-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und im Spezielleren eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur passiven Entfernung von Wasser aus dem Brennstoffzellensystem, wie sie aus der
DE 10 2010 009 004 A1 bekannt geworden ist.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltbewusste Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene weitere Anwendungen vorgeschlagen. Im Speziellen wurde die Brennstoffzelle als eine mögliche Alternative für den traditionellen Verbrennungsmotor erkannt, der in modernen Fahrzeugen verwendet wird. Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Einzelne Brennstoffzellen können in Serie zusammengestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreicht, um eine Leistung für ein Fahrzeug bereitzustellen.
-
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in der Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode zerlegt, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch gelangen und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Wasserstoff, und etwas Wasserstoff wird als ein Anodenabgas abgegeben, das Wasser und Stickstoff enthalten kann.
-
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfassen allgemein eine feste, protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
-
Mehrere einzelne Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeugbrennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise Brennstoffzellen-Subsysteme und ähnliche Vorrichtungen, die bei der Vorkonditionierung und dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels hilfreich sind. Als nicht einschränkende Beispiele können die Brennstoffzellen-Subsysteme und ähnlichen Vorrichtungen, die innerhalb des Hauptkörpers untergebracht sind, Endplatten, Fluiddurchgänge, z. B. Wasserstoffbrennstoff- und Oxidationsmittel(O2/Luft)-Durchgänge, Kühlmittelpumpen, Zirkulationspumpen, Entleerungsventile, Gebläse, Verdichter, Ventile, elektrische Verbindungen, Reformer, Befeuchter, Wasserdampfübertragungseinheiten, Wärmetauscher und ähnliche Einrichtungen umfassen.
-
Flüssiges Wasser, das in dem Brennstoffzellenstapel und den Brennstoffzellen-Subsystemen vorhanden ist, kann einen optimalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels verhindern. Flüssiges Wasser kann eine Gasströmung innerhalb des Brennstoffzellenstapels und der Brennstoffzellen-Subsysteme blockieren und kann gefrieren, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in Betrieb ist. Ein Teil des Anodenabgases kann wiederaufbereitet werden, um eine Anodenstöchiometrie ohne die Verwendung von überschüssigem Wasserstoff aufrechtzuerhalten. Wenn kalter Wasserstoff in eine gewünschte Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung in fluidtechnischer Verbindung mit der Anode eingespritzt wird, kondensiert in dem Abgas vorhandener Wasserdampf und wird von dem Abgaskanal abgetrennt. Eis kann den Betrieb eines kombinierten Entlüftungs- und Ablassventils verhindern, das verwendet wird, um das Wasser und überschüssigen Stickstoff aus dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen, und verlängert die Inbetriebnahmezeit des Brennstoffzellenstapels. Das kombinierte Entlüftungs- und Ablassventil minimiert die Komplexität und ist typischerweise neben einem Wasserabscheideabschnitt des Brennstoffzellen-Subsystems angeordnet, in dem das kombinierte Entlüftungs- und Ablassventil eingebaut ist. Alternativ können separate Ventile (ein Entlüftungsventil und ein Ablassventil) verwendet werden, um Entlüftungs- und Ablassfunktionen in dem Brennstoffzellen-Subsystem auszuführen.
-
Überschüssiger Stickstoff kann in der Anode des Brennstoffzellenstapels und den Brennstoffzellen-Subsystemen infolge längerer betriebsloser Perioden des Brennstoffzellenstapels oder infolge eines Durchschlagens aus der Kathode vorhanden sein. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels vorhandener Stickstoff führt zu einer schlechten Leistung des Brennstoffzellenstapels. Demgemäß muss der überschüssige Stickstoff aus dem System abgelassen werden. Das Entlüftungsventil kann auch verwendet werden, um den überschüssigen Stickstoff zu entfernen. Eis kann den Betrieb des Entlüftungsventils verhindern, das verwendet wird, um den Stickstoff aus dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen, und verhindert den optimalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels.
-
Das Kathodenabgas kann verwendet werden, um den Sauerstoff oder die Luft, der/die in die Kathode eintritt, mithilfe einer Wasserdampfübertragungseinheit (WVT, von water vapor transfer unit) zu befeuchten. Flüssiges Wasser, das in dem Kathodenabgas vorhanden ist, zeigt an, dass die Kathode überbefeuchtet ist. Wenn die WVT flüssigem Wasser ausgesetzt ist, kann Wasser im Überschuss der gewünschten Menge wieder in die Kathode zurück eingeführt werden. Um Wasser aus der Kathode zu spülen, kann ein Umgehungsventil verwendet werden, um das Kathodenabgas von der WVT wegzuleiten. Ein Umgehungsventilsystem ist typischerweise sperrig und umfasst allgemein einen Aktuator und einen Sensor.
-
Umgebungsluft kann verdichtet und gekühlt werden, bevor sie in die WVT und die Kathode eintritt. Befeuchtete Luft, welche die WVT während eines Kaltstarts verlässt, kann kondensieren und sich ansammeln, bevor sie in die Kathode eintritt. Es ist wünschenswert, das Kondensat zu entfernen, bevor die Luft in die Kathode eintritt. Das Entfernen des Kondensats minimiert die Inbetriebnahmezeit des Brennstoffzellenstapels bei kaltem Wetter. Das Kondensat wird typischerweise mithilfe eines intermittierend betriebenen Entleerungssystems abgelassen. Das Entleerungssystem kann beträchtlichen Raum einnehmen und einen Sammelpunkt, ein Ablassventil und einen Kondensatniveausensor umfassen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen passiven Wasserablass für einen Brennstoffzellenstapel herzustellen, der eine Komplexität einer Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung minimiert, die Notwendigkeit von Saugdochten und Umgehungsventilsystemen eliminiert, die verwendet werden, um Wasser aus dem Kathodenabgaskanal zu entfernen, und die Notwendigkeit von Kondensatablasssystemen eliminiert, die für in die Kathode eintretende Druckluft verwendet werden.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Es wurde ein passiver Wasserablass für einen Brennstoffzellenstapel entwickelt, der die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung vereinfacht, die Notwendigkeit von Umgehungsventilsystemen eliminiert, die verwendet werden, um Wasser aus dem Kathodenabgaskanal zu entfernen, und die Notwendigkeit von Kondensatablasssystemen eliminiert, die für in die Kathode eintretende Druckluft verwendet werden.
