DE102006045919A1

DE102006045919A1 - Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102006045919A1
Application number: DE102006045919A
Authority: DE
Inventors: Thomas Heid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-03
Also published as: WO2008037611A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung (1), umfassend einen ersten mit der Brennstoffzelle (2) verbundenen Kühlmittelkreislauf (6) und einen Ionentauscher (16). Sie zeichnet sich dadurch aus, dass ein separater Kühlmittelkreislauf (13) für den Ionentauscher (16) vorgesehen ist. Im Weiteren betrifft sie ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8.
Stand der Technik
Für die Einregelung der Betriebstemperatur von Brennstoffzellen ist die Ausbildung eines entsprechenden Kühlkreislaufes bekannt. Abhängig von der Art und vom Aufbau der betreffenden Brennstoffzelle sind zum Teil Kühlmittel für die Abfuhr der Wärme erforderlich, die eine ganz geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, z. B. von unter 5μS/cm, um eine Verminderung der elektrischen Leistungsabgabe oder Schäden an der Brennstoffzelle, wie z. B. einen Kurzschluss, zu verhindern. Als mögliche Brennstoffzellen seien Nieder- und Mitteltemperaturbrennstoffzellen auf der Basis einer Polymer-Elektrolytmembran genannt.
Um sicherzustellen, dass der Leitwert des Kühlmittels einen bestimmten, höchstzulässigen Leitwert nicht übersteigt, ist die Verwendung eines Ionentauschers bekannt. Ein solcher Ionentauscher kann z. B. aus Mischbettharze bestehen, die zur Aufnahme der im Kühlmittel gelösten und deren Leitfähigkeit negativ beeinflussenden Ionen dienen. In der US 2002/0076591 A1 ist z. B. ein solcher Ionentauscher in einer parallel zu einer Brennstoffzelle liegenden Bypassleitung angeordnet.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung entsprechend der einleitend dargelegten Art zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8. In den Unteransprüchen werden zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung, umfassend einen ersten, mit der Brennstoffzelle verbundenen Kühlmittelkreislauf und einen Ionentauscher. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass ein separater Kühlmittelkreislauf für den Ionentauscher vorgesehen ist.
Mit einem solchen separaten Kühlmittelkreislauf kann der Ionentauscher in besonders vorteilhafter Weise unabhängig von einem Volumenstrom bzw. einer Durchflussmenge durch die Brennstoffzelle betrieben werden. Das heißt, auch im nicht aktiven Betriebszustand des Kühlkreislaufs für die Brennstoffzelle ist ein Durchfluss des Kühlmediums zur Einregelung ihres z. B. durch einen Leitwertsensor erfassten Leitwertes möglich.
Als besonders vorteilhaft wird es hierbei angesehen, wenn der separate Kühlmittelkreislauf für den Ionentauscher zwischen der Druck- und der Saugseite einer Kühlmittelpumpe ausgebildet ist. Damit kann die Kühlmittelpumpe gleichzeitig zwei ansonsten voneinander getrennte Kühlkreisläufe versorgen. Der erste Kühlkreislauf wäre hierbei z. B. der die Brennstoffzelle versorgende, und der zweite der separate, den Ionentauscher versorgende.
Zur Einstellung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Ionentauscher wird das Vorsehen eines Drosselventils empfohlen. Als bevorzugt eignet sich hierfür eine integrierte Festdrossel, die gegebenenfalls in Abstimmung mit dem Durchflusswiderstand durch den Ionentauscher so ausgewählt wird, dass sich auch im Teillastbetrieb der Kühlmittelpumpe ein minimal vorgesehener Kühlmitteldurchfluss ergibt. Denkbar ist aber auch die Verwendung einer in ihrem Querschnitt beeinflussbaren Drossel, um z. B. Änderungen am Durchsatzvolumen für den Ionentauscher vornehmen zu können.
Insbesondere in Kombination mit einem Proportional- und/oder Sperrventil im ersten Kühlkreislauf kann bei einer derartigen Leitungsführung, mit zwei durch eine Kühlmittelpumpe versorgten Kühlmittelkreisläufen, auf ein im Stand der Technik vor dem Ionentauscher angeordnetes Regelventil in vorteilhafter Weise verzichtet werden. Als insbesondere vorteilhaft wird es hierbei angesehen, wenn hierzu ein Proportionalventil mit zusätzlicher Sperrfunktion verwendet wird.
