CN101533919A - 燃料电池用离子交换滤筒 - Google Patents
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Abstract
燃料电池用离子交换滤筒，包含内部设置有离子交换树脂的壳体。壳体包含入口和至少一个流体可渗透的、设置成让冷却剂流经的出口窗。离子交换滤筒适于可移除地设置在冷却剂系统中。也提供了具有该离子交换滤筒的离子交换滤筒组件和冷却剂箱组件。
Description
技术领域
【0001】本发明涉及燃料电池系统，更具体来说，涉及用于燃料电池系统的离子交换滤筒。
背景技术
【0002】燃料电池作为清洁、高效和环保的能源被建议用于电动车辆和各种其他应用中。特别地，燃料电池已被确认为现代车辆中所使用的传统内燃机的潜在的替代物。
【0003】一种类型的燃料电池公知为质子交换膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池通常包括3个基本构件：阴极、阳极和电解质膜。阴极和阳极通常包括磨碎的催化剂，例如铂，其被支撑在碳颗粒上并且与离聚物混合。电解质膜夹在阴极和阳极之间以形成膜-电解质组件(MEA)。MEA经常设置在多孔扩散介质(DM)之间，这使得用于发生电化学燃料电池反应的气态反应物的输送更加便利，气态反应物通常是氢气和氧气。可将单个燃料电池串联堆叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池堆能够供应足以为车辆提供电力的电量。
【0004】在燃料电池堆工作期间，燃料电池堆的温度通常维持在期望的范围内使得电化学燃料电池反应能够进行。通常使用具有与燃料电池堆流体连通的冷却管线和冷却剂箱的冷却剂系统来实现这个目的。来自冷却剂箱的冷却剂，例如基本纯净的水，被供应给燃料电池堆以调节燃料电池堆的温度。通常希望供应给燃料电池堆的冷却剂具有最低导电率。如果冷却剂中存在离子，则冷却剂的导电率会提高且燃料电池堆的发电效率会下降。为了阻止燃料电池堆效率下降，通常在冷却剂系统中使用用于去除冷却剂中离子的离子交换滤筒。
【0005】已知的离子交换滤筒在线(in-line)设置在冷却剂箱和燃料电池堆之间。充分使用之后，必须更换掉并妥善丢弃包含壳体、连接器和树脂在内的废旧离子交换滤筒。在在线离子交换滤筒上进行这种检修通常是很难的。例如，进入到放置离子交换滤筒的发动机隔间部分可能是受限的。此外，必须打开管线来更换在线离子交换滤筒，这导致至少流失了一些冷却剂。因此，在这种检修过程中来自环境的污染物进入到冷却剂系统是有可能的。在检修之后，通常还需要进行随后不希望有的冷却剂系统的清理。
【0006】存在对这样的离子交换滤筒和具有该离子交换滤筒的冷却剂系统的检修方法的持续需求，即，其使用可再用零件、使浪费最小化、使检修过程中的冷却剂损失最小化，并且使冷却剂系统在环境污染物中的暴露最小化。期望的是，离子交换滤筒也具有具备关闭和密封功能的集成壳体以便于通过检修来再使用和再填充离子交换滤筒。
发明内容
【0007】根据本发明，惊人地发现了一种离子交换滤筒和具有该离子交换滤筒的冷却剂系统的检修方法，其使用可再用零件、使浪费最小化、使检修过程中的冷却剂损失最小化，并且使冷却剂系统在环境污染物中的暴露最小化，并且具有具备关闭和密封功能的集成壳体以便于通过检修来再使用和再填充离子交换滤筒。
【0008】在一个实施例中，用于燃料电池堆的冷却剂系统的离子交换滤筒包括适于在内部容纳离子交换树脂的壳体。壳体具有入口和至少一个流体可渗透的、设置成让冷却剂流经的出口窗。离子交换滤筒适于可移除地设置在冷却剂系统中。
【0009】在进一步实施例中，用于燃料电池堆的冷却剂系统的离子交换滤筒组件包括离子交换滤筒，离子交换滤筒具有设置有离子交换树脂的壳体。离子交换滤筒组件包括连接到离子交换滤筒的支架。支架适于从冷却剂系统中移除离子交换滤筒。