-
In einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Fluidstromes einen Hauptkörper mit einem darin gebildeten Hohlraum, wobei der Hauptkörper einen Einlass, einen Auslass und einen Ablass umfasst und der Einlass geeignet ist, den Fluidstrom aufzunehmen, ein inneres Element, das in dem Hohlraum des Hauptkörpers angeordnet und geeignet ist, eine Gewundenheit bzw. Tortuosität des Fluidstromes zu erhöhen, und ein hydrophiles poröses Medium, das neben dem Ablass in fluidtechnischer Verbindung mit dem Hohlraum angeordnet ist, wobei das hydrophile poröse Medium eine Übertragung des Fluidstromes durch den Ablass hindurch verhindert, wobei der Fluidstrom durch den Auslass hindurch ausgestoßen wird.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Aufnahme eines Fluidstromes in einem Brennstoffzellensystem einen Hauptkörper mit einem darin gebildeten Hohlraum, wobei der Hauptkörper einen Einlass, einen Auslass und einen Ablass umfasst und der Einlass geeignet ist, den Fluidstrom aufzunehmen, ein inneres Element, das in dem Hohlraum des Hauptkörpers angeordnet und geeignet ist, eine Tortuosität des Fluidstromes zu erhöhen, ein hydrophiles poröses Medium, das in dem Ablass in fluidtechnischer Verbindung mit dem Hohlraum abdichtend angeordnet ist, und ein Flüssigkeitsrückhaltemerkmal, das neben dem hydrophilen porösen Medium angeordnet ist, wobei das hydrophile poröse Medium eine Übertragung des Fluidstromes durch den Ablass hindurch verhindert, und wobei der Fluidstrom aus dem Hohlraum durch den Auslass hindurch ausgestoßen wird.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die oben stehenden wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bei Betrachtung im Licht der beiliegenden Zeichnungen einfach verständlich, in denen:
-
1 ein schematisches Flussdiagramm eines Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungssystems, eines Kathodenreaktandensystems und eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
-
2 ein schematisches Flussdiagramm des in 1 veranschaulichten Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungssystems veranschaulicht;
-
3 ein schematisches Flussdiagramm eines Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
-
4 ein schematisches Flussdiagramm eines Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
-
5 eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines passiven Kathodeneinlass-Wasserablasses für die in 1 veranschaulichte Ausführungsform veranschaulicht; und
-
6 eine schematische seitliche Querschnittsansicht eines passiven Kathodenauslass-Wasserablasses für die in 1 veranschaulichte Ausführungsform veranschaulicht.
-
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
-
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken.
-
1 veranschaulicht ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ein Anodenreaktandensystem 12, einen Brennstoffzellenstapel 14 und ein Kathodenreaktandensystem 16.
-
Das Anodenreaktandensystem 12 umfasst eine Brennstoffquelle 18 und eine Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20. Die Brennstoffquelle 18 ist typischerweise ein Speichergefäß, das verwendet wird, um ein Fluid wie z. B Wasserstoff unter Druck zu speichern, es können jedoch andere Brennstoffquellen verwendet werden. Eine Brennstoffleitung 22 stellt eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Brennstoffquelle 18 und dem Brennstoffzellenstapel 14 bereit. In der gezeigten Ausführungsform ist ein Brennstoffvorwärmer 24 zwischen der Brennstoffquelle 18 und der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 in der Brennstoffleitung 22 angeordnet. Der Brennstoffvorwärmer 24 hebt die Temperatur des in die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 eintretenden Brennstoffes.
-
Die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 umfasst einen Injektor 26, einen Ejektor 28, einen Wasserabscheider 30 und einen passiven Wasserablass 32. Die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 bereitet unverbrauchten Brennstoff, der den Brennstoffzellenstapel 14 verlässt, auf, entfernt Kondensat, das sich innerhalb der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 sammelt und lässt Verunreinigungen wie z. B. Stickstoff aus dem Anodenreaktandensystem 12 ab. Der Injektor 26 und der Ejektor 28 stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Anodeneinlass 34 des Brennstoffzellenstapels 14. Ein Anodenauslass 36 des Brennstoffzellenstapels 14 steht in fluidtechnischer Verbindung mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20. Eine Entlüftungsleitung 38 mit einem darin angeordneten Entlüftungsventil 40 stellt eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 und einem Abgaskanal 42 des Brennstoffzellensystems 10 bereit. Alternativ kann die Entlüftungsleitung 38 zu dem Kathodenreaktandensystem 16 geleitet werden, um die Kathode während eines Kaltstarts des Brennstoffzellenstapels 14 zu erwärmen. Eine Ablassleitung 44 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem passiven Wasserablass 32 und dem Abgaskanal 42.
-
Das Kathodenreaktandensystem 16 umfasst eine Oxidationsmittelquelle 46, einen Verdichter 48, einen Zwischenkühler 50, eine Wasserdampfübertragungseinheit (WVT) 52, einen passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54 und einen passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56. Die Oxidationsmittelquelle 46 ist typischerweise Umgebungsluft, es können jedoch andere Oxidationsmittelquellen verwendet werden. Eine Oxidationsmittelleitung 58 stellt eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Oxidationsmittelquelle 46 und dem Brennstoffzellenstapel 14 bereit. In bestimmten Ausführungsformen kann der Zwischenkühler 50 von dem Kathodenreaktandensystem 16 eliminiert sein. Der Zwischenkühler 50 hebt oder senkt eine Temperatur des Oxidationsmittels, bevor das Oxidationsmittel in einen Kathodeneinlass 60 des Brennstoffzellenstapels 14 oder die WVT 52 eintritt. Die Temperatur des Oxidationsmittels wird typischerweise auf eine Temperatur eines in dem Brennstoffzellenstapel 14 verwendeten Kühlmittels gehoben oder gesenkt. Der passive Kathodeneinlass-Wasserablass 54 ist in der Oxidationsmittelleitung 58 unterstromig von der WVT 52 angeordnet, um Kondensat daraus zu entfernen. Eine Ablassleitung 61 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abgaskanal 42 für das Entfernen von Kondensat aus dem passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54. Die WVT 52 befeuchtet das Oxidationsmittel, bevor das Oxidationsmittel in den passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54 eintritt. Austrittsfluide (wie z. B. unverbrauchtes Oxidationsmittel und Wasserdampf) verlassen den Brennstoffzellenstapel 14 durch einen Kathodenauslass 62 hindurch und treten in den passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56 ein. Nachdem das Kondensat aus den Austrittsfluiden mit dem passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56 entfernt wurde, treten die Austrittsfluide in die WVT 52 ein. Eine Ablassleitung 64 steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abgaskanal 42 für das Entfernen von Kondensat aus dem passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56. Die WVT 52 umfasst eine dampfdurchlässige Membran, welche die Oxidationsmittelleitung 58 von einer Austrittsleitung 66 trennt, um zuzulassen, dass die Austrittsfluide das in den Kathodeneinlass 60 eintretende Oxidationsmittel befeuchten.
