CN103811780A - 用于燃料电池系统中的离子过滤器的气泡去除装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃料电池系统的离子过滤器的气泡去除装置，其中从经过离子树脂的冷却水中产生的气泡被排出至离子过滤器的外部，而且容易地被去除。气泡去除构件可以安装在位于燃料电池系统的顶部的离子过滤器中，从而使燃料电池系统的功率效率和散热效率最大化。

Description

用于燃料电池系统中的离子过滤器的气泡去除装置

技术领域

本发明涉及用于燃料电池系统中的离子过滤器的气泡去除装置，特别涉及从流经离子树脂的冷却水中产生的气泡容易被去除并排出至燃料电池系统外的气泡去除装置。

背景技术

燃料电池车辆中的燃料电池系统包括燃料电池堆(fuel cell stack)、用于将燃料(氢)供给至燃料电池堆的燃料供应系统、用于将电化学反应所必需的氧化剂(如，来自空气中的氧)供给至燃料电池堆的空气供应系统、和用于控制燃料电池堆的运行温度的热和水管理系统。

热和水管理系统，如图6所示，基本包括用于将冷却水传送至燃料电池堆12的冷却泵14和用于冷却在冷却燃料电池堆12之后排出的冷却水的散热器(radiator)16。该系统可进一步包括离子过滤器10，其位于冷却水回路中，用于过滤从冷却水中流出(elute)的离子。

因此，冷却水在燃料电池堆中循环并通过离子过滤器10被排放，从而去除金属离子。这使得冷却水的电导率维持在低水平并使得燃料电池的使用寿命和燃料电池系统的电稳定性得以延长。为此，离子过滤器典型地包含过滤包含在冷却水中的离子的微小颗粒形态的离子树脂。

例如，如图5所示，微小颗粒形态的离子树脂以套筒状(form ofcartridge)被嵌入离子过滤器10的主体部20的内部。用于将冷却水供给至离子树脂的冷却水入口22形成在主体部20的下端。配置在主体部20的顶端上的罩帽24具有用于排放过滤完离子的冷却水的冷却水出口26。

所以，在冷却水经由燃料电池堆12循环之后，它从燃料电池堆12中排出并经由冷却水入口22被引入至主体部20。冷却水经过离子树脂，从而金属离子被去除。然后，冷却水通过罩帽24的冷却水出口22被排出并被送回至燃料电池堆12。

然而，如图4所示，离子过滤器10位于热和水管理系统的顶部。这导致冷却水中的气泡的聚集。

具体地，尽管冷却水回路中的气泡经过离子过滤器10的离子树脂，并且聚集在位于离子过滤器10顶端上的罩帽24的内部空间，但是该系统不提供单独的气泡的排出，因此，气泡和冷却水一同通过冷却水出口26排出。结果导致气泡在燃料电池系统(燃料电池堆，散热器，等)中循环。

当气泡经过离子过滤器10时，与冷却水一同循环，去除气泡耗费大约2天或3天的时间，而且气泡聚集在散热器中。结果，降低了散热性能，并由冷却水流产生了噪音。

所需要的是一种用于从在燃料电池系统内循环的冷却水中去除气泡的系统和方法，从而保持燃料电池系统的散热效率。

发明内容

本发明提供一种用于燃料电池系统的离子过滤器的气泡去除装置。具体地，本发明提供一种气泡去除装置，其中，用于将气泡排出至燃料电池系统外的构件被安装在燃料电池系统的顶部上的离子过滤器中。气泡去除装置容易排出冷却水经过离子过滤器时产生的气泡，从而使功率效率和散热效率最大化。

根据本发明的一个方面，提供一种用于燃料电池系统的离子过滤器的气泡去除装置，其中离子过滤器包括位于下端部的冷却水入口和其内嵌入有离子树脂的离子过滤器主体部。气泡去除装置包括配置在离子过滤器的内顶部的气泡去除构件。具体地通过利用浮力，气泡去除构件可定位在相对于离子过滤器的外部的打开或关闭的位置之间。

