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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellenbefeuchtungssysteme
und insbesondere ein System und ein Verfahren, das dazu verwendet
wird, die Kathodeneinlassfeuchte eines Brennstoffzellenstapels zu
steuern.
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Brennstoffzellensysteme
umfassen häufig eine
Vielzahl von Brennstoffzellen, die zusammengebaut sind, um einen
Brennstoffzellenstapel zu bilden. Brennstoffzellen mit Protonenaustauchmembran (PEM)
umfassen normalerweise eine Anode, eine Kathode und eine Membran,
die die Anode und die Kathode trennt. Die Anoden der einzelnen Brennstoffzellen
sind jeweils sowohl elektrisch als auch fluidmäßig miteinander verbunden,
so dass die Vielzahl von Anoden allgemein als die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
bezeichnet wird. Ähnlicherweise
sind die Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen jeweils sowohl
elektrisch als auch fluidmäßig miteinander
verbunden und werden daher allgemein als die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels
bezeichnet. Die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels umfasst
einen Einlass für
einen Brennstoff und einen Auslass für den nicht verbrauchten Brennstoff und
für Abgase,
die an der Anodenseite erzeugt und von dem Brennstoffzellenstapel
ausgetragen werden. Die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels umfasst
auch einen Einlass, der normalerweise dazu verwendet, ein gasförmiges Oxidationsmittel
zu injizieren, wie beispielsweise Luft, und einen Auslass, der dazu
verwendet wird, Gase auszutragen, die an der Kathodenseite erzeugt
werden. Üblicherweise
ist ein Kompressor oberstromig des kathodenseitigen Einlasses des
Brennstoffzellenstapels verbunden, um das gasförmige Oxidationsmittel vor
der Injektion unter Druck zu setzen.
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Die
Membrane der einzelnen Brennstoffzellen müssen beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels feucht
gehalten werden, um die Membrane vor Schaden zu schützen und
um den höchsten
Grad des Betriebswirkungsgrades des Brennstoffzellenstapels zu erreichen.
Beim Betrieb eines Brennstoffzellenstapels wandern Protonen, die
von einer Wasserstoffkomponente des an die Anodenseite gelieferten Brennstoffes
abstammen, durch die befeuchteten Membrane und reagieren an der
Kathodenseite mit dem Oxidationsmittel. Das Oxidationsmittel liegt
normalerweise in der Form von atmosphärischem Sauerstoff vor. Der
Wasserstoff und Sauerstoff kombinieren sich, um elektrische Energie
zu erzeugen und auch ein Wasservolumen zu bilden. Daher ist stets Wasser
an der Kathodenseite vorhanden. Ein Anteil dieses Wassers diffundiert
im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels durch die Membrane
jeder Brennstoffzelle zurück
an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels, so dass beide Seiten
der Membran und sowohl die Anoden- als auch Kathodenseite normalerweise
befeuchtet sind. Das erzeugte Wasser ist oftmals mehr, als das,
das für
eine normale Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels erforderlich
ist, wobei daher ein überschüssiger Anteil des
Wassers normalerweise von der Anodenseite und der Kathodenseite
entfernt und entweder zur Wiederverwendung gesammelt oder abgelassen wird.
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Jedoch
kann nicht immer eine angemessene Befeuchtungssteuerung des Brennstoffzellenstapels aufrecht
erhalten werden. Bei bestimmten Betriebsbedingungen enthält die atmosphärische Luft,
die normalerweise für
das Oxidationsmittel verwendet wird, nicht ausreichend Wasservolumen,
und daher kann die Kathodenseite der Brennstoffzellen nicht angemessen
befeuchtet werden. Um dieses Problem zu lösen, sehen übliche Brenn stoffzellenstapel
eine aktive Befeuchtungssteuerung für die Kathodengasströmung vor.
