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Die Erfindung betrifft ein einen Kühlmittelkreislauf und einen Ionenfilter aufweisendes Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus der
DE 10 2020 205 177 A1 bekannt. Innerhalb des bekannten Brennstoffzellensystems wird Kühlmittel aus einem ersten Abschnitt einer Kühlmittelleitung abgezweigt, wobei das abgezweigte Kühlmittel durch einen Ionenfilter strömt und dann wieder in einen zweiten Abschnitt der Kühlmittelleitung strömt. Mittels eines Einstellventils kann der Teilstrom des Kühlmittels, welcher durch den Ionenfilter strömt, eingestellt werden. Eine mit dem Einstellventil in Verbindung stehende Steuerungsvorrichtung berücksichtigt unter anderem eine Temperatur und eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle.
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Die
DE 10 2013 222 769 A1 offenbart eine Kühleinrichtung für eine Brennstoffzelle. Die Kühleinrichtung weist einen Vorratsbehälter auf, in welchem Kühlmittel speicherbar ist. Ferner ist der Kühleinrichtung eine Baugruppe eines Ionenfilters zuzurechnen. Der lonenfilter ist als Kartuschentyp ausgebildet. Die genannte Baugruppe soll auch in der Lage sein, Blasen in dem Kühlmittel zu entfernen.
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Die
DE 11 2004 001 059 T5 offenbart ein Brennstoffzellenkühlsystem sowie ein Verfahren zum Steuern einer Zirkulation von Kühlflüssigkeit in der Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Wasserpumpe, das heißt Kühlmittelpumpe, welche intermittierend betrieben wird. Insbesondere wird die Wasserpumpe betrieben, wenn eine Verunreinigungskonzentration in der Kühlflüssigkeit und damit die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit ansteigt. In Strömungsrichtung des Kühlmittels vor der Brennstoffzelle ist ein Ionenfilter angeordnet. Eine Vorrichtung zur Leifähigkeitsmessung befindet sich im Strömungsmittel des Kühlmittels nach der Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellenkühlsystem nach der
DE 11 2004 001 059 T5 weist darüber hinaus eine Umgehungsleitung, das heißt einen Bypass, auf, wobei ein Drehventil zur Einstellung eines durch den Bypass fließenden Teilstroms an Kühlmittel vorgesehen ist.
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Ein weiteres Brennstoffzellensystem mit einem Ionenfilter ist aus der
EP 1 689 504 B1 bekannt. Der Ionenfilter weist in diesem Fall ein Filtermedium aus einem perflourierten Schwefelsäurepolymer auf.
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Die
DE 10 2015 210 029 A1 beschreibt eine sogenannte lonenfilterdachstruktur einer Brennstoffzelle für ein Fahrzeug. Die lonenfilterdachstruktur weist unter anderem eine mit einem Heizelement verbundene Steuerung, eine Pumpe, ein 4-Wegeventil und einen Kühler auf.
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Eine in der
DE 10 2015 219 710 A1 beschriebene lonenfilter-Lebensdauer-Wahrnehmungseinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug soll die Möglichkeit bieten, die Ersetzung- beziehungsweise Austausch-Lebensdauer beziehungsweise - Laufzeit für eine Brennstoffzelle-Ionenfilterpatrone zu detektieren. In ein Hauptgeräteteil der genannten Einrichtung ist ein Ionengranulat eingefügt. Ferner ist im Hauptgeräteteil ein Prüfelement in variierender, vom Volumen des Ionengranulats abhängiger Position angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem mit Ionenfilter gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein fertigungsfreundlicher modularer Aufbau mit praxisgerechter Funktionalität gegeben sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Brennstoffzellensystem umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption einen Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelkreislauf und einen Ionenfilter. Der Ionenfilter des anmeldungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in einem an den Brennstoffzellenstapel angebauten Filter- und Steuerungsmodul angeordnet, wobei er in einen den Brennstoffzellenstapel umgehenden Bypass eingebaut ist. Das Filter- und Steuerungsmodul wird kurz auch als Stackmodul bezeichnet.
