DE102008056063B4

DE102008056063B4 - Device for receiving a sensor on gas-carrying line elements in a fuel cell system

Info

Publication number: DE102008056063B4
Application number: DE102008056063.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baur; Bernd Buchauer; Stefan GERHARDT; Dipl.-Ing. Mazzotta Cosimo; Dipl.-Ing.(FH) Scherrbacher Klaus
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: DE102008056063A1

Abstract

Vorrichtung zur Aufnahme eines Sensors an gasführenden, insbesondere brennstoffführenden, Leitungselementen in einem Brennstoffzellensystem, wobei im Bereich des Sensors oder der Aufnahme des Sensors eine Beheizung vorgesehen ist, wobeidie Beheizung durch einen wärmeleitenden Kontakt zwischen dem Bereich des Sensors (15) oder der Aufnahme (16) des Sensors (15) und einem Teilabschnitt (17) einer Kühlmittelleitung ausgebildet ist, wobei der Teilabschnitt (17) der Kühlmittelleitung in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach wenigstens einer zu kühlenden Komponente (3) und vor einem Kühlwärmetauscher (14) angeordnet ist, wobei der wärmeleitende Kontakt durch eine zumindest punktuelle Berührung des Teilabschnitts (17) der Kühlmittelleitung mit dem Sensor (15) oder der Aufnahme (16) des Sensors (15) ausgebildet ist,wobei der Teilabschnitt (17) der Kühlmittelleitung und der Sensor (15) oder die Aufnahme (16) des Sensors (15) im Bereich der zumindest punktuellen Berührung so ausgebildet sind, dass die Berührung auch bestehen bleibt, wenn sich der Teilabschnitt (17) der Kühlmittelleitung und der Sensor (15) oder die Aufnahme (16) des Sensors (15) relativ zueinander verschieben.Device for accommodating a sensor on gas-carrying, in particular fuel-carrying, line elements in a fuel cell system, with heating being provided in the area of the sensor or the receptacle of the sensor, the heating being provided by a heat-conducting contact between the area of the sensor (15) or the receptacle (16 ) of the sensor (15) and a section (17) of a coolant line is formed, the section (17) of the coolant line being arranged in the flow direction of the coolant after at least one component (3) to be cooled and in front of a cooling heat exchanger (14), the heat-conducting contact is formed by at least point contact of the section (17) of the coolant line with the sensor (15) or the receptacle (16) of the sensor (15), the section (17) of the coolant line and the sensor (15) or the The receptacle (16) of the sensor (15) in the area of at least selective contact is designed so that the contact remains even when the section (17) of the coolant line and the sensor (15) or the receptacle (16) of the sensor ( 15) move relative to each other.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Sensors an gasführenden Leitungselementen in einem Brennstoffzellensystem, wobei im Bereich des Sensors oder der Aufnahme des Sensors eine Beheizung vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a device for accommodating a sensor on gas-carrying line elements in a fuel cell system, with heating being provided in the area of the sensor or the receptacle of the sensor. The invention further relates to the use of such a device.

Aus der gattungsgemäßen JP 2005 - 164538 A ist es bekannt, dass Sensoren beziehungsweise ihre Aufnahmen (sogenannte Sensorports) in brennstoffführenden Leitungen eines Brennstoffzellensystems kritisch hinsichtlich der Bildung von Kondenswasser oder sogar Vereisung sind, da der vergleichsweise kühle Brennstoff, im Bereich dieser Sensoren strömt. Nachdem hier jedoch sicher ein entsprechender Wert erfasst werden soll, beispielsweise ein Druck, wie in der oben genannten Schrift ausgeführt, wird vorgeschlagen, dass jeder der Sensoren über ein eigenes elektrisches Heizelement beheizt wird.From the generic JP 2005 - 164538 A It is known that sensors or their receptacles (so-called sensor ports) in fuel-carrying lines of a fuel cell system are critical with regard to the formation of condensation or even icing, since the comparatively cool fuel flows in the area of these sensors. However, since a corresponding value is to be reliably recorded here, for example a pressure, as stated in the document mentioned above, it is proposed that each of the sensors be heated via its own electrical heating element.

Dieser Aufbau ist hinsichtlich der Leitungsführung und der Ansteuerung der einzelnen Heizelemente sehr aufwendig. Außerdem benötigt die elektrische Beheizung der Sensoren zusätzliche elektrische Energie, die von dem System bereitgestellt werden muss.This structure is very complex in terms of cable routing and the control of the individual heating elements. In addition, the electrical heating of the sensors requires additional electrical energy, which must be provided by the system.

Ferner ist in US 6 875 535 B2 ein Verteiler für ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Verteiler zur Montage von Peripheriegeräten und Rohrleitungen an Brennstoffzellenstapeln offenbart. Dabei weist der Verteile einen Verteilerkörper, eine Vielzahl erster Anschlüsse im Verteilerkörper zur Verbindung mit Peripheriegeräten der Brennstoffzelle, eine Vielzahl zweiter Anschlüsse im Verteilerkörper zum Anschluss an eine Brennstoffzelle, und mehrere erste Fluidkanäle innerhalb des Verteilers, die eine Verbindung zwischen den jeweiligen ersten Anschlüssen und den jeweiligen zweiten Anschlüssen bereitstellen, auf, wobei die Fluidkanäle im Betrieb Fluide zwischen dem Brennstoffzellenstapel und den Brennstoffzellenperipheriegeräten kommunizieren.Furthermore, in US 6,875,535 B2 a distributor for a fuel cell system and in particular a distributor for mounting peripheral devices and pipelines on fuel cell stacks. The distributor has a distributor body, a plurality of first connections in the distributor body for connection to peripheral devices of the fuel cell, a plurality of second connections in the distributor body for connection to a fuel cell, and a plurality of first fluid channels within the distributor, which provide a connection between the respective first connections and the provide respective second connections, wherein the fluid channels communicate fluids between the fuel cell stack and the fuel cell peripheral devices during operation.

