DE102016203466B4 - Cooling system for a fuel cell stack with sensing of a coolant level in an expansion tank by means of an electrical conductivity value - Google Patents

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Abstract

Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel (10), aufweisend:einen Kühlmittelkreislauf (40) zum Führen eines Kühlmittels,eine Kühlmittelfördereinrichtung (41),eine das Kühlmittel transportierende Kühlmittelleitung (42), undeinen Ausgleichsbehälter (43), dadurch gekennzeichnet, dassein Leitfähigkeitssensor (44) in dem Ausgleichsbehälter (43) angeordnet ist und eine Messspitze (49) des Leitfähigkeitssensors (44) auf der Höhe eines minimalen Kühlmittelfüllstandes in dem Ausgleichsbehälter (43) angeordnet ist.Cooling system for a fuel cell stack (10), having: a coolant circuit (40) for conducting a coolant, a coolant delivery device (41), a coolant line (42) transporting the coolant, and an expansion tank (43), characterized in that a conductivity sensor (44) in the expansion tank (43) is arranged and a measuring tip (49) of the conductivity sensor (44) is arranged at the height of a minimum coolant level in the expansion tank (43).

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kühlsystems, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel, ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem und die Verwendung eines in einem Kühlsystems eines Brennstoffzellenstapels angeordneten Leitfähigkeitssensors zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit und des Füllstands eines Kühlmittels.The invention relates to a cooling system for a fuel cell stack, a method for operating such a cooling system, a fuel cell system with such a fuel cell stack, a vehicle with such a fuel cell system and the use of a conductivity sensor arranged in a cooling system of a fuel cell stack to determine the electrical conductivity and the filling level of a coolant.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierzu weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA - membrane electrode assembly) aus einer protonenleitenden Membran und beidseitig daran angeordneten Elektroden auf. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode als Brennstoff zugeführt und dort unter Abgabe von Elektronen elektrochemisch oxidiert (H2 →72 H++ 2 e-). Über die Membran, welche zwei Reaktionsräume gasdicht und elektrisch voneinander isoliert, werden die Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum transportiert. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen e- können zum Verrichten einer elektrischen Arbeit genutzt werden, wonach sie an die Kathode geleitet werden. Dieser wird zudem Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass dort eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen erfolgt (½ O2 + 2 e- → O2-). Die gebildeten Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen zu Wasser (2 H++ O2 → H2O).Fuel cells use the chemical reaction of a fuel with oxygen to form water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells have as a core component a so-called membrane electrode assembly (MEA—membrane electrode assembly) made of a proton-conducting membrane and electrodes arranged on both sides of it. During operation of the fuel cell, hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode as fuel and electrochemically oxidized there with the release of electrons (H 2 →72 H + + 2 e - ). The protons H + are transported from the anode compartment to the cathode compartment via the membrane, which insulates two reaction compartments gas-tight and electrically from one another. The electrons e - provided at the anode can be used to perform electrical work, after which they are conducted to the cathode. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is also supplied to this, so that the oxygen is reduced there, taking up the electrons (½ O 2 + 2 e - → O 2- ). The oxygen anions formed react in the cathode area with the protons transported across the membrane to form water (2 H + + O 2 → H 2 O).

Um einen optimalen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten, muss dieser in einem engen Temperaturbereich betrieben werden. Bei den bevorzugt für mobile Anwendungen genutzten Brennstoffzellen mit protonenleitenden Membranen (PEM - Brennstoffzellen) liegt dieser Temperaturbereich beispielsweise zwischen 60°C und 90°C. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einen Brennstoffzellenstapel zu temperieren, was ein Aufheizen des Stapels vor dessen Inbetriebnahme und das Kühlen des Stapels während dessen laufenden Betriebs umfasst.
In der Regel ist die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl in einem Stapel (stack) angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Dabei ist zwischen zwei Membran-Elektroden-Anordnungen jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die der Zuführung der Prozessgase zu Anode und Kathode benachbarter Membran-Elektroden-Anordnungen dient. Ferner sind die Bipolarplatten als elektrische und thermische Leiter ausgelegt. Sie werden somit für die Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Anordnungen, deren Kühlung und deren elektrischer Anbindung verwendet.
In order to ensure optimum efficiency and a long service life for a fuel cell stack, it must be operated within a narrow temperature range. In the case of the fuel cells with proton-conducting membranes (PEM - fuel cells) preferably used for mobile applications, this temperature range is between 60°C and 90°C, for example. This results in the need to temper a fuel cell stack, which includes heating the stack before it is put into operation and cooling the stack while it is in operation.
As a rule, the fuel cell is formed by a large number of membrane-electrode assemblies arranged in a stack, the electrical power of which is added up. In this case, a bipolar plate is arranged between two membrane-electrode assemblies, which is used to supply the process gases to the anode and cathode of adjacent membrane-electrode assemblies. Furthermore, the bipolar plates are designed as electrical and thermal conductors. They are thus used for the process gas supply to the membrane electrode assemblies, their cooling and their electrical connection.

Für die Prozessgasversorgung der Elektroden weist eine Bipolarplatte in ihrem aktiven Bereich Betriebsmittelströmungsfelder, insbesondere ein anodenseitiges offenes Anodengasströmungsfeld und ein kathodenseitiges offenes Kathodengasströmungsfeld, auf. Die Anodengas- und Kathodengasströmungsfelder sind zumeist in Form rinnenartiger Kanäle ausgebildet. Zudem weist der aktive Bereich ein geschlossenes Kühlmittelströmungsfeld auf, das in der Regel zwischen dem Kathodengasströmungsfeld und dem Anodengasströmungsfeld angeordnet ist. Häufig ist eine Bipolarplatte aus zwei miteinander verbundenen, insbesondere verschweißten, Teilplatten aufgebaut, wobei das Kühlmittelströmungsfeld zwischen zwei teilweise miteinander verbundenen Hauptoberflächen der Teilplatten eingeschlossen ist.For the process gas supply to the electrodes, a bipolar plate has operating medium flow fields in its active area, in particular an anode-side open anode gas flow field and a cathode-side open cathode gas flow field. The anode gas and cathode gas flow fields are mostly in the form of trough-like channels. In addition, the active region has a closed coolant flow field, which is typically arranged between the cathode gas flow field and the anode gas flow field. A bipolar plate is often constructed from two partial plates which are connected to one another, in particular welded, with the coolant flow field being enclosed between two main surfaces of the partial plates which are partially connected to one another.

Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmitteln, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle. Diese sind durch in den Bipolarplatten und den Membran-Elektroden-Anordnungen angeordnete und im Brennstoffzellenstapel zueinander fluchtende Öffnungen gebildet. Jeweils übereinanderliegende Öffnungen bilden den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzender Hauptversorgungskanäle. Für jedes Betriebsmittel sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmittels.The fuel cell stack is supplied with its resources, ie the anode operating gas (e.g. hydrogen), the cathode operating gas (e.g. air) and the coolant, via main supply channels. These are formed by openings arranged in the bipolar plates and the membrane-electrode assemblies and aligned with one another in the fuel cell stack. Openings lying one above the other form the main supply channels penetrating the stack in its entire stacking direction. There are at least two such main supply channels for each piece of equipment, namely one for supplying and one for removing the respective equipment.

Bei den exothermen Brennstoffzellenreaktionen können große Wärmemengen in einem Brennstoffzellenstapel entstehen. Um diese an die Umgebung abzuführen wird in der Regel auf wässrige Kühlmittelsysteme mit ausreichender Wärmekapazität zurückgegriffen. Von Verbrennungsmotoren ist der Einsatz von Mischungen aus Wasser, Ethylen-Glykol als Frostschutzmittel und nicht-ionischen Korrosionsinhibitoren zur Kühlung bekannt. Um das Abführen der Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel zu gewährleisten, muss stets eine ausreichende Kühlwassermenge vorgehalten werden. Für die hierfür notwendige Füllstandüberwachung sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Methoden bekannt.Exothermic fuel cell reactions can generate large amounts of heat in a fuel cell stack. In order to dissipate these to the environment, aqueous coolant systems with sufficient heat capacity are generally used. The use of mixtures of water, ethylene glycol as antifreeze and non-ionic corrosion inhibitors for cooling is known from internal combustion engines. In order to ensure that the heat is dissipated from the fuel cell stack, a sufficient quantity of cooling water must always be available. Numerous methods are known from the prior art for monitoring the filling level required for this purpose.

