DE10258195B3 - Klimagerät - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Klimagerät mit einer Brennnstoffzelle (1) und Mitteln (2) zur Übertragung durch die Brennstoffzelle (1) erzeugter Wärme auf einen Fahrzeuginnenraum (3). Das Klimagerät ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine Gebläseeinheit (4) vorgesehen ist, durch die ein Luftstrom durch die Brennstoffzelle (1) zu deren Kühlung erzeugbar ist und daß eine durch die Brennstoffzelle (1) gespeiste Heizeinheit (5) vorgesehen ist, durch die der Luftstrom zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums (3) zusätzlich erwärmbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Klimagerät mit einer Brennstoffzelle und Mitteln zur Übertragung durch die Brennstoffzelle erzeugter Wärme auf einen Fahrzeuginnenraum.
  • Klimageräte dieser Art werden beispielsweise bei Fahrzeugen benutzt, die eine Brennstoffzelle zur Erzeugung der Antriebsenergie für das Fahrzeug besitzen. Brennstoffzellen erzeugen Wärme und müssen daher gekühlt werden. Die Abwärme wird üblicherweise über einen Kühlkreislauf von der Brennstoffzelle auf einen Radiator geführt und dort an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben. Da andererseits Wärme zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums benötigt wird, ist es beispielsweise aus der Druckschrift DE 199 25 443 A1 bekannt, über einen Wärmeübertrager die von der Brennstoffzelle abgeführte Abwärme zur Heizung des Fahrzeuginnenraums zu nutzen.
  • Es ist allerdings problematisch, die Abwärme der Brennstoffzelle zu nutzen, wenn das Fahrzeug nicht im Fahrbetrieb ist, also eine Standheizung bereitgestellt werden soll. Durch die Abwärme werden so nämlich auch diejenigen Komponenten des Fahrzeugs mitgeheizt, die normalerweise für den Fahrbetrieb vorgesehen sind. Außerdem ist problematisch, daß die Brennstoffzelle aufgrund ihrer Bestimmung zur Bereitstellung der elektrischen Energie für den Antrieb des Fahrzeugs für eine verhältnismäßig große Leistung ausgelegt ist, für den Betrieb als Heizung eines Fahrzeuginnenraums aber nur mit einer sehr geringen Leistung arbeitet. Der Betrieb ist daher nicht optimal. Darüber hinaus ist das System zur Übertragung der Abwärme der Brennstoffzelle auf den Fahrzeuginnenraum verhältnismäßig kompliziert und daher teuer.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Klimagerät anzugeben, bei dem auch im Stand ein Heizbetrieb möglich ist. Dabei soll die Abwärme einer Brennstoffzelle genutzt werden und darüber hinaus soll das Klimagerät einfach und kostengünstig im Aufbau sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Klimagerät der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Gebläseeinheit vorgesehen ist, durch die ein Luftstrom durch die Brennstoffzelle zu deren Kühlung erzeugbar ist, und daß eine durch die Brennstoffzelle gespeiste elektrische Heizeinheit vorgesehen ist, durch die der Luftstrom zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums zusätzlich erwärmbar ist.
  • Durch das erfindungsgemäße Klimagerät ist eine Einheit bereitgestellt, die unabhängig von dem Antrieb eines Fahrzeugs einsetzbar ist. Die Kühlung der Brennstoffzelle durch einen Luftstrom ist wesentlich kostengünstiger als einen Flüssigkeitskreislauf vorzusehen. Darüber hinaus entfällt die Übertragung der Wärme auf einen den Innenraum heizenden Luftstrom, da der durch die Brennstoffzelle geführte Luftstrom direkt zur Heizung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden kann.
