DE102007009898A1

DE102007009898A1 - Heizelement und Befestigung für eine Medienverrohrung von Brennstoffzellensystemen

Info

Publication number: DE102007009898A1
Application number: DE102007009898A
Authority: DE
Inventors: Andreas Könekamp; Dirk Wexel; Reiner Wilpsbäumer; Jürgen Thyroff; Franz Winter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: DE102007009898B4; US20070212037A1

Abstract

Ein Heizsystem für ein Rohr oder einen Schlauch in einem Brennstoffzellensystem umfasst Heizer und Leiter, um zu verhindern, dass Wasser in dem Rohr oder Schlauch gefriert. Ein Heizerdraht ist in Kontakt mit dem Rohr vorgesehen, und ein Leiter ist um den Heizerdraht und das Rohr gewickelt, und eine Schutzschicht ist um den Leiter gewickelt, wobei der Leiter eine thermische Isolierung vorsieht. Für einen Kunststoff- oder Gummischlauch ist ein innerer Leiter um den Schlauch gewickelt und ein äußerer Leiter ist um den inneren Leiter gewickelt. Ein Heizerdraht ist zwischen dem inneren Leiter und dem äußeren Leiter positioniert. Eine Schutzschicht ist dann um den äußeren Leiter herum gewickelt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein spezielle Rohre und Schläuche für ein Brennstoffzellensystem und insbesondere spezielle Rohre und Schläuche für ein Brennstoffzellensystem, die Heizer und Leiter umfassen, um zu verhindern, dass Wasser in den Rohren und Schläuchen gefriert.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).

Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Ein Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann etwa vierhundert Brennstoffzellen enthalten, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.

Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie von Strömungsfeld- oder Bipolarplatten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathoden gasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Die Bipolarplatten enthalten auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.

Ein Brennstoffzellenstapel erzeugt flüssiges und dampfförmiges Wassernebenprodukt, das an dem Auslass der Anode und der Kathode des Brennstoffzellenstapels ausgegeben wird. Bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems wird Wärme, die von dem Stapel erzeugt und in das Kühlmittel abgegeben wird, dazu verwendet, den Brennstoffzellenstapel aufgrund der Wärmekapazität des Plattenmaterials und des Kühlmittels aufzuwärmen. Aufgrund dessen ist die Menge an ausgegebenem Kondensat und flüssigem Wasser von dem Stapel beim Start höher als bei Niedertemperaturstarts. Das flüssige Wasser hat die Tendenz, in Niedertemperaturumgebungen zu gefrieren, was die Leistungsfähigkeit des Systems möglicherweise katastrophal beeinträchtigen könnte. Insbesondere könnte das gefrorene Wasser Rohre und Schläuche blockieren und Ausfälle aufgrund einer blockierten Gaslieferung oder einem Druckabfall während des Starts oder Betriebs des Brennstoffzellensystems bewirken. Es ist möglich, Rohre und Schläuche mit größerem Durchmesser vorzusehen. Jedoch ist dies aufgrund von baulichen oder funktionellen Anforderungen nicht immer möglich.

Beispielsweise umfassen einige Brennstoffzellensysteme eine Anodenrezirkulationsschleife, die nicht reagiertes Wasserstoffgas von dem Austrag der Anode zurück an den Anodeneingang rezirkuliert. Da das Anodenabgas befeuchtet ist, ist manchmal ein Wasserabscheider in der Anodenrezirkulationsleitung vorgesehen, um den Wasserdampf davon abzuscheiden, so dass der befeuchtete Anodenaustrag bei Mischung mit frischem Anodenwasserstoff keine Wassertröpfchen erzeugt, die die Anodenströmungskanäle blockieren könnten. Das von dem Anodenaustrag abgeschiedene Wasser wird durch ein Rohr oder einen Schlauch an einen Tank geliefert, in dem es gesammelt wird. Der Tank umfasst einen Pegelanzeiger, der angibt, wenn der Tank voll mit Wasser ist, so dass er ohne Freisetzung von Wasserstoff an die Umgebung entlüftet werden kann. Abhängig von der Anordnung des Tanks kann ein Rohr oder ein Schlauch zwischen dem Tank und dem Ort, an dem das Wasser an die Umgebung entlüftet wird, vorgesehen sein. Da der Tank nur periodisch entlüftet wird, kann sich in dem Schlauch zwischen dem Wasserabscheider und dem Tank und in dem Schlauch zwischen dem Tank und der Umgebung stehendes Wasser befinden, und dieses Wasser kann in einer kalten Umgebung gefrieren. Andere Schläuche und Rohre in dem Brennstoffzellensystem, wie ein Schlauch zu einer Pumpe, die das Wasser von dem Wasserabscheider an den Tank pumpt, kann auch Wasser oder Wasserdampf enthalten, das/der in einer kalten Umgebung gefrieren könnte.

