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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Gas/Flüssigkeits-Trenneinrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine
Gas/Flüssigkeits-Trenneinrichtung
der eingangs genannten Art ist aus der
DE 198 34 327 A1 bekannt.
Bei der bekannten Gas/Flüssigkeits-Trenneinrichtung
handelt es sich um einen Prallvorabscheider mit Abscheideplatten
für elektrostatische
oder mechanische Luftfilteranlagen, insbesondere zur Abscheidung
von Dämpfen
oder Flüssigkeitstropfen
aus einem verschmutzten Luftstrom einer Werkzeugmaschine, welcher
zu einem Elektroluftfilter oder mechanischem Luftfilter zur Abscheidung
von Schmutzpartikeln und sonstigen Luftverschmutzungen wie Schwebstoffe,
Rauch, Stäube, Nebel
und Dämpfe,
insbesondere von Öl,
Kühlemulsion,
Trennmittel, Weichmacher und dergleichen über Ventilatoren geführt wird.
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Zu
diesem Zweck sind in einem öldichten
Abscheidergehäuse,
das einen horizontal angeordneten Rohrkanal bildet, kreissektorförmige Abscheideplatten
quer zur Rohrlängsrichtung
hintereinander im Abstand angeordnet. Die einen verschmutzten Luftstrom
ablenkenden Abscheideplatten, die demgemäß auch als Ablenkplatten betrachtet
werden können,
sind auf einer in Längsrichtung
des rohrförmigen Abscheidegehäuses verlaufenden
Welle angebracht und werden mit dieser bei Betrieb des Abscheiders durch
einen Elektroantrieb permanent gedreht. Die sich drehenden Abscheideplatten
bewegen sich gegen im unteren Rohrquer schnitt angeordnete Abstreifer,
die die Abscheideplatten von anhaftenden Ölen, Emulsionen oder anderen
festen Schwebstoffen befreien und diese in eine unterhalb der Abscheideplatten
angeordnete Wanne führen.
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Selbst
wenn dieser Prallvorabscheider eine vernünftige Abscheidewirkung erreicht,
stellt er dennoch einen zumindest im Wesentlichen konstanten Luftstromwiderstand
dar und ist daher nicht ohne weiteres für andere Anwendungen, beispielsweise
in einem Brennstoffzellensystem, geeignet.
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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 Protonenaustauschmembrane (PEM) verwenden, wird Wasserstoff
der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und Sauerstoff der Kathode
als Oxidationsmittel zugeführt.
PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA),
welche eine dünne protonendurchlässige, nicht
elektrisch leitende, feste Polymerelektrolytmembran umfassen, welche
den Anodenkatalysator auf einer seiner Seiten und den Kathodenkatalysator
auf der gegenüberliegenden Seite
hat. Das MEA ist zwischen einem Paar elektrisch 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 Allgemeinen 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
Membranelektrodenbaugruppe (MEA), und jedes dieser MEAs liefert eine
entsprechende Zunahme der Spannung. Eine Gruppe benachbarter Zellen
innerhalb des Stapels wird als Cluster bezeichnet. Typische Anordnungen von
mehreren Zellen in einem Stapel sind in der
US 5,763,113 A der General
Motors Corporation beschrieben.
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In
PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der
Anodenreaktand (z.B., Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand
(z.B., Oxidationsmittel). 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 Ionenaustauschharzen,
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
Teilchen sind typischerweise kostspielige Edelmetallteilchen. Diese Membranelektrodenbaugruppen
sind relativ teuer in der Herstellung und erfordern bestimmte Betriebsbedingungen
einschließlich
der richtigen Handhabung des Wassers und der Befeuchtung und der Überwachung
von Bestandteilen wie Kohlenmonoxid (CO), welche den Katalysator
verschmutzen, um einen wirksamen Betrieb zu erreichen.
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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 Brennstoffzelle
zu verwenden. Solche flüssigen
Brennstoffe für
das Fahrzeug sind leicht an Bord zu speichern und es existiert eine
landesweite Infrastruktur 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 Reaktoren, 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 einem 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 Oxidationsreaktor (POX) und der andere
ist vor allem ein Dampfreformer (SR). Die Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung
produziert Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser.
Nachfolgende Reaktoren können
Wasser/Gas-Shiftreaktoren (WGS) und "preferential oxidizer" (PROX) Reaktoren
umfassen. In einem PROX-Reaktor wird Kohlendioxid aus Kohlenmonoxid
hergestellt, wobei Sauerstoff aus der Luft als Oxidationsmittel
verwendet wird. Hier ist die Regelung des Luftzuflusses wichtig, um
selektiv CO zu CO2 zu oxidieren.
