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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das dazu verwendet wird, die Kathodeneinlassfeuchte eines Brennstoffzellenstapels zu steuern.
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Brennstoffzellensysteme umfassen häufig eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die zusammengebaut sind, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Brennstoffzellen mit Protonenaustauchmembran (PEM) umfassen normalerweise eine Anode, eine Kathode und eine Membran, die die Anode und die Kathode trennt. Die Anoden der einzelnen Brennstoffzellen sind jeweils sowohl elektrisch als auch fluidmäßig miteinander verbunden, so dass die Vielzahl von Anoden allgemein als die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels bezeichnet wird. Ähnlicherweise sind die Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen jeweils sowohl elektrisch als auch fluidmäßig miteinander verbunden und werden daher allgemein als die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels bezeichnet. Die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels umfasst einen Einlass für einen Brennstoff und einen Auslass für den nicht verbrauchten Brennstoff und für Abgase, die an der Anodenseite erzeugt und von dem Brennstoffzellenstapel ausgetragen werden. Die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels umfasst auch einen Einlass, der normalerweise dazu verwendet, ein gasförmiges Oxidationsmittel zu injizieren, wie beispielsweise Luft, und einen Auslass, der dazu verwendet wird, Gase auszutragen, die an der Kathodenseite erzeugt werden. Üblicherweise ist ein Kompressor oberstromig des kathodenseitigen Einlasses des Brennstoffzellenstapels verbunden, um das gasförmige Oxidationsmittel vor der Injektion unter Druck zu setzen.
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Die Membrane der einzelnen Brennstoffzellen müssen beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels feucht gehalten werden, um die Membrane vor Schaden zu schützen und um den höchsten Grad des Betriebswirkungsgrades des Brennstoffzellenstapels zu erreichen. Beim Betrieb eines Brennstoffzellenstapels wandern Protonen, die von einer Wasserstoffkomponente des an die Anodenseite gelieferten Brennstoffes abstammen, durch die befeuchtete Membrane und reagieren an der Kathodenseite mit dem Oxidationsmittel. Das Oxidationsmittel liegt normalerweise in der Form von atmosphärischem Sauerstoff vor. Der Wasserstoff und Sauerstoff kombinieren sich, um elektrische Energie zu erzeugen und auch ein Wasservolumen zu bilden. Daher ist stets Wasser an der Kathodenseite vorhanden. Ein Anteil dieses Wassers diffundiert im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels durch die Membrane jeder Brennstoffzelle zurück an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels, so dass beide Seiten der Membran und sowohl die Anoden- als auch Kathodenseite normalerweise befeuchtet sind. Das erzeugte Wasser ist oftmals mehr, als das, das für eine normale Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels erforderlich ist, wobei daher ein überschüssiger Anteil des Wassers normalerweise von der Anodenseite und der Kathodenseite entfernt und entweder zur Wiederverwendung gesammelt oder abgelassen wird.
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Jedoch kann nicht immer eine angemessene Befeuchtungssteuerung des Brennstoffzellenstapels aufrecht erhalten werden. Bei bestimmten Betriebsbedingungen enthält die atmosphärische Luft, die normalerweise für das Oxidationsmittel verwendet wird, nicht ausreichend Wasservolumen, und daher kann die Kathodenseite der Brennstoffzellen nicht angemessen befeuchtet werden. Um dieses Problem zu lösen, sehen übliche Brennstoffzellenstapel eine aktive Befeuchtungssteuerung für die Kathodengasströmung vor. Eine übliche Form der Befeuchtungssteuerung betrifft die Verwendung eines Befeuchters oberstromig des Brennstoffzellenstapels, der separat über eine Wasserquelle, wie beispielsweise einen Tank, beliefert wird. Wasser für diese Befeuchter wird auch üblicherweise aus dem Brennstoffzellenproduktwasser vorgesehen, das von dem Austrag des Brennstoffzellenstapels an den Stapelkathodeneinlass übertragen wird. Da Wasser injiziert wird, wird, um ein direktes Auftreffen von Wasserpartikeln auf die Brennstoffzellenmembrane zu verhindern, das Fluidvolumen zunächst vorerhitzt, so dass es vollständig vernebelt wird. Dieser zusätzliche Prozessschritt erhöht die Kosten wie auch die Komplexität des Systems. Es ist auch eine geeignete Strömungssteuerung des in den Brennstoffzellenstapel injizierten Wassers erforderlich, die üblicherweise durch die Verwendung von Strömungsdüsen oder Drucksteuerventilen vorgesehen wird. Diese Komponenten erhöhen ebenfalls die Systemkosten wie auch die Systemkomplexität.
