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Die
Erfindung betrifft eine Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle
zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem.
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Eine
Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle ist
mit einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug
verbunden, wie zum Beispiel in der japanischen Offenlegungsschrift
(Kokai) Nr. 7-14599 beschrieben. Allgemein weisen Brennstoffzellen
ein Paar von Separatoren auf, die auf beiden Seiten einer Elektrolytschicht angeordnet
sind. Diese Separatoren sind mit Zuführungsrillen versehen, die
der Zufuhr eines Brennstoffs und eines sauerstoffhaltigen Gases
dienen. Einer der Separatoren führt
einen Wasserstoff enthaltenden Brennstoff zu, der andere Separator
ein Sauerstoff enthaltendes Gas, zum Beispiel Luft. Dadurch tritt
infolge der zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff stattfindenden
chemischen Reaktion Elektronenbewegung auf, die einen elektrischen
Strom hervorruft. Eine Brennstoffzuleitung und eine Luftzuleitung
sind an die Aufstromseite einer derartigen Brennstoffzelle angeschlossen,
um den Brennstoff bzw. die Luft zuzuführen. Die Luftzuleitung ist
zur Atmosphäre
hin offen über
einen Verdichter, der von einem Motor angetrieben wird. Der Verdichter
bringt Luft aus der Atmosphäre
auf einen vorbestimmten höheren
Druck und führt
die Luft der Brennstoffzelle zu. Eine Abluftleitung ist mit der
Abstromseite der Brennstoffzelle verbunden, um – nachdem der Luft im Inneren
der Brennstoffzelle Sauerstoff entzogen wurde – das Abgas in die Atmosphäre entweichen
zu lassen. Ein Regenerator, der mit der Abluftleitung verbunden
ist, unterstützt
den den Verdichter antreibenden Motor durch Ausnutzung der Energie,
die bei der Expansion des Abgases in dem Regenerator frei wird.
Bei dieser Art von Brennstoffzelleneinrichtung sind der Verdichter
und der Regenerator separat ausgeführt. Bei diesem Brennstoffzellensystem
sind der Verdichter und der Regenerator so gestaltet, daß ihr Antrieb
durch dieselbe Antriebsquelle erfolgen kann.
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An
dem herkömmlichen
Brennstoffzellensystem ist aber das Volumenverhältnis zwischen einer geschlossenen
Kompressionskammer, definiert durch den Verdichter, und einer geschlossenen
Regenerativkammer, definiert durch den Regenerator, noch nicht untersucht
worden. Es war daher bislang nicht leicht, eine hohe Energieerzeugungsleistung der
Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, und ihre derzeitigen Herstellungskosten
sind hoch.
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Die
Brennstoffzelle erzeugt Strom aufgrund der Reaktion zwischen dem
Wasserstoff im Brennstoff und dem Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Gas,
wie im vorstehenden beschrieben. Wenn die Differenz zwischen dem
Druck des Brennstoffs und dem Druck des Sauerstoff enthaltenden
Gases – in Abhängigkeit
von dem Volumenverhältnis
von Kompressionskammer zu Regenerativkammer – groß wird, dann wirkt eine große Last
auf die Elektrolytschicht im Brennstoffzelleninneren, mit Bruchgefahr für die Elektrolytschicht.
Ein Problem, das mit der herkömmlichen
Brennstoffzelleneinrichtung einhergeht, ist daher ihre Dauerhaftigkeit.
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Um
den Druck des Brennstoffs und den Druck des sauerstoffhaltigen Gases
in dem Brennstoffzellensystem innerhalb eines geeigneten Bereichs
gleichbleibend zu halten, besteht prinzipiell die Möglichkeit,
entweder den Druck des Brennstoffs oder den Druck des sauerstoffhaltigen
Gases anzupassen, um so die auf die Elektrolytschicht wirkende Belastung
zu mindern. Die Hinzunahme von Mitteln zum Anpassen des Drucks des
Brennstoffs ist allerdings damit verbunden, daß die Mittel große Abmessungen
haben werden, weil der Wasserstoff im allgemeinen durch die chemische
Zersetzung des Brennstoffs, bei dem es sich um Erdgas, Methanol
oder dergleichen handeln kann, verfügbar gemacht wird. Es ergeben
sich somit hohe Herstellungskosten für das Brennstoffzellensystem.