Durch das Proportionalventil ist die Kühlmittelführung über einen Kühler bzw. eine parallel dazu verlaufende Bypassleitung zum Kühlmittelaustausch durch die Brennstoffzelle möglich. Durch eine Absperrung der dieses Ventil versorgenden Leitung kann der Kühlmitteldurchfluss durch die Brennstoffzelle völlig unterbunden werden. Der Kühlmittelstrom fließt dann nur mehr durch den Ionentauscher-Kühlkreislauf. Als besonders elegante Lösung empfiehlt sich hierzu die oben erwähnte Verwendung eines Proportionalventils mit integrierter Vollabsperrfunktion.
In besonders vorteilhafter Weise kann somit trotz einer Vollabsperrung des durch die Brennstoffzelle verlaufenden ersten Kühlkreislaufs, aufgrund des separaten, zweiten Kühlmittelkreislaufs für den Ionentauscher, mit ein und derselben Pumpe der Ionentauscher weiterhin von dem Kühlmittel für die Einstellung ihrer Leitfähigkeit durchflossen werden.
Eine solche Kontrolle des Kühlmittelflusses durch den ersten Kühlkreislauf kann zum Beispiel anhand eines Temperatursensors erfolgen, der ein entsprechendes Signal an eine Kontrolleinheit weitergibt, so dass während Betriebsphasen, in denen keine Kühlung der Brennstoffzelle erforderlich ist, auch kein Wärmeaustrag aus der Brennstoffzelle durch die darin befindliche Kühlflüssigkeit aufgrund der vollgesperrten Abflussleitung stattfindet. Unabhängig davon kann aber die Kontrolleinheit bei einer entsprechenden Meldung durch den Leitfähigkeitssensor die Kühlmittelpumpe aktivieren, um aufgrund des Durchflusses durch den Ionentauscher die Leitfähigkeit des Kühlmittels zu reduzieren. In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die Kontrolleinheit auch ein Steuer- und/der Regelmodel umfassen.
Neben der oben beschriebenen Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung umfasst die vorliegende Erfindung im Weiteren ein entsprechendes Verfahren zu deren Betrieb.
Ausführungsbeispiel
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Es zeigen
1 beispielhaft eine schematische Anordnung einer Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung und
2 ein Flussschema für ein Steuer- und/oder Regelmodul.
Im Detail zeigt die 1 eine Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung 1 mit einem mit der Brennstoffzelle 2 verbundenen Kühlmittelkreislauf 6 und einen Ionentauscher 16, welcher in einem separaten Kühlmittelkreislauf 13 angeordnet ist.
Der erste Kühlmittelkreislauf 6 führt durch einen Kühlkanal 5 der Brennstoffzelle 2 über Leitungen 9 bis 12 und über einen dazwischenliegenden Kühler 7 und eine Kühlmittelpumpe 15 das Kühlmittel zum Wärmeaustrag aus der Brennstoffzelle 2 im Kreis. Für den Ionenentzug aus dem Kühlmittel, zum Zwecke der Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels, ist in der schematischen Darstellung der 1 beispielhaft als eine besonders bevorzugte mögliche Ausführungsform ein separater Kühlkreislauf 13 für den Ionentauscher 16 vorgesehen.
Dieser führt, ausgehend vom Auslass der Kühlmittelpumpe 15 über die Leitungen 17 bis 19 zum Ionentauscher und einem ebenfalls beispielhaft hier dargestellten Ausgleichsbehälter 20 wieder zum Eingang der Kühlmittelpumpe zurück. Dadurch liegt der Ionentauscher 16 in besonders vorteilhafter Weise zwischen der Druck- und der Saugseite der Kühlmittelpumpe 15. Diese kann somit sowohl den ersten Kühlmittelkreislauf 6 beaufschlagen und aufgrund der Umwälzung des Kühlmediums Wärme aus der Brennstoffzelle auszutragen als auch den Kühlmitteldurchfluss durch den Ionentauscher 16 gewährleisten.
Somit kann auch unabhängig von der Umwälzung in dem ersten Kühlmittelkreislauf 6 ein Fluidaustausch durch den Ionentauscher 16 erfolgen. Vorzugsweise kontrolliert durch ein Drosselventil 21, welches z. B. am Eingang des Ionentauschers 16 angeordnet ist und entsprechend seines Durchflusswiderstandes einen minimalen Strömungsdurchsatz auch bei reduzierter Druckdifferenz über die Kühlmittelpumpe gewährleisten kann.
Demgegenüber kann z. B. aber auch eine Kühlmitteldruckreduzierung in diesem zweiten, separaten Kühlmittelkreislauf durch eine teilweise oder vollständige Öffnung des ersten Kühlmittelkreislaufes vorliegen, so dass sich andere Strömungsverhältnisse ergeben. Die Festlegung des Durchflusswiderstandes durch das Drosselventil 21 sollte somit in vorteilhafter Weise unter Berücksichtigung der beiden Druckgrenzwerte, maximaler Durchfluss durch den ersten Kühlkreislauf bzw. kein Durchfluss durch diesen Kühlkreislauf, festgelegt sein.