【0010】在另一个实施例中，用于燃料电池堆的冷却剂系统的冷却剂箱组件(CTA)包括冷却剂箱，冷却剂箱具有冷却剂入口和冷却剂出口。冷却剂箱具有形成于其中的孔口。CTA包括可移除地设置在冷却剂箱中并与冷却剂入口流体连通的离子交换滤筒组件。
附图说明
【0011】从下面的具体实施方式，尤其是在按照下面描述的附图来考虑时，本发明的上述以及其他优点对于本领域技术人员将变得显而易见。
【0012】图1示出了燃料电池堆的冷却剂系统的透视剖视图，该冷却剂系统包括根据本发明的离子交换滤筒组件；
【0013】图2是根据本发明的离子交换滤筒组件的侧视分解图；
【0014】图3是示于图2的离子交换滤筒组件的离子交换滤筒的俯视图；
【0015】图4是示于图2的离子交换滤筒组件的离子交换滤筒的侧视图；
【0016】图5是示于图2的离子交换滤筒组件的离子交换滤筒的仰视图；
【0017】图6是示于图2的离子交换滤筒组件的滤筒夹的透视图；
【0018】图7是示于图2的离子交换滤筒组件的滤筒夹的侧视图；
【0019】图8是示于图2的离子交换滤筒组件的滤筒夹的俯视图；以及
【0020】图9是根据本发明的离子交换滤筒组件的侧视分解图，示出了组装离子交换滤筒组件的方法。
具体实施方式
【0021】下面的描述实质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或使用。应当理解，在所有附图中，相应的标记号表示相似或者相应的部分和特征。就公开的方法而言，所介绍的步骤实质上是示例性的，因此并非必需或关键的。
【0022】图1示出了根据本发明的具有冷却剂箱组件2(CTA)的冷却剂系统。CTA2包括具有冷却剂入口6和冷却剂出口8的冷却剂箱4。冷却剂入口6和冷却剂出口8流体连通于燃料电池堆(未示出)，例如，经由冷却回路。冷却剂箱4适于接收已经循环通过燃料电池堆的冷却剂并在冷却剂再循环之前存储冷却剂。示出的冷却剂箱4是多室冷却剂储箱。本领域技术人员应当理解，也可以按照需要采用冷却剂箱4的其他结构，例如，单室冷却剂箱4。也可以采用：多个冷却剂入口6，设置在冷却剂箱4的任一端，以及多个冷却剂出口8，通常设置在冷却剂箱4的底端。
【0023】冷却剂箱4具有形成于其中的孔口10。离子交换滤筒组件12通过孔口10插入并安置于与冷却剂入口6相邻的冷却剂箱4的底部14。离子交换滤筒组件12流体连通于冷却剂入口6并适于让冷却剂从中流过。在冷却剂进入冷却剂箱4以及随后进入燃料电池堆之前，冷却剂流经离子交换滤筒组件12以从冷却剂中去除不希望有的离子。
【0024】参照图1和图2，离子交换滤筒组件12包括具有壳体18的离子交换滤筒16。壳体18适于让离子交换树脂设置于其中。离子交换树脂可以是基本上水不溶性的材料，例如以珠状物的形式提供。在一个实施例中，离子交换树脂由有机聚合物基片制成。作为非限制性实例，离子交换树脂可以包括至少一种：强酸聚合物，例如，具有磺酸基；强碱聚合物，例如，具有三甲铵基；弱酸聚合物，例如，具有羧基；以及弱碱聚合物，例如，具有氨基。作为进一步的非限制性实例，离子交换树脂可以包括聚苯乙烯磺酸钠(polyAMPS)、聚(丙烯氨基-N-丙基三甲基氯化铵)(polyAPTAC)和聚乙烯胺中的至少一种。本领域技术人员应当理解，也可以按照需要使用其他合适的离子交换树脂。
【0025】离子交换滤筒16具有至少一个形成于壳体18中的流体可渗透的出口窗20。在特定实施例中，离子交换滤筒16具有多个环绕壳体18布置的出口窗20。出口窗20设置成让冷却剂从冷却剂入口6流经此处，经过离子交换树脂并进入冷却剂箱4。例如，流经离子交换滤筒16的冷却剂流量可为大约1升每分钟到大约5升每分钟。在特定实施例中，流经离子交换滤筒16的冷却剂流量可为大约2升每分钟到大约4升每分钟。可以按照需要来为燃料电池堆的冷却剂系统选择合适的冷却剂流。也可以合适地选择离子交换滤筒16的尺寸以容纳所期望的流速并使穿过离子交换滤筒16的压降最小化。
