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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlmittel-Demineralisierungseinrichtung für eine Brennstoffzelle. Sie betrifft insbesondere eine großflächige Demineralisierungseinrichtung, welche Ionen von einem Kühlmittel innerhalb einer Brennstoffzelle entfernt.
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(b) Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellensystem, das in einem Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeug eines umweltfreundlichen Fahrzeugs verwendet wird, umfasst normalerweise einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion von gasförmigen Reaktionspartnern, ein Wasserstoffversorgungssystem zum entsprechenden Zuführen von Wasserstoff als einen Brennstoff an einen Brennstoffzellenstapel, ein Luftversorgungssystem zum entsprechenden Zuführen von Sauerstoff enthaltender Luft als ein Oxidationsmittel, welches für die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel erforderlich ist, ein Wärme-Management-System zum entsprechenden Abführen von Reaktionswärme von dem Brennstoffzellenstapel zu der Außenseite des Brennstoffzellensystems, Steuern der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels und Durchführen einer Wasser-Management-Funktion, und einer Systemsteuerung zum Steuern des Gesamtbetriebs des Brennstoffzellensystems.
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In der obigen Anordnung erzeugt der Brennstoffzellenstapel elektrische Energie über die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff als gasförmige Reaktionspartner und führt Wärme und Wasser als Nebenprodukte der Reaktion ab. Demzufolge ist ein System zum Kühlen des Brennstoffzellensystems erforderlich, um zu verhindern, dass die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels ansteigt.
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In einem typischen Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug wird ein Wasserkühlungssystem zum Zirkulieren von Wasser durch einen Kühlkanal in dem Brennstoffzellenstapel verwendet, um den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, um auf diese Weise den Brennstoffzellenstapel auf einer optimalen Temperatur zu halten.
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Eine beispielhafte Ausführungsform des Kühlsystems des Brennstoffzellenfahrzeugs ist in 1 gezeigt. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Kühlkreislaufes des Brennstoffzellenfahrzeugs, welcher eine Kühlmittelleitung 3, die zwischen einem Brennstoffzellenstapel 1 und einem Kühler 2 angeordnet ist, um ein Kühlmittel zu zirkulieren, eine Bypassleitung 4 und ein Dreiwegeventil 5 zum Umleiten des Kühlmittels, so dass das Kühlmittel nicht durch den Kühler 2 durchströmt, und eine Pumpe 6 zum Pumpen des Kühlmittels durch den Kühlkreislauf umfasst.
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Die anwendbaren Materialien für Rohre/Rohrleitungen/Anschlussleitungen, durch welche das Kühlmittel strömungstechnisch in Verbindung steht, welche den Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems bilden, unterliegen beträchtlichen Einschränkungen aufgrund der Menge an Ionen, die oftmals in das Kühlmittel durch verschiedene Materialien freigesetzt werden. Somit sollten die ausgewählten Materialien eine niedrige Ionenfreisetzungsrate aufweisen.
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Wenn günstige Materialien verwendet werden, werden Fremdstoffe und Ionen von dem Material freigesetzt, welches mit dem Kühlmittel in Kontakt steht. Infolgedessen, könnte die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte Elektrizität durch das Kühlmittel fließen, was problematisch sein kann. Ferner, wenn die Ionenleitfähigkeit des Kühlmittels durch Materialien erhöht wird, die in dem Brennstoffzellenfahrzeug verwendet werden, das während der Energieerzeugung fährt und einen Fahrer und Insassen befördert, kann elektrischer Strom durch den Kühlkreislauf fließen, was es sehr schwierig machen könnte, dass elektrische Vorrichtungen und Antriebskomponenten, die in dem Fahrzeug montiert sind, normal funktionieren und kann ferner eine ernsthafte Gefahr (wie zum Beispiel einen Stromschlag) bei dem Fahrer und Insassen verursachen. Infolgedessen muss die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels in dem Brennstoffzellenfahrzeug die ganze Zeit über gemessen werden und es wird eine Steuerlogik zum Ausschalten des Brennstoffzellensystems verwendet, wenn sich die elektrische Leitfähigkeit erhöht oder sich über einer vorbestimmten Höhe befindet.
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Darüber hinaus ist eine Demineralisierungseinrichtung 7 in dem Kühlmittelkreislauf vorgesehen, um die Ionenleitfähigkeit des Kühlmittels unterhalb einer vorbestimmten Höhe zu halten. Die Demineralisierungseinrichtung 7 dient dazu, die Ionenleitfähigkeit durch Filtern von Ionen, die in dem durch den Brennstoffzellenstapel 1 strömenden Kühlmittel enthalten sind, unter eine vorbestimmte Höhe zu verringern.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung, 3 zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung von 2 und 4 zeigt ein Diagramm, das einen Differenzdruckbereich (in welchem ein Ionenharz eingefüllt ist) in der herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung darstellt.
