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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befeuchtung wenigstens eines
zu einem Brennstoffzellensystem strömenden Gasstroms, nach der
im Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art.
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Prinzipiell
kennt der Stand der Technik zwei verschiedene Arten von PEM-Brennstoffzellensystemen
(PEM = Polymer-Elektrolyt-Membran).
Man unterscheidet dabei zwischen Brennstoffzellensystemen mit einer
Gaserzeugungseinrichtung und solchen, welche unmittelbar mit Wasserstoff
betrieben werden. Bei Brennstoffzellensystemen mit Gaserzeugungseinrichtung
wird in der Gaserzeugungseinrichtung ein wasserstoffhaltiges Gas
zum Betreiben der Brennstoffzelle erzeugt. Im allgemeinen wird dazu
eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung, beispielsweise Alkohol,
Benzin oder Diesel, zusammen mit Wasser und gegebenenfalls Luft
in ein wasserstoffreiches Gas und Kohlendioxid umgewandelt.
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Bei
beiden oben beschriebenen Brennstoffzellensystemen muß die dem
Kathodenbereich der PEM-Brennstoffzelle zugeführte Luft, oder ein anderes
sauerstoffhaltiges Medium, entsprechend befeuchtet werden, um die
PEM vor der Austrocknung zu bewahren. Zusätzlich muß bei Brennstoffzellensystemen
mit einer Gaserzeugungseinrichtung die Wasserbilanz des Brennstoffzellensystems
nach Möglichkeit
in sich geschlossen sein, um einerseits die Befeuchtung der PEM
sicherzustellen und andererseits ohne andauerndes Nachtanken genügend Wasser
für den
Betrieb der Gaserzeugungseinrichtung bereitzustellen. Das Wasser
dient, insbesondere in flüssiger
Form gespeichert, dann für
eine Heissdampfreformierung oder autothermen Reformierung der zur
Wasserstoffgewinnung eingesetzten kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung
in der Gaserzeugungseinrichtung.
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In
der PEM-Brennstoffzelle selbst wird ein Anodenraum, welchem der
Wasserstoff oder das wasserstoffhaltige Gas zugeführt wird,
durch die PEM, welche üblicherweise
im Rahmen einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA – Membrane Elektrode Assembly)
verbaut wird, von dem Kathodenraum getrennt, welchem ein sauerstoffhaltiges
Medium, insbesondere Luft, zugeführt
wird. In der Brennstoffzelle wird bei den derzeit üblichen
Aufbauten gleichzeitig Wasser von der Anodenseite auf die Kathodenseite der
PEM transportiert. Ebenso entsteht bei der Umsetzung von Wasserstoff
und Sauerstoff das Produktwasser. Dieses Produktwasser wird üblicherweise durch
einen Abgasstrom aus dem Kathodenraum abgeführt.
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Die
US 6,007,931 sowie die
US 6,048,383 beschreiben
nun entsprechende Verfahren, bei denen der feuchte Abgasstrom aus
dem Kathodenraum durch eine Befeuchtereinrichtung geführt wird,
welche über
eine für
Wasserdampf durchlässige
Membran verfügt.
Der in dem Abgasstrom enthaltene Wasserdampf kann so durch die Membran
hindurchtreten und einen in der Befeuchtereinrichtung auf der anderen
Seite der Membran strömenden
Gasstrom befeuchten. Dieser Gasstrom kann dabei insbesondere die
im Kathodenraum zugeführte
Luft sein.