Wendet man die Anpassung des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases
an, so wird es unmöglich,
den Sauerstoff in die Brennstoffzelle zu speisen, wenn sein Druck
merklich sinkt. In jedem Fall wird es nicht gelingen, eine hohe
Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellensystems aufrechtzuerhalten.
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In
Anbetracht der im vorstehenden beschriebenen Problematik liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle
bereitzustellen, mit der hohe Dauerhaftigkeit erzielt werden kann,
und zwar unter Aufrechterhaltung einer hohen Energieerzeugungsleistung
des Brennstoffzellensystems, und erhöhte Herstellungskosten vermieden
werden können.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine Verdichter-Regenerator-Kombination
für eine Brennstoffzelle
bereitgestellt, welche einen Kompressionsmechanismus-Teil vom Verdrängertyp
aufweist, der mit einer Zuführungsseite
für sauerstoffhaltiges
Gas einer Brennstoffzelle verbunden ist, und einen Regenerativmechanismus-Teil
vom Verdrängertyp,
der mit einer Abgasabführungsseite
der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei eine geschlossene Kompressionskammer,
definiert durch den Kompressionsmechanismus- Teil, und eine geschlossene Regenerativkammer,
definiert durch den Regenerativmechanismus-Teil, ein Volumenverhältnis von
1,25 bis 3 aufweisen.
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Diese
Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle umfaßt einen
Kompressionsmechanismus-Teil zum Zuführen eines Sauerstoff enthaltenden
Gases zu einer Brennstoffzelle, der mit einer Zuführungsseite
für ein
sauerstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelle verbunden ist, und einen
Regenerativmechanismus-Teil zum Expandieren des aus der Brennstoffzelle
abgeführten
Abgases, der mit einer Abgasabführungsseite
der Brennstoffzelle verbunden ist.
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Die
betreffenden Erfinder haben über
Versuche ein Volumenverhältnis
zwischen der Kompressionskammer und der Regenerativkammer aus einem bevorzugten
Bereich des Drucks des der Brennstoffzelle zuzuführenden sauerstoffhaltigen
Gases entdeckt. Nach diesen Versuchen beträgt das Volumenverhältnis des
Volumens A (cm3) der durch den Kompressionsmechanismus-Teil
definierten, geschlossenen Kompressionskammer zu dem Volumen B (cm3) der durch den Regenerativmechanismus-Teil
definierten, geschlossenen Regenerativkammer (A/B)
= 1,25 bis 3.
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Bei
der erfindungsgemäßen Verdichter-Regenerator-Kombination
für eine
Brennstoffzelle fällt das
Volumenverhältnis
zwischen der Kompressionskammer und der Regenerativkammer in diesen
Bereich. Daher wird die Differenz zwischen dem Druck des Brennstoffs
und dem Druck des sauerstoffhaltigen Gases klein, auf die Elektrolytschicht
im Inneren des Brennstoffzelle wirkt keine große Last und eine Schädigung der
Elektrolytschicht kann vermieden werden. Es wird hierbei der Druck
des sauerstoffhaltigen Gases nicht merklich gesenkt. So wird es
möglich,
der Brennstoffzelle eine ausreichende Menge an Sauerstoff zuzuführen und
eine hohe Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellensystems
aufrechtzuerhalten.
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Die
erfindungsgemäße Verdichter-Regenerator-Kombination
für eine
Brennstoffzelle reguliert den Druck des Sauerstoff enthaltenden
Gases, ohne den Druck des Brennstoffs regulieren zu müssen, was
eine groß bauende
Anordnung verlangen würde. Dadurch
läßt sich
die Brennstoffzelleneinrichtung kostengünstiger ausführen.
