-
Diese Anmeldung betrifft eine Brennstoffzelle zur Verwendung in einer geschlossenen Umgebung, wobei Verunreinigungen aus einem Brennstoffstrom entfernt werden.
-
Brennstoffzellen sind bekannt. Ein Typ schließt eine Kathode und eine Anode ein, die durch eine Protonenaustauschmembran getrennt sind. Bei einem häufig benutzten Typ einer solchen Brennstoffzelle wird eine Brennstoffquelle, wie etwa Wasserstoff (H2), über die Anode geleitet. Sauerstoff und ein sauerstoffhaltiges Gas werden über die Kathode geleitet. Die Kathode und die Anode wirken derart zusammen, dass Elektrizität erzeugt wird.
-
In einer Anwendung für Brennstoffzellen sind die Brennstoffquellen für einen langen Zeitraum eingeschlossen und haltbar. Beispielsweise muss die Brennstoffzelle in Unterwasserfahrzeugen und insbesondere unbemannten Unterwasserfahrzeugen betriebsfähig sein, um für längere Zeitspannen Leistung bereitzustellen. Daher sind eine Wasserstoffquelle und eine Sauerstoffquelle oder eine Quelle von sauerstoffhaltigem Gas am Fahrzeug vorgesehen.
-
Brennstoff, wie etwa Wasserstoff oder mit anderen Gasen vermischter Wasserstoff, wird nach dem Strömen über die Anode zurückgeführt und wird daher nicht mit 100-prozentiger Effizienz genutzt. Nachgeordnet zur Anode wird daher der nicht verbrauchte Wasserstoff oder das nicht verbrauchte Brennstoffgas aufgefangen und zurück über die Anode geleitet, um die Gesamtsystemeffizienz zu verbessern.
-
Der Brennstoffstrom oder Wasserstoff kann jedoch Verunreinigungen enthalten, und der Anteil an Verunreinigungen kann sich an der Anode aufbauen, während der Wasserstoff oder das Brennstoffgas verbraucht wird. Ferner kann der Sauerstoffvorrat wesentliche Mengen Inertgas als Verunreinigung enthalten. Inertgase wie Stickstoff oder andere Verdünner an der Kathode verschärfen das Problem an der Anode, da der Stickstoff oder andere Verdünner die Protonenaustauschmembran durchdringt oder „quert” und in den Brennstoff eingetragen wird. Im Laufe der Zeit nimmt die Menge an Stickstoff oder anderen Verunreinigungen im Brennstoff zu, was sich als problematisch erweist.
-
Wenn eine zunächst zur Verwendung in einer Luftumgebung entwickelte Brennstoffzelle auch in Unterwasserfahrzeugen benutzt wird, kann es wünschenswert sein, der Kathode Luft oder verdünnten Sauerstoff zuzuführen, statt ihr konzentrierten oder reinen Sauerstoff zuzuführen. Dies bringt zusätzlich zu dem erwähnten von in den Brennstoffstrom gelangendem Inertgas zwei Probleme mit sich. Erstens ist das Speichervolumen für Luft oder verdünnten Sauerstoff wesentlich größer als für konzentrierten oder reinen Sauerstoff.
-
Da die Umstände ein Entlüften der Verdünner wie Stickstoff aus dem Kathodenabgas verhindern können, kann zweitens zusätzliches Speichervolumen für die Verdünner im Kathodenabgas notwendig sein. Wenn dagegen das Kathodenabgas einfach zurückgeführt und mit der Eingangsluft vermischt oder zum Verdünnen von Sauerstoff benutzt wird oder wenn die Konzentration der Verunreinigungen im Quellsauerstoff zunimmt, fällt die Kathodenleistung rasch ab, da der Sauerstoff noch weiter verdünnt wird.
