DE102012019226A1

DE102012019226A1 - Fuel cell system for vehicle i.e. bus, has second coolant tank arranged in cooling circuit such that side branch of cooling circuit prevents flow of coolant between coolant tanks in cooling operation

Info

Publication number: DE102012019226A1
Application number: DE201210019226
Authority: DE
Inventors: Yun Zhang
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2014-04-03

Abstract

The system (10) has a cooling circuit (14) for cooling a fuel cell stack (12). A cooling unit (16) is provided with a first coolant tank (28) in which an ion exchanger cartridge (30) is arranged. A second coolant tank (34) is arranged in the cooling circuit such that a side branch (38) of the cooling circuit prevents a flow of coolant between the coolant tanks in a cooling operation. The first and second coolant tanks provide a coolant level (36) in the same adjustable height. The second coolant tank is coupled with an outlet (40) of the first coolant tank through the side branch.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreislauf für ein zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems vorgesehenes Kühlmittel. Der Kühlkreislauf umfasst einen ersten Kühlmittelbehälter, in welchem eine Ionenaustauscherpatrone angeordnet ist. Der erste Kühlmittelbehälter ist im Kühlbetrieb von dem Kühlmittel durchströmt. Ein zweiter Kühlmittelbehälter ist derart im Kühlkreislauf angeordnet, dass in beiden Kühlmittelbehältern ein Kühlmittelspiegel gleicher Höhe einstellbar ist, indem das Kühlmittel in den Kühlkreislauf eingebracht wird.The invention relates to a fuel cell system with a cooling circuit for a coolant provided for cooling a fuel cell stack of the fuel cell system. The cooling circuit comprises a first coolant tank, in which an ion exchanger cartridge is arranged. The first coolant tank flows through the coolant in cooling operation. A second coolant tank is arranged in the cooling circuit such that in both coolant tanks a coolant level of the same height can be adjusted by introducing the coolant into the cooling circuit.

In einem Kühlkreislauf für ein Brennstoffzellensystem bestehen vergleichsweise weitgehende Anforderungen an die Einhaltung einer niedrigen Leitfähigkeit des Kühlmittels. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Leitfähigkeit weniger als 5 μS/cm bei einer Temperatur des Kühlmittels von 20°C beträgt. Daher ist es üblich, in einem Kühlkreislauf für ein Brennstoffzellensystem einen Ionenaustauscher zu verwenden. Hierbei ist es von Zeit zu Zeit notwendig, eine Ionenaustauscherpatrone des Ionenaustauschers zu erneuern. Dies bringt je nach Anordnung der Ionenaustauscherpatrone gewisse Schwierigkeiten mit sich. Beispielsweise kann es notwendig sein, den Kühlkreislauf nach dem Austausch der Ionenaustauscherpatrone neu zu befüllen und zu entlüften. Dies ist vergleichsweise aufwändig.In a cooling circuit for a fuel cell system, there are comparatively extensive requirements for maintaining a low conductivity of the coolant. For example, it can be provided that the conductivity is less than 5 μS / cm at a temperature of the coolant of 20 ° C. Therefore, it is common to use an ion exchanger in a refrigeration cycle for a fuel cell system. In this case it is necessary from time to time to renew an ion exchanger cartridge of the ion exchanger. This brings with it certain difficulties, depending on the arrangement of the ion exchanger cartridge. For example, it may be necessary to refill and vent the cooling circuit after the exchange of the ion exchanger cartridge. This is comparatively expensive.

