DE10104771A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entionisieren von Kühlmedien für Brennstoffzellen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entionisieren eines in einem Kühlkreislauf (20) zirkulierenden Kühlmediums einer Brennstoffzelle (11), wobei man das Kühlmedium zumindest intermittierend, vorzugsweise aber kontinuierlich elektrochemisch entionisiert. Dazu ist in dem Kühlkreislauf wenigstens eine Elektrodeionisationszelle (23) angeordnet, die von einem als Kühlmedium dienenden Diluatstrom (27) und einem Konzentratstrom (28) durchströmt wird. Der Konzentratstrom (28) kann Teil eines Sekundärkühlkreislaufes sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entionisie­ ren von Kühlmedien für Brennstoffzellen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, in denen ein Brennstoff, wie z. B. Methanol, Ethanol, Wasserstoff oder entsprechende Gemische, mit einem Verbrennungsmittel, wie z. B. reinem Sauerstoff, Luft, Chlor- oder Bromgas, kontrolliert verbrannt werden kann, wobei die dabei freigesetzte Reaktionsenergie nicht nur in thermische Energie, sondern auch in elektrische Energie umgewandelt wird. Brennstoffzellen werden seit mehreren Jahrzehnten insbesondere in der Raumfahrt zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Auf­ grund ihres hohen Wirkungsgrades, ihrer geringen oder völlig feh­ lenden Schadstoffemission und ihrer geringen Geräuschentwicklung im Betrieb, ist das Interesse am Einsatz von Brennstoffzellen auch in anderen Bereichen in den letzten Jahren stark gestiegen. Hier sind insbesondere der Fahrzeug- und der Kraftwerksbereich zu nennen.

Brennstoffzellen werden typischerweise nach der Art des Elektro­ lyten, der die Anoden- und die Kathodenkammer voneinander trennt, klassifiziert. Ein besonders interessanter Brennstoffzellentyp, der sich insbesondere für den Einsatz in kleineren Kraftwerken und für den mobilen Einsatz (beispielsweise als Fahrzeugantrieb) eignet, ist die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Bei dieser Art von Brennstoffzelle wird eine ionenleitfähige Membran als Elek­ trolyt verwendet. Eine einzelne Festpolymer-Brennstoffzelle um­ fasst im allgemeinen eine sogenannte Membran/Elektrode-Einheit (membrane electrode assembly, MEA), bei der eine ionenleitfähige Membran zwischen einer Kathode und einer Anode angeordnet ist. Die ionenleitfähige Membran dient dabei gleichzeitig als Trenn­ wand und als Elektrolyt. An der Grenzfläche zwischen den Elektro­ den und der Membran sind Katalysatorpartikel angeordnet, welche die Umsetzungsreaktion in der Brennstoffzelle fördern. Die Elek­ troden stehen typischerweise mit porösen Stromsammlern in Kon­ takt, welche außerdem die Elektrodenstruktur stabilisieren und eine Zufuhr von Brennstoff und Verbrennungsmittel erlauben. Da die Betriebsspannung einer Einzelzelle normalerweise weniger als 1 Volt beträgt, bestehen die meisten Brennstoffzellen aus einem Zellstapel, bei dem zur Erzeugung einer höheren Spannung zahlrei­ che aufeinandergestapelte Einzelzellen in Serie geschaltet sind. Die typische Betriebstemperatur einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle liegt im Bereich von 100°C. Höhere Temperaturen können zu einer Beschädigung der Membran führen. Da die elektrochemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und den Verbrennungsmitteln exo­ therm verläuft, muss die Brennstoffzelle üblicherweise gekühlt werden, damit die gewünschte Betriebstemperatur eingehalten wer­ den kann. Da eine relativ große Wärmemenge bei nur geringer Tem­ peraturdifferenz zur Umgebungstemperatur abgeführt werden muss, werden typischerweise flüssige Kühlmittel eingesetzt, die eine ausreichend hohe Wärmekapazität besitzen. Daher sind wässrige Kühlmittel besonders gut geeignet.

Wässrige Kühlmittel weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie bei den metallischen Bestandteilen des Kühlkreislaufs und der Brenn­ stoffzelle zur Korrosion beitragen können. Außerdem stellt ein Kühlmedium, das eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweist, ein Sicherheitsproblem bei Brennstoffzellstapeln dar, die bei ei­ ner höheren Spannung, beispielsweise bei etwa 50 Volt, betrieben werden.

