EP1368846A2 - Luftkompressionsanlage für brennstoffzellenanlage und kaltluftprozess-klimaanlage oder wärmepumpe - Google Patents

Luftkompressionsanlage für brennstoffzellenanlage und kaltluftprozess-klimaanlage oder wärmepumpe

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EP1368846A2
EP1368846A2 EP01995557A EP01995557A EP1368846A2 EP 1368846 A2 EP1368846 A2 EP 1368846A2 EP 01995557 A EP01995557 A EP 01995557A EP 01995557 A EP01995557 A EP 01995557A EP 1368846 A2 EP1368846 A2 EP 1368846A2
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EP
European Patent Office
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air
fuel cell
compressor
expander
cell system
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Withdrawn
Application number
EP01995557A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ullrich Hesse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
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    • B64D13/00—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space
    • B64D13/06—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space the air being conditioned
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a device, in particular for a fuel cell system vehicle, with a compressor that compresses air that forms the working medium of a cold air process air conditioning system or heat pump. Furthermore, the invention relates to a special use of a cold air process air conditioning system or heat pump and a special use of a compressor supplying compressed air to a fuel line system.
  • fuel cell systems can optionally also include a reformer.
  • fuel cell systems for example for fuel cell system vehicles, require an air compressor or a compressor to operate the fuel cell system (including any fuel reformer that may be present), which compresses the air required for the process taking place within the fuel cell system in order to keep it from the ambient pressure , which can be, for example, 1 bar, to a higher pressure, for example to 2 bar or more.
  • ambient pressure which can be, for example, 1 bar
  • a higher pressure for example to 2 bar or more.
  • scroll or turbo compressors are used, with electric motors being used to drive the compressors. It is possible to recover part of the compressor work applied by an expander or an expansion machine in the exhaust line of the fuel cell system.
  • the compressor, the electric motor driving the compressor and the expander can be arranged, for example, on a common shaft. Due to the incompatibility of the fuel cell process and the possibly planned reform process with lubricating oil, oil-free compressors and expanders are generally used.
  • air conditioning systems that operate on the basis of a cold vapor compression process.
  • the compressors of such air conditioning systems can be designed, for example, as hermetic compressors, in which the electric drive motor of the compressor and the compressor are accommodated in a common housing without a shaft bushing.
  • Cold air process air conditioning systems in which air is the working medium for the cooling process are also known from the field of air conditioning technology.
  • Such a known cold air process air conditioning system is shown in FIG. 1.
  • the cold air process air conditioning system according to FIG. 1 has a compressor 1 which is driven by an electric motor 2.
  • the compressor 1 compresses air drawn in from the environment or a specific room, as a result of which it is heated.
  • the warmed and compressed Air is subsequently fed to a heat exchanger 5, where heat energy is extracted from the compressed air, which in the illustrated case is supplied with air, which can originate, for example, from a vehicle cabin 4.
  • the air having a lower temperature can then be supplied to a vehicle cabin 4, for example.
  • Part of the compressor work can be recovered via the expander 3, which is why the expansion machine or the expander 3, the electric motor 2 and the compressor 1 are arranged on a common shaft as shown in FIG. 1.
  • the device according to the invention provides that at least some of the air compressed by the compressor is fed to a fuel cell system, the device only has to have a single compressor, which, for example, reduces the weight of the device and / or the total costs. that can. This has an extremely positive effect, for example, for fuel cell plant vehicles.
  • the cold air process air conditioning system has a first heat exchanger to which the part of the air compressed by the compressor that is not supplied to the fuel cell system is supplied.
  • the first heat exchanger is used to extract thermal energy from the compressed air.
  • This thermal energy can be supplied, for example, to an air flow that is passed through the first heat exchanger.
  • the thermal energy can also be transferred to other media.
  • circuits known per se can be used for cold air / air conditioning or cold air / heat pump processes, it being possible for one or more compressor stages and one or more expansion stages or expanders to be provided.
