Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs, ein Verfahren zum Klimatisieren eines Fahrzeuginnenraumes nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs und ein entsprechendes Kraftfahrzeug.

Stand der Technik

Es sind Fahrzeuge bekannt, die mit Brennstoffzellensystemen für einen Antrieb des Fahrzeuges ausgestattet sind und die ein Belüftungssystem für einen Fahrzeuginnenraum benötigen. In einem Brennstoffzellensystem findet z. B. die Reaktion von Wasserstoff zu Wasser durch die Verbindung mit dem Sauerstoff der Luft statt. Dafür wird der Anode Wasserstoff zugeführt, während der Kathode Luft, meistens eine gefilterte Umgebungsluft, zugeführt wird. Durch Einsaugen der Umgebungsluft wird diese erwärmt. Damit die verdichtete Luft die nachgeschalteten Komponenten thermisch nicht schädigt, wird die Luft durch einen Wärmetauscher auf ca. 100°C abgekühlt. Um eine Membran des

Brennstoffzellensystems nicht zu entfeuchten, wird die Luft zusätzlich durch einen Befeuchter befeuchtet. l.d. R. wird ein Membranbefeuchter verwendet, wobei die Feuchte aus der nassen Abluft entnommen wird. Die neben der elektrischen Energie und Abwasser produzierte Abwärme wird durch einen Thermalkreis zu einem Fahrzeugkühler abgeführt. Ein Lüfter saugt eine Kühlluft, meistens ebenfalls eine Umgebungsluft, durch den Fahrzeugkühler. Die Kühlluft wird nach dem Durchgang des Fahrzeugkühlers aufgewärmt.

Ein Belüftungssystem kann ebenfalls als Klimaanlage bezeichnet werden. Ein großer Teil der Klimatisierung gilt der Entfeuchtung der Luft. Eine Kabinenluft im Fahrzeuginnenraum, die durch das Belüftungssystem bereitgestellt wird, muss tlw. sehr tief gekühlt werden, damit das Wasser kondensiert und abgeschieden werden kann. Dadurch ist der Leistungsbedarf des Belüftungssystems erheblich größer als für eine gewünschte Abkühlung der Luft notwendig wäre.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sieht ein Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch, sowie ein Verfahren zum

Klimatisieren eines Fahrzeuginnenraumes nach dem unabhängigen

Verfahrensanspruch sowie ein entsprechendes Kraftfahrzeug vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den

Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten

Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Klimatisierungssystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im

Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder dem

erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die Erfindung stellt ein Klimatisierungssystem für ein Fahrzeug bereit, mit einem Belüftungssystem zum Klimatisieren eines Fahrzeuginnenraumes, wobei im Fahrzeuginnenraum eine Kabinenluft aufnehmbar ist, die durch das

Belüftungssystem bereitgestellt ist, und einem Antriebssystem zum Antreiben des Fahrzeuges ausgeführt ist, wobei das Antriebssystem mindestens einen Luftpfad zum Bereitstellen einer Funktionsluft an eine Antriebskomponente des Antriebssystems aufweist. Erfindungsgemäß ist ein Befeuchter vorgesehen, welcher die Kabinenluft durch die Funktionsluft aus dem Luftpfad entfeuchtet. Somit kann der Befeuchter zwischen der Kabinenluft und dem Luftpfad fluidtechnisch eingebunden sein und eine Verbindung für das Wasser, insbesondere von der Kabinenluft zum Luftpfad, bilden.

Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem (oder einfach System) kann dabei sowohl für mobile Anwendungen mit Fahrzeugen aller Art, darunter

Kraftfahrzeugen, umfassend Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Flugzeuge und Schiffe, als auch für stationäre Anwendungen, bspw. in einer

Notstromversorgung und/oder als ein Generator oder dergleichen, verwendet werden.

