DE202010007529U1

DE202010007529U1 - Beheizbare Medienleitung, insbesondere für Prozessmedien einer Brennstoffzellenanlage, sowie Brennstoffzellenanlagen

Info

Publication number: DE202010007529U1
Application number: DE202010007529U
Authority: DE
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2020-06-03
Also published as: WO2011151008A1; EP2577782A1

Abstract

Beheizbare Medienleitung, insbesondere für Prozessmedien einer Brennstoffzellenanlage, mit – einer Schlauchleitung (1) zum Medientransport, – mindestens einem, an eine elektrische Stromquelle anschließbaren Widerstandsheizdraht (2) zur Beheizung des Mediums, – wobei der Widerstandsheizdraht (2) zumindest bereichsweise im inneren Hohlraum der Schlauchleitung (1) angeordnet ist, – wobei der Widerstandsheizdraht (2) über mindestens eine Abzweigung (4) in der Schlauchleitung (1) in die Schlauchleitung (1) hinein- und/oder aus dieser herausgeführt ist, – wobei im Bereich der Abzweigung (4) ein die Abzweigung (4) verschließender Stopfen (5) mit mindestens einer Öffnung (6) zur Durchführung des Widerstandsheizdrahts (2) angeordnet ist, und – wobei der Stopfen (5) in die Abzweigung (4) eingepresst ist, so dass hierdurch gleichzeitig eine Abdichtung der von dem Widerstandsheizdraht (2) durchfassten Öffnung (6) gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine beheizbare Medienleitung, insbesondere für Prozessmedien einer Brennstoffzellenanlage.
Gemäß dem Stand der Technik werden derartige Leitungen durch außen liegende Widerstandsdrähte beheizt. Die Drähte dienen dazu, bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes für eine schnelle Enteisung der Leitungen zu sorgen, um möglichst frühzeitig die Betriebsfähigkeit der Brennstoffzellenanlage herstellen zu können. Die Beheizung durch außen liegende Widerstandsdrähte hat den Nachteil, dass im Kupplungsbereich der Leitungen keine Beheizung möglich ist und es daher eine vergleichsweise lange Zeit dauert, bis der erforderliche Aufwärmvorgang vollzogen und die Brennstoffzelle betriebsbereit ist. Die Geschwindigkeit, mit der die Enteisung der Leitungen vollzogen wird, ist entscheidend hinsichtlich des konstruktiven Aufwandes der gesamten Anlage. Denn sofern der Enteisungsvorgang eine lange Zeit braucht, ist für eine entsprechend lange Zeitdauer der Betrieb des Fahrzeuges mittels eines Akkumulators sicherzustellen. Bei einer langen Enteisungszeit muss dieser Akkumulator somit sehr groß dimensioniert werden. Im Gegensatz dazu reduziert sich durch eine schnelle Enteisung die erforderliche Größe des die Enteisungszeit überbrückenden Akkumulators deutlich, wodurch der konstruktive Aufwand der gesamten Brennstoffzellenanlage kleiner wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine beheizbare Medienleitung, insbesondere für Prozessmedien (z. B. H₂, O₂ oder dem Reaktionsprodukt H₂O) einer Brennstoffzellenanlage bereitzustellen, welche bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser eine schnelle Enteisung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine beheizbare Medienleitung, insbesondere für Prozessmedien einer Brennstoffzellenanlage, mit

