DE102018218079A1 - Ion exchange system, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device - Google Patents

Ion exchange system, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device Download PDF

Info

Publication number
DE102018218079A1
DE102018218079A1 DE102018218079.2A DE102018218079A DE102018218079A1 DE 102018218079 A1 DE102018218079 A1 DE 102018218079A1 DE 102018218079 A DE102018218079 A DE 102018218079A DE 102018218079 A1 DE102018218079 A1 DE 102018218079A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
ion
fuel cell
ion exchangers
exchange system
cell device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018218079.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Herbert Böll
Johann Berger
Lars Vonhof
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Priority to DE102018218079.2A priority Critical patent/DE102018218079A1/en
Publication of DE102018218079A1 publication Critical patent/DE102018218079A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04044—Purification of heat exchange media
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J47/00—Ion-exchange processes in general; Apparatus therefor
    • B01J47/14—Controlling or regulating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein lonentauschersystem (1) mit einer Mehrzahl von in einem Strömungskreislauf (2) parallel angeordneten Ionentauschern (3), wobei den Ionentauscher (3) mindestens ein Mehrwege-Schaltventil (4) zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to an ion exchanger system (1) with a plurality of ion exchangers (3) arranged in parallel in a flow circuit (2), the ion exchanger (3) being assigned at least one multi-way switching valve (4). The invention further relates to a fuel cell device and a motor vehicle with a fuel cell device.

Description

Die Erfindung betrifft ein lonentauschersystem mit einer Mehrzahl von in einem Strömungskreislauf parallel angeordneten Ionentauschern. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to an ion exchanger system with a plurality of ion exchangers arranged in parallel in a flow circuit. The invention further relates to a fuel cell device and a motor vehicle with a fuel cell device.

Brennstoffzellen werden eingesetzt, um in einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, die beispielsweise zum Antrieb eines Elektromotors verwendet werden kann. Ein bedeutendes Einsatzfeld ist dabei die Verwendung von Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen, wobei der damit verbundene Leistungsbedarf dazu führt, dass mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden, so dass ein entsprechend hoher Bedarf für die Zufuhr der Reaktanten besteht, nämlich ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, einerseits, und andererseits ein sauerstoffhaltiges Gas, in der Regel Luft.Fuel cells are used to provide electrical energy in an electrochemical reaction, which can be used, for example, to drive an electric motor. An important field of application is the use of fuel cells in motor vehicles, the associated power requirement leading to the fact that several fuel cells are combined to form a fuel cell stack, so that there is a correspondingly high demand for the supply of the reactants, namely a fuel, usually hydrogen , on the one hand, and on the other hand an oxygen-containing gas, usually air.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran, die aus einem lonomer gebildet ist. Die Brennstoffzelle muss eine hinreichende Feuchte aufweisen, so dass der Brennstoffzelle Feuchtigkeit zugeführt wird. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses ist es dabei allerdings erforderlich, dass die elektrische Leitfähigkeit der zugeführten Feuchtigkeit bestimmte Grenzwerte nicht überschreitet. Um dies zu gewährleisten, werden lonentauschersysteme der eingangs genannten Art eingesetzt.Each of the fuel cells comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane which separates the anode from the cathode and which is formed from an ionomer. The fuel cell must have sufficient moisture so that moisture is supplied to the fuel cell. To avoid a short circuit, however, it is necessary that the electrical conductivity of the moisture supplied does not exceed certain limit values. To ensure this, ion exchange systems of the type mentioned at the outset are used.

Dabei zeigt die JP 2005050588 A ein zur Verwendung in einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehenes lonentauschersystem, bei dem in einem Strömungskreislauf parallel angeordnete Ionentauscher vorgesehen sind. Jedem Ionentauscher ist ein eigenes Ventil zugeordnet. Darüber hinaus liegen Sensoren zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit und der Temperatur der in dem Strömungskreislauf bewegten Flüssigkeit vor. Die erfassten Daten werden in einer Steuereinheit ausgewertet, um das Schalten jedes Ventils in Abhängigkeit der Messdaten zu bewirken.The shows JP 2005050588 A an ion exchanger system intended for use in a fuel cell device, in which ion exchangers arranged in parallel in a flow circuit are provided. A separate valve is assigned to each ion exchanger. In addition, there are sensors for measuring the electrical conductivity and the temperature of the liquid moving in the flow circuit. The recorded data are evaluated in a control unit in order to switch each valve as a function of the measurement data.