根据不同的实施例，气泡去除构件包括：气泡出口，其形成在离子过滤器的上部(如，顶端)；球偏离防止引导件，其在离子过滤器的上(顶端)部的内部，整体地形成在气泡出口的外围部；和球，其定位在球偏离防止引导件中，从而通过冷却水在球偏离防止引导件内向上或向下浮动，以此打开或关闭气泡出口。具体地，当该球定位在球偏离防止引导件的上部时，阻断(关闭)气泡出口。随着该球向下浮动，气泡出口开启(打开)，从而允许气泡的排出。

只要该球能通过冷却水在球偏离防止引导件内向上或向下移动，并且当定位在球偏离防止引导件的上部时，它的尺寸足以阻断气泡出口，该球的配置就没有特别的限制。根据不同的实施例，该球可以具有带有具有浮力的柔性的外罩材料的较重的内部(interior portion)(如，钢球等)。

根据不同的实施例，球偏离防止引导件可以包括具有从顶部到下部逐渐减少的直径的球移送引导件。同样地，当该球在球移送引导件的上部时，它与球移送引导件的内表面相接触，以此防止在球和球移送引导件的内表面之间出现气泡的通道。球移送引导件的下部被配置成防止该球向下浮动而离开球偏离防止引导件，并且例如可以包括限位器(stopper)，该限位器可以由球移送引导件的向内弯曲的部分形成。经过孔的一个或多个气泡在球移送引导件的下部和/或限位器的一个或多个表面形成。

附图说明

结合附图中示出的示例性实施例详细描述本发明的上述或其它特征，下面给出的附图只是用于说明，因此并不限制本发明，其中：

图1和2是根据本发明的实施例的气泡去除装置的横截面视图；

图3是根据本发明的实施例的浮球结构的横截面视图；

图4是说明燃料电池系统的离子过滤器的传统安装位置的示意图；

图5是说明燃料电池系统的传统的离子过滤器的外部的透视图；和

图6是说明传统的燃料电池系统的框图，其中离子过滤器配置在冷却水循环通路中。

附图标记

10：离子过滤器            12：燃料电池堆

14：冷却泵                16：散热器

18：离子树脂              20：主体部

22：冷却水入口            24：罩帽

26：冷却水出口            30：气泡去除构件

32：气泡出口              33：气泡通孔

34：球偏离防止引导件      35：球移送引导件

36：球                    37：核

38：壳                    39：限位器

具体实施方式

以下，结合附图详细描述本发明，以使得本领域技术人员容易实施本发明。

应理解的是，这里所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车辆，例如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的乘用车辆、包括各种船只和船舶的水运工具、飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(如，来源于石油以外的资源的燃料)。如这里所提及的，混合动力车是指具有两种或更多种动力源的车辆，例如，同时具有汽油动力和电动力的车辆。

本文使用的术语仅仅是为了说明示例性实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种(a、an和the)”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

参考图5，用于燃料电池系统的离子过滤器一般包括：离子过滤器主体部20，其具有嵌入其中的离子树脂18(见图1和2)，具体而言为套筒状(cartridge type)的离子树脂18；和罩帽24，其配置在离子过滤器主体部20的顶端部。

冷却水入口22形成在离子过滤器主体部20的下端部，通过该冷却水入口22，冷却水在燃料电池堆内循环之后被引入。冷却水出口26被设置在罩帽24的一侧，该冷却水出口26用于排出已通过离子树脂18的冷却水。优选冷却水出口26整体地形成在罩帽24中。

因此，经由燃料电池堆循环之后被排出的冷却水经由冷却水入口22被引入至离子树脂18。随着冷却水通过离子树脂18，冷却水的金属离子被去除。然后，冷却水被喷射到位于离子树脂18之上的罩帽24的内部空间，并在其后能够经由冷却水出口26被排出。之后，排出的冷却水经循环返回至散热器、燃料电池堆等等。

由于离子过滤器10位于热和水管理系统的顶部，于是随着冷却水通过离子树脂18，在冷却水中产生许多气泡，并且聚集在罩帽24中。

根据本发明，为了从已通过离子树脂18并被喷射到罩帽24的内部空间的冷却水中去除气泡，在罩帽24中配置有气泡去除构件30。例如，如图1和2所示，气泡去除构件30能够配置在罩帽24的上部。气泡去除构件30被配置并安排为相对于离子过滤器10的外部在打开和关闭的位置之间能够调整，以使气泡能够在打开位置被排出，而不是在关闭位置。

