DE102015211476A1 - Fuel cell system and method for reducing the conductivity of a cooling liquid - Google Patents

Fuel cell system and method for reducing the conductivity of a cooling liquid Download PDF

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Volker Formanski
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Jürgen Thyroff
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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Reduktion der Leitfähigkeit einer Kühlflüssigkeit F, die mindestens eine Brennstoffzelle 100 durchströmt. Es umfasst den Schritt: Durchströmen von mindestens einer Vorrichtung 240 zur Reduktion der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit F während einer Phase, in der das Kraftfahrzeug abgestellt ist und/oder zum Abstellen vorbereitet wird; wobei die Vorrichtung 240 in einem Bypass 230 zu einem Wärmetauscher 300 für die Kühlflüssigkeit F angeordnet ist.The technology disclosed herein relates to a fuel cell system and a method for reducing the conductivity of a cooling fluid F flowing through at least one fuel cell 100. It comprises the step of flowing through at least one device 240 for reducing the conductivity of the cooling fluid F during a phase in which the motor vehicle is parked and / or prepared for parking; wherein the device 240 is arranged in a bypass 230 to a heat exchanger 300 for the cooling fluid F.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Reduktion der Leitfähigkeit einer Kühlflüssigkeit.The technology disclosed herein relates to a fuel cell system and methods for reducing the conductivity of a cooling fluid.

Es ist bekannt, bei Brennstoffzellensystemen ein Kühlmittel zu verwenden, um die in der Brennstoffzelle entstehende Wärme zu einem Fahrzeug-Radiator zu transportieren. In vorbekannten Kühlkreisläufen von Brennstoffzellensystemen ist eine Umschaltmöglichkeit von einem großen Kühlkreislauf auf einen kleinen Kühlkreislauf vorgesehen. Beim großen Kühlkreislauf wird der Fahrzeug-Radiator durchströmt und es erfolgt eine aktive Kühlung des Kühlmittels. Der kleine Kühlkreislauf stellt sicher, dass die Wärmeabfuhr an die Umgebung minimiert wird. Er dient der Vergleichmäßigung der Brennstoffzellenstacktemperatur, besonders während der Kaltstartphase des Brennstoffzellensystems.It is known to use a coolant in fuel cell systems to transport the heat generated in the fuel cell to a vehicle radiator. In previously known cooling circuits of fuel cell systems, it is possible to switch from a large cooling circuit to a small cooling circuit. When large cooling circuit of the vehicle radiator is flowed through and there is an active cooling of the coolant. The small cooling circuit ensures that the heat dissipation to the environment is minimized. It serves to even out the fuel cell stack temperature, especially during the cold start phase of the fuel cell system.

Ein solcher kleiner Kühlkreislauf, der über eine Bypassleitung realisiert ist, ist in der US2007231639 AA und in der JP2005285396A gezeigt. Diese Schriften offenbaren einen Radiator-Bypass, der einen kleinen Kühlkreislauf unter Aussparung des Fahrzeug-Radiators ermöglicht. Durch den kleinen Kühlkreislauf steigt die Temperatur im Brennstoffzellenstapel. Die erhöhte Temperatur ermöglicht es, dass die durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Reaktanden (z. B. Luft, die durch die Kathode geführt wird) mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann. Ein Entfeuchten des Brennstoffzellenstapels ist besonders vor dem Abstellen des Kraftfahrzeugs sinnvoll, da es sich positiv aus auf das Anlaufverhalten der Brennstoffzelle während eines Kalt- bzw. Froststarts auswirkt.Such a small cooling circuit, which is realized via a bypass line is in the US2007231639 AA and in the JP2005285396A shown. These documents disclose a radiator bypass that allows a small cooling circuit with the recess of the vehicle radiator. Due to the small cooling circuit, the temperature in the fuel cell stack rises. The elevated temperature allows the reactants flowing through the fuel cell stack (eg, air passed through the cathode) to absorb more moisture. Dehumidifying the fuel cell stack is particularly useful before parking the motor vehicle, since it has a positive effect on the startup behavior of the fuel cell during a cold or frost start.

