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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft einen Wärmetauscher und
insbesondere einen integrierten Ladeluft-Wärmetauscher
für einen Brennstoffzellenstapel.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche
Energiequelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen
worden. Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die
einen Brennstoff, wie Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie
Sauerstoff aus Luft, kombinieren, um Elektrizität und ein
Wassernebenprodukt zu erzeugen. Insbesondere können einzelne
Brennstoffzellen in Reihe aneinander gestapelt werden, um einen
Brennstoffzellenstapel zu bilden, der in der Lage ist, eine Menge
an Elektrizität zu liefern, die ausreichend ist, um ein
Elektrofahrzeug mit Leistung zu beaufschlagen. Der Brennstoffzellenstapel
ist als eine potentielle Alternative für eine in modernen
Fahrzeugen verwendete, herkömmliche Brennkraftmaschine erkannt
worden.
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Ein
Typ von Brennstoffzelle ist als ein Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellenstapel
bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst typischerweise drei Grundkomponenten:
eine Kathodenelektrode, eine Anodenelektrode und eine Elektrolytmembran.
Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen der Kathode und
der Anode angeordnet, die ihrerseits zwischen leitenden, gaspermeablen
Diffusionsmedien oder Diffusi onsschichten schichtartig angeordnet
sind. Die Diffusionsmedien dienen als Stromkollektoren bzw. -sammler
für die Anode und die Kathode und sehen auch eine mechanische
Abstützung für die Brennstoffzelle vor. Die Diffusionsmedien,
die Elektroden und die Elektrolytmembran werden allgemein zwischen
einem Paar elektrisch leitender Platten gepresst, die den Brennstoff
und das Oxidationsmittel an die Elektroden verteilen und die PEM-Brennstoffzelle
vervollständigen.
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Der
Brennstoffzellenstapel besitzt allgemein einen Solltemperaturbereich,
innerhalb dem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels optimiert
ist. Um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels in dem Solltemperaturbereich
bei normalem Betrieb beizubehalten, wird typischerweise ein Kühlmittelsystem
verwendet, das ein Kühlmittel zirkuliert und überschüssige
Wärme von dem Brennstoffzellenstapel abstrahlt. Jedoch
muss während eines Inbetriebnahmevorganges des Brennstoffzellenstapels
unter kalten Bedingungen die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf
den Sollbereich angehoben werden. Es ist bekannt, das Kühlmittel
während des Inbetriebnahmevorganges beispielsweise mit
einem Kühlmittelheizer zu erwärmen. Der Kühlmittelheizer
umfasst elektrische Widerstandsheizelemente. Das erhitzte Kühlmittel
wird dazu verwendet, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels
anzuheben. Die elektrischen Widerstandsheizelemente werden abgeschaltet, wenn
der Brennstoffzellenstapel eine ausreichende Menge an Wärme
erzeugt, um die Solltemperatur in Verbindung mit dem Kühlmittelsystem
aufrecht zu erhalten. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels wird
dadurch nach Bedarf geregelt.
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Ladeluftkühler
(CAC) zur Übertragung von Wärme von heißer
komprimierter Luft, wie der Luft, die als das Oxidationsmittel an
den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, sind ebenfalls bekannt.
Typischerweise arbeiten die Kühlmittelheizer und die Ladeluftkühler
unabhängig voneinander. Ein anderes bekanntes Wärmetauschersystem
zum Erwärmen von Luft ist in der
EP 1621378 von Brun et al. offenbart,
die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Die
EP 1621378 beschreibt
eine Heizanordnung mit selbst regelnden Heizelementen, wie zumindest
einem Element mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Element),
das zwischen wellenartigen Metallrippen zum Erwärmen von
an einen Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges gelieferter Luft angeordnet
ist.
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Die
Kühlmittelheizer und die Ladeluftkühler sind teuer
und können vom Volumen her ineffizient sein, wobei sie
oftmals beträchtlichen Einbauraum in einem Inneren des
Elektrofahrzeugs erfordern. Der Einsatz derartiger Systeme trägt
unerwünscht zu einer Komplexität bei der Konstruktion
und Herstellung der Brennstoffzellen-Antriebsanlage bei. Herkömmliche
elektrische Widerstandsheizelemente erfordern auch unerwünschterweise
zusätzliche Komponenten, um einer Überhitzung
des an den Brennstoffzellenstapel gelieferten Kühlmittels
entgegenzuwirken.
