DE19925443B4

DE19925443B4 - Klimatisierung mit elektrischem Kompressor

Info

Publication number: DE19925443B4
Application number: DE19925443A
Authority: DE
Inventors: Horst Riehl; Noureddine Khelifa
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: DE19925443A1; EP1057668A3; ES2255915T3; JP4848087B2; EP1057668A2; EP1057668B1; JP2001018635A

Abstract

Autarke Heizklimaanlage für ein Fahrzeug mit einer als Strom- und Wärmequelle dienenden Brennstoffzelle (1), die mit einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung (2) eines thermodynamischen Kreises (10) der Heizklimaanlage geschaltet ist, wobei zumindest ein Nutzwärmetauscher (15; 17) vorgesehen ist, der beaufschlagbar ist von einem der Brennstoffzelle (1) zugeordneten Kühlmittelkreis und zumindest dem thermodynamischen Kreis (10), der als Wärmepumpenkreislauf ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizklimaanlage für ein Fahrzeug.
Üblicherweise umfaßt eine Heizklimaanlage für ein Fahrzeug einen an den Motorkühlmittelkreis angeschlossenen Heizkreis und einen zu Kühlzwecken dienenden thermodynamischen Sekundärkreis, welcher über einen als Kühlkörper dienenden Verdampfer und einen Abwärmetauscher verfügt.
In den letzten Jahren sind die Anforderungen an die Klimatisierung von Fahrzeugen ständig gestiegen. So ist bei heutigen Heizklimaanlagen für Fahrzeuge eine schnelle Ansprechzeit erforderlich, um unter nahezu allen Fahrzuständen eine ausreichende Heizleistung bereitzustellen. Um dies zu erreichen, wurden in den letzten Jahren vielerorts Elektroheizer eingesetzt, die als sogenannte Nachheizer, z. B. in der Form eines PTC-Heizregisters, vorgesehen sind. Diese Elektroheizer wurden vereinzelt auch eingesetzt, um die Funktion einer Standheizung zu erfüllen.
Der zu Kühlzwecken dienende thermodynamische Sekundärkreis wird üblicherweise über einen mechanisch angetriebenen Kompressor betrieben, welcher das Kältefluid fördert und verdichtet. Um auch bei niedrigen Drehzahlen oder bei ausgeschaltetem Motor eine ausreichende Kühlleistung bereitzustellen, wurden in den letzten Jahren auch elektrisch angetriebene Kompressoren vorgeschlagen, die üblicherweise für den Fahrzeuggenerator-Batteriekreis geschaltet sind.
Um das Bordnetz des Fahrzeuges nicht übermäßig zu beanspruchen, wurde es in diesem Zusammenhang auch vorgeschlagen (interner Stand der Technik), einen elektrischen Antrieb des Kompressors über eine Brennstoffzelle zu realisieren.
Aus der EP 0 638 712 A1 ist eine Möglichkeit bekannt geworden, wie eine Brennstoffzelle in einem fahrzeugseitigen Kühlmittelkreis integriert werden kann, um die von dem Fahrzeug bereitgestellte Heizleistung durch die Abwärme der Brennstoffzelle erhöhen zu können.
Aus der US 5,678,410 A Ausführungsform gemäß 11) ist eine Klimaanlage bekannt, die eine als Stromquelle dienende Brennstoffzelle aufweist, welche mit einer Verdichtungseinrichtung eines thermodynamischen Kreises geschaltet ist. Bei einer anderen unabhängigen Ausführungsform (10) wird eine Heizklimaanlage mit einer als Strom- und Wärmequelle dienenden Brennstoffzelle offenbart, wobei ein der Brennstoffzelle zugeordneter Kühlmittelkreis, welcher auch alle anderen zu kühlenden Aggregate durchläuft, einen Nutzwärmetauscher beaufschlagt. Bei dieser Heizklimaanlage erfolgt die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums durch aus dem Wasserstofftank entnommener Kälte und mittels eines thermischen Elektrowandlerelements, welches mit der Brennstoffzelle elektrisch geschaltet ist.