Da die elektrische Leitfähigkeit eines wässrigen Kühlmediums mit abnehmender Ionenkonzentration ebenfalls abnimmt, wurde bereits vorgeschlagen, entionisierte Kühlmedien für Brennstoffzellen zu verwenden. Beispielsweise ist aus US 5,200,278 oder WO 00/17951 bekannt, Ionentauscher im Kühlkreislauf anzuordnen, so dass das wässrige Kühlmittel für einen gewissen Zeitraum weitgehend frei von ionischen Verunreinigungen bleibt. Wird entionisiertes Wasser als Kühlmittel verwendet, so kann dieses gleichzeitig zur Be­ feuchtung der in die Brennstoffzelle strömenden Reaktionsteilneh­ mer verwendet werden, um eine ausreichende Hydratisierung der Po­ lymermembran zu gewährleisten. Nachteilig an den bekannten Syste­ men ist allerdings, dass der Ionenaustauscher nach einer gewissen Betriebszeit erschöpft ist und ausgetauscht werden muss. Dies ist folglich mit einem hohen Wartungs- und Kostenaufwand verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Entionisieren eines Kühlmediums für eine Brennstoffzelle be­ reitzustellen, das einen weitgehend wartungsfreien Betrieb ermög­ licht und einen durch Erschöpfung des Ionenaustauschers erzwunge­ nen Stillstand der Brennstoffzelle vermeidet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren Entionisieren eines Kühlmediums einer Brennstoffzelle gemäß vorliegendem Anspruch 1. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das in einem ersten Kühl­ kreislauf zirkulierenden Kühlmedium zumindest intermittierend elektrochemisch zu entionisieren. Mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren arbeitet der Kühlkreislauf der Brennstoffzelle praktisch wartungsfrei. Sobald beispielsweise ein Leitfähigkeitssensor einen Anstieg der Leitfähigkeit des Kühlmediums registriert, was einer Zunahme der Ionenkonzentration entspricht, kann Spannung an die Elektroden einer in dem Kühlkreislauf angeordneten elektro­ chemischen Zelle angelegt werden, welche einen Teil der Ionen aus dem Kühlkreislauf entfernt. Bevorzugt verwendet man Elektrodialy­ sezellen, welche mit oder ohne Ionentauscher betrieben werden können. Werden Ionentauscher verwendet, so bezeichnet man die entsprechenden Zellen auch als Elektrodeionisationszellen. In derartigen Zellen finden die Entionisierung des Mediums und die Regeneration der Ionentauscher gleichzeitig statt.

In dem Kühlkreislauf sind ein oder mehrere Wärmetauscher angeord­ net. Gemäß einer Variante der Erfindung ist der erste Kühlkreis­ lauf gleichzeitig der einzige Kühlkreislauf und der oder die Wär­ metauscher stehen beispielsweise mit Luft oder Wasser oder einem anderen geeigneten Kühlmedium in Kontakt. Der erste Kühlkreislauf kann allerdings auch als Primärkreislauf mit einem zweiten Kreis­ lauf (Sekundärkreislauf) in thermischem Kontakt stehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Entionisierung des Kühlmediums kontinuierlich während des Betriebs der Brennstoffzelle durchgeführt.

Da bei Verwendung von Ionentauschern niedrigere Restleitfähigkei­ ten des Kühlmediums erreicht werden können als bei einer reinen Elektrodialyse, verwendet man bevorzugt Elektrodeionisationszel­ len und führt dabei das Kühlmedium als Diluatstrom durch die Zelle. Elektrodeionisationszellen sind an sich bekannt und werden beispielsweise zum Entsalzen von Meerwasser verwendet. Eine sol­ che Elektrodeionisationszelle kann z. B. aus einem Mischbett aus Anionen- und Kationentauscherharzen bestehen. Gemäß einer anderen Variante werden Anionen- und Kationentauscherharze in zwei ge­ trennten Kammern angeordnet. Die Ionentauscherpackungen werden von dem Diluat durchströmt und sind durch ionenselektive Membra­ nen von dem Konzentratstrom getrennt.