– einer Schlauchleitung zum Medientransport
– mindestens einem, an eine elektrische Stromquelle anschließbaren Widerstandsheizdraht zur Beheizung des Mediums,
– wobei der Widerstandsheizdraht zumindest bereichsweise im inneren Hohlraum der Schlauchleitung angeordnet ist,
– wobei der Widerstandsheizdraht über mindestens eine Abzweigung in der Schlauchleitung in die Schlauchleitung hinein- und/oder aus dieser herausgeführt ist,
– wobei im Bereich der Abzweigung ein die Abzweigung verschließender Stopfen mit mindestens einer Öffnung zur Durchführung des Widerstandsheizdrahts angeordnet ist, und
– wobei der Stopfen in die Abzweigung eingepresst ist, so dass hierdurch gleichzeitig eine Abdichtung der von dem Widerstandsheizdraht durchfassten Öffnung gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäße Lehre zeichnet sich durch eine sehr einfache konstruktive Gestaltung aus, mit deren Hilfe eine Innenbeheizung der Medienleitung realisierbar ist. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere in den endseitigen Kupplungsbereichen der Medienleitung eine unmittelbare Beheizung derselben möglich ist, wodurch sich die erforderliche Dauer des Enteisungsvorgangs beträchtlich reduziert. Entsprechend kann bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre der Akkumulator zur Überbrückung des Enteisungszeitraums sehr klein dimensioniert werden.
Vorzugsweise weist der Stopfen eine Öffnung für die Hineinführung und eine Öffnung für die Herausführung des Widerstandsheizdrahts auf. Dies bedeutet, dass der Widerstandsheizdraht im Inneren der Medienleitung schlaufenförmig verlegt ist und der Stromkreis über einen entsprechenden Anschluss der beiden Enden des Widerstandsheizdrahtes im Bereich des Stopfens geschlossen werden kann.
Zweckmäßigerweise enthält der Stopfen Polytetrafluorethylen (PTFE) bzw. besteht der Stopfen aus diesem Material. PTFE besitzt den Vorteil, dass es formbeständig ist, gleichzeitig aber eine gewisse Flexibilität aufweist. Im konkreten Fall gewährleistet die Anwendung dieses Materials eine besonders sichere Abdichtung des Stopfens. Vorzugsweise ist der Stopfen mittels einer Presshülse in die Abzweigung eingepresst ist. Die Presshülse ist zweckmäßigerweise an der Außenseite der Abzweigung angeordnet und besteht z. B. aus Metall, insbesondere Edelstahl oder Messing. Durch die Presshülse werden somit beide Öffnungen im Stopfen sicher abgedichtet. Alternativ hierzu kann der Stopfen aber auch konisch ausgebildet und/oder der Stopfen in einen konisch ausgebildeten Aufnahmeabschnitt der Abzweigung eingepresst sein. Der Widerstandsheizdraht ist zweckmäßigerweise, zumindest im Bereich des inneren Hohlraums der Schlauchleitung, mit einer Kunststoffummantelung versehen, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden.
Die Anforderungen an die einstellbare Heizleistung sind bei Medienleitungen für Brennstoffzellenanlagen besonders hoch. So werden in der Regel Heizleistungen von mindestens 30 W/m Schlauchleitung, insbesondere mindestens 40 W/m gefordert. Um diese hohe Heizleistung bereitstellen zu können, ist der Widerstandsheizdraht daher innerhalb der Schlauchleitung zweckmäßigerweise spiralförmig gewickelt. Dies hat zur Folge, dass die Heizenergie abgebende Drahtlänge pro Längeneinheit Schlauchleitung deutlich erhöht werden kann. Vorzugsweise ist die Länge des Widerstandsheizdrahtes im Bereich des inneren Hohlraums der Schlauchleitung ca. 3 bis 5 Mal so groß wie die Gesamtlänge der Spiralwicklungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Widerstandsheizdraht innerhalb der Schlauchleitung schlaufenförmig geführt, wobei eine Schlaufe durch eine entsprechende Wickeltechnik eine Spiralwicklung bildet. Zur Erzeugung einer solchen spiralförmigen Wicklung ist eine spezielle Wickeltechnik erforderlich, welche einerseits die gewünschte Wicklungsanordnung gewährleistet und andererseits gleichzeitig die schlaufenförmige Anordnung des Widerstandsheizdrahts ermöglicht, so dass beide Enden des Drahts an ein und demselben Stopfen elektrisch kontaktiert werden können. Zweckmäßigerweise sind zwei schlaufenförmige Spiralwicklungen vorgesehen, die sich ausgehend von der Abzweigung in beide Richtungen der Schlauchleitung erstrecken. Hierdurch kann mittels einer einzigen Abzweigung ein vergleichsweise langer Bereich der Medienleitung mit der gewünschten Innenbeheizung ausgerüstet werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Brennstoffzellenanlage mit einer beheizbaren Medienleitung gemäß Anspruch 11.