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Bei
diesem Verfahren stellt sich nun in dem dem Kathodenraum zuströmenden,
zu befeuchtenden Gasstrom ein Taupunkt ein, welcher im wesentlichen
von der Temperatur des Kathodenabgases, der Übertragungsleistung der Membran
und dem Lastpunkt des Brennstoffzellensystems abhängt. Dabei kann
es bei höherer Übertragungsleistung
jedoch dazu kommen, dass sich in dem zu befeuchtenden, dem Kathodenraum
zugeführten
Gasstrom derart hohe Taupunkte einstellen, dass ein zuverlässiger Betrieb
der Brennstoffzelle nicht mehr gewährleistet ist. Anstatt einer
sinnvollen Befeuchtung kommt es praktisch zu einer „Über flutung" der PEM bzw. der
in ihrem Bereich angeordneten Elektronen/Katalysatoren und/oder
des Kathodenraums, die elektrische Leistung der Brennstoffzelle
fällt damit
ab.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache
und kompakt auszuführende
Vorrichtung und ein Verfahren zum Befeuchten wenigstens eines zu
einem Brennstoffzellensystem strömenden
Gasstroms, zu schaffen, bei dem die Möglichkeit besteht, den Taupunkt
in dem wenigstens einen zu befeuchtenden Gasstrom zu variieren und
insbesondere auf einem jeweils vorgegebenen Wert einzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im Kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.
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Ein
Verfahren zur Lösung
der oben genannten Aufgabe in Kombination mit der Vorrichtung gemäß Anspruch
1 ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 14.
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Besonders
günstige
Verwendungen für
die oben genannte erfindungsgemäße Vorrichtung
und gegebenenfalls das oben genannte erfindungsgemäße Verfahren
ergeben sich aus den Ansprüchen
15 oder 16.
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Durch
die wenigstens eine Bypassleitung lässt sich in besonders einfacher
und effektiver Weise der Volumenstrom auf zumindest einer Seite
der für
Wasserdampf durchlässigen
Membran beeinflussen.
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So
kann der Volumenstrom, welcher befeuchtet werden soll und den Wasserdampf
aufnimmt, variiert werden. Dieser kann dann z.B. mit dem durch die
Bypassleitung gelangenden Teil vermischt werden, wodurch sich in
dem Gemisch der gewünschte
Taupunkt einstellen lässt.
Eine Variation des Taupunkts wird so durch eine einfache Einrichtung,
beispielsweise mittels Proportionalventilen oder dergleichen möglich.
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Alternativ
dazu kann auch ein Teil des feuchten Gases durch eine Bypassleitung
um die Membran herumgeführt
werden. Dadurch lässt
sich über eine
ebenfalls sehr einfache Beeinflussung der Volumenströme, z.B.
durch eine Ventileinrichtung, die Menge an angebotenem Wasserdampf
verändern, wodurch
sich auch die Befeuchtung des zu befeuchtenden Gasstroms variieren
lässt.
Auch so lässt
sich mit sehr einfachen Mitteln der Taupunkt in dem zu befeuchtenden
und später
z.B. einer Brennstoffzelle zugeleiteten Gasstrom beeinflussen.
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Gemäß einer
besonders günstigen
Weiterbildung der oben genannten Erfindung wird der feuchte Abgasstrom
nach dem Durchströmen
der Befeuchtereinrichtung und/oder der Bypassleitung in eine weitere
vergleichbar aufgebaute Befeuchtereinrichtung zur Befeuchtung eines
weiteren Gasstroms geführt. In
diesem Aufbau wird sichergestellt, dass die gesamte in dem Abgasstrom
vorliegende Feuchte bzw. der Wasserdampf zurückgewonnen und dem System zur
Verfügung
gestellt wird. Dies wirkt sich beispielsweise bei einem Brennstoffzellensystem
besonders positiv auf dessen Wasserbilanz aus, so dass hier auf ein
Nachtanken von Wasser zum Betreiben des Brennstoffzellensystems
verzichtet werden kann.
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Gemäß einer
weiteren sehr günstigen
Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine Bypassleitung
in die Befeuchtereinrichtung selbst integriert.
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Dadurch
entsteht ein sehr kompakter und platzsparender Aufbau, welcher insbesondere
bei der Verwendung der Erfindung in einem Brennstoffzellensystem
in einem Kraftfahrzeug, Boot oder dergleichen von besonderem Vorteil
ist.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch zum Trocknen eines Gasstroms nutzen.
