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Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelausgleichsbehälter für eine Brennstoffzelleneinrichtung eines Fahrzeugs, welcher zum Durchströmen von Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelleneinrichtung ausgebildet ist, und eine Ionenaustauschereinheit umfasst, welche in dem Behälter angeordnet ist.
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Eine derartige Ausgestaltung eines Kühlmittelausgleichsbehälters ist aus der
JP 2004311347 A1 bekannt.
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Ferner geht aus der Druckschrift
US 20090233134 A1 ein Kühlmittelausgleichsbehälter für einen Brennstoffzellenstapel hervor, in dem eine Ionenaustauschereinheit angeordnet ist, die von Kühlmittel durchströmt wird. Die Ionenaustauschereinheit ist stehend im Kühlmittelausgleichsbehälter angeordnet, sitzt auf einem Unterteil und wird durch eine Halterung, die sie auf dem Unterteil fixiert, in Position gehalten.
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Die Druckschrift
US 20090068521 A1 offenbart ein Kühlsystem für eine Brennstoffzelle, das einen Kühlmittelausgleichsbehälter umfasst, in dem eine Ionenaustauschereinheit senkrecht, aber nicht stehend, angeordnet ist. Stattdessen ruht die Ionenaustauschereinheit auf dem oberen Rand der Einfüllöffnung. Die Ionenaustauschereinheit wird vom Kühlmittel umströmt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlmittelausgleichsbehälter für eine Brennstoffzelleneinrichtung zu schaffen, bei welchem die Ionenaustauschereinheit beim Einbau oder beim Wechseln sicher und präzise in die für sie vorgesehene Position gebracht werden kann, sodass ihre volle Funktionsfähigkeit gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kühlmittelausgleichsbehälter, welcher die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, gelöst.
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Ein erfindungsgemäßer Kühlmittelausgleichsbehälter für eine Brennstoffzelleneinrichtung eines Fahrzeugs ist zum Durchströmen mit Kühlmittel ausgebildet, welches zum Kühlen der Brennstoffzelleneinrichtung vorgesehen ist. Der Kühlmittelausgleichsbehälter umfasst eine Ionenaustauschereinheit, welche in dem Behälter angeordnet ist. Die Ionenaustauschereinheit ist stehend in dem Behälter angeordnet.
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Durch diese spezifische Positionierung der Ionenaustauschereinheit in dem Behälter kann im Hinblick auf den Verbau des Kühlmittelausgleichsbehälters in der Brennstoffzelleneinrichtung und somit auch im Fahrzeug eine verbesserte Zugänglichkeit und Handhabbarkeit erreicht werden. Gerade für Montagezwecke, für Prüfzwecke und dergleichen ist dies besonders vorteilhaft.
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Darüber hinaus kann durch die stehende Positionierung der Ionenaustauschereinheit auch deren Funktionalität im Hinblick auf die Wirksamkeit des Ionenaustauschermaterials verbessert werden. Viele anfällige Verbindungsstellen zwischen der Ionenaustauscherpatrone und dem Kühlmittelkreislauf, die undicht werden könnten, können dadurch diesbezüglich unkritischer gestaltet werden. Des Weiteren kann eine kompakte und bauraumminimierte Ausgestaltung erreicht werden. Insbesondere ermöglicht die stehende Anordnung der Ionenaustauschereinheit auch eine verbesserte Reinigung des Kühlmittels im Hinblick auf die Entfernung von Metallionen aus dem Kühlmittel.
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Das Kühlmittel eines Brennstoffzellensystems muss üblicherweise vor allen Dingen im Hinblick auf Metallionen so rein wie möglich sein, da diese die PEM (Proton Exchange Membrane) und/oder die Katalysatorschichten von PEM-Brennstoffzellen vergiften können. Dazu wird üblicherweise eine Ionenaustauscherpatrone in den Kühlmittelkreislauf integriert. Die Ionenaustauscherkapazität des Ionenaustauschermaterials nimmt jedoch mit der Zeit ab, so dass die Ionenaustauscherpatrone regelmäßig gewechselt werden muss. Dazu sollte sie möglichst an einer gut zugänglichen Stelle angeordnet sein. Durch die Integration der Ionenaustauschereinheit in den Behälter und darüber hinausgehend durch die spezifische Positionsorientierung kann die Wirkung des Ionenaustauschermaterials verbessert werden.
