DE102014003628A1 - Ion exchange arrangement for a fuel cell vehicle, ion exchange method and fuel cell vehicle - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Ionentauscheranordnung (10) für ein Brennstoffzellenfahrzeug, die eine Ionentauscherkartusche (1) mit einem Ionentauscherharzgefüllten festen Gehäuse (1') aufweist, das an einer Oberseite (O) zumindest zwei Fluidanschlüsse (13) aufweist. Die Fluidanschlüsse (13) sind durch einen innerhalb des Gehäuses (1') verlaufenden Fluidkanal (11) verbunden, wobei die Fluidanschlüsse (13) jeweils fluiddicht mit einem Vorlauf (3) und einem Rücklauf (4) eines Fluidkreises verbunden sind. Die Ionentauscherkartusche (1) ist aufrecht stehend angeordnet und der Fluidkanal (11) hat zumindest einen Steigabschnitt (111), einer Fallabschnitt (111) und einen an einer Gehäuseunterseite (U) liegenden Übergangsabschnitt (112) zwischen dem Steig- (111) und dem Fallabschnitt (111). Ferner werden ein Ionentauscher-Wechselverfahren und ein Brennstoffzellenfahrzeug offenbart.The present invention discloses an ion exchange assembly (10) for a fuel cell vehicle having an ion exchange cartridge (1) with a solid ion housing resin filled housing (1 ') having at least two fluid ports (13) on an upper surface (O). The fluid connections (13) are connected by a fluid channel (11) running inside the housing (1 '), wherein the fluid connections (13) are each connected in a fluid-tight manner to a flow (3) and a return (4) of a fluid circuit. The ion exchange cartridge (1) is arranged upright and the fluid channel (11) has at least one riser section (111), a drop section (111) and a transition section (112) located on a housing bottom (U) between the riser (111) and the Case section (111). Further, an ion exchange method and a fuel cell vehicle are disclosed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ionentauscheranordnung für ein Brennstoffzellenfahrzeug, ein Ionentauscher-Wechselverfahren und das Brennstoffzellenfahrzeug selbst.The invention relates to an ion exchange arrangement for a fuel cell vehicle, an ion exchanger exchange method and the fuel cell vehicle itself.
Zur Kühlung von Brennstoffzellen kommt meistens ein Kühlmittelkreislauf mit Wasser als Wärmeträgerfluid zum Einsatz. Beim Einsatz von nicht deionisiertem Wasser können Kühlkanäle eines Brennstoffzellenstapels verkalken, was die Wärmeabfuhr aus der Brennstoffzelle behindert und die Temperatur in der Brennstoffzelle gefährlich ansteigen lassen kann. Wichtiger jedoch ist für den Betrieb von Brennstoffzellen, dass das Kühlwasser nur eine vorbestimmte maximale Leitfähigkeit haben darf, damit kein Zellkurzschluss entsteht. Um sowohl Ablagerungen in den Kühlkanälen vorzubeugen, als auch die Leitfähigkeit des Kühlwassers dauerhaft gering zu halten, werden Ionentauscher im Kühlkreislauf vorgesehen. Typische Ionentauscher arbeiten mit einem Harz, das in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden muss, was etwa im Rahmen der Routinewartungen durchgeführt wird.For cooling of fuel cells is usually a coolant circuit with water as a heat transfer fluid used. When using non-deionized water, cooling channels of a fuel cell stack can calcify, which hampers the heat dissipation from the fuel cell and can cause the temperature in the fuel cell to rise dangerously. More important, however, is for the operation of fuel cells that the cooling water may only have a predetermined maximum conductivity, so that no cell short circuit arises. In order to prevent both deposits in the cooling channels, as well as to keep the conductivity of the cooling water permanently low, ion exchangers are provided in the cooling circuit. Typical ion exchangers use a resin that has to be replaced at regular intervals, which is carried out as part of routine maintenance.
