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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kondensatoren und Arbeitsverfahren
zum Trennen eines Fluidgemisches zu einem nichtkondensierten Gas
und einer kondensierten Flüssigkeit
und in besonderer Anwendung solche Kondensatoren und Verfahren,
wie sie hauptsächlich
in Verbindung mit Brennstoffzellensystemen verwendet bzw. angewendet
werden.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Kondensatoren
werden in den verschiedensten Situationen zum zumindest teilweisen
Kondensieren einer Flüssigkeit
aus einem Fluidgemisch verwendet. Viele Kondensatoren, wie zum Beispiel
die in Kraftfahrzeugen vorgefundenen, kondensieren einen völlig dampfförmigen Strom
zu einem völlig
flüssigen Strom.
In der Regel handelt es sich bei solchen Kondensatoren bei dem Fluid
um einen Dampf am Einlass und eine kondensierte Flüssigkeit
am Auslass. Es gibt jedoch auch Kondensatoren, die ein Fluid nur teilweise
kondensieren oder nur einen Bestandteil eines Gasgemisches kondensieren,
wodurch der Auslass sowohl Flüssigkeit
als auch Gas enthält.
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Kondensatoren
sind auch bei den verschiedensten anderen Anwendungen zur Rückgewinnung einer
Flüssigkeit
aus einem Abgasstrom nützlich.
Ein spezifisches Beispiel dafür,
wo solch ein Kondensator eingesetzt werden könnte, liegt in Kombination
mit einem Brennstoffzellensystem zur Rückgewinnung von Wasser aus
dem Kathodenabgas der Brennstoffzelle vor. Insbesondere enthält das Kathodenabgas aus
einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
(Polymer-Elektrolyt-Membran = PEM) Wasser, das zur Befeuchtung in
das System eingetragen wurde, sowie Wasser, das durch die elektrochemischen Reaktionen
in der Brennstoffzelle selbst erzeugt wurde.
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Die
meisten PEM-Brennstoffzellen kombinieren Wasserstoffgas auf der
Anodenseite mit Sauerstoff auf der Kathodenseite zur Erzeugung von
Wasser unter Nutzung von Elektronen zur Erzeugung von Elektrizität. Die Reaktion
auf der Anodenseite der Brennstoffzelle ist [H2 → 2H+ + 2e–]. Die Wasserstoffionen
durchdringen die Trennmembran, während
die Elektronen durch einen elektronischen Kreislauf zur Kathodenseite
hinüber
passieren. Auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle ist die Reaktion
[2H+ + 2e– + 1/2
O2 → H2 0], wobei sich die Wasserstoffionen, die Elektronen
und der Sauerstoff zur Erzeugung von Wasser kombinieren. Deshalb
erzeugt die Gesamtreaktion theoretisch ein Wassermolekül pro Wasserstoffmolekül.
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Des
Weiteren erfordern Brennstoffzellen im Allgemeinen Wasser in Form
von Befeuchtung zur optimalen Leistung der in jeder Brennstoffzelle
verwendeten Membran. In der Regel werden eine oder beide Seiten
der Brennstoffzelle, die Anode und die Kathode, über die jeweiligen Einlassströme befeuchtet,
um die Wasserstoffionenpermeation von der Anode zur Kathode aufrecht
zu erhalten. Im Allgemeinen wird Luft als Sauerstoffquelle für die elektrochemische
Reaktion auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle verwendet, und
aus diesem Grunde muss auch eine beträchtliche Wassermenge verwendet werden,
um den angemessenen Befeuchtungsgrad aufrecht zu erhalten. Es wird
deshalb eine große Wassermenge
benötigt,
weil der erforderliche Luftdurchfluss im Vergleich zur Strömung reinen
Sauerstoffs im Allgemeinen groß ist,
um die für
die Reaktion erforderliche Sauerstoffmenge zu erreichen, und/oder
weil eine Wasserübersprühung erforderlich sein
kann und am Kathodenauslass aufgefangen wird. Deshalb erfordert
die Brennstoffzelle selbst einen großen Befeuchtungsgrad zum Betrieb.
