EP2807696A1 - Funktionsmodul für einen kühlmittelkreis eines brennstoffzellensystems und verfahren zum fertigen eines funktionsmoduls und behältnis für einen kühlmittelkreis eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Funktionsmodul für einen kühlmittelkreis eines brennstoffzellensystems und verfahren zum fertigen eines funktionsmoduls und behältnis für einen kühlmittelkreis eines brennstoffzellensystems

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EP2807696A1
EP2807696A1 EP12810086.4A EP12810086A EP2807696A1 EP 2807696 A1 EP2807696 A1 EP 2807696A1 EP 12810086 A EP12810086 A EP 12810086A EP 2807696 A1 EP2807696 A1 EP 2807696A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
container
coolant
pumping device
fuel cell
functional module
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12810086.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mario Mittmann
Ralf Höss
Herbert Schulze
Matthias Wuest
Christoph Koch
Clemens Schwab
Bianca LIMBÄCHER
Joris DE JONG
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.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2807696A1 publication Critical patent/EP2807696A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/16—Pumping installations or systems with storage reservoirs
    • 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
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • Function module for a coolant circuit of a fuel cell system and method for manufacturing a functional module and container for a coolant circuit of a
  • the invention relates to a functional module for a coolant circuit of a fuel cell system provided in particular for a vehicle.
  • the functional module comprises a container which has an ion exchanger material, and a pump device for the coolant.
  • a coolant inlet and a coolant outlet of the pumping device are fluidically coupled to a coolant outlet and a coolant inlet of the container.
  • the invention relates to a method for manufacturing such a functional module for a coolant circuit of a fuel cell system and a container for a coolant circuit.
  • the coolant of a fuel cell system should be as pure as possible, in particular with regard to the conductivity, ie with regard to ions dissolved in the coolant. This is v. A. necessary because a fuel cell system for mobile applications, such as for a vehicle, is designed to generate a high voltage, so that a low conductivity of the coolant of a coolant circuit of the fuel cell system must be ensured with respect to the insulation resistance of the coolant relative to the vehicle body.
  • Fuel cell system integrated a container with an ion exchange material. Furthermore, in the cooling circuit, a filter material may be integrated, which traps particles, so dirt, detachments and residues and thus in particular keeps away from the narrow coolant channels, which dissipate the heat from the fuel cell stack to prevent their clogging.
  • DE 10 2009 023 863 A1 describes an integrated coolant pump module in which a pump housing is formed integrally with a housing of a deionization filter. A coolant inlet of the filter receives coolant from the high pressure side of the pump during operation of the coolant pump. The coolant then flows through a filter element, and a coolant outlet of the deionization filter is fluidically coupled to a low pressure side of the coolant pump.
  • Object of the present invention is to provide a functional module of the type mentioned above and a method for manufacturing such a functional module, which has an extended functionality.
  • the container which has the ion exchanger material surrounds at least one delivery unit of the
  • Pumping device having region of the pumping device at least partially outer peripheral side. This is based on the finding that the delivery unit of the pumping device releases heat in pumping operation. Now, if the container with the ion exchanger material surrounds the delivery unit on the outer peripheral side, a cooling of the pumping device can be ensured particularly well by dissipating heat via the coolant which flows through the ion exchanger material. Likewise, in cold weather, the delivery unit of the pumping device can contribute to the transfer of heat to the coolant for heating purposes.
  • the function module thus has an extended functionality.
  • the shape of the container which is matched to the shape of at least the delivery unit of the pumping device, that only designed for the coolant circuit and matched to this container with the
  • the container and the delivery unit of the pumping device - or the pumping device as a whole - can each have the same geometric shapes, for example, those of a ring, a cylinder, a plate or the like, and cross-sectional areas of the container and at least the conveyor unit may have the shape of a rectangle, a square, a circle or the like.
  • Coolant inlet and coolant outlet of the pumping device and the container to each other thus ensures that a lot of pressure for flowing through the ion exchanger material is available.
  • the container may be provided in particular a positive and / or non-positive connection of the container with the pumping device. Then the container is particularly easy to install quickly and without further brackets and even when driving typical vibration (shaking), the container is securely held on the pumping device.
  • a spring, a thread, a lever, a clamp or the like can be used, and the container can be guided in grooves, rails or the like guided on the pumping device.
  • the container can be guided, plugged and / or screwed and / or latched to the pumping device. Achieving a desired
  • Installation position here can be noticeable, audible and / or communicable via an end stop of the operator for an operator. It can also be a defined revolution of the container about a quarter or a half full
  • the container and at least the conveying unit of the pumping device are arranged axially parallel, wherein the conveying unit is arranged at least over a part of its longitudinal extension direction in a receiving space formed by the container.
  • the container comprises a coil having the ion exchanger material, which at least around the conveyor unit of the
  • Pumping device is formed on the outer peripheral side circumferentially. This allows a particularly long distance of the coolant flow to the conveyor unit of
  • Heat transfer from the conveyor unit is beneficial to the coolant.
  • the container is at least partially with at least one of the pumping means different and heat-releasing in operation component of the fuel cell system in Appendix. Then, not only by the pumping device, but also by this further component, heat can be dissipated well via the container through which the coolant flows.
  • the component may be, for example, a compressor, a turbocharger, an anode module, a cathode module and / or power electronics of the fuel cell system.
  • the container is in
  • the functional module can comprise a cover element, by means of which the container can be shielded towards an environment, wherein between the cover element and the container, a spring element is arranged, by means of which the coolant inlet and / or the coolant outlet of the container with the coolant inlet and / or
  • Coolant outlet of the pumping device can be brought into contact.
  • the container ensures a tight-fitting fluidic coupling of the container with the pumping means, and on the other hand, the container is particularly well protected from environmental influences.
  • the coolant inlet and / or the coolant outlet of the container has a separating layer, which by means of a fluid coupling with the coolant outlet and / or the coolant inlet of the pumping device by means of a Actuator is destructible. So before the coupling of the container with the pumping device through the separating layer contamination of the
  • the avoidance of an ingress of atmospheric moisture to the ion exchanger material prevents its aging and thus allows a particularly long storage period before the use of the container in the coolant circuit. The same applies to a discharge of moisture from the
  • the separating layer or membrane can also enclose the complete container in the manner of a protective cover and thus shield the ion exchanger material, in particular an ion exchange resin, against external influences such as moisture and contamination. However, it may also be provided to prevent unwanted aging of the ion exchange material, a vacuum in the container. Instead of the separating layer, it is also possible to provide plugs and / or removable or tearable films or the like. Alternatively, the destruction of the release layer may alternatively be done by an operator, such as peeling or tearing, if none
  • Actuating element is provided, which ensures the installation of the container in the functional module for destroying the separation layer.
  • the separating layer releases in a particularly simple and targeted manner at least one passage for coolant, in particular a perforation and / or a weakening of the separating layer can be provided.
  • a perforation can for example be formed star-shaped, or it can be swung open a portion of the release layer in the manner of a flap when marginal boundaries of the flap are designed as weakenings of the release layer.
  • the approximately designed as a cone or mandrel or the like actuating element, in particular on the side of the pumping device may be arranged so that when fluidically coupling the container with the
  • a pressurizing element is preferably provided, which exerts a pressure on the ion exchanger material located in the receptacle.
  • the pressurizing element may be designed in the manner of a spring, which prevents a void volume from forming in the volume occupied by the ion exchanger material. As a result, a homogeneous flow through the ion exchanger material can be achieved and the formation of preferred
  • Flow channels are prevented by the ion exchange material. This improves the effect of the ion exchange material in the coolant circuit.
  • the spring may press on a movable piston disposed within the container.
  • a movable piston disposed within the container.
  • it may also be a filter material, such as glass fiber fleece, membrane, plastic fabric, metal mesh or frit, e.g. out
  • Borosilicate glass may be formed for the compression of the
  • ion exchange material such as by the filter material swells. Through the filter material, the ion exchange material is retained under pressure in the container. Contamination of components of the coolant circuit is also prevented by the filter material.
  • the container has at least one actuating element by means of which a closing element designed to close the coolant inlet and / or the coolant outlet of the pumping device can be actuated. Namely, if the coolant inlet and / or the coolant outlet has the closing element, the coolant inlet and / or the coolant outlet are closed, as long as the container is not connected to the pumping device.
  • the closing element closes the associated inlet or outlet. Then no impurities can enter the coolant.
  • the closure is effected simply by dismantling the container, and when coupling the container to the pumping means, the actuator ensures that the closure member is moved to an open position.
  • the closing element also ensures that no loose ion exchange material can be introduced into the coolant circuit as bulk material or ion exchange material packed in bags or the like. Only the installation of the container causes namely the opening of the closing element by the
  • Actuator moves the closing element.
  • a closing element a bolt or a slider, a check valve, a movable flap, a turntable or the like can be used.
  • a mandrel or pin, a cone, for moving the closure element, an eccentric, a wedge, a ball or hemisphere or a cam may be provided as an actuating element.
  • a switch can be actuated during the assembly of the container, the actuation of the switch then providing the closure by means of an actuator for closing.
  • an electromechanical switch such as a micro contact switch or magnetic switch can open or close an electrical contact. The opening or closing of the contact can in this case bring about the release or blocking of the coolant inlet and / or the coolant outlet.
  • Such an electrical contact may be formed, for example, as a finger contact.
  • the opening and closing of the electrical contact may additionally or alternatively ensure that the electrical energy flow is influenced or interrupted to a functional unit of the coolant circuit. This can be done directly or via a control unit.
  • a functional unit of the coolant circuit which is activated in this case, can influence the coolant flow, such as an electric pump or an electrical control valve. This can ensure that no further promotion of coolant takes place as soon as the container is disconnected from the pumping device.
  • a non-contact controllable switch may be provided, such as a magnetically passive switch, and / or the non-contact switch may comprise a chip, as in a radio frequency identification (RFID) system.
  • RFID radio frequency identification
  • Radio frequency identification is used.