Schließlich ist aus der DE 4327261 C1 ein Kühlmittelkreislauf bekannt, welcher vorgesehen ist, um Aggregate mit unterschiedlichen Temperaturniveaus kühlen zu können. Es wird diesbezüglich vorgeschlagen, den Aggregaten jeweils einen separaten Kühlkreislauf zuzuordnen, wobei die von beiden Kühlkreisläufen abgeführte Wärme zum Heizen der Fahrgastzelle genutzt werden kann, indem der zweite Kühlmittelkreislauf an den Wärmetauscher für die Fahrgastzelle gekoppelt ist.
Keine der bisher bekannten Lösungen ermöglicht es jedoch in zufriedenstellender Weise, eine fahrzeugzustandsunabhängige Heizklimatisierung des Fahrzeuges bereitzustellen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine autarke Heizklimaanlage für ein Fahrzeug anzugeben, die bei hohem Wirkungsgrad eine zufriedenstellende Temperierung des Fahrzeuginnenraumes ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine autarke Heizklimaanlage anzugeben, die unabhängig von der Antriebsform des Fahrzeuges in dieses integriert werden kann, insbesondere als Nachrüstsatz für ein bestehendes Fahrzeug.
Erfindungsgemäß werden die obigen Aufgaben durch eine autarke Heizklimaanlage mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Insbesondere schlägt die Erfindung eine autarke Heizklimaanlage für ein Fahrzeug vor, mit einer als Strom- und Wärmequelle dienenden Brennstoffzelle, die mit einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung eines thermodynamischen Kreises der Heizklimaanlage geschaltet ist, wobei zumindest ein Nutzwärmetauscher vorgesehen ist, der beaufschlagbar ist von einem der Brennstoffzelle zugeordneten Kühlmittelkreis und zumindest dem thermodynamischen Kreis, der als Wärmepumpenkreislauf ausgebildet ist. Anders ausgedrückt wird ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem vorgeschlagen, welches bei hohem Wirkungsgrad eine fahrzeugzustands- und -artunabhängige Temperierung gewährleistet. Nachdem derzeit verfügbare Brennstoffzellen üblicherweise mit deionisiertem Wasser gekühlt werden, insbesondere um einen Kurzschluß der Brennstoffzelle zu vermeiden, stellt die vorgeschlagene erfindungsgemäße Lösung ferner den Vorteil bereit, daß fluidtechnisch eine vollständige Entkopplung zu einem evtl. bestehenden Fahrzeugmotorkühlsystem bestehen kann.
Vorteilhafterweise umfaßt die Heizklimaanlage einen zusätzlichen Abwärmetauscher, der optional von zumindest einem weiteren Fluid beaufschlagbar ist. Der Abwärmetauscher kann dazu dienen, eine übermäßige Erhitzung der Brennstoffzelle zu vermeiden. Alternativ und/oder unterstützend kann der Abwärmetauscher auch bei erfolgender Kühlung dazu verwendet werden, die im Kältekreis entstehende Wärme abzuführen. Um eine Bauteilreduzierung zu erreichen, kann der Abwärmetauscher von sowohl einem Fluid der Heizklimaanlage als auch von einem Fluid des Motorkühlsystemes des Fahrzeuges beaufschlagt werden, so daß bei gemeinsamer Ausnutzung der Lamellenstruktur ein reduzierter Einbaubedarf besteht.
Der Nutzwärmetauscher kann bei einer bevorzugten Ausführungsform als Wärmespeicher ausgebildet sein. Die Speicherung von nicht zur Temperierung des Fahrgastraumes erforderlicher Wärme ermöglicht es z. B. für einen Verbrennungsmotor, bereits in des Startphase verbesserte Betriebsparameter bereitzustellen. Der Wärmespeicher kann auch dazu verwendet werden, die Brennstoffzelle bei ausgeschalteter Heizklimaanlage auf Betriebstemperatur zu halten.