Aus der JP 2010198796 A ist ein ähnlicher Aufbau bekannt, bei dem in einem Strömungskreislauf drei parallel angeordnete Ionentauscher angeordnet sind, von denen zwei über jeweils ein Ventil angesteuert werden können, während der dritte Ionentauscher permanent in den Strömungskreislauf eingebunden ist, um ein Mindestmaß an Ionentauschkapazität bereitzustellen.From the JP 2010198796 A A similar structure is known in which three ion exchangers arranged in parallel are arranged in a flow circuit, two of which can be controlled via one valve each, while the third ion exchanger is permanently integrated into the flow circuit in order to provide a minimum amount of ion exchange capacity.

Die DE 10 2013 003 392 A1 offenbart einen Kühlkreislauf zum Kühlen einer Brennstoffzelle, in dem ein Ionentauscher sowie eine Bypass-Leitung zur Umgehung des Ionentauschers angeordnet sind. Vorhanden ist gleichfalls ein Leitfähigkeitssensor, der in Strömungsrichtung des Kühlmediums nach dem Ionentauscher angeordnet ist.The DE 10 2013 003 392 A1 discloses a cooling circuit for cooling a fuel cell, in which an ion exchanger and a bypass line for bypassing the ion exchanger are arranged. There is also a conductivity sensor, which is arranged downstream of the ion exchanger in the flow direction of the cooling medium.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein lonentauschersystem der eingangs genannten Art so auszubilden, dass dessen Komplexität vermindert ist. Aufgabe ist es weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.The invention is based on the object of designing an ion exchanger system of the type mentioned at the outset in such a way that its complexity is reduced. Another object is to provide an improved fuel cell device and an improved motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein lonentauschersystem mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an ion exchanger system with the features of claim 1, by a fuel cell device with the features of claim 9 and by a motor vehicle with the features of claim 10. Advantageous refinements with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße lonentauschersystem zeichnet sich dadurch aus, dass der Mehrzahl der Ionentauscher mindestens ein Mehrwege-Schaltventil zugeordnet ist. Damit ist vermieden, dass jeder einzelne Ionentauscher über ein eigenständiges Ventil verfügt, so dass die Anzahl der erforderlichen Ventile verringert und deren Betätigung vereinfacht ist. Das Mehrwege-Schaltventil bietet nämlich die Möglichkeit, mehrere Schaltstellungen einzunehmen, in denen eine unterschiedliche Anzahl bzw. eine unterschiedliche Auswahl der Ionentauscher in den Strömungskreislauf eingebunden ist oder diese umgangen werden. Es ist daher ein gezielter Einsatz der Ionentauscher möglich, der sich auch vorteilhaft auf die Lebensdauer der verwendeten Ionentauscher auswirkt.The ion exchange system according to the invention is characterized in that at least one multi-way switching valve is assigned to the majority of the ion exchangers. This avoids that each individual ion exchanger has its own valve, so that the number of required valves is reduced and their operation is simplified. This is because the multi-way switching valve offers the possibility of adopting several switching positions in which a different number or a different selection of the ion exchangers is integrated into the flow circuit or bypassed. A targeted use of the ion exchanger is therefore possible, which also has an advantageous effect on the service life of the ion exchanger used.

Bevorzugt ist dabei, wenn das Mehrwege-Schaltventil in dem Strömungskreislauf stromab der Ionentauscher angeordnet ist, wobei alternativ oder auch ergänzend die Möglichkeit besteht, dass ein zweites Mehrwege-Schaltventil in dem Strömungskreislauf stromab der Ionentauscher angeordnet ist.It is preferred if the multi-way switching valve is arranged in the flow circuit downstream of the ion exchanger, alternatively or additionally there is the possibility that a second multi-way switching valve is arranged in the flow circuit downstream of the ion exchanger.

Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn drei der Ionentauscher in einem Gehäuse angeordnet sind, und wenn die beiden Mehrwege-Schaltventile als 4/2-Mehrwege-Drehschieberventile gebildet sind. Damit ergibt sich eine sehr große Variabilität hinsichtlich des Einsatzes der einzelnen Ionentauscher.It is very particularly preferred if three of the ion exchangers are arranged in one housing, and if the two multi-way switching valves are designed as 4/2 multi-way rotary slide valves. This results in a very large variability with regard to the use of the individual ion exchangers.

