DE102016111562A1

DE102016111562A1 - Filtermedium und Filtervorrichtung mit Ionenaustauschfunktion

Info

Publication number: DE102016111562A1
Application number: DE102016111562.2A
Authority: DE
Inventors: Nadine Rink
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Um ein Filtermedium (24) und eine Filtervorrichtung (10), insbesondere für ein Kühlmittelsystem eines Brennstoffzellensystems, bereitzustellen, das beziehungsweise die geeignet ist/sind, neben partikulären Bestandteilen auch Ionen aus einem flüssigen Medium zu entfernen, wird vorgeschlagen, dass das Filtermedium (24) mit Ionenaustauschfunktion ein aus einem Ionenaustauscherharz bestehender ein- oder mehrlagiger Siebfilter ist und dass die Filtervorrichtung (10) ein Gehäuse (12) mit einem Einlass (11a) aufweist, welcher über einen Kanal (11) fluidisch mit einem Auslass (11b) des Gehäuses (12) verbunden ist, wobei das Filtermedium (24) stromaufwärts des Auslasses (11b) derart angeordnet ist, dass das Filtermedium (24) von dem flüssigen Medium durchströmbar ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Brennstoffzellensystem ein Kühlsystem aufweisend, in dem eine Filtervorrichtung (10) oder ein Filtermedium (24) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtermedium mit Ionenaustauschfunktion und eine Filtervorrichtung mit Ionenaustauschfunktion für ein flüssiges Medium vorgenanntes Filtermedium aufweisend sowie ein Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Bei dem Betrieb der Brennstoffzelle entsteht durch die Brennstoffzellenreaktion Wärme, weswegen der Brennstoffzellenstapel in einen Kühlkreis eingebunden ist, der die Abwärme über ein Kühlmittel abführt.
Das nicht leitende Kühlmittel im Kühlkreislauf von Brennstoffzellensystemen hat im Brennstoffzellenstapel Kontakt zu den Hochvolt-Potentialen. Zugleich durchströmt es diverse Komponenten, deren Gehäuse auf Massepotential gelegt wird, wie zum Beispiel eine Hochvolt-Kühlmittelpumpe. Im Laufe des Betriebes steigt die Leitfähigkeit des Kühlmittels an, sodass der Isolationswiderstand zwischen den jeweiligen Hochvolt-Potentialen und Masse sinkt. Zur Einhaltung eines hohen Isolationswiderstands muss daher darauf geachtet werden, dass eine niedrige Kühlmittelleitfähigkeit beispielsweise durch Ionenaustauscher gewährleistet ist.
Zu den typischen Kontaminationsquellen zählen auch Kunststoffe, mit denen das Kühlmittel in Kontakt kommt. Beispielsweise können Flammschutzmittel oder Stabilisatoren aus dem Kunststoff herausgewaschen werden. Insbesondere Polyamide und andere Kunststoffe sind typischerweise mit Kupferiodid und anderen Salzen wie Kaliumiodid stabilisiert. Die ausgewaschenen Salze können zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und zur Bildung von Strombrücken führen.
Darüber hinaus können in das Kühlmittel auch Schwefelverbindungen gelangen. Diese Schwefelverbindungen reagieren mit den Metalloberflächen der in den Kühlkreislauf eingebundenen Aggregate zu den entsprechenden Sulfiden (insbesondere Eisen- und Kupfersulfiden), welche zu elektrisch leitfähigen Sulfaten (Eisen- beziehungsweise Kupfersulfat) oxidiert werden.
Eine weitere Problemstellung bei Brennstoffzellensystemen ist eine generelle Sauberkeit, die einzuhalten ist. Aufgrund der geringen Abmessungen der Kühlkanäle in den Brennstoffzellenplatten, darf eine bestimmte Partikelgröße bei Schwebstoffen nicht überschritten werden. Eine Möglichkeit, um dies zu gewährleisten, ist der Einsatz eines Partikelfilters im Kühlmittelkreislauf.