Die US 2005/0106433 A1 beschreibt einen Kühlkreislauf für einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems, bei welchem zwei Kühlmittelbehälter vorgesehen sind. Ein erster Kühlmittelbehälter enthält eine Ionenaustauscherpatrone. Ein zweiter Kühlmittelbehälter dient als Kühlmittel-Vorratsbehälter und ist derart angeordnet, dass ein Kühlmittelspiegel in den beiden Kühlmittelbehältern stets höher ist als ein höchster Kühlmittelspiegel im restlichen Kühlkreislauf. Des Weiteren ist der Kühlmittelbehälter, welcher die Ionenaustauscherpatrone enthält, derart angeordnet, dass sich eine obere Öffnung des Behälters stets oberhalb oder zumindest auf gleicher Höhe eines höchstmöglichen Kühlmittelspiegels in dem zweiten Kühlmittelbehälter befindet. Der Kühlmittelspiegel in den beiden Kühlmittelbehältern ist gleich hoch. Im Kühlbetrieb durchströmt das Kühlmittel zunächst den zweiten Kühlmittelbehälter. Es gelangt dann von einem Abzweig einer Kühlmittelleitung des Kühlkreislaufs in den ersten Kühlmittelbehälter, von welchem aus es dem zweiten Kühlmittelbehälter erneut zuströmt. Die beiden Kühlmittelbehälter sind also fluidisch in Reihe geschaltet.The US 2005/0106433 A1 describes a cooling circuit for a fuel cell stack of a fuel cell system in which two coolant tanks are provided. A first coolant tank contains an ion exchanger cartridge. A second coolant tank serves as a coolant reservoir and is arranged such that a coolant level in the two coolant tanks is always higher than a highest coolant level in the rest of the cooling circuit. Furthermore, the coolant container, which contains the ion exchanger cartridge, is arranged such that an upper opening of the container is always located above or at least at the same level of a highest possible coolant level in the second coolant tank. The coolant level in the two coolant tanks is the same. In the cooling mode, the coolant first flows through the second coolant tank. It then passes from a branch of a coolant line of the cooling circuit in the first coolant tank, from which it flows to the second coolant tank again. The two coolant tanks are thus connected in fluidic series.

Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass ein solcher Kühlkreislauf einen vergleichsweise großen Druckverlust aufweist.A disadvantage here is the fact that such a cooling circuit has a comparatively large pressure loss.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem der Kühlkreislauf besonders einfach aufgebaut und strömungsgünstig ist.Object of the present invention is therefore to provide a fuel cell system of the type mentioned, in which the cooling circuit is particularly simple and aerodynamic.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel cell system having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist der zweite Kühlmittelbehälter als Kühlmittelausgleichsbehälter ausgebildet und derart in einem Seitenzweig des Kühlkreislaufs angeordnet, dass im Kühlbetrieb ein Strömen des Kühlmittels zwischen den beiden Kühlmittelbehältern unterbunden ist. Mit anderen Worten wird der zweite Kühlmittelbehälter im Kühlbetrieb nicht von dem Kühlmittel durchströmt, sondern er fungiert ausschließlich als Kühlmittelausgleichsbehälter. Dies ist strömungstechnisch günstig, da das Kühlmittel nicht den Kühlmittelausgleichsbehälter und den ersten Kühlmittelbehälter zu durchströmen braucht, sodass sich in dem Kühlkreislauf ein besonders geringer Druckverlust ergibt. Über den Seitenzweig ist der Kühlmittelausgleichsbehälter nach dem Prinzip miteinander kommunizierender Behältnisse mit dem ersten Kühlmittelbehälter fluidisch gekoppelt, welcher die Ionenaustauscherpatrone enthält und im Kühlbetrieb von dem Kühlmittel durchströmt wird.In the fuel cell system according to the invention, the second coolant reservoir is designed as a coolant reservoir and arranged in a side branch of the cooling circuit, that in cooling operation, a flow of the coolant between the two coolant reservoirs is prevented. In other words, the second coolant tank does not flow through the coolant in the cooling mode, but acts exclusively as a coolant expansion tank. This is favorable in terms of flow, since the coolant does not need to flow through the coolant expansion tank and the first coolant tank, so that a particularly low pressure loss results in the cooling circuit. About the side branch of the coolant expansion tank according to the principle of communicating containers with the first coolant tank is fluidly coupled, which contains the ion exchanger cartridge and is flowed through in the cooling operation of the coolant.