-
2 veranschaulicht die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die gezeigte Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 umfasst einen Brennstoffvorwärmer 24. Die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 weist einen darin gebildeten Hohlraum 80 auf. Der Hohlraum 80 und der Ejektor 28 stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Anodeneinlass 34 des Brennstoffzellenstapels 14. Der Anodenauslass 36 steht in fluidtechnischer Verbindung mit einem Wiederaufbereitungsvorrichtungseinlass 82. Ein oberstromiger Filter 83 kann in dem Wiederaufbereitungsvorrichtungseinlass 82 oder an einer anderen zweckdienlichen oberstromigen Stelle angeordnet sein, um zu verhindern, dass Feststoffe in den passiven Wasserablass 32 gelangen. Feststoffe, die in die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gelangen, können den passiven Wasserablass 32 verstopfen und das Entfernen von Wasser aus der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 verhindern. Der oberstromige Filter 83 kann z. B. mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Kleben oder eines Reibungssitzes mit dem Wiederaufbereitungsvorrichtungseinlass 82 gekoppelt sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche, nicht korrosive Material mit darin gebildeten Poren wie z. B. eine Glasfasermatte, ein gesintertes Metall, ein geklebtes Metallgewebe, ein Stoffgewebe und ein poröser Schaum verwendet werden, um den oberstromigen Filter 83 zu bilden. Die in dem oberstromigen Filter 83 gebildeten Poren sind dimensioniert, um Feststoffe zu entfernen, die den passiven Wasserablass 32 verstopfen oder dessen Leistung beeinträchtigen können. Die Entlüftungsleitung 38 und die Ablassleitung 44 stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abgaskanal 42. Alternativ kann die Entlüftungsleitung 38 auf das Kathodenreaktandensystem 16 gerichtet sein, um die Kathode während eines Kaltstarts des Brennstoffzellenstapels 14 zu erwärmen. Die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 kann beispielsweise aus einem beliebigen herkömmlichen Material wie z. B. einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoff-Verbundmaterial gebildet sein. Die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 kann separat gebildet oder integral mit einer Brennstoffzellen-Endeinheit des Brennstoff-Zellenstapels 14 gebildet sein. Wie gezeigt, umfasst die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 den Injektor 26, den Ejektor 28, den Wasserabscheider 30 und den passiven Wasserablass 32.
-
Der Injektor 26 ist ein Brennstoffinjektor, wie auf dem technischen Gebiet bekannt, wobei der Injektor 26 eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Brennstoffquelle 18 und dem Ejektor 28 bereitstellt. Der Brennstoff von der Brennstoffquelle 18 wird durch den Injektor 26 an einen Einlass des Ejektors 28 geliefert.
-
Der Ejektor 28 ist zwischen dem Injektor 26 und dem Anodeneinlass 34 angeordnet und umfasst einen Venturi-Durchgang 84. Der Venturi-Durchgang 84 umfasst einen Halsabschnitt mit einem Durchmesser, der kleiner ist als ein Durchmesser der übrigen Durchgangsabschnitte. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Material wie z. B. ein Metall, eine Metalllegierung, ein Kunststoff und ein Kunststoff-Verbundmaterial verwendet werden, um den Ejektor 28 zu bilden. Der Ejektor 28 kann integral als ein Abschnitt der Brennstoffzellenendeinheit oder der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gebildet sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Mittel wie Festschrauben oder Kleben verwendet werden, um den Ejektor 28 mit zumindest einem Abschnitt der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 zu koppeln, wenn der Ejektor 28 separat gebildet ist. Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, bildet die Kombination des Injektors 26 mit dem Ejektor 28 in Reihe eine Strahlpumpe oder einen Aspirator.
-
Wie gezeigt, ist der Wasserabscheider 30 in dem Hohlraum 80 der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 zwischen dem Wiederaufbereitungsvorrichtungseinlass 82 und dem Ejektor 28 angeordnet. Der Wasserabscheider 30 kann integral mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gebildet sein. Alternativ kann der Wasserabscheider 30 beispielsweise separat von der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gebildet und mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Festschrauben oder Kleben damit gekoppelt sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Material wie z. B. ein Metall, eine Metalllegierung, ein Kunststoff und ein Kunststoff-Verbundmaterial verwendet werden, um den Wasserabscheider 30 zu bilden. Der Wasserabscheider 30 umfasst eine Vielzahl von inneren Elementen 86. Wie in den 2, 3 und 4 veranschaulicht, umfasst der Wasserabscheider 30 eine Vielzahl von beabstandeten und im Wesentlichen parallelen Leitblechen. Es können auch andere Leitblechanordnungen, eine Reihe von Kammern, eine Vielzahl von bidirektionalen Durchgangen, ein Zyklonabscheider oder eine beliebige andere Art von innerem Element mit dem Wasserabscheider 30 umfasst sein.
-
Der passive Wasserablass 32 umfasst ein hydrophiles poröses Medium 88 und ein Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90. Das hydrophile poröse Medium 88 ist abdichtend in der Ablassleitung 44 der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 angeordnet. Der Hohlraum 80, die Ablassleitung 44 und der Wasserabscheider 30 stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Medium 88. Das Medium 88 kann beispielsweise mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Kleben oder eines Reibungssitzes mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gekoppelt sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche, nicht korrosive Material mit darin gebildeten Poren wie z. B. eine Glasfasermatte, ein gesintertes Metall, ein geklebtes Metallgewebe, ein Stoffgewebe und ein poröser Schaum verwendet werden, um das hydrophile poröse Medium 88 zu bilden. Die in dem hydrophilen porösen Medium 88 gebildeten Poren weisen typischerweise einen Durchmesser von etwa 1 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer auf. Ein Material, welches das hydrophile poröse Medium 88 bildet, kann auf der Basis einer nominellen Porengröße und einer Gleichmäßigkeit der darin gebildeten Poren gewählt sein. Wie gezeigt, ist das hydrophile poröse Medium 88 eine einzige Materiallage, es kann aber eine Vielzahl von geschichteten Materiallagen mit einer nominell größeren Porengröße verwendet werden.