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Wie
oben erwähnt,
erzeugt die Brennstoffzelle Wasser als ein Produkt der elektrochemischen
Reaktion. Deshalb weist das Kathodenabgas nicht nur Wasser von der
Eingangsbefeuchtung auf, sondern auch die Brennstoffzelle erzeugt
Wasser. Um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems zu maximieren,
ist es wünschenswert,
das Wasser aus dem Kathodenabgas zurückzugewinnen, um es zur Befeuchtung
und/oder zur Kühlung
in anderen Teilen des Brennstoffzellensystems zu verwenden.
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In
dieser Hinsicht werden häufig
Kondensatoren eingesetzt, um Wasser aus dem Kathodenabgas zurückzugewinnen.
Da die Temperatur des kondensierten und mitgeführten Wassers höher sein kann
als die erwünschte
Temperatur, haben andere eine Kombination eines Kondensators in
Reihe mit einem Flüssigkeitskühler gewählt.
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Die
Verwendung eines Kondensators in Reihe mit einem Flüssigkeitskühler trägt jedoch
aufgrund der mehreren Einheiten zu Druckverlusten bei. Weiterhin
kann der Druckverlust selbst bei einem vorgeschalteten Wasserabscheider
zu groß sein,
wodurch möglicherweise
zusätzliche
Pumpen erforderlich sind. Diese zusätzlichen Pumpen tragen zu parasitären Gesamtverlusten
bei und verringern den Gesamtwirkungsgrad des Systems. Darüber hinaus
erfordern mehrere Einheiten zusätzlichen
Raum. Da versucht wird, Brennstoffzellensysteme für Kraftfahrzeuganwendungen
und dergleichen kleiner und kleiner zu gestalten, ist es wünschenswert,
eine kleinere Kondensationseinheit bereitzustellen. Deshalb besteht
Bedarf nach einem Kathodenabgaskondensator, einem Flüssigkeits-Gas-Abscheider
und einem Flüssigkeitskühler, die
Gasdruckverluste minimieren und/oder Gesamtplatzbedarf minimieren.
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KURZE DARSTELLUNG DER
ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit der Bereitstellung eines
Kondensators und eines Arbeitsverfahrens den vorstehenden Wünschen und Bedürfnissen
wenigstens teilweise zu entsprechen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ergibt
sich bezüglich
des Kondensators aus den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich des
Verfahrens aus den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 9.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung wird ein Kondensator zum Trennen eines Fluidgemisches zu
einer kondensierten Flüssigkeit
und einem nichtkondensierten Gas bereitgestellt. Der Kondensator enthält einen
vertikalen Einlassverteiler zur Aufnahme des Gasgemisches, einen
vertikalen Auslassverteiler, einen Gasströmungsweg, der mit dem Einlassverteiler
und dem Auslassverteiler in Strömungsverbindung
steht, um einen Gasstrom aus dem Einlassverteiler zum Auslassverteiler
in Wärmeaustauschbeziehung
mit einem Kühlfluidstrom
zu leiten, und einen Flüssigkeitsströmungsweg,
der mit dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler in Strömungsverbindung
steht, um einen Flüssigkeitsstrom
zwischen dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler in Wärmeaustauschbeziehung
zum Kühlfluidstrom
zu leiten. Des Weiteren enthält
der Kondensator einen Gasauslass, der mit dem Auslassverteiler in
Strömungsverbindung
steht, damit das nichtkondensierte Gas den Kondensator verlassen
kann, und einen Flüssigkeitsauslass,
der mit einem der Verteiler in Strömungsverbindung steht, damit
die kondensierte Flüssigkeit
den luftgekühlten
Kondensator verlassen kann.
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Gemäß einem
Merkmal enthält
der Flüssigkeitsströmungsweg
mehrere Züge.
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Gemäß einem
Merkmal weist der vertikale Einlassverteiler einen oberen Teil und
einen unteren Teil auf, während
der vertikale Auslassverteiler einen oberen und einen unteren Teil
aufweist, und der Kondensator enthält weiterhin einen Flüssigkeitspegel, der
in jedem der Verteiler die oberen Teile von den unteren Teilen trennt.
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Gemäß einem
Merkmal ist der Kondensator ein Kathodenabgaskondensator zum Trennen
eines Kathodenabgases zu einer kondensierten Flüssigkeit und einem nichtkondensierten
Gas.
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Gemäß einem
Merkmal umfasst der Flüssigkeitsauslass
ein Standrohr.