Für die Brennstoffzellen-Kühlung sind besondere Anforderungen an das Kühlmittel zu stellen. U. a. darf das Kühlmittel eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit nicht überschreiten. Durch mögliche Verunreinigungen aus den Kühlkreislauf-Komponenten steigt üblicherweise die Leitfähigkeit des Kühlmittels im Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Daher wird in der Regel ein Ionentauscher mit in den Kühlkreislauf integriert, der die Leitfähigkeit des Kühlmittels auch über einen längeren Betriebszeitraum nicht über vorgegebene Grenzwerte steigen lässt.For the fuel cell cooling special demands are placed on the coolant. U. a. the coolant must not exceed a certain electrical conductivity. By possible impurities from the cooling circuit components usually increases the conductivity of the coolant during operation of a fuel cell system. Therefore, an ion exchanger is usually integrated into the cooling circuit, which does not allow the conductivity of the coolant to rise above predetermined limits even over a longer period of operation.

Beispielsweise offenbart die US2002164511 AA einen Kühlkreislauf mit einem Radiator-Bypass, in dem ein Ionentauscher angeordnet ist. Diese Schrift offenbart ferner ein Verfahren zum Betreiben des Kühlkreislaufes. Es wird darin eine vergleichsweise komplexe Steuerung vorgeschlagen.For example, the US2002164511 AA a cooling circuit with a radiator bypass, in which an ion exchanger is arranged. This document further discloses a method for operating the refrigeration cycle. It is proposed in a comparatively complex control.

Beim Betrieb der Brennstoffzelle, der überwiegend Kühlung bedarf, z. B. im Sommer oder in einem Land mit durchgehend hohen Außentemperaturen, wird die Brennstoffzelle vorwiegend über den großen Kühlkreislauf gekühlt. Die Einhaltung der erforderlichen Leitfähigkeit des Kühlmittels ist unter einem solchen Systemeinsatz nicht mehr sicher gestellt, da in der hier verwendeten Referenzanodnung der Ionentauscher im Radiator-Bypass des kleinen Kühlkreises angeordnet ist (wie in 1 dargestellt)During operation of the fuel cell, which mostly requires cooling, z. As in summer or in a country with consistently high outside temperatures, the fuel cell is cooled mainly through the large cooling circuit. Compliance with the required conductivity of the coolant is no longer ensured under such a system use, since in the Referenzanodnung used here, the ion exchanger in the radiator bypass of the small cooling circuit is arranged (as in 1 shown)

Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie, Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is an object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate the disadvantages of the prior art solutions. Further objects result from the advantageous effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of patent claim 1. The dependent claims represent preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Reduktion der Leitfähigkeit einer Kühlflüssigkeit F, die mindestens eine Brennstoffzelle durchströmt. Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise ein Wasser/Glykol-Gemisch eingesetzt werden. Obwohl hier der Begriff „Kühlflüssigkeit” verwendet wird, ist dieses Kühlmedium nicht darauf beschränkt, die mindestens eine Brennstoffzelle zu kühlen. Vielmehr ist die Kühlflüssigkeit F in der Lage, die mindestens eine Brennstoffzelle zu kühlen und/oder zu erwärmen. Sie kann auch zur gleichmäßigen Temperaturverteilung im Brennstoffzellensystem dienen.The technology disclosed here relates to a method for reducing the conductivity of a cooling liquid F, which flows through at least one fuel cell. As a coolant, for example, a water / glycol mixture can be used. Although the term "cooling liquid" is used herein, this cooling medium is not limited to cooling the at least one fuel cell. Rather, the cooling liquid F is able to cool and / or to heat the at least one fuel cell. It can also serve for uniform temperature distribution in the fuel cell system.

Das hier offenbarte Verfahren umfasst den Schritt: Durchströmen mindestens einer Vorrichtung zur Reduktion der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit während einer Phase, in der das Kraftfahrzeug abgestellt ist und/oder zum Abstellen vorbereitet wird.The method disclosed here comprises the step of flowing through at least one device for reducing the conductivity of the cooling liquid during a phase in which the motor vehicle is parked and / or prepared for parking.