In DE 199 30 874 A1 ist eine Hochtemperatur-Membran (HTM)-Brennstoffzellenanlage offenbart, die zumindest eine HTM-Brennstoffzelleneinheit und zumindest einen Prozessgaszuführungs- und ableitungskanal umfasst, wobei zumindest eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit der zumindest ein Prozessgas vor dem Einlass in eine Reaktionskammer einer HTM-Brennstoffzelleneinheit vorwärmbar ist.In DE 199 30 874 A1 a high-temperature membrane (HTM) fuel cell system is disclosed, which comprises at least one HTM fuel cell unit and at least one process gas supply and discharge channel, with at least one device being provided with which at least one process gas can be preheated before inlet into a reaction chamber of an HTM fuel cell unit is.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Sensoren im Bereich von gasfführenden Leitungen in einem Brennstoffzellensystem dahingehend zu verbessern, dass mit minimalem Aufwand hinsichtlich der Steuerung und ohne zusätzlichen Einsatz von Energie ein sicherer Betrieb der entsprechenden Sensoren ermöglicht wird.It is therefore the object of the present invention to improve sensors in the area of gas-carrying lines in a fuel cell system in such a way that safe operation of the corresponding sensors is made possible with minimal effort in terms of control and without additional use of energy.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1.

Anstelle der sonst üblichen elektrischen Beheizung eines Sensors oder seiner Aufnahme erfolgt hier erfindungsgemäß die wärmeleitende Ankopplung des Sensors oder seiner Aufnahme an einem Teilabschnitt der Kühlmittelleitung. Typischerweise wird dieser Teilabschnitt in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach wenigstens einer ersten zu kühlenden Komponente und vor dem Kühlwärmetauscher liegen. Wir befinden uns also im Rücklauf der Kühlmittelleitung. Das Kühlmittel, typischerweise Kühlwasser oder ein Kühlwasser-Frostschutzmittel-Gemisch, hat in diesem Bereich seine höchste Temperatur, bevor es in einem Kühlwärmetauscher heruntergekühlt und dem Kühlkreislauf erneut zugeführt wird. Die Anbindung des Sensors beziehungsweise seiner Aufnahme (Sensorport) ermöglicht so unter Nutzung der Wärme im Kühlwasser eine Erwärmung des Sensors beziehungsweise seiner Aufnahme. Durch diese Erwärmung des Sensors beziehungsweise seiner Aufnahme wird eine Auskondensation von Feuchtigkeit aus dem typischerweise eher kalten Brennstoff dessen Druck, chemische Zusammensetzung oder dergleichen durch den Sensor gemessen werden soll, vermieden. Im Extremfall könnte diese auskondensierte Flüssigkeit ohne Beheizung auch einfrieren und so die Funktionalität des Sensors lahm legen, gegebenenfalls kann es durch die Ausdehnung beim Gefrieren sogar zu Schäden in dem System kommen.Instead of the usual electrical heating of a sensor or its receptacle, here, according to the invention, the sensor or its receptacle is thermally coupled to a section of the coolant line. Typically, this section will be located in the flow direction of the coolant after at least a first component to be cooled and in front of the cooling heat exchanger. So we are in the return line of the coolant line. The coolant, typically cooling water or a cooling water-antifreeze mixture, has its highest temperature in this area before it is cooled down in a cooling heat exchanger and fed back into the cooling circuit. The connection of the sensor or its receptacle (sensor port) enables the sensor or its receptacle to be heated using the heat in the cooling water. This heating of the sensor or its holder prevents condensation of moisture from the typically cold fuel whose pressure, chemical composition or the like is to be measured by the sensor. In extreme cases, this condensed liquid could also freeze without heating and thus paralyze the functionality of the sensor; the expansion during freezing could even cause damage to the system.

All dies wird erfindungsgemäß durch die wärmeleitende Ankopplung an die Kühlmittelleitung und damit an das Kühlmittel verhindert. Dabei bietet die wärmeleitende Ankopplung an das Kühlwasser eine einfache, passive Art der Beheizung des Sensors. Gegenüber einer elektrischen Beheizung ist deutlich weniger Aufwand hinsichtlich einer Steuerung von Heizelementen oder dergleichen notwendig. Die Beheizung durch das Kühlwasser erfolgt vollkommen passiv und nutzt außerdem in dem System ohnehin vorhandene und nicht benötigte Abwärme, so dass auch kein zusätzlicher Energieaufwand durch das Beheizen entsteht. Das Kühlwasser ist in seiner maximalen Temperatur durch das System entsprechend begrenzt, so dass der Sensor durch diese Erwärmung mittels des Kühlwassers auch nicht überhitzt werden kann. Es ist daher keinerlei Steuerung oder Regelung notwendig, um einen sicheren Betrieb des Sensors zu garantieren. Außerdem erfolgt durch den Sensor und/oder seine Aufnahme auch eine gewisse Abkühlung des Kühlmittels, was bei zumeist bestehenden Problemen hinsichtlich der verfügbaren Kühlfläche, insbesondere bei Fahrzeugsystem, durchaus positiv ist.All of this is prevented according to the invention by the heat-conducting coupling to the coolant line and thus to the coolant. The heat-conducting connection to the cooling water offers a simple, passive way of heating the sensor. Compared to electrical heating, significantly less effort is required in terms of controlling heating elements or the like. Heating by the cooling water is completely passive and also uses waste heat that is already present in the system and is not needed, so that no additional energy is required for heating. The maximum temperature of the cooling water is limited accordingly by the system, so that the sensor cannot be overheated as a result of this heating by the cooling water. Therefore, no control or regulation is necessary to guarantee safe operation of the sensor. In addition, the sensor and/or its recording takes place also a certain cooling of the coolant, which is definitely positive when there are usually problems with the available cooling surface, especially in vehicle systems.