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Ein beispielhaftes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem die Befeuchtung das Resultat der Anhebung der absoluten Feuchtigkeit ist, wird beispielsweise in den Druckschriften
DE 43 18 818 C2 und
DE 101 10 419 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren muss jedoch verhältnismäßig viel Wasser zur Anhebung der relativen Feuchtigkeit injiziert werden.
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Befeuchter, die an dem Stapelkathodeneinlass verwendet werden, sind üblicherweise von Membrantyp. Befeuchter vom Membrantyp sehen allgemein einen optimalen Wirkungsgrad bei Lufteinlassfeuchten von etwa 100% relativer Feuchte (RF) plus einem Anteil flüssigem Wasser vor. Wenn jedoch die Feuchtigkeit an dem Befeuchtereinlass unter 100% RF abfällt, fällt der Wirkungsgrad des Befeuchters erheblich ab. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, die Größe des Befeuchters zu erhöhen, wobei jedoch diese Lösung die Komponentenkosten des Befeuchters erhöht und auch in weiteren Konstruktionsproblemen für das System resultieren kann. Daher besteht Bedarf nach einer kostengünstigeren und einfacheren Lösung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die relative Luftfeuchtigkeit des Kathodenreaktanden einer Brennstoffzelle mit möglichst wenig zusätzlichem Wasser anzuheben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren zur Steuerung einer Luftbefeuchtung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, einen Befeuchter, der ausgebildet ist, um ein in den Brennstoffzellenstapel injiziertes Oxidationsmittel zu befeuchten, und eine Injektionsdüse umfasst. Das Verfahren umfasst, dass die Injektionsdüse in einen Strömungspfad, der den Befeuchter und den Brennstoffzellenstapel umfasst, verbunden wird; ein Wasservolumen unter Verwendung der Wasserinjektionsdüse vernebelt wird; und das Oxidationsmittel mit dem vernebelten Wasservolumen gekühlt wird, bevor das Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel injiziert wird. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass die Wasserübertragungsrate des Befeuchters erhöht wird, indem das Oxidationsmittel durch das vernebelte Wasservolumen um 5°C bis 10°C abgekühlt wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Verwendung eines vernebelten Wasservolumens vorgesehen, um die Temperatur eines in ein Brennstoffzellensystem injizierten Oxidationsmittels zu verringern. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, einen Befeuchter, der ausgebildet ist, um das Oxidationsmittel zu befeuchten, und zumindest eine Injektionsdüse, die in einen Kathodenaustragsstrom eines Brennstoffzellenstapels verbindbar ist. Das Verfahren umfasst, dass der Befeuchter mit einem Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels verbunden wird; der Befeuchter betrieben wird, um das Oxidationsmittel bei einem stabilen Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels zu befeuchten; die Injektionsdüse mit einem Wasservolumen beliefert wird, das in den Kathodenaustragsstrom des Brennstoffzellenstapels oberstromig des Befeuchters einführbar ist; das Wasservolumen unter Verwendung der Injektionsdüse vernebelt wird; und das Oxidationsmittel unter Verwendung des vernebelten Wasservolumens gekühlt wird, um eine relative Feuchte des den Befeuchter verlassenden Oxidationsmittels zu erhöhen.
