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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem mit einem Anodenwasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltbewusste Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene weitere Anwendungen vorgeschlagen. Im Speziellen wurde die Brennstoffzelle als eine mögliche Alternative für den traditionellen Verbrennungsmotor erkannt, der in modernen Fahrzeugen verwendet wird. Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran (PEM) -Brennstoffzelle bekannt. Einzelne Brennstoffzellen können in Serie zusammen gestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreicht, um eine Leistung für ein Fahrzeug bereitzustellen.
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in der Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode zerlegt, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch gelangen und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Wasserstoff, und etwas Wasserstoff wird als ein Anodenabgas abgegeben, das Wasser und Stickstoff enthalten kann. Ein Teil des Anodenabgases kann aufbereitet werden, um eine Anodenstöchiometrie ohne Verwendung von überschüssigem Wasserstoff aufrechtzuerhalten.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfassen allgemein eine feste, protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
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Mehrere einzelne Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeugbrennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr Brennstoffzellen umfassen.
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Anodenreaktanden-Aufbereitungssysteme umfassen typischerweise einen Anodenwärmetauscher zum Erwärmen von nicht aufbereitetem Wasserstoff, der mit dem Teil des Anodenabgases gemischt werden soll, einen Wasserstoffinjektor, einen Wasserabscheider und ein Ablaufventil und ein Abgasventil zum Entfernen von Reaktandennebenprodukten wie z. B. Wasser und Stickstoff. Anodenreaktanden-Aufbereitungssysteme erfordern typischerweise die Verwendung des Ablaufventils und des Ablassventils, um die entsprechenden Aufgaben zum Entfernen von Wasser und Stickstoff von dem Brennstoffzellenstapel durchzuführen.
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Es ist notwendig, den nicht aufbereiteten Wasserstoff mithilfe eines Anodenwärmetauschers zu erwärmen, bevor er mit dem aufbereiteten Teil des Anodenabgases gemischt wird, um einer Wasserkondensation entgegenzuwirken. Eine Wasserkondensation findet statt, wenn der nicht aufbereitete Wasserstoff (bei einer Temperatur einer Betriebsumgebung, in der sich das Fahrzeug befindet) mit dem Teil des Anodenabgases gemischt wird (ungefähr 60 °C - 80 °C).
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Überdies kann das Anodenabgas kondensiertes Wasser als ein Ergebnis der elektrochemischen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel oder niedrigerer Temperaturen in dem Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem enthalten. Die Wasserkondensation muss dann mithilfe des Wasserabscheiders und des Ablaufventils entfernt werden, bevor das Gemisch wieder in den Brennstoffzellenstapel eintritt. Typischerweise lenkt das Ablaufventil das Anodenabgas von dem Wasserstoffinjektor um, nachdem das Anodenabgas durch den Wasserabscheider hindurch gelangt ist. Demgemäß wird das Wasser in dem Wasserabscheider aus dem System mit dem Anodenabgas ausgetragen. Eine Wasserkondensation, die nicht aus dem Gemisch entfernt wurde, das in den Brennstoffzellenstapel eintritt, kann ein Aushungern der Zellen durch Hemmen des Reaktandenstromes bewirken.
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Stickstoff kann aus dem Anodenabgas durch Umgehen des Wasserabscheiders und des Injektors entfernt werden. Typischerweise lenkt das Abgasventil das Anodenabgas von dem Wasserabscheider und dem Wasserstoffinjektor zu einem Abgas des Fahrzeuges um. Das Umlenken des Anodenabgases vor dem Wasserabscheider und dem Wasserstoffinjektor minimiert den Verlust von Wasserstoff, während Stickstoff aus dem Anodenabgas entfernt wird.
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Anodenreaktanden-Aufbereitungssysteme sind kostspielig und erhöhen die Kosten eines Fahrzeuges, in dem das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem enthalten ist, und können volumetrisch ineffizient sein, wobei sie häufig beträchtlichen Platz innerhalb einer Endeinheit des Brennstoffzellenstapels benötigen. Die Verwendung von solchen Systemen trägt unerwünschterweise zu der Komplexität beim Entwerfen und Herstellen des Brennstoffzellenstapels bei. Das Hinzufügen des Anodenwärmetauschers erfordert unerwünschterweise auch zusätzliche Komponententeile, um das Erwärmen des nicht aufbereiteten Wasserstoffes zu erleichtern. Des Weiteren fügt die Verwendung von zwei separaten Ventilen (das Ablaufventil und das Abgasventil) dem Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem unerwünschte Kosten und Komplexität zu.