Vorteilhafterweise ist der bzw. einer der Nutzwärmetauscher ein zur Erwärmung von Luft dienender Heizkörper, welcher zusätzlich von einem weiteren Fluid, z. B. dem motorseitigen Kühlmittel, beaufschlagbar ist. Beim Einsatz sog. Hochtemperaturbrennstoffzellen oder von Brennstoffzellen, die bei mittleren Temperaturen betrieben werden, kann somit die Abwärme der Brennstoffzelle unmittelbar zu Heizzwecken verwendet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der bzw. einer der Nutzwärmetauscher ein Fluid/Fluidwärmetauscher oder ein Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher. Bei der Ausbildung als Fluid/Fluidwärmetauscher besteht somit die Möglichkeit, die Abwärme der Brennstoffzelle verlustarm in einen als Wärmepumpe ausgebildeten thermodynamischen Kreis zu speisen. Bei der Ausgestaltung als Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher besteht hingegen die Möglichkeit, in einfacher Weise eine Brennstoffzelle mit einem umkehrbaren thermodynamischen Kreis zu koppeln, welcher entweder als Wärmepumpenkreis oder als Kältekreis betrieben werden kann. Daher ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der thermodynamische Kreis umkehrbar ausgebildet, z. B. indem die Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung umkehrbar bzgl. der Förderrichtung ausgebildet ist. Alternativ kann die umkehrbare Ausgestaltung des thermodynamischen Kreises auch durch entsprechende Stellelemente z. B. in der Form von mehreren Mehrwegeventilen erzielt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffzelle mit einem Elektroheizer, insbesondere einem PTC-Heizregister, geschaltet. Beim Heizbetrieb kann somit die thermische Leistung der Brennstoffzelle zur Vorerwärmung von Luft verwendet werden, die anschließend über ein PTC-Heizregister auf die gewünschte Temperatur gebracht wird, wobei in dem PTC-Heizregister die von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte elektrische Leistung teilweise genutzt werden kann.
Schließlich ist es bevorzugt, daß der in der Brennstoffzelle erzeugte Strom zur Speisung unterschiedlichster Nebenaggregate, wie z. B. Lüftern, Steuerungen und Schaltelementen verwendet wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden, nicht einschränkend angeführten Beschreibung, welche unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt.
1 zeigt in Prinzipdarstellung eine erste bevorzugte Ausführungsform der autarken Heizklimaanlage für ein Fahrzeug.
2 zeigt in ähnlicher Darstellung wie 1 eine zweite bevorzugte Ausführungsform bei welcher die Förderrichtung der Förder- und/oder Verdichtereinrichtung 2 umkehrbar ausgebildet ist.
3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der autarken Heizklimaanlage in einer Ansicht ähnlich zu den 1 und 2, wobei der thermodynamische Kreis zwischen Kühlmodus und Heizmodus umschaltbar ist.
Unter Bezugnahme nun auf 1 ist eine autarke Heizklimaanlage für ein Fahrzeug dargestellt. Die Heizklimaanlage umfaßt als Strom- und Wärmequelle eine Brennstoffzelle 1. Die Brennstoffzelle 1 ist mit einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung 2 eines thermodynamischen Kreises 10 geschaltet. Der thermodynamische Kreis 10 umfaßt in üblicher Weise einen zur Kühlung dienenden Verdampfer 12, eine Expansionseinrichtung 16 und einen Wärmetauscher 14. Der Verdampfer 12 und der Wärmetauscher 14 können optional mittels Lüftern 3, 4 beaufschlagt werden.
Die Brennstoffzelle 1 kann über zugeordnete Kühlmittelkreise selektiv einen zu Heizzwecken dienenden Wärmetauscher 6 und/oder einen Wärmetauscher 8, der die Wärme abführen kann, beaufschlagen. Der Wärmetauscher 8 kann optional auch als Wärmespeicher ausgebildet sein. Wie durch die gestrichelten Linien dargestellt, können sowohl der Nutzwärmetauscher 6 als auch der Abwärmetauscher 8 als Schnittstellen zu einem motorseitigen Kühlmittelkreis dienen. Schließlich ist die Brennstoffzelle 1 noch mit einem Elektroheizer 5, in der dargestellten Ausführungsform in der Form eines PTC-Heizregisters, geschaltet.
Im folgenden sollen kurz die unterschiedlichen Betriebsmodi der autarken Heizklimaanlage für ein Fahrzeug gemäß der dargestellten Ausführungsform skizziert werden: Wenn zur Temperierung des Fahrgastinnenraumes Heizleistung erforderlich ist, wird die Brennstoffzelle aus einem nicht dargestellten Reservoir mit Brennstoff versorgt und erzeugt Strom und Wärme. Die erzeugte Wärme kann über den Wärmetauscher 6 an durch den Lüfter 3 beaufschlagte Luft übertragen werden. Die aus dem Wärmetauscher 6 austretende leicht vorerwärmte Luft wird dann über das von der Brennstoffzelle 1 versorgte PTC-Heizregister 5 auf die gewünschte Temperatur gebracht.