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Gemäß einem
Merkmal wird die vertikale Position des Flüssigkeitspegels durch eine
vertikale Höhe
des Standrohrs definiert.
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Gemäß einem
Merkmal befindet sich der Flüssigkeitsauslass
am Auslassverteiler.
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Gemäß einem
Merkmal enthält
der Kondensator weiterhin eine Prallfläche mit einer Öffnung,
die eine im unteren Teil des Einlassverteilers angeordnete Gasentlüftung definiert.
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Gemäß einem
Merkmal umfasst der Gasströmungsweg
mehrere erste Rohre und der Flüssigkeitsströmungsweg
mehrere zweite Rohre, die sich unter den mehreren ersten Rohren
befinden.
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Gemäß einem
Merkmal ist der Flüssigkeitsströmungsweg
durch mindestens eine Prallfläche
in einem der Verteiler unterteilt, um mehrere Züge bereitzustellen.
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Gemäß einem
Merkmal wird ein Verfahren zum Trennen eines Fluidgemisches zu einer
kondensierten Flüssigkeit
und einem nichtkondensierten Gas in einem Kondensator bereitgestellt,
mit den folgenden Schritten:
Leiten des Fluidgemisches in einen
Einlassverteiler;
Trennen des Fluidgemisches zu einem Gasstrom und
einem Flüssigkeitsstrom
im Einlassverteiler;
Kühlen
des Flüssigkeitsstroms
durch Leiten des Flüssigkeitsstroms
durch einen Flüssigkeitsströmungsweg
zu einem Auslassverteiler;
Kondensieren mindestens eines Teils
des Gasstroms zu kondensierter Flüssigkeit durch Leiten des Gasstroms
durch einen Gasströmungsweg
zum Auslassverteiler;
wieder Trennen der kondensierten Flüssigkeit
von dem nichtkondensierten Gas im Auslassverteiler;
Leiten
des nichtkondensierten Gases aus dem Kondensator durch einen Gasauslass;
und
Leiten der kondensierten Flüssigkeit aus dem Kondensator
durch einen Flüssigkeitsauslass.
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Gemäß einem
Merkmal umfasst das Verfahren weiterhin vor dem Leiten der kondensierten
Flüssigkeit
durch den Flüssigkeitsauslass
den Schritt des Leitens der kondensierten Flüssigkeit durch einen sich zwischen
dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler erstreckenden Nachkühlströmungsweg.
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Weitere
Aufgaben, Vorteile und Merkmale gehen bei vollständiger Durchsicht der gesamten
Beschreibung, einschließlich
der angehängten
Ansprüche
und Zeichnungen, hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein etwas schematischer Aufriss eines die vorliegende Erfindung
darstellenden Kondensators, wie er mit einem Brennstoffzellensystem
verwendet wird;
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2 ist
eine Ansicht entlang Linie 2-2 von 1;
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3 ist
ein etwas schematischer Aufriss, der eine alternative Konfiguration
für einen
Auslassverteiler und eine Flüssigkeitspegelvorrichtung
für einen
die vorliegende Erfindung darstellenden Kondensator zeigt;
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4 ist ähnlich 3,
zeigt aber eine andere alternative Flüssigkeitspegelvorrichtung für einen
die vorliegende Erfindung darstellenden Kondensator; und
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5 ist
eine auseinander gezogene, weggeschnittene perspektivische Ansicht
einer alternativen Ausführungsform
eines die vorliegende Erfindung darstellenden Kondensators, bei
dem die Kühlmittelströmungswege
eingeschlossen sind.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Obgleich
die vorliegende Erfindung auf verschiedenste Weise ausgeführt werden
kann, wird nur eine bestimmte Ausführungsform davon in der Zeichnung
gezeigt und hier ausführlich
beschrieben, wobei sich versteht, dass die vorliegende Offenbarung
die Grundzüge
der Erfindung nur beispielhaft darstellen und die Erfindung nicht
auf die bestimmten dargestellten Ausführungsformen begrenzen soll.