Eine Vorrichtung zur Reduktion der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit ist beispielsweise ein Ionen(aus)tauscher. Ionenaustauscher oder Ionentauscher sind natürliche oder künstliche Stoffe, die im Wasser gelöste Ionen gegen andere Ionen ersetzen. Je nachdem welche Art von Ionen ausgetauscht wird, unterscheidet man Kationenaustauscher und Anionenaustauscher. So kann beispielsweise ein Natrium-Kalium-Ionenaustauscher Natrium-Ionen gegen Kalium-Ionen ersetzen. Das Prinzip der Ionentauscher beruht darauf, dass einige Ionen stärker an den Ionenaustauscher gebunden werden als andere. Man bezeichnet den Austausch auch als Beladen des Austauschers. Für den Einsatz im Fahrzeug bietet sich die Verwendung eines Mischbettionentauschers an, da der Filter nach einem von der Harzmenge abhängigen Intervall ausgetauscht werden kann. Die Länge des Intervalls hängt stark ab von der Art und Kapazität der verwendeten Harze, der Ionenbelastung des Kühlmediums sowie der Gestaltung des Filtergehäuses.An apparatus for reducing the conductivity of the cooling liquid is, for example, an ion (exchanger) exchanger. Ion exchangers or ion exchangers are natural or artificial substances that replace ions dissolved in water with other ions. Depending on the type of ion exchanged, a distinction is made between cation exchangers and anion exchangers. For example, a sodium-potassium ion exchanger can replace sodium ions with potassium ions. The principle of ion exchangers is based on the fact that some ions are more strongly bound to the ion exchanger than others. The exchange is also called loading of the exchanger. For use in the vehicle, the use of a mixed-bed ion exchanger offers, since the filter can be replaced after an interval dependent on the amount of resin. The length of the interval depends strongly on the type and capacity of the resins used, the ion load of the cooling medium and the design of the filter housing.

Die Phase, in der das Kraftfahrzeug abgestellt ist, ist die Phase, in der die Brennstoffzelle an keinen elektrischen Verbraucher zum regulären Betrieb, insbesondere zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges, elektrische Leistung liefert. Diese Phase ist bevorzugt eine Phase, in der die Zündung bereits ausgestellt ist bzw. der Fahrzeugführer ein Signal gegeben hat, dass das Kraftfahrzeug nicht betrieben werden soll. Bevorzugt handelt es sich um die Phase des Nachlaufs bzw. des Blow-Downs der Brennstoffzelle. In dieser Phase kann das Brennstoffzellesystem nach dem Abstellen des Kraftfahrzeuges für eine gewisse Zeit zur Trocknung der mindestens einen Brennstoffzelle weiter betrieben werden, bevorzugt mindestens ca. 10 Sekunden, ferner bevorzugt mindestens ca. 30 Sekunden, und besonders bevorzugt mindestens ca. 60 Sekunden. The phase in which the motor vehicle is switched off is the phase in which the fuel cell supplies electrical power to no electrical load for regular operation, in particular for propulsion of the motor vehicle. This phase is preferably a phase in which the ignition is already on or the driver has given a signal that the motor vehicle should not be operated. It is preferably the phase of the after-run or the blow-down of the fuel cell. In this phase, the fuel cell system after stopping the motor vehicle for a certain time for drying the at least one fuel cell continue to operate, preferably at least about 10 seconds, more preferably at least about 30 seconds, and most preferably at least about 60 seconds.

Die Phase, in der das Kraftfahrzeug zum Abstellen vorbereitet wird, ist die Phase, in der beispielsweise basierend auf einer Geoinformation das bevorstehende Ende einer Fahrt prognostiziert wird und bereits vorher mit der Trocknung der mindesten einen Brennstoffzelle begonnen wird, also ein vorgezogener Nachlauf. Das Überwachen der Umgebungstemperatur kann ebenso eine Trocknung der Brennstoffzelle initiieren. Eine solche Technologie ist beispielsweise in der auf die Anmelderin zurückgehenden Patentanmeldung DE 10 2014 217 780.4 angeführt. Es wird durch Verweis auf die Patentanmeldung DE 10 2014 217 780.4 der Aspekt der Verringerung der Soll-Feuchtegehalt der Brennstoffzelle vor dem Fahrtende sowie dessen Prognose hier mit aufgenommen. Wird der Blow-Down bereits kurz vor dem Fahrtende gestartet, können etwaige störende Geräusche in der Garage vermieden werden. Es ist bevorzugt auch möglich, dass das Fahrzeug bzw. das Steuergerät des Brennstoffzellensystems während der Parkphase kurzzeitig aktiviert wird, die Umgebungs- oder Systemtemperatur prüft und gegebenenfalls eine Trocknung inkl. Systemhochlauf, initiiert und anschließend selbständig wieder abschaltet.The phase in which the motor vehicle is prepared for parking is the phase in which, for example, based on geographic information, the imminent end of a journey is predicted and the drying of the at least one fuel cell is already started beforehand, ie an early after-run. Monitoring the ambient temperature may also initiate drying of the fuel cell. Such a technology is, for example, in the Applicant's patent application DE 10 2014 217 780.4 cited. It is by reference to the patent application DE 10 2014 217 780.4 the aspect of reducing the nominal moisture content of the fuel cell before the end of the trip and its forecast are included here. If the blow-down is started shortly before the end of the journey, any disturbing noises in the garage can be avoided. It is preferably also possible for the vehicle or the control unit of the fuel cell system to be activated briefly during the parking phase, to check the ambient or system temperature and, if appropriate, to initiate drying including system start-up, and then switch it off again automatically.