Eine übliche
Form der Befeuchtungssteuerung betrifft die Verwendung eines Befeuchters oberstromig
des Brennstoffzellenstapels, der separat über eine Wasserquelle, wie
beispielsweise einen Tank, beliefert wird. Wasser für diese
Befeuchter wird auch üblicherweise
aus dem Brennstoffzellenproduktwasser vorgesehen, das von dem Austrag
des Brennstoffzellenstapels an den Stapelkathodeneinlass übertragen
wird. Da Wasser injiziert wird, wird, um ein direktes Auftreffen
von Wasserpartikeln auf die Brennstoffzellenmembrane zu verhindern,
das Fluidvolumen zunächst
vorerhitzt, so dass es vollständig
vernebelt wird. Dieser zusätzliche
Prozessschritt erhöht
die Kosten wie auch die Komplexität des Systems. Es ist auch
eine geeignete Strömungssteuerung
des in den Brennstoffzellenstapel injizierten Wassers erforderlich,
die üblicherweise
durch die Verwendung von Strömungsdüsen oder
Drucksteuerventilen vorgesehen wird. Diese Komponenten erhöhen ebenfalls
die Systemkosten wie auch die Systemkomplexität.
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Befeuchter,
die an dem Stapelkathodeneinlass verwendet werden, sind üblicherweise
von Membrantyp. Befeuchter vom Membrantyp sehen allgemein einen
optimalen Wirkungsgrad bei Lufteinlassfeuchten von etwa 100 % relativer
Feuchte (RF) plus einem Anteil flüssigem Wasser vor. Wenn jedoch die
Feuchtigkeit an dem Befeuchtereinlass unter 100 % RF abfällt, fällt der
Wirkungsgrad des Befeuchters erheblich ab. Eine Lösung für dieses
Problem besteht darin, die Größe des Befeuchters
zu erhöhen,
wobei jedoch diese Lösung
die Komponentenkosten des Befeuchters erhöht und auch in weiteren Konstruktionsproblemen
für das
System resultieren kann. Daher besteht Bedarf nach einer kostengünstigeren
und einfacheren Lösung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung umfasst eine verbesserte Luftbefeuchtung
für Brennstoffzellenanwendungen ein
Brennstoffzellenstapelsystem mit Luftbefeuchtung, das einen Brennstoffzellenstapel
mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass umfasst. Der
Kathodeneinlass dient dazu, ein Oxidationsmittel in dem Brennstoffzellenstapel
aufzunehmen. Ein Befeuchter dient dazu, das Oxidationsmittel vor
der Lieferung des Oxidationsmittels an den Kathodeneinlass zu befeuchten.
Es ist auch eine Injektionsdüse vorgesehen,
wobei ein Wasservolumen, das durch die Injektionsdüse im Wesentlichen
vernebelt wird, dazu dient, eine Temperatur des Oxidationsmittels
zu verringern und eine Wasserübertragungsrate
des Befeuchters zu erhöhen.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung einer
Luftbefeuchtung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen, wobei
das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, einen Befeuchter,
der derart ausgebildet ist, um ein in den Brennstoffzellenstapel
injiziertes Oxidationsmittel zu befeuchten, und eine Injektionsdüse umfasst.
Das Verfahren umfasst, dass die Injektionsdüse in einen Strömungspfad,
der den Befeuchter und den Brennstoffzellenstapel umfasst, verbunden
wird; ein Wasservolumen unter Verwendung der Wasserinjektionsdüse vernebelt
wird; und das Oxidationsmittel mit dem vernebelten Wasservolumen
gekühlt
wird, bevor das Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel injiziert
wird.