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Es wäre wünschenswert, ein Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem für einen Brennstoffzellenstapel zu produzieren, welches die Notwendigkeit des Anodenwärmetauschers eliminiert, die volumetrische Effizienz des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems erhöht, ein einziges Ventil zum Entfernen von Kondensat und Reaktandennebenprodukten aus dem Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem verwendet und ein oberstromiges Volumen zur Inbetriebnahme-Druckbeaufschlagung bereitstellt.
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Ein herkömmliches Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem mit einem Anodenwasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem ist in der Druckschrift
US 7 192 668 B2 beschrieben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Wie derzeit durch die Erfindung vorgesehen, wurde überraschenderweise ein Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem für einen Brennstoffzellenstapel entdeckt, das die Notwendigkeit des Anodenwärmetauschers eliminiert, die volumetrische Effizienz des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems erhöht, ein einziges Ventil zum Entfernen von Kondensat und Reaktandennebenprodukten aus dem Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem verwendet und ein oberstromiges Volumen zur Inbetriebnahme-Druckbeaufschlagung bereitstellt.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem für einen Brennstoffzellenstapel einen hohlen Hauptkörper mit einem Einlass, einem Rückführauslass und einem Ablaufauslass, wobei der Einlass geeignet ist, ein Fluid aufzunehmen, eine Ablassleitung, die eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Einlass und dem Ablaufauslass bereitstellt, einen Injektor in fluidtechnischer Verbindung mit einer Brennstoffquelle und dem hohlen Hauptkörper, der geeignet ist, einen Brennstoff in den hohlen Hauptkörper einzuspritzen, einen Wasserabscheider, der in dem hohlen Hauptkörper angeordnet und geeignet ist, ein Kondensat aus dem Fluid zu entfernen, und ein hydrophiles poröses Medium in fluidtechnischer Verbindung mit dem Wasserabscheider, das geeignet ist, das Kondensat in dem hohlen Hauptkörper zu sammeln, um dadurch das hydrophile poröse Medium zu hydratisieren und einem Gastransport durch das hydrophile poröse Medium hindurch entgegenzuwirken, wobei ein erster Teil des Fluids aus dem Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem durch die Ablassleitung hindurch ausgetragen wird und ein zweiter Teil des Fluids in den hohlen Hauptkörper eintritt, sich mit dem Brennstoff mischt und durch den Wasserabscheider hindurch gelangt, bevor er das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem durch den Rückführauslass hindurch verlässt. Ferner ist ein Wasserbehälter benachbart zu dem hydrophilen porösen Medium angeordnet und geeignet, das von dem hydrophilen porösen Medium ablaufende Kondensat aufzunehmen. Ein Dochtmaterial erleichtert eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Wasserbehälter und dem hydrophilen porösen Medium.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem für einen Brennstoffzellenstapel einen hohlen Hauptkörper mit einem Einlass, einem Rückführauslass und einem Ablaufauslass, wobei der Einlass geeignet ist, ein Fluid aufzunehmen, eine Ablassleitung, die eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Einlass und dem Ablaufauslass erleichtert, einen Injektor, der in dem hohlen Hauptkörper angeordnet und geeignet ist, einen Brennstoff von einer Brennstoffquelle einzuspritzen, einen Wasserabscheider, der in dem hohlen Hauptkörper angeordnet und geeignet ist, ein Kondensat aus dem Fluid zu entfernen, ein hydrophiles poröses Medium in fluidtechnischer Verbindung mit dem Wasserabscheider, das geeignet ist, das Kondensat in dem hohlen Hauptkörper zu sammeln, um dadurch das hydrophile poröse Medium zu hydratisieren und einem Gastransport durch das hydrophile poröse Medium hindurch entgegenzuwirken, und einen Wasserbehälter, der benachbart zu dem hydrophilen porösen Medium angeordnet und geeignet ist, das Kondensat, das durch das hydrophile poröse Medium hindurch gelangt, aufzunehmen, wobei ein erster Teil des Fluids aus dem Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem durch die Ablassleitung hindurch ausgetragen wird und ein zweiter Teil des Fluids in den hohlen Hauptkörper eintritt, sich mit dem Brennstoff mischt und durch den Wasserabscheider hindurch gelangt, bevor er das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem durch den Rückführauslass hindurch verlässt. Ein Dochtmaterial erleichtert eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Wasserbehälter und dem hydrophilen porösen Medium.
