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Die Erfindung geht von einem Wasserabscheider für eine Brennstoffzelle mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus, wie er aus der
DE 10 2008 060 533 A1 bekannt ist.
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In einer Brennstoffzelle wird ein Brennstoff, beispielsweise ein Alkohol oder Wasserstoff, oxidiert und dadurch elektrische Energie erzeugt. Dabei entsteht Wasser. Brennstoffzellensysteme enthalten deshalb in der Regel einen oder mehrere Wasserabscheider, die an verschiedenen Stellen in dem System angeordnet sind, um flüssiges Wasser, aber auch Abgase aus dem System zu entfernen. Bei Brennstoffzellensystemen für Fahrzeuge können derartige Wasserabscheider beheizt werden, da sich auch nach dem Abschalten der Brennstoffzelle bzw. bei einem geparkten Fahrzeug noch Wasser in dem Wasserabscheider und den zugehörigen Kanälen sammeln kann. Bei kalten Außentemperaturen kann das Wasser in dem Wasserabscheider eines geparkten Fahrzeuges einfrieren. Damit Eis aus dem Wasserabscheider entfernt werden kann, muss es zunächst aufgeschmolzen werden. Dies sollte bei Fahrtbeginn möglichst rasch geschehen, damit Eis vor einem erneuten Parken des Fahrzeugs vollständig aus dem Wasserabscheider entfernt werden kann. Andernfalls besteht nämlich die Gefahr, dass sich der Wasserabscheider im Laufe von mehreren kurzen Fahrten schrittweise immer mehr mit Eis füllt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie ein Wasserabscheider für eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugs kostengünstig gefertigt werden kann, der auch bei kalten Außentemperaturen in kurzer Zeit betriebsbereit ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wasserabscheider mit den in dem Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein erfindungsgemäßer Wasserabscheider hat einen Sammelbehälter für Wasser, aus dessen Boden ein Auslassstutzen nach oben herausragt, ein Ablassventil, das an den Auslassstutzen angeschlossen ist, und eine elektrischen Heizeinrichtung. Die elektrische Heizeinrichtung weist ein Metallgehäuse auf, das mind. eine Tasche, in der ein PTC-Heizelement angeordnet ist, eine Aufnahme, in der das Ablassventil steckt, und einen Auslasskanal, der von dem in den Sammelbehälter hineinragenden Auslassstutzen zu dem Ablassventil führt, hat.
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Von dem PTC-Heizelement erzeugte Wärme wird von dem Metallgehäuse rasch an den Auslassstutzen und bevorzugt auch an das Ablassventil weitergeleitet, so dass bei Frost darin enthaltenes Eis rasch geschmolzen und abgeführt werden kann. Der Wasserabscheider ist dann voll funktionsfähig, da eine durchgängige eisfreie Verbindung zwischen Ventil und Sammelbehälter hergestellt ist. Vorteilhaft weist der Anschlussstutzen mind. eine höher liegende Öffnung auf, damit frisch in den Sammelbehälter eintretendes Wasser oder Abgas abgeführt werden kann, selbst wenn am Boden des Sammelbehälters noch Eis vorhanden ist, das eine oder mehrere bodennahe Öffnungen blockiert.
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Der Auslassstutzen kann einstückig mit dem Metallgehäuse der Heizung ausgebildet sein oder als ein separates Teil hergestellt werden, das mit dem Metallgehäuse beispielsweise durch Stecken oder Schrauben verbunden wird. Wenn der Auslassstutzen als separates Teil hergestellt wird, ist es vorteilhaft, wenn das Metallgehäuse und der Auslassstutzen ineinandergreifen, beispielsweise durch Stecken oder Schrauben, da dadurch ein vorteilhaft guter Wärmekontakt erzeugt werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das PTC-Heizelement eine Platte ist und die Tasche des Metallgehäuses flächig an der Unterseite des Bodens des Sammelbehälters anliegt oder in ihn eingebettet ist. Auf diese Weise kann die von dem Heizelement erzeugte Wärme auf einem vorteilhaft kurzen Weg in das für die Aufnahme von Wasser vorgesehene Innenvolumen des Sammelbehälters eingeleitet werden. Um die Wärmeankopplung weiter zu verbessern, kann die Tasche nach Einbringen des PTC-Heizelements verpresst werden. Bevorzugt weist das Metallgehäuse zwei oder mehr Taschen auf, in denen jeweils wenigstens ein PTC-Heizelement angeordnet ist.
