DE10120018A1

DE10120018A1 - Brennstoffzellensystem mit einem kompakten Wasserabscheider

Info

Publication number: DE10120018A1
Application number: DE10120018A
Authority: DE
Inventors: David R Savage; Trevor T Grover; Jameson R Forte; Eric K Jensen
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2001-12-13
Also published as: US6579637B1; JP2002008693A; CA2339587A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfaßt einen kompakten Wasserabscheider mit niedrigem Druckverlust und hohem Wirkungsgrad zum Abtrennen von flüssigem Wasser von wasserbeladenen Strömen des Systems. Ein Zylinderabscheider umfaßt einen Sumpf zum Sammeln des Wassers, einen Ablauf zur Entfernung des Wassers von dem Sumpf und zum Lenken desselben zu einem Reservoir, ein Absperrventil in Verbindung mit dem Ablauf zur Steuerung der Strömung durch den Ablauf, und einen Wasserniveauschalter, der das Öffnen/Schließen des Ventils steuert. Der Schalter löst ein Schließen des Ventils aus, bevor der Sumpf geleert ist, um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die ein Entweichen des Gases durch den Ablauf verhindert.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere Was serabscheider dafür.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen im allgemeinen und PEM-Brennstoffzellen im besonderen sind neben anderen Anwendungen zur Verwendung als elektrische An triebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen ei nen "Membranelektrodenaufbau" (auch bekannt als MEA) mit einem dün nen protonendurchlässigen, festen Polymermembranelektrolyten, der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der gegenüberliegenden Seite eine Kathode aufweist. Der Festpolymerelektrolyt besteht typischerweise aus einem Ionentauscherharz, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfaßt typischerweise fein geteilte katalytische Parti kel (oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen) gemischt mit einem proto nenleitfähigen Harz. Der MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elek trisch leitfähiger Elemente angeordnet, die sowohl als Stromkollektoren als auch als Mittel zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brenn stoffzelle über die Oberflächen der Elektroden dienen. Bei derartigen PEM-Brenn stoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktant (d. h. Brennstoff), Sauerstoff (d. h. aus Luft) ist der Kathodenreaktant (d. h. Oxidationsmittel), und diese reagieren miteinander, um Elektrizität und Wasser zu erzeugen. Der Kathoden-/Luft-Strom (und manchmal der Anoden-/H₂-Strom) wird typischerweise befeuchtet, um die Ionentauschermembran vor einer Aus trocknung zu bewahren.

Einige Brennstoffzellensysteme verwenden unter Druck gesetzten oder flüssigen Wasserstoff-Brennstoff zur Beschickung der Brennstoffzelle. An dere speichern den Wasserstoff chemisch als ein thermisch spaltbares Hydrid oder physikalisch-chemisch durch eine über Wärme freigebbare Adsorption auf einem geeigneten Adsorptionsmittel (beispielsweise Nano fasern aus Kohlenstoff). Bei Fahrzeuganwendungen ist es jedoch er wünscht, wasserstoffhaltige Flüssigkeiten, wie beispielsweise Benzin, Methanol oder dergleichen aufgrund dessen, daß sie leicht in dem Fahr zeug gespeichert werden können, zu spalten, um den von der Brennstoff zelle verwendeten Wasserstoff zu bilden. Aufgrund der Existenz einer dichten Versorgungsinfrastruktur ist Benzin besonders bevorzugt. Um de ren Wasserstoff freizugeben, werden wasserstoffhaltige Flüssigkeiten in einem sogenannten "Brennstoffprozessor" aufgespalten.

Ein bekannter Brennstoffprozessor zum Aufspalten von Benzin, um Was serstoff zu erzeugen, ist ein zweistufiger chemischer Reaktor, der oftmals als ein "autothermischer Reformer" bezeichnet wird. Bei einem autother mischen Reformer wird Benzin und Wasserdampf (d. h. Dampf) mit Luft gemischt und aufeinanderfolgend durch zwei Reaktionsabschnitte geleitet, d. h. einen ersten "Abschnitt für partielle Oxidation" (POX-Abschnitt) und einen zweiten "Dampfreformierungsabschnitt" (SR-Abschnitt). In dem POX-Abschnitt reagiert das Benzin exotherm mit einer unterstöchiometri schen Menge an Luft, um Kohlenmonoxid, Wasser und niedrige Kohlen wasserstoffe (beispielsweise Methanol) zu erzeugen. Die heißen POX-Reak tionsprodukte gelangen in den SR-Abschnitt, in dem die niedrigeren Kohlenwasserstoffe mit dem Dampf reagieren, um ein Reformatgas zu er zeugen, das hauptsächlich Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, und Stickstoff umfaßt. Die SR-Reaktion ist endotherm, erhält aber ihre erforderliche Wärme von der Wärme, die von dem POX-Abschnitt durch den POX-Abfluß in den SR-Abschnitt getragen wird. Ein derartiger auto thermischer Reformer ist in der internationalen Patentveröffentlichung mit der Nummer WO 98/08771 beschrieben, die am 5. März 1998 veröffent licht wurde. Der Prozeß zur Erzeugung von Wasserstoff aus Methanol ist ähnlich zu demjenigen, der für Benzin verwendet wird, außer, daß der POX-Schritt beseitigt ist und das Methanol direkt an einen Dampfreformer geliefert wird, in welchem es mit Dampf reagiert, um ein Reformat zu er zeugen, das H₂, CO₂ und CO umfaßt. Ein bekannter Brennstoffprozessor zur Aufspaltung von Methanol ist ein Dampfreformer, wie beispielsweise in dem U.S. Patent 4,650,727 von Vanderborgh beschrieben ist.

