CN103201887A - 用于燃料电池系统的冷却剂回路以及用于对离子交换材料进行更换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于尤其是车辆（1）的燃料电池系统的冷却剂回路（3），其中在冷却剂回路（3）的至少一个部件（5、6）中安置有离子交换材料（4），在冷却运行期间冷却剂流经所述部件。其中，离子交换材料（4）固定在所述至少一个部件（5、6）的壁的内侧（7）上。在更换离子交换材料（4）的过程中，更换整个部件（5、6）并用替补部件（12、13）进行替换。此外，本发明还涉及一种对在用于燃料电池系统的冷却剂回路（3）中的离子交换材料（4）进行更换的方法。

Description

用于燃料电池系统的冷却剂回路以及用于对离子交换材料进行更换的方法

技术领域

本发明涉及一种用于（尤其是车辆中的）燃料电池系统的冷却剂回路，其中在由冷却剂流经的至少一个冷却剂回路部件中安置有离子交换材料。此外，本发明还涉及一种用于对在用于燃料电池系统的冷却剂回路中的离子交换材料进行更换的方法。

背景技术

DE 10 2009 012 379 A1描述了一种冷却剂补偿容器，其安置在用于车辆燃料电池系统的冷却剂回路中。该冷却剂回路用于对燃料电池系统的燃料电池堆进行冷却。所述冷却剂补偿容器具有用于冷却剂的入口和出口。该冷却剂补偿容器中安置有离子交换筒（Kartusche），同时该装置与入口建立流体联接。因此，进入冷却剂容器的冷却剂可流经离子交换筒，并经由允许冷却剂通过的流出窗口排出。之后，借助离子交换树脂去离子化的冷却剂经由冷却剂补偿容器的出口流向燃料电池堆。

根据JP 09019678 A1所述，在冷却剂补偿容器中安置有圆柱型过滤器，其固定在该冷却剂补偿容器的底面和盖子上。燃料电池系统的冷却剂流入该过滤器的圆柱形内空间，同时在经过该过滤器的过程中清除了外部材料（如微粒或锈）。经过滤的冷却剂流向具有离子交换材料的容器。随后，去离子化的冷却剂经由供给管道到达需进行冷却的燃料电池系统部件。

在前述类型的冷却剂回路中，相对而言经常需要对离子交换材料进行更换，这是由于其离子交换的能力逐渐耗尽所致。

发明内容

因此，本发明的目的是，提出一种前述类型的冷却剂回路和方法，以实现尤其长的离子交换材料使用寿命。

本发明的目的通过具有权利要求1所述特征的冷却剂回路以及通过具有权利要求10所述特征的方法得以实现。本发明的有利的实施方案在从属权利要求中叙及。

在按本发明所述的用于燃料电池系统的冷却剂回路中，在冷却剂回路的在冷却运行期间所流经的至少一个部件中安置有离子交换材料。这里，所述离子交换材料固定在所述至少一个部件的壁的内侧上。由于离子交换材料的在冷却剂回路的所述至少一个部件中的固定集成，因此为更换离子交换材料就不再需要操作筒或此类装置，而是当离子交换材料的离子交换能力耗尽时对所述部件进行整体更换。这样，可以避免使用具有离子交换材料的储剂装置或筒。通过这种无储剂装置的冷却剂回路设计，该冷却剂回路同样可以实现尤为紧凑的构造形式。

当具有离子交换材料的部件被完全替换（而不是仅更换离子交换材料）时，可尤其在很大程度上避免离子交换处理过程中对冷却剂的污染。由于在更换离子交换的过程中没有污染物进入到冷却剂中，所以可以在尤其长的时间段内确保离子交换材料的离子交换能力，从而使得离子交换材料具有更长的使用寿命。

在离子交换材料固定存在的前提下，离子交换材料的更换可在至少一个部件中不仅洁净地，同时也是尤其快速及简便地实现。尤其还可以在很大程度上排除在离子交换材料处理过程中的错误。这可以实现燃料电池系统的稳定运行，其可尤其适用于车辆中的移动应用。在具有燃料电池系统的车辆中，冷却剂会流动经过带电零件（如燃料电池堆）。因此，冷却剂应具有极弱的导电性。为了确保这一点，冷却剂回路中存在有离子交换材料。

