WO2012062433A1 - Kühlmittelkreis für ein brennstoffzellensystem und verfahren zum austauschen von ionenaustauschermaterial - Google Patents

Kühlmittelkreis für ein brennstoffzellensystem und verfahren zum austauschen von ionenaustauschermaterial Download PDF

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WO2012062433A1
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WO
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component
coolant circuit
coolant
exchange material
ion exchange
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PCT/EP2011/005561
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Tom Haastert
Mario Mittmann
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Daimler Ag
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a coolant circuit for a fuel cell system, in particular of a vehicle, wherein an ion exchanger material is arranged in at least one component of the coolant circuit through which coolant flows. Furthermore, the invention relates to a method for exchanging ion exchanger material in a coolant circuit for a fuel cell system.
  • DE 10 2009 012 379 A1 describes a coolant expansion tank which is arranged in a coolant circuit for a fuel cell system of a vehicle.
  • the coolant circuit is used to cool a fuel cell stack of the
  • the coolant surge tank has an inlet and an outlet for the coolant.
  • An ion exchange cartridge is in the
  • Refrigerant tank used and is in fluid communication with the inlet. In the coolant tank entering coolant thus flows through the
  • Ion exchange cartridge and leaves it through the refrigerant permeable outlet window.
  • the deionized by means of an ion exchange resin coolant then flows through the outlet of the coolant expansion tank to the fuel cell stack.
  • JP 09019678 A1 a cylindrical filter, which is fixed to the bottom and to the cover of the coolant expansion tank, is arranged in a coolant compensation tank. Coolant of a fuel cell system flows into the cylindrical interior of the filter and is released when passing through the filter of foreign materials such as particles and rust. The filtered coolant flows into a container with a
  • the deionized coolant Via a supply line, the deionized coolant then reaches the component of the fuel cell system to be cooled.
  • a coolant circuit of the type mentioned at the beginning of the exchange of the ion exchanger can relatively often be necessary because its ion exchange capacity is exhausted.
  • Object of the present invention is therefore to provide a coolant circuit and a method of the type mentioned, which or which allows a particularly long life of the ion exchange material.
  • an ion exchanger material is arranged in at least one component of the coolant circuit through which cooling medium flows.
  • the ion exchange material is fixed to an inner side of a wall of the at least one component. Because of this solid integration of the ion exchange material into the at least one component of the coolant loop, replacement of the ion exchange material does not require handling of a cartridge or the like, but the component is completely replaced when the ion exchange capacity of the ion exchange material is exhausted. So it can be on a cartridge or cartridge, which the
  • the ion exchange capacity of the ion exchanger material can be ensured over a particularly long period of time, so that a long service life of the ion exchange material is achieved
  • the replacement of the ion exchange material may be not only clean, but also particularly in the immobilized presence thereof in the at least one component done quickly and easily. Also, errors in handling the ion exchange material can be so largely excluded.
  • This allows safe operation of the fuel cell system, which can be designed in particular for a mobile application in a vehicle. Namely, in the vehicle having the fuel cell system, the coolant is passed through a live component such as a fuel cell stack. Therefore, the coolant should have a very low conductivity. To ensure this is in the
  • Coolant circuit the ion exchange material present.
  • the ion exchange material is introduced into the coolant circuit. Since only a few interfaces in the coolant circuit need to be provided for removing the at least one component and replacing it with a replacement component, a particularly secure assembly and disassembly of the
  • the fixing of the ion exchanger material on the inside of the wall of the at least one component thus enables a particularly clean handling of the
  • the ion exchange material may be applied to the inside of the walls of all
  • Components of the coolant circuit may be applied to a particularly large reactive To provide surface of the ion exchange material.
  • the ion exchange material is present only in a partial region of the coolant circuit.
  • the ion exchanger material can be fixed to the inside of the wall of a coolant expansion tank and / or to the inside of the wall of a pipe section of the coolant circuit.
  • the coolant expansion tank or the pipe section are advantageously components which have particularly good accessibility.
  • Coolant circuit makes it possible, even in very confined space conditions a very intense contact of the coolant with the coolant exchange material
  • An adaptation to the available space can be done by adjusting the number and / or diameter of the individual turns of the coil and / or by providing a, in particular variable, distance between the individual turns, as well as by adjusting their geometric shape.
  • the helix or ion exchanger coil can in this case be formed from a pipeline and / or from a flexible hose line. Instead of a coil and other designs are suitable, which is a very intense contact of the coolant with the
  • coolant exchange material e.g. a coil (i.e.
  • the ion exchanger material it is also possible for the ion exchanger material to completely fill the flow-through cross section of the at least one component, so that particularly intensive contact of the coolant with the ion exchanger material during cooling operation is ensured. A particularly extensive immobilization of the ion exchange material by its fixation on the inner wall of the component can be achieved if the
  • Loneningermatenal is connected by at least partial melting of the component with the wall of the component. This can advantageously take place already during the production of the component.
  • the ion exchange material may be adhered to the inside of the wall of the component. In this way, a non-destructive non-detachable composite of the ion exchange material with the inner wall can be achieved.
