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Die
Erfindung betrifft ein Leitungselement zur Verbindung von wenigstens
zwei Komponenten nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art.
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Leitungselemente
zur Verbindung von wenigstens zwei Komponenten sind aus dem allgemeinen
Stand der Technik bekannt. Sie verbinden dabei Komponenten oder
auch andere Leitungselemente als weiterführende Komponenten
untereinander. In den Leitungselementen werden typischerweise gasförmige
und/oder flüssige Medienströme in der gewünschten
Art und Weise geführt.
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Ein
Anwendungsfall, in dem derartige Leitungselemente eingesetzt werden,
ist beispielsweise ein Brennstoffzellensystem in einem Kraftfahrzeug,
in welchem die einzelnen Komponenten über Leitungselemente
miteinander verbunden sind. Insbesondere bei diesem Anwendungsfall,
jedoch auch in anderen Anwendungen von Leitungselementen, kann es
nun dazu kommen, dass die in den Leitungselementen transportierten
Stoffströme eine gewisse Temperatur benötigen,
um eine sichere Funktionalität des mit dem Leitungselement
versehenen Systems sicherzustellen. Dies kann beispielsweise eine
Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts sein, sodass Feuchtigkeit und
Wasser im Bereich der jeweiligen Leitungselemente nicht einfrieren
können.
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Aus
der
DE 10 2007
009 898 A1 ist daher für eine Medienverrohrung
in Brennstoffzellensystemen ein Heizelement beschrieben. Dieses
besteht aus einem Heizdraht, welcher in Kontakt zu einem Rohr oder
einem Schlauch als Leitungselement positioniert ist, um so dieses
zu beheizen.
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In ähnlicher
Art und Weise sind außerdem – speziell bei Brennstoffzellensystemen – sogenannte Heizbänder üblich,
welche um Rohrleitungen und vergleichbare Leitungselemente gewickelt
werden. Die Heizbänder haben dabei den Vorteil, dass diese auch
um Verbindungselemente und Schnittstellen gewickelt werden können.
Das Anbringen derartiger Heizbänder stellt jedoch einen
erheblichen Aufwand dar, welcher bei der Montage des Systems geleistet werden
muss. Muss aufgrund von Undichtheiten, defekten Komponenten oder
dergleichen das System später wieder demontiert werden,
so müssen auch die Heizbänder wieder aufwendig
entfernt und nach Austausch von Komponenten oder Leitungselementen
wieder angebracht werden. Dies erhöht den Aufwand bei eventuellen
Wartungsarbeiten extrem.
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Aus
der
DE 100 55 423
A1 ist außerdem ein Aufbau bekannt, bei dem ein
Schlauch mit einem innenliegenden Heizdraht versehen ist. Diese
Anordnung zum Erwärmen von Flüssigkeit in einem
Leitungssystem ermöglicht es die Leitung von innen zu beheizen,
sodass die Leitung selbst von außen zur Beheizung nicht
zugänglich sein muss.
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Die
Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine
Vorrichtung zur Verbindung von wenigstens zwei Komponenten mit einem
Leitungselement und einem im Bereich des Leitungselements angeordneten
Heizdraht weiter zu verbessern, um schnell und einfach über
das Leitungselement Komponenten verbinden zu können und
dabei deren sichere Funktionalität zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen. Ferner ist eine besonders
bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
angegeben.
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Bei
dem Leitungselement der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es nun so, dass der Heizdraht so angeordnet ist, dass er das
Leitungselement an wenigstens einem seiner Enden überragt.
Dieses Überragen des Leitungselements durch den Heizdraht
ermöglicht es in sehr einfacher und zuverlässiger
Art und Weise, die Verbindung zu Verbindungselementen oder Komponenten,
welche an diesem Ende des Leitungselements angeordnet sind, über den
Heizdraht mit zu beheizen. Dieser liegt im überragenden
Bereich im Bereich des Verbindungselements, beispielsweise einem Flansch
einer Komponente, an und beheizt neben dem Leitungselement selbst
auch dieses Verbindungselement. Damit wird nicht nur im Leitungselement
selbst, sondern auch im Bereich des Verbindungselementes dafür
gesorgt, dass eine entsprechende Temperatur vorliegt, welche beispielsweise
das Einfrieren von Wasser oder anderen Flüssigkeiten in
dem durch das Leitungselement geleiteten Stoffstrom verhindert.