Wenn beispielsweise die 4/2-Mehrwege-Drehschieberventile in der einen Schaltstellung zwei der Ionentauscher verbinden und in der anderen Schaltstellung alle drei Ionentauscher verbinden, und wenn in der zwei Ionentauscher verbindenden Schaltstellung des einen 4/2-Mehrwege-Drehschieberventils nur ein Ionentauscher mit den Ionentauschern des anderen 4/2-Mehrwege-Drehschieberventils übereinstimmt in der zwei Ionentauscher verbindenden Schaltstellung, ergeben sich die Möglichkeiten,

  • - alle drei Ionentauscher zu aktivieren,
  • - oder auch nur zwei Ionentauscher, wenn nämlich eines der beiden 4/2-Mehrwege-Drehschieberventile in die zwei Ionentauscher verbindende Schaltstellung gebracht wird
  • - oder auch nur einen Ionentauscher, wenn auch das andere 4/2-Mehrwege-Drehschieberventil in die entsprechende zwei Ionentauscher verbindende Schaltstellung gebracht wird, wobei die Ausgestaltung so getroffen ist, dass von den jeweils zwei aktivierten Ionentauscher nur einer bei beiden Ventilen übereinstimmt, so dass im Ergebnis dieser eine Ionentauscher aktiviert ist und die anderen beiden Ionentauscher gesperrt sind.
For example, if the 4/2 multi-way rotary slide valves connect two of the ion exchangers in one switching position and connect all three ion exchangers in the other switching position, and if only one ion exchanger connects the one 4/2 multi-way rotary slide valve in the switching position connecting the two ion exchangers Ion exchangers of the other 4/2 multi-way rotary slide valve match in the switching position connecting two ion exchangers,
  • - activate all three ion exchangers,
  • - Or only two ion exchangers, namely if one of the two 4/2 multi-way rotary slide valves is brought into the switching position connecting the two ion exchangers
  • - Or even just one ion exchanger, if the other 4/2 multi-way rotary slide valve is also brought into the corresponding switching position connecting two ion exchangers, the configuration being such that only one of the two activated ion exchangers matches both valves, so that as a result this one ion exchanger is activated and the other two ion exchangers are blocked.

Es ergibt sich damit die Möglichkeit, alle drei Ionentauscher zu aktivieren, oder nur zwei der drei Ionentauscher, deren Auswahl bestimmt wird durch die Verstellung des einen 4/2-Mehrwege-Drehschieberventils oder des anderen, oder nur einen Ionentauscher.This results in the possibility of activating all three ion exchangers, or only two of the three ion exchangers, the selection of which is determined by the adjustment of one 4/2-way rotary valve or the other, or only one ion exchanger.

Die Lebensdauer der eingesetzten Ionentauscher lässt sich besser kontrollieren, wenn dem Strömungskreislauf mindestens ein Sensor zugeordnet ist, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Temperatursensoren, Sensoren für die Messung der elektrischen Leitfähigkeit umfasst. Günstig ist weiterhin, wenn mindestens ein Aktuator zur Verstellung des mindestens einen Mehrwege-Schaltventils vorgesehen ist, da sich so die Möglichkeit ergibt, in Abhängigkeit der durch die Sensoren gemessenen Daten eine gezielte Auswahl der Anzahl der zu aktivierenden Ionentauscher zu treffen, wobei dies zweckmäßigerweise geschieht, indem ein Steuergerät vorgesehen ist zur Betätigung des mindestens einen Aktuators in Abhängigkeit der Daten des mindestens einen Sensors.The service life of the ion exchangers used can be better controlled if at least one sensor is assigned to the flow circuit and is selected from a group comprising temperature sensors and sensors for measuring the electrical conductivity. It is also advantageous if at least one actuator is provided for adjusting the at least one multi-way switching valve, since this makes it possible to make a targeted selection of the number of ion exchangers to be activated, depending on the data measured by the sensors, this advantageously being done by providing a control unit for actuating the at least one actuator as a function of the data of the at least one sensor.