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Die Demineralisierungseinrichtung 100 umfasst normalerweise ein Gehäuse 110, durch welches ein Kühlmittel durchgeführt wird, eine Einlassöffnung 120 und eine Auslassöffnung 130, durch welche das Kühlmittel eingeleitet und abgeführt wird, ein Ionenharz 101, das in das Gehäuse 110 gefüllt wird, um in dem Kühlmittel umfasste Ionen zu filtern, und Gitteranordnungen 140a und 140b zum Lagern des in das Gehäuse 110 gefüllten Ionenharzes 101, um das Ionenharz 101 am Auslaufen zu hindern.
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In dem obigen Aufbau dienen die Gitteranordnungen 140a und 140b dazu, um das Kühlmittel in geeigneter Weise durch das Gehäuse durchzuführen, und um das Ionenharz 101 in der Form von kleinen Körnern in dem Gehäuse 110 einzufangen. Die Gitteranordnungen 140a und 140b sind in geeigneter Weise sowohl an der Einlassöffnung 120 als auch an der Auslassöffnung 130 an beiden Endbereichen des Gehäuses vorgesehen, um das Ionenharz 101 innerhalb des Gehäuses 110 am Auslaufen zu hindern.
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In der Demineralisierungseinrichtung 100 mit dem oberhalb beschriebenen Aufbau, strömt das durch die Einlassöffnung 120 des Gehäuses 110 eingeleitete Kühlmittel durch die Gitteranordnung 140a, das Ionenharz 101 und die Gitteranordnung 140b und wird dann durch die Auslassöffnung 130 des Gehäuses 110 abgeführt. Während das Kühlmittel durch das Ionenharz 101 durchströmt, werden Ionen gefiltert und entfernt. Die Entfernung von Ionen von dem Kühlmittel macht es möglich, um einen Leckstrom von dem Brennstoffzellenstapel zu verhindern, und verbessert dadurch die elektrische Sicherheit des Fahrzeugs, um Industrienormen zu erfüllen.
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In der herkömmlichen in 2 bis 4 gezeigten Demineralisierungseinrichtung 100 strömt das Kühlmittel jedoch durch einen längslaufenden/vertikalen Weg zwischen der Einlassöffnung 120 und der Auslassöffnung 130, und der Bereich, in welchen das Ionenharz eingefüllt ist, entspricht entlang dem längslaufenden Weg einem Bereich, in welchem zwischen der Einlassseite und der Auslassseite eine Differenz im Kühlmitteldruck (Differenzdruck) auftritt. Infolgedessen erhöht das Kühlmittel, das durch den Bereich in der längslaufenden (axialen) Richtung durchströmt, den Differenzdruckbereich in der Demineralisierungseinrichtung 100 (dem Bereich in der längslaufenden Richtung, in welcher das Ionenharz in 3 und 4 eingefüllt ist, d. h., dem Bereich zwischen der Oberseite und der Unterseite des Gehäuses), und somit tritt eine beträchtliche Druckdifferenz zwischen dem durch die Einlassöffnung 120 eingeleiteten Kühlmittel und dem durch die Auslassöffnung 130 abgeführten Kühlmittel auf.
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5 zeigt einen Graph, der einen Anstieg des Differenzdrucks mit Bezug auf einen Anstieg der Kühlmittelflussrate in der herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung 100 darstellt. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist ein erheblicher Differenzdruck vorhanden, welcher sich bildet, wenn die Flussrate des Kühlmittels erhöht wird.
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Es ist bekannt, dass, wenn das Kühlmittel durch eine Ionenharzschicht in der längslaufenden Richtung strömt, der Bereich der Ionenharzschicht, wo das durch die Einlassöffnung eingeleitete Kühlmittel gefiltert wird, das heißt, die Weite oder der Bereich der Ionenharzschicht, welcher eigentlich die Ionen beseitigt, innerhalb des Kühlmittelströmungswegs in der Längsrichtung typischerweise ungefähr 15 bis 30 mm beträgt. Das Ionenharz in dem ablaufseitigen Abschnitt über diese Weite der Ionenharzschicht hinaus, welche eigentlich Ionen beseitigt, weist normalerweise eine geringe Filterwirkung auf, und somit ist es nicht notwendig, die Länge der Ionenharzschicht bis auf die längslaufende Länge des Gehäuses oder darüber hinaus zu erhöhen. Das Ionenharz auf der Auslaufseite, mit Ausnahme des Bereichs, welcher zu dem eigentlichen Filtern beiträgt, ist nicht notwendig.
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Demzufolge, wenn die Demineralisierungseinrichtung derart eingerichtet ist, so dass das Kühlmittel in geeigneter Weise durch einen Endbereich des Gehäuses eingeleitet wird, durch die Ionenharzschicht in der Längsrichtung durchströmt, und den anderen Endbereich des Gehäuses erreicht, wird eine übermäßige Ionenharzmenge verwendet, welche die Herstellungskosten erhöht und den Differenzdruck in dem System in hohem Maße ansteigen lässt.
