DE19802490C2 - Use of a paraffin as a coolant for fuel cells - Google Patents

Use of a paraffin as a coolant for fuel cells

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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Kühlmittels in einer Brennstoffzelle mit frostgeschütztem Kühlkreislauf.The invention relates to the use of a coolant in a fuel cell with a frost-protected cooling circuit.

Im mobilen Einsatz müssen Brennstoffzellenanlagen auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen von bis zu -35°C gelagert und betrieben werden können. Reinstwasser, das üblicherweise als Kühlmittel und gleichzeitig zur Befeuchtung der Reaktionsgase verwendet wird, besitzt jedoch keine Frostschutzeigenschaften. Wird eine solche Anlage mit Reinstwasser als Kühlmittel bei niedrigen Außentemperaturen gelagert oder betrieben, so muß der Kühlkreislauf mit Fremdenergie, beispielsweise einer elektrischen Zusatzheizung beheizt werden.In mobile use, fuel cell systems also have to stored at low ambient temperatures down to -35 ° C can be operated. Ultrapure water, which is usually called Coolant and at the same time to humidify the reaction gases is used, but has no frost protection properties. If such a system with ultrapure water as a coolant stored or operated at low outside temperatures, the Cooling circuit with external energy, for example one electric auxiliary heating can be heated.

Wird die Kühl- beziehungsweise Befeuchtungsfunktion getrennt, so kann als Kühlmittel auch eine Glykol-Wassermischung verwendet werden. Eine solche Glykol-Wassermischung, die beispielsweise auch in Fahrzeugkühlungen eingesetzt wird, weist die gewünschten Frostschutzeigenschaften auf. Eine Brennstoff­ zellenanlage mit einer Glykol-Wassermischung als Kühlmittel und einer elektrischen Zusatzheizung ist beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift DE 16 71 955 B2 bekannt. If the cooling or humidification function is separated, a glycol-water mixture can also be used as a coolant be used. Such a glycol-water mixture that is also used, for example, in vehicle cooling the desired frost protection properties. A fuel Cell plant with a glycol-water mixture as a coolant and an additional electric heater is for example from the German publication DE 16 71 955 B2 known.  

Die Verwendung von nicht inhibierten Glykol/Wassergemischen weist den Nachteil auf, daß keinerlei Korrosionsschutz gegen­ über den Metallen des Fahrzeug-Kühlsystems vorhanden ist. Wird eine Mischung mit Korrosions-Inhibitoren verwendet, steigt die elektrische Leitfähigkeit des resultierenden Kühlmittels auf Werte an, die einen Betrieb in einem Brennstoffzellensystem verbieten.The use of non-inhibited glycol / water mixtures has the disadvantage that no corrosion protection against is present over the metals of the vehicle cooling system. Becomes Using a mixture with corrosion inhibitors increases the electrical conductivity of the resulting coolant Values indicating an operation in a fuel cell system to forbid.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffzellenanlage mit verbesserten Frostschutzeigenschaften zu schaffenThe object of the invention is a fuel cell system with improved frost protection properties

Die Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.The task is performed by the characteristic part of the Claim 1 solved.

Das beanspruchte Kühlmittel weist für den gewünschten Einsatzzweck in Brennstoffzellenanlagen viele positive Eigenschaften auf, insbesondere hervorragende Frostsicherheit, niedrige Viskosität, extrem niedrige elektrische Leitfähigkeit, niedrige Korrosivität, hohe chemische Stabilität, hohes Potential für Lebensdauerbefüllung, kompatibel zu üblicherweise in Brennstoffzellen eingesetzten Materialien, hoher Flammpunkt und gute Recyclierfähigkeit.The claimed coolant points to the desired one Purpose in fuel cell systems many positive Properties, especially excellent frost protection, low viscosity, extremely low electrical conductivity, low corrosivity, high chemical stability, high Potential for lifetime filling, compatible to usual materials used in fuel cells, high flash point and good recyclability.

Weitere Vorteile gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung ist im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert, wobeiFurther advantages result from the subclaims and the Description. The invention is based on the following a drawing explained in more detail, wherein

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Kühlmittelkreislaufs einer Brennstoffzellenanlage und Fig. 1 is a schematic diagram of a coolant circuit of a fuel cell system and

Fig. 2 U/I-Kennlinien einer Brennstoffzelle mit herkömmlicher beziehungsweise erfindungsgemäßem Kühlmittel in vergleichender Darstellung zeigt. Fig. 2 shows U / I characteristics of a fuel cell with conventional or inventive coolant in a comparative representation.