  • Ion exchange material may also be attached in some other way to the inside of the wall of the component, it may e.g. clamped, riveted, latched or pressed or the like. However, it is particularly preferred if the ion exchange material is glued on.
  • Lonen headermatenal be equipped with reactive chemical groups, so-called.
  • Anchor groups which can react chemically with corresponding reactive chemical groups on the inside of the wall of the component.
  • the component may have been chemically modified on the inside in advance to provide the reactive chemical groups on the wall.
  • a solid, chemical anchoring or immobilization of the ion exchange material can take place on the inner wall of the component, which is particularly reliable is. This chemical anchoring or immobilization is further when introducing the
  • one or more pockets can be attached to the inside of the wall of the component, in which the ion exchange material is introduced in the form of a bed.
  • the pockets are designed to be permeable to the coolant but impermeable to the ion exchange material.
  • the pockets can be detachably connected to the inner wall, for example by means of click or snap-in closures, or non-detachably, eg by adhesive bonding.
  • the wall of the ion exchange material containing component is formed at least partially transparent. Thus, the state of the ion exchange material can be very easily monitored and controlled.
  • the coolant circuit has at least one blocking element which, when the component containing the ion exchanger material is removed from the coolant circuit, is designed to have a blocking element
  • Coolant outlet from a connection of the component and / or to prevent a coupled with the component further component In this way, namely, an introduction of impurities in the coolant can be particularly largely prevented. Even so, a loss of coolant during assembly or disassembly of the component containing the ion exchange material can be kept particularly low. That at the connection of the component or at
  • Connection of the coupled with the component further component provided blocking element can be designed in particular for automatically inhibiting the coolant outlet, so that the connections are closed with the uncoupling of the component.
  • connections may comprise latching elements and / or screw threads or be designed as a bayonet closure in order to allow a particularly simple and safe disassembly of the component containing the ion exchange material and a mounting of a replacement component.
  • the connection can also comprise a sealing element in order to achieve a tight coupling of the component containing the ion exchange material with the other components.
  • a filter may be provided to prevent discharge of ion exchange material from the component.
  • Component or the replacement component to the two adjacent components also an entry of impurities in the coolant can be kept particularly low.
  • At least one component through which coolant flows in cooling mode and which is fluidically coupled to two adjacent components is removed from the coolant circuit.
  • This removed component contains the ion exchange material.
  • replaced replacement component replaces, wherein the replacement of the fluidic coupling of the coolant circuit is restored.
  • the replacement component is designed to be compatible with the component removed.
  • the replacement component contains the ion exchange material in a state in which it has a lower saturation with ions than the removed
  • the replacement component is supplied in a protective cover, the possibility of contact with the coolant during handling of the replacement component can be reduced to a particularly great extent.
  • the replacement component may contain the ion exchange material as bulk material and / or in a fixed form on an inner side of a wall of the replacement component.
  • a cartridge containing the ion exchange material can be inserted into the replacement component so that the cartridge, together with the replacement component, replaces the previous ion exchange material.
  • a vehicle 1 shown in the figure has a fuel cell stack 2, which provides electric power for driving the vehicle 1. To cool the fuel cell stack 2, which provides electric power for driving the vehicle 1.
  • Coolant which flows through the coolant circuit 3, must be very largely ion-free, since the coolant in cooling operation with live components of the fuel cell system, such as the fuel cell stack 2, in contact.
  • an ion exchange material 4 is present in the coolant circuit 3, which ion absorbs ions contained in the coolant until its ion exchange capacity has been exhausted.
  • the ion exchange material 4 is firmly integrated in components of the coolant circuit 3, namely in a coolant expansion tank 5 and in a coiled tubing 6.
  • the ion exchange material 4 is immobilized there, namely in the form of a coating applied to an inner side 7 of a wall of the component.
  • the risk of an entry of impurities in the coolant can be kept very low, unlike the case would be if an ion exchanger cartridge removed from the coolant expansion tank 5 and replaced by an unused cartridge.
  • the entire coolant circuit 3 may be coated on the inside with the ion exchange material 4, that is about lines 8, which connect the fuel cell stack 2 with a radiator 9 and a pump 10 and also the radiator 9 itself.
  • the coolant expansion tank 5 or the coiled tubing 6 can have the ion exchanger material 4, which is fixed to the inside 7 of the wall of the respective component. If only the coiled tubing 6 -as an example of a section of the coolant circuit 3 -has the ion exchange material fixed to the inside of the wall, only the coiled tube 6 needs to be removed from the coolant circuit 3 and replaced by a replacement tube coil 12 with still unused ion exchange material to be replaced.
  • the coiled tubing 6 can by varying the number of turns and their
  • the coolant is in flowing through the coiled tubing 6 in intensive contact with the inside coated with the ion exchange material wall, so that a particularly extensive deionization of the coolant by means of the coiled tubing 6 can be achieved.
  • the ion exchange material 4 may be melted into the wall, such as when the coolant expansion tank 5 or the coiled tubing 6 is produced.
  • the fixing of the ion exchange material 4 on the inner side 7 of the wall can also by gluing or by chemical
  • Coolant circuit 3 may be provided on at least its inner side 7.