根据实施例，气泡去除构件30被配置成通过浮力能够在打开和关闭的位置之间调整。具体地，气泡去除构件30能够被配置并安排为离子过滤器10内部的冷却水的浮力将气泡去除构件30调整为打开和关闭的位置中的任一个。例如，如图1和2所示的示例性实施例所示，气泡去除构件30能够配置在罩帽24的顶端部，并且与流经离子过滤器18并经由罩帽24流出的冷却水相联通。因此，气泡去除构件30能够通过冷却水的浮力提升或下降，从而允许或者隔绝与系统外部的联通。

如图1和2所示，气泡去除构件30包括作为主要部件的球36，该球36能够通过流经罩帽24的冷却水的浮力向上或向下移动。具体地，球36被配置和安排为使其漂浮在喷射到罩帽24内的冷却水的表面上。球36的提升和降低取决于冷却水位(cooling water level)。

进一步如图1和2所示，气泡出口32形成在罩帽24的顶部末端，经由该气泡出口32，气泡被排出到外界。

如图1和2所示，气泡去除构件还包括容纳球36的球偏离防止引导件34。具体地，球偏离防止引导件34形成为垂直地从离子树脂18之上的位置(并且在冷却水流经的通道内)延伸至配置在罩帽24的顶部的气泡出口32的中空结构(hollow structure)。球偏离防止引导件34可以整体地形成在罩帽24的顶端部。

更明确地，如图1和2所示，球偏离防止引导件34具有内部直径从上到下逐渐减小的中空结构。球偏离防止引导件34还包括球移送引导件35，该球移送引导件35允许球36提升或下降。能够进一步在球移送引导件35的下端设置限位器39，从而防止球离开球偏离防止引导件34的下部。例如，如所示，限位器39可以是在球移送引导件35下部向内成角度或弯曲的延伸的形状，球移送引导件35具有直径小于球36的直径的开口。

一个或多个气泡通孔33被设置在球移送引导件35和/或限位器39上，其允许来自冷却水中的气泡进入球移送引导件35。优选的是，例如，如图1和2所示，多个孔以贯穿的形式设置在球移送引导件35的下部和限位器39中。例如，限位器39的整个表面可以具有气泡通孔33。

球36被配置成通过浮力漂浮在冷却水的表面上。例如，如图3所示，定位在球偏离防止引导件34中的球36可以具有核壳结构(core shellstructure)，其具有由诸如钢球之类的较重的材料形成的核37和可以由诸如泡沫聚苯乙烯之类的柔性材料形成的浮力壳37。然而，球36不局限于这种核壳结构，能够由具有浮力的单一材料形成，如果需要也可以具有柔性(flexibility)。

在下文中，将描述上述的气泡去除装置的工作状态。

首先，经由燃料电池堆循环并对其进行冷却之后排出的冷却水经由主体部20下端的冷却水入口22被引入至离子树脂18。

之后，随着冷却水通过离子树脂18，包含在冷却水中的金属离子被离子树脂18过滤。然后，已过滤金属离子的冷却水被喷射到罩帽24的上部空间中。

在上述的配置中，因为离子过滤器10配置在热和水管理系统的顶部，在流经离子树脂18的冷却水中产生许多气泡。这些气泡聚集在罩帽24的上部空间。

如图1所示，当冷却帽24的上部空间中的冷却水的水位低时(例如，当冷却水还没有被喷射到罩帽24的上部空间中时或当喷射到罩帽24的上部空间中的冷却水的量少时)，球36在球移送引导件35内处于低的位置(例如，下降至球偏离防止引导件34的限位器39处，如图1所示)。在此位置，形成在罩帽24的顶端部的气泡出口32与外界联通，因此是打开的。

因而，通过经由球移送引导件35的下端部的气泡通孔33和/或限位器39中的气泡通孔33，聚集在罩帽24的上部空间中的气泡经由气泡出口32容易地被排出到外界并被去除。