  • Bei der zusätzlichen Erwärmung des Luftstroms durch eine durch die Brennstoffzelle gespeiste elektrische Heizeinheit wird die in der Brennstoffzelle umgesetzte Energie doppelt genutzt. Einerseits wird der erzeugte Strom in der elektrischen Heizeinheit in Wärme umgewandelt, andererseits wird die bei der Erzeugung des Stroms anfallende Abwärme ebenfalls zur Heizung des Fahrzeuginnenraums genutzt. Da durch diese separate Brennstoffzelle für das Klimagerät nur kleine Leistungen erzeugt werden müssen, ist die Kühlung mit Luft ausreichend, und es kommt nicht zu einer Überhitzung der Brennstoffzelle.
  • Weiterhin ist vorteilhaft, daß das Klimagerät auch zum Betrieb eines Kältekreises genutzt werden kann. Der erzeugte elektrische Strom wird zum Antrieb eines Kompressors genutzt. Die durch die Brennstoffzelle erzeugte Abwärme wird in einer solchen Betriebsweise nicht in den Fahrzeuginnenraum gelenkt, sondern nach außen abgeführt. Somit ist auch ein Standkühlbetrieb möglich.
  • In einer anderen Ausführung eines erfindungsgemäßen Klimageräts wird der durch die Brennstoffzelle geführte Luftstrom nicht direkt in den Fahrzeuginnenraum geleitet, sondern die Wärme wird in einem Wärmeübertrager auf einen Frischluftstrom übertragen.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführung eines Klimagerätes, bei der auch eine Kühlfunktion implementiert ist, weist der Kältekreis einen elektrisch angetriebenen und einen mechanisch angetriebenen Kompressor auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Der mechanisch angetriebene Kompressor wird dabei im Fahrbetrieb eingesetzt, während der elektrisch angetriebene Kompressor im Standbetrieb zum Betrieb des Kältekreises dient bzw. im Fahrbetrieb zur Unterstützung des mechanischen Kompressors einsetzbar ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Klimageräts mit direkter Luftzuführung,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Klimageräts mit der Heizung über einen Wärmeübertrager und
  • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Klimageräts mit einem zwei Kompressoren aufweisenden Kältekreis.
  • Das in der 1 dargestellte Klimagerät ist sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen eines Fahrzeuginnenraums geeignet. Die sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen erforderliche Energie wird durch eine Brennstoffzelle 1 bereitgestellt. Unter dem hier verwendeten Begriff „Brennstoffzelle" ist ein gesamtes Brennstoffzellensystem zu verstehen, das auch die Nebenaggregate zur Zuführung eines geeigneten Brennstoffs umfaßt. Die genauen Abläufe der inneren Vorgänge in der Brennstoffzelle sind für die Erfindung nicht von Bedeutung und werden daher weder detaillierter dargestellt noch erläutert. Der eingesetze Brennstoffzellentyp ist vorzugsweise eine PEM-FC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), da die Betriebstemperatur dieser Brennstoffzelle gut für eine Luftkühlung der Brennstoffzelle und eine Heizung eines Fahrzeuginnenraumes geeignet ist.
  • Die Brennstoffzelle 1 ist so aufgebaut, daß sie von Luft durchströmt werden kann. Zur Erzeugung eines Luftstroms ist eine Gebläseeinheit 4 vorgesehen. Der durch sie erzeugte Luftstrom nimmt die Abwärme der Brennstoffzelle 1 auf und verläßt die Brennstoffzelle wieder. Im Heizbetrieb des dargestellten Klimageräts durchströmt die Luft nachfolgend eine elektrische Heizeinheit 5, die von dem durch die Brennstoffzelle erzeugten Strom gespeist wird. Die durch die Abwärme der Brennstoffzelle vorgewärmte Luft wird also durch die elektrische Heizeinheit 5 nochmals zusätzlich erwärmt. Zur Übertragung der Wärme, die von der Brennstoffzelle 1 und der elektrischen Heizeinheit 5 erzeugt wird, auf den Fahrzeuginnenraum sind Mittel 2 vorgesehen. Im einfachsten Fall werden die Mittel 2 durch eine Luftführung gebildet, die die erwärmte Luft direkt in den Fahrzeuginnenraum 3 leitet.