Ein weiterer Vorteil von der wärmeleitenden Ankopplung des Sensors beziehungsweise seiner Aufnahme an den entsprechenden Teilabschnitt der Kühlmittelleitung liegt darin, dass in dem Kühlmittel aufgrund der Wärmekapazität und der vergleichsweise großen Menge an Kühlmittel auch dann noch eine entsprechende Wärmeenergie vorhanden ist, wenn das eigentliche System und damit die zu kühlende Komponente bereits abgeschaltet ist. Auch dann kann der Sensor beziehungsweise seine Aufnahme weiter erwärmt oder zumindest warm gehalten werden, so dass beispielsweise im Rahmen einer Abschaltprozedur eines derartigen Brennstoffzellensystems verhindert werden kann, dass sich in dieser Situation durch Auskondensation Tröpfchen bilden, welche dann beim Wiederstart den Sensor in Form von Wasser oder Eis blockieren würden und erst ein langwieriges Auftauen des Sensors erforderlich machen würden, bevor das System starten könnte.A further advantage of the thermally conductive coupling of the sensor or its receptacle to the corresponding section of the coolant line is that due to the heat capacity and the comparatively large amount of coolant, a corresponding thermal energy is still present in the coolant even when the actual system and thus the component to be cooled is already switched off. Even then, the sensor or its receptacle can be further heated or at least kept warm, so that, for example, as part of a shutdown procedure of such a fuel cell system, it can be prevented that droplets form in this situation due to condensation, which then hit the sensor in the form of water when it is restarted or ice would block and require a lengthy sensor thaw before the system could start.

Der wärmeleitende Kontakt zwischen dem Bereich des Sensors oder dessen Aufnahme und dem Teilabschnitt der Kühlmittelleitung ist als einfache zumindest punktuelle Berührung zwischen diesen Teilen ausgebildet.The heat-conducting contact between the area of the sensor or its receptacle and the section of the coolant line is designed as a simple, at least punctual, contact between these parts.

Durch diese Berührung kann dabei eine ausreichende Wärmemenge übertragen werden. Beim Aufbau und Packaging des Systems müssen die Teile also lediglich eng anliegen beziehungsweise sich berührend aneinander vorbeigeführt werden. Problematisch kann ein solcher Aufbau allerdings dann werden, wenn der entsprechende Teilabschnitt der Kühlmittelleitung und der Sensor beziehungsweise seine Aufnahme in verschiedenen Modulen angelegt sind, so dass es während des Betriebs zu vibrationsbedingten oder thermisch bedingten Verschiebungen der Teilelemente zueinander kommen kann. Diese Verschiebungen, welche im Extremfall bis zu einigen Millimetern in jede Raumrichtung betragen können, können im Zweifelsfall diesen Kontakt verringern oder ganz abreißen lassen. Dementsprechend sind die Teile gegeneinander zu fixieren und die Kühlmittelleitung in diesem Bereich mit flexiblen Leitungselementen ist so gestaltet, dass immer eine Berührung gegeben ist. Es ist dabei durchaus erlaubt, dass die Teile sich im Bereich der Berührung gegeneinander verschieben, wobei jedoch zumindest ein Punkt einer Berührung immer sichergestellt ist.This contact allows a sufficient amount of heat to be transferred. When setting up and packaging the system, the parts only have to fit tightly or be moved past each other touching each other. However, such a structure can become problematic if the corresponding section of the coolant line and the sensor or its receptacle are installed in different modules, so that vibration-related or thermally-related displacements of the sub-elements to one another can occur during operation. These displacements, which in extreme cases can be up to a few millimeters in any spatial direction, can, in cases of doubt, reduce this contact or cause it to break off completely. Accordingly, the parts must be fixed against each other and the coolant line in this area with flexible line elements is designed so that there is always contact. It is entirely permissible for the parts to move relative to one another in the area of contact, although at least one point of contact is always ensured.

Der Sensor kann dabei in allen gasführenden Leitung, z.B. Kathodenseitig oder Anodenseitig, angeordnet sein. Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch in brennstoffführenden Leitung eingesetzt, in denen die Problematik, wie beim Stand der Technik Eingangs beschrieben, besonders hoch ist.The sensor can be arranged in all gas-carrying lines, e.g. on the cathode side or anode side. However, the device according to the invention is particularly preferably used in fuel-carrying lines in which the problem, as described at the beginning of the prior art, is particularly high.

Um den Aufbau dahingehend noch zu verbessern kann es auch vorgesehen sein, dass in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Bauteil eingesetzt wird, welches den wärmeleitenden Kontakt zwischen dem Sensor oder seiner Aufnahme einerseits und dem entsprechenden Teilabschnitt der Kühlmittelleitung andererseits sicherstellt. Dieses Bauteil kann dabei so ausgebildet sein, dass es beispielsweise eine gewisse Flexibilität aufweist und so die Bewegung der beiden Teile zueinander ermöglicht, ohne dass der wärmeleitende Kontakt abreißt. Damit entsteht ein besonders einfacher und effizienter Aufbau, welcher außer dem Einbau des zusätzlichen Bauteils keine Änderung in der Leitungsführung und in der Flexibilität der Leitungen erforderlich macht. Dieser Aufbau ist beispielsweise auch geeignet, um in bestehenden Systemen nachgerüstet zu werden.In order to further improve the structure in this respect, it can also be provided that in a particularly advantageous embodiment of the invention a component is used which ensures the heat-conducting contact between the sensor or its receptacle on the one hand and the corresponding section of the coolant line on the other hand. This component can be designed in such a way that, for example, it has a certain flexibility and thus enables the two parts to move towards one another without the heat-conducting contact breaking off. This creates a particularly simple and efficient structure which, apart from installing the additional component, does not require any changes to the cable routing or the flexibility of the cables. This structure is also suitable, for example, for retrofitting into existing systems.

