DE102014213105A1

DE102014213105A1 - Brennstoffzellenaggregat mit wechselbarer Entionisierungseinrichtung sowie Fahrzeug mit einem solchen

Info

Publication number: DE102014213105A1
Application number: DE102014213105.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Weissgerber; Oliver Berger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2016-01-07
Also published as: KR20190042751A; WO2016005174A1; KR20170027782A; US20170187050A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenaggregat mit wenigstens einer Brennstoffzelle, einem Kühlkreislauf und einer Entionisierungseinrichtung (10), die ein Gehäuse (16) und ein darin befindliches Entionisierungsmittel (11) umfasst, sowie ein Fahrzeug (3) mit einem solchen Brennstoffzellenaggregat. Es ist vorgesehen, dass die Entionisierungseinrichtung (10) mittels einer einzigen Verbindungseinheit (15) fluidführend über einen Strömungseingang (13) und einen Strömungsausgang (14) mit dem Kühlkreislauf (5) verbindbar oder verbunden ist

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenaggregat mit wenigstens einer Brennstoffzelle, einem Kühlkreislauf und einer Entionisierungseinrichtung welche mit dem Kühlkreislauf verbunden ist, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenaggregat.
Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, in denen ein Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Wasserstoff oder entsprechende Gemische, mit einem Oxidationsmittel, wie etwa reinem Sauerstoff, Luft, Chlor- oder Bromgas, kontrolliert verbrannt werden kann, wobei die dabei freigesetzte Reaktionsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Derartige Brennstoffzellen werden seit mehreren Jahrzehnten zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer geringen oder völlig fehlenden Schadstoffemission und ihrer geringen Geräuschentwicklung im Betrieb, ist das Interesse am Einsatz von Brennstoffzellen in vielen Bereichen in den letzten Jahren stark gestiegen. Hier sind insbesondere der Fahrzeug- und der Kraftwerksbereich zu nennen.
Brennstoffzellen werden typischerweise nach der Art des Elektrolyten, der die Anoden- und die Kathodenkammer voneinander trennt, klassifiziert. Ein besonders interessanter Brennstoffzellentyp, der sich insbesondere für den Einsatz in kleineren Kraftwerken und für den mobilen Einsatz (beispielsweise als Energiequelle für den elektromotorischen Fahrzeugantrieb) eignet, ist die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Bei dieser Art von Brennstoffzellen wird eine ionenleitfähige Membran als Elektrolyt verwendet. Eine einzelne Festpolymer-Brennstoffzelle umfasst im Allgemeinen eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (membrane electrode assembly, MEA), bei der eine ionenleitfähige Membran zwischen einer Kathode und einer Anode angeordnet ist. Die ionenleitfähige Membran dient dabei gleichzeitig als Trennwand und als Elektrolyt. An der Grenzfläche zwischen den Elektroden und der Membran sind Katalysatorpartikel angeordnet, welche die Umsetzungsreaktionen in der Brennstoffzelle fördern. Die Elektroden stehen typischerweise mit porösen Stromsammlern in Kontakt, welche außerdem die Elektrodenstruktur stabilisieren und eine Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsmittel erlauben. Da die Betriebsspannung einer Einzelzelle normalerweise weniger als 1 Volt beträgt, bestehen die meisten Brennstoffzellen aus einem Zellstapel, bei dem zur Erzeugung einer höheren Spannung zahlreiche aufeinandergestapelte Einzelzellen in Serie geschaltet sind.
Da die elektrochemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und den Verbrennungsmitteln exotherm verläuft, muss die Brennstoffzelle üblicherweise gekühlt werden, damit die gewünschte Betriebstemperatur eingehalten und eine Beschädigung der Membran vermieden werden kann. Da eine relativ große Wärmemenge bei nur geringer Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur abgeführt werden muss, werden typischerweise flüssige Kühlmittel eingesetzt, die eine ausreichend hohe Wärmekapazität besitzen. Daher sind wässrige Kühlmittel besonders gut geeignet. In der Regel werden Mischungen von Wasser und Ethylenglykol als Frostschutzmittel eingesetzt, wie sie zur Kühlung von Verbrennungsmotoren bekannt sind. Um Korrosion metallischer Bestandteile des Kühlkreislaufs und der Brennstoffzelle zu vermeiden, enthalten die Kühlmittel in der Regel zudem nicht-ionische Korrosionsinhibitoren.