  • Zur Regulierung des Wärmestroms, der dem Fahrzeuginnenraum 3 zugeführt wird, sind mehrere Möglichkeiten gegeben. Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Leistung der elektrischen Heizeinheit 5 zu ändern. Gleichzeitig müßte die Brennstoffzufuhr zur Brennstoffzelle 1 angepaßt werden. Eine zweite Mög lichkeit besteht darin, den Luftstrom, der durch die Gebläseeinheit 4 erzeugt wird, zu variieren. Dabei muß jedoch darauf geachtet werden, daß die Wärmeabfuhr aus der Brennstoffzelle 1 ausreichend ist, damit nicht die maximal zulässige Betriebstemperatur überschritten wird. Zu beachten ist immer, daß die Parameter bei der Erzeugung des Wärmestroms miteinander verknüpft sind, d. h. die Stärke des Luftstroms, die Menge der erzeugten elektrischen Energie und die Leistung der elektrischen Heizeinheit 5 sind miteinander verknüpft und können nicht einzeln reguliert werden, ohne daß die anderen Parameter entsprechend angepaßt werden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Änderung des in den Fahrzeuginnenraum 3 eintretenden Wärmestroms besteht darin, einen Teil der erwärmten Luft nach außen abzuleiten. Dazu ist in der schematischen Darstellung von 1 eine Klappe 14 vorgesehen, die so umschwenkbar ist, daß die Luft nicht oder nur noch zu einem Teil in den Fahrzeuginnenraum 3 gelangen kann und der andere Teil nach außen in die Fahrzeugumgebung abgeführt wird. Eine Ableitung der Warmluft nach außen kann sich als notwendig erweisen, wenn das Klimagerät bzw. die Heizung des Fahrzeuginnenraums schlagartig abgeschaltet werden soll, aber zur Abführung der in der Brennstoffzelle noch gespeicherten oder noch erzeugten Wärme eine Kühlung erforderlich ist. Außerdem ist ein Betriebsfall denkbar, bei dem eine sehr geringe Heizleistung gewünscht ist, die Brennstoffzelle aber zu ihrem Betrieb eine Mindestleistung aufbringt, wobei diese Mindestleistung über der erforderlichen Leistung für die Heizung des Fahrzeuginnenraums 3 liegt.
  • Im Normalfall wird es bei Klimageräten dieser Art jedoch nicht auf eine schnelle Regelung der Heizleistung ankommen. Ein vorteilhafter Einsatz ist beispielsweise zur Heizung der Schlafkabine bei LKWs. Die Schlafkabine ist verhältnismäßig klein und die dort erwünschte Temperatur nicht sehr hoch. Daher ist eine geringer Heizleistung ausreichend. Da lange im voraus planbar ist, wann die gewünschte Temperatur erreicht werden soll, kann eine verhältnismäßig lange Heizzeit bis zur Erreichung der gewünschten Raumtemperatur vorgesehen werden. Zum Halten der Raumtemperatur ist ebenfalls eine geringe Heizleistung erforderlich. Die geringe erforderliche Heizleistung ermöglicht auch erst die vorteilhafte Ausgestaltung der Brennstoffzellen 1 als luftgekühltes System. Bei größeren Leistungen wäre es nicht mehr möglich, eine ausreichende Kühlung durch Luft sicherzustellen. Aufgrund der Luftkühlung ist das Klimagerät sehr kompakt aufgebaut und kann als unabhängige Komponente betrieben werden, ohne daß sonstige Einrichtungen der Fahrzeuginfrastruktur einbezogen werden müssen. Beispielsweise kann das als Modul aufgebaute Klimagerät in einen geeigneten Einschubbereich in der Kabine eines LKWs eingesetzt werden.