  • connections 11 the coiled tubing 6 is coupled to adjacent parts of the line 8 of the coolant circuit 3.
  • These connections 11 are preferably formed self-sealing, so that when removing the coiled tubing 6 from the coolant circuit 3 no coolant from the now fluidly interrupted coolant circuit 3 can escape. In addition, no dirt can penetrate into the coolant via the automatically sealing connections 11, which is located in the interrupted coolant circuit 3.
  • the lines 8 shown only schematically in the figure have at least in Region of the terminals 11 at least substantially the same flow-through cross section as the coiled tubing. 6
  • the coolant equalizing container 5 which is fluidically coupled into the coolant circuit 3, is removed and the coolant circuit 3 is thus fluidically interrupted. Subsequently, the complete coolant expansion tank 5 by a spare container 13 with still unconsumed, not yet in his
  • Fuel cell stack 2 of the vehicle 1 can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreis (3) für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs (1), wobei in wenigstens einer im Kühlbetrieb von Kühlmittel durchströmten Komponente (5, 6) des Kühlmittelkreises (3) ein lonenaustauschermatenal (4) angeordnet ist. Hierbei ist das lonenaustauschermatenal (4) an einer Innenseite (7) einer Wand der wenigstens einen Komponente (5, 6) fixiert. Bei einem Austausch des lonenaustauschermaterials (4) wird die komplette Komponente (5, 6) ausgetauscht und durch eine Ersatzkomponente (12, 13) ersetzt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Austausch von lonenaustauschermatenal (4) in einem Kühlmittelkreis (3) für ein Brennstoffzellensystem.

Description

Kühlmittelkreis für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Austauschen von lonenaustauschermaterial
Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreis für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, wobei in wenigstens einer von Kühlmittel durchströmten Komponente des Kühlmittelkreises ein lonenaustauschermaterial angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Austauschen von lonenaustauschermaterial in einem Kühlmittelkreis für ein Brennstoffzellensystem.
Die DE 10 2009 012 379 A1 beschreibt einen Kühlmittelausgleichsbehälter, welcher in einem Kühlmittelkreis für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs angeordnet ist. Der Kühlmittelkreis dient dem Kühlen eines Brennstoffzellenstapels des
Brennstoffzellensystems. Der Kühlmittelausgleichsbehälter weist einen Einlass und einen Auslass für das Kühlmittel auf. Eine lonenaustauscherkartusche ist in den
Kühlmittelbehälter eingesetzt und steht in fluidischer Kommunikation mit dem Einlass. In den Kühlmittelbehälter eintretendes Kühlmittel strömt somit durch die
lonenaustauscherkartusche und verlässt diese durch für das Kühlmittel durchlässige Auslassfenster. Das mittels eines lonenaustauscherharzes deionisierte Kühlmittel strömt dann über den Auslass des Kühlmittelausgleichsbehälters dem Brennstoffzellenstapel zu.
Bei der JP 09019678 A1 ist in einem Kühlmittelausgleichsbehälter ein zylindrischer Filter angeordnet, welcher am Boden und am Deckel des Kühlmittelausgleichsbehälters fixiert ist. Kühlmittel eines Brennstoffzellensystems strömt in den zylindrischen Innenraum des Filters ein und wird beim Passieren des Filters von Fremdmaterialien wie Partikeln und Rost befreit. Das gefilterte Kühlmittel strömt einem Behälter mit einem
lonenaustauschermaterial zu. Über eine Versorgungsleitung gelangt das deionisierte Kühlmittel dann zu der zu kühlenden Komponente des Brennstoffzellensystems. Bei einem Kühlmittelkreis der eingangs genannten Art kann vergleichsweise häufig ein Austausch des Ionenaustauschers nötig werden, weil dessen lonenaustauscherkapazität erschöpft ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Kühlmittelkreis sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bzw. welches eine besonders lange Standzeit des lonenaustauschermaterials ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Kühlmittelkreis mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Kühlmittelkreis für ein Brennstoffzellensystem ist in wenigstens einer im Kühlbetrieb durchströmten Komponente des Kühlmittelkreises ein lonenaustauschermaterial angeordnet. Hierbei ist das lonenaustauschermaterial an einer Innenseite einer Wand der wenigstens einen Komponente fixiert. Aufgrund dieser festen Integration des lonenaustauschermaterials in die wenigstens eine Komponente des Kühlmittelkreises braucht zum Austauschen des lonenaustauschermaterials nicht eine Kartusche oder dergleichen gehandhabt zu werden, sondern die Komponente wird komplett ausgetauscht, wenn die lonenaustauschkapazität des lonenaustauschermaterials erschöpft ist. Es kann also auf eine Patrone oder Kartusche, welche das
lonenaustauschermaterial enthält, verzichtet werden. Durch eine solche patronenlose Ausbildung des Kühlmittelkreises kann eine besonders kompakte Bauform der
Komponenten desselben erreicht werden.