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Es
besteht ein fortwährender Bedarf nach einem integrierten
Ladeluft-Wärmetauscher, der vom Volumen her effizient bzw.
wirtschaftlich ist, die Konstruktions- und Herstellkomplexität
des Brennstoffzellensystems minimiert und Kosten des Brennstoffzellensystems
reduziert. Der integrierte Ladeluft-Wärmetauscher soll
die Funktionen des Kühlmittelheizers und des Ladeluftkühlers
in eine einzelne Einheit kombinieren und selbst regelnde Heizelemente
verwenden, um ein Kühlmittel in einer ersten Betriebsart
aufzuheizen und einen Ladeluftstrom in einer zweiten Betriebsart
aufzuheizen oder zu kühlen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der
vorliegenden Offenbarung ist überraschend ein integrierter
Ladeluft-Wärmetauscher entdeckt worden, der vom Volumen
her effizient ist, eine Konstruktions- und Herstellkomplexität des
Brennstoffzellensystems minimiert, Kosten des Brennstoffzellensystems
minimiert, die Funktionen des Kühlmittelheizers und des
Ladeluftkühlers in eine einzelne Einheit kombiniert und
optional selbst regelnde Heizelemente verwendet, um in einer ersten Betriebsart
ein Kühlmittel aufzuheizen und in einer zweiten Betriebsart
einen Ladeluftstrom zu kühlen.
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Bei
einer Ausführungsform umfasst ein integrierter Ladeluft-Wärmetauscher
für einen Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Kühlmittelleitungen,
die für einen Durchfluss eines Kühlmittelfluids hindurch
angepasst sind, eine Vielzahl von Heizelementen und eine Vielzahl
von Rippenelementen, die für eine Umströmung durch
einen Luftstrom angepasst sind. Eine der Kühlmittelleitungen
besitzt eine erste Fläche und eine zweite Fläche.
Eines der Heizelemente ist an der ersten Fläche angeordnet
und derart angepasst, um Wärme an das Kühlmittelfluid zu übertragen.
Eines der Rippenelemente ist an der zweiten Fläche angeordnet
und derart angepasst, um Wärme von dem Luftstrom an das
Kühlmittelfluid zu übertragen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem
einen Brennstoffzellenstapel, die integrierte Ladeluft-Wärmetauschereinheit in
Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel und eine elektrische
Energiequelle in elektrischer Kommunikation mit der Vielzahl von
Heizelementen der integrierten Ladeluft-Wärmetauschereinheit.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum
Regeln einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels zunächst
den Schritt, dass: der Brennstoffzellenstapel in Fluidkommunikation
mit der Kühlmittelleitung vorgesehen wird, die derart angepasst
ist, um ein Kühlmittelfluid an den Brennstoffzellenstapel
zur Regelung seiner Temperatur zu liefern. Das Verfahren umfasst
ferner die Schritte, dass: der Brennstoffzellenstapel gestartet
wird; das Kühlmittelfluid an den Brennstoffzellenstapel
durch die Kühlmittelleitung geliefert wird; und eine Kühlmittelfluidtemperatur
in einem Sollbereich durch Heizen des Kühlmittelfluides
unter Verwendung des Heizelementes oder durch Heizen des Kühlmittelfluides
unter Verwendung eines um das Rippenelement herumströmenden
Ladeluftstromes aufrecht erhalten wird.
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ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung
insbesondere unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen
Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines integrierten Ladeluft-Wärmetauschers
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Offenbarung ist;
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2 ein
Seitenaufriss des in 1 gezeigten integrierten Ladeluft-Wärmetauschers
ist;
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3 eine
Frontschnittansicht des in 1 gezeigten
integrierten Ladeluft-Wärmetauschers entlang der Schnittlinie
3-3 ist;
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4A eine
Draufsicht einer Kühlmittelleitung und einer Heizelementanordnung
für einen integrierten Ladeluft-Wärmetauscher
ist, die eine Anordnung der Heizelemente an einer Kühlmittelleitung zeigt;
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4B eine
Draufsicht einer Kühlmittelleitung und der Heizelementanordnung
für einen integrierten Ladeluft-Wärmetauscher
ist, die das Heizelement in einem in einer Kühlmittelleitung
geformten Hohlraum zeigt;
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4C eine
Draufsicht einer Kühlmittelleitung und der Heizelementanordnung
für einen integrierten Ladeluft-Wärmetauscher
ist, die das Heizelement in einem in einer Kühlmittelleitung
geformten Kanal zeigt;
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5 eine
bruchstückhafte perspektivische Explosionsdarstellung einer
Kühlmittelleitung und einer Heizelementanordnung für
einen integrierten Ladeluft-Wärmetauscher gemäß einer
anderen Ausführungsform der Offenbarung ist;
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6 ein
Frontaufriss einer Sammelleitung für einen integrierten
Ladeluft-Wärmetauscher gemäß einer anderen
Ausführungsform der Offenbarung ist;
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7 eine
bruchstückhafte Seitenschnittansicht der in 6 gezeigten
Sammelleitung entlang der Schnittlinie 7-7 ist;
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8 eine
teilweise bruchstückhafte perspektivische Explosionsdarstellung
eines Brennstoffzellensystems mit dem in 1 gezeigten
integrierten Ladeluft-Wärmetauscher ist; und
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9 eine
teilweise bruchstückhafte perspektivische Explosionsdarstellung
des in 8 gezeigten Brennstoffzellensystems ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen
beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu,
den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen
und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung
auf irgendeine Weise einzuschränken. In Bezug auf die offenbarten
Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter
Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte weder notwendig noch
kritisch.