Die mit diesem lonentauschersystem verbundenen Vorteile entfalten ihre zweckmäßige Wirkung insbesondere bei deren Einsatz in einer Brennstoffzellenvorrichtung, da auch deren Komplexität und Wartungsbedarf gesenkt werden kann, was sich wiederum vorteilhaft bei dem Einsatz der Brennstoffzellenvorrichtung in einem nicht stationären Einsatz wie in einem Kraftfahrzeug zeigt.The advantages associated with this ion exchanger system have their expedient effect particularly when used in a fuel cell device, since their complexity and maintenance requirements can also be reduced, which in turn is advantageous when the fuel cell device is used in a non-stationary application such as in a motor vehicle.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

  • 1 eine stark schematisierte Darstellung eines lonentauschersystems mit dem beiden 4/2-Mehrwege-Drehschieberventilen in dem alle 3 Ionentauscher verbindenden Schaltstellung,
  • 2 eine der 1 entsprechende Darstellung mit dem stromab gelegenen 4/2-Mehrwege-Drehschieberventil in der 2 Ionentauscher verbindenden Schaltstellung
  • 3 eine der 1 entsprechende Darstellung mit dem stromauf gelegenen 4/2-Mehrwege-Drehschieberventil in der 2 Ionentauscher verbindenden Schaltstellung, und
  • 4 eine der 1 entsprechende Darstellung mit den beide 4/2-Mehrwege-Drehschieberventil in der 2 Ionentauscher verbindenden Schaltstellung.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawing. It shows:
  • 1 a highly schematic representation of an ion exchanger system with the two 4/2 multi-way rotary slide valves in the switching position connecting all 3 ion exchangers,
  • 2nd one of the 1 Corresponding representation with the downstream 4/2 multi-way rotary slide valve in the switching position connecting 2 ion exchangers
  • 3rd one of the 1 corresponding representation with the upstream 4/2 multi-way rotary slide valve in the switching position connecting 2 ion exchangers, and
  • 4th one of the 1 Corresponding representation with the two 4/2 multi-way rotary slide valve in the switching position connecting the 2 ion exchangers.

Eine Brennstoffzelle umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.A fuel cell comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane that separates the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can additionally be added to the anodes and / or the cathodes, the membrane being preferably coated on its first side and / or on its second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as reaction accelerators in the reaction of the respective fuel cell.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.Fuel (eg hydrogen) can be supplied to the anode via an anode compartment. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). As the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example air or oxygen-containing air) can be supplied to the cathode via a cathode chamber, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron absorption).

Um eine Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforderlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizuführen.In order to ensure ion conductivity for hydrogen protons by the PEM, the presence of water molecules in the PEM required. Therefore, the cathode gas in particular is humidified before it is fed to the fuel cell in order to bring about moisture saturation of the PEM.

Bei der Befeuchtung der Membran ist jedoch zu beachten, dass die elektrische Leitfähigkeit des zur Befeuchtung verwendeten Flüssigwassers bestimmte Grenzwerte nicht überschreitet, um einen Kurzschluss in der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel zu vermeiden. Auch die die Brennstoffzelle kühlende Kühlflüssigkeit muss elektrisch neutral vorliegen. Dazu wird das in der 1 dargestellte lonentauschersystem 1 verwendet, das eine Mehrzahl von in einem Strömungskreislauf 2 parallel angeordneten Ionentauscher 3 aufweist, nämlich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Ionentauscher 3. Diesen drei Ionentauschern 3 ist in dem Strömungskreislauf 2 stromab und stromauf jeweils ein Mehrwege-Schaltventil 4 zugeordnet, das als 4/2-Mehrwege-Drehschieberventil gebildet ist.When moistening the membrane, however, it must be ensured that the electrical conductivity of the liquid water used for moistening does not exceed certain limit values in order to avoid a short circuit in the fuel cell or the fuel cell stack. The coolant that cools the fuel cell must also be electrically neutral. This is what the 1 illustrated ion exchange system 1 used a plurality of in a flow circuit 2nd ion exchanger arranged in parallel 3rd has, namely in the embodiment shown three ion exchangers 3rd . These three ion exchangers 3rd is in the flow circuit 2nd a multi-way switching valve downstream and upstream 4th assigned, which is formed as a 4/2-way rotary valve.