Vorteilhaft kühlt man den Diluatstrom vor dem Entionisieren ab, um die Temperatur der mit den Ionentauscherkomponenten in Kontakt stehenden Lösungen niedrig zu halten. Dazu kann man beispiels­ weise die Elektrodeionisationszelle stromabwärts (bezogen auf die Strömungsrichtungen des Diluats) von den Kühlern oder Wärmetau­ schern des ersten Kühlkreislaufes anordnen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Variante ist der erste Kühl­ kreislauf als Primärkühlkreislauf ausgestaltet, wobei der abge­ reicherte Diluatstrom mit den korrosionsgefährdeten Bauteilen in Kontakt kommt. Den Konzentratstrom der Elektrodeionisationszelle kann man dann in einem zweiten Kühlkreislauf, dem Sekundärkühl­ kreislauf, zirkulieren lassen und in einem Hauptwärmetauscher ab­ kühlen. Den abgekühlten Konzentratstrom kann man anschließend zum Abkühlen des Diluatstroms verwenden. Der Sekundärkreislauf des Konzentratstroms kann eine Wasserzufuhr aufweisen, mit der Was­ serverluste, die im Betrieb bei der Regeneration der Ionentau­ scher entstehen, ausgeglichen werden können. Bei dieser Variante wird bevorzugt über einen Primärkühler die Wärme des Diluatstroms nach Verlassen der Brennstoffzelle an den Sekundärkreislauf mit dem Konzentrationsstrom abgeführt. Anschließend durchläuft der gekühlte Diluatstrom die Elektrodeionisationszelle. Der aufge­ heizte Konzentrationsstrom wird über den Hauptkühler und an­ schließend in die Elektrodeionisationszelle geleitet, wo er die aus dem Diluat migrierenden Ionen aufnimmt.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren ionischen Leitfähigkeiten im abgereicherten Diluatstrom liegen abhängig von der Eingangsleitfähigkeit üblicherweise unter 1 µS/cm. Es können sogar Leitfähigkeiten von unter 0,1 µS/cm erreicht werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist damit in allgemeinster Form die Verwendung einer Elektrodeionisationszelle zum Entioni­ sieren des Kühlmediums einer Brennstoffzelle.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Brennstoffzel­ lenaggregat mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einem ersten Kühlkreislauf für die Brennstoffzelle, wobei das Brennstoffzelle­ naggregat dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Kühlkreislauf wenigstens eine Elektrodeionisationszelle angeordnet ist, die von einem als Kühlmedium dienenden Diluatstrom und einem Konzentrat­ strom in durchströmt wird. Es können verschiedenste, an sich be­ kannte Elektrodeionisationszellen verwendet werden (vgl. bei­ spielsweise Ganzi et al. "Electrodeionization", Ultrapure Water, July/August 1997).

Für die Elektroden der Elektrodeionisationszellen können geei­ gnete Materialien wie z. B. Edelmetalle, insbesondere Platin, Me­ talloxide oder Graphite verwendet werden. Die Kathoden können beispielsweise auch aus Stahl oder Nickel bestehen. Der Abstand zwischen den Membranen beträgt üblicherweise mehrere hundert µm bis wenige cm. Die Stromdichten sind abhängig von der Restleitfä­ higkeit der Lösungen und können wenige mA/m² bis mehrere A/m² be­ tragen. Bei einem kontinuierlichen Betrieb liegt der Energiebe­ darf einer solchen Elektrodeionisationszelle bei unter einem Watt pro Liter Lösung.

Gemäß einer Variante der Erfindung weisen die Kammern der Elek­ trodeionisationszelle keine Ionentauscherpackungen auf. In diesem Fall wird die Zelle als reine Elektrodialysezelle betrieben. Die erreichbaren Restleitfähigkeiten sind jedoch höher als im Falle einer vergleichbaren Elektrodeionisationszelle mit Ionentauscher­ packungen.

Besonders bevorzugt sind jedoch Ionentauscherpackungen vorgese­ hen. Der Ionentauscher kann beispielsweise aus einem Mischbett aus Anionen- und Kationentauscherharzen bestehen, welches katho­ denseitig durch eine Kationentauschermembran und anodenseitig durch eine Anionentauschermembran begrenzt ist. Die Packungen wird von dem abzureichernden Diluatstrom durchströmt. Die Ionen­ tauschermembranen sind auf der dem Ionentauscherbett gegenüber­ liegenden Seite in Kontakt mit dem Konzentratstrom, der gleich­ zeitig in Kontakt mit den Elektroden steht, zwischen welchen das elektrische Feld aufgebaut wird. Diese Variante bietet die Mög­ lichkeit, mehrere Diluat- und Konzentratkammern alternierend auf­ zubauen, um bei gleicher Elektrodenfläche einen höheren Volumen­ durchsatz zu ermöglichen.