Eine wesentliche Besonderheit der Brennstoffzellenkühlung liegt in dem Erfordernis einer sehr geringen elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, um der Gefahr elektrischer Kurzschlüsse zwischen den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels zu begegnen. Zu diesem Zweck wird ein Kühlmittel aus deionisiertem Wasser, Glykol und nicht-ionischer Korrosionsinhibitoren und anderen Additiven eingesetzt.
Wird entionisiertes Wasser als Kühlmittel verwendet, so kann dieses gleichzeitig zur Befeuchtung der in die Brennstoffzelle strömenden Reaktionsteilnehmer verwendet werden, um eine ausreichende Hydratisierung der Polymermembran zu gewährleisten. Je nach Betriebsbedingungen kann es erforderlich sein, dem Kühlwasser ein Forstschutzmittel, wie beispielsweise Ethylenglykol, oder andere Additive zuzugeben. Durch die im Kühlsystem und in der Brennstoffzelle verbauten Materialien werden jedoch Ionen in das Kühlmittel eingetragen, welche dessen elektrische Leitfähigkeit steigern. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, kommen Entionisierungseinrichtungen mit Ionenaustauscherharzen zum Einsatz, die vom Kühlmittel umströmt werden. Die Ionenaustauscherharze nehmen die im Kühlmittel gelösten Ionen (Kationen und Anionen) auf und geben H⁺- und OH^–-Ionen ab, welche sich wieder zu H₂O verbinden.
Beispielsweise ist aus US 5,200,278 oder WO 00/17951 A1 bekannt, Filter mit festen Ionentauscherharzen im Kühlkreislauf anzuordnen, sodass das wässrige Kühlmittel weitgehend entionisiert in den Brennstoffzellenstapel zurückgeleitet wird.
Derartige Entionisierungseinrichtungen sind im Durchfluss des Kühlkreislaufes angeordnet, so dass das Kühlmittel an einer ersten Verbindungseinheit, in die Entionisierungseinrichtung einströmt, das Ionentauscherharz passiert und an einer zweiten Verbindungseinheit wieder aus der Entionisierungseinrichtung herausströmt.
Die Kapazität der Ionentauscherharze ist begrenzt, sodass sie in regelmäßigen Wechselintervallen getauscht werden müssen. Dies ist bislang mit einem hohen Wartungs- und Kostenaufwand verbunden, da die gesamte Entionisierungseinrichtung an beiden Verbindungseinheiten vom Kühlkreislauf getrennt werden muss. Anschließend wird die Entionisierungseinrichtung geleert und neu befüllt.
Das Ionentauscherharz erfordert aufgrund seiner reizenden Eigenschaften und der Klassifizierung als Gefahrenstoff besondere Vorkehrungen. Bei den bislang bekannten Lösungen ist ein Kontakt des Anwenders mit dem Harz nicht ausgeschlossen, was eine entsprechende Sicherheitsausrüstung und Entsorgung erforderlich macht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellenaggregat mit einer Entionisierungseinrichtung für Kühlmittel bereitzustellen, das durch deutliche vereinfachte und verkürzte Arbeitsschritte gewartet werden kann.
Die Erfindung betrifft somit ein Brennstoffzellenaggregat mit wenigstens einer Brennstoffzelle, einem Kühlkreislauf und einer Entionisierungseinrichtung, die ein Gehäuse und ein darin befindliches Entionisierungsmittel umfasst. Erfindungsgemäß ist die Entionisierungseinrichtung mittels einer einzigen Verbindungseinheit fluidführend über einen Strömungseingang und einen Strömungsausgang mit dem Kühlkreislauf verbunden oder mit diesem verbindbar.
Erfindungsgemäß ist die Entionisierungseinrichtung demnach nicht unmittelbar im Kühlkreislauf angeordnet, sondern vielmehr über die Verbindungseinheit mit diesem verbunden. Die erfindungsgemäße Verbindungseinheit ist schematisch mit einem T-Verbindungsstück vergleichbar, wobei die Verbindungseinheit stromauf- und stromabwärts jeweils mit dem Kühlkreislauf fluidführend verbunden ist und an einem dritten Ausgang eine fluidführende Verbindung zu der Entionisierungseinrichtung aufweist, wobei der dritte Ausgang des T-Stücks den Strömungseingang und -ausgang zur Entionisierungseinrichtung beherbergt. Tritt Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf stromaufwärts über einen Strömungseingang in die Verbindungseinheit ein, so wird das Kühlmittel in die Entionisierungseinrichtung geführt.