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Die
erfindungsgemäße Verdichter-Regenerator-Kombination
für eine
Brennstoffzelle kann demnach eine hohe Dauerhaftigkeit bewahren,
unter Aufrechterhaltung einer hohen Energieerzeugungsleistung der
Brennstoffzelleneinrichtung, und kann erhöhte Herstellungskosten vermeiden.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der beigefügten
zeichnerischen Darstellung noch ausführlicher beschrieben.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Gesamtlängsschnitt
einer Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 einen
Querschnitt entlang der Linie II-II von 1;
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3 einen
Querschnitt entlang der Linie III-III von 1;
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4 eine
erläuternde
Darstellung zu den Brennstoffzellensystemausgestaltungen in Einklang mit
dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel;
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5 einen
Gesamtlängsschnitt
mit den wichtigsten Teilen der Verdichter-Regenerator-Kombination
für eine
Brennstoffzelle gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 einen
Querschnitt entlang der Linie VI-VI in 5; und
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7 einen
Querschnitt entlang der Linie VII-VII in 5.
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Im
folgenden werden die erste und die zweite Ausführungsform der Erfindung, welche
die erfindungsgemäße Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle
verkörpern,
unter Bezugnahme auf die beigefügte
zeichnerische Darstellung beschrieben.
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Bei
der Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle gemäß einer
ersten Ausführungsform
ist, wie in 1 gezeigt, ein mittleres Gehäuse 20 mit
einem vorderen Gehäuse 10 verbunden,
und mit dem hinteren Ende des mittleren Gehäuses 20 ist ein zylindrisches
Gehäuse 30 verbunden.
Mit dem hinteren Ende des Gehäuses 30 ist
ein hinteres Gehäuse 40 verbunden.
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Eine
Luftanslußöffnung 11,
die gegen die Atmosphäre
hin offen ist, ist in der Seitenfläche des vorderen Gehäuses 10 in
radialer Richtung ausgeführt. Eine
Luftauslaßöffnung 12 ist
am vorderen Ende des mittleren Bereichs des vorderen Gehäuses 10 in
axialer Richtung ausgeführt.
Mit der Luftauslaßöffnung 12 ist
eine Luftzuleitung 12a verbunden, die Verbindung mit der
Zuführungsseite
für ein
sauerstoffhaltiges Gas der Brennstoffzelle F hat. Ein erstes ortsfestes
Spiralelement 13 ist in dem vorderen Gehäuse 10 so
ausgeführt,
daß es
in axialer Richtung nach hinten vorspringt.
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Eine
weitere Luftauslaßöffnung 21,
die zur Atmosphäre
hin offen ist, ist in der Seitenfläche des mittleren Gehäuses 20 in
radialer Richtung ausgeführt;
ferner ist eine Lufteinführungsöffnung 22 vorgesehen.
Mit der Lufteinführungsöffnung 22 verbunden ist
eine Luftaustrittsleitung 22a, die mit der Abgasaustrittsseite
der Brennstoffzelle F Verbindung hat. Ein zweites ortsfestes Spiralelement 23 ist
so ausgeführt,
daß es
in dem mittleren Gehäuse 20 in
axialer Richtung nach vorne vorspringt.
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In
sandwichartiger Anordnung zwischen dem vorderen Gehäuse 10 und
dem mittleren Gehäuse 20 – deren
jeweilige Ausführung
dem im vorstehenden beschriebenen entspricht – ist eine Seitenplatte 53 vorgesehen.
Diese Seitenplatte 53 weist ein erstes bewegliches Spiralelement 51 auf,
welches in axialer Richtung nach vorne vorspringt, und ein zweites
bewegliches Spiralelement 52, welches in axialer Richtung
nach hinten vorspringt. Das erste bewegliche Spiralelement 51 der
Seitenplatte 53 greift in das erste ortsfeste Spiralelement 13 des
vorderen Gehäuses 10 ein,
wie in 2 abgebildet. Das zweite bewegliche Spiralelement 52 der
Seitenplatte 53 greift in das zweite ortsfeste Spiralelement 23 des
mittleren Gehäuses 20 ein,
wie in 3 dargestellt.
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Zwischen
dem vorderen Gehäuse 10,
dem mittleren Gehäuse 20 und
der Seitenplatte 53 ist ein Mechanismus 60 zur
Rotationsverhinderung angeordnet. In der Mitte der Seitenplatte 53 ist
ein Vorsprung 50 in der Weise vorgesehen, daß er in
axialer Richtung sowohl nach vorne wie auch nach hinten vorspringt.
