DE102015215790A1

DE102015215790A1 - Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil, Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf sowie Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels in einer Brennstoffzellen-Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102015215790A1
Application number: DE102015215790.3A
Authority: DE
Inventors: Robert Stelzner; Tobias Jaeckel; Tino Koch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2017-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (100) für ein Brennstoffzellensystem (1) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, mit einem mittels einer Kühlmittelpumpe (112, 122, ...) in einem Kühlmittelkreis (110, 120, 140, ...) des Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislaufs (100) zirkulierbaren Kühlmittel (7), welches durch einen Ionenfilter (144) des Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislaufs (100) filterbar ist, wobei der Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (100) ein Ventil (200) aufweist, und mittels der Kühlmittelpumpe (112, 122, ...) und des Ventils (200) das Kühlwasser (7) wenigstens eines Kühlmittelkreises (110, 120, 140, ...) durch den Ionenfilter (144) hindurchpumpbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil (200) für ein Brennstoffzellensystem (1) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels (7) in einem Brennstoffzellensystem (1) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, bevorzugt zeitlich nach einer vergleichsweise langen Standzeit des Fahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil für ein Brennstoffzellensystem, vorzugsweise eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellen-Kühleinrichtung oder ein Brennstoffzellensystem.
Eine Brennstoffzelle nutzt eine chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anode und einer Kathode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb einer Einzelzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld den Bipolarplatten der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu 2H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (2e^–) stattfindet. Durch den Elektrolyten oder die Membran hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport von Protonen (H⁺) aus einem Anodenraum heraus in einen Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) der Kathode zugeleitet.
Der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O₂) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu 2O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum gebildete Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membran hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser.
Um einen Brennstoffzellenstapel, nachfolgend hauptsächlich auch als Brennstoffzelle bezeichnet, mit Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für eine Zuführung des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad zur Abführung eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für eine Zuführung des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad zur Abführung eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf.
In einem Fahrzeug mit Brennstoffzelle kommt ein spezielles Kühlmittel zum Einsatz, da das Kühlmittel Teil eines Hochvoltsystems der Brennstoffzelle ist. Damit es nicht zu einem Kurzschluss innerhalb der Brennstoffzelle kommt, darf eine festgelegte elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels nicht überschritten werden. Die Leitfähigkeit des Kühlmittels muss ferner aus Gründen der Funktionssicherheit und des Personenschutzes gering gehalten werden, da es sonst bei einem Berühren einer kühlmittelführenden Komponente, zum Beispiel eines Wasserkühlers, zu einem elektrischen Schlag kommen kann. Durch elektrochemische Vorgänge können Ionen – also Kationen und/oder Anionen – in das Kühlmittel eingetragen werden. Diese stammen zum Beispiel von Verunreinigungen, wie beispielsweise einem Flussmittel in einem gelöteten Kühler, oder werden direkt aus einem Material, zum Beispiel einem EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) eines Schlauchs, herausgelöst.
Diese Ionen können mithilfe eines Filters aus dem Kühlmittel gefiltert, das heißt entfernt werden. Wenn das Fahrzeug jedoch lange nicht gefahren wird, weil es zum Beispiel an einem Flughafen während einer Dienstreise oder eines Urlaubs steht, ist es vor einem ersten Startvorgang nach Beendigung der Reise, notwendig, dass das Kühlmittel der Brennstoffzelle erst dekontaminiert wird, bevor die Brennstoffzelle einen signifikanten elektrischen Strom produzieren darf. Da das Kühlmittel direkt durch die spannungsführenden Bereiche der Brennstoffzelle geleitet wird, muss die Leitfähigkeit unterhalb eines Grenzwerts liegen, bevor die Brennstoffzelle gegebenenfalls vollständig aktiviert werden darf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sicher betreiben zu können, ohne dass es zu einem Kurzschluss innerhalb der Brennstoffzelle kommt oder sich über eine kühlmittelführende Komponente eine elektrisch leitfähige Verbindung in das Innere der Brennstoffzelle ergeben kann. Dies soll insbesondere dann sichergestellt sein, wenn die Brennstoffzelle für eine längere Zeit nicht betrieben worden ist und man davon ausgehen kann, dass das Kühlmittel der Brennstoffzelle mit Ionen kontaminiert ist. Hierbei soll für ein Brennstoffzellensystem ein entsprechendes Entlüftungsventil, ein entsprechender Kühlmittelkreislauf sowie ein entsprechendes Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels angegeben werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels eines Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventils, mittels eines Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislaufs, durch ein Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels in einem Brennstoffzellensystem, und mittels einer Brennstoffzellen-Kühleinrichtung oder einem Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil, nachfolgend lediglich als Entlüftungsventil bezeichnet, umfasst einen, innen im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildeten, äußeren Ventilkörper mit einer Mehrzahl von Ventilkörper-Anschlüssen und einem darin befindlichen, außen im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten, inneren Ventilglied mit einem Ventilglied-Außenanschluss. Mittels einer Verdreh-Schaltstellung des Ventilglieds gegenüber dem Ventilkörper ist ein Ventilkörper-Anschluss oder eine Mehrzahl der Ventilkörper-Anschlüsse mit dem Ventilglied-Außenanschluss in Fluidkommunikation bringbar.
Eine Verdreh-Schaltstellung kann auch als eine Filter-Schaltstellung (siehe unten) bezeichnet werden. Bevorzugt weist das Ventilglied lediglich einen einzigen Ventilglied-Außenanschluss auf. Das heißt, dass eine vorhandene Fluidkommunikation eines Kühlmittels durch das Entlüftungsventil hindurch immer durch wenigstens einen Ventilkörper-Anschluss und den einzigen Ventilglied-Außenanschluss hindurch erfolgt. Das Entlüftungsventil ist auch als ein drehrichtungsgesteuertes Ventil oder als ein Drehkolbenventil bezeichenbar.
In Ausführungsbeispielen sind mittels einer Verdreh-Schaltstellung des Ventilglieds gegenüber dem Ventilkörper, die Ventilkörper-Anschlüsse gegeneinander fluidgedichtet, wobei mittels dieser Verdreh-Schaltstellung lediglich ein einziger Ventilkörper-Anschluss mit dem Ventilglied-Außenanschluss in Fluidkommunikation bringbar ist. Ferner sind mittels einer Verdreh-Schaltstellung des Ventilglieds gegenüber dem Ventilkörper wenigstens zwei Ventilkörper-Anschlüsse in Fluidkommunikation bringbar, wobei mittels dieser Verdreh-Schaltstellung die wenigstens zwei Ventilkörper-Anschlüsse mit dem Ventilglied-Außenanschluss in Fluidkommunikation bringbar sind.
Darüber hinaus ist es natürlich möglich, mittels einer Verdreh-Schaltstellung des Ventilglieds gegenüber dem Ventilkörper sämtliche Ventilkörper-Anschlüsse gegenüber dem Ventilglied-Außenanschluss in Fluidkommunikation zu bringen. Des Weiteren ist gegebenenfalls eine Verdreh-Schaltstellung anwendbar, mittels welcher sämtliche Ventilanschlüsse gegeneinander fluidgedichtet sind.