Eine Verunreinigung des Kühlmittels beim Handhaben des lonenaustauschermaterials kann besonders weitgehend vermieden werden, wenn die das lonenaustauschermaterial enthaltende Komponente komplett ersetzt wird und nicht nur das
lonenaustauschermaterial. Dadurch, dass beim Austauschen des
lonenaustauschermaterials keine Verunreinigung in das Kühlmittel gelangt, kann die lonenaustauscherkapazität des lonenaustauschermaterials über einen besonders langen Zeitraum hinweg sichergestellt werden, sodass eine lange Standzeit des
lonenaustauschermaterials gegeben ist.
Das Austauschen des lonenaustauschermaterials kann bei dem immobilisierten Vorliegen desselben in der wenigstens einen Komponente nicht nur sauber, sondern auch besonders rasch und einfach erfolgen. Auch können Fehler beim Handhaben des lonenaustauschermaterials so besonders weitgehend ausgeschlossen werden. Dies ermöglicht einen sicheren Betrieb des Brennstoffzellensystems, welches insbesondere für eine mobile Anwendung in einem Fahrzeug ausgelegt sein kann. In dem Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem wird das Kühlmittel nämlich durch ein spannungsführendes Bauteil, etwa einen Brennstoffzellenstapel, hindurchgeleitet. Daher sollte das Kühlmittel eine sehr geringe Leitfähigkeit aufweisen. Um dies zu gewährleisten, ist in dem
Kühlmittelkreis das lonenaustauschermaterial vorhanden.
Auch können Vorteile in Bezug auf das Gewicht des Kühlmittelkreises sowie im Hinblick auf den Bauraum erzielt werden, da durch die Unterbringung der das
lonenaustauschermaterial enthaltenden Komponente im Kühlmittelkreis mit der
Komponente zugleich das lonenaustauschermaterial in den Kühlmittelkreis eingebracht ist. Da zum Entnehmen der wenigstens einen Komponente und deren Ersetzen durch eine Ersatzkomponente nur wenige Schnittstellen in dem Kühlmittelkreis vorgesehen zu werden brauchen, kann eine besonders sichere Montage und Demontage des
lonenaustauschermaterials sichergestellt werden. Des Weiteren sind durch die gute Zugänglichkeit zu der wenigstens einen das lonenaustauschermaterial enthaltenden Komponente Service- und Wartungsarbeiten besonders einfach durchführbar.
Das Vermeiden von Verunreinigungen im Kühlmittel führt nicht nur dazu, dass eine Sättigung des lonenaustauschermaterials sehr langsam vor sich geht, was zu besonders kurzen Wartungsintervallen für einen Nutzer des Kühlmittelkreises führt. Auch führen Verunreinigungen des Kühlmittels zu einer erhöhten Leitfähigkeit desselben, welche es zu vermeiden gilt, da eine hohe Leitfähigkeit im Kühlmittel ein Sicherheitsrisiko darstellt. Das Kühlmittel kommt nämlich mit dem Brennstoffzellenstapel in Kontakt, welcher etwa bei Verwendung des Brennstoffzellensystems im Fahrzeug, eine vergleichsweise hohe Spannung generiert.
Das Fixieren des lonenaustauschermaterials an der Innenseite der Wand der wenigstens einen Komponente ermöglicht also eine besonders saubere Handhabung des
lonenaustauschermaterials, welche dazu beiträgt, allenfalls eine sehr geringe
Verschmutzung in das Kühlmittel einzutragen.
Das lonenaustauschermaterial kann auf die Innenseite der Wände sämtlicher
Komponenten des Kühlmittelkreises aufgebracht sein, um eine besonders große reaktive Fläche des lonenaustauschermaterials bereitzustellen. Bevorzugt ist jedoch das lonenaustauschermaterial lediglich in einem Teilbereich des Kühlmittelkreises vorhanden.
So kann das lonenaustauschermaterial gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung an der Innenseite der Wand eines Kühlmittelausgleichsbehälters und/oder an der Innenseite der Wand eines Leitungsstücks des Kühlmittelkreises fixiert sein. Es ist dann im Wartungsfall lediglich der Kühlmittelausgleichsbehälter bzw. das Leitungsstück auszutauschen, um in dem Kühlmittelkreis ein unverbrauchtes, noch nicht gesättigtes lonenaustauschermaterial bereitzustellen. Bei dem Kühlmittelausgleichsbehälter oder dem Leitungsstück handelt es sich vorteilhaft um Komponenten, welche eine besonders gute Zugänglichkeit aufweisen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Leitungsstück als Wendel ausgebildet ist. Ein solcher, nach Art einer zylindrischen Spirale ausgebildeter Abschnitt des
Kühlmittelkreises ermöglicht es, auch bei sehr beengten Bauraumverhältnissen einen sehr intensiven Kontakt des Kühlmittels mit dem Kühlmittelaustauschermaterial zu
gewährleisten. Eine Anpassung an den vorhandenen Bauraum kann durch Anpassen der Anzahl und/oder des Durchmessers der einzelnen Windungen der Wendel erfolgen und/oder durch Vorsehen eines, insbesondere variablen, Abstands zwischen den einzelnen Windungen, sowie durch Anpassung ihrer geometrischen Form. Die Wendel oder lonentauscherschlange kann hierbei aus einer Rohrleitung und/oder aus einer flexiblen Schlauchleitung gebildet sein. Anstelle einer Wendel sind auch andere Bauformen geeignet, die einen sehr intensiven Kontakt des Kühlmittels mit dem
Kühlmittelaustauschermaterial gewährleisten, z.B. eine Rohrschlange (d.h. ein
mäandrierender Rohrabschnitt mit mehreren, aufeinanderfolgenden Umkehrungen der Strömungsrichtung) oder eine Vorrichtung in der Art eines Plattenwärmetauschers (d.h. ein Rohrabschnitt, bei dem die Strömung mehrfach hintereinander gegen
Strömungswiderstände, wie z.B. Leitbleche, gelenkt wird).