Entgegen dem Aufbau aus dem Stand der Technik wird dabei nicht nur
der sichere Fluss in dem Leitungselement gewährleistet,
sondern auch im Bereich der Verbindung. Da diese häufig
eine vergleichsweise große Masse – häufig
aus Metall – aufweist, um beispielsweise verbindende Schraubenelemente,
Dichtelemente oder dergleichen aufzunehmen, ist genau in diesem
Bereich eine Beheizung besonders wichtig, da aufgrund der großen
Masse hier im Allgemeinen eine Wärmesenke vorliegt.
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Prinzipiell
ist die Anordnung des Heizdrahts im Bereich des Leitungselements
so, dass dieser das Leitungselement an wenigstens einem seiner Enden überragt,
sowohl außerhalb als auch innerhalb des Leitungselements
möglich. In einer besonders günstigen und vorteilhaften
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es jedoch vorgesehen, dass der Heizdraht im Inneren des Leitungselements
angeordnet ist. Damit wird das Leitungselement in seinen Außenabmessungen
vollkommen unabhängig von dem Heizdraht planbar. Insbesondere
auch die Anschlusselemente an die weiteren Komponenten können
annähernd beliebig geplant werden, sodass das Leitungselement
beispielsweise durch sehr enge Öffnungen in Wänden,
Komponentengehäusen oder dergleichen hindurchgeführt
werden kann. Durch den im Inneren angeordneten Heizdraht, welcher
das Leitungselement entsprechend überragt, wird dann in jedem
Fall das Innere des Leitungselements und im Bereich eines an dem
Leitungselement angeschlossenen Verbindungselements auch das Innere
dieses Verbindungselements mit beheizt. Dies ist unabhängig
von der äußeren Form des Verbindungselements, sodass
der Wärmeeintrag immer sicher und zuverlässig
erfolgen kann.
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In
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist es vorgesehen, dass wenigstens eine der Komponenten ein
weiteres Leitungselement mit einem im Inneren angeordneten Heizdraht
ist, welcher das Leitungselement an wenigstens einem seiner Enden überragt, wobei
die beiden Enden mit überragenden Abschnitten des Heizdrahts über
ein Verbindungselement miteinander verbunden sind. Dieser besonders
günstige und vorteilhafte Aufbau hat zur Folge, dass in
das Verbindungselement oder auch in eine die Leitungselemente verbindende
Komponente von beiden Seiten überragende Abschnitte der
Heizdrähte hineinragen. Da die Verbindungselemente, wie
oben bereits erwähnt, sehr häufig eine Wärmesenke
darstellen, ist dieser Aufbau besonders günstig und effizient,
da hierdurch im Bereich des Verbindungselements mehr Wärme
eingetragen wird, als in den anderen Bereichen der Leitungselemente.
Damit lässt sich in jedem Fall ein Gefrieren oder Auskondensieren
von Feuchtigkeit beziehungsweise Flüssigkeit beispielsweise
in Gasströmen, welche durch die Leitungselemente geführt
werden, verhindern.
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In
einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Heizdraht
dabei so ausgeführt, dass er in dem Abschnitt in dem er
das Leitungselement überragt, schlaufenförmig
gebogen ist. Dies kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass die
freien Enden des Heizdrahts, welche an einem elektrischen Anschluss
anliegen, nicht im Bereich der Enden des Leitungselements angeordnet
sind, sondern beispielsweise in dessen Mitte. Die Heizdrähte
werden dann über eine große Länge des
Leitungselements doppelt in dem Leitungselement geführt,
nämlich einmal als Hinleitung und einmal als Rückleitung.
Die die Enden der Leitungselemente überragenden Abschnitte
sind dann U-förmig gebogen, um den Heizdraht wieder entsprechend
zurückzuführen. Damit entsteht ein vergleichsweise
stabiler Aufbau, welcher ein Einfädeln des Heizdrahts beispielsweise
in ein Verbindungselement oder dergleichen bei der Montage des Leitungselements
erleichtert.