Da zur Stromerzeugung genutzte Brennstoffzellenstapel zwangsläufig hohen elektrischen Spannungen ausgesetzt sind, müssen die darin verwendeten Kühlmittel weitere Anforderungen erfüllen. Insbesondere darf eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels nicht überschritten werden, um Kurzschlüsse im Brennstoffzellensystem zu vermeiden. Bei in Fahrzeugen angeordneten Brennstoffzellensystemen besteht zudem die Gefahr, dass sich elektrische Spannungen über ein zu stark elektrisch leitendes Kühlmittel auf die Karosserie übertragen und die Fahrzeuginsassen gefährden. Problematisch ist daher, dass während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels Ionen in das Kühlmittel eingetragen werden. Die Ionen können dabei aus einer Verunreinigung, beispielsweise einem Flussmittel eines gelöteten Kühlers, oder direkt aus einem Stapelbauteil, zum Beispiel einer EPDM-Dichtung, herausgelöst werden.Since fuel cell stacks used to generate electricity are inevitably exposed to high electrical voltages, the coolants used in them must meet additional requirements. In particular, a specific electrical conductivity of the coolant must not be exceeded, to avoid short circuits in the fuel cell system. In the case of fuel cell systems arranged in vehicles, there is also the risk of electrical voltages being transmitted to the bodywork via a coolant which is too electrically conductive and endangering the vehicle occupants. It is therefore problematic that ions are introduced into the coolant during operation of the fuel cell stack. The ions can be released from a contaminant, for example a flux of a soldered cooler, or directly from a stack component, for example an EPDM seal.

Es ist daher erforderlich, die elektrische Leitfähigkeit eines in einem Brennstoffzellensystem eingesetzten Kühlmittels zu überwachen, um Gefahren für den Brennstoffzellenstapel und die Insassen auszuschließen. Zusätzlich ist eine Überwachung des Kühlmittelfüllstands notwendig.It is therefore necessary to monitor the electrical conductivity of a coolant used in a fuel cell system in order to rule out any danger to the fuel cell stack and the occupants. In addition, the coolant level must be monitored.

Die JP 2006-114,413 A beschreibt ein Verfahren zum Überwachen der Qualität des in einem Brennstoffzellensystem zur Kühlung eingesetzten Wassers. Dabei wird die elektrische Leitfähigkeit des Kühlwassers permanent überwacht und das Kühlwasser im Fall einer zu hohen Leitfähigkeit mit niedrigleitendem Frischwasser verdünnt. Insbesondere bei mobilen Anwendungen ist in der Regel jedoch kein mitgeführter Frischwasservorrat vorhanden.The JP 2006-114.413A describes a method for monitoring the quality of the water used in a fuel cell system for cooling. The electrical conductivity of the cooling water is constantly monitored and if the conductivity is too high, the cooling water is diluted with low-conductivity fresh water. In mobile applications in particular, however, there is generally no fresh water supply that is carried along.

Die JP 2005-310,615 A beschreibt ein Brennstoffzellensystem in dem der Füllstand von entionisiertem Wasser mittels zweier in das Wasser getauchten Elektroden ermittelt wird. Mit steigender Füllhöhe erhöht sich die zum Stromfluss zwischen den Elektroden beitragende Elektrodenoberfläche und es wird ein geringerer Widerstand gemessen. Eine Leitfähigkeitsänderung aufgrund einer Füllstandänderung ist dabei nur schwer von einer Leitfähigkeitsänderung aufgrund einer Variation der lonenkontamination unterscheidbar.The JP 2005-310.615A describes a fuel cell system in which the fill level of deionized water is determined by means of two electrodes immersed in the water. As the filling level increases, the electrode surface contributing to the current flow between the electrodes increases and a lower resistance is measured. A change in conductivity due to a change in filling level is difficult to distinguish from a change in conductivity due to a variation in the ion contamination.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei dem der Füllstand und die elektrische Leitfähigkeit eines Kühlmittels mit geringstem apparativen Einsatz sicher überwacht werden können.The object of the invention is now to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a cooling system for a fuel cell stack in which the fill level and the electrical conductivity of a coolant can be reliably monitored with the least amount of equipment.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kühlsystems nach Anspruch 6, ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 und die Verwendung eines Leitfähigkeitssensors zum Bestimmen des Unterschreitens eines minimalen Kühlmittelfüllstands und der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlwassers nach Anspruch 10.The object is achieved by a cooling system for a fuel cell stack according to claim 1, a method for operating such a cooling system according to claim 6, a fuel cell system with such a fuel cell stack according to claim 8, a vehicle with such a fuel cell system according to claim 9 and the use of a conductivity sensor for Determination of falling below a minimum coolant fill level and the electrical conductivity of the cooling water according to Claim 10.

Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel weist einen Kühlmittelkreislauf zum Führen eines Kühlmittels, eine Kühlmittelfördereinrichtung, eine das Kühlmittel transportierende Kühlmittelleitung und einen Ausgleichsbehälter für das Kühlmittel auf. Insbesondere sind die Kühlmittelfördereinrichtung, die Kühlmittelleitung und der Ausgleichsbehälter Bestandteile des Kühlmittelkreislaufs. Ein Leitfähigkeitssensor ist in dem Ausgleichsbehälter angeordnet, wobei eine Messspitze des Leitfähigkeitssensors auf der Höhe eines minimalen Kühlmittelfüllstandes in dem Ausgleichsbehälter angeordnet ist. Der Ausgleichsbehälter ist dabei ein mit der Kühlmittelleitung fluidführend verbundenes Kühlmittelreservoir und dient dem Ausgleich der in den Kühlmittelleitungen befindlichen Menge Kühlmittels bei Kühlmittelverlusten, insbesondere aufgrund von Undichtigkeiten oder Verdunstung, und bei thermischer Ausdehnung. Der Kühlmittelstand im Ausgleichsbehälter sollte einen bestimmten maximalen Füllstand nicht überschreiten und einen bestimmten minimalen Füllstand nicht unterschreiten, um die Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten.A cooling system according to the invention for a fuel cell stack has a coolant circuit for conducting a coolant, a coolant delivery device, a coolant line transporting the coolant and an expansion tank for the coolant. In particular, the coolant delivery device, the coolant line and the expansion tank are components of the coolant circuit. A conductivity sensor is arranged in the expansion tank, with a measuring tip of the conductivity sensor being arranged at the height of a minimum coolant level in the expansion tank. The expansion tank is a coolant reservoir which is connected to the coolant line in a fluid-carrying manner and is used to compensate for the amount of coolant in the coolant lines in the event of coolant losses, in particular due to leaks or evaporation, and in the event of thermal expansion. The coolant level in the expansion tank should not exceed a specific maximum fill level and should not fall below a specific minimum fill level in order to ensure the functionality of the fuel cell stack.

Der Leitfähigkeitssensor ist ein Sensor zum Bestimmen einer elektrischen Leitfähigkeit σ, wobei das Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit zumindest im Bereich einer Messspitze erfolgt. Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit kann anhand der Messung eines elektrischen Stroms erfolgen, der beim Anlegen einer bestimmten Spannung an das Kühlmittel fließt. Bevorzugt weist der Leitfähigkeitssensor hierfür zumindest im Bereich der Messspitze zwei Elektroden auf. Mittels einer in dem Sensor angeordneten oder mit dem Sensor verbundenen Elektronikschaltung kann eine bestimmte Spannung zwischen den Elektroden angelegt werden. Ferner bevorzugt ist die Elektronikschaltung dafür ausgelegt, einen zwischen den Elektroden fließenden Strom zu messen oder diesen zu bestimmen, beispielsweise anhand einer über einem Shunt abfallenden Spannung. Die Elektronikschaltung ist bevorzugt dafür ausgelegt, anhand der bestimmten Spannungs- und Stromwerte den elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden zu bestimmen. Unter Berücksichtigung voreingestellter Werte zu Elektrodenabstand und Elektrodenfläche kann daraus ein spezifischer elektrischer Widerstand beziehungsweise die elektrische Leitfähigkeit des zwischen den Elektroden angeordneten Mediums bestimmt werden. Ist der Leitfähigkeitssensor mit einer Steuereinheit verbunden, können die Funktionalitäten der beschriebenen Elektronikschaltung alternativ auch in der Steuereinheit realisiert werden.The conductivity sensor is a sensor for determining an electrical conductivity σ, the electrical conductivity being determined at least in the region of a measuring tip. Electrical conductivity can be measured by measuring an electrical current that flows when a specific voltage is applied to the coolant. For this purpose, the conductivity sensor preferably has two electrodes, at least in the area of the measuring tip. A specific voltage can be applied between the electrodes by means of an electronic circuit arranged in the sensor or connected to the sensor. Furthermore, the electronic circuit is preferably designed to measure a current flowing between the electrodes or to determine this, for example using a voltage drop across a shunt. The electronic circuit is preferably designed to determine the electrical resistance between the electrodes on the basis of the determined voltage and current values. A specific electrical resistance or the electrical conductivity of the medium arranged between the electrodes can be determined from this, taking into account preset values for the electrode spacing and electrode area. If the conductivity sensor is connected to a control unit, the functionalities of the electronic circuit described can alternatively also be implemented in the control unit.