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In
den 1 und 2 ist eine integrierte Ladeluft-Wärmetauschereinheit 2 der
vorliegenden Offenbarung gezeigt. Die Wärmetauschereinheit 2 umfasst
eine Vielzahl von Kühlmittelleitungen 4, die für
einen Durchfluss eines Kühlmittelfluids 5 angepasst
sind, eine Vielzahl von Heizelementen 6 und eine Vielzahl
von Rippenelementen 8, die für eine Umströmung
durch einen Luftstrom 9 angepasst sind. Die Kühlmittelleitungen 4,
die Heizelemente 6 und die Rippenelemente 8 sind
in einem Stapel 10 angeordnet und komprimiert, um einen
Kontakt dazwischen bereitzustellen. Die Heizelemente 6 und die
Rippenelemente 8 sind derart angepasst, um das Kühlmittelfluid 5,
das durch die Kühlmittelleitungen 4 strömt
und an ei nen Brennstoffzellenstapel geliefert wird (in den 8 und 9 gezeigt),
beispielsweise während einer Aufwärmbetriebsart
für den Brennstoffzellenstapel unter kalten Bedingungen
zu erwärmen.
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Die
Wärmetauschereinheit 2 umfasst ferner eine erste
Sammelleitung 12 und eine zweite Sammelleitung 14.
Die Vielzahl von Kühlmittelleitungen 4 ist zwischen
der ersten und zweiten Sammelleitung 12, 14 angeordnet.
Es sei angemerkt, dass die erste und zweite Sammelleitung 12, 14 gegebenenfalls entweder
im Wesentlichen elektrisch nichtleitend oder im Wesentlichen elektrisch
leitend sein können. Bei einer Ausführungsform
werden die erste und zweite Sammelleitung 12, 14 beispielsweise
durch einen Formgebungsprozess aus einem im Wesentlichen nichtleitenden
Material geformt, wie einem thermoplastischen oder elastomeren Material.
Es sei angemerkt, dass gegebenenfalls andere geeignete Materialien
und Prozesse zur Herstellung der Sammelleitungen verwendet werden
können.
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Wie
in den 1, 2 und 3 gezeigt ist,
besitzt jede der Kühlmittelleitungen 4 eine erste Fläche 16 und
eine zweite Fläche 18. Zumindest eines der Heizelemente 6 liegt
an der ersten Fläche 16 von jeder der Kühlmittelleitungen 4 an.
Das Heizelement 6 überträgt dadurch erzeugte
Wärme an das Kühlmittelfluid 5, das durch
die Kühlmittelleitung 4 strömt. Eines
der Rippenelemente 8 ist an der zweiten Fläche 18 von
jeder der Kühlmittelleitungen 4 angeordnet. Das
Rippenelement 8 überträgt Wärme von
dem um dieses strömenden Luftstrom 9 an das Kühlmittelfluid 5.
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Bei
einer besonderen Ausführungsform ist das Heizelement 6 und/oder
das Rippenelement 8 mit der Kühlmittelleitung 4 verbunden.
Das Verbinden kann beispielsweise eine wärmeleitende Paste
oder einen wärmeleitenden Klebstoff umfassen. Das Verbinden
erleichtert eine Wärmeübertragung zwischen den
Heizelementen 6 oder den Rippenelementen 8 und
der Kühlmittelleitung 4 während eines
Betriebs der Wärmetauschereinheit 2. Das Verbinden
kann auch eine elektrische Kontinuität bzw. einen Stromdurchgang
zwischen den Heizelementen 6 und den benachbarten Kühlmittelleitungen 4 unterstützen, wenn
sie als elektrische Leiter verwendet sind. Das Verbinden des Heizelementes 6 und
des Rippenelementes 8 mit der Kühlmittelleitung 4 kann
auch beispielsweise durch Hartlöten durchgeführt
werden. Bei einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform
sind die Kühlmittelleitung 4 und das Rippenelement 8 miteinander
hartverlötet. Bei einer anderen Ausführungsform
kann das Verbinden beispielsweise mit einem thermisch leitenden
Klebstoff durchgeführt werden. Es sei angemerkt, dass das Material,
das dazu verwendet wird, die Kühlmittelleitung 4 und
das Rippenelement 8 zu verbinden, entweder im Wesentlichen
elektrisch leitend oder im Wesentlichen elektrisch nichtleitend
sein kann. Dem Fachmann sei auch angemerkt, dass andere geeignete
Mittel zum Verbinden der Kühlmittelleitungen 4 mit
den Heizelementen 6 und den Rippenelementen 8 gegebenenfalls
gewählt werden können.
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Der
Stapel 10 der Wärmetauschereinheit 2 kann
sich wiederholende Anordnungen der Kühlmittelleitungen 4,
der Heizelemente 6 und der Rippenelemente 8 aufweisen.
