DE10151665A1

DE10151665A1 - Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung für Brennstoffzellensysteme

Info

Publication number: DE10151665A1
Application number: DE10151665A
Authority: DE
Inventors: Trevor T Grover; Jameson R Forte
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: US6869469B2; US6485854B1; JP2002177720A; US20030019363A1; DE10151665B4; JP3789801B2

Abstract

Ein Wasserabscheider, der zur Verwendung in Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen besonders geeignet ist. Der Abscheider hat ein Gehäuse mit einem Einlass, einem Auslass und einem längsgerichteten Durchflusskanal, welcher sich dazwischen erstreckt. Eine zentrale Welle erstreckt sich entlang des Durchflusskanals und eine Mehrzahl modularer Ablenkplatten ist an der Welle übereinander angeordnet. Jede Ablenkplatte umfasst eine ringförmige Nabe, welche auf der Welle sitzt und mehrere Flügel aufweist, welche in kreisförmiger Weise mit Abständen an dieser angebracht sind und sich von der Nabe radial nach außen erstrecken, um einen Teil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals zu blockieren. Ein Stellglied bewegt ein Ende der Welle und jede zweite Ablenkplatte ist mit der Welle verbunden, so dass die Bewegung des Stellelementes die modularen Ablenkplatten rotiert und so die Querschnittsblockadefläche, die durch die Ablenkplatten vorgegeben wird, gezielt verändert werden kann. Das Stellglied wird in Abhängigkeit von gemessenen Parametern der Brennstoffzelle, wie der Feuchtigkeit eines komprimierten Gasstroms, welcher der Zelle zugeführt wird, der Massenströmung des Gasstroms, der Temperatur und dem Druck innerhalb der Zelle oder dem elektrischen Strom, welcher von der Zelle produziert wird, angetrieben. In dieser Anordnung und mit diesen Parametern kann der Abscheider zu bestimmten Zeitpunkten und kontinuierlich angesteuert werden, um einen bestimmten Grad der Drosselung zu ...

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, insbesondere auf ein System, bestehend aus einer Mehrzahl von Zellen, welche ein H₂-reiches Gas verbrauchen, um Leistung zu produzieren.

Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als Energiequelle genutzt. So werden Brennstoffzellen zum Beispiel für die Verwendung in Anlagen zur elektrischen Energieerzeugung in Fahrzeugen vorgeschlagen, um Verbrennungsmotoren zu ersetzen. In Brennstoffzellen, welche Protonen austauschmembrane (PEM) verwenden, wird Wasserstoff der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und Sauerstoff der Kathode als Oxidationsmittel zugeführt. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenbau gruppe (MEA), welche eine dünne protonendurchlässige, nicht elektrisch leitende, feste Polymerelektrolytmembran umfassen, welche den Anoden katalysator auf einer seiner Seiten und den Kathodenkatalysator auf der gegenüberliegenden Seite hat. Das MEA ist zwischen einem Paar elekt risch leitender Elemente eingeklemmt, welche erstens als Stromabnehmer für Anode und Kathode dienen, und zweitens entsprechende Kanäle und/oder Öffnungen enthalten, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberfläche der entsprechenden Anoden und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Die Bezeichnung Brennstoffzelle wird typischerweise sowohl für eine einzelne Zelle als auch eine Mehrzahl von Zellen (Stapel) abhängig vom jeweiligen Kontext verwendet. Im Allgemei nen wird eine Mehrzahl von einzelnen Zellen zu einem Brennstoffzellen stapel verbunden und sind im Allgemeinen in Serie angeordnet. Jede Zelle innerhalb des Stapels umfasst die vorher erwähnte Membranelektroden baugruppe (MEA), und jedes dieser MEAs liefert eine entsprechende Zu nahme der Spannung. Eine Gruppe benachbarter Zellen innerhalb des Stapels wird als Cluster bezeichnet. Typische Anordnungen von mehreren Zellen in einem Stapel sind im US-Patent Nr. 5,763,113 der General Mo tors Corporation beschrieben.

In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H₂) der Anodenreaktand (z. B., Brennstoff), und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (z. B. Oxidationsmit tel). Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) vorliegen oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) oder als O₂ in Kombination mit anderen Gasen. Die festen Polymerelektrolyten werden typischerweise aus Ionen austauschharzen, wie zum Beispiel perfluorierte Sulfonsäuren, hergestellt. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein geteilte, katalytische Teilchen, welche oft auf Kohlenstoffteilchen geträgert werden und mit einem protonenleitenden Harz gemischt werden. Die katalytischen Teil chen sind typischerweise kostspielige Edelmetallteilchen. Diese Membran elektrodenbaugruppen sind relativ teuer in der Herstellung und erfordern bestimmte Betriebsbedingungen einschließlich der richtigen Handhabung des Wassers und der Befeuchtung und der Überwachung von Bestandtei len, wie Kohlenmonoxid (CO), welche den Katalysator verschmutzen, um einen wirksamen Betrieb zu erreichen.

Für die Anwendung in Fahrzeugen ist es wünschenswert, einen flüssigen Brennstoff, wie zum Beispiel einen Alkohol (z. B. Methanol oder Ethanol) oder Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzin) als Wasserstoffquelle für die Brenn stoffzelle zu verwenden. Solche flüssigen Brennstoffe für das Fahrzeug sind leicht an Bord zu speichern, und es existiert eine landesweite Infra struktur zur Versorgung mit flüssigen Brennstoffen. Solche Brennstoffe müssen jedoch zersetzt werden, um den Wasserstoffinhalt davon zu lösen und als Brennstoff für die Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen. Die Abspaltungsreaktion wird innerhalb einer Vorrichtung zur chemischen Brennstoffverarbeitung oder eines Reformers erreicht. Die Vorrichtung zur chemischen Brennstoffverarbeitung enthält einen oder mehrere Reakto ren, in welchen der Brennstoff mit Dampf oder manchmal Luft reagiert, um ein reformiertes Gas zu erhalten, welches hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid umfasst. Im Dampf/Methanol-Reformierungsverfahren wird zum Beispiel Methanol und Wasser (als Wasserdampf) idealerweise so zur Reaktion gebracht, dass Wasserstoff und Kohlendioxid entsteht. In der Realität werden auch Kohlenmonoxid und Wasser produziert. In ei nem Benzinreformierungsverfahren werden Dampf, Luft und Benzin in einer Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung zur Reaktion gebracht, welche aus zwei Teilen besteht. Einer ist vor allem ein partieller Oxidati onsreaktor (POX), und der andere ist vor allem ein Dampfreformer (SR). Die Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung produziert Wasserstoff, Kohlendi oxid, Kohlenmonoxid und Wasser. Nachfolgende Reaktoren können Was ser/Gas-Shiftreaktoren (WGS) und "preferential oxidizer"(PROX)-Reakto ren umfassen. In einem PROX-Reaktor wird Kohlendioxid aus Kohlenmo noxid hergestellt, wobei Sauerstoff aus der Luft als Oxidationsmittel ver wendet wird. Hier ist die Regelung des Luftzuflusses wichtig, um selektiv CO zu CO₂ zu oxidieren.

Brennstoffzellensysteme, welche einen Kohlenwasserstoffbrennstoff verar beiten, um ein wasserstoffreiches Reformat zum Verbrauch durch die PEM-Brennstoffzelle zu produzieren, sind bekannt und beschrieben in anhängigen Patentanmeldungen in den USA mit den Seriennummern 08/975,422 und 08/980,087, welche im November 1997 eingereicht wurden und mit der US Seriennummer 09/187,125, welche im November 1998 eingereicht wurde, welche alle an die General Motors Corporation, die Anmelderin der vorliegenden Erfindung, übertragen wurden sowie in der Internationalen Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 98/08771, welche am 5. März 1998 veröffentlicht wurde. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und seine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) sind in den US-Patenten mit den Nrn. 5,272,017 und 5,316,871, erteilt am 21. Dezember 1993 bzw. am 31. Mai 1994, beschrieben, welche an die Gene ral Motors Corporation übertragen wurden.

Der effiziente Betrieb eines Brennstoffzellensystems hängt von der Fähig keit ab, ein wirkungsvolles Wassermanagement im System zur Verfügung zu stellen und speziell die Wiedergewinnung und Wiederverwendung des Wassers im System zu regeln.

Ein Brennstoffzellensystem produziert Wasser als ein Ergebnis der elekt rochemischen Reaktion, welche in einem Brennstoffzellenstapel abläuft. Der physikalische Zustand des produzierten Wassers hängt von der Tem peratur und dem Druck ab, bei welchem die elektrochemische Reaktion abläuft. Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass das produzierte Wasser dampfförmig bei höheren Temperaturen und niedrigeren Drücken und flüssig bei niedrigeren Temperaturen und höheren Drücken sein wird. Daher ist es möglich, dass das produzierte Wasser als Flüssigkeit auftritt, wenn der Brennstoffzellenstapel kalt ist und allmählich in Wasserdampf übergeht, wenn der Stapel die volle Arbeitstemperatur erreicht.