Eine dritte Variante der Erfindung kann es auch vorsehen, dass die Aufnahme des Sensors in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel im entsprechenden Teilabschnitt der Kühlmittelleitung steht. Damit kann durch das in diesem Bereich warme Kühlmittel die Erwärmung der Aufnahme des Sensors direkt erfolgen, so dass immer eine sichere und zuverlässige Erwärmung mit hoher wärmeübertragender Fläche vorhanden ist.A third variant of the invention can also provide that the receptacle of the sensor is in direct contact with the coolant in the corresponding section of the coolant line. This means that the warm coolant in this area can be used to heat the sensor holder directly, so that there is always safe and reliable heating with a high heat-transferring surface.

Eine besonders günstige Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt im Bereich von Verkehrsmitteln, wie beispielsweise Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen oder Zügen. In derartigen Systemen können Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung von Energie vielfältig eingesetzt werden. Es sind einerseits Brennstoffzellensysteme denkbar, welche die Vortriebsenergie für ein derartiges Verkehrsmittel bereitstellen. Andererseits sind auch Brennstoffzellensysteme denkbar, welche lediglich Energie für Hilfsantriebe, Kommunikationselektronik oder dergleichen parallel zu einer andersartigen Erzeugung der Antriebsenergie liefern.A particularly favorable use of the device according to the invention is in the area of means of transport, such as vehicles, airplanes, ships or trains. In such systems, fuel cell systems can be used in a variety of ways to generate energy. On the one hand, fuel cell systems are conceivable that provide the propulsion energy for such a means of transport. On the other hand, fuel cell systems are also conceivable which only supply energy for auxiliary drives, communication electronics or the like in parallel with another type of drive energy generation.

In allen Systemen, welche in derartigen Verkehrsmitteln eingesetzt werden, muss immer damit gerechnet werden, dass das Verkehrsmittel bei sehr niedrigen Außentemperaturen, insbesondere Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts eingesetzt wird. Insbesondere dann ist es besonders kritisch, wenn kalter frischer Brennstoff in den Bereich eines Sensors gelangt, an welchem dann eine Auskondensation - und gegebenenfalls ein Einfrieren - von Feuchtigkeit erfolgen kann. Die erfindungsgemäßen Vorteile werden also bei derartigen mobilen Systemen besonders vorteilhaft zum Tragen kommen, insbesondere da hier nicht alle Teilelemente wie beispielsweise ein Druckgastank für den Brennstoff in entsprechend warmen Bereichen angeordnet, isoliert oder beheizt sind.In all systems used in such means of transport, it must always be expected that the means of transport will be used at very low outside temperatures, in particular temperatures below freezing point. In particular, it is particularly critical when cold, fresh fuel reaches the area of a sensor, at which condensation - and possibly freezing - of moisture can then occur. The advantages according to the invention will therefore be particularly advantageous in such mobile systems, especially since not all sub-elements as in For example, a compressed gas tank for the fuel is arranged, insulated or heated in correspondingly warm areas.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Zeichnungen im Detail beschrieben werden. Das Beispiel ist dabei anhand einer brennstoffführenden Leitung auf der Anodenseite beschrieben. Es ist jedoch problemlos auch auf die Kathodenseite und eine z.B. luftführende Leitung übertragbar.Further advantageous embodiments of the invention result from the remaining subclaims and from the exemplary embodiments, which are described in detail below with reference to the drawings. The example is described using a fuel-carrying line on the anode side. However, it can also be easily transferred to the cathode side and an air-carrying line, for example.

Dabei zeigen:

1 eine erste Ausführungsform eines Fahrzeugs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
4 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Show:

1 a first embodiment of a vehicle with the device according to the invention;
2 a second embodiment of the device according to the invention;
3 a third embodiment of the device according to the invention; and
4 a fourth embodiment of the device according to the invention.

In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 in einer sehr stark schematisierten Darstellung als Rechteck angedeutet. Dieses Fahrzeug 1 umfasst ein ebenfalls stark vereinfacht dargestelltes Brennstoffzellensystem 2, dessen Kernkomponente ein Stapel von Brennstoffzellen 3, beispielsweise PEM-Brennstoffzellen ist. Eine Kathodenseite 4 dieses Brennstoffzellenstapels 3 wird über eine Kompressionseinrichtung 5 und einen Luftfilter 6 mit Außenluft als sauerstoffhaltigem Medium versorgt. Eine Anodenseite 7 erhält Brennstoff in Form von Wasserstoff, beispielsweise aus einem hier exemplarisch angedeuteten Druckgasspeicher 8. Der Druckgasspeicher 8 ist über eine Brennstoffzuleitung 9 mit der Anodenseite 7 des Brennstoffstapels 3 verbunden. Außerdem kann optional eine hier dargestellte Rezirkulationsleitung 10 um den Anodenbereich 7 des Brennstoffzellenstapels 3 vorhanden sein, mittels welcher unverbrauchter Brennstoff aus einem Bereich nach der Anode 7 in einen Bereich vor der Anode 7 zurückgeführt wird.In 1 a motor vehicle 1 is indicated as a rectangle in a very schematic representation. This vehicle 1 includes a fuel cell system 2, which is also shown in a very simplified manner, the core component of which is a stack of fuel cells 3, for example PEM fuel cells. A cathode side 4 of this fuel cell stack 3 is supplied with outside air as an oxygen-containing medium via a compression device 5 and an air filter 6. An anode side 7 receives fuel in the form of hydrogen, for example from a compressed gas storage 8 indicated here as an example. The compressed gas storage 8 is connected to the anode side 7 of the fuel stack 3 via a fuel supply line 9. In addition, a recirculation line 10 shown here can optionally be present around the anode region 7 of the fuel cell stack 3, by means of which unused fuel is returned from an area after the anode 7 to an area in front of the anode 7.