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Durch die erfindungsgemäße Konstruktion können vorteilhafterweise eine längere Verweildauer des Kühlmittels in der Ionenaustauscherpatrone erreicht werden. Dadurch verlängert sich die Kontaktzeit des Kühlmittels mit dem Ionenaustauschermaterial, wodurch sich die Effizienz des Ionenaustausches verbessert. Die Reinigungswirkung wird dadurch verbessert, wodurch das Kühlmittel noch reiner wird. Darüber hinaus ist die Austauschbarkeit der Ionenaustauscherpatrone wesentlich verbessert. Es muss kein Kühlmittel mehr abgelassen werden und die Ionenaustauscherpatrone kann einfach entnommen werden, wodurch das Problem des Eintrags schädlicher Verschmutzungen in dem Kühlkreislauf vermieden werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion des Kühlmittelausgleichsbehälters mit der spezifischen Positionierung der Ionenaustauschereinheit kann ohne Ablassen des Kühlmittels bequem und effizient diese Einheit entfernt und ersetzt werden und der Eintrag von Verschmutzungen in den Kühlkreislauf zumindest reduziert oder sogar weitgehend vermieden werden.
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Durch die Integration und die dadurch eingesparten Schnittstellen ergibt sich ein einfacherer, prozesssicherer Montagevorgang, was Leckagen im Kühlsystem vorbeugt. Ein geführtes Einrasten der Ionenaustauschereinheit verhindert darüber hinaus ein mögliches Verrutschen und stellt die volle Funktionsfähigkeit her. Gerade eine derartige spezifische zerstörungsfrei lösbare Verbindung in Form einer Verrastung ermöglicht das positionsstabile Anbringen bei dennoch einfachem Separieren der Ionenaustauschereinheit von dem Kühlmittelausgleichsbehälter.
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Unter einer stehenden Anbringung der Ionenaustauschereinheit in dem Behälter wird eine Positionierung verstanden, bei der die Längsachse der Ionenaustauschereinheit maximal in einem Winkel von 45° gegenüber der Längsachse des Kühlmittelausgleichsbehälters angeordnet ist. Insbesondere und in besonders vorzugsweiser Anordnung ist vorgesehen, dass die Längsachse des Kühlmittelausgleichsbehälters und die Längsachse der Ionenaustauschereinheit parallel oder koaxial angeordnet sind, so dass die Ionenaustauschereinheit senkrecht in dem Kühlmittelausgleichsbehälter angeordnet ist. Die vorab genannten Vorteile können dadurch in besonderer Weise erreicht werden. Darüber hinaus kann durch diese stehende, insbesondere senkrechte Anordnung der Ionenaustauschereinheit die Ausschwemmung des Ionenaustauschermaterials vermieden und somit die Wirkung des Ionenaustauschers verbessert werden. Insbesondere durch das senkrechte Positionieren der Ionenaustauschereinheit und eine Durchströmung der Ionenaustauschereinheit mit Kühlmittel vorzugsweise von unten nach oben, wird die Verweilzeit und somit der Austausch von Ionen aus dem Kühlmittel heraus in das Ionenaustauschermaterial verbessert. Durch die Reduktion der Schnittstellen und die Integration von zwei Komponenten in ein Bauteil sind Vorteile bei Montage-, Service- und Wartungsarbeiten und Gewichtsvorteile vorhanden. Durch das Einrasten der Ionenaustauscherpatrone ist diese schnell und ohne weitere Halterungen montiert und widersteht selbst fahrzeugtypischen Vibrationen (Rütteln) problemlos ohne sich zu lockern oder zu verrutschen.
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Durch ein Einrasten der Patrone in eine definierte Schnittstelle im Ausgleichsbehälter sind außerdem Montageteile wie Schrauben und Schlauchklemmen überflüssig.