由于通过将含有离子交换材料的部件连同该部件一起同时设置在冷却剂回路中来将离子交换材料引入到冷却剂回路中，所以就冷却剂回路的重量而言以及针对结构空间来讲也能实现诸多优点。由于为取出至少一个部件并用替补部件对其进行替换只需在冷却剂回路中设置少量接口，所以可以保证离子交换材料的特别稳定的安装和拆卸。此外，由于与该至少一个含有离子交换材料的部件的良好可接触性，可以特别轻松地完成维护及保养工作。

通过避免冷却剂中的污染，不仅使得离子交换材料的饱和非常缓慢地进行，这对于冷却剂回路的用户而言使得保养周期尤其变短。冷却剂的污染还会导致冷却剂的导电性的提高，由于冷却剂中的高导电性会产生安全风险，所以这是应该避免的。冷却剂与燃料电池堆发生接触，其在燃料电池系统的使用过程中会产生相对来说较高的电压。

离子交换材料在所述至少一个部件的壁的内侧上的固定因而使得可实现对离子交换材料尤为洁净的处理，这使得至多只有极少的污染被带入冷却剂中。

离子交换材料可以安置在冷却剂回路的全部部件的壁内侧上，以提供尤其相对较大的离子交换材料反应面积。然而，优选的是，离子交换材料仅存在于冷却剂回路的一分区中。

这样，按本发明有利的实施方案，离子交换材料可以固定在冷却剂回路的冷却剂补偿容器的壁的内侧上和/或固定在冷却剂回路的管线区段的壁的内侧上。之后，在需要进行保养的情况下，只需对冷却剂补偿容器以及管线区段进行更换，以在冷却剂回路中提供未经消耗的、同时也是未饱和的离子交换材料。所述的冷却剂补偿容器或管线区段有利地指具有良好可触及性的部件。

当所述管线区段以螺旋管形式构成时，是进一步有利的。冷却剂回路中以这种圆柱型螺旋形式构成的区段实现了，即使在结构空间关系非常狭小的情况下，也能确保冷却剂与冷却剂交换材料之间的紧密接触。对于现有的结构空间的调整可以通过对螺旋管的单个圈的数量和/或直径的调整来进行，和/或通过对单个线圈之间的（尤其是可变的）距离加以规定来进行，以及通过调整其几何形状来进行。这里，螺旋管或离子交换螺旋管可由导管和/或柔性的软管构成。作为螺旋管的替代品，可以保证冷却剂与冷却剂交换材料之间紧密接触的其它结构类型也是适用的，例如蛇管（即回形的管断面，其具有多个一个接一个的流动方向的反转）或形式为板式热交换器的装置（即一种管断面，其中对抗流动阻力例如导向板反复地引导流动）。

在本发明另一有利的实施方案中，离子交换材料以涂敷在该至少一个部件的壁的内侧上的涂层形式构成。由此，可以实现被流动通过的部件的极小的流经阻力，同时尤其在很大程度上使得离子从冷却剂中脱离。然而，离子交换材料可以完全填满该至少一个部件的可流通的横截面，这样，就在冷却运行时提供了冷却剂与离子交换材料之间尤为紧密的接触。

当离子交换材料通过部件的至少局部熔化而与部件的壁连接在一起时，离子交换材料的固定在很大程度上通过将其固定在部件的内壁上来实现的。这可以有利地已在部件的生产过程中就进行。

附加地或备选地，可以将离子交换材料粘贴在部件的壁的内侧上。这样，便可以无破坏且稳定地实现离子交换材料与内壁的连接。也可以通过其他的方式和方法将离子交换材料固定在部件的壁的内侧上，例如夹紧、铆接、锁定或压紧等类似的方式方法。然而，对离子交换材料进行粘贴处理，是尤为优选的。