Innerhalb der Entionisierungseinrichtung wird das Kühlmittel entionisiert und erfährt eine Umkehr seiner Strömungsrichtung, sodass es wieder in die Verbindungseinheit geführt wird und schließlich aus der Verbindungseinheit über den Strömungsausgang, stromauf der Verbindungseinheit in den Kühlkreislauf geführt wird.
Im Unterschied zur herkömmlichen Entionisierungseinheiten, welche unmittelbar im Hauptströmungsgang des Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle angeordnet sind, ist die erfindungsgemäße Entionisierungseinheit über lediglich eine einzige Verbindung, beispielsweise einen Flansch, innerhalb der Verbindungseinheit mit dem Kühlkreislauf verbunden. Wird die Entionisierungseinrichtung zum Zwecke der Wartung, Reinigung, Austausch oder Regeneration vom Kühlkreislauf getrennt, so erfolgt dies am Flansch der Verbindungseinheit, ohne dass der Kühlkreislauf selbst demontiert oder unterbrochen werden muss. Es ist somit nicht mehr erforderlich, das Entionisierungsmittel aus der Entionisierungseinrichtung zu entnehmen, auszutauschen und anschließend dieselbe Entionisierungseinrichtung wieder in den Kühlkreislauf einzubringen. Vielmehr kann die Entionisierungseinrichtung gegen eine Entionisierungseinrichtung ausgetauscht werden, welche mit dem korrespondierenden Flanschteil an der Verbindungseinheit kompatibel ist.
Somit wird mit Vorteil das Gefahrenpotential reduziert, welches in einem Inkontaktkommen des Benutzers mit Entionisierungsmittel besteht. Zudem ist die resultierende Bauweise mit nur einer Verbindungseinheit kompakter und erfordert einen geringeren Verschlauchungsaufwand.
Die erfindungsgemäße Anbindung der Entionisierungseinrichtung an den Kühlkreislauf mittels einer einzigen Verbindungseinheit kann besonders einfach realisiert werden, indem ein Strömungseingang und ein Strömungsausgang für ein Kühlmittel auf derselben Seite des Gehäuses der Entionisierungseinrichtung angeordnet sind.
Zu diesem Zweck ist das Gehäuse der Entionisierungseinrichtung vorzugsweise als einseitig offenes Gefäß ausgebildet und über die offene Seite mit der Verbindungseinheit verbindbar oder verbunden. Auf diese Weise benötigt das Gehäuse einen einzigen Anschlussbereich, der mit der Verbindungseinheit zusammenwirkt, um eine dichte und fluidführende Verbindung herzustellen. Das Gehäuse kann beispielsweise in Form eines einseitig offenen Hohlzylinders mit runder, ovaler oder rechteckiger Querschnittsfläche, vorzugsweise runder Querschnittsfläche, ausgestaltet sein. Dabei ist die offene Stirnfläche mit einem Anschlussstück (zum Beispiel einem Flansch), welches die Verbindung zur Verbindungseinheit herstellt, ausgestattet. Die Länge sowie der Durchmesser des Querschnitts des Gehäuses sind variabel ausgestaltbar und bestimmen maßgeblich die Aufnahmekapazität an Entionisierungsmittel. Das Gehäuse ist insbesondere aus Metall oder Kunststoff gefertigt, vorzugsweise aus einem Metall.
Bei der Wartung des Brennstoffzellenaggregats wird die Entionisierungseinrichtung entfernt und durch eine frische Entionisierungseinrichtung ersetzt, welche in Form, Länge und/oder Durchmesser des Gehäuses von der zu ersetzenden Ionisierungseinrichtung abweichen kann. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Anordnung der Entionisierungseinrichtung im Kühlkreislauf in erster Linie durch die Verbindung zwischen Entionisierungseinrichtung und Verbindungseinheit bestimmt wird. Die Variation der Entionisierungseinrichtung in Form und Größe ermöglicht eine Skalierbarkeit der Entionisierungseinrichtung, insbesondere an die Ionenbelastung des Kühlmittels, welche beispielsweise von der Systemsteuerung abhängt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Verbindung zwischen der Verbindungseinheit und der Entionisierungseinrichtung, insbesondere ihrem Gehäuse, als Steck- und/oder Drehverbindung ausgebildet. Derartige Verbindungen bieten den Vorteil, dass eine fluidführende und nach außen dichte Verbindung zwischen Verbindungseinheit und Entionisierungseinrichtung ausgebildet wird, welche einfach, insbesondere ohne Hinzunahme besonderer Werkzeuge gelöst und wieder verschlossen werden kann.
