DE102022113659B3

DE102022113659B3 - Ionentauscherfiltervorrichtung und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022113659B3
Application number: DE102022113659.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Beh; Simon Leininger; Andreas Wildermuth; Frank Pflüger
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2042-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine lonentauscherfiltervorrichtung (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Gehäuse (102), in dem eine lonentauscherkartusche (10) mit einem lonentauschermaterial (12) aufgenommen ist, wobei das Gehäuse (102) zumindest eine Einströmöffnung (104) und zumindest eine Ausströmöffnung (106) für ein Fluid aufweist, wobei die zumindest eine Einströmöffnung (104) und die zumindest eine Ausströmöffnung (106) eine Mantelwandung (110) des Gehäuses (102) durchbrechen.Erfindungsgemäß ist eine Strahlpumpe (130) zwischen der Ausströmöffnung (106) und einem Inneren des Gehäuses (102) angeordnet, welche wenigstens ein Druckverteilungselement (132) aufweist, wobei ein erstes offenes Ende (136) des Druckverteilungselements (132) in der Ausströmöffnung (106) angeordnet ist und ein zweites offenes Ende (138) in einem oberen Bereich (124) eines Innenraums (126) des Gehäuses (102) angeordnet ist.Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer lonentauscherfiltervorrichtung (100).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine lonentauscherfiltervorrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Gehäuse, in dem eine lonentauscherkartusche aufgenommen ist, sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer lonentauscherfiltervorrichtung.
Stand der Technik
Brennstoffzellen haben einen elektrischen Wirkungsgrad von ungefähr 50%. Der Rest der Energie fällt als Wärme an. Diese muss abgeführt werden, um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle so hoch wie möglich zu halten. Dafür umspült ein Kühlfluid die Zellen. Bei einer elektrischen Leitfähigkeit des Kühlfluids kann es zu einem Kurzschluss zwischen den Zellen kommen. Deshalb ist eine Deionisierung des Kühlfluids über einen Ionenaustauscher notwendig. Da das Kühlfluid auch weitere Eigenschaften wie Frostschutz erfüllen muss, kommen hier Mischungen zum Einsatz, z.B. deionisiertes Wasser und Monoethylenglykol in einem Verhältnis von 50:50.
Die DE 10 2018 218 079 A1 offenbart ein lonentauschersystem mit einer Mehrzahl von in einem Strömungskreislauf parallel angeordneten Ionentauschern. Dabei ist der Mehrzahl der lonentauscher mindestens ein Mehrwege-Schaltventil zugeordnet. Das Mehrwege-Schaltventil bietet die Möglichkeit, mehrere Schaltstellungen einzunehmen, in denen eine unterschiedliche Anzahl bzw. eine unterschiedliche Auswahl der lonentauscher in den Strömungskreislauf eingebunden ist oder diese umgangen werden.
Ferner ist aus DE 10 2020 104 720 A1 ein lonentauschersystem bekannt, bei dem eine axial durchströmbare lonentauscherkartusche in einem Gehäuse aufgenommen ist. Das Gehäuse weist eine Abströmöffnung auf, die derart angeordnet ist, dass ein die lonentauscherkartusche durchströmendes Fluid stromab der lonentauscherkartusche eine Strömungsumlenkung um 180° erfährt.
Ferner ist aus DE 10 2015 120 891 A1 ein lonentauschersystem bekannt, das ein zweiteiliges Gehäuse umfasst, in dem eine lonentauscherkartusche angeordnet ist. Ein oberes Gehäuseteil weist an seiner Innenseite eine Struktur auf, die die Ansammlung von Luft beschränkt.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine wartungsfreundliche lonentauscherfiltervorrichtung mit einer verbesserten Entlüftungsmöglichkeit anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer wartungsfreundlichen lonentauscherfiltervorrichtung mit einer verbesserten Entlüftungsmöglichkeit anzugeben.
