-
Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf zur Abfuhr von Abwärme einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle mit einem derartigen Kühlkreislauf.
-
Brennstoffzellen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere bei sogenannten PEM-Brennstoffzellen ist es so, dass aus den zugeführten Edukten neben elektrischer Leistung Produktwasser und Abwärme entsteht. Da die Funktionalität der Brennstoffzelle, insbesondere wenn diese über Protonenaustauschmembranen verfügt, auf eine gewisse Maximaltemperatur beschränkt ist, fällt der Abfuhr der entstehenden Abwärme eine besondere Bedeutung zu. Dies muss sicher und zuverlässig funktionieren. Nun ist es jedoch so, dass als Kühlmedium lediglich ein Gemisch aus Wasser und Glycol eingesetzt werden kann, da eine zu hohe Leitfähigkeit in dem Kühlmedium, welche sich beispielsweise durch entsprechende Zusätze in dem Kühlmedium ergeben könnten, nachteilig ist. Außerdem ist darauf zu achten, dass eine vorgegebene maximale Leitfähigkeit des Kühlmediums nicht überschritten wird, um eine sichere und zuverlässige Funktionalität der Brennstoffzelle in ihrem üblichen Aufbau zu gewährleisten.
-
Aus dem japanischen Abstract
JP 2008-243431 A ist es daher bekannt, in einem Kühlkreislauf zur Abfuhr von Abwärme aus einer Brennstoffzelle einen Ionentauscher vorzusehen, wobei der Kühlkreislauf zwei parallele Leitungszweige umfasst, wobei lediglich in einem der Leitungszweige der Ionentauscher angeordnet ist. Über eine Ventileinrichtung kann in Abhängigkeit einer Leitfähigkeit des Kühlmediums, welche über einen Leitfähigkeitssensor erfasst wird, eine Durchströmung des Ionentauschers und/oder des Bypass hierzu eingestellt werden. Durch diesen Aufbau ist es möglich, den Ionentauscher nur bei Bedarf mit dem Kühlmedium zu durchströmen und so einerseits die Belastung des Ionentauschers und andererseits die Druckverluste in dem Kühlmedium über eine längere Zeit der Betriebsdauer im Mittel auf ein Minimum zu reduzieren.
-
Der Leitfähigkeitssensor ist dabei in Strömungsrichtung vor der Verzweigung der Leitungszweige angeordnet, um so entscheiden zu können, ob die Durchströmung des Ionentauschers notwendig ist oder nicht.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen derartigen Kühlkreislauf zur Abfuhr von Abwärme einer Brennstoffzelle weiter zu verbessern. Außerdem besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle mit einem solchen Kühlkreislauf anzugeben, welches die Kühlung gegenüber der im Stand der Technik erfolgenden Kühlung verbessert.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 die Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Kühlkreislauf ist es vorgesehen, dass der Leitfähigkeitssensor in Strömungsrichtung nach dem Ionentauscher angeordnet ist. Ein solcher in Strömungsrichtung nach dem Ionentauscher angeordneter Leitfähigkeitssensor kann aufgrund einer gewissen Trägheit des Kühlkreislaufs beim Austausch von Ionen einerseits sehr gut verwendet werden, um die Durchströmung des Ionentauschers durch das Kühlmittel an sich zu steuern und kann andererseits auch dazu eingesetzt werden, die Funktion des Ionentauschers zu überprüfen und die Qualität des Kühlmediums hinsichtlich der Leitfähigkeit nach dem Durchströmen des Ionentauschers zu beurteilen. Mit dem Sensor wird also anders als bei der Anordnung des Sensors im Stand der Technik eine sehr viel größere Vielfalt an Funktionen möglich.
-
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs ist es dabei vorgesehen, dass der Leitfähigkeitssensor in Strömungsrichtung nach einer Zusammenführung der Leitungszweige angeordnet ist. Diese Anordnung des Leitfähigkeitssensors sowohl in Strömungsrichtung nach dem Ionentauscher als auch in Strömungsrichtung nach der Zusammenführung der Leitungszweige ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine Messung in dem gemeinsamen Volumenstrom des Kühlmediums erfolgen kann und nicht nur ein Teil des Kühlmediums hinsichtlich seiner Leitfähigkeit gemessen wird.