Besonders bevorzugt ist die Verbindung zwischen Verbindungseinheit und Entionisierungseinrichtung eine Schraub-, Bajonett- oder Rastverbindung. Derartige Verbindungen sind unter anderem von Ölfiltern bekannt, welche als Wechselfilter im Fahrzeugbau eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Verbindung einer Entionisierungseinrichtung mit dem Kühlkreislauf eines Brennstoffzellenaggregats über nur eine Verbindungseinheit und insbesondere die Verwendung von Flanschen, welche als Schraub-, Bajonett- oder Rastverbindung ausgebildet sind, bringen den Vorteil, dass eine Entionisierungseinrichtung als Wechselfilter ausführbar ist. Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Entionisierungseinrichtung ergibt sich dadurch ein sogenannter Gleichteile-Effekt zu bekannten Wechselfiltern, insbesondere Ölfiltern für Verbrennungsmotoren, das heißt bereits verfügbare Komponenten (etwa Gehäuse oder Verbindungselemente) können für verschiedene Zwecke eingesetzt werden.
Weiterhin bevorzugt weist die Verbindungseinheit einen aktiven oder passiven Verschlussmechanismus zum Schließen und Öffnen des Strömungseingangs und -ausgangs der Entionisierungseinrichtung auf. Dieser ermöglicht ein Entnehmen der Entionisierungseinrichtung, ohne zuvor das Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf zu entfernen.
Insbesondere ist der Verschlussmechanismus derart ausgeführt, dass das Kühlmittel im Kühlkreislauf weiterfließen kann. Der Verschlussmechanismus ist mit Vorteil als Rückschlag (passiv) oder regelbares Ventil (aktiv) ausgebildet.
Das Gehäuse ist ferner derart ausgebildet, dass es ein Entionisierungsmittel aufzunehmen vermag. In bevorzugter Ausgestaltung ist das Entionisierungsmittel als Schüttung derart innerhalb der Entionisierungseinrichtung angeordnet, dass es vom durchströmenden Kühlmittel umströmt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine möglichst große Oberfläche des Entionisierungsmittels mit dem einströmenden Kühlmittel in Kontakt kommt. Während des Kontaktes wird das Kühlmittel durch eine chemische Reaktion mit dem Entionisierungsmittel entionisiert und gelangt als deionisiertes Kühlmittel wieder in den Kühlkreislauf.
Ferner ist bevorzugt, dass das Entionisierungsmittel in festem Zustand, insbesondere als Ionentauscherharz, vorliegt. Feste Entionisierungsmittel bieten den Vorteil, dass sie leicht austauschbar sind und sich nicht mit dem Kühlmittel vermischen.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Entionisierungseinrichtung ferner ein durchströmbares Filterelement umfasst, welches innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und das Entionisierungsmittel von dem Strömungsausgang der Entionisierungseinrichtung trennt. Ein derartig angeordnetes Filterelement bietet den Vorteil, sicherzustellen, dass kein Entionisierungsmittel in den Kühlkreislauf gelangt und zudem feste Bestandteile, wie beispielsweise Korrosionspartikel, unlösliche Salze oder Algen aus dem Kühlmittel zurückgehalten werden. Insbesondere im Fall eines hohlzylinderförmigen Gehäuses ist das Filterelement bevorzugt als ein koaxial in dem Hohlzylinder angeordnetes Rohrelement ausgebildet, welches eine Perforierung aufweist oder aus einem Netz gebildet ist.