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Auf 1 Bezug
nehmend, wird ein Kondensator 10 zum Kondensieren und Trennen
eines Fluidgemisches zu einer kondensierten Flüssigkeit und einem nichtkondensierten
Gas bereitgestellt. Der Kondensator 10 enthält einen
vertikalen Einlassverteiler 14, einen vertikalen Auslassverteiler 16,
einen Gasströmungsweg 20,
einen Flüssigkeitsströmungsweg 22,
einen Gasauslass 24 und einen Flüssigkeitsauslass 26.
Des Weiteren enthält
der Kondensator 10 ein Standrohr 28 im Auslassverteiler 16,
eine Prallfläche 30 im
Einlassverteiler 14, eine sich an der Prallfläche 30 befindende
Gasentlüftung 32,
eine andere Prallfläche 33 im
Auslassverteiler 16 und eine Flüssigkeitsdichtung oder einen
Flüssigkeitspegel 34.
Der Gasströmungsweg 20 steht
mit dem Einlassverteiler 14 und dem Auslassverteiler 16 in
Strömungsverbindung,
um einen Gasstrom aus dem Einlassverteiler 14 zum Auslassverteiler 16 in
Wärmeaustauschbeziehung
zu einem Kühlfluidstrom,
wie zum Beispiel einen Kühlluftstrom,
zu leiten. Analog steht ein Flüssigkeitsströmungsweg 22 mit
dem Einlassverteiler 14 und dem Auslassverteiler 16 in
Strömungsverbindung,
um einen Flüssigkeitsstrom
zwischen dem Einlassverteiler 14 und dem Auslassverteiler 16 in
Wärmeaustauschbeziehung
zu dem Kühlfluidstrom
zu leiten. Bei der dargestellten Ausführungsform gemäß der Darstellung
von 1 stehen der Gasauslass 24 und der Flüssigkeitsauslass 26 jeweils
mit dem Auslassverteiler 16 in Strömungsverbindung.
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Der
Einlassverteiler 14 enthält einen Einlass 38,
einen oberen Teil 40 und einen unteren Teil 42, die
durch den Flüssigkeitspegel 34 getrennt
sind. Der Auslassverteiler 16 enthält einen oberen Teil 44 und einen
unteren Teil 46, die durch den Flüssigkeitspegel 34 getrennt
sind.
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Die
besonderen Materialien des Kondensators 10 und seine besondere
Ausführung
hängen stark
von den Parametern jeder Anwendung ab, wie zum Beispiel von den
beteiligten Fluiden, den Fluidtemperaturen und den Fluiddrücken.
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Der
Einlassverteiler 14 und der Auslassverteiler 16 können eine
beliebige Form annehmen, von denen viele bekannt sind. Zum Beispiel
können
ein oder beide Verteiler 14 und 16 die Form eines
Behälters 47 und
einer Endplatte 48 annehmen oder als weiteres Beispiel
als eine einstückige
zylindrische Endkammer (nicht gezeigt) ausgebildet sein. Die Verteiler 14 und 16 können aus
den verschiedensten Materialien, wie zum Beispiel Aluminium, rostfreiem Stahl,
anderen Legierungen oder anderen Materialien, die Fachleuten als für Kondensatoren
geeignet bekannt sind, hergestellt sein. Die Prallflächen 30 und 33 können auch
eine beliebige geeignete Ausführung
aufweisen, von denen viele bekannt sind, die mit der Konstruktion
des zugehörigen
Verteilers 14, 16 kompatibel ist und die aus einem ähnlichen
Material wie die Verteiler 14 und 16 hergestellt
ist.
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Der
Gasströmungsweg 20 und
der Flüssigkeitsströmungsweg 22 kann
auch eine beliebige geeignete Form annehmen. Zum Beispiel können einer oder
beide der Strömungswege 20 und 22 als
Flachrohre, Rundrohre, Plattenpaare oder dergleichen, wie dem Fachmann
bekannt, ausgebildet sein. Wie in 1 zu sehen,
sind der Gasströmungsweg 20 und der
Flüssigkeitsströmungsweg 22 in
Form von Flachrohren 50 mit einer oberen Gruppe von Rohren 50, die
den Gasströmungsweg 20 definieren,
und einer unteren Gruppe von Rohren 50, die den Flüssigkeitsströmungsweg 22 definieren,
vorgesehen. Die Strömungswege 20 und 22 können aus
den verschiedensten Materialien, wie zum Beispiel Aluminium, rostfreiem
Stahl, anderen Legierungen oder anderen Materialien, die dem Fachmann
als für
die Verwendung in Kondensatoren geeignet bekannt sind, hergestellt
sein. Zwischen jedem der Rohre 50 sind Schlangenrippen 52 vorgesehen,
um zwischen den Strömungswegen 20 und 22 und
einem Kühlfluid
in Form von Luft oder einem anderen geeigneten Kühlfluid, wie zum Beispiel Wasser
oder Glycollösungen, eine
Wärmeübertragungsfläche bereitzustellen.
