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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ionentauscher für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Ionentauscher.
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Aus der
DE 10 2009 037 080 A1 ist ein gattungsgemäßer Ionentauscher für ein Brennstoffzellensystem mit einem Aufnahmeraum bekannt, in welchem ein granulatartiges lonentauschermedium angeordnet ist. Um eine Kurzschlussdurchströmung durch das granulatartige lonentauschermedium zu verhindern und damit die Ionen tauschende Wirkung zuverlässig aufrechtzuerhalten, ist eine Pressvorrichtung vorgesehen, über welche das granulatartige lonentauschermedium vorgespannt wird.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Ionentauscher der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Funktion sowie eine verlängerte Standzeit auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Pressscheibe zur Verdichtung eines granulatartigen bzw. garnulatförmigen lonentauschermediums in einem Ionentauscher für ein Brennstoffzellensystem erstmals aus Vlies auszubilden bzw. eine Pressscheibe herzustellen, die Vlies aufweist. Der erfindungsgemäße Ionentauscher für ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise für ein Kühlsystem einer Brennstoffzelle, besitzt einen Aufnahmeraum, in dem das granulatartige lonentauschermedium angeordnet ist. Ebenfalls vorgesehen ist eine Presseinrichtung mit einer Feder sowie der zuvor genannten Pressscheibe zum Pressen, d. h. Vorspannen, des lonentauschermediums. Erfindungsgemäß weist nun diese Pressscheibe Vlies auf oder ist aus einem derartigen Vlies ausgebildet. Dies stellt im Vergleich zu Kunststoff eine deutlich leichtere Bauweise dar, was insbesondere in modernen Brennstoffzellenkraftfahrzeugen von besonderem Vorteil ist, da hierdurch die Reichweite erhöht werden kann. Bei einem Elastomerdichtring kann es, um eine absolute Dichtheit herzustellen, zudem zum Problem des Anhaftens der Elastomerdichtung am Gehäuse kommen. Damit würde die Pressfunktion u.U. nicht mehr funktionieren, da die Reibkraft der Elastomerdichtung zusätzlich überwunden werden muss, wodurch nicht nur die Feder, sondern auch die Halterung der Feder im Gehäuse angepasst werden müsste, was technisch aufwändiger ist und höhere Kosten verursacht. Das Vlies dient zur Abdichtung des Aufnahmeraums, sodass das granulatartige lonentauschermedium nicht aus der Kartusche austreten kann. Das Granulat kann so feinkörnig sein, dass eine reine Kunststoff-Kunststoff-Spielpassung zu große Spalte aufweist und damit das Granulat entweichen könnte. Mittels der erfindungsgemäßen Pressscheibe kann somit auch auf eine zusätzliche Dichtung verzichtet werden, die bei herkömmlichen Pressscheiben aus Kunststoff oftmals erforderlich waren. Die erfindungsgemäße Pressscheibe dichtet aufgrund ihres Vlieses einen Rohraum, das heißt den Aufnahmeraum mit dem Ionentauschermedium gegen einen Reinraum ab. Die Pressscheibe kann dabei beispielsweise ringförmig oder kreisförmig ausgebildet sein und ähnlich einem Kolben in einem zugehörigen ringförmigen bzw. zylinderartigen Aufnahmeraum in Axialrichtung verstellbar sein. Als weiterer großer Vorteil einer derartigen Vlies aufweisenden oder aus Vlies ausgebildeten Pressscheibe ist deren nicht exakt plane Oberfläche, mit welcher sie auf das granulatartige lonentauschermedium drückt, wodurch Spannungsspitzen zumindest reduziert, vorzugsweise sogar vermieden werden können. Durch die nicht exakt ebene Oberfläche der aus Vlies ausgebildeten Pressscheibe ist eine deutlich verbesserte flächige Anlage an das granulatartige lonentauschermedium und damit eine gleichmäßigere Pressung desselben möglich. Durch eine gleichmäßige Pressung bzw. Vorspannung können auch Setzungsprozesse ausgeglichen und die Ausbildung von bevorzugten Strömungskanälen verhindert werden, wodurch das lonentauschermedium von dem aufzubereitenden Fluid, beispielsweise Kühlmittel, gleichmäßig durchströmt und dadurch einer gleichmäßigen Belastung ausgesetzt wird, was eine Ionentausch-Effizienz und eine Standzeit erhöht. Zudem ist es mit einem derartigen vorgespannten bzw. vorgepressten lonentauschermedium möglich, den Ionentauscher insgesamt kompakt und platzsparend aufzubauen.