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Brennstoffzellensysteme,
welche einen Kohlenwasserstoffbrennstoff verarbeiten, um ein wasserstoffreiches
Reformat zum Verbrauch durch die PEM-Brennstoffzelle zu produzieren,
sind bekannt und beschrieben in der Internationalen Anmeldung mit
der Veröffentlichungsnummer
WO 98/08771 A2, welche am 5. Marz 1998 veröffentlicht wurde. Eine typische
PEM-Brennstoffzelle und seine Membranelektrodenbaugruppe (MEA) sind
in den US-Patenten mit den Nrn.
US 5,272,017 A und
US 5,316,871 A , erteilt am
21. Dezember 1993 bzw. am 31. Mai 1994, beschrieben, welche an die
General Motors Corporation übertragen
wurden.
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Der
effiziente Betrieb eines Brennstoffzellensystems hängt von
der Fähigkeit
ab, ein wirkungsvolles Wassermanagement im System zur Verfügung zu stellen
und speziell die Wiedergewinnung und Wiederverwendung des Wassers
im System zu regeln.
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Ein
Brennstoffzellensystem produziert Wasser als ein Ergebnis der elektrochemischen
Reaktion, welche in einem Brennstoffzellenstapel abläuft. Der physikalische
Zustand des produzierten Wassers hängt von der Temperatur und
dem Druck ab, bei welchem die elektrochemische Reaktion abläuft. Grundsätzlich kann
festgehalten werden, dass das produzierte Wasser dampfförmig bei
höheren
Temperaturen und niedrigeren Drucken und flüssig bei niedrigeren Temperaturen
und höheren
Drucken 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.
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Es
ist notwendig, das produzierte Wasser kontinuierlich wiederzugewinnen,
um es für
andere Zwecke innerhalb des Brennstoffzellensystems nutzen zu können, zum
Beispiel, um der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung Wasser als
Reaktionspartner zur Verfügung
zu stellen. Das Wasser wird unterschiedlich, abhängig von seinem physikalischen
Zustand, wiedergewonnen. In flüssiger
Form wird das produzierte Wasser typischerweise durch eine mechanische
Wassertrenneinrichtung wiedergewonnen, in Dampfform wird das produzierte
Wasser typischerweise mittels eines Kondensators wiedergewonnen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Wassertrenneinrichtung,
um das vorhandene flüssige
Wasser wiederzugewinnen, wenn dieses vorhanden ist.
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Die
Auslegung einer mechanischen Trenneinrichtung für flüssiges Wasser 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 Brennstoffzellenanwendungen in Fahrzeugen
integriert werden kann.
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Die
derzeit verfügbaren
industriellen Wassertrenneinrichtungen sind für spezifische Gasflussraten
und Wassergehalte entworfen. Da Gasflussraten und Gehalt an flüssigem Wasser
in einem Brennstoffzellensystem nicht konstant sind, müssen die derzeitigen
Trenneinrichtungsdesigns für
die größstmöglichen
Gasflussraten und den schlechtestmöglichen Wassergehalt dimensioniert
sein. Die Folge davon ist ein überdimensioniertes
Bauteil, in welchem der maximale Gasfluss und/oder Wassergehalt
nur während
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 Brennstoffzellensystemen
in Fahrzeugen nicht zweckmäßig ist.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
das beschriebene Problem. Sie 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
Systemwirkungsgrad erhöht.
Außerdem
eröffnet
dies die Möglichkeit,
die Trenneinrichtung mit einem kleineren Volumen zu versehen, da
es nur einen kleinen Teil der Zeit wirksam ist. Das bedeutet, dass
das kleinere Volumen einen höheren
Druckabfall erzeugt, aber der Einfluss auf den Wirkungsgrad des
Systems wird minimiert, da die Trenneinrichtung nur für einen
kleinen Teil der Zeit wirksam ist. Weiterhin ist es möglich, den
Abscheidewirkungsgrad entsprechend des Bedarfs an wiedergewonnenem
Wasser zu regeln, wenn flüssiges
Wasser vorhanden ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gas/Flüssigkeits-Trenneinrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass bei einer preisgünstigen
Ausführung
das physikalische Volumen der Trenneinrichtung minimiert werden
kann, der durch die Trenneinrichtung verursachte Druckverlust bei
einem Betriebszustand, in dem das Gas keine Flüssigkeit enthält, nicht
bemerkbar ist, dass aber beim Vorhandensein von Flüssigkeit
die Trenneinrichtung so betrieben werden kann, dass ein hoher Wirkungsgrad
bei der Abtrennung des Flüssigkeitsanteils
erreicht wird.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
wird erfindungsgemäß eine Gas/Flüssigkeits-Trenneinrichtung
der eingangs genannten Art vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet,
dass Mittel zur Anbringung von weiteren Ablenkplatten vorgesehen
sind, zu denen die drehbaren Ablenkplatten eine Relativbewegung ausführen sowie
eine Einrichtung, um die relative Lage der drehbaren und der weiteren
Ablenkplatten einzustellen und den gesamten Blockadequerschnitt, der
durch die Ablenkplatten vorgegeben wird, selektiv zu verändern.