  • the compressed air supplied to the fuel cell system preferably has a pressure of more than 1.5 bar, for example a pressure of 2 bar, in the device according to the invention.
  • a pressure level of 2 bar is suitable for operating the fuel cell systems known per se in many cases.
  • the device according to the invention preferably provides that compressed air emerging from the first heat exchanger is fed to a first expander. As the air expands, its temperature decreases, with the temperature values generally being significantly lower be achieved when it has the air sucked in by the compressor.
  • the fuel cell system is followed by a second heat exchanger, by means of which compressed air or compressed exhaust gas exiting the fuel cell system is cooled.
  • compressed air or compressed exhaust gas emerging from the fuel cell system is fed to a second expander (optionally via the second heat exchanger).
  • This can be particularly useful if air emerging from the first expander is to be used to cool a passenger compartment, for example, and it is undesirable for the air or exhaust gas emerging from the fuel cell system to be mixed with the air used for cooling.
  • the air at low temperature emerging from the first expander can, as mentioned, be supplied, for example, to the vehicle interior of a vehicle in order to cool it.
  • the air emerging from the first expander is fed to a third heat exchanger.
  • This third heat exchanger can, for example be provided to lower the temperature of air used for cooling.
  • This embodiment can be used in particular when compressed air exiting from the fuel cell system or compressed exhaust gas exiting and compressed air exiting from the first heat exchanger are fed to the same (first) expander and it is not desirable that air or escaping exhaust gas is used directly as cooling air.
  • thermal energy is extracted from the compressed air in the first heat exchanger.
  • a medium is preferably supplied to the first heat exchanger, to which heat energy of the compressed air is transferred, the medium supplied to the first heat exchanger being, for example, air from a room cooled by the cold air process air conditioning system, for example the vehicle interior mentioned.
  • the cold air process air conditioning system for example the vehicle interior mentioned.
  • heat pump operation for example, the vehicle interior is heated and heat is extracted from the surroundings.
  • the compressor is preferably driven by an electrical machine in the form of an electric motor.
  • the first expander and / or the second expander or the expansion machine can furthermore be made for the first expander and / or the second expander or the expansion machine to recover part of the compression work.
  • the compressor, the electric motor driving the compressor and the first expander and / or the second expander can be non-positively connected ,
  • the compressor, the electric motor driving the compressor and the first expander and / or the second expander are arranged on a common shaft or on shafts coupled by gear devices.
  • the power of the compressor and / or of the electric motor driving the compressor in the device according to the invention can be designed such that it corresponds to the peak power demanded by the fuel cell system.
  • a compressor can be used in many cases, the output of which approximately corresponds to the output that is normally provided for compressors supplying fuel cell systems anyway.
  • the present invention enables, for example, a fuel cell system vehicle that has an air conditioning system and an air compressor, whereby both the overall vehicle weight and the costs can be reduced with approximately the same efficiency as in the prior art. Due to synergy and simultaneity effects, depending on the embodiment, the output of the compressor used may be lower than the sum of the outputs of the two compressors used according to the prior art.
  • Figure 1 is a cold air process air conditioning system according to the. State of the art
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the device according to the invention, in which a mixing of Fuel cell system exhaust gas and cold air is avoided,
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the device according to the invention, in which a cooler for from the
  • Figure 5 shows a fourth embodiment of the device according to the invention, which essentially corresponds to the third embodiment, but is additionally equipped with a heat exchanger for using the cold air.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the device according to the invention, in which only a single compressor 1 is provided, which is driven by an electric motor 2.
  • the compressor 1 draws in ambient air and compresses it, as a result of which the compressed air has a higher temperature than the air drawn in by the compressor 1.
  • Part of the air compressed by the compressor 1 is fed to a first heat exchanger 5, which is part of a cold air process air conditioning system.
  • the first heat exchanger 5 heat energy is extracted from the flowing compressed air by transferring it to air, which in the case shown comes from a vehicle cabin 4.