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Bisher waren bei bekannten Ausgestaltungen die Ionenaustauscherpatronen waagrecht im Fahrzeug angeordnet, was zur Kanalbildung, zur Ausschwemmung und Zersetzung im Ionenaustauschermaterial der Patrone geführt hat. Dies hat zur Folge, dass das Kühlmittel sich den Weg des geringsten Widerstandes durch die Patrone sucht und ohne ein Austauschen von Ionen an den Ionenaustauschermaterial durch den Ionenaustauscher fließt. Durch eine erfindungsgemäße stehende, insbesondere senkrechte, Anordnung der Ionenaustauschereinheit kann sich dieser Schwerkraft-Effekt nicht bemerkbar machen. Vorzugsweise ist der Ausgleichsbehälter aus physikalischen Gründen immer soweit als möglich oben im Fahrzeug positioniert, um eine Entlüftungsfunktion gewährleisten zu können. Durch die leichte Zugänglichkeit ist es auch ermöglicht, dass das Wartungsteil in Form der Ionenaustauschereinheit bequem von oben zugänglich ist und getauscht werden kann, ohne andere Bauteile demontieren zu müssen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1: Eine Schnittdarstellung durch ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Kühlmittelausgleichsbehälters;
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2: Ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Kühlmittelausgleichsbehälters;
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3: Zusätzliche Fixierung der Ionenaustauschereinheit mit Hilfe einer Feder gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eines Kühlmittelausgleichsbehälters.
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Der in der Figur gezeigte Kühlmittelausgleichsbehälter 1 ist in einer Brennstoffzelleneinrichtung eines Fahrzeugs angeordnet. Er ist in einem Kühlmittelkreislauf dieser Brennstoffzelleneinrichtung angeordnet und Kühlmittel, welches zum Kühlen der Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinrichtung verwendet wird, strömt durch diesen Kühlmittelausgleichsbehälter. Durch dieses Durchströmen des Kühlmittels werden Verunreinigungen wie Metallionen aus dem Kühlmittel entfernt.
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Dazu umfasst der Kühlmittelausgleichsbehälter 1 eine Ionenaustauschereinheit 2, welche in dem Behälter 1 integriert ist und zerstörungsfrei lösbar in den Behälter 1 einsetzbar und wieder entnehmbar ist. Hierfür ist eine Mechanik zum Verrasten der Ionenaustauschereinheit 2 vorgesehen.
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Die Verrastung kann durch einfache Rasthaken oder Rastbügel vorgesehen sein. Auch in radialer Richtung um die Ionenaustauschereinheit 2 umlaufende Streifen mit Rasterhebungen können vorgesehen sein.
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Der Behälter 1 weist eine Längsachse A auf, wobei im Wesentlichen zentral ein Aufnahmeraum 3 ausgebildet ist, in dem die Ionenaustauschereinheit 2 einbringbar ist. Die Ionenaustauschereinheit 2 ist als längliche zylinderförmige Patrone ausgebildet und umfasst ein Ionenaustauschermaterial 4 (z. B. ein geeignetes Ionenaustauscherharz), welches in der Einheit 2 enthalten ist. Das Ionenaustauschermaterial kann als lose Schüttung in der Ionenaustauschereinheit 2 vorliegen. Das Schüttgut wird dann allein durch die Wirkung der Schwerkraft am Boden der Ionenaustauschereinheit 2 gehalten und widersteht somit aufgrund ihres Gewichts einem unerwünschten Fortspülen aufgrund der Kühlmittelströmung aus der Ionenaustauschereinheit 2. Diese Ausführungsform ist technisch besonders einfach und außerdem kostengünstig. Sollte es erforderlich sein, so kann das Schüttgut aber auch z. B. mit Hilfe eines Siebes, einer Fritte, Glasfaserpads oder dergleichen zurückgehalten werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ionenaustauschereinheit 2 senkrecht in dem Behälter 1 angeordnet, was bedeutet, dass die Achse A gleich der Längsachse der Ionenaustauschereinheit 2 entspricht und somit eine koaxiale Anordnung der Achsen der Ionenaustauschereinheit 2 und des Behälters 1 gegeben ist.