Gemäß einer anderen Variante werden Kationentauscher- und Anio­ nentauscherharze in zwei getrennten Kammern vom Diluat durch­ strömt. Die Kationentauscherharzpackung wird dabei auf einer Seite von einer Kationentauschermembran vom Konzentratstrom und auf der anderen Seite von einer sogenannten bipolaren Membran von der Anionentauscherharzpackung abgegrenzt. An der bipolaren Mem­ bran werden Protonen auf der Seite der Kationentauscherharzpac­ kung und Hydroxylionen auf der Seite der Anionentauscherharzpac­ kung freigesetzt. Die Anionentauscherharzpackung wird ihrerseits von einer Anionentauschermembran vom Konzentratstrom abgegrenzt.

Bevorzugt umspült der Konzentrationsstrom die Elektroden der Elektrodeionisationszelle. Wenn Bestandteile des Konzentratstroms empfindlich gegen Elektrodenreaktionen sind, kann man beispiels­ weise die Elektroden durch eine einfache ionenselektive Membran abschirmen, so dass auch anodisch bzw. kathodisch instabile Kom­ ponenten im Konzentratstrom vorliegen können. So kann man bei­ spielsweise Glykole als Frostschutz zusetzen. Das Kühlmedium kann auch noch zusätzliche Korrosionsinhibitoren enthalten, wie zum Beispiel die in der Patentanmeldung DE-A 100 63 951 beschriebenen ortho-Kieselsäureester. Die ortho-Kieselsäureester haben vorzugs­ weise vier gleiche Alkoholat-Substituenten, der Form Tetra(Alko­ holat)silan. Typische Beispiel für geeignete Kieselsäureester sind reine Tetraalkoxysilane, wie Tetramethoxysilan, Tetraethoxy­ silan, Tetra(n-propoxy)silan, Tetra(iso-propoxy)silan, Te­ tra(n-butoxy)silan, Tetra(tert.-butoxy)silan, Tetra(2-ethylbutoxy)silan, Tetra(2-ethylhexoxy)silan oder Tetra[2-[2-(2-metho­ xyethoxy)ethoxy]ethoxy]silan. Die genannten Substanzen sind ent­ weder kommerziell erhältlich oder durch einfache Umesterung eines Äquivalentes Tetramethoxysilan mit vier Äquivalenten des entspre­ chenden längerkettigen Alkohols oder Phenols durch Abdestillieren von Methanol herstellbar.

Als Kationentauschermembranen eignen sich insbesondere perfluo­ rierte Membranen, wie beispielsweise Nafion®117, welches von der Firma DuPont hergestellt wird. Durch die Membranen diffundieren­ des Wasser wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den gasentwickelnden Elektroden zu Wasserstoff bzw. Sauerstoff zer­ setzt. Gemäß einer weiteren Variante können auch Gasdiffusionse­ lektroden eingesetzt werden, welche anodenseitig zugeführten Was­ serstoff zu Protonen umsetzen und kathodenseitig Sauerstoff zu Wasser reduzieren. Bei einer derartigen Variante kann die Elek­ troden/Membran-Einheit direkt an den Diluatstrom angrenzen.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf in den beigefügten Zeichnungen in dargestellte Ausführungsbeis­ piele ausführlicher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungs­ beispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaggre­ gats mit einem Kühlkreislauf, in welchem eine Elektro­ deionisationszelle angeordnet ist;

Fig. 2 eine detailliertere Darstellung der Elektrodeionisations­ zelle aus Fig. 1, bei welcher der Ionentauscher als Mischbettpackung ausgebildet ist;

Fig. 3 eine Variante der Fig. 2, bei welcher der Ionentauscher separate Kammern für Anionen- bzw. Kationentauscherharze aufweist;

Fig. 4 eine weitere Variante der Fig. 2, bei welcher eine Mem­ bran-Elektroden-Einheit vorgesehen ist; und