Wenn eine Abkühlung des Fahrzeuginnenraumes gewünscht wird, so wird der von der Brennstoffzelle 1 bereitgestellte Strom zum Antreiben des Verdichters 2 des thermodynamischen Kreises 10 verwendet. Somit wird an dem Verdampfer 12 die zur Temperierung des Fahrzeuginnenraumes erforderliche Kälteleistung zur Verfügung gestellt. Die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme der Brennstoffzelle 1 wird dann beispielsweise für einen sog. Reheat-Betrieb oder für die Temperierung entweder der Brennstoffzelle oder eines anderen Fahrzeugantriebsaggregates in dem Wärmespeicher 8 gespeichert. In der dargestellten Ausführungsform ist der Wärmespeicher 8 zusätzlich mit einer Wärmetauscherfunktion versehen, um im Bedarfsfall Wärme an die Umgebungsluft abgeben zu können, sollte die Brennstoffzelle zu heiß werden.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform dient wiederum eine Brennstoffzelle 1 als Strom- und Wärmequelle. Wie bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Brennstoffzelle 1 zum Antreiben einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung 2 eines thermodynamischen Kreises 10 geschaltet. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Ausführungsform ist jedoch der thermodynamische Kreis 10 umkehrbar ausgebildet. Demzufolge kann der thermodynamische Kreis 10 einmal in klassischer Weise als Kältekreis dienen und alternativ im Heizbetrieb als Wärmepumpe fungieren. Um beide Funktionen erfüllen zu können, ist ein Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher 15 vorgesehen, der im Kühlbetrieb Wärme von dem thermodynamischen Kreis 10 abführen kann und im Heizbetrieb Wärme von dem Kühlkreis der Brennstoffzelle 1 zu dem thermodynamischen Kreis 10 übertragen kann.
Wie bei der vorangegangenen Ausführungsform kann zusätzlich ein Wärmespeicher und/oder -tauscher 8 von der Brennstoffzelle 1 beaufschlagt werden. Ferner kann wie auch bei der vorangegangenen Ausführungsform ein PTC-Heizregister 5 als Nachheizeinrichtung vorgesehen sein. Neben der Verschaltung mit der Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung 2 des thermodynamischen Kreises 10 und dem PTC-Heizregister 5 können auch weitere elektronische oder elektrische Aggregate von der Brennstoffzelle 1 versorgt werden, wie z. B. die dargestellten Lüfter 3, 4.
Wenn nun zur Temperierung des Fahrzeuginnenraumes Wärme erforderlich ist, wird die Brennstoffzelle 1 mit Brennstoff versorgt und die Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung 2 in solch einer Weise zu umgeschaltet, daß der thermodynamische Kreis 10 in der An einer Wärmepumpe wirkt. Als niedriges Temperaturniveau für den thermodynamischen Kreis 10 wird der Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher 15 mit Kühlmittel aus der Brennstoffzelle 1 beaufschlagt. An dem Wärmetauscher 12 steht dann entsprechend die von der Brennstoffzelle bereitgestellte Heizleistung bei einem höheren Temperaturniveau zur Erwärmung der durchtretenden Luft bereit, welche anschließend optional über das PTC-Heizregister 5 noch weiter erwärmt werden kann.
Im Kühlbetrieb wird die Brennstoffzelle 1 den Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher 15 nicht beaufschlagen. Vielmehr wird der Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher 15 in üblicher Weise Abwärme aus dem thermodynamischen Kreis 10 an die Umgebungsluft abgeben. Um eine Überhitzung zu vermeiden und um die Abwärme der Brennstoffzelle auch im Kühlmodus nutzen zu können, ist wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ein Wärmespeicher und/oder Wärmetauscher 8 vorgesehen, in dem im Kühlmodus Wärme gespeichert bzw. im Bedarfsfall an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.
