DE102004051542A1

DE102004051542A1 - Heizeinrichtung für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004051542A1
Application number: DE102004051542A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hermann; Wolfgang Hermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: DE102004051542B4

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine kleinbauende Heizeinrichtung geschaffen, die ein dynamisches Ansprechverhalten aufweist, insbesondere auch bei einem Kaltstart der Brennstoffzelle. Die Heizeinrichtung weist hierbei auf: DOLLAR A eine Leitung (2) mit einem Eintritt (3) und einem Austritt (4) für ein flüssiges Medium der Brennstoffzelle (6), wobei die Leitung f(2) einen elektrisch leitfähigen Heizbereich (2) aufweist, DOLLAR A einen Transformator (10), der eine Primärwicklung (22) mit einer höheren Windungszahl und eine Sekundärwicklung (26) mit einer kleineren Windungszahl aufweist, wobei die Sekundärwicklung (26) geschlossen ist und der leitfähige Heizbereich (2c) der Leitung (2) ein Teil der geschlossenen Sekundärwicklung (26) ist, und DOLLAR A eine Anschlusseinrichtung (14) zum Anschluss an die Brennstoffzelle (6), wobei die Primärwicklung (23) über die Anschlusseinrichtung (14) und vorzugsweise einen Zerhacker gespeist wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß kann sowohl direkt das Reinwasser als auch ein Medium eines Sekundärkreislaufs geheizt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung für eine Brennstoffzelle.

Brennstoffzellen werden insbesondere in Antriebssystemen mit Elektromotoren, z.B. Maschinen oder Fahrzeugen, verwendet. Die Brennstoffzelle benötigt eine vorgegebene Soll-Betriebstemperatur, um effektiv zu arbeiten. Die erforderliche Betriebsspannung der Brennstoffzelle wird erst bei der Soll-Betriebstemperatur erreicht. Ein Reinwasserkreis der Brennstoffzelle ist weiterhin auch auf Temperaturen über dem Gefrierpunkt zu halten, um Frostschäden zu vermeiden.

Bei Temperaturen unterhalb der Soll-Betriebstemperatur und insbesondere im Bereich des Gefrierpunktes ist ein Beheizen des Wasserkreislaufs erforderlich, um insbesondere beim Starten des Antriebssystems einen Schnellstart zu ermöglichen.

Das Reinwasser der Brennstoffzelle kann hierzu über einen Wärmetauscher und einen zusätzlichen Wasser-Glycol-Kreislauf auf die Betriebstemperatur gebracht, gegebenenfalls gekühlt und vor Einfrieren geschützt werden. Schnelles Aufheizen und ein Einfrierschutz wird hierbei in der Regel durch Beheizung des Wasser-Glycol-Kreislaufs erreicht.

Als Heizeinrichtungen werden derzeit zum Teil Kaltleiter (PTCs) verwendet, die einen temperaturabhängigen Widerstand haben. Die hierdurch erreichbaren Lösungen sind jedoch im Allgemeinen aufwendig.

Da die Brennstoffzelle bei der geringen Anfangstemperatur zunächst lediglich eine geringe Ausgangsleistung liefert, ist eine schnelle Beheizung ihres Reinwassers zunächst schwer zu realisieren. Die Verwendung von allzu grossbauenden Heizeinrichtungen ist hierbei oftmals aus Platzgründen sowie aus Kostengründen nicht erwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizeinrichtung für eine Brennstoffzelle zu schaffen, die mit geringem Aufwand und kleinbauend realisierbar ist und ein schnelles Beheizen des Mediums der Brennstoffzelle ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Heizeinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine vom Medium durchflossene, elektrisch leitfähige oder mit leitfähigen Mitteln versehene Rohrleitung, insbesondere eine Rohrleitung aus Metall, als Teil der Sekundärwicklung eines Transformators zu schalten und hierdurch die Leitung direkt elektrisch zu beheizen. Es wird somit ein direkt durch den Sekundärstrom konduktiv geheizter Durchlauferhitzer für das Medium gebildet. Das Medium kann hierbei erfindungsgemäß sowohl – z. B. mit einer geeigneten Pumpe – das Reinwasser der Brennstoffzelle als auch das Medium eines Sekundärkreislaufs, z. B. eines Wasser-Glykol-Kreislaufs, sein.

Entsprechend des ohmschen Widerstandes der Rohrleitung und der Sekundärspannung der Sekundärwicklung fließt ein Strom, wodurch das Rohr erwärmt wird. Das Rohr seinerseits erwärmt nun ein durchströmendes Medium. Die Rohrleitung wird vorteilhafterweise so ausgeführt, dass sich elektrische oder magnetische Felder weitgehend ausgleichen.