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre ist nicht allein auf den Transport von Prozessmedien einer Brennstoffzellenanlage beschränkt. Vielmehr ist die Anwendung auch in anderen Bereichen generell möglich, beispielsweise im Automobilbereich (z. B. zur Beheizung einer Scheibenwaschanlage).
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen beheizbaren Medienleitung und
2 eine ausschnittsweise Darstellung einer erfindungsgemäßen beheizbaren Medienleitung.
Die 1 und 2 zeigen eine beheizbare Medienleitung für Prozessmedien (z. B. H₂, O₂ oder dem Reaktionsprodukt H₂O) einer (nicht näher dargestellten) Brennstoffzellenanlage. Die Medienleitung weist eine Schlauchleitung 1 zum Medientransport und einen an eine (nicht dargestellte) elektrische Stromquelle anschließbaren Widerstandsheizdraht 2 zur Beheizung des Mediums auf. Die Schlauchleitung 1 kann über Kupplungen 3, die vorzugsweise als Schnellkupplungen ausgebildet sind, mit anderen Schlauchleitungen 1' verbunden werden. Entsprechend dienen derartige Kupplungen 3 aber auch dazu, eine Schlauchleitung an die Brennstoffzellenanlage anzuschließen. Wie der 1 zu entnehmen ist, ist der Widerstandsheizdraht 2 bereichsweise im inneren Hohlraum der Schlauchleitung 1 angeordnet. Hierbei wird der Widerstandsheizdraht 2 über eine Abzweigung 4 in der Schlauchleitung 1 in die Schlauchleitung 1 hinein- und auch aus dieser wieder herausgeführt. 2 ist zu entnehmen, dass im Bereich der Abzweigung 4 ein die Abzweigung 4 verschließender Stopfen 5 mit zwei Öffnungen 6 zur Durchführung der beiden Enden 7 des Widerstandsheizdrahts 2 angeordnet ist. Der Stopfen 5 ist mittels einer Presshülse 8 in die Abzweigung 4 dichtend eingepresst, so dass hierdurch gleichzeitig eine Abdichtung der von dem Widerstandsheizdraht 2 durchfassten Öffnungen 6 gewährleistet ist. Im Ausführungsbeispiel weist der Stopfen 5 einen Durchmesser von 3 bis 4 mm, insbesondere ca. 3,5 mm auf. Der Stopfen 5 besteht aus Polytetrafluorethylen, während die an der Außenseite der Abzweigung 4 angeordnete Presshülse 8 aus Edelstahl besteht. Der Widerstandsheizdraht 2 ist mit einer Kunststoffummantelung 9 versehen. Der Durchmesser der beiden Öffnungen 6 beträgt ca. 0,8 bis 1 mm, insbesondere ca. 0,9 mm. Im Ausführungsbeispiel besteht die Kunststoffummantelung aus FEP (Tetrafluorethylen/Hexafluorpropylen).
Wie der 1 zu entnehmen ist, ist der Widerstandsheizdraht 2 innerhalb der Schlauchleitung 1 spiralförmig gewickelt. Es sind zwei schlaufenförmige Spiralwicklungen 13 vorgesehen, die sich ausgehend von der Abzweigung 4 in beide Richtungen der Schlauchleitung 1 erstrecken. Hierbei ist der Widerstandsheizdraht 2 innerhalb der Schlauchleitung 1 derart geführt, dass beide Schlaufen 10 bzw. 10' durch eine entsprechende Wickeltechnik jeweils eine Spiralwicklung 13 bilden. Bei der linken Schlaufe 10 ist ein Schlaufenschenkel 11 gestreckt ausgebildet, der von dem anderen Schlaufenschenkel 12 spiralförmig umgeben ist. Bei der rechten Schlaufe 10' hingegen sind beide Schlaufenschenkel 11' und 12' spiralförmig ausgebildet, wodurch sich die pro Längeneinheit Schlauchleitung erzielbare Heizleistung nochmals deutlich erhöht. Die Länge des Widerstandsheizdrahts 2 im inneren Hohlraum der Schlauchleitung 1 ist 3 bis 5 Mal, insbesondere ca. 4 Mal, so groß wie die Gesamtlänge L der Spiralwicklungen 13. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass bei der linken Schlaufe 10 – analog zur rechten Schlaufe 10' – beide Schlaufenschenkel 11, 12 spiralförmig ausgebildet sind oder bei der rechten Schlaufe 10' – analog zur linken Schlaufe 10 – nur der Schlaufenschenkel 12' spiralförmig, der Schlaufenschenkel 11' hingegen gestreckt ausgebildet sind.