Die vorgenannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung gelöst von einer lonentauscherfiltervorrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Gehäuse, in dem eine lonentauscherkartusche mit einem lonentauschermaterial aufgenommen ist, wobei das Gehäuse zumindest eine Einströmöffnung und zumindest eine Ausströmöffnung für ein Fluid aufweist, wobei die zumindest eine Einströmöffnung und die zumindest eine Ausströmöffnung eine Mantelwandung des Gehäuses durchbrechen, wobei ein Strömungsweg von der Einströmöffnung durch die lonentauscherkartusche zur Ausströmöffnung verläuft, wobei die lonentauscherkartusche einen Kartuschenbehälter mit einem Aufnahmeraum aufweist, der mit dem lonentauschermaterial gefüllt und durch eine umlaufende Wandung begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlpumpe zwischen der Ausströmöffnung und einem Inneren des Gehäuses angeordnet ist, welche wenigstens ein Druckverteilungselement aufweist, wobei ein erstes offenes Ende des Druckverteilungselements in der Ausströmöffnung angeordnet ist und ein zweites offenes Ende in einem oberen Bereich eines Innenraums des Gehäuses angeordnet ist, wobei im bestimmungsgemäßen Gebrauch, wenn das Fluid durch die Ausströmöffnung ausströmt, ein dynamischer Unterdruck an dem ersten offenen Ende des Druckverteilungselements erzeugt wird, welcher zu dem zweiten offenen Ende übertragen wird.
Die weitere Aufgabe wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung gelöst von einem Brennstoffzellensystem mit einer lonentauscherfiltervorrichtung.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird eine lonentauscherfiltervorrichtung vorgeschlagen, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Gehäuse, in dem eine lonentauscherkartusche mit einem lonentauschermaterial aufgenommen ist, wobei das Gehäuse zumindest eine Einströmöffnung und zumindest eine Ausströmöffnung für ein Fluid aufweist, wobei die zumindest eine Einströmöffnung und die zumindest eine Ausströmöffnung eine Mantelwandung des Gehäuses durchbrechen, wobei ein Strömungsweg von der Einströmöffnung durch die lonentauscherkartusche zur Ausströmöffnung verläuft. Die lonentauscherkartusche weist einen Kartuschenbehälter mit einem Aufnahmeraum auf, der mit dem lonentauschermaterial gefüllt und durch eine umlaufende Wandung begrenzt ist.
Erfindungsgemäß ist eine Strahlpumpe zwischen der Ausströmöffnung und einem Inneren des Gehäuses angeordnet, welche wenigstens ein Druckverteilungselement aufweist. Ein erstes offenes Ende des Druckverteilungselements ist in der Ausströmöffnung angeordnet und ein zweites offenes Ende ist in einem oberen Bereich eines Innenraums des Gehäuses angeordnet. Dabei wird im bestimmungsgemäßen Gebrauch, wenn das Fluid durch die Ausströmöffnung ausströmt, ein dynamischer Unterdruck an dem ersten offenen Ende des Druckverteilungselements erzeugt, welcher zu dem zweiten offenen Ende übertragen wird.
Vorteilhaft weist die lonentauscherfiltervorrichtung die Strahlpumpe auf, um eine kontinuierliche Entlüftung während des Betriebs zu ermöglichen. Die eingeschlossene oder durch das Fluid mitgeführte Luft kann so bis zu einem Ausgleichsbehälter transportiert und abgeführt werden. Dazu weist die lonentauscherfiltervorrichtung ein Druckverteilungselement auf, welches beispielsweise als ein gebogenes Saugrohr so in den Auslassstutzen der Ausströmöffnung integriert ist, dass es als Strahlpumpe die Restluft im Deckelbereich abzieht.
Auf diese Weise kann eine Vermeidung oder zumindest Reduzierung schädlicher Luft im Kreislauf des Kühlfluids eines Brennstoffzellensystems erreicht werden.
Günstigerweise kann die lonentauscherfiltervorrichtung zur Deionisierung von Wasser eingesetzt werden, beispielsweise für Brennkraftmaschinen mit Wassereinspritzung, Brennstoffzellensysteme und dergleichen.
Weiter kann die lonentauscherkartusche der lonentauscherfiltervorrichtung vorteilhaft einen Kartuschenbehälter mit umspritztem Siebgewebe aufweisen, wobei das Siebgewebe sowohl die Einströmöffnung als auch die zumindest eine Ausströmöffnung der lonentauscherkartusche abdecken kann. Ein Vorteil dieses Designs ist, dass nur bei einem Bauteil eine Umspritzung erforderlich ist. Dabei kann die Einströmöffnung idealerweise senkrecht zur axialen Richtung, beispielsweise im Boden der lonentauscherkartusche und die zumindest eine Ausströmöffnung bezüglich der axialen Richtung der lonentauscherkartusche radial orientiert sein in der Wandung der lonentauscherkartusche. Das Verschließen des mit dem lonentauschermaterial, wie beispielsweise lonenaustauscherharz, befüllten Kartuschenbehälters kann direkt mit dem Deckel des Gehäuses der lonentauscherfiltervorrichtung erfolgen, so dass diese Baugruppe um ein Bauteil reduziert werden kann.
