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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement für einen Kühlmittelkreislauf eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Heizelement in einen Header des Brennstoffzellenstapels integrierbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit einem derartigen Heizelement.
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Brennstoffzellen kommen immer häufiger in Fahrzeugen zum Einsatz. Um in den Brennstoffsystemen eine optimale Betriebstemperatur zu erreichen, werden bei einem Kaltstart externe Kühlmittelhochvoltheizer verwendet. Diese erwärmen das Kühlmittel im Kühlkreislauf eines Brennstoffzellenstapels. Dabei sollte die Erwärmung möglichst schnell stattfinden, um die Startzeit des Brennstoffzellensystems möglichst kurz zu halten.
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Hochvoltheizer sind eigenständige Bauteile. Dieser erfordert eine zusätzliche Halterung mit entsprechenden Bauraum. Zudem muss das Kühlmittelsystem mit dem Hochvoltheizer über Schläuche, Rohre und Verbindungselemente angeschlossen werden, was zusätzlichen Bauraum beansprucht. Des Weiteren haben externe Hochvoltheizer nur einige wenige Einbaulagen, bei welchen die sichere Entlüftung des Hochvoltheizers im Betrieb sichergestellt werden kann. Eine Positionierung eines Hochvoltheizers ist damit stark eingeschränkt. Durch mögliche Fahrzeugneigungen im Betrieb wird diese Einbaulage noch weiter eingeschränkt.
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DE10010006A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das ein separates Heizelement zum Erhöhen einer Temperatur eines Betriebsmittels des Brennstoffzellensystems umfasst, wobei die Abwärme des Brennstoffzellensystems genutzt wird.
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DE102006049148A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Heizelementes in einem Kraftfahrzeug. Das Heizelement dient zum Erwärmen eines Kühlmittels des Kraftfahrzeugs und wird von der elektrischer Energie der Brennstoffzellen gespeist.
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DE102007029426A1 offenbart eine externe Steuerung einer Fahrzeugkühlmittelpumpe mit einer Fernheizoption. Hierbei ist das Heizelement eines Kühlkreislaufs einer Brennstoffzelle als ein Heizstab ausgeführt und wird an eine fahrzeugexterne Wechselstromquelle angeschlossen.
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Ein Nachteil der bisher verwendeten Heizelemente ist neben dem beanspruchten Bauraum und den starken Einschränkungen bei der Positionierung der externen Hochvoltheizer insbesondere ihr Wärmeverlust. Die Brennstoffzellen sind für die Zuführung von Fluiden mit Öffnungen versehen. Beim Aufstapeln der Brennstoffzellen zu einem Zellpaket entstehen aufgrund der Medienöffnungen in den Brennstoffzellen sogenannte Header bzw. Hauptleitungen. Ein Heizelement kann aufgrund der Fluidanbindung der Komponenten nicht direkt vor einem Eingang eines Brennstoffzellenstapels positioniert werden. Die erzeugte Wärme im Heizelement wird daher außerhalb des Brennstoffzellenstapels erzeugt. Die Zellen, in welchen die Wärme benötigt wird, sind vom Heizelement beabstandet. Damit geht ein Teil der erzeugten Wärmemenge über die Leitungen zwischen dem Heizelement und einer Einlassseite des Brennstoffzellenstapels verloren. Somit muss ein extern angeordnetes Heizelement in seiner Leistung überdimensioniert werden, um diesen Verlust auszugleichen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Heizelement zur Verfügung zu stellen, welches effizient, platzsparend und lageunabhängig ein Kühlmittel aufheizen kann.
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Heizelement für einen Kühlmittelkreislauf eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Heizelement in einen Header, insbesondere in einen Kühlmittelheader, eines Brennstoffzellenstapels integrierbar ist.