Solange die Messspitze des Leitfähigkeitssensors mit dem Kühlmittel in Kontakt ist, misst diese eine elektrische Leitfähigkeit in einer Größenordnung der elektrischen Leitfähigkeit des jeweiligen Kühlmittels. Änderungen der gemessenen elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels korrelieren dabei nahezu ausschließlich mit der lonenkonzentration des Kühlmittels. Sinkt der Kühlmittelfüllstand unter einen minimalen Kühlmittelfüllstand, ist die Messspitze nicht mehr in Kontakt mit Kühlmittel. Dann wird die elektrische Leitfähigkeit von Luft, insbesondere feuchter Luft, gemessen und die von der Messspitze gemessene elektrische Leitfähigkeit fällt sprunghaft, bevorzugt um mehrere Größenordnungen, ab. Anhand des sprunghaften Abfalls der mittels der Messspitze bestimmen Leitfähigkeit wird somit das Unterschreiten eines kritischen Kühlmittelstandes erkannt.As long as the measuring tip of the conductivity sensor is in contact with the coolant, it measures an electrical conductivity in the order of magnitude of the electrical conductivity of the respective coolant. Changes in the measured electrical conductivity of the coolant correlate almost exclusively with the ion concentration of the coolant. If the coolant level falls below a minimum coolant level, the measuring tip is no longer in contact with coolant. Then the electrical conductivity of air, in particular humid air, is measured and the electrical conductivity measured by the measuring tip drops abruptly, preferably by several orders of magnitude. On the basis of the abrupt drop in the conductivity determined by means of the measuring tip, it is thus recognized that the coolant level has fallen below a critical level.

Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem lassen sich vorteilhaft die elektrische Leitfähigkeit und das Unterschreiten eines minimalen Füllstands eines in einem Brennstoffzellenstapel eingesetzten Kühlmittels unter Verwendung von nur einem Leitfähigkeitssensor und nur einer Auswerteelektronik ermitteln. Diese beiden Informationen sind wesentlich, um einen dauerhaften Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten, insbesondere um ein Überhitzen des Stapels oder Kurzschlüsse im Stapel zu verhindern. In gängigen Kühlsystemen für Brennstoffzellenstapel sind daher ein Sensor zur Überwachung von Füllstand und ein Sensor zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels angeordnet. Eine kontinuierliche Überwachung eines aktuellen Kühlmittelfüllstandes ist jedoch in der Regel unnötig, solange das Unterschreiten eines bestimmten Grenzstandes sicher bestimmt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem werden somit der apparative Aufwand und der Bauraumbedarf reduziert, indem mit nur einem Sensor und nur einer Elektronikschaltung die Leitfähigkeit eines Kühlmittels und das Vorliegen eines ausreichenden Kühlmittelfüllstands überwacht werden.With the cooling system according to the invention, the electrical conductivity and the falling below a minimum fill level of a coolant used in a fuel cell stack can advantageously be determined using only one conductivity sensor and only one electronic evaluation system. These two pieces of information are essential to ensure long-term operation of the fuel cell stack, in particular to prevent overheating of the stack or short circuits in the stack. A sensor for monitoring the fill level and a sensor for determining the electrical conductivity of the coolant are therefore arranged in common cooling systems for fuel cell stacks. However, continuous monitoring of a current coolant fill level is generally unnecessary as long as it can be reliably determined that the level has fallen below a certain limit. With the cooling system according to the invention, the outlay on equipment and the space requirement are thus reduced in that the conductivity of a coolant and the presence of a sufficient coolant fill level are monitored using only one sensor and only one electronic circuit.

Bevorzugt ist die Messspitze so dimensioniert und/oder der Leitfähigkeitssensor so in dem Ausgleichsbehälter angeordnet, dass eine teilweise Bedeckung der Messspitze mit Kühlmittel bei fallendem Kühlmittelstand nur kurz andauert und/oder weitgehend ausgeschlossen ist. Somit wird eine Korrelation von der mit Kühlmittel in Kontakt stehenden Elektrodenoberfläche der Messspitze und der von dieser gemessenen elektrischen Leitfähigkeit, wie bei der Würdigung des Standes der Technik beschrieben, vermieden. Die bestimmte elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels ist somit von dessen Füllhöhe nahezu unabhängig. Besonders bevorzugt ragt der Leitfähigkeitssensor durch die Unterseite des Ausgleichsbehälters und in dessen Ruhelage senkrecht nach oben, wobei die Messspitze an dessen oberen Ende angeordnet ist. Diese Anordnung hat sich insbesondere in mobilen Anwendungen als vorteilhaft erwiesen, da auch bei Kurvenfahrten Kontakt zwischen Messspitze und Kühlmittel besteht.The measuring tip is preferably dimensioned and/or the conductivity sensor is arranged in the expansion tank in such a way that partial covering of the measuring tip with coolant only lasts for a short time when the coolant level falls and/or is largely ruled out. Thus, a correlation of the electrode surface of the probe tip that is in contact with coolant and the electrical conductivity measured by it, as described in the appreciation of the prior art, is avoided. The specific electrical conductivity of the coolant is thus almost independent of its fill level. The conductivity sensor particularly preferably protrudes through the underside of the expansion tank and in its rest position vertically upwards, with the measuring tip being arranged at its upper end. This arrangement has proven particularly advantageous in mobile applications, since there is contact between the measuring tip and the coolant even when cornering.

Bevorzugt ist die Kühlmittelfördervorrichtung an die Art des Kühlmittels angepasst, besonders bevorzugt handelt es sich um eine Umwälzpumpe. Die Kühlmittelleitung ist bevorzugt als Rohr oder Schlauch ausgebildet und an die Art des eingesetzten Kühlmittels angepasst. Die Leitungsmittel sind dabei so ausgestaltet, dass sie das Kühlmittel führen können, ohne von diesem beschädigt zu werden und ohne dass Kühlmittel unkontrolliert aus den Leitungsmitteln austritt.The coolant delivery device is preferably adapted to the type of coolant, and it is particularly preferably a circulating pump. The coolant line is preferably designed as a pipe or hose and is adapted to the type of coolant used. The line means are designed in such a way that they can guide the coolant without being damaged by it and without coolant escaping from the line means in an uncontrolled manner.