Beispielsweise umfasst eine sich wiederholende Anordnung die Kühlmittelleitung 4,
die schichtartig zwischen dem Heizelement 6 und dem Rippenelement 8 angeordnet
ist. Andere sich wiederholende Anordnungen der Kühlmittelleitungen 4,
der Heizelemente 6 und der Rippenelemente 8 können
gegebenenfalls gewählt werden. Es sei angemerkt, dass zwischen
den Heizelementen 6 und den Rippenelementen 8 ein
thermisch isolierendes Material angeordnet sein kann, wenn die sich
wiederholende Anordnung zur Folge hat, dass das Heizelement 6 unmittelbar
benachbart dem Rippenelement 8 angeordnet ist.
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Die
Wärmetauschereinheit 2 kann einen ersten Seitenkanal 20 und
einen zweiten Seitenkanal 22 aufweisen. Der erste und zweite
Seitenkanal 20, 22 ist zwischen der ersten Sammelleitung 12 und
der zweiten Sammelleitung 14 angebracht. Wie in 3 gezeigt
ist, kann der Wärmetauscher 2 auch eine Vielzahl
von Druckfedern 24 aufweisen, die derart angepasst sind,
um einen sicheren Kontakt zwischen der Vielzahl von Rippenelementen 8,
der Vielzahl von Kühlmittelleitungen 4 und der
Vielzahl von Heizelementen 6 aufrecht zu erhalten. Bei
einem Beispiel sind die Druckfedern 24 zwischen einem der
Kühlmittelkanäle 4 und einem des ersten
und zweiten Seitenkanals 20, 22 angeordnet. Bei
einer anderen Ausführungsform können die Druckfedern 24 beispielsweise zwischen
einem der Heizelemente 6 und einem des ersten und zweiten
Seitenkanals 20, 22 angeordnet sein. Als ein weiteres
Beispiel können die Druckfedern 24 zwischen einem
der Rippenelemente 8 und einem des ersten und des zweiten
Seitenkanals 20, 22 angeordnet sein. Es sei zu
verstehen, dass die Vielzahl von Druckfedern 24 die Wärmeübertragung auf
das Kühlmittelfluid 5 von zumindest einem der Heizelemente 6 und
dem durch die Rippenelemente 8 strömenden Luftstrom 9 durch
Bereitstellung eines ausreichenden Kontaktes zwischen den Kühlmittelleitungen 4,
den Heizelementen 6 und den Rippenelementen 8 unterstützen.
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Die
Kompressionsfedern 24 können auch einen elektrischen
Pfad zwischen zumindest einem Abschnitt der Kühlmittelleitungen 4 und
den Heizelementen 6 unterstützen, was einen Betrieb
der Heizelemente 6 ermöglicht. Als ein nicht beschränkendes Beispiel
kann die Wärmetauschereinheit 2 eine Vielzahl
dielektrischer Schichten 25 aufweisen. Eine der dielektrischen
Schichten 25 kann beispielsweise zwischen einer der Kühlmittelleitungen 4 und
einem der Rippenelemente 8 in der Wärmetauschereinheit 2 angeordnet
sein. Die dielektrischen Schichten 25 wirken einem elektrischen
Kurzschluss der Wärmetauschereinheit 2 entgegen,
wenn die Kühlmittelleitungen 4 verwendet sind,
um eine elektrische Leistung an die Heizelemente 6 zu liefern.
Die dielektrischen Schichten 25 können auch dazu
verwendet werden, die Kühlmittelleitungen 4 mit
den Rippenelementen 8 zu verbinden. Gegebenenfalls können
geeignete dielektrische Materialien gewählt werden.
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Es
sei angemerkt, dass die Wärmetauschereinheit 2 derart
angepasst ist, um das im Wesentlichen gesamte Kühlmittelfluid 5,
das an den Brennstoffzellenstapel geführt wird, beispielsweise
mehr Kühlmittelfluid 5, als zum alleinigen Kühlen
des Luftstroms 9 vorhanden sein muss, aufzunehmen. Beispielsweise
kann die Wärmetauschereinheit 2 zumindest eine
Bypassleitung 26 aufweisen, die derart angepasst ist, um
eine zusätzliche Menge des Kühlmittelfluides 5 durch
die Wärmetauschereinheit 2 zu führen.
Die zumindest eine Bypassleitung 26 kann von der Vielzahl
von Heizelementen 6 und der Vielzahl von Rippenelementen 8 im
Wesentlichen isoliert sein. Die zusätzliche Menge des die
Wärmetauschereinheit 2 umgehenden Kühlmittelfluids 5 kann
dadurch im Vergleich zu dem durch die Vielzahl von Kühlmittelleitungen 4 strömenden
Kühlmittelfluid 5 im Wesentlichen nicht erhitzt
bleiben.
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Die
Kühlmittelleitungen 4 der Wärmetauschereinheit 2 können
eine Querschnittsform besitzen, die derart angepasst ist, um eine
Kontaktfläche mit den Heizelementen 6 zu maximieren.
