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Die Erfindung betrifft ein Klimagerät mit einer Brennstoffzelle
und Mitteln zur Übertragung
durch die Brennstoffzelle erzeugter Wärme auf einen Fahrzeuginnenraum.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Klimageräts mit direkter
Luftzuführung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Klimageräts mit der
Heizung über
einen Wärmeübertrager
und
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Klimageräts mit einem
zwei Kompressoren aufweisenden Kältekreis.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im Standbetrieb wird nur der elektrische Kompressor 8 über die
Brennstoffzelle 1 betrieben.
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- 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