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Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein Flussschaubild ist, das die verschiedenen Komponenten zeigt, die in einem System zur verbesserten Luftbefeuchtung für Brennstoffzellenanwendungen der vorliegenden Erfindung verwendet sind;
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2 ein Flussschaubild zeigt, das von 1 abgewandelt ist, um beispielhafte Strömungspfade für einen ersten bevorzugten Ort einer Wasserinjektionsdüse zu zeigen, die dazu dient, ein Wasservolumen zu vernebeln, was eine Temperatur des Oxidationsmittelgases verringert;
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3 ein Flussschaubild ähnlich zu 2 ist, das einen zweiten bevorzugten Ort einer Wasserinjektionsdüse zeigt, die dazu dient, ein Wasservolumen zu vernebeln, was eine Temperatur des Oxidationsmittelgases verringert;
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4 ein Schaubild ist, das den Einfluss von zusätzlichem injiziertem Wasser an dem trockenen Einlass (T1) des Befeuchters auf die Membranwasserübertragungsrate zeigt; und
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5 ein Schaubild ist, das den Einfluss von Lufttemperaturen des trockenen Einlasses des Befeuchters auf die Membranwasserübertragungsrate zeigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und wie allgemein in 1 gezeigt ist, umfasst ein Luftbefeuchtungssystem 10 einen Brennstoffzellenstapel 12 mit elektrischen Verbindungen 14 und 16. Umgebungsluft, die eine Quelle für Sauerstoff an die Kathodenseite der Zellen des Brennstoffzellenstapels 12 vorsieht, wird unter Verwendung eines Kompressors 18 komprimiert. Die komprimierte Luft, die von dem Kompressor 18 ausgetragen wird, wird anschließend durch einen Ladeluftkühler 20 gekühlt. Die gekühlte Luft, die von dem Ladeluftkühler 20 ausgetragen wird, wird in einem Befeuchter 22 über eine Befeuchtereinlassleitung 23 aufgenommen. Die komprimierte und befeuchtete Luft wird von dem Befeuchter 22 in die einzelnen Kathodenseiten jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels 12 über eine Befeuchterauslassleitung 24 ausgetragen, die mit einem Kathodeneinlassverteiler in Verbindung steht, wie es in der Technik gut bekannt ist. Eine Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 sammelt den Austrag von den verschiedenen Kathodenseiten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 und führt diese befeuchtete Luft zu dem Befeuchter 22 zurück. Eine Kathodenaustragsleitung 28 ist vorgesehen, um Kathodenaustragsprodukte von dem Befeuchter 22 und dadurch von dem Brennstoffzellenstapel 12 auszutragen. Eine Wasserstoffquelleneinlassleitung 30 und eine Anodenaustragsleitung 32 sind mit den Anodeneinlass- und Auslassverteilern eines Brennstoffzellenstapels 12 verbunden gezeigt. Ein Oxidationsmittel (beispielsweise Luft) von einer Oxidationsmittelquelle 34 wird über eine Befeuchtereinlassleitung 23 an den Befeuchter 22 übertragen. Die Strömung in der Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 tritt in eine Befeuchterkathodenzuflussverbindung 38 ein. Das befeuchtete Oxidationsmittel, das den Befeuchter 22 verlässt, wird in die Befeuchterauslassleitung 24 an einer Befeuchterkathodenzufuhrverbindung 40 ausgetragen.
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Der Kompressor 18 und der Ladeluftkühler 20 sind allgemein in der Technik bekannt und werden daher nicht detaillierter beschrieben. Der Befeuchter 22 ist ein Befeuchter vom Membrantyp, der in etwa bei Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels 12 arbeitet. Der Begriff ”Betriebstemperatur” betrifft daher im breiteren Sinne die verschiedenen Fluid- und Umgebungsbedingungen, innerhalb denen der Brennstoffzellenstapel 12 arbeitet. Zum Zwecke dieser Beschreibung kann das Oxidationsmittel (beispielsweise Luft), das in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 über die Befeuchtereinlassleitung 23 injiziert wird, eine ”Betriebstemperatur” besitzen, die im Bereich von unterhalb von 0°C bis etwa 80°C liegt, wobei dieser Bereich jedoch nur beispielhaft vorgesehen ist und abhängig von der Brennstoffzellenstapelkonstruktion höher oder niedriger sein kann.