Dabei ist zu beachten, dass die 4/2-Mehrwege-Drehschieberventile in der einen Schaltstellung zwei der Ionentauscher 3 verbinden und in der anderen Schaltstellung die drei Ionentauscher 3 verbinden. In 1 ist die Konfiguration gezeigt, dass durch die Wahl der Schaltstellungen alle drei Ionentauscher 3 durchströmt werden. In 2 ist gegenüber 1 das stromab gelegene Ventil 4 verdreht, so dass nur noch zwei Ionentauscher 3, symbolisiert durch die Pfeile, durchströmt werden. 3 zeigt, dass gegenüber 1 das andere, stromauf gelegene Ventil 4 in die zwei Ionentauscher 3 verbindende Stellung verdreht ist, während das stromab gelegene Ventil 4 wieder alle drei Ionentauscher 3 verbindet. Es werden also wieder zwei Ionentauscher 3 durchströmt, wobei davon jedes anders zusammengesetzt ist als in 2. Da weiterhin in der zwei Ionentauscher 3 verbindenden Schaltstellung des einen 4/2-Mehrwege-Drehschieberventils nur ein Ionentauscher 3 mit den Ionentauschern 3 des anderen 4/2-Mehrwege-Drehschieberventils übereinstimmt in der zwei Ionentauscher 3 verbindenden Schaltstellung ist in dieser Konfiguration nur der übereinstimmende Ionentauscher 3 in den Strömungskreislauf 2 eingebunden (4).It should be noted that the 4/2 multi-way rotary slide valves in one switch position two of the ion exchangers 3rd connect and in the other switching position the three ion exchangers 3rd connect. In 1 the configuration is shown that by selecting the switch positions all three ion exchangers 3rd be flowed through. In 2nd is opposite 1 the downstream valve 4th twisted, leaving only two ion exchangers 3rd , symbolized by the arrows. 3rd shows that opposite 1 the other, upstream valve 4th into the two ion exchangers 3rd connecting position is twisted while the downstream valve 4th again all three ion exchangers 3rd connects. So there will be two ion exchangers again 3rd flows through, each of which is composed differently than in 2nd . As continues in the two ion exchangers 3rd connecting switching position of a 4/2 multi-way rotary valve only one ion exchanger 3rd with the ion exchangers 3rd the other 4/2 multi-way rotary slide valve matches in the two ion exchangers 3rd connecting switching position in this configuration is only the matching ion exchanger 3rd in the flow circuit 2nd involved ( 4th ).

Es besteht die Möglichkeit, dass in dem Strömungskreislauf 2 ein Sensor sowohl zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit als auch der Temperatur angeordnet ist und jedes Mehrwege-Schaltventil über einen Aktuator verfügt, der die Verstellung der Mehrwege-Schaltventile 4 zwischen den einzelnen Schaltstellungen bewirken kann. Mittels eines Steuergeräts erfolgt die Betätigung der Aktuatoren in Abhängigkeit der Daten der Sensoren, so dass sich die Möglichkeit ergibt, nur einen Ionentauscher 3, zwei Ionentauscher 3 oder alle drei Ionentauscher 3 einzusetzen, je nachdem, welcher Aufwand erforderlich ist, um den Grenzwert für elektrische Leitfähigkeit einzuhalten.There is a possibility that in the flow circuit 2nd a sensor is arranged both for measuring the electrical conductivity and the temperature and each multi-way switching valve has an actuator that adjusts the multi-way switching valves 4th can cause between the individual switching positions. The actuators are actuated by means of a control device as a function of the data from the sensors, so that there is only one ion exchanger 3rd , two ion exchangers 3rd or all three ion exchangers 3rd depending on the effort required to comply with the limit value for electrical conductivity.

BezugszeichenlisteReference list

11
lonentauschersystemion exchange system
22nd
StrömungskreislaufFlow circuit
33rd
IonentauscherIon exchanger
44th
MehrwegeschaltventilMulti-way switching valve
55
Gehäusecasing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant has been generated automatically and is only included for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • JP 2005050588 A [0004]JP 2005050588 A [0004]
  • JP 2010198796 A [0005]JP 2010198796 A [0005]
  • DE 102013003392 A1 [0006]DE 102013003392 A1 [0006]

Claims (10)