Bevorzugt wird ein Kühlmittel eingesetzt, dass eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 50 µS/cm, besonders bevorzugt von weniger als 10 µS/cm und ebenfalls bevorzugt von weniger als 5 µS/cm aufweist. Die Leitfähigkeit bezieht sich dabei auf das reine Kühlmittel ohne lonenkontamination. In diesem Fall wird ein Leitfähigkeitssensor in dem Ausgleichsbehälter angeordnet, der zum Messen einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 50 µS/cm, besonders bevorzugt von weniger als 10 µS/cm und ebenfalls bevorzugt von weniger als 5 µS/cm ausgebildet ist. Mit einem solchen Kühlmittel ist die Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen zwischen den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels minimal. Gleichzeitig wird eine deutliche Differenz zwischen der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels und der elektrischen Leitfähigkeit von Luft, die in Abhängigkeit von deren relativer Feuchte zwischen 3E-11 µS/cm und 8E-11 µS/cm beträgt, sichergestellt. Somit kann der oben beschriebene sprunghafte Abfall der mit der Messspitze bestimmten Leitfähigkeit als Füllstandindikator genutzt werden. Besonders bevorzugt wird ein Kühlmittel aus Wasser, bevorzugt entionisiertem Wasser, einem Frostschutzmittel, bevorzugt Glykol, und Korrosionsinhibitoren, bevorzugt nicht-ionischen Korrosionsinhibitoren eingesetzt. Das Kühlmittel kann weitere Additive enthalten.A coolant is preferably used that has an electrical conductivity of less than 50 μS/cm, particularly preferably less than 10 μS/cm and likewise preferably less than 5 μS/cm. The conductivity refers to the pure coolant without ion contamination. In this case, a conductivity sensor is arranged in the expansion tank, which is designed to measure an electrical conductivity of less than 50 μS/cm, particularly preferably less than 10 μS/cm and also preferably less than 5 μS/cm. With such a coolant, the risk of electrical short circuits between the individual cells of the fuel cell stack is minimal. At the same time, a significant difference is ensured between the electrical conductivity of the coolant and the electrical conductivity of air, which is between 3E-11 µS/cm and 8E-11 µS/cm depending on its relative humidity. Thus, the abrupt drop in the conductivity determined with the measuring tip described above can be used as a level indicator. A coolant composed of water, preferably deionized water, an antifreeze, preferably glycol, and corrosion inhibitors, preferably nonionic corrosion inhibitors, is particularly preferably used. The coolant may contain other additives.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kühlsystem ferner eine mit dem Leitfähigkeitssensor verbundene Steuereinheit auf. Die Steuereinheit kann darüber hinaus noch mit weiteren Elementen des Kühlsystems oder eines Brennstoffzellensystems, in dem das Kühlsystem angeordnet ist, verbunden sein. Ist das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug angeordnet, kann es sich bei der Steuereinheit um eine Steuereinheit des Fahrzeugs handeln. Die Steuereinheit ist dafür eingerichtet, ein erstes Ausgabesignal zu erzeugen, wenn die von dem Leitfähigkeitssensor ermittelte elektrische Leitfähigkeit σ einen ersten Grenzwert σth 1 überschreitet. Die Steuereinheit ist zudem dafür eingerichtet, ein zweites Ausgabesignal zu erzeugen, wenn die von dem Leitfähigkeitssensor ermittelte elektrische Leitfähigkeit σ einen zweiten Grenzwert σth 2 unterschreitet. Die Steuereinheit empfängt dabei eine von dem Leitfähigkeitssensor bestimmte elektrische Leitfähigkeit σ oder einen in Abhängigkeit einer bestimmten Spannung U von dem Leitfähigkeitssensor gemessenen Strom I als Eingangssignal. Bevorzugt vergleicht die Steuereinheit das erhaltene Eingangssignal mit einem vorbestimmten ersten Grenzwert σt1, und mit einem vorbestimmten zweiten Grenzwert σth2, beispielsweise mittels einer Komparator-Schaltung. In Abhängigkeit des Ergebnisses dieser Vergleiche erzeugt die Steuereinheit ein erstes Ausgabesignal oder ein zweites Ausgabesignal. Bei dem ersten und/oder zweiten Ausgabesignal kann es sich um Binärsignale handeln, beispielsweise in Form einer Ausgangsspannung, welche die Werte GND oder VPP annimmt. Ebenfalls bevorzugt weist die Steuereinheit Kommunikationsmittel auf, um die Ausgabesignale an andere Elemente des Kühlsystems, eines Brennstoffzellensystems oder eines Fahrzeugsystems zu übertragen. In einer besonders einfachen Ausführungsform ist die Steuereinheit ein Teil des Leitfähigkeitssensors.In a preferred embodiment, the cooling system also has a control unit connected to the conductivity sensor. In addition, the control unit can also be connected to further elements of the cooling system or a fuel cell system in which the cooling system is arranged. If the fuel cell system is arranged in a vehicle, the control unit can be a control unit of the vehicle. The control unit is set up to generate a first output signal when the electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor exceeds a first limit value σ th 1 . The control unit is also set up to send a second output signal generate when the electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor falls below a second limit value σ th 2 . The control unit receives an electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor or a current I measured by the conductivity sensor as a function of a specific voltage U as an input signal. The control unit preferably compares the input signal received with a predetermined first limit value σ t 1 and with a predetermined second limit value σ th 2 , for example by means of a comparator circuit. Depending on the result of these comparisons, the control unit generates a first output signal or a second output signal. The first and/or second output signal can be binary signals, for example in the form of an output voltage which assumes the values GND or VPP . The control unit also preferably has communication means in order to transmit the output signals to other elements of the cooling system, a fuel cell system or a vehicle system. In a particularly simple embodiment, the control unit is part of the conductivity sensor.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist das Kühlsystem ferner einen in dem Kühlsystem, insbesondere dem Kühlmittelkreislauf, angeordneten lonenabscheider auf. Der lonenabscheider weist ein von dem Kühlmittel durchströmbares oder zumindest überströmbares Entionisierungsmittel auf. Bei dem Entionisierungsmittel kann es sich beispielsweise um ein lonenaustauscherharz handeln, das die im Kühlmittel gelösten Ionen (Kationen und Anionen) aufnehmen und H+- und OH--Ionen abgeben kann. In diesem Fall ist der lonenabscheider als lonentauscher ausgebildet. Das Entionisierungsmittel kann dabei als Schüttung unmittelbar in dem lonenabscheider oder in Form eines in den lonenabscheider einsetzbaren Filterelements vorliegen. Die Kapazität von gängigen Entionisierungsmitteln ist begrenzt, sodass diese in regelmäßigen Wechselintervallen getauscht werden müssen. Aus diesem Grund ist die Anordnung des Entionisierungsmittels in einem austauschbaren Filterelement besonders bevorzugt. Zudem gewährleistet ein Filterelement eine sichere Trennung von Entionisierungsmittel und Kühlmittelkreislauf. Alternativ kann jedoch auch der gesamte lonenabscheider in regelmäßigen Abständen aus dem Kühlsystem entfernt, geleert und mit neuem Entionisierungsmittel befüllt werden. Der lonenabscheider weist bevorzugt Mittel zum Bestimmen eines Betriebszustands des lonenabscheiders in Abhängigkeit der verbleibenden Kapazität des Entionisierungsmittels auf. Die Kapazität des Entionisierungsmittels lässt sich bevorzugt über eine Impedanz-Messung am Entionisierungsmittel bestimmen. Bevorzugt weist der lonenabscheider ein von dem Kühlmittel durchströmbares Gehäuse auf, in dem das Entionisierungsmittel angeordnet ist. Der lonenabscheider, insbesondere dessen Gehäuse, wird kontinuierlich oder steuerbar diskontinuierlich von dem Kühlmittel durchströmt. Eine kontinuierliche Durchströmung des lonenabscheiders erfolgt bevorzugt selbsttätig in Abhängigkeit des Druckverlusts des lonenabscheiders. Zum Steuern einer diskontinuierlichen Durchströmung weist der lonenabscheider bevorzugt zumindest ein steuerbares Stellmittel auf. Dieses Steuermittel und die Mittel zum Bestimmen eines Betriebszustands des lonenabscheiders sind bevorzugt mit der Steuereinheit des Kühlsystems verbunden.In a likewise preferred embodiment, the cooling system also has an ion separator arranged in the cooling system, in particular the coolant circuit. The ion separator has a deionizing agent through which the coolant can flow or at least overflow. The deionizing agent can be, for example, an ion exchange resin which can absorb the ions (cations and anions) dissolved in the coolant and release H + and OH - ions. In this case, the ion separator is designed as an ion exchanger. The deionizing agent can be in bulk directly in the ion separator or in the form of a filter element that can be inserted into the ion separator. The capacity of common deionizing agents is limited, so they have to be replaced at regular intervals. For this reason, the placement of the deionizing agent in a replaceable filter element is particularly preferred. In addition, a filter element ensures safe separation of the deionizing agent and the coolant circuit. Alternatively, however, the entire ion separator can also be removed from the cooling system at regular intervals, emptied and filled with new deionizing agent. The ion separator preferably has means for determining an operating state of the ion separator as a function of the remaining capacity of the deionizing agent. The capacity of the deionizing agent can preferably be determined via an impedance measurement on the deionizing agent. The ion separator preferably has a housing through which the coolant can flow and in which the deionizing agent is arranged. The coolant flows through the ion separator, in particular its housing, continuously or controllably discontinuously. A continuous flow through the ion separator preferably takes place automatically depending on the pressure loss of the ion separator. In order to control a discontinuous flow, the ion separator preferably has at least one controllable adjusting means. This control means and the means for determining an operating state of the ion separator are preferably connected to the control unit of the cooling system.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems, wie vorstehend beschrieben, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Erfassen eines Werts einer elektrischen Leitfähigkeit σ mittels des Leitfähigkeitssensors, Erzeugen eines ersten Ausgabesignals, wenn die von dem Leitfähigkeitssensor ermittelte elektrische Leitfähigkeit σ einen ersten Grenzwert σth 1überschreitet und Erzeugen eines zweiten Ausgabesignals, wenn die von dem Leitfähigkeitssensor ermittelte elektrische Leitfähigkeit σ einen zweiten Grenzwert σth 2 unterschreitet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhaft das Bestimmen zweier wesentlicher Betriebszustände eines Kühlsystems für einen Brennstoffzellenstapel, nämlich das Überschreiten einer maximalen Leitfähigkeit oth 1 des Kühlmittels und ein Unterschreiten eines minimalen Kühlmittelstandes (σth 2) des Kühlmittels in einem Ausgleichsbehälter des Kühlmittelsystems. Der apparative und schaltungstechnische Aufwand zum Durchführen des Verfahrens ist dabei vorteilhaft minimal, da nur ein gemessener Leitfähigkeitswert mit zwei Grenzwerten verglichen werden muss. Bevorzugt beinhaltet das Verfahren das Vergleichen der von dem Leitfähigkeitssensor ermittelten elektrischen Leitfähigkeit σ mit dem ersten Grenzwert σt1, und mit dem zweiten Grenzwert oth 2. Ebenfalls bevorzugt wird das Verfahren mittels der Steuereinheit durchgeführt und weist ferner den Verfahrensschritt auf: Einlesen des mittels des Leitfähigkeitssensors erfassten Werts der elektrischen Leitfähigkeit σ in die Steuereinheit.The invention also relates to a method for operating a cooling system, as described above, the method having the following method steps: detecting a value of an electrical conductivity σ using the conductivity sensor, generating a first output signal if the electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor has a exceeds the first limit value σ th 1 and generates a second output signal if the electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor falls below a second limit value σ th 2 . The method according to the invention advantageously enables the determination of two essential operating states of a cooling system for a fuel cell stack, namely exceeding a maximum conductivity o th 1 of the coolant and falling below a minimum coolant level (σ th 2 ) of the coolant in an expansion tank of the coolant system. The outlay in terms of apparatus and circuitry for carrying out the method is advantageously minimal, since only one measured conductivity value has to be compared with two limit values. The method preferably includes comparing the electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor with the first limit value σ t 1 and with the second limit value o th 2 . The method is also preferably carried out by means of the control unit and also has the method step: reading the value of the electrical conductivity σ detected by means of the conductivity sensor into the control unit.