-
Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90 ist in der Ablassleitung 44 der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 angeordnet. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90 kann integral mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gebildet sein. Alternativ kann das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90 beispielsweise separat gebildet und mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Festschrauben oder Kleben mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gekoppelt sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Material wie z. B. ein Metall, eine Metalllegierung, ein Kunststoff und ein Kunststoff-Verbundmaterial verwendet werden, um das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90 zu bilden. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90 sammelt und hält eine gewünschte Menge an Kondensat zurück, das den Hohlraum 80 durch die Ablassleitung 44 hindurch verlässt. Wie in 2 gezeigt, weist das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90 einen im Wesentlichen „L”-förmigen Querschnitt auf und ist derart geformt, dass es der Ablassleitung 44 im Wesentlichen entspricht, es kann aber jede beliebige Form verwendet werden.
-
Die Ablassleitung 44 ist neben der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 angeordnet und stellt eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Hohlraum 80 und dem Abgaskanal 42 bereit. Die Ablassleitung 40 kann integral als ein Abschnitt der Brennstoffzellenendeinheit oder der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gebildet sein. Alternativ kann die Ablassleitung 44 beispielsweise separat gebildet sein und kann aus einem beliebigen herkömmlichen Material wie z. B. einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoff-Verbundmaterial gebildet sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Mittel wie z. B. Festschrauben oder Kleben verwendet werden, um die Ablassleitung 44 mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 zu koppeln, wenn die Ablassleitung 44 separat gebildet ist. Wie gezeigt, ist die Ablassleitung 44 vertikal orientiert. Es können jedoch andere Orientierungen verwendet werden.
-
Die Entlüftungsleitung 38 ist neben der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 angeordnet und stellt eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Hohlraum 80 und dem Abgaskanal 42 bereit. Alternativ kann die Entlüftungsleitung 38 auf das Kathodenreaktandensystem 16 gerichtet sein, um die Kathode während eines Kaltstarts des Brennstoffzellenstapels 14 zu erwärmen. Die Entlüftungsleitung 38 kann integral als ein Abschnitt der Brennstoffzellenendeinheit oder der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 gebildet sein und kann aus einem beliebigen herkömmlichen Material wie z. B. einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoff-Verbundmaterial gebildet sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Mittel wie z. B. Festschrauben oder Kleben verwendet werden, um die Entlüftungsleitung 38 mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20 zu koppeln, wenn die Entlüftungsleitung 38 separat gebildet ist. Wie gezeigt, umfasst die Entlüftungsleitung 38 das darin angeordnete Entlüftungsventil 40. Ein Controller und ein Aktuator (nicht gezeigt) in Verbindung mit dem Entlüftungsventil 40 ändern je nach Wunsch eine Position des Entlüftungsventils 40. Das Ventil 40 kann in einer offenen Position, einer geschlossenen Position oder einer Zwischenposition positioniert sein. Das Entlüftungsventil 40 kann ein solenoidbetätigter Schieber sein, es können aber andere Ventiltypen verwendet werden.
-
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung ähnlich der in 2 gezeigten. Die Bezugsziffern für eine ähnliche Struktur in Bezug auf die Beschreibung von 2 sind in 3 mit einem Strich (')-Symbol wiederholt.
-
Die gezeigte Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20' umfasst den Brennstoffvorwärmer 24'. Der passive Wasserablass 92 umfasst ein hydrophiles poröses Medium 94 und ein Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96. Das hydrophile poröse Medium 94 ist abdichtend in der Ablassleitung 44' der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20' angeordnet. Der Hohlraum 80', die Ablassleitung 44' und der Wasserabscheider 30' stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Medium 94. Das Medium 94 kann beispielsweise mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Kleben oder eines Reibungssitzes mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20' gekoppelt sein. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96 ist in der Ablassleitung 44' der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20' angeordnet. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96 kann integral mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20' gebildet sein. Alternativ kann das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96 beispielsweise separat von der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20' gebildet und mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Festschrauben oder Kleben damit gekoppelt sein. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96 verhindert, dass eine gewünschte Menge an Kondensat den Hohlraum 80' durch die Ablassleitung 44' hindurch verlässt. Wie in 3 gezeigt, weist das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96 einen im Wesentlichen rechteckig geformten Querschnitt auf und erstreckt sich über eine Breite der Ablassleitung 44', es kann aber jede beliebige Form verwendet werden.
-
Die Ablassleitung 44' ist neben der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20' angeordnet und stellt eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Hohlraum 80' und dem Abgaskanal (nicht gezeigt) bereit. Die Ablassleitung 44' kann integral als ein Abschnitt der Brennstoffzellenendeinheit oder der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20' gebildet sein. Alternativ kann die Ablassleitung 44' beispielsweise separat gebildet sein und kann aus einem beliebigen herkömmlichen Material wie z. B. einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoff-Verbundmaterial gebildet sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Mittel wie z. B. Festschrauben oder Kleben verwendet werden, um die Ablassleitung 44' mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20' zu koppeln, wenn die Ablassleitung 44' separat gebildet ist. Wie gezeigt, ist die Ablassleitung 44' im Wesentlichen horizontal orientiert. Es können jedoch andere Orientierungen verwendet werden.
-
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung ähnlich den in 2 und 3 gezeigten. Die Bezugsziffern für eine ähnliche Struktur in Bezug auf die Beschreibung der 2 und 3 sind in 4 mit einem Doppelstrich ('')-Symbol wiederholt.
-
Wie gezeigt, umfasst die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' keinen Brennstoffvorwärmer. Der Hohlraum 80'' der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Anodeneinlass 34'' des Brennstoffzellenstapels (nicht gezeigt). Der Anodenauslass 36'' steht in fluidtechnischer Verbindung mit einem Ejektor 100 und der Entlüftungsleitung 38''. Ein oberstromiger Filter (nicht gezeigt) kann in dem Anodenauslass 36'' oder an einer anderen zweckdienlichen oberstromigen Stelle angeordnet sein, um zu verhindern, dass Feststoffe in den passiven Wasserablass 92'' gelangen. Feststoffe, die in die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' gelangen, können den passiven Wasserablass 92'' verstopfen und das Entfernen von Wasser aus der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' verhindern. Die Entlüftungsleitung 38'' und die Ablassleitung 44'' stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abgaskanal (nicht gezeigt). Alternativ kann die Entlüftungsleitung 38'' auf das Kathodenreaktandensystem (nicht gezeigt) gerichtet sein, um die Kathode während eines Kaltstarts des Brennstoffzellenstapels zu erwärmen.