Außerdem weist ein derartiges Brennstoffzellensystem 2 typischerweise einen Kühlkreislauf 11 auf, welcher hier sehr stark vereinfacht und auf die notwendigsten Komponenten reduziert dargestellt ist. Da beim Umsatz des Brennstoffs, typischerweise Wasserstoff, und dem Sauerstoff aus der Luft in dem Brennstoffzellenstapel 3 Abwärme entsteht, muss diese über den Kühlkreislauf 11 abgeführt werden, um den Brennstoffzellenstapel 3 in einem Temperaturbereich zu halten, in welchem dieser ideal funktioniert. Bei PEM-Brennstoffzellen sind dies ca. 70 - 95° C. Dazu wird ein Kühlmittel, typischerweise ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel in dem Kühlkreislauf durch eine Fördereinrichtung 12 umgewälzt. Über wärmetauschende Elemente 13 im Bereich des Brennstoffzellenstapels 3 wird die Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel 3 aufgenommen und über einen Kühlwärmetauscher 14, in diesem Fall beispielsweise ein herkömmlicher Fahrzeugkühler, an die Umgebung des Fahrzeugs 1 abgegeben. Im Allgemeinen weist ein derartiger Kühlreislauf 11 noch weitere Komponenten, Bypasselemente, weitere zu kühlende Bauteile und dergleichen auf. Da dies für die Erfindung nicht von Bedeutung ist, wurde auf eine Darstellung verzichtet und es wurde diese stark schematisierte und vereinfachte Darstellung des Kühlkreislaufes 11 gewählt.In addition, such a fuel cell system 2 typically has a cooling circuit 11, which is shown here in a very simplified manner and reduced to the most necessary components. Since the conversion of the fuel, typically hydrogen, and the oxygen from the air in the fuel cell stack 3 produces waste heat, this must be dissipated via the cooling circuit 11 in order to keep the fuel cell stack 3 in a temperature range in which it functions ideally. For PEM fuel cells, this is approximately 70 - 95 ° C. For this purpose, a coolant, typically a mixture of water and an antifreeze, is circulated in the cooling circuit by a conveyor 12. The waste heat from the fuel cell stack 3 is absorbed via heat-exchanging elements 13 in the area of the fuel cell stack 3 and released to the surroundings of the vehicle 1 via a cooling heat exchanger 14, in this case for example a conventional vehicle radiator. In general, such a cooling circuit 11 has further components, bypass elements, further components to be cooled and the like. Since this is not important for the invention, a representation was omitted and this highly schematic and simplified representation of the cooling circuit 11 was chosen.

Im Bereich der Brennstoffzuleitung 9 ist hier beispielhaft ein Sensor 15 mit seiner Aufnahme 16 angedeutet. Dieser Sensor, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Wasserstoffkonzentrationssensor, kann dabei in jedem Bereich der brennstoffführenden Leitung liegen, die Darstellung in der Brennstoffzuleitung 9 ist rein beispielhaft gewählt. Insbesondere könnte der Sensor auch im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 oder in einem entsprechenden Bereich, in dem die Brennstoffzuleitung 9 und die Rezirkulationsleitung 10 zusammengeführt sind und die Brennstoffströme gemeinsam zur Anodenseite 7 strömen, angeordnet sein. Insbesondere in einem solchen Bereich nach der Zusammenführung der beiden Leitungen, in dem frischer kalter Brennstoff mit feuchtem unverbrauchtem Brennstoff aus der Rezirkulationsleitung zusammentrifft, ist natürlich die Problematik der Kondensation und des eventuellen Gefrierens besonders hoch, so dass sich in diesem Bereich der Einsatz der Erfindung besonders anbietet.In the area of the fuel supply line 9, a sensor 15 with its receptacle 16 is indicated here as an example. This sensor, for example a pressure sensor or a hydrogen concentration sensor, can be located in any area of the fuel-carrying line; the representation in the fuel supply line 9 is chosen purely as an example. In particular, the sensor could also be arranged in the area of the recirculation line 7 or in a corresponding area in which the fuel supply line 9 and the recirculation line 10 are brought together and the fuel streams flow together to the anode side 7. Particularly in such an area after the two lines have been brought together, in which fresh cold fuel meets moist, unused fuel from the recirculation line, the problem of condensation and possible freezing is of course particularly high, so that the use of the invention is particularly suitable in this area offers.