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Figurenliste
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Die oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für einen Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bei Betrachtung im Licht der beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich, in denen:
- 1 ein schematisches Flussdiagramm eines Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems und eines Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik veranschaulicht;
- 2 ein schematisches Flussdiagramm eines Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems und eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform veranschaulicht;
- 3 eine schematische seitliche Querschnittsansicht des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems von 2 veranschaulicht;
- 4 eine schematische seitliche Querschnittsansicht des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
- 5 eine schematische seitliche Querschnittsansicht des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhaft und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder kritisch.
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1 veranschaulicht ein Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem
10 gemäß dem Stand der Technik. Das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem
10 steht über eine Anodenauslassleitung
14 und eine Anodeneinlassleitung
16 in fluidtechnischer Verbindung mit einem Brennstoffzellenstapel (FCS von fuel cell stack)
12. Ein Brennstoff wie z. B. Wasserstoff oder Nebenprodukte (Wasser und Stickstoff) strömen durch die Leitungen
16,
14, wenn sie jeweils in den FCS
12 eintreten oder aus diesem austreten. Das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem
10 umfasst einen Wasserabscheider
18, einen Anodenwärmetauscher
20 und einen Injektor
22. Der Wasserabscheider
18 sammelt flüssiges Wasser innerhalb des Systems
10. Ein Einlass des Wasserabscheiders
18 steht in fluidtechnischer Verbindung mit der Anodenauslassleitung
14 und Auslässe des Wasserabscheiders
18 stehen in fluidtechnischer Verbindung mit einem Ejektor
24 und einer Ablaufleitung
26. Die Anodenauslassleitung
14 steht auch mit einer Ablassleitung
27 in fluidtechnischer Verbindung. Ventile, die in der Ablaufleitung
26 bzw. der Ablassleitung
27 angeordnet sind, lassen zu, dass Wasser und Stickstoffgas aus dem System
10 ausgetragen werden. Der Ejektor
24 ist unterstromig des Injektors
22 angeordnet und steht mit diesem in fluidtechnischer Verbindung. Ein Einlass für den Ejektor
24 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Wasserabscheider
18 und ein Auslass des Ejektors
24 steht in fluidtechnischer Verbindung mit der Anodeneinlassleitung
16. Der Injektor
22 und der Ejektor
24 bilden zusammen eine Strahlpumpe, wobei nicht verwendete Reaktanden und Stickstoff, die den Wasserabscheider
18 verlassen, mit dem Brennstoff gemischt werden, der den Anodenwärmetauscher
20 verlässt. Ein Einlass einer Inbetriebnahmekammer
28 steht in fluidtechnischer Verbindung mit der Anodeneinlassleitung
16 und ein Auslass der Inbetriebnahmekammer
28 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem FCS
12. Die Druckbeaufschlagung der Inbetriebnahmekammer
28 mit Brennstoff in Vorbereitung einer Inbetriebnahme des FCS
12 wirkt einer Korrosion der Elektroden innerhalb einzelner Brennstoffzellen während der Inbetriebnahme entgegen. Ein Verfahren zur Bereitstellung von Kammern zur Inbetriebnahme-Druckbeaufschlagung ist in der Druckschrift
US 2009 / 0 181 268 A1 offenbart. Ein Einlass des Injektors
22 steht in fluidtechnischer Verbindung mit einem Anodenwärmetauscher
20. Ein Einlass des Anodenwärmetauschers
20 steht in fluidtechnischer Verbindung mit einer Brennstoffquelle
30 und ist geeignet, den Brennstoff vor dem Einspritzen in die Anodeneinlassleitung
16 zu erwärmen, um dadurch der Kondensationsbildung beim Einspritzen entgegenzuwirken.
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Das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 10 kann in einer Endeinheit (nicht gezeigt) des FCS 12 angeordnet sein. Die Endeinheit beherbergt Brennstoffzellen-Untersysteme und zugehörige Vorrichtungen, die in einer Vorkonditionierung und einem Betrieb des FCS 12 hilfreich sind. Es ist einzusehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen Komponenten des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems 10 in 1 der Illustration dienen und je nach Wunsch andere Konfigurationen gewählt werden können.
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Die 2 und 3 veranschaulichen ein Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110 gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform. Das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110 steht mit einem Brennstoffzellenstapel (FCS) 112 in Verbindung. Das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110 umfasst eine Aufbereitungsvorrichtung 114 und eine Ablassleitung 116.
