燃料电池系统用离子交换过滤器技术方案

本发明专利技术涉及可用于燃料电池系统中的离子交换过滤器，包括所述离子交换过滤器的燃料电池系统以及处理燃料电池流体的方法。本发明专利技术的一个实施方案包括含有碳酸氢盐形式阴离子交换树脂的滤筒。本发明专利技术在车载燃料电池系统方面是特别有用的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池系统用离子交换过滤器专利技术背景(1)专利
本专利技术涉及可用于燃料电池系统中的离子交换过滤器、包括离子交换过滤器的燃料电池系统以及用于处理燃料电池流体的方法。(2)相关技术的说明燃料电池的设计和操作在本领域中是广为人知的。燃料电池通过燃料例如氢、甲醇等的电化学氧化产生电。一般将未反应的燃料和/或氧化剂(废气)再循环并再引入到燃料电池中。再循环的成分可以用离子交换过滤器过滤以在被再引入到燃料电池之前移除污染物。这样的污染物包括各种系统组成部分例如膜、管道、冷却剂、催化剂等的降解和/ 或洗脱产物以及可能与燃料和氧化剂一起引入的杂质。举例来说，US2007/0259241描述了包括氢再循环系统的燃料电池系统，所述氢再循环系统用于将未反应的氢废气和水从燃料电池引导至气体-液体分离器。然后使所得废气在被再循环回到燃料电池中用于后续反应之前通过离子交换过滤器。JP 2005/339814A描述了包括具有离子交换过滤器的氢再循环系统的类似燃料电池系统。燃料电池系统通常包括冷却剂系统，所述冷却剂系统将冷却剂流体在燃料电池和热交换器之间循环。离子交换过滤器也用于这样的冷却剂系统以将碎片和洗脱产物从再循环冷却剂中移除。这样的系统的实例描述在US 7，261，816 ；US 6，673，482 ；US 6，663，993 ； US 2004/0028971 和 EP 1791 206 中。用于这样燃料电池应用中的离子交换过滤器典型地包括具有流体流动通道的滤筒以使流体线路的流体通过。已知多种滤筒，包括US7，261, 816和JP 2005/339814A中描述的那些。如US 2007/0259241中所述滤筒可以与气体-液体分离器结合。滤筒含有离子交换树脂，所述离子交换树脂将离子或其它带电成分从与树脂接触的经过的流体中移除。 JP2002-343388描述了将离子交换树脂的混合床用于过滤磷酸燃料电池内的产物水和/或冷却剂。给定燃料电池的高操作温度，在这样系统中使用的离子交换树脂必须具有高温稳定性，即，该树脂甚至在长时期暴露于高温，如高于约80°C的温度以及在许多情况下高于 100°C乃至120°C的温度后，也必须能保持离子交换能力。JP 2002-343388描述了一类在这样的应用中使用的处于氢氧化物(0H_)形式的阴离子交换树脂。除了暴露于高操作温度以外，燃料电池系统的离子交换过滤器还可能暴露于重复的冷冻/解冻条件-特别是对于车载燃料电池系统而言。重复的冷冻解冻产生机械力，所述机械力趋向于使离子交换树脂破裂并且导致在流体线路内不想要的压降。专利技术概述本专利技术包括可用于燃料电池系统中的离子交换过滤器。本专利技术还包括包括离子交换过滤器的燃料电池系统，以及用于处理燃料电池的流体的方法。在一个实施方案中，主题离子交换过滤器包括滤筒，所述滤筒包括至少一个流体流动通道；和碳酸氢盐和/或碳酸盐形式的阴离子交换树脂，所述阴离子交换树脂设置在所述滤筒内。本专利技术的主题阴离子交换树脂表现出高温稳定性以及甚至在重复暴露于冷冻/解冻条件下也表现出改善的机械稳定性。还公开了许多其它的实施方案、目的、优点和特征。附图简述附图说明图1是根据本专利技术实施方案的燃料电池系统的示意图。图2是根据本专利技术实施方案的离子交换过滤器的横截面视图。专利技术详述通过参考附图对本专利技术的优选实施方案进行描述。所陈述的实施方案用于描述本专利技术的目的。将理解的是本专利技术不限于所述的具体实施方案，而是涵盖落入公开内容的精神和范围内的更改、等效物和备选方案。将进一步理解的是某些特征和子组合具有效用并且可以在不涉及其它特征和子组合的情况下采用。为了简短起见，本说明书集中在氢燃料电池上，但是本专利技术适用于其它燃料电池， 包括但不限于烃燃料电池，包括柴油、甲醇和化学氢化物。