DE102021208231A1

DE102021208231A1 - Kühlerpassivierungsverfahren für einen in einem Kraftfahrzeug montierten Kühlmittelkühler einer Kühlervorrichtung, Kühlervorrichtung sowie Verwendung eines Kraftfahrzeugs zur Passivierung eines Kühlmittelkühlers einer Kühlervorrichtung

Info

Publication number: DE102021208231A1
Application number: DE102021208231.9A
Authority: DE
Inventors: Richard Brümmer; Peter Englert; Matthias Pfitzer; Thomas Strauss
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-07-29
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2023-02-02
Also published as: WO2023006408A1; CN117716547A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlerpassivierungsverfahren für einen in einem Kraftfahrzeug montierten Kühlmittelkühler (2) einer Kühlervorrichtung (1). Im Rahmen des Kühlerpassivierungsverfahrens ist vorgesehen, dass eine Kühlervorrichtung (1) mit Kühlmittelkühler (2) bereitgestellt wird, wobei letzterer mindestens einen Aluminiumkühlkanal (3) mit einer mit Flussmittel versehenen Kühleroberfläche (4) aufweist. Die Kühlervorrichtung (1) wird in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt, bspw. montiert, und anschließend mit mindestens einer Brennstoffzelle des Kraftfahrzeugs in Betrieb genommen. Um am Kühlmittelkühler (2) eine Passivierungsschicht (8) auszubilden ist vorgesehen, dass eine zuvor bereitgestellte wässrige Passivierungslösung (5) aus Passivierungsschichtbildnermaterial (6) und Brennstoffzellenabwasser (7) auf die mit dem Flussmittel versehene Kühleroberfläche (4) des mindestens einen Aluminiumkühlkanals (3) aufgebracht wird, wobei die Passivierungslösung (5) mit der mit dem Flussmittel versehenen Kühleroberfläche (4) des mindestens einen Aluminiumkühlkanals (3) unter Zufuhr von durch den Kühlmittelkühler (2) bereitgestellter Wärmeenergie unter Ausbildung einer Passivierungsschicht (8) reagiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlerpassivierungsverfahren für einen in einem Kraftfahrzeug montierten Kühlmittelkühler einer Kühlervorrichtung gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine solche Kühlervorrichtung sowie eine Verwendung eines Kraftfahrzeugs zur Passivierung eines Kühlmittelkühlers einer Kühlervorrichtung.
Ein Kühlerpassivierungsverfahren für einen Kühlmittelkühler einer Kühlervorrichtung ist in dem Dokument DE 10 2019 209 249 A1 beschrieben, wobei zur Passivierung einer mit einem Flussmittel versehenen Aluminiumoberfläche vorgesehen ist, auf dieselbe eine Passivierungslösung aufzubringen, so dass durch eine Reaktion der Passivierungslösung mit der mit dem Flussmittel versehenen Aluminiumoberfläche eine Passivierungsschicht erzeugt wird. Nachteilig an diesem Kühlerpassivierungsverfahren ist, dass im Rahmen der Herstellung eines solchen Kühlmittelkühlers bzw. einer solchen Kühlervorrichtung stets ein zusätzlicher Verfahrensschritt zur Beschichtung vorzusehen ist, wodurch entsprechende Kühlerpassivierungsverfahren relativ teuer sind.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein verbessertes oder zumindest eine andere Ausführungsform für ein Kühlerpassivierungsverfahren anzugeben. Insb. soll der Versuch unternommen werden, den zusätzlichen Beschichtungsverfahrensschritt einzusparen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe insb. durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, ein Kühlerpassivierungsverfahren für ein Kühlmittelkühler einer Kühlervorrichtung anzugeben, welches Durchgeführt wird, wenn der Kühlmittelkühler bereits in einem Kraftfahrzeug montiert ist.
Das Kühlerpassivierungsverfahren für einen in einem Kraftfahrzeug montierten Kühlmittelkühler einer Kühlervorrichtung gemäß der Erfindung sieht hierzu die nachfolgenden Schritte vor:

1) Bereitstellen einer Kühlervorrichtung mit Kühlmittelkühler, der mindestens einen Aluminiumkühlkanal mit einer mit Flussmittel versehenen Kühleroberfläche aufweist;
2) Bereitstellen der Kühlervorrichtung in einem Kraftfahrzeug;
3) Inbetriebnahme der Kühlervorrichtung und einer Brennstoffzelle des Kraftfahrzeugs;
4) Bereitstellen einer wässrigen Passivierungslösung aus bereitgestelltem Passivierungsschichtbildnermaterial und Brennstoffzellenabwasser, welches im Rahmen des Betriebs der Brennstoffzelle als Reaktionsprodukt derselben bereitgestellt wird,
5) Aufbringen der bereitgestellten Passivierungslösung auf die mit dem Flussmittel versehene Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals, so dass die Passivierungslösung mit der mit dem Flussmittel versehenen Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals unter Zufuhr von durch den Kühlmittelkühler bereitgestellter Wärmeenergie unter Ausbildung einer Passivierungsschicht reagiert.