  • the part that is not supplied to the first heat exchanger 5 and that is compressed by the compressor 1 Teten air is supplied to a fuel cell system 6 to enable the operation of the fuel cell system 6.
  • Both the air emerging from the first heat exchanger 5 and the air emerging from the fuel cell system 6 are fed to a first expander 3 in the embodiment according to FIG. Due to the expansion of the air, its temperature decreases, so that the air flowing out of the first expander 3 can be used for cooling, for example, a vehicle cabin 4.
  • the first expander 3 is also suitable for recovering part of the compressor work and feeding this recovered energy to the drive system of the compressor 1.
  • the first expander 3 or the expansion machine 3, the electric motor 2 and the compressor 1 are arranged on a common shaft.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the device according to the invention, in which mixing of the air or exhaust gas emerging from the fuel cell system 6 with the cold air provided for cooling is avoided.
  • a second expander 7 is provided, to which the compressed air or compressed exhaust gas emerging from the fuel cell system 6 is fed.
  • the second expander 7 is also suitable for recovering part of the compression work and for feeding this recovered energy to the drive system of the compressor 1.
  • the second expander 7 is arranged on the same shaft as the compressor 1, the electric motor 2 and the first expander 3.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the device according to the invention, which essentially corresponds to the first embodiment according to FIG.
  • the fuel cell system 6 is followed by a second heat exchanger 8.
  • the second heat exchanger 8 serves to cool compressed air or compressed exhaust gas emerging from the fuel cell system 6 before it is supplied to the first expander 3.
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of the device according to the invention, which is based on the third embodiment shown in FIG.
  • the fourth embodiment according to FIG. 5 of the device according to the invention has a third heat exchanger 9, which is connected downstream of the first expander 3.
  • the air emerging from the first heat exchanger 5 is mixed with the air emerging from the fuel cell system 6 or the exhaust gas emerging from the fuel cell system, but the mixed air emerging from the first expander 3 is not fed directly to the vehicle interior.
  • the cold air emerging from the first expander 3 is used in the third heat exchanger 9 to lower the temperature of air provided, for example, for cooling the vehicle interior.
  • FIGS. 2 to 5 can be combined in a suitable manner.
  • the present invention is not limited to use with fuel cell system vehicles, but can be used wherever both a fuel cell system and an air conditioning system are provided, for example for energy supply and cooling of buildings.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorrichtung, insbesondere für eine Brennstoffzellenanlagenfahrzeug, mit einem Verdichter (6), der Luft verdichtet, die das Arbeitsmedium einer Kaltluftprozess-Klimaanlage oder Wärmepumpe bildet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der von dem Verdichter (1) verdichteten Luft einer Brennstoffzellenanlage (6) zugeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer Kaltluftprozess-Klimaanlage oder Wärmepumpe als Quelle für verdichtete Luft, die einer Brennstoffzellenanlage zugeführt wird, und die Verwendung eines eine Brennstoffzellenanlage mit verdichteter Luft versorgenden Verdichters als Quelle für verdichtete Luft, die das Arbeitsmedium einer Klimaanlage bildet oder mitbildet.

Description

Luftkompressionsanlage für Brennstoffzellenanlage und Kaltluftprozess-Klimaanlage oder -Wärmepumpe
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellenanlagenfahrzeug, mit einem Verdichter, der Luft verdichtet, die das Arbeitsmedium einer Kaltluftprozess-Klimaanlage oder -Wärmepumpe bildet. Weiterhin betrifft die Erfindung eine spezielle Verwendung einer Kaltluftprozess-Klimaanlage oder -Wärmepumpe und eine spezielle Verwendung eines eine BrennstoffZeilenanlage mit verdichteter Luft versorgenden Verdichters .