  • Such non-contact switches or RFID chips can ensure that the coolant inlet and / or the
  • Coolant outlet is released or closed, depending on whether the container is coupled to the pumping device or removed.
  • Instrument cluster of the vehicle activates a warning message and / or prevents starting of the fuel cell system, if a manipulation or installation of a not identifiable container is detected in the functional module.
  • the signal may also generate error codes for diagnostic purposes, such as troubleshooting or short tests.
  • the time of the coupling of the container with the pumping device and / or the operating time of the container can also be determined via the signal that can be generated by a mechanical switch or a touchless switch and a corresponding data value can be stored in a control unit.
  • the state of the ion exchange material in particular its effectiveness,
  • the proper installation of the container in the functional module can be determined by the presence of coolant in the container. For as long as the container is not in contact with the coolant and thus dry, the ion exchange material and optionally a filter material are unused.
  • Ion exchange material and optionally the filter material so if they come into contact with the coolant, there is a change in the state of these materials.
  • the presence of coolant in the container can in this case be determined by means of a measuring device, for example by an inductive measuring process, in which a coil arranged on or in the region of the pump device is a different one in each case
  • Another way of assessing the state of the ion exchange material and thus the duration of use of the same is to perform a wall of the container partially or completely transparent, so that the coolant and the ion exchange material are visible from the outside. Thus, a functional check and diagnosis can be made optically.
  • the ion exchange material may fill the container completely or partially. It may be attached to the inside of a wall of the container, such as in pockets, or it may be inextricably, for example, chemically bonded, in the wall material of the
  • the ion exchange material may be embedded. Furthermore, it may e.g. be glued to the wall of the container. If the ion exchange material is not firmly connected to the container, a simple replacement of the ion exchange material is made possible.
  • this can for example be housed in a separate container, such as a cartridge or cartridge.
  • This container can in turn be accommodated in the container provided for the ion exchanger material and optionally a filter material. Then it is possible the container, which is both the
  • ion exchange material as well as optionally containing the filter material, expand and in a clean workplace, especially under clean room conditions, the separate cartridge or cartridge or the like with the used, saturated ion exchange material to renew. But also possible is the direct replacement of the separate cartridge or cartridge with still built into the functional module container.
  • self-sealing interfaces for example in the form of diaphragms and / or check valves, are provided on the container and / or on the pump device, in order to prevent a coolant outlet during installation or removal of the container.
  • a simple, quick and clean installation of the new container can be ensured, as is for service work, such as in the context of maintenance and / or repair advantage. This is beneficial if the container is packed dirt-free, transported and delivered, and if the coolant circuit is only briefly opened to install the container.
  • the length of connecting tubes can be reduced. This has a positive effect on the packaging and component weight. Such a reduced weight and compact packaging is particularly favorable if the coolant circuit is to be used in a fuel cell system for a vehicle.
  • the container In the installation position, the container may be aligned perpendicular or inclined with respect to the horizontal, or it may be provided to the horizontal substantially parallel orientation of the container. Also favorable is a flow of the ion exchange material with the coolant from bottom to top, ie against gravity. So a particularly homogeneous flow can be guaranteed.
  • plastics, rubber, stainless steel, fiber-reinforced materials can be used for the components of the functional module that are in contact with the coolant
  • Plastics in particular glass fiber reinforced plastics or the like are used, which are compatible with the usually deionized coolant. This also applies to closing elements and actuators for moving
  • a film for example, sealing film or sealing film
  • a membrane for example
  • a coolant inlet and a coolant outlet of a container having an ion exchanger material are fluidically coupled to a coolant outlet and a coolant inlet of a pump device for the coolant.
  • a functional module produced in this way has an extended functionality, since the container containing the
  • Contains ion exchange material, in the operation of the coolant circuit particularly good heat can be dissipated by the delivery unit of the pumping device.
  • the container for a coolant circuit of a, in particular for a vehicle provided, fuel cell system, the container has a
  • the container can be fluidically coupled to a pumping device of the coolant circuit.
  • the container is designed so that there is at least one a delivery unit of
  • Pumping device having region of the pumping device at least partially surrounds the outer peripheral side.
  • a container designed in this way can be mounted on the pumping device with good thermal conductivity, so that a possibly additional cooling of the pumping device can be ensured particularly well by dissipating heat via the coolant which flows through the ion exchanger material.
  • the delivery unit of the pumping device can contribute to the transfer of heat to the coolant for heating purposes.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a functional module for a
  • Coolant circuit of a fuel cell system which comprises a coolant pump and a container containing ion exchange material, the container surrounding the coolant pump on the outer peripheral side over the entire length of the coolant pump away;
  • Fig. 2 is a schematic perspective view of another such item
  • FIG. 3 shows an end view of the functional module according to FIG. 1 or FIG. 2;
  • FIG 4 shows the functional module with the container surrounding the coolant pump on the outer peripheral side and coaxially, wherein the container is hexagonal;
  • FIG. 5 shows the functional module with the container surrounding the coolant pump on the outer peripheral side and coaxially, wherein the container is formed substantially rectangular; the functional module with the coolant pump surrounding the outer peripheral side and coaxial container, wherein the container is formed octagonal; a sectional view through the functional module, in which the
  • Flow through the coolant pump and the container is shown with coolant; a functional module with a trough-shaped container, which encloses a delivery unit of the coolant pump on the outer peripheral side, prior to assembly of the container to the coolant pump; the functional module of Figure 8 in the mounted state.
  • a functional module prior to mounting the trough-shaped container to the coolant pump wherein a coolant inlet and coolant outlet of the container is closed by membranes, which are pierced by mounted on the side of the coolant pump mandrels during assembly; other possible forms of actuators, by means of which the membranes of FIG. 10 can be pierced; a first way of fixing the container to the
  • Coolant pump a second way of attaching the container to the
  • Coolant pump a functional module with a container whose shape is adapted to the shape of a receptacle formed by the coolant pump; a functional module according to FIG. 14, in which at least one switch is additionally actuated during assembly of the container to the coolant pump; Fig. 16, the release of a merging into the coolant pump
  • Coolant line by means of a bolt, which by a on the
  • Container arranged pin is moved
  • Fig. 17 shows a further possibility of opening a slide, through which a coolant line opening into the coolant pump is closed by mounting the container to the coolant pump.
  • 1 function module 1 for a coolant circuit of a fuel cell system of a vehicle comprises a coolant pump 2 and a container 3, in which an ion exchange material 4 is arranged (see FIG.
  • a filter material 5 can be arranged in the container 3 (see Fig. 7), which is suitable for the retention of particles transportable with the coolant, e.g. of the ion exchanger material 4 is used.
  • the container 3 completely surrounds the coolant pump 2 over the entire axial length of the coolant pump 2.
  • the coolant pump 2 and the container 3 are arranged coaxially.
  • the container 3 also surrounds the coolant pump 2 on the outer peripheral side, but not over the entire length of the coolant pump 2, but only over a partial region thereof.
  • an end face of the coolant pump 2 is covered by the container 3.
  • FIG. 3 shows particularly well the coaxial arrangement of the coolant pump 2 and the container 3 enclosing the coolant pump 2.
  • the outer contour of the container 3 may have different shapes and, for example hexagonal (see Fig. 4), substantially rectangular or square (see Fig .. 5), or there may be an octagonal shape of the outer contour of the container 3 (see Fig. 6).
  • a conveying unit 6 of the coolant pump 2 conveys the coolant from a low-pressure side coolant inlet 7 toward a high-pressure side coolant outlet 8 of the coolant pump 2.
  • the conveying unit 6 may comprise blades or the like, with which the coolant in the direction of
  • Flow arrows 11 can be moved (not shown).
  • Container 3 and connected to the coolant inlet 7 of the coolant pump 2, a coolant outlet 10 of the container 3.
  • Flow arrows 11 indicate the direction of the coolant pump 2 on the one hand and the container 3 on the other hand flowing coolant.
  • the container 3 is thus parallel to the coolant inlet 7 and the
  • Coolant outlet 8 of the coolant pump 2 connected to the latter.
  • the particularly high pressure difference between the coolant outlet 8 and the coolant inlet 7 of the coolant pump 2 is utilized in order to move a partial flow of the coolant through the filter material 5 and the ion exchanger material 4.
  • At least the conveyor unit 6 on the outer peripheral side at least partially enclosing arrangement of the container 3 on the pumping device 2 can be removed through the container 3 from the conveyor unit 6 released heat.
  • the container 3 is substantially trough-shaped, and surrounds the delivery unit 6 of the coolant pump 2 on the outside circumference side and toward an end face 12 of the delivery unit 6 in the state mounted on the coolant pump 2.
  • Coolant inlet 7 and the coolant outlet 8 of the coolant pump 2 are coupled.
  • sealing rings 14 ensure a tight-fitting fluidic coupling of the container 3 with the coolant pump 2.
  • a lid 15 is screwed onto a wall 16 of a housing of the coolant pump 2, as illustrated in Fig. 8 by a further movement arrow 17.
  • the wall 16 in turn surrounds the container 3 on the outer circumference side.
  • a pressurizing element for example in the form of a spring 18 or a cushion with a compressed gas is arranged.
  • this spring 18 ensures that the coolant inlets and coolant outlets of the coolant pump 2 and of the container 3 which correspond to one another are pressed against one another.
  • the flow arrows 11 illustrate the flow of coolant through the ion exchange material 4 when the lid 15 is screwed onto the wall 16 of the housing of the coolant pump 2 and the coolant pump 2 is fluidically coupled to the container 2.
  • the ion exchanger material 4 is arranged on the side of the container 3 and the filter material 5 on the side of the coolant pump 2.
  • the coolant inlet and the coolant outlet of the container 3 are closed by membranes 21, as long as the container 3 is not fluidly coupled to the coolant pump 2. Only when attaching the container 3 to the
  • Coolant pump 2 then pierces mandrels 22 or the like actuators the membranes 21, and the hydraulic coupling between the coolant pump 2 and the container 3 is made.