  • Das erfindungsgemäße Klimagerät ist einfach so erweiterbar, daß auch ein Standkühlbetrieb ermöglicht ist. Dazu ist die beschriebene Brennstoffzelle mit einem Kältekreis 7 gekoppelt. Kältekreise benötigen in der bevorzugten Ausführung einen Kompressor 8, durch den ein dampfförmiges Kältemittel komprimiert wird. In einem nachgeschalteten Kondensator 11 kondensiert der unter Druck stehende Kältemitteldampf. In einem Verdampfer 12 verdampft die Kühlflüssigkeit, wobei die Verdampfungskälte zur Kühlung der dem Fahrzeuginnenraum 3 zugeführten Luft verwendet wird. Anschließend wird die dampfförmige Kühlflüssigkeit durch den Kompressor wieder komprimiert. An geeigneter Stelle des Kältekreises ist ein Regelventil 13 vorgesehen, um den Betrieb des Kältekreises zu regeln.
  • Bei bekannten Klimageräten wird der Kompressor des Kältekreises entweder mechanisch oder elektrisch angetrieben. Im Standbetrieb besteht dabei das Problem, daß der Kältekreis nicht betrieben werden kann, wenn nicht auch der Antriebsmotor des Fahrzeugs läuft. Bei einem elektrisch betriebenen Kompressor ist zwar theoretisch ein Standbetrieb möglich, jedoch hängt die Betriebsdauer von der Kapazität der Batterie ab. Selbst bei leistungsstarken Batterien ist ein Kühlbetrieb über längere Zeit nicht möglich.
  • Bei dem Klimagerät von 1 wird ein elektrischer Kompressor 8 des Kältekreises 7 von der Brennstoffzelle 1 gespeist. Dadurch kann der Kältekreis auch während längerer Standzeiten betrieben werden, ohne daß der Fahrzeugmotor in Betrieb sein muß. Auch im Kühlbetrieb läuft die Gebläseeinheit 4 des Klimageräts, um die Brennstoffzelle 1 zu kühlen. Der erzeugte Strom wird allerdings nicht der elektrischen Heizeinheit 5 zur Verfügung gestellt, sondern zum Betrieb des elektrischen Kompressors 8 eingesetzt. Die durch die Brennstoffzelle 1 erwärmte Luft wird in der zuvor beschriebenen Weise nicht dem Fahrzeuginnenraum 3 zugeführt, sondern nach Umlegen der Klappen 14 nach außen abgeführt.
  • Selbstverständlich kann der von der Brennstoffzelle 1 erzeugte elektrische Strom nicht nur zum Betrieb der Heizeinheit 5 oder des Kompressors 8 verwendet werden, sondern auch für andere Fahrzeugkomponenten wie z. B. die Fahrzeuginnenbeleuchtung oder ein Radiosystem.
  • In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Klimageräts dargestellt. Bei der hier dargestellten Ausführung wird nicht die bei der Kühlung der Brennstoffzelle 1 erwärmte Luft direkt in einen Fahrzeuginnenraum 3 geführt, sondern die Luft wird durch einen Wärmeübertrager 6 und dann nach außen geführt. Zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums 3 ist ein zweiter Luftstrom vorgesehen, der durch ein zweites Gebläse 10 erzeugt und ebenfalls über den Wärmeübertrager 6 geführt wird. Die Luftführungen sind dabei so vorgesehen, daß sich die beiden Luftströme nicht vermischen können. Dem Wärmeübertrager 6 ist in Richtung des Fahrzeuginnenraums eine elektrische Heizeinheit 5 nachgeschaltet, die wie beim Ausführungsbeispiel von 1 durch die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte elektrische Energie betrieben wird.
  • Der Vorteil der hier beschriebenen Anordnung besteht darin, daß zum einen verhindert ist, daß ein in der Brennstoffzelle 1 entstehender Geruch in den Fahrzeuginnenraum übertragen wird, zum anderen ist sichergestellt, daß nicht ein Leck in der Brennstoffzelle 1 dazu führen kann, daß giftige Gase in den Fahrzeuginnenraum gelangen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Trennung der Luftströme die in den Fahrzeuginnenraum 3 gelangende Luftmenge unabhängig von der Kühlung der Brennstoffzelle 1 einstellbar ist, indem das zweite Gebläse 10 so betrieben wird, wie es für die Beheizung des Fahrzeuginnenraums 3 optimal ist.