Der Begriff Brennstoffzellenanlagen kann hier neben der eigentlichen Brennstoffzelle gegebenenfalls auch einen Reformer umfassen. Es ist bekannt, dass Brennstoffzellenanlagen, beispielsweise für Brennstoffzellenanlagenfahr- zeuge, zum Betrieb der Brennstoffzellenanlage (ein- schließlich des gegebenenfalls vorhandenen Kraftstoffreformers) einen Luftkompressor beziehungsweise einen Verdichter benötigen, der die für den innerhalb der Brennstoffzellenanlage stattfindenden Prozess erforderliche Luft verdichtet, um sie vom Umgebungsdruck, der bei- spielsweise 1 bar betragen kann, auf einen höheren Druck zu verdichten, beispielsweise auf 2 bar oder mehr. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise bekannt, Kol- ben-, Scroll- oder Turboverdichter einzusetzen, wobei zum Antrieb der Verdichter Elektromotoren verwendet werden. Es ist möglich, einen Teil der aufgebrachten Verdichterarbeit durch einen Expander beziehungsweise eine Expansi- onsmaschine im Abgasstrang der Brennstoffzellenanlage wieder zurückzugewinnen. In diesem Fall können der Verdichter, der den Verdichter antreibende Elektromotor und der Expander beispielsweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Wegen der Unverträglichkeit des Brenn- stoffzellenprozesses und des gegebenenfalls vorgesehenen Reformprozesses mit Schmieröl werden in der Regel ölfreie Verdichter und Expander eingesetzt.
Im Zusammenhang mit Brennstoffzellenanlagenfahrzeugen ist es weiterhin bekannt, derartige Fahrzeuge mit Klimaanlagen auszustatten, die auf der Grundlage eines Kaltdampf- Kompressionsprozesses arbeiten. Die Verdichter derartiger Klimaanlagen können beispielsweise als hermetische Kompressoren ausgeführt sein, bei denen der elektrische An- triebs otor des Verdichters und der Verdichter in einem gemeinsamen Gehäuse ohne Wellendurchführung untergebracht sind.
Aus dem Gebiet der Klimatechnik sind weiterhin Kaltluft- prozess-Klimaanlagen bekannt, bei denen Luft das Arbeitsmedium für den Kühlprozess bildet. Eine derartige bekannte Kaltluftprozess-Klimaanlage ist in Figur 1 dargestellt. Die Kaltluftprozess-Klimaanlage gemäß Figur 1 weist einen Verdichter 1 auf, der von einem Elektromotor 2 angetrieben wird. Der Verdichter 1 verdichtet aus der Umgebung oder einem bestimmten Raum angesaugte Luft, wodurch diese erwärmt wird. Die erwärmte und verdichtete Luft wird nachfolgend einem Wärmetauscher 5 zugeführt, wo der verdichteten Luft Wärmeenergie entzogen wird, die im dargestellten Fall Luft .zugeführt wird, die beispielsweise aus einer Fahrzeugkabine 4 stammen kann. Nachdem die verdichtete Luft den Wärmetauscher 5 passiert hat, wird sie einem Expander 3 zugeführt, wobei durch den Expansionsvorgang die Temperatur der Luft abnimmt. Die eine niedrigere Temperatur (als die vom Verdichter 1 angesaugte Luft) aufweisende Luft kann dann beispielsweise einer Fahrzeugkabine 4 zugeführt werden. Über den Expander 3 kann ein Teil der Verdichterarbeit zurückgewonnen werden, weshalb die Expansionsmaschine beziehungsweise der Expander 3, der Elektromotor 2 und der Verdichter 1 gemäß der Darstellung von Figur 1 auf einer gemeinsamen Welle ange- ordnet sind.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, dass beispielsweise mit einer Klimaanlage ausgestattete Brennstoffzellenanlagen- fahrzeuge gemäß dem Stand der Technik zwei Verdichter mit zwei Antrieben aufweisen, wodurch beispielsweise das Fahrzeuggewicht in unerwünschter Weise zunimmt.