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Durch Verknüpfung des Stackmoduls mit messtechnischen sowie die Kühlmittelströmung beeinflussenden Komponenten des Brennstoffzellensystems ist eine bedarfsgerechte Durchströmung des Stackmoduls mit Kühlmittel erzielbar. Eine zu diesem Zweck vorgesehene Steuereinheit des Filter- und Steuerungsmoduls kann insbesondere zur Überwachung, zur Regelung oder zur kombinierten Überwachung und Regelung der Leitfähigkeit des den Stack, das heißt Brennstoffzellenstapel, temperierenden Kühlmittels vorgesehen sein.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass Kühlmittel, mit welchem die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels gekühlt werden, mit verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels in Kontakt kommen, die auf verschiedenem elektrischem Potential betrieben werden. Bei Brennstoffzellensystemen für Kraftfahrzeuge sind hierbei Spannungsdifferenzen zwischen elektrisch leitfähigen Komponenten, unter anderem Bipolarplatten, in der Größenordnung von mehreren 100 Volt gegeben. Elektrische Ströme, die im Kühlmittel fließen, wirken sich negativ auf die Effizienz der Brennstoffzellen aus. Die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels sollte von daher in einem niedrigen Bereich gehalten werden, wofür Ionenfilter grundsätzlich geeignet sind. Die Behandlung lediglich eines Teilstroms des Kühlmittels durch einen Ionenfilter ist grundsätzlich ausreichend für die geforderte Limitierung der Leitfähigkeit des Kühlmittels.
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Durch den direkten Anbau des den Ionenfilter umfassenden Filter- und Steuerungsmoduls an den Brennstoffzellenstapel des anmeldungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird die Länge von Strömungspfaden einschließlich des Bypasses minimiert, wobei zugleich verschiedenste Steuer- und Regelfunktionen durch die Steuereinheit, welche ebenfalls in das Filter- und Steuerungsmodul integriert ist, übernommen werden können.
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Die Steuereinheit kann unter anderem mit einer Temperatursensorik verknüpft sein, welche beispielsweise einen ersten Temperatursensor umfasst, der in Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, sowie einen zweiten Temperatursensor, welcher nach dem Zusammenfluss von durch den Brennstoffzellenstapel geleitetem und durch den Bypass geleitetem Kühlmittel angeordnet ist.
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Ferner kann die Steuereinheit mit einer Starkstromsensorik verknüpft sein, welche eine Mehrzahl an Messgeräten zur Starküberwachung am Brennstoffzellenstapel umfasst. Darüber hinaus kann die Steuereinheit mit einer Vorrichtung zur Zellspannungsüberwachung, das heißt zur Überwachung der Spannung an den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, verknüpft sein.
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Um den Kühlmittelstrom bedarfsgerecht auf den Brennstoffzellenstapel einerseits und den Bypass einschließlich des Ionenfilters andererseits aufzuteilen, kann in den Bypass ein Ventil eingebaut sein, welches mittels der Steuereinheit des Stackmoduls ansteuerbar ist. Dieses Ventil befindet sich beispielsweise in Strömungsrichtung des Kühlmittels unmittelbar vor dem Ionenfilter. Ein beispielsweise in das Stackmodul vor dem Stack eingebauter Leitfähigkeitssensor kann die Leitfähigkeit des in den Stack einfließenden Kühlmittels messen.
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Insgesamt ist das Filter- und Steuerungsmodul in der Lage, selbsttätig eine Vielzahl von Steuerungs-, Regelungs- und Überwachungsfunktionen zu übernehmen, wobei ein Datenaustausch zwischen dem Filter- und Steuerungsmodul und einem übergeordneten System vorgesehen sein kann. Die Regelungsfunktionen betreffen insbesondere die Regelung der Leitfähigkeit des Kühlmittels. An das übergeordnete System werden beispielsweise Status- oder Warnmeldungen übermittelt, wogegen vom übergeordneten System zum Beispiel Sollwerte, unter anderem ein Leitfähigkeits-Sollwert, erhalten werden können. In weiterentwickelter Ausgestaltung ist auch die Verfolgung und Auswertung von Trends, beispielsweise Änderungen von Temperaturen oder Leitfähigkeitsänderungen, möglich. Solche Auswertungen können innerhalb des Filter- und Steuerungsmoduls oder auch teilweise oder vollständig durch das übergeordnete System vorgenommen werden.