In 3 ist schließlich eine dritte bevorzugte Ausführungsform der autarken Heizklimaanlage dargestellt, wobei zusätzlich der thermodynamische Kreis 10 verzweigt ausgebildet ist, um selektiv für den Heiz- bzw. Kühlmodus schaltbar zu sein.
Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsform ist anstelle des Fluid/Fluid/Luftwärmetauschers ein Fluid/Fluidwärmetauscher 17 vorgesehen. Zur Temperierung der in den Fahrgastraum zu leitenden Luft dient bei dieser Ausführungsform ein kombinierter Wärmetauscher/Verdampfer 20. Um den thermodynamischen Kreis 10 zwischen Kühl- und Heizmodus umschalten zu können, sind bei der gezeigten Ausführungsform zwei Dreiwegeventile vorgesehen, die entsprechend den Temperierungsanforderungen geschaltet werden können.
Wenn die in 3 gezeigte Ausführungsform zum Heizen verwendet wird, so werden die Stellventile 18, 19 derart geschaltet, daß das Fluid des thermodynamischen Kreises 10 nur die Wärmetauscher 17 und 20 beaufschlagt, während im Kühlmodus ausschließlich die Wärmetauscher 20, 14 beaufschlagt werden.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform kann somit im Heizmodus die Abwärme der Brennstoffzelle 1 direkt im Wärmetauscher 20 genutzt werden mit einer alternativen oder unterstützenden Lufterwärmung über den als Wärmepumpe dienenden thermodynamischen Kreis 10 mit einer anschließenden Enderwärmung über ein PTC-Heizregister 5. Im Kühlmodus wird die in 3 gezeigte Ausführungsform analog zu der in 1 gezeigten Ausführungsform betrieben.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die vorliegende Erfindung eine fahrzeugzustandsunabhängige autarke Heizklimaanlage bereitstellt. Die erfindungsgemäße Heizklimaanlage kann optional mit dem Kühlmittelkreis des Fahrzeuges kombiniert werden, um die Anzahl an erforderlichen Wärmetauschern zu minimieren. In jedem Fall wird durch die kombinierte Ausnutzung von durch die Brennstoffzelle erzeugtem Strom und Wärme eine deutliche Wirkungsgradsteigerung erzielt. Bei Speicherung von überschüssiger oder nicht benötigter Wärme der Brennstoffzelle kann ein optimiertes Startverhalten von sowohl der Brennstoffzelle als auch dem Gesamtfahrzeug mittels Reheat-Betrieb erzielt werden, sofern die Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung in Förderrichtung entsprechend geschaltet wurde.

Claims

Autarke Heizklimaanlage für ein Fahrzeug mit einer als Strom- und Wärmequelle dienenden Brennstoffzelle (1), die mit einer Förder- und/oder Verdichtungseinrichtung (2) eines thermodynamischen Kreises (10) der Heizklimaanlage geschaltet ist, wobei zumindest ein Nutzwärmetauscher (15; 17) vorgesehen ist, der beaufschlagbar ist von einem der Brennstoffzelle (1) zugeordneten Kühlmittelkreis und zumindest dem thermodynamischen Kreis (10), der als Wärmepumpenkreislauf ausgebildet ist.
Heizklimaanlage nach Anspruch 1 mit einem zusätzlichen Abwärmetauscher (8), der optional von zumindest einem weiteren Fluid beaufschlagbar ist.
Heizklimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher ein Nutzwärmetauscher (15; 17) als Wärmespeicher (8) ausgebildet ist.
Heizklimaanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher ein Nutzwärmetauscher (15; 17) ein zur Erwärmung von Luft dienender Heizkörper (6, 12, 20) ist.
Heizklimaanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei welcher ein Nutzwärmetauscher (15; 17) ein Fluid/Fluid/Wärmetauscher (17) oder ein Fluid/Fluid/Luftwärmetauscher (15) ist.
Heizklimaanlage nach Anspruch 1, bei welcher die Brennstoffzelle (1) einen Elektroheizer (5), insbesondere einem PTC-Heizer (5), versorgt.
Heizklimaanlage nach Anspruch 1, bei welcher die Brennstoffzelle (1) weitere elektrische Aggregate, insbesondere Lüfter (3, 4), vorsorgt.