Dadurch, dass sich in beiden Kühlmittelbehältern ein Kühlmittelspiegel gleicher Höhe einstellt, wird das Austauschen der Ionenaustauscherpatrone bedeutend erleichtert. Diese kann nämlich einfach aus dem ersten Kühlmittelbehälter entnommen werden, ohne dass hierfür das Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf abgelassen zu werden braucht. Damit entfällt auch das erneute Befüllen des Kühlkreislaufs mit dem Kühlmittel nach einem Auswechseln der Ionenaustauscherpatrone. Des Weiteren kann für den Kühlmittelausgleichsbehälter ein vergleichsweise kleines Volumen vorgesehen werden, da der erste Kühlmittelbehälter, welcher die Ionenaustauscherpatrone enthält, ebenfalls als Kühlmittelausgleichsbehälter wirkt. Dies geht mit einer Einsparung an Bauraum und Gewicht für den Kühlmittelausgleichsbehälter einher. Der Kühlkreislauf ist zudem besonders einfach aufgebaut.The fact that a coolant level of the same height sets in both coolant tanks, the replacement of the ion exchanger cartridge is much easier. This can in fact be easily removed from the first coolant tank, without requiring that the coolant needs to be drained from the cooling circuit. This eliminates the refilling of the cooling circuit with the coolant after replacing the Ionenaustauscherpatrone. Furthermore, a comparatively small volume can be provided for the coolant expansion tank, since the first coolant tank, which contains the ion exchanger cartridge, also acts as a coolant expansion tank. This is associated with a saving in space and weight for the coolant expansion tank. The cooling circuit is also particularly simple.

Des Weiteren kann ein bestehender Kühlkreislauf, welcher bereits einen in einem Seitenzweig angeordneten Kühlmittelausgleichsbehälter enthält, besonders einfach nachgerüstet werden, indem in einem im Kühlbetrieb von dem Kühlmittel durchströmten Leitungszweig des Kühlkreislaufs der erste Kühlmittelbehälter angeordnet wird, welcher die Ionenaustauscherpatrone aufweist.Furthermore, an existing cooling circuit, which already contains a coolant expansion tank arranged in a side branch, can be retrofitted particularly simply by arranging the first coolant tank having the ion exchanger cartridge in a line branch of the cooling circuit through which the coolant flows in cooling mode.

Besonders einfach lässt sich sicherstellen, dass der zweite Kühlmittelbehälter lediglich als Kühlmittelausgleichsbehälter wirkt, indem dieser gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung über den Seitenzweig mit einer Auslassleitung des ersten Kühlmittelbehälters gekoppelt ist, in welche der Seitenzweig einmündet. Dann ist ein direktes Zuströmen des Kühlmittels von dem ersten Kühlmittelbehälter zu dem zweiten Kühlmittelbehälter besonders sicher unterbunden. It can be ensured in a particularly simple manner that the second coolant tank acts merely as a coolant equalizing tank in that, according to an advantageous embodiment of the invention, it is coupled via the side branch to an outlet pipe of the first coolant tank, into which the side branch opens. Then, a direct inflow of the coolant from the first coolant tank to the second coolant tank is particularly reliably prevented.

