用于燃料電池系統(tǒng)中的離子過濾器的氣泡去除裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的離子過濾器的氣泡去除裝置，其中從經(jīng)過離子樹脂的冷卻水中產(chǎn)生的氣泡被排出至離子過濾器的外部，而且容易地被去除。氣泡去除構(gòu)件可以安裝在位于燃料電池系統(tǒng)的頂部的離子過濾器中，從而使燃料電池系統(tǒng)的功率效率和散熱效率最大化。
【專利說明】用于燃料電池系統(tǒng)中的離子過濾器的氣泡去除裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于燃料電池系統(tǒng)中的離子過濾器的氣泡去除裝置，特別涉及從流經(jīng)離子樹脂的冷卻水中產(chǎn)生的氣泡容易被去除并排出至燃料電池系統(tǒng)外的氣泡去除裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池車輛中的燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆(fuel cell stack)、用于將燃料(氫)供給至燃料電池堆的燃料供應(yīng)系統(tǒng)、用于將電化學(xué)反應(yīng)所必需的氧化劑(如，來自空氣中的氧)供給至燃料電池堆的空氣供應(yīng)系統(tǒng)、和用于控制燃料電池堆的運行溫度的熱和水管理系統(tǒng)。
[0003]熱和水管理系統(tǒng)，如圖6所示，基本包括用于將冷卻水傳送至燃料電池堆12的冷卻泵14和用于冷卻在冷卻燃料電池堆12之后排出的冷卻水的散熱器(radiator) 16。該系統(tǒng)可進一步包括離子過濾器10，其位于冷卻水回路中，用于過濾從冷卻水中流出(elute)的尚子。
[0004]因此，冷卻水在燃料電池堆中循環(huán)并通過離子過濾器10被排放，從而去除金屬離子。這使得冷卻水的電導(dǎo)率維持在低水平并使得燃料電池的使用壽命和燃料電池系統(tǒng)的電穩(wěn)定性得以延長。為此，離子過濾器典型地包含過濾包含在冷卻水中的離子的微小顆粒形態(tài)的離子樹脂。
[0005]例如，如圖5所示,微小顆粒形態(tài)的離子樹脂以套筒狀(form of cartridge)被嵌入離子過濾器10的主體部20的內(nèi)部。用于將冷卻水供給至離子樹脂的冷卻水入口 22形成在主體部20的下端。配置在主體部20的頂端上的罩帽24具有用于排放過濾完離子的冷卻水的冷卻水出口 26。
[0006]所以，在冷卻水經(jīng)由燃料電池堆12循環(huán)之后，它從燃料電池堆12中排出并經(jīng)由冷卻水入口 22被引入至主體部20。冷卻水經(jīng)過離子樹脂，從而金屬離子被去除。然后，冷卻水通過罩帽24的冷卻水出口 22被排出并被送回至燃料電池堆12。
[0007]然而，如圖4所示，離子過濾器10位于熱和水管理系統(tǒng)的頂部。這導(dǎo)致冷卻水中的氣泡的聚集。
[0008]具體地，盡管冷卻水回路中的氣泡經(jīng)過離子過濾器10的離子樹脂，并且聚集在位于離子過濾器10頂端上的罩帽24的內(nèi)部空間，但是該系統(tǒng)不提供單獨的氣泡的排出，因此，氣泡和冷卻水一同通過冷卻水出口 26排出。結(jié)果導(dǎo)致氣泡在燃料電池系統(tǒng)(燃料電池堆，散熱器，等)中循環(huán)。
[0009]當(dāng)氣泡經(jīng)過離子過濾器10時，與冷卻水一同循環(huán)，去除氣泡耗費大約2天或3天的時間，而且氣泡聚集在散熱器中。結(jié)果，降低了散熱性能，并由冷卻水流產(chǎn)生了噪音。
[0010]所需要的是一種用于從在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的冷卻水中去除氣泡的系統(tǒng)和方法，從而保持燃料電池系統(tǒng)的散熱效率。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的離子過濾器的氣泡去除裝置。具體地，本發(fā)明提供一種氣泡去除裝置，其中，用于將氣泡排出至燃料電池系統(tǒng)外的構(gòu)件被安裝在燃料電池系統(tǒng)的頂部上的離子過濾器中。氣泡去除裝置容易排出冷卻水經(jīng)過離子過濾器時產(chǎn)生的氣泡，從而使功率效率和散熱效率最大化。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于燃料電池系統(tǒng)的離子過濾器的氣泡去除裝置，其中離子過濾器包括位于下端部的冷卻水入口和其內(nèi)嵌入有離子樹脂的離子過濾器主體部。氣泡去除裝置包括配置在離子過濾器的內(nèi)頂部的氣泡去除構(gòu)件。具體地通過利用浮力，氣泡去除構(gòu)件可定位在相對于離子過濾器的外部的打開或關(guān)閉的位置之間。