In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Kühlsystem, aufweisend einen lonenabscheider und bevorzugt eine Steuereinheit, wie vorstehend beschrieben, betrieben. Das Verfahren weist dabei ferner das Ermitteln eines Betriebszustands des lonenabscheiders als Reaktion auf das erste Ausgabesignal auf. Wird dabei ermittelt, dass der lonenabscheider inaktiv ist, das heißt bislang noch nicht von Kühlmittel durchströmt wird, wird der lonenabscheider aktiviert, bevorzugt durch die Steuereinheit. Dazu wird bevorzugt ein Stellmittel so eingestellt, dass der lonenabscheider und das darin angeordnete Entionisierungsmittel vom Kühlmittel durchströmt werden. Das Stellmittel ist dazu vorzugsweise mit der Steuereinheit verbunden. Wird hingegen ermittelt, dass der lonenabscheider bereits aktiv ist aber bislang nur teilweise von Kühlmittel durchströmt wird und das in dem lonenabscheider angeordnete Entionisierungsmittel noch Kapazität zum Aufnehmen weiterer Ionen aufweist, wird die Menge des den lonenabscheider durchströmenden Kühlmittels erhöht. Bevorzugt erfolgt dies ebenfalls über das Einstellen eines Stellmittels im Kühlmittelkreislauf, besonders bevorzugt ebenfalls durch die Steuereinheit. Somit kann eine erste Reaktion auf den Betriebszustand des lonenabscheiders als Erhöhen der den lonenabscheider durchströmenden Kühlmittelmenge zusammengefasst werden. Wird hingegen ermittelt, dass der lonenabscheider bereits aktiv ist aber bereits von der maximalen Kühlmittelmenge durchströmt wird oder das Entionisierungsmittel nahezu keine Kapazitäten zum Aufnehmen weiterer Ionen aufweist (oder beides), wird als eine zweite Reaktion auf den Betriebszustand des lonenabscheiders und bevorzugt mittels der Steuereinheit ein drittes Ausgabesignal erzeugt. Diese bevorzugte Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht auf einfache Weise das Minimieren der lonenbelastung eines Kühlmittels anhand des erfassten Leitfähigkeitswerts und das Ausgeben eines dritten Ausgabesignals, sofern ein Absenken der lonenbelastung des Kühlmittels nicht mehr möglich ist.In a preferred embodiment of the method according to the invention, a cooling system having an ion separator and preferably a control unit, as described above, is operated. The method also includes determining an operating state of the ion separator in response to the first output signal. If it is determined that the ion separator is inactive, ie coolant has not yet flowed through it, the ion separator is activated, preferably by the control unit. For this purpose, an adjusting agent is preferably adjusted in such a way that the ion separator and the deionization arranged therein are medium flows through by the coolant. For this purpose, the adjusting means is preferably connected to the control unit. If, on the other hand, it is determined that the ion separator is already active but coolant has only partially flowed through it up to now and the deionizing agent arranged in the ion separator still has capacity to absorb further ions, the quantity of coolant flowing through the ion separator is increased. This is preferably also done by setting an adjusting means in the coolant circuit, particularly preferably also by the control unit. Thus, a first response to the operating condition of the ion separator can be summarized as increasing the amount of coolant flowing through the ion separator. If, on the other hand, it is determined that the ion separator is already active but the maximum amount of coolant is already flowing through it or the deionizing agent has almost no capacity to take up further ions (or both), as a second reaction to the operating state of the ion separator and preferably by means of the control unit third output signal generated. This preferred embodiment of the method according to the invention enables the ion load of a coolant to be minimized in a simple manner on the basis of the detected conductivity value and a third output signal to be output if the ion load of the coolant can no longer be reduced.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit Kathodenräumen, Anodenräumen und Kühlmittelkanälen; eine Kathodenversorgung, aufweisend einen Kathodenversorgungspfad mit einem darin angeordneten Verdichter und einen Kathodenabgaspfad; eine Anodenversorgung, aufweisend einen Anodenversorgungspfad und einen Anodenabgaspfad, und ein Kühlsystem, wie vorstehend beschrieben.The invention also relates to a fuel cell system, comprising a fuel cell stack with cathode spaces, anode spaces and coolant channels; a cathode supply comprising a cathode supply path with a compressor disposed therein and a cathode exhaust path; an anode supply comprising an anode supply path and an anode exhaust path, and a cooling system as described above.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, aufweisend ein Brennstoffzellensystem oder ein Kühlsystem, wie vorstehend beschrieben, und ein Fahrerinformationssystem. Das Fahrerinformationssystem ist dafür eingerichtet, als Reaktion auf das dritte Ausgabesignal ein erstes Warnsignal zu erzeugen. Das dritte Ausgabesignal wird erzeugt, wenn der lonenabscheider nahezu keine Kapazitäten mehr zum Aufnehmen zusätzlicher Ionen aufweist. Somit wird ein Fahrer des Fahrzeugs durch das erste Warnsignal informiert, dass die maximale Kapazität des lonenabscheiders, insbesondere des Entionisierungsmittels, bald erreicht ist. Der Fahrer hat dann noch ausreichend Zeit einen Werkstatttermin zum Wechsel des lonenabscheiders oder des darin enthaltenen Entionisierungsmittels vereinbaren oder den Wechsel selbst vornehmen. Das Fahrerinformationssystem ist ferner dafür eingerichtet, als Reaktion auf das zweite Ausgabesignal ein zweites Warnsignal zu erzeugen. Das zweite Warnsignal informiert den Fahrer, dass der Kühlmittelfüllstand in einem Ausgleichsbehälter einen minimalen Kühlmittelfüllstand unterschritten hat. Somit weiß der Fahrer, dass neues Kühlmittel nachzufüllen ist, um ein Überhitzen des Brennstoffzellenstapels zu vermeiden. Der minimale Kühlmittelfüllstand ist dabei so gewählt, dass noch ausreichend Zeit für ein Auffüllen des Ausgleichsbehälters verbleibt. Bei dem Fahrerinformationssystem handelt es sich bevorzugt um ein für den Fahrer sichtbares Kombiinstrument im Cockpit des Fahrzeugs und bei den Warnsignalen handelt es sich bevorzugt um akustische und/oder optische Warnsignale. Das Fahrerinformationssystem ist bevorzugt mit der Steuereinheit verbunden.The invention also relates to a vehicle having a fuel cell system or a cooling system, as described above, and a driver information system. The driver information system is configured to generate a first warning signal in response to the third output signal. The third output signal is generated when the ion separator has almost run out of capacity to accept additional ions. A driver of the vehicle is thus informed by the first warning signal that the maximum capacity of the ion separator, in particular of the deionizing agent, will soon be reached. The driver then still has enough time to arrange a workshop appointment to change the ion separator or the deionizing agent it contains, or to carry out the change himself. The driver information system is further configured to generate a second warning signal in response to the second output signal. The second warning signal informs the driver that the coolant level in an expansion tank has fallen below a minimum coolant level. The driver thus knows that new coolant must be refilled in order to avoid overheating of the fuel cell stack. The minimum coolant level is selected so that there is still enough time to fill up the expansion tank. The driver information system is preferably an instrument cluster in the cockpit of the vehicle that is visible to the driver, and the warning signals are preferably acoustic and/or visual warning signals. The driver information system is preferably connected to the control unit.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines in einem Ausgleichsbehälter eines Kühlmittelsystems für einen Brennstoffzellenstapel angeordneten Leitfähigkeitssensors zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit eines in dem Kühlmittelsystem vorhandenen Kühlmittels und zum Bestimmen des Unterschreitens eines minimalen Kühlmittelfüllstandes in dem Ausgleichsbehälter des Kühlmittelsystems.The invention also relates to the use of a conductivity sensor arranged in an expansion tank of a coolant system for a fuel cell stack to determine the electrical conductivity of a coolant present in the coolant system and to determine whether the coolant fill level in the expansion tank of the coolant system falls below a minimum.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred configurations of the invention result from the remaining features mentioned in the dependent claims.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless stated otherwise in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Ausgleichsbehälters eines erfindungsgemäßen Kühlmittelsystem, und
  • 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system with a cooling system according to the invention,
  • 2 a schematic representation of an expansion tank of a coolant system according to the invention, and
  • 3 a schematic flowchart of a method according to the invention for operating a cooling system according to the invention.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 12 shows a fuel cell system, denoted overall by 100, according to a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 is part of a vehicle that is not shown in any more detail, in particular an electric vehicle that has an electric traction motor that is supplied with electrical energy by the respective fuel cell system 100 .