Bevorzugt ist das Entlüftungsventil als ein 4/4-Wegeventil ausgebildet. Hierbei dient eine erste Schaltstellung des Entlüftungsventils einem Spülen eines Kühlmittelkreises oder einer Mehrzahl von Kühlmittelkreisen, eine zweite Schaltstellung einer Entlüftung eines Kühlers und einer Brennstoffzelle, eine dritte Schaltstellung einer Entlüftung eines Wärmetauschers einer Fahrgastzellen-Heizeinrichtung und eine vierte Schaltstellung einer Betriebsentlüftung eines Kühlmittelkreislaufs des Brennstoffzellensystems. Beim Spülen wird ein in dem Kühlmittelkreis oder in den Kühlmittelkreisen befindliches Kühlmittel durch einen Ionenfilter des Brennstoffzellensystems hindurchgepumpt.
Es ist natürlich möglich, je nach einem Brennstoffzellensystem, das Entlüftungsventil als ein Ventil zu konfigurieren, welches eine andere Anzahl von Anschlüssen und/oder eine andere Anzahl von Wegen aufweist. Ferner ist es natürlich möglich, das Entlüftungsventil auf eine andere Weise in einem Kühlmittelkreislauf zu verschalten.
In Ausführungsbeispielen des Entlüftungsventils erstreckt sich der Ventilglied-Außenanschluss ferner als eine Axialbohrung in eine Längsrichtung des Ventilglieds in das Ventilglied hinein. Hierbei kann das Ventilglied korrespondierend zu den Ventilkörper-Anschlüssen Ventilglied-Innenanschlüsse aufweisen, wobei ein jeweiliger Ventilglied-Innenanschluss wenigstens eine wenigstens auch radial verlaufende Bohrung im Ventilglied umfasst.
Hierbei ist die Axialbohrung bevorzugt zentral im Ventilglied aufgenommen und insbesondere als eine Sacklochbohrung ausgebildet. Das heißt, das Ventilglied ist axial gegenüberliegend zum Ventilglied-Außenanschluss fluiddicht ausgebildet. In Ausführungsbeispielen sind die Ventilkörper-Anschlüsse und/oder die Ventilglied-Innenanschlüsse, abgesehen von einem Versatz in Axialrichtung des Entlüftungsventils, jeweils untereinander in eine Umfangsrichtung versetzt zueinander am/im Ventilkörper beziehungsweise im Ventilglied eingerichtet. Hierbei kann eine Rasterung in Umfangsrichtung angewendet sein (siehe im Folgenden). Auch eine axial im Wesentlichen lineare Anordnung von Ventilkörper-Anschlüssen und/oder von Ventilglied-Innenanschlüssen ist anwendbar.
In Ausführungsbeispielen weist insbesondere wenigstens ein Ventilglied-Innenanschluss eine Mehrzahl von radial verlaufenden Bohrungen im Ventilglied auf. Bevorzugt überbrückt dabei die betreffende Bohrung, abgesehen von der Axialbohrung im Ventilglied, im Wesentlichen einen halben Durchmesser des Ventilglieds (Distanz zwischen einer Außenseite des Ventilglieds zur Axialbohrung). Hierbei kann in eine Projektion in eine Radialebene eine dieser Bohrungen wenigstens in Radialrichtung des Ventilglieds eine im Wesentlichen gleiche Lage aufweisen wie eine Bohrung wenigstens eines anderen Ventilglied-Innenanschlusses. Natürlich ist es möglich, für einen oder eine Mehrzahl von Ventilglied-Innenanschlüssen jeweils wenigstens eine Bohrung in Radialrichtung vorzusehen, welche keine gleichen Lagen in Radialrichtung untereinander aufweisen (wiederum in einer Projektion in eine Radialebene).
Insbesondere ist es in Ausführungsbeispielen möglich, eine Vielzahl oder sämtliche Bohrungen einer Mehrzahl oder sämtlicher Ventilglied-Innenanschlüsse in Umfangsrichtung zu rastern. Das heißt, die Radialverläufe der jeweiligen Bohrungen der betreffenden Ventilglied-Innenanschlüsse weisen in einer Projektion in eine Radialebene des Ventilglieds in Bezug auf das Raster lediglich die Lagen des Rasters auf. Das heißt, in Ausführungsbeispielen sind die Bohrungen einer Mehrzahl oder aller Ventilglied-Innenanschlüsse winkelsymmetrisch zueinander im Ventilglied eingerichtet. Das heißt, eine Rotation einer Lage einer Bohrung in einer Radialebene (als einer Projektion der Bohrung) um ein ganzzahliges Vielfaches eines Winkels (Rasterweite) bildet diese Bohrung immer auf eine Projektion einer anderen Bohrung ab, was bevorzugt für sämtliche Bohrungen des Ventilglieds gilt.
Anwendbare Winkel zweier Bohrungen derselben oder zweier unterschiedlicher Ventilglied-Innenanschlüsse sind zum Beispiel 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 105°, 120°, 135°, 150°, 165° oder 180°. Dementsprechend ergibt sich ein 10°-, ein 15°-, ein 30°-, ein 45°-, ein 60°-, ein 90°- oder ein 120°-Raster. Bevorzugt addiert sich dabei eine Vielzahl von Rasterweiten zu 360°. Es ist natürlich möglich, ein beliebiges anderes Raster mit Rasterweiten von wenigen Grad bis zu kleiner als 120° anzuwenden. Hierbei können Ventilkörper-Anschlüsse axial im Wesentlichen linear und/oder in Umfangsrichtung zum Beispiel mit einer solchen Umfangsrasterung angeordnet sein.
In Ausführungsbeispielen ist eine axiale Verlagerbarkeit des Ventilglieds gegenüber dem Ventilkörper eingerichtet, das heißt, das Entlüftungsventil besitzt wenigstens zwei Linear-Schaltstellungen. In anderen Ausführungsbeispielen ist dies nicht gegebenen, das heißt, hier weist das Ventilglied lediglich ein axiales Spiel gegenüber dem Ventilkörper auf. Das erfindungsgemäße Entlüftungsventil eignet sich zum Beispiel für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (siehe im Folgenden) oder für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels in einem Brennstoffzellensystem (siehe unten).
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf, nachfolgend lediglich als Kühlmittelkreislauf bezeichnet, umfasst ein mittels einer Kühlmittelpumpe in einem Kühlmittelkreis des Kühlmittelkreislaufs zirkulierbares Kühlmittel, welches durch einen Ionenfilter des Kühlmittelkreislaufs filterbar ist, wobei der Kühlmittelkreislauf ein Ventil aufweist, und mittels der Kühlmittelpumpe und des Ventils das Kühlwasser wenigstens eines Kühlmittelkreises durch den Ionenfilter hindurchpumpbar ist (Spülen). Das heißt, mittels der wenigstens einen Kühlmittelpumpe und einer Filter-Schaltstellung des Ventils im Kühlmittelkreislauf ist ein zunächst ruhendes, das heißt nicht zirkulierendes, Kühlmittel wenigstens eines Kühlmittelkreises des Kühlmittelkreislaufs durch den Ionenfilter hindurchpumpbar.
In Ausführungsbeispielen weist der Kühlmittelkreislauf einen eine Brennstoffzelle einschließenden ersten Kühlmittelkreis sowie einen weiteren, einen Ionenfilter aufweisenden und an den ersten Kühlmittelkreis anschließbaren Kühlmittelkreis auf, wobei der Kühlmittelkreislauf ein erfindungsgemäßes Entlüftungsventil aufweist, das derart angeordnet ist, dass in einer Filter-Schaltstellung des Entlüftungsventils eine Förderung eines im Kühlmittelkreislauf zirkulierbaren Kühlmittels durch den, den Ionenfilter aufweisenden weiteren Kühlmittelkreis ermöglicht ist.