So wird in der DE 10 2007 0032 410 A1 eine Filterpatrone für die Wasseraufbereitung beschrieben, die sowohl als lonenaustauscher als auch als Filter zur Entfernung von Schwebstoffen fungiert, wobei chemisch funktionalisierte Naturfasermaterialien allein beziehungsweise mit nicht modifizierten Naturfasermaterialien textil verarbeitet und zu einer Filterpatrone konfektioniert sind.
Aus der DE 197 08 693 A1 ist ein Filtermaterial für die Luftaufbereitung bekannt, die hergestellt ist aus einem asymmetrischen, hoch luftdurchlässigen Vlies mit einer dichten und einer offenen Seite, dessen offene Seite mit körnigen oder kugelförmigen Adsorbentien beladen ist und mit einer hoch luftdurchlässigen Abdeckung thermisch zusammenkaschiert ist. Als Adsorbentien werden unter anderem auch Ionenaustauscher eingesetzt.
Die DE 10 2012 001 194 A1 offenbart ein Funktionsmodul für einen Kühlmittelkreis eines Brennstoffzellensystems mit einem Behältnis, welches ein lonenaustauschermaterial und ein zum mechanischen Zurückhalten von mit dem Kühlmittel transportierbaren Partikeln ausgebildetes Filtermaterial aufweist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Filtermedium und eine Filtervorrichtung, insbesondere für ein Kühlmittelsystem eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, das beziehungsweise die geeignet ist, neben partikulären Bestandteilen auch störende Ionen aus einem flüssigen Medium zu entfernen.
Diese Aufgabe wird durch ein Filtermedium und eine Filtervorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Filtermedium mit Ionenaustauschfunktion bereitgestellt, das als ein aus einem Ionenaustauscherharz bestehender ein- oder mehrlagiger Siebfilter ausgestaltet ist.
Das Ionenaustauscherharz ist vorzugsweise ein funktionalisiertes Polystyrolderivat, Styrol-Divinylbenzol-Copolymerisat oder Acrylatderivat.
Vorzugsweise wird der Siebfilter mittels Spritzguss, Formpressen, Stanzen oder dergleichen hergestellt, wobei bei der Dimensionierung des Filters und dessen Öffnungen gegebenenfalls ein Quellen des Harzes zu berücksichtigen ist.
Das Filtermedium kann aus einem oder auch mehreren Lagen von Siebfiltern ausgebildet sein, um vorteilhafterweise die Rückhaltefunktion für Partikel und die Kapazität des Ionenaustauschers zu erhöhen, wobei die einzelnen aus anderen Ionenaustauschern bestehen können.
Das Ionenaustauscherharz ist entweder als Anionen- oder Kationenionentauscher ausgebildet. Besonders bevorzugt ist bei einer mehrlagigen Ausgestaltung des Filtermediums, dass Anionen- und Kationenionentauscher miteinander zu einem Filtermedium kombiniert werden. Hierbei werden zwei oder ein Vielfaches von zwei Lagen bevorzugt, jeweils für Anionen und Kationen, wobei jedoch davon auch in Abhängigkeit der zu entfernenden Ionen abgewichen werden kann.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Filtervorrichtung mit Ionenaustauschfunktion für ein flüssiges Medium bereitgestellt, das ein vorab beschriebenes Filtermedium aufweist.
Die Filtervorrichtung besitzt ein Gehäuse mit einem Einlass für das flüssige Medium, welcher über einen Kanal fluidisch mit einem Auslass des Gehäuses verbunden ist, wobei das Filtermedium stromauf des Auslasses derart angeordnet ist, dass das Filtermedium von dem flüssigen Medium durchströmbar ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die Filtervorrichtung in dem Gehäuse einen in dem Kanal angeordneten Filtereinsatz auf, der eine zum Gehäuse beabstandete Wandung ausbildet, die eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, welche beispielsweise kreisförmig sein können, und die sich an beiden Enden über jeweils einen umlaufenden Kragen auf der Innenseite des Kanals abstützt. Auf der Wandung ist das erfindungsgemäße Filtermedium angeordnet.