Claims

Beheizbare Medienleitung, insbesondere für Prozessmedien einer Brennstoffzellenanlage, mit – einer Schlauchleitung (1) zum Medientransport, – mindestens einem, an eine elektrische Stromquelle anschließbaren Widerstandsheizdraht (2) zur Beheizung des Mediums, – wobei der Widerstandsheizdraht (2) zumindest bereichsweise im inneren Hohlraum der Schlauchleitung (1) angeordnet ist, – wobei der Widerstandsheizdraht (2) über mindestens eine Abzweigung (4) in der Schlauchleitung (1) in die Schlauchleitung (1) hinein- und/oder aus dieser herausgeführt ist, – wobei im Bereich der Abzweigung (4) ein die Abzweigung (4) verschließender Stopfen (5) mit mindestens einer Öffnung (6) zur Durchführung des Widerstandsheizdrahts (2) angeordnet ist, und – wobei der Stopfen (5) in die Abzweigung (4) eingepresst ist, so dass hierdurch gleichzeitig eine Abdichtung der von dem Widerstandsheizdraht (2) durchfassten Öffnung (6) gewährleistet ist.
Beheizbare Medienleitung nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (5) eine Öffnung (6) für die Hineinführung und eine Öffnung (6) für Herausführung des Widerstandsheizdrahts (2) aufweist.
Beheizbare Medienleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (5) aus PTFE besteht.
Beheizbare Medienleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (5) mittels einer Presshülse (8) in die Abzweigung (4) eingepresst ist.
Beheizbare Medienleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Presshülse (8) an der Außenseite der Abzweigung (4) angeordnet ist und aus Metall, vorzugsweise Edelstahl oder Messing, besteht.
Beheizbare Medienleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsheizdraht (2) mit einer Kunststoffummantelung (9) versehen ist.
Beheizbare Medienleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsheizdraht (2) innerhalb der Schlauchleitung (1) spiralförmig gewickelt ist.
Beheizbare Medienleitung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Widerstandsheizdrahts (2) im Bereich des inneren Hohlraums der Schlauchleitung (1) 3 bis 5 Mal so groß wie die Gesamtlänge (L) der Spiralwicklungen (13) ist.
Beheizbare Medienleitung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsheizdraht innerhalb der Schlauchleitung schlaufenförmig geführt ist, wobei eine Schlaufe durch eine entsprechende Wickeltechnik eine Spiralwicklung bildet.
Beheizbare Medienleitung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei schlaufenförmige Spiralwicklungen vorgesehen sind, die sich ausgehend von der Abzweigung in beide Richtungen der Schlauchleitung erstrecken.
Brennstoffzellenanlage mit einer beheizbaren Medienleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.