Dies ist in Ausführungsbeispielen derart durchführbar, dass ein Kühlwasser eines oder einer Mehrzahl von Kühlmittelkreisen sukzessive durch den Ionenfilter hindurchpumpbar ist. Hierfür kann eine einzelne Filter-Schaltstellung angewendet werden. Hierbei ist es möglich, eine Mehrzahl oder sämtliche Kühlmittelkreise zusammen, indem sie zum Beispiel fluidmechanisch in Reihe oder parallel geschaltet sind, durch den Ionenfilter hindurchpumpbar vorzusehen, wobei lediglich eine Kühlmittelpumpe oder auch eine Mehrzahl von Kühlmittelpumpen aktiv sein können. Ferner ist es möglich, mit einer zweiten Filter-Schaltstellung wiederum ein Kühlwasser eines oder einer Mehrzahl von Kühlmittelkreisen durch den Ionenfilter hindurchpumpbar vorzusehen.
Bevorzugt ist hierbei die Brennstoffzelle selbst inaktiv oder lediglich gering aktiv, das heißt, sie produziert keinen oder nur einen geringen elektrischen Strom. In Ausführungsbeispielen ist der Ionenfilter in einem Ausgleichsbehälter untergebracht, der fluidmechanisch zum Beispiel in eine Entlüftungsleitung des Kühlmittelkreislaufs eingekoppelt ist. In anderen Ausführungsbeispielen ist der Ionenfilter nicht im Ausgleichsbehälter untergebracht und bevorzugt stromabwärts des Ausgleichsbehälters in der Entlüftungsleitung vorgesehen. Auch ein stromaufwärtiges Vorsehen des Ionenfilters vor dem Ausgleichsbehälter ist natürlich anwendbar. In Ausführungsbeispielen ist das Ventil als ein Entlüftungsventil ausgebildet.
In Ausführungsbeispielen ist ein Leitungsabschnitt einer Entlüftungsleitung des Kühlmittelkreislaufs mittels des Ventils konstituiert, wobei die Entlüftungsleitung einen Entlüftungskreis für einen Kühlmittelkreis der Brennstoffzelle bildet und ferner an das Ventil wenigstens ein weiterer Kühlmittelkreis angeschlossen ist. Die Entlüftungsleitung ist dabei bevorzugt stromaufwärts der oder an die Brennstoffzelle und/oder bevorzugt stromabwärts der oder an die Brennstoffzelle in den Kühlmittelkreislauf fluidmechanisch eingebunden beziehungsweise an den Kühlmittelkreis der Brennstoffzelle fluidmechanisch angeschlossen und konstituiert damit (Fluidpfad durch die Brennstoffzelle) den Entlüftungskreis.
Bevorzugt sind dabei der Kühlmittelkreis der Brennstoffzelle (ein sogenannter Kühlkreis des Kühlmittelkreislaufs) und ein Kühlmittelkreis einer Fahrgastzellen-Heizeinrichtung (ein sogenannter Heizkreis des Kühlmittelkreislaufs) an einen Ventilkörper des Ventils angeschlossen. Ferner kann ein Kühlmittelkreis des Ausgleichsbehälters (der Entlüftungskreis des Kühlmittelkreislaufs) und/oder ein Kühlmittelkreis des Ionenfilters (bevorzugt ebenfalls der Entlüftungskreis) beziehungsweise die Entlüftungsleitung an ein Ventilglied des Ventils angeschlossen sein, wobei dieser Fluidpfad bevorzugt durch einen Anschluss im/am Ventilkörper des Ventils fortsetzbar ist.
Gemäß der Erfindung weist der Kühlkreis der Brennstoffzelle bevorzugt die Brennstoffzelle, den Kühler, insbesondere den Hauptkühler, ein Ventil, insbesondere ein Thermostatventil, eine Bypassleitung, eine Heizeinrichtung und/oder die Kühlmittelpumpe mit Motor beziehungsweise Antrieb, insbesondere eine Haupt-Kühlmittelpumpe, etc. auf. Des Weiteren weist gemäß der Erfindung der Heizkreis der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung bevorzugt einen Wärmetauscher der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung, ein Schaltventil, eine Kühlmittelpumpe mit Motor beziehungsweise Antrieb und/oder Anschlüsse an den Kühlkreis der Brennstoffzelle etc. auf. Darüber hinaus weist gemäß der Erfindung der Entlüftungskreis bevorzugt die Entlüftungsleitung, den Ausgleichsbehälter, den Ionenfilter, das Ventil, ein oder eine Mehrzahl von Rückschlagventilen und/oder ein oder eine Mehrzahl von weiteren Anschlüssen an den Kühlmittelkreislauf etc. auf.
In Ausführungsbeispielen ist ein Ventilanschluss, insbesondere ein Ventilkörper-Anschluss, des Ventils stromabwärts der Brennstoffzelle fluidmechanisch an den Kühlmittelkreis angeschlossen. Ferner ist in Ausführungsbeispielen ein Ventilanschluss, insbesondere ein Ventilkörper-Anschluss, des Ventils bevorzugt über ein Rückschlagventil, insbesondere stromabwärts eines Wärmetauschers der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung, an den Kühlmittelkreis der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung fluidmechanisch angeschlossen. Des Weiteren ist in Ausführungsbeispielen ein Ventilanschluss, insbesondere ein Ventilkörper-Anschluss, des Ventils bevorzugt über ein Rückschlagventil stromaufwärts des Kühlers an den Kühlmittelkreis fluidmechanisch angeschlossen. Darüber hinaus ist in Ausführungsbeispielen ein Ventilanschluss, insbesondere ein Ventilglied-Anschluss, des Ventils stromaufwärts der Brennstoffzelle fluidmechanisch an den Kühlmittelkreis angeschlossen.
Statt einem fluidmechanischen Anschluss des Ventils stromabwärts und/oder stromaufwärts der Brennstoffzelle ist es möglich, den fluidmechanischen Anschluss stromabwärts beziehungsweise stromaufwärts der eigentlichen Brennstoffzelle an der Brennstoffzelle selbst vorzunehmen. Der stromaufwärtige Anschluss des Ventils an die Brennstoffzelle erfolgt bevorzugt ferner stromaufwärts der Kühlmittelpumpe im Kühlkreis der Brennstoffzelle. Das betreffende Rückschlagventil sperrt bevorzugt in Richtung des Kühlmittelkreises der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung und/oder in Richtung des Kühlers. Das Ventil ist in Ausführungsbeispielen als ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil ausgebildet (siehe oben). Mittels des erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufs ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels in einem Brennstoffzellensystem durchführbar (siehe im Folgenden).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels in einem Brennstoffzellensystem kann das Kühlmittel eines Kühlmittelkreises eines Kühlmittelkreislaufs des Brennstoffzellensystems einen Ionenfilter des Kühlmittelkreislaufs passieren, wobei durch eine Filter-Schaltstellung eines Ventils im Kühlmittelkreislauf ein zunächst ruhendes, das heißt nicht zirkulierendes, Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe wenigstens eines Kühlmittelkreises durch den Ionenfilter hindurchgepumpt wird (Spülen).
In Ausführungsbeispielen ist das Verfahren zum Filtern des Kühlmittels als ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislaufs ausgebildet, wobei bei Vorliegen einer Filterbedingung für das Kühlmittel, insbesondere nach Überschreiten einer Grenzstandzeit des Brennstoffzellensystems, das Entlüftungsventil in eine Filter-Schaltstellung des Entlüftungsventils im Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf geschaltet wird und das Kühlmittel durch den Ionenfilter gefördert wird.