  • the container 3 is in this embodiment further a
  • Pressurizing element arranged approximately in the form of a spring 23 or a gas-filled pad, which exerts on a movable in the manner of a piston wall 24 in the container 3 a pressure. This ensures that in the
  • Ion exchange material 4 sets no void volume, which would otherwise favor the formation of preferred flow channels through the ion exchange material 4.
  • an actuating element in the form of a pin 25 is arranged on the container 3, which can be additionally provided with a mechanical coding 26 in the manner of a key bit.
  • the mechanical coding 26 ensures that only the container 3 intended for mounting on the coolant pump 2 can actually be mounted.
  • the pin 25 can be used during assembly of the
  • Container 3 to the coolant pump 2 actuate a closing element, such as in the form of a bolt, a slide, a flap or a check valve and thus allow coolant from the coolant pump 2 can flow into the container 3.
  • a closing element such as in the form of a bolt, a slide, a flap or a check valve
  • FIG. 11 shows further actuating elements, for example in the form of a needle 27, a cone 28, an eccentric 29, a wedge 30, a ball or hemisphere 31 or a cam 32, which puncture the membranes 21 analogously to the mandrels 22 shown in FIG can effect.
  • actuating elements for example in the form of a needle 27, a cone 28, an eccentric 29, a wedge 30, a ball or hemisphere 31 or a cam 32, which puncture the membranes 21 analogously to the mandrels 22 shown in FIG can effect.
  • the actuating elements according to FIG. 11 can also, analogously to the pin 25 shown in FIG. 10, actuate a closing element, such as the slide, the bolt, the flap or the check valve, for releasing coolant lines arranged on the side of the coolant pump 2.
  • a closing element such as the slide, the bolt, the flap or the check valve
  • Fig. 12 illustrates a possibility of attaching the container 3 to the coolant pump 2 by means of a knurled screw 33, the attachment of the
  • Container 3 on the coolant pump 2 and the tightening of a screw head of the thumbscrew 33 by respective movement arrows 34, 35 are illustrated.
  • the flow arrows 11 illustrate the passage of the ion exchange material 4 in the container 3 when the container 3 is attached to the coolant pump 2 during operation of the coolant circuit.
  • the container 3 is fastened to the coolant pump 2 by means of an eccentric 36. Again, the attachment of the container 3 to the coolant pump 2 and the tightening of the eccentric 36 by corresponding movement arrows 34, 35 are illustrated.
  • the outer wall of the container 3 has, for example, a conical projection 37, which is introduced into a corresponding recess 38 which is formed in the outer wall of the housing of the coolant pump 2.
  • Coolant pump 2 are coupled, sealed by the membranes 21 or the like, the container 3 hermetically sealing separating layers until the fluidic coupling with the coolant pump 2 is made.
  • the container here contains both the ion exchange material 4 and the filter material 5.
  • a flow arrow 11 illustrates the path of the coolant through the filter material 5 and the
  • the projection 37 is hemispherical in shape and, moreover, an electrical contact switch 40 is closed by inserting the projection 37 into the recess 38.
  • the closing of the contact switch 40 may cause closing elements such as rule, slide,
  • the operation of the contact switch 40 may also cause the
  • coolant pump 2 is supplied with electrical energy only when the contact switch 40 is closed, and that the
  • Power supply is interrupted when the container 3 is removed from the coolant pump 2. This activation of the coolant pump 2 can also be indirect,
  • the contact switch 40 may be formed, for example, as a micro contact switch or magnetic switch. Additionally or alternatively, a non-contact switch 41 may be provided, which causes the exercise of the above functions.
  • a non-contact switch 41 for example, a magnetic switch, such as a magnetic passive switch (MAPPS) or a chip of an RFID system may be provided. Such a chip can also serve to identify the container 3 and thus additionally ensure that only the suitable container 3 provided for connection to the coolant pump 2 is installed in the coolant circuit.
  • MAPPS magnetic passive switch
  • RFID chip of an RFID system
  • the mounting of the container 3, which contains the ion exchanger material 4 and the filter material 5, in a mounting direction indicated by a movement arrow 42 causes a pin 43, which is arranged on the container 3, to have a latch 44 (only partially shown) pushes aside to the left.
  • This movement of the bolt 44 ensures that a coolant line 45 opening into the coolant pump 2 is released.
  • the coolant as indicated in Fig. 16 by flow arrows 11, flow into the cooling pump 2 and from there into the container 3 arrive.
  • the pin 43 is arranged in this embodiment in the region of the coolant inlet into the container 3.
  • an actuating element 47 designed to move a slider 46 is of the type shown in FIG. 17
  • Coolant inlet 9 arranged in the container 3 spaced. Again, however, causes the actuation of the slider 46 with the actuator 47 that a
  • Coolant line 45 is released and the coolant - as by the
  • Flow arrows 11 indicated - can flow into the coolant pump 2 and into the container 3. Again, the mounting direction of the container 3 is illustrated by the movement arrow 42.
  • the bolt 44 and the slide 46 can be moved in particular by a return spring in a coolant line 45 closing initial position when the container 3 is disconnected from the coolant pump 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Funktionsmodul (1) für einen Kühlmittelkreis eines, insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehenen, Brennstoffzellensystems. Ein Behältnis (3), welches ein lonenaustauschermaterial aufweist und eine Pumpeinrichtung (2) für das Kühlmittel sind derart fluidisch miteinander gekoppelt, das,s ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass der Pumpeinrichtung (2) mit einem Kühlmittelauslass und einem Kühlmitteleinlass des Behältnisses (3) verbunden sind. Hierbei umgibt das Behältnis (3) zumindest einen eine Fördereinheit der Pumpeinrichtung (2) aufweisenden Bereich der Pumpeinrichtung (2) zumindest bereichsweise außenumfangseitig. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen eines solchen Funktionsmoduls (1) und ein Behältnis (3) für einen Kühlmittelkreis.

Description

Funktionsmodul für einen Kühlmittelkreis eines Brennstoffzellensystems und Verfahren zum Fertigen eines Funktionsmoduls und Behältnis für einen Kühlmittelkreis eines
Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Funktionsmodul für einen Kühlmittelkreis eines, insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehenen, Brennstoffzellensystems. Das Funktionsmodul umfasst ein Behältnis, welches ein lonenaustauschermaterial aufweist, und eine Pumpeinrichtung für das Kühlmittel. Ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass der Pumpeinrichtung sind fluidisch mit einem Kühlmittelauslass und einem Kühlmitteleinlass des Behältnisses gekoppelt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen eines solchen Funktionsmoduls für einen Kühlmittelkreis eines Brennstoffzellensystems sowie ein Behältnis für einen Kühlmittelkreis.
Das Kühlmittel eines Brennstoffzellensystems soll, insbesondere im Hinblick auf die Leitfähigkeit, also im Hinblick auf im Kühlmittel gelöste Ionen, so rein wie möglich sein. Dies ist v.a. notwendig, weil ein Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen, also etwa für ein Fahrzeug, dazu ausgelegt ist, eine hohe Spannung zu generieren, sodass eine niedrige Leitfähigkeit des Kühlmittels eines Kühlmittelkreises des Brennstoffzellensystems im Hinblick auf den Isolationswiderstand des Kühlmittels gegenüber der Fahrzeugkarosserie gewährleistet sein muss.
Um die Reinheit des Kühlmittels sicherzustellen, ist in den Kühlmittelkreis des
Brennstoffzellensystems ein Behälter mit einem lonenaustauschermaterial integriert. Des Weiteren kann in den Kühlkreislauf ein Filtermaterial integriert sein, welches Partikel, also Schmutz, Ablösungen und Rückstände abfängt und so insbesondere von den engen Kühlmittelkanälen fernhält, welche die Wärme vom Brennstoffzellenstapel abführen, um deren Verstopfen zu verhindern. Die DE 10 2009 023 863 A1 beschreibt ein integriertes Kühlmittel-Pumpmodul, bei welchem ein Pumpengehäuse einstückig mit einem Gehäuse eines Entionisierungsfilters ausgebildet ist. Ein Kühlmitteleinlass des Filters empfängt im Betrieb der Kühlmittelpumpe Kühlmittel von der Hochdruckseite der Pumpe. Das Kühlmittel durchströmt dann ein Filterelement, und ein Kühlmittelauslass des Entionisierungsfilters ist fluidisch mit einer Niederdruckseite der Kühlmittelpumpe gekoppelt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Funktionsmodul der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Fertigen eines solchen Funktionsmoduls zu schaffen, welches eine erweiterte Funktionalität aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Funktionsmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 und durch ein Behältnis mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Funktionsmodul umgibt das Behältnis, welches das lonenaustauschermaterial aufweist, zumindest einen eine Fördereinheit der
Pumpeinrichtung aufweisenden Bereich der Pumpeinrichtung zumindest bereichsweise außenumfangsseitig. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Fördereinheit der Pumpeinrichtung im Pumpbetrieb Wärme freisetzt. Wenn nun das Behältnis mit dem lonenaustauschermaterial die Fördereinheit außenumfangsseitig umschließt, kann besonders gut eine Kühlung der Pumpeinrichtung sichergestellt werden, indem über das Kühlmittel, welches das lonenaustauschermaterial durchströmt, Wärme abgeführt wird. Ebenso kann bei kalter Witterung die Fördereinheit der Pumpeinrichtung zum Übertragen von Wärme auf das Kühlmittel zu Heizzwecken beitragen. Das Funktionsmodul weist so eine erweiterte Funktionalität auf.
Zudem kann durch die Formgebung des Behältnisses, welche auf die Form zumindest der Fördereinheit der Pumpeinrichtung abgestimmt ist, sichergestellt werden, dass nur das für den Kühlmittelkreis ausgelegte und auf diesen abgestimmte Behältnis mit dem
lonenaustauschermaterial zum Einsatz kommt. Es wird so eine ordnungsgemäße
Reinigung des Kühlmittels und eine hohe Funktionssicherheit sichergestellt.