Die Rippen 52 können
auch andere geeignete Formen annehmen, wie zum Beispiel Plattenrippen
oder spiralförmig
gewundene Rippen, und können
auch (nicht gezeigte) Flächenvergrößerungen
enthalten, um die Wärmeübertragung
zu verstärken.
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Wie
in 1 zu sehen, wird das Standrohr 28 innerhalb
des Auslassverteilers 16 gezeigt. Es versteht sich jedoch,
dass das Standrohr 28 eine beliebige geeignete Vorrichtung
zur Steuerung des Flüssigkeitspegels
im Verteiler 16 auf die gewünschte Höhe, wie zum Beispiel in den 3 und/oder 4 gezeigt,
sein kann und sich auch außerhalb des
Auslassverteilers 16 befinden kann. Darüber hinaus kann das Standrohr 28 oder
eine andere geeignete Vorrichtung verstellbar sein, um die relativen Größen der
oberen und der unteren Teile 40, 44 und 42, 46 einzustellen,
wie unten besprochen. Das Standrohr 28 kann auch aus geeigneten
Materialien, wie zum Beispiel Aluminium, rostfreiem Stahl, anderen
Legierungen oder anderen Materialien, die dem Fachmann als für Kondensatoren
geeignet bekannt sind, hergestellt sein.
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Der
Einlass 38, der Gasauslass 24 und der Flüssigkeitsauslass 26 können die
Form einer beliebigen Öffnung
oder eines beliebigen Anschlusses für die jeweiligen Strömungen annehmen.
Zum Beispiel sollte der Einlass 38 für eine Strömungsverbindung mit einem kombinierten
Gas- und Flüssigkeitsstrom auf
einer erhöhten
Temperatur geeignet sein, während
der Gasauslass 24 für
einen Gasstrom geeignet sein sollte, und der Flüssigkeitsauslass 26 sollte
für einen
Flüssigkeitsstrom
geeignet sein. Dem Fachmann sind viele geeignete Öffnungen
oder Anschlüsse
bekannt.
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Unten
wird in Verbindung mit einem Brennstoffzellensystem 56 der
Betrieb des Kondensators 10 ausführlicher besprochen. Das Brennstoffzellensystem 56 wird
nicht ausführlich
besprochen, weil Brennstoffzellensysteme bekannt sind und besondere
Details solcher Systeme für
ein Verständnis
der Erfindung nicht kritisch sind.
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Der
Kondensator 10 empfängt
einen Fluidstrom, der zu einer kondensierten Flüssigkeit und einem nichtkondensierten
Gas getrennt werden kann. Zum Beispiel empfängt der Kondensator 10 in 1 ein
durch Pfeil 60 dargestelltes Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle 56.
Das Kathodenabgas 60 kann Wasser in flüssiger Form sowie in Dampfform
kombiniert mit Luft und anderen Produkten aus in der Brennstoffzelle
des Systems 56 auftretenden Nebenreaktionen enthalten.
Das Kathodenabgas 60 tritt über den Einlass 38 in
den Einlassverteiler 14 ein. Wie in 1 dargestellt,
enthält
das Kathodenabgas 60 sowohl flüssiges Wasser als auch Gas.
Wenn das Kathodenabgas 60 in den Einlassverteiler 14 eintritt, wird
das Kathodenabgas 60 zu einem flüssigen Strom, der durch den
Pfeil 62 dargestellt wird, und einem Gasstrom, der durch
den Pfeil 64 dargestellt wird, getrennt. Der Flüssigkeitsstrom 62 strömt durch Schwerkraft
zum unteren Teil 42 des Einlassverteilers 14,
während
der Gasstrom 64 im oberen Teil 40 des Einlassverteilers 14 bleibt.