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Mit
dieser Anordnung können
die einzelnen Ablenkplatten gezielt eingestellt werden, um den gesamten
Blockadequerschnitt der durch die Ablenkplatten vorgegeben 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.
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Entsprechend
einer Ausgestaltung der Erfindung ist jede drehbare Ablenkplatte
mit einer sich zentral durch den Durchflusskanal erstreckenden Welle
drehbar angeordnet. Diese besondere Anordnung erleichtert die relative
Einstellung der Ablenkplatten, um sie einem speziellen Szenario
des Wassergehalts anzupassen.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst jede Ablenkplatte
eine zentrale Nabe, welche sich auf der Achse befindet, und eine Mehrzahl
von in Umfangsrichtung mit Abstand angeordneten Flügeln, welche
sich von der Nabe radial nach außen erstrecken. Diese besondere
Anordnung erleichtert weiter die Fähigkeit, den Trenneinrichtung an
ein spezielles Szenario des Wassergehaltes anzupassen.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung blockieren die Flügel jedes
Ablenkplattenblocks einen vorgegebenen Anteil der Querschnittsfläche des
Durchflussbereichs, so dass erste und zweite aufeinander 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
folgende 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.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Trenneinrichtung
weiterhin eine Einrichtung, die dazu dient, die Ablenkplatten relativ
zueinander in Abhängigkeit
von erfassten Systemparametern zu bewegen.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bewegungseinrichtung eine
Betätigungseinrichtung,
welche zum Antreiben der drehbaren Ablenkplatten diesen zugeordnet
ist und eine Einrichtung, welche ein Regelsignal erzeugt, das die
erfassten Parameter der Brennstoffzelle widerspiegelt und der Betätigungseinrichtung zuführbar ist.
Dieser Aufbau erlaubt es, die Trenneinrichtung automatisch an die
aktuelle Situation des Wassergehalts, welche in der Brennstoffzelle
vorliegt, anzupassen.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfassen die erfassten
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 elektrische 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 anzupassen, dass sie den jeweils vorliegenden Status des Wassergehalts im
System widerspiegelt.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Trenneinrichtung
eine zentrale Welle, welche sich auf der Achse befindet, wobei die
zentralen Naben ringförmig
und aufeinandegestapelt 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.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse in Abschnitte
unterteilt und umfasst modulare Einheiten, welche ausgetauscht 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.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung treibt die Betätigungseinrichtung
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 wirkungsvolles Mittel, um die Ablenkplatten relativ
zueinander zu bewegen, um die Strömungseigenschaften der Trenneinrichtung
entsprechend dem Signal, welches von der Betätigungseinrichtung empfangen
wird, zu verändern.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Trenneinrichtung
so angeordnet, dass sie den Kathodenausgangsstrom der Brennstoffzelle
empfängt
und das Wasser aus dem Kathodenausgangsstrom abscheidet, um es als
Reaktionspartner der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung zuzuführen.
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Entsprechend
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Trenneinrichtung
der beschriebenen Art ebenfalls eingesetzt, um den Anodenausgangsstrom
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 Brennstoffverarbeitung
als Reaktionspartner zuzuführen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Vorrichtung 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
einzustellen, im Gegensatz zum aktiven System, welches durch die
Betätigungseinrichtung,
welche die Welle mit den fest angebrachten Ablenkplatten bewegt,
gebildet wird.