Mit besonderem Vorteil umfasst das Kühlmittel Wasser, ein Frostschutzmittel und zumindest einen Korrosionsinhibitor. Im Betrieb von Brennstoffzellen wird eine relativ große Wärmemenge bei nur geringer Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur abgeführt, daher werden flüssige Kühlmittel eingesetzt, welche eine ausreichend hohe Wärmekapazität besitzen. Wässrige Kühlmittel sind daher besonders gut geeignet. Zum Schutz des Kühlkreislaufs und der Brennstoffzelle vor Korrosion wirkt der Zusatz des insbesondere nicht-ionischen Korrosionsinhibitors. Als Frostschutzmittel kann beispielsweise Ethylenglykol verwendet werden. Ferner kann das Kühlmittel andere Additive enthalten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Warten einer Entionisierungseinrichtung in einem Brennstoffzellenaggregat gemäß vorliegender Erfindung, welches einen Kühlkreislauf und eine Brennstoffzelle umfasst. Erfindungsgemäß wird die Entionisierungseinrichtung von der Verbindungseinheit und damit von dem Kühlkreislauf getrennt und durch eine weitere Entionisierungseinrichtung ersetzt, welche über dieselbe Verbindungseinheit mit dem Kühlkreislauf verbunden wird. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass zum einen der Wechsel von innerhalb der Entionisierungseinrichtung befindlichem Entionisierungsmittel deutlich vereinfacht wird, da die gesamte Entionisierungseinrichtung entfernt und durch eine frische Entionisierungseinrichtung ersetzt wird, welche ebenfalls frisches, also aktives Entionisierungsmittel enthält. Somit kommt der Benutzer nicht direkt mit dem Entionisierungsmittel in Kontakt, sodass eine aufwendige Handhabung sowie die entsprechende Sicherheitsausrüstung zur Vermeidung von Gefahren entfallen. Gleiches gilt für die Entsorgung, da die Entionisierungseinrichtung vollständig entsorgt werden kann und somit das Entionisierungsmittel auch bei der Lagerung im Abfallbehälter nicht mit der Umgebung in Kontakt tritt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, welches ein Brennstoffzellenaggregat in einer der beschriebenen Ausgestaltungen umfasst.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1A eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenaggregats nach Stand der Technik,
1B eine schematische Schnittdarstellung einer Entionisierungseinrichtung nach Stand der Technik,
2A ein schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaggregats und
2B eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Entionisierungseinrichtung.
1A zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffaggregats 1' nach dem Stand der Technik. Das Brennstoffzellenaggregat 1' umfasst eine Brennstoffzelle 2, die beispielsweise die Energiequelle für ein mit 3 angedeutetes Elektrokraftfahrzeug ist.
Die Brennstoffzelle 2 wird von einem Kühlkreislauf 5' gekühlt. Der Kühlkreislauf 5' weist eine Entionisierungseinrichtung 10' auf, die stromauf- und stromabwärts mittels jeweils einer Verbindungseinheit 15a', 15b' mit dem Kühlkreislauf 5' fluidführend verbunden ist. Die Verbindungseinheiten 15a' und 15b' stellen jeweils eine lösbare und fluidführende Verbindung zwischen der Entionisierungseinrichtung 10' und dem Kühlkreislauf 5' dar. Die Entionisierungseinrichtung 10' dient zum Entionisieren des Kühlmittels und ist im Detail in 1B dargestellt.
1B zeigt eine Entionisierungseinrichtung 10' nach dem Stand der Technik, wie sie in einem herkömmlichen Brennstoffzellenaggregat 1' der 1A Verwendung findet. Die Entionisierungseinrichtung 10' weist ein beispielsweise rohrförmiges Gehäuse 16' auf, welches sich längs der Strömungsrichtung erstreckt. In dargestellter Ausführungsform weist das Gehäuse einen runden Querschnitt auf. An beiden sich ergebenden Stirnseiten der Entionisierungseinrichtung 10' ist jeweils eine Verbindungseinheit 15a', 15b' angeordnet. Das Gehäuse 16' ist derart in dem Kühlkreislauf 5' angeordnet, dass eine erste Verbindungseinheit 15a' stromauf mit dem Kühlkreislauf 5' verbunden ist und somit den Strömungseingang 13' bildet, während die zweite, gegenüberliegende Verbindungseinheit 15b' stromab mit dem Kühlkreislauf 5' verbunden ist und somit den Strömungsausgang 14' ausbildet. Die Verbindungseinheiten 15a', 15b' sind etwa als Schlauchanschlüsse ausgebildet, um das Gehäuse 16' mit einer Leitung des Kühlkreislaus 15' zu verbinden. Das Gehäuse 16' der Entionisierungseinrichtung 10' nimmt ein Entionisierungsmittel 11' auf. Das Entionisierungsmittel 11' liegt dabei beispielsweise als Schüttung in fester Form, insbesondere als Granulat, vor. Darüber hinaus ist im Innern des Gehäuses 16' ein Filterelement 12' angeordnet, dem eine Rückhaltefunktion zukommt. Das Filterelement 12' begrenzt den Raum des Entionisierungsmittels 11' so, dass nur eine Seite des Filterelements 12' mit dem Entionisierungsmittel 11' in Kontakt steht. Das Filterelement 12' ist in vorliegender Ausgestaltung als Sieb ausgeführt, welches eine Form aufweist, die dem Querschnitt des Gehäuses 16' der Entionisierungseinrichtung 10' entspricht.