Dieser Deckel stellt sicher, dass das lonentauschermaterial in der lonentauscherkartusche verbleibt und kann im Betrieb auch das Gehäuse gegen die Umgebung abdichten.
Der Bauraum kann bei der erfindungsgemäßen lonentauscherfiltervorrichtung günstig ausgenutzt werden, da auch oberhalb der Ausströmöffnung der lonentauscherfiltervorrichtung lonentauschermaterial angeordnet werden kann, wenn die lonentauscherkartusche sich in axialer Richtung über die Ausströmöffnung hinaus erstreckt. Das Kühlfluid kann dann bis an die Innenseite des Deckels strömen, wo es umgelenkt wird und über einen Ringspalt zwischen Kartuschenbehälter und Deckel der lonentauscherfiltervorrichtung entgegen der bisherigen Strömungsrichtung zurück zur Ausströmöffnung geführt werden kann.
Die Umlenkung der Strömung beim Eintritt in den Ringspalt kann dabei homogenisierend auf die Strömung wirken, so dass das gesamte lonentauschermaterial gleichmäßig aufgebraucht wird und sich bzgl. der Strömung keine Toträume bilden.
Eine bezüglich der Schwererichtung weit oben am Gehäuse der lonentauscherfiltervorrichtung liegende Anordnung der Ausströmöffnung kann wiederum gewährleisten, dass die lonentauscherfilteranordnung ausreichend gut entlüftet werden kann.
Die beim Wechsel der lonentauscherkartusche eingeschlossene Luft kann vorteilhaft über eine Entlüftungsbohrung mit Verschraubung im Deckel der lonentauscherfiltervorrichtung abgeführt werden. Diese Entlüftungsschraube kann außerdem einen Schutz besitzen, um das Austreten von lonentauscherharz zu verhindern.
Des Weiteren gewährleistet die erfindungsgemäße lonentauscherfiltervorrichtung, dass alle servicerelevanten Teile in einem Arbeitsgang ausgetauscht werden können. Das umfasst insbesondere lonentauschermaterial und Dichtungen zwischen lonentauscherkartusche und Gehäuse der lonentauscherfiltervorrichtung.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann das zweite offene Ende des Druckverteilungselements entgegen einer Schwererichtung über einem axialen Ende der lonentauscherkartusche angeordnet sein. Auf diese Weise kann vorteilhaft verhindert werden, dass lonentauschermaterial in das offene Ende des Druckverteilungselements gelangen und dieses eventuell blockieren kann. So ist eine zuverlässige Funktion der Strahlpumpe gewährleistet.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann das Druckverteilungselement als gebogenes Rohr ausgebildet sein, welches sich von der Ausströmöffnung in den oberen Bereich des Innenraums erstreckt. Ein solches gebogenes Rohr kann günstig gefertigt werden und stellt eine wirksame Lösung zur Druckverteilung in der Strahlpumpe dar.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann das Druckverteilungselement, insbesondere das gebogene Rohr, mittels wenigstens einer Rippe, insbesondere einer radial angeordneten Rippe an einem Ausströmstutzen der Ausströmöffnung angeordnet sein. Vorteilhaft kann durch eine solche Halterung des Druckverteilungselements in dem Ausströmstutzen eine stabile Befestigung erreicht werden und gleichzeitig ein möglicher Strömungsverlust des ausströmenden Fluids in Grenzen gehalten werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann die wenigstens eine Rippe einteilig mit dem Ausströmstutzen, insbesondere einteilig mit dem Gehäuse, ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Rippe beispielsweise zusammen mit dem Ausströmstutzen oder sogar zusammen mit dem Gehäuse hergestellt werden. Dadurch ist eine besonders kostengünstige Fertigung der lonentauscherfiltervorrichtung möglich.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann die wenigstens eine Rippe durch Spritzgießen hergestellt sein. Insbesondere kann die wenigstens eine Rippe durch Spritzgießen wenigstens zusammen mit dem Ausströmstutzen, vorzugsweise zusammen mit dem Gehäuse, hergestellt sein. Auf diese Weise kann die wenigstens eine Rippe beispielsweise in einem Kunststoffspritzgießprozess zusammen mit dem Ausströmstutzen oder sogar zusammen mit dem Gehäuse hergestellt werden. Dadurch ist eine besonders kostengünstige Fertigung der lonentauscherfiltervorrichtung möglich.