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Gemäß eines
anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur
Verwendung eines vernebelten Wasservolumens vorgesehen, um die Temperatur
eines in ein Brennstoffzellensystem injizierten Oxidationsmittels
zu verringern. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel,
einen Befeuchter, der derart ausgebildet ist, um das Oxidationsmittel
zu befeuchten, und zumindest eine Injektionsdüse, die in einen Kathodenaustragsstrom
eines Brennstoffzellenstapels verbindbar ist. Das Verfahren umfasst,
dass der Befeuchter mit einem Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels
verbunden wird; der Befeuchter betrieben wird, um das Oxidationsmittel
bei einem stabilen Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels zu
befeuchten; die Injektionsdüse
mit einem Wasservolumen beliefert wird, das in den Kathodenaustragsstrom
des Brennstoffzellenstapels oberstromig des Befeuchters einführbar ist;
das Wasservolumen unter Verwendung der Injektionsdüse vernebelt
wird; und das Oxidationsmittel unter Verwendung des vernebelten
Wasservolumens gekühlt
wird, um eine relative Feuchte des den Befeuchter verlassenden Oxidationsmittels
zu erhöhen.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter
beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung
wie auch spezifische Beispiele, während sie eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein
Flussschaubild ist, das die verschiedenen Komponenten zeigt, die
in einem System zur verbesserten Luftbefeuchtung für Brennstoffzellenanwendungen
der vorliegenden Erfindung verwendet sind;
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2 ein
Flussschaubild zeigt, das von 1 abgewandelt
ist, um beispielhafte Strömungspfade
für einen
ersten bevorzugten Ort einer Wasserinjektionsdüse zu zeigen, die dazu dient,
ein Wasservolumen zu vernebeln, was eine Temperatur des Oxidationsmittelgases
verringert;
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3 ein
Flussschaubild ähnlich
zu 2 ist, das einen zweiten bevorzugten Ort einer
Wasserinjektionsdüse
zeigt, die dazu dient, ein Wasservolumen zu vernebeln, was eine
Temperatur des Oxidationsmittelgases verringert;
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4 ein
Schaubild ist, das den Einfluss von zusätzlichem injiziertem Wasser
an dem trockenen Einlass (T1) des Befeuchters auf die Membranwasserübertragungsrate
eines Systems der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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5 ein
Schaubild ist, das den Einfluss von Lufttemperaturen des trockenen
Einlasses des Befeuchters auf die Membranwasserübertragungsrate für ein System
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich
beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre
Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, und wie allgemein in 1 gezeigt
ist, umfasst ein Luftbefeuchtungssystem 10 einen Brennstoffzellenstapel 12 mit
elektrischen Verbindungen 14 und 16. Umgebungsluft,
die eine Quelle für
Sauerstoff an die Kathodenseite der Zellen des Brennstoffzellenstapels 12 vorsieht,
wird unter Verwendung eines Kompressors 18 komprimiert.
Die komprimierte Luft, die von dem Kompressor 18 ausgetragen
wird, wird anschließend
durch einen Ladeluftkühler 20 gekühlt. Die
gekühlte
Luft, die von dem Ladeluftkühler 20 ausgetragen
wird, wird in einem Befeuchter 12 über eine Befeuchtereinlassleitung 23 aufgenommen.
Die komprimierte und befeuchtete Luft wird von dem Befeuchter 22 in
die einzelnen Kathodenseiten jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels 12 über eine
Befeuchterauslassleitung 24 ausgetragen, die mit einem
Kathodeneinlassverteiler in Verbindung steht, wie es in der Technik
gut bekannt ist. Eine Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 sammelt
den Austrag von den verschiedenen Kathodenseiten der Brennstoffzellen
des Brennstoffzellenstapels 12 und führt diese befeuchtete Luft
zu dem Befeuchter 22 zurück. Eine Kathodenaustragsleitung 28 ist
vorgesehen, um Kathodenaustragsprodukte von dem Befeuchter 22 und
dadurch von dem Brennstoffzellenstapel 12 auszutragen.
Eine Wasserstoffquelleneinlassleitung 30 und eine Anodenaustragsleitung 32 sind
mit den Anodeneinlass- und Auslassverteilern eines Brennstoffzellenstapels 12 verbunden
gezeigt. Ein Oxidationsmittel (beispielsweise Luft) von einer Oxidationsmittelquelle 34 wird über eine
Befeuchtereinlassleitung 23 an den Befeuchter 22 übertragen.
Die Strömung
in der Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 tritt in eine
Befeuchterkathodenzuflussverbindung 38 ein. Das befeuchtete Oxidationsmittel,
das den Befeuchter 22 verlässt, wird in die Befeuchterauslassleitung 24 an
einer Befeuchterkathodenzufuhrverbindung 40 ausgetragen.
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Der
Kompressor 18 und der Ladeluftkühler 20 sind allgemein
in der Technik bekannt und werden daher nicht detaillierter beschrieben.
Der Befeuchter 22 kann ein beliebiger Typ von Befeuchter
sein, der für
Brennstoffzellenanwendungen verwendet wird. Nur als Beispiel ist
der Befeuchter 22 als ein Befeuchter vom Membrantyp gezeigt
und beschrieben, der in etwa bei Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels 12 arbeitet.
Der Begriff "Betriebstemperatur" betrifft daher im
breiteren Sinne die verschiedenen Fluid- und Umgebungsbedingungen,
innerhalb denen der Brennstoffzellenstapel 12 arbeitet.