[0013]根據(jù)不同的實施例，氣泡去除構(gòu)件包括:氣泡出口，其形成在離子過濾器的上部(如，頂端)；球偏離防止引導(dǎo)件，其在離子過濾器的上(頂端)部的內(nèi)部，整體地形成在氣泡出口的外圍部；和球，其定位在球偏離防止引導(dǎo)件中，從而通過冷卻水在球偏離防止引導(dǎo)件內(nèi)向上或向下浮動，以此打開或關(guān)閉氣泡出口。具體地，當(dāng)該球定位在球偏離防止引導(dǎo)件的上部時，阻斷(關(guān)閉)氣泡出口。隨著該球向下浮動，氣泡出口開啟(打開)，從而允許氣泡的排出。
[0014]只要該球能通過冷卻水在球偏離防止引導(dǎo)件內(nèi)向上或向下移動，并且當(dāng)定位在球偏離防止引導(dǎo)件的上部時，它的尺寸足以阻斷氣泡出口，該球的配置就沒有特別的限制。根據(jù)不同的實施例，該球可以具有帶有具有浮力的柔性的外罩材料的較重的內(nèi)部(interiorportion)(如，鋼球等)。
[0015]根據(jù)不同的實施例，球偏離防止引導(dǎo)件可以包括具有從頂部到下部逐漸減少的直徑的球移送引導(dǎo)件。同樣地，當(dāng)該球在球移送引導(dǎo)件的上部時，它與球移送引導(dǎo)件的內(nèi)表面相接觸，以此防止在球和球移送引導(dǎo)件的內(nèi)表面之間出現(xiàn)氣泡的通道。球移送引導(dǎo)件的下部被配置成防止該球向下浮動而離開球偏離防止引導(dǎo)件，并且例如可以包括限位器(stopper)，該限位器可以由球移送引導(dǎo)件的向內(nèi)彎曲的部分形成。經(jīng)過孔的一個或多個氣泡在球移送引導(dǎo)件的下部和/或限位器的一個或多個表面形成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]結(jié)合附圖中示出的示例性實施例詳細(xì)描述本發(fā)明的上述或其它特征，下面給出的附圖只是用于說明，因此并不限制本發(fā)明，其中:
[0017]圖1和2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的氣泡去除裝置的橫截面視圖；
[0018]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的浮球結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；
[0019]圖4是說明燃料電池系統(tǒng)的離子過濾器的傳統(tǒng)安裝位置的示意圖；
[0020]圖5是說明燃料電池系統(tǒng)的傳統(tǒng)的離子過濾器的外部的透視圖；和
[0021]圖6是說明傳統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)的框圖，其中離子過濾器配置在冷卻水循環(huán)通路中。
[0022]附圖標(biāo)記
[0023]10:離子過濾器12:燃料電池堆
[0024]14:冷卻泵16:散熱器
[0025]18:離子樹脂20:主體部
[0026]22:冷卻水入口24:罩帽[0027]26:冷卻水出口30:氣泡去除構(gòu)件
[0028]32:氣泡出口33:氣泡通孔
[0029]34:球偏離防止引導(dǎo)件35:球移送引導(dǎo)件
[0030]36:球37:核
[0031]38:殼39:限位器
【具體實施方式】
[0032]以下，結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員容易實施本發(fā)明。
