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Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf für wenigstens eine Brennstoffzelle mit einem flüssigen wässrigen Kühlmittel und mit wenigstens einer Kühlmittelfördereinrichtung zum Umwälzen des Kühlmittels.
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Kühlkreisläufe für Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellensysteme sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden meist mit wässrigen Kühlmitteln, häufig mit Kühlwasser, betrieben. Dieses Kühlwasser weist eventuell Zusätze auf, um ein Einfrieren zu verhindern. Für die Funktionalität ist es, insbesondere beim Einsatz von metallischen Bipolarplatten in der Brennstoffzelle, sehr wichtig, dass das Kühlmittel keine elektrische Leitfähigkeit aufweist, also ganz oder zumindest weitgehend frei von Ionen ist. Aus diesem Grund wird in der Praxis sehr häufig deionisiertes Wasser als Basis für das wässrige Kühlmittel eingesetzt. Dieses strömt in dem Brennstoffzellenkühlkreislauf dann über einen lonentauscher, um zu erreichen, dass die geringe Leitfähigkeit in jedem Fall aufrechterhalten bleibt. Hierdurch entsteht jedoch ein erheblicher Aufwand hinsichtlich der Wartung, weil lonentauscher regelmäßig gewartet und ausgetauscht werden müssen.
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Die
DE 101 04 771 A1 schlägt ein alternatives Verfahren vor, bei dem das Kühlmittel zumindest intermittierend, vorzugsweise aber kontinuierlich, elektrochemisch entionisiert wird. Eine solche elektrochemische Entionisierung ist jedoch ebenfalls ein erheblicher Aufwand und ist ebenfalls nicht wartungsarm.
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Zum allgemeinen Stand der Technik kann außerdem auf die
EP 1 704 123 B1 hingewiesen werden. Sie beschäftigt sich mit dem Entfernen von Ionen aus Kühlwassern für industrielle Anwendungen. Sie erwähnt verschieden Verfahren wie beispielsweise lonentauscher, ein elektrochemisches Deionisieren, eine Destillation oder dergleichen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Kühlkreislauf für wenigstens eine Brennstoffzelle mit einem flüssigen, wässrigen Kühlmittel anzugeben, welcher eine hohe elektrische Sicherheit gewährleistet und dabei wenig Wartungsaufwand verursacht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kühlkreislauf mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kühlkreislauf für wenigstens eine Brennstoffzelle, insbesondere einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems, ist es vorgesehen, dass das flüssige, wässrige Kühlmittel mit wenigstens einer Kühlmittelfördereinrichtung umgewälzt wird. Erfindungsgemäß ist in dem Kühlkreislauf dauerhaft oder über Ventileinrichtungen zuschaltbar eine Destillationseinrichtung für das Kühlmittel vorgesehen. Eine solche Destillationseinrichtung für das Kühlmittel dient dazu, das Kühlmittel intermittierend oder kontinuierlich zu verdampfen und wieder zu kondensieren, um so Ionen in dem Wasser des Kühlkreislaufs zuverlässig aus dem Kühlmittel zu entfernen. Hierdurch wird ein sehr wartungsarmer Aufbau ermöglicht, welcher sehr viel weniger häufig getauscht und gewartet werden muss, als beispielsweise lonentauscher. Der Aufbau erlaubt außerdem eine sehr viel bessere Entfernung von elektrisch leitfähigen Ionen, sodass insgesamt eine verbesserte elektrische Isolationswirkung des Kühlmittels erreicht wird, was die elektrische Sicherheit des Gesamtsystems erhöht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann die Destillationseinrichtung dabei in Strömungsrichtung nach der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass die Abwärme der Brennstoffzelle von dem Kühlmittel bereits aufgenommen worden ist, wenn dieses die Destillationseinrichtung erreicht. Das Kühlmittel ist dann auf der maximalen im Kühlkreislauf vorliegenden Temperatur des Kühlmittels und muss nur noch geringfügig erwärmt werden, um das Wasser zu verdampfen.