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann das Druckverteilungselement mit einem Material des Ausströmstutzens überspritzt sein. Dadurch kann eine stabile Befestigung des Druckverteilungselements in dem Ausströmstutzen bei zugleich kostengünstiger Fertigung erreicht werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann im Einströmstutzen und im Ausströmstutzen jeweils ein Rückschlagventil angeordnet sein, welches den Einströmstutzen und den Ausströmstutzen bei fehlendem Strömungsdruck des Fluids verschließt. Vorteilhaft kann so eine Entleerung des Fluidkreislaufs während eines Wechsels der lonentauscherkartusche verhindert werden. Dadurch wird vermieden, dass Luft in den Fluidkreislauf gelangt und es wird ein Verlust des Fluids während des Wechsels der lonentauscherkartusche reduziert oder gar ganz verhindert.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann in einem Deckel des Gehäuses ein Entlüftungsventil angeordnet sein. Die beim Wechsel der lonentauscherkartusche eingeschlossene Luft kann vorteilhaft über eine Entlüftungsbohrung mit Verschraubung im Deckel der lonentauscherfiltervorrichtung abgeführt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann das Entlüftungsventil eine Vorrichtung aufweisen, welche ein Austreten eines lonentauschermaterials aus der lonentauscherkartusche verhindert. Die Vorrichtung kann beispielsweise ein Gitter oder ein Sieb sein. Das als Entlüftungsschraube ausgebildete Entlüftungsventil kann so einen Schutz besitzen, um das Austreten von lonentauscherharz der lonentauscherkartusche zu verhindern.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann die Ausströmöffnung in einem oberen Drittel einer Gehäusehöhe des Gehäuses angeordnet sein. Auf diese Weise kann bei der Anordnung eines Ausströmfensters der lonentauscherkartusche oberhalb der Ausströmöffnung des Gehäuses eine günstige Strömungsverteilung, sowie ein günstiger Strömungswiderstand der lonentauscherfiltervorrichtung erreicht werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann das Gehäuse einen Einströmstutzen aufweisen, welcher bevorzugt in einem unteren Drittel einer Gehäusehöhe des Gehäuses angeordnet ist. Die Fluidströmung kann so günstig am Boden der lonentauscherkartusche durch ein Einströmfenster in den Kartuschenbehälter geleitet werden. Der Strömungswiderstand kann durch die niedrige Anordnung des Einströmstutzens niedrig gehalten werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der lonentauscherfiltervorrichtung kann ein Deckel des Gehäuses einteilig mit der lonentauscherkartusche ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die lonentauscherkartusche kostengünstig hergestellt werden. Außerdem kann eine wirksame Abdichtung des Innenraums der lonentauscherfiltervorrichtung gegen die Umgebung dargestellt werden. Damit ist die Trennung zwischen gefiltertem und ungefiltertem Fluid auf effektive Art möglich.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen lonentauscherfiltervorrichtung vorgeschlagen. Vorteilhaft ergibt sich durch Integration der lonentauscherfiltervorrichtung in das Brennstoffzellensystem eine kompakte Anlage, welche kostengünstig und wartungsfreundlich zu betreiben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 eine lonentauscherfiltervorrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht;
2 die lonentauscherfiltervorrichtung nach 1 in isometrischer Darstellung mit teilweise eingesetzter lonentauscherkartusche;
3 die lonentauscherfiltervorrichtung nach 1 im Längsschnitt;
4 ein vergrößerter Ausschnitt aus 3 im Bereich der Strahlpumpe; und
5 eine lonentauscherfiltervorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt eine lonentauscherfiltervorrichtung 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht, während in 2 die lonentauscherfiltervorrichtung 100 nach 1 in isometrischer Darstellung mit teilweise eingesetzter lonentauscherkartusche 10 dargestellt ist. 3 zeigt die lonentauscherfiltervorrichtung 100 nach 1 im Längsschnitt.