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Die Aufbereitungsvorrichtung 114 weist einen hohlen Körper mit einem darin gebildeten Hohlraum 117 auf. Der Hohlraum 117 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem FCS 112. Ein Einlass 118 der Aufbereitungsvorrichtung 114 steht in fluidtechnischer Verbindung mit einer Anodenauslassleitung 120. Ein Versorgungsauslass 122 der Aufbereitungsvorrichtung 114 stellt eine fluidtechnische Verbindung mit einer Anodeneinlassleitung 124 bereit. Ein Ablaufauslass 126 und der Einlass 118 der Aufbereitungsvorrichtung 114 stellen eine fluidtechnische Verbindung mit der Ablassleitung 116 bereit. Die Aufbereitungsvorrichtung 114 kann z. B. aus einem beliebigen herkömmlichen Material wie z. B. einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoffverbund bestehen. Die Aufbereitungsvorrichtung 114 kann separat von weiteren Komponenten gebildet sein oder kann integral innerhalb einer Brennstoffzellenendeinheit 127 des FCS 112 gebildet sein. Wie gezeigt, umfasst die Aufbereitungsvorrichtung 114 einen Injektor 128, einen Ejektor 130, einen Wasserabscheider 132 und ein hydrophiles poröses Medium 134, welches darin angeordnet ist.
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Der Injektor 128 ist ein Brennstoffinjektor, wie im Stand der Technik bekannt, wobei der Injektor 128 eine fluidtechnische Verbindung zwischen einer Brennstoffquelle 136 und dem Hohlraum 117 bereitstellt. Ein gasförmiger Brennstoff 135 von der Brennstoffquelle 136 wird von dem Injektor 128 zu dem Hohlraum 117, im Speziellen zu einem Einlass des Ejektors 130 geliefert.
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Der Ejektor 130 ist zwischen dem Injektor 128 und dem Wasserabscheider 132 angeordnet und umfasst einen Venturidurchgang 138. Der Venturidurchgang 138 weist einen Halsabschnitt mit einem kleineren Durchmesser als ein restlicher Durchgangsabschnitt auf. Es kann z. B. ein beliebiges herkömmliches Material wie z. B. ein Metall, eine Metalllegierung, ein Kunststoff und ein Kunststoffverbund verwendet werden, um den Ejektor 130 zu bilden. Der Ejektor 130 kann integral als ein Teil der Brennstoffzellenendeinheit 127 oder der Aufbereitungsvorrichtung 114 gebildet sein. Es kann z. B. ein beliebiges herkömmliches Mittel wie z. B. Anschrauben oder Kleben verwendet werden, um den Ejektor 130 mit der Aufbereitungsvorrichtung 114 zu koppeln, wenn der Ejektor 130 separat gebildet ist. Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, bildet die Kombination des Injektors 128 und des Ejektors 130 in Reihe eine Strahlpumpe oder eine Absaugvorrichtung.
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Der Wasserabscheider 132 ist in dem Hohlraum 117 des Hauptkörpers 114 zwischen dem Ejektor 130 und dem Versorgungsauslass 122 angeordnet. Die Aufbereitungsvorrichtung 114 kann den Wasserabscheider 132 als integral gebildet umfassen. Alternativ kann der Wasserabscheider 132 separat gebildet und mit der Aufbereitungsvorrichtung 114 z. B. durch ein beliebiges herkömmliches Mittel wie z. B. Anschrauben oder Kleben gekoppelt sein. Es kann z. B. ein beliebiges herkömmliches Material wie z. B. ein Metall, eine Metalllegierung, ein Kunststoff und ein Kunststoffverbund verwendet werden, um den Wasserabscheider 132 zu bilden. Der Wasserabscheider 132 umfasst eine Vielzahl von Wasserauffangmerkmalen. Wie in den 3, 4 und 5 veranschaulicht, umfasst der Wasserabscheider 132 eine Vielzahl von parallelen Prallblechen 140. Es können auch andere Prallblechanordnungen, eine Reihe von Kammern, eine Vielzahl von bidirektionalen Durchgängen, ein Zyklonabscheider oder eine beliebige andere Art von einem Wasserauffangmerkmal als Wasserabscheider 132 verwendet werden.