Die Kohlenmonoxidkonzentration in dem Reformat, das den Dampfrefor mer verläßt, ist zu hoch, als daß das Reformat in einer Brennstoffzelle oh ne deren Vergiftung verwendet werden könnte. Demgemäß muß die CO-Kon zentration auf ein sehr niedriges Niveau verringert werden, das für die Brennstoffzelle nicht toxisch ist. Es ist bekannt, das Reformat von CO da durch zu reinigen, daß dieses einer sogenannten "Wasser-Gas-Shift"-Reaktion (WGS-Reaktion, auch CO-Konvertierungsreaktion) unterzogen wird, die in einem WGS-Reaktor stattfindet, der unterstromig des SR-Reaktors angeordnet ist. Bei der WGS-Reaktion reagiert Wasser (d. h. Dampf) endotherm mit dem Kohlenmonoxid gemäß der folgenden idealen Shift-Reaktion:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Einiges CO überdauert die Wasser-Gas-Shift-Reaktion und muß weiter verringert werden (d. h. unterhalb etwa 20 ppm), bevor das Reformat an die Brennstoffzelle geliefert werden kann. Es ist bekannt, den CO-Gehalt von H₂-reichem Reformat durch selektive Reaktion desselben mit Sauer stoff (d. h. als Luft) in einer sogenannten PrOx-Reaktion (d. h. Reaktion mit selektiver Oxidation) weiter zu verringern, die in einem katalytischen PrOx-Reaktor ausgeführt wird, der unterstromig des Wasser-Gas-Shift-Reaktors angeordnet ist. Die PrOx-Reaktion ist exotherm und verläuft wie folgt:

CO + 1/2O₂ → CO₂

Die Kombination einer WGS-Reaktion gefolgt durch eine PrOx-Reaktion ist gewöhnlich ausreichend, um das Reformat ausreichend zu reinigen, so daß es in der Brennstoffzelle verwendet werden kann.

Es ist bekannt, die die Brennstoffzelle verlassenden Kathoden- und An odenabgase in einem Brenner zu verbrennen, um jeglichen Wasserstoff von den Abgasen des Systems zu beseitigen und Wärme zur Verwendung an einer beliebigen Stelle in dem System zu bilden, um damit beispiels weise (1) einen Methanolreformer zu erwärmen oder (2) flüssigen Brenn stoff und Wasser zum Gebrauch in dem System zu verdampfen. Überdies ist es bekannt, daß ein Wassermanagement von Brennstoffzellensystemen, die in Kraftfahrzeuganwendungen (beispielsweise Autos, Lastwagen, Bu ssen, etc.) verwendet werden sollen, sehr wichtig ist. Diesbezüglich ist es erwünscht, daß durch die Brennstoffzelle erzeugte Wasser zu sammeln und dieses an einer beliebigen Stelle in dem System (beispielsweise in ei nem Brennstoffprozessor, einem Wasser-Gas-Shift-Reaktor oder einem Befeuchter) wiederzuverwenden, wo es benötigt wird, anstatt eine zusätzli che Wasserversorgung an Bord für derartige Systemanforderungen vorzu sehen. Überdies ist es erwünscht, die Menge an flüssigem Wasser in den verschiedenen Systemströmen so zu minimieren, daß Reaktoren nicht nachteilig beeinflußt werden, die von diesen Strömen versorgt werden. Daher sollte beispielsweise flüssiges Wasser von den Brennstoffzellenab gasen und insbesondere dem Kathodenabgas beseitigt werden, die an den Brenner geliefert werden, um so den Brennerkatalysator nicht zu über schwemmen oder anderweitig eine Verbrennung der Abgase darin zu un terdrücken. Ähnlicherweise ist es erwünscht, sicherzustellen, daß das H₂-reiche Brennstoffgas, das an die Anoden- und/oder Kathodenseiten der Brennstoffzelle geliefert wird, wenig oder gar kein flüssiges Wasser enthält, das entweder den Katalysator überschwemmen oder die Brennstoffzelle fluten und dadurch deren Wirkungsgrad verringern könnte. Es ist ähnli cherweise erwünscht, Wasser von dem Abgassystem von dem Brenner des Systems abzufangen. Dem gemäß ist es bekannt, einen oder mehrere me chanische Wasserabscheider an verschiedenen Stellen innerhalb des Sy stems vorzusehen, um flüssiges Wasser von den verschiedenen Gasströ men zu entfernen und dieses an eine Wassersammelstelle zu lenken. Die se Praxis trägt zusätzliche Ausstattung zu dem System bei, die insbeson dere bei Fahrzeuganwendungen unerwünscht ist, da die Wasserabschei der, die bisher verwendet worden sind, zu groß und nicht effizient waren und/oder einen zu großen Druckverlust aufwiesen, der für die System energie abträglich ist.