Es ist notwendig, das produzierte Wasser kontinuierlich wiederzugewin nen, um es für andere Zwecke innerhalb des Brennstoffzellensystems nutzen zu können, zum Beispiel, um der Vorrichtung zur Brennstoffverar beitung Wasser als Reaktionspartner zur Verfügung zu stellen. Das Was ser wird unterschiedlich, abhängig von seinem physikalischen Zustand, wiedergewonnen. In flüssiger Form wird das produzierte Wasser typi scherweise durch eine mechanische Wasser-Trenneinrichtung wieder gewonnen; in Dampfform wird das produzierte Wasser typischerweise mittels eines Kondensators wiedergewonnen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Wasser-Trenneinrichtung, um das vorhandene, flüssige Wasser wiederzugewinnen, wenn dieses vorhanden ist.

Die Auslegung eines mechanischen Trenneinrichtungs für flüssiges Was ser stellt eine Abwägung zwischen dem Wirkungsgrad der Abscheidung, dem Druckverlust im Gasstrom und dem physikalischen Volumen dar. Das Ziel ist es, den Wirkungsgrad der Abscheidung zu maximieren, den Druckverlust im Gasstrom zu minimieren und das physikalische Volumen des Bauteils zu minimieren. Der maximale Abscheidewirkungsgrad wird gewünscht, um genügend produziertes Wasser für andere Verwendungen im System wiederzugewinnen. Der minimale Druckabfall wird gewünscht, um den Leistungsbedarf im System zu minimieren und so den gesamten Wirkungsgrad des Systems zu vergrößern. Das minimale, physikalische Volumen wird gewünscht, damit das Bauteil einfach in Brennstoffzellen anwendungen in Fahrzeugen integriert werden kann.

Die derzeit verfügbaren, industriellen Wasser-Trenneinrichtungen sind für spezifische Gasflussraten und Wassergehalte entworfen. Da Gasflussraten und Gehalt an flüssigem Wasser in einem Brennstoffzellensystem nicht konstant sind, müssen die derzeitigen Trenneinrichtungdesigns für die größstmöglichen Gasflussraten und den schlechtestmöglichen Wasserge halt dimensioniert sein. Die Folge davon ist ein überdimensioniertes Bau teil, in welchem der maximale Gasfluss und/oder Wassergehalt nur wäh rend eines kleinen Teils der Zeit vorliegt (z. B. Bedingungen beim Start). Das überdimensionierte Bauteil sorgt für einen hohen Druckabfall (schlechter Wirkungsgrad) im Brennstoffzellensystem oder für ein großes, physikalisches Volumen, wodurch die Einsetzung in Brennstoffzellensys temen in Fahrzeugen nicht zweckmäßig ist.

Die vorliegende Erfindung überwindet das beschriebene Problem. Es bietet die Möglichkeit, flüssiges Wasser abzuscheiden, wenn es vorhanden ist, und es erlaubt dem Gas (inklusive Wasserdampf), frei hindurchzufließen, wenn kein flüssiges Wasser vorhanden ist. Der Vorteil ist, dass der Druckabfall in der Trenneinrichtung im System nur bemerkt wird, wenn die Trenneinrichtung im Betrieb aktiv ist. Wenn die Trenneinrichtung nicht benötigt wird, im Falle des Fehlens von flüssigem Wasser, bemerkt das System sein Vorhandensein nicht, was den gesamten Systemwir kungsgrad erhöht. Außerdem eröffnet dies die Möglichkeit, die Trennein richtung mit einem kleineren Volumen zu versehen, da es nur einen klei nen Teil der Zeit wirksam ist. Das bedeutet, dass das kleinere Volumen einen höheren Druckabfall erzeugt, aber der Einfluss auf den Wirkungs grad des Systems wird minimiert, da die Trenneinrichtung nur für einen kleinen Teil der Zeit wirksam ist. Weiterhin ist es möglich, den Abscheide wirkungsgrad entsprechend des Bedarfs an wiedergewonnenem Wasser zu regeln, wenn flüssiges Wasser vorhanden ist.

Gemäß der Erfindung umfasst die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung ein Gehäuse, das einen Einlass, einen Auslass und einen längsgerichteten, sich zwischen Einlass und Auslass erstreckenden Durchflusskanal um fasst bzw. definiert; eine Mehrzahl von Ablenkplatten, welche mit Abstand in Längsrichtung hintereinander in und entlang des Durchflusskanals angeordnet sind, wobei jede einen Teil des Querschnitts des Durchfluss kanals blockiert, und Mittel zur Anbringung der Ablenkplatten für eine Relativbewegung, um den gesamten Blockadequerschnitt, der durch die Ablenkplatten vorgegeben wird, selektiv zu verändern. Mit dieser Anord nung können die einzelnen Ablenkplatten gezielt eingestellt werden, um den gesamten Blockadequerschnitt der durch die Ablenkplatten vorgege ben wird, gezielt zu verändern und dabei die Trenneinrichtung so zu adaptieren, dass sie den spezifischen Gasflussraten und Wassergehalten, welche zu bestimmten Zeitpunkten im System vorliegen, angepasst wird.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jede Ablenkplat te drehbar um eine sich zentrale, durch den Durchflusskanal erstreckende Achse angeordnet. Diese besondere Anordnung erleichtert die relative Einstellung der Ablenkplatten, um sie einem speziellen Szenario des Was sergehalts anzupassen.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst jede Ab lenkplatte eine zentrale Nabe, welche sich auf der Achse befindet, und eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung mit Abstand angeordneten Flü geln, welche sich von der Nabe radial nach außen erstrecken. Diese be sondere Anordnung erleichtert weiter die Fähigkeit, die Trenneinrichtung an ein spezielles Szenario des Wassergehaltes anzupassen.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung blockieren die Flügel jedes Ablenkplattenblocks einen vorgegebenen Anteil der Quer schnittsfläche des Durchflussbereichs, so dass erste und zweite aufeinan der folgende Ablenkplatten im Durchflussbereich relativ zueinander auf eine Weise rotiert werden können, um eine gesamte Querschnittsblockade zu erreichen, welcher vom vorgegebenen Anteil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals bis zu einem größeren Anteil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals verändert werden kann. So können zum Beispiel die Flügel jeder Ablenkplatte ungefähr eine Hälfte der Querschnittsfläche des Durchflusskanals blockieren, so dass erste und zweite aufeinander fol gende Ablenkplatten im Durchflusskanal relativ zueinander rotiert werden können und so einen gesamten Blockadequerschnitt vorgeben, welcher von ungefähr einer Hälfte der Querschnittsfläche des Durchflusskanals bis zu im wesentlichen dem gesamten Querschnitt des Durchflusskanals verändert werden kann.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die Trenn einrichtung weiterhin eine Einrichtung, die dazu dient, die Ablenkplatten relativ zueinander in Abhängigkeit von erfassten Systemparametern zu bewegen.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die Bewe gungseinrichtung eine Betätigungseinrichtung, welche zum Antreiben der Ablenkplatten diesen zugeordnet ist und eine Einrichtung, welche ein Regelsignal erzeugt, das die erfassten Parameter der Brennstoffzelle wider spiegelt und der Betätigungseinrichtung zuführbar ist. Dieser Aufbau erlaubt es, die Trenneinrichtung automatisch an die aktuelle Situation des Wassergehalts, welche in der Brennstoffzelle vorliegt, anzupassen.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung umfassen die er fassten Parameter der Brennstoffzelle eine oder mehrere der folgenden Größen: die Feuchtigkeit eines komprimierten Gasstroms, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird, die Massenströmung des Gasstroms, die Temperatur und der Druck innerhalb der Brennstoffzelle und der elektri sche Strom, der durch den Brennstoff erzeugt wird. Diese Parameter liefern in verschiedenen Kombinationen ein Maß für den jeweiligen Status des Wassergehaltes der Brennstoffzelle und liefern dabei ein Mittel, um ein Signal zu erzeugen, welches es erlaubt, die Trenneinrichtung so anzupas sen, dass sie den jeweils vorliegenden Status des Wassergehalts im Sys tem widerspiegelt.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die Trenn einrichtung eine zentrale Welle, welche sich auf der Achse befindet, wobei die zentralen Naben ringförmig und aufeinandergestapelt auf die Welle aufgeschoben sind. Diese Anordnung erlaubt es, die Ablenkplatten in Modulform auszuführen, so dass sie leicht dem System hinzugefügt oder entnommen werden können, um das System verschiedenen Szenarios des Wassergehalts anzupassen.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Gehäuse in Abschnitte unterteilt und umfasst modulare Einheiten, welche ausge tauscht werden können, um die Größe des Gehäuses entsprechend der Anzahl der Ablenkplatten zu verändern. Diese Anordnung gestattet es, den gesamten Trenneinrichtungsaufbau anwendungsspezifisch den jeweiligen Bedingungen des Wassergehalts leicht anzupassen.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung treibt die Betäti gungseinrichtung die Welle in rotierender Weise an, und bestimmte Naben ausgewählter Ablenkplattenbauteile sind mit der Welle verbunden, so dass die Rotation der Welle durch die Betätigungseinrichtung die Ablenkplatten relativ zueinander rotiert. Diese Anordnung bietet ein leichtes und wir kungsvolles Mittel, um die Ablenkplatten relativ zueinander zu bewegen, um die Strömungseigenschaften der Trenneinrichtung entsprechend dem Signal, welches von der Betätigungseinrichtung empfangen wird, zu ver ändern.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Trennein richtung so angeordnet, dass sie den Kathodenausgangsstrom der Brenn stoffzelle empfängt und das Wasser aus dem Kathodenausgangsstrom abscheidet, um es als Reaktionspartner der Vorrichtung zur Brennstoff verarbeitung zuzuführen.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine Trennein richtung der beschriebenen Art ebenfalls eingesetzt, um den Anodenaus gangsstrom der Brennstoffzelle und/oder das von dem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Reformer kommende, reformierte Produkt zu empfangen. Diese weiteren Trenneinrichtungen liefern ein weiteres Mittel, Wasser aus dem System wirksam zu entfernen, um es der Vorrichtung zur Brennstoff verarbeitung als Reaktionspartner zuzuführen.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrich tung zur relativen Bewegung der Ablenkplatten Bimetallvorrichtungen, welche auf antreibende Weise ausgewählten Ablenkplatten zugeordnet sind und die Ablenkplatten entsprechend Temperaturveränderungen in der Umgebung relativ zueinander bewegen. Diese Anordnung bietet ein passives System, um die relative Lage der Ablenkplatten zueinander ein zustellen, im Gegensatz zum aktiven System, welches durch die Betäti gungseinrichtung, welche die Welle mit den fest angebrachten Ablenkplat ten bewegt, gebildet wird.

Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Verwendungsmöglich keiten der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die nachfolgenden Beschreibungen und Zeichnungen klarer, wobei:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensys tems ist, in welchem eine oder mehrere Wassertrenneinrich tungen bzw. Wasserabscheider entsprechend der Erfindung zur Anwendung kommen;

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensys tems der Erfindung, wie es in einem Fahrzeugantriebssys tem verwendet wird;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Wassertrenneinrich tung entsprechend der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Ansicht der Wassertrenneinrichtung von oben;

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, welcher der Linie 5-5 in Fig. 4 entspricht;

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht in zerlegter Form, welche die Teile der Wassertrenneinrichtung darstellt;

Fig. 7A, 7B und 7C stellen die relative Bewegung der in der Wassertrennein richtung vorliegenden Ablenkplatten dar;

Fig. 8 ist eine Darstellung des Gehäuses der Trenneinrichtung in aufgelösten Einzelteilen, und

Fig. 9 ist eine Ansicht in Einzelteilen, welche einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trenneinrichtung entspricht.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Aufbau und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Wassertrenneinrich tung können besser, beispielsweise mit Hilfe des in Fig. 1 beispielhaft dargestellten Brennstoffzellensystems, verstanden werden. Daher ist es nützlich, das System, innerhalb dessen die Wassertrenneinrichtung arbei tet, zu verstehen, bevor die erfindungsgemäße Wassertrenneinrichtung weiter beschrieben wird.

Fig. 1 stellt ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems dar. Das System kann in einem Fahrzeug (nicht dargestellt) als Energiequelle für den Fahr zeugantrieb verwendet werden. Im System wird ein Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung, zum Beispiel durch Refor mation und "preferential oxidation"-Prozesse, verarbeitet, um ein refor miertes Gas herzustellen, welches einen relativ hohen Wasserstoffgehalt pro Volumen oder pro Mol enthält. Daher wird auf wasserstoffreichen oder relativ hohen Wasserstoffgehalt Bezug genommen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Zusammenhang mit einer Brennstoff zelle, welche mittels eines H₂-reichen Reformats betrieben wird, beschrie ben, unabhängig davon, mit welcher Methode solch ein Reformat herge stellt wurde. Es soll verstanden werden, dass die hier dargestellten Prinzi pien anwendbar auf Brennstoffzellen sind, die mittels H₂ aus jeglicher Quelle betrieben werden, inklusive reformierbarer Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff enthaltender Brennstoffe, wie Methanol, Ethanol, Benzin, Alkene und andere aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe oder H₂, welches an Bord gespeichert wird.

Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst ein Brennstoffzellensystem eine Vorrich tung zur Brennstoffverarbeitung 2, um einen aus einem reformierbaren Kohlenwasserstoff bestehenden Brennstoffstrom 6 und von einem Wasser strom 8 stammendes Wasser in Dampfform katalytisch zur Reaktion zu bringen. In einigen Vorrichtungen zur Brennstoffverarbeitung wird auch Luft in Kombination mit "preferential oxidati on"/Dampfreformierungsreaktionen verwendet. In diesem Fall wird der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 ebenfalls ein Luftstrom 9 zuge führt. Die Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung enthält einen oder mehrere Reaktoren 12, wobei der reformierbare, aus Kohlenwasserstoff bestehende Brennstoff im Strom 6 eine Abspaltung in der Gegenwart von Wasser/Dampf 8 und manchmal Luft (in Strom 9) erfährt, um das was serstoffreiche Reformat herzustellen. Weiterhin kann jeder Reaktor 12 ein oder mehrere Reaktorbetten umfassen. Der Reaktor 12 kann eine oder mehrere Abschnitte oder Betten haben, wobei verschiedene Anordnungen bekannt und verwendbar sind. Daher kann die Auswahl und die Anord nung der Reaktoren 12 variieren, und im Nachfolgenden werden exempla rische Brennstoffreformationsreaktor(en) 14 und nachgeschaltete Reak tor(en) 16 beschrieben.

So werden beispielsweise in einem exemplarischen Dampf/Methanol- Reformationsprozess Methanol und Wasser (als Dampf) ideal in einem Reaktor 14 reagiert, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, wie bereits früher zum Hintergrund der Erfindung beschrieben. In Wirklich keit werden auch Kohlenmonoxid und Wasser produziert. Weiterhin wird beispielhaft in einem exemplarischen Benzinreformationsprozess Dampf, Luft und Benzin in einer Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung, welche einen Reaktor 14 umfasst, der zwei Abschnitte hat, reagiert. Ein Abschnitt des Reaktors 14 ist vor allem ein "partial oxidation"-Reaktor (POX), und der andere Abschnitt des Reaktors ist vor allem ein Dampfreformer (SR). Wie im Fall der Methanolreformation produziert die Benzinreformation den gewünschten Wasserstoff, produziert aber zusätzlich Kohlendioxid, Was ser und Kohlenmonoxid. Daher ist es nach jeglicher Art von Reformation wünschenswert, den Gehalt an Kohlenmonoxid im Produktstrom zu redu zieren.

Dementsprechend umfasst die Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung typischerweise auch eine oder mehrere, nachgeschaltete Reaktoren 16, wie zum Beispiel Wasser/Gas-Shiftreaktoren (WGS) und "preferential oxidizer" (PROX)-Reaktoren, welche dazu verwendet werden, Kohlendioxid aus Kohlenmonoxid herzustellen, wie bereits vorher zum Hintergrund zur Erfindung beschrieben. Vorzugsweise wird der ursprüngliche Ausflussgas strom des Reformats, welcher Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser umfasst, in einem "preferential oxidation"(PROX)-Reaktor 16 verarbeitet, um die CO-Anteile darin auf annehmbare Niveaus, zum Bei spiel unter 20 ppm, zu reduzieren. Dann, während des Betriebs, wird das H₂-reiche Reformat 20 durch das Ventil 31 der Anodenkammer des Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff (z. B. Luft) aus einem Oxidationsmittelstrom 24 der Kathodenkammer der Brennstoffzelle 22 zugeführt. Der Wasserstoff aus dem Reformatstrom 20 und der Sauerstoff aus dem Oxidationsmittelstrom 24 reagieren in der Brennstoffzelle 22, wobei Elektrizität und Wasser als Nebenprodukt ent steht, welches an der Kathode produziert wird.

Abgas oder Abfluss 26 von bzw. aus der Anodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen noch nicht reagierten Wasserstoff. Abgas oder Ausfluss 28 von bzw. aus der Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen unreagierten Sauerstoff. Die Luft für den Oxidationsmittelstrom 24 wird durch eine Luftzufuhr geliefert, vorzugsweise durch einen Kompressor 30. Die Luft von der Luftzufuhr (Kompressor 30) wird unter normalen Be triebsbedingungen durch ein Ventil 32 in die Brennstoffzelle 22 geleitet. Während der Startphase wird jedoch das Ventil 32 betätigt, um Luft direkt dem Eingang einer Brennkammer 34 zuzuführen. Die Luft wird in der Brennkammer 34 verwendet, um mit einem Brennstoff, welcher durch die Leitung 46 zugeführt wird, zu reagieren. Die Wärme der Verbrennung wird verwendet, um verschiedene Teile der Vorrichtung zur Brennstoffverarbei tung 2 aufzuheizen.