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Die
verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Verwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf die nachfolgenden
Beschreibungen und Zeichnungen klarer, wobei
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1 eine
schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems ist, in welchem
eine oder mehrere Wassertrenneinrich tungen bzw. Wasserabscheider
entsprechend der Erfindung zur Anwendung kommen;
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2 ist
eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der Erfindung,
wie es in einem Fahrzeugantriebssystem verwendet wird;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer Wassertrenneinrichtung entsprechend
der Erfindung;
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4 ist
eine Ansicht der Wassertrenneinrichtung von oben;
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5 ist
eine Querschnittsansicht, welcher der Linie 5-5 in 4 entspricht;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht in zerlegter Form, welche die Teile
der Wassertrenneinrichtung darstellt;
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7A, 7B und 7C stellen
die relative Bewegung der in der Wassertrenneinrichtung vorliegenden
Ablenkplatten dar;
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8 ist
eine Darstellung des Gehäuses
der Trenneinrichtung in aufgelösten
Einzelteilen; und
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9 ist
eine Ansicht in Einzelteilen, welche einer alternativen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Trenneinrichtung
entspricht.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Aufbau
und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Wassertrenneinrichtung
können
besser, beispielsweise mit Hilfe des in 1 beispielhaft
dargestellten Brennstoffzellensystems verstanden werden. Daher ist
es nützlich,
das System innerhalb dessen die Wassertrenneinrichtung arbeitet,
zu verstehen, bevor die erfindungsgemäße Wassertrenneinrichtung weiter
beschrieben wird.
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1 stellt
ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems dar. Das System kann
in einem Fahrzeug (nicht dargestellt) als Energiequelle für den Fahrzeugantrieb
verwendet werden. Im System wird ein Kohlenwasserstoff in einer
Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung, zum Beispiel durch Reformation und "preferential oxidation"-Prozesse, verarbeitet, um
ein reformiertes Gas herzustellen, welches einen relativ hohen Wasserstoffgehalt
pro Volumen oder pro Mol enthält.
Daher wird auf wasserstoffreichen oder relativ hohen Wasserstoffgehalt
Bezug genommen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Zusammenhang mit einer Brennstoffzelle,
welche mittels eines H2-reichen Reformats
betrieben wird, beschrieben, unabhängig davon mit welcher Methode
solch ein Reformat hergestellt wurde. Es soll verstanden werden,
dass die hier dargestellten Prinzipien 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.
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Wie
in 1 dargestellt, umfasst ein Brennstoffzellensystem
eine Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2, um einen
aus einem reformierbaren Kohlenwasserstoff bestehenden Brennstoffstrom 6 und
von einem Wasserstrom 8 stammendes Wasser in Dampfform
katalytisch zur Reaktion zu bringen. In einigen Vorrichtungen zur
Brennstoffverarbeitung wird auch Luft in Kombination mit "preferential oxidation"/Dampfreformierungsreaktionen
verwendet. In diesem Fall wird der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 ebenfalls
ein Luftstrom 9 zugeführt.
Die Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung enthält einen oder mehrere Reaktoren 12,
wobei der reformierbare aus Kohlenwasserstoff bestehenden Brennstoff
im Strom 6 eine Abspaltung in der Gegenwart von Wasser/Dampf 8 und
manchmal Luft (in Strom 9) erfährt, um das wasserstoffreiche
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 Anordnung der Reaktoren 12 variieren; und im Nachfolgenden
werden exemplarische Brennstoffreformationsreaktor(en) 14 und
nachgeschaltete Reaktor(en) 16 beschrieben.
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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 Wirklichkeit 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, Wasser und Kohlenmonoxid. Daher ist es nach jeglicher Art
von Reformation wünschenswert,
den Gehalt an Kohlenmonoxid im Produktstrom zu reduzieren.
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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
Ausflussgasstrom 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 Beispiel 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 entsteht, welches an der Kathode produziert
wird.
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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
Betriebsbedingungen 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 41 eines Brenners
zuzuführen.
Die Luft wird in der Brennkammer 41 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 Brennstoffverarbeitung 2 aufzuheizen.
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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 ausgewählter Reaktoren
erreicht.
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Die
Wärme von
der Brennkammer 41 heizt ausgewählte Reaktoren und Reaktorbetten
in der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 während der
Startphase auf. Die Brennkammer 41 bewirkt das Aufheizen
der ausgewählten
Reaktoren und Betten in der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung,
falls notwendig, durch indirekten Wärmetransfer dorthin. Typischerweise
umfassen solche indirekt beheizten Reaktoren eine Reaktionskammer
mit einem Einlass und einem Auslass. Innerhalb der Reakti onskammer sind
die Betten in der Form von Trägersubstraten "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.
