DE102018212128A1

DE102018212128A1 - Deionisationsvorrichtung, Kühleinrichtung und Verfahren zur Deionisation einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102018212128A1
Application number: DE102018212128.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes Weis; Thomas Lichius; Thomas Weustenfeld; Mike Herbig
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-01-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Deionisationsvorrichtung (1) zur Deionisierung einer Flüssigkeit, mit einer an eine Spannungsquelle (3) anschließbaren oder angeschlossenen ersten Elektrode (4) und mit einer geerdeten oder an die Spannungsquelle (3) anschließbaren oder angeschlossenen zweiten Elektrode (5). Zumindest eine der beiden Elektroden (4,5) ist im Querschnitt derart gestaltet, dass ein Strömungsquerschnitt (6) für die zwischen den Elektroden (4,5) fließende zu deionisierende Flüssigkeit bereitgestellt ist, und dass die beiden Elektroden (4,5) mittels eines elektisch nicht-leitenden Materials miteinander zu einer den Strömungsquerschnitt (6) bereitstellenden Leitung (7) verbunden sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kühleinrichtung (9) sowie ein Verfahren zur Deionisation einer Flüssigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Deionisationsvorrichtung zur Deionisierung einer Flüssigkeit, insbesondere einer Kühlflüssigkeit eines Brennstoffzellensystems, mit einer an eine Spannungsquelle, insbesondere an eine Gleichspannungsquelle, anschließbaren oder angeschlossenen ersten Elektrode und mit einer geerdeten oder an die Spannungsquelle anschließbaren oder angeschlossenen zweiten Elektrode.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kühleinrichtung eines Brennstoffzellensystems mit einer solchen Deionisationsvorrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Deionisation einer Flüssigkeit, insbesondere einer Kühlflüssigkeit eines Brennstoffzellensystems.
In Brennstoffzellensystemen, insbesondere in solchen, bei denen eine Polymerelektrolytmembran für den Ionenaustausch genutzt wird, wird eine Kühlung der Brennstoffzelle benötigt. Hierbei kommt ein im Wesentlichen nicht-leitendes Kühlmittel wie destilliertes Wasser oder - um Frostproblemen vorzubeugen - Mischungen aus destilliertem Wasser und einem Alkohol zum Einsatz. Das Kühlmittel wird in einem Kühlmittelkreislauf zirkuliert, wobei ein Wärmeübertrager vorhanden ist, um das Kühlmittel auf die gewünschte Temperatur einzustellen. Da das Kühlmittel in der Regel durch Bipolarplatten fließt, die unterschiedliche Spannungen aufweisen, ist es notwendig, dass das Kühlmittel weitestgehend elektrisch neutral durch den Brennstoffzellenstapel fließt.
Aus diesem Grunde schlägt beispielsweise die EP 1 296 396 B1 die Integration eines Deionisationsfilters in den Kühlkreislauf vor. Eine andere Art und Weise, um Ionen eines Kühlmittels aus den Kühlkreislauf zu entfernen, ist in der US 2012/0145550 A1 beschrieben. Diese Druckschrift beschreibt eine Ionenfalle mit zwei Elektroden, die ein elektrisches Feld erzeugen, wobei die negativ geladenen Ionen von der mit einem Pluspol verbundenen Elektrode angezogen werden. Dementsprechend werden die positiv geladenen Ionen von der mit einem Minuspol verbundenen Elektrode angezogen. Die Kationen und die Anionen werden dabei jeweils in einer Membran gefangen und aus der Ionenfalle ausgeleitet.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Deionisationsvorrichtung, eine Kühleinrichtung und ein Verfahren zur Deionisation einer Flüssigkeit anzugeben, welche zu einem vereinfachten Aufbau führen und dadurch Bauraum- und Kostenvorteile zur Folge haben.
Diese Aufgabe wird mit einer Deionisationsvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1, mit einer Kühleinrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 6 sowie mit einem Verfahren zur Deionisation einer Flüssigkeit mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Deionisationsvorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zumindest eine der beiden Elektroden im Querschnitt derart gestaltet ist, dass ein Strömungsquerschnitt für die zwischen den Elektroden fließende zu deionisierende Flüssigkeit bereitgestellt ist, und dass die beiden Elektroden, insbesondere randseitig, mittels eines elektrisch nicht-leitenden Materials miteinander zu einer den Strömungsquerschnitt bereitstellenden Leitung verbunden sind.