Die Vorrichtung ist in einem Bypass zu einem Wärmetauscher für die Kühlflüssigkeit F angeordnet. Der Wärmetauscher steht in Fluidkommunikation mit der mindestens einen Brennstoffzelle. Der Bypass zweigt stromauf vom Wärmetauscher ab und mündet stromab vom Wärmetauscher. Die Anordnung und Ausgestaltung von Bypass, Wärmetauscher und Brennstoffzelle sind weiter unten näher beschrieben.The device is arranged in a bypass to a heat exchanger for the cooling fluid F. The heat exchanger is in fluid communication with the at least one fuel cell. The bypass branches upstream from the heat exchanger and opens downstream of the heat exchanger. The arrangement and design of the bypass, heat exchanger and fuel cell are described in more detail below.

Das Verfahren kann bevorzugt den Schritt umfassen, wonach zusätzlich auch während einer Aufwärmphase die Vorrichtung von Kühlflüssigkeit F durchströmt wird. Beispielsweise ist es vorteilhaft, während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems das Fluid nicht durch den Wärmetauscher zirkulieren zu lassen. Dadurch verringert sich die Menge an Kühlmittel, die während der Aufwärmphase zum Aufwärmen der Brennstoffzelle erhitzt werden muss. Ferner wird verhindert, dass während der Aufwärmphase das zu erhitzende Kühlmittel im Wärmetauscher wieder abkühlt. Die Aufwärmphase ist dabei die Phase, in der das Brennstoffzellensystem des Kraftfahrzeuges auf die (optimale) Betriebstemperatur erwärmt wird. Die Aufwärmphase bzw. Inbetriebnahme der Brennstoffzelle beginnt mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit dem Erreichen der Betriebstemperatur, ab welcher der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges vom Fahrzeug bzw. einer Steuerung zugelassen wird. Besonders bevorzugt wird die Aufwärmphase der Brennstoffzelle bereits vor der Betätigung des Zündschlüssels bzw. des Starterknopfs aktiviert. Beispielsweise kann die Aufwärmphase durch ein Funksignal oder durch eine Zeitschaltuhr initiiert werden. In einer Ausgestaltung kann der Fahrzeugführer bspw. über eine entsprechende Software eines Mobiltelefons die Aufwärmung des Brennstoffzellensystems starten. Alternativ kann die Aufwärmphase mit dem Signal zum Entriegeln der Zentralverriegelung beginnen.The method may preferably include the step of additionally flowing through the device of cooling liquid F during a warm-up phase. For example, it is advantageous to not circulate the fluid through the heat exchanger during the warm-up phase of the fuel cell system. This reduces the amount of coolant that must be heated during the warm-up phase to warm up the fuel cell. Furthermore, it is prevented that the coolant to be heated in the heat exchanger cools down again during the warm-up phase. The warm-up phase is the phase in which the fuel cell system of the motor vehicle is heated to the (optimal) operating temperature. The warm-up phase or start-up of the fuel cell begins with the activation of the fuel cell system and ends with the reaching of the operating temperature, from which the driving operation of the motor vehicle from the vehicle or a control is permitted. Particularly preferably, the warm-up phase of the fuel cell is activated before the ignition key or the starter button is actuated. For example, the warm-up phase can be initiated by a radio signal or by a timer. In one embodiment, the driver may, for example, start the warming up of the fuel cell system via an appropriate software of a mobile telephone. Alternatively, the warm-up phase may begin with the signal to unlock the central lock.

Das Verfahren kann ferner bevorzugt den Schritt umfassen, wonach die Vorrichtung nur durchströmt wird, wenn die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit oberhalb von einem ersten Grenzwert liegt. Der Grenzwert der Leitfähigkeit kann beispielsweise max. ca. 30 μS/cm, bevorzugt beispielsweise max. ca. 50 μS/cm, und besonders bevorzugt max. ca. 100 μS/cm betragen.The method may further preferably include the step of only flowing through the device when the conductivity of the cooling fluid is above a first threshold. The limit value of the conductivity can be max. about 30 μS / cm, preferably for example max. about 50 μS / cm, and more preferably max. about 100 μS / cm.