Zusätzlich
kann die Brennkammer 41 verwendet werden, um den Brennstoff 6,
das Wasser 8 und die Luft 9, welche als Reaktanden
der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 zugeführt werden,
vorzuheizen.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die Luft 9, welche der Vorrichtung
zur Brennstoffverarbeitung 2 zugeführt wird, in einer oder mehrerer
der Reaktoren 12 verwendet werden kann. Wenn der Reaktor 14 ein Benzinreformierungsreaktor
ist, dann wird Luft aus Leitung 9 dem Reaktor 14 zugeführt. Der
PROX-Reaktor 16 verwendet ebenfalls Luft, um CO zu CO2 zu oxidieren und erhält ebenfalls Luft von der Quelle
der Luftzufuhr (Kompressor 30) über Leitung 9.
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Die
Brennkammer 41 des Brenners 34 ist mit einem Einlassende 42,
einem Abgasende 44 und einem Katalysatorteil 48 zwischen
diesen Enden versehen. Ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff
wird in die Brennkammer eingespritzt. Der kohlenwasserstoffhaltige
Brennstoff, wenn er in flüssiger
Form vorliegt, wird vorzugsweise verdampft, entweder bevor er in
die Brennkammer eingespritzt wird oder in einem Bereich der Brennkammer,
in welchem der Brennstoff für
die Verbrennung fein verteilt wird. Die Verdampfung 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.
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Der
kohlenwasserstoffhaltige Brennstoff 46 und der Anodenausgangsstrom 26 reagieren
im Katalysatorabschnitt 48 der Brennkammer 41,
der zwischen dem Einlassende und dem Abgasende 42 und 44 der
Brennkammer 41 vorliegt. Sauerstoff wird der Brennkammer 41 entweder
von der Luftzufuhr (d.h. Kompressor 30) über Ventil 32 zugeführt oder
aus einem zweiten Luftstrom, wie einem Kathodenausgangsstrom 28,
abhängig
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 Brennstoffverarbeitung 2 aufzuheizen.
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Wie
gesehen werden kann, ergänzt
der kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffstrom 46 den Anodenausgangsstrom 26 als
Brennstoff für
die Brennkammer 41, 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 Abschaltventil 140 und
einen Schalldämpfer 142,
bevor es in die Atmosphäre
entlassen wird. In 1 werden die Symbole wie folgt
gezeichnet: V bedeutet 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 Kathodenseite
und A ist die Anodenseite der Brennstoffzelle, INJ, ist die Einspritzvorrichtung,
COMP ist der Kompressor, und S ist der Wasserabscheider bzw. die
Wassertrenneinrichtung.
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Die
Wärmemenge,
die von den ausgewählten
Reaktoren innerhalb der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 benötigt wird
und welche durch die Brennkammer 41 geliefert wird, hängt von
der Menge des Brennstoffs und Wasserzuflusses und letztendlich von
der gewünschten
Reaktionstemperatur in der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 ab.
Wie vorher angegeben, wird Luft ebenfalls in der Vorrichtung zur
Brennstoffverarbeitung verwendet und muss auch gleichzeitig mit
dem Brennstoff und Wasserzufluss berücksichtigt werden. Um den Wärmebedarf
der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung zu befriedigen, verwendet
die Brennkammer das gesamte Anodenabgas bzw. den gesamten Anodenausgangsstromfluss
und möglicherweise
noch etwas des kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs. Enthalpiegleichungen
werden verwendet, um die Luftmenge des Kathodenausgangsstroms, welcher
der Brennkammer 41 zugeführt wird, zu bestimmen, um den
gewünschten
Temperaturbedarf der Brennkammer 41 zu decken und damit
die Brennkammer 41 letztendlich den Wärmebedarf der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 befriedigen
kann. Der Sauerstoff oder die Luft, die der Brennkammer 41 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 41,
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 Brennkammer 41 und
der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 jeweils zu
befriedigen. Die Luftsteuerung ist über ein Luftverdünnungsventil 47 implementiert
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 41 zugeführt
wird, zu regeln.
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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, welcher
von einer externen Quelle (z.B. einer Batterie) gespeist wird, angetrieben,
um die benötigte
Luft für
das System zu liefern; (2) Luft wird in die Brennkammer 41 eingeführt; kohlenwasserstoffhaltiger
Brennstoff 46 (z.B. MeOH oder Benzin) wird in die Brennkammer 41 injiziert;
(3) die Luft und der Brennstoff reagieren in der Brennkammer 41, wobei
im wesentlichen die vollständige
Verbrennung des Brennstoffs stattfindet; und (4) die heißen Abgase,
welche die Brennkammer 41 verlassen, werden zu den ausgewählten Reaktoren 12 transportiert, welche
der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 zugeordnet
sind.