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In
einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung
hiervon ist es vorgesehen, dass die schlaufenförmig gebogenen
Abschnitte mehrere Windungen aufweisen. Damit lassen sich durch
mehrere Windungen oder Schleifen die Wegstrecke des in dem überragenden
Abschnitt des Heizdrahts liegenden Heizdraht vergrößern.
Der überragende Abschnitt selbst wird in seiner Ausdehnung
in Richtung des Leitungselements jedoch nicht erhöht. Durch
die größere Länge an Heizdraht wird jedoch
eine größere Wärme in diesem Abschnitt
freigesetzt. Auch dies kann dazu dienen, das Verbindungselement
ideal zu beheizen.
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Insgesamt
ermöglicht die Vorrichtung also die sichere und zuverlässige
Beheizung von Leitungselementen und Verbindungselementen zu daran
angeschlossenen Komponenten in Systemen, welche beispielsweise dahingehend
gefährdet sind, dass Wasser im Bereich von feuchten Stoffströmen auskondensiert
und/oder einfriert. Sollte Wasser im Bereich der Leitungselemente
eingefroren sein, beispielsweise nach einem längeren Stillstand,
so kann durch die zuverlässige Beheizung dieses auch aufgetaut
werden, um so das System schnellst möglich wieder betriebsbereit
zu bekommen. Das erfindungsgemäße Leitungselement
kann daher besonders günstig und effizient in Brennstoffzellensystemen
eingesetzt werden, um dort Prozessstoffströme sicher und
zuverlässig zu führen.
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Insbesondere
beim Einsatz derartiger Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung von
elektrischer Energie in Transportmitteln spielt die hohe Zuverlässigkeit
und die Möglichkeit, auch bei Temperaturen unterhalb des
Gefrierpunkts einen sicheren Betrieb zu gewährleisten,
eine entscheidende Rolle, da hier durch eingefrorene Leitungselemente
zumindest ein Start des Systems verhindert oder erheblich verzögert
werden würde. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen
Leitungselemente in derartigen Systemen ergeben sich also erhebliche
Vorteile hinsichtlich der Kaltstartfähigkeit und eines
sicheren und zuverlässigen Betriebs bei sehr niedrigen
Temperaturen. Der bevorzugte Einsatz des Brennstoffzeilensystems
kann dabei in einem Transportmittel, beispielsweise einem schienenlosen
oder schienengebundenen Fahrzeug auf dem Land, einem Schiff, einem Flugzeug,
einem Luftschiff oder dergleichen erfolgen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand
der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Leitungselement in einer ersten möglichen Ausführungsform;
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2 ein
Leitungselement in einer zweiten möglichen Ausführungsform;
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3 das
erfindungsgemäße Leitungselement gemäß 1,
an eine Komponente angeschlossen;
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4 ein
Leitungselement in einer dritten möglichen Ausführungsform;
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5 zwei
der erfindungsgemäßen Leitungselemente gemäß 1,
welche über ein Verbindungselement verbunden sind;
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6 ein
Brennstoffzellensystem als bevorzugtes System zur Verwendung des
erfindungsgemäßen Leitungselements.
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In 1 ist
ein Leitungselement 1 in einem Querschnitt dargestellt.
Das Leitungselement 1 kann dabei als Rohrleitung, als Schlauch
oder dergleichen ausgebildet sein. Es weist in dem Ausführungsbeispiel
der 1 eine thermische Isolierung 2 sowie
einen Heizdraht 3 auf. Der Heizdraht 3 dient in
an sich bekannter Art und Weise dazu, das in dem Leitungselement 1 strömende
Volumen bei Bedarf zu erwärmen. Die freien Enden 4 des
Heizdrahts 3 sind dazu aus dem Leitungselement 1 herausgeführt
und mit einer elektrischen Anschlusseinrichtung 5 verbunden. Die
Anschlusseinrichtung 5 kann dann ihrerseits beispielsweise über
einen Stecker oder dergleichen an ein elektrisches Leitungsnetz
angeschlossen sein. Durch einen elektrischen Strom, welcher durch
den Heizdraht 3 strömt, kann dieser aufgrund des
in ihm auftretenden Widerstands entsprechend erwärmt werden
und gibt diese Wärme dann an das in dem Leitungselement 1 strömende
Volumen ab. Der Heizdraht 3 selbst kann dabei je nach eingesetztem
Medium in dem Leitungselement 1 elektrisch isoliert oder
elektrisch nicht isoliert ausgeführt sein. Im Allgemeinen
wird ein elektrisch isolierter Heizdraht 3 die bevorzugte
Ausführungsform darstellen.