在附加或备选的实施例中，离子交换材料可配置有反应性化学基团（即所谓的锚定基团），其可以与部件壁内侧上的相对应的反应性化学基团发生化学反应。为此，可以对部件的内侧预先进行化学处理，以便在壁上提供反应性的化学基团。通过使离子交换材料与经化学处理的部件的内壁产生接触以及离子交换材料的锚定基团与内壁上相应的反应性化学基团间的化学消散，可以实现离子交换材料在部件内壁上的稳固的化学锚定和固定，这是尤其可以实现的。此外，在将离子交换材料引入部件的过程中，该化学锚定和固定可以以尤为经济有效的方式实现。

就此备选的是，可以在部件的壁的内侧上安置一个或多个口袋（Taschen），离子交换材料以填料的方式注入到所述口袋中。所述口袋以这样的方式构成，使得其对于冷却剂是可渗透的，而对于离子交换材料是不可渗透的。该口袋是可拆卸的（例如通过点击或卡槽闭锁装置），或者是不可拆卸的（例如通过粘贴与内壁相连接）。

当部件的含有离子交换材料的壁构造为至少局部透明时，其是进一步有利的。这样可以非常简便地对离子交换材料的状况进行监测和控制。

最后，当冷却剂回路具有至少一个锁闭元件时，其是有利的。在含有离子交换材料的部件从冷却剂回路中脱离的过程中，该锁闭元件设计成用来防止冷却剂从部件的接口中和/或从与所述部件相联接的其他部件中流出。这样，也可以尤其在很大程度上防止污染渗入冷却剂中。同时，还可以在含有离子交换材料的部件的安装和拆卸过程中将所产生的冷却剂流失尤其控制得尤其少。位于部件的接口处和/或与所述部件相联接的其他部件的接口处的锁闭元件尤其被安置用来自动防止冷却剂的流出，以便所述接口在部件联接时实现密封。

所述接口可以包括卡槽元件和/或螺纹，或者是以插入式扣锁的形式构成，以便尤为简便和安全地拆卸含有离子交换材料的部件以及安装替补部件。此外，该接口可以包括密封元件，以便实现含有离子交换材料的部件与其他部件的紧密联接。可以设置过滤器，以用于防止离子交换材料从所述部件中排出。

由于被取出的部件以及替补部件的朝向两个相邻部件的联接处横截面尤其小，也可以将引入到冷却剂中的污染控制得尤其少。

在按本发明的用来对在用于（尤其是车辆上的）燃料电池系统的冷却剂回路中离子交换材料进行更换的方法中，可以从冷却剂回路中取出至少一个在冷却运行过程中由冷却剂所流经并且与两个相邻部件具有流体联接的部件。所述被取出的部件包含离子交换材料。通过取出该至少一个部件，冷却剂回路在流体方面断开。之后，该被取出的部件由含有离子交换材料的替补部件替换，其中冷却剂回路的流体联接通过该替换得以重新建立。通过用替补部件来替代整个部件，而不是仅对替补部件所包含的离子交换材料进行替换，可以确保与离子交换材料无污物的且洁净的接触，这可以防止向冷却剂中引入污染。这一方面为离子交换材料带来了尤其长的使用寿命，另一方面也减少了对（尤其是在车辆运行中的）燃料电池系统的诸多限制。所述替补部件是这样构成的，即其与被取出的部件是兼容的。

替补部件含有处于下述状态的离子交换材料：即它的离子饱和度与被取出的部件相比更低。

如果替补部件在保护套中运输，则可以额外地在尤其大的程度上减少在处理替补部件过程中与冷却剂接触的可能性。

替补部件可以含有离子交换材料，其形式是散装材料和/或固定在替补部件的壁的内侧上。备选地，可以在替补部件中应用含有离子交换材料的筒，以便该筒与替补部件一起替换目前的离子交换材料。

针对于按本发明的冷却剂回路所描述的优点和优选实施例同样适用于按本发明的方法，反之亦然。

以上在描述中提到的特征和特征组合以及下面在附图说明中提到的和/或在只在附图中示出的特征和特征组合不仅可以以各提到的组合应用，也可以以其它组合或单独应用，而不会离开本发明的范围。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节由权利要求、对优选实施例的以下描述并且借助附图得出。

