DE102021002121A1 - ion exchanger - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen lonentauscher für ein Kühlmittelsystems einer Brennstoffzelle mit einem Gehäuse mit zwei separaten Kammern, wobei die erste Kammer ein Anionentauscherharz und die zweite Kammer ein Kationentauscherharz aufweist welche im Betrieb in Reihe durchströmt werden und im Servicefall für die Regeneration der lonentauscherharze parallel durchströmt werden.The invention relates to an ion exchanger for a coolant system of a fuel cell with a housing with two separate chambers, the first chamber having an anion exchange resin and the second chamber having a cation exchange resin through which flow occurs in series during operation and during service for the regeneration of the ion exchange resin flows through in parallel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen lonentauscher für ein Kühlmittelsystem einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to an ion exchanger for a coolant system of a fuel cell according to the preamble of claim 1.

Die EP 0 030 697 B1 betrifft einen lonentauscher zur Behandlung von Flüssigkeiten in einem Gegenstromverfahren wobei der lonentauscher regeneriert werden kann, da der lonentauscher für den jeweiligen Anwendungsfall entweder ein stark sauer Kationen- oder ein stark basischer Anionentauscher ist.the EP 0 030 697 B1 relates to an ion exchanger for the treatment of liquids in a countercurrent process, in which case the ion exchanger can be regenerated, since the ion exchanger is either a strongly acidic cation exchanger or a strongly basic anion exchanger for the respective application.

Nachteilig bei dieser Art von lonentauscher ist, dass entweder ein Kationen- oder ein Anionentauscher verwendet werden kann, um regenerierbar zu sein, welche jedoch die hohen Anforderungen an die Reduktion von Metallionen und an die elektrische Leitfähigkeit für das Kühlmittel einer Brennstoffzelle, welche unter 5 µS/cm beträgt, um Schäden an einer Brennstoffzelle zu verhindern, nicht erfüllen.The disadvantage of this type of ion exchanger is that either a cation or an anion exchanger can be used in order to be regenerable, which, however, the high demands on the reduction of metal ions and on the electrical conductivity for the coolant of a fuel cell, which below 5 μS /cm to prevent damage to a fuel cell.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Ionentauscher der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere für den Einsatz in einem Kühlmittelsystem einer Brennstoffzelle verwendet werden kann und regenerierbar ist.The present invention is therefore concerned with the problem of specifying an improved or at least an alternative embodiment for an ion exchanger of the generic type, which can be used in particular for use in a coolant system of a fuel cell and can be regenerated.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this problem is solved by the subject matter of independent claim 1 . Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken einen lonentauscher für ein Kühlmittelsystem einer Brennstoffzelle bereitzustellen, welcher nach seinem Einsatz nicht ausgewechselt werden muss, sondern während einem Service regeneriert wird.The present invention is based on the general idea of providing an ion exchanger for a coolant system of a fuel cell, which does not have to be replaced after use, but is regenerated during service.

Unter einem lonentauscher wird ein Material verstanden, mit denen gelöste Ionen durch andere Ionen gleichnamiger Ladung ersetzt werden können, um mögliche Metallionen, insbesondere Aluminium, des Kühlmittels an dem lonentauscherharz zu binden und somit die Anforderung der Brennstoffzelle zu erfüllen.An ion exchanger is a material with which dissolved ions can be replaced by other ions of the same charge in order to bind possible metal ions, in particular aluminum, of the coolant to the ion exchange resin and thus to meet the requirements of the fuel cell.

Hierfür wird anstelle eines üblichen lonentauschermischbetts, bestehend aus einer Mischung aus einen Anionentauscherharz und einem Kationentauscherharz, ein Gehäuse bereitgestellt, welches eine erste Kammer, welche zumindest teilweise mit einem Anionentauscherharz gefüllt ist und eine zweite Kammer, welche zumindest teilweise mit einem Kationentauscherharz gefüllt ist. Die beiden Kammern sind durch eine Trennwand voneinander dicht getrennt.For this purpose, instead of a conventional mixed ion exchange bed consisting of a mixture of an anion exchange resin and a cation exchange resin, a housing is provided which has a first chamber which is at least partially filled with an anion exchange resin and a second chamber which is at least partially filled with a cation exchange resin. The two chambers are tightly separated from each other by a partition.