Die vorliegende Erfindung mildert den unerwünschten Einfluß von me chanischen Wasserabscheidern in Brennstoffzellensystemen für Fahrzeug anwendungen durch Ausbildung eines Abscheiders, der (1) kompakt ist, um so nicht zu viel Raum in dem Motorraum eines Fahrzeugs zu verbrau chen, (2) einen hohen Abscheidungswirkungsgrad aufweist, um so einen hohen Grad an Wasserentfernung und Wassersammlung sicherzustellen, und (3) einen niedrigen Druckverlust aufweist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem kompakten, effizienten Wasserabscheider mit niedrigem Druckverlust zur Entfernung flüssiger Wassertröpfchen von wasserbeladenen Systemströmen. Die Erfindung ist auf alle Brennstoffzellensysteme anwendbar, die eine Brennstoffzelle, eine Quelle für H₂-reiches Brennstoffgas zur Beschickung einer Brennstoffzelle, eine Quelle für Sauerstoff (beispielsweise Luft) zur elektrochemischen Reaktion mit dem H₂ in der Brennstoffzelle und ein Reservoir zum Sammeln von Wasser umfassen, das von den verschiede nen Systemströmen zur Wiederverwendung an einer beliebigen Stelle in dem System (beispielsweise in einem Brennstoffprozessor oder einem Be feuchter für die H₂-und/oder O₂-Ströme) abgeschieden wird. Allgemein gesagt ist die Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem anwendbar, das umfaßt: (1) eine Brennstoffzelle, (2) eine Quelle für H₂-reiches Brennstoff gas, die einen Brennstoffstrom für die Brennstoffzelle liefert, (3) eine Quelle für Sauerstoff, die einen Oxidationsmittelstrom zur elektrochemi schen Reaktion mit dem H₂-reichen Brennstoffgas in der Brennstoffzelle liefert, (4) einen Anodenabgasstrom, der H₂-abgereichertes Brennstoffgas umfaßt, das die Brennstoffzelle verläßt, (5) einen Kathodenabgasstrom, der Wasser, Sauerstoff und Stickstoff umfaßt und die Brennstoffzelle ver läßt, (6) zumindest einen Wasserabscheider zur Entfernung von Wasser von zumindest einem der Systemströme, der mit flüssigem Wasser bela den ist, und (7) ein Reservoir zum Sammeln des Wassers, das von dem wasserbeladenen Strom entfernt wird, zur Wiederverwendung in dem Sy stem. Insbesondere ist die Erfindung auf ein derartiges Brennstoffzellen system gerichtet, bei dem der Abscheider ein Zyklonabscheider ist, der ein Sammelrohr mit einer inneren zylindrischen Wand aufweist, die eine Sammelkammer definiert, durch welche der wasserbeladene Strom fließt. Das Sammelrohr weist einen Einlaß, durch welchen der wasserbeladene Strom in die Kammer eintritt, und einen Auslaß auf, durch welchen das abgetrennte Wasser die Kammer wieder verläßt. Eine Verwirbelungsein richtung an dem Einlaß zu dem Sammelrohr bringt auf den wasserbela denen Strom, der in die Kammer eintritt, eine Wirbelbewegung/Rotati onsbewegung auf, die das Wasser zentrifugal aus dem wasserbeladenen Strom auf die Wand treibt, während das Wasser entlang der Wand in Richtung des Auslasses gedrängt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Verwirbelungseinrichtung eine Vielzahl bogenförmi ger Schaufeln, die in dem Einlaß zu dem Sammelraum positioniert sind. Alternativ dazu kann die Verwirbelungseinrichtung den Einlaß zu dem Sammelrohr derart ausgebildet und angeordnet umfassen, um so den wasserbeladenen Strom tangential in das Sammelrohr einzuführen. Unter dem Auslaß des Sammelrohres liegt ein Sumpf, der das Wasser sammelt, das entlang der Wand zu dem Auslaß gewandert ist. Eine Leiteinrichtung zwischen dem Auslaß und dem Sumpf dient dazu, das Wasser in den Sumpf zu leiten, während verhindert wird, daß Wasser in dem Sumpf aus dem Sumpf entweichen und in den durch den Abscheider fließenden Strom wieder eintreten kann. Ein Ablauf steht mit dem Sumpf in Verbin dung, um das Wasser von dem Sumpf in das Reservoir ablaufen zu las sen. Ein Ventil, das wirksam mit dem Ablauf in Verbindung steht, steuert den Ablauf des Wassers von dem Sumpf, um so ein ausreichendes Niveau von Wasser in dem Sumpf beizubehalten und eine Wasserabdichtung zu schaffen, die verhindert, daß der Strom, der durch den Abscheider fließt, aus dem Abscheider über den Ablauf entweichen kann. Ein Flüssigkeits niveauschalter ist mit dem Sumpf gekoppelt, um ein Schließen des Ventils auszulösen, bevor das Niveau zu tief abfällt, um die Wasserabdichtung beizubehalten. Der Abscheider weist ein Abgasrohr zum Austrag des was serabgereicherten Dampfstromes von dem Abscheider auf. Das Abgasrohr weist (1) eine Mündung an einem Ende, die im wesentlichen konzentrisch zu dem Sammelrohr radial innerhalb der zylindrischen Innenwand des Sammelrohres angeordnet ist, um den wasserabgereicherten Strom auf zunehmen, der durch den Abscheider von der Sammelkammer strömt, und (2) ein Auslaßende auf, um den wasserabgereicherten Dampfstrom von dem Abscheider auszutragen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit (1) einer Brennstoffzelle, (2) einem Brennstoff prozessor zur Umwandlung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffes, wie beispielsweise Methanol oder Kohlenwasserstoff, in ein CO-haltiges, H₂-reiches Brennstoffgas zur Beschickung der Brennstoffzelle, (3) einem Was ser-Gas-Shift-Reaktor unterstromig des Brennstoffprozessors zur Reaktion des CO-haltigen, H₂-reichen Brennstoffgases mit Dampf, um dessen H₂-Gehalt zu erhöhen und dessen CO-Gehalt zu verringern, (4) einem Was serabscheider unterstromig der Brennstoffzelle, um Wasser von einem wasserbeladenen Abfluß davon (beispielsweise Kathodenabgas) zu entfer nen, und (5) einem Reservoir zum Sammeln des Wassers, das von dem Abfluß entfernt wird, zur Wiederverwendung in dem Brennstoffprozessor und/oder dem Wasser-Gas-Shift-Reaktor. Genauer weist das bevorzugte Brennstoffzellensystem einen Wasser-Gas-Zyklonabscheider auf, der me chanisch Wasser von dem Abfluß ohne Verlust an Gas abscheidet, das das Wasser trägt. Der Abscheider umfaßt ein Sammelrohr, das eine innere zylindrische Wand aufweist, die eine Sammelkammer definiert, durch wel che der wasserbeladene Strom fließt und (d. h. in Wasser und Trägergas) getrennt wird. Das Sammelrohr weist einen Einlaß, durch welchen das wasserbeladene Gas in die Kammer eintritt, und einen Auslaß auf, durch welchen Wasser aus der Kammer austritt. Eine Verwirbelungseinrichtung, die an dem Einlaß angeordnet ist, bringt eine Wirbelbewegung auf das Gas auf, die (1) das Wasser zentrifugal auf die zylindrische Wand treibt, und (2) die Wasserlage, die sich an der Wand bildet, in Richtung des Aus lasses drängt. Ein Sumpf liegt unter dem Auslaß des Sammelrohres, um das Wasser zu sammeln, das entlang der Wand durch das Verwirbelungs gas zu dem Auslaß gedrückt worden ist. Eine Leiteinrichtung zwischen dem Auslaß und dem Sumpf dient dazu, das Wasser in den Sumpf zu len ken, während verhindert wird, daß Wasser in dem Sumpf aus dem Sumpf entweichen und wieder in das Trägergas eintreten kann. Eine bevorzugte derartige Leiteinrichtung weist eine Vielzahl von Öffnungen darin auf, durch welche das Wasser in den Sumpf eintritt, und umgibt am bevor zugtesten den Auslaß des Sammelrohres. Der Sumpf weist einen Ablauf auf, um jegliches Wasser ablaufen zu lassen, das sich in dem Sumpf an sammelt. Der Ablauf umfaßt ein Absperrventil, das eine Durchströmung durch den Ablauf bzw. dessen Absperrung steuert, wobei das Ventil schließt, um einen Abfluß des Wassers von dem Sumpf zu verhindern, damit noch immer ausreichend Wasser in dem Sumpf ist, um eine Flüs sigkeitsabdichtung zu schaffen, die ein Entweichen des Trägergases durch den Ausfluß verhindert. Ein Öffnen und Schließen des Ventiles wird durch einen Schalter (beispielsweise einen Schwimmerschalter) gesteuert, der das Niveau des Wassers in dem Sumpf bestimmt und ein Schließen des Ventils auslöst, bevor das Niveau des Wassers in dem Sumpf zu niedrig wird, um ein Entweichen des Trägergases durch den Ablauf zu verhin dern. Der Abscheider umfaßt auch ein Abgasrohr mit einer Mündung an einem Ende, die im wesentlichen konzentrisch und radial innerhalb der Wand des Sammelrohres angeordnet ist. Die Mündung des Abgasrohres nimmt wasserabgereichertes Trägergas von dem Längszentralbereich der Kammer auf. Ein Abgasende an dem anderen Ende des Abgasrohres ent gegengesetzt der Mündung trägt das wasserabgereicherte Trägergas von dem Abscheider beispielsweise in einen Brenner aus. Bei der bevorzugte sten Ausführungsform der Erfindung ist die Brennstoffzelle eine PEM Brennstoffzelle, und das System umfaßt ferner einen Befeuchter ober stromig der Brennstoffzelle, der Wasser von dem Reservoir zur Befeuch tung des Kathodenluftstromes aufnimmt. Das Wasser könnte ähnlicher weise von dem Reservoir an den Brennstoffprozessor oder Wasser-Gas-Shift-Reaktor gelenkt werden.