Fig. 5 eine schematischen Darstellung eines zweiten Ausführungs­ beispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaggre­ gats, bei welchem der Konzentratstrom einen Sekundärkühl­ kreislauf bildet.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenaggregat 10 schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellenaggregat 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 11, der Zufuhrleitungen für den Brennstoff 12, beispielsweise Wasserstoffgas, und Zufuhrleitungen für das Verbrennungsmittel 13, beispielsweise Luft oder Sauer­ stoff, aufweist. Bei der Zufuhr von gasförmigen Substanzen wird zumindest eines der zugeführten Gase vor der Einleitung in den Brennstoffzellenstapel 11 befeuchtet, um ein Austrocknen der Po­ lymermembranen zu verhindern. Die Reaktionsprodukte können den Brennstoffzellenstapel 11 über Auslassleitungen 14, 15 verlassen. Wird die Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben, so entsteht als Reaktionsprodukt Wasser, welches teil­ weise zum Befeuchten der über die Leitungen 12 und 13 einströmen­ den Gase verwendet werden kann. Im Fall der in Fig. 5 dargestell­ ten Variante mit sekundärem Kühlkreislauf kann ein anderer Teil des entstehenden Wassers auch zum Ausgleich der im sekundären Kühlkreislauf auftretenden Wasserverluste verwendet werden, wie weiter unten detaillierter beschrieben werden wird. Der von dem Brennstoffzellenstapel 11 erzeugte Strom kann über Sammelleitun­ gen 16, 17 zu positiven bzw. negativen Anschlussklemmen 18, 19 ge­ führt werden.

Das Brennstoffzellenaggregat 10 weist einen ersten Kühlkreislauf auf, der insgesamt mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet ist. Als Kühlmittel kann beispielsweise Wasser verwendet werden, welches je nach Einsatzgebiet weitere Hilfsstoffe, wie beispielsweise Frostschutzmittel oder Korrosionsinhibitoren enthalten kann. In dem Kühlkreislauf ist eine Umwälzpumpe 21 angeordnet, welche die Förderung des Kühlmediums bewirkt. Das Kühlmedium wird durch ei­ nen Wärmetauscher 22 transportiert, welcher beispielsweise mit Umgebungsluft in thermischem Kontakt steht. Es kann jedoch auch, wie im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben wird, ein thermischer Kontakt zu einem zweiten Kühlkreislauf realisiert werden. Stro­ mabwärts von dem Wärmetauscher 22 ist bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaggregat eine Elektrodeionisationszelle 23 an­ geordnet, welche die Ionenkonzentration im Kühlmittelkreislauf 20 verringert. Die Elektrodeionisationszelle 23 kann intermittierend betrieben werden. Man kann beispielsweise im Kühlkreislauf 20 ei­ nen Leitfähigkeitssensor 24 anordnen, welcher über einen Schalter 25 eine von einer Spannungsquelle 26 gelieferte Gleichspannung auf die Elektroden der Elektrodeionisationszelle schaltet.

Das Kühlmedium des Kühlkreislaufs 20 fließt als sogenannter Di­ luatstrom 27 durch die Elektrodeionisationszelle 23. Ionen werden in dem Diluatstrom 27 abgereichert und in einem ebenfalls durch die Zelle 23 geführten Konzentratstrom 28 angereichert. Ein be­ sonderer Vorteil der Elektrodeionisationszelle ist darin zu se­ hen, dass im Betrieb gleichzeitig mit der Entionisierung des Di­ luats eine Regeneration der in der Zelle vorzugsweise angeordne­ ten Ionentauscher stattfindet. Eine Erschöpfung des Ionentau­ schers, wie sie beispielsweise bei dem in WO 00/17951 beschriebe­ nen Verfahren auftritt, wird bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Verwendung einer Elektrodeionisationszelle zum Entionisieren vermieden. Der für die Entsalzung und Regeneration erforderliche Energieaufwand ist relativ gering, so dass die Zelle vorteilhaft auch kontinuierlich betrieben werden kann. Je nach Eingangsleit­ fähigkeit des Kühlmittels werden mit einer Leistung von weniger einem Watt pro Liter Lösung Ausgangsleitfähigkeiten von unter 1 µS/cm und sogar bis herab zu 0,1 µS/cm erreicht (zum Vergleich sei angemerkt, dass im Dissoziationsgleichgewicht von reinem Wasser die minimal erreichbare Restleitfähigkeit ca. 0,05 µS/cm be­ trägt).

Es können unterschiedlichste an sich bekannte Elektrodeionisa­ tionszellen in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden. Die Funktionsweise einer Elektrodeionisationszelle und typische Ausführungsbeispiele derartiger Zellen werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 kurz beschrieben.