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Dafür ist lediglich
eine Umkehrung von „Nutzgasstrom" und „Abgas(Stripgas)-strom
notwendig. So kann ein feuchter Gasstrom über einen zuerst trockenen
und nach der Befeuchtereinrichtung dann feuchten Stripgasstrom in
einem genau einstellbaren Verhältnis
entfeuchtet werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen Unteransprüchen
und werden anhand des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Brennstoffzellensystem in einer erfindungsgemäßen Ausführung;
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2 ein
möglicher
Aufbau einer Befeuchtereinrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung;
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3 ein
Aufbau der Befeuchtereinrichtung gemäß 2 mit einer
Einrichtung zur Variation des Volumenstroms durch eine Bypassleitung;
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4 ein
weiterer möglicher
Aufbau einer Einrichtung zur Variation des Volumenstroms durch die
Bypassleitung;
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5 ein
weiterer alternativer Aufbau einer Einrichtung zur Variation des
Volumenstroms durch die Bypassleitung;
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6 ein
weiterer möglicher
Aufbau einer Befeuchtereinrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung;
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7 eine
alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
und
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8 eine
weitere alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand einer Vorrichtung zum Befeuchten eines
Gasstroms für
ein Brennstoffzellensystem eingehend beschrieben, sie soll damit
jedoch nicht auf diesen konkreten Anwendungsfall eingeschränkt sein.
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In 1 ist
ein Brennstoffzellensystem 1 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 weist
wenigstens eine Brennstoffzelle 2 auf, welche als einzelne
Zelle oder insbesondere als ein aus mehreren Einzelzellen bestehender
Brennstoffzellenstack aufgebaut sein kann. Die Brennstoffzelle 2 weist
eine Protonen leitende Membran 3, insbesondere eine PEM, auf,
welche einen Anodenraum 4 von einem Kathodenraum 5 der
Brennstoffzelle 2 trennt. In der Brennstoffzelle 2 wird
nun aus einem wasserstoffhaltigen Medium, welches dem Anodenraum 4 zugeführt wird und
einem sauerstoffhaltigen Medium, welches dem Kathodenraum 5 zugeführt wird,
elektrische Leistung in an sich bekannter Weise erzeugt. Für die hier
dargestellten Vorrichtungen zur Befeuchtung spielt dabei weder diese
elektrische Leistung noch die Art und Weise, auf welche das wasserstoffhaltige
Medium erzeugt und/oder zugeführt
wird, eine Rolle.
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Beispielhaft
ist bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 eine
optionale Gaserzeugungseinrichtung 6 angedeutet, in welcher
aus einer Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Verbindung zusammen
mit Wasser und gegebenenfalls einem sauerstoffhaltigen Medium ein
wasserstoffreiches Gas erzeugt wird. Die Funktionsweise der Erfindung
ist prinzipiell jedoch auch bei anderen Brennstoffzellensystemen 1,
beispielsweise bei solchen, welche in einem Tank gespeichertes Wasserstoffgas zugeführt bekommen,
möglich.
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Im
hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 wird das von
der Brennstoffzelle 2 erzeugte Produktwasser, üblicherweise im
Bereich des Kathodenraums 5, anfallen. Dieses Produktwasser
wird dann zusammen mit einem Abgasstrom aus dem Kathodenraum 5 abgeführt. Gleichzeitig
benötigt
der Kathodenraum 5 bei der Zufuhr des sauerstoffhaltigen Mediums,
insbesondere Luft, jedoch auch einen definierten Feuchtegehalt bzw.
Taupunkt, um eine Austrocknung der beispielsweise als Polymerelektrolytmembran
aufgebauten Membran 3 zu verhindern.
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Der
Abgasstrom aus dem Kathodenraum 5 wird daher in eine Befeuchtereinrichtung 7 geleitet.