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Das Vlies könnte ein aufgeschweißter Vliesring sein, zwei Vliesringe jeweils am Innen- und Außendurchmesser geschweißt. Statt schweißen könnte man auch umspritzen.
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Der Vliesring kann durch thermische Behandlung lokal verfestigt werden, sodass die Krafteinleitungseinrichtung, beispielsweise ein Schieber aus Kunststoff, komplett entfallen kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung steht die Feder der Presseinrichtung entweder direkt mit der Pressscheibe in Kontakt oder indirekt über eine Krafteinleitungseinrichtung, beispielsweise ein Kunststoffgitter oder eine Kunststoffscheibe oder einen Kunststoffring. Rein theoretisch kann die erfindungsgemäße Pressscheibe aus einem derart verdichteten Vlies bestehen, dass diese scheibenartig bzw. ringscheibenartig ausgebildet ist und eine vergleichsweise hohe Steifigkeit aufweist. In diesem Fall kann die über die Feder in die Pressscheibe eingeleitete Vorspannkraft über die gesamte Fläche der Pressscheibe vorzugsweise gleichmäßig verteilt eingeleitet werden. Soll beispielsweise lediglich eine vergleichsweise dünne und damit leichte Pressscheibe eingesetzt werden, so kann zwischen dieser und der Feder die zuvor genannte Krafteinleitungseinrichtung, beispielsweise ein Kunststoffgitter, eingesetzt werden, um die eingebrachten Federkräfte gleichmäßig über die Fläche zu verteilen. Ein derartiges Kunststoffgitter kann dabei ebenfalls vergleichsweise kostengünstig und leicht ausgebildet werden.
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Zweckmäßig ist der Aufnahmeraum, in welchem sich das lonentauschermedium befindet, durch einen lonentauschertopf und die Pressscheibe umschlossen, wobei die Pressscheibe mittels der Feder in Axialrichtung in dem lonentauschertopf verschiebbar gelagert ist und über ihre Ränder gegenüber dem Ionentauschertopf abgedichtet ist. Ein derartiger lonentauschertopf kann fluiddurchlässig sein und beispielsweise siebartige Wände aufweisen, die einen Durchfluss des aufzubereitenden Fluids ermöglichen, ein unerwünschtes Austreten des granulatartigen lonentauschermediums aber zuverlässig verhindern. Der lonentauschertopf kann demzufolge auch als Siebtopf ausgebildet sein. Rein theoretisch ist sogar denkbar, dass die erfindungsgemäße Pressscheibe fluiddurchlässig ist, sodass auch über diese ein Fluidstrom erfolgen kann bzw. die Pressscheibe eine Rohvon einer Reinseite trennt.
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Zweckmäßig weist der Ionentauscher ein Gehäuse auf, in dem zumindest ein Aufnahmeraum mit granulatartigem lonentauschermedium und wenigstens eine zugehörige Presseinrichtung angeordnet sind. Vorzugsweise können in diesem Gehäuse sogar zwei Aufnahmeräume sowie zwei zugehörige Presseinrichtungen angeordnet sein, die beispielsweise parallel oder in Reihe geschaltet durchströmt werden, wobei insbesondere die letzte Lösung eine deutliche Steigerung der ionentauschenden Funktion ermöglicht. Dies ist insbesondere bei Kühlmedien in Brennstoffzellensystemen von großem Interesse, da ein derartiges Kühlmedium unbedingt elektrisch nicht leitend gehalten werden muss.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zumindest ein Widerlagerelement vorgesehen, an dem sich die Feder der zugehörigen Presseinrichtung abstützt. Ein derartiges Widerlagerelement kann beispielsweise einen Teil des Gehäuses bilden, sodass sich in diesem Fall die Feder an dem Gehäuse, welches zugleich das Widerlagerelement bildet, abstützt. Hierdurch ist es möglich, einen Teil des Gehäuses, beispielsweise einen Deckel, als Widerlagerelement zu verwenden, wodurch auf ein separat herzustellendes und separat zu montierendes Bauteil verzichtet werden kann. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass das Widerlagerelement als separates Bauteil ausgebildet sein kann. Hierdurch lassen sich nicht nur Herstellungskosten sowie Lager- und Logistikkosten, sondern zudem auch Montagekosten reduzieren. Der Vorteil des zweiten Falls liegt darin, dass mit dem lonentauschertopf, der Feder und der Pressscheibe sowie einem dort angebauten Widerlagerelement eine individuell handhabbare Ionentauschereinheit, beispielsweise eine Ionentauscherkartusche, geschaffen werden kann, die im Wartungsfall einfach und komplett ausgetauscht werden kann. Selbstverständlich ist auch bei dieser Lösung denkbar, dass die lonentauscherkartusche durch Entlasten der Feder und Entnahme der Pressscheibe geöffnet und lediglich das lonentauschermedium ausgetauscht wird. Hierdurch kann ein besonders ressourcen- und umweltschonender Betrieb des Ionentauschers ermöglicht werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Brennstoffzellensystem mit einem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Ionentauscher auszustatten, beispielsweise ein Kühlsystem eines derartigen Brennstoffzellensystems, wodurch die Vorteile des Ionentauschers auf das Kühlsystem bzw. das Brennstoffzellensystem und damit auch beispielsweise auf ein Brennstoffzellenfahrzeug, welches mit einem derartigen Brennstoffzellensystem bzw. Ionentauscher ausgestattet ist, übertragen werden können.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine hälftige Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Ionentauscher entsprechend einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform,
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch bei einer veränderten Ausführungsform,
- 4 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ionentauschers,
- 5 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Ionentauscher mit einer Pressscheibe und einem Widerlagerelement,
- 6 eine Detaildarstellung aus 4,
- 7 eine Schnittdarstellung durch eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ionentauschers.