Eine Antriebswelle 70 ist durch das mittlere Gehäuse 20 und
das hintere Gehäuse 40 über Lager 31 und 32 innerhalb
des Gehäuses 30 drehbar gelagert.
In dem Gehäuse 30 befindet
sich ein Motor M, einschließlich
der Antriebswelle 70. Ein Kurbelzapfen 70a ragt
exzentrisch zur Achse vom vorderen Ende der Antriebswelle 70 vor
und ist über
ein Lager 33 drehbar in dem Vorsprung 50 der Seitenplatte 53 gefügt.
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Eine
sichelförmige
Kompressionskammer 14 wird von dem vorderen Gehäuse 10 und
der Seitenplatte 53 eingeschlossen und definiert, wie in 2 gezeigt,
und diese Elemente bilden zusammen einen Kompressionsmechanismus-Teil
C vom Spiraltyp. Wie in 1 abgebildet, wird die Luftansaugöffnung 11 mit
der Kompressionskammer 14 verbunden, die noch nicht abgeschlossen
ist. Die Luftauslaßöffnung 12 wird
mit der Kompressionskammer 14 verbunden, die abgeschlossen
ist, wenn der Kompressionsvorgang beendet ist. Wie in 3 gezeigt,
wird eine sichelförmige
Regenerativkammer 24 von dem mittleren Gehäuse 20 und
der Seitenplatte 53 eingeschlossen und definiert, und diese
Elemente bilden zusammen einen Regenerativmechanismus-Teil E vom
Spiral typ. Die Luftauslaßöffnung 21 wird
mit der Regenerativkammer 24 verbunden, die nicht abgeschlossen ist,
nachdem der abschließende
Expansionsvorgang beendet ist. Die Lufteinführungsöffnung 22 wird mit der
geschlossenen Regenerativkammer 24 verbunden, die das kleinste
Volumen hat.
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Bei
der Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle in der
im vorstehenden beschriebenen, in 1 gezeigten
konstruktiven Ausgestaltung wird, wenn die Antriebswelle 70 von
dem Motor M Antrieb erhält,
nur die Seitenplatte 53 in Umlauf versetzt, wobei ihre
Rotation durch den Rotationsverhinderungsmechanismus 60 begrenzt
wird. Das Volumen der Kompressionskammer 14 des Kompressionsmechanismus-Teils
C wird allmählich kleiner,
und Luft aus der Atmosphäre
wird über
die Luftansaugöffnung 11 in
die Kompressionskammer 14 gesaugt. Nachdem die Luft in
der Kompressionskammer 14 auf einen höheren Druck verdichtet wurde,
wird die Luft durch die Luftauslaßöffnung 12 über die
Luftzuleitung 12a der Brennstoffzelle F zugeführt. In
der Brennstoffzelle F wird in der Luft enthaltener Sauerstoff verzehrt,
und die in Form eines Abgases G verbleibende Luft gelangt über die
Luftaustrittsleitung 22a durch die Lufteinführungsöffnung 22 in
die Regenerativkammer 24 des Regenerativmechanismus-Teils
E.
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Das
in die Regenerativkammer 24 eingeführte Abgas expandiert parallel
zu dem oben beschriebenen Vorgang. Das Volumen der Regenerativkammer 24 muß sich also
allmählich
vergrößern. Der größte Teil
des Abgases in der Regenerativkammer 24 dehnt sich bis
auf das Niveau des Atmosphärendrucks
aus und wird über
die Luftauslaßöffnung 21 in die
Atmosphäre
entlassen. Die hierbei frei werdende Energie unterstützt die
Kraft des Motors M zum Antrieb des Kompressionsmechanismus-Teils
C.
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Die
Kompressionskammer 14 und die Regenerativkammer 24 der
Verdichter-Regenerator-Kombination für diese Brennstoffzelle bilden
mit der Brennstoffzelle F das Brennstoffzellensystem wie in 4 gezeigt.