在一个实施方案中，本专利技术涉及处理燃料电池的流体的方法，所述方法通过使这种流体与阴离子交换树脂接触而进行，所述阴离子交换树脂为选自碳酸氢盐和碳酸盐中的至少一种的阴离子形式。在优选的模式中，该方法包括在使离开燃料电池的流体的至少一部分返回到燃料电池中之前使所述流体的至少一部分通过离子交换过滤器的步骤。本专利技术另一个实施方案涉及包含至少一个燃料电池、至少一个流体线路和离子交换过滤器的燃料电池系统。燃料电池的类型不受特别限制。一般来说，一类优选的燃料电池包括通过电解质膜分隔的燃料电极(正极)和氧化剂电极(负极)。在操作中，燃料(例如氢气)通过与正极邻接的通路，而氧化剂(例如空气)通过与负极邻接的通路。在正极， 钼催化剂使氢分裂为正氢离子(质子)和带负电的电子。电解质膜仅允许带正电的离子通过其到负极。带负电的电子沿外线路移动至负极，从而产生电流。在负极，电子和带正电的氢离子与氧结合而形成水，所述水从电池流出。电化学反应可以由下式表示在燃料电极(正极)的反应H2 — 2H++2e_在氧化剂电极(负极)的反应2Η++&-+(1/2)Α — H2O总反应H2+(1/2)O2 — H2O在多数实施方案中，多个电池结合而形成燃料电池组，其实例描述在EP 1 791 206 中。在优选的实施方案中，燃料电池系统包括至少一个流体线路。流体线路限定从燃料电池延伸至远端位置并返回到燃料电池的连续流体流路。如在本上下文中使用，术语“连续”不表示流体沿流体流路不断地流动。实际上，在许多实施方案中，流体通过线路的流动可以中断或者通过使用阀(values)或其它类似的装置重新改道。更确切地，该术语意图描述能够将流体从燃料电池再循环和/或再循环回到燃料电池的流体回路。流体线路可以包括管道、阀、调节器和/或如本领域中所熟知的用于传递流体的泵。流体线路的实例包括 冷却剂系统、增湿系统、燃料再循环系统和氧化剂再循环系统。燃料电池系统可以包括这样的流体线路中的一个或多个，或者它们的任意组合。在一些情况下，可以将单独的流体线路结合，例如增湿系统可以与燃料再循环系统或氧化剂再循环系统结合。在这样的结合或合并系统中，还可以包括气体-液体分离器。在优选的实施方案中，离子交换过滤器沿流体线路的流体流路安置。然而，如果在燃料电池系统内使用多于一个流体线路，则不是每个流体线路都需要离子交换过滤器。适用于本专利技术的冷却系统不受特别限制并且典型地包括在远端热交换器和燃料电池之间的管道或管线内的冷却剂再循环。如US 6，673，482中所述，热交换器可以与散热器、热调节器和/或用于选择性过滤循环冷却剂的旁通装置流体连通，所述文献的全部公开内容通过引用结合在本文中。冷却系统的另外实例提供在US 6，663，993 ；US 7，261，816 中，所述文献的全部公开内容通过引用结合在本文中。冷却剂不受特别限制并且典型地包含低传导性流体如纯化的水或水性烷撑二醇混合物。冷却剂中可以包含各种添加剂，包括如US 2004/0028971中所述的原硅酸衍生物，该文献的全部内容通过引用结合在本文中。 其它设计和冷却剂是众所周知的并且可以使用，包括EP 1 791 206中所述的那些。设计增湿系统用于俘获燃料电池产生的水并且将水的至少一部分返回或“再循环”到燃料电池。增湿系统对燃料电池提供水分，预期这可以保持某些电解质膜的操作性能。取决于具体的燃料电池和操作需要，可以将再循环的水在引入燃料电池之本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于燃料电池系统的离子交换过滤器，所述离子交换过滤器包括：滤筒，所述滤筒包括至少一个流体流动通道，和阴离子交换树脂，所述阴离子交换树脂设置在所述滤筒内，其中所述树脂为选自碳酸氢盐和碳酸盐中的至少一种的阴离子形式。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·H·高尔茨，
申请(专利权)人：陶氏环球技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US