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Ferner, während die Ionenharzschicht in der Umgebung der Auslassöffnung, durch welche das Kühlmittel in geeigneter Weise abgeführt wird, nicht für das Filtern von Ionen verwendet wird, wird die Ionenharzschicht in der Umgebung der Einlassöffnung, durch welche das Kühlmittel in geeigneter Weise eingeleitet wird, hauptsächlich für das Filtern von Ionen verwendet. Demzufolge, wenn die Demineralisierungseinrichtung aufgrund einer langfristigen Verwendung des Ionenharzes in der Umgebung der Einlassöffnung gegen eine neue ausgetauscht werden muss, ist es erforderlich, die gesamte Demineralisierungseinrichtung gegen eine neue auszutauschen, obwohl das Ionenharz in der Umgebung der Auslassöffnung noch verwendbar ist, während es das Ionenharz in der Umgebung der Einlassöffnung nicht ist. Diese ineffiziente Verwendung von Materialien führt zu erhöhten Instandhaltungskosten.
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Ferner ist wie in 1 gezeigt, die herkömmliche Demineralisierungseinrichtung eher in einem Bypass-Kreislauf als in einem Hauptkreislauf montiert. In der Demineralisierungseinrichtung, wie sie in 2 bis 4 gezeigt ist, wird ein hoher Differenzdruck aufgrund der erhöhten Länge des Differenzdruckbereichs in der Ionenharzschicht gebildet und infolgedessen ist es sehr schwierig, das Kühlmittel in effektiver Weise zu zirkulieren. Problematischerweise, weil das Kühlmittel nicht gleichmäßig durch das System strömt, gibt es eine beträchtliche Verringerung bei der Ionenfilterwirkung und dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit während einer anfänglichen Inbetriebnahme des Fahrzeugs nicht in ausreichender Weise verringert. Infolgedessen ist es schwierig, den Leckstrom während der anfänglichen Inbetriebnahme des Fahrzeugs zu verhindern.
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Die obige in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte Information dient nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENLEGEUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt eine großflächige Demineralisierungseinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug bereit, die eingerichtet ist, um das Auftreten eines Differenzdrucks aufgrund einer Ionenharzschicht zu verhindern, so dass Kühlmittel gleichmäßig durch die Demineralisierungseinrichtung strömt, um dadurch die Filterwirkung der Ionen zu erhöhen und zum selben Zeitpunkt die Probleme der Erzeugung der elektrischen Leitfähigkeit, des Leckstroms eines Brennstoffzellenstapels und die elektrische Sicherheit zu lösen.
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In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung eine Kühlmittel-Demineralisierungseinrichtung für ein Fahrzeug-Brennstoffzellensystem bereit, welche in einem Kühlkreislauf vorgesehen ist, die Kühlmittel-Demineralisierungseinrichtung umfassend: ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung, durch welche Kühlmittel eingeleitet wird, um durch einen Innenraum des Gehäuses zu strömen, und eine Auslassöffnung, durch welche das Kühlmittel abgeführt wird; und ein Filterelement, in welchem ein Ionenharz zum Entfernen von Ionen aus dem Kühlmittel eingefüllt ist. Das Filterelement ist zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung in dem Gehäuse angeordnet und kann eine Plattenform aufweisen, so dass das durch die Einlassöffnung eingeleitete Kühlmittel durch das Filterelement in einer zu dem Filterelement senkrechten Richtung durchströmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können die Einlassöffnung und die Auslassöffnung in einer zu dem Filterelement parallelen Richtung an beiden Seiten des Filterelements angeordnet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Gehäuse eine Filterkammer, in welcher das plattenförmige Filterelement untergebracht ist, und einen Einlassteil und einen Auslassteil umfassen, welche an oder auf beiden Seiten des Filterelements angeordnet sind. Genauer gesagt können die Einlassöffnung und die Auslassöffnung an oder auf beiden Seiten des Filterelements innerhalb des Einlassteils und des Auslassteils gebildet sein.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Einlassöffnung und die Auslassöffnung oben beziehungsweise unten auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses angeordnet sein.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Einöffnung an dem Unterteil des Gehäuses und die Auslassöffnung an dem Oberteil des Gehäuses angeordnet sein.
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Weitere Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf deren bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche nachfolgend lediglich der Veranschaulichung dienen und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind, und wobei:
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1 zeigt ein schematisches Diagramm eines typischen Kühlkreislaufes für ein Brennstoffzellenfahrzeug;
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Kühlmittel-Demineralisierungseinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug;
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3 zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung der herkömmlichen Kühlmittel-Demineralisierungseinrichtung von 2;
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4 zeigt ein Diagramm, das einen Differenzdruckbereich in der herkömmlichen Kühlmittel-Demineralisierungseinrichtung darstellt;
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5 zeigt einen Graph, der einen Anstieg des Differenzdrucks mit Bezug auf einen Anstieg der Kühlmittelflussrate in der herkömmlichen Kühlmittel-Demineralisierungseinrichtung darstellt;
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Demineralisierungseinrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt eine Schnittdarstellung der Demineralisierungseinrichtung von 6;
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8 zeigt ein Diagramm, das die Analyseergebnisse der Kühlmittelverteilung bei einer Anordnung von Einlass- und Auslassöffnungen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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9 und 10 zeigen Diagramme, die Vergleichsbeispiele darstellen, in welchen Einlass- und Auslassöffnungen in einer zu dem Filterelement senkrechten Richtung angeordnet sind; und
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11 und 12 zeigen Graphen, die das Leistungsvermögen der Demineralisierungseinrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit dem einer herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung (d. h., einer Hohl-Demineralisierungseinrichtung) vergleicht.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Demineralisierungseinrichtung
- 110
- Gehäuse
- 111
- Einlassteil
- 112
- Filterkammer
- 113
- Auslassteil
- 114
- Einlassöffnung
- 115
- Auslassöffnung
- 140
- Filterelement
- 141
- Ionenharz
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Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen veranschaulichenden Merkmalen der Grundsätze der Erfindung darstellen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorten und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
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In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
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Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Ein Verfahren zum Lösen der oberhalb beschriebenen Probleme wird in der
koreanischen Patentanmeldung mit der Nr. 10-2010-0061731 erläutert, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin enthalten ist.