Ionentauscher in Brennstoffzellenfahrzeugen werden in der Regel entweder horizontal oder vertikal durchströmt, wobei die vertikale Durchströmung vorteilhaft ist, da sich durch Setzen des Ionentauschergranulats in Schwererichtung keine Auswaschungen bilden können, durch die das Kühlmittel strömen kann ohne das Ionentauscher-Granulat zu kontaktieren. Bei vertikaler Durchströmung ist jedoch eine wartungsfreundliche Unterbringung des Ionentauschers nur schwer möglich, da zum Austausch je ein Fluidanschluss oben und unten gelöst werden muss; dies ist unergonomisch und zeitaufwändig.Ion exchangers in fuel cell vehicles are usually flowed through either horizontally or vertically, the vertical flow is advantageous because can not form leaching by setting the ion exchange granules in gravity direction, through which the coolant can flow without contacting the ion exchange granules. With vertical flow, however, a maintenance-friendly housing of the ion exchanger is difficult to achieve, since for replacement ever a fluid connection must be solved top and bottom; this is unergonomic and time consuming.
In der
Darüber hinaus offenbart die
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ionentauscheranordnung zu schaffen, die sich durch eine schnellere und ergonomischere Auswechselbarkeit der Ionentauscherkartusche und durch eine hohe Effizienz auszeichnet.Starting from this prior art, it is an object of the present invention to provide an ion exchanger assembly, which is characterized by a faster and more ergonomic exchangeability of the ion exchange cartridge and by a high efficiency.
Diese Aufgabe wird durch eine Ionentauscheranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an ion exchanger assembly having the features of
Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe, ein Ionentauscher-Wechselverfahren zu schaffen, mit dem der Austausch einer Ionentauscher-Kartusche schneller, ergonomischer und mit weniger Kühlmittelverlust möglich ist.In addition, the object is to provide an ion exchange process, with which the replacement of an ion exchange cartridge faster, more ergonomic and with less loss of coolant is possible.
Diese Aufgabe wird durch ein Ionentauscher-Wechselverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.This object is achieved by an ion exchange process with the features of claim 6.
Schließlich ergibt sich noch die Aufgabe, ein Brennstoffzellenfahrzeug zu schaffen, das mit geringeren Wartungskosten als bekannte Brennstoffzellenfahrzeuge betrieben werden kann.Finally, the object is still to provide a fuel cell vehicle that can be operated with lower maintenance costs than known fuel cell vehicles.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.This object is achieved by a fuel cell vehicle having the features of claim 8.
Weiterbildungen der Vorrichtungen und des Verfahrens sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments of the devices and the method are each carried out in the subclaims.
Die erfindungsgemäße Ionentauscheranordnung für ein Brennstoffzellenfahrzeug weist eine Ionentauscherkartusche mit einem ionentauscherharzgefüllten festen Gehäuse auf, das an einer Oberseite zumindest zwei Fluidanschlüsse aufweist. Die Fluidanschlüsse sind durch einen innerhalb des Gehäuses verlaufenden Fluidkanal verbunden und jeweils fluiddicht mit einem Vorlauf und einem Rücklauf eines Fluidkreises verbunden. Die Ionentauscherkartusche ist aufrecht stehend angeordnet. Der Fluidkanal hat zumindest einen Steigabschnitt, einen Fallabschnitt und einen Übergangsabschnitt an der Gehäuseunterseite, der zwischen dem Steig- und dem Fallabschnitt vorliegt.The ion exchange arrangement according to the invention for a fuel cell vehicle has an ion exchange cartridge with a solid housing filled with ion exchange resin, which has at least two fluid connections on an upper side. The fluid connections are connected by a fluid channel running inside the housing and connected in each case in a fluid-tight manner to a supply line and a return line of a fluid circuit. The ion exchange cartridge is arranged upright. The fluid channel has at least one riser section, a drop section and a transition section on the housing bottom, which is present between the riser and the fall section.
Durch die beschriebene Anordnung des Fluidkanals wird eine vergleichsweise lange Kontaktzeit des Fluids mit dem Ionentauscherharz erreicht. The described arrangement of the fluid channel a comparatively long contact time of the fluid is achieved with the ion exchange resin.
Das Gehäuse kann mit dem Ionentauscherharz vollständig gefüllt sein. Alternativ dazu kann das Ionentauscherharz auch nur in bestimmten Teilen des Gehäuses vorliegen, z. B. nur in dem Fallabschnitt (oder Teilen davon) oder nur in dem Steigabschnitt (oder Teilen davon) oder in Teilen des Fallabschnitts und Teilen des Steigabschnitts.The housing may be completely filled with the ion exchange resin. Alternatively, the ion exchange resin may also be present only in certain parts of the housing, for. B. only in the case section (or parts thereof) or only in the riser section (or parts thereof) or in parts of the fall section and parts of the riser section.