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Außerdem
ist in der Darstellung der 1 zu erkennen,
dass der Heizdraht 3 das Leitungselement 1 an
einem Ende 1a des Leitungselements 1 überragt.
Dieser das Leitungselement 1 überragende Abschnitt
ist dabei mit dem Bezugszeichen 3a versehen. Auf diesen überragenden
Abschnitt 3a wird im Laufe der Beschreibung, insbesondere
in der Beschreibung der 3 bis 5, nochmals
näher eingegangen.
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Die
Darstellung in der 2 zeigt eine alternative Ausführungsform
des Leitungselements 1, bei welchem in der hier gewählten
Darstellung lediglich die thermische Isolierung 2 geschnitten
und das Leitungselement 1 selbst nicht geschnitten dargestellt ist.
Auch hier ist ein Heizdraht 3 im Bereich des Leitungselements 1 angeordnet.
Anders als bei der Ausführungsvariante gemäß 1 liegt
der Heizdraht hier jedoch nicht im Inneren des Leitungselements 1, sondern
ist im Außenbereich des Leitungselements 1 angeordnet,
bevorzugt zwischen dem Leitungselement 1 und der thermischen
Isolierung 2. Auch hier dient der Heizdraht 3 in
an sich bekannter Art und Weise zur Beheizung des in dem Leitungselement 1 strömenden
Mediums. Anders als bei dem in 1 dargestellten
Heizdraht 3 ist der Heizdraht 3 in 2 jedoch
nicht unmittelbar in Kontakt mit dem strömenden Medium,
sondern erwärmt dieses durch die Wandung des Leitungselements 1 hindurch.
Unabhängig davon ist auch hier ein Abschnitt 3a des
Heizdrahts 3 zu erkennen, welcher ein Ende 1a des
Leitungselements 1 überragt.
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Für
beide dargestellten Ausführungsformen des Heizdrahts 3 im
Bereich des Leitungselements 1 gilt dabei, dass der Heizdraht 3 lediglich
an einem Ende 1a des Leitungselements 1 einen überragenden
Abschnitt 3a aufweisen kann. Es ist jedoch auch denkbar
und in der Praxis sicherlich sinnvoll, an beiden Enden 1a, 1b des
Leitungselements 1 derartige überragende Abschnitte 3a, 3b vorzusehen.
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Die
nachfolgend dargelegten Ausführungsbeispiele erläutern
nun die spezielle Funktionalität dieser das Leitungselement 1 an
seinen Enden 1a, 1b überragenden Abschnitte 3a, 3b des
Heizdrahts 3. Sie sind beispielhaft an der Ausführung
gemäß 1, also mit einem innenliegenden
Heizdraht, dargestellt. Sie wären in analoger Art jedoch
auch bei der Ausführungsform gemäß 2 denkbar.
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In
der Darstellung der 3 ist das Leitungselement 1 analog 1 nochmals
dargestellt. Es weist an seinem Ende 1a in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
einen Flansch 6 als Verbindungselement zwischen einer Komponente 7 und dem
Leitungselement 1 auf. Diese typische Anbindung des Leitungselements 1 über
den Flansch 6 als Verbindungselement an einer Komponente
ist dabei der typische Aufbau, um beispielsweise Prozessgasströme
oder dergleichen über das Leitungselement 1 in
einen Reaktor, einen Wasserabscheider, eine Brennstoffzelle, ein
Gebläse oder Ähnliches einzuleiten. Nun ist es
so, dass der überragende Abschnitt 3a des Heizdrahts 3 das
Ende 1a des Leitungselements 1 soweit überragt,
dass dieser zumindest durch den Flansch 6 als Verbindungselement
hindurch, oder, wie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel, bis
in das Innere der Komponente 7 reicht. Damit ist sichergestellt,
dass der Wärmeeintrag nicht nur in dem Leitungselement 1 selbst
erfolgt, sondern auch im Bereich des Verbindungselements. Ist dieses,
wie hier dargestellt, als Flansch 6 ausgeführt,
so wird das Verbindungselement und der anliegende Bereich der Komponente 7 eine
vergleichsweise hohe Masse aufweisen. Damit ist bei einem kalten
System diese Masse entsprechend kalt und stellt eine Wärmesenke
dar. Dadurch, dass der überragende Abschnitt 3a in
diesem Bereich des Verbindungselements hineinragt, wird auch der
Raum in dem Verbindungselement und gegebenenfalls ein darin strömender Stoffstrom
entsprechend erwärmt. Somit kann eine Auskondensation und/oder
ein Gefrieren beispielsweise von flüssigem Wasser in dem
Prozessstoffstrom im Bereich dieses Verbindungselements 6 entsprechend
vermieden werden. Der überragende Abschnitt 3a des
Heizdrahts 3 ragt dabei nicht nur durch den Bereich des
Flanschs als Verbindungselement 6, sondern ragt auch geringfügig
in den Bereich der Komponente 7 hinein. Über den
Heizdraht 3 kann damit also auch dieser Einströmbereich
der Komponente 7 mit beheizt werden, sodass hier kein Auskondensieren
von Flüssigkeit aus dem Prozessstoffstrom erfolgt.