Dadurch kann die Ausbildung einer Passivierungsschicht während des Betriebs des Kraftfahrzeugs erfolgen, also zumindest, wenn dessen Kühlervorrichtung und Brennstoffzelle aktiviert sind. Die Passivierungsschicht wird sozusagen „in-situ“ ausgebildet. Dadurch kann ein zusätzlicher Beschichtungsverfahrensschritt, der wie erwähnt üblicherweise im Rahmen der Herstellung eines entsprechenden Kühlmittelkühlers erfolgt, entfallen. Dadurch ist das angegebene Kühlerpassivierungsverfahren relativ kostengünstig. Ferner kann durch die bereitgestellte Passivierungsschicht praktisch kein Korrosionsangriff an den Kühleroberflächen bzw. den Aluminiumkühlkanälen erfolgen, so dass gemäß dem vorgeschlagenen Kühlerpassivierungsverfahren beschichtete Kühlmittelkühler mit relativ hohen Lebensdauern überzeugen können.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass das Passivierungsschichtbildnermaterial nach Schritt 4) bereitgestellt wird, indem es in einer auswechselbaren Feststoffkartusche bevorratet wird. Eine wässrige Passivierungslösung nach Schritt 4) kann dabei bereitgestellt werden, indem die Feststoffkartusche von Brennstoffzellenabwasser durchströmt wird, wobei sich das darin bevorratete Passivierungsschichtbildnermaterial kontinuierlich, d.h. über einen gewissen vorgegebenen Zeitraum, in diesem Brennstoffzellenabwasser löst und mit demselben ausgeschwemmt wird. Hierdurch ist eine relativ einfache Realisierungsmöglichkeit zur Bevorratung von Passivierungsschichtbildnermaterial sowie zur Bereitstellung von wässriger Passivierungslösung angegeben.
Alternativ kann das Passivierungsschichtbildnermaterial nach Schritt 4) bereitgestellt wird, indem es in einem als Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter bezeichneten Behälter angeordnet und bevorratet wird. Hierbei bietet es sich zweckmäßigerweise an, eine wässrige Passivierungslösung nach Schritt 4) bereitzustellen, indem in dem Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter von der Brennstoffzelle im Rahmen ihres Betriebs bereitgestelltes Brennstoffzellenabwasser bevorratet wird, wobei sich das im Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter angeordnete und bevorratete Passivierungsschichtbildnermaterial kontinuierlich in diesem Brennstoffzellenabwasser löst und mit demselben ausgeschwemmt wird. Auch hierdurch ist eine relativ einfache Realisierungsmöglichkeit zur Bevorratung von Passivierungsschichtbildnermaterial sowie zur Bereitstellung von wässriger Passivierungslösung angegeben.
Zweckmäßigerweise kann das Aufbringen der Passivierungslösung nach Schritt 5) realisiert werden, indem eine Berieselungsanlage der Kühlervorrichtung genutzt wird. Hierbei kann die Passivierungslösung mittels der Berieselungsanlage der Kühlervorrichtung so auf die mit Flussmittel versehene Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals aufgesprüht werden, dass die Kühleroberfläche zumindest abschnittsweise oder vollständig mit Passivierungslösung benetzt wird. Zweckmäßigerweise kann eine solche Berieselungseinrichtung Wasser und/oder Passivierungslösung mit einem relativ geringen Druck, insb. einem Überdruck von maximal 5 bar gegenüber der Standerdatmosphäre oder einem Absolutdruck von maximal 5 bar, arbeiten. D.h. insbesondere, dass die Berieselungseinrichtung Wasser und/oder Passivierungslösung mit einem relativ geringen Druck, insb. einem Überdruck von maximal 5 bar gegenüber der Standerdatmosphäre oder einem Absolutdruck von maximal 5 bar, auf eine Kühleroberfläche des Kühlmittelkühlers sprüht, so dass dieselbe zumindest großflächig und zweckmäßigerweise vollständig benetzt ist. Die Berieselungsanlage wird seither im Betrieb der Brennstoffzelle zur Kühlleistungssteigerung des Kühlmittelkühlers eingesetzt, wobei eine Kühlleistungssteigerung erreicht wird, indem Wasser auf den Kühlmittelkühler aufgesprüht wird und dieses endotherm verdunstet, wodurch sich die mit Wasser benetzten Komponenten des Kühlmittelkühler abkühlen. Durch das zusätzliche Versprühen von Passivierungslösung kann die Berieselungsanlage eine Zusatzfunktion erfüllen, was den Vorteil mit sich bringt, dass auf anderweitige Injektoren zum Einbringen der Passivierungslösung verzichtet werden kann. Dadurch ist eine entsprechende Kühlervorrichtung und/oder das mit derselben durchgeführte Kühlerpassivierungsverfahren relativ ressourcenschonend und kostengünstig.
Weiter kann vorgesehen sein, dass mittels der Berieselungsanlage Brennstoffzellenabwasser, welches im Rahmen des Betriebs der Brennstoffzelle als Reaktionsprodukt anfällt, versprüht wird. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn dem Brennstoffzellenabwasser ein vorgegebener oder vorgebbarer Massestrom oder Volumenstrom von Passivierungslösung oder direkt Passivierungsschichtbildnermaterial beigemengt wird bzw. in dieses eingebracht wird. Dadurch kann sozusagen eine Mischung aus Brennstoffzellenabwasser und Passivierungslösung und/oder Passivierungsschichtbildnermaterial bereitgestellt und auf die mit Flussmittel versehene Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals aufgesprüht werden, wobei die besagte Kühleroberfläche bevorzugt zumindest abschnittsweise oder vollständig benetzt wird. Durch die Beimengung der Passivierungslösung und/oder des Passivierungsschichtbildnermaterials zum Brennstoffzellenabwasser kann das chemische Potential des Brennstoffzellenabwasser soweit reduziert werden, dass ein Korrosionsangriff des Kühlmittelkühlers bzw. der Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals praktisch ausgeschlossen werden kann.