Es sollte angemerkt werden, dass einige der Reaktionen, welche in der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 auftreten, endotherm sind und daher Hitze verlangen; andere Reaktionen sind exotherm und erfordern die Abfuhr von Wärme. Typischerweise erfordert der PROX-Reaktor 16 eine Abfuhr von Wärme. Ein oder mehrere der Reformierungsreaktionen im Reaktor 14 sind typischerweise endotherm und verlangen die Zufuhr von Wärme. Dies wird typischerweise durch Vorheizen der Reaktanden, Brennstoff 6, Dampf 8 und Luft 9 und/oder durch Aufheizen ausgewähl ter Reaktoren erreicht.

Die Wärme von der Brennkammer 34 heizt ausgewählte Reaktoren und Reaktorbetten in der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 während der Startphase auf. Die Brennkammer 34 bewirkt das Aufheizen der ausgewählten Reaktoren und Betten in der Vorrichtung zur Brennstoff verarbeitung, falls notwendig, durch indirekten Wärmetransfer dorthin. Typischerweise umfassen solche indirekt beheizten Reaktoren eine Reakti onskammer mit einem Einlass und einem Auslass. Innerhalb der Reakti onskammer sind die Betten in der Form von "carrier member substrates" ausgestaltet, wobei diese jeweils eine erste Oberfläche haben, welche katalytisch aktive Materialien tragen, um die gewünschte, chemische Reaktion durchzuführen. Eine zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche hat die Aufgabe der Wärmeübertragung von den heißen Gasen zu den Trägersubstraten (carrier member substrates). Zusätzlich kann die Brennkammer 34 verwendet werden, um den Brennstoff 6, das Wasser 8 und die Luft 9, welche als Reaktanden der Vorrichtung zur Brennstoffver arbeitung 2 zugeführt werden, vorzuheizen.

Es sollte angemerkt werden, dass die Luft 9, welche der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 zugeführt wird, in einer oder mehrerer der Reak toren 12 verwendet werden kann. Wenn der Reaktor 14 ein Benzinrefor mierungsreaktor ist, dann wird Luft aus Leitung 9 dem Reaktor 14 zuge führt. Der PROX-Reaktor 16 verwendet ebenfalls Luft, um CO zu CO₂ zu oxidieren und erhält ebenfalls Luft von der Quelle der Luftzufuhr (Kom pressor 30) über Leitung 9.

Die Brennkammer 34 umfasst eine Kammer 41 mit einem Einlassende 42, einem Abgasende 44 und einem Katalysatorteil 48 zwischen den Enden. Ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff wird in die Brennkammer einge spritzt. Der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff, wenn er in flüssiger Form vorliegt, wird vorzugsweise verdampft, entweder bevor er in die Brenn kammer eingespritzt wird oder in einem Bereich der Brennkammer, in welchem der Brennstoff für die Verbrennung fein verteilt wird. Die Ver dampfung kann durch einen elektrischen Heizer ausgeführt werden. Sobald das System arbeitet und die Brennkammer aufgeheizt ist, kann die Verdampfung durch Wärmeaustausch erreicht werden, wobei die Wärme des Abgases der Brennkammer genützt wird, um den einströmenden Brennstoff zu verdampfen. Vorzugsweise wird ein Brennstoffmessgerät 43 verwendet, um die Zuflussrate des kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs in die Brennkammer zu überwachen.

Der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff 46 und der Anodenausgangs strom 26 reagieren im Katalysatorabschnitt 48 der Brennkammer 34, der zwischen dem Einlassende und dem Abgasende 42 und 44 der Brenn kammer 34 vorliegt. Sauerstoff wird der Brennkammer 34 entweder von der Luftzufuhr (d. h. Kompressor 30) über Ventil 32 zugeführt oder aus einem zweiten Luftstrom, wie einem Kathodenausgangsstrom 28, abhän gig von den Betriebsbedingungen des Systems. Ein Ventil 50 erlaubt den Auslass des Abgases 36 der Brennkammer in die Atmosphäre, wenn es nicht benötigt wird, um die Reaktoren in der Vorrichtung zur Brennstoff verarbeitung 2 aufzuheizen.

Wie gesehen werden kann, ergänzt der kohlenwasserstoffhaltige Brenn stoffstrom 46 den Anodenausgangsstrom 26 als Brennstoff für die Brenn kammer 34, wie es notwendig sein kann, um den Bedürfnissen der Brennstoffzellenanlage im transienten und stationären Betrieb gerecht zu werden. In einigen Fällen geht das Abgas durch einen Regler 38, ein Ab schaltventil 140 und einen Schalldämpfer 142, bevor es in die Atmosphäre entlassen wird. In Fig. 1 werden die Symbole wie folgt gezeichnet: V be deutet Ventil; MFM ist ein Gerät zur Messung der Massenströmung; T ist ein Gerät, um die Temperatur zu erfassen; R ist ein Regler; C ist die Ka thodenseite, und A ist die Anodenseite der Brennstoffzelle; INJ ist die Einspritzvorrichtung; COMP ist der Kompressor, und S ist der Wasserab scheider bzw. die Wassertrenneinrichtung.

Die Wärmemenge, die von den ausgewählten Reaktoren innerhalb der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 benötigt wird und welche durch die Brennkammer 34 geliefert wird, hängt von der Menge des Brennstoffs und Wasserzuflusses und letztendlich von der gewünschten Reaktions temperatur in der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 ab. Wie vor her angegeben, wird Luft ebenfalls in der Vorrichtung zur Brennstoffver arbeitung verwendet und muss auch gleichzeitig mit dem Brennstoff und Wasserzufluss berücksichtigt werden. Um den Wärmebedarf der Vorrich tung zur Brennstoffverarbeitung zu befriedigen, verwendet die Brenn kammer das gesamte Anodenabgas bzw. den gesamten Anodenausgangs stromfluss und möglicherweise noch etwas des kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs. Enthalpiegleichungen werden verwendet, um die Luftmenge des Kathodenausgangsstroms, welcher der Brennkammer 34 zugeführt wird, zu bestimmen, um den gewünschten Temperaturbedarf der Brenn kammer 34 zu decken und damit die Brennkammer 34 letztendlich den Wärmebedarf der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 befriedigen kann. Der Sauerstoff oder die Luft, die der Brennkammer 34 zugeführt werden, umfasst den Kathodenausgangsstrom 28, welcher üblicherweise aus einem Prozentsatz des gesamten Sauerstoffs besteht, welcher der Kathode der Brennstoffzelle 22 zugeführt wurde oder aus einem Luftstrom aus dem Kompressor oder beides davon, abhängig davon, ob das Gerät sich in der Startphase befindet, in welcher ausschließlich der Luftstrom vom Kompressor verwendet wird, oder ob es sich in einem eingefahrenen Betriebszustand befindet, wobei der Kathodenausgangsstrom 28 und/oder Luft vom Kompressor verwendet wird. Im eingefahrenen Betriebszustand wird der gesamte Luft-, Sauerstoff- oder Verdünnungsmittelbedarf der Brennkammer 34, welcher nicht durch den Kathodenausgangsstrom 28 befriedigt werden kann, durch den Kompressor 30 in der Menge geliefert, die notwendig ist, um den Temperatur- und Wärmebedarf der Brennkam mer 34 und der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 jeweils zu be friedigen. Die Luftsteuerung ist über ein Luftverdünnungsventil 47 imple mentiert und besteht vorzugsweise aus einem Ventil, welches von einem Schrittmotor angetrieben wird und welches eine variable Öffnung besitzt, um die Menge des abgeblasenen Kathodenausgangsstroms 28, welcher der Brennkammer 34 zugeführt wird, zu regeln.

Die Funktionsweise dieser exemplarisch dargestellten Brennstoffanlage ist wie folgt. Zu Beginn des Betriebs, wenn die Brennstoffzellenanlage kalt ist und anläuft: 1. der Kompressor 30 wird durch einen Elektromotor, wel cher von einer externen Quelle (z. B. einer Batterie) gespeist wird, angetrie ben, um die benötigte Luft für das System zu liefern; 2. Luft wird in die Brennkammer 34 eingeführt; kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff 46 (z. B. MeOH oder Benzin) wird in die Brennkammer 34 injiziert; 3. die Luft und der Brennstoff reagieren in der Brennkammer 34, wobei im wesentlichen die vollständige Verbrennung des Brennstoffs stattfindet, und 4. die heißen Abgase, welche die Brennkammer 34 verlassen, werden zu den ausgewählten Reaktoren 12 transportiert, welche der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 zugeordnet sind.