-
Der Injektor 26'' ist ein Brennstoffinjektor, wie auf dem technischen Gebiet bekannt, wobei der Injektor 26'' eine fluidtechnische Verbindung zwischen der Brennstoffquelle (nicht gezeigt) und dem Ejektor 100 bereitstellt. Der Injektor 26'' ist in der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung neben einem Wiederaufbereitungsvorrichtungseinlass 106 angeordnet. Der Brennstoff von der Brennstoffquelle wird durch den Injektor 26'' an einen Einlass des Ejektors 100 geliefert.
-
Der Ejektor 100 ist zwischen dem Injektor 26'' und dem Hohlraum 80'' angeordnet und umfasst einen Venturi-Durchgang 108. Der Ejektor 100 kann integral als ein Abschnitt der Brennstoffzellenendeinheit oder der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' gebildet sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Mittel wie z. B. Festschrauben oder Kleben verwendet werden, um den Ejektor 100 mit zumindest einem Abschnitt der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' zu koppeln, wenn der Ejektor 100 separat gebildet ist. Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, bildet die Kombination des Injektors 26'' mit dem Ejektor 100 in Reihe eine Strahlpumpe oder einen Aspirator.
-
Die Entlüftungsleitung 38'' ist neben dem Anodenauslass 36'' angeordnet und stellt eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Anodenauslass 36'' und dem Abgaskanal (nicht gezeigt) bereit. Alternativ kann die Entlüftungsleitung 38'' auf das Kathodenreaktandensystem gerichtet sein, um die Kathode während eines Kaltstarts des Brennstoffzellenstapels zu erwärmen. Die Entlüftungsleitung 38'' kann integral als ein Abschnitt der Brennstoffzellenendeinheit oder der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' gebildet sein und kann aus einem beliebigen herkömmlichen Material wie z. B. einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoff-Verbundmaterial gebildet sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Mittel wie z. B. Festschrauben oder Kleben verwendet werden, um die Entlüftungsleitung 38'' mit der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' zu koppeln, wenn die Entlüftungsleitung 38'' separat gebildet ist. Wie gezeigt, umfasst die Entlüftungsleitung 38'' das darin angeordnete Entlüftungsventil 40''. Ein Controller und ein Aktuator (nicht gezeigt) in Verbindung mit dem Entlüftungsventil 40'' ändern je nach Wunsch eine Position des Entlüftungsventils 40''. Das Ventil 40'' kann in einer offenen Position, einer geschlossenen Position oder einer Zwischenposition positioniert sein.
-
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung ähnlich den in 1, 2 und 3 gezeigten. Die Bezugsziffern für eine ähnliche Struktur in Bezug auf die Beschreibung der 1, 2 und 3 sind in 5 mit einem Dreifachstrich (''')-Symbol wiederholt.
-
5 veranschaulicht den passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54'''. Der passive Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' ist eine Struktur mit einem darin gebildeten Hohlraum 80'''. Der Hohlraum 80''' bildet einen Abschnitt der Oxidationsmittelleitung 58'''. Die unterstromig von dem Hohlraum 80''' angeordnete Oxidationsmittelleitung 58''' steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt). Die oberstromig von dem Hohlraum 80''' angeordnete Oxidationsmittelleitung 58''' steht typischerweise in fluidtechnischer Verbindung mit der WVT. Ein oberstromiger Filter (nicht gezeigt) kann in der Oxidationsmittelleitung 58''' oder an einer anderen zweckdienlichen oberstromigen Stelle angeordnet sein, um zu verhindern, dass Feststoffe in den passiven Wasserablass 42''' des passiven Kathodeneinlasses gelangen. Feststoffe, die in den passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' gelangen, können den passiven Wasserablass 32''' verstopfen und das Entfernen von Wasser aus dem passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' verhindern. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung, die nicht gezeigt sind, kann die oberstromig von dem Hohlraum 80''' angeordnete Oxidationsmittelleitung 58''' in fluidtechnischer Verbindung mit dem Zwischenkühler (nicht gezeigt) und dem Verdichter (nicht gezeigt) stehen. Die Ablassleitung 61''' steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abgaskanal (nicht gezeigt). Der passive Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' kann beispielsweise aus jedem beliebigen herkömmlichen Material wie z. B. einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoff-Verbundmaterial gebildet sein. Der passive Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' kann separat von anderen Komponenten gebildet sein oder kann integral mit einer Brennstoffzellenendeinheit des Brennstoffzellenstapels gebildet sein. Wie gezeigt, umfasst der passive Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' ein inneres Element 110 und den passiven Wasserablass 32'''.
-
Das innere Element 110 ist in dem Hohlraum 80''' des passiven Kathodeneinlass-Wasserablasses 54''' zwischen einem Einlass und einem Auslass davon angeordnet. Der passive Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' kann integral mit dem inneren Element 110 gebildet sein. Alternativ kann das innere Element 110 separat gebildet und mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Festschrauben oder Kleben mit dem passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' gekoppelt sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Material wie z. B. ein Metall, eine Metalllegierung, ein Kunststoff und ein Kunststoff-Verbundmaterial verwendet werden, um das innere Element 110 zu bilden. Wie gezeigt, ist das innere Element 110 ein rechteckig geformtes Leitblech. Es können auch andere Formen, eine Kammer, ein bidirektionaler Durchgang, ein Zyklonabscheider oder eine beliebige andere Art von innerem Element mit dem inneren Element 110 umfasst sein.
-
Der passive Wasserablass 32''' umfasst ein hydrophiles poröses Medium 88''' und ein Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90'''. Das hydrophile poröse Medium 88''' ist abdichtend in der Ablassleitung 61''' des passiven Kathodeneinlass-Wasserablasses 54''' angeordnet. Der Hohlraum 80''', die Ablassleitung 61''' und das innere Element 110 stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Medium 88'''. Das Medium 88''' kann beispielsweise mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Kleben oder eines Reibungssitzes mit dem passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' gekoppelt sein.