Das Behältnis und die Fördereinheit der Pumpeinrichtung - oder die Pumpeinrichtung insgesamt - können jeweils gleiche geometrische Formen aufweisen, z.B. die eines Rings, eines Zylinders, eines Tellers oder dergleichen, und Querschnittsflächen des Behältnisses und zumindest der Fördereinheit können die Form eines Rechtecks, eines Quadrats, eines Kreises oder dergleichen haben. Durch eine solche aufeinander abgestimmte, komplementäre Formgebung lässt sich sicherstellen, dass nur das passende Behältnis um die Fördereinheit bzw. um die Pumpeinrichtung herum Platz findet.
Da zwischen dem Kühlmitteleinlass der Pumpeinrichtung und dem Kühlmittelauslass der Pumpeinrichtung eine besonders hohe Druckdifferenz besteht, kann durch paralleles Anschließen des das lonenaustauschermaterial aufweisenden Behältnisses an den Kühlmitteleinlass und den Kühlmittelauslass der Pumpeinrichtung ein besonders gleichmäßiger Durchfluss bzw. eine besonders gute Durchströmung des gesamten lonenaustauschermaterials sichergestellt werden. Das fluidische Koppeln von
Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass der Pumpeinrichtung und des Behältnisses miteinander sorgt also dafür, dass besonders viel Druck zum Durchströmen des lonenaustauschermaterials zur Verfügung steht.
Es kann insbesondere eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung des Behältnisses mit der Pumpeinrichtung vorgesehen sein. Dann ist das Behältnis besonders einfach, rasch und ohne weitere Halterungen montierbar und selbst bei im Fahrbetrieb typischen Vibrationen (Rütteln) ist das Behältnis sicher an der Pumpeinrichtung gehalten. Hierbei kann eine Feder, ein Gewinde, ein Hebel, eine Klemme oder ähnliches zum Einsatz kommen, und das Behältnis kann in Nuten, Schienen oder dergleichen geführt an der Pumpeinrichtung festlegbar sein.
Insbesondere kann das Behältnis geführt, gesteckt und/oder geschraubt und/oder rastbar an der Pumpeinrichtung befestigt werden. Das Erreichen einer gewünschten
Einbauposition kann hierbei für eine Bedienperson spürbar, hörbar und/oder über einen Endanschlag der Bedienperson kommunizierbar sein. Es kann auch eine definierte Umdrehung des Behältnisses etwa um ein Viertel oder um die Hälfte einer vollen
Umdrehung zum Erreichen der vorgesehenen Einbauposition notwendig sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Behältnis und zumindest die Fördereinheit der Pumpeinrichtung achsparallel angeordnet, wobei die Fördereinheit zumindest über einen Teil ihrer Längserstreckungsrichtung in einem durch das Behältnis gebildeten Aufnahmeraum angeordnet ist. Dadurch lässt sich eine besonders gute Wärmeübertragung von der Fördereinheit auf das Kühlmittel sicherstellen, welches das Behältnis im Betrieb des Kühlmittelkreises durchströmt. Dies gilt insbesondere, wenn das Behältnis und die Fördereinheit oder das Behältnis und die Pumpeinrichtung koaxial angeordnet sind.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Behältnis eine das lonenaustauschermaterial aufweisende Wendel umfasst, welche zumindest um die Fördereinheit der
Pumpeinrichtung außenumfangsseitig umlaufend ausgebildet ist. Dadurch lässt sich eine besonders lange Wegstrecke des Kühlmittelflusses um die Fördereinheit der
Pumpeinrichtung herum sicherstellen, welche einer besonders weitgehenden
Wärmeübertragung von der Fördereinheit auf das Kühlmittel zuträglich ist.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Behältnis zumindest bereichsweise mit wenigstens einer von der Pumpeinrichtung verschiedenen und im Betrieb Wärme freisetzenden Komponente des Brennstoffzellensystems in Anlage ist. Dann kann nicht nur von der Pumpeinrichtung, sondern auch von dieser weiteren Komponente gut über das von dem Kühlmittel durchströmte Behältnis Wärme abgeführt werden. Bei der Komponente kann es sich beispielsweise um einen Verdichter, einen Turbolader, ein Annodenmodul, ein Kathodenmodul und/oder eine Leistungselektronik des Brennstoffzellensystems handeln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Behältnis im
Wesentlichen trogförmig ausgebildet, wobei der die Fördereinheit der Pumpeinrichtung aufweisende Bereich der Pumpeinrichtung außenumfangsseitig und zu einer Stirnseite hin von dem Behältnis umschlossen ist. Dadurch ist ein besonders großflächiger Kontakt zwischen der Fördereinheit und dem Behältnis sichergestellt, welcher im Betrieb des Kühlmittelkreises zu einer besonders guten Kühlung führt. Zudem ist so eine besonders kompakte Bauform des Funktionsmoduls realisiert.
Das Funktionsmodul kann ein Deckelelement umfassen, mittels welchem das Behältnis zu einer Umgebung hin abschirmbar ist, wobei zwischen dem Deckelelement und dem Behältnis ein Federelement angeordnet ist, mittels welchem der Kühlmitteleinlass und/oder der Kühlmittelauslass des Behältnisses mit dem Kühlmitteleinlass und/oder dem
Kühlmittelauslass der Pumpeinrichtung in Anlage bringbar ist. So ist einerseits für eine dicht sitzende fluidische Kopplung des Behältnisses mit der Pumpeinrichtung gesorgt, und andererseits ist das Behältnis besonders gut vor Umgebungseinflüssen geschützt.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Kühlmitteleinlass und/oder der Kühlmittelauslass des Behältnisses eine Trennschicht aufweist, welche durch das fluidische Koppeln mit dem Kühlmittelauslass und/oder dem Kühlmitteleinlass der Pumpeinrichtung mittels eines Betätigungselements zerstörbar ist. So ist vor dem Koppeln des Behältnisses mit der Pumpeinrichtung durch die Trennschicht eine Verunreinigung des
lonenaustauschermaterials verhindert, und erst beim fluidischen Koppeln von Behältnis und Pumpeinrichtung wird eine Wegsamkeit für das Kühlmittel hin zu dem
lonenaustauschermaterial geschaffen. Insbesondere das Vermeiden eines Zutritts von Luftfeuchtigkeit zu dem lonenaustauschermaterial verhindert dessen Alterung und ermöglicht so einen besonders langen Lagerzeitraum vor dem Einsatz des Behältnisses im Kühlmittelkreis. Ähnliches gilt für einen Austritt von Feuchtigkeit aus dem
lonentauschermaterial, der zu dessen zu starker Austrocknung und somit Alterung führen kann.
Die Trennschicht oder Membran kann auch nach Art einer Schutzhülle das komplette Behältnis umschließen und so das lonenaustauschermaterial, insbesondere ein lonenaustauscherharz, gegen äußere Einflüsse wie Feuchtigkeit und Verschmutzung abschirmen. Es kann jedoch auch zur Verhinderung einer unerwünschten Alterung des lonenaustauschermaterials ein Vakuum in dem Behältnis vorgesehen sein. Anstelle der Trennschicht können auch Stopfen und/oder abnehmbare oder aufreißbare Folien oder dergleichen vorgesehen sein. Auch kann das Zerstören der Trennschicht alternativ über eine Bedienperson erfolgen, etwa durch Abziehen oder Aufreißen, wenn kein
Betätigungselement vorgesehen ist, welches beim Einbau des Behältnisses in das Funktionsmodul für das Zerstören der Trennschicht sorgt.
Damit die Trennschicht besonders einfach und gezielt wenigstens einen Durchlass für Kühlmittel freigibt, kann insbesondere eine Perforation und/oder eine Schwächung der Trennschicht vorgesehen sein. Eine solche Perforation kann beispielsweise sternförmig ausgebildet sein, oder es kann ein Teilbereich der Trennschicht nach Art einer Klappe aufgeschwenkt werden, wenn randliche Begrenzungen der Klappe als Schwächungen der Trennschicht ausgebildet sind.
Um die Trennschicht zu zerstören, kann das etwa als Kegel oder Dorn oder dergleichen ausgebildete Betätigungselement, insbesondere auf Seiten der Pumpeinrichtung angeordnet sein, sodass beim fluidischen Koppeln des Behältnisses mit der
Pumpeinrichtung automatisch die Zerstörung der Trennschicht erfolgt.
Bevorzugt ist des Weiteren ein Druckbeaufschlagungselement vorgesehen, welches auf das sich in dem Behältnis befindende lonenaustauschermaterial einen Druck ausübt. So kann die optimale Funktionalität des lonenaustauschermaterials dauerhaft gewährleistet werden. Das Druckbeaufschlagungselement kann nach Art einer Feder ausgebildet sein, welche verhindert, dass sich in dem von dem lonenaustauschermaterial eingenommenen Volumen ein Leervolumen ausbildet. Dadurch können eine homogene Durchströmung des lonenaustauschermaterials erreicht und die Ausbildung von bevorzugten
Strömungskanälen durch das lonenaustauschermaterial verhindert werden. Dies verbessert die Wirkung des lonenaustauschermaterials im Kühlmittelkreislauf.