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Bei einem stabilen Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 12 sollte eine relative Feuchte des an den Brennstoffzellenstapels 12 über die Befeuchterauslassleitung 24 übertragenen Oxidationsmittels bei einer vorbestimmten relativen Feuchte liegen, und bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine relative Feuchte von etwa 50% bevorzugt. Zur Bestimmung der relativen Feuchte ist auch eine Referenztemperatur nötig. Die Referenztemperatur kann beispielsweise an einem Ort T1 gemessen werden.
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Es ist beobachtet worden, dass die relative Feuchte der Oxidationsmittelströmung durch die Befeuchterauslassleitung 24, die den Brennstoffzellenstapel 12 bei normalen Betriebsbedingungen speist, eine relative Feuchte von 20% bis 30% erreichen kann. Ein Betrieb des Luftbefeuchtungssystems 10 bei dieser niedrigen relativen Feuchte kann die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 beschädigen. Bekannte Systeme zur Erhöhung der relativen Feuchte auf den gewünschten Bereich einer relativen Feuchte von 50% umfassen ein Verbinden einer zusätzlichen Wasserquelle oberstromig des Brennstoffzellenstapels 12, die zur Einführung vorerhitzt und unter Druck gesetzt ist. Der Vorgang des Druckbeaufschlagens und Vorerhitzens dieser Wasserquelle erhöht die Kosten durch die Komplexität für das System.
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Es hat sich herausgestellt, dass die relative Feuchte des Kathodenoxidationsmittelgases von dem beobachteten Bereich von 20% bis 30% relativer Feuchte bis zu dem gewünschten Bereich von 50% relativer Feuchte durch Verringerung der Temperatur des Oxidationsmittels um etwa 5°C bis 10°C vor der Injektion in den Brennstoffzellenstapel 12 erhöht werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Verringerung der Temperatur um 5°C bis 10°C durch direkte Injektion einer kleinen Menge an vernebeltem Wasser oberstromig des Brennstoffzellenstapels 12 erreicht. Dadurch wird in gewisser Weise die Wasserübertragungsrate des Befeuchters 22 derart erhöht, dass die relative Feuchte des Oxidationsmittels die gewünschte relative Feuchte von 50% erreicht. Zwei beispielhafte Injektionsorte oder -punkte zur Direktinjektion sind in 1 an den Orten T-1 und T-2 gezeigt.
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Der Injektionsort T-1 ist zwischen dem Ladeluftkühler 20 und dem Befeuchter 22 in einer Befeuchtereinlassleitung 23 angeordnet. Der Injektionsort T-2 ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und dem Befeuchter 22 in einer Kathodenluft-/Wasserauslassleitung 26 angeordnet. Durch Injektion einer kleinen Menge an vernebeltem Wasser direkt an einem Injektionsort T-1 oder T-2 wird das Erfordernis nach einer Vorerhitzung des injizierten Fluides beseitigt. Die Injektion von kleinen Volumen oder Mengen von vernebeltem Wasser bei etwa Umgebungstemperatur an einem der Injektionsorte T-1 oder T-2 verringert effektiv die kathodenseitige Einlassströmungstemperatur und erhöht die relative Feuchte der Oxidationsmittelströmung von dem Befeuchter 22 über die Befeuchterauslassleitung 24, ohne dass ein zusätzlicher Luftkühler oder eine Erhöhung der Größe des Befeuchters 22 erforderlich wird, was die Kosten und die Komplexität des gesamten Brennstoffzellensystems erhöhen würde.