Bevorzugt ist es hierbei, wenn ein Anschluss des Seitenzweigs an den zweiten Kühlmittelbehälter höher angeordnet ist als ein Anschluss der Auslassleitung an den ersten Kühlmittelbehälter. Auch dies ist dem Unterbinden eines Zuströmens des Kühlmittels von dem ersten Kühlmittelbehälter zu dem zweiten Kühlmittelbehälter zuträglich.In this case, it is preferable if a connection of the side branch to the second coolant container is arranged higher than a connection of the outlet line to the first coolant container. This, too, is conducive to suppressing inflow of the coolant from the first coolant tank to the second coolant tank.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Anschluss des Seitenzweigs an den zweiten Kühlmittelbehälter an einem Boden des zweiten Kühlmittelbehälters und der Anschluss der Auslassleitung an den ersten Kühlmittelbehälter an einem Boden des ersten Kühlmittelbehälters angeordnet ist. So kann nämlich besonders einfach sichergestellt werden, dass sich in den beiden Kühlmittelbehältern ein Kühlmittelspiegel gleicher Höhe einstellt, wenn der Kühlkreislauf mit dem Kühlmittel befüllt ist.As a further advantage, it has been shown, when the connection of the side branch to the second coolant tank at a bottom of the second coolant tank and the connection of the outlet to the first coolant tank at a bottom of the first coolant tank is arranged. In fact, it is particularly easy to ensure that a coolant level of the same height is established in the two coolant reservoirs when the coolant circuit is filled with the coolant.

Die Auslassleitung des ersten Kühlmittelbehälters kann in einen Leitungszweig des Kühlkreislaufs einmünden, in welchem der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. So kann besonders einfach sichergestellt werden, dass für die Kühlung des Brennstoffzellenstapels stets deionisiertes Kühlmittel zur Verfügung steht.The outlet line of the first coolant container can open into a line branch of the cooling circuit, in which the fuel cell stack is arranged. This makes it particularly easy to ensure that deionized coolant is always available for cooling the fuel cell stack.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Seitenzweig sowohl als Zulauf als auch als Ablauf des zweiten Kühlmittelbehälters ausgebildet ist. Dies vereinfacht die Auslegung des Kühlkreislaufs besonders weitgehend.As a further advantage, it has been shown that the side branch is formed both as an inlet and as a drain of the second coolant tank. This greatly simplifies the design of the cooling circuit.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn eine in den ersten Kühlmittelbehälter einmündende Leitung des Kühlkreislaufs als Entlüftungsleitung einer in dem Kühlkreislauf angeordneten Komponente des Kühlkreislaufs ausgebildet ist. So kann besonders einfach sichergestellt werden, dass auch nach dem Austauschen der Ionenaustauscherpatrone keine gesonderte Entlüftung des Kühlkreislaufs vorgenommen zu werden braucht. Vielmehr strömen durch die Entlüftungsleitung Kühlmittel und gegebenenfalls Luftbläschen, falls diese in das Kühlmittel gelangen. Im ersten Kühlmittelbehälter treten dann diese Luftbläschen aus. Die in dem Kühlkreislauf angeordnete Komponente, welche über die Entlüftungsleitung entlüftet wird, kann insbesondere als Kühler ausgebildet sein.It is furthermore advantageous if a line of the cooling circuit which opens into the first coolant container is designed as a vent line of a component of the cooling circuit arranged in the cooling circuit. This makes it particularly easy to ensure that even after replacing the ion exchanger cartridge no separate venting of the cooling circuit needs to be made. Rather, through the vent line flow coolant and possibly air bubbles, if they get into the coolant. In the first coolant tank then exit these air bubbles. The arranged in the cooling circuit component, which is vented through the vent line may be formed in particular as a cooler.