-
Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90''' ist in der Ablassleitung 61''' des passiven Kathodeneinlass-Wasserablasses 54''' angeordnet. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90''' kann integral mit dem passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' gebildet sein. Alternativ kann das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90''' beispielsweise separat gebildet und mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Festschrauben oder Kleben mit dem passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' gekoppelt sein. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90''' sammelt und hält eine gewünschte Menge an Kondensat zurück, das den Hohlraum 80''' durch die Ablassleitung 61''' hindurch verlässt. Wie in 5 gezeigt, weist das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90''' einen im Wesentlichen „L”-förmigen Querschnitt auf und ist derart geformt, dass es der Ablassleitung 61''' im Wesentlichen entspricht, es kann aber jede beliebige Form verwendet werden.
-
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung ähnlich den in 1, 2, 3 und 5 gezeigten. Die Bezugsziffern für eine ähnliche Struktur in Bezug auf die Beschreibung der 1, 2, 3 und 5 sind in 6 mit einem Vierfachstrich ('''')-Symbol wiederholt.
-
6 veranschaulicht den passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56''''. Der passive Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' umfasst einen darin gebildeten Hohlraum 80''''. Der Hohlraum 80'''' bildet einen Abschnitt der Austrittsleitung (nicht gezeigt). Die unterstromig von dem Hohlraum 80'''' angeordnete Austrittsleitung steht in fluidtechnischer Verbindung mit der WVT 52''''. Die oberstromig von dem Hohlraum 80'''' angeordnete Austrittsleitung steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Kathodenauslass 62''''. Ein oberstromiger Filter (nicht gezeigt) kann in dem Kathodenauslass 62'''' oder an einer anderen zweckdienlichen oberstromigen Stelle angeordnet sein, um zu verhindern, dass Feststoffe in den passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' gelangen. Feststoffe, die in den passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' gelangen, können den passiven Wasserablass 92'''' verstopfen und das Entfernen von Wasser aus dem passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' verhindern. Die Ablassleitung 64'''' steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem Abgaskanal (nicht gezeigt). Der passive Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' kann beispielsweise aus jedem beliebigen herkömmlichen Material wie z. B. einem Metall, einer Metalllegierung, einem Kunststoff und einem Kunststoff-Verbundmaterial gebildet sein. Der passive Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' kann separat von anderen Komponenten gebildet sein oder kann integral innerhalb einer Brennstoffzellenendeinheit des Brennstoffzellenstapels (nicht gezeigt) gebildet sein. Wie gezeigt, umfasst der passive Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' ein inneres Element 110'''' und den passiven Wasserablass 92''''.
-
Das innere Element 110'''' ist in dem Hohlraum 80'''' des passiven Kathodenauslass-Wasserablasses 56'''' zwischen einem Einlass und einem Auslass davon angeordnet. Der passive Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' kann das innere Element 110'''' als integral gebildet umfassen. Alternativ kann das innere Element 110'''' separat gebildet und mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Festschrauben oder Kleben mit dem passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' gekoppelt sein. Es kann beispielsweise jedes beliebige herkömmliche Material wie z. B. ein Metall, eine Metalllegierung, ein Kunststoff und ein Kunststoff-Verbundmaterial verwendet werden, um das innere Element 110'''' zu bilden. Wie gezeigt, ist das innere Element 110'''' ein rechteckig geformtes Leitblech. Es können auch andere Formen, eine Kammer, ein bidirektionaler Durchgang, ein Zyklonabscheider oder eine beliebige andere Art als das innere Element mit dem inneren Element 110'''' verwendet werden.
-
Der passive Wasserablass 92'''' umfasst ein hydrophiles poröses Medium 94'''' und ein Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96''''. Das hydrophile poröse Medium 94'''' ist abdichtend in der Ablassleitung 64'''' des passiven Kathodenauslass-Wasserablasses 56'''' angeordnet. Der Hohlraum 80'''', die Ablassleitung 64'''' und das innere Element 110'''' stehen in fluidtechnischer Verbindung mit dem Medium 94''''. Das Medium 94'''' kann beispielsweise mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Kleben oder eines Reibungssitzes mit dem passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' gekoppelt sein. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96'''' ist in der Ablassleitung 64'''' des passiven Kathodenauslass-Wasserablasses 56'''' angeordnet. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96'''' kann integral mit dem passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' gebildet sein. Alternativ kann das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96'''' beispielsweise separat gebildet und mithilfe eines beliebigen herkömmlichen Mittels wie z. B. Festschrauben oder Kleben mit dem passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56'''' gekoppelt sein. Das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96'''' verhindert, dass eine festgelegte Menge an Kondensat den Hohlraum 80'''' durch die Ablassleitung 64'''' hindurch verlässt. Wie in 6 gezeigt, weist das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96'''' einen im Wesentlichen rechteckig geformten Querschnitt auf und erstreckt sich über eine Breite der Ablassleitung 64'''', es kann aber jede beliebige Form verwendet werden.
-
Während eines Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 wird ein Anodenaustrittsstrom durch den Anodenauslass 36, 36' hindurch aus dem Brennstoffzellenstapel 14 ausgestoßen. Der Anodenaustrittsstrom enthält unverbrauchten Brennstoff und Nebenprodukte wie z. B. Wasser und Stickstoff. Wenn der Austrittsstrom in den Wiederaufbereitungsvorrichtungseinlass 82, 82' der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20, 20' eintritt, strömt der Austrittsstrom über den Wasserabscheider 30, 30'. Wenn der Austrittsstrom über den Wasserabscheider 30, 30' hinweg strömt, behindern die inneren Elemente 86, 86' oder andere Wassereinfangmerkmale den Austrittsstrom. Eine resultierende erhöhte Tortuosität des Austrittsstromes bewirkt, dass sich in dem Austrittsstrom vorhandenes Wasser an den inneren Elementen 86, 86' sammelt und das Wasser aus dem Austrittsstrom entfernt wird. Wenn sich das Wasser an dem Wasserabscheider 30, 30' sammelt, bewirkt die Schwerkraft, dass das Wasser von den inneren Elementen 86, 86' und auf eine innere Fläche der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20, 20' abläuft. Wie in 2 gezeigt, leitet die innere Fläche das Wasser in Richtung des passiven Wasserablasses 32, der das hydrophile poröse Medium 88 hydratisiert und das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90 mit Wasser füllt. Wie in 3 gezeigt, leitet die innere Fläche das Wasser in Richtung des passiven Wasserablasses 92, hydratisiert das hydrophile poröse Medium 94 und füllt einen Abschnitt der durch das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96 eingeschränkten Ablassleitung 44' mit Wasser.