Die lonentauscherfiltervorrichtung 100 weist mit ein Gehäuse 102 auf, in dem eine lonentauscherkartusche 10 mit einem lonentauschermaterial 12 aufgenommen ist. Das Gehäuse 102 weist zumindest eine Einströmöffnung 104 und zumindest eine Ausströmöffnung 106 für ein Fluid aufweist, wobei die zumindest eine Einströmöffnung 104 und die zumindest eine Ausströmöffnung 106 eine Mantelwandung 110 des Gehäuses 102 durchbrechen.
Das Gehäuse 102 weist einen Einströmstutzen 108 mit der Einströmöffnung 104 auf, welcher bevorzugt in einem unteren Drittel einer Gehäusehöhe 122 des Gehäuses 102 angeordnet ist, wobei die Ausströmöffnung 106 in einem oberen Drittel einer Gehäusehöhe 122 des Gehäuses 102 angeordnet ist.
Ein Strömungsweg 50 verläuft von der Einströmöffnung 104 durch die lonentauscherkartusche 10 zur Ausströmöffnung 106.
Die lonentauscherkartusche 10 weist einen Kartuschenbehälter 14 mit einem Aufnahmeraum 16 auf, der mit dem lonentauschermaterial 12 gefüllt und durch eine umlaufende Wandung 32 begrenzt ist. Der Kartuschenbehälter 14 weist wenigstens ein, nicht dargestelltes Einströmfenster 34 und wenigstens ein, nicht dargestelltes Ausströmfenster 18 auf. Einströmfenster 34 und Ausströmfenster 18 können beispielsweise an den axialen, einander gegenüber liegenden, Enden der lonentauscherkartusche 10 angeordnet sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann auch die umlaufende Wandung 32 am oder über ihren Umfang verteilt ein oder mehrere Ausströmfenster 18 aufweisen. Die Ausströmfenster 18 der lonentauscherkartusche 10 können bezüglich der Ausströmöffnung 106 des Gehäuses 102 in axialer Richtung L versetzt angeordnet sein. Die Ausströmfenster 18 können außerdem bezüglich einer Schwererichtung 54 in der dargestellten bestimmungsgemäßen Montageposition axial oberhalb der Ausströmöffnung 106 des Gehäuses 102 angeordnet sein.
Ein Deckel 112 des Gehäuses 102 kann bevorzugt einteilig mit der lonentauscherkartusche 10 ausgebildet sein, wie insbesondere in 2 zu erkennen ist.
Das lonentauschermaterial 12 im Aufnahmeraum 16 ist als Schüttung vorgesehen und kann beispielsweise ein lonentauscherharz in Partikelform enthalten.
Der Bauraum kann bei der erfindungsgemäßen lonentauscherfiltervorrichtung 100 günstig ausgenutzt werden, da auch oberhalb der Ausströmöffnung 106 der lonentauscherfiltervorrichtung 100 lonentauscherharz angeordnet werden kann.
Im Deckel 112 des Gehäuses 102 ist ein Entlüftungsventil 36 angeordnet, welches eine Vorrichtung 42 aufweist, welche ein Austreten des lonentauschermaterials 12 aus der lonentauscherkartusche 10 verhindert. Die Vorrichtung 42 kann beispielsweise ein Gitter oder ein Sieb sein. Das Entlüftungsventil 36 kann vorteilhaft über ein Schraubgewinde 38 in eine Entlüftungsbohrung im Deckel 112 eingeschraubt sein und über eine Dichtung 40, beispielsweise einen O-Ring, gegen den Deckel 112 gedichtet sein.
Die beim Wechsel der lonentauscherkartusche 10 eingeschlossene Luft kann vorteilhaft so über die Entlüftungsbohrung mit Verschraubung im Deckel 112 der lonentauscherfiltervorrichtung 100 abgeführt werden. Das als Entlüftungsschraube ausgebildete Entlüftungsventil 36 kann so einen Schutz besitzen, um das Austreten von lonentauscherharz der lonentauscherkartusche zu verhindern
Durch die Anordnung der Ausströmfenster 18 weist der Strömungsweg 50, welcher mit Pfeilen angedeutet ist, stromabwärts der Ausströmfenster 18 der lonentauscherkartusche 10 eine Umlenkung 52, insbesondere um mindestens 45 Grad, auf.