Der erste Kühlmittelbehälter kann ein geringeres Volumen aufweisen als der zweite Kühlmittelbehälter. So ist sichergestellt, dass das Ionenaustauschermaterial der Ionenaustauscherpatrone beim Durchströmtwerden des ersten Kühlmittelbehälters besonders gut von Ionen befreit werden kann.The first coolant reservoir may have a smaller volume than the second coolant reservoir. This ensures that the ion exchanger material of the ion exchanger cartridge can be freed of ions particularly well when flowing through the first coolant tank.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Ionenaustauscherpatrone derart in dem ersten Kühlmittelbehälter angeordnet ist, dass im Kühlbetrieb ein Kühlmittelstrom durch die Ionenaustauscherpatrone hindurch geringer ist als ein Kühlmittelstrom durch den ersten Kühlmittelbehälter. Mit anderen Worten wird die Ionenaustauscherpatrone nicht erzwungen von dem Kühlmittel durchströmt, sondern lediglich umströmt. Dies geht mit einem besonders geringen Druckverlust im Kühlkreislauf einher, obgleich das Ionenaustauschermaterial der Ionenaustauscherpatrone in einem zwangsweise durchströmten Abschnitt des Kühlkreislaufs angeordnet ist.Finally, it has proven to be advantageous if the ion exchanger cartridge is arranged in the first coolant container such that in the cooling mode, a coolant flow through the ion exchanger cartridge is less than a coolant flow through the first coolant container. In other words, the ion exchanger cartridge is not enforced flows through the coolant, but only flows around. This is accompanied by a particularly low pressure loss in the cooling circuit, although the ion exchange material of the ion exchanger cartridge is arranged in a forced flow through section of the cooling circuit.

Insbesondere kann die Ionenaustauscherpatrone derart in dem ersten Kühlmittelbehälter angeordnet sein, dass bei einem Kühlmittelstrom von 110 kg Kühlmittel pro Minute bis 130 kg Kühlmittel pro Minute ein Kühlmittelstrom von 0,2 kg Kühlmittel pro Minute bis 2,1 kg Kühlmittel pro Minute durch die Ionenaustauscherpatrone hindurch vorliegt. So lässt sich ein ausreichendes Deionisieren des Kühlmittels sicherstellen. Dies gilt insbesondere, wenn der vorstehend beschriebene Kühlmittelstrom durch die Ionenaustauscherpatrone sich bei einem Kühlmittelstrom von 120 kg pro Kühlmittel Minute durch den Kühlkreislauf einstellt.In particular, the ion exchanger cartridge can be arranged in the first coolant tank such that at a coolant flow of 110 kg coolant per minute to 130 kg coolant per minute, a coolant flow of 0.2 kg coolant per minute to 2.1 kg coolant per minute through the ion exchanger cartridge is present. This ensures sufficient deionization of the coolant. This is especially true when the coolant flow described above is set by the ion exchanger cartridge at a coolant flow of 120 kg per coolant minute through the cooling circuit.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the figure description and / or shown alone in the figure can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawing.

Diese zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem, bei welchem in einem Kühlkreislauf zwei Kühlmittelbehälter angeordnet sind, von welchen einer in einem Seitenzweig des Kühlkreislaufs angeordnet ist und als Kühlmittelausgleichsbehälter wirkt und der andere eine Ionenaustauscherpatrone enthält.This shows schematically a fuel cell system in which two coolant tanks are arranged in a cooling circuit, one of which is arranged in one side branch of the cooling circuit and acts as a coolant expansion tank and the other contains an ion exchanger cartridge.

Von einem Brennstoffzellensystem 10, bei welchem es sich insbesondere um ein Brennstoffzellensystem 10 für ein Fahrzeug wie beispielsweise einen Bus handeln kann, ist in der Figur schematisch ein Brennstoffzellenstapel 12 gezeigt. Weitere, übliche Komponenten des Brennstoffzellensystems 10, insbesondere für die Befeuchtung und Kühlung der dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführten Reaktionsgase sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.From a fuel cell system 10 , which is in particular a The fuel cell system 10 for a vehicle such as a bus, in the figure is schematically a fuel cell stack 12 shown. Other, conventional components of the fuel cell system 10 , in particular for the humidification and cooling of the fuel cell stack 12 supplied reaction gases are not shown for clarity.

Ein in einem Kühlkreislauf 14 vorhandenes Kühlmittel 16 dient dem Kühlen des Brennstoffzellenstapels 12. Eine Pumpe 18 sorgt im Kühlbetrieb für einen Massenfluss des Kühlmittels 16 von dem Brennstoffzellenstapel 12 hin zu einem Kühler 20. Zum Beaufschlagen des Kühlers 20 mit einem Kühlluftstrom ist vorliegend ein Lüfter 22 vorgesehen.One in a cooling circuit 14 available coolant 16 serves to cool the fuel cell stack 12 , A pump 18 ensures a mass flow of the coolant in cooling mode 16 from the fuel cell stack 12 towards a cooler 20 , For applying the cooler 20 with a cooling air flow in the present case is a fan 22 intended.