-
Ein System weist eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Membran und einer Kathode auf. Eine Brennstoffquelle strömt Ober die Anode und eine Quelle von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas strömt über die Kathode. Eine nachgeordnete Leitung fängt nachgeordnet zur Anode einen Brennstoffablauf auf, und ein Separator separiert Verunreinigungen aus dem Brennstoff der nachgeordneten Leitung und leitet den Brennstoff nachgeordnet zum Separator zur erneuten Einbringung in den Brennstoffstrom über die Anode zurück. Offenbart wird auch ein Verfahren zum Vermischen von Luft mit einem konzentrierten Sauerstoffgas.
-
Besondere Ausgestaltungen können eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale aufweisen, und zwar in Kombination miteinander oder in Alleinstellung:
Der separierte Brennstoff kann zu einem Tank zum Speichern des Brennstoffs zurückgeleitet werden.
-
Das sauerstoffhaltige Gas kann Luft sein.
-
Die entfernten Verunreinigungen können Stickstoff enthalten.
-
Der entfernte Stickstoff kann an eine Kathodenspeiseleitung zurückgeleitet werden.
-
Der Separator kann eine Palladiummembran oder einen anderen Separator zum Separieren von Stickstoff oder anderen Verunreinigungen aus dem Brennstoff aufweisen, und der Brennstoff kann Wasserstoff (H2) sein.
-
Der Separator kann Verunreinigungen aus einem Brennstoffstrom absorbieren.
-
Der Separator kann wenigstens eins von einem Kieselsäuregel und Zeolith umfassen.
-
Die Verunreinigungen können Stickstoff enthalten.
-
Eine Kathodenabgasleitung kann an eine Kathodenspeiseleitung rückgeführt werden, um ein eingehendes sauerstoffhaltiges Gas zu verdünnen.
-
Das System kann Teil eines Unterwasserfahrzeugs sein.
-
Das sauerstoffhaltige Gas kann eine höhere Konzentration von Sauerstoff als von Luft aufweisen und ein Volumen in Fluidverbindung mit der Kathode zunächst mit Luft oder Inertgas gefüllt sein.
-
Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem geschlossenen Fahrzeug kann folgende Schritte umfassen: a) Leiten eines Brennstoffs über eine Anode einer Brennstoffzelle; b) Leiten eines wasserstoffhaltigen Gases über eine Kathode der Brennstoffzelle, Auffangen von Brennstoff nachgeordnet zur Anode und Entfernen von Verunreinigungen aus dem Brennstoff und Zurückleiten des Brennstoffs zum Leiten über die Anoden.
-
Die entfernten Verunreinigungen können an die Kathodenspeiseleitung zurückgeleitet werden.
-
Ein weiteres Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle kann folgende Schritte umfassen: a) Leiten eines Brennstoffs über eine Anode einer Brennstoffzelle; b) Speichern von Sauerstoff in einem Behälter für sauerstoffhaltiges Gas, der eine höhere Sauerstoffkonzentration als Luft aufweist, und Leiten des sauerstoffhaltigen Gases über eine Kathode der Brennstoffzelle; und c) Zunächst Speichern von Luft oder Inertgas in einem Volumen, das in Fluidverbindung mit der Anode steht, derart, dass sich die Luft oder das Edelgas mit dem sauerstoffhaltigen Gas vermischt, während das sauerstoffhaltige Gas über die Kathode strömt.
-
Diese und andere Merkmale lassen sich anhand der nachfolgenden Zeichnungen und der Beschreibung am besten nachvollziehen.
-
1 zeigt schematisch ein Rückführungssystem zur Verwendung in einem Fahrzeug, das eine Brennstoffzelle enthält.
-
2 zeigt eine zweite Ausführungsform.
-
3 zeigt ein weiteres Merkmal.
-
Ein Fahrzeug 20 weist eine Brennstoffzelle 22 auf. In der Praxis können mehrere Brennstoffzellen vorliegen, die verschiedene Bauteile des Fahrzeugs 20 mit Leistung versorgen. Wie in schematischer Weise dargestellt, wird eine Vorrichtung 100 mit Elektrizität betrieben, die von der Brennstoffzelle 22 erzeugt wird.