[0033]應(yīng)理解的是，這里所使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它類似術(shù)語包括通常的機動車輛，例如包括運動型多功能車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商務(wù)車的乘用車輛、包括各種船只和船舶的水運工具、飛行器等等，并且包括混合動力車、電動車、插入式混合電動車、氫動力車和其它代用燃料車(如，來源于石油以外的資源的燃料)。如這里所提及的，混合動力車是指具有兩種或更多種動力源的車輛，例如，同時具有汽油動力和電動力的車輛。
[0034]本文使用的術(shù)語僅僅是為了說明示例性實施方式的目的而不是意在限制本發(fā)明。如本文所使用的，單數(shù)形式“一個、一種(a、an和the) ”也意在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中清楚指明。還可以理解的是，在說明書中使用的術(shù)語“包括(compri ses和/或compri s ing) ”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其群組。如本文所使用的，術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)所列項目的任何和所有組合。
[0035]參考圖5，用于燃料電池系統(tǒng)的離子過濾器一般包括:離子過濾器主體部20，其具有嵌入其中的離子樹脂18(見圖1和2)，具體而言為套筒狀(cartridge type)的離子樹脂18 ;和罩帽24，其配置在離子過濾器主體部20的頂端部。
[0036]冷卻水入口 22形成在離子過濾器主體部20的下端部，通過該冷卻水入口 22，冷卻水在燃料電池堆內(nèi)循環(huán)之后被引入。冷卻水出口 26被設(shè)置在罩帽24的一側(cè)，該冷卻水出口 26用于排出已通過離子樹脂18的冷卻水。優(yōu)選冷卻水出口 26整體地形成在罩帽24中。
[0037]因此，經(jīng)由燃料電池堆循環(huán)之后被排出的冷卻水經(jīng)由冷卻水入口 22被引入至離子樹脂18。隨著冷卻水通過離子樹脂18，冷卻水的金屬離子被去除。然后，冷卻水被噴射到位于離子樹脂18之上的罩帽24的內(nèi)部空間，并在其后能夠經(jīng)由冷卻水出口 26被排出。之后，排出的冷卻水經(jīng)循環(huán)返回至散熱器、燃料電池堆等等。
[0038]由于離子過濾器10位于熱和水管理系統(tǒng)的頂部，于是隨著冷卻水通過離子樹脂18，在冷卻水中產(chǎn)生許多氣泡，并且聚集在罩帽24中。
[0039]根據(jù)本發(fā)明，為了從已通過離子樹脂18并被噴射到罩帽24的內(nèi)部空間的冷卻水中去除氣泡，在罩帽24中配置有氣泡去除構(gòu)件30。例如，如圖1和2所示，氣泡去除構(gòu)件30能夠配置在罩帽24的上部。氣泡去除構(gòu)件30被配置并安排為相對于離子過濾器10的外部在打開和關(guān)閉的位置之間能夠調(diào)整，以使氣泡能夠在打開位置被排出，而不是在關(guān)閉位置。
[0040]根據(jù)實施例，氣泡去除構(gòu)件30被配置成通過浮力能夠在打開和關(guān)閉的位置之間調(diào)整。具體地，氣泡去除構(gòu)件30能夠被配置并安排為離子過濾器10內(nèi)部的冷卻水的浮力將氣泡去除構(gòu)件30調(diào)整為打開和關(guān)閉的位置中的任一個。例如，如圖1和2所示的示例性實施例所示，氣泡去除構(gòu)件30能夠配置在罩帽24的頂端部，并且與流經(jīng)離子過濾器18并經(jīng)由罩帽24流出的冷卻水相聯(lián)通。因此，氣泡去除構(gòu)件30能夠通過冷卻水的浮力提升或下降，從而允許或者隔絕與系統(tǒng)外部的聯(lián)通。
[0041]如圖1和2所示，氣泡去除構(gòu)件30包括作為主要部件的球36，該球36能夠通過流經(jīng)罩帽24的冷卻水的浮力向上或向下移動。具體地，球36被配置和安排為使其漂浮在噴射到罩帽24內(nèi)的冷卻水的表面上。球36的提升和降低取決于冷卻水位(cooling waterlevel)。
[0042]進一步如圖1和2所示，氣泡出口 32形成在罩帽24的頂部末端，經(jīng)由該氣泡出口32，氣泡被排出到外界。