Die Erfindung macht sich zunutze, dass im Betrieb des Fahrzeuges eine heiße Funktionsluft entsteht, die sehr trocken ist. In einem Befeuchter kann eine solche heiße und trockene Funktionsluft dazu genutzt werden, die feuchte Kabinenluft effizient zu entfeuchten. Als eine Funktionsluft kann einerseits eine Kühlluft verwendet werden, die zum Kühlen einer Antriebskomponente genutzt wird. Andererseits kann als eine Funktionsluft ein Reaktionsgas einer

Antriebskomponente verwendet werden. Bei Verbrennungsmotoren als eine Antriebskomponente kann als Reaktionsgas die Umgebungsluft verwendet werden. Bei Brennstoffzellensystemen als eine Antriebskomponente kann als Reaktionsgas ebenfalls die sauerstoffhaltige Umgebungsluft für einen

Kathodenpfad oder ein brennstoffhaltiges Gasgemisch für einen Anodenpfad verwendet werden. Als Befeuchter kann bspw. ein Membranbefeuchter dienen, der eine wasserdurchlässige, vorzugsweise ausschließlich wasserdurchlässige, Membran aufweisen kann. Dabei ist es denkbar, dass ein separater Befeuchter zum Entfeuchten der Kabinenluft benutzt wird. Bei einem Brennstoffzellensystem ist weiterhin denkbar, dass zum Entfeuchten der Kabinenluft ein separater oder ein im System bereits vorhandener Befeuchter benutzt werden kann.

Mit anderen Worten liegt der Erfindungsgedanke darin, dass die Kabinenluft durch Wasseraustausch mit heißer Funktionsluft entfeuchtet wird. Dadurch kann der Vorteil erreicht werden, dass die Systemkosten im Kraftfahrzeug reduziert werden, weil das Belüftungssystem weniger Leistung bereitstellen muss als in herkömmlichen Fahrzeugen und somit kleiner ausgelegt werden kann.

Außerdem benötigt ein solches Belüftungssystem einen kleineren Motor als in herkömmlichen Fahrzeugen. Somit wird durch die Erfindung die Effizienz des Klimatisierungssystems erhöht und der Energieaufwand für die Entfeuchtung der Kabinenluft erheblich reduziert.

Ferner kann im Rahmen der Erfindung bei einem Klimatisierungssystem vorgesehen sein, dass die Antriebskomponente des Antriebssystems in Form eines Verbrennungsmotors, eines Elektroantriebes, eines Hybridantriebes oder eines Generators ausgebildet ist, wobei der Luftpfad in Form eines Zuluftpfades oder eines Kühlluftpfades für die Antriebskomponente ausgebildet ist. Somit kann die Erfindung in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden, nämlich in allen Fahrzeugen oder sonstigen Maschinen, wie z. B. Flugzeugen, Zügen oder stationären Anwendungen, die mit unterschiedlichen Antriebssystemen ausgelegt sein können. Mit anderen Worten kann die Erfindung überall dort eingesetzt werden, wo Antriebskomponenten gekühlt werden müssen oder wo

Antriebskomponenten eine Luft als ein Reaktionsgas benötigen und in deren unmittelbarer Nähe ein Luftvolumen, bspw. im Fahrzeugimmenraum, entfeuchtet werden soll.

Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung bei einem Klimatisierungssystem vorgesehen sein, dass die Antriebskomponente des Antriebssystems in Form eines Brennstoffzellensystems ausgebildet ist, wobei der Luftpfad in Form eines Zuluftpfades eines Kathodenpfades oder eines Kühlluftpfades für die

Antriebskomponente ausgebildet ist. Dadurch kann der Vorteil erreicht werden, dass das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem in allen Fahrzeugen oder sonstigen Maschinen eingesetzt werden kann, die ein Brennstoffzellensystem als eine Antriebskomponente aufweisen. In einem Brennstoffzellensystem wird eine heiße Funktionsluft an zwei unterschiedlichen Stellen produziert. Zum einen wird die Umgebungsluft bzw. Funktionsluft als ein Reaktionsgas verwendet, die aus der Umgebung eingesaugt, verdichtet und somit erwärmt wird. Zum anderen wird die Umgebungsluft bzw. Funktionsluft als eine Kühlluft genutzt, die die Wärme im Betrieb des Brennstoffzellensystems aufnimmt und abtransportiert. Die eine oder die andere Funktionsluft kann im Rahmen der Erfindung zum Entfeuchten der

Kabinenluft des Fahrzeuginnenraums genutzt werden. Weiterhin kann bei einem Brennstoffzellensystem vorteilhaft sein, dass derselbe Befeuchter, der im

Brennstoffzellensystem vorhanden ist und der zum Befeuchten der

aufgewärmten Kathodenluft als Reaktionsgas dient, gleichzeitig zum Entfeuchten der Kabinenluft eingesetzt wird. Somit können die Systemkosten, das

Systemgewicht und die Anzahl der Bauteile im Brennstoffzellensystem reduziert werden.

Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung bei einem Klimatisierungssystem vorgesehen sein, dass der Befeuchter in Form eines Membranbefeuchters ausgebildet ist. Ein solcher Befeuchter ist ein einfaches, kostengünstiges Bauteil. Ein Membranbefeuchter kann vorteilhafterweise eine wasserdurchlässige, vorzugsweise ausschließlich wasserdurchlässige, Membran aufweisen, um die Wassermoleküle aus der feuchten Kabinenluft zu entziehen und der trockenen Funktionsluft hinzuzufügen. Ferner kann als ein Befeuchter ein

Absorptionsbefeuchter eingesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung ist es zudem denkbar, dass ein im System bereits vorhandener Befeuchter zum Entfeuchten der Kabinenluft benutzt werden kann.

Ferner stellt die Erfindung ein Verfahren zum Klimatisieren eines

Fahrzeuginnenraumes bereit, wobei im Fahrzeuginnenraum eine Kabinenluft aufnehmbar ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass zum Entfeuchten der Kabinenluft eine Funktionsluft verwendet wird, die beim

Antreiben des Fahrzeuges genutzt wird. Somit kann mithilfe des

erfindungsgemäßen Verfahrens der Vorteil erreicht werden, dass

Feuchtigkeitsdefizite und Feuchtigkeitsüberschüsse im Fahrzeug auf eine vorteilhafte Weise ausgeglichen, vorzugsweise gegeneinander aufgehoben, werden. Im Rahmen der Erfindung kann vorteilhaft sein, dass an der Stelle im Fahrzeug, wo überschüssige Feuchtigkeit vorhanden ist, sie entnommen und an der Stelle dem Fahrzeug wieder zugefügt wird, wo ein Bedarf an Feuchtigkeit herrscht. Vorteilhafterweise wird im Rahmen der Erfindung die heiße

Funktionsluft genutzt, die ohnehin beim Antreiben des Fahrzeuges entsteht, und an die Stelle im Fahrzeug geleitet, wo eine überschüssige Feuchtigkeit vorhanden ist, um diese Feuchtigkeit zu entziehen.

Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Entfeuchten der Kabinenluft die Funktionsluft in Form einer Kühlluft für eine Antriebskomponente des Antriebssystems verwendet wird.

Antriebskomponenten produzieren meist Wärme, die mithilfe der Kühlluft abgeführt werden kann. Die nach dem Durchgang der Antriebskomponente aufgewärmte Kühlluft ist sehr trocken und eignet sich auf eine vorteilhafte Weise zum Entziehen der Feuchtigkeit aus der Kabinenluft, bspw. mithilfe eines Befeuchters. Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Entfeuchten der Kabinenluft die Funktionsluft in Form eines Reaktionsgases für eine Antriebskomponente des Antriebssystems verwendet wird. Meistens wird das Reaktionsgas in einem verdichteten Zustand der Antriebskomponente zugefügt. Das verdichtete Reaktionsgas wird warm und trocken, sodass es auf eine vorteilhafte Weise zum Entfeuchten der Kabinenluft, bspw. mithilfe eines Befeuchters, geeignet ist. Bei einem Brennstoffzellensystem als eine Antriebskomponente ist als Reaktionsgas eine sauerstoffhaltige Umgebungsluft oder ein brennstoffhaltiges Gasgemisch denkbar.

Des Weiteren kann im Rahmen der Erfindung bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass zum Entfeuchten der Kabinenluft ein Klimatisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird. Somit können mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Klimatisierungssystem beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.

Ferner stellt die Erfindung ein Fahrzeug bereit, welches mit einem

Belüftungssystem zum Klimatisieren eines Fahrzeuginnenraumes, wobei im Fahrzeuginnenraum eine Kabinenluft aufnehmbar ist, und einem Antriebssystem zum Antreiben des Fahrzeuges ausgeführt ist, wobei das Antriebssystem mindestens einen Luftpfad zum Bereitstellen einer Funktionsluft an eine

Antriebskomponente des Antriebssystems aufweist. Hierzu ist erfindungsgemäß ein Befeuchter vorgesehen, welcher die Kabinenluft durch die Funktionsluft aus dem Luftpfad entfeuchtet. Mithilfe des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Klimatisierungssystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird vorliegend auf diese Vorteile vollumfänglich Bezug genommen.