-
Der Austrittsstrom setzt sich durch den Hohlraum 80, 80' hindurch fort und tritt in die Strahlpumpe (Injektor 26, 26' und Ejektor 28, 281 ein. Die Strahlpumpe erleichtert eine Aufnahme des Austrittsstromes durch die Nutzung des Venturi-Effekts. Somit wird eine ausreichende Durchmischung des Brennstoffes und des Austrittsstromes durch die Verwendung des Injektors 26, 26' und des Ejektors 28, 28' bewirkt. Nach dem Einspritzen des Kraftstoffes und dem Mischen wird der Austrittsstrom „aufbereitet” und weist einen höheren Brennstoffgehalt und einen geringeren Wassergehalt auf und tritt durch den Anodeneinlass 34, 34' hindurch wieder in den Brennstoffzellenstapel 14 ein.
-
Das hydrophile poröse Medium 88, 94 verhindert eine Übertragung des Austrittsstromes durch das Medium 88, 94 hindurch, wenn es durch Wasser hydratisiert ist. Ein Druck, dem das hydrophile poröse Medium 88, 94 standhalten kann, kann über das Blasendruckverfahren der Oberflächenspannung berechnet werden. Die Beziehung des Blasendruckes eines Mediums, das Poren mit einem spezifizierten Durchmesser aufweist, kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: Pbubble = 4σ·cos(θ)/Dpore wobei Pbubble ein maximaler Druck ist, dem das hydrophile poröse Medium 88, 94 standhalten kann, wenn es hydratisiert ist; 4σ die Oberflächenspannung von Wasser ist; θ der Kontaktwinkel des hydrophilen porösen Mediums 88, 94 ist; und Dpore der Durchmesser der Poren in dem hydrophilen porösen Medium 88, 94 ist. Als nicht einschränkende Beispiele ergeben die Poren in dem hydrophilen porösen Medium 88, 94 mit dem Durchmesser von etwa 2 Mikrometer einen Blasendruck von etwa 116 kPa und die Poren mit einem Durchmesser von etwa 5 Mikrometer ergeben einen Blasendruck von etwa 46 kPa, wobei der Kontaktwinkel des hydrophilen porösen Mediums 88, 94 etwa 30° beträgt und die Oberflächenspannung von Wasser 0,067 N/m beträgt.
-
Eine Dicke oder die Fläche des hydrophilen porösen Mediums 88, 94 kann gewählt sein, um eine übermäßige Gasübertragung zu der Ablassleitung 44, 44' in dem Fall zu verhindern, dass das hydrophile poröse Medium 88, 94 trocken wird. Das hydrophile poröse Medium 88, 94 kann nach Perioden längeren Betriebes bei erhöhten Temperaturen oder wenn das Oxidationsmittel eine geringe relative Feuchtigkeit aufweist, trocken werden. Die Beziehung der Strömungsrate durch ein Medium mit einer spezifizierten Permeabilität, Fläche und Dicke hindurch kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: Qtrans = kAΔP/μL wobei Qtrans die Volumenströmungsrate durch das hydrophile poröse Medium 88, 94 hindurch ist, k die Permeabilität (eine Funktion der Porengröße und der Material-Tortuosität) des hydrophilen porösen Mediums 88, 94 ist; A die Fläche des hydrophilen porösen Mediums 88, 94 ist; ΔP die Druckdifferenz über das hydrophile poröse Medium 88, 94 hinweg ist; μ die Viskosität des durch das hydrophile poröse Medium 88, 94 hindurch strömenden Fluids ist; und L die Dicke des hydrophilen porösen Mediums 88, 94 ist. Demzufolge kann die Dicke des hydrophilen porösen Mediums 88, 94 erhöht sein, oder die Fläche des hydrophilen porösen Mediums 88, 94, die dem Hohlraum 80, 80' ausgesetzt ist, kann verringert sein, um eine Gasübertragung durch das hydrophile poröse Medium 88, 94 hindurch zu reduzieren, wenn es trocken ist, ohne den Blasendruck des hydrophilen porösen Mediums 88, 94 zu beeinflussen.
-
Ein Sättigungspunkt für das hydrophile poröse Medium 88, 94 ist der Zustand, in dem das hydrophile poröse Medium 88, 94 die größte Menge an Wasser absorbiert hat, die es halten kann. Das Wasser im Überschuss des Sättigungspunktes des Mediums 88, 94 wird durch das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90, 96 festgehalten, bis das Wasser über das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90, 96 überläuft und die Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20, 20' durch die Ablassleitung 44, 44' hindurch verlässt.
-
Nach betriebslosen Perioden des Brennstoffzellensystems 10 können Stickstoff oder andere Gase in das Anodenreaktandensystem 12 hinein diffundieren und können aus diesem gespült werden, um das Starten des Brennstoffzellensystems 10 zu erleichtern. Während des Spülens wird das Entlüftungsventil 40, 40' geöffnet, um zuzulassen, dass der Austrittsstrom durch die Entlüftungsleitung 38, 38' ausgestoßen wird, indem der Injektor 26, 26' betätigt wird, um den Stickstoff oder andere Gase, der/die in dem Anodenreaktandensystem 12 vorhanden ist/sind, zu entfernen. Ferner kann das Anodenreaktandensystem 12 intermittierend während eines Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 gespült werden, um Nebenprodukte zu entfernen, welche die Leistung des Brennstoffzellensystems 10 hemmen können. Der Austrittsstrom, der einen höheren Brennstoffgehalt (auf Grund von Brennstoffeinspritzung) und einen geringeren Wassergehalt (nachdem er über den Wasserabscheider 30, 30' hinweg geströmt ist) aufweist, kann durch den Anodeneinlass 34, 34' hindurch wieder in den Brennstoffzellenstapel 14 eintreten.