Um das Ionentauscherharz in dem dafür vorgesehenen Bereich oder Abschnitt innerhalb des Gehäuses zu halten und z. B. eine Verschleppung innerhalb eines Kühlkreislaufes zu verhindern, können entsprechende Rückhaltemittel wie z. B. Filter, Fritten, Siebe und dergleichen vorgesehen sein.To keep the ion exchange resin in the designated area or section within the housing and z. B. to prevent carryover within a cooling circuit, corresponding retention means such. As filters, frits, sieves and the like may be provided.
Geeigneter Weise werden der Steig- und Fallabschnitt länger sein als der Übergangsabschnitt. Der Steig- und der Fallabschnitt können vorteilhaft parallel zur Längsachse des Gehäuses verlaufen, also bei aufrecht stehender Anordnung der Ionentauscherkartusche vertikal angeordnet sein, während der Übergangsabschnitt normal dazu, also horizontal verläuft. Es ergibt sich daraus eine U-förmige Durchströmung des Ionentauschers, wobei auch eine mäandrierende Durchströmung durch Hintereinanderschaltung mehrerer U-Durchströmungen vorgesehen sein kann. „Festes” Gehäuse bedeutet hierin, dass das Gehäuse zumindest in Längsrichtung nicht teilbar ist und dass der Fluidkanal durch eine entsprechende Gestaltung des Gehäuseinneren gebildet wird und dass insbesondere kein Beutel darin eingelegt ist. Erfindungsgemäß wird durch die Kombination von vertikaler und horizontaler Durchströmung sowohl die Effizienz des Ionenaustauschs durch eine erhöhte Kontaktzeit des Fluids mit dem Ionentauscherharz verbessert als auch die Sedimentation aufgrund der weitestgehend vertikalen Durchströmung verhindert. Die Ionentauscherkartusche kann zum Austausch nach oben entnommen werden, wobei zunächst die Fluidanschlüsse vom Vor- und Rücklauf des Fluidkreises getrennt werden müssen; hierbei besteht aufgrund der aufrecht stehenden Anordnung jedoch nicht die Gefahr, dass eine Restmenge Fluid aus der Ionentauscherkartusche ausläuft, da der Fluidkanal in beschriebener Weise als ein- oder mehrfache U-Form nach oben verläuft.Suitably, the climb and fall sections will be longer than the transition section. The riser and the fall portion can advantageously extend parallel to the longitudinal axis of the housing, so be vertically arranged in an upright position arrangement of the ion exchange cartridge, while the transition portion normal to, that is horizontal. This results in a U-shaped flow through the ion exchanger, whereby a meandering flow through series connection of several U-flows can be provided. "Solid" housing means herein that the housing is not divisible at least in the longitudinal direction and that the fluid channel is formed by a corresponding design of the housing interior and in particular that no bag is inserted therein. According to the invention, the combination of vertical and horizontal flow both improves the efficiency of the ion exchange by increasing the contact time of the fluid with the ion exchange resin and prevents sedimentation due to the largely vertical flow. The ion exchange cartridge can be removed for replacement upwards, first the fluid connections must be separated from the flow and return of the fluid circuit; However, due to the upright arrangement, there is no danger that a residual amount of fluid will flow out of the ion exchange cartridge since the fluid channel runs upwards in the manner described as a single or multiple U-shape.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Gehäuse zumindest einen Dorn aufweisen, der sich von einer Unterseite des Gehäuses der Ionentauscherkartusche weg erstreckt. Der Dorn ist dazu vorgesehen, in eine korrespondierende Aufnahmevorrichtung lösbar eingesteckt zu werden, die unlösbar an dem Brennstoffzellenfahrzeug angeordnet ist. Der in die Aufnahmevorrichtung eingesteckte Dorn dient hierbei der Fixierung der Ionentauscherkartusche gegen Verschieben quer zur Längsachse des Dorns. Die Aufnahmevorrichtung kann an dem Brennstoffzellenfahrzeug beispielsweise durch eine Öse oder Buchse bereitgestellt werden.In another embodiment, the housing may include at least one mandrel extending away from a bottom of the housing of the ion exchange cartridge. The mandrel is intended to be detachably plugged into a corresponding receiving device, which is arranged undetachably on the fuel cell vehicle. The plug inserted into the receiving device serves to fix the ion exchange cartridge against displacement transversely to the longitudinal axis of the mandrel. The receiving device may be provided to the fuel cell vehicle, for example, by an eyelet or socket.