Die in der Kompressionskammer 14 eingeschlossene Luft wird
auf einen vorbestimmten Druck verdichtet und dann in die Brennstoffzelle
F eingespeist. Nachdem der Sauerstoff in der Luft mit dem Wasserstoff
reagiert hat und in der Brennstoffzelle verzehrt wurde, gelangt
die Luft, die nun den um den Druckverlust verminderten Druck P2
besitzt, in die Regenerativkammer 24. Das Abgas (die Abluft) dehnt
sich im Inneren der Regenerativkammer 24 auf das Niveau
des Atmosphärendrucks
aus, d.h. auf einen Druck P1, und wird anschließend in die Atmosphäre entweichen
gelassen. Hierbei bestimmen sich der Druck P1 (MPa) der durch den
Kompressionsmechanismus-Teil C definierten, geschlossenen Kompressionskammer 14 und
der Druck P2 (MPa) der durch den Regenerativmechanismus-Teil E definierten,
geschlossenen Regenerativkammer 24 durch die folgende Beziehung: P2 = (A/B) (T2/T1)·ηVA·ηVB·P1 (1)worin
A (cm3) das Volumen der Kompressionskammer 14 des
Kompressionsmechanismus-Teils C bezeichnet, T1 (K) ihre Temperatur
ist, ηVA ihr volumetrischer Wirkungsgrad ist, worin
H (cm3) das Volumen der Regenerativkammer 24 des
Regenerativmechanismus-Teils
E bezeichnet, T2 (K) ihre Temperatur und ηVB ihr volumetrischer Wirkungsgrad ist. Diese Gleichung
(1) kann geändert
werden in die folgende Gleichung (2). (A/B) = (P2/P1)·(T1/T2)/(ηVA·ηVB) (2)
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Unter
der Annahme, daß keine
Leckage der das sauerstoffhaltige Gas bildenden Luft K in dem Kompressionsmechanismus-Teil
C und in dem Regenerativmechanismus-Teil E vorhanden ist, gilt: ηVA = ηVB = 1
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Da
die Kompressionskammer 14 zunächst Luft K bei Atmosphärendruck
durch den Kompressionsmechanismus-Teil C einschließt, beträgt der Druck
P1 der Kompressionskammer 14 1 atm, d.h. P1 = 0,1 (MPa)
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Da
weiter die Regenerativkammer 24 zunächst das aus der Brennstoffzelle
F abgehende Abgas durch den Regenerativmechanismus-Teil E einschließt, sollte
der Druck P2 der Regenerativkammer 24 gleich dem Druck
im Inneren der Brennstoffzelle F sein. Die untere Grenze des Drucks
P2 der Regenerativkammer 24 wird daher auf den Druck festgesetzt, bei
dem die Brennstoffzelle F in hinreichender Weise Energie erzeugen
kann, und die obere Grenze wird auf den Druck festgesetzt, bei dem
die Dauerhaftigkeit der Brennstoffzelle F ihre Grenzen erreicht.
Das Resultat eines von den betreffenden Erfindern durchgeführten Versuchs
zeigte, daß der
Bereich dieses Drucks wie folgt ist: P2 = 0,15 bis 0,3 (MPa)
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Die
Ansauglufttemperatur des Verdichters wird mit 20 bis 80 °C angenommen,
d.h.: T1 = 293 bis 353
(K)
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Das
in der Regenerativkammer 24 eingeschlossene Abgas wird
durch den Regenerativmechanismus-Teil E expandiert und kühlt ab.
Es sei hierbei angenommen, daß die
obere Grenztemperatur, die der Regenerativmechanismus-Teil E zu
kühlen vermag,
80 °C betrage T2 = 353 (K)
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Auf
diese Weise werden ηVA, ηVB, P1, P2, T1 und T2 bestimmt und in die Gleichung (2) eingesetzt. Daraus
ergibt sich das Verhältnis
des Volumens der Kompressionskammer 14 zu dem Volumen der
Regenerativkammer 24 wie folgt: (A/B)
= 1,25 bis 3
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Wenn
das Volumen A der Kompressionskammer 14 und das Volumen
B der Regenerativkammer 24 auf der Basis des Volumenverhältnisses
innerhalb dieses Bereichs gesetzt werden, so wird die Differenz
zwischen dem Druck des Brennstoffs und dem Druck der Luft K in der
Verdichter-Regenerator-Kombination gemäß der ersten Ausführungsform klein.