Bei einer Ausführungsform des Abscheiders, der für eine In-Line-Anordnung (Reihenanordnung) in einem Brennstoffzellensystem angepaßt ist, sind die Sammel- und Abgasrohre zueinander entlang einer gemein samen Achse ausgerichtet, so daß der Einlaß zu dem Sammelrohr der Mündung des Abgasrohres gegenübersteht und mit dem Abgasende des Abgasrohres ausgerichtet ist. Bei einer anderen Ausführungsform liegt die Mündung des Abgasrohres auf derselben Längsachse wie das Sammel rohr, aber das Abgasende des Abgasrohres liegt entlang einer anderen Achse, die unter einem spitzen Winkel (beispielsweise 90°) zu der Längs achse des Sammelrohres liegt. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform weist das Sammelrohr einen Einlaß an einem Ende, einen Auslaß an dem entgegengesetzten Ende, eine Stirnwand benachbart des Auslasses auf, und die Mündung des Abgasrohres steht der Stirnwand so gegenüber, daß das Gas (a) in einer ersten allgemeinen Richtung entlang der Wand des Sammelrohres von dem Einlaß in Richtung der Stirnwand strömt, und (b) anschließend von der Stirnwand abgelenkt wird, so daß es durch das Zentrum des Sammelrohres in einer zweiten allgemeinen Richtung, die der ersten allgemeinen Richtung entgegengesetzt ist, und in die Mündung des Abgasrohres strömt. Diese letztgenannte Ausführungsform ist insbesondere für von einer In-Line-Anordnung verschiedene Anordnungen verwend bar.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Fig. 1 ist ein Schema eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorlie genden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht einer Ausführungsform eines Was serabscheiders, der in Brennstoffzellensystemen gemäß der vor liegenden Erfindung verwendbar ist.

Fig. 3 ist eine isometrische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Wasserabscheiders, der in Brennstoffzellensystemen ge mäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.

Fig. 4 ist eine Stirnansicht in der Richtung 4-4 von Fig. 3.

Fig. 5 ist eine Seitenschnittansicht in der Richtung 5-5 von Fig. 4.