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Das Heizelement kann vorzugsweise direkt in einen Header des Brennstoffzellenstapels eingebracht werden. Hierdurch kann das Heizelement beispielsweise einen Teil des Headers und hierdurch indirekt ebenfalls ein durch den Header geführtes Kühlmittel erhitzen. Alternativ oder zusätzlich kann das Heizelement direkt in einer Strömung des Kühlmittels angeordnet werden. Hierdurch kann das Heizelement unmittelbar auf das Kühlmittel einwirken und das Kühlmittel erwärmen. Durch das direkte Integrieren eines Heizelementes in das Brennstoffzellensystem bzw. in den Brennstoffzellenstapel kann ein externes Heizelement entfallen. Die durch das Heizelement erzeugte Wärme kann optimalerweise verlustfrei in Form eines aufgewärmten Kühlmittels zu den Brennstoffzellen transportiert werden, da die Wärme in unmittelbarer Nähe der Brennstoffzellen erzeugt wird. Hierdurch können insbesondere Transportverluste durch lange Kühlmittelleitungen unterbunden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement eine elektrische Heizspirale. Eine Heizspirale wandelt elektrische Energie in Wärmeenergie mit einem vergleichsweise geringen elektrischen Regelungsaufwand um und kann dadurch preiswert betrieben werden. Alternativ können keramische Heizstäbe oder Infrarotheizelemente zum Einbringen von Wärmeenergie in das Kühlmittel verwendet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement in den Header einer Einlassseite des Brennstoffzellenstapels auf einer einen Kühlmittelzulauf abgewandten Seite durch eine Wand des Headers einbringbar. Hierdurch kann das Heizelement durch eine Wand bzw. eine Endplatte des Headers zum Herstellen einer wärmeleitenden Verbindung zum Kühlmittel gesteckt werden. Insbesondere kann hierdurch das Heizelement derart in einem Header angeordnet werden, dass ein in den Header hineinströmendes Kühlmittel direkt durch das Heizelement oder um das Heizelement geleitet wird. Durch Einbringen eines Heizelementes im Header des Brennstoffzellenstapels muss das Heizelement nicht separat entlüftet werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement an einer Wand des Headers einbringbar. Hierdurch können eine oder mehrere Wände des Headers zum Befestigen des Heizelementes verwendet werden. Beispielsweise kann das Heizelement zwischen mehreren Wänden des Headers kraftschlüssig oder formschlüssig befestigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Heizelement mit mindestens einer Wand verschraubt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Heizelement einen Flansch auf, wobei eine Dichtung zwischen der Wand des Headers und dem Flansch des Heizelementes positionierbar ist. Die Wand des Headers kann eine Durchgangsöffnung aufweisen. Das an einen Flansch angeordnete Heizelement kann durch die Durchgangsöffnung des Headers derart geschoben werden, dass der Flansch bündig an der Wand des Headers anliegt. Über eine entsprechende Schraubverbindung oder Klemmverbindung kann der Flansch gegen die Wand des Headers fluiddicht gepresst werden. Zwischen der Wand und dem Flansch kann beispielsweise ein Dichtring oder ein Dichtmittel angeordnet werden, sodass eine Dichtwirkung verbessert und eine Leckage des Kühlmittels unterbunden werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Flansch mit der Wand verklebt, verschweißt oder verlötet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement in einem Header einer Auslassseite des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Um zu verhindern, dass das Kühlmittel auf der Einlassseite des Brennstoffzellenstapels vollständig abgekühlt in den Header hineingeleitet wird, kann eine zusätzliche Heizung bzw. ein zusätzliches Heizelement zum Aufrechterhalten einer definierten Temperatur verwendet werden. Hierdurch kann das in der Einlassseite des Brennstoffzellenstapels angeordnete Einsteckelement leistungsschwächer ausgeführt sein, da das Kühlmittel bereits durch ein an einer Auslassseite angeordnetes Heizelement vorgeheizt wurde.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement in einer Kühlmittelleitung vor dem Kühlmittelzulauf und in Strömungsrichtung des Kühlmittels hinter einer Kühlmittelpumpe angeordnet. Insbesondere kann hierdurch zwischen dem Header bzw. in einem Zulauf des Headers und einer Kühlmittelpumpe das Heizelement angeordnet werden. Hierbei kann das Heizelement als ein Verbindungsstück zwischen der Kühlmittelpumpe und dem Header ausgeführt sein und somit ein in den Brennstoffzellenstapel hineinströmendes Kühlmittel erwärmen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement ein Hochvoltheizelement oder ein Niedervoltheizelement. Hierdurch kann das Heizelement flexibel und abhängig von einer verwendeten Spannung des Brennstoffzellenstapels bzw. eines Brennstoffzellensystems ausgewählt werden. Des Weiteren kann bei einer austauschbaren Integration des Heizelementes in den Header durch eine Flanschverbindung das Heizelement abhängig von Anforderungen an eine Heizleistung beliebig getauscht werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel weist mindestens ein erfindungsgemäßes Heizelement zum Heizen eines an dem Heizelement vorbeiströmenden Kühlmittels auf.