Zum Zwecke dieser Beschreibung kann das Oxidationsmittel (beispielsweise
Luft), das in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 über die
Befeuchtereinlassleitung 23 injiziert wird, eine "Betriebstemperatur" besitzen, die im
Bereich von unterhalb von 0°C bis
etwa 80°C
liegt, wobei dieser Bereich jedoch nur beispielhaft vorgesehen ist
und abhängig
von der Brennstoffzellenstapelkonstruktion höher oder niedriger sein kann.
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Bei
einem stabilen Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 12 sollte
eine relative Feuchte des an den Brennstoffzellenstapels 12 über die
Befeuchterauslassleitung 24 übertragenen Oxidationsmittels
bei einer vorbestimmten relativen Feuchte liegen, und bei einer
bevorzugten Ausführungsform
ist eine relative Feuchte von etwa 50 % bevorzugt. Zur Bestimmung
der relativen Feuchte ist auch eine Referenztemperatur nötig. Die
Referenztemperatur kann beispielsweise an einem Ort T1 gemessen
werden.
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Es
ist beobachtet worden, dass die relative Feuchte der Oxidationsmittelströmung durch
die Befeuchterauslassleitung 24, die den Brennstoffzellenstapel 12 bei
normalen Betriebsbedingungen speist, eine relative Feuchte von 20
% bis 30 % erreichen kann. Ein Betrieb des Luftbefeuchtungssystems 10 bei
dieser niedrigen relativen Feuchte kann die Brennstoffzellen des
Brennstoffzellenstapels 12 beschädigen. Bekannte Systeme zur
Erhöhung
der relativen Feuchte auf den gewünschten Bereich einer relativen
Feuchte von 50 % umfassen ein Verbinden einer zusätzlichen
Wasserquelle oberstromig des Brennstoffzellenstapels 12,
die zur Einführung
vorerhitzt und unter Druck gesetzt ist. Der Vorgang des Druckbeaufschlagens
und Vorerhitzens dieser Wasserquelle erhöht die Kosten durch die Komplexität für das System.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die relative Feuchte des Kathodenoxidationsmittelgases
von dem beobachteten Bereich von 20 % bis 30 % relativer Feuchte
bis zu dem gewünschten
Bereich von 50 % relativer Feuchte durch Verringerung der Temperatur
des Oxidationsmittels um etwa 5°C
bis 10°C
vor der Injektion in den Brennstoffzellenstapel 12 erhöht werden
kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die Verringerung der Temperatur
um 5°C bis
10°C durch
direkte Injektion einer kleinen Menge an vernebeltem Wasser oberstromig
des Brennstoffzellenstapels 12 erreicht. Die Wasserübertragungsrate
des Befeuchters 22 wird dadurch derart erhöht, dass
die relative Feuchte des Oxidationsmittels die gewünschte relative
Feuchte von 50 % erreicht. Zwei beispielhafte Injektionsorte oder
-punkte zur Direktinjektion sind in 1 an den
Orten T-1 und T-2 gezeigt.
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Der
Injektionsort T-1 ist zwischen dem Ladeluftkühler 20 und dem Befeuchter 22 in
einer Befeuchtereinlassleitung 23 angeordnet. Der Injektionsort
T-2 ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und dem
Befeuchter 22 in einer Kathodenluft-/Wasserauslassleitung 26 angeordnet.
Durch Injektion einer kleinen Menge an vernebeltem Wasser direkt
an einem Injektionsort T-1 oder T-2 wird das Erfordernis nach einer
Vorerhitzung des injizierten Fluides beseitigt. Die Injektion von
kleinen Volumen oder Mengen von vernebeltem Wasser bei etwa Umgebungstemperatur
an einem der Injektionsorte T-1 oder T-2 verringert effektiv die
kathodenseitige Einlassströmungstemperatur
und erhöht
die relative Feuchte der Oxidationsmittelströmung von dem Befeuchter 22 über die
Befeuchterauslassleitung 24, ohne dass ein zusätzlicher
Luftkühler
oder eine Erhöhung
der Größe des Befeuchters 22 erforderlich
wird, was die Kosten und die Komplexität des gesamten Brennstoffzellensystems
erhöhen
würde.