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Die obige Kühlmittel-Demineralisierungseinrichtung verwendet ein Hohlfilterelement, durch welches das Kühlmittel in einer radialen Richtung strömt. Infolgedessen ist die oben bezeichnete Demineralisierungseinrichtung imstande, die Dicke der Ionenharzschicht zu verringern, was ermöglicht, dass das Kühlmittel reibungsloser durch die Demineralisierungseinrichtung strömen kann, um auf diese Weise die Wirkung der Ionenfilterung zu erhöhen.
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Darüber hinaus wird ebenfalls eine Reduzierung der elektrischen Leitfähigkeit während einer Erstinbetriebnahme, welche einen Leckstrom in dem System des Brennstoffzellenstapels verursacht, durch das obige System verhindert, und somit ist es möglich, die elektrische Sicherheit für den Fahrer zu verbessern.
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Insbesondere ist es möglich, ebenfalls das Auftreten eines Differenzdrucks in hohem Maße zu verringern, wenn die Druckhöhe der Kühlmittelpumpe entsprechend niedrig ist, das heißt, wenn die Flussrate des Kühlmittels während der anfänglichen Inbetriebnahme verglichen mit der herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung (gezeigt in 2 bis 4) geringer ist, und somit ist es möglich, die elektrische Sicherheit während der anfänglichen Inbetriebnahme sicherzustellen.
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Ferner, da die Dicke des Filterelements entsprechend verringert werden kann, so dass sie nicht die Filterwirkung beeinflusst, ist es möglich, die Menge an verwendeten Ionenharz zu verringern, und somit ist es möglich, die Herstellungskosten zu verringern.
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Doch Selbst für den Fall von diesem Hohlfilterelement ist es erforderlich, die Wirkung zum Filtern der Ionen während dem Verringern des Auftretens eines Differenzdrucks aufgrund der Ionenharzschicht weiter zu erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Demineralisierungseinrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug bereit, welche in einem Kühlkreislauf für einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, um Ionen aus einem Kühlmittel innerhalb des Kühlkreislaufs zu beseitigen.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere gekennzeichnet durch die Verwendung eines plattenförmigen Filterelements, das mit einem Ionenharz verfüllt ist, und durch eine optimierte Position und Anordnung von Kühlmitteleinlass- und Auslassöffnungen.
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In bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Strömungsquerschnittsfläche erhöht werden und gleichzeitig die Länge einer Ionenharzschicht, durch welche Kühlmittel durchströmt (d. h., die Länge eines Differenzdruckbereichs, durch welchen Kühlmittel durchströmt), verringert werden, um dadurch das Auftreten eines Differenzdrucks zu verhindern und eine erhöhte Filterleistung und Haltbarkeit des Ionenharzes zu gewährleisten.
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Als nächstes werden die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Demineralisierungseinrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 7 zeigt eine Schnittdarstellung der Demineralisierungseinrichtung, die entlang der Linie A-A von 6 genommen ist.
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Wie in den Figuren gezeigt, umfasst eine großflächige Demineralisierungseinrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 110 mit einer Einlassöffnung 114, durch welche Kühlmittel eingeleitet wird, und eine Auslassöffnung 115, durch welche das Kühlmittel abgeführt wird, und ein plattenförmiges Filterelement 140, das zwischen der Einlassöffnung 114 und der Auslassöffnung 115 in dem Gehäuse 110 angeordnet und mit einem Ionenharz 141 verfüllt ist.
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In der Demineralisierungseinrichtung 100 der vorliegenden Erfindung ist ein der Eingangsseite entsprechendes Einlassteil 111, durch welche das durch die Einlassöffnung 114 eingeleitete Kühlmittel durchströmt bevor es durch das Filterelement 140 durchströmt, auf einer Seite des Gehäuses 110 vorgesehen, um mit der Einlassöffnung 114 verbunden zu sein.
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Ein der Ausgangsseite entsprechendes Auslassteil 113, durch welche das durch das Filterelement 140 durchströmende Kühlmittel durchströmt bevor es durch die Auslassöffnung 115 abgeführt wird, ist auf der anderen/gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 110 vorgesehen, um mit der Auslassöffnung 115 verbunden zu sein.
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Eine Filterkammer 112, in welcher das plattenförmige Filterelement 140 montiert ist, ist zwischen dem Einlassteil 111 und dem Auslassteil 113 in dem Gehäuse 110 vorgesehen. Der Einlassteil 111 ist auf einer Seite der Filterkammer 112 entsprechend der Eingangsseite mit Bezug auf die Filterkammer 112 angeordnet und der Auslassteil 113 ist auf der anderen Seite der Filterkammer 112 entsprechend der Ausgangsseite mit Bezug auf die Filterkammer 112 angeordnet.