Der zum Einlass weisende Kragen ist geschlossen ausgestaltet, sodass der zwischen Wandung und Kanal ausgebildete Raum nicht aus Richtung des Kragens vom flüssigen Medium durchströmt werden kann. Um an dieser Stelle den Strömungswiderstand gering zu halten, kann der Kragen sich schräg in Richtung des Einlasses zum Kanal erstrecken. Der zum Auslass gelegene Kragen erstreckt sich vorzugsweise rechtwinklig zum Kanal und ist umlaufend mit einer Vielzahl von Durchgangsöffnungen versehen. Ansonsten ist der Filtereinsatz in Richtung des Auslasses geschlossen ausgeformt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform, kann der Kragen im Bereich des Einlasses in Richtung der Längsmittelachse des Filtereinsatzes hinausgezogen sein, sodass die zum Einlass weisende Kante des Filtermediums überdeckt wird und das flüssige Medium nicht zwischen Wandung und Filtermedium strömen kann.
Vorzugsweise sind das Gehäuse und dementsprechend der Kanal aus fertigungstechnischen und strömungstechnischen Gründen zylindrisch ausgestaltet. Es sind jedoch auch andere räumliche Ausgestaltungen möglich. So kann der Filtereinsatz beispielsweise auch kegelförmig beschaffen sein, wobei die Kegelbasis im Bereich des Einlasses angeordnet ist, wodurch der Strömungswiderstand vorteilhafterweise reduziert werden kann.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird gewährleistet, dass das durch den Einlass einströmende Medium durch das Filtermedium geleitet wird, wo es beim Durchtritt von Partikeln und Ionen gereinigt wird, und in den Raum zwischen Kanal und Wandung gelangt, von wo es durch die Durchgangsöffnungen des Kragens wieder aus der Vorrichtung austritt.
In bestimmten Situationen ist es auch vorteilhaft, wenn eine Durchströmung der Filtervorrichtung in umgekehrter Richtung zu der hier beschriebenen Richtung möglich ist.
Vorzugsweise besteht das Filtermedium aus mehren Lagen, sodass sowohl Anionen- als auch Kationenaustauscherharze Anwendung finden können. Bei einer Wartung können die entsprechenden Lagen des Filtermediums separat regeneriert werden.
Alternativ ist es auch vorgesehen, zumindest zwei Filtervorrichtungen, einmal mit einem Filterelement bestehend aus einem Anionentauscher und einmal mit einem Filterelement bestehend aus einem Kationentauscher vorzusehen, die dann bei einer Wartung leichter regeneriert werden können als die vorherige Ausführungsform, ohne jedoch diese demontieren zu müssen.
Das Filtermedium kann als Flachfilter oder als Faltenfilter ausgestaltet sein, wobei der Faltenfilter den Vorteil einer größeren Oberfläche bietet.
Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Brennstoffzellensystem, das mit einem Kühlsystem ausgerüstet ist, das die erfindungsgemäße Filtervorrichtung aufweist.
Vorteilhafterweise ist es durch die erfindungsgemäße Integration von zwei Aufgaben in einer Vorrichtung möglich, Schlauchleitungen für entsprechende Systeme bereitzustellen, in die diese Filtervorrichtungen integriert sind. Dadurch und auch schon durch die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen kann Bauraum gespart werden und die Montage/Demontage kann weiter vereinfacht werden.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Filtervorrichtung mit Ionentauscherfunktion eignet sich vorteilhafterweise für den Einsatz bei höheren Volumenströmen. Er benötigt, im Gegensatz zu Ionentauschern nach dem Stand der Technik, durch die Ausgestaltung des ionentauschenden Filtermediums als Siebfilter keinen internen Bypass.