In der Technik ist es bekannt, einen Schlauch mit einem Heizerdraht zu umwickeln, um zu verhindern, dass Wasser in dem Schlauch gefriert. Jedoch sind derartige Heizerdrähte, die in der Technik bekannt sind, hinsichtlich einer ausreichenden Verteilung der Wärme an das Rohr oder den Schlauch, um zu verhindern, dass das Wasser in den Schläuchen des Brennstoffzellensystems gefriert, ineffektiv gewesen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Heizsystem für ein Rohr oder einen Schlauch in einem Brennstoffzellensystem offenbart, das/der Heizer und Leiter umfasst, um zu verhindern, dass Wasser in dem Rohr oder Schlauch gefriert. Bei einer Ausführungsform ist das Rohr ein Stahl- oder Metallrohr, und ein Heizerdraht ist in Kontakt mit dem Rohr vorgesehen. Ein Wärmeleiter ist um den Heizerdraht und das Rohr gewickelt, und eine Schutzschicht ist um den Wärmeleiter gewickelt, wobei der Wärmeleiter eine thermische Isolierung vorsieht. Der Draht kann entweder über die Länge des Rohres verlaufen oder kann um das Rohr in einer schraubenförmigen Art und Weise mit einer geeigneten Steigung gewickelt sein.

Bei einer alternativen Ausführungsform für einen Kunststoff- oder Gummischlauch ist ein innerer Wärmeleiter um den Schlauch gewickelt, und ein äußerer Wärmeleiter ist um den inneren Wärmeleiter gewickelt. Ein Heizerdraht ist zwischen dem inneren Wärmeleiter und dem äußeren Wärmeleiter positioniert. Anschließend ist eine Schutzschicht um den äußeren Wärmeleiter gewickelt. Die Wärmeleiter können beliebige geeignete Wärmeleiter sein, wie eine Drahtgeflechtröhre oder ein Aluminiumband.

Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht eines Metallrohres mit einem Heizerdraht und einem Leiter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht eines Kunststoff- oder Gummischlauchs mit einem inneren Leiter, einem Heizerdraht und einem äußeren Leiter gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Seitenansicht eines mit einem Heizerdraht umwickelten Rohres oder Schlauches; und
4 ist eine Seitenansicht eines Rohres oder Schlauches mit zwei längs verlaufenden Heizerdrähten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Heizsystem für ein Rohr oder einen Schlauch in einem Brennstoffzellensystem gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist eine Schnittansicht eines Rohrsystems 10, das ein Stahl- oder Metallrohr 12 aufweist. Das Rohrsystem 10 kann für eine beliebige geeignete Anwendung in einem Brennstoffzellensystem verwendet werden, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, dem Rohr zwischen einem Wasserabscheider und einem Wassersammeltank und dem Rohr zwischen dem Sammeltank und einem Abfluss. Gemäß der Erfindung umfasst das Rohrsystem 10 einen Heizerdraht 14, der über die Länge oder ungefähre Länge des Rohres 12 verläuft und an dem Rohr 12 positioniert ist, wie gezeigt ist. Der Heizerdraht 14 ist mit einer steuerbaren Stromquelle (nicht gezeigt) verbunden, um eine Widerstandsheizung vorzusehen, so dass Wärme davon an das Wärmeleiterrohr 12 übertragen wird. Daher wird verhindert, dass Wasser in dem Rohr 12 gefriert.
Gemäß der Erfindung umfasst das Rohrsystem 10 einen Wärmeleiter 16, der um den Heizerdraht 14 und das Rohr 12 gewickelt ist, wie gezeigt ist. Eine über Wärme schrumpfbare Schutzschicht 18, wie ein geeigneter Kunststoff, ist um den Leiter 16 gewickelt, um das Rohrsystem 10 zu schützen, und sieht eine thermische Isolierung vor. Der Leiter 16 sieht eine Wärmeisolationsbarriere vor, um Wärmeverluste an die Umgebung zu reduzieren. Auch verteilt der Leiter 16 die Wärme von dem Heizerdraht 14, so dass der Heizerdraht 14 die Schutzschicht 18 nicht beschädigt und keine mögliche Beeinflussung der thermischen Eigenschaften der Schutzschicht 18 bewirkt.
2 ist eine Schnittansicht eines Schlauchsystems 26, das einen Kunststoff- oder Gummischlauch 28 aufweist, der auch an verschiedenen Orten in dem Brennstoffzellensystem verwendet werden kann. Das Schlauchsystem 26 umfasst auch einen längs verlaufenden Heizerdraht 30 und eine äußere Schutzschicht 32. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Schlauchsystem 26 einen inneren Wärmeleiter 34, der um den Schlauch 28 zwischen dem Schlauch 28 und dem Heizerdraht 30 gewickelt ist. Der innere Wärmeleiter 30 verteilt die Wärme von dem Heizerdraht 30 an alle Flächen des Schlauches 28, um ein effektiveres Heizen des Schlauchs 28 vorzusehen. Ein äußerer Wärmeleiter 36 ist um den Heizerdraht 30 und den inneren Wärmeleiter 34 gewickelt und sieht eine thermische Isolierung wie auch einen Schutz der Schutzschicht 32 vor, wie oben für den Wärmeleiter 16 beschrieben ist.
Die Wärmeleiter 16, 34 und 36 können beliebige geeignete Wärmeleiter für die hier beschriebenen Zwecke sein. Insbesondere können die Wärmeleiter 16, 34 und 36 eine beliebige geeignete Dicke besitzen und können aus einem beliebigen geeigneten wärmeleitenden Material für die hier beschriebenen Zwecke bestehen. Bei einer Ausführungsform sind die Wärmeleiter 16, 34 und 36 eine geflechtartige Röhre, die einen inneren Nylonträger und eine äußere Metallschicht aufweist, wie Nickel oder Silber. Eine geeignete Geflechtröhre für diesen Zweck ist ein bekanntes Geflecht, das einen elektromagnetischen Schutz vorsieht. Für das jeweilige Schlauch- oder Rohrsystem, das erhitzt werden soll, wird eine Geflechtröhre mit geeignetem Durchmesser vorgesehen. Durch Druck auf die Enden der Geflechtröhre wird der Durchmesser der Geflechtröhre erhöht, wodurch ermöglicht wird, dass das Rohr in die Geflechtröhre gleiten kann, um den Wärmeleiter 16, 34 und 36 vorzusehen. Durch Ziehen an den Enden der Geflechtröhre wird die Geflechtröhre auf dem jeweiligen Schlauch oder Rohr festgezogen. Alternativ dazu können die Wärmeleiter 16, 34 und 36 ein selbstklebendes Aluminiumband sein, das an dem jeweiligen Rohr oder Schlauch anhaftet. Der selbstklebende Aluminiumbandleiter besitzt besondere Anwendung, wenn elektrische Leiter und dergleichen verhindern, dass die Geflechtröhre über das Rohr oder den Schlauch aufgesetzt werden kann. Jedoch können, wie für den Fachmann angemerkt sei, auch andere Leiter in Einklang mit der Beschreibung hier verwendet werden.
Die oben beschriebenen Systeme 10 und 26 weisen die Drähte 14 und 30 auf, die sich über die Länge des Rohres 12 bzw. des Gummischlauchs 26 erstrecken. Bei einer alternativen Ausführungsform kann es notwendig sein, eine zusätzliche Heizung dadurch vorzusehen, dass der Heizerdraht um das Rohr oder den Schlauch mit einer bestimmten Steigung gewickelt wird. 3 ist eine längsweise Ansicht eines Rohres oder Schlauches 40, das/der einen Heizerdraht 42 aufweist, der in einer schraubenförmigen Art und Weise um das Rohr 40 gewickelt ist, um diese Ausführungsform zu veranschaulichen. Die inneren und/oder äußeren Leiter sind in dieser Figur nicht gezeigt.