-
In Ausführungsformen kann es sich bei dem Fahrzeug 20 um ein Unterwasserfahrzeug und insbesondere ein unbemanntes Unterwasserfahrzeug handeln. In solchen Fahrzeugen muss die Brennstoffzelle 22 über längere Zeit betriebsfähig sein. Daher ist ein Brennstofftank 24 mit einem gespeicherten Brennstoffvolumen vorgesehen.
-
Ein zweiter Tank 26 ist mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas, wie etwa Luft, vorgesehen. Zu Zwecken dieser Anmeldung erstreckt sich der Begriff „sauerstoffhaltiges Gas” auf alle derartigen Gase.
-
Eine Anode 30, eine Kathode 34 und eine intermediäre Protonenaustauschmembran 32 sind in der Brennstoffzelle 22 vorgesehen.
-
Das Fahrzeug 20 muss für längere Zeit betrieben werden, weshalb unverbrauchter Brennstoff, der aus der Anode 30 tritt, und der unverbrauchte Sauerstoff, der aus der Kathode 34 tritt, rückgeführt und wiederverwendet werden müssen. Damit das Fahrzeug für mögliche Beobachter „unsichtbar” ist, darf in vielen Anwendungen kein Abgas aus dem Fahrzeug nach außen geleitet werden.
-
Wie in 1 gezeigt, strömt der Brennstoff, bei dem es sich um Wasserstoff aus dem Tank 24 handelt, durch Durchlässe 28, an denen er mit der Anode 30 interagiert, über die Anode 30. Ein Teil des Brennstoffs hat noch nicht reagiert, wenn er an der Anode 30 vorbei geströmt ist und eine nachgeordnete Leitung 39 erreicht hat. Dieser Brennstoff wird durch die Leitung 42 zurück zum Tank 24 geleitet. Alternativ kann der Wasserstoff oder Brennstoff zurück an eine Position, wie etwa eine Position, die dem Tank 24 nachgeordnet ist, und direkt zurück in die Durchlässe 28 geleitet werden. In jedem Fall wird der unverbrauchte Brennstoff rückgeführt, um das Brennstoffvolumen im Tank 24 effizient auszunutzen.
-
Ebenso strömt ein sauerstoffhaltiges Gas von Tank 26 durch Durchlässe 36 über die Kathode 34 und wird durch eine Leitung 38 zurück zur Leitung 99 geleitet, die zurück zur Kathode 36 führt. Bei dem sauerstoffhaltigen Gas in Tank 26 kann es sich um reinen Sauerstoff handeln, doch es kann in vielen Anwendungen aus praktischen Gründen auch Luft enthalten oder kann andere Verunreinigungen enthalten, die keine Reaktanden sind.
-
Wie oben erwähnt, enthält Luft große Mengen an Stickstoff oder andere Verunreinigungen (Nicht-Reaktanden bzw. Inertstoffe). Während der Interaktion in der Brennstoffzelle 22 wird ein Teil der Luft oder sonstigen Verunreinigungen verteilt oder dringt in anderer Weise durch die Membran 32 in den Brennstoffstrom auf der Anodenseite 28.
-
Ein Separator 40 ist an der nachgeordneten Leitung 39 und zwischen den Leitungen 39 und 42 vorgesehen. Der Separator 40 separiert einen Verunreinigungsstrom 44, wie etwa Stickstoff, aus dem Brennstoffstrom, der rückgeführt werden soll.
-
Durch Separieren des Stickstoffs oder sonstiger Nicht-Reaktanden bei 40 aus dem Brennstoffablauf der Brennstoffzelle wird die Reinheit des Brennstoffs sichergestellt, der durch die Leitung 42 zurückkehrt. Indem ferner der separierte Stickstoff oder andere Verunreinigungen durch die Leitung 44 zurück an die Kathodenspeiseleitung 99 zwischen dem Tank 26 und den Durchlässen 36 geleitet werden, können geeignete Sauerstoff-Verdünner-Konzentrationen aufrechterhalten werden. Auf diese Weise nähert sich der Gesamtbetrieb der Brennstoffzelle 22 weiter an das Optimum an.