Die Primärwicklung des Transformators wird mit dem aus der Brennstoffzelle gelieferten Strom gespeist. Da die Brennstoffzelle zunächst eine Gleichspannung liefert, wird diese zur Transformation durch einen DC-AC-Wandler, insbesondere einen Zerhacker, umgewandelt.

Die Sekundärwicklung weist im allgemeinen eine niedrigere Windungszahl als die Primärwicklung auf; vorteilhafterweise weist die Sekundärwicklung nur eine Windung auf. Die Zahl der Primärwindungen richtet sich nach der Spannung auf der Primärseite, die erforderlich ist, die gewünschte Heizleistung zu übertragen. Wird die Primärwicklung des Transformators mit der von dem Zerhacker gelieferten Wechselspannung versorgt, fließt durch die Sekundärwicklung bei entsprechend herunter transformierter Spannung ein hoher Strom, der die Rohrleitung entsprechend deren elektrischem Widerstandes erwärmt. Die hierdurch erzeugte Wärme wird direkt auf das durch die Rohrleitung gepumpte Medium übertragen und erwärmt somit die Brennstoffzelle. Die übertragene umgesetzte Leistung hängt im wesentlichen von der Höhe der verfügbaren Spannung ab. Die angestrebte Nennleistung kann aufgrund der effektiven Nutzung erfindungsgemäß bereits bei einer relativ tiefen Spannung erreicht werden und bei steigender Spannung gehalten werden.

Bei tieferen Spannungen ist die erreichbare Heizleistung kleiner, bei höheren Spannungen kann die nun höhere Leistung durch Takten, d.h. Ein- und Ausschalten, reduziert werden. Hierdurch wird ein Überschreiten der Ausgangsleistung bei höherer Spannung verhindert.