Fig. 6 ist ein Schema eines anderen Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren anhand bestimmter Ausführungsformen detailliert beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein PEM-Brennstoffzellensystem mit einem autothermischen Reformer 2 des Typs, der oben beschrieben ist, mit: (1) einem POX-Abschnitt zur partiellen Oxidation von Benzin von Leitung 4 mit einer unterstöchiometrischen Menge an Luft von Leitung 6, um einen Abfluß zu bilden, der Methan, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendi oxid umfaßt; und (2) einem SR-Abschnitt unterstromig des POX-Abschnittes zur Reaktion des über POX erzeugten Methans mit Dampf von Leitung 8, um mehr Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid zu bil den. Das Reformat oder der Abfluß von dem autothermischen Reaktor 2 verläßt den autothermischen Reaktor 2 über Strom 10 und tritt in einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor 12 ein, in welchem dieser mit Dampf von Lei tung 14 reagiert, um das CO in dem Reformat in Wasserstoff und CO₂ umzuwandeln. Das CO-gereinigte Reformat verläßt den Wasser-Gas-Shift-Reaktor 12 über Strom 16 und tritt in einen PrOx-Reaktor 18 ein, in wel chem er durch Reaktion mit Sauerstoff (als Luft) weiter von CO gereinigt wird, wie oben beschrieben ist. Das CO-gereinigte Reformat verläßt den PrOx-Reaktor 18 über Strom 20 und tritt in die Anodenseite einer PEM- Brennstoffzelle 22 ein. Nach Reaktion in der Brennstoffzelle 22 verläßt wasserstoffabgereichertes Reformat (auch bekannt als Anodenabgas) die Anodenseite der Brennstoffzelle 22 über Strom 24 und tritt in einen Bren ner 26 ein, in welchem dieses verbrannt wird, um jegliches restliches H₂ zu beseitigen und Wärme zur Verwendung an einer beliebigen Stelle in dem System (beispielsweise in dem autothermischen Reformer 12 oder ei ner Verdampfungseinheit 28 zu erzeugen.

Luft wird an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 über Strom 30 ge liefert, nachdem diese in dem Befeuchter 32 befeuchtet worden ist, um die erforderliche Feuchtigkeit für die Polymerelektrolytmembran der PEM-Brennstoffzelle 22 zu schaffen. Die Brennstoffzelle 22 erzeugt Wasser als ein Nebenprodukt und stößt dieses in den Kathodenluftstrom (auch be kannt als Kathodenabgas) 34 aus. Das Kathodenabgas verläßt die Brenn stoffzelle als ein Gas, das eine merkliche Menge an Wasser enthält, d. h. in einem ringförmig verteilten Strömungszustand als darin enthaltene Was sertröpfchen und ein Film an der Wand des Abgasrohres. Wenn das Ka thodenabgas in Leitung 34 mit flüssigem Wasser beladen in den Brenner 26 eintreten würde, könnte das Wasser den Brennerkatalysator über schwemmen und/oder die darin ablaufende Verbrennung löschen und die Wirksamkeit des Brenners 26 wesentlich verringern. Gemäß der vorlie genden Erfindung ist ein Wasserabscheider 36 zwischen der Brennstoff zelle 22 und dem Brenner 26 angeordnet, um flüssiges Wasser von dem Kathodenabgas in Leitung 34 zu trennen. Das wasserabgereicherte Ka thodenabgas verläßt den Abscheider über Strom 38, während das Wasser, das von dem Abgas getrennt ist, den Abscheider 36 über einen Ablauf 40 verläßt und an ein Reservoir 42 zur zeitweiligen Speicherung und nachfol genden Wiederverwendung in dem System je nach Bedarf befördert wird. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform betrifft diese Wiederverwen dung die Förderung des Wassers von dem Reservoir 42 an die Verdamp fungseinrichtung 28 zur Verdampfung darin und nachfolgenden Lieferung an den autothermischen Reformer 2 über Leitung 8 und/oder an den Wasser-Gas-Shift-Reaktor 12 wie auch den Befeuchter 32.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer Ausführungsform eines Was serabscheiders 50 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei diese Ausfüh rungsform insbesondere bei Situationen nützlich ist, wenn das System so angeordnet ist, daß die Systemkomponenten, die durch den Wasserab scheider verbunden sind, nicht direkt in Reihe (nicht In-Line) zueinander sind - d. h. sie sind so orientiert, daß der wasserbeladene Strom in den Ab scheider in einer ersten Richtung strömend eintritt und den Abscheider in einer zweiten Richtung strömend verläßt, die unter einem spitzen Winkel zu der ersten Richtung liegt. Genauer zeigt Fig. 2 einen Wasserabscheider 50 mit einem Sammelrohr 52, das einen Einlaß 54 zum Zuführen eines wasserbeladenen Brennstoffzellensystemstromes in den Abscheider 50 und einen Auslaß 56 aufweist, durch den Wasser das Sammelrohr 52 verläßt. Das Sammelrohr 52 weist eine innere zylindrische Wand 58 auf, die eine Sammelkammer 60 definiert. Eine Stirnwand 62 benachbart des Auslasses 56 schließt das Rohr 52 ab. Der Einlaß 54 ist tangential zu dem Rohr 52 angeordnet, so daß bewirkt wird, daß der wasserbeladene Strom, der in das Rohr 52 eintritt, entlang der Wand 58 in einer schnell verwir belnden Bewegung strömt, die zur Folge hat, daß jegliches Wasser in dem Strom, der in das Rohr 52 eintritt, durch Zentrifugalkraft an die Wand 58 geschleudert wird. Ein gekrümmtes Abgasrohr 64, das in der Nähe des Einlaßendes 54 des Sammelrohres 52 angeordnet ist, weist eine Mündung 66 an einem Ende zur Aufnahme des wasserabgereicherten Stromes von dem Zentrum der Sammelkammer und ein Abgasende 68 zum Austrag des wasserabgereicherten Stromes von dem Abscheider 50 (beispielsweise an den Brenner 26 von Fig. 1) auf. Daher liegt bei dieser Ausführungsform das Zentrum der Mündung 66 des Abgasrohres 64 und die Zentrallinie des Sammelrohres 52 auf einer gemeinsamen Achse A-A, und das Zen trum des Abgasendes liegt auf einer anderen Achse B-B unter einem spit zen Winkel zu der Achse A-A.