Die in 1B dargestellte Entionisierungseinrichtung 10' nach dem Stand der Technik zeigt in dargestellter Ausführung im Betrieb die Funktion, dass am Strömungseingang 13' flüssiges Kühlmittel über die Verbindungseinheit 15a' aus dem Kühlkreislauf 5' in die Entionisierungseinrichtung 10' eingeleitet wird. Im Innern der Entionisierungseinrichtung 10' umströmt das eingeleitete Kühlmittel das dort angeordnete Entionisierungsmittel 11'. Dabei werden im Kühlmittel gelöste Ionen durch chemische Austauschreaktionen vom Entionisierungsmittel 11 aufgenommen, wobei das Entionisierungsmittel 11 wiederum in äquivalenter Menge Wasserstoffionen H⁺ und Hydroxidionen OH^– an das Kühlmittel abgibt. Wasserstoffionen und Hydroxidionen verbinden sich in Abhängigkeit vom pH-Wert des Kühlmittels wieder zu Wasser. Bevor das Kühlmittel auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses aus der Entionisierungseinrichtung 10' heraustritt, passiert es das Filterelement 12'. Die Filereinheit 12' hat die Funktion, Entionisierungsmittel sowie feste Bestandteile im Kühlmittel zurückzuhalten und somit zu verhindern, dass feste Bestandteile in den Kühlkreislauf 5' gelangen. Am Strömungsausgang 14 wird das Kühlmittel über die Verbindungseinheit 15b' aus der Entionisierungseinrichtung 10' wieder in den Kühlkreislauf 5' geleitet. Infolge des Durchfließens der Entionisierungseinrichtung 10' wird das im Kühlkreislauf 5' zirkulierende Kühlmittel entionisiert, das heißt, das Kühlmittel weist stromab der Entionisierungseinrichtung 10' einen niedrigeren Leitwert auf als stromauf der Entionisierungseinrichtung 10'.
Wie in den 1A und B zu sehen ist, befinden sich die Verbindungseinheiten 15a' und 15b' der herkömmlichen Entionisierungseinrichtung 10' auf unterschiedlichen, insbesondere einander gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 16'.
Zum Regenerieren des Entionisierungsmittels 11'' wird die Entionisierungseinrichtung 10' durch Lösen der Verbindungen mit den beiden Verbindungseinheiten 15' aus dem Kühlkreislauf 5' entfernt. Zuvor wird das Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf 5' abgelassen oder stromauf und stromab der Entionisierungseinrichtung 10' abgesperrt. Nach dem Entfernen der Entionisierungseinrichtung 10' wird diese geöffnet und das verbrauchte Entionisierungsmittel 11' gegen frisches ausgetauscht. Dabei ist zu beachten, dass das Entionisierungsmittel 11' gesundheitlich als reizend eingestuft ist. Anschließend wird die neu befüllte Entionisierungseinrichtung 10' wieder in den Kühlkreislauf eingebaut und der Fluidanschluss mit dem Kühlmittel wiederhergestellt.
2A zeigt die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaggregats 1. Dabei sind funktional übereinstimmende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 1A und B unter Weglassen des Apostrophs „'” bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst einen Kühlreislauf 5, welcher ausgebildet ist, eine Brennstoffzelle 2 beispielsweise eines Elektrofahrzeugs 3 zu kühlen. Innerhalb des Kühlkreislaufs 5 ist ein fluides, insbesondere flüssiges Kühlmittel zur Kühlung von Brennstoff zirkulierbar. Zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 werden insbesondere wässrige Kühlmittel verwendet, die Zusätze eines Frostschutzmittels, beispielsweise Glykol, und eines nicht-ionischen Korrosionsinhibitors enthalten.
Der Kühlkreislauf 5 weist eine erfindungsgemäße Verbindungseinheit 15 auf. Die Verbindungseinheit 15 ist an zwei Stellen mit dem Kühlkreislauf 5 verbunden und an einer weiteren Position mit einer erfindungsgemäßen Entionisierungseinrichtung 10 verbunden. Somit ist die Entionisierungseinrichtung 10 mittels nur einer einzigen Verbindungseinheit 15 mit einem Leitungssystem des Kühlkreislaufs 5 verbunden. Die Verbindungen sind fluidführend ausgebildet, sodass die Verbindungseinheit 15 eine Abzweigung des Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf 5 in die Entionisierungseinheit 10 und aus der Entionisierungseinheit 10 in den Kühlkreislauf 5 darstellt. Zwischen der Entionisierungseinrichtung 10 und der Verbindungseinheit 15 besteht eine lösbare Verbindung. Diese ist insbesondere als Flansch oder Gewinde ausgebildet. Besonders geeignet sind dabei Flansche, welche eine Steck-, Rast- oder Bajonettverbindung aufweisen. Die Entionisierungseinrichtung 10 ist in 2B im Detail dargestellt.