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Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs sieht es dabei vor, dass die Destillationseinrichtung einen Verdampfer und ein Heizelement aufweist. Dieses Heizelement kann beispielsweise als elektrisches Heizelement ausgebildet sein und dient zum Eintrag von Wärme, um das Wasser in dem Kühlmittel zu verdampfen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei so, dass der Verdampfer einen Flüssigkeitssumpf mit der Heizeinrichtung und einen im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft darüber liegenden Dampfsammelbereich aufweist. Der Verdampfer kann beispielsweise in der Art eines stehenden Kessels ausgebildet sein, bei welchem die Flüssigkeit in dem Kessel gesammelt wird und darüber der Dampf gesammelt und durch eine Leitung abgezogen wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann der Verdampfer dabei so ausgebildet sein, dass dieser im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unten ein Ablassventil aufweist, über welches von Zeit zu Zeit die Flüssigkeit, in welcher sich Ionen zunehmend aufkonzentrieren, abgelassen werden kann. Dieses Ablassen kann dabei in einem sehr viel weiteren Wartungsrhythmus erfolgen, als es beispielsweise der Austausch eines lonentauschers müsste. Außerdem ist das Ablassen der Flüssigkeit und das Nachfüllen von neuer Flüssigkeit, welche beispielsweise aus dem Produktwasser der Brennstoffzelle stammen kann, sehr viel einfacher als der Austausch eines lonentauschers, bei welchem entsprechende Anschlusselemente de-montiert und wieder montiert werden müssen, was immer mit der Gefahr einer Fehlmontage oder Undichtheit einhergeht. Wird dagegen lediglich ein Ventil geöffnet und eine Flüssigkeit abgelassen, ist dies einfach und wenig fehleranfällig, insbesondere wenn das Ventil als im Normalzustand geschlossenes Ventil ausgebildet ist.
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Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Destillationseinrichtung einen Kompressor für den Dampf umfasst. Ein solcher Aufbau mit einem Kompressor für den Dampf stellt also faktisch eine Dampfkompressionsdestillation dar, welche auch als MVR-Prozess bezeichnet wird. Der Kompressor ist dabei als Verdrängerpumpe, beispielsweise als Roots-Gebläse, ausgebildet. Durch den an sich bekannten Prozess wird es möglich, Wärme aus dem Dampf zum Aufheizen des Verdampfers und des zum Verdampfer strömenden Mediums zu nutzen. Außerdem kann der Dampf über einen solchen Kompressor, welcher den Dampf beispielsweise aus dem Dampfsammelbereich des Verdampfers absaugt und ihn in einen Bereich fördert, in welchem er kondensieren kann, besonders einfach und effizient gefördert werden, da zusätzlich zu der Bewegung des Dampfs aufgrund seines gegenüber der flüssigen Phase erhöhten Volumens über den Kompressor unterstützend eingegriffen wird.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung sieht es vor, dass der Dampf durch einen Wärmetauscher in dem Flüssigkeitssumpf strömt. Hierdurch ist es möglich, den Dampf abzukühlen und gleichzeitig Wärme in den Flüssigkeitssumpf einzutragen, sodass die über das Heizelement aufzubringende Heizleistung reduziert werden kann.
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Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung kann es außerdem vorgesehen sein, dass ergänzend oder alternativ hierzu ein Wärmetauscher zwischen dem Dampf oder Kondensat einerseits und dem von der Brennstoffzelle zur Destillationseinrichtung strömenden Kühlmittel andererseits ausgebildet ist. Auch dies dient dazu, den Dampf weiter zu kondensieren und dabei Wärme in das zu der Destillationseinrichtung und hier insbesondere zu ihrem Verdampfer strömendes Kühlmittel einzutragen. Dies reduziert die notwendige Leistung zum Betreiben des Heizelements ebenfalls.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 einen prinzipmäßig angedeuteten Kühlkreislauf eines Brennstoffzellenstapels in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
- 2 eine Destillationseinrichtung für einen solchen Kühlkreislauf.
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In der Darstellung der 1 ist ein Kühlkreislauf 1 angedeutet, wie er beispielsweise bei der bevorzugten, nicht aber zwingenden Anwendung einer Brennstoffzelle 2 bzw. eines Stapels 2 von Einzelzellen in einem Fahrzeug üblich ist. Jede Brennstoffzelle 2 weist einen Kathodenraum 3 und einen Anodenraum 4 auf, welchem Sauerstoff und Wasserstoff beispielsweise in Form von Luft und komprimiertem Wasserstoff zugeführt wird. In an sich bekannter Art und Weise wird hieraus elektrische Leistung erzeugt, welche dann vorzugsweise zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden kann. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist außerdem einen Kühlwärmetauscher 5 auf, über welche durch den Kühlkreislauf 1 Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel 2 abgeführt wird.