附图1清楚地示意说明了具有用于冷却燃料电池堆的冷却剂回路的车辆以及该冷却剂回路的替补部件。

具体实施方式

图1中所示的车辆1具有燃料电池堆2，其提供了用来驱动车辆1的电能。为了冷却燃料电池堆2，安置有冷却剂回路3。由于冷却剂在冷却运行中会与燃料电池系统的带电部件（例如燃料电池堆2）相接触，所以流经冷却剂回路3的冷却剂必须尽可能地不带有离子。

为了确保冷却剂的去离子性，在冷却剂回路3中设有离子交换材料4，它会捕捉冷却剂中所包含的离子，直至其离子交换能力耗尽。本发明中，离子交换材料4牢固地集成在冷却剂回路3的部件中，即冷却剂补偿容器5和螺旋管6中。在此，离子交换材料4固定安置，即以涂覆在部件的壁的内侧7上的涂层形式。

当离子交换材料4无法再从冷却剂中捕获更多离子时，在此要更换冷却剂回路3的整个部件，也就是替换冷却剂补偿容器5和螺旋管6。这样就使得在冷却剂中引入污染的危险控制得非常小，这一点与下述情况（即将离子交换储剂装置从冷却剂补偿容器5中取出并由未经消耗的储剂装置加以替换）不同。

在备选实施例中，可以将离子交换材料4涂覆在整个冷却剂回路3的内侧，即例如，将燃料电池堆2和冷却装置9以及泵10连接在一起的管线8，以及冷却装置9本身。备选地，可以只有冷却剂补偿容器5或螺旋管6具有固定在相应部件的壁的内侧7上的离子交换材料4。

当仅有螺旋管6（例如针对冷却剂回路3的部分区段）具有形式是固定在壁的内侧上的离子交换材料时，为了更换离子交换材料，只需要将螺旋管6从冷却剂回路3中取出，并用含有仍未消耗的离子交换材料的替补螺旋管12进行替换。

通过改变线圈数量和直径以及各线圈间的间距，并且通过调整其几何形状，螺旋管6可以尤其好地匹配于用于将冷却剂回路3安置在车辆1中的结构空间条件。此外，冷却剂在流经螺旋管6的过程中能够与内侧涂覆有离子交换材料的壁形成紧密接触，这样便可以在很大程度上借助螺旋管6实现对冷却剂的去离子化。

为了将离子交换材料4固定在冷却剂回路3的部件的壁的内侧7上，可以例如在制造冷却剂补偿容器5和螺旋管6时将离子交换材料4熔化在壁中。然而，离子交换材料4在壁的内侧7上的固定也可以通过粘贴或通过化学锚定来进行。为此，对冷却剂回路3中的待设置离子交换材料4的区段的壁可以至少在其内侧7上进行相应的预先的化学处理。

螺旋管6通过接口11与冷却剂回路3的管线8的相邻区段相联接。接口11优选构成为自密封的，以便在将螺旋管6从冷却剂回路3中取出时，不会有冷却剂从当前处于流体断开状态下的冷却剂回路3中流出。此外，不会有脏污通过位于断开的冷却剂回路3中的自动密封的接口11侵入冷却剂中。

在之后安装替补螺旋管12的过程中，只需要通过接口11将其与冷却剂回路3的管线8的相邻区段连接起来，以便重新建立冷却剂回路3的流体联接。借助接口11的受控的、形锁合的设计，可以防止替补螺旋管12的错误安装，所述接口例如使得替补螺旋管12能够啮合、拧入或弹簧夹紧在冷却剂回路3中。附图中唯一示意性示出的管线8至少在接口11的区域中具有至少基本上与螺旋管6相同的、可穿流的横截面。

如果冷却剂补偿容器5单独含有离子交换材料4，由此有必要更换离子交换材料4以及替换冷却剂补偿容器5。同样有利的是，冷却剂补偿容器5与管线8的相邻区段的联接部位以自密封的快速紧固件的形式构成，即与用于螺旋管6的接口11相类似。