Vorteile der Erfindung
Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen ist, dass zumindest ein Teil der von dem Verdichter verdichteten Luft einer Brennstoffzellenanlage zugeführt wird, muss die Vorrichtung nur noch einen einzigen Verdichter aufweisen, wodurch beispielsweise das Gewicht der Vorrichtung und/oder die Gesamtkosten reduziert wer- den können. Dies wirkt sich beispielsweise bei Brennstoffzellenanlagenfahrzeugen äußerst positiv aus.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kaltluftprozess-Klimaanlage einen ersten Wärmetauscher aufweist, dem der nicht der Brennstoffzellenanlage zugeführte Teil der von dem Verdichter verdichteten Luft zugeführt wird. Der erste Wärmetauscher dient dazu, der verdichteten Luft Wärmeenergie zu entzie- hen. Diese Wärmeenergie kann beispielsweise einem Luftstrom, zugeführt werden, der durch den ersten Wärmetauscher geleitet wird. Selbstverständlich kann die Wärmeenergie auch auf andere Medien übertragen werden. In diesem Zusammenhang können beispielsweise an sich bekannte Schaltungen für Kaltluft-Klima- oder Kaltluft- Wärmepumpenprozesse verwendet werden, wobei eine oder mehrere Verdichterstufen und eine oder mehrere Expansi- onsstufen beziehungsweise Expander vorgesehen sein können.
Die der Brennstoffzellenanlage zugeführte verdichtete Luft weist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise einen Druck von mehr als 1,5 bar auf, beispielsweise einen Druck von 2 bar. Ein Druckniveau von 2 bar ist zum Betrieb der an sich bekannten Brennstoffzellenanlagen in vielen Fällen geeignet.
Weiterhin sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise vor, dass aus dem ersten Wärmetauscher austretende verdichtete Luft einem ersten Expander zugeführt wird. Durch die Expansion der Luft nimmt deren Temperatur ab, wobei in der Regel deutlich niedrigere Temperaturwerte erzielt werden, als sie die vom Verdichter angesaugte Luft aufweist.
Insbesondere wenn die Temperatur der aus der Brennstoff- zellenanlage austretenden verdichteten Luft beziehungsweise des austretenden verdichteten Abgases hoch ist, kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellenanlage ein zweiter Wärmetauscher nachgeschaltet ist, durch den aus der Brennstoffzellenanlage austretende verdichtete Luft beziehungsweise verdichtetes Abgas gekühlt wird.
Zusätzli'ch oder alternativ kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass aus der Brennstoffzellenanlage austretende verdichtete Luft beziehungsweise austretendes verdichtetes Abgas (gegebenenfalls über den zweiten Wärmetauscher) einem zweiten Expander zugeführt wird. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn aus dem ersten Expander austretende Luft zur Kühlung von beispielsweise einem Fahrgastraum verwendet werden soll und es unerwünscht ist, dass die aus der Brennstoffzellenanlage austretende Luft beziehungsweise austretendes Abgas mit der zur Kühlung verwendeten Luft vermischt wird.
Die aus dem ersten Expander austretende Luft mit niedri- ger Temperatur kann wie erwähnt beispielsweise dem Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs zugeführt werden, um diesen zu kühlen.
In diesem Zusammenhang kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch vorgesehen sein, dass die aus dem ersten Expander austretende Luft einem dritten Wärmetauscher zugeführt wird. Dieser dritte Wärmetauscher kann beispiels- weise dazu vorgesehen sein, die Temperatur von zur Kühlung verwendeter Luft zu senken. Diese Ausführungsform kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn aus der Brennstoffzellenanlage austretende verdichtete Luft be- ziehungsweise austretendes verdichtetes Abgas und aus dem ersten Wärmetauscher austretende verdichtete Luft dem gleichen (ersten) Expander zugeführt wird und es nicht erwünscht ist, dass aus der Brennstoffzellenanlage austretenden Luft beziehungsweise austretendes Abgas direkt als Kühlluft verwendet wird.