Bevorzugte Ausführungsbeisp

Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems als eine Antriebskomponente eines Antriebssystems für ein Fahrzeug,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Klimatisierungssystems für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführung, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Klimatisierungssystems für ein Fahrzeug gemäß einer weiteren Ausführung.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile des Klimatisierungssystems 100 stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.

Die Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem, bspw. ein Polymerelektrolyt- Brennstoffzellensystem, welches als eine Antriebskomponente 2a eines

Antriebssystems 2 in einem Fahrzeug genutzt werden kann. Das

Brennstoffzellensystem kann mehrere Brennstoffzellen umfassen, die in einem Stapel, einem sog. Stack, in Reihe verschaltet werden können. Im Stack findet eine kalte Verbrennung von Wasserstoff durch die Verbindung mit dem

Sauerstoff der Kathodenluft statt. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eignet sich vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, d. h. für Anwendungen in Fahrzeugen jeder Art, sowie für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren oder bei Notstromversorgung. Dafür wird einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff mithilfe eines Anodenpfades 10 zugeführt, während einer Kathode der Brennstoffzelle Luft, bspw. Umgebungsluft, mithilfe eines Kathodenpfades 20 zugeführt wird. Die elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem wird über einen elektrischen Kreislauf an ein elektrisches Bordnetzt 102 des Fahrzeuges bereitgestellt. Der Anodenpfad 10 umfasst eine geschlossene Anodenleitung zwischen einem Brennstoff- bzw. einen Wasserstofftank 11 und der Brennstoffzelle. Nach dem Brennstofftank 11 ist im Anodenpfad 10 ein Absperrventil 12 zum Abschalten der Brennstoffversorgung und mindestens ein Druckregler 13, bspw. in Form eines Drosselventils, zum Einstellen eines geeigneten Druckes in der Anodenleitung 10 vorgesehen. Ein unverbrauchter Brennstoff kann mittels einer

Rezirkulationspumpe 14 dem frischen Brennstoff beigemischt werden. Ein Drainventil 15, bspw. in Form eines Drosselventils, ist zum Abführen eines überschüssigen Wassers aus dem Anodenpfad 10 vorgesehen.

Der Kathodenpfad 20 weist am Eingang eines Zuluftpfades einen

Temperatursensor 21 auf. Zudem umfasst der Kathodenpfad 20 im Zuluftpfad einen Luftfilter 22, um die Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen des Brennstoffzellensystems zu filtern. Ein Verdichter 23, bspw. in Form eines Saugers, sorgt dafür, dass ausreichend Luft als ein Reaktionsgas zur Kathode der Brennstoffzelle gelangt. Ein Wärmetauscher 24 ist vorgesehen, um die verdichtete Umgebungsluft, die gemäß einer Ausführung der Erfindung gemäß der Figur 2 als eine erfindungsgemäße Funktionsluft FL fungieren kann, nach Durchgang des Verdichters 23 auf eine geeignete Temperatur, bspw. 100°C, abzukühlen. Ein Befeuchter 25 sorgt dafür, dass die erhitzte und trockene Funktionsluft FL befeuchtet und zurück zur Kathode geschickt wird. Am Ausgang des Kathodenpfades 20 befindet sich ein Regelventil 27, bspw. in Form eines Drosselventils.

Die neben der elektrischen Energie und Abwasser produzierte Abwärme wird durch einen Thermalkreis 30 zu einem Fahrzeugkühler 32 abgeführt. Im

Thermalkreis 30 ist außerdem eine Rezirkulationspumpe 31 zum Umwälzen eines Kühlmittels vorgesehen. Ein Lüfter 41 aus einem Kühlluftpfad 40 zieht eine Kühlluft, meistens ebenfalls eine Umgebungsluft, durch den Fahrzeugkühler 32. Die Kühlluft wird nach dem Durchgang des Fahrzeugkühlers 32 aufgewärmt und kann gemäß einer Ausführung der Erfindung gemäß der Figur 3 als eine erfindungsgemäße Funktionsluft FL fungieren.