[0043]如圖1和2所示，氣泡去除構(gòu)件還包括容納球36的球偏離防止引導(dǎo)件34。具體地，球偏離防止引導(dǎo)件34形成為垂直地從離子樹脂18之上的位置(并且在冷卻水流經(jīng)的通道內(nèi))延伸至配置在罩帽24的頂部的氣泡出口 32的中空結(jié)構(gòu)(hollow structure)。球偏離防止引導(dǎo)件34可以整體地形成在罩帽24的頂端部。
[0044]更明確地，如圖1和2所示，球偏離防止引導(dǎo)件34具有內(nèi)部直徑從上到下逐漸減小的中空結(jié)構(gòu)。球偏離防止引導(dǎo)件34還包括球移送引導(dǎo)件35，該球移送引導(dǎo)件35允許球36提升或下降。能夠進一步在球移送引導(dǎo)件35的下端設(shè)置限位器39，從而防止球離開球偏離防止引導(dǎo)件34的下部。例如，如所示，限位器39可以是在球移送引導(dǎo)件35下部向內(nèi)成角度或彎曲的延伸的形狀，球移送引導(dǎo)件35具有直徑小于球36的直徑的開口。
[0045]一個或多個氣泡通孔33被設(shè)置在球移送引導(dǎo)件35和/或限位器39上，其允許來自冷卻水中的氣泡進入球移送引導(dǎo)件35。優(yōu)選的是，例如，如圖1和2所示，多個孔以貫穿的形式設(shè)置在球移送引導(dǎo)件35的下部和限位器39中。例如，限位器39的整個表面可以具有氣泡通孔33。
[0046]球36被配置成通過浮力漂浮在冷卻水的表面上。例如，如圖3所示，定位在球偏離防止引導(dǎo)件34中的球36可以具有核殼結(jié)構(gòu)(core shell structure),其具有由諸如鋼球之類的較重的材料形成的核37和可以由諸如泡沫聚苯乙烯之類的柔性材料形成的浮力殼37。然而，球36不局限于這種核殼結(jié)構(gòu)，能夠由具有浮力的單一材料形成，如果需要也可以具有柔性(flexibility)。
[0047]在下文中，將描述上述的氣泡去除裝置的工作狀態(tài)。
[0048]首先，經(jīng)由燃料電池堆循環(huán)并對其進行冷卻之后排出的冷卻水經(jīng)由主體部20下端的冷卻水入口 22被引入至離子樹脂18。
[0049]之后，隨著冷卻水通過離子樹脂18，包含在冷卻水中的金屬離子被離子樹脂18過濾。然后，已過濾金屬離子的冷卻水被噴射到罩帽24的上部空間中。
[0050]在上述的配置中，因為離子過濾器10配置在熱和水管理系統(tǒng)的頂部，在流經(jīng)離子樹脂18的冷卻水中產(chǎn)生許多氣泡。這些氣泡聚集在罩帽24的上部空間。
[0051]如圖1所示，當(dāng)冷卻帽24的上部空間中的冷卻水的水位低時(例如，當(dāng)冷卻水還沒有被噴射到罩帽24的上部空間中時或當(dāng)噴射到罩帽24的上部空間中的冷卻水的量少時)，球36在球移送引導(dǎo)件35內(nèi)處于低的位置(例如，下降至球偏離防止引導(dǎo)件34的限位器39處，如圖1所示)。在此位置，形成在罩帽24的頂端部的氣泡出口 32與外界聯(lián)通，因此是打開的。[0052]因而，通過經(jīng)由球移送引導(dǎo)件35的下端部的氣泡通孔33和/或限位器39中的氣泡通孔33，聚集在罩帽24的上部空間中的氣泡經(jīng)由氣泡出口 32容易地被排出到外界并被去除。
[0053]如圖2所示，由于冷卻帽24的內(nèi)部空間中的冷卻水位升高(例如，噴射到罩帽24的內(nèi)部空間中的冷卻水的量增多)，球36在冷卻水面上漂浮并被浮力逐漸提升。
[0054]也就是說，隨著冷卻水位上升，球36沿著球偏離防止引導(dǎo)件34(沿著可具有從上到下逐漸減小的直徑的球偏離防止引導(dǎo)件34的內(nèi)表面)向上被提升，直到球36到達它的直徑與球移送引導(dǎo)件35的內(nèi)徑相等的位置(因此，不能再向上移動)。在這一位置，如圖2所示，球36阻斷形成在罩帽24的頂端部的氣泡出口 32。
[0055]在這一位置，通過來自冷卻水的向上壓力，球36阻斷氣泡出口 32，從而容易地防止冷卻水向外泄露的泄露現(xiàn)象。
[0056]在這一位置，已通過離子過濾器10的離子樹脂18并已聚集在罩帽24的內(nèi)部空間中的的冷卻水的氣泡，容易地經(jīng)由氣泡出口 32被排出并去除。而且，已去除氣泡的冷卻水經(jīng)由罩帽24的冷卻水出口 26排出并沿著燃料電池系統(tǒng)的冷卻回路(燃料電池堆，散熱器等等)循環(huán)。