Beispielsweise können die Kühlmittelleitungen 4 eine
im Wesentlichen rechtwinklige Querschnittsform besitzen. Die Kühlmittelleitungen 4 sind
auch aus einem Material geformt, wie beispielsweise Stahl oder Aluminium,
das einen Wärmeübertragungskoeffizienten besitzt,
der eine Wärmeübertragung mit dem darin strömenden
Kühlmittelfluid 5 unterstützt. Bei einer
illustrativen Ausführungsform ist zumindest eine der Kühlmittelleitungen 4 ein
im Wesentlichen flaches, stranggepresstes Aluminiumrohr. Gegebenenfalls
können andere geeigne te Querschnittsformen und Materialien
für die Kühlmittelleitungen 4 verwendet
werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform können die Kühlmittelleitungen 4 zumindest
ein darin angeordnetes Stützmerkmal 28 aufweisen,
das einer unerwünschten Auslenkung der Kühlmittelleitungen 4 entgegenwirkt,
wenn der Stapel 10 unter Kompression gesetzt wird. Das
Stützmerkmal 28 kann eine Vielzahl von Stegen
oder Wänden aufweisen, die innerhalb der Kühlmittelleitungen 4 geformt
sind. Es sei angemerkt, dass die Stege der Kühlmittelleitungen 4 Unterkanäle
in den Leitungen 4 bilden können, durch die das
Kühlmittelfluid 5 strömen kann. Das Stützmerkmal 28 kann
eine Vielzahl von Erhebungen aufweisen, die an einer Innenfläche
der Kühlmittelleitungen 4 geformt sind. Der Fachmann
erkennt, dass andere geeignete Stützmerkmale verwendet
werden können, um einem Zusammenfallen der Kühlmittelleitungen 4 unter
Kompression entgegenzuwirken.
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Nun
Bezug nehmend auf die 4A bis 4C sind
die Heizelemente 6 an den Kühlmittelleitungen 4 angeordnet.
Bei bestimmten Ausführungsformen, bei denen die Kühlmittelleitungen 4 elektrische
Leistung an die Heizelemente 6 liefern, können die
Heizelemente 6 in elektrischer Kommunikation mit den Kühlmittelleitungen 4 angeordnet
sein. Bei anderen Ausführungsformen, bei denen die Heizelemente 6 unabhängig
von den Kühlmittelleitungen 4 mit elektrischer
Leistung versorgt werden, wie beispielsweise mit einer Sammelschiene
(in 5 gezeigt), kann ein dielektrisches Material zwischen
den Heizelementen 6 und den Kühlmittelleitungen 4 angeordnet
sein. Die Heizelemente 6 können Abmessungen besitzen,
die im Wesentlichen mit den Kühlmittelleitungen 4 übereinstimmen
und diese bedecken. Bei einer Ausführungsform können
die Heizelemente 6 Abmessungen besitzen, die ermöglichen, dass
mehr als ein Heizelement 6 an einer der ersten Seite 16 der
Kühlmittelleitung 4 angeordnet sein kann. Die
Heizelemente 6 können an der Kühlmittelleitung 4 angeordnet
sein und die Kühlmittelleitung 4 im Wesentlichen
bedecken. Bei einem anderen Beispiel können die Heizelemente 6 an
der Kühlmittelleitung 4 in einer im Wesentlichen
beabstandeten Anordnung angeordnet sein. Es sei angemerkt, dass
die Heizelemente 6 nicht gleichmäßig über
die Kühlmittelleitung 4 verteilt sein müssen.
Die Heizelemente 6 können ferner zwischen einzelnen
Kühlmittelleitungen 4 innerhalb der Vielzahl von
Kühlmittelleitungen 4 ungleichmäßig
verteilt sein.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen kann die erste Fläche 16 der
Kühlmittelleitung 4 einen darin geformten Hohlraum 30 aufweisen,
der derart angepasst ist, um zumindest eines der Heizelemente 6 zu
halten. Es sei angemerkt, dass der Hohlraum 30, wenn er
im Wesentlichen entlang einer Länge für die Kühlmittelleitung 4 geformt
ist, einen Kanal 32 formen kann, innerhalb dem mehr als
eines der einzelnen Heizelemente 6 angeordnet sein kann.
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Dem
Fachmann sei verständlich, dass die Heizelemente 6 der
vorliegenden Offenbarung erwünschtermaßen selbst
regelnd sind, obwohl auch herkömmliche Widerstandsheizelemente 6 mit
geeigneten Temperaturregelungssteuerungen verwendet werden können.
Als ein nicht beschränkendes Beispiel können die
Heizelemente 6 aus Materialien mit positivem Temperaturkoeffizient
(PTC) ausgebildet sein, die durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes
erhitzt werden und deren elektrischer Widerstand steigt, wenn die
Temperatur der Heizelemente 6 zunimmt. Insbesondere wirken
die PTC-basierten Heizelemente 6 als ihre eigenen Thermostate,
die einen ausreichend hohen elektrischen Widerstand effektiv erreichen,
um ”abzuschalten”, wenn eine vorbestimmte maximale
Temperatur erreicht ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel
können die PTC- basierten Heizelemente 6 der vorliegenden
Offenbarung so gewählt sein, um einen vorbestimmten Temperaturbereich
zwischen etwa 20°C und etwa 260°C, insbesondere
zwischen etwa 30°C und etwa 180°C und im Speziellen
zwischen etwa 40°C und etwa 150°C zu erhitzen.
