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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere
ein Verfahren zum Hemmen einer Start-Stopp-Degradation und zum Befeuchten
eines Wasserstoffbrennstoffs in einer Brennstoffzellenanordnung.
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Hintergrund der Erfindung
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Brennstoffzellen
werden als saubere, effiziente und umweltfreundliche Antriebsquelle
für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen
vorgeschlagen. Ein Beispiel für eine Brennstoffzelle ist
eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM, kurz vom engl.
Proton Exchange Membrane). Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodeneinheit
(MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly), die im Allgemeinen einen
dünnen Festpolymermembran-Elektrolyt mit einer Elektrode
mit einem Katalysator, beispielsweise einer Anode und einer Kathode,
an beiden Seiten des Membran-Elektrolyten, umfasst.
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Die
MEA umfasst im Allgemeinen poröse leitende Materialien,
die auch als Gasdiffusionsmedien bekannt sind und die weiterhin
die Anoden- und Kathodenschichten bilden. Brennstoff, beispielsweise Wasserstoffgas,
wird an der Anode eingeleitet, wo er elektrochemisch bei Vorhandensein
des Katalysators reagiert, um Elektronen und Protonen zu erzeugen. Die
Elektronen werden von der Anode zur Kathode durch eine elektrische Schaltung
geleitet. Gleichzeitig treten die Protonen durch den Elektrolyten
zur Kathode, wo ein Oxidans, beispielsweise Sauerstoff oder Luft,
elektrochemisch bei Vorhandensein des Katalysators mit den Elektronen
und Protonen reagiert, um Wasser zu erzeugen.
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Die
MEA ist im Allgemeinen zwischen einem Paar elektrisch leitender
Kontaktelemente oder Bipolarplatten gesetzt, um eine einzelne PEM-Brennstoffzelle
zu vervollständigen. Die Bipolarplatten dienen als Stromkollektoren
für die Anode und Kathode und weisen geeignete Strömungskanäle
und Öffnungen auf, die darin zum Verteilen der gasförmigen
Reaktanden der Brennstoffzelle (d. h. von H2 &, O2/Luft) über
den Oberflächen der jeweiligen Elektroden ausgebildet sind.
Bipolarplatten können durch Miteinanderverbinden von zwei
Unipolarplatten, die darauf die Strömungsverteilungsfelder
ausgebildet haben, zusammengebaut werden. Typischerweise umfassen Bipolarplatten
auch Einlass- und Auslass-Sammelrohre, die bei Ausrichtung in einem
Brennstoffzellenstapel innere Zufuhr- und Auslassverteiler zum Leiten
der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle zu und von
mehreren Anoden und Kathoden bilden. Die Bipolarplatten können
auch ein Strömungsverteilungsfeld und ein Einlass-Sammelrohr
sowie ein Auslass-Sammelrohr für die Verteilung eines flüssigen Kühlmittels
umfassen.
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Aus
dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzellensysteme können
Wasserstoffrückführungssysteme zum Verringern
der aus dem Brennstoffzellenstapel abgelassenen Wasserstoffmenge
verwenden. Das Verringern des Wasserstoffgehalts des Abgases ist
vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit her erwünscht, da
der Wasserstoff immer noch in der Brennstoffzelle als gasförmiger
Reaktand verwendet werden kann. Eine Verringerung der Wasserstoffemissionen
ist auch aus Umweltgründen erwünscht.
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Von
Barbir et al. wird in
U.S. Patent
Nr. 6,994,929 über ein System berichtet, das einen
elektrochemischen Wasserstoffverdichter umfasst, der Wasserstoff
elektrochemisch von Nebenprodukten abscheidet und das Wasserstoffgas
zu der Brennstoffzelle zurückführt. Ferner ist
ein Anodenrückführungssystem bekannt, über
das von Yang et al. in
U.S. Patent
Nr. 6,999,610 berichtet wird und das eine Pumpe zum Ablassen
von überschüssigem Wasserstoff aus der Brennstoffzelle
und zurück in die Rohrleitungen einer Wasserstoffzufuhr
zum Mischen mit frischem Wasserstoff umfasst.
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Typischerweise
läuft die Wasserstoffrückführung ab,
bis sich überschüssige nichtreaktive oder inerte
Gase, z. B. Stickstoff, auf einen unerwünschten Wert ansammeln.
Bei einem vorgegebenen Wert können die Inertgase die Konzentration
der gasförmigen Reaktionen auf einen Punkt beschränken,
bei dem es zu Reaktandenmangel der Brennstoffzelle kommen kann.
Stickstoffgas kann sich zum Beispiel durch Durchtritt zur Anode
von der Kathode, wo Luft als Oxidans verwendet wird, sammeln. Herkömmliche
Wasserstoffrückführungssysteme können
ein Entlüftungsventil umfassen, das die rücklaufenden Anodengase
freisetzt, bevor unerwünschte Stickstoffwerte erreicht
werden.
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Weiterhin
ist es bekannt, dass bei und während Einschaltens und Abschaltens
der Zelle das Vorhandensein von Luft an der Kathode verbunden mit
einer Wasserstoff-Luft-Front an der Anode unterwünschte
Potentiale erzeugen kann. Das Vorhandensein von Luft an der Kathode
kann zum Beispiel bei Einschalten oder Abschalten zu einem hohen
Potential an der Kathode führen. Dies ermöglicht
eine Oxidation von Kohlenstoff und führt zu einer Leistungsverschlechterung.
Insbesondere ist die Korrosion von Elektroden, die einen Kohlenstoffträger
aufweisen, wobei Oberflä chenoxide, CO und CO2 gebildet
werden, ein Problem. Kumulativ sind diese Phänomene als „Start-Stopp-Degradation"
der Brennstoffzelle bekannt.
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U.S. Patent Nr. 6,939,633 für
Goebel berichtet, dass Start-Stopp-Degradation in Brennstoffzellensystemen
durch Rückführen der Kathodengase mit Ablasswasserstoff
durch die Kathode gehemmt werden kann. Das Rückführen
der Kathodengase führt zu einer Reaktion zwischen restlichem
Sauerstoff in den rückgeführten Gasen, bis im
Wesentlichen der gesamte Sauerstoff reagiert hat, was eine im Wesentlichen
sauerstofffreie, überwiegend stickstoffhaltige Verbindung
in der Kathode zurücklässt. Ferner wird in
U.S. Patent Nr. 6,635,370 für
Condit et al. offenbart, dass Inertgase, z. B. Stickstoff, unmittelbar
bei Einschalten oder Abschalten der Zelle zum Spülen der
Anoden- und Kathodenströmungsfelder verwendet werden können.
Das Spülen passiviert die Elektroden, um eine Zellenleistungsverschlechterung zu
minimieren. Solche Systeme wirken einer Start-Stopp-Degradation
entgegen, was auch als Start-Stopp-Minderung bekannt ist, indem
die Bildung unerwünschter Spannungspotentiale gehemmt wird,
die andernfalls die Brennstoffzellenkatalysatoren oder Katalysatorträger
beschädigen könnten.
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Weiterhin
ist es bekannt, dass Membranen in einer Brennstoffzelle eine bestimmte
relative Feuchte aufweisen müssen, um über der
Membran einen Innenwiderstand innerhalb eines Sollbereichs zum effektiven
Leiten von Protonen aufrechtzuerhalten. Wenn allgemein die Feuchte
zu niedrig ist, wird die PEM dehydriert und lässt den Protonenwiderstand der
Brennstoffzelle steigen, während die elektrische Spannung
sinkt. Dies kann zu einer Verkürzung der erwarteten Lebensdauer
der Brennstoffzelle führen. Wenn dagegen die Feuchte zu
hoch ist, können die Strömungskanäle
durch sich sammelndes Wasser in einem als „Stagnation"
bekannten Phänomen blockiert werden. Wasserstagnation kann
das Strömen der gasför migen Reaktanden hemmen
oder verhindern und die Leistung der Brennstoffzelle ernsthaft beeinträchtigen.
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Es
besteht ungebrochener Bedarf, gesammelte Inertgase abzulassen und
die Start-Stopp-Degradation von Brennstoffzellenstapeln zu minimieren, ohne
dass die Verwendung von herkömmlichen Tanks, Pumpen, Ventilen
und ähnlichen Komponenten erforderlich wird, die allesamt
das Gewicht, das Volumen oder die Komplexität des Brennstoffzellensystems
beeinträchtigen. Wünschenswerterweise umfasst
das Verfahren eine Möglichkeit zum Befeuchten der gasförmigen
Reaktanden, insbesondere des Wasserstoffgases, das den Anodenschichten des
Brennstoffzellenstapels zugeführt wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Übereinstimmend
mit der vorliegenden Offenbarung wurde überraschenderweise
ein Brennstoffzellensystem entdeckt, das sich sammelnde Inertgase
ablässt, einer Start-Stopp-Degradation einer Brennstoffzelle
entgegenwirkt, einen Wasserstoffzulaufstrom befeuchtet und das Gewicht
und Volumen des Systems optimiert.
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In
einer Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem mit
einem Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der eine Brennstoffzelle
mit einer Anode und einer Kathode umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel
weiterhin einen Anodenauslass und einen Anodeneinlass sowie eine
Kathode umfasst. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Wasserstoffpumpe,
die mit dem Anodenauslass und dem Anodeneinlass in Verbindung steht,
wobei die Wasserstoffpumpe eine Protonenaustauschmembran umfasst.
Die Protonenaustauschmembran ist zwischen einer ersten Elektrode
und einer zweiten Elektrode angeordnet, die mit einer Stromquelle
in elektrischer Verbindung stehen. Die erste Elektrode ist so ausgelegt,
dass sie einen Anodenauslassstrom mit einem Wasserstoffgas und einem
Inertgas von dem Anodenauslass aufnimmt, und die zweite Elektrode
ist so ausgelegt, dass sie mindestens einen Teil des Wasserstoffgases
zu dem Anodeneinlass liefert. Die erste Elektrode ist auch so ausgelegt,
dass sie das Inertgas ablässt.
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In
einer zusätzlichen Ausführungsform ist ein Brennstoffzellensystem
vorgesehen, welches umfasst: den Brennstoffzellenstapel, einen zum
Erzeugen eines Reformatstroms aus einer Kohlenwasserstoffquelle
ausgelegten Brennstoffprozessor, wobei der Reformatstrom ein Wasserstoffgas
und ein Kohlenmonoxidgas umfasst, eine Einrichtung für
selektive Oxidation, die mit dem Brennstoffprozessor in Verbindung
steht und zum Oxidieren des Kohlenmonoxidgases und Bilden eines
Kohlendioxidgases ausgelegt ist, und die Wasserstoffpumpe, die mit
der Einrichtung für selektive Oxidation in Verbindung steht. Die
Wasserstoffpumpe ist dafür ausgelegt, das Wasserstoffgas
und das Kohlendioxidgas von der Einheit für selektive Oxidation
aufzunehmen und abzuscheiden. Die Wasserstoffpumpe ist weiter dafür
ausgelegt, dem Brennstoffzellenstapel das Wasserstoffgas zuzuführen.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben
eines Brennstoffzellensystems beschrieben und dieses umfasst zunächst
das Einleiten eines Anodenauslassstroms von einem Brennstoffzellenstapel
zu der Wasserstoffpumpe, wobei der Anodenauslassstrom ein Wasserstoffgas und
ein Inertgas umfasst. Zweitens wird ein Potential über
der Protonenaustauschmembran der Wasserstoffpumpe angelegt, und
mindestens ein Teil des Inertgases wird von dem Anodenauslassstrom
abgeschieden. Dritten wird ein Kathodeneinlassstrom, der das Inertgas
um fasst, dem Brennstoffzellenstapel während einer Einschaltphase
und/oder einer Abschaltphase des Brennstoffzellenstapels zugeführt.
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Es
wird ein zusätzliches Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
vorgesehen, das das Einleiten des Anodenauslassstroms von dem Brennstoffzellenstapel
zu der Wasserstoffpumpe, das Anlegen eines Potentials über
der Protonenaustauschmembran der Wasserstoffpumpe, das Abscheiden
mindestens eines Teils des Wasserstoffgases von dem Anodenauslassstrom
und das Befeuchten eines Wasserstoffzulaufstroms von zum Beispiel einer
Wasserstoffspeichervorrichtung umfasst. Das Verfahren umfasst weiterhin
das Zuführen eines Anodeneinlassstroms, der den befeuchteten
Wasserstoffzulaufstrom umfasst, zu dem Brennstoffzellenstapel.
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Ein
weiteres Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfasst
das Einleiten eines Reformatstroms von einem Brennstoffprozessor
zu einer Einrichtung für selektive Oxidation, wobei der Reformatstrom
ein Wasserstoffgas und ein Kohlenmonoxidgas umfasst, das Oxidieren
des Kohlenmonoxidgases zum Bilden eines Kohlendioxidgases, das Liefern
des Wasserstoffgases und des Kohlendioxidgases zu einer Wasserstoffpumpe,
das Anlegen eines Potentials über der Protonenaustauschmembran,
das Abscheiden mindestens eines Teils des Wasserstoffgases von dem
Kohlendioxidgas und das Zuführen des Wasserstoffgases zu
dem Brennstoffzellenstapel.
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Zeichnungen
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Die
vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung
gehen für den Fachmann anhand der folgenden eingehenden
Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die nachstehend
beschriebenen Zeichnungen, problemlos hervor.
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1 zeigt
eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels
(nur zwei Zellen dargestellt);
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2 ist
ein schematisches Flussdiagramm, das eine Wasserstoffpumpe nach
einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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3 ist
ein schematisches Flussdiagramm, das die Wasserstoffpumpe von 2 zeigt,
wobei es weiterhin eine Beziehung zu einem Kathodeneinlass des PEM-Brennstoffzellenstapels
darstellt;
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4 ist
ein schematisches Flussdiagramm, das die Wasserstoffpumpe von 2 zeigt,
wobei es weiterhin eine Beziehung zu einer Wasserstoffspeichervorrichtung
darstellt; und
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5 ist
ein schematisches Flussdiagramm, das die Wasserstoffpumpe in Verbindung
mit einem Reformatsystem stehend zeigt.
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Eingehende Beschreibung der
Erfindung
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Die
folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll
nicht die vorliegende Offenbarung, ihren Anwendung oder Gebrauchsmöglichkeiten
beschränken. Es versteht sich auch, dass in den gesamten
Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende
Teile und Merkmale anzeigen. Bezüglich der offenbarten
Verfahren sind die dargelegten Schritte beispielhafter Natur und sind
somit nicht erforderlich oder ausschlaggebend.
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Der
Einfachheit halber wird hier nachstehend nur ein Zweizellenstapel
(d. h. eine Bipolarplatte) dargestellt und beschrieben, wobei sich
versteht, dass ein typischer Stapel viele weitere dieser Zellen
und Bipolarplatten aufweist. Ferner ist aus Gründen der Einfachheit
halber hier nachstehend nur ein einziger Brennstoffzellenstapel
(d. h. eine in Reihe verbundene Anzahl an Brennstoffzellen) veranschaulicht
und beschrieben. Ein Durchschnittsfachmann sollte ferner verstehen,
dass innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung mehr
als ein Brennstoffzellenstapel, z. B. ein Doppelstapelsystem, verwendet
werden kann.
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1 zeigt
einen aus zwei Zellen bestehenden bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit
einem Paar MEAs 4, 6, die durch eine elektrisch
leitende Bipolarplatte 8 voneinander getrennt sind. Die MEAs 4, 6 und
die Bipolarplatte 8 sind zwischen Klemmplatten 10, 12 und
einem Paar unipolarer Endplatten 14, 16 miteinander
gestapelt. Die Klemmplatten 10, 12 sind von den
Endplatten 14, 16 durch eine Dichtung oder eine
dielektrische Beschichtung (nicht dargestellt) elektrisch isoliert.
Die unipolaren Endplatten 14, 16 sowie beide Arbeitsseiten
der Bipolarplatte 8 umfassen mehrere Rillen oder Kanäle 18, 20, 22, 24,
die ein Strömungsfeld zum Verteilen von Brennstoff und
Oxidansgasen (d. h. H2 & O2/Luft) über
die Seiten der MEAs 4, 6 ausbilden. Nicht leitende
Dichtungen 26, 28, 30, 32 sehen
Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den mehreren
Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige
Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40,
z. B. Kohlenstoff/Graphitdiffusionspapiere, liegen an einer Anodenseite
und einer Kathodenseite der MEAs 4, 6 an. Die
Endplatten 14, 16 liegen jeweils an den Diffusionsmedien 34, 40 an,
während die Bipolarplatte 8 an dem Diffusi onsmedium 36 an
der Anodenseite der MEA 4 anliegt und an dem Diffusionsmedium 38 an
der Kathodenseite der MEA 6 anliegt.
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Dem
Luftzufuhrverteiler 72 des Brennstoffzellenstapels 2 wird
mittels einer Kathodeneinlassleitung 82 ein Oxidansgas
zugeführt. Einem Wasserstoffzufuhrverteiler 76 wird
mittels einer Anodeneinlassleitung 80 ein Wasserstoffgas
zugeführt. Ferner sind eine Anodenauslassleitung 84 und
eine Kathodenauslassleitung 86 für den H2- bzw. die Luftablassverteiler vorgesehen.
Eine Kühlmitteleinlassleitung 88 und eine Kühlmittelauslassleitung 90 sind
zum Zuführen flüssigen Kühlmittels zu
und Abführen von einem Kühlmitteleinlassverteiler 75 und
einem Kühlmittelauslassverteiler 77 vorgesehen.
Es versteht sich, dass die Auslegungen der verschiedenen Einlässe 80, 82, 88 und
der Auslässe 84, 86, 90 in 1 bis 4 dem
Zweck der Veranschaulichung dienen und nach Bedarf andere Auslegungen
gewählt werden können.
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Unter
Bezug nun auf 2 wird ein Schemabild einer
Wasserstoffpumpe 200 nach der vorliegenden Offenbarung
vorgesehen. Es versteht sich, dass auch wenn für die Zwecke
der Veranschaulichung eine Wasserstoffpumpe 200 dargestellt
ist, nach Bedarf zusätzliche Wasserstoffpumpen 200 verwendet werden
können. Zum Beispiel können innerhalb des Schutzumfangs
der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Wasserstoffpumpen 200 in
Reihe oder parallel verwendet werden.
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Der
Aufbau und Betrieb der Wasserstoffpumpe 200 sind ähnlich
dem des Brennstoffzellenstapels 2, aber ohne die Einleitung
eines Oxidansgases. Zum Beispiel umfasst die Wasserstoffpumpe 200 eine Wasserstoffpumpe
MEA 202 mit Diffusionsmedien 204, 206 mit
einer dazwischen angeordneten PEM 208. Als nicht einschränkendes
Beispiel umfassen die Diffusionsmedien 204, 206 ein
gasdurchlässiges Material, beispielsweise Kohlen stoff oder
Graphitdiffusionspapier. Ein Durchschnittsfachmann sollte verstehen,
dass als Diffusionsmedien 204, 206 nach Bedarf
andere Materialien verwendet werden können.
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Die
PEM 208 weist eine erste Seite 210 und eine zweite
Seite 212 auf. An der Seite 210 ist eine erste
Elektrode 214 mit einem Katalysator angeordnet. Eine zweite
Elektrode 216 mit dem Katalysator ist auf der Seite 212 angeordnet.
Die erste Elektrode 214 und die zweite Elektrode 216 stehen
mit einer Stromquelle 205 in elektrischer Verbindung. Ein Durchschnittsfachmann
versteht, dass eine Oxidationsreaktion (H2 → 2H+ + 2e–),
bei der ein Wasserstoffgas 224 oxidiert wird, um eine Anzahl
Protonen und eine Anzahl Elektronen zu bilden, an der ersten Elektrode 214 stattfinden
kann. Weiterhin kann eine Reduktionsreaktion (2H+ +
2e– → H2),
bei der das Wasserstoffgas 224 wieder vereint wird, an
der zweiten Elektrode 216 stattfinden.
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Es
versteht sich, dass die ersten und zweiten Elektroden 214, 216 eine
niedrigere Beladung des Katalysators haben können, als
typischerweise bei einer Brennstoffzelle erforderlich sein kann,
bei der Oxidansgase genutzt werden, da sowohl die Oxidations- als
auch die Reduktionsreaktion in der Wasserstoffpumpe 200 Wasserstoffreaktionen
mit sich bringen. In bestimmten Ausführungsformen umfassen die
ersten und zweiten Elektroden 214, 216 den Katalysator
in einer Menge unter etwa 0,1 mg/cm2. In
einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung liegt die
Katalysatorbeladung bei etwa 0,05 mg/cm2.
In einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung liegt die
Katalysatorbeladung bei etwa 0,01 mg/cm2.
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Die
Wasserstoffpumpe 200 umfasst weiterhin leitende Endplatten 218, 220,
die angrenzend an die Diffusionsmedien 204, 206 angeordnet
sind. Die leitenden Endplatten 218, 220 weisen
jeweils ein (nicht dargestelltes) Strömungsfeld auf, das
darauf für Gasverteilung ausgebildet ist. Analog zu den
Endplatten 14, 16 des Brennstoffzellenstapels 2 können die
in den leitenden Endplatten 218, 220 der Wasserstoffpumpe 200 ausgebildeten
Strömungsfelder ein oder mehrere Rillen oder Strömungskanäle
(nicht gezeigt) umfassen, um eine Verteilung von gasförmigen Reaktanden
zu erleichtern.
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Die
Wasserstoffpumpe 200 steht mit dem Anodeneinlass 80 und
dem Anodenauslass 84 des Brennstoffzellenstapels 2 in
Verbindung. Die erste Elektrode 214 der Wasserstoffpumpe 200 ist
dafür ausgelegt, einen Anodenauslassstrom 222 von
dem Anodenauslass 84 aufzunehmen. Der Anodenauslassstrom
kann zum Beispiel ein Wasserstoffgas 224 und ein oder mehrere
von: einem Inertgas 226 wie Stickstoffgas und einem Kohlendioxidgas
umfassen. Der Anodenauslassstrom 222 kann auch Wasser umfassen.
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Die
erste Elektrode 214 ist dafür ausgelegt, mindestens
einen Teil des Inertgases 226 aus dem Brennstoffzellensystem
abzulassen. Typischerweise wird das Inertgas 226 an die
Atmosphäre außerhalb der Wasserstoffpumpe 200 abgelassen.
In einer anderen Ausführungsform kann das Wasserstoffgas 224 von
der zweiten Elektrode 216 mit dem Kathodenauslassstrom 86 vereint
und abgelassen werden. Die zweite Elektrode 216 ist dafür
ausgelegt, mindestens einen Teil des Wasserstoffgases 224,
der von dem Anodenauslassstrom 222 geliefert wird, dem Anodeneinlass 80 zu
liefern, wobei das Wasserstoffgas 224 als Brennstoff für
den Brennstoffzellenstapel 2 verwendet werden kann. In
einer weiteren Ausführungsform wird mindestens ein Teil
des Wasserstoffgases 224, der von dem Inertgas 226 abgeschieden wird,
durch die Wasserstoffpumpe 200 verdichtet und zur Zufuhr
zu dem Anodeneinlass 80 gespeichert. Als nicht einschränkendes
Beispiel wird das abgeschiedene Wasserstoffgas 224 auf
einen Druck von mindestens etwa 100 bar verdichtet und wird in einem Puffer-
oder Hochdruckgefäß (in 5 gezeigt)
gespeichert.
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Die
erste Elektrode 214 und die zweite Elektrode 216 stehen
mit einer Stromquelle 205 in elektrischer Verbindung. Die
Stromquelle 205 ist typischerweise eine Gleichstromquelle.
Zum Beispiel kann die Stromquelle 205 eine Batterie umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stromquelle ein
regeneratives Energiesystem eines Fahrzeugs, zum Beispiel ein regeneratives
Bremssystem, das kinetische Energie während eines Fahrzeugbremsvorgangs
wiedergewinnt und die Energie elektrisch speichert. In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Stromquelle 205 den
Brennstoffzellenstapel 2. In einer weiteren Ausführungsform dient
die Wasserstoffpumpe 200 als unabhängig gesteuerte
Last für den Brennstoffzellenstapel 2. Als unabhängig
gesteuerte Last ist die Wasserstoffpumpe 200 nicht als
Teil des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet (d. h. ein
oder mehrere Wasserstoffpumpen 200 sind nicht unregelmäßig
als Zellen im gesamten Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet.
Vielmehr versteht sich, dass die als unabhängig gesteuerte
Last dienende Wasserstoffpumpe 200 nicht in direktem elektrischen
Kontakt mit den einzelnen Brennstoffzellen steht und stattdessen
eine Last für den Brennstoffzellenstapel 2 als
Ganzes bildet. Zum Beispiel ist die Wasserstoffpumpe 200 stromabwärts der
Anodenauslassleitung 84 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet.
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Der
Gleichstrom von der Stromquelle 205 kann über
der Protonenaustauschmembran 208 angelegt werden, um Protonen
dadurch zu „pumpen". In bestimmten Ausführungsformen
oxidiert das in dem Anodenauslassstrom 222 vorhandene Wasserstoffgas 224 an
der ersten Elektrode 214 bei Anlegen des elektrischen Stroms über
der Protonenaustauschmembran 208. Die Oxidation lässt
Wasserstoffionen (Protonen) durch die Membran 208 von der ersten
Elektrode 214 zur zweiten Elektrode 216 treten,
während die Elektronen durch die Stromquelle 205 zu
der zweiten Elektrode 216 gelangen. An der zweiten Elektrode 216 vereinen
sich die durch die Protonenaustauschmembran 208 transportierten Wasserstoffionen
wieder mit den Elektronen, um das Wasserstoffgas 224 neu
zu bilden. Wasser und die Inertgase 226, einschließlich
Stickstoffgas, können mittels einer (nicht dargestellten)
Ablassleitung aus der ersten Elektrode 214 abgelassen werden.
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Unter
Bezug auf 3 und 4 werden weitere
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ähnliche
Strukturen, die aus 1 wiederholt werden, weisen
die gleichen Bezugszeichen entweder eingestrichen ('), doppelt eingestrichen
('') oder dreifach eingestrichen (''') auf.
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Wie
in 3 dargestellt steht die Wasserstoffpumpe 200' mit
dem Kathodeneinlass 82' in Verbindung. In einer veranschaulichenden
Ausführungsform ist die Wasserstoffpumpe 200' dafür
ausgelegt, während einer Einschaltphase und/oder einer
Abschaltphase des Brennstoffzellenstapels 2' mindestens
einen Teil des Inertgases 226' von dem Anodenauslassstrom 222' zu
dem Kathodeneinlass 82' zuzuführen. In bestimmten
Ausführungsformen steht die erste Elektrode 214' mit
dem Kathodeneinlass 82' in Verbindung und ist dafür
ausgelegt, das von dem Anodenauslassstrom 222' abgeschiedene
Inertgas 226' für die Einschaltphase und/oder
die Abschaltphase als Schutzgashülle zur Kathode 82' des
Brennstoffzellenstapels 2' zu liefern.
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Der
Begriff Einschaltphase, wie er hierin verwendet wird, ist so definiert,
dass er einen Zeitraum umfasst, während dessen der Brennstoffzellenstapel 2' aktiviert
oder gestartet wird. Die Aktivierung kann zum Beispiel das Einleiten
von gasförmigen Reaktanden zum Brennstoffzellenstapel 2' sowie einen kurzen
Zeitraum vor und nach dem Einleiten der gasförmigen Reaktanden
zu dem Brennstoffzellenstapel 2' umfassen. Analog ist der
Begriff Abschaltphase so definiert, dass er einen Zeitraum umfasst,
während dessen der Brennstoffzellenstapel 2' deaktiviert
ist. Die Deaktivierung kann zum Beispiel das Unterbrechen des Einleitens
von gasförmigen Reaktanden zum Brennstoffzellenstapel 2' sowie
einen kurzen Zeitraum vor und nach der Unterbrechung umfassen. Ferner
ist eine Betriebsphase, in der zum Beispiel gasförmige
Reaktanden zugeführt werden und/oder eine Last an dem Brennstoffzellenstapel 2' angelegt wird,
zeitlich zwischen der Einschaltphase und der Abschaltphase angeordnet.
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In
einer Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem
mindestens ein Ventil 300, das zwischen der ersten Elektrode 214' und
dem Kathodeneinlass 82' angeordnet ist. Wie gezeigt ist
das Ventil 300 ein Dreiwegeventil, wenngleich andere Ventilarten
oder Ventilkombinationen nach Bedarf verwendet werden können.
Das Ventil 300 ist dafür ausgelegt, das Inertgas 226' während
der Einschaltphase und/oder der Abschaltphase des Brennstoffzellenstapels 2' zu
dem Kathodeneinlass 82' zu liefern. Weiterhin ist das Ventil 300 dafür
ausgelegt, das Inertgas 226' während der Betriebsphase
abzulassen. Dadurch wird das Inertgas 226' nur den Kathoden
des Brennstoffzellenstapels 2' zugeführt, wenn das
Vorhandensein des Inertgases 226' dazu dienen soll, eine
Einschalt-Degradation zu hemmen. Es versteht sich, dass auch andere
Verfahren zum Zuführen des Inertgases 226' zu
dem Kathodeneinlass 82' verwendet werden können.
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Es
versteht sich, dass die Wasserstoffpumpe 200' der vorliegenden
Erfindung dazu genutzt werden kann, einer Start-Stopp-Degradation
des Brennstoffzellenstapels 2' entgegenzuwirken. Ein solches Verfahren
umfasst das Einleiten des Anodenauslassstroms 222' von
dem Brennstoffzellenstapel 2' zu der Wasserstoffpumpe 200',
wobei der Anodenauslassstrom das Wasserstoffgas 224' und
das Inertgas 226' umfasst. Über der Protonenaustauschmembran 208' der
Wasserstoffpumpe 200' wird ein Potential zum Beispiel von
einer Batterie oder dem Brennstoffzellenstapel 2' angelegt.
Infolge des angelegten Potentials wird mindestens ein Teil des Inertgases 226' von dem
Anodenauslassstrom 222' abgeschieden. Insbesondere wird
das Wasserstoffgas 224' in dem Anodenauslassstrom 222' oxidiert
und von dem Anodenauslassstrom 222' abgeführt,
um das Inertgas 226' als Rest zurückzulassen.
Dann wird das Inertgas 226' während der Einschaltphase
und/oder der Abschaltphase dem Kathodeneinlass 82' des
Brennstoffzellenstapels 2' zugeführt. Das Inertgas 226' bedeckt
oder umhüllt die Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2',
wobei es vorhandene Luft oder Sauerstoff verdrängt und
einer Start-Stopp-Degradation entgegenwirkt. Die Degradation kann
zum Beispiel eine oxidative Korrosion der Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2' umfassen.
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Wenn
sich der Brennstoffzellenstapel 2' aber in einer Betriebsphase
befindet, wird das Inertgas 226' an die Atmosphäre
außerhalb des Brennstoffzellenstapels 2' und der
Wasserstoffpumpe 200' abgelassen. Typischerweise ist ein
Wasserstoffgehalt des Inertgases 226' niedriger als etwa
4% oder die untere Explosionsgrenze. In bestimmten Ausführungsformen
ist der Wasserstoffgehalt des Inertgases 226' niedriger
als etwa 1%. In einer veranschaulichenden Ausführungsform
ist der Wasserstoffgehalt des Inertgases 226', das aus
der Wasserstoffpumpe 200' abgelassen wird, niedriger als
etwa 0,5%.
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Wie
in 4 ersichtlich ist, steht die Wasserstoffpumpe 200' der
vorliegenden Offenbarung mit einer Wasserstoffspeichervorrichtung 400 in
Verbindung. Ein nicht einschränkendes Beispiel einer geeigneten
Wasserstoffspeichervorrichtung 400 umfasst einen Wasserstofftank,
beispielsweise ein Druckgefäß des Typs IV. Ein
Durchschnittsfachmann sollte wissen, dass auch andere Vorrichtungen
zum Speichern von Wasserstoff verwendet werden können.
Solche alternative Vorrichtungen können zum Beispiel Metallhydrid-Speichervorrichtungen,
Vorrichtungen auf Glasmikrosphärenbasis, metallorganische
Gerüstvorrichtungen und nanoröhrenbasierte Vorrichtungen
umfassen.
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In
einer bestimmten Ausführungsform steht die Wasserstoffspeichervorrichtung 400 mit
der zweiten Elektrode 216'' der Wasserstoffpumpe 200'' in Verbindung.
Die Wasserstoffspeichervorrichtung 400 ist dafür
ausgelegt, einen Wasserstoffzulaufstrom 402 zu der zweiten
Elektrode 216'' zu liefern. Der Wasserstoffzulaufstrom 402 kann
zu Beispiel ein im Wesentlichen reines Wasserstoffgas umfassen.
Es versteht sich, dass bei Zuführen des Anodenauslassstroms 222'' zu
der ersten Elektrode 214'' Wasser von dem Anodenauslassstrom 222'' über
die Protonenaustauschmembran 208'' zu der zweiten Elektrode 216'' wandern
kann. Das Vorhandensein von Wasser in der zweiten Elektrode 216'' dient
zum zumindest teilweisen Befeuchten des Wasserstoffzulaufstroms 402 von
der Wasserstoffspeichervorrichtung 400. Der befeuchtete
Wasserstoffzulaufstrom 402 kann dem Anodeneinlass 80'' zusätzlich
zu dem wiedervereinten Wasserstoffgas 224'' zugeführt
werden.
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Ein
Verfahren zum Befeuchten eines Wasserstoffzulaufstroms 402 kann
zunächst das Einleiten des Anodenauslassstroms 222'' von
dem Brennstoffzellenstapel 2'' zu der ersten Elektrode 214'' der Wasserstoffpumpe 200'' umfassen.
Zweitens wird über der Protonenaustauschmembran 208'' der
Wasserstoffpumpe 200'' ein Potential angelegt, wodurch zumindest
ein Teil des Wasserstoffgases 224'' von dem Anodenauslassstrom 222'' abgeschieden
wird. Der Teil des Wasserstoffgases 224'' wird oxidiert
und wandert über die Protonenaustauschmembran 208'' zu
der zweiten Elektrode 216''. Zudem wandert auch in dem
Anodenauslassgas 222'' vorhandenes Wasser über
die Protonenaustauschmembran 208'' und ist an der zweiten
Elektrode 216'' vorhanden. Das Wasser dient zum Befeuchten
des Wasserstoffzulaufstroms 402 und des wiedervereinten
Wasserstoffgases 224''. Der befeuchtete Wasserstoffzulaufstrom 402 und
das wiedervereinte Wasserstoffgas 224'' werden vereint,
um einen Anodeneinlassstrom 404 zu bilden. In bestimmten
Ausführungsformen weist der Anodeneinlassstrom 404 eine
relative Feuchte auf, die ein effektives Leiten von Protonen in
dem Brennstoffzellenstapel 2'' fördert.
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Wie
in 5 gezeigt umfasst eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, dass die Wasserstoffpumpe 200''' mit einem
Reformatsystem und einem Brennstoffzellenstapel 2''' in
Verbindung steht. Das Reformat-System umfasst einen Brennstoffprozessor 500 und
eine Einrichtung für selektive Oxidation (PROX) 502.
Geeignete Brennstoffprozessoren 500 sind aus dem Stand
der Technik bekannt und sind dafür ausgelegt, Kohlenwasserstoffe,
beispielsweise Benzin, teilweise zu oxidieren oder zu „reformieren".
Der Brennstoffprozessor 500 ergibt typischerweise ein gasförmiges
Gemisch von Brennstoffgasen (einen „Reformatstrom"), der
Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid (CO) umfasst. Geeignete Einrichtungen
für selektive Oxidation 502 sind ebenfalls aus
dem Stand der Technik bekannt und dafür ausgelegt, Kohlenmonoxid
aus dem gasförmigen Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid
zu entfernen. Einrichtungen für selektive Oxidation 502 können zum
Beispiel eine katalytische Oxidation des Kohlenmonoxids auslösen
und ferner ein inertes Kohlendioxidgas 226''' ergeben.
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In
einer veranschaulichenden Ausführungsform ist die Wasserstoffpumpe 200''' dafür
ausgelegt, einen Reformatstrom 504 aus der Einrichtung
für selektive Oxidation 502 aufzunehmen, wobei
der Reformatstrom 504 ein Gemisch aus dem Wasserstoffgas 224''' und
einem inerten Kohlendioxidgas 226''' aufweist. Die Wasserstoffpumpe 200''' ist
weiterhin dafür ausge legt, das Wasserstoffgas 224''' wie
hierin beschrieben zu extrahieren, wobei sie das Wasserstoffgas 224''' von
dem Kohlendioxidgas 226''' abscheidet. In bestimmten Ausführungsformen
wird das abgeschiedene Wasserstoffgas 224''' in einem Puffer- oder
Hochdruckgefäß 506 gespeichert. Das Hochdruckgefäß 506 steht
mit der Wasserstoffpumpe 200'' und dem Brennstoffzellenstapel 2''' in
Verbindung. In einer Ausführungsform ist das Hochdruckgefäß 506 auch
die Wasserstoffspeichervorrichtung 400. Geeignete Hochdruckgefäße 506 sind
aus dem Stand der Technik bekannt und können nach Bedarf gewählt
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist das Hochdruckgefäß 506 dafür
ausgelegt, das gespeicherte Wasserstoffgas 224''' während
eines Kaltstarts des Brennstoffzellenstapels 2''' zuzuführen. Zum
Beispiel kann das Hochdruckgefäß 506 eine ausreichende
Menge an Wasserstoffgas 224''' von der Wasserstoffpumpe 200''' speichern,
um den Brennstoffzellenstapel 2''' Energie für
zumindest die Einschaltphase erzeugen zu lassen. Zur Veranschaulichung
ist das Hochdruckgefäß 506 dafür
ausgelegt, eine ausreichende Menge des Wasserstoffgases 224''' zu
speichern, um den Brennstoffzellenstapel 2''' für
einen Zeitraum zu versorgen, bis der Brennstoffprozessor 500 eine
ausreichende Menge an Wasserstoffgas 224''' erzeugt hat
und den Brennstoffzellenstapel 2''' unabhängig
versorgen kann. Als nicht einschränkendes Beispiel weist
das Hochdruckgefäß 506 ein Volumen von
etwa 10 Liter auf. In einem weiteren nicht einschränkenden
Beispiel kann das Hochdruckgefäß 506 eine
ausreichende Menge des Wasserstoffgases 224''' liefern,
um etwa 120 kW Leistung während in etwa den ersten zwei
Minuten des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 2''' zu
erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betreiben
des Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst zuerst den Schritt des
Einleitens eines Reformatstroms von dem Brennstoffprozessor 500 zu
einer Einrichtung für selektive Oxidation 502.
Der Reformatstrom umfasst das Wasserstoffgas 224''' und
das Kohlenmonoxidgas. Das Kohlenmonoxidgas wird dann oxidiert, um das
inerte Kohlendioxidgas 226''' zu bilden. Das Gemisch aus
Wasserstoffgas 224''' und dem inerten Kohlendioxidgas 226''' wird
der Wasserstoffpumpe 200''' gemäß der
vorliegenden Offenbarung zugeführt. Wenn an der Wasserstoffpumpe 200''' ein
elektrisches Potential angelegt wird, wird mindestens ein Teil des
Wasserstoffgases 224''' zur Zufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 2''' abgeschieden.
In einer bestimmten Ausführungsform wird das Wasserstoffgas 224''' zeitweilig
in dem Druckgefäß 506 gespeichert, bevor
es dem Brennstoffzellenstapel 2''' zum Beispiel während
der Einschaltphase für den Brennstoffzellstapel 2''' zugeführt
wird.
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Es
versteht sich, dass die zum Betreiben der Wasserstoffpumpe 200 erforderliche
Energie niedriger als eine Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels
sein kann, wenn die Wasserstoffpumpe 200 der vorliegenden
Erfindung eine Last an dem Brennstoffzellenstapel 2 ist.
Der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wird weiter optimiert,
zum Beispiel durch Betreiben der Wasserstoffpumpe 200 mit
einer Ausgangsleistung der Batterie oder des regenerativen Energiesystems
des Fahrzeugs.
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Es
wurde überraschend entdeckt, dass bei einer Rückführungsrate
von 5% oder weniger die zum Betreiben der Wasserstoffpumpe 200 auf
bis zu 1,2 A/cm2 in einem System mit 80
kW bis 100 kW unter etwa 500 W liegt. Die Rückführungsrate
ist als Strömrate des Wasserstoffs in dem Anodeneinlassstrom
dividiert durch eine Wasserstoffströmrate aus einer Wasserstoffspeichervorrichtung
minus eins definiert. Wenn die Rückführungsrate
5% oder weniger beträgt, kann der Wasserstoffgehalt des
Inertgases 226 von etwa 0,1 bis etwa 0,5 Volumenprozent
liegen. Es versteht sich, dass andere Rückführungsraten
verwendet werden können, beispielsweise zum Optimieren
der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 2 im Verhältnis
zu der von der Wasserstoffpumpe 200 verbrauchten Energie.
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Die
Wasserstoffpumpe 200 der vorliegenden Offenbarung sieht
ein Mittel vor, um einer Start-Stopp-Degradation entgegenzuwirken.
Weiterhin sieht die Wasserstoffpumpe 200 eine Möglichkeit zum
bedarfsweisen Befeuchten des Wasserstoffzulaufstroms 402 für
einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 vor.
Es versteht sich, dass die Wasserstoffpumpe der vorliegenden Erfindung
standardmäßige Umwälzpumpen, Entlüftungsventile,
katalytische Brenner und andere Komponenten ersetzt, wodurch die
Masse und das Volumen des Brennstoffzellensystems optimiert werden.
Da insbesondere die Wasserstoffpumpe 200 das Wasserstoffgas 224 von
dem Inertgas 226 abscheidet (einschließlich Stickstoffgas),
sammeln sich die Inertgase 226 nicht in dem Brennstoffzellenstapel 2,
was ein Entlüftungsventil zum Abführen erfordern
würde. Mit einer optimierten Masse und einem optimierten
Volumen wird auch die Brennstoffwirtschaftlichkeit mit Verwendung
der erfindungsgemäßen Wasserstoffpumpe 200 optimiert.
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Da
die Wasserstoffpumpe 200 das Wasserstoffgas 224 entfernt,
ist ein katalytischer Brenner, der typischerweise zum Verbrennen
des restlichen Wasserstoffgases verwendet wird, das aus dem Brennstoffzellenstapel 2 abgelassen
wird, nicht erforderlich. Dies optimiert eine Wärmelast
an dem Brennstoffzellensystem weiter, die andernfalls durch Verbrennen
des überschüssigen Wasserstoffgases 224 erzeugt
wird.
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Während
zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung bestimmte charakteristische
Ausführungsformen und Einzelheiten gezeigt wurden, versteht
sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen
vorge nommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung
abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen
weiter beschrieben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6994929 [0006]
- - US 6999610 [0006]
- - US 6939633 [0009]
- - US 6635370 [0009]