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Das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf wird dabei durch eine Kühlmittelfördereinrichtung 6 umgewälzt, und strömt von dem Kühlwärmetauscher 5 des Brennstoffzellenstapels 2 aus über eine mit 7 bezeichnete Ventileinrichtung wahlweise durch einen Kühler 8, um die Wärme an die Umgebung abzugeben, oder wenn keine oder nur ein geringer Teil von Wärme an die Umgebung abgegeben werden soll, über einen Bypass 9 zu eben diesem Kühler 8. Dieser Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt und wird bei Brennstoffzellensystemen, insbesondere bei solchen in Fahrzeugen, allgemein so verwendet.
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In der Darstellung der 1 ist außerdem eine mit 10 bezeichnete Destillationseinrichtung zu erkennen. Diese ist in der Darstellung der 1 lediglich angedeutet und soll in der Praxis dazu dienen, beispielsweise zuschaltbar über Ventile intermittierend oder auch kontinuierlich bei einer dauerhaften Einbindung in den Kühlkreislauf 1 das wässrige Kühlmittel zu verdampfen und zu kondensieren, um die Konzentration von elektrisch leitfähigen Partikeln bzw. Ionen zu reduzieren, sodass immer ein elektrisch isolierendes Kühlmittel vorliegt.
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In der Darstellung der 2 ist nun diese Destillationseinrichtung 10 nochmals in einer möglichen Ausführungsvariante dargestellt. Das mit KM bezeichnete Kühlmittel strömt an der mit 11 bezeichneten Stelle in die Destillationseinrichtung 10 ein und verlässt diese an der mit 12 bezeichneten Stelle wieder, wie es durch die Pfeile entsprechend angedeutet ist. Das Kühlmittel KM strömt nun zuerst über einen Wärmetauscher 13 und dann in einen Verdampfer 14. Dieser Verdampfer 14 ist in Richtung der Schwerkraft g im bestimmungsgemäßen Einsatz so ausgebildet, dass sich unten ein Flüssigkeitssumpf 15 und darüber ein Dampfsammelbereich 16 ausbilden. In dem Flüssigkeitssumpf 15 befindet sich ein Heizelement 17, welches beispielsweise als elektrischer Heizstab ausgebildet sein kann. Außerdem ist in dem Flüssigkeitssumpf 15 ein Wärmetauscher 18 angeordnet, auf welchen später noch näher eingegangen wird. Das flüssige Kühlmittel KM sammelt sich nun in dem Flüssigkeitssumpf 15 und wird durch den Eintrag von Wärme verdampft. Der Dampf gelangt aus dem Dampfsammelbereich über eine Dampfleitung 19 zu einem Kompressor 20, welcher vorzugsweise als Roots-Gebläse ausgebildet sein kann. Die Destillationseinrichtung 10 nutzt also zum Verdampfen des Kühlmittels einerseits die Wärme aus dem Heizelement 17 und dem Wärmetauscher 18 sowie eine Kompression des Dampfes. Das Verfahren wird auch als Dampfkompressionsdestillation, als MVR-Prozess, als Brüdenkompression oder im englischsprachigen Sprachraum als Vapor Compression Distillation bezeichnet. Der komprimierte Dampf nach dem Kompressor 20 strömt dann durch den Wärmetauscher 18 und gibt Wärme an die Flüssigkeit im Flüssigkeitssumpf 15 ab, wodurch der Dampf bereits ganz oder teilweise kondensieren kann. Das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch strömt dann weiter zum Wärmetauscher 13, in dem es weitere Wärme abgibt, welche zum Vorheizen des Kühlmittels KM dient, bevor dieses in den Verdampfer 14 einströmt. Das destillierte Wasser gelangt dann im Bereich 12 wieder in den eigentlichen Kühlkreislauf 1 der Brennstoffzelle 2. Dieser Aufbau kann kontinuierlich eingebunden werden oder über Ventile schaltbar, sodass er nur intermittierend durchströmt wird, beispielsweise wenn eine detektierte elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels KM in dem Kühlkreislauf 1 einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
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Die Destillationseinrichtung 10 ist dabei weitgehend wartungsfrei, da lediglich von Zeit zu Zeit über ein angedeutetes und mit 21 bezeichnetes Ablassventil die mit Ionen aufkonzentrierte Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitssumpf 15 abgelassen und in dem Kühlkreislauf 1 entsprechend ergänzt werden muss. Die Wartungsinterfalle können dabei jedoch sehr viel größer gewählt werden, als beispielsweise bei lonentauschern mit von Zeit zu Zeit auszutauschenden Patronen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10104771 A1 [0003]
- EP 1704123 B1 [0004]