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In 2 ist
die Wasserinjektion über
den Injektionsort T-1 detaillierter gezeigt. Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist eine erste Injektionsdüse 42 direkt in die
Befeuchtereinlassleitung 23 verbunden. Die erste Injektionsdüse 42 wird
dazu verwendet, ein Volumen des Wassers von einer Wasserquelle 44 zur
Injektion in die Befeuchtereinlassleitung 23 zu zerstäuben. Es
ist bevorzugt, das im Wesentlichen gesamte Wasser, das in die Befeuchtereinlassleitung 23 injiziert
wird, zu zerstäuben,
um die Gefahr einer Übertragung
von Wassertröpfchen
und einem Auftreffen in dem Befeuchter 22 zu verringern. Eine
Zerstäubung
maximiert auch die anschließende Kühlwirkung
des Wasservolumens, das über
die erste Injektionsdüse 42 injiziert
wird.
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Die
erste Injektionsdüse 42 ist
mit der Befeuchtereinlassleitung 23 verbunden. Die erste
Injektionsdüse 42 ist
auch mit einer Wasserquelle 44 in etwa bei Umgebungstemperatur
verbunden und wird durch diese gespeist. Die Wasserquelle 44 kann
ein beliebiger Typ von Wasserquelle sein, wie beispielsweise eine
externe Wasserversorgung oder ein Abflusstank, der Feuchtigkeit
sammelt, die von dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgetragen
wird. Von der Wasserquelle 44 wird Wasser über die
Wasserübertragungsleitung 46 unter
Verwendung einer Wasserübertragungsvorrichtung 48 übertragen.
Die Wasserübertragungsvorrichtung 48 kann
ein beliebiger Typ von Übertragungsvorrichtung
sein, der in der Technik bekannt ist, wie eine Pumpe. Die Wasserübertragung kann
auch unter Verwendung eines Fluiddruckbeaufschlagungssystems 49 erreicht
werden, das direkt mit der Wasserquelle 44 verbunden ist.
Die in 2 gezeigte Ausgestaltung ist daher beispielhaft
für eine Vielzahl
von Wasserübertragungssystemen.
Die Wasserübertragungsvorrichtung 48 (oder
das Fluiddruckbeaufschlagungssystem 49) sieht auch eine
erforderliche Druckerhöhung
des Versorgungswassers auf einen vorbestimmten Druck vor, der notwendig ist,
um eine Injektion unter Verwendung der ersten Injektionsdüse 42 zuzulassen.
Der vorbestimmte Druck variiert für verschiedene Ausgestaltungen
des Brennstoffzellenstapels 12. Unter Verwendung der Wasserübertragungsvorrichtung 48 wird
das Fluid über
eine Düsenzufuhrleitung 50 an
eine erste Injektionsdüse 42 übertragen.
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Eine
Messvorrichtung 52 ist optional in die Düsenzufuhrleitung 50 geschaltet.
Da Wasser bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung direkt in die
Kathodenversorgungsleitung injiziert wird, erfordert die Gesamtmenge
an injiziertem Wasser eine vorsichtige Steuerung. Die Messvorrichtung 52 kann daher
vorgesehen sein, um eine genauere Steuerung der Gesamtwasserströmung in
die Befeuchtereinlassleitung 23 zuzulassen. 2 zeigt
auch eine Querverbindungsleitung 54, die optional dazu
verwendet werden kann, zumindest einen Anteil des Wassers für die erste
Injektionsdüse 42 zu
liefern. Die Querverbindungsleitung 50 verbindet die Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 mit
der Zufuhrleitung 50 der ersten Düse. Dies erlaubt, dass Luft
mit einer relativen Feuchte von etwa 100 % und jegliches Wasser,
das von dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgetragen wird,
dazu verwendet werden, das Wasser von der Wasserquelle 44 zu
ergänzen
oder zu ersetzen. Ein Steuer- oder Drosselventil (nicht gezeigt) kann
ebenfalls in der Querverbindungsleitung 54 enthalten sein,
um die Strömungsmenge über die
Querverbindungsleitung 54 zu der Zufuhrleitung 50 der ersten
Düse zu
trennen oder zu drosseln.
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Wie
in 3 gezeigt ist, wird gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Fluidinjektion an einem Injektionsort
T-2 von 1 detaillierter beschrieben.
