over an additionally used second battery can be used.
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.In an advantageous embodiment, the regenerative fuel cell device is designed to split water into hydrogen and oxygen as endothermic electrolysis while consuming the provided current and to generate electricity by means of the reversible exothermic reaction of hydrogen and oxygen to form water. Such a regenerative fuel cell device is relatively easy and inexpensive to produce. It should be understood, however, that the invention is not limited to the use of this type of regenerative fuel cell device. Instead, other exothermic and endothermic reactions can be carried out by means of the regenerative fuel cell device, wherein the waste heat generated is used for heating or cooling the vehicle interior.
Vorteilhaft ist auch ein Fahrzeugtemperiersystem für ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen regenerative Brennstoffzellenvorrichtung, der Wärmeübertragungsvorrichtung und/oder der Sorptionskältemaschine.Also advantageous is a vehicle temperature control system for a motor vehicle having such a regenerative fuel cell device, the heat transfer device and / or the sorption refrigeration machine.
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.The above-mentioned advantages are also ensured in a power supply system for an electric drive motor of a vehicle, which comprises such a regenerative fuel cell device and a battery, by means of which the electric drive motor can be energized, wherein the regenerative fuel cell device and the battery electrically connected to a common electrical interface are, via which a charging current from an external power source such to the regenerative fuel cell device and the battery is provided that the battery is rechargeable and at least one attached to the regenerative fuel cell device memory for an electrolysis product produced in the endothermic electrolysis is refillable. Thus, a "refueling" of the power system is possible despite the additional use of the regenerative fuel cell device while maintaining the purely electrical interface.
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.In an advantageous embodiment of the energy supply system, the electric drive motor can be supplied with power simultaneously in a booster mode by means of the battery and by means of the regenerative fuel cell device. The realizable parallel supply of the electric drive motor from the battery and the regenerative fuel cell device contributes to the increase of the maximum motor current.
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.In a further advantageous embodiment, the regenerative fuel cell device and the battery can be connected to the regeneratively operable electric drive motor and / or a generator of the motor vehicle, and a generator current generated by the regeneratively operable electric drive motor and / or the generator is connected to the regenerative fuel cell device and the battery can be provided that the battery is rechargeable and the at least one memory is refillable. The present invention thus also contributes to increasing the energy recovery in recuperative braking.
Auch ein Elektrofahrzeug mit einer entsprechenden regenerativen Bremsvorrichtung oder mit einem derartigen Energieversorgungssystem realisiert die vorausgehend beschriebenen Vorteile.An electric vehicle with a corresponding regenerative braking device or with such an energy supply system realizes the advantages described above.
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.Furthermore, the enumerated advantages are also realizable by performing a corresponding method for varying a temperature in a vehicle interior of a motor vehicle equipped with a regenerative fuel cell device. The method is further developable according to the embodiments of the regenerative fuel cell device and the power supply system.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to the figures. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die in
Sowohl während der endothermen Elektrolyse als auch während der exothermen Reaktion fällt eine Abwärme
Sofern die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung
Unter der Sorptionskältemaschine
Beispielsweise weist eine zur endothermen Spaltung von Wasser und zur Stromgewinnung durch die Knallgasreaktion ausgelegte regenerative Brennstoffzellenvorrichtung
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
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass bei jedem Fahrzeugtyp mittels der oben beschriebenen Anbindung der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung
Gegebenenfalls kann zumindest ein Teil der Abwärme
In
In einem Verdampfer
Um den niedrigen Druck im Verdampfer
Die an die Sorptionskältemaschine
Somit kann eine kostengünstige LiBr/H2O-Absorptionskälteanlage als Sorptionskältemaschine
Es wird auch darauf hingewiesen, dass als Sorptionskältemaschine
In der Ausführungsform der
Durch die Nutzung der Abwärme
Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung
Mittels eines Energiemanagers
Optionalerweise können die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung
In der Ausführungsform der
Die regenerative Brennstoffzellenvorrichtung der
Der in dem Koordinatensystem der
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
Eine Ausstattung der regenerativen Brennstoffzellenvorrichtung
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.For carrying out the method explained below, for example, at least some of the components described above can be used. It should be understood, however, that the practicability of the method is not limited to employing at least some of these components.
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.When utilizing the method for varying a temperature in a vehicle interior of a motor vehicle equipped with a regenerative fuel cell device, at least one of the method steps S1 and S2 is carried out:
In a method step S1, a waste heat of the regenerative fuel cell device, which is obtained when an endothermic electrolysis is carried out while consuming a supplied current and / or during an electrolysis reversible exothermic reaction to generate electricity, is at least partially forwarded to a heat transfer device of the motor vehicle. By means of the heat transfer device, the at least partially provided waste heat can therefore be forwarded into a vehicle interior such that the vehicle interior is heated by means of the waste heat of the regenerative fuel cell device which is at least partially passed on by the heat transfer device.
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.In a method step S2, at least one subunit of a sorption refrigerating machine is heated by means of at least part of the waste heat of the regenerative fuel cell device. As already explained above, the vehicle interior can be cooled by means of the sorption chiller in this way.
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.The method steps S1 and S2 can be carried out in any order and with as many repetitions as desired. On a new description of the advantages realized with it is omitted here.
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