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Der
Gasstrom 64 strömt
vom Einlassverteiler 14 über den Gasströmungsweg 20 zum
Auslassverteiler 16. Während
der Gasstrom 64 durch den Gasströmungsweg 20 strömt, steht
er mit einem durch Pfeil 66 schematisch dargestellten Kühlfluidstrom, der
durch ein Gebläse 68 bereitgestellt
sein kann, in Wärmeaustauschbeziehung.
Der Kühlfluidstrom 66 kühlt den
Gasstrom 64 ab, so dass Flüssigkeit kondensiert. Wenn
der Gasstrom 64 den Auslassverteiler erreicht, wird zusätzlicher
kondensierter Flüssigkeitsstrom 65 durch
Schwerkraft abgeschieden und strömt
zum unteren Teil 46 des Auslassverteilers 16. Der
verbleibende Gasstrom 64 verlässt den Auslassverteiler 16 dann
als ein nichtkondensiertes Gas 70. Das nichtkondensierte
Gas 70 kann dann in die Atmosphäre abgegeben werden, wie durch
Pfeil 74 dargestellt.
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Der
Flüssigkeitsstrom 62 strömt vom Einlassverteiler 14 über den
Flüssigkeitsströmungsweg 22 zum
Auslassverteiler 16. Während
der Flüssigkeitsstrom 62 durch
den Flüssigkeitsströmungsweg 22 strömt, steht
er mit dem Kühlfluidstrom 66 in
Wärmeaustauschbeziehung,
wodurch der Flüssigkeitsstrom 62 gekühlt wird.
Nach dem Strömen
durch einen ersten Durchgang des Strömungswegs 22 tritt der
Flüssigkeitsstrom 62 in
den Auslassverteiler 16 ein und wird mit dem zusätzlich kondensierten
Flüssigkeitsstrom 65,
der in dem Gasströmungsweg 20 kondensiert
worden war, kombiniert. Wie in 1 zu sehen,
enthält
der Flüssigkeitsströmungsweg 22 vorzugsweise
den ersten Zug 80, einen zweiten Zug 82 und einen
dritten Zug 84. Nachdem sich der Flüssigkeitsstrom 62 mit
dem zusätzlichen
kondensierten Flüssigkeitsstrom 65 aus
dem Gasströmungsweg 20 kombiniert
hat, wird der kombinierte Flüssigkeitsstrom 62 weiterhin
gekühlt,
indem er durch den zweiten Zug 82 zum Einlassverteiler 14 und
dann wieder zurück
durch den dritten Zug 84 zum Auslassverteiler 16 geleitet
wird. Somit können
der zweite Zug 82 und der dritte Zug 84 als Nachkühlströmungsweg 86 betrachtet
werden. Nach dem Eintritt in den Auslassverteiler 16 über den
dritten Zug 84, tritt der Flüssigkeitsstrom 62 über das
Standrohr 28 als eine kondensierte Flüssigkeit 88 aus dem
Kondensator 10 aus. Der Flüssigkeitsstrom 62 wird über die
Prallflächen 30 und 33 durch
den Flüssigkeitsströmungsweg 22 geleitet.
Die Gasentlüftung 32 ist
als eine Öffnung
in der Prallfläche 30 zwischen
dem ersten Zug 80 und dem zweiten Zug 82 vorgesehen,
damit im Flüssigkeitsstrom 62 mitgeführtes Gas
den Flüssigkeitsströmungsweg 22 verlassen
und sich dem Gasstrom 64 anschließen kann. Es versteht sich,
dass die Gasentlüftung 32 auch
an anderen Stellen im Flüssigkeitsströmungsweg 22,
wie zum Beispiel in der Prallfläche 33 im
Auslassverteiler 16, angeordnet sein kann.