Bei weiteren nicht beschränkenden Beispielen können
die PTC-basierten Heizelemente 6 derart angepasst sein,
um bei etwa 150°C, bei einem anderen Beispiel bei etwa
80°C und bei einem noch anderen Beispiel bei etwa 60°C
die vorbestimmte maximale Temperatur zu erreichen und abzuschalten.
Dem Fachmann sei verständlich, dass PTC-basierte Heizelemente 6 mit
anderem Temperaturleistungsvermögen verwendet werden können, und
dass die Auswahl der richtigen PTC-basierten Heizelemente 6 zumindest
teilweise von einer Sollbetriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels
abhängen kann.
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Als
ein nicht beschränkendes Beispiel kann ein elektrischer
Strom an die Heizelemente 6 geliefert werden, indem die
Kühlmittelleitungen 4 in elektrischer Kommunikation
mit einer elektrischen Leistungsquelle (nicht gezeigt) gebracht
werden, wie beispielsweise eine Hochspannungs-Leistungsquelle. Die
Kühlmittelleitungen 4 können zumindest
eine elektrisch leitende Lasche 34 aufweisen, die daran angeordnet
ist. Die elektrisch leitende Lasche 34 kann die elektrische
Kommunikation zwischen der elektrischen Leistungsquelle und den
Heizelementen 6 der Wärmetauschereinheit 2 unterstützen.
Die elektrisch leitende Lasche 34 kann beispielsweise an der
Kühlmittelleitung 4 in-line mit der Strömung
des Kühlmittelfluides 5 angeordnet sein. Bei einem
anderen Beispiel kann die elektrisch leitende Lasche 34 an
der Kühlmittelleitung 4 in-line mit der Strömung des
Luftstromes 9 angeordnet sein. Es können diskrete
Drähte und/oder Folie verwendet werden, um die elektrische
Kommunikation zwischen den Heizelementen 6 und der elektrischen
Leistungsquelle zu unterstützen. Bei einer anderen Ausführungsform werden
die Heizelemen te 6 in eine im Wesentlichen isolierte elektrische
Kommunikation mit der elektrischen Leistungsquelle über
elektrische Kommunikation mit einer Sammelschiene 38 mit
einer Vielzahl von Fingern 40 (beispielsweise, wie in 5 gezeigt ist)
gebracht. Es sei angemerkt, dass gegebenenfalls andere geeignete
Mittel zur Lieferung des elektrischen Stroms an die Vielzahl von
Heizelementen 6 verwendet werden können.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform, die in 5 gezeigt
ist, können die Heizelemente 6 der Wärmetauschereinheit 2 unabhängig
mit Leistung beaufschlagt werden. Beispielsweise können
die Heizelemente 6 in elektrischer Kommunikation mit einer
Sammelschiene 38 stehen. Die Sammelschiene 38 ist
derart angepasst, um die elektrische Kommunikation zwischen den
Heizelementen 6 und der elektrischen Leistungsquelle bereitzustellen.
Die Sammelschiene 38 kann eine Vielzahl elektrisch leitender Finger 40 besitzen,
die mit den Heizelementen 6 gekoppelt sind. Bei einem bestimmten
Beispiel ist ein dielektrisches Material (nicht gezeigt) zwischen
den Kühlmittelleitungen 4 und den Heizelementen 6 angeordnet.
Es sei angemerkt, dass das dielektrische Material eine Wärmeübertragung
zwischen den Heizelementen 6 und den Kühlmittelleitungen 4 nicht
wesentlich hemmt. Das dielektrische Material wirkt einer elektrischen
Kommunikation zwischen der Vielzahl von Kühlmittelleitungen 4 und
den Heizelementen 6 entgegen, wenn die Heizelemente 6 derart
angepasst sind, dass sie unabhängig mit Leistung beaufschlagt
werden. Die Sammelschiene 38 kann auch das dielektrische
Material darüber angeordnet aufweisen, um beispielsweise
einer elektrischen Kommunikation mit Komponenten der Wärmetauschereinheit 2 entgegenzuwirken,
die sich von den Heizelementen 6 unterscheiden.
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Der
Hohlraum 30 und/oder der Kanal 32 der Wärmetauschereinheit 2 können
ferner zumindest einen Halter (nicht gezeigt) aufweisen, der darin angeordnet
ist, um das zumindest eine der Heizelemente 6 zu halten.
Der Halter kann beispielsweise eine Verriegelungsrippe oder -lasche
aufweisen, um die Heizelemente 6 sicher darin einzusetzen.
Der Halter kann beispielsweise aus einem Kunststoff durch einen
Formgebungs- oder einen Strangpressprozess geformt werden. Es können
auch andere geeignete Mittel zum Halten der Heizelemente 6 an
der Stelle verwendet werden.
