DE102014001807A1

DE102014001807A1 - Einbaufertiges lonentauschermodul für Brennstoffzellenfahrzeuge und lonentauschermodul-Lagerungsanordnung

Info

Publication number: DE102014001807A1
Application number: DE102014001807.5A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dehn; Ralf Höss; Mario Mittmann; Herbert Schulze
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2015-08-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein einbaufertiges Ionentauschermodul für Brennstoffzellenfahrzeuge, das eine Umhausung mit zumindest zwei Fluidanschlüssen aufweist, die zumindest mit einem vorbefeuchteten Ionentauscherharz gefüllt ist. Die Umhausung ist dabei mit einem Frostschutzmittel gefüllt. Ferner wird eine Ionentauschermodul-Lagerungsanordnung offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft ein einbaufertiges Ionentauschermodul für Brennstoffzellenfahrzeuge und eine Ionentauschermodul-Lagerungsanordnung.
Zur Kühlung von Brennstoffzellen kommt meistens ein wasserbasierter Kühlmittelkreislauf zum Einsatz. Das verwendete Kühlwasser darf hierbei eine vorgegebene maximale Leitfähigkeit nicht überschreiten, da ansonsten ein Zellkurzschluss droht und die Stromschlaggefahr bei Gehäusekontakt extrem hoch ist. Insbesondere bei Brennstoffzellenstapeln, deren Leerlaufspannung typischerweise bei mehreren hundert Volt liegt, ist eine besonders geringe Leitfähigkeit einzuhalten, die 5 μS/cm nicht überschreiten darf. Zur Sicherstellung der Maximalleitfähigkeit werden Ionentauscher im Fluidkreis vorgesehen, die mit einem Ionentauscherharz gefüllt sind. Das Ionentauscherharz altert jedoch und muss daher in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden, was etwa im Rahmen der Routinewartungen durchgeführt wird.
Das Ionentauscherharz eines neuen einbaufertigen Ionentauschers ist bereits vor dem Einbau mit einem geringen Wassergehalt vorbefeuchtet, um sicherzustellen, dass der Ionentauscher direkt nach dem Einbau in den Fluidkreis unmittelbar seine Funktion erfüllen kann und das Harz nicht erst befeuchtet werden muss, wobei in der Befeuchtungszeit kein Ionenaustausch stattfindet. Durch die Vorbefeuchtung wird zudem eine Überhitzung des Ionentauschers vermieden, da bei der Befeuchtung von trockenem Ionentauscherharz Wärme frei wird.
Probleme bei vorbefeuchteten Ionentauschern ergeben sich aber bei der Lagerung bzw. beim Transport bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers; hierbei kann es zu Vereisung kommen, was zur Zerstörung des Gehäuses des Ionentauschers durch Rissbildung führen kann.
Die US 20060049167 A1 betrifft ein vorbehandeltes Ionentauscherharz und ein Wärmeübertragungssystem, wobei das Ionentauscherharz zumindest einen Austauschionen-Typ oder eine Lewis-Säure oder -Base, die in wässriger Lösung mit dem Kühlwasser einen pK_s bzw. pK_b größer als 5 haben, aufweist. Das Wärmeträgermedium kann zudem einen Farbstoff, einen Bitterstoff, ein Detergens, einen Korossionsinhibitor, ein Antischaummittel oder eine Kombination daraus enthalten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einbaufertiges Ionentauschermodul zu schaffen, das bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers zerstörungsfrei gelagert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein einbaufertiges Ionentauschermodul mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe, eine Ionentauschermodul-Lagerungsanordnung zu schaffen, mit der ein Ionentauschermodul sicher vor Verschmutzung und auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers zerstörungsfrei gelagert werden kann und mit der der Einbau des Ionentauschermoduls schneller als bisher erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Ionentauschermodul-Lagerungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße einbaufertige Ionentauschermodul für Brennstoffzellenfahrzeuge weist eine Umhausung mit zumindest zwei Fluidanschlüssen auf, die mit einem vorbefeuchteten Ionentauscherharz und ferner mit einem Frostschutzmittel gefüllt ist. Das Ionentauschermodul kann hierdurch auch bei Temperaturen unter 0°C gelagert werden ohne zu vereisen. Das Frostschutzmittel vermischt sich mit dem in dem vorbefeuchteten Ionentauscherharz enthaltenen Wasser oder verdrängt es teilweise aus den Poren des Harzes. Das Ionentauscherharz kann auch in Form eines Granulats vorliegen, wobei auch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Körnern mit dem Frostschutzmittel aufgefüllt sein können.
Es kann hierbei das gleiche Frostschutzmittel eingesetzt werden, wie es in dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellenfahrzeugs, für das das Ionentauschermodul bestimmt ist, vorhanden ist; hierdurch wird eine optimale Kompatibilität erreicht. „Vorbefeuchtet” bedeutet, dass der Wassergehalt des Ionentauscherharzes > 0% ist. Bei der Umhausung kann es sich etwa um eine feste Kartusche oder Dose handeln, die insbesondere auch Eingriffmittel für eine Schnellwechselvorrichtung aufweisen kann, sodass diese mit geringem Zeitaufwand in ein vorgegebenes Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut bzw. ausgetauscht werden kann. Die Fluidanschlüsse des Ionentauschermoduls können zudem mit Abdeckkappen versehen sein, die das Auslaufen des Frostschutzmittels sowie das Eindringen von Verunreinigungen verhindern. Ferner kann es sich bei den Fluidanschlüssen beispielsweise um Schnellkupplungen handeln, vorteilhafter Weise um selbstverschließende Verschlusskupplungen, die auch ohne Verschlusskappen einen Auslaufschutz bereitstellen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Frostschutzmittel ein Alkohol, etwa Glykol, bevorzugt Ethylenglykol oder Propylenglykol, oder eine wässrige Lösung der vorgenannten Frostschutzmittel sein. Ethylenglykol zeichnet sich im Vergleich zu Propylenglykol durch eine höhere Wärmekapazität und geringere Viskosität aus, weshalb es aus thermischer Hinsicht zu bevorzugen ist, jedoch ist es für den Menschen giftig. Die Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Frostschutzmittel beschränkt, wenn es vorteilhaft erscheint können auch andere Frostschutzmittel verwendet werden.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann das Frostschutzmittel einen oder mehrere Korrosionsinhibitor(en), einen Farbstoff, einen Geschmacksstoff, etwa einen Bitterstoff und/oder ein Detergens enthalten. Bei Brennstoffzellenfahrzeugen kommen vorteilhaft silikatfreie Korrosionsinhibitoren zum Einsatz, da die bei Verbrennungsmotoren üblichen Silikatsalze die Leitfähigkeit des Kühlwassers erhöhen.
Der Korrosionsinhibitor, der Farbstoff, der Geschmacksstoff und/oder das Detergens können hierbei einem Korrosionsinhibitor, einem Farbstoff, einem Geschmacksstoff und/oder einem Detergens eines Kühlmittels eines vorgegebenen Brennstoffzellenfahrzeugs entsprechen. Hierdurch wird erreicht, dass das Kühlmittel des vorgegebenen Brennstoffzellenfahrzeugs nicht verunreinigt wird, da das Frostschutzmittel des neuen einbaufertigen Ionentauschermoduls nur spezifikationsgerechte Stoffe enthält.
Der Gefrierpunkt des Frostschutzmittels kann zumindest –30°C, vorteilhafter Weise zumindest –50°C, betragen. Hierdurch wird erreicht, dass das Ionentauschermodul auch bei mehrstündiger extremer Temperaturexposition, wie sie etwa beim Flugtransport auftritt, nicht zerstört wird. Das erfindungsgemäße Ionentauschermodul ist in der Lage über 24 Stunden bei einer Temperatur von –50°C gelagert zu werden ohne zerstört zu werden. Die Lagerfähigkeit bei heißen Temperaturen wird hierdurch nicht eingeschränkt, da die vorgenannten Frostschutzmittel auch in konventionellen Kühlkreisläufen sowie Solaranlagen eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Ionentauschermodul-Lagerungsanordnung weist eine öffenbare Verpackung auf, die ein erfindungsgemäßes Ionentauschermodul fluiddicht umschließt.
Die Verpackung kann vorteilhaft mit dem Frostschutzmittel geflutet sein, sodass auch das darin befindliche Ionentauschermodul mit Frostschutzmittel geflutet ist. Hierdurch wird erreicht, dass das Ionentauschermodul bei der Entnahme aus der Verpackung bereits gefüllt ist. Ein Nachfüllen des Fluidkreises nach dem Einbau wird hierdurch weitestgehend vermieden, was den Einbau beschleunigt. Zudem werden Fehler bei der Anmischung bzw. Auswahl des Frostschutzmittels durch den ausführenden Mechaniker vermieden, da es sich bei dem Frostschutzmittel vorteilhaft um das für den jeweiligen Brennstoffzellenfahrzeug-Typ geeignete Frostschutzmittel handelt.
Bei der Verpackung kann es sich um eine flexible Verpackung, etwa einen Beutel, oder um eine feste Verpackung, etwa eine Dose, handeln. Besonders vorteilhaft kann hierbei eine Einwegverpackung eingesetzt werden, etwa ein folienversiegelter Blister oder ähnliches.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20060049167 A1 [0005]