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In jedem Fall ist damit eine Voraussetzung geschaffen, um bereits vor dem Erreichen irregulärer Zustände des Brennstoffzellensystems geeignete Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Gegenmaßnahmen, welche automatisch ausgelöst und durchgeführt werden können, sind zum Beispiel in Form der Verstellung elektromechanisch betätigter Ventile denkbar. Dies betrifft nicht nur Ventile im Kühlmittelkreislauf, sondern auch Ventile, mit denen Betriebsmittelströme des Brennstoffzellensystems beeinflussbar, insbesondere absperrbar, sind.
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Das gesamte Filter- und Steuerungsmodul kann insgesamt, insbesondere im Fall einer flachen quaderartigen Grundform, bündig an ein Gehäuse des Brennstoffzellenstapels angesetzt oder in ein solches Gehäuse eingebaut sein. Hierbei können sich auf derjenigen Seite des Filter- und Steuerungsmoduls, welche dem Brennstoffzellenstapel abgewandt ist, Kühlmittelleitungsanschlüsse befinden, welche mit einem Wärmetauscher verbindbar sind. Der Kühler kann sich in unmittelbarer Nähe des Brennstoffzellenstapels sowie des Filter- und Steuerungsmoduls oder an sonstiger Stelle des Brennstoffzellensystems befinden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:
- 1 ein Brennstoffzellensystem in einer vereinfachten Schnittdarstellung.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl an Brennstoffzellen 2, welche in Form eines Brennstoffzellenstapels 3 angeordnet sind, der kurz auch als Stack bezeichnet wird. Der Stack 3 befindet sich in einem Gehäuse 4. Zur Kühlung der Brennstoffzellen 2 ist ein Kühlmittelkreislauf 5 vorgesehen. Durch den Stack 3 strömendes Kühlmittel ist in 1 durch Pfeile veranschaulicht. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Brennstoffzellensystems 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen nicht dargestellten Kühler. Kühlmittel, welches vom Stack 3 zum Kühler strömt, fließt durch einen Kühlmittelanschluss 6. Ein Kühlmittelanschluss 7 dient der Rückführung des Kühlmittels vom Kühler zum Stack 3. Kühlmittelleitungen sind in 1 mit 8, Signalleitungen für Mess- und Steuersignale einheitlich mit 9 bezeichnet.
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Das in den Stack 3 einströmende Kühlmittel, nämlich Kühlwasser, durchströmt zunächst ein Filter- und Steuerungsmodul 10, welches, wie aus 1 hervorgeht, an den Stack 3 angesetzt ist. Ebenso durchströmt das aus dem Stack 3 ausströmende Kühlmittel das Filter- und Steuerungsmodul 10, bevor es den in 1 skizzierten Ausschnitt des Brennstoffzellensystems 1 am Kühlmittelanschluss 6 verlässt. Das Filter- und Steuerungsmodul 10 wird auch als Stackmodul bezeichnet, welches neben dem im Gehäuse 4 angeordneten Brennstoffzellenstapel 3 ein weiteres Modul des Brennstoffzellensystems 1 darstellt.
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Zusätzlich zu den Abschnitten der Kühlmittelleitung 8, welche das Kühlmittel in den Stack 3 einleiten beziehungsweise aus dem Stack 3 ausleiten, weist das Filter- und Steuerungsmodul 10 einen Bypass 11 auf, der überwiegend parallel zu den Ebenen, in denen die Brennstoffzellen 2 liegen, durchströmt wird. Der Bypass 11 ist in einem auch als Medienplatte bezeichneten Modulgehäuse 12 des Filter- und Steuerungsmoduls 10 ausgebildet. Das Filter- und Steuerungsmodul 10 weist darüber hinaus eine Steuereinheit 13 auf, die vielfältige Funktionen in Zusammenwirkung mit weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 übernimmt.
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Insbesondere übernimmt die Steuereinheit 13 Steuerungs-, Regelungs-, Überwachungs- und optional auch Alarmierungsfunktionen. Sämtliche dieser Funktionen haben einen Zusammenhang mit dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 3.