-
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs ist es dabei vorgesehen, dass in genau einem der Leitungszweige eine Ventileinrichtung vorgesehen ist. Über eine solche Ventileinrichtung, welche als einfaches Auf/Zu-Ventil ausgebildet sein kann, in einem der Leitungszweige, also dem mit dem Ionentauscher oder auch dem anderen, wird ein sehr einfacher Aufbau erzielt. Je nach Stellung der Ventileinrichtung wird der Ionentauscher zumindest von einem Teil des Kühlmediums durchströmt und kann so unerwünschte Ionen aus dem Kühlmedium entfernen. Der Aufbau ist dabei außerordentlich einfach, da er mit einer einzigen sehr einfachen Ventileinrichtung auskommt. Er ist dementsprechend kostengünstig im Aufbau und benötigt sehr wenig Bauraum.
-
In einer alternativen Ausführungsform kann es auch vorgesehen sein, dass in beiden Leitungszweigen eine Ventileinrichtung oder am Verzweigungspunkt oder Zusammenführungspunkt der Leitungszweige ein Mehrwegeventil angeordnet ist. Ein solcher Aufbau mit zwei Ventilen oder einem Mehrwegeventil am Verzweigungspunkt oder Zusammenführungspunkt der Leitungszweige ermöglicht eine sehr differenzierte Ansteuerung, sodass beispielsweise der gesamte Volumenstrom durch den Ionentauscher oder um diesen herum geleitet werden kann. Gleichzeitig lässt sich über eine geeignete Ventileinrichtung auch ein teilweises Durchströmen beider Leitungszweige realisieren. Hierdurch kann sehr genau auf die von dem Leitfähigkeitssensor erfassten Werte eingegangen werden, wofür der Aufbau jedoch etwas komplexer ist.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle mit einem derartigen Kühlkreislauf ist es nun vorgesehen, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung in Abhängigkeit der gemessenen Leitfähigkeit des Kühlmediums angesteuert wird. Eine solche Ansteuerung der Ventileinrichtung in Abhängigkeit der gemessenen Leitfähigkeit ermöglicht eine Minimierung der durch den Ionentauscher verursachten Druckverluste und eine Minimierung des durch den Ionentauscher strömenden Volumenstroms während des Betriebs des Brennstoffzellensystems, da der Ionentauscher nur dann durchströmt wird, wenn dieser aufgrund einer höheren Leitfähigkeit in dem Kühlmedium als gewünscht auch benötigt wird.
-
Neben der Minimierung der Druckverluste, wenn der Ionentauscher nicht benötigt wird, wird außerdem eine sehr viel längere Lebensdauer des Ionentauschers bzw. eines typischerweise in dem Ionentauscher vorhandenen Harzes erzielt, da dieses mit sehr viel weniger Medium in Kontakt kommt, und nur bei Bedarf mit Medium beaufschlagt wird. Die längere Lebensdauer des Materials in dem Ionentauscher ermöglicht längere Wartungsintervalle bzw. bei gleich langen Wartungsintervallen einen sehr viel kleineren und kompakteren Aufbau des Ionentauschers. Insgesamt fällt sehr viel weniger Abfall an, sodass die Umwelt durch den Aufbau geschont wird und die Kosten für den Ionenaustausch minimiert werden können.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es daneben vorgesehen sein, dass der gemessene Wert der Leitfähigkeit zusätzlich zur Funktionsüberwachung des Ionentauschers eingesetzt wird. Über die Messung der Leitfähigkeit nach dem Ionentauscher wird sichergestellt, da bei guter Funktionalität des Ionentauschers die gegebenenfalls in dem Kühlmedium vorhandenen Ionen annähernd vollständig aus dem Kühlmedium entfernt werden. Ist dies nicht der Fall, liegt eine Funktionsströmung des Ionentauschers vor, sodass beispielsweise über eine Warnmeldung oder dergleichen ein Austausch bzw. eine Wartung des Ionentauschers angeregt werden kann.
-
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem möglich, dass der gemessene Wert der Leitfähigkeit zur Überwachung der Kühlmedienqualität eingesetzt wird. Eine solche Überwachung der Kühlmedienqualität, insbesondere hinsichtlich ihrer Leitfähigkeit, kann durch den Sensor ebenfalls realisiert werden. Stellt der Leitfähigkeitssensor einen sehr hohen Wert der Leitfähigkeit fest, insbesondere wenn gleichzeitig eine Fehlfunktion oder eine benötigte Wartung beim Ionentauscher ausgeschlossen werden kann, dann ist dies ein Indiz dafür, dass die Qualität des Kühlmediums stark abgenommen hat. Typischerweise wird das Kühlmedium dann ausgetauscht. Ein solcher notwendiger Austausch kann in dem erfindungsgemäßen Aufbau des Kühlkreislaufs über den Leitfähigkeitssensor initiiert und beispielsweise über eine Warnmeldung einem Nutzer des Brennstoffzellensystems beispielsweise eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs angezeigt werden.