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Das hydrophile poröse Medium 134 ist abdichtend in dem Ablaufauslass 126 der Aufbereitungsvorrichtung 114 angeordnet. Der Hohlraum 117, die Ablassleitung 116 und der Wasserabscheider 132 stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Medium 134. Das Medium 134 kann z. B. mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. einer Klebung oder einer Reibpassung mit der Aufbereitungsvorrichtung 114 gekoppelt sein. Es kann z. B. ein beliebiges herkömmliches Material wie z. B. ein Metallgeflecht, ein Sintermetallgeflecht, ein geklebtes Metallgeflecht, ein Textilgewebe und ein poröser Schaum mit darin gebildeten Poren verwendet werden, um das hydrophile poröse Medium 134 zu bilden. Die in dem hydrophilen porösen Medium 134 gebildeten Poren besitzen typischerweise einen Durchmesser von etwa 1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer. Ein Material, welches das hydrophile poröse Medium 134 bildet, kann auf der Basis einer nominalen Porengröße und einer Gleichmäßigkeit der darin gebildeten Poren gewählt sein.
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Die Ablassleitung 116 ist benachbart zu der Aufbereitungsvorrichtung 114 angeordnet und stellt eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Einlass 118 und einem Abgas 142 bereit. Der Ablaufauslass 126 und das Medium 134 stehen auch in fluidtechnischer Verbindung mit der Ablassleitung 116. Die Ablassleitung 116 kann integral als ein Teil der Brennstoffzellenendeinheit 127 oder der Aufbereitungsvorrichtung 114 gebildet sein und kann z. B. aus einem beliebigen herkömmlichen Material wie z. B. einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoffverbund gebildet sein. Es kann z. B ein beliebiges herkömmliches Mittel wie z. B. Anschrauben oder Kleben verwendet werden, um die Ablassleitung 116 mit der Aufbereitungsvorrichtung 114 zu koppeln, wenn die Leitung 116 separat gebildet ist. Wie in 3 veranschaulicht, kann die Ablassleitung 116 derart positioniert sein, dass sie einer Ansammlung eines Kondensats in der Ablassleitung 116, das sich darin bilden kann, entgegenwirkt. Wie gezeigt umfasst die Ablassleitung 116 ein Abgasventil 144, das darin angeordnet ist.
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Das Abgasventil 144 ist in einer unterstromigen Position in Bezug auf den Ablaufauslass 126 angeordnet. Ein Controller und ein Aktuator (nicht gezeigt) in Verbindung mit dem Abgasventil 144 ändern je nach Wunsch eine Position des Abgasventils 144. Das Ventil 144 kann in einer offenen Position, einer geschlossenen Position oder einer dazwischenliegenden Position positioniert sein. Das Abgasventil 144 kann ein solenoidbetriebenes Schieberventil sein, es können jedoch andere Ventiltypen verwendet werden.
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Während des Betriebes des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems 110 wird ein Anodenabgasstrom 146 aus dem FCS 112 durch die Anodenauslassleitung 120 hindurch ausgetragen. Der Anodenabgasstrom 146 enthält unverbrauchten Brennstoff und Nebenprodukte wie z. B. Wasser und Stickstoff. Bei dem Eintreten des Abgasstromes 146 in den Einlass 118 der Aufbereitungsvorrichtung 114 wird er in Abhängigkeit von einer Position des Ventils 144 einer von einem Aufbereitungsstrom 148 (welcher in die Aufbereitungsvorrichtung 114 eintritt) und einem Ablassstrom 150 (welcher in die Ablassleitung 116 eintritt) werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann, wenn sich das Ventil 144 in einer offenen Position befindet, der Ablassstrom 150 im Wesentlichen gleich dem Abgasstrom 146 sein. Als ein zweites nicht einschränkendes Beispiel kann eine Position des Ventils 144 durch einen Gehalt des Abgasstromes 146 bestimmt sein, wobei ein relativ hoher Gehalt an unverbrauchtem Brennstoff in dem Strom 146 eine geschlossene Position des Ventils 144 bestimmen kann und ein relativ hoher Gehalt an Nebenprodukten in dem Strom 146 eine offene Position des Ventils 144 bestimmen kann. Als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Position des Ventils 144 durch einen Wasserstandsensor (nicht gezeigt) oder eine andere Steuervorrichtung in Ansprechen auf innerhalb einer von der Ablassleitung 116 und der Aufbereitungsvorrichtung 114 angesammeltes Kondensat bestimmt sein.