Prinzipiell besteht eine Elektrodeionisationszelle aus einem Mem­ branstapel, in welchen anionen- und kationenpermeable Ionentau­ schermembranen alternierend angeordnet sind. Durch Abstandshalter werden zwischen den Membranen parallele Fließkanäle gebildet. Je­ der zweite Kanal ist mit Ionentauscherharz in dichter Packung be­ füllt. Durch die Ionentauscherpackungen fließt das abzureichernde Diluat, während in den dazwischen liegenden Kanälen das Konzen­ trat geführt wird, in welchem die aus dem Diluat entfernten Ionen angereichert werden. Der Membranstapel wird durch ein Elektroden­ paar begrenzt, über das transversal ein Gleichspannungsfeld ange­ legt wird.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird das Diluat 27 durch mehrere Kanäle 29, 30 geleitet, die jeweils mit einem Misch­ bett aus Anionen- und Kationentauscherharzen gefüllt sind. Der Membranstapel wird von einer Kathode 31 und einer Anode 32 be­ grenzt. Die Ionentauscherpackungen sind kathodenseitig durch eine Kationentauschermembran 33, 34 und anodenseitlich durch eine Anio­ nentauschermembran 35, 36 begrenzt. Zwischen den einzelnen Diluat­ kanälen 29, 30 wird der Konzentratstrom 28 geführt. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes werden die Ionen über das Ionen­ tauscherharz und die Membranen aus dem Diluatkanal in den Konzen­ tratkanal übergeführt. Durch den alternierenden Aufbau von Di­ luat- und Konzentratkanälen ist es möglich, bei gegebener Elek­ trodenfläche einen höheren Volumendurchsatz zu erreichen. Im Ein­ trittsbereich 37, 38 des Diluats in die Kanäle 29, 30 werden Kat­ ionen über die kationenpermeable Membran 33, 34 und Anionen über die anionenpermeable Membran 35, 36 in den Konzentratkanal 28 überführt. Im Austrittsbereich 39, 40 tritt dagegen vermehrt die Dissoziation von Wasser auf, wobei die gebildeten Protonen und Hydroxylionen die Ionentauscher in die H⁺- bzw. OH^--Form überführen. Die im Eingangsbereich freigesetzten Ionen werden über die Harzoberfläche weitergeleitet, so dass gleichzeitig mit der Ent­ ionisierung eine Regeneration der Ionentauscherharze gewährlei­ stet ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Variante der Elektrodeionisa­ tionszelle 23 liegt im Gegensatz zur Variante der Fig. 2 kein Mischbett vor, sondern das Kühlmedium für die Brennstoffzelle wird als Diluat 27 zunächst durch eine Kationentauscherharzpac­ kung 41 und anschließend durch eine Anionentauscherharzpackung 42 geleitet. Im dargestellten Beispiel sind die Packungen 41 und 42 als Doppellage ausgebildet und werden durch eine sogenannte bipo­ lare Membran 43 voneinander getrennt. An der bipolaren Membran 43 werden Protonen auf der Seite der Kationentauscherharzpackung 41 und Hydroxylionen auf der Seite der Anionentauscherharzpackung 42 freigesetzt. Die Kationentauscherharzpackung 41 wird zu Kathode 44 hin von einer kationenpermeablen Membran 45 begrenzt, während die Anionentauscherharzpackung 42 zur Anode 46 hin von einer an­ ionenpermeablen Membran 47 begrenzt wird. Die Harzdoppellage wird demnach nur an ihrer Ober- und Unterseite von dem Konzentrat 28 umströmt.

In den dargestellten Beispielen lassen sich die Elektroden durch geeignete Membranen gegen die Konzentratlösung abschirmen, so dass auch anodisch bzw. kathodisch instabile Komponenten im Kon­ zentratstrom vorliegen können. Die Kathode lässt sich beispiels­ weise durch eine anionenpermeable Membran und die Anode und eine kationenpermeable Membran abschirmen. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich daher insbesondere zur Entionisierung von Kühlmitteln von Brennstoff­ zellen, die aufgrund ihres Anwendungsbereichs mit Frostschutzmit­ teln versetzt werden müssen. So ist die Erfindung für Anwendungen im Automobilbereich besonders geeignet, da beispielsweise Wasser/­ Glykol-Gemische als Kühlmittel verwendet werden können.