如图2所示，由于冷却帽24的内部空间中的冷却水位升高(例如，喷射到罩帽24的内部空间中的冷却水的量增多)，球36在冷却水面上漂浮并被浮力逐渐提升。

也就是说，随着冷却水位上升，球36沿着球偏离防止引导件34(沿着可具有从上到下逐渐减小的直径的球偏离防止引导件34的内表面)向上被提升，直到球36到达它的直径与球移送引导件35的内径相等的位置(因此，不能再向上移动)。在这一位置，如图2所示，球36阻断形成在罩帽24的顶端部的气泡出口32。

在这一位置，通过来自冷却水的向上压力，球36阻断气泡出口32，从而容易地防止冷却水向外泄露的泄露现象。

在这一位置，已通过离子过滤器10的离子树脂18并已聚集在罩帽24的内部空间中的的冷却水的气泡，容易地经由气泡出口32被排出并去除。而且，已去除气泡的冷却水经由罩帽24的冷却水出口26排出并沿着燃料电池系统的冷却回路(燃料电池堆，散热器等等)循环。

结果，实时去除气泡的冷却水沿着冷却回路循环，从而使燃料电池系统的功率效率和散热效率得以最大化，并解决了由冷却水中的气泡引起的流动噪声问题。

因而，本发明具有以下作用。

根据本发明，用于排出包含在燃料电池系统的冷却水中的气泡的气泡去除构件利用通过系统内的冷却水的浮力能够向上和向下移动的球。气泡去除构件可安装在燃料电池系统内的顶部位置的离子过滤器中。本发明的气泡去除构件能够排出和去除冷却水通过离子过滤器时所产生的高浓度的气泡。而且，通过提供基于冷却水的水位来打开或关闭气泡出口的球，保证了气密性并且防止了冷却水的泄露。

本发明的气泡去除构件进一步被配置并安排为提供实时的气泡去除，从而使燃料电池系统的功率效率和散热效率最大化，而且进一步消除了经常由冷却水中的气泡引起的流动噪声问题。

Claims (9)

1.一种用于燃料电池系统的离子过滤器的气泡去除装置，其中所述离子过滤器包括具有上端和下端的主体部、配置在所述下端的冷却水入口和嵌入所述主体部内的离子树脂，所述气泡去除装置包括：

气泡去除构件，其配置在所述主体部的上端，其中

所述气泡去除构件通过浮力能够在相对于所述离子过滤器的外部的打开或关闭的位置之间移动。

2.根据权利要求1所述的气泡去除装置，其中，所述气泡去除构件包括：

气泡出口，其配置在所述离子过滤器的顶部末端；

球偏离防止引导件，其整体地形成在所述气泡出口的外围部，并且随所述离子过滤器的顶端向下延伸；和

球，其配置在所述球偏离防止引导件内，并且能够在所述球偏离防止引导件内垂直移动，

由此，所述球在所述离子过滤器的顶端内，能够通过冷却水的浮力向上移动，从而打开或阻断所述气泡出口。

3.根据权利要求2所述的气泡去除装置，其中，所述球具有核壳结构，并且所述核使用具有浮力的柔性材料制成。

4.根据权利要求3所述的气泡去除装置，其中，所述核为钢球的形式。

5.根据权利要求2所述的气泡去除装置，其中，所述球偏离防止引导件包括：

球移送引导件，其具有从上到下逐渐减小的直径；和

一个或多个气泡通孔，其位于所述球移送引导件的下部。

6.根据权利要求5所述的气泡去除装置，其中，所述球移送引导件还包括：

位于下部的限位器，所述限位器被配置成防止所述球通过。

7.根据权利要求6所述的气泡去除装置，还包括一个或多个位于所述限位器中的气泡通孔。

8.根据权利要求6所述的气泡去除装置，其中，所述限位器包括形成在所述球移送引导件的下端部的向内弯曲部。

9.一种用于燃料电池的离子过滤器，包括：

主体部，其具有上端和下端；

冷却水入口，其配置在所述下端；

离子树脂，其被嵌入所述主体部内；和

根据权利要求1所述的气泡去除装置，其配置在所述主体部的上端。

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