Die Heizerdrähte 14 und 30 können ein Heizerdraht mit einzelner Länge sein, der sich über die Länge des Rohres oder Schlauches erstreckt, oder können getrennte Heizerdrähte sein, die zwei Verbinder aufweisen. 4 ist eine Längsansicht eines Rohres oder Schlauches 46, das/der zwei längs gerichtete Heizerdrähte 48 und 50 aufweist, die kombiniert werden, um die ausgedehnte Länge des Schlauches 46 abzudecken. Die beiden Drähte 48 und 50 sind mit einem elektrischen Verbinder 52 verbunden, der eine elektrische Kopplung mit dem Draht 48 und 50 vorsieht.
Praktische Anwendungen für das Drahtheizsystem der Erfindung sind anwendungsspezifisch. Für Brennstoffzellenanwendungen können eine Heizleistung von bis zu 15 W/m oder Drähte mit einem Durchmesser von 20 mm notwendig sein, um ein Gefrieren in dem Rohr oder Schlauch zu verhindern. Alternativ dazu kann eine Heizerleistung von 50 W/m für ein Rohr oder ein Schlauch mit einem Durchmesser von 20 mm erforderlich sein, um bereits gefrorenes Wasser aufzutauen. Die maximale Heizertemperatur sollte die maximale Temperaturfähigkeit der erhitzten Komponente nicht überschreiten. Das Heizerdrahtmaterial kann ein beliebiges geeignetes Widerstandsheizermaterial sein, wie ein Heizermaterial mit positivem Temperaturkoeffizient (PTC) oder negativem Temperaturkoeffizient (NTC) mit Drahtisolierung. Auch kann die Heizerleistung abhängig von der Umgebungstemperatur um das Fahrzeug herum durch Ein- und Ausschalten des Heizerdrahtes gesteuert werden. Ferner kann das Einschalten des Heizerdrahtes durch Temperatursensoren und Steuerungen oder durch einen thermischen Schalter erreicht werden, um ein Erhitzen bei Temperaturen zu vermeiden, bei denen dies nicht notwendig ist.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute erkennen leicht aus einer derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Röhrenheizersystem, mit: einer länglichen Röhre; einem Heizerdraht, der benachbart der Röhre positioniert ist; einem ersten Wärmeleiter, der um den Heizerdraht und die Röhre gewickelt ist; und einer Schutzschicht, die um den ersten Wärmeleiter gewickelt ist, wobei der erste Wärmeleiter eine thermische Isolierung vorsieht und Wärme an die Schutzschicht verteilt.
System nach Anspruch 1, wobei die längliche Röhre ein Metallrohr ist und der Heizerdraht in Kontakt mit dem Metallrohr positioniert ist.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten Wärmeleiter, wobei die längliche Röhre eine Kunststoff- oder Gummiröhre ist, und wobei der zweite Leiter um die Röhre gewickelt ist, der Heizerdraht in Kontakt mit dem zweiten Wärmeleiter positioniert ist und der erste Wärmeleiter um den Heizerdraht und den zweiten Wärmeleiter gewickelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Heizerdraht längs entlang der Länge der länglichen Röhre verläuft.
System nach Anspruch 1, wobei der Heizerdraht um die Röhre in einer schraubenförmigen Weise gewickelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Wärmeleiter eine geflechtartige Röhre ist.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Wärmeleiter ein Aluminiumband ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Schutzschicht eine über Wärme schrumpfbare Kunststoffschicht ist.
System nach Anspruch 1, wobei das System in einem Brennstoffzellenfahrzeug verwendet ist.
Schlauchsystem, mit: einem länglichen Schlauch; einem inneren Wärmeleiter, der um den Schlauch gewickelt ist; einem Heizerdraht, der in Kontakt mit dem inneren Wärmeleiter positioniert ist; einem äußeren Wärmeleiter, der um den Heizerdraht und den inneren Wärmerleiter gewickelt ist; und einer Schutzschicht, die um den äußeren Wärmeleiter gewickelt ist, wobei der innere Wärmeleiter Wärme von dem Heizerdraht an den Schlauch verteilt und der äußere Wärmeleiter eine thermische Isolierung vorsieht und Wärme an die Schutzschicht verteilt.
System nach Anspruch 10, wobei der Heizerdraht längs entlang der Länge des Schlauches verläuft.
System nach Anspruch 10, wobei der Heizerdraht um den Wärmerleiter in einer schraubenförmigen Weise gewickelt ist.
System nach Anspruch 10, wobei der innere Wärmeleiter und der äußere Wärmeleiter eine geflechtartige Röhre sind.
System nach Anspruch 10, wobei der innere Wärmeleiter und der äußere Wärmeleiter Aluminiumband sind.
System nach Anspruch 10, wobei die Schutzschicht eine über Wärme schrumpfbare Kunststoffschicht ist.
Rohrsystem, mit: einem Metallrohr; einem Heizerdraht, der in Kontakt mit dem Rohr positioniert ist; einem Wärmeleiter, der um den Heizerdraht und das Rohr gewickelt ist; und einer Schutzschicht, die um den Wärmeleiter gewickelt ist, wobei der Wärmeleiter eine thermische Isolierung vorsieht und Wärme an die Schutzschicht verteilt.
System nach Anspruch 16, wobei der Heizerdraht längs entlang der Länge des Schlauches verläuft.
System nach Anspruch 16, wobei der Heizerdraht um den Wärmerleiter in einer schraubenförmigen Weise gewickelt ist.
System nach Anspruch 16, wobei der Wärmeleiter eine geflechtartige Röhre ist.
System nach Anspruch 16, wobei der Wärmeleiter ein Aluminiumband ist.
System nach Anspruch 16, wobei die Schutzschicht eine über Wärme schrumpfbare Kunststoffschicht ist.