In einem ersten, an den Kühler 20 angeschlossenen Leitungszweig 24 des Kühlkreislaufs 14 ist der Brennstoffzellenstapel 12 angeordnet. An den Kühler 20 ist des Weiteren eine Entlüftungsleitung 26 angeschlossen. Diese führt zu einem ersten Kühlmittelbehälter 28, in welchem eine Ionenaustauscherpatrone 30 oder Ionenaustauscherkartusche angeordnet ist, welche ein Ionenaustauschermaterial 32 enthält. Der Kühlmittelbehälter 28 ist nicht vollständig mit dem Kühlmittel 16 gefüllt.In a first, to the radiator 20 connected line branch 24 of the cooling circuit 14 is the fuel cell stack 12 arranged. To the radiator 20 is also a vent line 26 connected. This leads to a first coolant tank 28 in which an ion exchanger cartridge 30 or ion exchange cartridge, which is an ion exchange material 32 contains. The coolant tank 28 is not complete with the coolant 16 filled.

Des Weiteren ist das Volumen des Kühlmittelbehälters 28 größer als das der Ionenaustauscherpatrone 30, sodass das Ionenaustauschermateriat 32 im Kühlbetrieb nicht zwangsweise durchströmt wird, sondern lediglich umströmt. Auf gleicher Höhe wie dieser erste Kühlmittelbehälter 28 ist in dem Kühlkreislauf 14 ein zweiter Kühlmittelbehälter angeordnet, welcher als Kühlmittelausgleichsbehälter 34 ausgebildet ist.Furthermore, the volume of the coolant tank 28 larger than that of the ion exchanger cartridge 30 so that the ion exchange material 32 is not forced through in cooling mode, but only flows around. At the same height as this first coolant tank 28 is in the cooling circuit 14 arranged a second coolant tank, which serves as coolant reservoir 34 is trained.

Der Kühlmittelbehälter 28 weist ein geringeres Volumen auf als der Kühlmittelausgleichsbehälter 34, jedoch wirkt auch der Kühlmittelbehälter 28 als Kühlmittelausgleichsbehälter. Dies liegt daran, dass diese beiden Behältnisse nach dem Prinzip miteinander kommunizierender Röhren miteinander verbunden sind. Ein Kühlmittelspiegel 36, welcher sich im Kühlmittelausgleichsbehälter 34 einstellt, stellt sich folglich auch im Kühlmittelbehälter 28 ein. Dadurch, dass beide Behälter nicht vollständig mit dem Kühlmittel 16 gefüllt sind, ist es besonders einfach, die Ionenaustauscherpatrone 30 auszuwechseln, ohne dass hierfür das Kühlmittel 16 aus dem Kühlkreislauf 14 abgelassen zu werden braucht.The coolant tank 28 has a lower volume than the coolant expansion tank 34 , but also the coolant tank acts 28 as a coolant expansion tank. This is because these two containers are connected to each other according to the principle of communicating tubes. A coolant level 36 , which is located in the coolant expansion tank 34 Consequently, also arises in the coolant tank 28 one. Because both tanks are not completely filled with the coolant 16 are filled, it is particularly easy, the ion exchanger cartridge 30 without replacing the coolant 16 from the cooling circuit 14 needs to be drained.