Die Feder kann beispielsweise auf einen innerhalb des Behältnisses angeordneten, bewegbaren Kolben drücken. Es kann jedoch auch ein Filtermaterial, welches etwa als Glasfaservlies, Membran, Kunststoffgewebe, Metallgewebe oder Fritte, z.B. aus
Borosilikatglas, ausgebildet sein kann, für das Zusammendrücken des
lonenaustauschermaterials sorgen, etwa indem das Filtermaterial aufquillt. Durch das Filtermaterial wird das lonenaustauschermaterial so unter Druck in dem Behältnis zurückgehalten. Eine Verunreinigung von Komponenten des Kühlmittelkreises wird zudem durch das Filtermaterial verhindert.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Behältnis zumindest ein Betätigungselement aufweist, mittels welchem ein zum Verschließen des Kühlmitteleinlasses und/oder des Külmittelauslasses der Pumpeinrichtung ausgebildetes Verschließelement betätigbar ist. Wenn nämlich der Kühlmitteleinlass und/oder der Kühlmittelauslass das Verschließelement aufweist, so sind der Kühlmitteleinlass und/oder der Kühlmittelauslass verschlossen, sofern das Behältnis nicht mit der Pumpeinrichtung verbunden ist. Durch einen solchen automatischen Schließmechanismus ist sichergestellt, dass beim Ersetzen des
Behältnisses bereits unmittelbar nach dessen Abkoppeln von der Pumpeinrichtung das Verschließelement den zugeordneten Einlass oder Auslass verschließt. Dann können keine Verunreinigungen in das Kühlmittel eintreten. Das Verschließen wird einfach durch das Ausbauen des Behältnisses bewirkt, und beim Koppeln des Behältnisses mit der Pumpeinrichtung sorgt das Betätigungselement dafür, dass das Verschließelement in eine Offenstellung bewegt wird. Das Verschließelement sorgt auch dafür, dass kein loses lonenaustauschermaterial als Schüttgut oder in Säckchen oder dergleichen verpacktes lonenaustauschermaterial in den Kühlmittelkreis eingebracht werden kann. Erst der Einbau des Behältnisses bewirkt nämlich das Öffnen des Verschließelements, indem das
Betätigungselement das Verschließelement bewegt.
Als Verschließelement kann ein Riegel oder ein Schieber, ein Rückschlagventil, eine bewegliche Verschlussklappe, eine Drehscheibe oder dergleichen zum Einsatz kommen. Des Weiteren kann zum Bewegen des Verschließelements ein Dorn oder Stift, ein Kegel, ein Exzenter, ein Keil, eine Kugel oder Halbkugel oder ein Nocken als Betätigungselement vorgesehen sein. So kann ein besonders prozesssicheres Betätigen des
Verschließelements bewirkt werden.
Zusätzlich oder alternativ zum mechanischen Betätigen des Verschließelements mittels eines Betätigungselements kann bei der Montage des Behältnisses ein Schalter betätigt werden, wobei das Betätigen des Schalters dann mittels eines Aktors für das Verschließen mittels des Verschließelements sorgt. Beispielsweise kann ein elektromechanischer Schalter wie ein Mikrokontaktschalter oder Magnetschalter einen elektrischen Kontakt öffnen bzw. schließen. Das Öffnen oder Schließen des Kontakts kann hierbei in das Freigeben oder Versperren des Kühlmitteleinlasses und/oder des Kühlmittelauslasses bewirken. Ein solcher elektrischer Kontakt kann beispielsweise als Fingerkontakt ausgebildet sein.
Das Öffnen und Schließen des elektrischen Kontakts kann zusätzlich oder alternativ dafür sorgen, dass der elektrische Energiefluss zu einer Funktionseinheit des Kühlmittelkreises beeinflusst oder unterbrochen wird. Dies kann direkt oder über ein Steuergerät erfolgen. Eine Funktionseinheit des Kühlmittelkreises, welche hierbei angesteuert wird, kann den Kühlmittelfluss beeinflussen, etwa wie eine elektrische Pumpe oder ein elektrisches Regelventil. Dadurch kann sichergestellt werden, dass keine weitere Förderung von Kühlmittel erfolgt, sobald das Behältnis von der Pumpeinrichtung abgekoppelt ist.
Zusätzlich oder alternativ kann ein berührungslos ansteuerbarer Schalter vorgesehen sein, etwa ein magnetisch passiver Schalter, und/oder der berührungslose Schalter kann einen Chip umfassen, wie er bei einem RFID-System (radio frequency Identification,
Radiofrequenzidentifikation) zum Einsatz kommt. Derartige berührungslose Schalter oder RFID-Chips können dafür sorgen, dass der Kühlmitteleinlass und/oder der
Kühlmittelauslass freigegeben bzw. verschlossen wird, je nach dem ob das Behältnis mit der Pumpeinrichtung gekoppelt oder ausgebaut ist.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass durch derartige berührungslos ansteuerbare Schalter zusätzlich sichergestellt wird, dass nur das vorgesehene Behältnis mit der Pumpeinrichtung gekoppelt werden kann und andernfalls ein Betrieb des Kühlmittelkreises unterbunden wird. Dies ist insbesondere durch Verwenden eines RFID-Chips möglich. Des Weiteren kann auch ein Signal erzeugt werden, welches beispielsweise im
Kombiinstrument des Fahrzeugs eine Warnmeldung aktiviert und/oder ein Starten des Brennstoffzellensystems unterbindet, wenn eine Manipulation oder der Einbau eines nicht identifizierbaren Behältnisses in das Funktionsmodul festgestellt wird. Das Signal kann des Weiteren auch Fehlercodes für Diagnosezwecke generieren, etwa bei einer Fehlersuche oder bei Kurztests.
Über das durch einen mechanischen Schalter oder einen berührungslos ansteuerbaren Schalter generierbare Signal kann auch der Zeitpunkt des Koppeins des Behältnisses mit der Pumpeinrichtung und/oder die Betriebsdauer des Behältnisses ermittelt und ein entsprechender Datenwert in einem Steuergerät abgespeichert werden. So kann auf den Zustand des lonenaustauschermaterials, insbesondere dessen Wirksamkeit,
rückgeschlossen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der ordnungsgemäße Einbau des Behältnisses in das Funktionsmodul anhand des Vorhandenseins von Kühlmittel im Behältnis festgestellt werden. Solange nämlich das Behältnis nicht mit dem Kühlmittel in Kontakt und somit trocken ist, sind auch das lonenaustauschermaterial und gegebenenfalls ein Filtermaterial unbenutzt. Durch den Gebrauch oder Einsatz des
lonenaustauschmaterials und gegebenenfalls des Filtermaterials, wenn also diese mit dem Kühlmittel in Kontakt kommen, erfolgt eine Änderung des Zustands dieser Materialien. Das Vorhandensein von Kühlmittel im Behältnis kann hierbei mittels einer Messeinrichtung festgestellt werden, etwa durch einen induktiven Messvorgang, bei welchem eine an oder im Bereich der Pumpeinrichtung angeordnete Spule ein jeweils unterschiedliches
Magnetfeld erzeugt, je nachdem ob in dem Behältnis Kühlmittel vorhanden ist oder nicht.
Eine weitere Möglichkeit, den Zustand des lonenaustauschermaterials und somit die Einsatzdauer desselben zu beurteilen, besteht darin, eine Wandung des Behältnisses teilweise oder komplett transparent auszuführen, sodass das Kühlmittel und das lonenaustauschermaterial von außen sichtbar sind. So können eine Funktionsüberprüfung und Diagnose optisch erfolgen.
Es kann auch das lonenaustauschermaterial in dem Behältnis im verbrauchten, ungesättigten Zustand farblos oder farbig sein und im gesättigten, also benutzten Zustand eine andere, insbesondere mit dem menschlichen Auge erfassbare Farbgebung aufweisen. Eine derartige Sättigungsanzeige des lonenaustauschermaterials ist vor allem dann vorteilhaft, wenn flexible Wartungsintervalle vorgesehen sind und/oder wenn im Rahmen von Reparaturarbeiten am Kühlmittelkreis des Brennstoffzellensystems ein Kundendienst das Behältnis inspiziert. Das lonenaustauschermaterial kann das Behältnis vollständig oder teilweise ausfüllen. Es kann an der Innenseite einer Wand des Behältnisses befestigt sein, etwa in Taschen, oder es kann unlösbar, beispielsweise chemisch gebunden, in das Wandmaterial des
Behältnisses eingebettet sein. Ferner kann es z.B. an die Wand des Behälters angeklebt sein. Wenn das lonenaustauschermaterial nicht fest mit dem Behältnis verbunden ist, ist ein einfaches Auswechseln des lonenaustauschermaterials ermöglicht.
Um einen einfachen und raschen Austausch des lonenaustauschermaterials zu realisieren, kann dieses beispielsweise in einem separaten Behältnis, etwa einer Patrone oder Kartusche, untergebracht sein. Dieses Behältnis kann wiederum in dem für das lonenaustauschermaterial und gegebenenfalls ein Filtermaterial vorgesehenen Behältnis untergebracht sein. Dann ist es möglich, das Behältnis, welches sowohl das
lonenaustauschermaterial als auch gegebenenfalls das Filtermaterial enthält, auszubauen und an einem sauberen Arbeitsplatz, insbesondere unter Reinraumbedingungen, die separate Patrone oder Kartusche oder dergleichen mit dem verbrauchten, gesättigten lonenaustauschermaterial zu erneuem. Möglich ist aber auch der direkte Austausch der separaten Patrone oder Kartusche bei noch in das Funktionsmodul eingebautem Behältnis.
Vorzugsweise sind an dem Behältnis und/oder an der Pumpeinrichtung selbstdichtende Schnittstellen, etwa in Form von Membranen und/oder Rückschlagventilen vorgesehen, um einen Kühlmittelaustritt beim Einbau oder Ausbau des Behältnisses zu verhindern. So kann eine einfache, schnelle und saubere Montage des neuen Behältnisses gewährleistet werden, wie dies für Servicearbeiten, etwa im Rahmen der Wartung und/oder Reparatur von Vorteil ist. Dem ist es zuträglich, wenn das Behältnis schmutzsicher verpackt, transportiert und angeliefert wird, und wenn der Kühlmittelkreis lediglich kurzzeitig geöffnet wird, um das Behältnis einzubauen.
Durch die Verwendung von selbstdichtenden Schnittstellen am Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass des Behältnisses und/oder der Pumpeinrichtung kann die Länge von Verbindungsschläuchen reduziert werden. Dies wirkt sich positiv auf das Packaging und das Bauteilgewicht aus. Ein solches reduziertes Gewicht und kompaktes Packaging ist insbesondere dann günstig, wenn der Kühlmittelkreis in einem Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug zum Einsatz kommen soll.
