DE102007023417A1

DE102007023417A1 - Heizvorrichtung für Kondensatableiter

Info

Publication number: DE102007023417A1
Application number: DE102007023417A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baur; Dietmar Dipl.-Ing. Mirsch (FH); Klaus Dipl.-Ing. Scherrbacher (Fh); Wolfgang Dipl.-Ing. Maurer; Hans Jörg Dipl.-Ing. Schabel
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2008-11-20
Also published as: WO2008141712A1; US20100096378A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen, die eine Funktionalität eines Brennstoffzellensystems in Fahrzeugen auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gewährleisten sollen. Dazu sind elektrische Heizelemente insbesondere im Bereich des Kondensatableiters der Brennstoffzelle so angeordnet, dass vorhandenes Eis lokal in der Weise erwärmt wird, dass sich ein oder mehrere Schmelzkanäle bilden, durch die nach sehr kurzem Auftauvorgang bereits Wasser fließen kann. Damit ist eine Zirkulation des Reaktionswassers sehr frühzeitig gewährleistet, da nicht das gesamte vorhandene Eis aufgeschmolzen werden muss.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen für den Betrieb von Brennstoffzellen in Fahrzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung Komponenten, die eine Funktionalität des Brennstoffzellensystems auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt gewährleisten.
Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um. Die Nutzung von Brennstoffzellen für mobile und stationäre Energieversorgung wird aktuell zunehmend ausgebaut. Insbesondere wird die Entwicklung von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen aus Ökologischen Gründen vorangetrieben.
Derzeit existieren unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen, deren Wirkungsprinzip allgemein auf der elektrochemischen Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff zum Endprodukt Wasser basiert. Sie lassen sich nach Art des verwendeten leitfähigen Elektrolyten, dem Betriebstemperaturniveau und den realisierbaren Leistungsbereichen einordnen. Für automobile Anwendungen sind Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzellen besonders geeignet. In einer solchen PEM-Brennstoffzelle wird die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser durch die Einfügung einer Protonenleitenden Membran zwischen die Anoden- und Kathodenelektrode in die beiden Teilreaktionen Oxidation und Reduktion separiert. PEM-Zellen werden üblicherweise bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 90°C betrieben.
Brennstoffzellen moderner Bauart benötigen für einen Betrieb in Fahrzeugen spezielle Konstruktionserfordernisse, um bei unterschiedlichen Witterungsverhältnissen einsatzfähig zu sein. Insbesondere ist bei einer PEM-Brennstoffzelle eine Steuerung des Wasserhaushalts erforderlich. Wasser wird in der Zelle als Ergebnis der elektrochemischen Reaktion erzeugt und durch allgemein bekannte Einrichtungen aus der Zelle als Flüssigkeit oder Dampf entfernt. Der Wasserdampf in den Ausgangsströmen wird teilweise zurück gewonnen, indem die Abluft durch einen Kondensator hindurchgeführt wird, um die Abluft zu kühlen, wobei sich Kondensat bildet. Das Kondensat wird gesammelt und dem Brennstoffzellensystem nach Bedarf zugeführt. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise beschrieben in der DE 10204124 A1 . Im Idealfall wird so der Verlust an Wasser, das in der Zelle verdampft und durch die Prozessentlüftungen abgeführt wird, durch die Produktion von Wasser als Nebenprodukt der in dem Zellenstapel stattfindenden chemischen Reaktion abzüglich des für die Brennstoffverarbeitung erforderlichen Wassers ausgeglichen.