Wie erwähnt, wird der verdichteten Luft in dem ersten Wärmetauscher Wärmeenergie entzogen.
Hierzu wird dem ersten Wärmetauscher vorzugsweise ein Medium zugeführt, auf das Wärmeenergie der verdichteten Luft übertragen wird, wobei das dem ersten Wärmetauscher zugeführte Medium beispielsweise Luft aus einem durch die Kaltluftprozess-Klimaanlage gekühlten Raum sein kann, beispielsweise dem erwähnten Fahrzeuginnenraum. Im Wärmepumpenbetrieb wird dagegen beispielsweise der Fahrzeuginnenraum beheizt und der Umgebung Wärme entzogen.
Der Verdichter wird vorzugsweise von einer elektrischen Maschine in Form eines Elektromotors angetrieben.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades kann weiterhin vorgesehen sein, dass der erste Expander und/oder der zweite Expander beziehungsweise die Expansionsmaschine einen Teil der Verdichtungsarbeit wieder zurückgewinnt. Um die vom ersten Expander und/oder vom zweiten Expander zurückgewonnene Verdichtungsarbeit dem System wieder zuzuführen, kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, dass der Verdichter, der den Verdichter an- treibende Elektromotor und der erste Expander und/oder der zweite Expander kraftschlüssig verbindbar sind.
Zu diesem Zweck ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Verdichter, der den Verdichter antreibende Elektromotor und der erste Expander und/oder der zweite Expander auf einer gemeinsamen Welle oder auf durch Getriebeeinrichtungen gekoppelten Wellen angeordnet sind.
Die Leistung des Verdichters und/oder des den Verdichter antreibenden Elektromotors kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart ausgelegt werden, dass sie der von der Brennstoffzellenanlage abgeforderten Spitzenleistung entspricht. In diesem Fall kann durch Verzicht auf Klimatisierung, während der relativ seltenen durch die Brenn- stoffzellenanlage verursachten Spitzenlastfälle, in vielen Fällen ein Verdichter verwendet werden, dessen Leistung ungefähr der Leistung entspricht, die üblicherweise für Brennstoffzellenanlagen versorgende Verdichter ohnehin vorgesehen wird.
In den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche fällt jede Verwendung einer Kaltluftprozess-Klimaanlage oder -Wärmepumpe als Quelle für verdichtete Luft, die einer Brennstoffzellenanlage zugeführt wird.
In den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche fällt in ähnlicher Weise jede Verwendung eines eine Brennsto fzel- lenanlage mit verdichteter Luft versorgenden Verdichters als Quelle für verdichtete Luft, die das Arbeitsmedium einer Klimaanlage oder Wärmepumpe bildet oder mitbildet.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht beispielsweise ein Brennstoffzellenanlagenfahrzeug, das eine Klimaanlage und einen Luftverdichter aufweist, wobei bei im Vergleich zum Stand der Technik in etwa gleicher Effizienz sowohl das Fahrzeuggesamtgewicht als auch die Kosten gesenkt werden können. Aufgrund von Synergi- und Gleichzeitigkeitseffekten kann je nach Ausführungsform die Leistung des eingesetzten Verdichters geringer sein, als die Summe der Leistungen der beiden gemäß dem Stand der Technik eingesetzten Verdichter.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Kaltluftprozess-Klimaanlage gemäß dem . Stand der Technik,
Figur 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine Vermischung von Brennstoffzellenanlagen-Abgas und Kaltluft vermieden wird,
Figur 4 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung, bei der ein Kühler für aus der
Brennstoffzellenanlage austretende Luft beziehungsweise austretendes Abgas vorgesehen ist, und
Figur 5 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im Wesentlichen der dritten Ausführungsform entspricht, jedoch zusätzlich mit einem Wärmetauscher zur Nutzung der Kaltluft ausgestattet ist.