In der Einbaulage kann das Behältnis in Bezug auf die Horizontale senkrecht oder geneigt ausgerichtet sein, oder es kann eine zu der Horizontalen im Wesentlichen parallele Ausrichtung des Behältnisses vorgesehen sein. Günstig ist zudem eine Durchströmung des lonenaustauschermaterials mit dem Kühlmittel von unten nach oben, also entgegen der Schwerkraft. So kann eine besonders homogene Durchströmung gewährleistet werden.
An Materialien können für die mit dem Kühlmittel in Kontakt stehenden Komponenten des Funktionsmoduls beispielsweise Kunststoff, Gummi, Edelstahl, faserverstärkte
Kunststoffe, insbesondere glasfaserverstärkte Kunststoffe oder dergleichen zum Einsatz kommen, welche mit dem üblicherweise deionisierten Kühlmittel kompatibel sind. Dies gilt auch für Verschließelemente und Betätigungselemente zum Bewegen von
Verschließelementen sowie für eine etwaige, den Kühlmitteleinlass- und/oder den Kühlmittelauslass des Behältnisses verschließende Trennschicht, beispielsweise eine Folie (z.B. Versiegelungsfolie oder Verschlussfolie) oder eine Membran.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fertigen eines Funktionsmoduls für einen Kühlmittelkreis eines Brennstoffzellensystems werden ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass eines Behältnisses, welches ein lonenaustauschermaterial aufweist, fluidisch mit einem Kühlmittelauslass und einem Kühlmitteleinlass einer Pumpeinrichtung für das Kühlmittel gekoppelt. Hierbei wird ein zumindest eine Fördereinheit der
Pumpeinrichtung aufweisender Bereich der Pumpeinrichtung zumindest bereichsweise außenumfangsseitig von dem Behältnis umschlossen. Ein so gefertigtes Funktionsmodul weist eine erweiterte Funktionalität auf, da über das Behältnis, welches das
lonenaustauschermaterial enthält, im Betrieb des Kühlmittelkreises besonders gut Wärme von der Fördereinheit der Pumpeinrichtung abgeführt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Behältnis für einen Kühlmittelkreis eines, insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehenen, Brennstoffzellensystems, weist das Behältnis ein
lonenaustauschermaterial, einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass auf. Das Behältnis ist mit einer Pumpeinrichtung des Kühlmittelkreises fluidisch koppelbar. Hierbei ist das Behältnis so ausgebildet, dass es zumindest einen eine Fördereinheit der
Pumpeinrichtung aufweisenden Bereich der Pumpeinrichtung zumindest bereichsweise außenumfangsseitig umgibt. Ein derart ausgebildetes Behältnis kann gut wärmeleitend an der Pumpeinrichtung montiert werden, sodass besonders gut eine ggf. zusätzliche Kühlung der Pumpeinrichtung sichergestellt werden kann, indem über das Kühlmittel, welches das lonenaustauschermaterial durchströmt, Wärme abgeführt wird. Ebenso kann bei kalter Witterung die Fördereinheit der Pumpeinrichtung zum Übertragen von Wärme auf das Kühlmittel zu Heizzwecken beitragen. Die für einen jeweiligen Aspekt der Erfindung beschriebenen bevorzugten
Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für weitere Aspekte der Erfindung und umgekehrt. Des Weiteren gelten die für das erfindungsgemäße Funktionsmodul beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen auch für das
erfindungsgemäße Verfahren zum Fertigen des Funktionsmoduls.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den
Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Perspektivansicht ein Funktionsmodul für einen
Kühlmittelkreis eines Brennstoffzellensystems, welches eine Kühlmittelpumpe und ein lonenaustauschermaterial enthaltendes Behältnis umfasst, wobei das Behältnis die Kühlmittelpumpe außenumfangsseitig über die gesamte Länge der Kühlmittelpumpe hinweg umgibt;
Fig. 2 in einer schematischen Perspektivansicht ein weiteres solches
Funktionsmodul, wobei das Behältnis die Kühlmittelpumpe lediglich auf einem Teil der Länge der Kühlmittelpumpe außenumfangsseitig umschließt;
Fig. 3 eine stirnseitige Ansicht des Funktionsmoduls gemäß Fig. 1 oder Fig. 2;
Fig. 4 das Funktionsmodul mit dem die Kühlmittelpumpe außenumfangsseitig und koaxial umgebenden Behältnis, wobei das Behältnis sechseckig ausgebildet ist;
Fig. 5 das Funktionsmodul mit dem die Kühlmittelpumpe außenumfangsseitig und koaxial umgebenden Behältnis, wobei das Behältnis im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist; das Funktionsmodul mit dem die Kühlmittelpumpe außenumfangsseitig und koaxial umgebenden Behältnis, wobei das Behältnis achteckig ausgebildet ist; eine Schnittansicht durch das Funktionsmodul, in welcher die
Durchströmung der Kühlmittelpumpe und des Behältnisses mit Kühlmittel dargestellt ist; ein Funktionsmodul mit einem trogförmig ausgebildeten Behältnis, welches eine Fördereinheit der Kühlmittelpumpe außenumfangsseitig umschließt, vor der Montage des Behältnisses an die Kühlmittelpumpe; das Funktionsmodul gemäß Fig. 8 im montierten Zustand; ein Funktionsmodul vor der Montage des trogförmigen Behältnisses an die Kühlmittelpumpe, wobei ein Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass des Behältnisses durch Membranen verschlossen ist, welche durch auf Seiten der Kühlmittelpumpe angeordnete Dorne bei der Montage durchstoßen werden; weitere mögliche Formen von Betätigungselementen, mittels welchen sich die Membranen gemäß Fig. 10 durchstoßen lassen; eine erste Möglichkeit der Fixierung des Behältnisses an der
Kühlmittelpumpe; eine zweite Möglichkeit der Befestigung des Behältnisses an der
Kühlmittelpumpe; ein Funktionsmodul mit einem Behältnis, dessen Form an die Form einer durch die Kühlmittelpumpe gebildeten Aufnahme angepasst ist; ein Funktionsmodul gemäß Fig. 14, bei welchem zusätzlich bei der Montage des Behältnisses an die Kühlmittelpumpe wenigstens ein Schalter betätigt wird; Fig. 16 das Freigeben einer in die Kühlmittelpumpe einmündenden
Kühlmittelleitung mittels eines Riegels, welcher durch einen an dem
Behältnis angeordneten Stift bewegt wird; und
Fig. 17 eine weitere Möglichkeit des Öffnens eines Schiebers, durch welchen eine in die Kühlmittelpumpe einmündende Kühlmittelleitung verschlossen ist, durch die Montage des Behältnisses an die Kühlmittelpumpe.
Ein in Fig. 1 schematisch gezeigtes Funktionsmodul 1 für einen Kühlmittelkreis eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs umfasst eine Kühlmittelpumpe 2 und ein Behältnis 3, in welchem ein lonenaustauschermaterial 4 angeordnet ist (vgl. Fig. 7).
Zusätzlich kann in dem Behältnis 3 ein Filtermaterial 5 angeordnet sein (vgl. Fig. 7), welches dem Zurückhalten von mit dem Kühlmittel transportierbaren Partikeln z.B. des lonentauschermaterials 4 dient.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Variante des Funktionsmoduls 1 umgibt das Behältnis 3 die Kühlmittelpumpe 2 über die gesamte axiale Länge der Kühlmittelpumpe 2 hinweg vollständig. Die Kühlmittelpumpe 2 und das Behältnis 3 sind hierbei koaxial angeordnet.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante des Funktionsmoduls 1 umgibt das Behältnis 3 die Kühlmittelpumpe 2 ebenfalls außenumfangsseitig, jedoch nicht über die gesamte Länge der Kühlmittelpumpe 2 hinweg, sondern lediglich über einen Teilbereich derselben. Jedoch ist bei diese Ausgestaltung auch ein stirnseitiges Ende der Kühlmittelpumpe 2 von dem Behältnis 3 überdeckt.
Fig. 3 zeigt besonders gut die koaxiale Anordnung der Kühlmittelpumpe 2 und des die Kühlmittelpumpe 2 umschließenden Behältnisses 3.
Während die Innenkontur des Behältnisses 3 an die Außenkontur der Kühlmittelpumpe 2 angepasst ist, kann die Außenkontur des Behältnisses 3 unterschiedliche Formen aufweisen und beispielsweise sechseckig sein (vgl. Fig. 4), im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch (vgl. Fig. 5), oder es kann eine achteckige Formgebung der Außenkontur des Behältnisses 3 vorliegen (vgl. Fig. 6).
Fig. 7 veranschaulicht den Strom des Kühlmittels durch die Kühlmittelpumpe 2, an welcher außenumfangsseitig das Behältnis 3 mit dem lonenaustauschermaterial 4 und dem optionalen Filtermaterial 5 angeordnet ist. Eine Fördereinheit 6 der Kühlmittelpumpe 2 fördert das Kühlmittel von einem niederdruckseitigen Kühlmitteleinlass 7 hin zu einem hochdruckseitigen Kühlmittelauslass 8 der Kühlmittelpumpe 2. Die Fördereinheit 6 kann Schaufeln oder dergleichen umfassen, mit denen das Kühlmittel in Richtung der
Strömungspfeile 11 bewegt werden kann (nicht dargestellt).
An den Kühlmittelauslass 8 der Kühlmittelpumpe 2 ist ein Kühlmitteleinlass 9 des
Behältnisses 3 angeschlossen und an den Kühlmitteleinlass 7 der Kühlmittelpumpe 2 ein Kühlmittelauslass 10 des Behältnisses 3. Strömungspfeile 11 geben die Richtung des durch die Kühlmittelpumpe 2 einerseits und das Behältnis 3 andererseits strömenden Kühlmittels an. Das Behältnis 3 ist also parallel zum Kühlmitteleinlass 7 und zum
Kühlmittelauslass 8 der Kühlmittelpumpe 2 an letztere angeschlossen.