Das Oxidationsmittel (beispielsweise Luft) von der Oxidationsmittelquelle 34 wird über eine
Befeuchtereinlassleitung 23 zu einem Befeuchter 22 übertragen. Der
Kathodengasaustrag von dem Brennstoffzellenstapel 12, der
normalerweise eine relative Feuchte von etwa 100 % besitzt, wird
von dem Befeuchter 22 über eine
Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 an einer Befeuchterkathodenzuflussverbindung 38 aufgenommen.
Der Kathodengasaustrag mit einer relativen Feuchte von etwa 100
% wird von dem Befeuchter 22 verwendet, um das Oxidationsmittel
von der Oxidationsmittelquelle 34 vor einer Übertragung über die
Befeuchterauslassleitung 24 in den Brennstoffzellenstapel 12 zu
befeuchten.
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Die
Wasserquelle 44, die Wasserübertragungsleitung 46 und
die Wasserübertragungsvorrichtung 48 sind ähnlich denen,
die in 2 gezeigt und beschrieben ist, und werden daher
nicht weiter beschrieben. Unter Verwendung der Wasserübertragungsvorrichtung 48 wird
das Wasser von der Wasserquelle 44 an eine zweite Injektionsdüse 56 über eine
Zufuhrleitung 58 der zweiten Düse übertragen. Ein von der Kathodenaustragsseite 36 des
Brennstoffzellenstapels 12 ausgetragener Kathodenabfluss
wird erwünschterweise
durch die zerstäubte Wasserströmung bei
etwa Umgebungstemperatur, die über
die zweite Injektionsdüse 56 in
die Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 eingeführt wird,
um etwa 5°C
bis 10°C
gekühlt.
Diese gekühlte
Strömung tritt
in die Befeuchterkathodenzuflussverbindung 38 ein und kühlt anschließend das
Oxidationsmittel, das von dem Befeuchter 22 über die
Befeuchterkathodenzufuhrverbindung 40 ausgetragen wird,
was die relative Feuchte des Oxidationsmittels auf eine relative
Feuchte von etwa 50 % erhöht.
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Der
Vorteil einer Injektion von Wasser über die zweite Injektionsdüse 56 besteht
darin, dass der Kühleffekt
des injizierten Wassers realisiert wird, ohne dass das injizierte
Fluid direkt mit der Oxidationsmittelströmung, die den Befeuchter 22 verlässt, kombiniert
werden muss. Dies minimiert die Gefahr einer Wassertröpfchenübertragung
an den Brennstoffzellenstapel 12. Das maximale Volumen
an Wasser, das über
die zweite Injektionsdüse 56 injiziert wird,
ist daher nicht kritisch, sobald eine minimale Strö mung hergestellt
ist. Jegliche überschüssige Wasserströmung durch
die zweite Injektionsdüse 56 wird über die
Kathodenaustragsleitung 28 ausgetragen. Eine Strömungsmessvorrichtung
zur Messung des Durchsatzes des Wassers, das an die zweite Injektionsdüse 56 geliefert
wird, ist daher für
diesen Aspekt der Erfindung nicht erforderlich.
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Der
Zweck der Injektion von vernebeltem Wasser über entweder eine erste oder
zweite Injektionsdüse 42, 56 besteht
darin, die Temperatur des Oxidationsmittels oberstromig des Brennstoffzellenstapels 12 um
etwa 5 bis 10°C
zu verringern. Es hat sich herausgestellt, dass eine Temperaturänderung von
etwa 5° bis
10°C die
relative Feuchte des Oxidationsmittels (Luft) in der Befeuchterauslassleitung 24 von
etwa 20 % relativer Feuchte auf etwa 50 % relativer Feuchte erhöht, was
für einen
Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 12 geeignet ist.
Diese Kühlwirkung
um 5 bis 10°C
wird unter Verwendung von Wasser von der Wasserquelle 44 bei
etwa Umgebungstemperatur und/oder von einer Querverbindungsleitung 54 erreicht.
Die Temperatur des Wassers, das entweder an die erste oder zweite
Injektionsdüse 42, 56 geführt wird,
sieht die gewünschte Kühlwirkung
bei Temperaturen der Wasserquelle 44 von bis zu etwa 80°C vor.