Die Figuren 2 und 3 zeigen ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem 100, mit einem Brennstoffzellensystem, welches mithilfe der Figur 1 beschrieben wurde. Das Brennstoffzellensystem in den Figuren 2 und 3 zeigt nicht alle Komponenten, die mithilfe der Figur 1 beschrieben wurden, lediglich aus

Einfachheitsgründen. Grundsätzlich kann das Brennstoffzellensystem gemäß den Figuren 2 und 3 alle oben beschriebenen Komponenten aufweisen.

Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem 100 umfasst ein

Belüftungssystem 1 zum Bereitstellen einer Kabinenluft KL in einen

Fahrzeuginnenraum 101. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße

Klimatisierungssystem 100 ein Antriebssystem 2, welches ein

Brennstoffzellensystem gemäß der Figur 1 als eine Antriebskomponente 2a nutzten kann, wobei das Antriebssystem 2 mindestens einen Luftpfad 20, 40 zum Bereitstellen einer Funktionsluft FL an eine Antriebskomponente 2a des

Antriebssystems 2 aufweist.

Grundsätzlich ist es denkbar, dass als eine Antriebskomponente 2a im Sinne der Erfindung ein Verbrennungsmotor, ein Elektroantrieb, ein Hybridantrieb oder ein Generator eingesetzt werden kann. Das erfindungsgemäße

Klimatisierungssystem 100 kann überall dort eingesetzt werden, wo beim

Antreiben des Fahrzeuges, d. h. im Betrieb des Antriebssystems 2, eine heiße Funktionsluft FL entsteht und wo es einen Raum 101 mit einer Kabinenluft KL gibt, der entfeuchtet werden muss.

Erfindungsgemäß ist ein Befeuchter 3 vorgesehen, welcher die Kabinenluft KL durch die Funktionsluft FL aus dem Luftpfad entfeuchtet.

Als Funktionsluft FL kann einerseits eine Kühlluft verwendet werden, die zum Kühlen einer Antriebskomponente 2a genutzt wird. Bei Verbrennungsmotoren als eine Antriebskomponente 2a kann als Kühlluft die Umgebungsluft verwendet werden. Bei Brennstoffzellensystemen als eine Antriebskomponente 2a kann als Kühlluft ebenfalls die sauerstoffhaltige Umgebungsluft aus dem Kühlluftpfad 40 verwendet werden.

Andererseits kann als Funktionsluft FL ein Reaktionsgas einer

Antriebskomponente 2a verwendet werden. Bei Verbrennungsmotoren als eine Antriebskomponente 2a kann als Reaktionsgas die Umgebungsluft verwendet werden. Bei Brennstoffzellensystemen als eine Antriebskomponente 2a kann als Reaktionsgas ebenfalls die sauerstoffhaltige Umgebungsluft für einen

Kathodenpfad 20 oder ein brennstoffhaltiges Gasgemisch für einen Anodenpfad 10 verwendet werden.

Als Befeuchter 3 kann bspw. ein Membranbefeuchter dienen, der eine wasserdurchlässige, vorzugsweise ausschließlich wasserdurchlässige, Membran aufweisen kann. Zudem ist ein Absorptionsbefeuchter als ein Befeuchter 3 im Sinne der Erfindung denkbar.

Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass ein separater Befeuchter 3 zum Entfeuchten der Kabinenluft KL benutzt wird. Bei einem Brennstoffzellensystem ist es weiterhin denkbar, dass zum Entfeuchten der Kabinenluft KL ein separater Befeuchter 3 (Ausführungsbeispiel, wie gezeigt in den Figuren 2 und 3) oder ein im System bereits vorhandener Befeuchter 25, bspw. aus dem Kathodenpfad 20, (ein nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel) benutzt werden kann.

Somit können die Gesamtkosten im Kraftfahrzeug reduziert werden, weil das Belüftungssystem 1 weniger Leistung bereitstellen muss als in herkömmlichen Fahrzeugen und somit kleiner ausgelegt werden kann. Außerdem benötigt ein solches Belüftungssystem 1 einen kleineren Motor als in herkömmlichen

Fahrzeugen. Somit wird durch die Erfindung die Effizienz des

Klimatisierungssystems 100 erhöht und der Energieaufwand für die Entfeuchtung der Kabinenluft KL erheblich reduziert.

Die voranstehende Beschreibung der Figuren 1 bis 3 beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.