Weil auf die Elektrolytschicht in der Brennstoffzelle F keine große Last
wirkt, erfährt
die Elektrolytschicht der Brennstoffzelle F keine Schädigung.
Hierbei wird der Druck der Luft K nicht übermäßig gesenkt, so daß es möglich wird,
der Brennstoffzelle F eine ausreichende Menge an Sauerstoff zuzuführen und
eine hohe Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellensystems
aufrechtzuerhalten.
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Die
Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle reguliert
den Druck der Luft K, ohne den Druck des Brennstoffs regulieren
zu müssen,
was eine Anordnung großer
Abmessungen verlangen würde.
Die Brennstoffzelleneinrichtung kann deshalb mit geringeren Kosten
hergestellt werden.
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Die
Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle ermöglicht es
dem Brennstoffzellensystem, eine lange Haltbarkeit zu zeigen, unter Aufrechterhaltung
einer hohen Energieerzeugungsleistung, und kann erhöhte Fertigungskosten
vermeiden.
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Bei
der Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle unterstützt die
von dem Regenerativmechanismus-Teil E erzeugte Energie die Kraft
zum Antrieb des Kompressionsmechanismus-Teils C. Dadurch kann die
Energie des Regenerativmechanismus-Teils E sinnvoll genutzt werden, und
die Antriebskraft des Kompressionsmechanismus-Teils C kann durch
die Rückgewinnung
von Restenergie aus dem Abgas der Brennstoffzelle F unterstützt werden.
Auf diesem Wege kann der mechanische Wirkungsgrad weiter verbessert
werden. Hinzu kommt, daß,
indem der Kompressionsmechanismus-Teil C und der Regenerativmechanismus-Teil
E ihren Antrieb von derselben Antriebswelle 70 erhalten,
der Aufbau vereinfacht und die Herstellungskosten reduziert werden.
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Dadurch,
daß bei
dieser Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle sowohl
der Kompressionsmechanismus-Teil C als auch der Regenerativmechanismus-Teil
E vom Spiraltyp sind, können
geräuscharmer
Lauf und geringes Gewicht erzielt werden. Der Spiral-Kompressionsmechanismus-Teil
C und der Spiral-Regenerativmechanismus-Teil E dieser Verdichter-Regenerator-Kombi nation
für eine
Brennstoffzelle sind so vorgesehen, daß sie die Seitenplatte 53 mit
dem ersten und zweiten beweglichen Spiralelement 51 und 52,
welche von der Seitenplatte 53 vorspringen, gemeinsam benutzen.
Dies ermöglicht
einen deutlich vereinfachten Aufbau und geringere Herstellungskosten.
Die Gesamtlänge
in axialer Richtung, unter Einbezug der Welle des Motors M, kann
kürzer
ausfallen und ausgezeichnete Montierbarkeit an das Fahrzeug erzielt werden.
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Bei
der Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist ein mittleres Gehäuse 25 mit einem vorderen
Gehäuse 15 verbunden,
und mit dem hinteren Ende des mittleren Gehäuses 25 ist ein zylindrisches
Gehäuse 35 verbunden,
wie in 5 abgebildet. Mit dem hinteren Ende des Gehäuses 35 ist
ein hinteres Gehäuse 45 verbunden.
Zwischen dem vorderen Gehäuse 15 und
dem mittleren Gehäuse 25 ist
eine Trennplatte 55 angeordnet. Eine Antriebswelle 36 ist
durch das vordere Gehäuse 15, das
mittlere Gehäuse 25 und
das hintere Gehäuse 45 über Lager 18, 28 und 46 drehbar
gelagert.
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Eine
Luftansaugöffnung 16,
die gegen die Atmosphäre
hin offen ist, ist in der Seitenfläche des vorderen Gehäuses 15 in
radialer Richtung ausgeführt; ferner
ist eine Luftauslaßöffnung 17 vorgesehen. Eine
Luftzuleitung 17a, die mit der Zuführungsseite für ein sauerstoffhaltiges
Gas der Brennstoffzelle F verbunden ist, ist mit der Luftauslaßöffnung 17 verbunden.
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Das
vordere Gehäuse 15 nimmt
in seinem mittleren Bereich einen Zylinderblock 66 auf,
der eine elliptische Rotorkammer 65 definiert, wie in 6 gezeigt.