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
lonenaustauschermaterial als auf die Innenseite der Wand der wenigstens einen
Komponente aufgebrachte Beschichtung ausgebildet. So lässt sich ein geringer
Durchflusswiderstand der durchströmten Komponente bei zugleich besonders
weitgehender Entfernung von Ionen aus dem Kühlmittel erreichen. Es kann jedoch auch das lonenaustauschermaterial den durchströmbaren Querschnitt der wenigstens einen Komponente vollständig ausfüllen, sodass für einen besonders intensiven Kontakt des Kühlmittels mit dem lonenaustauschermaterial beim Kühlbetrieb gesorgt ist. Ein besonders weitgehendes Immobilisieren des lonenaustauschermatenals durch dessen Fixierung an der Innenwand der Komponente kann erreicht werden, wenn das
lonenaustauschermatenal durch zumindest partielles Aufschmelzen der Komponente mit der Wand der Komponente verbunden ist. Dies kann vorteilhaft bereits bei der Herstellung der Komponente erfolgen.
Ergänzend oder alternativ kann das lonenaustauschermatenal auf die Innenseite der Wand der Komponente aufgeklebt sein. Auch auf diese Weise ist ein zerstörungsfrei unlösbarer Verbund des lonenaustauschermatenals mit der Innenwand erreichbar. Das
lonenaustauschermatenal kann auch in anderer Art und Weise an der Innenseite der Wand der Komponente befestigt sein, so kann es z.B. angeklemmt, angenietet, verrastet oder angepresst oder dergleichen sein. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn das lonenaustauschermatenal aufgeklebt ist.
In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführungsform kann das
lonenaustauschermatenal mit reaktiven chemischen Gruppen, sog. Ankergruppen, ausgestattet sein, welche mit korrespondierenden reaktiven chemischen Gruppen auf der Innenseite der Wand der Komponente chemisch reagieren können. Hierfür kann die Komponente innenseitig vorab chemisch modifiziert worden sein, um die reaktiven chemischen Gruppen an der Wand bereitzustellen. Durch in Kontakt bringen des lonenaustauschermatenals mit der chemisch modifizierten Innenwand der Komponente und chemisches abreagieren lassen der Ankergruppen des lonenaustauschermatenals mit den korrespondierenden reaktiven chemischen Gruppen der Innenwand kann eine feste, chemische Verankerung bzw. Immobilisierung des lonenaustauschermatenals an der Innenwand der Komponente erfolgen, welche besonders zuverlässig ist. Diese chemische Verankerung bzw. Immobilisierung ist ferner beim Einbringen des
lonenaustauschermatenals in die Komponente besonders aufwandsarm realisierbar.
Alternativ dazu können an die Innenseite der Wand der Komponente auch eine oder mehrere Taschen angebracht sein, in denen das lonenaustauschermatenal in Form einer Schüttung eingebracht ist. Die Taschen sind so ausgebildet, dass sie durchlässig sind für das Kühlmittel, aber undurchlässig für das lonenaustauschermatenal. Die Taschen können lösbar, z.B. durch Klick- oder Rast-Verschlüsse, oder unlösbar, z.B. durch Verklebung, mit der Innenwand verbunden sein. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Wand der das lonenaustauschermaterial enthaltenden Komponente zumindest bereichsweise durchsichtig ausgebildet ist. So kann der Zustand des lonenaustauschermaterials sehr einfach überwacht und kontrolliert werden.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Kühlmittelkreis wenigstens ein Sperrelement aufweist, welches beim Entnehmen der das lonenaustauschermaterial beinhaltenden Komponente aus dem Kühlmittelkreis dazu ausgelegt ist, einen
Kühlmittelaustritt aus einem Anschluss der Komponente und/oder aus einer mit der Komponente gekoppelten weiteren Komponente zu unterbinden. Auch auf diese Weise kann nämlich ein Einbringen von Verunreinigungen in das Kühlmittel besonders weitgehend unterbunden werden. Auch so kann ein Verlust von Kühlmittel beim Montieren oder Demontieren der das lonenaustauschermaterial enthaltenden Komponente besonders gering gehalten werden. Das am Anschluss der Komponente oder am
Anschluss der mit der Komponente gekoppelten weiteren Komponente vorgesehene Sperrelement kann insbesondere zum selbsttätigen Unterbinden des Kühlmittelaustritts ausgelegt sein, sodass mit dem Abkoppeln der Komponente die Anschlüsse verschlossen werden.