Durch die Membranen diffundierendes Wasser wird durch Anlegen ei­ ner elektrischen Spannung an den gasentwickelnden Elektroden zu Wasserstoff bzw. Sauerstoff zersetzt.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 werden wieder eine separate Kationentauscherpackung 48 und Anionentauscherpackungen 49 verwendet. Die Elektroden sind als Membran/Elektrodeneinheit ausgebildet. So liegt die Anode 50 mit einer zwischengeschalteten kationenpermeablen Membran 51 unmittelbar an der Kationentau­ scherpackung 48 an, während die Katode 52 mit einer anionenper­ meablen Membran 53 an der Anionentauscherpackung 49 anliegt. Der Konzentratstrom 28 wird in einem Kanal zwischen den Packungen 48 und 49 geführt und ist durch eine kationenpermeable Membran 54 bzw. eine anionenpermeable Membran 55 begrenzt.

Die Elektroden können als Gasdiffusionselektroden ausgebildet sein.

Schließlich zeigt Fig. 5 eine Variante des Brennstoffzellenaggre­ gats 10 der Fig. 1, bei welcher der Konzentratstrom 28 als Sekun­ därkühlkreislauf 56 dient. Die Komponenten, die bereits im Zusam­ menhang mit der Variante der Fig. 1 beschrieben wurden, sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden hier nicht mehr erläutert. Der Konzentratstrom 28 nimmt in dem Wärmetauscher 22 Wärme aus dem Diluatstroms 27 auf. Der gekühlte Diluatstrom 27 wird der Elektrodeionisationszelle 23 zugeführt. Der erwärmte Konzentratstrom wird zunächst über einen Hauptwärmekühler 57 ge­ leitet und nach Abkühlung ebenfalls der Elektrodeionisationszelle zugeführt. In dem Sekundärkühlkreislauf 56 ist eine Förderpumpe 58 angeordnet. Über eine Leitung 59 können bei Bedarf Wasserver­ luste in dem Sekundärkühlkreislauf 56 ersetzt werden. Wird die Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff gespeist, kann ein Teil des als Reaktionsprodukt anfallenden Wassers aus den Leitungen 14, 15 über die Leitung 59 in den Sekundärkühl­ kreislauf 56 eingespeist werden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Entionisieren eines in einem ersten Kühlkreis­ lauf zirkulierenden Kühlmediums einer Brennstoffzelle, wobei man das Kühlmedium zumindest intermittierend elektrochemisch entionisiert.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Kühlmedium kontinuierlich entionisiert.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass man beim Entionisieren das Kühlmedium als Di­ luatstrom durch eine Elektrodeionisationszelle führt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man den Diluatstrom vor dem Entionisieren abkühlt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Konzentratstrom der Elektrodeionisationszelle in einem zweiten Kühlkreislauf abkühlt und anschließend zum Abkühlen des Diluatstroms verwendet.

6. Verwendung einer Elektrodeionisationszelle zum Entionisieren eines Kühlmediums einer Brennstoffzelle.

7. Brennstoffzellenaggregat (10) mit wenigstens einer Brenn­ stoffzelle (11) und einem ersten Kühlkreislauf (20) für die Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühl­ kreislauf (20) wenigstens eine Elektrodeionisationszelle (23) angeordnet ist, die von einem als Kühlmedium dienenden Di­ luatstrom (27) und einem Konzentratstrom (28) durchströmt wird.

8. Brennstoffzellenaggregat gemäß Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Elektrodeionisationszelle (23) ein von dem Diluatstrom (27) durchströmtes Mischbett (29, 30) aus Anionen- und Kationentauscherharzen umfasst.

9. Brennstoffzellenaggregat gemäß Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Elektrodeionisationszelle eine von dem Di­ luatstrom (27) durchströmte erste Kammer mit einem Kationen­ tauscherharz (41; 48) und eine zweite Kammer mit einem Anio­ nentauscherharz (42; 49) umfasst.

10. Brennstoffzellenaggregat in gemäß Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine bipolare Membran (43) zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer angeordnet ist.

11. Brennstoffzellenaggregat gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentratstrom (28) in ei­ nem zweiten Kühlkreislauf (56) geführt wird, wobei stromauf­ wärts von der Elektrodeionisationskammer (23) ein Wärmetau­ scher (22) angeordnet ist, welcher den ersten und den zweiten Kühlkreislauf (20, 56) thermisch koppelt.