Zweckmäßig ist weiterhin, wenn das besagte Brennstoffzellenabwasser mittels der Berieselungsanlage in einem Sprühstrahl auf die mit Flussmittel versehene Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals gesprüht wird, so dass die Kühleroberfläche zumindest abschnittsweise oder vollständig benetzt wird. Hierbei kann eine wässrige Passivierungslösung nach Schritt 4) bevorzugt bereitgestellt werden, indem Passivierungsschichtbildnermaterial direkt in diesen Sprühstrahl aus Brennstoffzellenabwasser eingeleitet wird.
Grundsätzlich ist es auch vorstellbar, dass zum Aufbringen der Passivierungslösung nach Schritt 5) statt einer Berieselungsanlage zusätzlich oder alternativ eine Benebelungsanlage verwendet wird. Eine solche Benebelungsanlage kann Wasser und/oder Passivierungslösung mit einem relativ geringen Druck, insb. einem Überdruck von maximal 5 bar gegenüber der Standerdatmosphäre oder einem Absolutdruck von maximal 5 bar, auf eine Kühleroberfläche des Kühlmittelkühlers versprühen, so dass dieselbe zumindest großflächig und zweckmäßigerweise vollständig benetzt ist.
Zweckmäßigerweise kann eine Berieselungsanlage und/oder eine Benebelungsanlage Wasser und/oder Passivierungslösung durch Spritzen oder Rotation vernebeln.
„Aufsprühen mittels einer Berieselungsanlage“ und „Aufspritzen mittels einer Berieselungsanlage“ ist im Sinne der Erfindung zweckmäßigerweise als eine Auftragung von Wasser und/oder Passivierungslösung in relativ großen Fluidtropfen zu verstehen. Im Unterschied dazu versteht die Erfindung unter „Aufsprühen mittels einer Benebelungsanlage“ und „Aufspritzen mittels einer Benebelungsanlage“ zweckmäßigerweise eine Auftragung von Wasser und/oder Passivierungslösung in relativ kleinen Fluidnebeltropfen. Zweckmäßigerweise sind die Fluidtropfen hinsichtlich ihrer Abmessungen und/oder ihres Fluidvolumens größer als die Fluidnebeltropfen.
Weiterhin kann das Versprühen von Brennstoffzellenabwasser und/oder von Passivierungslösung mittels der Berieselungsanlage mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Massestrom oder Volumenstrom von Brennstoffzellenabwasser und/oder mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Massestrom oder Volumenstrom von Passivierungslösung erfolgen. Natürlich kann das Brennstoffzellenabwasser und/oder die Passivierungslösung auch mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Druck beaufschlagt werden. Dadurch lässt sich zum einen die Kühlleistung des Kühlmittelkühlers beeinflussen. Zum anderen kann aber auch der Auftrag der Passivierungslösung beeinflusst werden, so dass sich bspw. die Reaktion derselben kontrollieren und somit die Ausbildung der Passivierungsschicht steuern lässt.
Zweckmäßigerweise kann das Aufbringen der Passivierungslösung nach Schritt 5) auch dadurch realisiert werden, dass die Passivierungslösung bezüglich eines den Kühlmittelkühler durchströmenden Kühlluftstroms aus Kühlluft stromauf des Kühlmittelkühlers in den Kühlluftstrom eingebracht wird, so dass die Passivierungslösung mit dem Kühlluftstrom an den mindestens einen Aluminiumkühlkanal des Kühlmittelkühlers transportiert und dessen Kühleroberfläche zumindest abschnittsweise oder vollständig mit Passivierungslösung benetzt wird. Dadurch kann bspw. die Sprühwirkung, falls die Passivierungslösung mit einer Berieselungsanlage auf den Kühlmittelkühler gesprüht wird, unterstützt werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Passivierungsschicht in einem einzigen Verfahrensdurchlauf ausgebildet wird, wozu die Schritte 1) bis 5) lediglich ein einziges Mal durchgeführt werden. Alternativ kann man, um eine kontinuierliche Ausbildung einer stabilen Passivierungsschicht zu erreichen, die Schritte 1) bis 5) mehrfach oder dauerhaft wiederholt durchführen. Hierdurch wird eine stabile Passivierungsschicht bereitgestellt, durch die hindurch praktisch kein Korrosionsangriff an den Kühleroberflächen bzw. den Aluminiumkühlkanälen erfolgen kann. Insb. können bei der mehrfachen oder dauerhaften Durchführung der Schritte 1) bis 5) eine Reihe von Rücklösungs- und Abscheidereaktionen bewirkt werden, die eine kontinuierliche Homogenisierung der Passivierungsschicht realisieren.