-
In einer Ausführungsform kann der Separator 40 eine Palladium(Pd)-Membran sein, die für das Separieren von Stickstoff und Wasserstoff bekannt ist.
-
Wie in 2 gezeigt, muss der Stickstoff nicht rückgeführt werden. In 2 führt die nachgeordnete Leitung 39 in einen Separator 140, der den Stickstoff heraustrennt und den Wasserstoff an eine Brennstoffleistung 142 zurückführt, die näher an reinem Wasserstoff ist.
-
Der Separator 140 kann Zeolith oder ein Kieselsäuregel sein, die bekannte Elemente zum Entfernen von Stickstoff aus einem Wasserstoffstrom sind. Andere Nicht-Reaktanden können auf ähnliche Weise separiert werden.
-
Mit der Gesamtkombination und dem Verfahren zum Separieren von Stickstoff ist der durch die Leitung 42 rückgeführte Brennstoff näher am reinen Zustand, was die Gefahr einer lokalen Korrosion innerhalb der Brennstoffzelle 22 aufgrund von Brennstoffverdünnung reduziert. Auf diese Weise kann das Fahrzeug 20 über längere Zeit und effizienter betrieben werden. Ferner werden mögliche Schäden an der Brennstoffzellenmembran vermieden, was die Lebensdauer des Zellenstapels erhöht.
-
In einigen Ausführungsformen ist die Brennstoffzelle 22 zur Benutzung mit Luft oder verdünntem Sauerstoff anstelle von reinem oder konzentriertem Sauerstoff ausgelegt, doch der Tank 26 kann reinen oder konzentrierten Sauerstoff enthalten. 3 zeigt ein solches Beispiel 200. Einer oder mehrere Kanäle 136, eine Rückführleitung 138 und möglicherweise andere Volumina, die in Fluidverbindung mit der Kathode 134 stehen (etwa Durchlass 199) können zunächst mit Luft oder einem Inertgas wie Stickstoff gefüllt sein. Wenn Sauerstoff aus dem Tank 126 in die Kanäle 136 gelangt, vermischt es sich mit der Luft oder dem Inertgas, bevor es an der Kathode 134 verbraucht wird. Stickstoff oder andere Inertgase und nicht verbrauchter Sauerstoff im Kathodenabgas werden zur Verdünnung von eintretendem Sauerstoff von 126 durch die Leitung 138 zurückgeleitet. Diese Strategie reduziert das Speichervolumen von dem großen Volumen, das für Luft benötigt wird, auf das kleinere für Sauerstoff benötigte Volumen. Es ermöglicht außerdem eine Rückführung des Kathodenabgases anstelle einer Speicherung, aber verursacht keine Leistungsreduzierung unterhalb der Anforderungen an Luftkathoden.
-
In einem Verfahren wird Brennstoff über eine Anode einer Brennstoffzelle geleitet. Sauerstoff wird in einem Behälter für sauerstoffhaltiges Gas 126 gespeichert, der eine höhere Sauerstoffkonzentration aufweist als Luft. Das sauerstoffhaltige Gas wird Ober eine Kathode 136 der Brennstoffzelle geleitet. Zunächst ist in einem Volumen, das in Fluidverbindung mit der Kathode steht, Luft oder anderes Inertgas vorhanden, derart, dass sich die Luft oder das andere Inertgas mit dem sauerstoffhaltigen Gas vermischt, während das sauerstoffhaltige Gas über die Kathode strömt.
-
Obwohl eine Ausführungsform dieser Erfindung offenbart wurde, wird ein Durchschnittsarbeiter auf dem Gebiet erkennen, dass bestimmte Modifikationen in den Umfang dieser Offenbarung fallen. Aus diesem Grund sollten zur Bestimmung des tatsächlichen Umfangs und Inhalts dieser Offenbarung die folgenden Ansprüche herangezogen werden.