Um die beschriebenen Nachteile zu minimieren wird also eine Regelungsstrategie vorgeschlagen, die bei jedem Abschalten des Kraftfahrzeuges bzw. letztlich des Brennstoffzellensystems ein Durchströmen des Ionentauschers sicherstellt. Das Abschalten des Brennstoffzellensystems kann also beispielsweise durch einen Nachlauf des Systems von ca. 60 Sekunden erfolgen, bei dem die Brennstoffzelle für den Nicht-Betrieb konditioniert wird. Hierbei wird vor allem das Produktwasser aus der Brennstoffzelle getrieben, in dem die Luftversorgung der Brennstoffzelle bis zur richtigen Konditionierung im Nachlauf betrieben wird. In dieser Zeit wird nun auch das Kühlsystem mit der Schaltung „kleiner Kühlkreislauf” weiter betrieben um das Durchströmen des Ionentauschers zu gewährleisten. Es wird also regelmäßig ein Ionenaustausch sichergestellt. Ferner verringert sich Dank des „kleinen Kühlkreislaufs” die Brennstoffzellentemperatur nur langsam. Die die Brennstoffzelle durchströmenden Reaktanden weisen daher eine vergleichsweise hohe Temperatur auf und können effizienter Produktwasser aus der Brennstoffzelle entfernen.In order to minimize the described disadvantages, therefore, a control strategy is proposed which ensures a flow through the ion exchanger every time the motor vehicle or, in the end, the fuel cell system is switched off. The switching off of the fuel cell system can thus take place, for example, by a system overrun of about 60 seconds during which the fuel cell is conditioned for non-operation. In this case, above all, the product water is driven out of the fuel cell, in which the air supply of the fuel cell is operated until proper conditioning in the wake. During this time, the cooling system with the circuit "small cooling circuit" is now also operated to ensure the flow through the ion exchanger. So it is regularly ensured an ion exchange. Furthermore, thanks to the "small cooling circuit", the fuel cell temperature decreases only slowly. The reactants flowing through the fuel cell therefore have a comparatively high temperature and can remove product water from the fuel cell more efficiently.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.The technology disclosed herein relates to a fuel cell system having at least one fuel cell. The fuel cell system is for example for mobile applications such as motor vehicles thought. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. The fuel cell includes an anode and a cathode separated by an ion selective separator. The anode has a supply for a fuel to the anode. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode has, for example, a supply of oxidizing agent. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion ®, Flemion ® and Aciplex ®. A fuel cell system comprises at least one fuel cell and peripheral system components (BOP components) that can be used during operation of the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack or stack.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner mindestens einen Wärmetauscher, der zusammen mit der mindestens einen Brennstoffzelle in einem Kühlkreislauf angeordnet ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einen Wärmetauscher um den Kühler bzw. Fahrzeug-Radiator, der zweckmäßig im vorderen Motorraum des Kraftfahrzeuges angeordnet ist und von Fahrtluft durchströmt werden kann.The fuel cell system further comprises at least one heat exchanger, which is arranged together with the at least one fuel cell in a cooling circuit. Preferably, the at least one heat exchanger is the radiator or vehicle radiator, which is expediently arranged in the front engine compartment of the motor vehicle and can be traversed by travel air.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Bypass, insbesondere einen Radiator-Bypass, der von einer Brennstoffzellen-Ableitung stromab der mindestens einen Brennstoffzelle und stromauf des Wärmetauschers abzweigt und in einer Brennstoffzellen-Zuleitung stromauf der Brennstoffzelle und stromab des Wärmetauschers mündet. Die Brennstoffzellen-Ableitung ist dabei der Strömungspfad, durch den das die Brennstoffzelle verlassende Kühlmittel strömt, um zum Wärmetauscher zu gelangen. Die Brennstoffzellen-Zuleitung ist der Strömungspfad, durch den das Kühlmittel strömt, wenn es von dem Wärmetauscher zur Brennstoffzelle fließt. Mit dem Bypass ist es möglich, einen Sub-Kühlkreislauf bzw. kleinen Kreislauf unter Ausschluss des Wärmetauschers zu realisieren.The technology disclosed herein relates to a fuel cell system having at least one bypass, in particular a radiator bypass, which branches off from a fuel cell outlet downstream of the at least one fuel cell and upstream of the heat exchanger and opens in a fuel cell feed line upstream of the fuel cell and downstream of the heat exchanger. The fuel cell discharge line is the flow path through which the coolant leaving the fuel cell flows to reach the heat exchanger. The fuel cell supply line is the flow path through which the coolant flows as it flows from the heat exchanger to the fuel cell. With the bypass, it is possible to realize a sub-cooling circuit or small circuit with the exclusion of the heat exchanger.