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Der
in den 1 bis 3 dargestellte Aufbau des überragenden
Abschnitts 3a des Heizdrahts mit einer schlaufenförmigen
Richtungsumkehr stellt dabei sicher, dass der Heizdraht durch die
doppelte Führung und die ihn mechanisch stabilisierende Richtungsumkehr
eine vergleichsweise große Festigkeit aufweist und so bei
der Montage vergleichsweise einfach in den Bereich des Verbindungselements 6 beziehungsweise
der Komponente 7 eingeführt werden kann. Alternativ
dazu wäre es auch denkbar, wie in 4 dargestellt,
den Draht in mehreren schlaufenförmigen Windungen 8 zu
führen, um so die Länge des beheizten Drahts im
Bereich des Flanschs beziehungsweise Verbindungselements 6 und
so eine entsprechend höhere Wärmemenge eintragen
zu können. Da dieser Bereich des Verbindungselements 6 typischerweise
eine Wärmesenke ist, wie oben bereits ausgeführt
wurde, wirkt dies einer zu starken Abkühlung des in dem
Leitungselement 1 geführten Volumenstroms in genau
diesem kritischen Bereich vorteilhaft entgegen.
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Je
nach Einsatzzweck kann es dabei auch vorgesehen sein, dass auf einem
Ende 1a des Leitungselements 1 der Heizdraht 3 die
schlaufenförmigen Windungen 8 aufweist, während
er dies am anderen Ende 1b des Leitungselements 1 nicht
tut.
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In
der Darstellung der 5 sind nun zwei der Leitungselemente 1 zu
erkennen, welche über ein hier nicht näher beschriebenes,
aber an sich bekanntes Verbindungselement 6, beispielsweise
einen Aufbau mit mehreren Muttern, Dichtungen und dergleichen miteinander
verbunden sind. Auch hier weist das Verbindungselement 6 eine
weitaus höhere Masse auf, als die Wandungen der beiden
Enden 1a, 1b der beiden Leitungselemente 1.
Auch hier bildet der Bereich des Verbindungselements 6 im
Allgemeinen eine Wärmesenke. Der Bereich des Verbindungselements 6 kann
dabei ebenfalls isoliert sein, was hier durch eine thermisch isolierende
Manschette 2' angedeutet ist.
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Die
Ausführung des Heizdrahts 3 ist dabei in beiden
Leitungselementen 1 so gewählt, dass diese analog
der Darstellung in 1 ausgeführt ist. Dadurch,
dass in jedem der Leitungselemente 1 der Heizdraht 3 die
Enden 1a, 1b der Leitungselemente 1überragende
Abschnitte 3a, 3b aufweist, kommen diese überragenden
Abschnitte 3a, 3b nebeneinander in dem Bereich
des Verbindungselements 6 zu liegen. Damit kann in dem
Bereich des Verbindungselements aufgrund der doppelten Länge
des Heizdrahts auch mehr Energie eingetragen werden, als wenn lediglich
einer der Heizdrähte in den Bereich eines Verbindungselements 6 oder
einer Komponente 7 ragt. Damit kann die Problematik der
Wärmesenke mit standardisierten Leitungselementen 1 effizient umgangen
werden.