Damit ist der Vorteil verbunden, dass ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden erzeugt werden kann, wodurch die Elektroden die Ionen anziehen und einfangen. Die Deionisationsvorrichtung agiert also im Sinne einer Ionenfalle, wobei die Ionen ungehindert, mithin barriere- oder membranfrei, auf die betreffende Elektrode geleitet werden. Die Ionen werden beim Auftreffen auf die Elektroden elektrisch neutralisiert und scheiden sich an diesen ab. Die Elektroden werden also als eine Opferelektrode für Ionen genutzt, wobei diese Opferelektroden selbst die Leitung für das Kühlmittel bilden.
In diesem Zusammenhang hat es sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens eine, vorzugsweise beide der Elektroden im Querschnitt bogenförmig, insbesondere halbbogenförmig, gebildet sind. Durch diese bogenförmige Gestaltung entsteht der Strömungsquerschnitt, wobei sich bei der Ausbildung beider Elektroden in einer Bogenform der Vorteil ergibt, dass die Pumpleistung von einer das Kühlmittel im Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittelpumpe geringer gehalten werden kann.
Es hat sich als sinnvoll herausgestellt, wenn die Elektroden eine vorgegebene Wandstärke aufweisen, und wenn zumindest eine der beiden Elektroden mindestens einen Bereich mit einer verringerten Wandstärke umfasst, in welchem die Wandstärke geringer ist als die vorgegebene Wandstärke. In diesem Bereich können die Ionen abgeschieden werden, ohne dass dadurch der Strömungsquerschnitt innerhalb der Deionisationsvorrichtung drastisch reduziert wird. Durch diese Ausgestaltung können die Opferelektroden auf einfache Weise über ihre Gesamtlaufzeit ausgelegt werden.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn sich der Bereich mit der verringerten Wandstärke an einer ersten Stelle der Elektrode befindet, wo ein von den Elektroden erzeugtes elektrisches Feld stärker ist als an einer zweiten Stelle der Elektrode, an der das elektrische Feld schwächer ist. Somit lässt sich also ein Bereich festlegen, in dem die meisten Ionen auftreffen werden, aufgrund der zwischen den Elektroden herrschenden elektrischen Feldstärke. Die Ionen werden dabei zu einem größeren Anteil in dem Bereich mit verringerten Wandstärke abgeschieden, so dass sich aufgrund dieser Ausgestaltung der Strömungsquerschnitt nicht drastisch reduziert.
Ein besonders einfacher Aufbau der Deionisationsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die durch die beiden Elektroden gebildete Leitung derart ausgestaltet ist, dass ein Ion in dieser Leitung ungehindert, mithin barrierefrei auf eine der beiden, ein elektrisches Feld erzeugenden Elektroden auftreffen kann. Hierbei dienen die beiden Elektroden als Opferkathode bzw. als Opferanode für die in der Kühlflüssigkeit enthaltenen Ionen.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung zeichnet sich insbesondere durch eine aus einem elektrisch nicht-leitenden Material gebildeten Schlauchleitung aus, in die eine Deionisationsvorrichtung integriert ist, wie sie vorstehend in ihren einzelnen Ausprägungen beschrieben wurde. Mittels einer Kühlmittelpumpe wird das Kühlmittel bzw. die Kühlflüssigkeit in der Schlauchleitung durch die Deionisationsvorrichtung gepumpt, bevor sie an den Brennstoffzellenstapel zur Kühlung geleitet wird. Der Einsatz eines elektrisch nicht-leitenden Materials der Schlauchleitung gewährleistet, dass kein Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden entsteht. Beispielsweise kann dies ein elektrisch nicht-leitendes Gummigemisch sein. Dieses kann beispielsweise ein Vulkanisat sein, das mittels eines Primers mit den an den Elektroden ausgebildeten Kontaktflächen verbunden wird.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Strömungsquerschnitt der mittels der Elektroden gebildeten Leitung mindestens einem Strömungsquerschnitt der Schlauchleitung entspricht. Auch hierdurch hat die Kühlmittelpumpe keine erhöhte Leistung zu erbringen, wodurch diese kleiner ausgelegt werden kann, was zu Bauraumvorteilen führt.
Es hat sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn der Strömungsquerschnitt der mittels der Elektroden gebildeten Leitung größer ist als der Strömungsquerschnitt der Schlauchleitung. Aufgrund des sich vergrößernden Strömungsquerschnitts im Übergang von der Schlauchleitung zu der durch die Elektroden gebildeten Leitung führt dies zu einer Verringerung der Fließgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit zwischen den Elektroden, wodurch eine größere Anzahl an Ionen mit den Elektroden eingefangen werden kann.
Das Verfahren zur Deionisation einer Flüssigkeit, insbesondere einer Kühlflüssigkeit eines Brennstoffzellensystems, ist insbesondere durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:

- Erzeugen eines elektrischen Feldes mittels einer an eine Spannungsquelle angeschlossenen ersten Elektrode und einer geerdeten oder an die Spannungsquelle angeschlossenen zweiten Elektrode, wobei die Elektroden eine Leitung mit einem Strömungsquerschnitt zur Führung der zu deionisierenden Flüssigkeit ausbilden, und
- Ablenken von einem oder mehreren in der Leitung fließenden Ionen der Flüssigkeit, soweit, bis das eine oder die mehreren Ionen auf einer der Elektroden auftrifft.

Auch durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Elektroden selbst als Opferkathode oder Opferanode genutzt, wobei die Ionen an der Wandung der Elektroden abgeschieden werden.
Um einen möglichst großen Anteil an Ionen aus der zu deionisierenden Flüssigkeit innerhalb der Deionisationsvorrichtung einfangen zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Fließgeschwindigkeit der zu deionisierenden Flüssigkeit innerhalb der mittels der Elektroden gebildeten Leitung verringert wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

1 einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Deionisationsvorrichtung,
2 den Schnitt II-II aus 1, und
3 einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Kühleinrichtung mit der Deionisationsvorrichtung aus 1.

In 1 ist eine Deionisationsvorrichtung 1 zur Deionisierung eines Kühlmittels, vorliegend einer Kühlflüssigkeit 2 eines Brennstoffzellensystems gezeigt, welches eine erste Elektrode 4 und eine zweite Elektrode 5 umfasst, die an die Pole einer Spannungsquelle 3 angeschlossen sind. Vorliegend ist die obere, erste Elektrode 4 am Pluspol der Spannungsquelle 3 angeschlossen, wobei die untere, zweite Elektrode 5 am Minuspol der Spannungsquelle 3 angeschlossen ist. Die beiden Elektroden 4, 5 sind in ihrem Querschnitt derart gestaltet, dass ein Strömungsquerschnitt 6 für die zwischen den Elektroden 4, 5 fließende zu deionisierende Kühlflüssigkeit 2 bereitgestellt ist. Randseitig, also an den freien Enden der Elektroden 4, 5 sind diese miteinander mittels eines elektrisch nicht-leitenden Materials miteinander verbunden, um eine den Strömungsquerschnitt 6 bereitstellende Leitung 7 zu formen. Wird eine Spannung an den Elektroden 4, 5 angelegt, so wird zwischen ihnen ein elektrisches Feld 8 erzeugt. Die in der zu deionisierenden Kühlflüssigkeit 2 enthaltenen Ionen werden beim Fließen durch die Leitung 7 von dem elektrischen Feld 8 abgelenkt, soweit, bis sie auf eine der beiden Elektroden 4, 5 auftreffen. Dabei ist die durch die beiden Elektroden 4, 5 gebildete Leitung 7 derart ausgestaltet, dass ein Ion in dieser Leitung 7 ungehindert, mithin barrierefrei auf eine der beiden, das elektrische Feld 8 erzeugenden Elektroden 4, 5 auftreffen kann. Die Elektroden 4, 5 agieren also als Opferkathode und/oder Opferanode, wobei sich die neutralisierten Partikel an den Elektroden 4, 5 abscheiden.
Wie sich aus 2, dem Schnitt II-II aus 1, ergibt, ist die erste Elektrode 4 mit der zweiten Elektrode 5 mittels zweier elektrisch nicht-leitender Verbindungen 12 zu der Leitung 7 verbunden. Beispielsweise können die gegenseitig zugewandten Flächen der Elektroden 4, 5 mit einem Primer versehen werden, an dem ein Vulkanisat anhaftet, um die beiden, vorliegend halbbogenförmig im Querschnitt gestalteten, Elektroden 4, 5 miteinander zu verbinden. Die Verbindungen 12 führen zu einer kurzschlussfreien Kopplung der beiden als Halbschalen gebildeten Elektroden 4, 5.
In 3 ist eine Kühleinrichtung 9 eines Brennstoffzellensystems gezeigt, bei dem die vorstehend erläuterte Deionisationsvorrichtung 1 Einsatz findet. Diese Deionisationsvorrichtung 1 ist zwischen zwei Teilen einer Schlauchleitung 10 angeordnet, mithin in diese integriert. Auch hier kann beispielsweise die Fläche der Elektroden, die den einzelnen Stücken der Schlauchleitung 10 zugewandt ist, mit einem Primer versehen werden, an dem das Vulkanisat der Schlauchleitung 10 anhaftet. Es sei angemerkt, dass auch eine andere Verbindung der Schlauchleitung 10 mit der Deionisationsvorrichtung 1 möglich ist. Der Einfachheit halber nicht gezeigt sind ein Wärmetauscher zur Einstellung der Temperatur der Kühlflüssigkeit 2 und die die Kühlflüssigkeit 2 fördernde und damit im Kühlkreislauf zirkulierende Kühlmittelpumpe. Wie sich jedoch aus 3 ergibt, weist die Schlauchleitung 10 einen Strömungsquerschnitt 11 auf, der geringer ist als der Strömungsquerschnitt 6 der durch die Elektroden 4, 5 gebildeten Leitung 7. Dies führt dazu, dass die Kühlflüssigkeit 2 innerhalb der Deionisationsvorrichtung 1 langsamer fließt, wodurch Ionen besser aus der Kühlflüssigkeit 2 entfernt werden können. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, das elektrische Feld 8 in Abhängigkeit des Strömungsquerschnitts 6 einzustellen, da sich der Strömungsquerschnitt 6 im Laufe der Zeit aufgrund des Abscheidens neutralisierter Ionen an den Elektroden 4, 5 verringern kann.
Im Ergebnis ist mit der vorliegenden Erfindung der Vorteil verbunden, dass auf einen Deionisationsfilter oder auch auf einen Ionentauscher in der Kühlmittelleitung verzichtet werden kann und daher kein Bauteil mit einem hohen Druckverlust in diese integriert ist. Dadurch werden Bauraum und Kosten für einen Ionentauscher oder einen Deionisationsfilter eingespart. Es ist damit ein besonders kompaktes System zur Kühlung des Brennstoffzellensystems geschaffen.
Bezugszeichenliste