Das Brennstoffzellensystem umfasst die zuvor erwähnte mindestens eine Vorrichtung zur Reduktion der Leitfähigkeit einer Kühlflüssigkeit F, die im Bypass angeordnet ist.The fuel cell system comprises the aforementioned at least one device for reducing the conductivity of a cooling fluid F, which is arranged in the bypass.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine oder mehrere Steuerung(en), die geeignet ist/sind, das hier beschriebene Verfahren durchzuführen. Der Begriff Steuerung umfasst dabei eine Vorrichtung, die geeignet ist die Kühlung zu steuern (open loop controller) und/oder zu regeln (closed loop controler). Die mindestens eine Steuerung ist ausgebildet, die aus der mindestens einen Brennstoffzelle austretende Kühlflüssigkeit F aufzuteilen auf einen ersten Strömungspfad F1 durch den Wärmetauscher und einen zweiten Strömungspfad F2 durch den Bypass. Die Steuerung ist ferner derart ausgebildet, dass die Vorrichtung zur Reduktion der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit F während der zuvor beschriebenen Phase durchströmt wird, in der das Kraftfahrzeug abgestellt ist und/oder zum Abstellen vorbereitet wird.The fuel cell system further includes one or more controllers capable of performing the method described herein. The term control here comprises a device which is suitable for controlling the cooling (open loop controller) and / or to regulate (closed loop controler). The at least one controller is designed to divide the cooling liquid F emerging from the at least one fuel cell into a first flow path F 1 through the heat exchanger and a second flow path F 2 through the bypass. The controller is further designed such that the device for reducing the conductivity of the cooling liquid F is flowed through during the previously described phase in which the motor vehicle is parked and / or prepared for parking.

Bevorzugt kann die Steuerung die Kühlflüssigkeit derart aufteilen, dass zusätzlich auch während der Aufwärmphase zu Beginn des Brennstoffzellenbetriebs die Vorrichtung von Kühlflüssigkeit F durchströmt wird. Die Vorrichtung kann ferner fluidisch parallel zu einem Abschnitt der Bypassleitung angeordnet sein.Preferably, the controller can divide the cooling liquid such that the device is additionally flowed through by cooling liquid F during the warm-up phase at the beginning of the fuel cell operation. The device may further be arranged fluidly parallel to a portion of the bypass line.

Die Steuerung kann bevorzugt die Kühlflüssigkeit derart zwischen dem Abschnitt der Bypassleitung und der Vorrichtung aufteilen, dass die Vorrichtung nur dann durchströmt wird, wenn die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit oberhalb von einem ersten Grenzwert liegt. Somit kann der Strömungswiderstand der Kühlflüssigkeit verringert werden. Die Aufteilung der Kühlflüssigkeit kann durch vorbekannte Ventileinrichtungen erfolgen, wie beispielsweise durch das nachstehend beschriebene Zuleitungsventil.The controller may preferably divide the cooling liquid between the section of the bypass line and the device so that the device is only flowed through when the conductivity of the cooling liquid is above a first limit value. Thus, the flow resistance of the cooling liquid can be reduced. The division of the cooling liquid can be carried out by known valve devices, such as by the feed valve described below.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert.The technology disclosed here will now be described with reference to the schematic 1 explained.