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An den Brennstoffzellenstapel 3 sind Starkstromleitungen 14 angeschlossen, wobei Messgeräte 15, 16 zur Starkstromüberwachung vorgesehen sind. Die Messgeräte 15, 16 sind ebenso an die Steuereinheit 13 des Filter- und Steuerungsmoduls 10 angeschlossen wie sämtliche anderen messtechnischen Komponenten sowie verstellbaren fluidtechnischen Komponenten, auf die im Folgenden noch näher eingegangen wird.
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Zusätzlich zur Starkstromsensorik 15, 16, welche mit Hilfe der Messgeräte 15, 16 realisiert ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine Vorrichtung 17, welche zur Zellspannungsüberwachung ausgebildet ist. Die Überwachungsfunktionen können dabei in beliebiger Aufteilung durch eine gesonderte Komponente, wie in 1 skizziert, und durch die Steuereinheit 13 übernommen werden. Die Steuereinheit 13 wirkt ferner mit zwei Temperatursensoren 18, 19 zusammen, welche sich in einem Fall unmittelbar nach dem Kühlmittelanschluss 7, dass heißt innerhalb der Medienplatte 12 vor dem Bypass 11, und im anderen Fall in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Bypass 11, ebenfalls innerhalb der Medienplatte 12, befinden. Damit ist eine Temperatursensorik 18, 19 gegeben, mit der insbesondere die Aufheizung des Kühlmittels im Stack 3 erfassbar und überwachbar ist.
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Der Bypass 11 umfasst einen ersten Bypass-Abschnitt 23 und einen zweiten Bypass-Abschnitt 24, wobei die Bypass-Abschnitte 23, 24 durch einen lonenfilter 20 voneinander getrennt sind. Wie aus 1 hervorgeht, nimmt der Ionenfilter 20 den größten Teil der Breite der Medienplatte 12 ein. Der Ionenfilter 20 kann auf die Lebensdauer des Stacks 3 ausgelegt sein. Die Wirksamkeit des Ionenfilters 20 ist mittels eines Leitfähigkeitssensors 21 feststellbar, welcher in das Modulgehäuse 12 vor der Abzweigung des Bypasses 11 eingebaut ist. Ferner ist in das Modulgehäuse 12 ein Ventil 22 eingebaut, mit welchem die Aufteilung des Kühlmittelstroms auf den Stack 3 einerseits und den Bypass 11 andererseits einstellbar ist. Am Ausgang des Modulgehäuses 12, unmittelbar vor dem Kühlmittelanschluss 6, befindet sich ein Ventil 25, mit welchem die gesamte Kühlmittelströmung drosselbar ist.
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Das durch den Kühlmittelanschluss 7 in die Anordnung nach 1 einströmende Kühlmittel wird durch das Ventil 22 derart in zwei Teilströme aufgeteilt, dass der weitaus größere Teilstrom zum Brennstoffzellenstapel 3 strömt, während ein vergleichsweise geringer Teilstrom in den Bypass-Abschnitt 23 und damit in den Ionenfilter 20 geleitet wird. Auch eine vollständige Absperrung des Bypass-Abschnitts 23 durch das Ventil 22 ist möglich.
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Das Aufteilungsverhältnis zwischen dem durch den Brennstoffzellenstapel 3 fließenden Teilstrom einerseits und dem Bypass-Teilstrom andererseits kann von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 1 abhängig gemacht werden. Wird durch die Steuereinheit 13 mit angeschlossenem Leitfähigkeitssensor 21 beispielsweise ermittelt, dass die Leitfähigkeit des Kühlmittels äußerst gering ist, das heißt klar innerhalb des zulässigen Bereichs liegt, so kann das Ventil 22 nahezu oder auch vollständig geschlossen werden. Steigt die Leitfähigkeit des Kühlmittels an, was nicht gewünschte elektrische Ströme innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 bedeutet, so wird das Ventil 22 weiter geöffnet, um einen größeren Anteil des Kühlmittels durch den Ionenfilter 20 zu leiten.