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In 4 ist
ein Schaubild 60 gezeigt, das den Einfluss von zusätzlichem
injiziertem Wasser an dem trockenen Einlass des Befeuchters auf
die Membranwasserübertragungsrate
eines beispielhaften Befeuchters 22 zeigt. 4 zeigt
eine Membranwasserübertragungsrate,
die in Gramm pro Sekunde gemessen wird und die von dem Befeuchter 22 ausgetragen
wird, wenn eine zusätzliche
Menge an Wasser über
die ersten Injektionsdüsen 42 in
das Luftbefeuchtersystem 10 injiziert wird. Die Temperaturverringerung
des trockenen und des feuchten Auslasses des Befeuchters 22,
die aus einer Injektion von Wasser über erste Injektionsdüsen 42 bewirkt
werden, ist auch auf der rechten Seite in 4 gezeigt.
Das Dia gramm 60 zeigt einen Gesamtwassergehalt der Befeuchteraustragsluftkurve 62,
eine Membranwasserübertragungsratenkurve 64,
eine Kurve 66 der Temperatur des feuchten Luftauslasses
des Befeuchters, und eine Kurve 68 der Temperatur des trockenen Luftauslasses
des Befeuchters. Die Annahmen für das
erste Diagramm 60 sind, dass der Brennstoffzellenstapel 12 bei
normalen oder stabilen Betriebsbedingungen arbeitet. Die Kurve 66 der
Temperatur des feuchten Luftauslasses des Befeuchters wird dadurch
vorgesehen, dass die Temperatur der feuchten Luft an dem Auslass
des Befeuchters 22 gemessen wird. Die Kurve 68 der
Temperatur des trockenen Luftauslasses des Befeuchters wird durch
Messen der Temperatur des trockenen Luftauslasses des Befeuchters 22 vorgesehen.
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Im
stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 ist bei
einer beispielhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung eine Membranwasserübertragungsrate von dem Befeuchter 22 von
etwa 2,3 g/sek. erforderlich, um eine relative Feuchte von etwa 50
% an der Einlass- oder Kathodenversorgung zu dem Brennstoffzellenstapel 12 aufrechtzuerhalten. Ohne
zusätzliche
Wasserinjektion liefert der Befeuchter 22 eine Membranwasserübertragungsrate von
etwa 1,2 g/sek. Wie in 4 gezeigt, wird durch Verringerung
entweder der Temperatur des feuchten Luftauslasses oder der Temperatur
des trockenen Luftauslasses um etwa 5 bis 10°C die Membranwasserübertragungsrate
des Befeuchters 22 von etwa 1,2 auf die erforderlichen
2,3 g/sek. erhöht.
Dies wird erreicht, indem Wasser über entweder die ersten oder
zweiten Injektionsdüsen 42, 56 mit
einer Rate von etwa 0,25 g/ sek. injiziert wird. Es ist daher offensichtlich,
dass die Injektion einer relativ kleinen Menge von Wasser bei Umgebungstemperatur über entweder
die ersten oder zweiten Injektionsdüsen 42, 56 der
vorliegenden Erfindung die Membranwasserübertragungsrate des Befeuchters 22 erheblich
steigert. Dieser Kühleffekt,
der durch Verwendung von injiziertem Wasser bei Umgebungstemperatur
erreicht wird, erzielt die ge wünschte
Membranwasserübertragungsrate
ohne den Zusatz zusätzlicher
Vorheizkomponenten oder Erhöhung
der Größe des Befeuchters 22 der
Brennstoffzellenanordnung.
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Wie
in 5 gezeigt ist, zeigt das zweite Schaubild 70 den
Einfluss der Lufteinlasstemperatur auf die Membranwasserübertragungsrate
des Befeuchters 22. Das zweite Diagramm 70 zeigt
eine Kurve 72 der Temperatur des feuchten Luftauslasses,
eine Kurve 74 der Temperatur des trockenen Luftauslasses
und eine Wasserübertragungsratenkurve 76.
Wie in dem zweiten Diagramm 66 deutlich zu sehen ist, ist
die durch die Wasserübertragungsratenkurve 76 gezeigte
Wasserübertragungsrate
am höchsten,
wenn die Temperatur des "trockenen" Lufteinlasses des
Befeuchters und die Temperatur des "feuchten" Lufteinlasses des Befeuchters am niedrigsten
sind. Dieser Effekt wird erreicht, indem Wasser unter Verwendung
des Luftbefeuchtungssystems der vorliegenden Erfindung injiziert
wird.
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Die
ersten und zweiten Injektionsdüsen 42, 56 können aus
beliebigen kommerziell erhältlichen Sprüh-Injektions-/Zerstäubungsdüsen gewählt werden,
die in der Technik bekannt sind. Ein Beispiel von Zerstäubungsdüsen, die
für diesen
Zweck geeignet sind, ist erhältlich
von E.R.L. Limited of Brighton, England. Es ist erwünscht, die
Menge an Wasser, die in entweder die Befeuchtereinlassleitung 23 oder
die Kathodenluft/Wasserauslassleitung 26 injiziert wird, vollständig zu
zerstäuben.
Die gewählte
Größe und Konstruktion
entweder der ersten oder zweiten Injektionsdüse 42, 56 basiert
daher auf der Gesamtwassermenge, die injiziert werden soll, und
die von einer Brennstoffzellenstapelkonstruktion zu der nächsten variieren
kann. Beispielsweise nur kann die Größe der ersten oder zweiten
Injektionsdüse 42, 56,
die zur Verwendung unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben
sind, Wasserdurchsätze
im Bereich zwischen etwa 0,1 g/sek. bis etwa 1,1 g/sek. haben.
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Ein
Luftbefeuchtungssystem 10 der vorliegenden Erfindung bietet
verschiedene Vorteile. Durch Injektion relativ kleiner Mengen an
Wasser direkt in entweder den Kathodeneinlassstrom eines Brennstoffzellenstapels
oder in den Kathodenabflussstrom des Brennstoffzellenstapels kann
eine Wasserübertragungsrate
eines zugeordneten Befeuchters erhöht werden. Durch Zerstäuben und
Injektion der kleinen Wassermenge in diese Pfade wird die Temperatur
auf der Einlassseite der Kathodenversorgungsleitung des Brennstoffzellenstapels
verringert, was die Befeuchterwasserübertragungsrate verbessert.
Die Verwendung von Injektionsdüsen
der vorliegenden Erfindung erlaubt, dass Wasser, das sich im Wesentlichen
bei Umgebungstemperatur befindet und normalerweise für Brennstoffzellenstapel verfügbar ist,
in den Kathodendurchflussstrom injiziert oder in Kontakt mit dem
Kathodendurchflussstrom gebracht werden kann, ohne das Wasser anfänglich zu
erhitzen. Dies verringert die Gesamtkosten wie auch die Systemauswirkung
des Brennstoffzellenstapels. Durch Anordnen der Injektionsdüsen gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die relative Feuchte der Kathodenquelle zu einem
Brennstoffzellenstapel beim stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels
beibehalten werden. Die Verwendung von Injektionsdüsen der
vorliegenden Erfindung ist effektiv für die Erhöhung der relativen Feuchte
eines beliebigen Typs von Befeuchter, der beim Brennstoffzellenstapelbetrieb
verwendet wird. Eine Temperaturverringerung von etwa 5°C bis 10°C wird durch
Injektion von Wasser unter Verwendung der Injektionsdüsen vorgesehen,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung positioniert sind.
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Zusammengefasst
umfassen ein System und ein Verfahren zur Verbesserung einer Luftbefeuchtung
für Brennstoffzellenanwendungen
einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneinlass und einem
Kathodenauslass. Der Kathodeneinlass nimmt ein Oxidationsmittel
auf. Ein Be feuchter befeuchtet das Oxidationsmittel vor einer Lieferung
des Oxidationsmittels an den Kathodeneinlass. Es ist eine Injektionsdüse vorgesehen,
wobei ein Wasservolumen, das durch die Injektionsdüse im Wesentlichen
vernebelt wird, eine Temperatur des Oxidationsmittels verringert
und eine Wasserübertragungsrate
des Befeuchters erhöht.
Die Injektionsdüse
kann entweder direkt oberstromig des Befeuchters in der Oxidationsmitteleinlassleitung
oder in einer Stapelkathodenauslassleitung positioniert sein, die
in den Befeuchter geführt
ist.