Das heißt der Kühlmittelkreislauf weist das Ventil derart auf, dass mittels der wenigstens einen Kühlmittelpumpe und des Ventils, das Kühlwasser wenigstens eines Kühlmittelkreises des Kühlmittelkreislaufs durch den Ionenfilter hindurchgepumpt wird. Es ist in Ausführungsbeispielen möglich, das Kühlwasser einer Mehrzahl von Kühlmittelkreisen sukzessive, in Reihe oder parallel durch den Ionenfilter hindurch zu pumpen. Hierfür wird bevorzugt eine einzelne Filter-Schaltstellung angewendet. Natürlich können hierfür auch eine Mehrzahl von Filter-Schaltstellungen angewendet werden.
Wird ein Kühlwasser eines oder einer Mehrzahl von Kühlmittelkreisen zeitlich nach einem Kühlwasser eines oder einer Mehrzahl von Kühlmittelkreisen durch den Ionenfilter hindurchgepumpt, so ist es möglich, eine Zirkulationsrichtung des Kühlwassers im betreffenden Kühlmittelkreislauf umzukehren. Natürlich ist es in Ausführungsbeispielen möglich, die Zirkulationsrichtung des Kühlwassers beizubehalten.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das Verfahren zeitlich vor einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelle oder zeitlich vor einem Start des Fahrzeugs durchgeführt. Das heißt, bevorzugt ist beim Durchführen des Verfahrens die Brennstoffzelle selbst inaktiv oder lediglich gering aktiv. In Ausführungsbeispielen wird das Verfahren lediglich nach einer Standzeit von wenigstens acht, zehn, zwölf, vierzehn, achtzehn, zweiundzwanzig, sechsundzwanzig oder dreißig Tagen plus/minus einen Tag, zeitlich bevorzugt direkt vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle oder dem Start des Fahrzeugs durchgeführt. Das Verfahren kann auch nach eben angegebenen Standzeiten bei inaktiver oder lediglich gering aktiver Brennstoffzelle selbständig durch das Fahrzeug beziehungsweise die Brennstoffzelle durchgeführt werden.
In Ausführungsbeispielen wird das Verfahren dann durchgeführt, wenn eine Leitfähigkeitsmessung eine elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels ermittelt, welche außerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Das heißt in wenigstens einem Bereich des Kühlmittels ist dessen elektrische Leitfähigkeit zu hoch. Hierbei kann die Leitfähigkeitsmessung in wenigstens einem Kühlmittelkreis durchgeführt werden. Die Leitfähigkeit des Kühlmittels kann auch durch eine Modellbildung zum Beispiel in einem geeigneten Steuergerät ermittelt werden. In Ausführungsbeispielen ist das Ventil als ein Entlüftungsventil ausgebildet.
In Ausführungsbeispielen stehen in einer Betriebs-Schaltstellung des Ventils sämtliche daran angeschlossene Kühlmittelkreise miteinander in Fluidkommunikation. Ferner wird in Ausführungsbeispielen durch eine Filter-Schaltstellung des Ventils, ein jeweils zunächst ruhendes Kühlmittel eines Kühlmittelkreises oder einer Mehrzahl von Kühlmittelkreisen sukzessive durch den Ionenfilter hindurchgepumpt. Unter der oder einer Betriebs-Schaltstellung ist diejenige Schaltstellung des Ventils zu verstehen, bei welcher die Brennstoffzelle aktiv ist. Das heißt zum Beispiel, dass das Fahrzeug durch einen von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Strom angetrieben wird. Hierbei kann, beispielsweise je nach einem Betriebspunkt oder Betriebsbereich der Brennstoffzelle, eine Mehrzahl von Betriebs-Schaltstellungen vorgesehen sein.
So ergibt sich zum Beispiel für ein Ventil mit vier Anschlüssen eine entsprechende Anzahl von schaltbaren Wegen (Schaltstellungen), wobei das Ventil in einem Ausführungsbeispiel als ein 4/4-Wegeventil ausgebildet ist. Eine andere Konfiguration des Ventils ist natürlich je nach Kühlmittelkreislauf möglich. Durch ein solches Ventil hindurch ist das jeweils ruhende Kühlmittel von einem, bevorzugt zwei oder einer Vielzahl von Kühlmittelkreisen mittels der Kühlmittelpumpe(n) durch den Ionenfilter hindurchpumpbar (Filter-Schaltstellung(en)). Ferner ist es zusätzlich möglich, mit einer anderen Schaltstellung (Entlüftungs-Schaltstellung(en)) des Ventils einen Abschnitt des Kühlmittelkreislaufs zu entlüften.
Das Ventil ist in Ausführungsbeispielen als ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil ausgebildet (siehe oben). Ferner ist in Ausführungsbeispielen der Kühlmittelkreislauf als ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf ausgebildet (siehe wiederum oben).
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Kühleinrichtung oder ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem weist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil und/oder einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf auf. Ferner ist durch die erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Kühleinrichtung oder das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ein Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels durchführbar.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug, kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil, einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf, eine erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Kühleinrichtung und/oder ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfassen. Ferner kann durch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Filtern seines Kühlmittels durchgeführt werden.
Gemäß der Erfindung wird kein gesonderter Kreislauf zum Spülen, also zum Dekontaminieren des Kühlmittels, mit zusätzlichen Komponenten wie Schläuchen, Ventilen, einer Pumpe etc. benötigt. Im Wesentlichen sind alle erforderlichen Komponenten für eine „Reinigung“ des Kühlmittels, bis auf das bevorzugt als ein 4/4-Wegeventil ausgebildete Entlüftungsventil, auch für den Betrieb des Fahrzeugs notwendig. Da das Ventil in der Entlüftungsleitung enthalten ist, wird ein Hauptkühlmittelstrom nicht druckverlustseitig beeinträchtigt. Die Funktionssicherheit der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellensystems und der Personenschutz durch das Fahrzeug sind gewährleistet.
Gemäß der Erfindung ergibt sich ferner eine geringere Beanspruchung des Brennstoffzellensystems, weil keine extra Bauteile (Spülkreislauf) außer dem Entlüftungsventil benötigt werden. Ferner wird kein zusätzliches Thermostat benötigt, das heißt, das Entlüftungsventil ist temperaturabhängig und druckunabhängig ansteuerbar. Darüber hinaus ermöglicht das Entlüftungsventil keine permanente Betriebsentlüftung, was Wärmestromverluste einer Heizung des Fahrzeugs verhindert. Das heißt, die Schaltstellungen des Entlüftungsventils können derart gewählt werden, dass entweder eine Entlüftung gewährleistet ist oder diese zum Beispiel während einer Aufheizphase unterbunden wird.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen etc. zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
2 ein prinzipielles Blockschaltbild eines Kühlkreises einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems aus der 1;
3 eine Perspektivansicht auf eine prinzipielle Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Kühlkreislauf-Entlüftungsventils;
4 eine im Bereich eines zweiten Ventilanschusses geschnitten dargestellte Perspektivansicht auf das Entlüftungsventil der 3;
5 eine im Bereich eines dritten Ventilanschusses geschnitten dargestellte Perspektivansicht auf das Entlüftungsventil der 3;
6 eine im Bereich eines vierten Ventilanschusses geschnitten dargestellte Perspektivansicht auf das Entlüftungsventil der 3;
7 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Kühlkreises der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems aus der 1;
8 ein zusammengesetztes Schaltzeichen für das erfindungsgemäße 4/4-Wege-Entlüftungsventil aus der 3;
9 Schaltzeichen für ein Wegeventil mit vier Anschlüssen, wobei ferner acht mögliche aber nicht notwendige Schaltstellungen des Wegeventils dargestellt sind; und
10 Schaltzeichen für ein Wegeventil mit drei Anschlüssen, wobei ferner vier mögliche aber nicht notwendige Schaltstellungen des Wegeventils dargestellt sind.
