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
Die
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
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
-
1 a schematic view of the ion exchanger according to the invention
Entsprechend der
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
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
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
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
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
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
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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-
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