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14 mit einer hier nicht näher dargestellten ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran sowie beidseits daran angeordneten katalytischen Elektroden. Diese Elektroden katalysieren die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffumsetzung. Die Anoden- und Kathodenelektrode sind als Beschichtung auf der Membran ausgebildet und weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.The fuel cell system 100 comprises a fuel cell stack 10 as a core component, which has a multiplicity of individual cells 11 arranged in stack form, which are formed by alternately stacked membrane electrode assemblies (MEA) 14 and bipolar plates 15 (see detailed section). Each individual cell 11 thus comprises an MEA 14 with an ion-conductive polymer electrolyte membrane (not shown in detail here) and catalytic electrodes arranged on both sides of it. These electrodes catalyze the respective partial reaction of the fuel conversion. The anode and cathode electrodes are formed as a coating on the membrane and comprise a catalytic material, for example platinum, supported on an electrically conductive support material with a large specific surface area, for example a carbon-based material.

Wie in der Detaildarstellung der 1 gezeigt, ist zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode ein Anodenraum 12 ausgebildet und ist zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13 ausgebildet. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmittel in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.As in the detail of the 1 As shown, an anode compartment 12 is formed between a bipolar plate 15 and the anode, and the cathode compartment 13 is formed between the cathode and the next bipolar plate 15 . The bipolar plates 15 serve to feed the operating resources into the anode and cathode chambers 12, 13 and also establish the electrical connection between the individual fuel cells 11. Gas diffusion layers can optionally be arranged between the membrane electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 .

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weisen die Brennstoffzellensysteme 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.In order to supply the fuel cell stack 10 with the resources, the fuel cell systems 100 have an anode supply 20 on the one hand and a cathode supply 30 on the other.

Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmittels (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein erstes Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar.The anode supply 20 of the in 1 The fuel cell system 100 shown includes an anode supply path 21 which serves to supply an anode resource (the fuel), for example hydrogen, into the anode compartments 12 of the fuel cell stack 10 . For this purpose, the anode supply paths 21 connect a fuel reservoir 23 to an anode inlet of the fuel cell stack 10. The anode supply 20 also includes an anode exhaust gas path 22, which discharges the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10. The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 can be adjusted via a first adjustment means 24 in the anode supply path 21 .

Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen. In der Rezirkulationsleitung 25 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 27, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet. In dem Anodenabgaspfad der Rezirkulationsleitung 25 nachgelagert ist ein zweites Stellmittel 26 angeordnet, um den Anteil des rezirkulierten Anodenabgases einzustellen. Ferner ist in dem Anodenabgaspfad 22 ein Wasserabscheider 28 verbaut, um aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenes Flüssigwasser zu kondensieren und abzuleiten.In addition, the anode supply 20 of the 1 fuel cell system shown on a recirculation line 25 which connects the anode exhaust gas path 22 to the anode supply path 21. The recirculation of fuel is customary in order to return the fuel, which is mostly used superstoichiometrically, to the fuel cell stack 10 . A recirculation conveying device 27, preferably a recirculation fan, is arranged in the recirculation line 25. A second adjusting means 26 is arranged downstream of the recirculation line 25 in the anode exhaust gas path in order to adjust the proportion of the recirculated anode exhaust gas. Furthermore, a water separator 28 is installed in the anode off-gas path 22 in order to condense and drain liquid water discharged from the fuel cell stack 10 .

Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmittel zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.The cathode supply 30 of the in 1 The fuel cell system 100 shown includes a cathode supply path 31, which supplies the cathode chambers 13 of the fuel cell stack 10 with an oxygen-containing cathode resource, in particular air that is sucked in from the environment. The cathode supply 30 also includes a cathode exhaust gas path 32 which discharges the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode chambers 13 of the fuel cell stack 10 and optionally feeds this to an exhaust gas system (not shown). A compressor 33 is arranged in the cathode supply path 31 for conveying and compressing the cathode operating medium. In the exemplary embodiment shown, the compressor 33 is configured as a compressor 33 driven primarily by an electric motor, the drive of which takes place via an electric motor 34 equipped with corresponding power electronics 35 . The compressor 33 can also be driven in support of a common shaft (not shown) by a turbine 36 (possibly with variable turbine geometry) arranged in the cathode exhaust gas path 32 .

Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Ein Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird. Die Kathodenversorgung 30 weist ferner eine Bypass-Leitung 37 auf, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenversorgungsleitung 31 so verbindet, dass das Befeuchtermodul 39 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 10 nicht durchströmt wird. Ein in der Bypass-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Befeuchter 39 umgehenden Kathodenbetriebsmittels.This in 1 The fuel cell system 100 shown also has a humidifier module 39 . The humidifier module 39 is arranged on the one hand in the cathode supply path 31 in such a way that the cathode operating gas can flow through it. On the other hand, it is arranged in the cathode exhaust gas path 32 in such a way that the cathode exhaust gas can flow through it. A humidifier 39 typically has a plurality of water vapor-permeable membranes, which are either flat or in the form of hollow fibers. The comparatively dry cathode operating gas (air) flows over one side of the membranes and the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas) flows over the other side. Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, water vapor passes over the membrane into the cathode operating gas, which is humidified in this way. The cathode supply 30 also has a bypass line 37 which the cathode supply line 31 is connected to the cathode supply line 31 in such a way that the humidifier module 39 upstream of the fuel cell stack 10 is not flowed through. A control means 38 arranged in the bypass line 37 is used to control the quantity of the cathode operating medium bypassing the humidifier 39 .

Zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 10 weist das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 zudem einen Kühlmittelkreislauf 40 auf. Dieser ist außerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 durch eine ein Kühlmittel führende Leitung 42 gebildet, die mit Kühlmitteleinlassöffnungen und Kühlmittelauslassöffnungen des jeweiligen Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist. Im Brennstoffzellenstapel sind zwischen den Kühlmitteleinlassöffnungen und Kühlmittelauslassöffnungen Kühlmittelkanäle in den Bipolarplatten 15 angeordnet. Zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlmittelleitung 42 und die Kühlmittelkanäle des Brennstoffzellenstapels 10 ist im Kühlmittelkreislauf 40 eine Kühlmittelfördereinrichtung 41 angeordnet. Zudem ist ein Ausgleichsbehälter 43 in dem Kühlmittelsystem 40 angeordnet und mit einer Kühlmittelleitung 42 fluidführend verbunden. In dem Ausgleichsbehälter 43 ist ein Leitfähigkeitssensor 44 zum Messen einer elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmittels mittels einer in 1 nicht dargestellten Messspitze angeordnet.For cooling the fuel cell stack 10, the 1 Fuel cell system 100 shown also has a coolant circuit 40 . This is formed outside of the fuel cell stack 10 by a line 42 carrying a coolant, which is connected to coolant inlet openings and coolant outlet openings of the respective fuel cell stack 10 . In the fuel cell stack, coolant channels are arranged in the bipolar plates 15 between the coolant inlet openings and coolant outlet openings. A coolant delivery device 41 is arranged in the coolant circuit 40 for delivering the coolant through the coolant line 42 and the coolant channels of the fuel cell stack 10 . In addition, a compensating tank 43 is arranged in the coolant system 40 and is connected to a coolant line 42 in a fluid-carrying manner. A conductivity sensor 44 for measuring an electrical conductivity of the coolant by means of an in 1 arranged measuring tip not shown.