Während der Kühlmittelbehälter 28 jedoch im Kühlbetrieb von dem Kühlmittel 16 durchströmt ist, ist der Kühlmittelausgleichsbehälter 34 in einem Seitenzweig 38 des Kühlkreislaufs 14 angeordnet, welcher an eine Auslassleitung 40 des Kühlmittelbehälters 28 angeschlossen ist. Der Kühlmittelausgleichsbehälter 34 wird also im Kühlbetrieb nicht von dem Kühlmittel 16 durchströmt. Insbesondere ist hierbei ein Strömen des Kühlmittels 16 von dem Kühlmittelbehälter 28 zu dem Kühlmittelausgleichsbehälter 34 unterbunden.While the coolant tank 28 however, in the cooling mode of the coolant 16 is flowed through, is the coolant expansion tank 34 in a side branch 38 of the cooling circuit 14 arranged, which to an outlet 40 of the coolant tank 28 connected. The coolant expansion tank 34 So is not in the cooling mode of the coolant 16 flows through. In particular, in this case is a flow of the coolant 16 from the coolant tank 28 to the coolant expansion tank 34 prevented.

Der in den Kühlmittelausgleichsbehälter 34 mündenden Seitenzweig 38 dient zugleich als Zulauf als auch Ablauf des Kühlmittelausgleichbehälters 34. Ein Anschluss 42 des Seitenzweigs 38 an den Kühlmittelausgleichsbehälter 34 ist an einem Boden 44 desselben angeordnet. In analoger Weise befindet sich ein Anschluss 46 des Kühlmittelbehälters 28, welcher die Ionenaustauscherpatrone 30 enthält, an einem Boden 48 des Kühlmittelbehälters 28. Über diesen Anschluss 46 ist die Auslassleitung 40 an den Kühlmittelbehälter 28 angeschlossen. Die Auslassleitung 40 mündet in den Leitungszweig 24, in welchem der Brennstoffzellenstapel 12 angeordnet ist.The in the coolant expansion tank 34 opening side branch 38 serves as both inlet and outlet of the coolant expansion tank 34 , A connection 42 of the side branch 38 to the coolant expansion tank 34 is on a ground 44 of the same. In a similar way there is a connection 46 of the coolant tank 28 containing the ion exchanger cartridge 30 contains, on a ground 48 of the coolant tank 28 , About this connection 46 is the outlet pipe 40 to the coolant tank 28 connected. The outlet pipe 40 flows into the line branch 24 in which the fuel cell stack 12 is arranged.

Der Anschluss 42 des Seitenzweigs 38 an den Kühlmittelausgleichsbehälter 34 ist etwas höher angeordnet als der Anschluss 46 der Auslassleitung 40 an den ersten Kühlmittelbehälter 28. So ist auf besonders einfache Weise sichergestellt, dass der Kühlmittelspiegel 36 in dem Kühlmittelausgleichsbehälter 34 stets dem Kühlmittelspiegel in dem Kühlmittelbehälter 28 gleich ist.The connection 42 of the side branch 38 to the coolant expansion tank 34 is slightly higher than the connection 46 the outlet pipe 40 to the first coolant tank 28 , This ensures in a particularly simple manner that the coolant level 36 in the coolant expansion tank 34 always the coolant level in the coolant tank 28 is equal to.

Die Pumpe 18 ist bevorzugt dazu ausgelegt, einen Massenfluss des Kühlmittels 16 von etwa 120 kg pro Minute einzustellen. Durch die Einbindung des Kühlmittelbehälters 28 in die Entlüftungsleitung 26 des Kühlkreislaufs 14 und durch das Anordnen der von dem Kühlmittel 16 lediglich umströmten, jedoch nicht zwangsdurchströmten Ionenaustauscherpatrone 30 in dem ersten Kühlmittelbehälter 28 ergibt sich dann ein Durchfluss des Kühlmittels 16 durch das Ionenaustauschermaterial 32 in einer Größenordnung von 0,2 kg pro Minute bis 2,1 kg pro Minute.The pump 18 is preferably adapted to a mass flow of the coolant 16 of about 120 kg per minute. By the integration of the coolant tank 28 in the vent line 26 of the cooling circuit 14 and by disposing the coolant 16 only flowed around, but not forced through ion exchanger cartridge 30 in the first coolant tank 28 then results in a flow of the coolant 16 through the ion exchange material 32 in the order of 0.2 kg per minute to 2.1 kg per minute.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
1212: Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1414: KühlkreislaufCooling circuit
1616: Kühlmittelcoolant
1818: Pumpepump
2020: Kühlercooler
2222: LüfterFan
2424: Leitungszweigleg
2626: Entlüftungsleitungvent line
2828: KühlmittelbehälterCoolant tank
3030: IonenaustauscherkartuscheIonenaustauscherkartusche
3232: Ionenaustauschermaterialion exchange
3434: KühlmittelausgleichsbehälterCoolant expansion tank
3636: KühlmittelspiegelCoolant level
3838: Seitenzweigside branch
4040: Auslassleitungoutlet pipe
42 42: Anschlussconnection
4444: Bodenground
4646: Anschlussconnection
4848: Bodenground