Zweckmäßigerweise ist die bevorratete Menge bzw. Volumen von Passivierungsschichtbildnermaterial praktischerweise so eingestellt, dass die Passivierungsschicht erst vollständig ausgebildet ist, wenn das bevorratete Passivierungsschichtbildnermaterial aufgebraucht ist. Hierbei können die Schritte 1) bis 5) so oft wiederholt werden, bis das bevorratete Passivierungsschichtbildnermaterial gänzlich aufgebracht ist. Dadurch ist die Menge bzw. das Volumen von bevorratetem Passivierungsschichtbildnermaterial auf das erforderliche Maß zur Bereitstellung einer vollständigen Passivierungsschicht begrenzt, wodurch die Kühlervorrichtung relativ leichtgewichtig und/oder das mit derselben durchgeführte Kühlerpassivierungsverfahren relativ kostengünstig ist.
Die Erfindung kann den alternativen oder zusätzlichen Grundgedanken umfassen, eine Kühlervorrichtung für eine Brennstoffzelle anzugeben. Diese kann mit einer solchen Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug montiert und vorzugsweise zur Durchführung eines Kühlerpassivierungsverfahrens gemäß der vorhergehenden Beschreibung eingerichtet sein. Es ist vorgesehen, dass eine entsprechende Kühlervorrichtung zumindest mit einem Kühlmittelkühler zum Kühlen eines Kühlmittels für eine Brennstoffzelle ausgerüstet ist, wobei der Kühlmittelkühler ein zusammenhängendes Kühlernetz aus mindestens einem eine Kühleroberfläche bildenden Aluminiumkühlkanal aufweist. Hierbei kann ein entsprechender Aluminiumkühlkanal zweckmäßigerweise aus jeder beliebigen Aluminiumlegierung hergestellt sein. Durch den mindestens einen Aluminiumkühlkanal führt ein Kühlmittelfluidpfad für einen Kühlfluidstrom aus Kühlmittel, so dass der mindestens eine Aluminiumkühlkanal sozusagen von Kühlmittel durchströmt oder durchströmbar ist. Die Kühlervorrichtung weist weiterhin einen Kühlluftfluidpfad für einen Kühlluftstrom aus Kühlluft auf. Der Kühlluftfluidpfad bzw. der Kühlluftstrom ist um den mindestens einen Aluminiumkühlkanal herumgeführt, so dass dieser von Kühlluft umströmt oder umströmbar ist. Hierdurch sind Kühlluft und Kühlmittel thermisch kontaktiert, so dass Wärmeenergie getauscht werden kann. Zweckmäßigerweise bildet dabei das Kühlmittel eine Wärmequelle und die Kühlluft eine Wärmesenke. Ferner ist vorgesehen, dass die Kühlervorrichtung einen Behälter aufweist, in dem ein Passivierungsschichtbildnermaterial angeordnet und bevorratet ist. Mittels des Behälters kann das Passivierungsschichtbildnermaterial in Brennstoffzellenabwasser, welches im Rahmen des Betriebs der Brennstoffzelle als Reaktionsprodukt bereitgestellt ist, einbringbar oder eingebracht sein, wodurch das Passivierungsschichtbildnermaterial vollständig in diesem Brennstoffzellenabwasser gelöst und eine wässrige Passivierungslösung bereitgestellt ist. Weiterhin hat die Kühlervorrichtung eine bezüglich des Kühlluftstroms stromauf des Kühlmittelkühlers angeordnete Berieselungsanlage, mittels der im Betrieb der Kühlervorrichtung Brennstoffzellenabwasser und/oder Passivierungslösung stromauf des Kühlmittelkühlers in den Kühlluftstrom einbringbar oder eingebracht ist, wobei Brennstoffzellenabwasser und/oder Passivierungslösung mittels des Kühlluftstroms an den mindestens einen Aluminiumkühlkanal transportiert und dessen Kühleroberfläche zumindest abschnittsweise, vorzugsweise zwischen 70% bis 95% der Kühleroberfläche, oder vollständig benetzt ist. An den Benetzten Stellen kann die Passivierungslösung mit der mit dem Flussmittel versehenen Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals und mit vom Kühlmittel am Kühlmittelkühler bereitgestellter Wärmeenergie unter Ausbildung einer Passivierungsschicht reagieren. Dadurch kann die Ausbildung einer Passivierungsschicht sozusagen im Betrieb des Kraftfahrzeugs, also zumindest, wenn dessen Kühlervorrichtung und Brennstoffzelle aktiviert sind, als „in-situ“ erfolgen. Ein separater Beschichtungsschritt der im Rahmen der Herstellung der ist daher nicht mehr erforderlich.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn sich das besagte Passivierungsschichtbildnermaterial aus den nachfolgenden komplexbildenden- und schichtbildenden Chemikalien bildet oder diese Chemikalien aufweist, wobei die nachfolgende Liste nicht abschließend ist:

- Dicarbonsäuren, insb. Glutarsäure, Weinsäure, Fumarsäure, Sebacinsäure, und/oder
- fluoridische Komplexbilder auf Basis von Zirkonaten und Lanthanen, und/oder
- Orthosillikate, Metasillikate, organische Silikate, und/oder
- Silane, und/oder
- Siloxane, und/oder
- wässrige Suspensionen von Polyurethanen und/oder Ethanolaminen, und/oder
- Chitosane, und/oder
- Phosphate, und/oder
- Borate als Additive, insb. Inhibitoren.