Unter einem Anionentauscherharz wird ein lonentauscherharz verstanden, welches Anionen, unter anderem Chlor und Carbonate austauscht. Dementsprechend wird unter einem Kationentauscherharz ein lonentauscherharz verstanden, welches Kationen, insbesondere Aluminium, Natrium, Kalium, Kalzium und/oder Barium austauscht.An anion exchange resin is understood as meaning an ion exchange resin which exchanges anions, including chlorine and carbonates. Accordingly, a cation exchange resin is understood to mean an ion exchange resin which exchanges cations, in particular aluminum, sodium, potassium, calcium and/or barium.

Die beiden lonentauscherharze werden für den Betrieb im Kühlkreislauf der Brennstoffzelle in Reihe durchströmt, so dass sowohl Anionen als auch Kationen ausgetauscht werden, um die Anfordernungen der Brennstoffzelle zu erfüllen. Hierfür ist der Ablauf der ersten Kammer mit dem Zulauf der zweiten Kammer derart verbunden, dass das zu reinigende Kühlmittel zuerst die erste Kammer und anschließend die zweite Kammer durchströmt.The two ion exchange resins are flowed through in series for operation in the cooling circuit of the fuel cell, so that both anions and cations are exchanged in order to meet the requirements of the fuel cell. For this purpose, the outlet of the first chamber is connected to the inlet of the second chamber in such a way that the coolant to be cleaned first flows through the first chamber and then through the second chamber.

Durch die Separierung der lonentauscherharze in zwei Kammern ist es erstmals möglich einen lonentauscher mit einem Anionen- und einem Kationentauscherharz zu regenerieren.By separating the ion exchange resins in two chambers, it is possible for the first time to regenerate an ion exchange resin with an anion and a cation exchange resin.

Unter Regeneration wird verstanden, dass das lonentauscherharz derart aufbereitet wird, dass es im Idealfall dem ursprünglichen Grundzustand gleicht und wieder verwendet werden kann. Hierzu ist für ein Anionentauscherharz ein Behandlung mit einem Regenerierungsmittel, einer starken Lauge, notwendig. Hierfür wird die lonentauscherkartusche mehrfach mit einer starken Lauge, welche einen pKb-Wert von maximal 10 aufweist, durchströmt wobei das Anionentauscherharz mit der Lauge derart interagiert, dass die Austauschionen wieder in den ursprünglichen Grundzustand getauscht werden. Für die Regenerierung des Kationentauscherharzes ist als Regenerierungsmittel eine starke Säure, welche einen pKs-Wert von maximal 9 aufweist, notwendig, welche mehrfach derart durch das Kationentauscherharz geleitet wird, dass ebenfalls die Austauschionen in den ursprünglichen Grundzustand gebracht werden.Regeneration means that the ion exchange resin is processed in such a way that it ideally resembles the original basic state and can be used again. For this purpose, treatment with a regeneration agent, a strong base, is necessary for an anion exchange resin. For this purpose, the ion exchange cartridge is repeatedly flowed through with a strong base, which has a maximum pKb value of 10, the anion exchange resin interacting with the base in such a way that the exchange ions are exchanged back into the original ground state. To regenerate the cation exchange resin, a strong acid is required as a regenerating agent, which has a maximum pKa value of 9, which is passed through the cation exchange resin several times in such a way that the exchange ions are also brought into the original ground state.

Vorteilhaft stellt sich dabei die Möglichkeit dar beide lonentauscherkammern parallel zu durchströmen. Somit können beide Kammern in einem Arbeitsschritt gleichzeitig oder je nach Servicegerät auch nacheinander durchströmt und somit regeneriert werden.The possibility of flowing through both ion exchange chambers in parallel is advantageous. This means that both chambers can be flowed through and regenerated in one step at the same time or, depending on the service device, one after the other.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures with reference to the drawings.