In dieser Rotorkammer 65 ist ein erster Rotor 81,
der eine runde Querschnittsgestalt besitzt und an der Antriebswelle 36 befestigt
ist, drehbar angeordnet. Eine Mehrzahl von ersten Flügeln oder
Schiebern 80 sind so an der Außenumfangsfläche des
ersten Rotors 81 angeordnet, daß sie in radialer Richtung überstehen
können.
Der Zylinderblock 66, der erste Rotor 81 und jeweils
zwei erste Schieber 80 definieren so eine Kompressionskammer 69 im
Inneren der Rotorkammer 65.
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In
dem Zylinderblock 66 ist eine Luftansaugkammer 75 definiert,
die mit der Luftansaugöffnung 16 in
Verbindung steht, wie in 5 dargestellt. Die Luftansaugkammer 75 wird
mit der Kompressionskammer 69 über eine Ansaugöffnung 76 verbunden, wie
in 6 gezeigt. In ähnlicher
Weise ist eine Luftauslaßkammer 77,
die mit der Luftauslaßöffnung 17 in
Verbindung steht, im Inneren des Zylinderblocks 66 vorgesehen.
Die Luftauslaßkammer 77 wird
mit der Kompressionskammer 69 über eine Auslaßöffnung 78 verbunden,
wie in 6 gezeigt. In der Luftauslaßkammer 77 ist ein
Auslaß-Zungenventil 82 angeordnet,
welches die Auslaßöffnung 78 schließt, und
außerhalb
des Auslaß-Zungenventils 82 befindet sich
ein Begrenzer 79. Ein Kompressionsmechanismus-Teil C ist
in dem Raum ausgebildet, welcher durch das vordere Gehäuse 15 und
die Trennplatte 55 definiert ist.
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Ferner
ist eine Luftauslaßöffnung 26,
die zur Atmosphäre
hin offen ist, in der Seitenfläche
des mittleren Gehäuses 25 in
radialer Richtung ausgeführt, wie
in 5 abgebildet; des weiteren ist eine Lufteinführungsöffnung 27 vorgesehen.
Mit der Lufteinführungsöffnung 27 ist
eine Luftaustrittsleitung 27a verbunden, die an die Abgas-Austrittsseite
der Brennstoffzelle F angeschlossen ist.
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In
dem mittleren Gehäuse 25 ist
ebenfalls einen Zylinderblock, mit 66' bezeichnet, aufgenommen, der eine
elliptische Rotorkammer 65' definiert, wie
in 7 gezeigt. Auch diese Rotorkammer 65' weist in ihrem
Inneren drehbar angeordnet einen zweiten Rotor auf, mit 81' bezeichnet,
der eine runde Querschnittsgestalt aufweist und mit der Antriebswelle 36 verbunden
ist. Ferner sind auch hier mehrere zweite Flügel oder Schieber 80' an der Außenumfangsfläche des
zweiten Rotors 81' so
angeordnet, daß sie
in radialer Richtung überstehen
können.
In der Rotorkammer 65' ist
eine Regenerativkammer 69' gebildet,
die von dem Zylinderblock 66',
dem zweiten Rotor 81' und
jeweils zwei zweiten Schiebern 80' umschlossen ist.
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In
dem Zylinderblock 66' ist
eine Luftzuführungskammer 77' definiert,
die mit der Lufteinführungsöffnung 27 verbunden
ist, wie in 5 gezeigt. Die Luftzuführungskammer 77' wird mit der
Regenerativkammer 69' über eine
Ansaugöffnung 78' verbunden,
wie in 7 dargestellt. In ähnlicher Weise ist eine Luftauslaßkammer 75', die mit der
Luftauslaßöffnung 26 in
Verbindung steht, in dem Zylinderblock 66' ausgeführt, wie in
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5 gezeigt.
Die Luftauslaßkammer 75' wird mit der
Regenerativkammer 69' über eine
Auslaßöffnung 76' verbunden,
wie in 7 gezeigt. Auf diese Weise entsteht ein Regenerativmechanismus-Teil
E in dem Raum, der durch das mittlere Gehäuse 25 und die Trennplatte 55 definiert
ist.