Bei der in Fig. 1 insgesamt mit 1 gekennzeichneten Brennstoff­ zelle handelt es sich vorzugsweise um eine Brennstoffzelle mit protonenleitender Elektrolytmembran, einer sogenannten PEM- Brennstoffzelle 1. Die Erfindung soll sich jedoch nicht nur auf dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränken. Der Aufbau und die Funktion einer Brennstoffzelle 1 ist dem Fachmann wohl bekannt und wird daher im folgenden nur noch kurz anhand einer PEM-Brennstoffzelle beschrieben. Die Brennstoffzelle 1 weist zwei durch die protonenleitende Elektrolytmembran getrennte Gasräume auf, wobei dem Anodenraum ein Brennmittel, vorzugs­ weise Wasserstoff und dem Kathodenraum ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft oder reiner Sauerstoff zugeführt wird. Der Wasserstoff gibt beim Kontakt mit der mit einem geeigneten Katalysatormaterial beschichteten Membran ein Elektron ab. Das verbleibende Proton wandert durch die Membran und verbindet sich dort unter Aufnahme eines Elektrons mit dem Sauerstoff zu Wasser. Durch diese Reaktionen entsteht an der Anode ein Elektronenüberschuß, an der Kathode ein Elektronenmangel, so daß durch Anlegen einer externen Last ein Strom zwischen Anode und Kathode fließt. Neben der Erzeugung von elektrischem Strom entsteht bei diesen Reaktionen jedoch auch Wärmeenergie, die zur Erhaltung eines gewünschten Temperaturniveaus über ein Kühlmittel abgeführt werden muß. Für das Kühlmittel werden in der Brennstoffzelle 1 vorzugsweise separate Kühlräume oder Kühlkanäle vorgesehen. Alternativ kann das Kühlmittel aber auch einem der beiden Gasströme zugeführt werden.The fuel cell labeled 1 in FIG. 1 is preferably a fuel cell with a proton-conducting electrolyte membrane, a so-called PEM fuel cell 1 . However, the invention is not intended to be limited only to this preferred exemplary embodiment. The structure and function of a fuel cell 1 is well known to the person skilled in the art and is therefore only briefly described below using a PEM fuel cell. The fuel cell 1 has two gas spaces separated by the proton-conducting electrolyte membrane, the anode space being supplied with a fuel, preferably hydrogen, and the cathode space with an oxidizing agent, preferably air or pure oxygen. The hydrogen releases an electron on contact with the membrane coated with a suitable catalyst material. The remaining proton travels through the membrane and combines with the oxygen to form water by taking up an electron. These reactions result in an excess of electrons at the anode and a lack of electrons at the cathode, so that a current flows between the anode and cathode when an external load is applied. In addition to the generation of electrical current, these reactions also generate thermal energy which must be dissipated via a coolant in order to maintain a desired temperature level. Separate cooling rooms or cooling channels are preferably provided in the fuel cell 1 for the coolant. Alternatively, the coolant can also be supplied to one of the two gas streams.

Das Kühlmittel wird nach dem Durchströmen der Brennstoffzelle 1 über eine Kühlleitung 2 einem Wärmetauscher 3 zugeführt. Dort wird das Kühlmittel abgekühlt und über eine Rückführleitung 4 der Brennstoffzelle 1 wieder zugeführt. In der Kühlleitung 2 ist eine Kühlmittelpumpe 5 vorgesehen. Um die Temperatur in der Brennstoffzelle 1 auf einem vorgegebenem Temperaturniveau zu halten, ist außerdem parallel zum Wärmetauscher 3 eine Bypass­ leitung 6 angeordnet. Über ein an der Abzweigung der Bypass­ leitung 6 von der Kühlleitung 2 angeordnetes Thermostatventil 7 kann somit die Kühlmittelmenge, die durch den Wärmetauscher 3 beziehungsweise parallel zum Wärmetauscher 3 geführt wird, in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur eingestellt und dadurch die Kühlmitteltemperatur auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden.After flowing through the fuel cell 1, the coolant is fed to a heat exchanger 3 via a cooling line 2 . There, the coolant is cooled and fed back to the fuel cell 1 via a return line 4 . A coolant pump 5 is provided in the cooling line 2 . In order to keep the temperature in the fuel cell 1 at a predetermined temperature level, a bypass line 6 is also arranged parallel to the heat exchanger 3 . Via a at the branch of the bypass line 6 from the cooling line 2 arranged thermostatic valve 7 , the amount of coolant that is passed through the heat exchanger 3 or parallel to the heat exchanger 3 can be adjusted depending on the coolant temperature and thereby the coolant temperature can be regulated to a predetermined value ,