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Unter
Bezugnahme auf die 5, 6 und 7 ist
eine der ersten und zweiten Sammelleitung 12, 14 detaillierter
gezeigt. Die erste und zweite Sammelleitung 12, 14 sind
derart angepasst, um jede der Vielzahl von Kühlmittelleitungen 4 voneinander
elektrisch zu isolieren. Beispielsweise kann die Wärmetauschereinheit 2 zumindest
eine Dichtung 44 aufweisen, die an zumindest einer der
ersten und der zweiten Sammelleitung 12, 14 angeordnet
ist. Die Dichtung 44 kann gegebenenfalls an jeder Seite
der ersten und zweiten Sammelleitung 12, 14 angeordnet
sein. Beispielsweise kann die Dichtung 44 an einer Innenseite
der Sammelleitungen 12, 14 mit der Vielzahl von
Kühlmittelleitungen 4 und an einer Außenseite
der ersten und zweiten Sammelleitung 12, 14 mit
anderen Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystems, wie einem
kühlmittelseitigen Tank (nicht gezeigt), angeordnet sein.
Die Dichtung 44 sieht eine im Wesentlichen fluiddichte
Abdichtung zwischen den Kühlmittelleitungen 4 und
der ersten und zweiten Sammelleitung 12, 14 vor.
Die Kühlmittelleitungen 4 können an der
ersten und zweiten Sammelleitung 12, 14 beispielsweise
mit einem elastomeren Material, das dazwischen aufgebracht ist, abgedichtet
werden. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die Dichtung 44 ein
Sammelleitungs-Dichtungselement, das vorgeformt sein kann, um an
die erste und zweite Sammelleitung 12, 14 zu passen.
Das Sammelleitungs-Dichtungselement kann eine Umfangslippe aufweisen,
die die im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung unterstützt.
Die zumindest eine Dichtung 44 kann beispielsweise einen O-Ring
aufweisen. Bei einer weiteren Aus führungsform kann die
zumindest eine Dichtung 44 dadurch geformt werden, dass
ein auf Epoxidharz basierendes Dichtungsmittel zwischen der ersten
und zweiten Sammelleitung 12, 14 und den Kühlmittelleitungen 4 angeordnet
wird, um bei Härten des Dichtmittels eine im Wesentlichen
fluiddichte Abdichtung zu bilden. Gegebenenfalls können
andere geeignete Mittel zum Formen der Dichtung 44 verwendet
werden.
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Nun
Bezug nehmend auf die 8 und 9 umfasst
die vorliegende Offenbarung ein Brennstoffzellensystem 100 mit
der integrierten Ladeluft-Wärmetauschereinheit 2.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Befeuchtungseinheit 102 und
einen Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) in Fluidkommunikation
mit der Wärmetauschereinheit 2 und der elektrischen
Leistungsquelle (nicht gezeigt). Die Befeuchtungseinheit 102 kann
derart angepasst sein, um den Luftstrom 9 zu befeuchten,
der aus der integrierten Ladeluft-Wärmetauschereinheit 2 strömt.
Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die elektrische
Leistungsquelle eine Hochspannungsbatterie aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel kann
während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 beispielsweise
selektiv als die elektrische Leistungsquelle verwendet werden. Es
sei angemerkt, dass beliebige andere geeignete Quellen für elektrische
Leistung zum Betrieb der Wärmetauschereinheit 2 verwendet
werden können.
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Das
Brennstoffzellensystem 100 kann ferner eine Kühlmittelfluidpumpe
(nicht gezeigt) und einen Luftkompressor (nicht gezeigt) aufweisen.
Die Kühlmittelfluidpumpe steht in Fluidkommunikation mit
der Vielzahl von Kühlmittelleitungen 4 und ist
derart angepasst, um das Kühlmittelfluid 5 an
den integrierten Ladeluft-Wärmetauscher 2 und
dem Brennstoffzellenstapel zu liefern. Der Luftkompressor steht
in Fluidkommunikation mit der Vielzahl von Rippenelementen 8 und
ist derart angepasst, um den Luftstrom 9 daran zu liefern.
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Bei
einer bestimmten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 100 ein
Gehäuse 104 für eine Endeinheit, wie
das Gehäuse einer unteren Endeinheit (LEU) oder einer oberen
Endeinheit (UEU), wobei der Brennstoffzellenstapel zwischen der
LEU und der UEU angeordnet ist. Sowohl die Befeuchtungseinheit 102 als
auch die Wärmetauschereinheit 2 können
zumindest teilweise in dem Gehäuse 104 für
die Endeinheit angeordnet sein. Beispielsweise weist das Gehäuse 104 für
die Endeinheit zumindest einen darin geformten Kühlmittelhohlraum 106 auf.