1 zeigt ein Kühlsystem eines Brennstoffzellensystems mit einem Kühlkreislauf 210, 220, einem Kühler 300, der durch einen Ventilator 310 unterstützt sein kann, sowie zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasste Brennstoffzellen 100. In der Zuleitung 220 ist zwischen dem Dreiwegeventil 234 und dem Brennstoffzellenstapel die Pumpvorrichtung P1 angeordnet. Die Pumpvorrichtung P1 ist derart ausgelegt, dass sie genügend Kühlmittel sowohl während der Aufwärmphase als auch während der normalen Kühl- bzw. Betriebsphase bereitstellen kann. Aufgrund der geringen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 100 ist eine vergleichsweise leistungsstarke Pumpvorrichtung notwendig, die mit einer Spannung oberhalb der Bordnetzspannung betrieben wird. Während der Aufwärmphase bzw. während des (vorgezogenen) Nachlaufs schließt das Dreiwegeventil den Strömungspfad 224 und ermöglicht eine Bypass-Strömung über die Strömungspfade 212, 230 und 222. Während der aktiven Kühlphase fördert die Pumpvorrichtung das Kühlmittel F zum Kühler 300. Im Kühler 300 kühlt sich das Kühlmittel F ab, bevor es über die Zuleitung 220 wieder in die Brennstoffzelle 100 gefördert wird. Hinsichtlich der Pumpvorrichtung können auch andere Konfigurationen eingesetzt werden. Alternativ können zwei Pumpvorrichtungen derart ausgebildet und eingesetzt werden, wie es in der auf die Anmelderin zurück gehenden Patentanmeldung DE 10 2015 202 778.3 angegeben ist, deren Inhalt, insbesondere den Inhalt der 2 und 3 sowie deren Beschreibung, hiermit durch Verweis mit aufgenommen wird. 1 shows a cooling system of a fuel cell system with a cooling circuit 210 . 220 , a cooler 300 by a fan 310 can be supported, as well as to a fuel cell stack combined fuel cells 100 , In the supply line 220 is between the three-way valve 234 and the fuel cell stack, the pumping device P 1 is arranged. The pumping device P 1 is designed such that it can provide sufficient coolant both during the warm-up phase and during the normal cooling or operating phase. Due to the low operating temperature of the fuel cell 100 is a comparatively powerful pumping device necessary, which is operated with a voltage above the vehicle electrical system voltage. During the warm-up phase or during the (early) wake, the three-way valve closes the flow path 224 and allows a bypass flow over the flow paths 212 . 230 and 222 , During the active cooling phase, the pumping device delivers the coolant F to the radiator 300 , In the cooler 300 that cools Coolant F off before passing it over the supply line 220 back to the fuel cell 100 is encouraged. With regard to the pumping device, other configurations may be used. Alternatively, two pumping devices can be designed and used in such a way as in the applicant's patent application DE 10 2015 202 778.3 the content of which, in particular the content of the 2 and 3 and their description, hereby incorporated by reference.

Der erste Strömungspfad 214 fördert Kühlflüssigkeit F, von der Abzweigung 232 des Bypasses 230 zum Wärmetauscher 300. Der zweite Strömungspfad 230 ist der Bypass 230. In der Mündung 234 und/oder in der Abzweigung 232 können Ventile vorgesehen ein, wie beispielsweise das hier gezeigte Zuleitungsventil 232, die den Kühlflüssigkeitsstrom F basierend auf ein Signal einer hier nicht gezeigten Steuerung aufteilen auf den ersten und zweiten Strömungspfad. Ferner könnten in den Strömungspfaden 214, 224, 230 geeignete Ventile vorgesehen sein. Nicht dargestellt in 1 ist ein Wärmetauscher bzw. eine Heizvorrichtung, die während der Aufwärmphase das Kühlmittel und letztendlich die Brennstoffzelle 100 erwärmen kann.The first flow path 214 promotes cooling fluid F, from the diversion 232 of the bypass 230 to the heat exchanger 300 , The second flow path 230 is the bypass 230 , In the estuary 234 and / or in the branch 232 For example, valves may be provided such as the supply valve shown here 232 dividing the cooling liquid flow F into the first and second flow paths based on a signal from a controller not shown here. Further, in the flow paths could 214 . 224 . 230 suitable valves may be provided. Not shown in 1 is a heat exchanger or a heating device during the warm-up phase, the coolant and ultimately the fuel cell 100 can warm up.

Im Bypass ist die Vorrichtung zur Reduktion der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit F parallel zu einem Abschnitt 236 vom Bypass 230 angeordnet. Ist eine Deionisierung während des Bypass-Betriebes nicht erforderlich, kann über eine geeignete Schaltung auch die Vorrichtung über einen Bypass („Vorrichtungs-Bypass”) umgangen werden. Somit verringert sich der Strömungswiderstand und letztendlich der Energiebedarf.In the bypass, the device for reducing the conductivity of the cooling fluid F is parallel to a section 236 from the bypass 230 arranged. If deionization is not required during bypass operation, the device can also be bypassed via a bypass ("device bypass") via suitable circuitry. This reduces the flow resistance and ultimately the energy requirement.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (7)