Das Kühlsystem weist zudem einen lonenabscheider 45 auf, der mit einem nicht dargestellten Entionisierungsmittel gefüllt ist und über ein steuerbares drittes Stellmittel 46 mit den Kühlmittelleitungen 42 des Kühlkreislaufs 40 verbunden werden kann. Das dritte Stellmittel 46 ist dabei als steuerbares Dreiwegeventil ausgebildet. Wird der lonenabscheider 45 von dem Kühlmittel durchströmt, nimmt das darin enthaltene Entionisierungsmittel im Kühlmittel gelöste Ionen (Kationen und Anionen) auf und gibt dafür H+- und OH--Ionen ab, die im Kühlmittel zu Wasser abreagieren.The cooling system also has an ion separator 45 which is filled with a deionizing agent (not shown) and can be connected to the coolant lines 42 of the cooling circuit 40 via a controllable third adjusting means 46 . The third adjusting means 46 is designed as a controllable three-way valve. If the coolant flows through the ion separator 45, the deionizing agent contained therein absorbs ions (cations and anions) dissolved in the coolant and releases H + and OH - ions in return, which react in the coolant to form water.

In der 2 ist eine Detaildarstellung des Ausgleichsbehälters 43 gezeigt. Dabei weist der Ausgleichsbehälter an seiner Oberseite eine Verschlusskappe 50 auf, die geöffnet werden kann, um neues Kühlmittel einzufüllen. Ein Leitfähigkeitssensor 44 durchstößt eine Seitenwand des Ausgleichsbehälters 43 und ist nach unten geneigt in dem Ausgleichsbehälter 43 so angeordnet, dass eine Messspitze 49 des Leitfähigkeitssensors 44 auf der Höhe eines minimalen Kühlmittelstandes in dem Ausgleichsbehälter 43 angeordnet ist. Der minimale Kühlmittelfüllstand entspricht dabei nicht einer auf dem Ausgleichsbehälter angebrachten Mindeststandmarkierung (min), die nur der Information eines Nutzers dient und ein rechtzeitiges Auffüllen des Ausgleichsbehälters gewährleisten soll. Der Ausgleichsbehälter 43 weist ferner eine Maximalstandmarkierung (max) zur Information des Nutzers auf.In the 2 a detailed view of the expansion tank 43 is shown. The expansion tank has a cap 50 on its upper side, which can be opened in order to fill in new coolant. A conductivity sensor 44 pierces a side wall of the surge tank 43 and is disposed in the surge tank 43 inclined downward so that a probe tip 49 of the conductivity sensor 44 is located at a minimum coolant level in the surge tank 43 . The minimum coolant level does not correspond to a minimum level marking (min) on the expansion tank, which is only for the information of the user and is intended to ensure that the expansion tank is filled up in good time. The expansion tank 43 also has a maximum level mark (max) for the information of the user.

Der in den 1 und 2 dargestellte Leitfähigkeitssensor 44 bestimmt eine elektrische Leitfähigkeit, indem er den zwischen den Elektroden der Messspitze 49 fließenden Strom I in Abhängigkeit der zwischen diesen Elektroden angelegten Spannung U misst. Der Leitfähigkeitssensor 44 kann daraus, wie in 3 dargestellt, die elektrische Leitfähigkeit σ des Kühlmittels bestimmen. Alternativ kann der Leitfähigkeitssensor 44, wie in 1 dargestellt, die Werte von Spannung U und Strom I an eine ebenfalls in dem Brennstoffzellensystem 100 angeordnete Steuereinheit 47 (ECU) ausgeben, wobei die elektrische Leitfähigkeit σ des Kühlmittels in der Steuereinheit 47 bestimmt wird.The in the 1 and 2 The conductivity sensor 44 shown determines an electrical conductivity by measuring the current I flowing between the electrodes of the measuring tip 49 as a function of the voltage U applied between these electrodes. The conductivity sensor 44 can, as in 3 shown, determine the electrical conductivity σ of the coolant. Alternatively, the conductivity sensor 44, as in 1 shown, which output the values of voltage U and current I to a control unit 47 (ECU) also arranged in fuel cell system 100, electrical conductivity σ of the coolant being determined in control unit 47.

Wie in 3 dargestellt, wird in der Steuereinheit 47 die elektrische Leitfähigkeit σ des Kühlmittels mit einem ersten Grenzwert σt1, und einem zweiten Grenzwert σth2 verglichen. Ergibt dieser Vergleich, dass weder der erste Grenzwert σt1, überschritten noch der zweite Grenzwert σth2 unterschritten ist, wird mittels des Leitfähigkeitssensors 44 die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit σ des Kühlmittels fortgesetzt, wie in 3 durch Pfeile angedeutet. Wie in den 1 und 3 dargestellt, empfängt die Steuereinheit 47 auch Informationen von dem lonenabscheider 45. Dabei handelt es sich um Informationen über den Betriebszustand des lonenabscheiders 45, insbesondere die Stellung/den Öffnungsgrad des dritten Stellmittels 46, oder über die Kapazität des im lonenabscheider 45 enthaltenen Entionisierungsmittels zur Aufnahme von Ionen.As in 3 shown, the electrical conductivity σ of the coolant is compared in the control unit 47 with a first limit value σ t 1 and a second limit value σ th 2 . If this comparison shows that the first limit value σ t 1 is not exceeded and the second limit value σ th 2 is not exceeded, the conductivity sensor 44 continues to determine the electrical conductivity σ of the coolant, as in FIG 3 indicated by arrows. As in the 1 and 3 shown, the control unit 47 also receives information from the ion separator 45. This is information about the operating state of the ion separator 45, in particular the position/the degree of opening of the third adjusting means 46, or about the capacity of the deionizing agent contained in the ion separator 45 to absorb ions.

Ergibt der Vergleich in der Steuereinheit 47, dass der von dem Leitfähigkeitssensor 44 bestimmte Leitfähigkeitswert σ den ersten Grenzwert σt 1, überschreitet, gibt die Steuereinheit 47 ein erstes Ausgabesignal aus und prüft als Reaktion darauf in einem nächsten Schritt die von dem lonenabscheider 45 empfangenen Daten. Anhand dieser Daten ermittelt die Steuereinheit 47 die angemessene Reaktion auf die zu hohe lonenkontamination des Kühlmittels. Stellt die Steuereinheit 47 fest, dass der lonenabscheider bislang inaktiv ist, das heißt das dritte Steuermittel 46 verschlossen ist, öffnet die Steuereinheit 47 das dritte Stellmittel 46 zum lonenabscheider 45. Stellt die Steuereinheit 47 fest, dass das Stellmittel 46 bislang nur teilweise geöffnet ist, erhöht die Steuereinheit 47 dessen Öffnungsgrad und damit die den lonenabscheider 45 durchströmende Kühlmittelmenge. Stellt die Steuereinheit 47 fest, dass die den lonenabscheider 45 durchströmende Kühlmittelmenge bereits maximal ist und/oder das im lonenabscheider enthaltene Entionisierungsmittel nahezu keine Kapazitäten zum Aufnehmen weiterer Ionen aufweist, erzeugt die Steuereinheit 47 ein drittes Ausgabesignal und übermittelt dieses an ein Fahrerinformationssystem 48 (BCM) des nicht näher dargestellten Fahrzeugs. Das Fahrerinformationssystem 48 erzeugt als Reaktion auf das dritte Ausgabesignal ein erstes Warnsignal und gibt dieses an den Fahrer aus.If the comparison in the control unit 47 shows that the conductivity value σ determined by the conductivity sensor 44 exceeds the first limit value σ t 1 , the control unit 47 outputs a first output signal and, as a reaction thereto, checks the data received from the ion separator 45 in a next step . Based on this data, the control unit 47 determines the appropriate reaction to the excessive ionic contamination of the coolant. If the control unit 47 determines that the ion separator has been inactive up to now, i.e. the third control means 46 is closed, the control unit 47 opens the third adjusting means 46 to the ion separator 45. If the control unit 47 determines that the adjusting means 46 has so far only been partially opened, the control unit 47 increases its degree of opening and thus the quantity of coolant flowing through the ion separator 45 . If control unit 47 determines that the amount of coolant flowing through ion separator 45 is already at its maximum and/or the deionizing agent contained in the ion separator has almost no capacity to absorb further ions, control unit 47 generates a third output signal and transmits this to a driver information system 48 (BCM) of the vehicle, not shown. In response to the third output signal, the driver information system 48 generates and outputs a first warning signal to the driver.