Unter dem Auslaßende 56 des Sammelrohres 52 liegt ein Sumpf 70, der dazu dient, das Wasser zu sammeln, das anfänglich an die Wand 58 ge schleudert wurde und sich anschließend entlang der Wand 58 in Richtung des Sumpfes 70 durch die Wirkung des verwirbelnden Trägergases bewegt hat, das sich entlang der Länge des Sammelrohres 52 bewegt. Eine kup pelförmige Leiteinrichtung 72 mit einer Vielzahl von Öffnungen 74 an ih rem Umfang krönt den Sumpf 70 und ermöglicht, daß das Wasser in den Sumpf 70 laufen kann, während gleichzeitig verhindert wird, daß das Wasser in dem Sumpf in den wasserabgereicherten Strom wiederaufge nommen werden kann, der sich durch die Kammer 60 in die Mündung 66 des Abgasrohres 64 bewegt. Ein Schwimmerschalter 76 erfaßt das Niveau des Wassers in dem Sumpf 70 und signalisiert das Öffnen und Schließen eines Absperrventiles 78, das in einem Ablaufrohr 80 angeordnet ist, das zu dem Reservoir 42 in Fig. 1 führt. Diesbezüglich wird der Schalter 76 eingestellt, um ein Schließen des Ventils 78 auszulösen, bevor der Sumpf 70 vollständig leer ist, und insbesondere, damit ausreichend Wasser in dem Sumpf 70 verbleibt, um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die ver hindert, daß das durch den Abscheider 50 strömende Trägergas von dem Abscheider 50 durch das Ablaufrohr 80 entweichen kann.

Die Fig. 3-5 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines Wasserab scheiders gemäß der vorliegenden Erfindung, der insbesondere zur Posi tionierung in einem wasserbeladenen Strom eines Brennstoffzellensystems ausgebildet ist, das so angeordnet ist, daß die Systemkomponenten, die durch den Wasserabscheider verbunden sind, direkt in Reihe (In-Line) zu einander sind. Genauer zeigen die Fig. 3-5 einen Wasserabscheider 82 mit (1) einem Sammelrohr 84 mit einem Einlaß 86 für einen wasserbeladenen Strom und einem Wasserauslaß 88, (2) ein Abgasrohr 90 mit einer Mün dung 92 zur Aufnahme eines flüssigen wasserabgereicherten Dampfstro mes von dem Sammelrohr 84 und einem Abgasende 94 zum Austrag von wasserabgereichertem Dampf-/Trägergas von dem Abscheider (beispielsweise an einen Brenner), und (3) ein Gehäuse 96, das den Auslaß 88 umgibt. Ein perforierter Zylinder oder Schirm 98, der radial innerhalb des Gehäuses 96 angeordnet ist, umgibt auch den Auslaß 88 und dient als eine Leiteinrichtung, die zuläßt, daß Wasser durch diese in einen dar unterliegenden Sumpf 100 fließen kann, während verhindert wird, daß Wasser, das in den Sumpf 100 eingetreten ist, in den Dampfstrom, der durch den Abscheider 82 strömt, wieder aufgenommen wird. Eine Verwir belungseinrichtung 102 ist in dem Einlaß 86 zu dem Sammelrohr 84 an geordnet und umfaßt eine Vielzahl bogenförmiger Schaufeln 104, die zur Folge haben, daß der eintretende wasserbeladene Strom ähnlich eines Wirbels/Zyklons verwirbelt wird und jegliche darin enthaltene Wasser tröpfchen davon an die Innenwand 106 des Sammelrohres 84 getrieben werden. Gleichzeitig drängt die Strömung des Trägergases/Dampfes ent lang der Wand in Richtung des Auslasses 88 das auf der Wand 106 abge schiedene Wasser in Richtung des Auslasses 88, von wo es durch die Öff nungen 108 und in den Sumpf 100 gelangt. Das wasserabgereicherte Trä gergas/der wasserabgereicherte Dampf in dem Zentrum des Sammelroh res 84 tritt in die Mündung 92 des Abgasrohres 90 ein und verläßt das Abgasrohr 90 durch das Abgasende 94. Ein Schwimmerschalter 110 er faßt das Niveau des Wassers in dem Sumpf 100 und signalisiert das Öff nen und Schließen eines Absperrventiles 112, das in einem Ablaufrohr 114 angeordnet ist, das zu dem Reservoir 42 in Fig. 1 führt. Ähnlich dem Schalter 76 von Fig. 2 wird der Schwimmerschalter 110 so eingestellt, um ein Schließen des Ventils 112 auszulösen, bevor der Sumpf 100 vollstän dig leer ist, und es bleibt ausreichend Wasser in dem Sumpf 100, um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die verhindert, daß der Trägergas-/Dampfstrom, der durch den Wasserabscheider 82 strömt, von dem Was serabscheider 82 durch das Ablaufrohr 114 entweichen kann. Bei dieser Ausführungsform ist der Wasserabscheider zur Anbringung zwischen Sy stemkomponenten ausgebildet, die in Reihe (In-Line) zueinander liegen, und daher teilen sich das Sammelrohr 84 und das Abgasrohr 90 eine ge meinsame Zentralachse C-C.

Fig. 6 ist ein Schema einer anderen Ausführungsform des Brennstoffzel lensystemes der vorliegenden Erfindung, wobei die Kathodenluft, die an die PEM-Brennstoffzelle 116 über den Strom 118 geliefert wird, zuerst durch einen Befeuchter 120 befeuchtet wird. Ein wasserbeladener Katho denabgasstrom 122 tritt in den Wasserabscheider 124 (d. h. siehe Fig. 3-5) ein, wo das darin enthaltene Wasser davon abgezogen und an ein Reser voir 126 gelenkt und anschließend zurück an den Befeuchter 120 gelenkt wird. Der flüssige wasserabgereicherte Kathodenabgasstrom 128 wird an einen Brenner 130 gelenkt, wo er zusammen mit dem H₂ in dem Anoden abgasstrom 132 verbrannt wird. Der Anodenbrennstoffstrom kann aus einer Vielzahl von Quellen stammen, wie oben beschrieben ist, und ist hier als gespeicherter Wasserstoff 134 gezeigt.

Die Fig. 7 & 8 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, die ähnlich zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist, aber wobei das Abgasrohr 136 ein Auslaßende 138 aufweist, dessen Zentrallinie von der Zentrallinie des Einlasses 148 geringfügig versetzt ist, aber ansonsten all gemein in Reihe (In-Line) mit dem Einlaß 148 angeordnet ist.