In der 1 ist schematisch die Luftversorgung in entsprechend ausgestatteten PEM-Systemen nach dem heutigen Stand der Technik dargestellt. Die Frischluft (1) wird zunächst im Verdichter (2) komprimiert und dann im Ladeluftkühler (3) mittels Kühlwasser rückgekühlt. Im weiteren Verlauf strömt die Luft in das Befeuchtermodul (4), in welchem sie über Membranen (5) Wasserdampf aus dem Abgas der Brennstoffzelle (6) aufnimmt. Mit dem Bypass (7) um den Befeuchter kann der Feuchtigkeitsgehalt geregelt werden. Danach wird die Luft in die Brennstoffzelle (6) geleitet und nimmt dort an der elektrochemischen Reaktion teil. Aus dem Abgasstrom nach der Reaktion wird durch den Kondensatabscheider (8) eventuell vorhandenes Flüssigwasser abgeschieden und das verbleibende Abgas wieder dem Befeuchtermodul (4) zugeführt, wo es über die Membranen (5) Wasserdampf an das Frischgas abgibt. Nach dem Befeuchtermodul wird das Abgas in der Turbine (2) entspannt und in die Umgebung entlassen.
Kraftfahrzeuge sind verschiedenen Witterungseinflüssen ausgesetzt. Bei Fahrt im Winter mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt könnte Wasser beispielsweise im Kondensatabscheider oder den nachgeschalteten Bereichen gefrieren. So beschreibt die Offenlegungsschrift DE 10110419 A1 ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein zusätzlicher Wasservorrat höherer Temperatur mittels Ventilsteuerung bei Bedarf, z. B. Temperatur kleiner 3°C, in den Haupt-Wasserkreislauf zur Erwärmung hinzugeschaltet werden kann. Diese Anordnung erfordert einen zusätzlichen Wasserspeicher mit entsprechenden Leitungsführungen und Ventilsteuerungen, was in Hinblick auf Gewicht und Herstellungssaufwand nachteilig ist. Bei Kaltstartbedingungen mit Temperaturen unter 0°C ist eine schnelle Verflüssigung der gefrorenen Wassermenge kaum möglich, letztlich ist ja auch der Hilfswasserkreislauf seinerseits gefroren.
Mit etwas anderer Zielsetzung beschreibt die DE 10 2004 051 542 A1 eine elektrische Heizeinrichtung für Brennstoffzellen. Hier geht es vorrangig um ein dynamisches Ansprechverhalten, insbesondere auch bei einem Kaltstart einer Brennstoffzelle. Dabei wird ein mit Flüssigkeit gefülltes metallisches Leitungsrohr als Teil einer geschlossenen Sekundärwindung eines Transformators geschaltet und so elektrisch erwärmt. Zur Erwärmung des Brennstoffzellen-Wasserkreislaufs kann entweder das Leitungsrohr direkt mit Reaktionswasser durchströmt werden, oder es ist Teil eines Sekundärkreislaufs mit einem anderen Medium, z. B. Glykol, über denn dann erst das Reaktionswasser erwärmt wird. Dadurch, dass bei dieser Anordnung nur ein Rohrabschnitt elektrisch erhitzt wird, ist zwar in diesem Bereich eine schnelle Erwärmung erreichbar, der gesamte Bereich des Wasserkreislaufs (zu Eis gefroren) wird danach aber erst schrittweise aufgetaut.
Die genannten Vorrichtungen haben daher unter Kaltstartbedingungen bei Temperaturen deutlich unter 0°Celsius den Nachteil, dass insbesondere das im Bereich des Kondensatabscheiders der Brennstoffzelle befindliche Eis erst nach und nach verflüssigt wird und erst danach die Funktionalität dieser wichtigen Baugruppe einsetzt.
Die Erfindung geht aus von der oben zitierten DE 10 2004 051 542 A1 als nächstliegendem Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Beschleunigung des Auftauvorgangs insbesondere in einem Brennstoffzellen-Kondensatableiter zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Details und vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schlägt vor, eines oder mehrere elektrische Heizelemente insbesondere im Bereich eines Kondensatableiters so anzuordnen, dass vorhandenes Eis lokal in der Weise erwärmt wird, dass sich ein oder mehrere Schmelzkanäle bilden, durch die nach sehr kurzem Auftauvorgang bereits Wasser fließen kann. Damit ist eine Zirkulation des Reaktionswassers sehr frühzeitig gewährleistet, da nicht das gesamte vorhandene Eis aufgeschmolzen werden muss.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Für den Start eines Brennstoffzellensystems ist eine möglichst schnell einsetzende Zirkulation des Wasserkreislaufs wichtig. Das im Kondensatabscheider vorhandene Eis unterbindet diesen Vorgang nur so lange, bis sich durch Beheizung ein erster Durchflusskanal im Eis gebildet hat. Mit beginnender Reaktion der Brennstoffzelle entsteht dort entsprechende Reaktionswärme und mit einsetzender Wasserströmung wird dann durch warmes Reaktionswasser der Kanal im zugefrorenen Bereich des Kondensatableiters schnell erweitert und letztlich das vorhandene Eis vollständig aufgelöst.