Beim Zerhacken wird erfindungsgemäß vorteilhafterweise eine derartig hohe Frequenz von z.B. 150 bis 200 kHz gewählt, dass der Transformator gering dimensioniert ist. Hierbei kann bei einer Spannung von z.B. 150 V der Brennstoffzelle eine Heizleistung von z.B. 10,5 kW erreicht werden. Hierbei kann eine kompakte Bauweise durch eine Rohrleitung mit mehreren Windungen gebildet werden, bei der die elektrische bzw. elektromagnetische Einheit unter- oder oberhalb der Rohrleitung angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugen Ausführungsform wird ein metallisches Rohr, z. B. aus Stahl, verwendet, das einen bei Temperaturänderungen veränderlichen Widerstand besitzt. Die Widerstandsänderung ist im Gegensatz zu PTCs jedoch relativ gering und verläuft praktisch linear. Die Widerstandänderung wird vorteilhafterweise zur Temperaturüberwachung herangezogen. Die Eingangsleistung wird gemessen und in ein Verhältnis zu der ebenfalls gemessenen Sekundärspannung gebracht. Steigt bei steigender Temperatur der Widerstand des Rohres, sinkt bei gleich bleibender Sekundärspannung die Heizleistung. Über einen Prozessor können hierbei kritische Abweichungen ermittelt und die Heizung abgeschaltet werden. Hierdurch ergibt sich der erfindungsgemäße Vorteil, dass der ganze Heizbereich des Rohres erfasst werden kann.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung gemäß einer Ausführungsform,
2 eine Vorderansicht der Heizeinrichtung,
3 eine perspektivische Ansicht der Heizeinrichtung,
4 eine Seitenansicht der Heizeinrichtung von links.
Eine Heizeinrichtung 1 weist eine Rohrleitung 2 aus Edelstahl mit einem Eintritt 3 und Austritt 4 für das Reinwasser 5 des Reinwasserkreislaufs einer in 1, 2 schematisch angedeuteten Brennstoffzelle 6 auf. Die Rohrleitung 2 weist hierbei zwei Windungen 2a und 2b auf, die gegeneinander und gegenüber weiteren Bauelementen der Heizeinrichtung 1 durch eine Isolation 7, z.B. aus Pertinax, isoliert sind.
Weiterhin weist die Heizeinrichtung 1 einen Transformator 10, eine Steuer- und Regeleinrichtung 12 sowie einen zentralen Anschlussstecker 14 auf. Die Rohrleitung 2, der Transformator 10, die Steuer- und Regeleinrichtung 12 sowie der zentrale Anschussstecker 14 sind in einem Blechgehäuse 16 aufgenommen, das ein Volumen von etwa drei Liter einnimmt.
Der zentrale Anschlussstecker 14 ist an Gleichspannungs-Ausgangsanschlüssen bzw. -Polen 20a und 20b der Brennstoffzelle 6 angeschlossen. Die von der Brennstoffzelle 6 ausgegebene Gleitspannung UG wird in der Steuer- und Regeleinrichtung 12 mit einer Frequenz von z.B. 150 bis 200 kHz zerhackt, und eine hierdurch erzeugte Wechselspannung UP an eine Primärwicklung 22 des Transformators 10 ausgegeben.
Der Transformator 10 weist weiterhin einen Transformatorkern 24 und eine Sekundärwicklung 26 auf, die wiederum einen mit dem magnetischen Fluss durchsetzten halboffenen, U-förmigen Teil 26a aufweist und in Kupferlötanschlüssen 28a und 28b an die untere und die obere Windung 2a, 2b der Rohrleitung 2 angeschlossen ist. Die Kupferlötanschlüsse 28a, 28b sind somit galvanisch über einen als Heizbereich 2c der metallische Rohrleitung 2 verbunden. Die gesamte Sekundärwicklung 26 wird somit durch den U-förmigen Teil 26a und den Heizbereich 2c der metallischen Rohrleitung 2 gebildet. Der Heizbereich 2c nimmt hierbei vorteilhafterweise den Großteil der gesamten Rohrleitung 2 ein bis auf Anfangsbereiche der Rohrleitungen 2 beim Eintritt 3 und Austritt 4.
Die Sekundärwicklung weist mit dem U-förmigen Teil 26a lediglich eine Windung, die Primärwicklung 22 hingegen eine höhere Anzahl von Windungen auf, so dass die eingegebene Primärspannung UP herunter transformiert und der Primärstrom herauf transformiert wird, so dass bei kleinen Primärströmen in der Primärwicklung 22 entsprechend ein hoher Sekundärstrom IS in der Sekundärwicklung 26 fließt. Der hohe Sekundärstrom IS erwärmt die Rohrleitung 2 entlang des bestromten Heizabschnittes 2c aufgrund dessen elektrischen Widerstandes, d.h. es liegt eine direkte Strombeheizung der Rohrleitung 2 vor. Der ohmsche Widerstand des Heizabschnittes 2c ist hierbei im wesentlichen über die Temperatur konstant.
Bei Hochfahren der Brennstoffzelle 6, insbesondere bei einem Kaltstart, wird zunächst kaltes Reinwasser 5 – mittels einer nicht gezeigten Pumpe – durch die Rohrleitung 2 gefördert, wobei die von der Brennstoffzelle 6 ausgegebene Gleichspannung UG und dementsprechend auch die Wechsel-Primärspannung UP zunächst klein sind. Durch das nachfolgende Erwärmen der Rohrleitung 2 wird das Reinwasser schnell erhitzt, so dass auch die Ausgangs-Gleichsspannung UG schnell auf Ihren Sollwert steigt. Es tritt somit eine positive Rückkopplung auf, die zu einem schnellen Anstieg der Gleichsspannung UG und somit der Heizleistung P = US·IS = US²/R führt, wobei R der ohmische Widerstand des Rohrleistungsabschnittes 2C ist. Um das Überschreiten einer Soll-Heizleistung Psoll bei höheren Spannungen zu verhindern, wird die Primärspannung UP durch die Steuer- und Regeleinrichtung 12 im Verhältnis zur höheren Leistung getaktet, d.h. ein- und ausgeschaltet. Alternativ hierzu kann grundsätzlich z.B. auch die Frequenz des Zerhackers variiert, d.h. bei höheren Spannungswerten bzw. Amplituden von UP gesenkt werden.
Ergänzend ist vorzugsweise eine Temperaturregelung vorgesehen, indem die Temperatur der Rohrleitung 2 oder direkt die Temperatur des Mediums 5 gemessen wird. Vorteilhafterweise wird die Temperatur des Heizbereichs 2c durch eine Widerstandsmessung, z. B. direkt als Vierpunktmessung an den Lötkontakten 28a, b ermittelt, und die Heizleistung wiederum durch Takten der Primärspannung oder Änderung der Frequenz des Zerhackers geändert, so dass eine Soll-Betriebstemperatur eingestellt wird und ein Einfrieren des Reinwassers 5 vermieden wird.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist die Heizeinrichtung 1 vorteilhafterweise kompakt aufgebaut, indem der elektrische Teil, d.h. der zentrale Anschlussstrecker 14, die Steuer- und Regeleinrichtung 12 sowie der Transformator 10 unterhalb der Rohrleitung 2 angeordnet sind. Die Heizeinrichtung 1 kann hierbei ein Gesamtvolumen von z.B. drei Liter einnehmen und somit eine hohe Leistung P von z.B. 10,5 kW bei einer gegebenen Ausgangs-Gleichspannung UG von z.B. 150 V kompakt ausgebildet werden.
Abweichend von der gezeigten Ausführungsform ist es grundsätzlich z.B. auch möglich, dass die Rohrleitung 2 aus einem elektrisch nicht leitenden Material, z.B. Kunststoff, gefertigt ist und ein leitendes Material an der Rohrleitung 2 vorgesehen ist, z.B. in oder auf der Rohrleitung 2; dies kann z.B. als Beschichtung oder Einlage der Rohrleitung 2 erfolgen.
In der gezeigten Ausführungsform können die Bezugszeichen 3 und 4 grundsätzlich auch der Eintritt und Austritt für ein flüssiges Medium 5, z. B. ein Wasser-Glycol-Gemisch 5, eines Sekundärkreislaufs der Brennstoffzelle 6 sein, der das Reinwasser der Brennstoffzelle 1 über einen Wärmetauscher heizt bzw. kühlt.