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Neben dem Aufnahmeraum 3, welcher durch vertikale Wände 5 seitlich begrenzt ist, weist der Behälter 1 auch einen Sammelraum 6 auf, in dem das gereinigte Kühlmittel gesammelt wird und in den Kühlkreislauf zurückgeführt wird. Der Sammelraum 6 umgreift somit ringförmig den Aufnahmeraum 3. Ein Boden 7 des Aufnahmeraums 3 bildet zugleich auch den Boden des Behälters 1. Der Boden 7 weist eine Einlassöffnung 9 auf, welche mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden ist. Durch die Einlassöffnung 9 hindurch strömt das Kühlmittel in den Aufnahmeraum 3. Als Kühlmittel ist beispielsweise Reinstwasser geeignet. Ferner sind als Kühlmittel auch Mischungen aus Reinstwasser und Ethylenglycol (z. B. Glysantin der Fa. BASF), sog. Kühlmittelgemische, geeignet. Durch die gezeigten Pfeile ist die Strömungsrichtung gekennzeichnet, wobei somit das Kühlmittel von unten nach oben durch die Ionenaustauschereinheit 2 strömt. Das Kühlmittel wird somit über eine Kühlmittelleitung und die Einlassöffnung 9 dem Behälter 1 von unten her zugeführt, wobei dann im Aufnahmeraum 3 eine Verteilung des Kühlmittels über die gesamte Fläche des Schüttguts mittels eines fluiddurchlässigen Glasfaserpads erreicht wird. Insbesondere ist der Boden der Ionenaustauschereinheit 2 beabstandet zur Innenseite des Bodens 7 in dem Aufnahmeraum 3 angeordnet.
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Das Kühlmittel durchströmt dann das Ionenaustauschermaterial 4 von unten nach oben. Beim Austritt aus dem Ionenaustauschermaterial 4 wird dieses im oberen Bereich der Ionenaustauschereinheit 2 dann gemäß der nach links und rechts orientierten Pfeile durch eine Mehrzahl von Öffnung 8, die sowohl in der Wand der Ionenaustauschereinheit 2 also auch in den Wänden 5 ausgebildet sind, von der Ionenaustauschereinheit 2 in den Sammelraum 6 überströmend eingeleitet. Die Öffnungen 8 sind somit im oberen Bereich des Behälters 1 und auch im oberen Bereich des Sammelraums 6 bzw. der den Sammelraum 6 begrenzenden Wände ausgebildet. Der schachtartige Aufnahmeraum 3 ist somit zentral und mittig in dem Behälter 1 ausgebildet. Am oberen Ende können die Ionenaustauschereinheit 2 und der Aufnahmeraum 3 durch einen Deckel abgedeckt sein (nicht dargestellt).
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Von dem Sammelraum 6 führt seitlich oben dann wieder eine Auslassöffnung 10 weg, die mit dem Kühlkreislauf gekoppelt ist und die zum Ableiten des Kühlmittels aus dem Sammelraum 6 in den Kühlkreislauf ausgebildet ist.
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2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Kühlmittelausgleichsbehälters 1. Im Unterschied zu 1 ist die Auslassöffnung 10 unten an dem Kühlmittelausgleichsbehälter 1 angeordnet. Dadurch können eine bessere Durchmischung des im Sammelraum 6 einströmenden Kühlmittels und eine sicherere Entlüftung des Kühlkreislaufes gewährleistet werden. Der gezeigte Kühlmittelausgleichsbehälters 1 weist ferner zwei Deckel auf: Einen ersten Deckel 11 für den Aus- und Einbau bzw. das Austauschen der Ionenaustauschereinheit 2; und ein zweiter Deckel 12 für ein etwaiges Nachfüllen oder Austauschen des Kühlmittels.
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Der Deckel 12 kann, wie in 3 gezeigt, eine Feder 13 aufweisen, die auf die obere Wand der Ionenaustauschereinheit 2 wirkt. Dadurch kann, die Ionenaustauschereinheit 2 zusätzlich zu der Mechanik zum Verrasten weiter fixiert werden, um sie noch besser gegenüber Verrutschen infolge von Rütteln o. ä. zu sichern.