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.It goes without saying that the above and below still need to be explained the features can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

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.Preferred exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference numbers referring to identical or similar or functionally identical components.

Es zeigt, jeweils schematisch

  • 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen lonentauschers
It shows, each schematically
  • 1 a schematic view of the ion exchanger according to the invention

Entsprechend der 1, weist der erfindungsgemäße lonentauscher 1 ein Gehäuse 2 mit einer Trennwand 5 auf, welche das Gehäuse in eine erste Kammer 3 und eine zweite Kammer 4 trennt. Die erste Kammer 3 weist dabei einen ersten Zulauf 8 und auf der gegenüberliegenden Stirnseite einen ersten Ablauf 9 auf. Der Zulauf 8 und der Ablauf 9 weisen einen nach außen ragenden Stutzen auf. Die Stutzen der ersten Kammer 3 weisen einen geringeren Durchmesser als die Stutzen der zweiten Kammer 4 womit ein Anschließen der falschen Leitungen verhindert wird.According to the 1 , the ion exchanger 1 according to the invention has a housing 2 with a partition 5 which separates the housing into a first chamber 3 and a second chamber 4 . The first chamber 3 has a first inlet 8 and a first outlet 9 on the opposite end. The inlet 8 and the outlet 9 have an outwardly projecting socket. The sockets of the first chamber 3 have a smaller diameter than the sockets of the second chamber 4, which prevents the wrong lines from being connected.

In einer alternativen Ausgestaltung ist der Zulauf und der Ablauf mittels einer Öffnung bereitgestellt, in welche ein Stutzen in die Zu- bzw. Ableitung eingreift. Die zweite Kammer 4 weist einen zweiten Zulauf 10 und einen zweiten Ablauf 11 auf. Dabei ist der Zulauf 10 der zweiten Kammer 4 auf der gleichen Stirnseite des Gehäuses wie der Ablauf 9 der ersten Kammer 3, um die Leitungswege einfach und kurz zu halten. Der Ablauf 11 der zweiten Kammer 4 ist auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Zulaufs 10 der zweiten Kammer 4.In an alternative embodiment, the inlet and outlet are provided by means of an opening, in which a socket engages in the inlet and outlet lines. The second chamber 4 has a second inlet 10 and a second outlet 11 . The inlet 10 of the second chamber 4 is on the same end face of the housing as the outlet 9 of the first chamber 3 in order to keep the line paths simple and short. The outlet 11 of the second chamber 4 is on the opposite end of the inlet 10 of the second chamber 4.

Für den Betrieb in einem Kühlmittelsystem einer Brennstoffzelle ist der Ablauf 9 der ersten Kammer 3 mit dem Zulauf 10 der zweiten Kammer 4 verbunden, womit im Betrieb zuerst die erste Kammer 3 durchströmt wird und anschließend die zweite Kammer 4.For operation in a coolant system of a fuel cell, the outlet 9 of the first chamber 3 is connected to the inlet 10 of the second chamber 4, so that during operation the first chamber 3 flows first and then the second chamber 4.

Die erste Kammer 3 weist ein Anionentauscherharz 6 auf, welches im Betrieb Anionen aus der zu behandelnden Flüssigkeit austauscht. Die zweite Kammer 4 weist ein Kationentauscherharz 7 auf, um im Betrieb Kationen aus der zu behandelnden Flüssigkeit auszutauschen.The first chamber 3 has an anion exchange resin 6 which, during operation, exchanges anions from the liquid to be treated. The second chamber 4 has a cation exchange resin 7 to exchange cations from the liquid to be treated during operation.

Das Gehäuse 2 ist mit Hilfe eines separaten Halters oder einem integral mit dem Gehäuse 2 angeformten Halter an einem Funktionsbauteil der Brennstoffzelle, des Kühlmittelsystems oder eines anderen Funktionsbauteils der Brennstoffzelle befestigt.The housing 2 is attached to a functional component of the fuel cell, the coolant system or another functional component of the fuel cell with the aid of a separate holder or a holder formed integrally with the housing 2 .