【0026】离子交换滤筒16的壳体18具有第一端22，第一端22具有形成于其中的第一开口23。壳体18具有第二端24，第二端24具有形成于其中的入口25。入口25适于和冷却剂箱4的冷却剂入口6流体连通。入口25使冷却剂便于流入离子交换滤筒16中以去除不希望有的离子。
【0027】离子交换滤筒16包括封盖26，封盖26可移除地连接到壳体18并适于密封第一开口23。封盖26可以具有这样的尺寸，即允许封盖26至少部分地插入到壳体18的第一开口23中。
【0028】壳体入口25和出口窗20中的至少一个可具有设置于其上的多孔盖27，例如网。可按照需要选择合适的多孔盖27。例如，多孔盖27可随壳体18整体模制成形。多孔盖27可在壳体18上二次模制成形。在另一个实施例中，例如，多孔盖27可以是粘接到和焊接到壳体18中的至少一种以覆盖壳体入口25和出口窗20。当离子交换滤筒16被设置在冷却剂箱4中时，尤其是当冷却剂流经离子交换滤筒16时，多孔盖27适于将离子交换树脂保持在壳体18内。
【0029】壳体18适于可移除地设置在冷却剂箱4中。例如，壳体18可为基本圆柱状的桶，其通过冷却剂箱4的孔口10插入。在一个实施例中，离子交换滤筒组件12还包括连接到离子交换滤筒16的支架28。例如，支架28可适于与封盖26相连。凭此，支架28使得能够按照需要从冷却剂箱4中移除离子交换滤筒16。支架28也可具有这样的长度，即允许离子交换滤筒16在安装到CTA2中时安置在冷却剂箱4的基座上。
【0030】盖子30在支架28远离离子交换滤筒16的一端连接到支架28。按照需要，盖子30可以是搭锁式和螺纹式中的至少一种。也可以使用其他合适类型的盖子30。在特定实施例中，冷却剂箱4的孔口10可被向外延伸的、螺纹式凸缘(未示出)围绕。冷却剂箱4的螺纹式凸缘可与螺纹式盖子30配合以在离子交换滤筒组件12工作期间密封冷却剂箱4的孔口10。例如，盖子30可包括扁平密封O形圈(未示出)，用于密封插有离子交换滤筒16的冷却剂箱4的孔口10。
【0031】离子交换滤筒组件12，尤其是离子交换滤筒16，可以节省成本地生产，例如，采用现有技术中公知的注模工艺。按照需要可以采用其他合适的用于生产和组装离子交换滤筒组件12以及离子交换滤筒16的工艺。
【0032】现在参照图2-8，更详细地描述了本发明的离子交换滤筒组件12的多种实施例。离子交换滤筒16的壳体18适于与封盖26相连。作为非限制性实例，壳体18的第一端22具有至少一个阴性夹部分32，其与形成在封盖26上的至少一个阳性夹部分34相配合。阴性夹部分32可包括，例如，向外延伸部分36，其具有形成于其中的夹开口38以接收阳性夹部分34。本领域技术人员应当理解，按照需要，至少一个阴性夹部分32可以可替代地形成于封盖26上，以及至少一个阳性夹部分可以可替代地形成于壳体18上。
【0033】在进一步的实施例中，第一密封部件40，例如第一O形圈，设置在封盖26和壳体18的第一开口23之间。应当理解，本领域技术人员可选择其他合适的密封部件来用作第一密封部件40。当组装封盖26和壳体18以形成离子交换滤筒16时，第一密封部件40提供封盖26和壳体18之间的密封接合。当从冷却剂箱4中移除以更换废旧的离子交换树脂时，第一密封部件40使得离子交换滤筒16便于打开。
【0034】在特定实施例中，第一密封部件40可设置在第一圆周槽42中，第一圆周槽42形成于壳体18和封盖26之一中。应当理解，在组装离子交换滤筒16时，第一密封部件40可以设置在封盖26的表面上并夹在该表面和壳体18的内壁之间。封盖26的隔离壁43和封盖26的第一密封部件40阻止了冷却剂流经壳体18的第一开口23。壁43和第一密封部件40也阻止了由冷却剂流的压力所引起的任何离子交换树脂从壳体18中的排出。