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Sobald
die Reaktoren in der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung 2 eine
angemessene Temperatur erreicht haben, beginnt der Reformierungsprozess,
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 41 zugeführt; (5) der Kathodenausgangsstrom 28 von
der Brennstoffzelle 22 wird der Brennkammer 41 zugeführt; (6)
der Brennstoff, die Luft, der Kathodenausgangsstrom 28 und der
Anodenausgangsstrom 26 werden in der Brennkammer 41 verbrannt.
In einer bevorzugten Abfolge wird Schritt (2) zuerst mit
der Zufuhr von Luft direkt in die Brennkammer durchgeführt. Dann,
wenn der wasserstoffreiche Strom einen angemessenen niedrigen CO-Gehalt
hat, werden die Schritte (1) und (3) ausgeführt, gefolgt von den Schritte
(4), (5) und (6).
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Unter
bestimmten Bedingungen kann die Brennkammer 41 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 Brennkammer 41 unterbrochen.
Unter anderen Bedingungen, z.B. einem erhöhten Leistungsbedarf, wird
zusätzlicher
Brennstoff 46 zugeführt,
um den Aout (26) zur Brennkammer 41 zu
ergänzen.
Wie ersichtlich, erhält
die Brennkammer 41 verschiedene Brennstoffe, wie zum Beispiel einen
kohlenwasserstoffhaltigen 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 41 zugeführt.
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Entsprechend
dem vorliegenden Beispiel für ein
Brennstoffzellensystem, regelt die Regeleinheit 150, welche
in 1 gezeigt wird, verschiedene Gesichtspunkte im
Betrieb des Systems, welche in 1 dargestellt
ist.
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Die
Regeleinheit 150 kann jegliche Art von geeigneten Mikroprozessoren,
Mikrocontrollern, Personalcomputern usw. umfassen, welche eine Zentraleinheit
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 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
Schaltungen ausgeführt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Brennstoffzellensystem die Brennstoffzelle 22 als
Teil des Antriebssystems 60 eines Fahrzeugs (siehe 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 Energie von einem DC/DC-Konverter 61 zu empfangen,
welcher dem Brennstoffzellensystem 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 Batteriepackmodul (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 Batteriepackmodul (BPM) 71 oder durch
BPM 71 und EECM 70 gemeinsam erfolgen, um ein
Ausgangssignal (Nachricht) an die Steuereinheit 74 des
Fahrzeugs zu schicken, welches auf den Bedingungen basiert, die
durch das BPM 71 überwacht
wurden. Die Fahrzeugsteuerung 74 regelt den Elektromotor 64,
die Antriebselektronik einschließlich des Inverters 65 und
des DC/DC-Konverters 61 und verlangt ein Leistungsniveau
vom EECM 70.
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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 Reaktionspartner
der Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung zuzuführen, werden eine oder mehrere
Trenneinrichtungen im System verwendet. Wie beispielsweise dargestellt,
kann eine Trenneinrichtung S vorgesehen werden, um den Kathodenausgangsstrom
der Brennstoffzelle zu erhalten, eine weitere Trenneinrichtung S
kann vorgesehen werden, um den am Anodenausgangsstrom der Brennstoffzelle
zu erhalten und eine weitere Trenneinrichtung S, welcher das Reformat
zugeführt
wird, kann der Brennstoffzelle vorgeschaltet werden. Wenn gewünscht, kann
eine weitere Trenneinrichtung (nicht gezeigt) im Zusammenhang mit
dem Abgas der Brennkammer verwendet werden.
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In
Bezug auf die 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.
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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.
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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 zusammengebauten Teile werden durch mehrere umfangsmäßig beabstandete
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
unteren Wand angebracht.
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Jede
Ablenkplatte 84 (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 Außenkante 106b jedes
Flügels
ein Kreisbogensegment von ungefähr 90° beschreibt,
so dass die zwei Flügel
zusammen einen Kreisbogen von ungefähr 180° beschreiben. Die Flügel haben
vorzugsweise eine flache, lamellenartige Ausgestaltung.
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Die
Mittel zur Befestigung und Bewegung 86 umfassen eine zentrale
Welle 108, Wellenstifte 110 und eine Betätigungseinrichtung 112.