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Dieser
Aufbau ist dabei selbstverständlich mit dem Anschluss an
die Komponenten kombinierbar.
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Prinzipiell
wäre es beim Einsatz eines auf dem Leitungselement 1 angeordneten
Heizdrahts 3, wie es beispielsweise in 2 dargestellt
ist, selbstverständlich möglich auf der mit dem
Leitungselement 1 verbundenen Komponente 7 oder
einem weiteren Leitungselement 1 eine entsprechende Aufnahmeeinrichtung,
beispielsweise in Form einer Ausnehmung, eines Klipps oder dergleichen
vorzusehen. Das entlang der äußeren Oberfläche
des Leitungselements 1 in den Bereich der Verbindung ragende Stück 3a des
Heizdrahts 3 könnte so an dem mit dem Leitungselement 1 verbundenen
Komponente 7 beziehungsweise dem anderen Leitungselement 1 entsprechend
fixiert werden, sodass eine sichere und zuverlässige Beheizung
des Verbindungsbereichs auch bei diesem Aufbau möglich
ist. Dazu könnte beispielsweise eine Ausnehmung in der
Isolierung vorgesehen sein, in welches der Abschnitt 3a des Heizdrahts 3 eingeschoben
wird und/oder ein entsprechender Klipp oder ähnliches,
in welchen dieser Abschnitt 3a bei der Montage eingerastet
werden kann.
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In
der Darstellung der 6 ist nun ein Brennstoffzellensystem 9 prinzipmäßig
angedeutet, welches die bevorzugte, jedoch nicht die einzige Möglichkeit
zum Einsatz der Leitungselemente 1 darstellt. Das Brennstoffzellensystem 9 weist
eine Brennstoffzelle 10 auf, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle 10 in
an sich bekannter Art und Weise in Form eines Stapels von Einzelzellen
aufgebaut sein kann. Ein Kathodenbereich 11 dieser Brennstoffzelle 10 wird über
eine Fördereinrichtung 12 beispielsweise mit Luft
als sauerstoffhaltigem Medium versorgt. Ein Anodenbereich 13 wird über
einen Hochdrucktank 14 als Wasserstoffspeichereinrichtung
mit Wasserstoff versorgt. Dabei ist zwischen dem Hochdrucktank 14 und
dem Anodenbereich 13 der Brennstoffzelle 10 in
an sich bekannter Art und Weise eine Ventileinrichtung 15 mit
Druckminderer und dergleichen angeordnet. Die Brennstoffzelle 10 selbst
wird nun aus diesen zugeführten Prozessstoffströmen
an Wasserstoff und Luft elektrische Energie und Produktwasser erzeugen.
Die elektrische Energie gelangt über die beispielhaft angedeuteten
elektrischen Leitungen 16 in den Bereich einer Leistungselektronik 17.
Dort wird sie entsprechend aufbereitet und gelangt in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel zu einem elektrischen Motor 18, über
welchen insbesondere ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein Personenkraftwagen
oder ein Nutfahrzeug, angetrieben oder unterstützend angetrieben
werden kann. Um die PEM-Membranen der Brennstoffzelle 10 nicht unnötig
auszutrocknen, ist bei vielen Brennstoffzellensystemen 9 außerdem
ein Befeuchter 19 vorgesehen, über welchen durch
die in der Abluft aus dem Kathodenbereich 11 vorhandene
Feuchtigkeit die trockene und nach der Fördereinrichtung 12 erhitzte
Zuluft über nur für Feuchtigkeit durchlässige
Membranen abgekühlt und befeuchtet wird.
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In
ebenfalls bekannter Art und Weise wird der Wasserstoff aus dem Hochdrucktank 14 im
Anodenbereich 13 der Brennstoffzelle 10 nicht
vollständig umgesetzt. Nicht umgesetzter Wasserstoff wird daher
mittels einer Rezirkulationsfördereinrichtung 20,
typischerweise einem Gebläse, im Kreislauf um den Anodenbereich 13 geführt,
um vermischt mit frischem Wasserstoff aus dem Bereich des Hochdrucktanks 14 wieder
dem Anodenbereich 13 zugeführt zu werden. Von
Zeit zu Zeit reichert sich dabei in diesem Kreislauf um den Anodenbereich 13 Wasser und/oder
inertes Gas an, welches die Wasserstoffkonzentration in diesem Bereich
entsprechend reduziert und daher nicht erwünscht ist. Dementsprechend
ist eine Drain/Purge-Leitung 21 mit einer Ventileinrichtung 22 vorgesehen,
um von Zeit zu Zeit diesen Inhalt des Kreislaufs um den Anodenbereich 13 auszutragen.