lonentauschersystem (1) mit einer Mehrzahl von in einem Strömungskreislauf (2) parallel angeordneten Ionentauschern (3), dadurch gekennzeichnet, dass den Ionentauschern (3) mindestens ein Mehrwege-Schaltventil (4) zugeordnet ist.Ion exchanger system (1) with a plurality of ion exchangers (3) arranged in parallel in a flow circuit (2), characterized in that at least one multi-way switching valve (4) is assigned to the ion exchangers (3). lonentauschersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrwege-Schaltventil (4) in dem Strömungskreislauf (2) stromauf der Ionentauscher (3) angeordnet ist.ion exchange system (1) Claim 1 , characterized in that the multi-way switching valve (4) is arranged in the flow circuit (2) upstream of the ion exchanger (3). lonentauschersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Mehrwege-Schaltventil (4) in dem Strömungskreislauf (2) stromab der Ionentauscher (3) angeordnet ist.ion exchange system (1) Claim 1 or 2nd , characterized in that a second multi-way switching valve (4) is arranged in the flow circuit (2) downstream of the ion exchanger (3). lonentauschersystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei der Ionentauscher (3) in einem Gehäuse (5) angeordnet sind, und dass die beiden Mehrwege-Schaltventile (4) als 4/2-Mehrwege-Drehschieberventile gebildet sind.ion exchange system (1) Claim 3 , characterized in that three of the ion exchangers (3) are arranged in a housing (5) and that the two multi-way switching valves (4) are designed as 4/2-way multi-way rotary valves. lonentauschersystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die 4/2-Mehrwege-Drehschieberventile in der einen Schaltstellung zwei der Ionentauscher (3) verbinden und in der anderen Schaltstellung die drei Ionentauscher (3) verbinden, und dass in der zwei Ionentauscher (3) verbindenden Schaltstellung des einen 4/2-Mehrwege-Drehschieberventils nur ein Ionentauscher (3) mit den Ionentauschern (3) des anderen 4/2-Mehrwege-Drehschieberventils übereinstimmt in der zwei Ionentauscher (3) verbindenden Schaltstellung.ion exchange system (1) Claim 4 , characterized in that the 4/2-way rotary slide valves connect two of the ion exchangers (3) in one switching position and connect the three ion exchangers (3) in the other switching position, and that in the switching position of one connecting the two ion exchangers (3) 4/2 multi-way rotary slide valve only one ion exchanger (3) matches the ion exchangers (3) of the other 4/2 multi-way rotary slide valve in the switching position connecting two ion exchangers (3). lonentauschersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strömungskreislauf (2) mindestens ein Sensor zugeordnet ist, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Temperatursensoren, Sensoren für die Messung der elektrischen Leitfähigkeit umfasst.Ion exchange system (1) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the flow circuit (2) is assigned at least one sensor which is selected from a group comprising temperature sensors, sensors for measuring the electrical conductivity. lonentauschersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Aktuator zur Verstellung des mindestens einen Mehrwege-Schaltventils (4) vorgesehen ist.Ion exchange system (1) according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that at least one actuator for adjusting the at least one multi-way switching valve (4) is provided. lonentauschersystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät vorgesehen ist zur Betätigung des mindestens einen Aktuators in Abhängigkeit der Daten des mindestens einen Sensors.ion exchange system (1) Claim 7 , characterized in that a control device is provided for actuating the at least one actuator depending on the data of the at least one sensor. Brennstoffzellenvorrichtung mit einem lonentauschersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Fuel cell device with an ion exchanger system (1) according to one of the Claims 1 to 8th . Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 9.Motor vehicle with a fuel cell device Claim 9 .
DE102018218079.2A 2018-10-23 2018-10-23 Ion exchange system, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device Pending DE102018218079A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018218079.2A DE102018218079A1 (en) 2018-10-23 2018-10-23 Ion exchange system, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018218079.2A DE102018218079A1 (en) 2018-10-23 2018-10-23 Ion exchange system, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018218079A1 true DE102018218079A1 (en) 2020-04-23

Family

ID=70468252

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018218079.2A Pending DE102018218079A1 (en) 2018-10-23 2018-10-23 Ion exchange system, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102018218079A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022113659B3 (en) 2022-05-31 2023-10-05 Mann+Hummel Gmbh Ion exchange filter device and fuel cell system

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1698879A1 (en) * 1988-05-30 1991-12-15 Всесоюзный Проектно-Конструкторский И Научно-Исследовательский Институт Автоматизации Пищевой Промышленности Method of controlling a group of parallel-operating ion-exchange reactors to rectify fluids when filling with resin
JPH09108657A (en) * 1995-10-19 1997-04-28 Toshiba Corp Water treating device of fuel-cell power generator
JP2005050588A (en) 2003-07-30 2005-02-24 Toyo Roki Mfg Co Ltd Ion exchange system
WO2008142254A2 (en) * 2007-04-04 2008-11-27 Ondeo Industrial Solutions Ion-exchange treatment device and process
JP2010198796A (en) 2009-02-23 2010-09-09 Toyota Boshoku Corp Ion exchange device
CN202260470U (en) * 2011-09-30 2012-05-30 广州高澜节能技术股份有限公司 SVC hermetic type circulating purified water cooling system
DE102013003392A1 (en) 2013-03-01 2014-09-04 Daimler Ag Cooling circuit for removal of waste heat from fuel cell and/or fuel cell system of vehicle, has conductivity sensor arranged in flow direction of cooling medium according to ion exchanger and convergence point of spacer branches
CN203959881U (en) * 2014-06-16 2014-11-26 成都丽雅纤维股份有限公司 Many cation exchanger running of pumps in series parallel connection devices