Die Anschlüsse können Rastelemente und/oder Schraubgewinde umfassen oder als Bajonettverschluss ausgebildet sein, um eine besonders einfache und sichere Demontage der das lonenaustauschermaterial enthaltenden Komponente und eine Montage einer Ersatzkomponente zu ermöglichen. Auch kann der Anschluss ein Dichtelement umfassen, um eine dichte Kopplung der das lonenaustauschermaterial enthaltenden Komponente mit den weiteren Komponenten zu erreichen. Ein Filter kann vorgesehen sein, um einen Austrag von lonenaustauschermaterial aus der Komponente zu unterbinden.
Durch besonders geringe Querschnitte an den Koppelstellen der entnommenen
Komponente bzw. der Ersatzkomponente zu den beiden benachbarten Komponenten kann ebenfalls ein Eintrag von Verunreinigungen in das Kühlmittel besonders gering gehalten werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Austauschen von lonenaustauschermaterial in einem Kühlmittelkreis für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs, wird aus dem Kühlmittelkreis wenigstens eine im Kühlbetrieb von Kühlmittel durchströmte und mit zwei benachbarten Komponenten fluidisch gekoppelte Komponente entnommen. Diese entnommene Komponente enthält das lonenaustauschermaterial. Durch das Entnehmen der wenigstens einen Komponente wird der Kühlmittelkreis fluidisch unterbrochen. Anschließend wird die entnommene Komponente durch eine
lonenaustauschermaterial enthaltene Ersatzkomponente ersetzt, wobei durch das Ersetzen die fluidische Kopplung des Kühlmittelkreises wiederhergestellt wird. Dadurch, dass die gesamte Komponente durch die Ersatzkomponente ersetzt wird und nicht lediglich das in der Ersatzkomponente enthaltene lonenaustauschermaterial, kann ein besonders schmutzsicherer, sauberer Umgang mit dem lonenaustauschermaterial sichergestellt werden, welcher einen Eintrag von Verschmutzungen in das Kühlmittel verhindert. Dies bringt einerseits eine besonders lange Standzeit des lonenaustauschermaterials mit sich, und andererseits sind Einschränkungen des Brennstoffzellensystems, insbesondere im Fahrbetrieb, verhindert. Die Ersatzkomponente ist so gestaltet, dass sie mir der entnommenen Komponente kompatibel ist.
Die Ersatzkomponente enthält das lonenaustauschermaterial in einem Zustand, in welchem dieses eine geringere Sättigung mit Ionen aufweist als die entnommene
Komponente.
Wenn die Ersatzkomponente in einer Schutzhülle angeliefert wird, kann zusätzlich die Möglichkeit eines Kontakts mit dem Kühlmittel bei der Handhabung der Ersatzkomponente besonders weitgehend reduziert werden.
Die Ersatzkomponente kann das lonenaustauschermaterial als Schüttgut und/oder in an einer Innenseite einer Wand der Ersatzkomponente fixierter Form enthalten. Alternativ kann in die Ersatzkomponente eine das lonenaustauschermaterial enthaltende Kartusche eingesetzt sein, sodass die Kartusche gemeinsam mit der Ersatzkomponente das bisherige lonenaustauschermaterial ersetzt.
Die für den erfindungsgemäßen Kühlmittelkreis beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur 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 Figur.
Diese zeigt stark schematisiert ein Fahrzeug mit einem Kühlmittelkreis zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels sowie Ersatzkomponenten des Kühlmittelkreises.
Ein in der Figur gezeigtes Fahrzeug 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 auf, welcher elektrische Energie zum Antreiben des Fahrzeugs 1 bereitstellt. Zum Kühlen des
Brennstoffzellenstapels 2 ist ein Kühlmittelkreis 3 vorgesehen. Kühlmittel, welches den Kühlmittelkreis 3 durchströmt, muss sehr weitgehend ionenfrei sein, da das Kühlmittel im Kühlbetrieb mit spannungsführenden Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie dem Brennstoffzellenstapel 2, in Kontakt ist.
Um die lonenfreiheit des Kühlmittels sicherzustellen ist in dem Kühlmittelkreis 3 ein lonenaustauschermaterial 4 vorhanden, welches in dem Kühlmittel enthaltene Ionen aufnimmt, bis seine lonenaustauscherkapazität erschöpft ist. Vorliegend ist das lonenaustauschermaterial 4 in Komponenten des Kühlmittelkreises 3 fest integriert, nämlich in einen Kühlmittelausgleichsbehälter 5 und in eine Rohrwendel 6. Das lonenaustauschermaterial 4 ist dort immobilisiert angeordnet, nämlich in Form einer auf eine Innenseite 7 einer Wand der Komponente aufgebrachte Beschichtung.