Dieser Austrag erfolgt typischerweise in den Bereich der Zuluft
zum Kathodenbereich 11, sodass eventuell mit ausgestoßener
Wasserstoff im Bereich der Kathode 11 abreagieren kann.
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Nun
ist so, dass in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
die Leitungselemente zwischen der Brennstoffzelle 10 und
dem Befeuchter 19 sowie zumindest die Leitungselemente
im Kreislauf um den Anodenbereich 13 und die Drain/Purge-Leitung 21 während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems 9 Prozessstoffströme
aufweisen, welche überwiegend aus feuchten Gasen und gegebenenfalls
darin flüssig vorhandenem Wasser bestehen. Wird ein solches Brennstoffzellensystem 9 nun
abgestellt und kommt dabei mit Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts in
Verbindung, so können Wasser und Feuchtigkeit auskondensieren
und/oder gefrieren. Die Leitungen können somit verstopft
werden und eine sichere und zuverlässige Funktionalität
des Brennstoffzellensystems 9 ist gegebenenfalls nicht
mehr gewährleistet. Daher ist es besonders sinnvoll, Leitungselemente 1 mit
der Möglichkeit, diese über einen Heizdraht 3 zu beheizen,
an den beschriebenen Stellen des Brennstoffzellensystems 9 einzusetzen.
Da auch hier weitere Leitungselemente, Ventileinrichtungen und/oder Komponenten
mit den entsprechenden Leitungselementen 1 verbunden werden
müssen, ist die eingangs genannte Möglichkeit,
diese Verbindungsstellen durch die überragenden Abschnitte 3a, 3b des Heizdrahts
zu beheizen, für die Anwendung in einem derartigen Brennstoffzellensystem 9 besonders
vorteilhaft.
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Um
Brennstoffzellensysteme wie das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 9 nun
an verschiedene Leistungen anzupassen, um das Brennstoffzellensystem 9 beispielsweise
in einem Nutzfahrzeug oder einem Pkw einsetzen zu können,
wäre ein modularer Aufbau des Brennstoffzellensystems 9 sehr
wünschenswert. Dieser an sich bekannte und schon in zahlreichen
Patentschriften beschriebene modulare Aufbau wird in der Praxis
bisher nur sehr selten umgesetzt, da ein solcher modularer Aufbau sehr
viele Schnittstellen und Verbindungselemente 6 zwischen
den Prozessgasströmen der einzelnen Module des Brennstoffzellensystems 9 erfordert.
Nun ist es jedoch so, dass derartige Verbindungselemente 6 beziehungsweise
Schnittstellen sehr kritisch hinsichtlich eines eventuellen Einfrierens
bei geringer Umgebungstemperatur sind. Sie müssen daher
sehr aufwendig beispielsweise mit Heizbändern oder dergleichen
umwickelt werden, sodass in der Praxis der modulare Aufbau für
geplante Serienanwendungen typischerweise häufig nicht
zum Einsatz kommt. Mit dem Leitungselement 1 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird den Verbindungselementen 6 beziehungsweise
den Schnittstellen einzelner Leitungselemente 1 nun jedoch
dieser „Schrecken” genommen und Schnittstellen
können sehr einfach montiert und demontiert werden, ohne
dass dadurch die Gefahr eines Einfrierens aufgrund ihrer typischerweise
als Wärmesenke ausgebildeten vergleichsweise großen Masse
besteht. Über das hier beschriebene Leitungselement 1 mit
den überragenden Abschnitten 3a, 3b des
Heizdrahts 3 wird diese Problematik gelöst, sodass
unter Verwendung solcher Leitungselemente 1 sehr einfach
und effizient ein modularer Aufbau eines Brennstoffzellensystems 9 einfach,
zuverlässig und serientauglich realisiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007009898
A1 [0004]
- - DE 10055423 A1 [0006]