Hierbei können insb. die Borate, Chitosane oder Phosphate die Bildung eines Silizium-Aluminium-Dipols (Korrosionszelle) an einer Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals unterbinden. Die vorgeschlagenen Chemikalien sind umweltverträglich und kommen natürlich vor.
Um eine hohe Beständigkeit der Passivierungsschicht zu erreichen, kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die ausgebildete Passivierungsschicht in Wasser unlöslich ist und/oder dass die ausgebildete Passivierungsschicht eine silikatische Aluminiumoxihydratschicht ist.
Es ist ferner möglich, dass der besagte Behälter der Kühlervorrichtung durch eine auswechselbare Feststoffkartusche oder einen Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter gebildet ist. Hierbei kann die Feststoffkartusche oder der Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter von Brennstoffzellenabwasser durchströmbar oder durchströmt sein, wobei das im Behälter angeordnete und bevorratete Passivierungsschichtbildnermaterial entweder durch einen sich langsam lösenden Feststoff oder durch eine Feststoffschüttung gebildet ist.
Die Erfindung kann den alternativen oder zusätzlichen weiteren Grundgedanken umfassen, eine Verwendung eines Kraftfahrzeugs zur Passivierung eines Kühlmittelkühlers einer Kühlervorrichtung des Kraftfahrzeugs anzugeben. Ein entsprechendes Kraftfahrzeug weist dabei mindestens eine Brennstoffzelle und eine im Kraftfahrzeug integrierte Kühlervorrichtung nach der vorhergehenden Beschreibung auf, wobei am Kraftfahrzeug Passivierungsschichtbildnermaterial angeordnet und bevorratet ist und wobei die Kühlervorrichtung zur Durchführung des Kühlerpassivierungsverfahrens nach der vorhergehenden Beschreibung eingerichtet ist, um den Kühlmittelkühler der Kühlervorrichtung während des Betriebs der Brennstoffzelle und der Kühlervorrichtung, also im Betrieb des Kraftfahrzeugs, zu passivieren.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise ein Kühlerpassivierungsverfahren für einen in einem Kraftfahrzeug montierten Kühlmittelkühler einer Kühlervorrichtung. Im Rahmen des Kühlerpassivierungsverfahrens ist vorgesehen, dass eine Kühlervorrichtung mit Kühlmittelkühler bereitgestellt wird, wobei letzterer mindestens einen Aluminiumkühlkanal mit einer mit Flussmittel versehenen Kühleroberfläche aufweist. Die Kühlervorrichtung wird in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt, bspw. montiert, und anschließend mit mindestens einer Brennstoffzelle des Kraftfahrzeugs in Betrieb genommen. Um am Kühlmittelkühler eine Passivierungsschicht auszubilden ist vorgesehen, dass eine zuvor bereitgestellte wässrige Passivierungslösung aus Passivierungsschichtbildnermaterial und Brennstoffzellenabwasser auf die mit dem Flussmittel versehene Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals aufgebracht wird, wobei die Passivierungslösung mit der mit dem Flussmittel versehenen Kühleroberfläche des mindestens einen Aluminiumkühlkanals unter Zufuhr von durch den Kühlmittelkühler bereitgestellter Wärmeenergie unter Ausbildung einer Passivierungsschicht reagiert.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigt schematisch

1 eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kühlerpassivierungsverfahrens geeigneten erfindungsgemäßen Kühlervorrichtung.

Die 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer im Gesamten mit der Bezugsziffer 1 bezeichneten Kühlervorrichtung, die in erster Linie zur Kühlung eines Kühlmittels für eine nicht illustrierte Brennstoffzelle eines in 1 ebenfalls nicht illustrierten Kraftfahrzeugs dient. Die erfindungsgemäße Kühlervorrichtung 1 kann in einem solchen Kraftfahrzeug montiert sein und dort im Betrieb der Brennstoffzelle und der Kühlervorrichtung 1 bzw. des Kraftfahrzeugs zur Passivierung eines Kühlmittelkühlers 2 der Kühlervorrichtung 1 dienen.
In 1 ist zunächst der besagte Kühlmittelkühler 2 der Kühlervorrichtung 1 illustriert, mit dem wie erwähnt ein Kühlmittel für die nicht illustrierte Brennstoffzelle gekühlt werden kann. Exemplarisch ist hierzu vorgesehen, dass der Kühlmittelkühler 2 ein zusammenhängendes Kühlernetz 11 aus mehreren jeweils eine Kühleroberfläche 4 bildenden Aluminiumkühlkanälen 3 aufweist. Durch jeden dieser Aluminiumkühlkanäle 3 führt ein Kühlmittelfluidpfad 12 für einen Kühlfluidstrom 13 aus Kühlmittel, vorliegend ist in 1 der Übersichtlichkeit wegen lediglich ein einzelner Kühlmittelfluidpfad 12 angedeutet. Dadurch ist jeder Aluminiumkühlkanal 3 von Kühlmittel durchströmt oder zumindest durchströmbar. Das Kühlmittel selbst wird, von der Brennstoffzelle kommend, über einen Einlass 16 in den Kühlmittelkühler 2 eingeströmt und verlässt diesen über einen Auslass 17, die Strömungsrichtungen sind in 1 durch entsprechende Pfeile angedeutet. Weiterhin weist die Kühlervorrichtung 1 einen Kühlluftfluidpfad 14 für einen Kühlluftstrom 15 aus Kühlluft auf, der so um die Aluminiumkühlkanäle 3 herumgeführt ist, dass diese sozusagen von Kühlluft umströmt oder zumindest umströmbar sind. Hierdurch sind Kühlluft und Kühlmittel thermisch kontaktiert, so dass Wärmeenergie zwischen denselben ausgetauscht werden kann. Zweckmäßigerweise bildet dabei das Kühlmittel eine Wärmequelle und die Kühlluft eine Wärmesenke.