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Es
versteht sich, dass der Kondensator 10 mit nur einem Zug,
wie zum Beispiel dem ersten Zug 80, arbeiten kann, wobei
die kondensierte Flüssigkeit 88 den
Kondensator 10 verlässt,
mit zwei Zügen 80, 82,
wobei die kondensierte Flüssigkeit 88 mit
etwas Nachkühlung
austritt, oder mehr als drei Züge
enthalten kann, wobei der Flüssigkeitsstrom 62 vor
dem Verlassen des Kondensators 10 als die kondensierte Flüssigkeit 88 weiter
nachgekühlt
wird. Wenn der Flüssigkeitsströmungsweg 22 zum
Beispiel nur den ersten Zug 80 aufweist, tritt die kondensierte
Flüssigkeit
am Auslassverteiler 16 aus dem Kondensator 10 aus,
während,
wenn der Flüssigkeitsströmungsweg 22 zwei
Züge, wie
zum Beispiel den ersten Zug 80 und den zweiten Zug 82 aufweist,
die kondensierte Flüssigkeit 88 über einen
Auslass 26 im Kondensator am Einlassverteiler 14,
vorzugsweise in Form des Standrohrs 28, austritt.
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Des
Weiteren versteht sich, dass zwar ein einziger Zug gezeigt wird,
der Gasströmungsweg 20 aber
mehrere Züge ähnlich der
für den
Flüssigkeitsströmungsweg 22 gezeigten
mehrzügigen
Ausführung
enthalten kann. Hierbei kann es wünschenswert sein, Prallflächen, wie
zum Beispiel die Prallflächen 30 und 33 bereitzustellen
und für
die Prallflächen Flüssigkeitsablasslöcher, ähnlich dem
Gasentlüftungsloch 32,
vorzusehen, damit kondensierte Flüssigkeit die Rohre jedes Zugs
des Gasströmungswegs 20 umgehen
kann.
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Die
Anzahl von Zügen
in jedem der Strömungswege 20 und 22 wird
in erster Linie durch den Druckabfall und die Wärmeleistungsanforderungen für den jeweiligen
Gasstrom 64 und Flüssigkeitsstrom 62 bestimmt,
wie durch das System bestimmt, in dem der Kondensator 10 verwendet
wird. Zum Beispiel kann es bei der dargestellten Ausführungsform wünschenswert
sein, dass jeder Strömungsweg 20 und 22 ähnliche
Druckabfälle
aufweist und 50% der Wärmelast
ausmacht, während
es bei anderen Systemen wünschenswert
sein kann, dass sich die Druckabfälle für jeden der Ströme 64 und 62 wesentlich unterscheiden
und/oder für
die Wärmelastanforderungen
auch stark verschieden sind.
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Der
Flüssigkeitspegel 34 und
folglich die relativen Positionen der oberen Teile 40, 44,
der unteren Teile 42, 46 und der mehreren Rohre
in jedem der Strömungswege 20 und 22 werden
durch das Standrohr 28 bestimmt. Der Flüssigkeitspegel 34 ist
ungefähr
die gleiche vertikale Höhe
wie der Flüssigkeitsauslass 26 des
Standrohrs 28, wie durch die vertikale Höhe H angezeigt.
(Es sei darauf hingewiesen, dass die Brennstoffzelle 56 nicht
tatsächlich
vertikal über dem
Kondensator 10 angeordnet ist, sondern es sich lediglich
um eine schematische Darstellung handelt, die zum Zwecke des Strömungsdiagramms
gezeigt wird). Der Flüssigkeitspegel 34 wird
durch das Standrohr 28 gesteuert, weil Schwerkraft bewirkt,
dass der Flüssigkeitspegel 34 ungefähr gleich
einer vertikalen Höhe
des Flüssigkeitsauslasses 26 im
Standrohr 28 wird, wie in 1 als Höhe H zu
sehen. Für
den Fachmann versteht sich, dass die Höhe H in Abhängigkeit von jeder Anwendung
in verschiedenen vertikalen Höhen
angeordnet sein kann. Vorzugsweise ist die Höhe H derart, dass jeder der
Strömungswege 20 und 22 die
Anteile der Wärmelast
zum Kondensieren und Kühlen
von Flüssigkeit
und zum Kühlen
des Gases ausmacht, während
die erforderlichen Druckabfälle
erreicht werden, und, wie oben besprochen, hängt von den Anforderungen jedes
bestimmten Systems ab.
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Von
dem Auslass 26 kann die kondensierte Flüssigkeit 88 in einem
Behälter 100 gelagert
werden, bevor sie über
einen Strömungsweg
oder eine Leitung 101 in die Brennstoffzelle 56 eintritt.