Der Abscheider der vorliegenden Erfindung könnte an einem beliebigen anderen Ort innerhalb des Brennstoffzellensystemes einschließlich unter stromig des Brenners angeordnet sein. Überdies können zusätzliche Aus rüstungsteile, wie beispielsweise Brenner, unmittelbar oberstromig des Wasserabscheiders zur weiteren Wasserentfernung angeordnet sein.

Ein Brennstoffzellensystem umfaßt einen kompakten Wasserabscheider mit niedrigem Druckverlust und hohem Wirkungsgrad zum Abtrennen von flüssigem Wasser von wasserbeladenen Strömen des Systems. Ein Zy klonabscheider umfaßt einen Sumpf zum Sammeln des Wassers, einen Ablauf zur Entfernung des Wassers von dem Sumpf und zum Lenken des selben zu einem Reservoir, ein Absperrventil in Verbindung mit dem Ab lauf zu Steuerung der Strömung durch den Ablauf, und einen Wasserni veauschalter, der das Öffnen/Schließen des Ventils steuert. Der Schalter löst ein Schließen des Ventils aus, bevor der Sumpf geleert ist, um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die ein Entweichen des Gases durch den Ablauf verhindert.

Claims

1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Quelle für H₂-reiches Brennstoffgas, die einen Brennstoffstrom für die Brennstoffzelle liefert, einer Quelle für Sauerstoff, die einen Oxi dationsmittellstrom zur elektrochemischen Reaktion mit dem H₂-reichen Brennstoffgas in der Brennstoffzelle liefert, einem Ab gasstrom, der H₂-abgereichertes Brennstoffgas umfaßt, einem Kathodenabgasstrom, der Wasser, Sauerstoff und Stickstoff um faßt, welche die Brennstoffzelle verlassen, zumindest einem Was serabscheider zur Entfernung von Wasser von zumindest einem der Ströme, der mit Wasser beladen ist, und einem Reservoir zum Sammeln des Wassers, das von dem wasserbeladenen Strom ent fernt wird, zur Wiederverwendung in dem System, wobei der Ab scheider ein Zyklonabscheider ist, der umfaßt: ein Sammelrohr, das eine innere zylindrische Wand aufweist, die eine Sammel kammer definiert, durch welche der wasserbeladene Strom strömt, wobei das Sammelrohr einen Einlaß, durch den der was serbeladene Strom in die Kammer eintritt, und einen Auslaß um faßt, durch den das Wasser die Kammer verläßt, eine Verwirbe lungseinrichtung an dem Einlaß, um eine Wirbelbewegung auf den wasserbeladenen Strom in der Kammer aufzubringen, die das Wasser zentrifugal aus dem wasserbeladenen Strom auf die Wand treibt und das Wasser entlang der Wand in Richtung des Auslas ses drängt, einen Sumpf, der unterhalb des Auslasses liegt, um Wasser zu sammeln, das entlang der Wand zu dem Auslaß ge wandert ist, eine Leiteinrichtung zwischen dem Auslaß und dem Sumpf zum Zuführen des Wassers in den Sumpf, während ver hindert wird, daß Wasser in dem Sumpf aus dem Sumpf zurück in den zumindest einen Strom entweichen kann, einen Ablauf in Verbindung mit dem Sumpf, damit das Wasser von dem Sumpf in das Reservoir abfließen kann, ein Ventil, das wirksam mit dem Ablauf in Verbindung steht, um das Abfließen so zu steuern, daß ein ausreichendes Wasserniveau in dem Sumpf beibehalten wird, um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die verhindert, daß der wasserbeladene Strom von dem Abscheider über den Ablauf ent weichen kann, einen Schalter in Verbindung mit dem Sumpf zur Auslösung des Schließens des Ventils, wenn das Niveau erreicht ist, ein Abgasrohr mit einer Mündung an einem Ende, die im we sentlichen konzentrisch zu dem Sammelrohr innerhalb der Wand zur Aufnahme des zumindest einen wasserabgereicherten Stro mes von der Kammer angeordnet ist, und einem Abgasende zum Austrag des zumindest einen wasserabgereicherten Stromes von dem Abscheider.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der wasserbela dene Strom oberstromig der Brennstoffzelle vorliegt.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der wasserbela dene Strom unterstromig der Brennstoffzelle vorliegt.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der wasserbela dene Strom der Kathodenabgasstrom ist.

5. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Quelle für H₂-reiches Brennstoffgas zur Beschickung der Brennstoffzelle, ei ner Quelle für Sauerstoff zur elektrochemischen Reaktion mit dem H₂-reichen Brennstoffgas in der Brennstoffzelle, einem Was serabscheider unterstromig der Brennstoffzelle zur Entfernung von Wasser von einem Trägergas, das die Brennstoffzelle verläßt, und einem Reservoir zum Sammeln des Wassers, das von dem Trägergas entfernt wird, zur Wiederverwendung in dem System, wobei der Abscheider ein Zyklonabscheider ist, der umfaßt: ein Sammelrohr, das eine innere zylindrische Wand aufweist, die eine Sammelkammer definiert, durch welche das Trägergas strömt, wobei das Sammelrohr einen Einlaß, durch den das Trägergas in die Kammer eintritt, und einen Auslaß umfaßt, durch den das Wasser die Kammer verläßt, eine Verwirbelungseinrichtung an dem Einlaß, um eine Wirbelbewegung auf das Trägergas in der Kammer aufzubringen, die das Wasser zentrifugal aus dem Trä gergas auf die Wand treibt und das Wasser entlang der Wand in Richtung des Auslasses drängt, einen Sumpf, der unterhalb des Auslasses liegt, um Wasser zu sammeln, das entlang der Wand zu dem Auslaß gewandert ist, eine Leiteinrichtung zwischen dem Auslaß und dem Sumpf zum Zuführen des Wassers in den Sumpf, während verhindert wird, daß Wasser in dem Sumpf aus dem Sumpf entweichen und in das Trägergas wieder eintreten kann, einen Ablauf in Verbindung mit dem Sumpf, damit das Wasser von dem Sumpf in das Reservoir abfließen kann, ein Ven til, das wirksam mit dem Ablauf in Verbindung steht, um das Ab fließen so zu steuern, damit ein ausreichendes Wasserniveau in dem Sumpf beibehalten wird, um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die verhindert, daß das wasserbeladene Trägergas von dem Abscheider über den Ablauf entweichen kann, einen Schalter in Verbindung mit dem Sumpf zur Auslösung des Schließens des Ventils, wenn das Niveau erreicht ist, ein Abgasrohr mit einer Mündung an einem Ende, die im wesentlichen konzentrisch zu dem Sammelrohr innerhalb der Wand zur Aufnahme von wasser abgereichertem Trägergas von der Kammer angeordnet ist, und einem Abgasende zum Austrag des wasserabgereicherten Träger gases von dem Abscheider.

6. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Brenn stoffprozessor zur Umwandlung einer wasserstoffhaltigen Flüssig keit in ein CO-haltiges, H₂-reiches Brennstoffgas zur Beschickung der Brennstoffzelle, einem Wasser-Gas-Shift-Reaktor unterstro mig des Brennstoffprozessors zur Reaktion des CO-haltigen, H₂-reichen Brennstoffgases mit Dampf, um den H₂-Gehalt zu erhö hen und den CO-Gehalt des CO-haltigen, H₂-reichen Brennstoff gases zu verringern, einem Wasserabscheider unterstromig der Brennstoffzelle zur Entfernung von Wasser von einem Trägergas, das die Brennstoffzelle verläßt, und einem Reservoir zum Sam meln des Wassers, das von dem Trägergas entfernt ist, zur nach folgenden Verteilung an den Brennstoffprozessor und den Was ser-Gas-Shift-Reaktor, wobei der Abscheider ein Zyklonabschei der ist, der umfaßt: ein Sammelrohr, das eine innere zylindrische Wand aufweist, die eine Sammelkammer definiert, durch welche das Trägergas strömt, wobei das Rohr einen Einlaß, durch den das Trägergas in die Kammer eintritt, und einen Auslaß umfaßt, durch den das Wasser die Kammer verläßt, eine Verwirbelungs einrichtung an dem Einlaß, um eine Wirbelbewegung auf das Trägergas in der Kammer aufzubringen, die das Wasser zentrifu gal aus dem Trägergas und auf die Wand treibt und das Wasser entlang der Wand in Richtung des Auslasses drängt, einen Sumpf, der unterhalb des Auslasses liegt, um Wasser zu sam meln, das entlang der Wand zu dem Auslaß gewandert ist, eine Leiteinrichtung zwischen dem Auslaß und dem Sumpf zum Zu führen des Wassers in den Sumpf, während verhindert wird, daß Wasser in dem Sumpf aus dem Sumpf entweichen und in das Trägergas wieder aufgenommen werden kann, einen Ablauf in Verbindung mit dem Sumpf, damit das Wasser von dem Sumpf in das Reservoir abfließen kann, einem Ventil, das wirksam mit dem Ablauf in Verbindung steht, um das Abfließen so zu steuern, daß ein ausreichendes Wasserniveau in dem Sumpf beibehalten wird, um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die verhindert, daß das Trägergas von dem Abscheider über den Ablauf entweichen kann, einen Schalter in Verbindung mit dem Sumpf zur Auslösung des Schließens des Ventils, wenn das Niveau erreicht ist, ein Abgas rohr mit einer Mündung an einem Ende, die im wesentlichen kon zentrisch zu dem Sammelrohr innerhalb der Wand zur Aufnahme von wasserabgereichertem Trägergas von der Kammer angeordnet ist, und einem Abgasende zum Austrag des wasserabgereicherten Trägergases von dem Abscheider.

7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Brennstoff zelle eine PEM-Brennstoffzelle ist und das System ferner einen Befeuchter zur Befeuchtung des H₂-reichen Brennstoffgases um faßt, bevor dieses in die Brennstoffzelle eintritt, und das Reservoir Wasser an den Befeuchter liefert.

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Sammelrohr und das Abgasrohr zueinander entlang einer gemeinsamen Achse so ausgerichtet sind, daß der Einlaß der Mündung gegenüber steht.

9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Mündung und das Sammelrohr entlang einer gemeinsamen Achse liegen, und das Abgasende entlang einer anderen Achse unter einem spitzen Winkel zu der gemeinsamen Achse liegt.

10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Leiteinrich tung eine Vielzahl von Öffnungen darin aufweist, durch welche das Wasser in den Sumpf eintritt.

11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Leiteinrich tung den Auslaß umgibt und eine Vielzahl von Öffnungen darin umfaßt, durch welche die Flüssigkeit in den Sumpf eintritt.

12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Verwirbe lungseinrichtung eine Vielzahl bogenförmiger Schaufeln umfaßt, die in dem Einlaß positioniert sind.

13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Verwirbe lungseinrichtung den Einlaß so angeordnet und ausgebildet um faßt, damit das Trägergas tangential in das Sammelrohr einge führt wird.

14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Sammelrohr den Einlaß an einem Ende, den Auslaß an dem entgegengesetzten Ende, eine Stirnwand benachbart des Auslasses umfaßt und die Mündung der Stirnwand gegenübersteht, wobei das Gas (a) in ei ner ersten allgemeinen Richtung entlang der Wand von dem Ein laß in Richtung der Stirnwand strömt und (b) von der Stirnwand abgelenkt wird, so daß es in einer zweiten allgemeinen Richtung, die der ersten allgemeinen Richtung entgegengesetzt ist, in dem Zentrum des Sammelrohres und in die Mündung strömt.