Die Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels sind in Reihe verschaltet und die Bipolarplatten stellen die elektrische Verbindung zwischen zwei benachbarten Einzelzellen her. In mobilen Anwendungen wird das Kühlmittel durch eine Kanalstruktur zwischen den Bipolarplatten zweier benachbarter Zellen geleitet. Dies erfordert ein Kühlmittel mit spezifischer niedriger Leitfähigkeit, um einen Kurzschluss über die Einzelzellen zu verhindern. Dazu wird deionisiertes Wasser mit speziellem Glykol Frostschutzmittel mit niedriger Leitfähigkeit eingesetzt. Der Eintrag von Kationen und Anionen in das Kühlmittel führt zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit bis über spezifische Grenzwerte. Der Eintrag erfolgt aus Materialkorrosion, Materialzersetzung, Auswaschungen aus Kunststoffen, Fertigungsrückständen und Zersetzung des Frostschutzmittels. Dies macht eine Filterkomponente erforderlich, welche die Ionen aus dem Kühlmittel abscheidet. [1]
Arten
Zur Abscheidung von Kationen und Anionen werden Ionenaustauschharze in Granulatform als Mischbettionentauscher eingesetzt. Diese kommen bei der stationären Wasseraufbereitung standardmäßig zum Einsatz. Die offenporigen Austauschharze verfügen über funktionelle Gruppen, sodass die Anionen und Kationen an der Oberfläche binden und die Gegenionen OH– und H+ freigesetzt werden, woraus sich Wasser bildet. Eine Positionierung im Hauptkühlmittelstrom hätte einen großen Differenzdruck zur Folge, sodass in Fahrzeuganwendungen der Ionentauscher in einem Bypass integriert wird, oder über einen bauteilinternen Bypass verfügt. [1, 2]
Anforderungen
Für den Fahrzeugeinsatz sind Mischbettionentauscher auf die zu erwartenden Volumenströme und die erforderliche Austauschkapazität auszulegen. Ebenso ist der zur Verfügung stehende Bauraum und die mechanische Stabilität des Harzes zu berücksichtigen. Die Kühlmittelleitfähigkeit sollte im Betrieb idealerweise niedriger als 5 µS/cm sein und 20 µS/cm nicht überschreiten. [1, 3]
Herausforderungen
Aktuell ist die vorhersage von Serviceintervallen noch herausfordernd, da die Harzbeladung über die Leitfähigkeit auf der Reinseite bestimmt wird. Ist die Beladungskapazität erschöpft, so kann eine Erhöhung der Leitfähigkeit zum Kurzschluss führen. Ein Spülen des Kühlmittelsystems vor der Inbetriebnahme kann den Austrag von Fertigungsrückständen verbessern. Ebenso kann das erste Serviceintervall kürzer gewählt werden, um auf mögliche hohe Leitfähigkeiten bei der Fahrzeuginbetriebnahme reagieren zu können. Um die Serviceintervalle zu optimieren, sind mögliche Ioneneintragsquellen weiter zu erforschen. [1]
Literatur
[1] S. Leininger, A. Wildermuth, M. Bublinski und M. Kauck, „Ion Exchanger for Fuel Cell Coolant Loop as Customer Independent Market Product,“ 21. Internationales Stuttgarter Symposium, S. 137–152, 2021. doi: 10.1007/978-3-658-33466-6_10. [Online]. Verfügbar unter: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-658-33466-6_10
[2] S. Leininger, A. Wildermuth und M. Süß, „Ion Exchanger for Fuel Cell Coolant Loop: Optimization of Product Service Life,“ in 2024 Stuttgart International Symposium on Automotive and Engine Technology: Teil 2, A. C. Kulzer, H.-C. Reuss und A. Wagner, Hg., 1. Aufl., 2024, S. 37–50, doi: 10.1007/978-3-658-45010-6_3.
[3] A. Kampker, H. H. Heimes, F. Schmitt, T. Hadzovic und M. Betz, „Simulation-Based Development of Thermal Management for Heavy Duty Fuel Cell Commercial Vehicles,“ in 23. Internationales Stuttgarter Symposium: Automobil- und Motorentechnik, A. C. Kulzer, H.-C. Reuss, A. Wagner und FKFS, Hg., 2023, S. 487–502, doi: 10.1007/978-3-658-42048-2_35.