Als Kühlmittel wird erfindungsgemäß eine im Prinzip bekannte Mischung von Paraffinen der allgemeinen Formel CnH2n+2 mit n < 3 verwendet. Grundsätzlich sind aber auch Reinstoffe dieser Paraffine möglich, soweit die Schmelzpunkte niedrig genug liegen. Bevorzugt werden Mischungen von ISO-Paraffinen der verschiedensten Verzweigungsstrukturen, jedoch gleicher Brutto­ formel, im Bereich von 10 ⇐ n ⇐ 20 eingesetzt. Grundsätzlich sind auch Stoffe im beanspruchten Bereich geeignet, die bei Betriebstemperatur einen nicht vernachlässigbaren Dampfdruck aufweisen. In diesem Zusammenhang muß jedoch die Brennstoff­ zellenanlage auf das Prinzip der Verdampfungskühlung umgestellt werden.According to the invention, a mixture of paraffins of the general formula C n H 2n + 2 with n <3, which is known in principle, is used as the coolant. In principle, however, pure substances of these paraffins are also possible as long as the melting points are low enough. Mixtures of ISO paraffins with a wide variety of branching structures, but with the same gross formula, in the range from 10 ⇐ n ⇐ 20 are preferably used. In principle, substances in the claimed range are also suitable that have a non-negligible vapor pressure at operating temperature. In this context, however, the fuel cell system must be converted to the principle of evaporative cooling.

Im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Kühlmitteln, wie Wasser oder wäßrige Lösungen von vicinalen Dialkoholen (Glykol), liegen Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlmitteln niedrig. Um so überraschender ist die gute Eignung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlmittel für die Verwendung in mobilen Brennstoffzellenanlagen, beispielsweise in Fahrzeugen. Dies steht mit folgenden günstigen Eigenschaften der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kühlmittel im Zusammenhang, nämlich hervorragende Frostsicherheit, niedrige Viskosität, extrem niedrige elektrische Leitfähigkeit, niedrige Korrosivität, hohe chemische Stabilität, hohes Potential für Lebensdauerbefüllung, kompatibel zu üblicherweise in Brennstoffzellen eingesetzten Materialien, hoher Flammpunkt und gute Recyclierfähigkeit.Compared to commonly used coolants, such as Water or aqueous solutions of vicinal dialcohols (Glycol), thermal conductivity and thermal capacity are the same Coolants proposed according to the invention are low. All the way The good suitability of the invention is more surprising proposed coolant for use in mobile Fuel cell systems, for example in vehicles. This stands with the following favorable properties of the invention proposed coolant related, namely excellent frost protection, low viscosity, extreme low electrical conductivity, low corrosivity, high chemical stability, high potential for lifetime filling, compatible with those commonly used in fuel cells Materials, high flash point and good recyclability.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmittels ist ein handelsübliches Poly-α-Olefin mit der Produktbezeichnung RM-301AA®. Hierbei handelt es sich um eine C20H42-Isomeren­ mischung, rein paraffinisch, mit einem Pourpoint von -69°C, welche bei Temperaturen < 300°C nicht siedet. An exemplary embodiment of a coolant according to the invention is a commercially available poly-α-olefin with the product name RM-301AA®. This is a C 20 H 42 isomer mixture, purely paraffinic, with a pour point of -69 ° C, which does not boil at temperatures <300 ° C.

Versuchsergebnisse, beispielsweise mit dem genannten RM-301AA® als Kühlmittel für Niedertemperatur-Brennstoffzellen, bestätigen eine uneingeschränkte Betriebsfähigkeit der Brennstoffzelle im Vergleich zu einem Betrieb mit Reinstwasser als Kühlmittel. Sowohl die Brennstoffzelle als auch das Kühlmittel verhalten sich im kombinierten Einsatz langzeit­ stabil im Sinne der Anforderungen für den mobilen Einsatz.Test results, for example with the mentioned RM-301AA® as a coolant for low-temperature fuel cells, confirm that the Fuel cell compared to operation with ultrapure water as a coolant. Both the fuel cell and that Coolants behave long-term in combined use stable in terms of the requirements for mobile use.