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In 2 ist die Wasserinjektion über den Injektionsort T-1 detaillierter gezeigt. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine erste Injektionsdüse 42 direkt mit der Befeuchtereinlassleitung 23 verbunden. Die erste Injektionsdüse 42 wird dazu verwendet, ein Volumen des Wassers von einer Wasserquelle 44 zur Injektion in die Befeuchtereinlassleitung 23 zu zerstäuben. Es ist bevorzugt, das im Wesentlichen gesamte Wasser, das in die Befeuchtereinlassleitung 23 injiziert wird, zu zerstäuben, um die Gefahr einer Übertragung von Wassertröpfchen und einem Auftreffen in dem Befeuchter 22 zu verringern. Eine Zerstäubung maximiert auch die anschließende Kühlwirkung des Wasservolumens, das über die erste Injektionsdüse 42 injiziert wird.
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Die erste Injektionsdüse 42 ist mit der Befeuchtereinlassleitung 23 verbunden. Die erste Injektionsdüse 42 ist auch mit einer Wasserquelle 44 in etwa bei Umgebungstemperatur verbunden und wird durch diese gespeist. Die Wasserquelle 44 kann ein beliebiger Typ von Wasserquelle sein, wie beispielsweise eine externe Wasserversorgung oder ein Abflusstank, der Feuchtigkeit sammelt, die von dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgetragen wird. Von der Wasserquelle 44 wird Wasser über die Wasserübertragungsleitung 46 unter Verwendung einer Wasserübertragungsvorrichtung 48 übertragen. Die Wasserübertragungsvorrichtung 48 kann ein beliebiger Typ von Übertragungsvorrichtung sein, der in der Technik bekannt ist, wie eine Pumpe. Die Wasserübertragung kann auch unter Verwendung eines Fluiddruckbeaufschlagungssystems 49 erreicht werden, das direkt mit der Wasserquelle 44 verbunden ist. Die in 2 gezeigte Ausgestaltung ist daher beispielhaft für eine Vielzahl von Wasserübertragungssystemen. Die Wasserübertragungsvorrichtung 48 (oder das Fluiddruckbeaufschlagungssystem 49) sieht auch eine erforderliche Druckerhöhung des Versorgungswassers auf einen vorbestimmten Druck vor, der notwendig ist, um eine Injektion unter Verwendung der ersten Injektionsdüse 42 zuzulassen. Der vorbestimmte Druck variiert für verschiedene Ausgestaltungen des Brennstoffzellenstapels 12. Unter Verwendung der Wasserübertragungsvorrichtung 48 wird das Fluid über eine Düsenzufuhrleitung 50 an eine erste Injektionsdüse 42 übertragen.
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Eine Messvorrichtung 52 ist optional in die Düsenzufuhrleitung 50 geschaltet. Da Wasser bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung direkt in die Kathodenversorgungsleitung injiziert wird, erfordert die Gesamtmenge an injiziertem Wasser eine vorsichtige Steuerung. Die Messvorrichtung 52 kann daher vorgesehen sein, um eine genauere Steuerung der Gesamtwasserströmung in die Befeuchtereinlassleitung 23 zuzulassen. 2 zeigt auch eine Querverbindungsleitung 54, die optional dazu verwendet werden kann, zumindest einen Anteil des Wassers für die erste Injektionsdüse 42 zu liefern. Die Querverbindungsleitung 54 verbindet die Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 mit der Zufuhrleitung 50 der ersten Düse. Dies erlaubt, dass Luft mit einer relativen Feuchte von etwa 100% und jegliches Wasser, das von dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgetragen wird, dazu verwendet werden, das Wasser von der Wasserquelle 44 zu ergänzen oder zu ersetzen. Ein Steuer- oder Drosselventil (nicht gezeigt) kann ebenfalls in der Querverbindungsleitung 54 enthalten sein, um die Strömungsmenge über die Querverbindungsleitung 54 zu der Zufuhrleitung 50 der ersten Düse zu trennen oder zu drosseln.