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Die Förderrate des Injektors 128 kann den Teil des Abgasstromes 146 steuern, der in den Aufbereitungsstrom 148 segmentiert wird. Die Strahlpumpe (Injektor 128 und Ejektor 130) erleichtert durch die Nutzung des Venturi-Effekts ein Ansaugen des Abgasstromes 146. Somit wird durch die Verwendung des Injektors 128 und des Ejektors 130 ein ausreichendes Mischen des Brennstoffes 135 und des Aufbereitungsstromes 148 bewirkt. Der Aufbereitungsstrom 148 (warm und feucht), der sich mit dem eingespritzten Brennstoff 135 (kalt und trocken) mischt, hat die Bildung eines Kondensats 152 zur Folge. Der Aufbereitungsstrom 148, der das Kondensat 152 umfasst, strömt dann über den Wasserabscheider 132 hinweg, wenn sich der Aufbereitungsstrom 148 in Richtung des Versorgungsauslasses 122 bewegt.
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Wenn der Aufbereitungsstrom 148 über den Wasserabscheider 132 hinweg strömt, behindern die Prallbleche 140 oder weitere Wasserauffangmerkmale den Aufbereitungsstrom 148. Eine resultierende Zentripetalbeschleunigung des Aufbereitungsstromes 148 bewirkt, dass sich das schwere Kondensat 152 an den Prallblechen 140 sammelt, wobei das Kondensat 152 aus dem Aufbereitungsstrom 148 entfernt wird. Der Aufbereitungsstrom 148, der eine reduzierte Menge an Kondensat 152 aufweist, setzt sich durch den Hohlraum 117 fort und tritt an dem Versorgungsauslass 122 aus der Aufbereitungsvorrichtung 114 aus. Der Aufbereitungsstrom 148, der (auf Grund der Brennstoffeinspritzung) einen höheren Brennstoffgehalt und (nach dem Strömen über den Wasserabscheider 132 hinweg) einen niedrigeren Wassergehalt aufweist, kann durch die Anodeneinlassleitung 124 hindurch wieder in den FCS 112 eintreten, wie in 2 gezeigt. Wenn sich das Kondensat 152 an dem Wasserabscheider 132 sammelt, bewirkt die Schwerkraft, dass das Kondensat 152 von den Prallblechen 140 und auf eine Sammelfläche 154 abläuft. Die Sammelfläche 154 lenkt das Kondensat 152 mithilfe der Schwerkraft in Richtung des hydrophilen porösen Mediums 134.
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Das hydrophile poröse Medium
134 wirkt einem Transport des Aufbereitungsstromes
148 und des Ablassstromes
150 durch das Medium
134 hindurch entgegen, wenn es durch das Kondensat
152 hydratisiert ist. Ein Druck, dem das hydrophile poröse Medium
134 standhalten kann, kann mithilfe der Blasendruckmethode der Oberflächenspannung berechnet werden. Die Beziehung des Blasendrucks eines Mediums, welches Poren mit einem spezifischen Durchmesser aufweist, kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
wobei P
bubble ein maximaler Druck ist, dem das hydrophile poröse Medium
134 standhalten kann, wenn es hydratisiert ist; σ die Oberflächenspannung von Wasser ist; θ der Kontaktwinkel des hydrophilen porösen Mediums
134 ist; und D
pore der Durchmesser der Poren in dem hydrophilen porösen Medium
134 ist. Als nicht einschränkende Beispiele ergeben die Poren in dem hydrophilen porösen Medium
134 mit dem Durchmesser von etwa 5 Mikrometer einen Blasendruck von etwa 46 kPa und die Poren mit dem Durchmesser von etwa 8 Mikrometer ergeben einen Blasendruck von etwa 29 kPa, wobei der Kontaktwinkel des hydrophilen porösen Mediums
134 etwa 30° beträgt und die Oberflächenspannung von Wasser 0,067 N/m beträgt. Ein Sättigungspunkt für das hydrophile poröse Medium
134 ist der Zustand, in dem das hydrophile poröse Medium
134 die größte Menge Wasser absorbiert hat, die es halten kann. Das Kondensat
152 im Überschuss zu dem Sättigungspunkt des Mediums
134 gelangt durch das Medium
134 hindurch und tritt durch die Ablassleitung
116 hindurch aus dem System
110 aus. Wie in
3 veranschaulicht, wenn sich das Abgasventil
144 in einer geschlossenen Position befindet, kann sich das Kondensat
152 in der Ablassleitung
116 sammeln, bis das System
110 eine Nebenproduktspülung benötigt. Während der Nebenproduktspülung wird das Abgasventil
144 geöffnet, um zuzulassen, dass der Anodenabgasstrom
146 durch die Ablassleitung
116 hindurch ausgetragen wird, um das Kondensat
152 und jegliche Stickstoffansammlung zu entfernen. Wenn der Abgasstrom
146 eine niedrige relative Feuchtigkeit aufweist, wie z. B. wenn der FCS
112 mit voller Leistung bei hohen Temperaturen betrieben wird, kann das in dem Hohlraum
117 produzierte Kondensat
152 gegebenenfalls nicht ausreichen, um das Medium
134 zu hydratisieren. Mit dem trockenen Medium
134 wird zugelassen, dass sich der Aufbereitungsstrom
148 und der Ablassstrom
150 durch das Medium
134 hindurch mischen, wobei der Aufbereitung jegliches unverbrauchten Reaktanden in dem Aufbereitungsstrom
148 entgegengewirkt wird, während der Brennstoff, der durch den Injektor
128 hindurch gelangt, aufgezehrt wird. Während der zuvor erwähnten Bedingungen wird das Abgasventil
144 geschlossen bleiben, bis eine Nebenproduktspülung erforderlich ist.