Wenn das lonenaustauschermaterial 4 keine weiteren Ionen mehr aus dem Kühlmittel aufnehmen kann, wird vorliegend die gesamte Komponente des Kühlmittelkreises 3, also etwa der Kühlmittelausgleichsbehälter 5 oder die Rohrwendel 6 ausgetauscht. Dadurch kann die Gefahr eines Eintrags von Verunreinigungen in das Kühlmittel sehr gering gehalten werden, anders als dies der Fall wäre, wenn eine lonenaustauscherpatrone aus dem Kühlmittelausgleichsbehälter 5 entnommen und durch eine unverbrauchte Patrone ersetzt würde.
In alternativen Ausführungsformen kann auch der gesamte Kühlmittelkreis 3 innenseitig mit dem lonenaustauschermaterial 4 beschichtet sein, also etwa Leitungen 8, welche den Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Kühler 9 und einer Pumpe 10 verbinden sowie auch der Kühler 9 selber. Alternativ kann auch lediglich der Kühlmittelausgleichsbehälter 5 oder die Rohrwendel 6 das lonenaustauschermaterial 4 aufweisen, welches an der Innenseite 7 der Wand der jeweiligen Komponente fixiert ist. Wenn lediglich die Rohrwendel 6 - als Beispiel für ein Teilstück des Kühlmittelkreises 3 - das lonenaustauschermaterial in an der Innenseite der Wand fixierter Form aufweist, braucht zum Austausch des lonenaustauschermaterials lediglich die Rohrwendel 6 aus dem Kühlmittelkreis 3 entnommen und durch eine Ersatzrohrwendel 12 mit noch unverbrauchtem lonenaustauschermaterial ersetzt zu werden.
Die Rohrwendel 6 kann durch Variieren der Anzahl ihrer Windungen sowie deren
Durchmesser und Abstand voneinander und außerdem durch Anpassung ihrer
geometrischen Form besonders gut an die zum Unterbringen des Kühlmittelkreises 3 im Fahrzeug 1 zur Verfügung stehenden Bauraumverhältnisse angepasst werden. Zudem ist das Kühlmittel beim Durchströmen der Rohrwendel 6 im intensiven Kontakt mit der innenseitig mit dem lonenaustauschermaterial beschichteten Wand, sodass ein besonders weitgehendes Deionisieren des Kühlmittels mittels der Rohrwendel 6 erreicht werden kann.
Um ein Immobilisieren des lonenaustauschermaterials 4 an der Innenseite 7 der Wand Komponente des Kühlmittelkreises 3 zu erreichen, kann das lonenaustauschermaterial 4 in die Wand eingeschmolzen sein, etwa wenn der Kühlmittelausgleichsbehälter 5 oder die Rohrwendel 6 hergestellt wird. Das Fixieren des lonenaustauschermaterials 4 an der Innenseite 7 der Wand kann jedoch auch durch Aufkleben oder durch chemische
Verankerung erfolgen. Hierfür kann eine entsprechende chemische Vorbehandlung der Wand des mit dem lonenaustauschermaterial 4 zu versehenden Teilstücks des
Kühlmittelkreises 3 an zumindest ihrer Innenseite 7 vorgesehen sein.
Über Anschlüsse 11 ist die Rohrwendel 6 mit benachbarten Teilen der Leitung 8 des Kühlmittelkreises 3 gekoppelt. Diese Anschlüsse 11 sind bevorzugt selbstdichtend ausgebildet, sodass bei einem Entnehmen der Rohrwendel 6 aus dem Kühlmittelkreis 3 kein Kühlmittel aus dem nun fluidisch unterbrochenen Kühlmittelkreis 3 austreten kann. Zudem kann über die selbsttätig abdichtenden Anschlüsse 11 kein Schmutz in das Kühlmittel eindringen, welches sich in dem unterbrochenen Kühlmittelkreis 3 befindet.
Beim anschließenden Einbau der Ersatzrohrwendel 12 braucht diese lediglich über die Anschlüsse 11 mit den angrenzenden Teilstücken der Leitung 8 des Kühlmittelkreises 3 verbunden zu werden, um die fluidische Kopplung des Kühlmittelkreises 3
wiederherzustellen. Durch eine geführte, formschlüssige Ausbildung der Anschlüsse 11 , welche etwa ein Einrasten, Einschrauben oder Einklipsen der Ersatzrohrwendel 12 in den Kühlmittelkreis 3 ermöglicht, kann eine Fehlmontage der Ersatzrohrwendel 12 verhindert werden. Die in der Figur lediglich schematisch gezeigten Leitungen 8 weisen zumindest im Bereich der Anschlüsse 11 zumindest im Wesentlichen den gleichen durchströmbaren Querschnitt auf wie die Rohrwendel 6.
Soll der Kühlmittelausgleichsbehälter 5 alleine das lonenaustauschermaterial 4 enthalten und somit ein Austauschen des lonenaustauschermaterials 4 ein Ersetzen des
Kühlmittelausgleichsbehälters 5 notwendig machen, sind vorteilhaft auch die
Kopplungsstellen des Kühlmittelausgleichsbehälters 5 mit den angrenzenden Teilstücken der Leitung 8 nach Art selbstdichtender Schnellverschlüsse ausgebildet, also analog den Anschlüssen 11 für die Rohrwendel 6.