Die Erfindung ist anhand von je einer Ausführungsform eines Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventils 200, nachfolgend lediglich als Entlüftungsventil 200 bezeichnet, eines Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislaufs 100, nachfolgend lediglich als Kühlmittelkreislauf 100 bezeichnet, sowie eines Verfahrens zum Filtern eines Kühlmittels 7 in einer Brennstoffzellen-Kühleinrichtung 40 eines Brennstoffzellensystems 1 für ein Fahrzeug näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen und/oder die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Entlüftungsventile, Kühlmittelkreisläufe sowie Verfahren zum Filtern von Kühlmitteln, zum Beispiel für stationäre Brennstoffzellensysteme, angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 ist bevorzugt Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch das Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als eine Kernkomponente eine Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10, welche beziehungsweise welcher eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Brennstoffzellen (nachfolgend Einzelzellen 11) aufweist. Jede Einzelzelle 11 umfasst eine einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, welche bevorzugt von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran 14 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt der 1). Der Brennstoffzellenstapel 10 wird nachfolgend auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet.
Der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 weisen jeweils eine katalytische Elektrode (beide nicht dargestellt), das heißt eine Anode und eine Kathode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran 14 und Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten sind ferner jeweils eine angedeutete Bipolarplatte 15 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien in die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 dienen und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen den Einzelzellen 11 realisieren.
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneinlass der Brennstoffzelle 10.
Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenauslass der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf den Anodenseiten der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ferner kann zusätzlich oder alternativ in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer Abgasanlage (nicht dargestellt) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Verdichter 33 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verdichter 33 als ein gegebenenfalls hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, der bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Bevorzugt ist der Verdichter 33 als ein elektrischer Turbolader (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. Die Turbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ferner ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung einer Menge des die Brennstoffzelle 10 umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln etc. ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein entsprechendes weiteres Stellmittel in einem Pfad 21, 22, 31, 32 beziehungsweise einer Leitung des Pfads 21, 22, 31, 32 angeordnet sein.
Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner ein Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass es vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist das Befeuchtermodul 39 derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass es vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Das Befeuchtermodul 39 ist im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Verdichter 33 und einem Kathodeneingang und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen der Turbine 36 und einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 angeordnet. Ein Befeuchter des Befeuchtermoduls 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 / des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann das Befeuchtermodul 39 sowohl seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 als auch seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung umgangen werden. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich ein zur Kathodenversorgung 30 analoges Befeuchtermodul aufweisen. Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Turbine 36 umgeht.
Ferner kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und in einen Wassersammler ableitbar ist. Des Weiteren kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, sodass das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 über eine gemeinsame Abgasanlage (nicht dargestellt) abgeführt werden können.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner eine in der 2 (vergleiche auch die 7) beispielhaft und vereinfacht dargestellte Brennstoffzellen-Kühleinrichtung 40, welche einen Kühlmittelkreislauf 100 mit einem Kühlmittelkreis 110 aufweist, in welchen die Brennstoffzelle 10 wärmeübertragend eingebunden ist. Der Kühlmittelkreis 110 ist dabei als Kühlkreis 110 der Brennstoffzelle 10 ausgebildet. Eine Förderung eines im Kühlmittelkreis 110 zirkulierenden Kühlmittels 7 erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer elektromotorisch betriebenen Kühlmittelpumpe 112 im Kühlmittelkreis 110. Das Kühlmittel 7, insbesondere Wasser 7, ein Wasser-Alkohol-Gemisch 7 oder ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch 7, ist von einem Kühler 114 beziehungsweise Hauptkühler 114 kühlbar, welcher im Falle eines Fahrzeugs üblicherweise ein Fahrzeugkühler 114 mit einem Luftgebläse ist.
Der Kühler 114 kann mittels einer Kühler-Bypassleitung 115 umgangen werden, wobei ein Ventil 116, insbesondere ein Thermostatventil 116, die Massenströme des Kühlmittels 7 durch den Kühler 114 und die Kühler-Bypassleitung 115 steuert oder regelt. Stromabwärts des Verdichters 33 (1) kann ein Wärmetauscher (nicht dargestellt), insbesondere ein Ladeluftkühler, des Kühlmittelkreises 110 in den Kathoden-Versorgungspfad 31 integriert sein, welcher abhängig von einem Betriebspunkt einer Kühlung oder einer Erwärmung des durch den Verdichter 33 komprimierten Kathoden-Betriebsmediums 5 dient.
Der Kühlmittelkreis 110 schließt die Brennstoffzelle 10 ein und verzweigt sich stromabwärts der Brennstoffzelle 10 in einen als Heizkreis 120 bezeichenbaren Kühlmittelkreis 120 des Kühlmittelkreislaufs 100, für eine Fahrgastzellen-Heizeinrichtung 50 einer Klimaanlage. Ein als Entlüftungskreis 140 (siehe 7) bezeichenbarer Kühlmittelkreis 140 des Kühlmittelkreislaufs 100 ist bevorzugt stromaufwärts und stromabwärts der Brennstoffzelle 10 an den Kühlmittelkreis 110 fluidmechanisch angekoppelt. Ferner kann der Entlüftungskreis 140 stromaufwärts des Kühlers 114 und/oder an den Heizkreis 120 fluidmechanisch angekoppelt sein. Ferner kann der Kühlmittelkreislauf 100 einen oder eine Mehrzahl von weiteren Kühlmittelkreisen und/oder Kühlmittelleitungen (beides nicht dargestellt) aufweisen.
Der Kühlmittelkreis 110 weist bevorzugt eine elektrische Heizeinrichtung 118 auf, die in das Leitungssystem des Kühlmittelkreises 110 integriert ist und die insbesondere bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 das Kühlmittel 7 im Kühlmittelkreis 110 aufheizt. Gemäß den 2 und 7 ist die Heizeinrichtung 118 in den Kühlmittelkreis 110 integriert und in Reihe mit dem Kühler 114 geschaltet. Andere Positionen der Heizeinrichtung 118, beispielsweise stromabwärts des Kühlers 114 oder stromabwärts der Kühlmittelpumpe 112, sind natürlich möglich.
Der Heizkreis 120 der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung 50 weist ferner bevorzugt eine Kühlmittelpumpe 122, einen Wärmetauscher 52 für die Fahrgastzellen-Heizeinrichtung 50, ein Schaltventil 124 zum fluidmechanischen Ankoppeln des Heizkreises 120 an den und zum fluidmechanischen Abkoppeln des Heizkreises 120 vom Kühlkreis 110 auf. Darüber hinaus kann der Heizkreis 120 eine Heizeinrichtung (nicht dargestellt) aufweisen, die insbesondere bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 das Kühlmittel 7 im Heizkreis 120 aufheizt.