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Entsprechend den 1 bis 7 weist ein erfindungsgemäßer Ionentauscher 1 für ein Brennstoffzellensystem 2, insbesondere für ein Kühlsystem 3 eines Brennstoffzellensystems 2 in einem Brennstoffzellenfahrzeug 23, zumindest einen Aufnahmeraum 4 auf, in welchem ein granulatartiges lonentauschermedium 5 angeordnet ist. Gemäß den 1 bis 3 sind dabei in den jeweiligen Ionentauscher 1 zwei parallel zueinander geschaltete Aufnahmeräume 4 vorgesehen, während bei den Ausführungsformen gemäß den 4 bis 7 jeweils nur ein Aufnahmeraum 4 je Ionentauscher 1 vorgesehen ist. Jedem Aufnahmeraum 4 zugeordnet ist eine Presseinrichtung 6 mit einer Feder 7 und einer Pressscheibe 8, wobei letztere erfindungsgemäß Vlies aufweist oder aus Vlies ausgebildet ist. Durch eine Ausbildung der Pressscheibe 8 aus Vlies kann eine besonders leichte Ausführungsform realisiert werden, was insbesondere in Brennstoffzellenfahrzeugen 23 von großem Vorteil hinsichtlich einer möglichen, zu erzielbaren Reichweite ist. Zudem besitzt eine derartige Pressscheibe 8 keine absolut plane Oberfläche, wie dies beispielsweise eine Pressfläche aus Kunststoff besitzt, wodurch eine größere Kontaktfläche zu dem granulatartigen lonentauschermedium 5 und damit eine gleichmäßigere Pressung desselben erreicht werden kann. Im Vergleich zu einer planen Pressscheibe kann sich die erfindungsgemäße Pressscheibe 8 besser an die unebene Oberfläche des lonentauschermediums 5 anpassen und anlegen, wodurch eine deutlich gleichmäßigere Krafteinleitung erreicht werden kann.
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Durch die Presseinrichtung 6 bzw. die Presseinrichtungen 6 lassen sich Setzungen des lonentauschermediums 5 ausgleichen, da die Pressung automatisch nachgestellt wird, sobald sich das lonentauschermedium 5 setzt. Durch die Presseinrichtung 6 kann zudem verhindert werden, dass das aufzubereitende Fluid 9, beispielsweise Kühlmittel, bevorzugte Strömungswege im lonentauschermedium 5 bildet und dadurch nicht optimal aufbereitet wird. Durch die Presseinrichtung 6 können auch der im Betrieb auftretende Abrieb des lonentauschermediums 5 reduziert und die Standzeit erhöht werden.
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Der erfindungsgemäße Ionentauscher 1 dient dabei einem Befreien eines aufzubereitenden Fluids 9, beispielsweise Kühlmittel, von Ionen, was insbesondere bei Brennstoffzellensystemen 2 erforderlich ist, um die Gefahr eines Kurzschlusses durch die Leitfähigkeit des Fluids 9 zumindest zu reduzieren. Hierzu kann das Fluid 9 über den erfindungsgemäßen Ionentauscher 1 beispielsweise entsalzt werden.
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Betrachtet man die Presseinrichtungen 6 näher, so kann man erkennen, dass die Feder 7 der jeweiligen Presseinrichtung 6 entweder direkt mit der jeweiligen Pressscheibe 8 in Kontakt steht (vgl. beispielsweise die 1 bis 3 und 7) oder indirekt über eine Krafteinleitungseinrichtung 10 (vgl. die 4 bis 6). Eine derartige Krafteinleitungseinrichtung 10 kann beispielsweise als Kunststoffgitter, als Kunststoffscheibe oder als Kunststoffring ausgebildet sein. Sie dient insbesondere zu einer gleichmäßigen Krafteinleitung in die Pressscheibe 8.