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Das heißt, der Einlassteil 111 und der Auslassteil 113 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 110 mit Bezug auf das plattenförmige Filterelement 140 angeordnet und die Einlassöffnung 114 und die Auslassöffnung 115 sind an dem Einlassteil 111 beziehungsweise dem Auslassteil 113 angeordnet, so dass sie auf beiden Seiten des Filterelements 140 angeordnet sind.
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Der Einlassteil 111, die Filterkammer 112 beziehungsweise der Auslassteil 113 in dem Gehäuse 110 können eine rechteckige Parallelepipedform aufweisen. Der Einlassteil 111 auf einer Seite, die Filterkammer 112 in der Mitte und der Auslassteil 113 auf der anderen Seite sind einstückig gebildet und miteinander verbunden, so dass das Kühlmittel fortlaufend durch den in dem Gehäuse 110 gebildeten Innenraum durch den Einlassteil 111, die Filterkammer 112 und den Auslassteil 113 durchströmen kann, um auf diese Weise zu ermöglichen, dass das Kühlmittel durch die großflächige Demineralisierungseinrichtung 100 strömungstechnisch in Verbindung stehen kann.
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Die allgemeine Form des Gehäuses 110 kann wie in 6 gezeigt eine rechteckige Parallelepiped-Kastenform sein. Das Filterelement 140 ist in der Filterkammer 112, einem räumlichen Bereich zwischen dem Einlassteil 111 und dem Auslassteil 113 aufgenommen, um die Strömungsquerschnittsfläche zu erhöhen. Da das plattenförmige Filterelement 140 in dem Gehäuse 110 montiert ist, kann die großflächige Demineralisierungseinrichtung 100 konstruiert werden.
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Das Filterelement 140 dient dazu, um die Ionen von dem Kühlmittel zu beseitigen, und ist mit einem Ionenharz (bezeichnet mit Bezugszeichen 141 in 7) verfüllt. Zum Beispiel kann das Filterelement 140 eine Struktur aufweisen, in welcher ein Ionenharz mit einem Gitternetz eingefüllt wird.
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Hierbei kann das Gitternetz vorgesehen sein, um das gesamte Ionenharz vollständig abzudecken, und somit kann das Filterelement 140 eine Struktur aufweisen, in welcher das Ionenharz 141 in das rechteckige Parallelepiped-Gitternetz eingefüllt wird, so dass das Ionenharz 141 in der Form von kleinen Körnern nicht zu der Außenseite freigelegt wird, d. h., eine Struktur, in welcher das Gitternetz die ganze Umgebung der Ionenharzschicht umgibt.
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Nachdem das plattenförmige Filterelement 140 durch Verfüllen des Ionenharzes 141 in das Gitternetz eingerichtet ist, wird das plattenförmige Filterelement 140 in der Filterkammer 112 zwischen dem Einlassteil 111 und dem Auslassteil 113 untergebracht.
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Andererseits, wie in 7 gezeigt, kann ein Gitternetz 142 in einer Plattenform gebildet werden und an dem Grenzbereich zwischen der Filterkammer 112 und dem Einlassteil 111 beziehungsweise dem Grenzbereich zwischen der Filterkammer 112 und dem Auslassteil 113 angeordnet werden. In diesem Fall wird das Ionenharz 141 zwischen die Gitternetze 142 auf beiden Seiten verfüllt, um das Filterelement 140 zwischen dem Einlassteil 111 und dem Auslassteil 113 zu bilden.
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Ein poröser Filterrahmen 143 kann ferner an der Außenseite der Gitternetze 142 auf beiden Seiten vorgesehen werden, um die Gitternetze 142 zu befestigen. Hierbei wird der die Gitternetze 142 überlappende Filterrahmen 143 ebenfalls an dem Grenzbereich zwischen der Filterkammer 112 und dem Einlassteil 111 beziehungsweise an dem Grenzbereich zwischen der Filterkammer 112 und dem Auslassteil 113 angeordnet. In diesem Fall kann ferner eine Dichtung (nicht gezeigt) zwischen die Außenseite des Filterrahmens 143 und der Innenseite der Filterkammer 112 eingeschoben werden, um zu verhindern, dass das Ionenharz 141 ausläuft.
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Ferner kann eine Kappe 116 an einem Einlass der Filterkammer 112 vorgesehen sein, um verwendet zu werden, wenn das Ionenharz 141 verfüllt und ausgetauscht wird. Das heißt, die Kappe 116 wird geöffnet, wenn das Ionenharz 141 als erstes verfüllt wird, und dann geschlossen. Darüber hinaus wird die Kappe 116 geöffnet, wenn das verbrauchte Ionenharz 141 gegen ein neues ausgetauscht wird, und dann geschlossen.