Ferner kann beispielsweise ein Kühlmittelkreis die Leistungselektronik 35 sowie den Elektromotor 34 des Verdichters 33 einbinden (nicht dargestellt). Bevorzugt sind dabei die Kühlmittelkreise 110, 120, 140 und die gegebenenfalls zusätzlichen Kühlmittelkreise in paralleler Weise in den Kühlmittelkreislauf 100 eingebunden. Andere Ausführungsformen der Brennstoffzellen-Kühleinrichtung 40 mit insbesondere einem weiteren Kühlmittelkreis oder unter Weglassung eines Kühlmittelkreises sind natürlich möglich.
Der Kühlmittelkreislauf 100 (siehe 7) weist ferner eine Entlüftungsleitung 141 auf, in welche ein Ausgleichsbehälter 142 und ein Ionenfilter 144 beziehungsweise ein Ionentauscher 144 integriert sind. Die Entlüftungsleitung 141 ist dabei stromaufwärts der Kühlmittelpumpe 112 und stromabwärts der Brennstoffzelle 100 an den Kühlmittelkreis 110 angeschlossen und somit in den Kühlmittelkreislauf 100 eingebunden. Die Entlüftungsleitung 141 bildet mit dem dazwischen befindlichen Abschnitt des Kühlmittelkreises 110 einen als Entlüftungskreis 140 bezeichenbaren Kühlmittelkreis 140 des Kühlmittelkreislaufs 100.
Ein Abschnitt der Entlüftungsleitung 141, insbesondere ein in Bezug auf den Ionenfilter 144 stromabwärtiger (7, Filter-Schaltstellung des Ventilglieds 220, siehe unten) Abschnitt der Entlüftungsleitung 141, umfasst ein erfindungsgemäßes Ventil 200, insbesondere ein erfindungsgemäßes Entlüftungsventil 200. Das insbesondere als ein Proportionalventil 200 ausgebildete Ventil 200 ist bevorzugt ferner als ein drehrichtungsgesteuertes Ventil 200 beziehungsweise ein Drehkolbenventil 200 ausgebildet, wobei in den 3 bis 6 ein prinzipieller Aufbau eines solchen Ventils 200 näher dargestellt ist. Hierbei ist ein Ventilkörper 210 des Ventils 200 innen im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet, wobei ein Ventilglied 220 des Ventils 200, abgesehen von einem Ventilanschluss 224, außen im Wesentlichen zylinderförmig beziehungsweise kolbenförmig ausgebildet ist.
Das Ventil 200 weist vorliegend vier äußere Ventilanschlüsse 211, 212, 213, 224 auf, wobei der Ventilkörper 210 drei als Ventilkörper-Anschlüsse 211, 212, 213 bezeichenbare Ventilanschlüsse 211, 212, 213 und das Ventilglied 220 einen als Ventilglied-Außenanschluss 224 bezeichenbaren Ventilanschluss 224 umfasst. Korrespondierend zu den drei Ventilkörper-Anschlüssen 211, 212, 213 weist das Ventilglied 220 drei Ventilglied-Innenanschlüsse 221, 222, 223 auf (siehe die 4 bis 6). Der Ventilglied-Außenanschluss 224 erstreckt sich ferner bevorzugt zentral in das Ventilglied 220 als eine Bohrung 225 hinein, wobei die Bohrung 225 lediglich in einem Außenbereich des Ventilglied-Außenanschlusses 224 eine Öffnung aufweist (Sacklochbohrung 225, abgesehen von Öffnungen in einer Innenwand der Bohrung 225).
Ein jeweiliger Ventilglied-Innenanschluss 221, 222, 223 ist als wenigstens eine auch in Radialrichtung verlaufende Bohrung, insbesondere als eine reine Radialbohrung, ausgebildet, welche sich von einer Außenseite des Ventilglieds 220 wenigstens bis zur Sacklochbohrung 225 erstreckt und mit dieser verschnitten ist. Das heißt die Bohrung beziehungsweise die jeweilige Bohrung des Ventilglied-Innenanschlusses 221, 222, 223 umfasst zwei Öffnungen; eine an der Außenseite des Ventilglieds 220 und eine an der Sacklochbohrung 225 des Ventilglieds 220. Gemäß der Erfindung wird der Ventilglied-Außenanschluss 224 auch als erster Ventilanschluss 224 des Ventils 200 bezeichnet.
Vorliegend weist ein jeweiliger Ventilglied-Innenanschluss 221, 222, 223 mindestens zwei solcher Bohrungen auf, wobei natürlich jeweils auch eine einzige Bohrung anwendbar ist. Hierbei weist ein zweiter Ventilkörper-Anschluss 213 (4) zwei Bohrungen auf, die zusammen v-förmig im Ventilglied 220 eingerichtet und bevorzugt in einem Winkel von ca. 120° angeordnet sind (Projektion in eine Radialebene des Ventilglieds 220). Ferner weist ein dritter Ventilkörper-Anschluss 212 (5) wiederum zwei Bohrungen auf, die zusammen i-förmig im Ventilglied 220 eingerichtet und bevorzugt in einem Winkel von ca. 180° angeordnet sind (Projektion in Radialebene). Darüber hinaus weist ein vierter Ventilkörper-Anschluss 211 (6) vier Bohrungen auf, die in drei 60°-Schritten aneinander angeordnet sind (Projektion in Radialebene).
Sowohl Bohrungen der Ventilglied-Innenanschlüsse 221, 222, 223, insbesondere sämtliche Bohrungen der Ventilglied-Innenanschlüsse 221, 222, 223, als auch die Ventilkörper-Anschlüsse 211, 212, 213, insbesondere sämtliche Ventilkörper-Anschlüsse 211, 212, 213, beziehungsweise deren Bohrungen sind vorliegend umfangsgerastert im/am Ventil 20 eingerichtet beziehungsweise vorgesehen. Vorliegend kommt eine Rasterweite von ca.60° zur Anwendung, wobei es natürlich möglich ist, eine andere Rasterweite anzuwenden. Siehe hierzu auch oben.
Solch ein erfindungsgemäßes Ventil 200 kann gemäß der Erfindung in einem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf 100 vorgesehen sein. In einer Ausführungsform ist das Ventil 200 derart in der Entlüftungsleitung 141 eingerichtet und an den Kühlmittelkreislauf 100 angeschlossen, dass der Ventilglied-Außenanschluss 224 (erster Ventilanschluss 224) an den Entlüftungskreis 140 beziehungsweise die Entlüftungsleitung 141 bevorzugt stromabwärts des Ionenfilters 144 angeschlossen ist. Stromabwärts soll sich hier auf eine Strömungsrichtung beziehen, welche bei einem Spülen des Kühlmittelkreislaufs 100 auftritt (siehe 7 und ein erfindungsgemäßes Verfahren unten).
Ferner ist vorliegend der zweite Ventilkörper-Anschluss 213 (4) über ein Rückschlagventil 148 mit dem Kühlkreis 110 der Brennstoffzelle 10 bevorzugt stromaufwärts des Kühlers 114, je nach einer Schaltstellung des Ventils 200, fluidmechanisch verbindbar. Stromaufwärts soll sich hier auf eine Strömungsrichtung beziehen, welche in einem herkömmlichen Betrieb der Brennstoffzelle 10 auftritt. Das Rückschlagventil 148 sperrt bevorzugt vom Ventil 200 in Richtung Kühler 114.
Darüber hinaus ist vorliegend der dritte Ventilkörper-Anschluss 212 (5) über ein Rückschlagventil 146 mit dem Heizkreis 120 der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung 50 bevorzugt stromabwärts des Wärmetauschers 52, je nach einer Schaltstellung des Ventils 200, fluidmechanisch verbindbar. Stromabwärts soll sich hier auf eine Strömungsrichtung beziehen, welche im herkömmlichen Betrieb der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung 50 auftritt. Das Rückschlagventil 146 sperrt bevorzugt vom Ventil 200 in Richtung Wärmetauscher 52.