In einer noch weiteren Ausführungsform können die Fluidanschlüsse jeweils eine Schnellkupplung aufweisen, wobei die Verwendung von Verschlusskupplungen vorteilhaft ist, da hierdurch der Fluidverlust bei entkoppelter Schnellkupplung verhindert werden kann, da sich diese beim Entkoppeln selbsttätig verschließen. Insbesondere kann es sich um eine VDA-Kupplung handeln, wobei solche Kupplungen bereits erfolgreich zur Verbindung von Kühlwasserleitungen im Kraftfahrzeugbau eingesetzt wurden. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberseite der Ionentauscherkartusche als abnehmbarer Deckel ausgebildet sein, wobei die Fluidanschlüsse an dem Deckel vorliegen. Der Deckel kann insbesondere ein lösbarer Deckel sein, der beispielsweise mit dem Gehäuse verschraubt ist. Hierdurch kann die Ionentauscherkartusche nach dem Ausbau wieder aufgearbeitet werden, in dem neues Ionentauscherharz eingefüllt wird oder das gebrauchte Harz regeneriert wird.In yet another embodiment, the fluid ports can each have a quick coupling, wherein the use of sealing couplings is advantageous, as this the fluid loss can be prevented with decoupled quick coupling, as they close automatically during decoupling. In particular, it may be a VDA clutch, such couplings have been used successfully for the connection of cooling water lines in the automotive industry. Alternatively or additionally, the top of the ion exchange cartridge may be formed as a removable lid, wherein the fluid ports are present on the lid. The lid may in particular be a detachable lid, which is screwed to the housing, for example. As a result, the ion exchanger cartridge can be refurbished after removal, in which new ion exchange resin is filled or the used resin is regenerated.
Bei der Aufnahmevorrichtung für den Dorn, die an dem Brennstoffzellenfahrzeug vorliegt, kann es sich um ein elastisches Lager handeln, vorteilhaft um eine Gummibuchse, wodurch eine elastische Aufnahme der Ionentauscherkartusche und Vibrationsdämpfung erreicht wird. Solche elastischen Lager sind von der Befestigung von Ladeluftkühlern, Luftfiltern etc. bekannt und sind als Standardteile verfügbar.The mandrel accommodation device provided on the fuel cell vehicle may be an elastic bearing, advantageously a rubber bushing, thereby providing elastic retention of the ion exchange cartridge and vibration damping. Such elastic bearings are known from the attachment of charge air coolers, air filters, etc. and are available as standard parts.
Ferner kann/können an der Oberseite des Gehäuses ein oder mehrere Befestigungselement(e) angeordnet sein, das/die dazu vorgesehen ist/sind mit einem korrespondierenden Befestigungspunkt des Brennstoffzellenfahrzeugs verbunden zu werden. Das/Die oberen Befestigungselement(e) dienen hierbei der Fixierung des Ionentauschermoduls gegen Verdrehen um seine Längsachse, gegen Verkippen und gegen Herausziehen des Dorns aus der Aufnahmevorrichtung. Bei dem/den weiteren Befestigungselement(en) kann es sich insbesondere um zumindest eine Klammer handeln, die beispielsweise das Gehäuse der Ionentauscherkartusche direkt umgreifen kann oder mit einem Flansch oder Fähnchen, das sich von dem Gehäuse weg erstreckt, in Eingriff gebracht werden kann.Further, one or more fasteners may be disposed at the top of the housing, which is intended to be connected to a corresponding attachment point of the fuel cell vehicle. The / the upper fastener (s) serve here for fixing the ion exchange module against rotation about its longitudinal axis, against tilting and against pulling out of the mandrel from the receiving device. In particular, the further fastening element (s) may be at least one clip, which may, for example, directly surround the housing of the ion exchanger cartridge or may be brought into engagement with a flange or tab which extends away from the housing.