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Die Dicke des Filterelements 140 wird durch Berücksichtigen der Kapazität eines Kühlsysters bestimmt, d. h., der Flussratenbereich eines Kühlmittels, das durch einen Kühlkreislauf unter typischen Arbeitsbedingungen der Brennstoffzelle zirkuliert, und ist in der vorliegenden Erfindung nicht besonders eingeschränkt. Die Dicke des Filterelements 140 kann jedoch bestimmt werden durch Berücksichtigen der Dicke einer effektiven Ionenharzschicht (z. B. 15 bis 30 mm), welche eigentlich zu der Beseitigung von Ionen beiträgt, d. h., der Dicke der Ionenharzschicht, welche tatsächlich zu der Filterung beiträgt, und die Verwendung des ganzen Ionenharzes. Hierbei sollte die Dicke des Filterelements 140 durch Berücksichtigen des ganzen Flussratenbereichs eines Kühlmittels bestimmt werden, so dass eine übertriebene Menge an (unnötigen) Ionenharz nicht verwendet wird.
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Unter Bezugnahme auf 7 ist es ersichtlich, dass das plattenförmige Filterelement 140 in dem rechteckigen Parallelepiped-Raum der Filterkammer 112 aufgenommen ist, in welchem eine erste Seite des Filterelements 140 dem Einlassteil 111 entspricht und eine zweite Seite des Filterelements 140 dem Auslassteil 113 entspricht. Das heißt, während das durch den Einlassteil 111 zugeführte Kühlmittel (d. h., das Kühlmittel, von welchem Ionen nicht beseitigt sind) durch das Filterelement 140 durchströmt, werden die in dem Kühlmittel enthaltenen Ionen beseitigt, und das durch das Filterelement 140 durchströmende Kühlmittel (d. h., das Kühlmittel, bei welchem Ionen beseitigt sind) wird zurück in den Kühlkreislauf durch den Auslassteil 113 abgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einlassöffnung 114 und die Auslassöffnung 115 an jedem Endbereich des Einlassteils 111 beziehungsweise des Auslassteils 113 des Gehäuses 110 gebildet, und können in einer zu dem Filterelement 140 parallelen Richtung auf beiden Seiten des in der Filterkammer 112 des Gehäuses 110 aufgenommenen Filterelements 140 gebildet werden.
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Demzufolge wird das Kühlmittel in den Einlassteil 111 durch die Einlassöffnung 114 in einer Richtung zugeführt, die parallel zu der des Filterelements 140 ist. Dann durchströmt wie in 7 gezeigt das Kühlmittel durch das plattenförmige Filterelement 140 in einer zu dem Filterelement 140 senkrechten Richtung und wird schließlich von dem Auslassteil 113 auf der Seite des Filterelements 140 durch die Auslassöffnung 115 erneut in der zu dem Filterelement 140 parallelen Richtung abgeführt.
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In dem Fall, wo die Einlassöffnung 114 und die Auslassöffnung 115 in der zu dem Filterelement 140 parallelen Richtung angeordnet sind, kann die Kühlmittelströmung über den ganzen Bereich des Filterelements 140 gleichmäßig verteilt werden, wenn das durch die Einlassöffnung 114 strömende Kühlmittel in der zu dem Filterelement 140 parallelen Richtung durch das Filterelement 140 in der zu dem Filterelement 140 senkrechten Richtung durchströmt.
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Der Grund dafür, dass die Einlassöffnung 114 und die Auslassöffnung 115 in der zu dem Filterelement 140 parallelen Richtung angeordnet sind, ist, dass eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über die vollständige Fläche des Filterelements 140 bereitgestellt werden kann. Die gleichmäßige Verteilung macht es möglich, dass die Filterleistung und die Haltbarkeit des Ionenharzes 141 und der Demineralisierungseinrichtung 100 gewährleistet werden.
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8 zeigt ein Diagramm, das die Analyseergebnisse der Kühlmittelverteilung darstellt, wenn die Einlass- und Auslassöffnungen 114 und 115 wie in der vorliegenden Erfindung angeordnet werden, in welchem die Verteilung von durch das Filterelement 140 strömenden Kühlmittel gezeigt ist. Wie in der Figur gezeigt, ist es ersichtlich, dass das Kühlmittel die vollständige Fläche des Filterelements 140 durchströmt.
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9 und 10 zeigen Diagramme, die Vergleichsbeispiele darstellen, in welchen Einlass- und Auslassöffnungen 114 und 115 in einer zu dem Filterelement 140 senkrechten Richtung angeordnet sind.
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Wie in den Figuren gezeigt ist, wenn die Einlass- und Auslassöffnungen 114 und 115 in einer zu dem Filterelement 140 senkrechten Richtung angeordnet sind, befinden sich die Richtungen der Zufuhr und der Ableitung des Kühlmittels ebenso wie die Richtung von durch das Filterelement 140 durchströmenden Kühlmittel senkrecht zu dem Filterelement 140. In diesem Fall strömt das durch die Einlassöffnung 114 zugeführte Kühlmittel durch die Ionenharzschicht des Filterelements 140 in der zu dem Filterelement 140 senkrechten Richtung, was zu einer Reduzierung beim Differenzdruck führt. Der Großteil strömt jedoch durch das Mittlere des Filterelements 140, was problematisch ist.