Für die Regeneration des lonentauschers 1 wird der lonentauscher 1 mit einem Servicegerät verbunden. Hierzu wird der Zulauf 8 der ersten Kammer 3 sowie der Ablauf 9 der ersten Kammer 3 mit dem Servicegerät derart verbunden, dass eine starke Lauge durch das Anionentauscherharz 6 fliest und dieses regeneriert. Das Kationentauscherharz 7 der zweiten Kammer 4 wird mittels einer starken Säure derart regeneriert, indem der Zulauf 10 und der Ablauf 11 der zweiten Kammer 4 derart an das Servicegerät angeschlossen wird, dass die Säure durch die zweite Kammer 4 und das Servicegerät strömen kann.For the regeneration of the ion exchanger 1, the ion exchanger 1 is connected to a service device. For this purpose, the inlet 8 of the first chamber 3 and the outlet 9 of the first chamber 3 are connected to the service device in such a way that a strong base flows through the anion exchange resin 6 and regenerates it. The cation exchange resin 7 of the second chamber 4 is regenerated using a strong acid by connecting the inlet 10 and outlet 11 of the second chamber 4 to the service unit in such a way that the acid can flow through the second chamber 4 and the service unit.

In einer bevorzugten Ausführung wird die erste und die zweite Kammer 3,4 gleichzeitig regeneriert indem die erste Kammer und die zweite Kammer 4 parallel mit dem jeweiligen Regenerierungsmittel durchströmt werden. Damit ist es möglich beide Kammern 3,4 zeitgleich zu regenerieren.In a preferred embodiment, the first and second chambers 3, 4 are regenerated simultaneously, in that the respective regenerating agent flows through the first chamber and the second chamber 4 in parallel. This makes it possible to regenerate both chambers 3.4 at the same time.

BezugszeichenlisteReference List

11
lonentauscherion exchanger
22
GehäuseHousing
33
erste Kammerfirst chamber
44
zweite Kammersecond chamber
55
Trennwandpartition wall
66
Anionentauscherharzanion exchange resin
77
Kationentauscherharzcation exchange resin
88th
erster Zulauf erste Kammerfirst inflow first chamber
99
erster Ablauf erste Kammerfirst drain first chamber
1010
zweiter Zulauf zweite Kammersecond inlet second chamber
1111
zweiter Ablauf zweite Kammersecond drain second chamber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 0030697 B1 [0002]EP 0030697 B1 [0002]

Claims (9)