-
Wie in 4 gezeigt, wird ein Anodenaustrittsstrom durch den Anodenauslass 36'' hindurch aus dem Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) ausgestoßen. Der Anodenaustrittsstrom enthält unverbrauchten Brennstoff und Nebenprodukte wie z. B. Wasser und Stickstoff. Der Austrittsstrom tritt in den Wiederaufbereitungsvorrichtungseinlass 106 der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' ein und setzt sich zu der Strahlpumpe (Injektor 26'' und Ejektor 100) fort. Die Strahlpumpe erleichtert eine Aufnahme des Austrittsstromes durch die Nutzung des Venturi-Effekts. Somit wird eine ausreichende Durchmischung des Brennstoffes und des Austrittsstromes durch die Verwendung des Injektors 26'' und des Ejektors 100 bewirkt. Der (nicht erwärmte) Brennstoff bewirkt, dass in dem Austrittsstrom vorhandener Wasserdampf kondensiert. Der Austrittsstrom strömt dann über den Wasserabscheider 30'' hinweg, der das Wasser daraus entfernt. Das Wasser wird dann durch den passiven Wasserablass 92'' hindurch aus der Anodenreaktanden-Wiederaufbereitungsvorrichtung 20'' entfernt. Der Austrittsstrom, der einen höheren Brennstoffgehalt (auf Grund von Brennstoffeinspritzung) und einen geringeren Wassergehalt (nachdem er über den Wasserabscheider 30'' hinweg geströmt ist) aufweist, tritt durch den Anodeneinlass 34'' hindurch wieder in den Brennstoffzellenstapel ein.
-
Ein Kathodeneinlassstrom tritt durch den Kathodeneinlass 60 hindurch in den Brennstoffzellenstapel 14 ein. Wenn die Oxidationsmittelquelle 46 Umgebungsluft ist, enthält der Kathodeneinlassstrom Wasserdampf. Es findet eine weitere Befeuchtung des Kathodeneinlassstromes statt, wenn der Kathodeneinlassstrom durch die WVT 52 hindurch strömt. Während Kaltstarts besteht die Wahrscheinlichkeit, dass Wasserdampf, der in dem durch den Verdichter 48, den Zwischenkühler 50 und die WVT 52 hindurch strömenden Kathodeneinlassstrom vorhanden ist, zu Wasser kondensiert. Wie in 5 gezeigt, tritt der Wasser umfassende Kathodeneinlassstrom dann in den Hohlraum 80''' des passiven Kathodeneinlass-Wasserablasses 54''' ein. Wenn der Kathodeneinlassstrom über das innere Element 110 hinweg strömt, wird der Kathodeneinlassstrom behindert. Eine resultierende erhöhte Tortuosität des Kathodeneinlassstromes bewirkt, dass sich in dem Kathodeneinlassstrom vorhandenes Wasser an dem inneren Element 110 sammelt und das Wasser aus dem Kathodeneinlassstrom entfernt wird. Wenn sich das Wasser an dem inneren Element 110 und der inneren Fläche des passiven Kathodeneinlass-Wasserablasses 54''' sammelt, bewirkt die Schwerkraft, dass das Wasser von dem inneren Element 110 und der inneren Fläche und auf das hydrophile poröse Medium 88 abläuft. Die innere Fläche leitet das Wasser in Richtung des passiven Wasserablasses 32''', der das hydrophile poröse Medium 88''' hydratisiert und das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 90''' mit Wasser füllt. Wasser im Überschuss des Sättigungspunktes des hydrophilen porösen Mediums 88''' verlässt den passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54''' durch die Ablassleitung 61''' hindurch. Der Kathodeneinlassstrom, der eine reduzierte Menge an Wasser aufweist, setzt sich durch den Hohlraum 80''' hindurch fort und verlässt den passiven Kathodeneinlass-Wasserablass 54''', um sich durch die Oxidationsmittelleitung 58''' zu dem Brennstoffzellenstapel 14 fortzusetzen.
-
Während eines Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 verlässt ein Kathodenauslassstrom durch den Kathodenauslass 62, 62'' hindurch den Brennstoffzellenstapel 14. Wasser, das innerhalb des Brennstoffzellenstapels 14 erzeugt wird, wird durch den Kathodenauslass 62, 62''' hindurch in dem Kathodenauslassstrom ausgestoßen. Wie in 6 gezeigt, tritt der Wasser umfassende Kathodenauslassstrom dann in den Hohlraum 80'''' des passiven Kathodenauslass-Wasserablasses 56'''' ein. Wenn der Kathodenauslassstrom über das innere Element 110'''' hinweg strömt, wird der Kathodenauslassstrom behindert. Eine resultierende erhöhte Tortuosität des Kathodenauslassstromes bewirkt, dass sich in dem Kathodenauslassstrom vorhandenes Wasser an dem inneren Element 110'''' sammelt und das Wasser aus dem Kathodenauslassstrom entfernt wird. Wenn sich das Wasser an dem inneren Element 110'''' und der inneren Fläche des passiven Kathodenauslass-Wasserablasses 56'''' sammelt, bewirkt die Schwerkraft, dass das Wasser von dem inneren Element 110'''' abläuft. Die innere Fläche leitet das Wasser in Richtung des passiven Wasserablasses 92'''' der das hydrophile poröse Medium 94'''' hydratisiert. Wasser im Überschuss des Sättigungspunktes des hydrophilen porösen Mediums 94'''' wird von dem Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96'''' festgehalten. Wasser im Überschuss der Menge, die das Flüssigkeitsrückhaltemerkmal 96'''' festhalten kann, verlässt das Kathodenreaktandensystem 16 durch die Ablassleitung 64, 64'''' hindurch. Der Kathodenauslassstrom, der eine reduzierte Menge an Wasser aufweist, setzt sich durch den Hohlraum 80'''' hindurch fort und verlässt den passiven Kathodenauslass-Wasserablass 56'''', um sich durch zu der WVT 52, 52'''' fortzusetzen.
-
Es sollte einzusehen sein, dass der passive Wasserablass 32, 32''', 92, 92'', 92'''' die Notwendigkeit von Ventilen, die in der Ablassleitung 44, 44', 44'', 61''', 64'''' angeordnet sind, eliminiert. Es sollte ferner einzusehen sein, dass der passive Wasserablass 92'''' die Notwendigkeit von sperrigen und kostspieligen Ventilsystemen, welche den Kathodenauslassstrom derart leiten, dass er die WVT 52'''' umgeht, eliminiert. Der passive Wasserablass 32''' eliminiert auch die Notwendigkeit von Kondensatablasssystemen, die verwendet werden, um Wasser aus Druckluft in dem Kathodeneinlassstrom zu entfernen. Der passive Wasserablass 32, 32''', 92, 92'', 92'''' gemäß der vorliegenden Erfindung vereinfacht das Entfernen von Wasser aus dem Anodenreaktandensystem 12, dem Brennstoffzellenstapel 14 und dem Kathodenreaktandensystem 16, indem er weniger Komponenten erfordert.