Das erfindungsgemäße Filtermedium und die Filtervorrichtung können in allen Systemen Anwendung finden, in denen insbesondere deionisiertes Wasser hergestellt oder verwendet wird und in welchen gleichzeitig eine Filtration von Partikeln durchzuführen ist. Da deionisiertes Wasser oder auch Reinstwasser nicht lagerfähig ist, werden in vielen Bereichen, in denen diese benötigt werden, entsprechende Filter- und Ionenaustauschvorrichtungen zur Herstellung verwendet. Dies ist beispielsweise der Fall bei Mitteln zur Flugzeugenteisung, in der Medizinindustrie, bei Kraftwerken, bei der Herstellung von Elektronikkomponenten, beim Kühlen von Transformatoren und dergleichen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung;
2 in einem Querschnitt die erfindungsgemäße Filtervorrichtung nach 1, und
3 in einer perspektivischen Ansicht ein Detail einer Filtereinrichtung nach einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung 10, durch die ein Kanal 11 geführt ist, der einen Einlass 11a und einen Auslass 11b aufweist. Dazu weist die Filtervorrichtung 10 ein Gehäuse 12 auf. In dem Kanal 11 des Gehäuses 12 ist ein Filtereinsatz 13 angeordnet, der eine zum Kanal 11 beziehungsweise zum Gehäuse 12 beabstandete Wandung 14 ausbildet, die eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, die hier nicht näher dargestellt sind.
An beiden Enden besitzt der Filtereinsatz 13 umlaufende Kragen 16, 18 auf, die sich jeweils an dem Gehäuse 12 beziehungsweise dem Kanal 11 abstützen. Der zum Einlass 11a weisende Kragen 16 ist geschlossen ausgestaltet und verläuft schräg zum Kanal 11 beziehungsweise Gehäuse 12, sodass sich eine trichterförmige Ausgestaltung ergibt. Der zweite Kragen 18 im Bereich des Auslasses 11b weist eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 20 auf, während der Filtereinsatz 13 ansonsten zum Auslass 11b hin mit einer Endplatte 22 verschlossen ist. Auf der dem Gehäuse 12 abgewandten Seite der Wandung 14 ist ein Filtermedium 24 angeordnet, das als Partikelfilter und Ionenaustauscher fungiert.
Das zu reinigende flüssige Medium, symbolisiert durch einen Pfeil vor dem Einlass 11a der Filtervorrichtung 10, tritt durch den Einlass in das Gehäuse 12 beziehungsweise den Kanal 11 und damit in den Filtereinsatz 13 ein und gelangt, da der direkte Weg zum Auslass 11b durch die Endplatte 22 im Filtereinsatz 13 geschlossen ist, seitlich durch das Filtermedium 24 und die nicht dargestellten Durchgangsöffnungen der Wandung 14 in einen durch die Wandung 14 und das Gehäuse 12 gebildeten Raum, wobei Ionen getauscht und Partikel aus dem flüssigen Medium herausgefiltert werden. Anschließend strömt das flüssige Medium durch die Durchgangsöffnungen 20 des Kragens 18 und tritt aus dem Auslass 11b aus der Filtervorrichtung 10 aus.
In 2 ist die Filtervorrichtung 10 der 1 im Querschnitt gezeigt, wobei der Schnitt im Bereich des Auslasses 11b liegt, sodass das zylindrische Gehäuse 12 sichtbar ist, an dessen Innenseite der umlaufende Kragen 18 mit seinen Durchgangsöffnungen 20 anliegt. Der umlaufende Kragen 18 umgibt die Endplatte 22 des Filtereinsatzes 13.
3 gibt ein Detail einer zweiten Ausführungsform der Filtervorrichtung 10 wieder. Es ist die Wandung 14 eines ansonsten nicht dargestellten Filtereinsatzes 13 gezeigt, die eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 26 besitzt. Auf diese Wandung 14 wird ein Filtermedium 24 in Form eines Faltenfilters aufgebracht, wobei dieser in 3 noch nicht vollständig die Wandung 14 umgibt. Diese Art der Darstellung dient lediglich zur Sichtbarmachung der Beschaffenheit der Wandung 14.