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Das
untere Ende der Welle 108 geht durch eine Naben- und Lagerstruktur,
welche sich an der unteren Wand 96b des Behälters befindet,
das obere Ende der Welle wird in einer Naben- und Lagerkonstruktion
aufgenommen, 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.
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Die
Betätigungseinrichtung 112 ist
fest unterhalb des Reservoirs 96 angebracht und nimmt in
antreibender Weise das untere Ende der Welle 108 auf. Die
Betätigungseinrichtung 112 kann
in verschiedenen Formen vorliegen, je nach der Energieform, die leicht
verfügbar
ist. In dem offengelegten Brennstoffzellensystem würde die
Betätigungseinrichtung 112 vorzugsweise
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.
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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 aufeinandergestapelt 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 Spinne 88 befindet.
Jede zweite Ablenkplatte 84 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 bzw. Ablenkplatten 84A 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 Ablenkplattenmodule, die mit dem Gehäuse verbunden sind, bleiben in
einer festen Position relativ zum Gehäuse, wenn die Welle 108 durch
die Betätigungseinrichtung 112 gedreht
wird.
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Wie
am besten in den 7A – 7C gesehen
werden kann, können
durch diesen Aufbau erste und zweite aufeinander folgend gestapelte
Ablenkplatten 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
Moduls ergibt, bis zu einer größeren Blockade,
welche sich durch die Flügel
der kombinierten Module 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° abdecken, ergeben die Flügel, wenn
sie wie in 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 7C gesehen werden kann, ergeben
diese eine gemeinsame Blockade von nur 180° oder ungefähr die Hälfte des Durchflusskanals,
welcher durch den inneren Rand 92b des Gehäuses vorgegeben
wird. Wenn aufeinander folgende Module teilweise außer Phase
sind, wie in 7B gesehen werden kann, ergeben
diese gemeinsam eine Blockade 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
Durchflusskanals verändert
werden kann.
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Die
Betätigungseinrichtung 112 wird
in Ansprechen auf ein Regelsignal bewegt, welches die erfassten
Parameter der Brennstoffzelle 22 widerspiegelt. So kann
zum Beispiel (1) ein Sensor 120 die
Feuchtigkeit des komprimierten Gasstroms 24 messen, welcher
der Brennstoffzelle zugeführt
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.
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Es
versteht sich, dass eines oder alle der Signale, welche durch die
Sensoren 120, 122, 124, 126, 128 und 130 erzeugt
werden, der Betätigungseinrichtung 112 über die
Leitung 140 zugeführt
werden, wobei ein Regelsignal erzeugt wird, welches der Betätigungseinrichtung
zugeführt
wird, welche einen oder mehrere der gemessenen Parameter der Brennstoffzelle
widerspiegelt, insbesondere solche, welche den Wassergehalt des
Flüssigkeitsstroms, welcher
durch die jeweiligen Trenneinrichtungen verarbeitet werden, widerspiegeln.
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Dabei
kann man sehen, dass der beschriebene Aufbau es ermöglicht,
die durch die Trenneinrichtung bewirkte Einschränkung der Strömung stufenlos
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.
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Dabei
versteht man, dass die Beschränkung, welche
durch die Trenneinrichtung gegeben wird, ebenfalls leicht durch
die Veränderung
der Zahl der Ablenkplattenmodule, welche in der Trenneinrichtung vorliegen,
verändert
werden kann. So kann speziell eine große Zahl von Ablenkplattenmodulen
im Zusammenhang mit einem relativ langen Gehäuse 92 ver wendet werden,
oder aber eine relativ kleine Zahl von Ablenkplattenmodulen auf
der Welle 108 in Zusammenhang mit einem relativ kurzen
Gehäuse 92 gestapelt
werden, wobei der Austausch der Gehäusemodule einfach durch Lösen der
Schrauben 102 und Ersetzen des spezifischen zylindrischen
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 Ablenkplattenmodule verwendet werden kann.
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In
der Ausführungsform
der Erfindung, welche in 9 dargestellt ist, wird die
relative Bewegung zwischen den Flügeln aufeinanderfolgender Ablenkplatten,
welche auf der Welle aufgestapelt sind, durch die Verwendung eines
individuellen Wickels 132 bzw. einer individuellen Spule
aus bimetallischem Metall, welche jedem zweiten auf der Welle 108 aufgestapelten
Ablenkplattenmodul zugeordnet ist, bewerkstelligt, anstatt diese
relative Bewegung mittels einer Betätigungseinrichtung 112 durchzuführen, 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 Windung 132b der
Bimetallspule fest mit dem inneren Rand der Nabe 104 an
umfangmäßig beabstandeten
Orten 132c verbunden ist.
