DE102004051542A1 - Heater for a fuel cell has electrically conductive heating region for cell fluids that is fed by a transformer secondary through an ac converter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung für eine Brennstoffzelle.The The invention relates to a heating device for a fuel cell.
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.fuel cells especially in drive systems with electric motors, e.g. Machines or vehicles, used. The fuel cell needs a predetermined target operating temperature to work effectively. The required operating voltage of the fuel cell is only at the desired operating temperature reached. A pure water circuit of the fuel cell is still also to temperatures above to keep the freezing point to avoid frost damage.
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.at Temperatures below the desired operating temperature and in particular in the area of the freezing point a heating of the water cycle is necessary, in particular, when starting the drive system, a quick start to enable.
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.The Pure water of the fuel cell can do this via a heat exchanger and an additional Water-glycol cycle brought to operating temperature, if necessary chilled and protected against freezing become. Fast heating and a freeze protection is here usually achieved by heating the water-glycol cycle.
Als Heizeinrichtungen werden derzeit zum Teil Kaltleiter (PTCs) verwendet, die einen temperaturabhängigen Widerstand haben. Die hierdurch erreichbaren Lösungen sind jedoch im Allgemeinen aufwendig.When Heating devices are currently partly PTC thermistors used, the one temperature-dependent Have resistance. However, the achievable thereby solutions are generally expensive.
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.There the fuel cell at the low initial temperature initially only low output power is fast heating their pure water first difficult to realize. The use of oversized heaters This is often for reasons of space as well as for cost reasons not wanted.
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.Of the Invention is based on the object, a heating device for a fuel cell to create that with little effort and small-scale feasible is and allows rapid heating of the fuel cell medium.
Diese Aufgabe wird durch eine Heizeinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.These The object is achieved by a heating device according to claim 1. The Describe subclaims preferred developments.
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.Of the The invention is based on the idea of flowing through the medium, electrically conductive or with conductive Means provided pipeline, in particular a pipeline Metal, as part of the secondary winding to switch a transformer and thereby the line directly to heat electrically. It is thus a conductive directly through the secondary current heated water heater for the medium formed. The medium can in this case according to the invention both -. B. with a suitable pump - the Pure water of the fuel cell as well as the medium of a secondary circuit, z. As a water-glycol cycle, be.
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.Corresponding ohmic resistance of pipeline and secondary voltage the secondary winding flows a stream, which heats the pipe becomes. The pipe in turn warmed up now a flowing through Medium. The pipeline is advantageously designed so that largely compensate for electrical or magnetic fields.
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.The primary of the transformer is supplied with that from the fuel cell Power fed. Since the fuel cell initially supplies a DC voltage, this is for transformation by a DC-AC converter, in particular a chopper, transformed.
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.The secondary winding generally has a lower number of turns than the primary winding; Advantageously, the secondary winding has only one turn on. The number of primary turns depending on the voltage on the primary side that is required the desired To transfer heating power. Will the primary winding of the transformer with the AC voltage supplied by the chopper supplied, flows through the secondary winding at correspondingly transformed voltage a high current, the pipeline according to their electrical resistance heated. The heat generated thereby is transferred directly to the medium pumped through the pipeline and heated thus the fuel cell. The transferred converted performance depends essentially from the height the available Tension off. The desired rated power may be due to the effective use already according to the invention be achieved at a relatively low voltage and with increasing voltage being held.
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.at lower voltages, the achievable heating power is smaller, at higher Tension can be the higher now Power by clocking, i. To switch on and off, be reduced. This will exceed the output power at higher voltage prevented.
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.When chopping according to the invention advantageously such a high frequency of eg 150 to 200 kHz chosen that the transformer is dimensioned small. This can be at a Span tion of, for example, 150 V of the fuel cell, a heating power of, for example, 10.5 kW can be achieved. In this case, a compact design can be formed by a pipeline with several windings, in which the electrical or electromagnetic unit is arranged below or above the pipeline.
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.According to one preferred embodiment will a metallic tube, e.g. As steel, used, the one at temperature changes variable Has resistance. The resistance change is in contrast to PTCs, however, relatively low and runs virtually linear. The resistance change is advantageously used for temperature monitoring. The Input power is measured and in relation to the also measured secondary voltage brought. If the resistance of the pipe increases with increasing temperature, If the secondary voltage remains the same, the heating power decreases. About one Processor can this critical deviations determined and turned off the heater become. This results in the advantage according to the invention that the whole Heating range of the pipe can be detected.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the accompanying drawings on some embodiments explained. Show it:
Eine
Heizeinrichtung
Weiterhin
weist die Heizeinrichtung
Der
zentrale Anschlussstecker
Der
Transformator
Die
Sekundärwicklung
weist mit dem U-förmigen
Teil
Bei
Hochfahren der Brennstoffzelle
Ergänzend ist
vorzugsweise eine Temperaturregelung vorgesehen, indem die Temperatur
der Rohrleitung
Gemäß der gezeigten
Ausführungsform
ist die Heizeinrichtung
Abweichend
von der gezeigten Ausführungsform
ist es grundsätzlich
z.B. auch möglich,
dass die Rohrleitung
In
der gezeigten Ausführungsform
können die
Bezugszeichen
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102004051542A DE102004051542B4 (en) | 2004-10-21 | 2004-10-21 | Heating device for a fuel cell and fuel cell assembly |
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DE102004051542A1 true DE102004051542A1 (en) | 2006-06-14 |
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DE102004051542B4 (en) | 2006-10-26 |
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