In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nun ein Teilabschnitt 17 der Kühlmittelleitung, und zwar der Kühlmittelleitung im Bereich zwischen dem zu kühlenden Brennstoffzellenstapel 3 und dem Kühlwärmetauscher 14 so angeordnet, dass es zu einer Berührung des Teilabschnitts 17 der Kühlmittelleitung und der Aufnahme 16 des Sensors kommt. Da in diesem Teilabschnitt 17 der Kühlmittelleitung, in dem Kühlmittelrücklauf eine vergleichsweise hohe Wärmeenergie in dem Kühlmittel vorliegt, welche dann über den Kühlwärmetauscher 14 „weggekühlt“ werden muss, ist das Kühlmittel im Bereich des Teilabschnitts 17 vergleichsweise warm. Durch die Berührung der Kühlmittelleitung in diesem Teilabschnitt 17 mit der Aufnahme 16 des Sensors 15 kann so eine Erwärmung der Aufnahme 16 durch die Berührung und den damit gegebenen wärmeleitenden Kontakt zwischen den beiden Teile 16,17 realisiert werden. Durch diesen sehr einfachen und effizienten Aufbau kommt es zu einer Erwärmung der Aufnahme 16 und damit auch zu einer Erwärmung des in dieser Aufnahme befindlichen Sensors 15. Wie bereits eingangs näher erläutert, wird durch diese Erwärmung des Sensors dessen Funktionsfähigkeit in einem Betriebszustand sichergestellt und eine eventuelle Fehlfunktion, eine Auskondensation von Wasser oder ein Einfrieren kann weitestgehend vermieden werden.In the in 1 In the exemplary embodiment shown, a section 17 of the coolant line, namely the coolant line, is arranged in the area between the fuel cell stack 3 to be cooled and the cooling heat exchanger 14 in such a way that the section 17 of the coolant line and the receptacle 16 of the sensor come into contact. Since in this section 17 of the coolant line, in the coolant return, there is a comparatively high level of thermal energy in the coolant, which then has to be “cooled away” via the cooling heat exchanger 14, the coolant in the area of the section 17 is comparatively warm. By touching the coolant line in this section 17 with the receptacle 16 of the sensor 15, the receptacle 16 can be heated by the contact and the resulting heat-conducting contact between the two parts 16, 17. This very simple and efficient structure causes the receptacle 16 to heat up and thus also the sensor 15 located in this receptacle to heat up. As already explained in more detail at the beginning, this heating of the sensor ensures its functionality in an operating state and any malfunction, condensation of water or freezing can be largely avoided.

Da es aufgrund der unterschiedlichen Temperatur oder äußeren Einflüssen in dem Brennstoffzellensystem 2 zu einer Bewegung des Teilabschnitts 17 der Kühlmittelleitung und der Aufnahme 16 des Sensors zueinander kommen kann, ist eine Art der Berührung zu wählen, welche diese Bewegungen der Teile 16,17 zueinander ermöglicht, ohne dass es zu einem Abreißen des wärmeleitenden Kontakts der Teile 16,17 zueinander kommt. Beispielsweise kann die Berührungsfläche entsprechend groß gewählt werden, so dass auch bei einem seitlichen Verschieben die Teile aufeinander gleiten und so der wärmeleitende Kontakt weiterhin sichergestellt ist. Es wäre auch denkbar, dass die Teile über entsprechende Federelemente so gegeneinander gepresst werden, dass auch ein Voneinanderwegbewegen der Berührungsflächen vermieden werden kann.Since the partial section 17 of the coolant line and the receptacle 16 of the sensor can move towards one another due to the different temperature or external influences in the fuel cell system 2, a type of contact must be chosen which enables these movements of the parts 16, 17 towards one another, without the heat-conducting contact between the parts 16, 17 being broken off. For example, the contact surface can be chosen to be correspondingly large so that the parts slide on one another even when they are moved laterally, thus ensuring heat-conducting contact. It would also be conceivable for the parts to be pressed against each other via corresponding spring elements in such a way that the contact surfaces can also be prevented from moving away from one another.

In 2 ist nun eine alternative Ausführungsform dargestellt, wobei hier lediglich der Teilabschnitt 17 der Kühlmittelleitung sowie die Aufnahme 16 mit dem Sensor 15 im Bereich der brennstoffführenden Leitung dargestellt ist. Die beiden Teile 16, 17 sind hier durch ein Bauteil 18 miteinander verbunden. Das Bauteil 18 ist in diesem Fall aus einem wärmeleitenden und bevorzugt zumindest Abschnittsweise plastisch verformbaren Material, beispielsweise Kupfer, ausgebildet. Es besteht aus einer ersten Spirale 19, welche um den Teilabschnitt 17 der Kühlmittelleitung gewunden ist. Eine zweite Spirale 20 am anderen Ende des Bauteils 18 ist um die Aufnahme 16 des Sensors 15 gewunden. Diese beiden Spiralen sind durch einen Steg 21 miteinander verbunden. Beim Einsatz eines entsprechend gut wärmeleitenden Materials wie beispielsweise Kupfer kann so auch über eine etwas größere Entfernung hinweg die Wärme aus dem Bereich des Teilabschnitts 17 zu der Aufnahme 16 des Sensors 15 geleitet werden, um den Sensor 15 zu beheizen. Durch den Aufbau aus den beiden Spiralen 19, 20 und dem Steg 21 entsteht eine gewisse mechanische Flexibilität zwischen dem Teilabschnitt 17 und der Aufnahme 16, da diese sich im Rahmen der Elastizität des Stegs 21 gegeneinander bewegen können. Je nach Ausgestaltung des Steges 21 beispielsweise mit einer Schlaufe oder einer weiteren kleinen Spirale, können so vergleichsweise große Bewegungen der Teile gegeneinander toleriert werden, ohne dass der wärmeleitende Kontakt der Teile untereinander abreißt.In 2 An alternative embodiment is now shown, with only the section 17 of the coolant line and the receptacle 16 with the sensor 15 in the area of the fuel-carrying line being shown here. The two parts 16, 17 are connected to one another here by a component 18. In this case, the component 18 is made of a heat-conducting and preferably at least partially plastically deformable material, for example copper. It consists of a first spiral 19, which is wound around the section 17 of the coolant line. A second spiral 20 at the other end of the component 18 is wound around the receptacle 16 of the sensor 15. These two spirals are connected to one another by a web 21. When using a correspondingly good heat-conducting material such as copper, the heat can be conducted from the area of the section 17 to the receptacle 16 of the sensor 15 over a slightly larger distance in order to heat the sensor 15. The structure of the two spirals 19, 20 and the web 21 creates a certain mechanical flexibility between the section 17 and the receptacle 16, since they can move against each other within the elasticity of the web 21. Depending on the design of the web 21, for example with a loop or another small spiral, comparatively large movements of the parts relative to one another can be tolerated without the heat-conducting contact between the parts breaking off.