Das Fluid, insbesondere Kühlfluid eines Brennstoffzellensystems, strömt über die Einströmöffnung 104 des Einströmstutzens 108 des Gehäuses 102 in den unteren Innenraum des Gehäuses 102. Dort kann das Fluid durch das im unteren Endbereich 20 des Kartuschenbehälters 14 angeordnete, in der Darstellung nicht erkennbare Einströmfenster 34 in den Kartuschenbehälter 14 eintreten und durch das lonentauschermaterial 12 strömen. Das Fluid kann durch Ausströmfenster 18 bis an die Innenseite des Deckels 112 strömen, wo es umgelenkt und über einen Ringspalt 26 zwischen Kartuschenbehälter 14 und Deckel 112 der lonentauscherfiltervorrichtung 100 entgegen der bisherigen Strömungsrichtung zurück zur Ausströmöffnung 106 geführt wird.
Die Umlenkung 52 der Strömung beim Eintritt in den Ringspalt 26 wirkt dabei homogenisierend auf die Strömung, sodass das gesamte lonentauscherharz gleichmäßig aufgebraucht wird und sich bzgl. der Strömung keine Toträume bilden.
Die lonentauscherkartusche 10 weist am unteren den Ausströmfenstern 18 abgewandten axialen Endbereich 20 eine umlaufende Dichtung 22, insbesondere eine umlaufende, im Wesentlichen in radialer Richtung dichtende Dichtung, auf, welche zur Abdichtung an der Innenseite der Mantelwandung 110 des Gehäuses 102 dient.
Der Deckel 112 des Gehäuses 102 ist einteilig mit der lonentauscherkartusche 10 ausgebildet, sodass der Aufnahmeraum 16 des Kartuschenbehälters 14 durch den Deckel 112 gegen die Umgebung abgedichtet ist. Der Deckel 112 weist einen Übergriffsbereich 24 auf, welcher in axialer Richtung L die Ausströmfenster 18 überlappt. Der Übergriffsbereich 24 ist als Verbindungsabschnitt 28 mit einem Gewindeabschnitt ausgebildet.
Die lonentauscherkartusche 10 kann bei bestimmungsgemäßer Montage der lonentauscherfiltervorrichtung 100 mit dem Deckel 112 in das Gehäuse 102 eingeschoben und über den Deckel 112 mit dem Gehäuse 102 verbunden werden. Dabei greift der Gewindeabschnitt des Verbindungsabschnitts 28 in das Gegengewinde 120 des Gehäuses 102 ein. Eine radial wirkende umlaufende Dichtung 118 axial oberhalb des Gewindes des Verbindungsbereichs 28 ist für die Abdichtung zwischen Deckel 112 und Gehäuse 102 vorgesehen.
Eine Strahlpumpe 130 ist zwischen der Ausströmöffnung 106 und einem Inneren des Gehäuses 102 angeordnet, welche wenigstens ein Druckverteilungselement 132 aufweist. Dabei ist ein erstes offenes Ende 136 des Druckverteilungselements 132 in der Ausströmöffnung 106 angeordnet und ein zweites offenes Ende 138 in einem oberen Bereich 124 eines Innenraums 126 des Gehäuses 102 angeordnet. Im bestimmungsgemäßen Gebrauch, wenn das Fluid durch die Ausströmöffnung 106 ausströmt, wird dadurch ein dynamischer Unterdruck an dem ersten offenen Ende 136 des Druckverteilungselements 132 erzeugt, welcher zu dem zweiten offenen Ende 138 übertragen wird. Dadurch kann über das Druckverteilungselement der Strahlpumpe die Restluft im Deckelbereich abgezogen werden.
Auf diese Weise kann eine Vermeidung oder zumindest Reduzierung schädlicher Luft im Kreislauf des Kühlfluids eines Brennstoffzellensystems erreicht werden.
Die bzgl. der Schwererichtung 54 weit oben liegende Anordnung der Ausströmöffnung 106 gewährleitet wiederum, dass die lonentauscherfilteranordnung 100 auf diese Weise ausreichend gut entlüftet werden kann.
Das zweite offene Ende 138 des Druckverteilungselements 132 ist entgegen der Schwererichtung 54 über dem axialen Ende 56 der lonentauscherkartusche 10 angeordnet. Auf diese Weise kann im Betrieb über die Strahlpumpe 130 eine optimale Entlüftung erreicht werden.