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Der Sammelbehälter kann beispielsweise durch Umspritzen des Metallgehäuses hergestellt werden. Auf diese Weise kann eine sehr effiziente Wärmeankopplung der elektrischen Heizeinrichtung an den Sammelbehälter erreicht werden. Dabei ist nicht erforderlich, dass das Metallgehäuse vollständig mit Kunststoff umspritzt wird, beispielsweise können Metallflächen im Bereich der Aufnahme für das Ablassventil und den Auslassstutzen frei bleiben.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass unterhalb des Bodens des Sammelbehälters eine Kunststoffschale angebracht ist, die zusammen mit dem Boden des Sammelbehälters einen Innenraum umgibt, in dem eine Steuerschaltung angeordnet ist, insbesondere zur Steuerung des Ablassventils und/oder der Heizeinrichtung. Der Sammelbehälter und die Kunststoffschale bilden dabei ein Gehäuse, in dessen Innenraum die Steuerschaltung angeordnet ist. Genauer gesagt bilden der Boden des Sammelbehälters und die Kunststoffschale ein Gehäuse. Bevorzugt stehen von der Unterseite des Bodens Zapfen ab, die in den Innenraum des Gehäuses hineinragen und auf die eine Leiterplatte aufgesteckt ist, welche die Steuerschaltung trägt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Wasserabscheiders für eine Brennstoffzelle;
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2 den in 1 gezeigte Wasserabscheider mit Blick von unten;
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3 den in 1 gezeigte Wasserabscheider mit abgenommenem Filteraufsatz;
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4 den in 1 gezeigte Wasserabscheider ohne Sammelbehälter;
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5 den in 1 gezeigte Wasserabscheider ohne Kunststoffschale an der Unterseite des Sammelbehälters; und
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6 die elektrische Heizeinrichtung des Wasserabscheiders mit Ablassventil und Leiterplatte.
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Der in den Figuren dargestellte Wasserabscheider weist einen Sammelbehälter 1 auf, der einen Wassereinlass, auf dem ein Filteraufsatz 2 liegt, und einen Boden mit einem Wasserauslass aufweist. In 3 ist der Filteraufsatz 2 abgenommen, so dass man in den Sammerbehälter 1 hineinsehen kann. Im Boden des Sammelbehälters 1 ist der Wasserauslass angeordnet, in dem ein Auslassstutzen 3 sitzt.
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In 4 ist der Wasserabscheider ohne den Sammelbehälter 1 dargestellt. In dieser Ansicht ist die elektrische Heizeinrichtung des Wasserabscheiders zu sehen. Die elektrische Heizeinrichtung hat ein Metallgehäuse 4, das mehrere Taschen 4a, in denen jeweils wenigstens ein keramisches PTC Heizelement angeordnet ist, eine Aufnahme für ein Ablassventil 5 und einen Auslasskanal, der von dem Auslassstutzen 3 zu dem Ablassventil 5 führt, aufweist. 6 zeigt eine weitere Ansicht der elektrischen Heizeinrichtung mit dem Ablassventil 5 und einer Leiterplatte 9, die eine Steuerschaltung für das Ventil oder die Heizeinrichtung trägt.
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Das Metallgehäuse 4 steht mit dem Auslassstutzen 3 in Eingriff, beispielsweise indem der Auslassstutzen 3 auf einen Rohransatz 4b des Metallgehäuses 4 aufgesteckt oder aufgeschraubt ist bzw. in den Rohransatz gesteckt oder eingeschraubt ist.
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Von den PTC-Heizelementen erzeugte Wärme wird von dem Metallgehäuse 4 rasch zu dem in der bevorzugt zylindrischen Aufnahme steckenden Ablassventil 5 und dem Auslassstutzen 3 geleitet, so dass diese gegebenenfalls in kurzer Zeit von Eis befreit werden können. Frisch durch den Filteraufsatz 2 in den Sammelbehälter 1 eintretendes Wasser kann durch eine Öffnung am Ende des Auslassstutzens 3 und den von dem Metallgehäuse 4 gebildeten Auslasskanal zu dem Ablassventil 5 gelangen, selbst wenn sich am Boden des Sammelbehälters 1 noch Eis befindet, das eine oder mehrer seitliche Öffnungen des Auslassstutzens 3 blockiert, da der Auslassstutzen 3 aus dem Boden des Sammelbehälters 1 heraus in das zur Aufnahme von Wasser vorgesehene Innenvolumen des Sammelbehälters 1 hineinragt.