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Zusätzlich zu der Eliminierung der Notwendigkeit des Anodenwärmetauschers und des Ablaufventils kann der Hohlraum 117 des Systems 110 auch als eine oberstromige Kammer zur Inbetriebnahme-Druckbeaufschlagung verwendet werden, wobei eine volumetrische Effizienz des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems 110 erhöht wird. In Vorbereitung einer Inbetriebnahme wird das Abgasventil 144 geschlossen. Die Aktivierung des Injektors 128 erhöht einen Druck innerhalb des Hohlraumes 117 und einer Anodenseite des FCS 112, wodurch die Notwendigkeit der Inbetriebnahmekammer 28 des Systems 10 nach dem Stand der Technik reduziert oder eliminiert ist. Der Hohlraum 117 stellt ein Volumen zwischen dem Injektor 128 und dem FCS 112 bereit, um dem Eintreten des Brennstoffes in den FCS 112 vor einer Inbetriebnahme entgegenzuwirken. Das resultierende Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110 besitzt eine höhere volumetrische Effizienz und ist kompakter als das System 10 nach dem Stand der Technik.
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4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die jener ähnlich ist, die in 3 gezeigt ist. Bezugsziffern für eine ähnliche Struktur in Bezug auf die Beschreibung von 3 sind in 4 mit einem Strich (') -Symbol wiederholt.
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4 veranschaulicht die Hinzufügung eines Wasserbehälters 156 und eines Dochtmaterials 158 zu dem Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110'. Es sollte einzusehen sein, dass, wenn nicht anders angeführt, das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110' in der Struktur und im Betrieb im Wesentlichen dem illustrativen Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110 der hierin oben stehend beschriebenen Technik entsprechen kann.
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Der Wasserbehälter 156 ist ein hohler Körper und kann aus einem von einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoffverbund gebildet sein und ist benachbart des hydrophilen porösen Mediums 134' angeordnet. Der Wasserbehälter 156 kann integral als ein Teil der Brennstoffzellenendeinheit 127, der Aufbereitungsvorrichtung 114' und der Ablassleitung 116' gebildet sein. Der Wasserbehälter 156 kann auch separat gebildet und mit der Aufbereitungsvorrichtung 114' oder der Ablassleitung 116' z. B. mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Anschrauben oder Kleben gekoppelt sein.
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Das Dochtmaterial 158 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem hydrophilen porösen Medium 134' und dem Wasserbehälter 156. Es kann z. B. ein beliebiges herkömmliches Material wie z. B. ein Metallgeflecht, ein Sintermetallgeflecht, ein geklebtes Metallgeflecht, ein Textilgewebe und ein poröser Schaum verwendet werden, um das Dochtmaterial 158 zu bilden. Es können auch andere Materialien verwendet werden, die ähnliche Dochteigenschaften aufweisen. Das Dochtmaterial 158 kann integral mit dem hydrophilen porösen Medium 134' gebildet sein, wenn es aus einem ähnlichen Material gebildet ist. Das Dochtmaterial 158 kann auch durch ein beliebiges herkömmliches Mittel an dem hydrophilen porösen Medium 134' befestigt sein, wenn es aus anderen Materialien gebildet ist. Zumindest ein Teil des Dochtmaterials 158 ist in dem Wasserbehälter 156 angeordnet.