Sobald die Reaktoren in der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 eine angemessene Temperatur erreicht haben, beginnt der Reformierungspro zess, welcher folgende Schritte umfasst: 1. das Ventil 32 wird betätigt, um Luft zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 zu leiten; 2. Brennstoff und Wasser werden der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 zugeführt, um die Reformierungsreaktion zu beginnen; 3. das Reformat, welches die Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 verlässt, wird der Anodenseite der Brennstoffzelle 22 zugeführt; 4. der Anodenausgangsstrom 26 aus der Brennstoffzelle 22 wird der Brennkammer 34 zugeführt; 5. der Kathoden ausgangsstrom 28 von der Brennstoffzelle 22 wird der Brennkammer 34 zugeführt; 6. der Brennstoff, die Luft, der Kathodenausgangsstrom 28 und der Anodenausgangsstrom 26 werden in der Brennkammer 34 ver brannt. In einer bevorzugten Abfolge wird Schritt 2 zuerst mit der Zufuhr von Luft direkt in die Brennkammer durchgeführt. Dann, wenn der was serstoffreiche Strom einen angemessenen, niedrigen CO-Gehalt hat, wer den die Schritte 1 und 3 ausgeführt, gefolgt von den Schritten 4, 5 und 6.

Unter bestimmten Bedingungen kann die Brennkammer 34 ausschließlich mit den Ausgangsströmen von Anode und Kathode arbeiten, ohne den Bedarf von zusätzlichem, kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff 46. Unter solchen Bedingungen wird die Brennstoffeinspritzung in die Brennkam mer 34 unterbrochen. Unter anderen Bedingungen, z. B. einem erhöhten Leistungsbedarf, wird zusätzlicher Brennstoff 46 zugeführt, um den A_out (26) zur Brennkammer 34 zu ergänzen. Wie ersichtlich, erhält die Brenn kammer 34 verschiedene Brennstoffe, wie zum Beispiel einen kohlenwas serstoffhaltigen Brennstoff, genauso wie Anodenausgangsstrom 26 von der Anode der Brennstoffzelle 22. Sauerstoffverarmte Abgasluft 28 von der Kathode der Brennstoffzelle 22 und Luft vom Kompressor 30 werden ebenfalls der Brennkammer 34 zugeführt.

Entsprechend dem vorliegenden Beispiel für ein Brennstoffzellensystem regelt die Regeleinheit 150, welche in Fig. 1 gezeigt wird, verschiedene Gesichtspunkte im Betrieb des Systems, welche in Fig. 1 dargestellt ist. Die Regeleinheit 150 kann jegliche Art von geeigneten Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, Personalcomputern usw. umfassen, welche eine Zent raleinheit aufweist, die fähig ist, ein Regelprogramm auszuführen und in einem Speicher gespeicherte Daten hat. Die Regeleinheit 150 kann ein speziell entworfener Regler sein, der spezifisch für jede der Komponenten in Fig. 1 entworfen wird, oder kann in einem Computerprogramm implementiert sein, welches im zentralen, elektronischen Steuermodul eines Fahrzeugs gespeichert ist. Obwohl softwarebasierte Regelprogramme zur Regelung der Systembausteine in verschiedenen Betriebszuständen, wie oben beschrieben, verwendbar sind, kann die Regelung natürlich auch teilweise oder insgesamt durch speziell entworfene, elektronische Schal tungen ausgeführt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensys tem die Brennstoffzelle 22 als Teil des Antriebssystems 60 eines Fahr zeugs (siehe Fig. 2). Hier umfasst ein Teil des Systems 60 eine Batterie 62, einen Elektromotor 64 und zugeordnete Antriebselektronik einschließlich eines Inverters 65, der ausgelegt und angeordnet ist, um elektrische Ener gie von einem DC/DC-Konverter 61 zu empfangen, welcher dem Brenn stoffzellensystem und besonders der Brennstoffzelle 22 zugeordnet ist und die elektrische Energie in mechanische Energie, produziert durch den Motor 64, umzuwandeln. Die Batterie 62 ist ausgelegt und angeordnet, um elektrische Energie aufzunehmen und zu speichern, welche von der Brennstoffzelle 22 geliefert wird und außerdem elektrische Energie, die durch den Motor 64 während regenerativen Bremsens geliefert wird, aufzunehmen und zu speichern sowie ferner elektrische Energie dem Motor 64 zu liefern. Der Motor 64 ist mit der Antriebsachse 66 verbunden, um die Räder eines Fahrzeugs zu drehen (nicht gezeigt). Ein Steuerbau stein für die elektrochemische Maschine (EECM) 70 und ein Batterie packmodul (BPM) 71 überwachen verschiedene Betriebsparameter, die die Spannung und den Strom des Stapels umfassen, jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt sind. Dies kann zum Beispiel durch das Batterie packmodul (BPM) 71 oder durch BPM 71 und EECM 70 gemeinsam erfol gen, um ein Ausgangssignal (Nachricht) an die Steuereinheit 74 des Fahr zeugs zu schicken, welches auf den Bedingungen basiert, die durch das BPM 71 überwacht wurden. Die Fahrzeugsteuerung 74 regelt den Elekt romotor 64, die Antriebselektronik einschließlich des Inverters 65 und des DC/DC-Konverters 61 und verlangt ein Leistungsniveau vom EECM 70.

Um die Handhabung des Wassers innerhalb des Systems zu vereinfachen und insbesondere Wasser vom System für verschiedene Anwendungen im System wiederzugewinnen, wie zum Beispiel das Wasser als Reaktions partner der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung zuzuführen, werden eine oder mehrere Trenneinrichtungen im System verwendet. Wie bei spielsweise dargestellt, kann eine Trenneinrichtung S vorgesehen werden, um den Kathodenausgangsstrom der Brennstoffzelle zu erhalten; eine weitere Trenneinrichtung S kann vorgesehen werden, um den am Anoden ausgangsstrom der Brennstoffzelle zu erhalten und eine weitere Trennein richtung S, welcher das Reformat zugeführt wird, kann der Brennstoffzelle vorgeschaltet werden. Wenn gewünscht, kann eine weitere Trenneinrich tung (nicht gezeigt) im Zusammenhang mit dem Abgas der Brennkammer verwendet werden.

In Bezug auf die Fig. 3-8 umfasst jede Trenneinrichtung S allgemein betrachtet einen Gehäuseaufbau 82, eine Mehrzahl von Ablenkplatten 84 und eine Anbringungs- und Bewegungseinrichtung 86. Solange nicht anders angegeben, bestehen die Bauteile der Trenneinrichtung aus einem geeigneten Eisenmaterial.

Der Gehäuseaufbau 82 umfasst eine kreisförmige Kuppel oder einen kreisförmigen Deckel 88, einen Ausgang 90 in Form eines Kegelstumpfes, welcher starr und zentral an der Kuppel befestigt ist, ein zylindrisches Glasgehäuse 92, einen Einlass 94, einen zylindrischen Behälter bzw. Speicher 96, einen Ablass 98 und einen Ringflansch 99.

Im zusammengebauten Zustand des Gehäuseaufbaus passt die untere Kante des Gehäuses 92 teleskopartig innerhalb der oberen Kante des Behälters 96, und die obere Kante des Gehäuses umschließt vorspringend die untere Kante der Kuppel 90, wobei der Flansch 99 die aneinander anstoßenden Kanten der Kuppel und des Gehäuses umschließt. Die zu sammengebauten Teile werden durch mehrere, umfangsmäßig beabstande te Stäbe 100 zusammengehalten, die zwischen Ösen bzw. Lappen 99a, die an umfangsmäßig beabstandeten Orten am Flansch 99 und Ösen bzw. Lappen 96a, welche sich an umfangsmäßig beabstandeten Orten an der Oberkante des Behälters 96 befinden, positioniert sind. Schrauben 102 werden durch die Ösen 99a und 96a geführt, um die oberen und unteren Enden der Stäbe 100 zu befestigen und den Zusammenbau des Gehäuses fertigzustellen. Der Einlass 94 ist fest an der Seitenwand des Behälters 96 in der Nähe der Oberkante des Behälters angebracht, und der Abfluss 98 ist fest an der Seitenwand des Behälters in der Nähe dessen unterer Wand angebracht.

Jede Ablenkplatte 84 (Fig. 5, 6 und 7) umfasst eine zentrale, ringförmige Nabe 104 und eine Mehrzahl von Flügeln 106, welche fest mit dem äuße ren Umfang der Nabe an umfangsmäßig beabstandeten Orten am äußeren Umfang der Nabe befestigt sind. Jede Ablenkplatte umfasst vorzugsweise zwei diametral gegenüberliegende Flügel 106, wobei die Seitenkanten 106a jedes Flügels von der Nabe radial nach außen gerichtet sind und die Au ßenkante 106b jedes Flügels ein Kreisbogensegment von ungefähr 90° beschreibt, so dass die zwei Flügel zusammen einen Kreisbogen von unge fähr 180° beschreiben. Die Flügel haben vorzugsweise eine flache, lamel lenartige Ausgestaltung.

Die Mittel zur Befestigung und Bewegung 86 umfassen eine zentrale Welle 108, Wellenstifte 110 und eine Betätigungseinrichtung 112.