Beschreibung des Äusführungsbeispiels
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung, bei der nur ein einziger Verdichter 1 vorgesehen ist, der von einem Elektromotor 2 angetrieben wird. Der Verdichter 1 saugt Umgebungsluft an und verdichtet diese, wodurch die verdichtete Luft eine höhere Temperatur aufweist als die vom Verdichter 1 angesaug- te Luft. Ein Teil der von dem Verdichter 1 verdichteten Luft wird einem ersten Wärmetauscher 5 zugeführt, der Bestandteil einer Kaltluftprozess-Klimaanlage ist. In dem ersten Wärmetauscher 5 wird der durchströmenden verdichteten Luft Wärmeenergie entzogen, indem diese auf Luft übertragen wird, die im dargestellten Fall aus einer Fahrzeugkabine 4 stammt. Der nicht dem ersten Wärmetauscher 5 zugeführte Teil der von dem Verdichter 1 verdich- teten Luft wird einer Brennstoffzellenanlage 6 zugeführt, um den Betrieb der Brennstoffzellenanlage 6 zu ermöglichen. Sowohl die aus dem ersten Wärmetauscher 5 austretende Luft als auch die aus der Brennstoffzellenanlage 6 austretende Luft wird bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 einem ersten Expander 3 zugeführt. Durch die Expansion der Luft nimmt deren Temperatur ab, so dass die aus dem ersten Expander 3 ausströmende Luft zur Kühlung beispielsweise einer Fahrzeugkabine 4 verwendet werden kann. Der erste Expander 3 ist weiterhin dazu geeignet, einen Teil der Verdichterarbeit wiederzugewinnen und diese wiedergewonnene Energie dem Antriebssystem des Verdichters 1 zuzuführen. Hierzu sind der erste Expander 3 beziehungsweise die Expansionsmaschine 3, der Elektromotor 2 und der Verdichter 1 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine Vermischung von aus der Brennstoffzellenanlage 6 austretender Luft beziehungswei- se austretendem Abgas mit der zur Kühlung vorgesehenen Kaltluft vermieden wird. Zu diesem Zweck ist ein zweiter Expander 7 vorgesehen, dem die aus der Brennstoffzellenanlage 6 austretende verdichtete Luft beziehungsweise austretendes verdichtetes Abgas zugeführt wird. Auch der zweite Expander 7 ist dazu geeignet, einen Teil der Verdichtungsarbeit wiederzugewinnen und diese wiedergewonnene Energie dem AntriebsSystem des Verdichters 1 zuzuführen. Zu diesem Zweck ist der zweite Expander 7 auf der gleichen Welle angeordnet, wie der Verdichter 1, der E- lektromotor 2 und der erste Expander 3. Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im Wesentlichen der ersten Ausführungsform gemäß Figur 2 entspricht. Bei der in Figur 4 dargestellten dritten Ausführungsform der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung ist der Brennstoffzellenanlage 6 ein zweiter Wärmetauscher 8 nachgeschaltet. Der zweite Wärmetauscher 8 dient dazu, aus der Brennstoffzellenanlage 6 austretende verdichtete Luft beziehungsweise austretendes verdichtetes Abgas abzukühlen, bevor es dem ersten Expan- der 3 zugeführt wird.
Figur 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung die auf der in Figur 4 dargestellten dritten Ausführungsform aufbaut. Im Vergleich zu der dritten Ausführungsform gemäß Figur 4 weist die vierte Ausführungsform gemäß Figur 5 der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen dritten Wärmetauscher 9 auf, der dem ersten Expander 3 nachgeschaltet ist. Bei dieser Ausführungsform wird zwar die aus dem ersten Wärmetauscher 5 austretende Luft mit der aus der Brennstoffzellenanlage 6 austretenden Luft beziehungsweise dem aus der Brennstoffzellenanlage austretenden Abgas vermischt, die aus dem ersten Expander 3 austretende gemischte Luft wird jedoch nicht direkt dem Fahrzeuginnenraum zugeführt. Stattdessen wird die aus dem ersten Expander 3 austretende Kaltluft in dem dritten Wärmetauscher 9 dazu verwendet, die Temperatur von beispielsweise zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums vorgesehener Luft zu senken.