【0035】封盖26也可具有至少一个阳性卡口式组装件44。阳性卡口式组装件44适于和支架28上的阴性卡口式组装件46相连。阳性卡口式组装件44可包括与阴性卡口式组装件46相配合的沟槽48。作为非限制性实例，阳性卡口式组装件44可包括多个向外延伸的夹部分，阴性卡口式组装件46可包括适于紧密配合在夹部分上的环部分。本领域的普通技术人员应当理解，阳性卡口式组装件44可以可替代地形成于支架28上，而阴性卡口式组装件46可以可替代地形成于封盖26上，如果需要的话。也可以使用其他合适的装置来连接封盖26和支架28以可移除地将离子交换滤筒16设置在冷却剂箱4中。例如，封盖26、支架28和盖子30中的至少一个可以整体成形为单个零件。
【0036】在附加实施例中，壳体18的第二端24具有第二密封部件50，例如第二O形圈。第二密封部件50可以围绕壳体18的第二端24。第二密封部件50适于密封地安置在与冷却剂入口6流体连通的冷却剂箱4中。例如，第二密封部件50可以设置在壳体18和形成在冷却剂箱4的基座中的底座部分(未示出)之间，与冷却剂入口6对齐。第二密封部件50可以凭此阻止冷却剂流绕过离子交换滤筒16而直接进入冷却剂箱4中。和第一密封部件40一样，第二密封部件50可以按照需要来选择。第二密封部件50可以设置在第二圆周槽52中，第二圆周槽52在壳体18的第二端部24处形成于壳体18中。
【0037】现在参照图9，提供了一种组装本发明的离子交换滤筒组件12的方法。该方法包括：首先向壳体18提供第二密封部件50，向封盖26提供第一密封部件40和支架28。然后，用合适的离子交换树脂填充壳体18。将封盖26连接到壳体18上，例如，通过将封盖插入到壳体18中直到封盖26的阳性夹部分34与壳体18的阴性夹部分32相配合以阻止它们之间的相对运动。类似地，该方法包括：将支架28和封盖26相连接，例如，通过将封盖26的阳性卡口式组装件44插入到支架28的阴性卡口式组装件46中直到阳性卡口式组装件44的沟槽48与阴性卡口式组装件46相配合以阻止它们之间的相对移动。凭此，离子交换滤筒组件12组装完成并备用于安装到冷却剂箱4中。
【0038】通过将离子交换滤筒组件12插入孔口10来将离子交换滤筒组件12安装到冷却剂箱4中。离子交换滤筒16的第二端24密封地安置在冷却剂箱4的基座上，该基座流体连通于冷却剂箱4的冷却剂入口6。然后，用盖子30将冷却剂箱4密封，例如，如果是螺纹的则通过旋拧盖子30。应当理解，支架28不随着盖子30的旋拧而转动。使用一段时间以后，可通过开启盖子30和拉动支架28以使离子交换滤筒16离开基座并移除来将离子交换滤筒16从冷却剂箱4中移除。然后，可将离子交换滤筒组件12部分地或者完全地拆散，用新的离子交换树脂来再填充废旧的离子交换滤筒16。可替代地，可以用含有新树脂的已再填充过的离子交换滤筒16来替换废旧的离子交换滤筒16。
【0039】本领域技术人员应当理解，离子交换滤筒组件12具有最佳化和加强的尺寸。本发明的CTA2和离子交换滤筒组件12使得便于检修和更换废旧的离子交换树脂，例如，在供应商再填充站。特别地，惊人地发现本发明的夹子32、34和卡口44、46允许离子交换滤筒16移除和拆卸多次而不使用专用工具来更换离子交换滤筒16内部的离子交换树脂。
【0040】此外，检修时的冷却剂损失被降到最低，因为离子交换滤筒16可以简单地从冷却剂箱4中移除而不用像在传统的在线离子交换系统中的实践那样破坏冷却管线。与传统的在线系统不同，离子交换滤筒16可以再填充和回收，而不是在移除之后被处理掉。类似地，本发明的CTA2和离子交换滤筒组件12将冷却剂在污染物中的暴露降到最低，例如通过环境接触带来的污染物。