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Signalisiert dagegen die Zellspannungsüberwachung 17 und/oder Starkstromüberwachung 15, 16 eine Veränderung des Zustandes des Brennstoffzellenstapels 3 in Richtung eines kritischen Zustandes, so kann eine maximal mögliche Durchströmung des Stacks 3 mit Kühlmittel von größter Bedeutung sein. In einem solchen Fall kann durch die Steuereinheit 13 das vollständige Schließen des Ventils 22 und das vollständige Öffnen des Ventils 25 ausgelöst werden. Entsprechendes kann in Fällen vorgesehen sein, in denen die Temperatursensorik 18, 19 einen besonders starken Temperaturanstieg anzeigt.
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Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 regelt die Steuereinheit 13 die Durchströmung des Ionenfilters 20 unter Nutzung der verschiedenen Sensordaten, insbesondere der vom Leitfähigkeitssensor 21 gelieferten Daten. Insgesamt ist damit das Stackmodul 10 als selbstüberwachendes, die Leitfähigkeit des Kühlmittels selbständig regelndes, innerhalb weiter Grenzen wartungsfreies Modul ausgebildet. Auch die Temperaturspreizung des Kühlmittels kann, optional in Zusammenwirkung mit einer Kühlmittelpumpe mit veränderbarer Drehzahl, durch das Stackmodul 10 geregelt werden. Hinzu kommen die beschriebenen Überwachungsfunktionen, die die Zellspannung sowie den Stackstrom, das heißt Starkstrom, betreffen. Treten unvorhergesehene Betriebszustände auf, so können durch das Stackmodul 10 einschließlich der Steuereinheit 13 Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Als Gegenmaßnahmen kommen beispielsweise die Verhinderung des Starts des Brennstoffzellensystems 1, der Stopp des Brennstoffzellenbetriebs, sowie die Betätigung von Steuerventilen, insbesondere des Ventils 25, in Betracht.
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Das Stackmodul 10 einschließlich seiner Komponenten 18, 19, 21, 22 ist als sich selbst überwachendes Modul ausgebildet, welches die Leitfähigkeit des Kühlmittels im Normalfall auf einen Sollwert einregelt. Datentechnisch ist eine Verbindung des Stackmoduls 10 mit einem übergeordneten System gegeben. Der Informationsfluss zwischen dem Stackmodul 10 und dem übergeordneten System ist minimiert. Insbesondere meldet das Stackmodul 10 an das übergeordnete System, ob die Leitfähigkeit des Kühlmittels innerhalb des vorgesehenen Bereichs liegt oder eine Grenzwertüberschreitung vorliegt. Für die Generierung einer solchen Meldung erforderliche Datenströme existieren hauptsächlich innerhalb des Stackmoduls 10.
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Auch was Fluidströme, im vorliegenden Fall Kühlmittelströme, betrifft, weist das Stackmodul 10 einen vorteilhaften, auf die Geometrie des Brennstoffzellenstapels 3 abgestimmten Aufbau auf. Insbesondere ist, wie aus 1 hervorgeht, der Grundriss der Medienplatte 12 auf den Grundriss des Gehäuses 4 abgestimmt. Dies begünstigt nicht zuletzt einen kompakten Aufbau des gesamten Kühlmittelkreislaufs 5.
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Von Bedeutung ist auch die mechanisch geschützte Anordnung der messtechnischen Komponenten 18, 19, 21 innerhalb der Medienplatte 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Brennstoffzellenstapel, Stack
- 4
- Gehäuse
- 5
- Kühlmittelkreislauf
- 6
- Kühlmittelanschluss vom Stack
- 7
- Kühlmittelanschluss zum Stack
- 8
- Kühlmittelleitung
- 9
- Signalleitung
- 10
- Filter- und Steuerungsmodul, Stackmodul
- 11
- Bypass
- 12
- Modulgehäuse
- 13
- Steuereinheit
- 14
- Starkstromleitung
- 15
- Messgerät zur Starkstromüberwachung
- 16
- Messgerät zur Starkstromüberwachung
- 17
- Vorrichtung zur Zellspannungsüberwachung
- 18
- Temperatursensor
- 19
- Temperatursensor
- 20
- Ionenfilter
- 21
- Leitfähigkeitssensor
- 22
- Ventil im Bypass
- 23
- erster Bypass-Abschnitt
- 24
- zweiter Bypass-Abschnitt
- 25
- Ventil vor dem Kühlmittelanschluss zum Stack