Das Druckverteilungselement 132 kann vorzugsweise, wie dargestellt, als gebogenes Rohr 134 ausgebildet sein, welches sich von der Ausströmöffnung 106 in den oberen Bereich 124 des Innenraums 126 erstreckt.
In 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus 3 im Bereich der Strahlpumpe 130 dargestellt.
Das Druckverteilungselement 132, insbesondere das gebogene Rohr 134, kann beispielsweise mittels wenigstens einer Rippe 140, insbesondere einer radial angeordneten Rippe 140 an einem Ausströmstutzen 109 der Ausströmöffnung 106 angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführung kann das Rohr 134 über drei sternförmig angeordnete Rippen 140 in dem Ausströmstutzen 109 angeordnet sein. Auf diese Weise ist eine sehr stabile Befestigung des Rohrs 134 innerhalb des Ausströmstutzens 109 gegeben. Bei einer in dem bestimmungsgemäßen Betrieb in Schwererichtung 54 angeordneten lonentauscherfiltervorrichtung 100 kann so der waagrecht verlaufende Teil des Rohrs 134 mit dem ersten offenen Ende 136 mit den Rippen 140 gehalten werden, während der senkrecht verlaufende Teil des abgewinkelten Rohrs 134 frei zwischen der lonentauscherkartusche 10 und der Mantelwandung 110 des Gehäuses 102 angeordnet ist.
Die wenigstens eine Rippe 140 kann vorteilhaft einteilig mit dem Ausströmstutzen 109, insbesondere einteilig mit dem Gehäuse 102, ausgebildet sein, und beispielsweise durch Spritzgießen hergestellt werden. Insbesondere kann die wenigstens eine Rippe 140 durch Spritzgießen wenigstens zusammen mit dem Ausströmstutzen 109, vorzugsweise zusammen mit dem Gehäuse 102, hergestellt werden.
Vorteilhaft kann das Druckverteilungselement 132 auch mit einem Material des Ausströmstutzens 109 überspritzt werden.
5 zeigt eine lonentauscherfiltervorrichtung 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt.
Die lonentauscherfiltervorrichtung 100 ist im Wesentlichen gleich aufgebaut wie die in den 1 bis 4 dargestellte Ausführungsform. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform ist jedoch im Einströmstutzen 108 und im Ausströmstutzen 109 jeweils ein Rückschlagventil 142 angeordnet, welches den Einströmstutzen 108 und den Ausströmstutzen 109 bei fehlendem Strömungsdruck des Fluids verschließt.
Die Rückschlagventile 142 sind als übliche Rückschlagventile ausgebildet. Wie an einem der beiden Rückschlagventile 142 dargestellt, weisen sie jeweils einen Ventilkörper 144 auf, welcher mit einer Ventilfeder 146 gegen die Fluidströmung vorgespannt ist und mit einer Dichtung 148 in einen Ventilsitz 150 gepresst wird. Der Strömungsdruck presst die Ventilfeder 146 zusammen und öffnet dadurch das Rückschlagventil 142.
Vorteilhaft kann so eine Entleerung des Fluidkreislaufs während eines Wechsels der lonentauscherkartusche 10 verhindert werden. Dadurch wird vermieden, dass Luft in den Fluidkreislauf gelangt und es wird ein Verlust des Fluids während des Wechsels der lonentauscherkartusche 10 reduziert oder gar ganz verhindert.