Verfahren zur Reduktion der Leitfähigkeit einer Kühlflüssigkeit (F), die mindestens eine Brennstoffzelle (100) durchströmt, umfassend den Schritt: – Durchströmen von mindestens einer Vorrichtung (240) zur Reduktion der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit (F) während einer Phase, in der das Kraftfahrzeug abgestellt ist und/oder zum Abstellen vorbereitet wird, – wobei die Vorrichtung (240) in einem Bypass (230) zu einem Wärmetauscher (300) für die Kühlflüssigkeit (F) angeordnet ist.Method for reducing the conductivity of a cooling liquid (F) comprising at least one fuel cell ( 100 ), comprising the step of: - flowing through at least one device ( 240 ) for reducing the conductivity of the cooling fluid (F) during a phase in which the motor vehicle is parked and / or prepared for parking, - wherein the device ( 240 ) in a bypass ( 230 ) to a heat exchanger ( 300 ) is arranged for the cooling liquid (F). Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich auch während einer Aufwärmphase der mindestens einen Brennstoffzelle (100) die Vorrichtung (240) von Kühlflüssigkeit (F) durchströmt wird.Method according to claim 1, wherein additionally during a warm-up phase the at least one fuel cell ( 100 ) the device ( 240 ) by cooling liquid (F) is flowed through. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (240) nur durchströmt wird, wenn die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit (F) oberhalb von einem ersten Grenzwert liegt.Method according to claim 1 or 2, wherein the device ( 240 ) is only flowed through, if the conductivity of the cooling liquid (F) is above a first limit value. Brennstoffzellensystem, umfassend: – mindestens eine Brennstoffzelle (100); – mindestens einen Wärmetauscher (300), der zusammen mit der mindestens einen Brennstoffzelle (100) in einem Kühlkreislauf (210, 220) angeordnet ist; – mindestens einen Bypass (230), der von einer Brennstoffzellen-Ableitung (210) stromab der Brennstoffzelle (100) und stromauf des Wärmetauschers (300) abzweigt und in einer Brennstoffzellen-Zuleitung (220) stromauf der Brennstoffzelle (100) und stromab des Wärmetauschers (300) mündet; – mindestens eine Vorrichtung (240) zur Reduktion der Leitfähigkeit einer Kühlflüssigkeit (F), die im Bypass (230) angeordnet ist; und – mindestens eine Steuerung, die ausgebildet ist, die aus der mindestens einen Brennstoffzelle (100) austretende Kühlflüssigkeit aufzuteilen auf einen ersten Strömungspfad (214) durch den Wärmetauscher (300) und einen zweiten Strömungspfad durch den Bypass (230); wobei die Steuerung derart ausgebildet ist, dass die Vorrichtung (240) zur Reduktion der Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit (F) während einer Phase durchströmt wird, in der das Kraftfahrzeug abgestellt ist und/oder zum Abstellen vorbereitet wirdA fuel cell system comprising: - at least one fuel cell ( 100 ); At least one heat exchanger ( 300 ), which together with the at least one fuel cell ( 100 ) in a cooling circuit ( 210 . 220 ) is arranged; - at least one bypass ( 230 ) derived from a fuel cell lead ( 210 ) downstream of the fuel cell ( 100 ) and upstream of the heat exchanger ( 300 ) branches off and in a fuel cell supply line ( 220 ) upstream of the fuel cell ( 100 ) and downstream of the heat exchanger ( 300 ) opens; At least one device ( 240 ) for reducing the conductivity of a cooling fluid (F) in the bypass ( 230 ) is arranged; and at least one controller, which is formed from the at least one fuel cell ( 100 ) separating cooling liquid on a first flow path ( 214 ) through the heat exchanger ( 300 ) and a second flow path through the bypass ( 230 ); wherein the controller is designed such that the device ( 240 ) to reduce the conductivity of the cooling liquid (F) is flowed through during a phase in which the motor vehicle is parked and / or prepared for parking Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Steuerung die Kühlflüssigkeit derart aufteilt, dass zusätzlich auch während einer Aufwärmphase die Vorrichtung (240) von Kühlflüssigkeit (F) durchströmt wird.Fuel cell system according to claim 4, wherein the controller divides the cooling liquid such that in addition during a warm-up phase, the device ( 240 ) by cooling liquid (F) is flowed through. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Vorrichtung (240) fluidisch parallel zu einem Abschnitt (236) der Bypassleitung (230) angeordnet ist.Fuel cell system according to claim 4 or 5, wherein the device ( 240 ) fluidly parallel to a section ( 236 ) of the bypass line ( 230 ) is arranged. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei die Steuerung derart die Kühlflüssigkeit (F) zwischen dem Abschnitt (236) der Bypassleitung (230) und der Vorrichtung (240) aufteilt, dass die Vorrichtung (240) nur dann durchströmt wird, wenn die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit (F) oberhalb von einem ersten Grenzwert liegt.A fuel cell system according to claim 4, 5 or 6, wherein the controller is in such a way the cooling liquid (F) between the section ( 236 ) of the bypass line ( 230 ) and the device ( 240 ) divides the device ( 240 ) is only flowed through, if the conductivity of the cooling liquid (F) is above a first limit value.
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