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Darüber hinaus, wenn die Einlass- und Auslassöffnungen 114 und 115 in der zu dem Filterelement 140 senkrechten Richtung auf irgendeiner Seite des Gehäuses/Kammer (d. h., nicht in dem mittleren Teil) angeordnet sind, strömt der Großteil nur durch einen Teil des Filterelements 140 neben der Einlassöffnung 114. Als solches, wenn der Großteil es Kühlmittels nur durch den mittleren Teil oder einem senkrechten Teil des Filterelements 140 durchströmt, wird die diesem Teil entsprechende Ionenharzschicht intensiv genutzt, wodurch die Haltbarkeit verringert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Einlassöffnung 114 und die Auslassöffnung 115 jedoch in einer diagonalen Richtung an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 110 angeordnet. In diesem Fall kann wie in 6 gezeigt, die Einlassöffnung 114 an der Unterseite des Einlassteils 111 des Gehäuses 110 gebildet werden und die Auslassöffnung 115 kann an der Oberseite des Auslassteils 113 des Gehäuses 110 auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 110 gebildet werden.
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Der Grund, dass die Einlassöffnung 114 an der Unterseite des Gehäuses 110 gebildet ist und die Auslassöffnung 115 an der Oberseite des Gehäuses 110 gebildet ist, ist, dass die Ableitung von Blasen in dem Kühlmittel erleichtert werden kann. Das heißt, wenn das in das Gehäuse 110 eingeleitete Kühlmittel durch die Auslassöffnung 115 an der Oberseite abgeführt wird, werden keine Blasen in dem Kühlmittel gebildet. Darüber hinaus können in dem Kühlmittel enthaltene feine Blasen von dem flüssigen Kühlmittel getrennt werden und hauptsächlich an der Oberseite des Gehäuses 110 gesammelt werden. In diesem Fall ist die Auslassöffnung 115 jedoch an der Oberseite des Gehäuses 110 angeordnet und somit werden die Blasen eher durch die Auslassöffnung 115 leicht abgeführt, als in dem Gehäuse 110 zu verbleiben.
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Falls die Einlassöffnung an der Oberseite angeordnet ist und die Auslassöffnung an der Unterseite angeordnet ist, so dass das Kühlmittel durch die Oberseite eingeleitet wird und durch die Unterseite abgeführt wird, können die von dem Kühlmittel getrennten Blasen an der Oberseite des Gehäuses gesammelt werden und in diesem Fall können die an der Oberseite vorhandenen Blasen nicht einfach zu der Außenseite durch die Auslassöffnung an der Unterseite abgeführt werden.
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Ferner können die Blasen in beiden Ecken der Oberseite des Gehäuses gesammelt werden und somit entsprechen die Ecken Strömungstoträumen, in welchen Ionen nicht durch die Demineralisierungseinrichtung gefiltert werden. Wenn solche Strömungstoträume aufgrund der Erzeugung von Blasen gebildet werden, wird die Filterfläche verringert. Das heißt, das teilweise ungenutzte Ionenharz verringert die Verwendung des Ionenharzes, was wiederum die Gesamtleistung der Demineralisierungseinrichtung verschlechtert.
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Vorzugsweise weisen die beiden Ecken an der Oberseite des Gehäuses eine runde Form, keine winklige Form auf, so dass keine Blasen in dem Gehäuse gebildet werden, und in diesem Fall leichter von dem Gehäuse abgeführt werden können, um dadurch Strömungstoträume zu verringern.
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Als solches ist die vorliegende Erfindung gekennzeichnet durch die Verwendung des plattenförmigen großflächigen Filterelements 140 und durch die optimierte Position der Einlass- und Auslassöffnungen 114 und 115, so dass das Kühlmittel durch das plattenförmige Filterelement 140 in dem Gehäuse 110 in der zu dem Filterelement 140 senkrechten Richtung durchströmt und dann zu der Außenseite abgeführt wird. Demzufolge kann die Länge der Ionenharzschicht (entsprechend dem Differenzdruckbereich), durch welche das Kühlmittel durchströmt, d. h., die Dicke des Filterelements 140, entsprechend bis auf das Maß verringert werden, dass sie nicht die Filterleistung beeinflusst, d. h., auf die Dicke einer effektiven Ionenharzschicht, welche zu der Entfernung von Ionen tatsächlich beiträgt. Infolgedessen kann das Auftreten eines Differenzdrucks in der Demineralisierungseinrichtung 100 in hohem Maße verringert werden (und somit kann das Kühlmittel in der Demineralisierungseinrichtung gleichmäßig fließen).
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Darüber hinaus, da die Einlass- und Auslassöffnungen 114 und 115 in der zu dem Filterelement 140 parallelen Richtung angeordnet sind, kann der Kühlmittelfluss über den ganzen Bereich des Filterelements 140 gleichförmig verteilt werden und somit kann die Verwendung des Ionenharzes 141 und die Filterwirkung der Ionen maximiert werden.
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Ferner ist es infolgedessen möglich, die Herstellungs- und Instandhaltungskosten zu verringern und ferner die Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit während einer anfänglichen Inbetriebnahme (was eine Verzögerung bei der Inbetriebnahme verursacht) zu erhöhen.