Claims

Heizeinrichtung für eine Brennstoffzelle, mit: einer Leitung (2) mit einem Eintritt (3) und einem Austritt (4) für ein flüssiges Medium der Brennstoffzelle (6), wobei die Leitung (2) einen elektrisch leitfähigen Heizbereich (2c) aufweist, einem Transformator (10), der eine Primärwicklung (22) mit einer höheren Windungszahl und eine Sekundärwicklung (26) mit einer kleineren Windungszahl aufweist, wobei die Sekundärwicklung (26) geschlossen ist und der leitfähige Heizbereich (2c) der Leitung (2) ein Teil der geschlossenen Sekundärwicklung (26) ist, und einer Anschlusseinrichtung (14) zum Anschluss an die Brennstoffzelle (6), wobei die Primärwicklung (23) über die Anschlusseinrichtung (14) und einen Wechselspannungswandler (12) gespeist wird.
Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungswandler ein Zerhacker ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Brennstoffzelle (6) aufgenommene Gleichstrom mit einer Frequenz von ca. 150 bis 200 kHz zerhackt wird.
Heizeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuer- und Regeleinrichtung (12) aufweist, die die in die Primärwicklung (22) ausgegebene Primärspannung (UP) derartig taktet, dass eine Heizleistung (P) des leitfähigen Heizbereichs (2c) begrenzt wird.
Heizeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinrichtung (12) eine Temperaturregelung auf eine Soll-Betriebstemperatur durchführt, indem die Temperatur des Mediums oder der Rohrleitung (2) gemessen und die ausgegebene Primärspannung (UP) verändert wird.
Heizeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur durch einen Temperatursensor oder eine Widerstandsmessung des leitenden Heizbereichs (2c) gemessen und der gemessene Temperaturwert ausgewertet wird.
Heizeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (2) aus Metall hergestellt ist und ein Abschnitt der Leitung den leitenden Heizbereich (2c) bildet, und ein mit dem magnetischen Fluss des Transformatorkerns (24) durchsetzter Bereich (26a) der Sekundärwicklung (26) über den leitenden Heizbereich (2c) kurzgeschlossen ist.
Heizeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (2) mindestens zwei Windungen aufweist.
Brennstoffzellen-Anordnung mit einer Brennstoffzelle (6) mit einem Reinwasserkreislauf und einem Gleichspannungsausgang, und einer Heizeinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, deren Leitung (2) mit ihrem Eintritt (3) und Austritt (4) an den Kreislauf eines Mediums (5) der Brennstoffzelle (6) angeschlossen ist und deren Anschlusseinrichtung (14) mit dem Gleichspannungsausgang der Brennstoffzelle verbunden ist.
Brennstoffzellen-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (3) und Austritt (4) der Heizeinrichtung (1) mit dem Reinwasserkreislaufs der Brennstoffzelle (6) verbunden sind und das Medium (5) das Reinwasser (5) des Reinwasserkreislaufs ist.
Brennstoffzellen-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (3) und Austritt (4) der Heizeinrichtung (1) mit einem Sekundärkreislauf der Brennstoffzelle (6) verbunden sind und das Medium (5) ein Sekundärmedium, z. B. ein Wasser-Glycol-Gemisch, des Sekundärkreislaufs ist.
Brennstoffzellen-Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf mit dem Reinwasserkreislauf der Brennstoffzelle (6) über einen Wärmetauscher gekoppelt ist.