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Wie in 3 gezeigt ist, wird gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Fluidinjektion an einem Injektionsort T-2 von 1 detaillierter beschrieben. Das Oxidationsmittel (beispielsweise Luft) von der Oxidationsmittelquelle 34 wird über eine Befeuchtereinlassleitung 23 zu einem Befeuchter 22 übertragen. Der Kathodengasaustrag von dem Brennstoffzellenstapel 12, der normalerweise eine relative Feuchte von etwa 100% besitzt, wird von dem Befeuchter 22 über eine Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 an einer Befeuchterkathodenzuflussverbindung 38 aufgenommen. Der Kathodengasaustrag mit einer relativen Feuchte von etwa 100% wird von dem Befeuchter 22 verwendet, um das Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle 34 vor einer Übertragung über die Befeuchterauslassleitung 24 in den Brennstoffzellenstapel 12 zu befeuchten.
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Die Wasserquelle 44, die Wasserübertragungsleitung 46 und die Wasserübertragungsvorrichtung 48 sind ähnlich denen, die in 2 gezeigt und beschrieben ist, und werden daher nicht weiter beschrieben. Unter Verwendung der Wasserübertragungsvorrichtung 48 wird das Wasser von der Wasserquelle 44 an eine zweite Injektionsdüse 56 über eine Zufuhrleitung 58 der zweiten Düse übertragen. Ein von der Kathodenaustragsseite 36 des Brennstoffzellenstapels 12 ausgetragener Kathodenabfluss wird erwünschterweise durch die zerstäubte Wasserströmung bei etwa Umgebungstemperatur, die über die zweite Injektionsdüse 56 in die Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 eingeführt wird, um etwa 5°C bis 10°C gekühlt. Diese gekühlte Strömung tritt in die Befeuchterkathodenzuflussverbindung 38 ein und kühlt anschließend das Oxidationsmittel, das von dem Befeuchter 22 über die Befeuchterkathodenzufuhrverbindung 40 ausgetragen wird, was die relative Feuchte des Oxidationsmittels auf eine relative Feuchte von etwa 50% erhöht.
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Der Vorteil einer Injektion von Wasser über die zweite Injektionsdüse 56 besteht darin, dass der Kühleffekt des injizierten Wassers realisiert wird, ohne dass das injizierte Fluid direkt mit der Oxidationsmittelströmung, die den Befeuchter 22 verlässt, kombiniert werden muss. Dies minimiert die Gefahr einer Wassertröpfchenübertragung an den Brennstoffzellenstapel 12. Das maximale Volumen an Wasser, das über die zweite Injektionsdüse 56 injiziert wird, ist daher nicht kritisch, sobald eine minimale Strömung hergestellt ist. Jegliche überschüssige Wasserströmung durch die zweite Injektionsdüse 56 wird über die Kathodenaustragsleitung 28 ausgetragen. Eine Strömungsmessvorrichtung zur Messung des Durchsatzes des Wassers, das an die zweite Injektionsdüse 56 geliefert wird, ist daher für diesen Aspekt der Erfindung nicht erforderlich.
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Der Zweck der Injektion von vernebeltem Wasser über entweder eine erste oder zweite Injektionsdüse 42, 56 besteht darin, die Temperatur des Oxidationsmittels oberstromig des Brennstoffzellenstapels 12 um etwa 5 bis 10°C zu verringern. Es hat sich herausgestellt, dass eine Temperaturänderung von etwa 5° bis 10°C die relative Feuchte des Oxidationsmittels (Luft) in der Befeuchterauslassleitung 24 von etwa 20% relativer Feuchte auf etwa 50% relativer Feuchte erhöht, was für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 12 geeignet ist. Diese Kühlwirkung um 5 bis 10°C wird unter Verwendung von Wasser von der Wasserquelle 44 bei etwa Umgebungstemperatur und/oder von einer Querverbindungsleitung 54 erreicht. Die Temperatur des Wassers, das entweder an die erste oder zweite Injektionsdüse 42, 56 geführt wird, sieht die gewünschte Kühlwirkung bei Temperaturen der Wasserquelle 44 von bis zu etwa 80°C vor.
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In 4 ist ein Schaubild 60 gezeigt, das den Einfluss von zusätzlichem injiziertem Wasser an dem trockenen Einlass des Befeuchters auf die Membranwasserübertragungsrate eines beispielhaften Befeuchters 22 zeigt. 4 zeigt eine Membranwasserübertragungsrate, die in Gramm pro Sekunde gemessen wird und die von dem Befeuchter 22 ausgetragen wird, wenn eine zusätzliche Menge an Wasser über die ersten Injektionsdüsen 42 in das Luftbefeuchtersystem 10 injiziert wird. Die Temperaturverringerung des trockenen und des feuchten Auslasses des Befeuchters 22, die aus einer Injektion von Wasser über erste Injektionsdüsen 42 bewirkt werden, ist auch auf der rechten Seite in 4 gezeigt. Das Diagramm 60 zeigt einen Gesamtwassergehalt der Befeuchteraustragsluftkurve 62, eine Membranwasserübertragungsratenkurve 64, eine Kurve 66 der Temperatur des feuchten Luftauslasses des Befeuchters, und eine Kurve 68 der Temperatur des trockenen Luftauslasses des Befeuchters. Die Annahmen für das erste Diagramm 60 sind, dass der Brennstoffzellenstapel 12 bei normalen oder stabilen Betriebsbedingungen arbeitet. Die Kurve 66 der Temperatur des feuchten Luftauslasses des Befeuchters wird dadurch vorgesehen, dass die Temperatur der feuchten Luft an dem Auslass des Befeuchters 22 gemessen wird. Die Kurve 68 der Temperatur des trockenen Luftauslasses des Befeuchters wird durch Messen der Temperatur des trockenen Luftauslasses des Befeuchters 22 vorgesehen.
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Im stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 ist bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Membranwasserübertragungsrate von dem Befeuchter 22 von etwa 2,3 g/s erforderlich, um eine relative Feuchte von etwa 50% an der Einlass- oder Kathodenversorgung zu dem Brennstoffzellenstapel 12 aufrechtzuerhalten. Ohne zusätzliche Wasserinjektion liefert der Befeuchter 22 eine Membranwasserübertragungsrate von etwa 1,2 g/s. Wie in 4 gezeigt, wird durch Verringerung entweder der Temperatur des feuchten Luftauslasses oder der Temperatur des trockenen Luftauslasses um etwa 5 bis 10°C die Membranwasserübertragungsrate des Befeuchters 22 von etwa 1,2 auf die erforderlichen 2,3 g/s erhöht. Dies wird erreicht, indem Wasser über entweder die ersten oder zweiten Injektionsdüsen 42, 56 mit einer Rate von etwa 0,25 g/s injiziert wird. Es ist daher offensichtlich, dass die Injektion einer relativ kleinen Menge von Wasser bei Umgebungstemperatur über entweder die ersten oder zweiten Injektionsdüsen 42, 56 der vorliegenden Erfindung die Membranwasserübertragungsrate des Befeuchters 22 erheblich steigert. Dieser Kühleffekt, der durch Verwendung von injiziertem Wasser bei Umgebungstemperatur erreicht wird, erzielt die gewünschte Membranwasserübertragungsrate ohne den Zusatz zusätzlicher Vorheizkomponenten oder Erhöhung der Größe des Befeuchters 22 der Brennstoffzellenanordnung.
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Wie in 5 gezeigt ist, zeigt das zweite Schaubild 70 den Einfluss der Lufteinlasstemperatur auf die Membranwasserübertragungsrate des Befeuchters 22. Das zweite Diagramm 70 zeigt eine Kurve 72 der Temperatur des feuchten Luftauslasses, eine Kurve 74 der Temperatur des trockenen Luftauslasses und eine Wasserübertragungsratenkurve 76. Wie in dem zweiten Diagramm 66 deutlich zu sehen ist, ist die durch die Wasserübertragungsratenkurve 76 gezeigte Wasserübertragungsrate am höchsten, wenn die Temperatur des ”trockenen” Lufteinlasses des Befeuchters und die Temperatur des ”feuchten” Lufteinlasses des Befeuchters am niedrigsten sind. Dieser Effekt wird erreicht, indem Wasser unter Verwendung des Luftbefeuchtungssystems der vorliegenden Erfindung injiziert wird.
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Die ersten und zweiten Injektionsdüsen 42, 56 können aus beliebigen kommerziell erhältlichen Sprüh-Injektions-/Zerstäubungsdüsen gewählt werden, die in der Technik bekannt sind. Ein Beispiel von Zerstäubungsdüsen, die für diesen Zweck geeignet sind, ist erhältlich von E. R. L. Limited of Brighton, England. Es ist erwünscht, die Menge an Wasser, die in entweder die Befeuchtereinlassleitung 23 oder die Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 injiziert wird, vollständig zu zerstäuben. Die gewählte Größe und Konstruktion entweder der ersten oder zweiten Injektionsdüse 42, 56 basiert daher auf der Gesamtwassermenge, die injiziert werden soll, und die von einer Brennstoffzellenstapelkonstruktion zu der nächsten variieren kann. Beispielsweise nur kann die Größe der ersten oder zweiten Injektionsdüse 42, 56, die zur Verwendung unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben sind, Wasserdurchsätze im Bereich zwischen etwa 0,1 g/s bis etwa 1,1 g/s haben.
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Ein Luftbefeuchtungssystem 10 der vorliegenden Erfindung bietet verschiedene Vorteile. Durch Injektion relativ kleiner Mengen an Wasser direkt in entweder den Kathodeneinlassstrom eines Brennstoffzellenstapels oder in den Kathodenabflussstrom des Brennstoffzellenstapels kann eine Wasserübertragungsrate eines zugeordneten Befeuchters erhöht werden. Durch Zerstäuben und Injektion der kleinen Wassermenge in diese Pfade wird die Temperatur auf der Einlassseite der Kathodenversorgungsleitung des Brennstoffzellenstapels verringert, was die Befeuchterwasserübertragungsrate verbessert. Die Verwendung von Injektionsdüsen der vorliegenden Erfindung erlaubt, dass Wasser, das sich im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur befindet und normalerweise für Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, in den Kathodendurchflussstrom injiziert oder in Kontakt mit dem Kathodendurchflussstrom gebracht werden kann, ohne das Wasser anfänglich zu erhitzen. Dies verringert die Gesamtkosten wie auch die Systemauswirkung des Brennstoffzellenstapels. Durch Anordnen der Injektionsdüsen gemäß der vorliegenden Erfindung kann die relative Feuchte der Kathodenquelle zu einem Brennstoffzellenstapel beim stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels beibehalten werden. Die Verwendung von Injektionsdüsen der vorliegenden Erfindung ist effektiv für die Erhöhung der relativen Feuchte eines beliebigen Typs von Befeuchter, der beim Brennstoffzellenstapelbetrieb verwendet wird. Eine Temperaturverringerung von etwa 5°C bis 10°C wird durch Injektion von Wasser unter Verwendung der Injektionsdüsen vorgesehen, die gemäß der vorliegenden Erfindung positioniert sind.
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Zusammengefasst umfassen ein System und ein Verfahren zur Verbesserung einer Luftbefeuchtung für Brennstoffzellenanwendungen einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass. Der Kathodeneinlass nimmt ein Oxidationsmittel auf. Ein Befeuchter befeuchtet das Oxidationsmittel vor einer Lieferung des Oxidationsmittels an den Kathodeneinlass. Es ist eine Injektionsdüse vorgesehen, wobei ein Wasservolumen, das durch die Injektionsdüse im Wesentlichen vernebelt wird, eine Temperatur des Oxidationsmittels verringert und eine Wasserübertragungsrate des Befeuchters erhöht. Die Injektionsdüse kann entweder direkt oberstromig des Befeuchters in der Oxidationsmitteleinlassleitung oder in einer Stapelkathodenauslassleitung positioniert sein, die in den Befeuchter geführt ist.