-
In der Darstellung der einzigen beigefügten Figur ist ein Kühlkreislauf für eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem angedeutet.
-
In der Darstellung der Figur ist ein Kühlkreislauf 1 zu erkennen, welcher eine Brennstoffzelle 2 sowie weitere Komponenten 3, 4 eines angedeuteten Brennstoffzellensystems 5 kühlen soll. In dem Kühlkreislauf 1 ist in an sich bekannter Art und Weise ein Ionentauscher 6 angeordnet, welcher in einem Leitungszweig 7 des Kühlkreislaufs positioniert ist. Parallel dazu verläuft ein Leitungszweig 8, welcher in Strömungsrichtung des Kühlmediums vor dem Ionentauscher 6 in einem Verzweigungspunkt 9 von dem Leitungszweig 7 mit dem Ionentauscher 6 abzweigt, und in Strömungsrichtung nach dem Ionentauscher 6 wieder in einem Zusammenführungspunkt 10 mit diesem zusammengeführt ist. Der Kühlkreislauf 1 weist außerdem eine prinzipmäßig angedeutete Kühlmittelpumpe 11 sowie einen Leitfähigkeitssensor 12 auf. Der Leitfähigkeitssensor 12 ist dabei in Strömungsrichtung des Kühlmediums nach dem Zusammenführungspunkt 10 angeordnet.
-
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich in jedem der Leitungszweige 7, 8 jeweils ein Ventil 13, 14, welche über ein Steuergerät 15 ansteuerbar sind. Das Steuergerät 15 steht außerdem in Kontakt mit dem Leitfähigkeitssensor 12.
-
Der Leitfähigkeitssensor 12 misst die Leitfähigkeit in dem Kühlmedium und gibt diese Information an das Steuergerät 15 weiter. Wenn der gemessene Wert der Leitfähigkeit kleiner als ein Vorgabewert ist, dann wird über das Steuergerät 15 das Ventil 13 geschlossen und das Ventil 14 geöffnet, sodass das Kühlmedium ohne den Ionentauscher 6 zu durchströmen in dem Kühlkreislauf 1 zirkulieren kann. Die Zirkulation ist dabei mit vergleichsweise wenig Druckverlusten behaftet. Misst der Leitfähigkeitssensor 12 einen Wert der Leitfähigkeit oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts, dann öffnet das Steuergerät 15 das Ventil 13 und schließt das Ventil 14. Das Kühlmedium strömt jetzt durch den Ionentauscher 6, was einen etwas größeren Druckverlust verursacht als die Strömung durch den anderen Leitungszweig 7. Allerdings kann der Ionentauscher 6 nun Ionen aus dem Kühlmedium entfernen, sodass dessen Leitfähigkeit wieder sinkt. Der Ionentauscher 6 ist typischerweise als Ionentauscher 6 mit einem Harz ausgebildet. Die Problematik besteht darin, dass dieses Harz mit der Zeit in seiner Funktionalität nachlässt. Dann ist eine Regeneration des Ionentauschers 6 oder ein Austausch des Harzes notwendig. Auch dies kann über den Leitfähigkeitssensor 12 erkannt werden, sodass im Falle einer weiterhin hohen Leitfähigkeit des Kühlmediums, auch wenn dieses bereits durch den Leitungszweig 7 mit dem Ionentauscher 6 strömt, die Notwendigkeit einer Wartung bzw. Überprüfung des Ionentauschers 6 erkannt werden kann. Das Steuergerät 15 kann diese über eine Signaleinrichtung 16 entsprechend visualisieren und beispielsweise dem Fahrer eines mit dem Brennstoffzellensystem 5 ausgestatteten Fahrzeugs anzeigen. Ebenso ist es möglich, insbesondere wenn der Ionentauscher 6 gerade erst gewartet worden ist und die Leitfähigkeit dennoch nicht absinkt, das Kühlmedium über eine mit 17 bezeichnete Ventileinrichtung entsprechend auszutauschen. Auch diese Notwendigkeit kann über die Signaleinrichtung 16 und das Steuergerät 15 angezeigt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