Das erfindungsgemäße Ionentauscher-Wechselverfahren einer erfindungsgemäßen Ionentauscheranordnung umfasst folgende Schritte:
- a) Bereitstellen einer neuen Ionentauscherkartusche,
- b) Lösen der fluiddichten Verbindung des Vorlaufs und Rücklaufs des Fluidkreises mit den Fluidanschlüssen der Ionentauscherkartusche,
- c) nach oben Entnehmen der Ionentauscherkartusche, dabei Herausziehen des Dorns aus der Aufnahmevorrichtung,
- d) Einsetzen der neuen Ionentauscherkartusche von oben mit dem Dorn voraus in die Aufnahmevorrichtung, danach Herstellen der fluiddichten Verbindung des Vorlaufs und des Rücklaufs des Fluidkreises mit den Fluidanschlüssen.
- a) providing a new ion exchange cartridge,
- b) releasing the fluid-tight connection of the flow and return of the fluid circuit with the fluid connections of the ion exchange cartridge,
- c) top removal of the ion exchange cartridge, while pulling out the mandrel from the receiving device,
- d) inserting the new ion exchange cartridge from above with the mandrel ahead into the receiving device, then making the fluid tight connection of the flow and the return of the fluid circuit with the fluid ports.
Vorteilhaft kann der Austausch der Ionentauscherkartusche vollständig oben erfolgen, da sowohl die Fluidanschlüsse an der Oberseite vorliegen als auch in einer Ausführungsform die weiteren Befestigungselemente; ein Mechaniker muss nicht unergonomisch und verletzungsgefährdet, quasi blind, tief unten im Motorraum hantieren. Hierdurch lässt sich der Austausch der Ionentauscherkartusche deutlich beschleunigen, was zu verringerten Wartungskosten führt.Advantageously, the replacement of the ion exchange cartridge can be done completely above, since both the fluid connections are present at the top and in one embodiment, the other fasteners; a mechanic does not have to deal with it unergonomically and at risk of being injured, almost blindly, deep down in the engine compartment. As a result, the replacement of the ion exchange cartridge can be significantly accelerated, resulting in reduced maintenance costs.
Es kann nach dem Ausführen des Schritts a) sinnvoll sein, den Schritt a') Abklemmen des Vorlaufs und Rücklaufs des Fluidkreises, bevorzugt unter Verwendung einer Schlauchklemmzange und/oder durch Verschließen der Verschlusskupplungen, auszuführen.It may be useful after performing step a) to perform the step a ') clamping the flow and return of the fluid circuit, preferably using a hose clamp and / or by closing the clutches.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenfahrzeug weist eine erfindungsgemäße Ionentauscheranordnung und einen Fluidkreis auf, wobei jeweils ein Vorlauf und ein Rücklauf des Fluidkreises mit jeweils einem Fluidanschluss der Ionentauscheranordung fluiddicht verbunden sind.The fuel cell vehicle according to the invention has an ion exchanger arrangement according to the invention and a fluid circuit, wherein in each case a flow and a return of the fluid circuit are fluid-tightly connected to a respective fluid connection of the ion exchanger arrangement.
Das Brennstoffzellenfahrzeug kann einen Motorraum, beispielsweise mit einer klappbaren Haube, aufweisen, in dem die Ionentauscheranordnung von oben frei zugänglich angeordnet ist. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass keine anderen Nebenaggregate, Leitungen und/oder Kabel den Zugriff von oben behindern. Die Ionentauscherkartusche kann dadurch schneller und ohne zuvor andere Aggregate oder Leitungen abbauen zu müssen ausgetauscht werden, was die Wartung insgesamt kostengünstiger oder sogar für einen Kunden selbst durchführbar macht.The fuel cell vehicle may have an engine compartment, for example with a hinged hood, in which the ion exchanger arrangement is freely accessible from above. In this case, provision is made in particular for no other ancillary units, lines and / or cables to hinder access from above. The ion exchange cartridge can be replaced faster and without having to dismantle other aggregates or lines before, which makes the maintenance overall more cost effective or even for a customer feasible.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.These and other advantages are set forth by the following description with reference to the accompanying figures. The reference to the figures in the description is to facilitate understanding of the subject matter. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention.
Dabei zeigt:Showing:
Die Ionentauscheranordnung
Im illustrierten Beispiel haben der Fallabschnitt
In Ausgestaltungen der Erfindung, bei denen das Gehäuse
Bei den Fluidanschlüssen
Die Ionentauscherkartusche
Wenn keine selbstverschließenden Verschlusskupplungen zum Einsatz kommen, muss hiervor der Vorlauf
Die erfindungsgemäße Ionentauscheranordnung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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