Die Einflussnahme auf den Durchfluss des Kühlmittels durch den ersten Kühlmittelkreislauf 6 erfolgt daher lediglich entsprechend der Einstellung eines Proportional- und/oder Sperrventils 14. Ein weiteres Ventil ist nicht erforderlich. Dieses Ventil 14 ist über die Leitung 9 mit dem Auslass des Brennstoffzellen-Kühlkanals 5 verbunden und über die Leitung 10 mit dem Kühler 7. Um den Kühler 7 im benötigten Betriebszustand funktionsmäßig aus dem Kreislauf ausblenden zu können, führt eine Bypassleitung 8 an ihm vorbei zurück zur Kühlmittelpumpe 15.
Zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf 1 ist wenigstens ein Temperatursensor 23 oder 25 vorgesehen. Der Temperatursensor 25 erfasst die Ausgangstemperatur der Brennstoffzelle und der Temperatursensor 22 die Eingangstemperatur. Zur Überwachung des Druckverhältnisses in der Brennstoffzelle bzw. in deren Kühlkanal 5 kann zusätzlich z. B. ein Drucksensor 23 vorgesehen sein.
Ein Leitwertsensor 24 ist zur Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels vorgesehen und vorzugsweise ausgangsseitig an der Kühlmittelpumpe 15 angeordnet. Dadurch kann der Leitwert direkt vor Eintritt in die Brennstoffzelle geprüft werden und gegebenenfalls eine Reduzierung durch Aktivierung des Ionentauscher-Kühlkreislaufs 13 veranlasst werden.
Zur Auswertung dieser Sensorsignale und zur Ansteuerung der Kühlmittelpumpe 15 des Proportional- und/oder Absperrventils 14 sowie gegebenenfalls zur Steuerung eines Lüftermotors des Kühlers 7 ist im Weiteren eine Kontrolleinheit 26 vorgesehen. Diese kann vorzugsweise ein Steuer- und/oder Regelmodul 27 zur Kontrolle einzelner oder mehrerer Betriebsphasen oder Einheiten der Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung umfassen. Lediglich beispielhaft sind hierzu die beiden Leitungen 28 und 29 als entsprechende Anschlüsse zum Ventil 14 bzw. zur Kühlmittelpumpe 15 dargestellt. Auf die Darstellung entsprechender Leitungen für die Sensoren wurde hier aus Übersichtsgründen verzichtet.
Der Vollständigkeit halber wird noch auf die Entlüftungsleitung 30 zwischen dem Kühler 7 und dem Ausgleichsgefäß 20 verwiesen. Eine Sicherheitseinrichtung in der Form eines Überdruckventils 31 ergänzt den beispielhaft dargestellten Ausgleichsbehälter 20.
Eine Beeinflussung der Leitfähigkeit des Kühlmittels ist somit jederzeit möglich, auch bei abgeschaltetem ersten Kühlkreislauf 6 aufgrund des separaten Kühlkreislaufs 13 für den Ionentauscher 16.
Die 2 zeigt eine Abfragevorschrift zur Kontrolle verschiedener Betriebszustände und Einheiten der Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung, die z. B. durch ein Steuer- und/oder Regelmodul 27 in der Kontrolleinheit 26 abgearbeitet werden kann.

Claims

Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung (1), umfassend einen ersten, mit der Brennstoffzelle (2) verbundenen Kühlmittelkreislauf (6) und einen Ionentauscher (16), dadurch gekennzeichnet, dass ein separater Kühlmittelkreislauf (13) für den Ionentauscher (16) vorgesehen ist.
Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Kühlmittelkreislauf (13) für den Ionentauscher (16) zwischen der Druck- und der Saugseite einer Kühlmittelpumpe (15) vorgesehen ist.
Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ionentauscher (16) ein Drosselventil (21) vorgesehen ist.
Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Proportional- und/oder Sperrventil (14) im ersten Kühlkreislauf (6) vorgesehen ist.
Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (22) vorgesehen ist.
Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit (26) vorgesehen ist.
Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (26) ein Steuer- und/oder Regelmodul (27) umfasst.
Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellen-Kühlvorrichtung (1), umfassend einen ersten Kühlmittelkreislauf (6) und einen Ionentauscher (16), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel durch den Ionentauscher (16) über einen separaten Kühlmittelkreislauf (13) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz des Kühlmittelmittels durch den Ionentauscher (16) über ein im ersten Kühlkreislauf (6) vorgesehenes Proportional- und/oder Sperrventil (14) kontrolliert wird.