Claims

Einbaufertiges Ionentauschermodul für Brennstoffzellenfahrzeuge, wobei das Ionentauschermodul eine Umhausung mit zumindest zwei Fluidanschlüssen aufweist, die zumindest mit einem vorbefeuchteten Ionentauscherharz gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhausung mit einem Frostschutzmittel gefüllt ist.
Ionentauschermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Frostschutzmittel ein Alkohol, bevorzugt Glykol, besonders bevorzugt Ethylenglykol oder Propylenglykol, oder eine wässrige Lösung der vorgenannten Frostschutzmittel ist.
Ionentauschermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Frostschutzmittel zumindest einen Korrosionsinhibitor, einen Farbstoff, einen Geschmacksstoff, bevorzugt einen Bitterstoff und/oder ein Detergens enthält.
Ionentauschermodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrosionsinhibitor, der Farbstoff, der Geschmacksstoff und/oder das Detergens einem Korrosionsinhibitor, einem Farbstoff, einem Geschmacksstoff und/oder einem Detergens eines Kühlmittels eines vorgegebenen Brennstoffzellenfahrzeugs entsprechen.
Ionentauschermodul nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Frostschutzmittel einen Gefrierpunkt von zumindest –30°C, bevorzugt zumindest –50°C, hat.
Ionentauschermodul-Lagerungsanordnung, die eine öffenbare Verpackung aufweist, die ein Ionentauschermodul fluiddicht umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionentauschermodul ein Ionentauschermodul nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.
Ionentauschermodul-Lagerungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpackung mit dem Frostschutzmittel geflutet ist.
Ionentauschermodul-Lagerungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpackung eine flexible Verpackung, bevorzugt ein Beutel, oder eine feste Verpackung, bevorzugt eine Dose, ist.