2B zeigt die erfindungsgemäße Entionisierungseinrichtung 10, welche zum Einbau in ein Brennstoffzellenaggregat 1 nach 2A geeignet ist. Die in 2B gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Entionisierungseinrichtung 10 zeigt eine Entionisierungseinrichtung 10, welche analog einem Ölwechselfilter ausgebildet ist. Sie umfasst einen Filtertopf 16, welcher das Gehäuse der Entionisierungseinrichtung 10 bildet. Der Filtertopf 16 ist als einseitig offenes Gefäß ausgebildet. Er umfasst eine Mantelwand und zumindest eine Stirnwand (in 2B unten), wobei in der gezeigten Ausführungsform die Stirnwand eine kreisrunde Gestalt aufweist, das heißt der Filtertopf hat im Wesentlichen die Gestalt eines einseitig offenen Hohlzylinders. Der Filtertopf 16 ist dabei längs erstreckt, sodass der Durchmesser der Stirnwand kleiner ist als die Höhe der Mantelwand. Es versteht sich jedoch, dass auch andere Ausgestaltungen möglich sind. An der gegenüber der Stirnwand angeordneten offenen Stirnseite des Filtertopfs 16 ist ein Anschlussstück 17 angeordnet.
Dieses Anschlussstück 17 korrespondiert mit einem Anschlussende 18 der Verbindungseinheit 15. Das Anschlussstück 17 des Filtertopfs 16 und das Anschlussende 18 der Verbindungseinheit 15 bilden eine Flanschverbindung 19 aus, welche eine für Kühlmittel fluidführende, nach außen dichtende Verbindung bildet. Die fluidführende Flanschverbindung 19 weist dabei sowohl einen Strömungseingang 13 als auch einen davon entkoppelten Strömungsausgang 14 auf. Mit anderen Worten sind der Strömungseingang 13 sowie auch der Strömungsausgang 14 in dem Anschlussstück 17 der Entionisierungseinrichtung 10 integriert. Strömungseingang 13 und -ausgang 14 sind somit auf derselben Seite des Gehäuses (Filtertopf 16) der Entionisierungseinrichtung 10 angeordnet.
Der Filtertopf 16 ist mit einem Entionisierungsmittel 11 gefüllt. Das Entionisierungsmittel 11 liegt in gezeigter Ausführungsform als Schüttung eines Ionentauscherharz-Granulats vor. Die einzelnen Granalien des Granulates weisen vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter auf. Darüber hinaus befindet sich im Inneren des Filtertopfs 16 ein Filterelement 12. Das Filterelement 12 kann als Sieb ausgeführt sein, dessen Maschengröße den Körnungsdurchmesser des Entionisierungsmittels 11 unterschreitet. Das Filterelement 12 ist in der dargestellten Ausführungsform als ein längs erstrecktes und perforiertes Sackrohr ausgebildet und koaxial innerhalb des Filtertopfs 16 angeordnet und mit dem Strömungsausgang 14 verbunden.
Ist die in 2B gezeigte Entionisierungseinrichtung 10 in dem Kühlkreislauf 5 eines Brennstoffzellenaggregats 1 eingebaut, so wird Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf 5 im Bereich der Verbindungseinheit 15 über den Strömungseingang 13 in das Innere der Entionisierungseinrichtung 10 geführt. Hier umspült das Kühlmittel das Entionisierungsmittel 11. Das kontinuierlich über den Strömungseingang 13 in das Innere des Filtertopfs 16 gedrückte Kühlmittel erfährt im Inneren der Entionisierungseinrichtung 10 eine Strömungsumkehr und wird durch das Filterelement 12 in Richtung des Strömungsausgangs 14 geführt. Von dort aus gelangt es über die Verbindungseinheit 15 stromab derselben wieder in den Kühlkreislauf 5.