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Ein
Motor M, einschließlich
der Antriebswelle 36, ist in dem Gehäuse 35 untergebracht,
wie in 5 dargestellt.
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Wenn
die Antriebswelle 36 von dem Motor M Antrieb erhält, werden
bei der nach dem Schieberprinzip arbeitenden Verdichter- Regenerator-Kombination
für eine
Brennstoffzelle, die den im vorstehenden beschriebenen Aufbau aufweist,
der erste Rotor 81 und der zweite Rotor 81' in Rotation
versetzt. Das Volumen der Kompressionskammer des Kompressionsmechanismus-Teils
C verkleinert sich allmählich. Luft
aus der Atmosphäre
wird über
die Luftansaugöffnung 16 durch
die Luftansaugkammer 75 in die Kompressionskammer 69 gesaugt
und in der Kompressionskammer 69 auf einen höheren Druck
verdichtet. Im Anschluß daran
gelangt die Luft von der Luftauslaßkammer 77 zu der
Brennstoffzelle F, wobei sie die Luftauslaßöffnung 17 und dann
die Luftzuleitung 17a passiert. In der Brennstoffzelle
F wird in der Luft enthaltener Sauerstoff verzehrt, und die als
Abgas verbleibende Luft gelangt über
die Luftaustrittsleitung 27a durch die Lufteinführungsöffnung 27 in
die Regenerativkammer 69' des
Regenerativmechanismus-Teils E.
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Das
in die Regenerativkammer 69' eingebrachte
Abgas expandiert parallel zu dem oben beschriebenen Vorgang, mit
dem Ergebnis, daß sich das
Volumen der Regenerativkammer 69' allmählich vergrößert. Das Abgas in der Regenerativkammer 69' dehnt sich
auf das Niveau des Atmosphärendrucks
aus und wird aus der Luftauslaßkammer 75' über die
Luftauslaßöffnung 26 in
die Atmosphäre
entlassen. Wie bei der ersten Ausführungsform unterstützt die
hierbei frei werdende Energie die Kraft des Motors M zum Antrieb
des Kompressionsmechanismus-Teils C.
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Wenn
das Volumenverhältnis
zwischen der Kompressionskammer 69 und der Regenerativkammer 69' der Verdichter-Regenerator-Kombination
für eine
Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
gleich dem der ersten Ausführungsform ist,
so zeigt diese Ausführungsform
die gleiche Funktion und Wirkung wie die erste Ausführungsform.
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Bei
der Verdichter-Regenerator-Kombination für eine Brennstoffzelle in Einklang
mit der vorliegenden Ausführungsform
sind sowohl der Kompressionsmechanismus-Teil C wie auch der Regenerativmechanismus-Teil
E vom Schieber-Typ. Sie zeigt daher ausgezeichnete Geräuscharmut,
wenngleich der Grad an Geräuscharmut
etwas schlechter ist als der der ersten Ausführungsform. Da bei der Verdichter-Regenerator-Kombination
für eine
Brennstoffzelle der erste Rotor 81 und der zweite Rotor 81' identisch ausgeführt sind,
ermöglicht
es diese Ausführungsform,
die Herstellungskosten zu senken.
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Es
sei angemerkt, daß bei
der erfindungsgemäßen Verdichter-Regenerator-Kombination
für eine Brennstoffzelle
das Volumenverhältnis
zwischen Kompressionskammer und Regenerativkammer innerhalb des
spezifischen Bereichs angesiedelt sein muß. Der Kompressionsmechanismus-Teil
und der Regenerativmechanismus-Teil
sind deshalb auf den Verdränger-Typ
beschränkt.
Bei dem Kompressionsmechanismus-Teil und Regenerativmechanismus-Teil
vom Verdränger-Typ
kann es sich zum Beispiel um einen nach dem Spiralprinzip, dem Flügel- oder
Schieberprinzip, dem Schraubenprinzip oder Kolbenprinzip arbeitenden
handeln.
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Die
Erfindung wurde anhand spezifischer, beispielhaft ausgewählter Ausführungsformen
beschrieben; es versteht sich, daß für den Fachmann zahlreiche Modifikationen
möglich
sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.