Der Kühlmittelhohlraum 106 steht in Fluidkommunikation
mit der Vielzahl von Kühlmittelleitungen 4 der
Wärmetauschereinheit 2. Der Kühlmittelhohlraum 106 ist
derart angepasst, um 1) das Kühlmittelfluid 5 an
die Kühlmittelleitungen 4 zu liefern; oder 2)
das Kühlmittelfluid 5 von den Kühlmittelleitungen 4 an
den Brennstoffzellenstapel zu liefern. Bei anderen Ausführungsformen
kann der Kühlmittelhohlraum 106 ein Kühlmitteltank
sein, der eine Menge des Kühlmittelfluides 5 zur
Zirkulation durch die Wärmetauschereinheit 2 und
anschließend den Brennstoffzellenstapel hält.
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Die
vorliegende Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Regeln einer Temperatur
des Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren umfasst zunächst den
Schritt, dass der Brennstoffzellenstapel 2 in Fluidkommunikation
mit zumindest einer der Kühlmittelleitungen 4 der
Wärmetauschereinheit 2 gebracht wird, wobei die
Kühlmittelleitung 4 zwischen dem Heizelement 6 und
dem Rippenelement 8 angeordnet ist, wie oben beschrieben
ist. Die Kühlmittelleitung 4 ist derart angepasst,
um das Kühlmittelfluid 5 an den Brennstoffzellenstapel
zur Regelung seiner Temperatur zu liefern. Anschließend
wird der Brennstoffzellenstapel gestartet und das Kühlmittelfluid 5 durch
die Kühlmittelleitung 4 an den Brennstoffzellenstapel
geliefert. In einer ersten Betriebsart umfasst das Verfahren ferner
den Schritt, dass die Temperatur des Kühlmittelfluides 5 innerhalb
eines ge wünschten Bereiches beibehalten wird, indem das
Kühlmittelfluid 5 unter Verwendung des Heizelementes 6 erwärmt
wird oder das Kühlmittelfluid 5 unter Verwendung
des um das Rippenelement 8 herum strömenden Ladeluftstromes 9 erwärmt
wird.
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Das
Verfahren umfasst ferner den Schritt, dass elektrische Leistung
an das Heizelement 6, das an der Kühlmittelleitung 4 angeordnet
ist, geliefert wird, wodurch das hindurchströmende Kühlmittelfluid 5 elektrisch
erhitzt wird. Es sei angemerkt, dass die Verwendung der Heizelemente 6 der
Wärmetauschereinheit 2 zum Heizen des Kühlmittelfluides 5 bei
einem Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels, wie bei einem
Inbetriebnahmevorgang des Brennstoffzellenstapels unter kalten Umgebungsbedingungen,
besonders nützlich sein kann.
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Dem
Fachmann sei auch verständlich, dass der Ladeluftstrom 9 von
dem Luftkompressor typischerweise eine Temperatur besitzt, die höher
als eine Temperatur der Umgebungsluft ist, die komprimiert wird,
um den Ladeluftstrom 9 bereitzustellen. Somit umfasst bei
einer weiteren Ausführungsform das Verfahren der ersten
Betriebsarten eine Übertragung von Wärme von dem
warmen Ladeluftstrom 9 auf das Kühlmittelfluid 5.
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Die
Wärmetauschereinheit 2 kann ferner in einer zweiten
Betriebsart verwendet werden. Beispielsweise kann das Verfahren
der Offenbarung den Schritt zum Kühlen des Ladeluftstromes 9 durch Übertragen
von Wärme davon an das Kühlmittelfluid 5 aufweisen.
Der gekühlte Ladeluftstrom 9 kann dann an die
Befeuchtungseinheit 102 zur Befeuchtung und an den Brennstoffzellenstapel
zur Verwendung als das Oxidationsmittel in der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion
geführt werden. Hierdurch kann einer unerwünschten
Entfeuchtung und Degradation der Membrane des Brennstoffzellenstapels entgegengewirkt
werden.
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Es
ist überraschend herausgefunden worden, dass die Verwendung
sowohl der PTC-basierten Heizelemente 6 als auch der Rippenelemente 8 in
einem einzelnen Wärmetauscher einen Einbauraum gegenüber
Heizern vom herkömmlichen Typ mit Widerstandsheizelementen
reduziert. Der Einsatz der PTC-basierten Heizelemente 6 ermöglicht
insbesondere eine Selbstregelung der Wärmetauschereinheit 2.
Somit wird der Verwendung herkömmlicher Regelmechanismen
und -ausstattung entgegengewirkt. Einem Überhitzen aufgrund
eines Fehlers der herkömmlichen Regelmechanismen und Widerstandsheizelemente
wird ebenfalls entgegengewirkt. Es hat sich auch erwünschtermaßen
herausgestellt, dass der integrierte Ladeluft-Wärmetauscher 2 der
Offenbarung sowohl die Kühlmittelheizerals auch CAC-Funktionen
in eine einzelne Einheit kombiniert.
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Während
bestimmte repräsentative Ausführungsformen und
Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt
worden sind, sei dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt
werden können, der in den folgenden angefügten
Ansprüchen weiter beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1621378 [0005, 0005]