Für den Fachmann ist klar, dass die in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in geeigneter Weise kombiniert werden können. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung mit Brennstoffzellenanlagenfahrzeugen beschränkt, sondern sie kann überall dort eingesetzt werden, wo sowohl eine Brennstoffzellenanlage als auch eine Klimaanlage vorgesehen ist, beispielsweise zur Energieversorgung und Kühlung von Gebäuden .
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellenanlagenfahrzeug, mit einem Verdichter (6), der Luft verdichtet, die das Arbeitsmedium einer Kaltluftprozess-" Klimaanlage oder -Wärmepumpe bildet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der von dem Verdichter (1) verdichteten Luft einer Brennstoffzellenanlage (6) zugeführt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltluft-Klimaanlage einen ersten Wärmetauscher (5) aufweist, dem der nicht der Brennstoffzellenanlage (6) zugeführte Teil der von dem Verdichter (6) verdichteten Luft zugeführt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekeπn- zeichnet, dass der Brennstoffzellenanlage (β) verdichtete
Luft zugeführt wird, die einen Druck von mehr als 1,5 bar aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ersten Wärmetauscher
(5) austretende verdichtete Luft einem ersten Expander (3) zugeführt wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Brennstoffzellenanlage (β) austretende verdichtete Luft beziehungsweise austretendes verdichtetes Abgas dem ersten Expander (3) zugeführt wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenanlage (6) ein zweiter Wärmetauscher (8) nachgeschaltet ist, um aus der Brennstoffzellenanlage (6) austretende verdichtete Luft beziehungsweise austretendes verdichtetes Abgas zu kühle .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Brennstoffzellenanlage (6) austretende verdichtete Luft beziehungsweise austretendes verdichtetes Abgas einem zweiten Expander (7) zugeführt wird.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ersten Expander (3) austretende Luft dem Fahrzeuginnenraum eines Fahrzeugs zugeführt wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet., dass aus dem ersten Expander (3) austretende Luft einem dritten Wärmetauscher (9) zugeführt wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verdichteten Luft, in dem ersten Wärmetauscher (5) Wärmeenergie entzogen wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Wärmetauscher (5) ein Medium zugeführt wird, auf das Wärmeenergie der verdichteten Luft übertragen wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dem ersten Wärmetauscher (5) zugeführte Medium Luft aus einem durch die Kaltluftprozess-Klimaanlage gekühlten Raum £4) ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) von einem Elektromotor (2) angetrieben wird.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Expander (3) und/oder der zweite Expander (7) zumindest einen Teil der Verdichtungsarbeit wieder zurückgewinnt.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) , der den
Verdichter (1) antreibende Elektromotor (2) und der erste Expander (3) und/oder der zweite Expander (7) kraftschlüssig verbindbar sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1), der den Verdichter (1) antreibende Elektromotor (2) und der erste Expander (3) und/oder der zweite Expander (7) auf einer gemeinsamen Weile oder auf durch Getriebeeinrichtungen gekoppelten Wellen angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Verdichters (1) und/oder des den Verdichter (1) antreibenden Elektromotors (2) so ausgelegt ist, dass sie der von der Brennstoffzellenanlage (6) abgeforderten Spitzenleistung ent- spricht oder diese nur geringfügig übersteigt.
18. Verwendung einer Kaltluftprozess-Klimaanlage oder -Wärmepumpe als Quelle für verdichtete Luft, die einer Brennstoffzellenanlage zugeführt wird.
19. Verwendung eines eine Brennstoffzellenanlage mit verdichteter Luft versorgenden Verdichters als Quelle für verdichtete Luft, die das Arbeitsmedium einer Klimaanlage oder Wärmepumpe bildet oder mitbildet.
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