1: Deionisationsvorrichtung
2: Kühlflüssigkeit
3: Spannungsquelle
4: erste Elektrode
5: zweite Elektrode
6: Strömungsquerschnitt (zwischen Elektroden)
7: Leitung
8: elektrisches Feld
9: Kühleinrichtung
10: Schlauchleitung
11: Strömungsquerschnitt (Schlauchleitung)
12: Verbindungen (el. nicht-leitend)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1296396 B1 [0004]
US 2012/0145550 A1 [0004]

Claims

Deionisationsvorrichtung (1) zur Deionisierung einer Flüssigkeit, mit einer an eine Spannungsquelle (3) anschließbaren oder angeschlossenen ersten Elektrode (4) und mit einer geerdeten oder an die Spannungsquelle (3) anschließbaren oder angeschlossenen zweiten Elektrode (5), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Elektroden (4,5) im Querschnitt derart gestaltet ist, dass ein Strömungsquerschnitt (6) für die zwischen den Elektroden (4,5) fließende zu deionisierende Flüssigkeit bereitgestellt ist, und dass die beiden Elektroden (4,5) mittels eines elektisch nicht-leitenden Materials miteinander zu einer den Strömungsquerschnitt (6) bereitstellenden Leitung (7) verbunden sind.
Deionisationsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (4,5) im Querschnitt bogenförmig gebildet sind.
Deionisationsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4,5) eine vorgegebene Wandstärke aufweisen, und dass zumindest eine der beiden Elektroden (4,5) mindestens einen Bereich mit einer verringerten Wandstärke umfasst, in welchem die Wandstärke geringer ist als die vorgegebene Wandstärke.
Deionisationsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich mit der verringerten Wandstärke an einer ersten Stelle der Elektrode (4,5) befindet, wo ein von den Elektroden (4,5) erzeugtes elektrisches Feld (8) stärker ist, als an einer zweiten Stelle der Elektrode (4, 5), an der das elektrische Feld (8) schwächer ist.
Deionisationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die beiden Elektroden (4,5) gebildete Leitung (7) derart ausgestaltet ist, dass ein Ion in dieser Leitung (7) ungehindert auf eine der beiden, ein elektrisches Feld (8) erzeugenden Elektroden (4,5) auftreffen kann.
Kühleinrichtung (9) eines Brennstoffzellensystems mit einer aus einem elektrisch nicht-leitenden Material gebildeten Schlauchleitung (10), in welche eine Deionisationsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 integriert ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt (6) der mittels der Elektroden (4,5) gebildeten Leitung (7) mindestens einem Strömungsquerschnitt (11) der Schlauchleitung (10) entspricht.
Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt (6) der mittels der Elektroden (4,5) gebildeten Leitung (7) größer ist als der Strömungsquerschnitt (11) der Schlauchleitung (10).
Verfahren zur Deionisation einer Flüssigkeit, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Erzeugen eines elektrischen Feldes (8) mittels einer an eine Spannungsquelle (3) angeschlossenen ersten Elektrode (4) und einer geerdeten oder an die Spannungsquelle (3) angeschlossenen zweiten Elektrode (5), wobei die Elektroden (4,5) eine Leitung (7) mit einem Strömungsquerschnitt (6) zur Führung der zu deionisierenden Flüssigkeit ausbilden, und - Ablenken von einem oder mehreren in der Leitung (7) fließenden Ionen der Flüssigkeit, soweit, bis das eine oder die mehreren Ionen auf einer der Elektroden (4,5) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließgeschwindigkeit der zu deionisierenden Flüssigkeit innerhalb der mittels der Elektroden (4,5) gebildeten Leitung (7) verringert wird.