Zum Austausch des lonenaustauschermaterials 4 wird der in den Kühlmittelkreis 3 fluidisch eingekoppelte Kühlmittelausgleichsbehälter 5 entnommen und so der Kühlmittelkreis 3 fluidisch unterbrochen. Anschließend wird der komplette Kühlmittelausgleichsbehälter 5 durch einen Ersatzbehälter 13 mit noch unverbrauchtem, noch nicht in seiner
lonenaustauschkapazität erschöpftem lonenaustauschermaterial 4 auf der Innenseite 7 seiner Wände ersetzt. Durch das Einsetzen des Ersatzbehälters 13 in den Kühlmittelkreis 3 wird die fluidische Kopplung desselben wiederhergestellt.
Dadurch, dass eine saubere, einen Eintrag von Ionen in das Kühlmittel verhindernde Montage und Demontage des lonenaustauschermaterials 4 gewährleistet werden kann, ist eine besonders lange Standzeit des lonenaustauschermaterials 4 erreichbar, und das Kühlmittel kann über lange Zeit hinweg gefahrlos zum Kühlen des
Brennstoffzellenstapels 2 des Fahrzeugs 1 verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Fahrzeug
2 Brennstoffzellenstapel
3 Kühlmittelkreis
4 lonenaustauschermaterial
5 Kühlmittelausgleichsbehälter
6 Rohrwendel
7 Innenseite
8 Leitung
9 Kühler
10 Pumpe
11 Anschluss
12 Ersatzrohrwendel
13 Ersatzbehälter

Claims

Patentansprüche
1. Kühlmittelkreis für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs (1), wobei in wenigstens einer im Kühlbetrieb von Kühlmittel durchströmten Komponente (5, 6) des Kühlmittelkreises (3) ein lonenaustauschermatenal (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
das lonenaustauschermatenal (4) an einer Innenseite (7) einer Wand der wenigstens einen Komponente (5, 6) fixiert ist.
2. Kühlmittelkreis nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das lonenaustauschermatenal (4) an der Innenseite (7) der Wand eines
Kühlmittelausgleichsbehälters (5) und/oder an der Innenseite der Wand eines Leitungsstücks (6) des Kühlmittelkreises (3) fixiert ist.
3. Kühlmittelkreis nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Leitungsstück als Wendel (6) ausgebildet ist.
4. Kühlmittelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das lonenaustauschermatenal (4) als auf die Innenseite (7) der Wand der wenigstens einen Komponente (5, 6) aufgebrachte Beschichtung ausgebildet ist.
5. Kühlmittelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das lonenaustauschermatenal (4) durch zumindest partielles Aufschmelzen der Komponente (5, 6) mit der Wand der Komponente (5, 6) verbunden ist.
6. Kühlmittelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das lonenaustauschermaterial (4) auf die Innenseite (7) der Wand der Komponente (5, 6) befestigt ist, bevorzugt aufgeklebt, angeklemmt, angenietet, verrastet oder angepresst, besonders bevorzugt aufgeklebt.
7. Kühlmittelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das lonenaustauschermaterial (4) mit reaktiven chemischen Gruppen ausgestattet ist, welche mit korrespondieren reaktiven chemischen Gruppen auf der Innenseite (7) der Wand der wenigstens einen Komponente (5, 6) chemisch reagiert haben, sodass das lonenaustauschermaterial (4) auf der Innenseite (7) der Wand der wenigstens einen Komponente (5, 6) chemisch verankert ist.
8. Kühlmittelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das die Innenseite (7) der Wand der Komponente (5, 6) eine oder mehrere kühlmitteldurchlässige, ionenaustauschermaterialundurchlässige Taschen aufweist, in die das lonenaustauschermaterial (4) in Form einer Schüttung eingebracht ist.
9. Kühlmittelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wand der wenigstens einen das lonenaustauschermaterial (4) enthaltenden Komponente (5, 6) zumindest bereichsweise durchsichtig ausgebildet ist.
10. Kühlmittelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet durch
wenigstens ein Sperrelement zum, insbesondere selbsttätigen, Unterbinden eines Kühlmittelaustritts aus einem Anschluss (11) der Komponente (6) und/oder aus einer mit der Komponente (6) gekoppelten weiteren Komponente (8) beim Entnehmen der Komponente (6) aus dem Kühlmittelkreis (3).
11. Verfahren zum Austauschen von lonenaustauschermaterial (4) in einem
Kühlmittelkreis (3) für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Fahrzeugs (1), bei welchem aus dem Kühlmittelkreis (3) wenigstens eine im Kühlbetrieb von Kühlmittel durchströmte und mit zwei benachbarten Komponenten (8) fluidisch gekoppelte Komponente (5, 6) entnommen wird, welche das
lonenaustauschermaterial (4) enthält, wobei durch das Entnehmen der wenigstens einen Komponente (5, 6) der Kühlmittelkreis (3) fluidisch unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die entnommene Komponente (5, 6) durch eine lonenaustauschermaterial (4) enthaltende Ersatzkomponente (12, 13) ersetzt wird, wobei durch das Ersetzen die fluidische Kopplung des Kühlmittelkreises (3) wiederhergestellt wird.
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