In dieser Befeuchtereinrichtung 7 befindet sich wenigstens
eine Membran 8, welche für das Abgas an sich undurchlässig und
dem in dem Abgas enthaltenen Wasserdampf durchlässig ist. Derartige Membranen 8 sind
aus dem Stand der Technik bekannt und können aus verschiedenen Polymerwerkstoffen,
Hohlfasermembranen oder dergleichen, bestehen. Auf der anderen Seite
der Membran 8 strömt
ein zu befeuchtender Gasstrom, welcher den durch die Membran 8 gelangenden
Wasserdampf aufnimmt und im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
dann dem Kathodenraum 5 als befeuchtete Zuluft zugeführt wird.
Zur Förderung
dieses Gasstromes befindet sich vor der Befeuchtereinrichtung 7 eine
entsprechende Fördereinrichtung 9,
z.B. ein Kompressor. Der Abgasstrom wird, bevor er aus dem Bereich
des Kathodenraums 5 in die Befeuchtereinrichtung 7 gelangt,
mittels eines Wärmetauschers 10 abgekühlt, so
dass ein Teil des Produktwassers auskondensieren kann. Dieser auskondensierte
und ein weiterer, von dem Abgasstrom flüssig mitgerissener Teil des
Produktwassers der Brennstoffzelle wird zwischen dem Wärmetauscher 10 und
der Befeuchtereinrichtung 7 in einem Flüssigkeitsabscheider 11 flüssig abgeschieden.
Dieses flüssig
abgeschiedene Wasser kann dann für
andere Zwecke verwendet werden, worauf in den nachfolgend noch dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher eingegangen
wird.
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In
einem derartigen Brennstoffzellensystem 1 wird somit auf
einfache und effektive Weise dafür gesorgt,
dass zumindest der wenigstens annähernd größte Teil des in dem Abgasstrom befindlichen
Wassers zurückgewonnen
wird. Insbesondere wird ein Teil des in dem Abgasstrom befindlichen
Wasserdampfs zur notwendigen Befeuchtung eines Gasstroms, insbesondere
der Zuluft zu dem Kathodenraum 5 genutzt. Nachteilig ist
es nun, dass die Übertragung
des Wasserdampfes und damit die Befeuchtung des zu befeuchtenden
Gasstroms durch die Größe der Membran 8 fest
vorgegeben ist. Um hier jedoch eine wünschenswerte Einstellung des
Taupunkts in dem befeuchteten Gasstrom realisieren zu können, was
bei bestimmten Lastzuständen
notwendig ist, um einen zu hohen Wassergehalt um Bereich des Kathodenraums 5 zu
verhindern, da dies der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2 abträglich wäre.
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Zur
Beeinflussung des Taupunkts des zu befeuchtenden Gasstroms sieht
das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 nun wenigstens
eine von zwei, hier gestrichelt dargestellten, Bypassleitungen 12, 13,
vor. Prinzipiell ist dabei jede der beiden Bypassleitungen 12, 13 alleine
in der Lage eine Einstellung des Taupunkts in dem zu befeuchtenden
Gasstrom mit einfachsten Mitteln zu realisieren. Neben jeder einzelnen
der Bypassleitungen 12, 13 kann darüber hinaus
eine Kombination, also das Vorhandensein von beiden Bypassleitungen 12 und 13 in dem
Brennstoffzellensystem 1, vorgesehen sein. Nachfolgend
wird die Funktionsweise der Bypassleitungen im einzelnen erläutert.