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In den Taschen 4a des Metallgehäuses 4 können plattenförmige PTC-Heizelemente zusammen mit einer Kontaktplatte, beispielsweise aus Blech, und einer elektrischen Isolation, beispielsweise einer Platte aus Aluminiumoxid, einer anderen elektrisch isolierenden Keramik oder einer Polymerfolie, von einem Montagerahmen aus Kunststoff gehalten werden. Die Taschen 4a können an zwei gegenüberliegenden Seiten offen sein und nach dem Einbringen der PTC-Heizelemente verpresst werden, um die Wärmeankopplung an das Metallgehäuse 4 zu verbessern. Die Taschen 4a haben Hauptseiten, die im Wesentlichen parallel zu der Plattenebene der PTC-Heizelemente orientiert sind und durch Schmalseiten verbunden sind. Die Taschen 4a sind jeweils mit einer Hauptseite dem Boden des Sammelbehälters 1 zugewandt.
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Der Sammelbehälter 1 kann beispielsweise durch Umspritzen des Metallgehäuses 4 hergestellt werden. Vorteilhaft ergibt sich so eine sehr gute thermische Ankopplung der elektrischen Heizeinrichtung an den Sammelbehälter 1.
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Das in der Aufnahme des Metallgehäuses 4 steckende Ablassventil 5 kann zusätzlich von einer Halterung 6, beispielsweise in Form eines Bügels oder Rings, gehalten werden, die an dem Sammelbehälter 1 befestigt ist, beispielsweise durch eine Schraube 7.
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An der Unterseite des Sammelbehälters 1 ist eine Kunststoffschale 8 angeordnet, die zusammen mit dem Sammelbehälter 1, genauer gesagt dem Boden des Sammelbehälters 1 einen Innenraum umschließt, in dem die Leiterplatte 9 mit der Steuerschaltung angeordnet ist. Die Leiterplatte 9 kann in diesem Innenraum durch Zapfen 10 fixiert sein, die an der Unterseite des Sammelbehälters 1 ausgebildet sind und in den Innenraum hineinragen. Die Leiterplatte 9 hat Löcher 9a, mit denen sie auf diese Zapfen 10 aufgesteckt ist.
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Die Kunststoffschale 8 trägt einen oder mehrere Steckverbinder 11, 12, um die elektrische Heizeinrichtung und das Ventil bzw. dessen Aktor oder Steuerschaltung an eine Stromquelle anzuschließen. Die Steckverbinder 11, 12 können beispielsweise als Einbaustecker ausgebildet sein.
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Das Metallgehäuse 4 kann einstückig hergestellt sein oder aus mehreren Teilen bestehen, die miteinander verbunden sind und aneinander angrenzen, um einen guten Wärmekontakt zu gewährleisten. Beispielsweise können die Teile des Metallgehäuses mit einander verschweißt, verlötet, vernietet oder verschraubt sein oder einen Pressverband bilden. Insbesondere kann das Metallgehäuse 4 als ein Strangpressteil hergestellt werden, das nachbearbeitet wird, beispielsweise indem der Rohransatz 4b an ihm angebracht wird. In dem Strangpressteil wird dazu eine Bohrung erzeugt, in welche ein separat hergestellter Rohransatz 4b eingesetzt wird, beispielsweise eingeschraubt oder eingepresst wird. Der Rohransatz kann nach dem Einsetzen in die Bohrung auch mit dem Strangpressteil verschweißt oder verlötet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sammelbehälter
- 2
- Filteraufsatz
- 3
- Auslassstutzen
- 4
- Metallgehäuse
- 4a
- Tasche
- 4b
- Rohransatz
- 5
- Ablassventil
- 6
- Halterung
- 7
- Schraube
- 8
- Kunststoffschale
- 9
- Leiterplatte
- 10
- Zapfen
- 11
- Steckverbinder
- 12
- Steckverbinder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008060533 A1 [0001]