Des Weiteren ist vorliegend der vierte Ventilkörper-Anschluss 211 (6) mit dem Kühlkreis 110 der Brennstoffzelle 10 bevorzugt stromabwärts der Brennstoffzelle 10, je nach einer Schaltstellung des Ventils 200, fluidmechanisch verbindbar. Stromabwärts soll sich hier auf eine Strömungsrichtung beziehen, welche im herkömmlichen Betrieb der Brennstoffzelle 10 auftritt. Statt einem stromabwärtigen Anschluss hinter der Brennstoffzelle 10 kann der vierte Ventilkörper-Anschluss 211 auch mit einem stromabwärtigen Anschluss an der Brennstoffzelle 10 fluidmechanisch verbunden sein.
In der 8 sind die vorliegend angewandten vier Schaltstellungen des Ventils 200 dargestellt, wobei mit der vorliegenden Konfiguration des Ventils 200 (vergleiche die 4 bis 6) mehr als diese Schaltstellungen realisiert werden können. Hierbei ist links in 8 die in den 4 bis 6 dargestellte Schaltstellung, eine sogenannte Filter-Schaltstellung, des Ventilglieds 220 dargestellt. Eine halblinks in der 8 dargestellte Schaltstellung ergibt sich zum Beispiel durch eine 60°-Rechtsdrehung (im Folgenden in Draufsichten auf die 4 bis 6) des Ventilglieds 200. Ferner ergibt sich eine halbrechts in der 8 dargestellte Schaltstellung zum Beispiel durch eine 120°-Rechtsdrehung des Ventilglieds 200. Und ferner ergibt sich die rechts in der 8 dargestellte Schaltstellung zum Beispiel durch eine 60°-Linksdrehung des Ventilglieds 200.
Es ist natürlich möglich, andere Schaltstellungen des Ventils 200 anzuwenden, was in der 9 dargestellt ist, welche acht mögliche Schaltstellungen des Ventils 200 mit vier äußeren Ventilanschlüssen 211, 212, 213, 224 darstellt. Ein erfindungsgemäßes Ventil 200 kann dabei eine beliebige Anzahl dieser Schaltstellungen umfassen. Andere Schaltstellungen mit einer Fluiddrossel im Ventil etc. sind natürlich anwendbar. Ferner zeigt die 10, in Analogie zu 9 ein erfindungsgemäßes Ventil 200 mit zwei Ventilkörper-Anschlüssen 211/212/213, 213/212/211 und einem Ventilglied-Außenanschluss 224. Dies ist analog auf ein erfindungsgemäßes Ventil 200 mit fünf oder mehr äußeren Ventilanschlüssen anwendbar.
Gemäß der Erfindung können der Kühlkreis 110 der Brennstoffzelle 10 und der Heizkreis 120 der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung 50 mit einer bestimmten Verdreh-Schaltstellung beziehungsweise der Filter-Schaltstellung des Ventilglieds 220 gegenüber dem Ventilkörper 210 gespült werden, wobei das im Kühlkreis 110 und im Heizkreis 120 befindliche Kühlmittel 7 durch den Ionenfilter 144 hindurchgepumpt wird und das Kühlmittel 7 von im Kühlmittel 7 befindlichen Anionen und/oder Kationen befreit wird. Hierfür ist das Ventilglied 220 gegenüber dem Ventilkörper 210 in die in der 8 links fett dargestellte Schaltstellung gebracht, das heißt, der Kühlkreis 110 und der Heizkreis 120 werden gespült. Die in der 7 eingezeichneten Pfeile verdeutlichen einen Weg des Kühlmittels 7 durch den Kühlkreis 110, die Entlüftungsleitung 141, den Heizkreis 120 und wieder zurück in den Kühlkreis 110 (stromabwärts der Brennstoffzelle 10). In dieser Schaltstellung nicht durchströmte Leitungen sind in der 7 mit einem „X“ gekennzeichnet.
Der Kühlkreis 110 und der Heizkreis 120 sind hierfür und auch für einen Betrieb der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung 50 mittels eines Schaltventils 124 zwischen diesen beiden Kühlmittelkreisen 110, 120 in eine Fluidkommunikation bringbar. Das heißt, das Schaltventil 124 dient einem fluidmechanischen Ankoppeln und Abkoppeln des Heizkreises 120 an den beziehungsweise vom Kühlmittelkreis 110. Für ein Spülen des Kühlkreises 110 und des Heizkreises 120 ist bevorzugt die Kühlmittelpumpe 112 des Kühlkreises 110 inaktiv, wohingegen bevorzugt die Kühlmittelpumpe 122 des Heizkreises 120 eine dem Kühlmittel 7 notwendige Strömung in diesen beiden Kühlmittelkreisen 110, 120 aufprägt. Das heißt die Kühlmittelpumpe 122 des Heizkreises 120 pumpt sowohl das Kühlmittel 7 im Kühlkreis 110 als auch das Kühlmittel 7 im Heizkreis 120 sukzessive durch den Ionenfilter 144 hindurch.
Eine Verdreh-Schaltstellung des Ventilglieds 220 gegenüber dem Ventilkörper 210, welche der halblinken Schaltstellung in der 8 entspricht, ermöglicht eine Entlüftung des Kühlers 114 und der Brennstoffzelle 10. Eine Verdreh-Schaltstellung des Ventilglieds 220 gegenüber dem Ventilkörper 210, welche der halbrechten Schaltstellung in der 8 entspricht, ermöglicht eine Entlüftung des Wärmetauschers 52 und einer PTC-Heizeinrichtung (nicht dargestellt). Und eine Verdreh-Schaltstellung des Ventilglieds 220 gegenüber dem Ventilkörper 210, welche der rechten Schaltstellung in der 8 entspricht, ermöglicht eine Entlüftung des Kühlmittelkreislaufs 100 im herkömmlichen Betrieb der Brennstoffzelle 10.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor
2: Umgebung
3: Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch
4: Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas
5: Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft
6: Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft
7: Kühlmittel, insbesondere Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch, Wasser-Ethylenglykol-Gemisch, Heizmittel für Fahrgastzellen-Heizeinrichtung 50
10: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle mit Anode und Kathode, einzelne Brennstoffzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran, bevorzugt Polymerelektrolyt-Membran
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte
20: Anodenversorgung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
21: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
24: Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel etc.
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
26: Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel etc.
30: Kathodenversorgung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
31: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: Verdichter, Kompressor, Turbolader
34: Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe)
35: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
36: Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Expander
37: Wastegate, Wastegate-Leitung
38: Stellmittel, regelbar, (an-)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel etc.
39: Befeuchter, Befeuchtermodul, Membranbefeuchter, Membran-Befeuchtermodul
40: Brennstoffzellen-Kühleinrichtung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
50: Fahrgastzellen-Heizeinrichtung, Klimaanlage
52: Wärmetauscher
100: Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (110, 120, 140, ...)