为了更换离子交换材料4，要将流体联接至冷却剂回路3中的冷却剂补偿容器5取出，并且冷却剂回路3因此在流体方面断开。之后，用替补容器13替代整个冷却剂补偿容器5，在所述替补容器的壁的内侧7上具有未经消耗的且其离子交换能力未耗尽的离子交换材料4。通过将替补容器13装到冷却剂回路3中，它的流体联接得以重新建立。

由此，可以确保洁净的、防止离子进入冷却剂的离子交换材料4的安装和拆卸，实现了离子交换材料4的尤其长的使用寿命，同时可以将冷却剂长时间始终无危险地应用于车辆1的燃料电池堆2的冷却。

参考标记列表

Claims (11)

1.一种用于尤其是车辆（1）的燃料电池系统的冷却剂回路，其中在所述冷却剂回路（3）的至少一个部件（5、6）中安置有离子交换材料（4），在冷却运行期间冷却剂流经所述部件，其特征在于，所述离子交换材料（4）固定在所述至少一个部件（5、6）的壁的内侧（7）上。

2.按权利要求1所述的冷却剂回路，其特征在于，所述离子交换材料（4）固定在所述冷却剂回路（3）的冷却剂补偿容器（5）的壁的内侧（7）上和/或固定在所述冷却剂回路（3）的管线区段（6）的壁的内侧上。

3.按权利要求2所述的冷却剂回路，其特征在于，所述管线区段（6）以螺旋管形式构成。

4.按权利要求1至3中任一项所述的冷却剂回路，其特征在于，所述离子交换材料（4）构成为涂覆在所述至少一个部件（5、6）的壁的内侧（7）上的涂层。

5.按权利要求1至4中任一项所述的冷却剂回路，其特征在于，所述离子交换材料（4）通过所述部件（5、6）的至少局部的熔化与所述部件（5、6）的壁相连接。

6.按权利要求1至5中任一项所述的冷却剂回路，其特征在于，所述离子交换材料（4）优选以粘贴、夹紧、铆接、锁定或压紧的方式，尤其优选以粘贴方式固定在所述部件（5、6）的壁的内侧（7）上。

7.按权利要求1至6中任一项所述的冷却剂回路，其特征在于，所述离子交换材料（4）配置有反应性化学基团，其与所述至少一个部件（5、6）的壁的内侧（7）上相对应的反应性化学基团发生化学反应，从而使所述离子交换材料（4）化学锚定在所述至少一个部件（5、6）的壁的内侧（7）上。

8.按权利要求1至7中任一项所述的冷却剂回路，其特征在于，所述部件（5、6）的壁的所述内侧（7）具有一个或多个允许冷却剂渗透而不允许离子交换材料渗透的口袋，所述离子交换材料（4）以填料的方式注入到所述口袋中。

9.按权利要求1至8中任一项所述的冷却剂回路，其特征在于，含有离子交换材料（4）的所述至少一个部件（5、6）的壁至少局部构成为是透明的。

10.按权利要求1至9中任一项所述的冷却剂回路，其特征在于，具有至少一个锁闭元件，所述锁闭元件用于在将所述部件（6）从冷却剂回路（3）中取出时特别是自动地防止冷却剂从所述部件（6）的接口（11）中和/或从与所述部件（6）相联接的另一部件（8）中流出。

11.用于对在用于尤其是车辆（1）的燃料电池系统的冷却剂回路（3）中的离子交换材料（4）进行更换的方法，其中从所述冷却剂回路中（3）取出在冷却运行过程中由冷却剂所流经并且与两个相邻部件（8）流体联接的至少一个部件（5、6），所述至少一个部件含有离子交换材料（4），其中通过取出所述至少一个部件（5、6）来在流体方面断开所述冷却剂回路（3），其特征在于，被取出的所述部件（5、6）由含有离子交换材料（4）的替补部件（12、13）替换，其中所述冷却剂回路（3）的流体联接通过所述替换得以重新建立。

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