Dadurch wird die besonders hohe Druckdifferenz zwischen dem Kühlmittelauslass 8 und dem Kühlmitteleinlass 7 der Kühlmittelpumpe 2 ausgenutzt, um einen Teilstrom des Kühlmittels durch das Filtermaterial 5 und das lonenaustauschermaterial 4 hindurch zu bewegen. Dies sorgt für eine besonders gleichmäßige Durchströmung des Filtermaterials 5 und insbesondere des lonenaustauschermaterials 4. Dennoch wird nicht der gesamte Kühlmittelstrom durch das einen großen Druckverlust mit sich bringende
lonenaustauschermaterial 4 hindurchgepumpt, sondern lediglich ein Teilstrom des Kühlmittels.
Durch die zumindest die Fördereinheit 6 außenumfangseitig zumindest bereichweise umschließende Anordnung des Behältnisses 3 an der Pumpeinrichtung 2 kann über das Behältnis 3 von der Fördereinheit 6 freigesetzte Wärme abgeführt werden. Das Behältnis 3 und insbesondere das Kühlmittel, welches das lonenaustauschermaterial 4 und das (optionale) Filtermaterial 5 durchströmt, führt also zu einer besonders guten Kühlung der Fördereinheit 6 der Kühlmittelpumpe 2 im Betrieb des Kühlmittelkreises.
Bei dem in Fig. 8 gezeigten Funktionsmodul 1 ist das Behältnis 3 im Wesentlichen trogförmig ausgebildet, und es umschließt im an die Kühlmittelpumpe 2 montierten Zustand die Fördereinheit 6 der Kühlmittelpumpe 2 außenumfangseitig und zu einer Stirnseite 12 der Fördereinheit 6 hin.
Zunächst wird bei der Montage das Behältnis 3 entsprechend einer durch einen
Bewegungspfeil 13 in Fig. 8 angegebenen Richtung auf die Fördereinheit 6 aufgesteckt, so dass der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass des Behältnisses 3 mit dem
Kühlmitteleinlass 7 und dem Kühlmittelauslass 8 der Kühlmittelpumpe 2 gekoppelt werden. Hierbei sorgen Dichtringe 14 für eine dichtsitzende fluidische Kopplung des Behältnisses 3 mit der Kühlmittelpumpe 2.
Anschließend wird ein Deckel 15 auf eine Wand 16 eines Gehäuses der Kühlmittelpumpe 2 aufgeschraubt, wie dies in Fig. 8 durch einen weiteren Bewegungspfeil 17 veranschaulicht ist. Die Wand 16 umgibt hierbei wiederum das Behältnis 3 außenumfangseitig. Zwischen dem Deckel 15 und dem Behältnis 3 ist ein Druckbeaufschlagungselement, beispielsweise in Form einer Feder 18 oder eines Kissens mit einem komprimierten Gas angeordnet. Diese Feder 18 sorgt im an die Kühlmittelpumpe 2 montierten Zustand des Behältnisses 3 (vgl. Fig. 9) dafür, dass die miteinander korrespondierenden Kühlmitteleinlässe und Kühlmittelauslässe der Kühlmittelpumpe 2 und des Behältnisses 3 gegeneinander gepresst werden.
In Fig. 9 veranschaulichen die Strömungspfeile 11 den Kühlmittelstrom durch das lonenaustauschermaterial 4, wenn der Deckel 15 auf die Wand 16 des Gehäuses der Kühlmittelpumpe 2 aufgeschraubt und die Kühlmittelpumpe 2 mit dem Behältnis 2 fluidisch gekoppelt ist.
Bei der in Fig. 10 gezeigten Variante des Funktionsmoduls 1 ist kein separater Deckel vorgesehen wie bei der Ausführungsform in Fig. 9, sondern eine äußere Wand 19 eines Gehäuses des Behältnisses 3 weist ein Schraubgewinde 20 auf. Bei der Montage wird das im Wesentlichen trogförmige Behältnis 3 zunächst entsprechend des Bewegungspfeils 13 in Fig. 10 auf die Fördereinheit 6 der Kühlmittelpumpe 2 aufgeschoben. Anschließend wird mittels des Schraubgewindes 20 das Behältnis mit dem Gehäuse der Kühlmittelpumpe 2 verschraubt. Diese Schraubbewegung ist in Fig. 10 durch einen weiteren Bewegungspfeil 17 veranschaulicht.
Bei dieser Ausgestaltung des Funktionsmoduls 1 ist das lonenaustauschermaterial 4 auf Seiten des Behältnisses 3 und das Filtermaterial 5 auf Seiten der Kühlmittelpumpe 2 angeordnet. Zudem sind der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass des Behältnisses 3 durch Membranen 21 verschlossen, solange das Behältnis 3 nicht fluidisch mit der Kühlmittelpumpe 2 gekoppelt ist. Erst beim Anbringen des Behältnisses 3 an der
Kühlmittelpumpe 2 durchstoßen dann Dorne 22 oder dergleichen Betätigungselemente die Membranen 21 , und die hydraulische Kopplung zwischen der Kühlmittelpumpe 2 und dem Behältnis 3 wird hergestellt. Im Behältnis 3 ist bei dieser Ausgestaltung des Weiteren ein
Druckbeaufschlagungselement etwa in Form einer Feder 23 oder eines gasgefüllten Kissens angeordnet, welche auf eine nach Art eines Kolbens bewegliche Wand 24 in dem Behältnis 3 einen Druck ausübt. Dies sorgt dafür, dass sich in dem
lonenaustauschermaterial 4 kein Leervolumen einstellt, welches ansonsten die Ausbildung von bevorzugten Strömungskanälen durch das lonenaustauschermaterial 4 begünstigen würde.
Des Weiteren ist an dem Behältnis 3 ein Betätigungselement in Form eines Stifts 25 angeordnet, welcher zusätzlich mit einer mechanischen Codierung 26 nach Art eines Schlüsselbarts versehen sein kann. Die mechanische Codierung 26 stellt in einem solchen Fall sicher, dass nur das für die Montage an die Kühlmittelpumpe 2 vorgesehene Behältnis 3 auch tatsächlich montiert werden kann. Der Stift 25 kann bei der Montage des
Behältnisses 3 an die Kühlmittelpumpe 2 ein Verschließelement, etwa in Form eines Riegels, eines Schiebers, einer Klappe oder eines Rückschlagventils betätigen und so ermöglichen, dass Kühlmittel aus der Kühlmittelpumpe 2 in das Behältnis 3 einströmen kann.
Fig. 11 zeigt weitere Betätigungselemente etwa in Form einer Nadel 27, eines Kegels 28, eines Exzenters 29, eines Keils 30, einer Kugel oder Halbkugel 31 oder eines Nocken 32, welche das Durchstoßen der Membranen 21 analog der in Fig. 10 gezeigten Dorne 22 bewirken können.
Die Betätigungselemente gemäß Fig. 11 können jedoch auch analog des in Fig. 10 gezeigten Stifts 25 das Betätigen eines Verschließelements, etwa des Schiebers, des Riegels, der Klappe oder des Rückschlagventils zum Freigeben von auf Seiten der Kühlmittelpumpe 2 angeordneten Kühlmittelleitungen bewirken.
Fig. 12 veranschaulicht eine Möglichkeit der Befestigung des Behältnisses 3 an der Kühlmittelpumpe 2 mittels einer Rändelschraube 33, wobei das Anbringen des
Behältnisses 3 an der Kühlmittelpumpe 2 und das Anziehen eines Schraubenkopfs der Rändelschraube 33 durch jeweilige Bewegungspfeile 34, 35 veranschaulicht sind. Die Strömungspfeile 11 veranschaulichen das Durchströmen des lonenaustauschermatenals 4 in dem Behältnis 3, wenn das Behältnis 3 im Betrieb des Kühlmittelkreises an der Kühlmittelpumpe 2 befestigt ist. Bei der Variante des Funktionsmoduls 1 gemäß Fig. 13 ist das Behältnis 3 an der Kühlmittelpumpe 2 mittels eines Exzenters 36 befestigt. Auch hier sind das Anbringen des Behältnisses 3 an der Kühlmittelpumpe 2 und das Anziehen des Exzenters 36 durch entsprechende Bewegungspfeile 34, 35 veranschaulicht.
Bei der Variante des Funktionsmoduls 1 , welche in Fig. 14 schematisch gezeigt ist, weist die Außenwand des Behältnisses 3 einen beispielsweise kegelförmigen Vorsprung 37 auf, welcher in eine entsprechende Ausnehmung 38 eingebracht ist, welche in der Außenwand des Gehäuses der Kühlmittelpumpe 2 ausgebildet ist.
Auch hier sind der Kühlmitteleinlass 9 in das Behältnis 3 und der Kühlmittelauslass 10 des Behältnisses 3, welche mit dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass der
Kühlmittelpumpe 2 gekoppelt sind, durch die Membranen 21 oder dergleichen das Behältnis 3 hermetisch verschließende Trennschichten verschlossen, bis die fluidische Kopplung mit der Kühlmittelpumpe 2 hergestellt ist. Das Behältnis enthält hier sowohl das lonenaustauschermaterial 4 als auch das Filtermaterial 5. Ein Strömungspfeil 11 veranschaulicht den Weg des Kühlmittels durch das Filtermaterial 5 und das
lonenaustauschermaterial 4 und ein Bewegungspfeil 39 die Richtung beim Montieren des Behältnisses 3 an die Kühlmittelpumpe 2.
Bei der in Fig. 15 gezeigten Ausführungsform des Funktionsmoduls 1 ist der Vorsprung 37 halbkugelförmig ausgebildet, und zudem wird durch Einbringen des Vorsprungs 37 in die Ausnehmung 38 ein elektrischer Kontaktschalter 40 geschlossen. Das Schließen des Kontaktschalters 40 kann bewirken, dass Schließelemente wie Regel, Schieber,
Rückschlagventile, bewegliche Verschlussklappen, Drehscheiben oder dergleichen, welche an die Kühlmittelpumpe 2 angeschlossene Kühlmittelleitungen verschließen, geöffnet werden.