110: Kühlmittelkreis, Kühlkreis der Brennstoffzelle 10
112: (Haupt-)Kühlmittelpumpe, Wasserumwälzpumpe
114: Kühler, Hauptkühler, insbesondere Fahrzeugkühler mit Luftgebläse
115: Kühler-Bypassleitung
116: Ventil, Thermostatventil, 3-Wegeventil, bevorzugt stufenlos steuerbar, regelbar
118: Heizeinrichtung
120: Kühlmittelkreis, Heizkreis der Fahrgastzellen-Heizeinrichtung 50
122: Kühlmittelpumpe, Wasserumwälzpumpe
124: Schaltventil zum fluidmechanischen An-/Abkoppeln des Heizkreises 120 an den / vom Kühlmittelkreis 110
140: Kühlmittelkreis, Entlüftungskreis des Kühlmittelkreises 110, des Heizkreises 120 etc.
141: Entlüftungsleitung
142: Ausgleichsbehälter
144: Ionenfilter, Ionentauscher
146: Rückschlagventil
148: Rückschlagventil
200: Ventil, (Proportional-)Entlüftungsventil, Brennstoffzellen-Kühlkreislauf-(Entlüftungs-)Ventil, bevorzugt drehrichtungsgesteuertes Ventil, Drehkolbenventil
210: Ventilkörper
211: (vierter) Ventilanschluss, Ventilkörper-Anschluss an den Kühlkreis 110, bevorzugt stromabwärts an/bei/hinter der Brennstoffzelle 10
212: (dritter) Ventilanschluss, Ventilkörper-Anschluss an den Heizkreis 120
213: (zweiter) Ventilanschluss, Ventilkörper-Anschluss an den Kühlkreis 110, bevorzugt stromaufwärts vor dem / beim / am Kühler 114
220: Ventilglied
221: Ventilglied-Innenanschluss korrespondiert mit dem vierten Ventilkörper-Anschluss 211
222: Ventilglied-Innenanschluss korrespondiert mit dem dritten Ventilkörper-Anschluss 212
223: Ventilglied-Innenanschluss korrespondiert mit dem zweiten Ventilkörper-Anschluss 213
224: (erster) Ventilanschluss, Ventilglied-Außenanschluss an Entlüftungskreis 140 beziehungsweise Entlüftungsleitung 141
225: Bohrung für die Fluidverbindung des Ventilglied-Außenanschlusses 224 mit den Ventilglied-Innenanschlüssen 221, 222, 223, Sacklochbohrung

Claims

Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil (200) für ein Brennstoffzellensystem (1), aufweisend einen innen im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildeten Ventilkörper (210) mit einer Mehrzahl von Ventilkörper-Anschlüssen (211, 212, 213, ...) und einem darin befindlichen, außen im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Ventilglied (220) mit einem Ventilglied-Außenanschluss (224), dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Verdreh-Schaltstellung einer Mehrzahl von Verdreh-Schaltstellungen des Ventilglieds (220) gegenüber dem Ventilkörper (210) ein oder eine Mehrzahl der Ventilkörper-Anschlüsse (211, 212, 213, ...) mit dem Ventilglied-Außenanschluss (224) in Fluidkommunikation bringbar ist.
Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil (200) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer der Verdreh-Schaltstellungen des Ventilglieds (220) gegenüber dem Ventilkörper (210) sämtliche Ventilkörper-Anschlüsse (211, 212, 213, ...) gegeneinander fluidgedichtet sind und mittels dieser Verdreh-Schaltstellung ein einziger Ventilkörper-Anschluss (211/212/213/ ...) mit dem Ventilglied-Außenanschluss (224) in Fluidkommunikation bringbar ist; und/oder mittels einer der Verdreh-Schaltstellungen des Ventilglieds (220) gegenüber dem Ventilkörper (210) wenigstens zwei Ventilkörper-Anschlüsse (211, 212; 211, 213; 212, 213; ...) in Fluidkommunikation miteinander und mit dem Ventilglied-Außenanschluss (224) bringbar sind.
Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil (200) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ventilglied-Außenanschluss (224) ferner als eine Axialbohrung in eine Längsrichtung des Ventilglieds (220) in das Ventilglied (220) hineinerstreckt, und/oder das Ventilglied (220) korrespondierend zu den Ventilkörper-Anschlüssen (211, 212, 213, ...) Ventilglied-Innenanschlüsse (221, 222, 223, ...) aufweist, wobei ein jeweiliger Ventilglied-Innenanschluss (221, 222, 223, ...) wenigstens eine radial verlaufende Bohrung im Ventilglied (220) umfasst.
Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (100) für ein Brennstoffzellensystem (1), mit einem mittels einer Kühlmittelpumpe (112, 122, ...) in einem Kühlmittelkreis (110, 120, 140, ...) des Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislaufs (100) zirkulierbaren Kühlmittel (7) und mit einem Ionenfilter (144) zur Filterung des Kühlmittels (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (100) ein Ventil (200) aufweist, wobei mittels der Kühlmittelpumpe (112, 122, ...) und des Ventils (200) das Kühlwasser (7) wenigstens eines Kühlmittelkreises (110, 120, 140, ...) durch den Ionenfilter (144) förderbar ist.
Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungsabschnitt einer Entlüftungsleitung (141) des Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislaufs (100) mittels des Ventils (200) konstituiert ist, wobei die Entlüftungsleitung (141) einen Entlüftungskreis (140) für einen Kühlmittelkreis (110) der Brennstoffzelle (10) bildet und ferner an das Ventil (200) wenigstens ein weiterer Kühlmittelkreis (120) angeschlossen ist.
Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (100) gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilanschluss (211) des Ventils (200) stromabwärts der Brennstoffzelle (10) an den Kühlmittelkreis (110), ein Ventilanschluss (212) des Ventils (200) an einen Kühlmittelkreis (120) einer Fahrgastzellen-Heizeinrichtung (50), ein Ventilanschluss (213) des Ventils (200) stromaufwärts des Kühlers (114) an den Kühlmittelkreis (110) und ein Ventilanschluss (224) des Ventils (200) stromaufwärts der Brennstoffzelle (10) an den Kühlmittelkreis (110) angeschlossen sind.
Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels (7) in einem Brennstoffzellensystem (1), bevorzugt zeitlich nach einer vergleichsweise langen Standzeit des Brennstoffzellensystems (1), wobei das Kühlmittel (7) eines Kühlmittelkreises (110, 120, 140, ...) eines Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislaufs (100) des Brennstoffzellensystems (1) einen Ionenfilter (144) des Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislaufs (100) passieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Filter-Schaltstellung eines Ventils (200) im Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (100), ein Kühlmittel (7) mittels einer Kühlmittelpumpe (112, 122, ...) wenigstens eines Kühlmittelkreises (110, 120, 140, ...) durch den Ionenfilter (144) hindurchgepumpt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zeitlich vor einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelle (10) oder des Brennstoffzellensystems (1) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Betriebs-Schaltstellung des Ventils (200) sämtliche daran angeschlossene Kühlmittelkreise (110, 120, 140, ...) miteinander in Fluidkommunikation stehen, und/oder durch eine Filter-Schaltstellung des Ventils (200) ein jeweils zunächst ruhendes Kühlmittel (7) eines Kühlmittelkreises (110/120/140) oder einer Mehrzahl von Kühlmittelkreisen (110, 120, 140, ...) sukzessive durch den Ionenfilter (144) hindurchgepumpt wird.
Brennstoffzellen-Kühleinrichtung (40) oder Brennstoffzellensystem (1) für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen-Kühleinrichtung (40) oder das Brennstoffzellensystem (1) ein Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist, die Brennstoffzellen-Kühleinrichtung (40) oder das Brennstoffzellensystem (1) einen Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6 aufweist, und/oder durch die Brennstoffzellen-Kühleinrichtung (40) oder das Brennstoffzellensystem (1) ein Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 durchführbar ist.