Das untere Ende der Welle 108 geht durch eine Naben- und Lagerstruk tur, welche sich an der unteren Wand 96b des Behälters befindet; das obere Ende der Welle wird in einer Naben- und Lagerkonstruktion aufge nommen, welche durch eine Spinne 88a am unteren Ende des Auslasses 88 gebildet wird, und ein Zentralbereich der Welle geht durch eine Naben- und Lagerkonstruktion in einer Trennwand 96c innerhalb des Behälters.

Die Betätigungseinrichtung 112 ist fest unterhalb des Reservoirs 96 ange bracht und nimmt in antreibender Weise das untere Ende der Welle 108 auf. Die Betätigungseinrichtung 112 kann in verschiedenen Formen vor liegen, je nach der Energieform, die leicht verfügbar ist. In dem offengeleg ten Brennstoffzellensystem würde die Betätigungseinrichtung 112 vor zugsweise eine elektrische Betätigungseinrichtung umfassen, welche Mittel besitzt, die nicht gezeigt sind, welche nach dem Erhalt von einem elektrischen Signal über die Leitung 114 funktionieren, um die Welle zu einer rotierende Bewegung anzutreiben.

Im zusammengebauten Zustand der Trenneinrichtung werden die oberen und unteren Enden der Welle 108 von der Lagerstruktur, die durch die Spinne 88a und durch die untere Wand des Behälters vorgegeben sind, getragen; die modularen Ablenkplatten 84 befinden sich aufeinanderge stapelt auf der Welle, wobei die unterste Ablenkplatte durch eine Klemme oder etwas vergleichbares direkt oberhalb des Teiles 96c festgehalten wird und das oberste Modul sich direkt unterhalb der Lagerstruktur der Spin ne 88 befindet. Jede zweite Ablenkplatte ist fest mit der Welle mittels Stiften 110 befestigt, welche sich von der Welle radial nach außen zur festen Verbindung mit der Nabe dieses Moduls erstrecken, während die verbleibenden, abwechselnden Module gegen die Rotation relativ zum Gehäuse gesichert sind, indem zum Beispiel Kerben 106c im äußeren Rand von einem der Flügel des Moduls vorgesehen sind, welche mit einem Vorsprung 92a an der Innenfläche des Gehäuses 92 in Eingriff stehen. Durch diesen Aufbau rotieren die Ablenkplattenmodule, welche mit der Welle verbunden sind mit der Welle, und die jeweils anderen Ablenkplat tenmodule, die mit dem Gehäuse verbunden sind, bleiben in einer festen Position relativ zum Gehäuse, wenn die Welle 108 durch die Betätigungseinrichtung 112 gedreht wird.

Wie am besten in den Fig. 7A-7C gesehen werden kann, können durch diesen Aufbau erste und zweite, aufeinander folgend gestapelte Ablenkplat ten in dem modularen Ablenkplattenstapel relativ zueinander gedreht werden, um einen gesamten Blockadequerschnitt festzulegen, welcher sich von der Blockade, welche sich durch die Flügel eines einzelnen Mo duls ergibt, bis zu einer größeren Blockade, welche sich durch die Flügel des kombinierten Moduls ergibt, variiert, abhängig davon, ob die Flügel der einzelnen Module in Phase oder außer Phase sind. Wenn zum Beispiel die zwei Flügel jedes Moduls zusammen ein Bogenelement von 180° abde cken, ergeben die Flügel, wenn sie wie in Fig. 7A dargestellt, vollständig außer Phase sind, gemeinsam im wesentlichen eine vollständige Blockade des gesamten, kreisförmigen Durchflusskanals, der durch den inneren Rand 92b des Gehäuses 92 vorgegeben wird. Wenn die Module vollständig in Phase sind, wie in Fig. 7C gesehen werden kann, ergeben diese eine gemeinsame Blockade von nur 180° oder ungefähr die Hälfte des Durch flusskanals, welcher durch den inneren Rand 92b des Gehäuses vorgege ben wird. Wenn aufeinander folgende Module teilweise außer Phase sind, wie in Fig. 7B gesehen werden kann, ergeben diese gemeinsam eine Blo ckade eines Anteils des Durchflusskanals, welcher größer als die Hälfte des Durchflusskanals und kleiner als seine Gesamtgröße ist. Die selektive Betätigung der Betätigungseinrichtung 112 ermöglicht demzufolge eine relative Rotation aufeinanderfolgender Ablenkplattenmodule, um einen gesamten Blockadequerschnitt des Durchflusskanals festzulegen, welcher von ungefähr einer Hälfte der Querschnittsfläche des Durchflusskanals bis zu im wesentlichen der gesamten Querschnittsfläche des Durchfluss kanals verändert werden kann.

Die Betätigungseinrichtung 112 wird in Ansprechen auf ein Regelsignal bewegt, welches die erfassten Parameter der Brennstoffzelle 22 widerspie gelt. So kann zum Beispiel (Fig. 1) ein Sensor 120 die Feuchtigkeit des komprimierten Gasstroms 24 messen, welcher der Brennstoffzelle zuge führt wird; ein Sensor 122 kann die Massenströmung des Gasstroms messen; die Temperatur und der Druck innerhalb der Brennstoffzelle können durch die jeweiligen Sensoren 124 und 126 gemessen werden, und der elektrische Strom, welcher von der Brennstoffzelle produziert wird, kann mit dem Sensor 128 gemessen werden.

Es versteht sich, dass eines oder alle der Signale, welche durch die Senso ren 120, 122, 124, 126, 128 und 130 erzeugt werden, der Betätigungsein richtung 112 über die Leitung 140 zugeführt werden, wobei ein Regelsig nal erzeugt wird, welches der Betätigungseinrichtung zugeführt wird, welche einen oder mehrere der gemessenen Parameter der Brennstoffzelle widerspiegelt; insbesondere solche, welche den Wassergehalt des Flüssig keitsstroms, welcher durch die jeweiligen Trenneinrichtungen verarbeitet werden, widerspiegeln.

Dabei kann man sehen, dass der beschriebene Aufbau es ermöglicht, die durch die Trenneinrichtung bewirkte Einschränkung der Strömung stu fenlos zwischen einer Konfiguration, welche eine maximale Beschränkung der Strömung bewirkt, in welcher die Flügel jedes aufeinander folgenden Satzes von Ablenkplatten im Stapel vollständig außer Phase sind, um eine vollständige Blockade des Durchflusskanals an bestimmten Stationen entlang des Durchflusskanals zu bewirken und einer Konfiguration, in welcher alle Flügel aller Ablenkplatten in Phase sind, zu verändern, wobei ein relativ ungehinderter Strömungsweg durch die Trenneinrichtung gegeben ist.

Dabei versteht man, dass die Beschränkung, welche durch die Trennein richtung gegeben wird, ebenfalls leicht durch die Veränderung der Zahl der Ablenkplattenmodule, welche in der Trenneinrichtung vorliegen, ver ändert werden kann. So kann speziell eine große Zahl von Ablenkplatten modulen im Zusammenhang mit einem relativ langen Gehäuse 92 ver wendet werden oder aber eine relativ kleine Zahl von Ablenkplattenmodu len auf der Welle 108 in Zusammenhang mit einem relativ kurzen Gehäu se 92 gestapelt werden, wobei der Austausch der Gehäusemodule einfach durch Lösen der Schrauben 102 und Ersetzen des spezifischen, zylindri schen Gehäuses und der spezifischen Stäbe 100 mit einem Gehäuse und Stäben, deren Größe der verwendeten Zahl von Ablenkplattenmodulen entspricht, vorgenommen werden kann. Die Welle 108 kann auch in Teilen ausgebildet sein, um den oberen Teil der Welle austauschen zu können, damit eine obere Wellenlänge entsprechend der Zahl der Ablenk plattenmodule verwendet werden kann.

In der Ausführungsform der Erfindung, welche in Fig. 9 dargestellt ist, wird die relative Bewegung zwischen den Flügeln aufeinanderfolgender Ablenkplatten, welche auf der Welle aufgestapelt sind, durch die Verwen dung eines individuellen Wickels 132 bzw. einer individuellen Spule aus bimetallischem Metall, welche jedem zweiten auf der Welle 108 aufgesta pelten Ablenkplattenmodul zugeordnet ist, bewerkstelligt, anstatt diese relative Bewegung mittels einer Betätigungseinrichtung 112 durchzufüh ren, welches auf ein Brennstoffzellenparametersignal anspricht, das über die Leitung 114 erhalten wird. Insbesondere ist ein Bimetallwickel 132 zwischen dem inneren Rand 104a der Nabe des Ablenkplattenmoduls und dem äußeren Rand der Welle an jeweils jedem zweiten Modul im Stapel auf der Welle angebracht, wobei ein Ende 132a des Bimetallwickels fest mit dem äußeren Rand der Welle 108 verbunden ist und die äußere Win dung 132b der Bimetallspule fest mit dem inneren Rand der Nabe 104 an umfangmäßig beabstandeten Orten 132c verbunden ist.