Umspült das Kühlmittel das Entionisierungsmittel 11, erfolgt ein Ionentausch, das heißt, Ionen, welche die Leitfähigkeit des Kühlmittels erhöhen, werden auf chemischem Wege durch das Material des Entionisierungsmittels 11 gegen Protonen (im Falle von Kationen) oder Hydroxidionen (im Falle von Anionen) ausgetauscht. Entionisierungsmittel 11 zeigen nach einer gewissen Betriebsdauer eine Sättigung an auszutauschenden Ionen. Sie müssen infolgedessen gewechselt und gegebenenfalls regeneriert werden. Der Wechsel beziehungsweise Austausch des Entionisierungsmittels 11 erfolgt bei der erfindungsgemäßen Entionisierungseinrichtung 10 durch den Austausch der gesamten Entionisierungseinrichtung 10. Dazu wird zunächst der Kühlmittelstrom zumindest im Bereich der Verbindungseinheit 15 unterbrochen. Dies kann beispielsweise durch einen Verschlussmechanismus innerhalb der Verbindungseinheit 15 geschehen. Anschließend wird die dichtende Verbindung zwischen Anschlussstück 17 und Anschlussende 18 gelöst und die Einheit aus Filtertopf 16, Entionisierungsmittel 11, Filterelement 12 und Anschlussstück 17 aus dem Brennstoffzellenaggregat 1 entfernt. Nachfolgend wird eine frische Entionisierungseinrichtung 10, welche zumindest über ein kompatibles Anschlussstück 17 verfügt, wie die zuvor entfernte Entionisierungseinrichtung 10 dichtend mit dem Anschlussende 18 der Verbindungseinheit 15 verbunden. Die Dimensionen des Filtertopfs 16 und damit die Menge an Entionisierungsmittel 11 können beim Austausch variiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenaggregat
1': Brennstoffzellenaggregat nach Stand der Technik
2: Brennstoffzelle
3: Elektrofahrzeug
3': Elektrofahrzeug nach Stand der Technik
5: Kühlkreislauf
5': Kühlkreislauf nach Stand der Technik
10: Entionisierungseinrichtung
10': Entionisierungseinrichtung nach Stand der Technik
11: Entionisierungsmittel
11': Entionisierungsmittel
12: Filterelement
12': Filterelement nach Stand der Technik
13: Strömungseingang
13': Strömungseingang nach Stand der Technik
14: Strömungsausgang
14': Strömungsausgang nach Stand der Technik
15: Verbindungseinheit
15': Verbindungseinheit nach Stand der Technik
16: Gehäuse/Filtertopf
16': Gehäuse nach Stand der Technik
17: Anschlussstück
18: Anschlussende
19: Verbindung/Flansch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5200278 [0007]
WO 00/17951 A1 [0007]

Claims

Brennstoffzellenaggregat (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), einem Kühlkreislauf (5) und einer Entionisierungseinrichtung (10), die ein Gehäuse (16) und ein darin befindliches Entionisierungsmittel (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Entionisierungseinrichtung (10) mittels einer einzigen Verbindungseinheit (15) fluidführend über einen Strömungseingang (13) und einen Strömungsausgang (14) mit dem Kühlkreislauf (5) verbindbar oder verbunden ist.
Brennstoffzellenaggregat (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungseingang (13) und ein Strömungsausgang (14) für ein Kühlmittel auf derselben Seite des Gehäuses (16) der Entionisierungseinrichtung (10) angeordnet sind.
Brennstoffzellenaggregat (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) der Entionisierungseinrichtung (10) als einseitig offenes Gefäß ausgebildet ist und über die offene Seite mit der Verbindungseinheit (15) verbindbar oder verbunden ist.
Brennstoffzellenaggregat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Verbindungseinheit (15) und der Entionisierungseinrichtung (10) als Steck- und/oder Drehverbindung ausgebildet ist.
Brennstoffzellenaggregat (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Verbindungseinheit (15) und der Entionisierungseinrichtung (10) als Schraub-, Bajonett- oder Rastverbindung ausgebildet ist.
Brennstoffzellenaggregat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinheit (15) einen aktiven oder passiven Verschlussmechanismus zum Schließen und Öffnen eines Strömungseingangs (13) und Strömungsausgangs (14) der Entionisierungseinrichtung (10) aufweist.
Brennstoffzellenaggregat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entionisierungsmittel (11) eine vom Kühlmittel umströmbare Schüttung eines Ionentauscherharzes ist.
Brennstoffzellenaggregat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entionisierungseinrichtung (1) ferner ein durchströmbares Filterelement (12) umfasst, welches innerhalb des Gehäuses (16) angeordnet ist und das Entionisierungsmittel (11) von dem Strömungsausgang (14) trennt.
Brennstoffzellenaggregat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Wasser, ein Frostschutzmittel und zumindest einen Korrosionsinhibitor umfasst.
Fahrzeug (3) umfassend ein Brennstoffzellenaggregat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.