[0057]結(jié)果，實時去除氣泡的冷卻水沿著冷卻回路循環(huán)，從而使燃料電池系統(tǒng)的功率效率和散熱效率得以最大化，并解決了由冷卻水中的氣泡引起的流動噪聲問題。
[0058]因而，本發(fā)明具有以下作用。
[0059]根據(jù)本發(fā)明，用于排出包含在燃料電池系統(tǒng)的冷卻水中的氣泡的氣泡去除構(gòu)件利用通過系統(tǒng)內(nèi)的冷卻水的浮力能夠向上和向下移動的球。氣泡去除構(gòu)件可安裝在燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的頂部位置的離子過濾器中。本發(fā)明的氣泡去除構(gòu)件能夠排出和去除冷卻水通過離子過濾器時所產(chǎn)生的高濃度的氣泡。而且，通過提供基于冷卻水的水位來打開或關(guān)閉氣泡出口的球，保證了氣密性并且防止了冷卻水的泄露。
[0060]本發(fā)明的氣泡去除構(gòu)件進一步被配置并安排為提供實時的氣泡去除，從而使燃料電池系統(tǒng)的功率效率和散熱效率最大化，而且進一步消除了經(jīng)常由冷卻水中的氣泡引起的流動噪聲問題。
【權(quán)利要求】
1.一種用于燃料電池系統(tǒng)的離子過濾器的氣泡去除裝置，其中所述離子過濾器包括具有上端和下端的主體部、配置在所述下端的冷卻水入口和嵌入所述主體部內(nèi)的離子樹脂，所述氣泡去除裝置包括: 氣泡去除構(gòu)件，其配置在所述主體部的上端，其中 所述氣泡去除構(gòu)件通過浮力能夠在相對于所述離子過濾器的外部的打開或關(guān)閉的位置之間移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡去除裝置，其中，所述氣泡去除構(gòu)件包括: 氣泡出口，其配置在所述離子過濾器的頂部末端； 球偏離防止引導(dǎo)件，其整體地形成在所述氣泡出口的外圍部，并且隨所述離子過濾器的頂端向下延伸；和 球，其配置在所述球偏離防止引導(dǎo)件內(nèi)，并且能夠在所述球偏離防止引導(dǎo)件內(nèi)垂直移動， 由此，所述球在所述離子過濾器的頂端內(nèi)，能夠通過冷卻水的浮力向上移動，從而打開或阻斷所述氣泡出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣泡去除裝置，其中，所述球具有核殼結(jié)構(gòu)，并且所述核使用具有浮力的柔性材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氣泡去除裝置，其中，所述核為鋼球的形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣泡去除裝置，其中，所述球偏離防止引導(dǎo)件包括: 球移送引導(dǎo)件，其具有從上到下逐漸減小的直徑；和 一個或多個氣泡通孔，其位于所述球移送引導(dǎo)件的下部。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣泡去除裝置，其中，所述球移送引導(dǎo)件還包括: 位于下部的限位器，所述限位器被配置成防止所述球通過。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣泡去除裝置，還包括一個或多個位于所述限位器中的氣泡通孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣泡去除裝置，其中，所述限位器包括形成在所述球移送引導(dǎo)件的下端部的向內(nèi)彎曲部。
9.一種用于燃料電池的離子過濾器，包括: 主體部，其具有上端和下端； 冷卻水入口，其配置在所述下端； 離子樹脂，其被嵌入所述主體部內(nèi)；和 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣泡去除裝置，其配置在所述主體部的上端。
【文檔編號】H01M8/04GK103811780SQ201210598986
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月1日
【發(fā)明者】羅盛煜, 樸勛雨 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社, 起亞自動車株式會社