Der Aufbau ist vergleichsweise einfach, da lediglich um den bestehenden Aufbau eine entsprechende Spirale aus wärmeleitendem Material gewunden werden muss, diese dann zum anderen Bauteil geführt und dort ebenfalls um dieses Bauteil gewunden werden muss. Der Effekt ist eine sichere und zuverlässige Beheizung des Sensors 15 beziehungsweise seiner Aufnahme 16 mit minimalen Mitteln. Grundsätzlich wäre es natürlich auch denkbar, den Steg 21 fest und direkt mit einem der Bauteile zu verbinden, so dass lediglich eine der Spiralen 19, 20 vorhanden sein müsste.The structure is comparatively simple, since a corresponding spiral made of heat-conducting material only has to be wound around the existing structure, which then has to be guided to the other component and then also wound around this component. The effect is safe and reliable heating of the sensor 15 or its receptacle 16 with minimal resources. In principle, it would of course also be conceivable to connect the web 21 firmly and directly to one of the components, so that only one of the spirals 19, 20 would have to be present.

In 3 ist nun eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der der Sensor 15 beziehungsweise in diesem Fall lediglich seine Aufnahme 16 in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel in dem Teilabschnitt 17 der Kühlmittelleitung steht. Der Sensor 15 ist dabei so in die Aufnahme 16 eingesetzt, dass die Aufnahme diesen gegenüber dem Kühlmittel des Teilabschnitts 17 der Kühlmittelleitung abdichtet. Eventuelle Anschlüsse zur Erfassung der Sensordaten 22, wie hier exemplarisch dargestellt, sind dementsprechend seitlich aus der Aufnahme 16 herausgeführt. Der der brennstoffführenden Leitung 9 abgewandte Bereich der Aufnahme 16 ragt nun durch eine Öffnung in dem Teilabschnitt 17 unmittelbar in das Leitungselement des Teilabschnitts 17 hinein. In diesem Teilungselement wird die Aufnahme 16 direkt von dem in diesem Bereich des Kühlmittelrücklaufs sehr warmen Kühlwasser umspült und geheizt.In 3 A further embodiment is now shown in which the sensor 15 or in this case only its receptacle 16 is in direct contact with the coolant in the section 17 of the coolant line. The sensor 15 is inserted into the receptacle 16 in such a way that the receptacle seals it off from the coolant of the section 17 of the coolant line. Any connections for recording the sensor data 22, as shown here as an example, are accordingly led out laterally from the receptacle 16. The area of the receptacle 16 facing away from the fuel-carrying line 9 now projects through an opening in the section 17 directly into the line element of the section 17. In this dividing element, the receptacle 16 is flushed and heated directly by the cooling water, which is very warm in this area of the coolant return.

Dieser Aufbau ermöglicht einen sehr sicheren Wärmeübergang, da eine vergleichsweise große Fläche der Aufnahme 16 in Kontakt mit dem Kühlmittel ist. Allerdings muss der Aufbau hier so gestaltet werden, dass der Teilabschnitt 17 flexibel mit dem weiteren Kühlkreislauf verbunden ist, da hier keine Bewegung des Teilabschnitts 17 gegenüber der Aufnahme 16 möglich ist oder toleriert werden kann. Die eventuell auftretenden Bewegungen müssen daher im Bereich der Kühlmittelleitungen oder gegebenenfalls auch im Bereich der Brennstoffzuleitung 9 durch entsprechende Einbauten von flexiblen Leitungselementen kompensiert werden. Trotz des unmittelbaren Kontakts der Aufnahme 16 mit der Kühlmittelleitung kann bei Ausgestaltung der Erfindung gemäß 3 der durch diesen Aufbau entstehende Druckverlust in dem Kühlmittel vergleichsweise gering gehalten werden.This structure enables very safe heat transfer, since a comparatively large area of the receptacle 16 is in contact with the coolant. However, the structure here must be designed in such a way that the section 17 is flexibly connected to the further cooling circuit, since no movement of the section 17 relative to the receptacle 16 is possible or can be tolerated here. Any movements that may occur must therefore be compensated for in the area of the coolant lines or possibly also in the area of the fuel supply line 9 by appropriate installations of flexible line elements. Despite the direct contact of the receptacle 16 with the coolant line, the invention can be designed according to 3 the pressure loss in the coolant resulting from this structure can be kept comparatively low.

In 4 ist nun eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Aufnahme 16 einen Teil des Teilabschnitts 17 der Kühlmittelleitung bildet. Die Aufnahme 16, welche man sich gemäß 4 als torusartiges Bauelement vorstellen muss, welches als Ring den Sensor 15 umgibt, ist hier unmittelbar in den Teilabschnitt 17 der Kühlmittelleitung eingekoppelt, so dass das Kühlmittel durch entsprechende Hohlräume 23 in der Aufnahme 16 für den Sensor 15 strömt und die Aufnahme 16 und damit den Sensor 15 ideal erwärmt.In 4 A further alternative embodiment is now shown, in which the receptacle 16 forms part of the section 17 of the coolant line. Recording 16, which is according to 4 must be imagined as a torus-like component, which surrounds the sensor 15 as a ring, is here coupled directly into the section 17 of the coolant line, so that the coolant passes through corresponding cavities 23 in the receptacle 16 for flows through the sensor 15 and the receptacle 16 and thus the sensor 15 are ideally heated.