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Um dabei eine abdichtende Wirkung zu erzielen, kann die Pressscheibe 8 an einem Rand 11 umgebogen sein und dadurch eine Dichtwirkung mit einer Wand des Aufnahmeraums 4 verstärken. Der umgebogene Rand 11 kann dabei zusätzlich zur Führung der Pressscheibe 8 an den Wänden des Aufnahmeraums 4 ähnlich einem Kolbenschaft eines Kolbens in einem Zylinder dienen.
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Betrachtet man die 1 bis 7 weiter, so kann man erkennen, dass der jeweilige Aufnahmeraum 4 durch einen lonentauschertopf 12 und die Pressscheibe 8 umschlossen/begrenzt ist. Der lonentauschertopf 12 stellt dabei eine Führung für die Pressscheibe 8 dar.
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Zudem weist der Ionentauscher 1 ein Gehäuse 13 auf, in welchem zumindest einer der Aufnahmeräume 4 mit dem granulatartigen lonentauschermedium 5 und wenigstens eine zugehörige Presseinrichtung 6 angeordnet sind. Gemäß den 1 bis 3 umschließt dabei das dort gezeigte Gehäuse 13 jeweils zwei Aufnahmeräume 4 mit zwei Presseinrichtungen 6. Das Gehäuse 13 kann einen Deckel 14 sowie einen dicht damit verbindbaren Topf 15 (vgl. die 4 und 7) umfassen. Ebenfalls vorgesehen ist je Presseinrichtung 6 zumindest ein Widerlagerelement 16, an welchem sich die Feder 7 der Presseinrichtung 6 abstützt.
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Betrachtet man die Figuren im Einzelnen, so kann man erkennen, dass gemäß der 1 das Widerlagerelement 16 für die obere Feder ein separates Bauteil, beispielsweise eine Endscheibe, darstellt, während das untere Widerlagerelement 16 durch das Gehäuse 13 gebildet wird. Bei dem Ionentauscher 1 gemäß der 2 sind beide Widerlagerelemente 16 für beide Federn 7 jeweils separate Elemente. Das obere Widerlagerelement 16 schließt dabei einen Rohraum 17 von einem Reinraum 18 ab. Das untere Widerlagerelement 16 gemäß der 2 ist als Ring ausgebildet und zwischen den beiden Aufnahmeräumen 4 angeordnet.
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Betrachtet man die 3, so ist hier das untere Widerlagerelement 16 analog zu 2 ausgeführt, während das obere Widerlagerelement 16 durch das Gehäuse 13 gebildet wird. In 4 ist das Widerlagerelement 16 für die Feder 7 ebenfalls am Gehäuse 13, hier am Deckel 14 angeordnet, ebenso wie in der 7. Eine obere Endscheibe 19, welche den Rohraum 17 vom Reinraum 18 trennt, ist dabei über eine Clipsverbindung mit dem lonentauschertopf 12 verbunden. In diesem Fall könnte sich selbstverständlich die Feder 7 auch an der Endscheibe 19 abstützen, sofern diese in Radialrichtung weiter nach außen reichen würde.
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Die Rastverbindung zwischen dem lonentauschertopf 12 und der oberen Endscheibe 19 ist im Detail noch mal in 6 dargestellt, wobei dort zu erkennen ist, dass die obere Endscheibe 19 einen Ringsteg 20 aufweist, der in eine am lonentauschertopf 12 angeordnete Ringnut 21 eingreift und einer Abdichtung zwischen Rohseite 17 und Reinseite 18 dient. Über eine mit dem Ionentauschertopf 12 verrastete Rastnase 22 wird die obere Endscheibe 19 mit dem lonentauschertopf 12 verrastet.
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Alles in allem kann mit der erfindungsgemäß Vlies aufweisenden bzw. aus Vlies ausgebildeten Pressscheibe 8 ein zuverlässiges, gleichmäßiges und zudem gewichtsoptimiertes Vorspannen des granulatartigen lonentauschermediums 5 erreicht werden, wodurch sich bildende Strömungskanäle im lonentauschermedium 5 bei einem Rütteln wieder verschlossen und dadurch eine gleichmäßige Durchströmung des lonentauschermediums 5 erreicht werden können. Hierdurch kann der Ionenaustrag deutlich verbessert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009037080 A1 [0002]