Ergibt der Vergleich in der Steuereinheit 47, dass der von dem Leitfähigkeitssensor 44 bestimmte Leitfähigkeitswert σ den zweiten Grenzwert σth 2 unterschreitet, erzeugt die Steuereinheit 47 ein zweites Ausgabesignal und übermittelt dieses an das Fahrerinformationssystem 48 (BCM). Das Fahrerinformationssystem 48 gibt als Reaktion auf das zweite Ausgabesignal ein zweites Warnsignal an den Fahrer aus.If the comparison in control unit 47 shows that conductivity value σ determined by conductivity sensor 44 falls below second limit value σ th 2 , control unit 47 generates a second output signal and transmits it to driver information system 48 (BCM). The driver information system 48 issues a second warning signal to the driver in response to the second output signal.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Brennstoffzellensystem fuel cell system
1010
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1111
Einzelzellesingle cell
1212
Anodenraumanode room
1313
Kathodenraumcathode room
1414
Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)Membrane Electrode Assembly (MEA)
1515
Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte) Bipolar plate (separator plate, flow field plate)
2020
Anodenversorgunganode supply
2121
Anodenversorgungsleitunganode supply line
2222
Anodenabgasleitunganode exhaust line
2323
Brennstofftankfuel tank
2424
erstes Stellmittelfirst means of adjustment
2525
Rezirkulationsleitungrecirculation line
2626
zweites Stellmittelsecond adjusting agent
2727
Rezirkulationsfördereinrichtungrecirculation conveyor
2828
Wasserabscheider water separator
3030
Kathodenversorgungcathode supply
3131
Kathodenversorgungsleitungcathode supply line
3232
Kathodenabgasleitungcathode exhaust line
3333
Verdichtercompressor
3434
Elektromotorelectric motor
3535
Leistungselektronikpower electronics
3636
Turbineturbine
3737
Bypass-Leitungbypass line
3838
Stellmittelsetting means
3939
Befeuchtermodul humidifier module
4040
Kühlmittelkreislaufcoolant circuit
4141
Kühlmittelfördervorrichtungcoolant delivery device
4242
Kühlmittelleitungcoolant line
4343
Ausgleichsbehältersurge tank
4444
Leitfähigkeitssensorconductivity sensor
4545
lonenabscheiderion separator
4646
drittes Stellmittelthird adjusting agent
4747
Steuereinheitcontrol unit
4848
Fahrerinformationssystemdriver information system
4949
Messspitzemeasuring tip
5050
Verschlusskappesealing cap

Claims (10)

Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstapel (10), aufweisend: einen Kühlmittelkreislauf (40) zum Führen eines Kühlmittels, eine Kühlmittelfördereinrichtung (41), eine das Kühlmittel transportierende Kühlmittelleitung (42), und einen Ausgleichsbehälter (43), dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitfähigkeitssensor (44) in dem Ausgleichsbehälter (43) angeordnet ist und eine Messspitze (49) des Leitfähigkeitssensors (44) auf der Höhe eines minimalen Kühlmittelfüllstandes in dem Ausgleichsbehälter (43) angeordnet ist.Cooling system for a fuel cell stack (10), having: a coolant circuit (40) for conducting a coolant, a coolant delivery device (41), a coolant line (42) transporting the coolant, and an expansion tank (43), characterized in that a conductivity sensor (44 ) is arranged in the expansion tank (43) and a measuring tip (49) of the conductivity sensor (44) is arranged at the height of a minimum coolant level in the expansion tank (43). Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine elektrische Leitfähigkeit σ von weniger als 50 µS/cm aufweist und der Leitfähigkeitssensor (44) zum Messen einer elektrischen Leitfähigkeit σ von weniger als 50 µS/cm ausgebildet ist.cooling system after claim 1 , characterized in that the coolant has an electrical conductivity σ of less than 50 µS/cm and the conductivity sensor (44) is designed to measure an electrical conductivity σ of less than 50 µS/cm. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Wasser, ein Frostschutzmittel und zumindest einen Korrosionsinhibitor enthält.cooling system after claim 1 or 2 , characterized in that the coolant contains water, an antifreeze and at least one corrosion inhibitor. Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine mit dem Leitfähigkeitssensor (44) verbundene Steuereinheit (47), die dafür eingerichtet ist, ein erstes Ausgabesignal zu erzeugen, wenn die von dem Leitfähigkeitssensor (44) ermittelte elektrische Leitfähigkeit σ einen ersten Grenzwert σt 1, überschreitet, und ein zweites Ausgabesignal zu erzeugen, wenn die von dem Leitfähigkeitssensor (44) ermittelte elektrische Leitfähigkeit σ einen zweiten Grenzwert σth 2 unterschreitet.Cooling system according to one of the preceding claims, further comprising: a control unit (47) connected to the conductivity sensor (44) and configured to generate a first output signal when the electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor (44) exceeds a first limit value σ t 1 , and to generate a second output signal when the electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor (44) falls below a second limit value σ th 2 . Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen in dem Kühlmittelkreislauf (40) angeordneten lonenabscheider (45) mit einem von dem Kühlmittel durchströmbaren Entionisierungsmittel.Cooling system according to one of the preceding claims, further comprising an ion separator (45) which is arranged in the coolant circuit (40) and has a deionizing agent through which the coolant can flow. Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend die Verfahrensschritte: Erfassen eines Werts einer elektrischen Leitfähigkeit σ mittels des Leitfähigkeitssensors (44); und eines der Folgenden: Erzeugen eines ersten Ausgabesignals, wenn die von dem Leitfähigkeitssensor (44) ermittelte elektrische Leitfähigkeit σ einen ersten Grenzwert σt 1, überschreitet; und Erzeugen eines zweiten Ausgabesignals, wenn die von dem Leitfähigkeitssensor (44) ermittelte elektrische Leitfähigkeit σ einen zweiten Grenzwert σth 2 unterschreitet.Method for operating a cooling system according to one of Claims 1 until 5 , having the method steps: detecting a value of an electrical conductivity σ by means of the conductivity sensor (44); and one of the following: generating a first output signal if the electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor (44) exceeds a first limit value σ t 1 ; and generating a second output signal when the electrical conductivity σ determined by the conductivity sensor (44) falls below a second limit value σ th 2 . Verfahren nach Anspruch 6 zum Betrieb eines Kühlsystems nach Anspruch 5, ferner aufweisend die Verfahrensschritte: Ermitteln eines Betriebszustands des lonenabscheiders (45) als Reaktion auf das erste Ausgabesignal; und eines der Folgenden: Erhöhen der den lonenabscheider (45) durchströmenden Kühlmittelmenge; und Erzeugen eines dritten Ausgabesignals, wenn beim Empfangen des ersten Ausgabesignals die den lonenabscheider (45) durchströmende Kühlmittelmenge bereits maximal ist und/oder das im lonenabscheider (45) enthaltene Entionisierungsmittel nahezu keine Kapazitäten zum Aufnehmen weiterer Ionen aufweist.procedure after claim 6 to operate a cooling system claim 5 , further comprising the steps of: determining an operational state of the ion separator (45) in response to the first output signal; and one of: increasing the amount of coolant flowing through the ion separator (45); and generating a third output signal if, when the first output signal is received, the amount of coolant flowing through the ion separator (45) is already at its maximum and/or the deionizing agent contained in the ion separator (45) has almost no capacity to take up further ions. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (10) mit Kathodenräumen (12), Anodenräumen (13) und Kühlmittelkanälen; eine Kathodenversorgung (30), aufweisend einen Kathodenversorgungspfad (31) mit einem darin angeordneten Verdichter (33) und einen Kathodenabgaspfad (32); eine Anodenversorgung (20), aufweisend einen Anodenversorgungspfad (21) und einen Anodenabgaspfad (22); und ein Kühlsystem (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Fuel cell system (100), comprising a fuel cell stack (10) with cathode spaces (12), anode spaces (13) and coolant channels; a cathode supply (30) comprising a cathode supply path (31) with a compressor (33) disposed therein and a cathode exhaust path (32); an anode supply (20) having an anode supply path (21) and an anode exhaust path (22); and a cooling system (40) according to any one of Claims 1 until 5 . Fahrzeug, aufweisend ein Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder ein Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8 und ferner aufweisend ein Fahrerinformationssystem (48), das dafür eingerichtet ist, als Reaktion auf das dritte Ausgabesignal ein erstes Warnsignal zu erzeugen und als Reaktion auf das zweite Ausgabesignal ein zweites Warnsignal zu erzeugen.Vehicle, having a cooling system according to one of Claims 1 until 5 or a fuel cell system (100). claim 8 and further comprising a driver information system (48) arranged to generate a first warning signal in response to the third output signal and to generate a second warning signal in response to the second output signal. Verwendung eines in einem Ausgleichsbehälter (43) eines Kühlmittelsystems für einen Brennstoffzellenstapel (10) angeordneten Leitfähigkeitssensors (44) zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit eines in dem Kühlmittelsystem vorhandenen Kühlmittels und zum Bestimmen des Unterschreitens eines minimalen Kühlmittelfüllstandes in dem Ausgleichsbehälter (43) des Kühlmittelsystems.Use of a conductivity sensor (44) arranged in an expansion tank (43) of a coolant system for a fuel cell stack (10) to determine the electrical conductivity of a coolant present in the coolant system and to determine whether the coolant level in the expansion tank (43) of the coolant system falls below a minimum level.
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