Mit dieser Anordnung kann die durch den Trenneinrichtung vorgegebene, relative Blockade selektiv verändert werden, wenn sich die Umgebungs temperaturbedingungen innerhalb oder um die Trenneinrichtung herum verändern. Wenn zum Beispiel das Brennstoffzellensystem in der Start phase kalt ist, können die Ablenkplatten in einer blockierenden bzw. beschränkenden Lage positioniert werden, da zu diesem Zeitpunkt die Brennstoffzelle flüssiges Wasser erzeugt, welches entfernt werden muss, wogegen, wenn sich das System aufheizt und weniger flüssiges Wasser vorhanden ist, können sich die Bimetallwickel ausdehnen und ihre Lage zu einer weniger beschränkenden Orientierung verändern, um den Druck abfall zu reduzieren. Auf diese Weise opfert das System keinen Wirkungs grad, wenn das Bauteil nicht aktiv arbeitet. Eine passive Regelung, wie sie durch die Bimetalle gegeben wird, vermeidet den Bedarf an Sensoren und Stellgliedern, wie in der Ausführungsform der Fig. 3-8 verwendet, dies aber auf Kosten der Genauigkeit der Steuerung.

Die Erfindung funktioniert auf Basis des Prinzips der Trägheitsabschei dung. Trägheitsabscheidung tritt auf, wenn Wassertröpfchen, welche von einem Gasstrom mitgerissen werden, zu einer Richtungsänderung ge zwungen werden, und die Trägheit der sich bewegenden Tröpfchen dazu führt, eine physikalische Barriere zu treffen, wenn sie weiter in ihre ur sprüngliche Richtung fliegen. Wenn die Tröpfchen auf die physikalische Barriere oder Ablenkplatte treffen, verschwinden sie folglich aus dem Strom. Die Auffangausbeute hängt ab von der Zahl der Ablenkplatten im Stapel und der Geschwindigkeit des einfallenden Stroms und des An griffswinkels des Stroms auf die Ablenkplatten.

In dieser Erfindung sind die Ablenkplatten vertikal gestapelt und drehbar auf einer zentralen Welle orientiert. Der Gasstrom, welcher flüssiges Was ser enthält, tritt auf der Seite der Einrichtung nahe dem Boden durch den Einlass 94 ein. Größere Mengen flüssigen Wassers im Strom laufen ein fach durch geeignete Abflusslöcher im Teil 96c in den Behälter 96 ab. Der Fluss mit den mitgerissenen Tröpfchen bewegt sich aufwärts durch die Einrichtung. Während sich der Fluss aufwärts bewegt, treffen die Wasser tröpfchen auf die Oberflächen der Ablenkplatten, was bewirkt, dass diese aus dem Gasstrom entfernt werden. Der Gasstrom, welcher dann frei von flüssigem Wasser ist, wird dann an der Oberseite des Bauelementes durch den Auslass 88 abgeblasen. Die Mengen flüssigen Wassers, welche im Behälter 96 gesammelt wurden, verlassen diesen durch den Abfluss 98 und werden durch eine Leitung 134 zu einem zentralen Behälter 136 geleitet, von welchem das gesammelte Wasser über eine Leitung 138 geleitet werden kann, um das Wasser als Reaktionspartner der Vorrich tung zur Brennstoffverarbeitung zuführen zu können. Wie vorher bemerkt, kann eine Trenneinrichtung S, wie beschrieben, so eingesetzt werden, dass ihr der Ausfluss des Kathodenausgangs zugeführt wird. Eine weitere Trenneinrichtung S kann so eingesetzt werden, dass ihr der Ausfluss vom Anodenausgang der Brennstoffzelle zugeführt wird. Eine weitere Trennein richtung S kann so eingesetzt werden, dass ihr das Reformat stromauf der Brennstoffzelle zugeführt wird. Eine weitere Trenneinrichtung (nicht ge zeigt) kann so eingesetzt werden, dass ihr das Abgas der Brennkammer zugeführt wird. Bei all diesen Möglichkeiten wird das gesammelte Wasser zum zentralen Behälter geführt, um es als Reaktionspartner zur Vorrich tung zur Brennstoffverarbeitung zu leiten. Gesammeltes Wasser kann auch zum Luftstrom geleitet werden, welcher der Brennstoffzelle durch die Leitung 24 zugeführt wird, um die Feuchtigkeit des komprimierten Luft stroms, der bei der Brennstoffzelle ankommt, zu regeln.

Es kann gesehen werden, dass der Wirkungsgrad der Trenneinrichtung einfach vergrößert werden kann, indem Lagen von Ablenkplatten hinzuge fügt werden, indem der Abstand der Ablenkplatten verringert wird, und indem die Orientierung aufeinanderfolgender Ablenkplatten in Rotations richtung im Stapel angepasst wird. Alle diese Parameter sind leicht an passbar, um eine größere oder geringere Beschränkung des Flusses durch den Trenneinrichtung zu erlauben. Eine vergrößerte Beschränkung liefert einen höheren Wirkungsgrad der Abscheidung, aber ebenfalls einen höhe ren Druckabfall. Umgekehrt verringert eine verkleinerte Beschränkung den Wirkungsgrad der Abscheidung, führt aber zu einem kleineren Druckabfall.

Die Erfindung ist einzigartig in der Weise, dass sie den Druckabfall durch den Trenneinrichtung minimiert, wenn dieser nicht aktiv im Brennstoffzel lensystem arbeitet, und den Wirkungsgrad der Abscheidung maximiert, wenn dieses aktiv arbeitet. Dies wird durch die Regelung der Orientierung der Ablenkplatten in Rotationsrichtung erreicht. Eine größere, offene Flä che für den Fluss bietet eine kleinere Beschränkung, und das Gegenteil ist der Fall für eine verkleinerte, offene Fläche. Die Orientierung kann aktiv durch einen elektronischen Antrieb unter Verwendung eines Stellglieds verändert werden oder passiv durch die Verwendung von Bimetallele menten.

Die aktive Regelung der Lage der Ablenkplatten basiert auf der Messung des flüssigen Wassers im System. Die Menge des flüssigen Wassers, welche abgeschieden werden muss, hängt von der relativen Feuchtigkeit des komprimierten Gasstroms ab, welcher dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, von dem Strom, welcher im Stapel produziert wird sowie wie von der Temperatur und dem Druck im Stapel. Daher liefern die Sensoren für diese Parameter im System Daten an einen Steuerungscom puter, welcher den Molanteil des Wassers oberhalb der Sättigung berech net und ein ungefähres Stellsignal für die Bewegung der Ablenkplatten unter Verwendung der Betätigungseinrichtung 112 liefert. Speziell, wenn der Molanteil von Wasser größer als Null ist, werden die Ablenkplatten in beschränkenderer Weise orientiert, um flüssiges Wasser abzuscheiden. Wenn die Berechnung keinen Wasseranteil oberhalb der Sättigung ergibt, verändern die Ablenkplatten ihre Lage in eine weniger beschränkende Orientierung, um den Druckabfall durch die Einrichtung zu reduzieren. Diese Veränderung der Position kann entweder in einem Schritt durchge führt werden oder in einer Serie von Rotationsschritten, welche durch experimentelle Eichung des Abscheidungswirkungsgrads für verschiedene Wasser- und Gasflussgehalte bestimmt wurde.

Der Trenneinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung bietet die Möglichkeit, flüssiges Wasser abzuscheiden, wenn es vorhanden ist und erlaubt dem Gas inklusive Wasserdampf, frei hindurchzufließen, wenn kein flüssiges Wasser vorhanden ist. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Druckabfall in der Trenneinrichtung vom System nur bemerkt wird, wenn sie aktiv arbeitet. Wenn wegen des Fehlens von flüssigem Wasser kein Bedarf an dieser Trenneinrichtung ist, bemerkt das System sein Vorhandensein nicht, womit sich der gesamte Wirkungsgrad des Systems erhöht. Es ergibt sich auch die Möglichkeit, dass die Trennein richtung eine kleinere Größe oder ein kleineres Volumen besitzt, da sie nur zu einem kleinen Bruchteil der Zeit arbeitet. Das bedeutet, dass das kleinere Volumen einen höheren Druckabfall erzeugt, aber der Einfluss auf den Wirkungsgrad des Systems minimiert wird, da das Bauelement nur einen kleinen Teil der Zeit arbeitet. Die kleine Größe ist natürlich kritisch für alle Anwendungen in Fahrzeugen.

Weiterhin ist es mit dieser Erfindung möglich, den Wirkungsgrad der Abscheidung entsprechend der Notwendigkeit der Wiedergewinnung von Wasser einzustellen, wenn flüssiges Wasser vorhanden ist.

Obwohl bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung im Detail darge stellt und beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass verschiedene Änderungen an den veröffentlichten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Bereich oder Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung mit:
einem Gehäuse, das einen Einlass, einen Auslass und einen längs gerichteten, sich zwischen Einlass und Auslass erstreckenden Durch flusskanal umfasst bzw. definiert;
einer Mehrzahl von Ablenkplatten, welche mit Abstand in Längs richtung hintereinander in und entlang des Durchflusskanals ange ordnet sind, wobei jede einen Teil des Querschnitts des Durchfluss kanals blockiert, und
Mitteln zur Anbringung der Ablenkplatten für eine Relativbewegung, um den gesamten Blockadequerschnitt, der durch die Ablenkplatten vorgegeben wird, selektiv zu verändern.

2. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ablenkplatte um eine sich zentral durch den Durchflusska nal erstreckende Achse drehbar angeordnet ist.

3. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ablenkplatte eine zentrale Nabe, welche sich an der Achse befindet und eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung mit Abstand an geordneten Flügeln umfasst, welche sich von der Nabe radial nach außen erstrecken.

4. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel jedes Ablenkplattenblocks einen vorgegebenen Anteil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals blockieren, so dass ers te und zweite, aufeinander folgende Ablenkplatten im Durchflusskanal relativ zueinander rotiert werden können, um einen gesamten Blo ckadequerschnitt vorzugeben, welcher sich vom vorgegebenen Anteil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals zu einem größeren An teil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals verändert werden kann.

5. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einer Ablenkplatte zugeordneten Flügel ungefähr eine Hälfte der Querschnittsfläche des Durchflusskanals blockieren, so dass erste und zweite, aufeinander folgende Ablenkplatten im Durchfluss kanal relativ zueinander rotiert werden können, um einen gesamten Blockadequerschnitt vorzugeben, welcher von ungefähr einer Hälfte der Querschnittsfläche des Durchflusskanals zu im wesentlichen der gesamten Querschnittsfläche des Durchflusskanals verändert werden kann.

6. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung weiterhin eine Einrich tung umfasst, die zur relativen Bewegung der Ablenkplatten dient.

7. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung Bimetallvorrichtungen umfasst, welche zum Antreiben der Ablenkplatten diesen zugeordnet und ge eignet sind, die Ablenkplatten in Abhängigkeit von Temperaturveränderungen der Umgebung relativ zueinander zu bewegen.

8. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung zur Verwendung im Zu sammenhang mit einer Brennstoffzelle vorgesehen ist, und
dass die Bewegungseinrichtung eine Betätigungseinrichtung umfasst, welche zum Antreiben der Ablenkplatten diesen zugeordnet ist und weiterhin eine Einrichtung umfasst, welche ein Regelsignal erzeugt, das die erfassten Parameter der Brennstoffzelle widerspiegelt und der Betätigungseinrichtung zuführbar ist.

9. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die erfassten Parameter der Brennstoffzelle mindestens einen der folgenden Parameter umfassen:
die Feuchtigkeit eines kompri mierten Gasstroms, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird,
die Massenströmung des Gasstroms,
die Temperatur und der Druck innerhalb der Brennstoffzelle und
der elektrische Strom, welcher durch die Brennstoffzelle produ ziert wird.

10. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung eine zentrale Welle um fasst, welche an der Achse positioniert ist, und
dass die zentralen Naben ringförmig und aufeinandergestapelt auf die Welle aufgeschoben sind.

11. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung weiterhin eine Betäti gungseinrichtung zum drehbaren Antrieb der Welle umfaßt und
dass ausgewählte Naben ausgewählter Ablenkplatten mit der Welle verkeilt sind, so dass die Rotation der Welle durch die Betätigungs einrichtung die Ablenkplatten relativ rotiert.

12. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkplatten modulare Einheiten sind, die leicht auf die Welle aufgeschoben oder von dieser abgenommen werden können, um die Zahl der Ablenkplatten in der Gas/Flüssigkeit- Trenneinrichtung zu verändern und so den Auftrennungswirkungs grad der Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung zu verändern.

13. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse in Abschnitte gegliedert ist und modulartige Bau einheiten umfasst, welche ausgetauscht werden können, um die Grö ße des Gehäuses in Übereinstimmung mit der Zahl der verwendeten Baueinheiten zu verändern.

14. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung einen Wasserabscheider umfasst.

15. Ein Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle,
welcher ein H₂- reicher Zufluss und ein komprimierter Gasstrom zugeführt wird und
welche funktionsfähig ist, elektrische Leistung, ein Kathodenaus gangsstrom und ein Anodenausgangsstrom zu erzeugen sowie mit ei ner Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung, welche den Kathodenaus gangsstrom der Brennstoffzelle erhält, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung mit:
einem Gehäuse, das einen Einlass, einen Auslass und einen längs gerichteten, sich zwischen Einlass und Auslass erstreckenden Durch flusskanal umfasst bzw. definiert;
einer Mehrzahl von Ablenkplatten, welche mit Abstand in Längs richtung hintereinander in und entlang des Durchflusskanals ange ordnet sind, wobei jede einen Teil des Querschnitts des Durchfluss kanals blockiert, und
Mitteln zur Anbringung der Ablenkplatten für eine Relativbewegung, um den gesamten Blockadequerschnitt, der durch die Ablenkplatten vorgegeben wird, selektiv zu verändern, versehen ist.

16. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ablenkplatte um eine sich zentral durch den Durchflusska nal erstreckende Achse drehbar angeordnet ist.

17. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ablenkplatte eine zentrale Nabe, welche sich an der Achse befindet und eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung mit Abstand an geordneten Flügeln umfasst, welche sich von der Nabe radial nach außen erstrecken.

18. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel jedes Ablenkplattenblocks einen vorgegebenen Anteil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals blockieren, so dass ers te und zweite, aufeinander folgende Ablenkplatten im Durchflusskanal relativ zueinander rotiert werden können, um einen gesamten Blo ckadequerschnitt vorzugeben, welcher sich vom vorgegebenen Anteil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals zu einem größeren An teil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals verändert werden kann.

19. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die einer Ablenkplatte zugeordneten Flügel ungefähr eine Hälfte der Querschnittsfläche des Durchflusskanals blockieren, so dass ers te und zweite, aufeinander folgende Ablenkplatten im Durchflusskanal relativ zueinander rotiert werden können, um einen gesamten Blo ckadequerschnitt vorzugeben, welcher von ungefähr einer Hälfte der Querschnittsfläche des Durchflusskanals zu im Wesentlichen der ge samten Querschnittsfläche des Durchflusskanals verändert werden kann.

20. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung weiterhin eine Einrich tung umfasst, die zur relativen Bewegung der Ablenkplatten dient.

21. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung Bimetallvorrichtungen umfasst, welche zum Antreiben der Ablenkplatten diesen zugeordnet sind und geeignet sind, die Ablenkplatten in Abhängigkeit von Temperaturver änderungen der Umgebung relativ zueinander zu bewegen.

22. Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung eine Betätigungseinrichtung umfasst, welche zum Antreiben der Ablenkplatten diesen zugeordnet ist und weiterhin eine Einrichtung umfasst, welche ein Regelsignal erzeugt, das die erfassten Parameter der Brennstoffzelle widerspiegelt und der Betätigungseinrichtung zuführbar ist.

23. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Parameter der Brennstoffzelle mindestens einen der folgenden Parameter umfassen:
die Feuchtigkeit eines kompri mierten Gasstroms, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird,
die Massenströmung des Gasstroms,
die Temperatur und der Druck innerhalb der Brennstoffzelle und
der elektrische Strom, welcher durch die Brennstoffzelle produ ziert wird.

24. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung eine zentrale Welle um fasst, welche an der Achse positioniert ist, und
dass die zentralen Naben ringförmig und aufeinandergestapelt auf die Welle aufgeschoben sind.

25. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel jedes Ablenkplattenblocks einen vorgegebenen Anteil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals blockieren, so dass ers te und zweite, aufeinander folgende Ablenkplatten im Durchflusskanal relativ zueinander rotiert werden können, um einen gesamten Blo ckadequerschnitt vorzugeben, welcher sich vom vorgegebenen Anteil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals zu einem größeren An teil der Querschnittsfläche des Durchflusskanals verändert werden kann.

26. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel jeder Ablenkplatte ungefähr eine Hälfte der Quer schnittsfläche des Durchflussbereichs blockieren, so dass erste und zweite, aufeinander folgende Ablenkplatten im Durchflussbereich so relativ zueinander rotiert werden können, dass ein gesamter Blocka dequerschnitt zwischen ungefähr einer Hälfte der Querschnittsfläche des Durchflussbereichs bis zu ungefähr der gesamten Querschnitts fläche des Durchflussbereichs, vorgegeben wird.

27. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung weiterhin eine Betäti gungseinrichtung zum drehbaren Antrieb der Welle umfaßt und
dass ausgewählte Naben ausgewählter Ablenkplatten mit der Welle verkeilt sind, so dass die Rotation der Welle durch die Betätigungs einrichtung die Ablenkplatten relativ rotiert.

28. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung, wie beschrieben, zur Aufnahme des Anodenausgangsstroms der Brennstoffzelle vorgesehen ist.

29. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung, wie beschrieben, auch zur Aufnahme des H₂-reichen Zuflusses der Brennstoffzelle vorgese hen ist.

30. Ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung einen Wasserabscheider umfasst.