  • Auch das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel beinhaltet die Möglichkeit, einen elektrischen Kompressor 8 eines Kältekreises 7 zu betreiben, um somit auch Standkühlen zu ermöglichen, wenn ein Antriebsmotor des Fahrzeugs nicht in Betrieb ist.
  • Die 3 zeigt eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels von 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind in dem Kältekreis 7 zwei Kompressoren vorgesehen, ein elektrischer Kompressor 8, der von der Brennstoffzelle 1 gespeist wird, und ein mechanischer Kompressor 9, der beispielsweise von dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angetrieben wird. Die beiden Kompressoren sind parallel zueinander angeordnet, so daß der Kältekreis entweder mit dem elektrischen Kompressor 8 oder mit dem mechanischen Kompressor 9 betrieben werden kann oder aber auch ein Parallelbetrieb beider Kompressoren vorgesehen werden kann. Über zwei Ventile 15 und 16 ist jede der genannten Konfigurationen des Kältekreises 7 einstellbar.
  • Im Fahrbetrieb ist der mechanische Kompressor 9 in Betrieb. Die Brennstoffzelle 1 braucht nicht eingeschaltet zu werden. Nur in einem Betriebsfall, wenn von dem Verbrennungsmotor keine Leistung für den Betrieb des Kältekreises 7 beansprucht werden soll, kann die Brennstoffzelle 1 zusätzlich in Betrieb genommen werden, um durch den elektrischen Kompressor 8 den mechanischen Kompressor 9 zu unterstützen oder zu ersetzen.
  • Im Standbetrieb wird nur der elektrische Kompressor 8 über die Brennstoffzelle 1 betrieben.
  • 1
    Brennstoffzelle
    2
    Mittel zur Wärmeübertragung
    3
    Fahrzeuginnenraum
    4
    Gebläseeinheit
    5
    elektrische Heizeinheit
    6
    Wärmeübertrager
    7
    Kältekreis
    8
    elektrischer Kompressor
    9
    mechanischer Kompressor
    10
    zweites Gebläse
    11
    Kondensator
    12
    Verdampfer
    13
    Regelventil
    14
    Klappe
    15, 16
    Ventile

Claims (5)

  1. Klimagerät mit – einer Brennstoffzelle (1) und – Mitteln (2) zur Übertragung durch die Brennstoffzelle (1) erzeugter Wärme auf einen Fahrzeuginnenraum (3) gekennzeichnet durch – eine Gebläseeinheit (4), durch die ein Luftstrom durch die Brennstoffzelle (1) zu deren Kühlung erzeugbar ist, und – eine durch die Brennstoffzelle (1) gespeiste elektrische Heizeinheit (5), durch die der Luftstrom zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums (3) zusätzlich erwärmbar ist.
  2. Klimagerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht zur Heizung des Fahrzeuginnenraums (3) eingesetzter Teil des Luftstroms in die äußere Fahrzeugumgebung ableitbar ist.
  3. Klimagerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wärmeübertragung zwischen dem durch die Brennstoffzelle (1) erwärmten Luftstrom und einem in den Fahrzeuginnenraum (3) geleiteten Luftstrom ein Wärmeübertrager (6) vorgesehen ist.
  4. Klimagerät nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums ein elektrisch betriebener Kältekreis (7) vorgesehen ist, der zur Versorgung mit elektrischer Energie mit der Brennstoffzelle (1) verbunden ist.
  5. Klimagerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältekreis (7) einen elektrisch angetriebenen und einen mechanisch angetriebenen Kompressor (8, 9) aufweist, die parallel zueinander angeordnet sind.
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