Die Verwendung eines Behälters 100 erfordert
in der Regel eine Pumpe 102, um die kondensierte Flüssigkeit 88 zur
Brennstoffzelle 56 zurückzuführen, und
der Behälter
würde vorzugsweise
an die Atmosphäre
oder über
eine Entlüftung
oder Leitung 104 zur Kathodengasleitung entlüftet werden.
Die kondensierte Flüssigkeit 88 kann
in der Brennstoffzelle als ein Kühlmittel
in der Brennstoffzelle 56, zur Befeuchtung der Anode oder
Kathode, als Teil eines (nicht gezeigten) Brennstoffverarbeitungsuntersystems
oder für
andere Zwecke, die dem Fachmann bekannt sind, verwendet werden.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst der Gasströmungsweg 20 mehrere Rohre 50,
während
der Flüssigkeitsströmungsweg 22,
der sich unter dem Gasströmungsweg 20 befindet,
auch mehrere Rohre 50 umfasst. Der Gasströmungsweg 20 weist
in der Darstellung nur einen einzigen Zug in einer einzigen Richtung
auf. Durch Verwendung mehrerer Rohre 50 in einem einzigen
Zug im Gegensatz zu mehreren Zügen,
kann das Gas relativ frei ohne viel Einschränkung strömen. Vorzugsweise wird dies
durch Maximieren der Strömungsfläche zur
Verringerung der Geschwindigkeit des Gasstroms 64 und durch
Minimierung der Strömungslänge erreicht.
Diese Konfiguration ist bei Anwendungen nützlich, die minimale Druckabfälle für das Gas
erfordern. Insbesondere muss der Druckabfall bei einer ein Kathodenabgas
kondensierenden Anwendung auf ein Minimum reduziert werden, um parasitäre Leistungsverluste
zu reduzieren. Wenn die Druckverluste zu stark sind, können zusätzliche
Pumpen erforderlich sein, um den Gasstrom zu pumpen, wodurch durch
die Brennstoffzelle 56 erzeugte Leistung verbraucht wird.
Mehrere Züge
können
jedoch bei Kondensatoren nützlich
sein, die keine Minimierung von Druckverlusten im Gasstrom 64 erfordern.
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Eine
alternative Ausführungsform
des Kondensators 10 wird in 5 gezeigt,
wobei der Einlass- und der Auslassverteiler 14 und 16 nicht
gezeigt werden und gleiche Zahlen gleiche Komponenten anzeigen.
Die Ausführungsform
nach 5 unterscheidet sich von der nach 1 darin,
dass die Strömungswege
für das Kühlfluid
eingeschlossen, anstatt offen sind, wobei die Rippen 52 oder
eine andere geeignete Oberflächenvergrößerung zwischen einer
geeigneten Wärmeaustauscheinheit 106,
wie zum Beispiel einer Stabplattenkonstruktion mit einem zwischen
einem Paar Platten 110, 112 eingeklemmten Stab
oder Rahmen 108 zur Definition des Strömungswegs für das Kühlfluid zwischen einem Kühlmitteleinlassverteiler 114,
der durch die gestapelten Platten 110, 112 definiert
wird, und einem Kühlmittelauslassverteiler 116,
der durch die gestapelten Platten 110, 112 definiert
wird, eingeschlossen sind.
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Es
versteht sich, dass der Begriff Gasstrom, so wie er hier verwendet
wird, einen Strom bedeuten soll, der vollständig oder hauptsächlich aus
Gas mit etwas mitgeführter
Flüssigkeit
besteht. Analog soll der Begriff Flüssigkeitsstrom, so wie er hier
verwendet wird, einen Strom bedeuten, der vollständig oder hauptsächlich aus
Flüssigkeit
mit etwas mitgeführtem
Gas besteht.
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Es
versteht sich, dass der Kondensator 10 hier zwar als besonders
vorteilhaft zur Verwendung in Brennstoffzellensystemen beschrieben
wird, er aber auch in irgendwelchen Systemen Anwendung finden kann,
bei denen ein Flüssigkeitsstrom
von einem Gasstrom getrennt und weiterhin der Gasstrom kondensiert
und der Flüssigkeitsstrom
gekühlt
werden soll. Demgemäß ist keine
Beschränkung
auf eine Verwendung mit Brennstoffzellensystemen oder Kathodenabgasströmen beabsichtigt,
es sei denn, dies wird in den Ansprüchen speziell angeführt.