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2005/0106433 A1 [0003]

Claims

Fuel cell system with a cooling circuit ( 14 ) for cooling a fuel cell stack ( 12 ) of the fuel cell system ( 10 ) provided coolant ( 16 ), with a first coolant tank ( 28 ), in which an ion exchanger cartridge ( 30 ) and which in cooling operation of the coolant ( 16 ) is flowed through, and with a second coolant tank ( 34 ), which in the cooling circuit ( 14 ) is arranged that in both coolant tanks ( 28 . 34 ) a coolant level ( 36 ) is adjustable to the same height, characterized in that the second coolant tank as a coolant expansion tank ( 34 ) and so in a side branch ( 38 ) of the cooling circuit ( 14 ) is arranged such that in cooling operation, a flow of the coolant ( 16 ) between the two coolant tanks ( 28 . 34 ) is prevented.

Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the second coolant container ( 34 ) over the side branch ( 38 ) with an outlet conduit ( 40 ) of the first coolant tank ( 28 ) into which the side branch ( 38 ).

Fuel cell system according to claim 2, characterized in that a connection ( 42 ) of the side branch ( 38 ) to the second coolant tank ( 34 ) is higher than a port ( 46 ) of the outlet line ( 40 ) to the first coolant tank ( 28 ).

Fuel cell system according to claim 3, characterized in that the connection ( 42 ) of the side branch ( 38 ) to the second coolant tank ( 34 ) on a floor ( 44 ) of the second coolant tank ( 34 ) and / or the connection ( 46 ) of the outlet line ( 40 ) to the first coolant tank ( 28 ) on a floor ( 48 ) of the first coolant tank ( 28 ) is arranged.

Fuel cell system according to one of claims 2 to 4, characterized in that the outlet line ( 40 ) of the first coolant tank ( 28 ) in a line branch ( 24 ) of the cooling circuit ( 14 ), in which the fuel cell stack ( 12 ) is arranged.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the side branch ( 38 ) both as an inlet and as a drain of the second coolant tank ( 34 ) is trained.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that a in the first coolant tank ( 28 ) opening the cooling circuit ( 14 ) as a vent line ( 26 ) one, in particular as a cooler ( 20 ), in the cooling circuit ( 14 ) arranged component of the cooling circuit ( 14 ) is trained.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first coolant tank ( 28 ) has a smaller volume than the second coolant tank ( 34 ).

Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the Ionenaustauscherpatrone ( 30 ) in the first coolant tank ( 28 ) is arranged such that in cooling operation, a coolant flow through the ion exchanger cartridge ( 30 ) is less than a flow of coolant through the first coolant tank ( 28 ).

Fuel cell system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the ion exchanger cartridge ( 30 ) in the first coolant tank ( 28 ) is arranged, that at a coolant flow of 110 kg coolant per minute to 130 kg coolant per minute, in particular of 120 kg coolant per minute, a coolant flow of 0.2 kg coolant per minute to 2.1 kg coolant per minute through the ion exchanger cartridge ( 30 ) is present.