Um für einen ersten Durchflusskanal Eis lokal zu erwärmen genügt ein entsprechend angeordnetes Heizelement. Dieses kann selbst länglich ausgeformt sein oder auch in Verbindung mit einem oder mehreren entsprechend geformten Wärmeleitelementen stehen, wobei die Wärmeleitelemente vorzugsweise aus Metall, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, bestehen. Beispielsweise sind zwei durch ein oder mehrere Heizelemente beheizte Metallrippen im Bereich des Kondensatabscheiders parallel angeordnet, so dass zwischen diesen befindliches Eis bei Erwärmung schnell schmilzt und damit ein Durchflusskanal entsteht.
Ist eine derartige Heizanordnung beispielsweise vertikal angebracht, so bildet sich ein entsprechend vertikaler Kanal, durch den das geschmolzene Wasser bereits durch Schwerkraftwirkung abfließen kann. Bereits mit relativ geringer Heizenergie ist damit eine einsetzende Wasserzirkulation erreicht. Eine elektrische Erwärmung des gesamten Bereichs eines vereisten Kondensatableiters würde dagegen wesentlich länger dauern.
Als elektrische Heizelemente für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind beispielsweise Kaltleiter (PTC-Heizelement) geeignet. Diese sind in unterschiedlicher Formgebung, Größe, Heizleistung verfügbar und können zusätzlich durch Ausstattung mit Wärmerippen den jeweiligen Bedingungen angepasst werden.
In einer erweiterten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch eine Kombination aus unterschiedlich ausgebildeten Heizelementen eingesetzt werden. Damit können Erwärmungsvorgänge der baulichen Geometrie verschiedener Brennstoffzellenkomponenten angepasst werden. Auch können einzelne Zonen selektiv oder auch sequentiell erwärmt werden, also z. B. Ventile mit höherer Priorität gängig gemacht werden, danach vorhandene Messeinrichtungen (z. B. Levelsensoren) auf Funktionstemperatur gebracht werden und anschließend Filterbereiche für einen Durchfluss aufgetaut werden.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird der Kaltstart eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug auch bei tiefen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt deutlich beschleunigt. Durch partielles Erwärmen bevorzugter Zonen einzelner Komponenten des Brennstoffzellensystems ist zudem nur eine relativ geringe Heizleistung und entsprechend verminderter Strombedarf während der Startphase erforderlich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10204124 A1 [0004]
- DE 10110419 A1 [0006]
- DE 102004051542 A1 [0007, 0009]

Claims

Vorrichtung zur Erwärmung einzelner Komponenten eines Brennstoffzellensystems, wobei elektrischen Heizelemente vorhanden sind, um vorhandenes Eis zu verflüssigen, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere elektrische Heizelemente innerhalb einer Komponente lokal so angeordnet sind, dass sich bei Erwärmung im vorhandenen Eis ein Schmelzwasserkanal bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Heizelement dergestalt geometrisch angeordnete Wärmeleitelemente aufweist, z. B. parallel verlaufende metallische Rippen, dass sich bei Erwärmung zwischen diesen ein Schmelzwasserkanal bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Bereiche einzelner Komponenten lokal elektrische Heizelemente mit unterschiedlicher Heizleistung vorhanden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für verschiedene Komponenten des Brennstoffzellensystems unterschiedliche elektrische Heizelemente zu Funktionsgruppen zusammengefasst sind.