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11 und 12 zeigen Graphen, die das Leistungsvermögen der Demineralisierungseinrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit dem einer herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung (d. h., einer Hohl-Demineralisierungseinrichtung) vergleicht, in welchen 11 die Vergleichsergebnisse eines Druckabfalls zeigt und 12 die Messergebnisse des Filtervermögens zeigt.
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In der Demineralisierungseinrichtung der vorliegenden Erfindung kann der Druckabfall (d. h. Differenzdruck) verglichen mit der herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung unter Verwendung der Hohlfilterelements ebenso wie die Demineralisierungseinrichtung von 2 bis 4 in hohem Maße verringert werden. Unter Bezugnahme auf 11 ist es ersichtlich, dass das Auftreten eines Differenzdrucks aufgrund der Ionenharzschicht in der Demineralisierungseinrichtung der vorliegenden Erfindung verglichen mit der herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung eindeutig verringert wird. Dies zeigt wiederum, dass die Kühlmittelflussrate in der Demineralisierungseinrichtung der vorliegenden Erfindung unter denselben Differenzdruck verglichen mit der herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung erhöht werden kann.
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Wenn die Struktur des Filterelements derart verändert wird, dass sie eine Plattenform aufweist, um das Auftreten eines Differenzdrucks wie in der vorliegenden Erfindung zu verringern, wird der Fluss des durch die Demineralisierungseinrichtung strömenden Kühlmittels entsprechend verteilt, was das Filtervermögen erhöht, um dadurch die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels rasch zu verringern.
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12 zeigt die Wirkung zum Verringern der elektrischen Leitfähigkeit während der anfänglichen Inbetriebnahme, wenn die Demineralisierungseinrichtung der vorliegenden Erfindung und die herkömmliche (Hohl-)Demineralisierungseinrichtung verwendet werden, in welchen die Zeitmenge, so dass die anfängliche elektrische Leitfähigkeit von ungefähr 120 μS/cm auf weniger als ungefähr 1 μS/cm unter denselben Bedingungen (dasselbe Ionenharz, derselbe Pumpendruck und dieselbe Anzahl von Einrichtungen) verringert wird, gezeigt ist.
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Wie in der Figur gezeigt ist, ist es ersichtlich, dass das Auftreten eines Differenzdrucks entsprechend verringert wird und die Verringerung in der elektrischen Leitfähigkeit in der Demineralisierungseinrichtung der vorliegenden Erfindung verbessert wird und dass die Zeitmenge, die erforderlich ist, um die elektrische Leitfähigkeit von weniger als 1 μS/cm während der anfänglichen Inbetriebnahme zu erreichen, verglichen mit der Demineralisierungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik und dem Vergleichsbeispiel in hohem Maße verringert wird.
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Eine Ionenfreisetzung tritt in allen Komponenten, die den Kühlkreislauf bilden, nach dem Parken für eine vorbestimmte Zeit wie zum Beispiel an Wochenenden, etc. auf, und somit erhöht sich normalerweise die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels (zum Beispiel von dem Bereich von ungefähr 0,5 bis 2 μS/cm auf den Bereich von ungefähr 5 bis 8 μS/cm). Es ist aus den Ergebnissen von 12 ersichtlich, dass die elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels auf einen normalen Wert (d. h., weniger als 2 μS/cm) nach Inbetriebnahme in der Demineralisierungseinrichtung der vorliegenden Erfindung in deutlich weniger Zeit als in dem Vergleichsbeispiel verringert wird.
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Wie oberhalb beschrieben, wird gemäß der großflächigen Demineralisierungseinrichtung der vorliegenden Erfindung, da das Kühlmittel durch das plattenförmige Filterelement in einer zu dem Filterelement senkrechten Richtung durchströmt, das Auftreten eines Differenzdrucks verringert und der Kühlmittelfluss wird gleichmäßig verteilt, um dadurch die Wirkung zum Filtern der Ionen zu maximieren.
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Infolgedessen ist es möglich, die elektrische Leitfähigkeit während einer anfänglichen Inbetriebnahme des Brennstoffzellenfahrzeugs rasch zu verringern und somit ist es möglich, den Leckstrom zu verhindern und die Sicherheit für den Fahrer zu verbessern.
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Es ist insbesondere möglich, das Auftreten eines Differenzdrucks beträchtlich zu verringern, wenn eine Druckhöhe der Kühlmittelpumpe verringert wird, das heißt, wenn die Kühlmittelflussrate während der anfänglichen Inbetriebnahme verglichen mit der herkömmlichen Demineralisierungseinrichtung niedrig ist, und somit ist es möglich, die elektrische Sicherheit während der anfänglichen Inbetriebnahme zu gewährleisten.
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Ferner sind die Position und Anordnung der Einlass- und Auslassöffnungen 114 und 115 optimiert, so dass der Kühlmittelfluss über den vollständigen Bereich des Filterelements verteilt wird, und somit ist es möglich, die Verwendung des Ionenharzes und die Wirkung zum Filtern von Ionen zu maximieren und die Herstellungs- und Instandhaltungskosten zu verringern.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 10-2010-0061731 [0042]