Das Betätigen des Kontaktschalters 40 kann jedoch auch bewirken, dass die
(beispielsweise elektrisch angetriebene) Kühlmittelpumpe 2 erst dann mit elektrischer Energie versorgt wird, wenn der Kontaktschalter 40 geschlossen ist, und dass die
Energiezufuhr unterbrochen wird, wenn das Behältnis 3 von der Kühlmittelpumpe 2 demontiert wird. Dieses Ansteuern der Kühlmittelpumpe 2 kann auch indirekt,
beispielsweise über ein Steuergerät erfolgen. Der Kontaktschalter 40 kann beispielsweise als Mikrokontaktschalter oder Magnetschalter ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein berührungsloser Schalter 41 vorgesehen sein, welcher die Ausübung der oben genannten Funktionen bewirkt. Als berührungsloser Schalter 41 kann beispielsweise ein magnetischer Schalter, etwa ein magnetischer passiver Schalter (MAPPS) oder ein Chip eines RFID-Systems vorgesehen sein. Ein solcher Chip kann auch der Identifizierung des Behältnisses 3 dienen und so zusätzlich sicherstellen, dass lediglich das geeignete, zum Anschließen an die Kühlmittelpumpe 2 vorgesehene Behältnis 3 in dem Kühlmittelkreis verbaut wird.
Bei dem Funktionsmodul 1 gemäß Fig. 16 bewirkt das Montieren des Behältnisses 3, welches das lonenaustauschermaterial 4 und das Filtermaterial 5 enthält, in eine durch einen Bewegungspfeil 42 angegebene Montagerichtung, dass ein Stift 43, welcher an dem Behältnis 3 angeordnet ist, einen Riegel 44 (nur teilweise dargestellt) nach links beiseite schiebt. Dieses Bewegen des Riegels 44 sorgt dafür, dass eine in die Kühlmittelpumpe 2 einmündende Kühlmittelleitung 45 freigegeben wird. Daraufhin kann das Kühlmittel, wie in Fig. 16 durch Strömungspfeile 11 angegeben, in die Kühlpumpe 2 einströmen und von dort in das Behältnis 3 gelangen. Der Stift 43 ist bei dieser Ausgestaltung im Bereich des Kühlmitteleinlasses in das Behältnis 3 angeordnet.
Demgegenüber ist bei der in Fig. 17 gezeigten Variante des Funktionsmoduls 1 ein zum Bewegen eines Schiebers 46 ausgebildetes Betätigungselement 47 von dem
Kühlmitteleinlass 9 in das Behältnis 3 beabstandet angeordnet. Auch hier bewirkt jedoch das Betätigen des Schiebers 46 mit dem Betätigungselement 47, dass eine
Kühlmittelleitung 45 freigegeben wird und das Kühlmittel - wie durch die
Strömungspfeile 11 angegeben - in die Kühlmittelpumpe 2 und in das Behältnis 3 hineinströmen kann. Auch hier ist die Montagerichtung des Behältnisses 3 durch den Bewegungspfeil 42 veranschaulicht.
Der Riegel 44 und der Schieber 46 können insbesondere durch eine Rückstellfeder in eine die Kühlmittelleitung 45 verschließende Ausgangsposition bewegt werden, wenn das Behältnis 3 von der Kühlmittelpumpe 2 abgekoppelt wird. Bezugszeichenliste
1 Funktionsmodul
2 Kühlmittelpumpe
3 Behältnis
4 lonenaustauschermaterial
5 Filtermaterial
6 Fördereinheit
7 Kühlmitteleinlass
8 Kühlmittelauslass
9 Kühlmitteleinlass
10 Kühlmittelauslass
11 Strömungspfeil
12 Stirnseite
13 Bewegungspfeil
14 Dichtring
15 Deckel
16 Wand
17 Bewegungspfeil
18 Feder
19 Wand
20 Schraubgewinde
21 Membran
22 Dorn
23 Feder
24 Wand
25 Stift
26 Codierung
27 Nadel
28 Kegel
29 Exzenter
30 Keil
31 Halbkugel
32 Nocken
33 Rändelschraube
34 Bewegungspfeil
35 Bewegungspfeil 36 Exzenter
37 Vorsprung
38 Ausnehmung
39 Bewegungspfeil
40 Kontaktschalter
41 Schalter
42 Bewegungspfeil
43 Stift
44 Riegel
45 Kühlmittelleitung
46 Schieber
47 Betätigungselement

Claims

Patentansprüche
1. Funktionsmodul für einen Kühlmittelkreis eines, insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehenen, Brennstoffzellensystems, mit einem Behältnis (3), welches ein lonenaustauschermaterial (4) aufweist, und mit einer Pumpeinrichtung (2) für das Kühlmittel, wobei ein Kühlmitteleinlass (7) und ein Kühlmittelauslass (8) der Pumpeinrichtung (2) fluidisch mit einem Kühlmittelauslass (10) und einem
Kühlmitteleinlass (9) des Behältnisses (3) gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Behältnis (3) zumindest einen eine Fördereinheit (6) der Pumpeinrichtung (2) aufweisenden Bereich der Pumpeinrichtung (2) zumindest bereichsweise außenumfangsseitig umgibt.
2. Funktionsmodul nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Behältnis (3) und die zumindest die Fördereinheit (6) der Pumpeinrichtung (2) achsparallel, insbesondere koaxial, angeordnet sind, wobei die Fördereinheit (6) zumindest über einen Teil ihrer Längserstreckungsrichtung in einem durch das Behältnis (3) gebildeten Aufnahmeraum angeordnet ist.
3. Funktionsmodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Behältnis (3) eine das lonenaustauschermaterial (4) aufweisende Wendel umfasst, welche zumindest um die Fördereinheit (6) der Pumpeinrichtung (2) außenumfangsseitig umlaufend ausgebildet ist.
4. Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (3) zumindest bereichsweise mit wenigstens einer von der
Pumpeinrichtung (2) verschiedenen und im Betrieb Wärme freisetzenden
Komponente des Brennstoffzellensystems in Anlage ist.
5. Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Behältnis (3) im Wesentlichen trogförmig ausgebildet ist, wobei der die
Fördereinheit (6) der Pumpeinrichtung (2) aufweisende Bereich der Pumpeinrichtung (6) außenumfangsseitig und zu einer Stirnseite (12) hin von dem Behältnis (3) umschlossen ist.
6. Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet durch
ein Deckelelement (15), mittels welchem das Behältnis (3) zu einer Umgebung hin abschirmbar ist, wobei zwischen dem Deckelelement (15) und dem Behältnis (3) ein Federelement (18) angeordnet ist, mittels welchem der Kühlmitteleinlass und/oder der Kühlmittelauslass des Behältnisses (3) mit dem Kühlmittelauslass (8) und/oder dem Kühlmitteleinlass (7) der Pumpeinrichtung (2) in Anlage bringbar ist.
7. Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlmitteleinlass (9) und/oder der Kühlmittelauslass (10) des Behältnisses (3) eine Trennschicht (21) aufweist, welche durch das fluidische Koppeln mit dem Kühlmittelauslass (8) und/oder dem Kühlmitteleinlass (7) der Pumpeinrichtung (2) mittels eines, insbesondere auf Seiten der Pumpeinrichtung (2) angeordneten, Betätigungselements (22) zerstörbar ist.
8. Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet durch
ein Druckbeaufschlagungselement (23), welches auf das sich in dem Behältnis (3) befindende lonenaustauschermaterial (4) einen Druck ausübt.
9. Funktionsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Behältnis (3) zumindest ein, insbesondere als Dorn oder Stift (25) oder Kegel (28) oder Exzenter (29) oder Keil (30) oder Kugel (31) oder Nocken (32) ausgebildetes, Betätigungselement aufweist, mittels welchem ein zum Verschließen des
Kühlmitteleinlasses (7) und/oder des Kühlmittelauslasses (8) der Pumpeinrichtung (2) ausgebildetes Verschließelement (44, 46) betätigbar ist.
10. Verfahren zum Fertigen eines Funktionsmoduls (1) für einen Kühlmittelkreis eines, insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehenen, Brennstoffzellensystems, bei welchem ein Kühlmitteleinlass (9) und ein Kühlmittelauslass (10) eines Behältnisses (3), welches ein lonenaustauschermaterial (4) aufweist, fluidisch mit einem
Kühlmittelauslass (8) und einem Kühlmitteleinlass (7) einer Pumpeinrichtung (2) für das Kühlmittel gekoppelt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
hierbei zumindest ein eine Fördereinheit (6) der Pumpeinrichtung (2) aufweisender Bereich der Pumpeinrichtung (2) zumindest bereichsweise außenumfangsseitig von dem Behältnis (3) umschlossen wird.
11. Behältnis (3) für einen Kühlmittelkreis eines, insbesondere für ein Fahrzeug
vorgesehenen, Brennstoffzellensystems, wobei das Behältnis (2) ein
lonenaustauschermaterial (4), einen Kühlmitteleinlass (9) und einen
Kühlmittelauslass (10) aufweist, und wobei das Behältnis (1) mit einer
Pumpeinrichtung (2) des Kühlmittelkreises fluidisch koppelbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Behältnis (3) so ausgebildet ist, dass es zumindest einen eine Fördereinheit (6) der Pumpeinrichtung (2) aufweisenden Bereich der Pumpeinrichtung (2) zumindest bereichsweise außenumfangsseitig umgibt.
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Inventor name: HOESS, RALF

Inventor name: MITTMANN, MARIO

Inventor name: WUEST, MATTHIAS

Inventor name: KOCH, CHRISTOPH

Inventor name: SCHULZE, HERBERT

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