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1698879A1 (en) * 1988-05-30 1991-12-15 Всесоюзный Проектно-Конструкторский И Научно-Исследовательский Институт Автоматизации Пищевой Промышленности Method of controlling a group of parallel-operating ion-exchange reactors to rectify fluids when filling with resin
JPH09108657A (en) * 1995-10-19 1997-04-28 Toshiba Corp Water treating device of fuel-cell power generator
JP2005050588A (en) 2003-07-30 2005-02-24 Toyo Roki Mfg Co Ltd Ion exchange system
WO2008142254A2 (en) * 2007-04-04 2008-11-27 Ondeo Industrial Solutions Ion-exchange treatment device and process
JP2010198796A (en) 2009-02-23 2010-09-09 Toyota Boshoku Corp Ion exchange device
CN202260470U (en) * 2011-09-30 2012-05-30 广州高澜节能技术股份有限公司 SVC hermetic type circulating purified water cooling system
DE102013003392A1 (en) 2013-03-01 2014-09-04 Daimler Ag Cooling circuit for removal of waste heat from fuel cell and/or fuel cell system of vehicle, has conductivity sensor arranged in flow direction of cooling medium according to ion exchanger and convergence point of spacer branches
CN203959881U (en) * 2014-06-16 2014-11-26 成都丽雅纤维股份有限公司 Many cation exchanger running of pumps in series parallel connection devices

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022113659B3 (en) 2022-05-31 2023-10-05 Mann+Hummel Gmbh Ion exchange filter device and fuel cell system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102014210358A1 (en) FUEL CELL STACK WITH A DUMMY CELL
WO2021073881A1 (en) Method for commissioning a fuel cell stack
DE102018215217A1 (en) Fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
DE102018214378A1 (en) Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
DE202018106717U1 (en) Power diverter for proton exchange membrane fuel cell system
DE102018218079A1 (en) Ion exchange system, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
DE102019220527A1 (en) Cell unit
DE102019133094A1 (en) Method for performing a test measurement on a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle
DE102018132755A1 (en) SYSTEM AND METHOD FOR MEA CONDITIONING IN A FUEL CELL
DE102018209431A1 (en) Method for switching off a fuel cell device and fuel cell device for carrying out the method
DE102007015955A1 (en) Apparatus for operating a fuel cell system
DE102019128426A1 (en) Bipolar plate, fuel cell, fuel cell stack, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
DE102020107200A1 (en) Display device, fuel cell vehicle and method for boosting such
DE102019133091A1 (en) Fuel cell device, motor vehicle with a fuel cell device and method for operating a fuel cell device
DE102020102398A1 (en) Method for regenerating a fuel cell device and a fuel cell device and a motor vehicle with a fuel cell device
DE102019133095A1 (en) Method for performing a test measurement on a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle
DE102005026244B4 (en) Fuel cell stack and switching arrangement for a fuel cell stack
WO2020064210A1 (en) Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102013112535A1 (en) Method for reducing a recoverable voltage loss by humidification control
DE102021117218B3 (en) Fuel cell system, motor vehicle and method for operating a fuel cell system
DE102018216264A1 (en) Fuel cell system and method for operating the fuel cell system
DE102017215255A1 (en) Method for determining the temperature of a cathode operating gas at the inlet of a humidifier module of a fuel cell system, fuel cell system and vehicle
DE102021131243B3 (en) Fuel cell device and motor vehicle with such a fuel cell device
WO2020035216A1 (en) Fuel cell apparatus and method for monitoring and structurally modifying a fuel cell apparatus
DE102019208421A1 (en) Fuel cell device, method for operating a fuel cell device and motor vehicle

Legal Events

Date Code Title Description
R083 Amendment of/additions to inventor(s)
R163 Identified publications notified
R082 Change of representative

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE

Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE