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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere
ein Fluideinspritz-/ausstoß- bzw. Fluidinjektions-/ejektionssystem
mit einer in dem Brennstoffzellensystem vorgesehenen Anordnung von
Injektoren und Ejektoren, die eine Wasserstoffrezirkulation erleichtern
und deren Gebrauch maximieren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine
Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweist.
Die Anode nimmt einen Brennstoff, wie Wasserstoffgas, auf, und die
Kathode nimmt ein Oxidationsmittel auf, wie Sauerstoff oder Luft.
Typischerweise stellt ein Hauptwasserstoffdurchgang eine Kommunikation
zwischen einer Wasserstoffquelle und der Anode bereit. Mehrere Brennstoffzellen
werden in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um eine gewünschte
Menge an elektrischer Leistung zu erzeugen. Ein Brennstoffzellenstapel
für ein Fahrzeug kann mehrere hundert einzelne Zellen aufweisen.
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Sauerstoff,
der in dem Brennstoffzellenstapel nicht verbraucht wird, wird als
ein Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt
enthalten kann. In dem Stapel nicht verbrauchter Wasserstoff kann über
einen Brennstoffrezirkulationsdurchgang an den Hauptwasserstoffdurchgang rezirkuliert
werden. Es ist auch eine Menge an unerwünsch tem Stickstoff
in dem die Brennstoffzelle verlassenden, nicht verbrauchten Wasserstoff
vorhanden. Vor Wiedereinführung des nicht verbrauchten Wasserstoffes
zurück in den Hauptwasserstoffdurchgang wird ein Anteil
des Wasserstoff/Stickstoff-Gemischs in die Atmosphäre ausgetragen.
Dies kann beispielsweise durch ein Ablassventil erreicht werden.
Wasserstoff und Stickstoff, die nicht durch das Ablassventil in
die Atmosphäre ausgetragen werden, können über
den Brennstoffrezirkulationsdurchgang in die Hauptwasserstoffversorgung
wieder eingeführt werden. Der Brennstoffrezirkulationsdurchgang
sieht eine Fluidkommunikation zwischen dem Auslass der Brennstoffzelle
und dem Hauptwasserstoffdurchgang vor, um eine Wiedereinführung
von nicht verbrauchtem Wasserstoff in die Anode zu ermöglichen. Bei
Brennstoffzellenstapeln nach dem Stand der Technik wird eine elektrische
Pumpe verwendet, um das Wasserstoff/Stickstoffgemisch zurück
in den Hauptwasserstoffdurchgang zu rezirkulieren.
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Es
ist eine fortwährende Herausforderung gewesen, ein effizientes
und kosteneffektives Verfahren zum Wiedereinführen des
nicht verbrauchten Wasserstoffes zurück in den Hauptwasserstoffdurchgang
bereitzustellen. Der Raum in und um den Brennstoffzellenstapel ist äußerst
begrenzt und wertvoll, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen. Ferner
verwendet die elektrische Pumpe, die dazu verwendet wird, den nicht
verbrauchten Wasserstoff zurück in den Hauptwasserstoffdurchgang
wiedereinzuführen, elektrische Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel
erzeugt wird, wodurch der Gesamtwirkungsgrad verringert wird.
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Um
einen Leistungsverbrauch der elektrischen Pumpe zu reduzieren, sind
gepulste Injektoren, die zwischen einer offenen und geschlossenen Position
abwechseln, in Brennstoffzellensystemen verwendet worden, um Brennstoff
von der Brennstoffquelle zu dem Brennstoffzellenstapel einzuführen.
Während gepulste Injektoren bei einer Reduzierung des Energie verbrauchs
der elektrischen Pumpe erfolgreich waren, besteht ein Bedarf nach
einer Minimierung der Zeitdauer, in der der Injektor geschlossen
ist, und einer Maximierung der Zeitdauer, in der der Ejektor verwendet
wird, und zwar bei geringer Leistung.
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Es
soll eine Brennstoffzellenstapel-Baugruppe mit einer Anordnung aus
Injektoren und Ejektoren hergestellt werden, die eine Wasserstoffrezirkulation unterstützt
und deren Gebrauch maximiert, wobei der Gebrauch einer elektrischen
Pumpe beseitigt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Brennstoffzellenstapel-Baugruppe
mit einer Anordnung aus Injektoren und Ejektoren, die eine Wasserstoffrezirkulation
unterstützen und deren Gebrauch maximieren, wobei der Gebrauch
einer elektrischen Pumpe beseitigt ist, entdeckt worden.
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Bei
einer Ausführungsform umfasst das Fluidinjektions-/ejektionssystem
einen ersten Injektor, der derart angepasst ist, um einen ersten
Strom eines ersten Fluids von einer Fluidquelle aufzunehmen und
den ersten Strom des ersten Fluids in eine erste Kammer zu injizieren;
einen ersten Ejektor mit einem darin geformten Durchgang, wobei
der Durchgang einen Einlass in Fluidkommunikation mit der ersten Kammer
und einen Auslass in Fluidkommunikation mit einer zweiten Kammer
besitzt; einen zweiten Injektor, der derart angepasst ist, um einen
zweiten Strom des ersten Fluids von der Fluidquelle aufzunehmen
und den zweiten Strom des ersten Fluids in die zweite Kammer zu
injizieren; und einen zweiten Ejektor mit einem darin geformten
Durchgang, wobei der Durchgang ei nen Einlass und einen Auslass besitzt,
wobei der Einlass in Fluidkommunikation mit der zweiten Kammer steht.
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Bei
einer anderen Ausführungsform umfasst das Fluidinjektions-/ejektionssystem
für ein Brennstoffzellensystem einen ersten Injektor mit
einem Einlass und einem Auslass, die darin geformt sind, wobei der
Einlass in Fluidkommunikation mit einer Fluidquelle steht und der
Auslass in Fluidkommunikation mit einer ersten Kammer steht; einen
ersten Ejektor mit einem Rückschlagventil und einem darin
geformten Venturidurchgang, wobei der Venturidurchgang einen Einlass
in Fluidkommunikation mit der ersten Kammer und einen Auslass in
Fluidkommunikation mit einer zweiten Kammer besitzt; einen zweiten
Injektor mit einem Einlass und einem Auslass, die darin geformt
sind, wobei der Einlass in Fluidkommunikation mit der Fluidquelle
steht und der Auslass in Fluidkommunikation mit der zweiten Kammer
steht; und einen zweiten Ejektor mit einem darin geformten Venturidurchgang,
wobei der Venturidurchgang einen Einlass in Fluidkommunikation mit
der zweiten Kammer und einen Auslass in Fluidkommunikation mit einer
dritten Kammer besitzt, wobei die dritte Kammer einen Auslass in
Fluidkommunikation mit einer Brennstoffzelle besitzt, wobei zumindest
eine der ersten Kammer und der zweiten Kammer einen darin geformten
Brennstoffrezirkulationseinlass aufweist, der derart angepasst ist,
um ein zweites Fluid darin in Ansprechen auf eine Strömung
des ersten Fluids durch den Venturidurchgang von zumindest einem
des ersten Ejektors und des zweiten Ejektors aufzunehmen, wobei
das zweite Fluid mit dem ersten Fluid kombiniert wird, um ein Fluidgemisch
zu bilden.
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Bei
einer anderen Ausführungsform umfasst das Fluidinjektions-/ejektionssystem
für ein Brennstoffzellensystem einen Kleininjektor mit
einem Einlass und einem Auslass, die darin geformt sind, wobei der
Ein lass in Fluidkommunikation mit einer Fluidquelle steht und der
Auslass in Fluidkommunikation mit einer ersten Kammer steht; einen
ersten Ejektor mit einem Rückschlagventil und einem darin
geformten Venturidurchgang, wobei der Venturidurchgang einen Einlass
in Fluidkommunikation mit der ersten Kammer und einen Auslass in
Fluidkommunikation mit einer zweiten Kammer aufweist; einen Großinjektor
mit einem Einlass und einem Auslass, die darin geformt sind, wobei
der Einlass in Fluidkommunikation mit der Fluidquelle steht und
der Auslass in Fluidkommunikation mit der zweiten Kammer steht;
und einen zweiten Ejektor mit einem darin geformten Venturidurchgang,
wobei der Venturidurchgang einen Einlass in Fluidkommunikation mit
der zweiten Kammer und einen Auslass in Fluidkommunikation mit einer
dritten Kammer besitzt, wobei die dritte Kammer einen Auslass in
Fluidkommunikation mit einer Brennstoffzelle besitzt, wobei zumindest
eine der ersten Kammer und der zweiten Kammer einen darin geformten
Brennstoffrezirkulationseinlass aufweist, der derart angepasst ist,
um ein zweites Fluid darin in Ansprechen auf eine Strömung
des ersten Fluids durch den Venturidurchgang von zumindest einem
des ersten Ejektors und des zweiten Ejektors aufzunehmen, wobei
das zweite Fluid mit dem ersten Fluid kombiniert wird, um ein Fluidgemisch
zu bilden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 eine
schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems
nach dem Stand der Technik ist;
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2 ein
schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Anordnung von Injektoren und Ejektoren
in dem in 2 gezeigten Brennstoffzellensystem
ist; und
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4 eine
Schnittansicht der in 3 gezeigten Injektoren und Ejektoren
entlang Linie 4-4 ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen
beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu,
den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen
und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der
Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
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1 zeigt
eine Brennstoffzelle 10, die eine Kathodenseite 9 und
eine Anodenseite 11 besitzt. Die Kathodenseite 9,
die Anodenseite 11 und ein Kühlmittelsystem (nicht
gezeigt) werden gemeinsam als ein feuchtes Ende der Brennstoffzelle 10 bezeichnet. Isolationsendplatten 14, 16 werden
als ein trockenes Ende der Brennstoffzelle 10 bezeichnet.
Die Brennstoffzelle 10 steht in Fluidkommunikation mit
einer Brennstoffquelle 37 und einer Oxidationsmittelquelle 39.
Graphitblöcke 18, 20, die eine Vielzahl
von Öffnungen 22, 24 besitzen, um eine
Fluidverteilung zu fördern, sind benachbart der Isolationsendplatten 14, 16 angeordnet.
Dichtungselemente 26, 28 sowie Kohlegewebe-Stromkollektoren 30, 32,
die jeweilige elektrische Verbindungen 31, 33 besitzen,
sind jeweils zwischen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 und
den Blöcken 18, 20 angeordnet. Ein Oxidationsmittel-
und Stromtransportmittel 36 besteht aus dem Graphitblock 18,
dem Dichtungselement 26 und dem Stromkollektor 30.
Ein Brennstoff- und Stromtransportmittel 38 besteht aus
dem Graphitblock 20, dem Dichtungselement 28 und
dem Stromkollektor 32. Die Anodenverbindung 31 und
die Kathodenverbindung 33 werden dazu verwendet, die Brennstoffzelle 10 mit
einer externen Schaltung 41 zu verbinden, und können
gegebenenfalls andere Brennstoffzellen (nicht gezeigt) aufweisen.
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Ein
Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) ist aus einer Vielzahl von
Brennstoffzellen 10 aufgebaut, die in Reihe verschaltet
sind. Sobald eine gewünschte Anzahl von Paaren aus Brennstoffzellen 10 miteinander
verbunden sind, um den Brennstoffzellenstapel zu bilden, wird der
Stapel mit dem Kühlmittelsystem versehen. Ein Brennstoffzellenstapel,
wie hier beschrieben ist, wird zum Beispiel üblicherweise
als eine Stromerzeugungsanlage für die Erzeugung elektrischer
Leistung in einem Fahrzeug verwendet.
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Im
Gebrauch wird ein Brennstoff, wie Wasserstoff, von der Brennstoffquelle
37 geliefert,
und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, wird von der Oxidationsmittelquelle
39 geliefert.
Der Brennstoff und das Oxidationsmittel von den jeweiligen Quellen
37,
39 diffundieren
durch jeweilige Fluid- und Stromtransportmittel
36,
38 zu
entgegengesetzten Seiten der MEA
12. Poröse Elektroden
(nicht gezeigt) formen eine Anode an der Anodenseite
11 und
eine Kathode an der Kathodenseite
9 und sind durch eine
Protonen austauschmembran (PEM)
46 getrennt. Die PEM
46 sorgt
für einen Ionentransport, um eine chemische Reaktion in
der Brennstoffzelle
10 zu fördern. Typischerweise
wird die PEM
46 aus Copolymeren geeigneter Monomere hergestellt.
Derartige Protonenaustauschmembrane können durch Monomere
der Strukturen gekennzeichnet sein:
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Eine
derartige Monomerstruktur ist detailliert in dem
U.S. Patent Nr. 5,316,871 offenbart,
das hierdurch in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hier eingeschlossen
ist.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems 48 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Strukturen, die ähnlich
denen sind, die oben für 1 beschrieben
sind, weisen dieselben Bezugszeichen, gefolgt durch ein Strichindexsymbol (')
auf. Das Brennstoffzellensystem 48 umfasst eine Brennstoffquelle 37',
eine Oxidationsmittelquelle 39' und einen Hauptbrennstoffdurchgang 50.
Die Brennstoffquelle 37 liefert einen Brennstoff zu einem
ersten Injektor 52. Der erste Injektor 52 und
ein zugeordneter erster Ejektor 54 stehen in Fluidkommunikation mit
einem zweiten Injektor 55 und einem zugeordneten zweiten
Ejektor 56. Obwohl der erste Injektor 52 und der
erste Ejektor 54 in einer linearen Anordnung bezüglich
des zweiten Injektors 55 und des zweiten Ejektors 56 angeordnet
sind, sei zu verstehen, dass die Injektoren 52, 55 und
die Ejektoren 54, 56 nach Bedarf angeordnet werden
können. Bei der gezeigten Ausführungsform ist
der erste Injektor 52 ein sogenannter Kleininjektor, der
zur Verwendung bei niedrigem Stapelstrom (beispielsweise 30% Stapelstrom)
angepasst ist, und der zweite Injektor 55 ist ein sogenannter
Großinjektor, der zur Verwendung bei hohem Stapelstrom
(beispielsweise 100% Stapelstrom) angepasst ist. Es sei zu verstehen,
dass der erste Injektor 52 und der zweite Injektor 55 gegebenenfalls
andere Injektortypen sein können und während eines
beliebigen Stapelstromniveaus verwendet werden können.
Der erste Ejektor 54 umfasst eine integrierte Rückschlagventilbaugruppe 57,
wie in 3 gezeigt ist. Ein Brennstoffzellenstapel 58 bildet
zumindest einen Teil des Hauptbrennstoffzellendurchgangs 50 und
umfasst eine oder mehrere Brennstoffzellen 59, wie oben
für 1 beschrieben ist. Das Brennstoffzellensystem 48 umfasst
auch einen Austragsdurchgang 60, ein Ablassventil 62,
einen Brennstoffrezirkulationsdurchgang 64 und einen Wasserabscheider 66.
Der Brennstoffzellenstapel 58 bildet zumindest einen Teil
des Austragsdurchgangs 60. Das Ablassventil 62 sieht
eine Fluidkommunikation zwischen dem Austragsdurchgang 60 und
der Atmosphäre vor. Eine Fluidkommunikation zwischen dem
Austragsdurchgang 60 und dem Ejektor 54 wird durch
den Brennstoffrezirkulationsdurchgang 64 bereitgestellt.
Wasser, das in dem von dem Brennstoffzellenstapel 58 zu
dem Ejektor 54 strömenden Fluid vorhanden ist,
wird durch den Wasserabscheider 66 entfernt.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt ist, umfasst der erste
Injektor 52 einen Fluideinlass 68 und einen beabstandeten
Fluidauslass 70, der eine Düse 71 aufweist.
Der Fluideinlass 68 steht in Fluidkommunikation mit der
Brennstoffquelle 37'. Der Fluidauslass 70 steht
in Fluidkommunikation mit einer ersten Kammer 74, die in
einer Endeinheit 75 des Brennstoffzellensystems 48 geformt
ist.
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Die
erste Kammer
74 steht in Fluidkommunikation mit einem Einlass
76 des
ersten Ejektors
54. Der erste Ejektor
54 umfasst
einen darin geform ten Venturidurchgang
77. Ein ähnlicher
Venturidurchgang ist in dem in Gemeinschaftsbesitz befindlichen
U.S. Patent Nr. 5,802,848 gezeigt,
das hierdurch in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hier eingeschlossen
ist. Der Venturidurchgang
77 umfasst einen zusammenlaufenden
Abschnitt
78, einen Hals
79 und einen Diffusorabschnitt
80.
Die Düse
71 des ersten Injektors
52 ist
im Wesentlichen mit dem Hals
79 des Venturidurchgangs
77 ausgerichtet.
Der Venturidurchgang
77 sieht eine Fluidkommunikation zwischen
der ersten Kammer
74 und einer beabstandeten zweiten Kammer
81 vor,
die in der Endeinheit
75 des Brennstoffzellensystems
48 geformt
ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine Rezirkulationsöffnung
82 in
einer Wand der ersten Kammer
74 geformt. Es sei zu verstehen,
dass gegebenenfalls andere Rezirkulationsöffnungen an beliebiger
Stelle geformt sein können. Die Rezirkulationsöffnung
82 erleichtert
eine Fluidkommunikation zwischen dem Brennstoffrezirkulationsdurchgang
64 und
der ersten Kammer
74.
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Der
zweite Injektor 55 umfasst einen Fluideinlass 84 und
einen beabstandeten Fluidauslass 86, der eine Düse 88 aufweist.
Der Fluideinlass 84 steht in Fluidkommunikation mit der
Brennstoffquelle 37'. Der Fluidauslass 86 steht
in Fluidkommunikation mit der zweiten Kammer 81.
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Die
zweite Kammer 81 steht in Fluidkommunikation mit einem
Einlass 90 des zweiten Sektors 56. Der zweite
Ejektor 56 umfasst einen darin geformten Venturidurchgang 92.
Der Venturidurchgang 92 umfasst einen zusammenlaufenden
Abschnitt 94, einen Hals 96 und einen Diffusorabschnitt 98.
Die Düse 88 des zweiten Injektors 55 ist
im Wesentlichen mit dem Hals 96 des Venturidurchgangs 92 ausgerichtet.
Der Venturidurchgang 92 sieht eine Fluidkommunikation zwischen
der zweiten Kammer 81 und einer beabstandeten dritten Kammer 100 vor,
die in der Endeinheit 75 des Brennstoffzellensystems 48 geformt
ist. Die dritte Kammer 100 steht in Fluidkommunikation
mit dem Diffusorabschnitt 98 des Venturidurchganges 92 und
einem Auslass 102 des zweiten Ejektors 56. Der
Auslass 102 des zweiten Ejektors 56 steht mittels
des Hauptbrennstoffdurchgangs 50 in Fluidkommunikation
mit dem Brennstoffzellenstapel 58.
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Die
Rückschlagventilbaugruppe 57 ist mit dem ersten
Ejektor 54 integriert, wie in 4 gezeigt ist.
Alternativ dazu kann die Rückschlagventilbaugruppe 57 gegebenenfalls
mit einer Kombination aus Injektor und Ejektor (nicht gezeigt) und
dem zweiten Ejektor 56 integriert sein. Eine Kombination
aus Injektor und Ejektor ist in der in Gemeinschaftsbesitz befindlichen
U.S.-Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2006/0024548
offenbart, die hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier
eingeschlossen ist. Die Rückschlagventilbaugruppe 57 umfasst
einen Ventilkörper 106, der einen integralen Teil
des ersten Ejektors 54 darstellt und den Venturidurchgang 77 umgibt.
Ein Ventilgehäuse 108 umgibt den Ventilkörper 106.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Ventilkörper 106 einteilig
mit dem Ventilgehäuse 108 geformt. Es sei zu verstehen, dass
der Ventilkörper 106 und das Ventilgehäuse 108 separat
geformt sein können, ohne vom Schutzumfang und Erfindungsgedanken
der Erfindung abzuweichen.
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Der
Ventilkörper 106 umfasst eine ringförmige
Anordnung von darin geformten Rückschlagventildurchgängen 110.
Es sei zu verstehen, dass eine gewünschte Anzahl von Rückschlagventildurchgängen 110,
wie durch einen gewünschten Durchfluss durch die Rückschlagventildurchgänge 110 bestimmt
ist, in dem Ventilkörper 106 geformt sein kann.
Es sei ferner zu verstehen, dass gegebenenfalls andere Konfigurationen
von Rückschlagventildurchgängen 110 in dem
Ventilkörper 106 geformt sein können.
Die Rückschlagventildurchgänge 110 können
auch in dem Ventilgehäuse 108 oder zwischen dem
Ventilkörper 106 und dem Ventilgehäuse 108 geformt
sein. Die Rückschlagventildurchgänge 110 sehen
eine Fluidkommunikation zwischen der ersten Kammer 74 und der
zweiten Kammer 81 vor.
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Die
Rückschlagventilbaugruppe 57 umfasst auch ein
Klappenventil 112, das an einem unterstromigen Ende des
Ventilkörpers 106 und des Ventilgehäuses 108 angeordnet
ist, obwohl gegebenenfalls andere Ventiltypen verwendet werden können.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Klappenventil 112 aus
Gummi geformt und umfasst eine Vielzahl von Klappen oder Verschlüssen 114,
die derart angepasst sind, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung
mit dem Ventilgehäuse 108 zu bilden, das die Rückschlagventildurchgänge 110 bildet.
Es sei zu verstehen, dass das Klappenventil 112 gegebenenfalls
aus anderen Materialien und mit anderen Formen und Konfigurationen
geformt sein kann, wie beispielsweise eine flache Scheibe. Ein Innenrand 116 des
Klappenventils 112 ist durch ein beliebiges herkömmliches
Befestigungsmittel, wie beispielsweise Klemmen, an dem ersten Ejektor 54 angebracht.
Es sei auch zu verstehen, dass ein Außenrand 118 des Klappenventils 112 gegebenenfalls
an dem ersten Ejektor 54 angebracht sein kann. In einer
geschlossenen Position steht das Klappenventil 112 abdichtend
mit einer Anlagefläche 120 des Ventilgehäuses 108 in
Eingriff. Optional dazu kann die Anlagefläche 120 zur
Aufnahme des Klappenventils 112 darin im Wesentlichen konkav
geformt sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine
Ausnehmung 122 in dem ersten Ejektor 54 geformt,
um den Innenrand 116 des Klappenventils 112 zu
sichern.
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Im
Gebrauch während eines niedrigen Stapelstroms liefert die
Brennstoffquelle 37' den Brennstoff an den ersten Injektor 52.
Der Brennstoff strömt durch die Düse 71,
wodurch seine Geschwindigkeit erhöht wird. Der Brennstoff
strömt dann in die erste Kammer 74 und in den
Venturidurch gang 77 des ersten Ejektors 54. Wenn
der Brennstoff durch den Venturidurchgang 77 gelangt, baut
der Brennstoff Druck auf und seine Geschwindigkeit nimmt ab, was
eine Saugwirkung erzeugt. Demgemäß ist der Druck
in der zweiten Kammer 81 höher als der Druck in
der ersten Kammer 74. Diese Druckdifferenz erzeugt eine
Kraft, die auf das Klappenventil 112 in einer Richtung
von der zweiten Kammer 81 zu der ersten Kammer 74 ausgeübt
wird, wodurch das Klappenventil 112 gegen die Anlagefläche 120 in
eine geschlossene Position getrieben wird. Aufgrund der Druckdifferenz
zwischen der ersten Kammer 74 und der zweiten Kammer 81 wird
der Strömung von Brennstoff von der ersten Kammer 74 zu
der zweiten Kammer 81 durch die Rückschlagventildurchgänge 110 entgegengewirkt.
Der Strömung von Brennstoff von der zweiten Kammer 81 zu
der ersten Kammer 74 durch die Rückschlagventildurchgänge 110 wird ebenfalls
entgegengewirkt.
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Der
Brennstoff strömt dann in die zweite Kammer 81 und
durch den Venturidurchgang 92 in die dritte Kammer 100.
Sobald der Brennstoff in die dritte Kammer 100 eingetreten
ist, strömt der Brennstoff durch den Auslass 102.
Der Brennstoff strömt dann zu dem Brennstoffzellenstapel 58.
Einmal in dem Brennstoffzellenstapel 58 hat eine Reaktion
zwischen dem Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle 39' und
dem Brennstoff die Erzeugung von elektrischer Energie zur Folge.
Brennstoff, der nicht von der Reaktion verbraucht wird, wird durch
den Austragsdurchgang 60 entladen.
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Im
Gebrauch bei hohem Stapelstrom liefert die Brennstoffquelle 37' den
Brennstoff an den zweiten Injektor 55. Der Brennstoff strömt
durch die Düse 88, wobei seine Geschwindigkeit
erhöht wird. Der Brennstoff strömt dann in die
zweite Kammer 81 und in den Venturidurchgang 92 des
zweiten Ejektors 56. Wenn der Brennstoff durch den Venturidurchgang 92 ge langt,
baut der Brennstoff Druck auf und seine Geschwindigkeit nimmt ab,
was eine Saugwirkung zur Folge hat. Demgemäß ist
der Druck in der dritten Kammer 100 höher als
der Druck in der zweiten Kammer 81. Jedoch ist die Druckdifferenz
zwischen der zweiten Kammer 81 und der ersten Kammer 74 minimal.
Somit wird eine auf das Klappenventil 112 ausgeübte
Kraft reduziert. Die reduzierte Kraft bewirkt, dass sich die Klappen 114 des
Klappenventils 112 in eine offene Position bewegen. Wenn
die Klappen 114 des Klappenventils 112 in der
offenen Position sind, wird die Strömung von Brennstoff
zwischen der ersten Kammer 74 zu der zweiten Kammer 81 durch
die Rückschlagventildurchgänge 110 zugelassen.
Während die Strömung von Brennstoff von der ersten Kammer 74 zu
der zweiten Kammer 81 zugelassen wird, wird, da der Druck
in der ersten Kammer 74 größer als der
Druck in der zweiten Kammer 81 ist, der Strömung
von Fluid von der zweiten Kammer 81 zu der ersten Kammer 74 entgegengewirkt.
Da eine Strömung zu der zweiten Kammer 81 von
der ersten Kammer 74 durch sowohl den Venturidurchgang 77 als
auch die Rückschlagventildurchgänge 110 unterstützt
wird, ist eine Menge an Brennstoff, die in die zweite Kammer 81 und
folglich die dritte Kammer 100 strömen darf, maximiert,
was eine Minimierung einer Strömungsbegrenzung von Brennstoff
in das Brennstoffzellensystem 48 zur Folge hat.
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Einmal
in der dritten Kammer 100 strömt der Brennstoff
durch den Auslass 102. Der Brennstoff strömt dann
zu dem Brennstoffzellenstapel 58. Einmal in dem Brennstoffzellenstapel 58 bewirkt
eine Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle 39' und
dem Brennstoff die Erzeugung von elektrischer Energie. Brennstoff,
der nicht von der Reaktion verbraucht wurde, wird durch den Austragsdurchgang 60 entladen.
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Typischerweise
ist Stickstoff in dem Brennstoff während der Reaktion vorhanden.
Der Stickstoff strömt zusammen mit dem nicht verbrauchten
Brennstoff durch den Austragsdurchgang 60. Um einen Wirkungsgrad
des Brennstoffzellensystems 48 zu maximieren, ist es erwünscht,
eine Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellensystem 48 auf
einem vorbestimmten Niveau zu halten. Wenn demgemäß die Stickstoffmenge,
die mit dem nicht verbrauchten Brennstoff strömt, größer
als eine gewünschte Menge ist, wird ein Anteil des Brennstoff/Stickstoff-Gemischs
durch das Ablassventil 62 in die Atmosphäre ausgetragen.
Die durch die Strömung des Fluids durch die Venturidurchgänge 77, 92 erzeugte
Saugwirkung bewirkt auch eine Strömung des Stickstoff/Brennstoff-Gemisches
durch den Brennstoffrezirkulationsdurchgang 64 und die
Rezirkulationsöffnung 82 in die erste Kammer 74.
Bei der gezeigten Ausführungsform wird das Stickstoff/Brennstoff-Gemisch
dann in der ersten Kammer 74 oder der zweiten Kammer 81 bei
niedrigem Stapelstrom bzw. hohem Stapelstrom mit von der Brennstoffquelle 37' bereitgestelltem
Brennstoff gemischt. Es sei zu verstehen, dass das Stickstoff/Brennstoff-Gemisch
gegebenenfalls in einer beliebigen Kammer 74, 81, 110 gemischt
werden kann. Das rezirkulierte Brennstoff/Stickstoff-Gemisch und
der Brennstoff von der Brennstoffquelle 37' werden dann
in den Brennstoffzellenstapel 58 eingeführt, wie
oben beschrieben ist. Da die durch die Venturidurchgänge 77, 92 bewirkte Saugwirkung
den nicht verbrauchten Brennstoff zurück zu dem Brennstoffzellenstapel 58 zirkuliert,
ist ein Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 48 maximiert.
Jeglicher in dem Brennstoffzellenstapel 58 nicht verbrauchter
Wasserstoff kann anschließend rezirkuliert werden, wie
oben beschrieben ist.
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Aus
der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen
Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von
ihrem Erfindungsgedanken und Schutzumfang verschiedene Änderungen
und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an
verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5316871 [0020]
- - US 5802848 [0023]