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Mit
dieser Anordnung kann die durch den Trenneinrichtung vorgegebene
relative Blockade selektiv verändert
werden, wenn sich die Umgebungstemperaturbedingungen innerhalb oder
um die Trenneinrichtung herum verändern. Wenn zum Beispiel das
Brennstoffzellensystem in der Startphase 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 Druckabfall zu reduzieren. Auf diese Weise opfert das System
keinen Wirkungsgrad, 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 3 – 8 verwendet,
dies aber auf Kosten der Genauigkeit der Steuerung.
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Die
Erfindung funktioniert auf Basis des Prinzips der Trägheitsabscheidung.
Trägheitsabscheidung
tritt auf, wenn Wassertröpfchen,
welche von einem Gasstrom mitgerissen werden, zu einer Richtungsänderung
gezwungen werden, und die Trägheit der
sich bewegenden Tröpfchen
dazu führt,
eine physikalische Barriere zu treffen, wenn sie weiter in ihre ursprüngliche
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 Angriffswinkels des Stroms auf die Ablenkplatten.
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In
dieser Erfindung sind die Ablenkplatten vertikal gestapelt und drehbar
auf einer zentralen Welle orientiert. Der Gasstrom, welcher flüssiges Wasser
enthält,
tritt auf der Seite der Einrichtung nahe dem Boden durch den Einlass 94 ein.
Größere Mengen
flüssigen
Wassers im Strom laufen einfach 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 Wassertröpfchen
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 141 zu einem zentralen Behälter 136 geleitet,
von welchem das gesammelte Wasser über eine Leitung 138 geleitet
werden kann, um das Wasser als Reaktionspartner der Vorrichtung
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 Trenneinrichtung S kann so eingesetzt werden, dass ihr das
Reformat stromauf der Brennstoffzelle zugeführt wird. Eine weitere Trenneinrichtung
(nicht gezeigt) 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 Vorrichtung zur Brennstoffverarbeitung zu leiten. Gesammeltes
Wasser kann auch zum Luftstrom geleitet werden, welcher dem Brennstoffzellenstapel durch
die Leitung 24 zugeführt
wird, um die Feuchtigkeit des komprimierten Luftstroms, der bei
der Brennstoffzelle ankommt, zu regeln.
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Es
kann gesehen werden, dass der Wirkungsgrad der Trenneinrichtung
einfach vergrößert werden
kann, indem Lagen von Ablenkplatten hinzugefügt werden, indem der Abstand
der Ablenkplatten verringert wird, und indem die Orientierung aufeinanderfolgender
Ablenkplatten in Rotationsrichtung im Stapel angepasst wird. Alle
diese Parameter sind leicht anpassbar, 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 höheren Druckabfall.
Umgekehrt verringert eine verkleinerte Beschränkung den Wirkungsgrad der
Abscheidung, führt
aber zu einem kleineren Druckabfall.
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Die
Erfindung ist einzigartig in der Weise, dass sie den Druckabfall
durch den Trenneinrichtung minimiert, wenn dieser nicht aktiv im
Brennstoffzellensystem 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
Fläche
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 Bimetallelementen.
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Die
aktive Regelung der Lage der Ablenkplatten basiert auf der Messung
des flüssigen
Wassers im System. Die Menge des flüssigen Wassers, wel che 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 von der Temperatur
und dem Druck im Stapel. Daher liefern die Sensoren für diese
Parameter im System Daten an einen Steuerungscomputer, welcher den
Molanteil des Wassers oberhalb der Sättigung berechnet 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 durchgeführt werden
oder in einer Serie von Rotationsschritten, welche durch experimentelle
Eichung des Abscheidungswirkungsgrads für verschiedene Wasser- und
Gasflussgehalte bestimmt wurde.
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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 Trenneinrichtung 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.
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Weiterhin
ist es mit dieser Erfindung möglich, den
Wirkungsgrad der Abscheidung entsprechend der Notwendigkeit der
Wiedergewinnung von Wasser einzustellen, wenn flüssiges Wasser vorhanden ist.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsformen
dieser Erfindung im Detail dargestellt und beschrieben wurden, ist
es offensichtlich, dass verschiedene Änderungen an den veröffentlichten
Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
ohne vom Bereich oder Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.