Die Fig. 2 zeigt Versuchsergebnisse einer Brennstoffzelle im Betrieb mit Reinstwasser und RM-301AA® unter gleichen Betriebsbedingungen in vergleichender Auftragung. Aufgetragen sind normierte U/I-Kennlinien beim Betrieb mit Reinstwasser nach 24 beziehungsweise 1075 Stunden und beim Betrieb mit RM- 301AA® als Kühlmittel nach 44 beziehungsweise 525 Stunden. Die Ergebnisse zeigen deutlich, das die Leistungsdaten beim Betrieb mit RM-301AA® innerhalb der Streuung beim konventionellen Betrieb mit Reinstwasser liegen und daß dieses erfindungsgemäße Kühlmittel somit uneingeschränkt einsatzfähig ist. FIG. 2 shows experimental results of a fuel cell during operation with ultrapure water and RM-301AA® under the same operating conditions in a comparative plot. Standardized U / I characteristics are plotted after 24 or 1075 hours when operating with ultrapure water and after 44 or 525 hours when operating with RM- 301 AA® as a coolant. The results clearly show that the performance data for operation with RM-301AA® are within the range for conventional operation with ultrapure water and that this coolant according to the invention can thus be used without restriction.

Wird in der PEM-Brennstoffzelle 1 eine Membran verwendet, die nur bei ausreichender Befeuchtung einsatzfähig bleibt, so wird üblicherweise die Aufgabe der Gasbefeuchtung bzw. Befeuchtung der Membran-Elektroden-Einheit ebenfalls von Reinstwasser übernommen. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Kühlmittels kann die Gasbefeuchtung weiterhin durch Reinstwasser sicherge­ stellt werden. Durch die Entkopplung vom Kühlkreislauf kann die erforderliche Menge jedoch deutlich reduziert werden. Mit entsprechender Isolierung kann somit die Restmenge an Reinst­ wasser auf Temperaturen über dem Gefrierpunkt gehalten werden.If a membrane is used in the PEM fuel cell 1 that can only be used if it is adequately humidified, the task of gas humidification or humidification of the membrane electrode unit is usually also taken over by ultrapure water. When using the coolant according to the invention, the gas humidification can be ensured by ultrapure water. By decoupling from the cooling circuit, the required amount can be significantly reduced. With appropriate insulation, the remaining amount of ultrapure water can thus be kept at temperatures above freezing.

Claims (7)

1. Verwendung eines Paraffins der allgemeinen Formel CnH2n+2 mit n < 3 oder eine Mischung solcher Paraffine als Kühlmittel in einer Brennstoffzelle mit frostgeschütztem Kühlkreislauf.1. Use of a paraffin of the general formula C n H 2n + 2 with n <3 or a mixture of such paraffins as a coolant in a fuel cell with a frost-protected cooling circuit. 2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel eine Mischung von ISO-Paraffinen unterschiedlicher Verzweigungsstrukturen, aber gleicher Bruttoformel mit 10 ⇐ n ⇐ 20 verwendet wird.2. Use according to claim 1, characterized, that as a coolant, a mixture of ISO paraffins different branching structures, but the same Gross formula with 10 ⇐ n ⇐ 20 is used. 3. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel einen Pourpoint kleiner -35°C aufweist.3. Use according to claim 1, characterized, that the coolant has a pour point below -35 ° C. 4. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel eine rein paraffinische Isomerenmischung mit einem Pourpoint < -40°C verwendet wird, die bei Temperaturen < 250°C nicht siedet. 4. Use according to claim 1, characterized, that as a coolant with a purely paraffinic mixture of isomers a pour point <-40 ° C is used, which at temperatures < 250 ° C does not boil.   5. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel zur Durchströmung geeigneter Kühlräume der Brennstoffzelle verwendet wird.5. Use according to claim 1, characterized, that the coolant to flow through suitable cold rooms Fuel cell is used. 6. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel zur Durchströmung der Gasräume der Brennstoffzelle verwendet wird.6. Use according to claim 1, characterized, that the coolant to flow through the gas spaces Fuel cell is used. 7. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in einer Brennstoffzelle mit einer Polymerelektrolytmembran verwendet wird.7. Use according to claim 1, characterized, that the coolant in a fuel cell with a Polymer electrolyte membrane is used.
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