lonentauscher (1) für ein Kühlmittelsystems einer Brennstoffzelle umfassend ein Gehäuse (2) aufweisend eine erste Kammer (3) und eine zweite Kammer (4), welche mittels einer Trennwand (5) dicht voneinander getrennt sind, und einen ersten Zulauf (8), der mit der ersten Kammer (3) verbunden ist und einen ersten Ablauf (9), der mit der ersten Kammer (3) verbunden ist, und einen zweiten Zulauf (10), der mit der zweiten Kammer (4) verbunden ist und einen zweiten Ablauf (11), der mit der zweiten Kammer (4) verbunden ist, der erste Ablauf (9) und der zweite Zulauf (10) sind derart angeordnet, dass der erste Ablauf (9) der ersten Kammer (3) bezüglich eines Fluids mit dem Zulauf (10) der zweiten Kammer (4) verbunden ist, um die beiden Kammern (3,4) in Reihe zu durchströmen, wobei die erste Kammer (3) mit einem Anionentauscherharz (6) und die zweite Kammer (4) mit einem Kationentauscherharz (7) oder die erste Kammer (3) mit einem Kationentauscherharz (7) und die zweite Kammer (4) mit einem Anionentauscherharz (6) derart befüllt sind, dass im Servicefall die beiden Kammern (3,4) separat voneinander regenerierbar sind.Ion exchanger (1) for a coolant system of a fuel cell comprising a housing (2) having a first chamber (3) and a second chamber (4) which are tightly separated from one another by means of a partition (5), and a first inlet (8) connected to the first chamber (3) and a first outlet (9) connected to the first chamber (3) and a second inlet (10) connected to the second chamber (4) and a second outlet (11) which is connected to the second chamber (4), the first outlet (9) and the second inlet (10) are arranged such that the first outlet (9) of the first chamber (3) is fluidly connected to the inlet (10) of the second chamber (4) in order to to flow through both chambers (3,4) in series, wherein the first chamber (3) with an anion exchange resin (6) and the second chamber (4) with a cation exchange resin (7) or the first chamber (3) with a cation exchange resin (7) and the second chamber (4) with an anion exchange resin ( 6) are filled in such a way that the two chambers (3,4) can be regenerated separately from one another if service is required. lonentauscher (1) nach Anspruch 1 wobei das Anionentauscherharz (6) in der ersten oder zweiten Kammer (3,4) mittels einer Lauge und das Kationentauscherharz (7) in der ersten oder zweiten Kammer (3,4) mittels einer Säure regeneriert werden.ion exchanger (1) according to claim 1 wherein the anion exchange resin (6) in the first or second chamber (3,4) is regenerated by means of an alkali and the cation exchange resin (7) in the first or second chamber (3,4) is regenerated by means of an acid. lonentauscher (1) nach Anspruch 2 wobei die Säure für die Regenerierung einem pKs Wert von maximal 9 aufweist.ion exchanger (1) according to claim 2 whereby the acid for the regeneration has a pKa value of at most 9. lonentauscher nach Anspruch 2 wobei die Lauge für die Regenerierung einen pKb-Wert von maximal 10 aufweist.ion exchanger claim 2 wherein the liquor for regeneration has a pKb value of 10 or less. lonentauscher (1) nach Anspruch 2-4, wobei die beiden Kammern (3,4) während der Regenerierung parallel durchströmt werden.ion exchanger (1) according to claim 2 - 4 , the two chambers (3,4) being flown through in parallel during regeneration. lonentauscher (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) austauschbar an einem Kühlmittelsystem einer Brennstoffzelle angeordnet ist.Ion exchanger (1) according to any one of the preceding claims, wherein the housing (2) is arranged interchangeably on a coolant system of a fuel cell. lonentauscher (1) nach einem der vorherigen Ansprüche wobei die Zuläufe (8,10) und Abläufe (9,11) der beiden Kammern (3,4) als Stutzen ausgebildet sind und die Stutzen der ersten Kammer (3) einen unterschiedlichen Durchmesser zum Stutzen der zweiten Kammer (4) aufweisen, insbesondere dass die Stutzen der ersten Kammer (3) einen geringeren Durchmesser aufweisen als die Stutzen der zweiten Kammer (4).Ion exchanger (1) according to one of the preceding claims, wherein the inlets (8,10) and outlets (9,11) of the two chambers (3,4) are designed as sockets and the sockets of the first chamber (3) have a different diameter to the socket of the second chamber (4), in particular that the sockets of the first chamber (3) have a smaller diameter than the sockets of the second chamber (4). lonentauscher (1) nach Anspruch 7, wobei der Zulauf- und der Ablaufstutzen der jeweiligen Kammer (3,4) sich auf der jeweils gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäuses (2) befinden.ion exchanger (1) according to claim 7 , wherein the inlet and outlet connections of the respective chamber (3,4) are located on the respective opposite end of the housing (2). lonentauscher (1) nach Anspruch 8, wobei der Ablaufstutzen der ersten Kammer (3) sich auf der gleichen Stirnseite wie der Zulaufstutzen der zweiten Kammer (4) befindet.ion exchanger (1) according to claim 8 , the outlet connection of the first chamber (3) being on the same end face as the inlet connection of the second chamber (4).
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0030697B1 (en) 1979-12-18 1983-04-20 Bayer Ag Counter-current process for the treatment of liquids with ion-exchange materials and ion-exchange filter for carrying out the process

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