Da die heutigen Brennstoffzellen in der Regel einen relativ hohen Kühlbedarf haben, ist es wünschenswert, die Kühlleistung des Kühlmittelkühlers 2 zu steigern. Die Kühlervorrichtung 1 besitzt hierzu eine bezüglich des Kühlluftstroms 15 stromauf des Kühlmittelkühlers 2 angeordnete Berieselungsanlage 10, die in 1 durch einen Kasten angedeutet ist. Die Berieselungsanlage 10 wird im Betrieb der Brennstoffzelle mit Brennstoffzellenabwasser 7 der Brennstoffzelle, das im Rahmen des Betriebs der Brennstoffzelle als Reaktionsprodukt anfällt, gespeist und sprüht dieses Brennstoffzellenabwasser 7 in den Kühlluftstrom 15 ein. Das eingesprühte Brennstoffzellenabwasser 7 wird sodann mit dem Kühlluftstrom 15 stromab transportiert und trifft auf den Kühlmittelkühler 2, wo es die Kühleroberflächen 4 der Aluminiumkühlkanäle 3 benetzt. Das so auf den Kühlmittelkühler 2 aufgebrachte Brennstoffzellenabwasser 7 verdunstet endotherm, wodurch sich die benetzten Aluminiumkühlkanäle 3 des Kühlmittelkühler 2 abkühlen und eine Steigerung der Kühlleistung eintritt. Jedoch kann das Brennstoffzellenabwasser 7 an den Kühleroberflächen 4 der Aluminiumkühlkanäle 3 zu Korrosionserscheinungen führen.
Um diese Korrosionserscheinungen zu verhindern, ist vorgesehen, dass an den Kühleroberflächen 4 der Aluminiumkühlkanäle 3 eine Passivierungsschicht 8 ausgebildet wird. Dies wird vorliegend im Betrieb der Brennstoffzelle und der Kühlvorrichtung 1 bzw. im Betrieb des Kraftfahrzeugs erreicht, wozu die Kühlvorrichtung 1 einen Behälter aufweist, der vorliegend durch ein Kästchen angedeutet und durch einen Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter 9 gebildet ist. Im Inneren des Brennstoffzellenabwasservorratsbehälters 9 ist ein Passivierungsschichtbildnermaterial 6 angeordnet und bevorratet, welches vorliegend durch eine Feststoffschüttung abgebildet ist. Gleichermaßen könnte der Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter 9 mit dem Passivierungsschichtbildnermaterial 6 beschichtet sein. Wesentlich ist, dass der Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter 9 von der Brennstoffzelle bereitgestelltes Brennstoffzellenabwasser 7 wie ein Tank bevorratet, wobei sich das darin befindliche Passivierungsschichtbildnermaterial 6 kontinuierlich in diesem Brennstoffzellenabwasser 7 löst, wodurch im Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter 9 eine wässrige Passivierungslösung 5 bereitgestellt ist. Diese Passivierungslösung 5 strömt aus dem Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter 9 aus bzw. wird aus demselben ausgeschwemmt und mittels der Berieselungsanlage 10 stromauf des Kühlmittelkühlers 2 in den Kühlluftstrom 15 eingesprüht. Dadurch wird die Passivierungslösung 5 mittels des Kühlluftstroms 15 an die Aluminiumkühlkanäle 3 transportiert und benetzt dessen Kühleroberflächen 4. An den so benetzten Aluminiumkühlkanäle 3 kann nun eine chemische Reaktion erfolgen, derart, dass die Passivierungslösung 5 mit der mit dem Flussmittel versehenen Kühleroberfläche 4 der Aluminiumkühlkanäle 3 und mit vom Kühlmittel am Kühlmittelkühler 2 bereitgestellter Wärmeenergie unter Ausbildung der Passivierungsschicht 8 reagieren. Exemplarisch ist die im Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter 9 bevorratete Menge von Passivierungsschichtbildnermaterial 6 so bemessen, dass die Passivierungsschicht 8 vollständig ausgebildet werden kann, wobei, wenn das bevorratete Passivierungsschichtbildnermaterial 6 aufgebraucht ist, mittels der Berieselungsanlage 10 lediglich Brennstoffzellenabwasser 7 auf den Kühlmittelkühler 2 aufgesprüht wird, wie bei herkömmlichen Kühlvorrichtungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019209249 A1 [0002]

Claims

Kühlerpassivierungsverfahren für einen in einem Kraftfahrzeug montierten Kühlmittelkühler (2) einer Kühlervorrichtung (1), aufweisend die nachfolgenden Schritte: 1) Bereitstellen einer Kühlervorrichtung (1) mit Kühlmittelkühler (2), der mindestens einen Aluminiumkühlkanal (3) mit einer mit Flussmittel versehenen Kühleroberfläche (4) aufweist; 2) Bereitstellen der Kühlervorrichtung (1) in einem Kraftfahrzeug; 3) Inbetriebnahme der Kühlervorrichtung (1) und einer Brennstoffzelle des Kraftfahrzeugs, insb. Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs; 4) Bereitstellen einer wässrigen Passivierungslösung (5) aus an der Kühlervorrichtung (1) bereitgestelltem Passivierungsschichtbildnermaterial (6) und Brennstoffzellenabwasser (7), welches im Rahmen des Betriebs der Brennstoffzelle als Reaktionsprodukt derselben bereitgestellt wird, 5) Aufbringen der bereitgestellten Passivierungslösung (5) auf die mit dem Flussmittel versehene Kühleroberfläche (4) des mindestens einen Aluminiumkühlkanals (3), so dass die Passivierungslösung (5) mit der mit dem Flussmittel versehenen Kühleroberfläche (4) des mindestens einen Aluminiumkühlkanals (3) unter Zufuhr von durch den Kühlmittelkühler (2) bereitgestellter Wärmeenergie unter Ausbildung einer Passivierungsschicht (8) reagiert.
Kühlerpassivierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Passivierungsschichtbildnermaterial (6) nach Schritt 4) an der Kühlervorrichtung (1) bereitgestellt wird, indem es - in einer auswechselbaren Feststoffkartusche bevorratet wird, oder - in einem Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter (9) bevorratet wird.
Kühlerpassivierungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine wässrige Passivierungslösung (5) nach Schritt 4) bereitgestellt wird, indem - die Feststoffkartusche von Brennstoffzellenabwasser (7) durchströmt wird, wobei sich das darin bevorratete Passivierungsschichtbildnermaterial (6) kontinuierlich in diesem Brennstoffzellenabwasser (7) löst und als Passivierungslösung (5) bereitgestellt wird, oder - der Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter (9) von der Brennstoffzelle bereitgestelltes Brennstoffzellenabwasser (7) bevorratet, wobei sich das darin bevorratete Passivierungsschichtbildnermaterial (6) kontinuierlich in diesem Brennstoffzellenabwasser (7) löst und als Passivierungslösung (5) bereitgestellt wird.
Kühlerpassivierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Passivierungslösung (5) nach Schritt 5) realisiert wird, indem die Passivierungslösung (5) mittels einer Berieselungsanlage (10) der Kühlervorrichtung (1) so auf die mit Flussmittel versehene Kühleroberfläche (4) des mindestens einen Aluminiumkühlkanals (3) aufgesprüht wird, dass die Kühleroberfläche (4) zumindest abschnittsweise oder vollständig benetzt wird.
Kühlerpassivierungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - mittels der Berieselungsanlage (10) Brennstoffzellenabwasser (7) und/oder Passivierungslösung (5) versprüht wird, und/oder - wobei ein vorgegebener oder vorgebbarer Massenstrom oder Volumenstrom von Passivierungslösung (5) in das Brennstoffzellenabwasser (7) eingebracht und zusammen mit diesem so auf die mit Flussmittel versehene Kühleroberfläche (4) des mindestens einen Aluminiumkühlkanals (3) aufgesprüht wird, dass die Kühleroberfläche (4) zumindest abschnittsweise oder vollständig benetzt wird.
Kühlerpassivierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - Brennstoffzellenabwasser (7) mittels einer Berieselungsanlage (10) so auf die mit Flussmittel versehene Kühleroberfläche (4) des mindestens einen Aluminiumkühlkanals (3) in einem Sprühstrahl aufgesprüht wird, dass die Kühleroberfläche (4) zumindest abschnittsweise oder vollständig benetzt wird, - wobei eine wässrige Passivierungslösung (5) nach Schritt 4) bereitgestellt wird, indem Passivierungsschichtbildnermaterial (6) direkt in diesen Sprühstrahl aus Brennstoffzellenabwasser (7) der Berieselungsanlage (10) eingeleitet wird.
Kühlerpassivierungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Versprühen von Brennstoffzellenabwasser (7) und/oder von Passivierungslösung (5) mittels der Berieselungsanlage (10) mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Massestrom oder Volumenstrom von Brennstoffzellenabwasser (7) und/oder von Passivierungslösung (5) oder mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren Druck realisiert wird.
Kühlerpassivierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Passivierungslösung (5) nach Schritt 5) realisiert wird, indem die Passivierungslösung (5) bezüglich eines den Kühlmittelkühler (2) durchströmenden Kühlluftstroms (15) aus Kühlluft stromauf des Kühlmittelkühlers (2) in den Kühlluftstrom (15) eingebracht wird, so dass die Passivierungslösung (5) mit dem Kühlluftstrom (15) an den mindestens einen Aluminiumkühlkanal (3) des Kühlmittelkühlers (2) transportiert und dessen Kühleroberfläche (4) zumindest abschnittsweise oder vollständig mit Passivierungslösung (5) benetzt wird.
Kühlerpassivierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schritte 1) bis 5) lediglich ein einziges Mal durchgeführt werden, um eine Passivierungsschicht (8) auszubilden, oder - die Schritte 1) bis 5) mehrfach oder dauerhaft wiederholt durchgeführt werden, um eine kontinuierliche Ausbildung der Passivierungsschicht (8) zu erreichen.
Kühlervorrichtung (1) für eine Brennstoffzelle, insb. für ein eine solche Kühlervorrichtung (1) und eine solche Brennstoffzelle aufweisendes Kraftfahrzeug, weiter insb. geeignet zur Durchführung eines Kühlerpassivierungsverfahrens gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, - mit einem Kühlmittelkühler (2) zum Kühlen eines Kühlmittels für eine Brennstoffzelle, - wobei der Kühlmittelkühler (2) ein Kühlernetz (11) aus mindestens einem eine Kühleroberfläche (4) bildenden Aluminiumkühlkanal (3) aufweist, - wobei durch den mindestens einen Aluminiumkühlkanal (3) ein Kühlmittelfluidpfad (12) für einen Kühlfluidstrom (13) aus Kühlmittel führt, so dass der mindestens eine Aluminiumkühlkanal (3) von Kühlmittel durchströmt oder durchströmbar ist, - mit einem Kühlluftfluidpfad (14) für einen Kühlluftstrom (15) aus Kühlluft, der um den mindestens einen Aluminiumkühlkanal (3) herumgeführt ist, so dass dieser von Kühlluft umströmt oder umströmbar ist, - mit einem ein Passivierungsschichtbildnermaterial (6) bevorratenden Behälter, mittels dem das Passivierungsschichtbildnermaterial (6) in Brennstoffzellenabwasser (7), welches im Rahmen des Betriebs der Brennstoffzelle als Reaktionsprodukt bereitgestellt ist, einbringbar oder eingebracht ist, wodurch das Passivierungsschichtbildnermaterial (6) vollständig in diesem Brennstoffzellenabwasser (7) gelöst und eine wässrige Passivierungslösung (5) bereitgestellt ist, - mit einer bezüglich des Kühlluftstroms (15) stromauf des Kühlmittelkühlers (2) angeordneten Berieselungsanlage (10), mittels der im Betrieb der Kühlervorrichtung (1) Brennstoffzellenabwasser (7) und/oder Passivierungslösung (5) stromauf des Kühlmittelkühlers (2) in den Kühlluftstrom (15) einbringbar oder eingebracht ist, - wobei Brennstoffzellenabwasser (7) und/oder Passivierungslösung (5) mittels des Kühlluftstroms (15) an den mindestens einen Aluminiumkühlkanal (3) transportiert und dessen Kühleroberfläche (4) zumindest abschnittsweise benetzt ist, - wobei die Passivierungslösung (5) mit der mit dem Flussmittel versehenen Kühleroberfläche (4) des mindestens einen Aluminiumkühlkanals (3) und mit vom Kühlmittel am Kühlmittelkühler (2) bereitgestellter Wärmeenergie unter Ausbildung einer Passivierungsschicht (8) reagiert.
Kühlervorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Passivierungsschichtbildnermaterial (6) aus den nachfolgenden komplexbildenden- und schichtbildenden Chemikalien gebildet ist: - Dicarbonsäuren, insb. Glutarsäure, Weinsäure, Fumarsäure, Sebacinsäure, und/oder - fluoridische Komplexbilder auf Basis von Zirkonaten und Lanthanen, und/oder - Orthosillikate, Metasillikate, organische Silikate, und/oder - Silane, und/oder - Siloxane, und/oder - wässrige Suspensionen von Polyurethanen und/oder Ethanolaminen, und/oder - Chitosane, und/oder - Phosphate, und/oder - Borate.
Kühlervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildete Passivierungsschicht (8) in Wasser unlöslich ist.
Kühlervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgebildete Passivierungsschicht (8) eine silikatische Aluminiumoxihydratschicht ist.
Kühlervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass - der Behälter durch eine auswechselbare Feststoffkartusche oder einen Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter (9) gebildet ist, in dem das Passivierungsschichtbildnermaterial (6) angeordnet und bevorratet ist, - wobei die Feststoffkartusche oder der Brennstoffzellenabwasservorratsbehälter (9) von Brennstoffzellenabwasser (7) durchströmbar oder durchströmt ist, - wobei das Passivierungsschichtbildnermaterial (6) entweder durch einen sich langsam lösenden Feststoff oder durch eine Feststoffschüttung gebildet ist.
Verwendung eines Kraftfahrzeugs zur Passivierung eines Kühlmittelkühlers (2) einer Kühlervorrichtung (1) des Kraftfahrzeugs, - mit einer Brennstoffzelle, - mit einer im Kraftfahrzeug integrierten Kühlervorrichtung (1) nach den Sachansprüchen 10 bis 14, - mit am Kraftfahrzeug bevorratetem Passivierungsschichtbildnermaterial (6), - wobei die Kühlervorrichtung (1) zur Durchführung des Kühlerpassivierungsverfahrens nach den Verfahrensansprüchen 1 bis 9 eingerichtet ist, um den Kühlmittelkühler (2) der Kühlervorrichtung (1) während des Betriebs der Brennstoffzelle und der Kühlervorrichtung (1) zu passivieren.