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Im Gebrauch gelangt das Kondensat 152' im Überschuss zu dem Sättigungspunkt des Mediums 134' durch das Medium 134' hindurch und sammelt sich auf Grund der Schwerkraft in dem Wasserbehälter 156. Wie in 4 veranschaulicht, ist der Wasserbehälter 156 ein brunnenartiger Behälter und steht an demselben Ende des Wasserbehälters 156 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Medium 134' und der Leitung 116'. Der Wasserbehälter 156 wird nach einer Betriebsdauer des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems 110' voll. Ein Überlauf von dem Behälter 156 wird von dem System 110' durch die Ablassleitung 116' hindurch, unterstützt durch die Strömung von ungebrauchten Reaktanden und Nebenprodukten, ausgetragen. Wenn ein Abgasstrom 146 des FCS 112 eine hohe relative Feuchtigkeit aufweist, wie z. B. wenn der FCS 112 unterhalb einer normalen Betriebstemperatur (Kaltstart) arbeitet, ist mehr Kondensat 152' vorhanden, als erforderlich ist, um das Medium 134' zu hydratisieren, sodass der Behälter 156 gefüllt wird. Wenn der Abgasstrom 146 des FCS 112 eine niedrige relative Feuchtigkeit aufweist, wie z. B. wenn der FCS 112 mit voller Leistung bei hohen Temperaturen betrieben wird, kann das in dem Hohlraum 117' produzierte Kondensat 152' gegebenenfalls nicht ausreichen, um das Medium 134' zu hydratisieren.
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Das Dochtmaterial 158 erleichtert durch Kapillarwirkung eine fluidtechnische Verbindung von dem Wasserbehälter 156 zu dem hydrophilen porösen Medium 134'. Wenn das Sättigungsniveau des Mediums 134' unter den Sättigungspunkt des Mediums 134' absinkt, lässt das Dochtmaterial 158 zu, dass Kapillarkräfte das Medium 134' hydratisieren, bis der Behälter 156 leer ist. Die fluidtechnische Verbindung zwischen dem Dochtmaterial 158 und dem Medium 134' dauert an, bis der Sättigungspunkt erreicht wurde. Die Nebenproduktspülung des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems 110' kann in Abhängigkeit von dem Sättigungsniveau des Mediums 134' und den Nebenproduktspülerfordernissen intermittierend oder kontinuierlich sein. Die Einbindung des Wasserbehälters 156 und des Dochtmaterials 158 in das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110' verhindert ein trockenes Medium 134'.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die jener ähnlich ist, die in 3 gezeigt ist. Bezugsziffern für eine ähnliche Struktur in Bezug auf die Beschreibung von 3 sind in 5 mit einem Doppelstrich (") -Symbol wiederholt.
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5 veranschaulicht die Hinzufügung eines Wasserbehälters 156 und eines Dochtmaterials 158 zu dem Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110". Es sollte einzusehen sein, dass, wenn nicht anders angeführt, das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110" in der Struktur und im Betrieb im Wesentlichen dem Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110, 110' der hierin obenstehend beschriebenen Technik entsprechen kann.
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Im Gebrauch gelangt das Kondensat 152" im Überschuss zu dem Sättigungspunkt des Mediums 134" durch das Medium 134" hindurch und sammelt sich infolge der Schwerkraft in dem Wasserbehälter 156. Wie in 5 veranschaulicht, ist der Wasserbehälter 156 ein brunnenartiger Behälter, der an gegenüberliegenden Enden des Wasserbehälters 156 in fluidtechnischer Verbindung mit dem Medium 134" und der Ablassleitung 116" steht.
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Es sollte einzusehen sein, dass das Anodenreaktanden-Aufbereitungssystem 110, 110', 110" die Notwendigkeit des Anodenwärmetauschers eliminiert, während es ein System 110, 110', 110" bereitstellt, das weniger Komponenten umfasst und weniger kostspielig herzustellen ist. Ein Brennstoffzellensystem kann durch Kombinieren des Anodenreaktanden-Aufbereitungssystems 110, 110', 110" und des FCS 112, der eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen umfasst, gebildet sein. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass das System 110, 110', 110" die volumetrische Effizienz eines Brennstoffzellenstapels erhöht und ein einziges Ventil zur Entfernung von Kondensat und Reaktandennebenprodukten aus dem System 110, 110', 110" verwendet. Das System 110, 110', 110" stellt auch ein Inbetriebnahme-Druckbeaufschlagungsvolumen bereit, um eine Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels zu optimieren, was ein verringertes Potenzial einer Elektrodenkorrosion während der Inbetriebnahme zur Folge hat.