Bezugszeichen

10: lonentauscherkartusche
12: lonentauschermaterial
14: Kartuschenbehälter
16: Aufnahmeraum
18: Ausströmfenster
20: Endbereich
22: Dichtung
24: Übergriffsbereich
26: Spalt
28: Verbindungsabschnitt
32: Wandung
34: Einströmfenster
36: Entlüftungsventil
38: Schraubgewinde
40: Dichtung
42: Vorrichtung
50: Strömungsweg
52: Umlenkung
54: Schwererichtung
56: axiales Ende
100: lonentauscherfilteranordnung
102: Gehäuse
104: Einströmöffnung
106: Ausströmöffnung
108: Einströmstutzen
109: Ausströmstutzen
110: Mantelwandung
112: Deckel
118: Dichtung
120: Gegengewinde
122: Gehäusehöhe
124: oberer Bereich
126: Innenraum
130: Strahlpumpe
132: Druckverteilungselement
134: Rohr
136: erstes offenes Ende
138: zweites offenes Ende
140: Rippe
142: Rückschlagventil
144: Ventilkörper
146: Ventilfeder
148: Dichtung
150: Ventilsitz
L: axiale Richtung

Claims

lonentauscherfiltervorrichtung (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Gehäuse (102), in dem eine lonentauscherkartusche (10) mit einem lonentauschermaterial (12) aufgenommen ist, wobei das Gehäuse (102) zumindest eine Einströmöffnung (104) und zumindest eine Ausströmöffnung (106) für ein Fluid aufweist, wobei die zumindest eine Einströmöffnung (104) und die zumindest eine Ausströmöffnung (106) eine Wandung, insbesondere Mantelwandung (110), des Gehäuses (102) durchbrechen, wobei ein Strömungsweg (50) von der Einströmöffnung (104) durch die lonentauscherkartusche (10) zur Ausströmöffnung (106) verläuft, wobei die lonentauscherkartusche (10) einen Kartuschenbehälter (14) mit einem Aufnahmeraum (16) aufweist, der mit dem lonentauschermaterial (12) gefüllt und durch eine umlaufende Wandung (32) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlpumpe (130) zwischen der Ausströmöffnung (106) und einem Inneren des Gehäuses (102) angeordnet ist, welche wenigstens ein Druckverteilungselement (132) aufweist, wobei ein erstes offenes Ende (136) des Druckverteilungselements (132) in der Ausströmöffnung (106) angeordnet ist und ein zweites offenes Ende (138) in einem bezüglich einer bestimmungsgemäßen Montageposition oberen Bereich (124) eines Innenraums (126) des Gehäuses (102) angeordnet ist, wobei im bestimmungsgemäßen Gebrauch, wenn das Fluid durch die Ausströmöffnung (106) ausströmt, ein dynamischer Unterdruck an dem ersten offenen Ende (136) des Druckverteilungselements (132) erzeugbar ist, der zu dem zweiten offenen Ende (138) übertragbar ist.
lonentauscherfiltervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite offene Ende (138) des Druckverteilungselements (132) entgegen einer Schwererichtung (54) in der bestimmungsgemäßen Montageposition über einem axialen Ende (56) der lonentauscherkartusche (10) angeordnet ist.
lonentauscherfiltervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverteilungselement (132) als gebogenes Rohr (134) ausgebildet ist, welches sich von der Ausströmöffnung (106) in den oberen Bereich (124) des Innenraums (126) erstreckt.
lonentauscherfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverteilungselement (132), insbesondere das gebogene Rohr (134), mittels wenigstens einer Rippe (140), insbesondere einer radial angeordneten Rippe (140) an einem Ausströmstutzen (109) der Ausströmöffnung (106) angeordnet ist.
lonentauscherfiltervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rippe (140) einteilig mit dem Ausströmstutzen (109), insbesondere einteilig mit dem Gehäuse (102), ausgebildet ist.
lonentauscherfiltervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rippe (140) durch Spritzgießen hergestellt ist, insbesondere dass die wenigstens eine Rippe (140) durch Spritzgießen wenigstens zusammen mit dem Ausströmstutzen (109), vorzugsweise zusammen mit dem Gehäuse (102), hergestellt ist.
lonentauscherfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverteilungselement (132) mit einem Material des Ausströmstutzens (109) überspritzt ist.
lonentauscherfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Einströmstutzen (108) und im Ausströmstutzen (109) jeweils ein Rückschlagventil (142) angeordnet ist, welches den Einströmstutzen (108) und den Ausströmstutzen (109) bei fehlendem Strömungsdruck des Fluids verschließt.
lonentauscherfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Deckel (112) des Gehäuses (102) ein Entlüftungsventil (36) angeordnet ist.
lonentauscherfiltervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlüftungsventil (36) eine Vorrichtung (42) aufweist, welche ein Austreten eines lonentauschermaterials (12) aus der lonentauscherkartusche (10) verhindert.
lonentauscherfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmöffnung (106) in einem oberen Drittel einer Gehäusehöhe (122) des Gehäuses (102) angeordnet ist.
lonentauscherfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (102) einen Einströmstutzen (108) aufweist, welcher bevorzugt in einem unteren Drittel einer Gehäusehöhe (122) des Gehäuses (102) angeordnet ist.
lonentauscherfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Deckel (112) des Gehäuses (102) einteilig mit der lonentauscherkartusche (10) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem mit einer lonentauscherfiltervorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.