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Durch mindestens ein in oder direkt an einem Brennstoffzellenstapel angeordnetes Heizelement kann ein in den Brennstoffzellenstapel hineinströmendes Kühlmittel schnell und effizient erwärmt werden. Hierdurch kann der Brennstoffzellenstapel schneller eine Betriebstemperatur zum Erzeugen elektrischer Energie erreichen. Durch ein unmittelbar an oder in dem Brennstoffzellenstapel angeordnetes Heizelement können Wärmeverluste des Kühlmittels minimiert werden, da ein Transportweg des Kühlmittels außerhalb des Brennstoffzellenstapels nicht besteht. Des Weiteren wird durch ein Integrieren des Heizelementes in den Brennstoffzellenstapel die Anzahl an separaten Komponenten reduziert. Insbesondere können Verbindungselemente, Schläuche, Schrauben und Halter für externe Heizelemente entfallen. Ein Bauraumbedarf kann ebenfalls durch ein Entfallen eines externen Heizelementes verringert werden.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 in einem Querschnitt einen Brennstoffzellenstapel;
- 2 in einer perspektivischen Darstellung einen Schnitt entlang der Linie A-A durch den Brennstoffzellenstapel aus der 1 mit schematischer Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizelements.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugszeichen auf.
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1 zeigt einen Querschnitt eines Brennstoffzellenstapels 1. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist auf einer Einlassseite 2 drei Header zum Zuführen von Luft 4, Wasserstoffgas 6 und eines Kühlmittels 8 in Brennstoffzellenpaket 10 auf. Auf einer der Einlassseite 2 gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels 1 ist eine Auslassseite 12 des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet. Auf der Auslassseite 12 sind die Header zum Abführen von Luft 14, Wasserstoffgas 16 und Kühlmittel 18 angeordnet.
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In 2 ist in einer perspektivischen Darstellung ein Schnitt des Brennstoffzellenstapels 1 in einem eingebauten Zustand entlang der Linie A-A dargestellt. Es ist die längliche Ausdehnung der Einlassseite 2 des Brennstoffzellenstapels 1 sichtbar. Über einen Zulauf 20 kann ein Kühlmittel in den Header 8 hineinströmen. Der Header 8 verteilt anschließend das Kühlmittel durch nicht dargestellte Kühlkanäle in dem Brennstoffzellenpaket 10. Hierdurch kann das Kühlmittel abhängig von seiner Temperatur und der Temperatur des Brennstoffzellenpaketes 10 das Brennstoffzellenpaket 10 kühlen oder aufwärmen. In dem Header 8 ist ein Heizelement 22 angeordnet. Das Heizelement 22 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel ein Heizstab 22. Das Heizelement 22 ist an einem Flansch 24 positioniert. Der Flansch 24 ist mit dem Heizelement 22 an einer Wand 26 des Headers 8 fluiddicht verschraubt. Ein aus dem Kühlmittelzulauf 20 in den Header 8 hineinströmendes Kühlmittel kann somit durch das Heizelement 22 auf eine definierte Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 1 aufgewärmt werden.
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Der Einfachheit halber wurden die elektronischen Komponenten zum Anbinden und Steuern des Heizelementes nicht dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Einlassseite des Brennstoffzellenstapels
- 4
- Header zum Zuführen von Luft
- 6
- Header zum Zuführen von Wasserstoffgas
- 8
- Header zum Zuführen eines Kühlmittels
- 10
- Brennstoffzellenpaket
- 12
- Auslassseite des Brennstoffzellenstapels
- 14
- Header zum Abführen von Luft
- 16
- Header zum Abführen von Wasserstoffgas
- 18
- Header zum Abführen eines Kühlmittels
- 20
- Kühlmittelzuführung
- 22
- Heizelement
- 24
- Flansch
- 26
- Wand eines Headers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10010006 A1 [0004]
- DE 102006049148 A1 [0005]
- DE 102007029426 A1 [0006]