Da das Filtermedium 24 bei einer Ausgestaltung mit mehreren Lagen, hier nicht dargestellt, und auch als Faltenfilter eine gewisse Dicke aufweist, kann der umlaufende Kragen 16 im Bereich des Einlasses 11a der Filtervorrichtung über die Wandung 14 in Richtung der Längsmittelachse des Filtereinsatzes 13 hinausgezogen sein, hier ebenfalls nicht dargestellt, sodass das flüssige Medium nicht zwischen Wandung 14 und das Filtermedium 24 strömen kann.
Bezugszeichenliste

10: Filtereinrichtung
11: Kanal
11a: Einlass
11b: Auslass
12: Gehäuse
13: Filtereinsatz
14: Wandung
16: Kragen/einlassseitig
18: Kragen/auslassseitig
20: Durchgangsöffnung
22: Endplatte
24: Filtermedium
26: Durchgangsöffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1020070032410 A1 [0008]
DE 19708693 A1 [0009]
DE 102012001194 A1 [0010]

Claims

Filtermedium (24) mit Ionenaustauschfunktion, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (24) ein aus einem Ionenaustauscherharz bestehender ein- oder mehrlagiger Siebfilter ist.
Filtermedium (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenaustauscherharz ein funktionalisiertes Polystyrolderivat, Styrol-Divinylbenzol-Copolymerisat oder Acrylatderivat ist.
Filtermedium (24) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siebfilter mittels Spritzguss, Formpressen, oder Stanzen hergestellt ist.
Filtermedium (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenaustauscherharz ein Anionen- oder Kationenaustauscherharz ist.
Filtermedium (24) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrlagigen Ausgestaltung des Siebfilters zumindest eine Lage ein Anionen- und zumindest eine Lage ein Kationenaustauscherharz ist.
Filtermedium (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (24) als Flachfilter oder als Faltenfilter ausgestaltet ist.
Filtervorrichtung (10) mit Ionenaustauschfunktion für ein flüssiges Medium ein Filtermedium (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtervorrichtung (10) ein Gehäuse (12) mit einem Einlass (11a) aufweist, welcher über einen Kanal (11) fluidisch mit einem Auslass (11b) des Gehäuses (12) verbunden ist, wobei das Filtermedium (24) stromaufwärts des Auslasses (11b) derart angeordnet ist, dass das Filtermedium (24) von dem flüssigen Medium durchströmbar ist.
Filtervorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (11) ein Filtereinsatz (13) angeordnet ist, wobei der Filtereinsatz (13) eine zum Gehäuse (12) beabstandete Wandung (14) aufweist, die eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen (26) aufweist und die sich an beiden Enden über jeweils einen umlaufenden Rand (16, 18) auf der Innenseite des Kanals (11) abstützt, wobei der eine Rand (16) geschlossen ausgestaltet ist und der andere Rand (18) umlaufend mit Durchgangsöffnungen (20) versehen ist, dass der Filtereinsatz (13) auf der Seite mit dem Rand, welcher Durchgangsöffnungen aufweist, geschlossen ausgeformt ist und dass die Wandung (14) umlaufend mit dem Filtermedium (24) mit Ionenaustauschfunktion bedeckt ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Filtervorrichtungen (10) hintereinander angeordnet sind, wobei die eine Filtervorrichtung (10) mit einem Filtermedium (24) aus einem Anionentauscherharz und die andere Filtervorrichtung (10) mit einem Filtermedium (24) aus einem Kationentauscherharz ausgerüstet ist.
Brennstoffzellensystem ein Kühlsystem aufweisend in dem eine Filtervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 9 oder ein Filtermedium (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angeordnet ist.