Der Aufbau kann wie hier dargestellt in Reihe in die Kühlmittelleitung eingebracht sein. Nachteilig dabei ist der gegebenenfalls vergrößerte Druckverlust im Bereich der Kühlmittelleitung. Die Anbindung der Aufnahme 16 kann daher alternativ mit der hier gestrichelt angedeuteten optionalen Parallelleitung 24 gestaltet werden. In diesem Fall wird der Teilabschnitt 17 als Parallelstück zu der Parallelleitung 24 in der Kühlmittelleitung verlaufen, so dass lediglich ein Teil des in diesem Bereich strömenden Kühlmittels durch die Hohlräume 23 in der Aufnahme 16 geführt werden würden. Allerdings mus auch der Leitungsquerschnitt der Parallelleitung 24 entsprechend reduziert werden, so dass es zu einem gewünschten Aufteilung des Volumenstroms durch die Parallelleitung 24 und den Teilabschnitt 17 kommt.The structure can be installed in series in the coolant line as shown here. The disadvantage here is the possibly increased pressure loss in the area of the coolant line. The connection of the receptacle 16 can therefore alternatively be designed with the optional parallel line 24 indicated here by dashed lines. In this case, the section 17 will run as a parallel piece to the parallel line 24 in the coolant line, so that only part of the coolant flowing in this area would be guided through the cavities 23 in the receptacle 16. However, the line cross section of the parallel line 24 must also be reduced accordingly, so that a desired distribution of the volume flow through the parallel line 24 and the section 17 occurs.

Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt so alles in allem und egal in welcher Variante der dargestellten Ausführungen eine sichere Beheizung des Sensors 15 beziehungsweise seiner Aufnahme 16 im Bereich der brennstoffführenden Leitung. Er kann bevorzugt in Verkehrsmitteln eingesetzt werden, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug wie in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Er ist jedoch nicht auf eine derartige Anwendung eingeschränkt und kann selbstverständlich auch in stationären Brennstoffzellensystemen entsprechend zur Anwendung kommen, um seine Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz auszuspielen. Auch die entsprechenden Vorteile, die sich aus der passiven Sensorbeheizung hinsichtlich des Steuerungsaufwands für eventuelle Heizelemente ergeben, können bei stationären Anlagen ebenso vorteilhaft sein, wie sie dies bei mobilen Anlagen sicherlich unstrittig sind.The structure according to the invention allows, all in all and regardless of the variant of the embodiments shown, safe heating of the sensor 15 or its receptacle 16 in the area of the fuel-carrying line. It can preferably be used in means of transport, for example in a motor vehicle as described in the exemplary embodiments shown here. However, it is not limited to such an application and can of course also be used in stationary fuel cell systems in order to exploit its advantages in terms of energy efficiency. The corresponding advantages that result from passive sensor heating with regard to the control effort for any heating elements can be just as advantageous in stationary systems as they are certainly undisputed in mobile systems.

Claims

Device for receiving a sensor on gas-carrying, in particular fuel-carrying, line elements in a fuel cell system, with heating being provided in the area of the sensor or the receptacle of the sensor, wherein the heating is formed by a heat-conducting contact between the area of the sensor (15) or the receptacle (16) of the sensor (15) and a section (17) of a coolant line, the section (17) of the coolant line being at least in the direction of flow of the coolant a component (3) to be cooled and is arranged in front of a cooling heat exchanger (14), the heat-conducting contact being achieved by at least selective contact of the section (17) of the coolant line with the sensor (15) or the receptacle (16) of the sensor (15). is trained, wherein the section (17) of the coolant line and the sensor (15) or the receptacle (16) of the sensor (15) are designed in the area of at least point contact in such a way that the contact remains even when the section (17) of the Move the coolant line and the sensor (15) or the receptacle (16) of the sensor (15) relative to one another.

Device according to Claim 1 , characterized in that the heat-conducting contact is formed by a component (18) made of heat-conducting material, which touches the sensor (15) or the receptacle (16) of the sensor (15) on the one hand and the section (17) of the coolant line on the other hand.

Device according to Claim 2 , characterized in that the component (18) is wound as a spiral (19, 20) around at least one of the parts (15, 16, 17) in a heat-conducting connection and is in contact with the other part (17, 16, 15). .

Device according to Claim 2 or 3 , characterized in that the component (18) has two spirals (19, 20), one spiral (19) being wound around the section (17) of the coolant line, the other spiral (20) being wound around the sensor (15). or the receptacle (16) of the sensor (15) is wound, and the two spirals (19, 20) are connected to one another via a web (21).

Device according to one of the Claims 2 until 4 , characterized in that the material of the component (18) is a good heat-conducting material, in particular plastically deformable metal, in particular copper.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the receptacle (16) of the sensor (15) is designed as part of the section (17) of the coolant line and the coolant flows around it.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the receptacle (16) of the sensor (15) has openings or channels (23) which are formed as part of the partial section (17) of the coolant line and through which the coolant flows.

Device according to Claim 7 , characterized in that coolant flows through the receptacle (16) of the sensor (15), which is guided parallel to the flow in the section of the coolant line (parallel line 24).

Device according to one of the Claims 6 , 7 or 8th , characterized in that the fluidic connection of the receptacle (16) of the sensor (15) to the coolant line is carried out by flexible line elements.

Use of a device according to one of the preceding claims in a means of transport, in particular in a motor vehicle.