【0041】可以选择离子交换滤筒16中的至少一个窗口20的位置，使得该至少一个窗口20与冷却剂箱4中的冷却剂基本连续接触。因此，应当理解，离子交换滤筒16内部的离子交换树脂和冷却剂箱4内部的冷却剂流体之间的接触有利地清洁了冷却剂，而不管冷却剂是否流经离子交换滤筒16。因此，本发明的离子交换滤筒16也可以在冷却剂系统处于关闭模式期间清洁冷却剂。
【0042】尽管出于阐释本发明的目的已展示了某些代表性实施例和细节，但对于本领域技术人员而言是很明显的，即在不偏离本发明的范围的情况下可以做出各种变化，在所附权利要求中对本发明的范围作了进一步描述。
Claims (20)
1.一种用于冷却剂系统的离子交换滤筒，包括：
壳体，适于在内部容纳离子交换树脂，壳体具有入口和至少一个流体可渗透的、设置成让冷却剂流经的出口窗，壳体适于可移除地设置在冷却剂系统中。
2.权利要求1的离子交换滤筒，其中壳体适于可移除地设置在冷却剂系统的冷却剂箱中。
3.权利要求1的离子交换滤筒，其中壳体具有在其中形成有第一开口的第一端。
4.权利要求3的离子交换滤筒，还包括连接到壳体并密封壳体的第一开口的封盖，封盖适于和支架相连接以从冷却剂系统中移除离子交换滤筒。
5.权利要求4的离子交换滤筒，还包括设置在封盖和壳体之间的第一密封部件，第一密封部件提供壳体和封盖之间的密封接合。
6.权利要求4的离子交换滤筒，其中封盖具有阳性卡口式组装件，阳性卡口式组装件适于和支架上的阴性卡口式组装件相连接以从冷却剂系统中移除离子交换滤筒。
7.权利要求4的离子交换滤筒，壳体的第一端具有至少一个阴性夹部分，阴性夹部分与形成于封盖上的至少一个阳性夹部分相配合以将壳体连接到封盖上。
8.权利要求1的离子交换滤筒，壳体具有带有圆周槽的第二端。
9.权利要求8的离子交换滤筒，还包括设置在圆周槽中的第二密封部件。
10.权利要求1的离子交换滤筒，其中壳体入口和流体可渗透的出口窗中的至少一个包括网。
11.权利要求1的离子交换滤筒，其中壳体是基本圆柱状的桶。
12.一种用于燃料电池堆的冷却剂系统的离子交换滤筒组件，包括：
离子交换滤筒，包含内部设置有离子交换树脂的壳体，壳体具有入口和至少一个流体可渗透的、设置成让冷却剂流经的出口窗，壳体适于可移除地设置在冷却剂系统中；以及
连接到离子交换滤筒的支架，支架适于从冷却剂系统中移除离子交换滤筒。
13.权利要求12的离子交换滤筒组件，其中离子交换滤筒还包含设置在支架和壳体之间的封盖。
14.权利要求12的离子交换滤筒组件，其中支架包含阴性卡口式组装件，封盖包含阳性卡口式组装件，阴性卡口式组装件和阳性卡口式组装件相配合以将支架连接到离子交换滤筒。
15.权利要求12的离子交换滤筒组件，还包含连接到支架的盖子。
16.权利要求15的离子交换滤筒组件，其中盖子为螺纹式并且包含扁平密封O形圈以密封冷却剂系统的孔口，离子交换滤筒通过该孔口插入。
17.一种用于燃料电池堆的冷却剂系统的冷却剂箱组件(CTA)，包括：冷却剂箱，具有冷却剂入口和冷却剂出口，冷却剂箱具有形成于其中的孔口；以及
离子交换滤筒组件，可移除地设置在冷却剂箱中并且和冷却剂入口流体连通，离子交换滤筒组件包含离子交换滤筒，离子交换滤筒具有内部设置有离子交换树脂的壳体，壳体具有入口和至少一个流体可渗透的、设置成让冷却剂流经的出口窗。
18.权利要求17的冷却剂箱组件(CTA)，其中离子交换滤筒组件还包括连接到离子交换滤筒的支架，支架具有在远离离子交换滤筒的一端连接到支架的螺纹盖。
19.权利要求18的冷却剂箱组件(CTA)，其中冷却剂箱具有向外延伸的螺纹式凸缘，螺纹式凸缘与支架的螺纹盖相配合以在离子交换滤筒被插入以工作时密封冷却剂箱的孔口。
20.权利要求17的冷却剂箱组件(CTA)，其中离子交换滤筒组件的壳体入口密封地位于冷却剂箱内部，并与冷却剂箱的冷却剂入口流体连通，其中冷却剂流经离子交换滤筒组件的壳体入口，经过离子交换树脂，流出流体可渗透的出口窗并进入冷却剂储箱。
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