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Die
Bypassleitung 12, welche über eine hier nicht dargestellte
Einrichtung zur Variation des in Ihr strömenden Volumenstroms verfügt, durch
welche der Anteil des Volumenstroms des Abgases, welcher durch die
Bypassleitung 12 strömt,
einstellbar ist, funktioniert dabei folgendermaßen. Ein Teil des den Wasserdampf
transportierenden Abgasstroms gelangt in die Bypassleitung 12,
während
nur der verbleibende Teil in die Befeuchtereinrichtung 7 gelangt. Damit
lässt sich
mit einfachsten Mitteln das Angebot an Wasserdampf in der Befeuchtereinrichtung 7 variieren,
so dass der zu befeuchtende Gasstrom nur den zur Verfügung stehenden
Wasserdampf aufnehmen kann und somit der Taupunkt in dem zu befeuchtenden
Gasstrom durch das Angebot an Wasserdampf eingestellt werden kann.
Diese Variante hat dabei den Nachteil, dass ein Teil des feuchten
Abgases bei dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1 ungenutzt
aus dem Brennstoffzellensystem 1 entweicht und damit auch
Wasser ungenutzt an die Umgebung gelangt. Dies kann jedoch durch
einen Aufbau, wie er in 8 nachfolgend beschrieben ist, vermieden
werden.
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Die
alternative oder gegebenenfalls auch zusätzlich verwendbare Variante
mit der Bypassleitung 13 sieht vor, dass nur ein Teil des
zu befeuchtenden Gasstroms durch die Befeuchtereinrichtung 7 strömt. Dieser
kann dann nach der Befeuchtereinrichtung 7 wieder mit dem
durch die Bypassleitung 13 strömenden und damit trocken bleibenden
Gasstrom vermischt werden. Durch eine entsprechende Einstellung
des Volumenverhältnisses
durch die Bypassleitung 13 einerseits und die Befeuchtereinrichtung 7 andererseits
kann der Taupunkt in dem Gasstrom, welcher in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel
dann in den Kathodenraum 5 eintritt, variiert bzw. eingestellt
werden.
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In 2 ist
nun eine konkrete Ausführungsform
der Befeuchtereinrichtung 7 im Querschnitt dargestellt.
Auf die Darstellung einer Einrichtung zur Variation der Volumenströme durch
den Bereich der Membran 8 einerseits und den Bereich der
Bypassleitung 12, 13 andererseits ist hier noch
verzichtet worden. Eine derartige Einrichtung ist jedoch vorhanden.
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Die
Bypassleitung 12, 13 (es spielt für die Funktionsweise
keine Rolle, welche der Bypassleitungen in der hier dargestellten
Art ausgebildet ist) ist in die Befeuchtereinrichtung 7 integriert.
Besonders günstig
ist dies, wenn die Membran 8 als Bündel von Hohlfasern ausgebildet
ist, da dann die Bypassleitung 12, 13 einfach
als Rohrleitung in das Bündel
integriert werden kann. Es sind jedoch auch alle anderen Varianten
von Membranen 8 denkbar. Auch die geometrische Form der
Befeuchtereinrichtung 7 und/oder der Bypassleitung 12, 13 kann
annähernd beliebig
variiert werden.
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Der
eine der Gasströme
strömt
dann vom Eintrittsbereich 14 der Befeuchtereinrichtung 7 zum Austrittsbereich 15 derselben.
Der andere strömt durch
weitere Leitungselemente 16, welche hier nur prinzipmäßig angedeutet
sind, in den Bereich der Membranen 8. Setzt man nun einen
höheren
Strömungsdruckverlust
für den
von dem Eintrittsbereich 14 zu dem Austrittsbereich 15 strömenden Gasstrom im
Bereich der Membran 8 als im Bereich der Bypassleitung 12, 13 voraus,
so wird der Gasstrom überwiegend
durch den Bereich der Bypassleitung 12, 13 strömen. Aufgrund
der großen
Oberflächen der
Membranen 8 ist dies im allgemeinen immer gegeben.
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Um
nun eine Steuerung/Regelung der Volumenströme zu erreichen, wird der Querschnitt
der Bypassleitung 12, 13 durch eine Einrichtung
zur Variation des Volumenstroms verändert. In 3 ist
diese Einrichtung als Ventilstößel 17 dargestellt.
Durch eine Bewegung in axialer Richtung kann der verbleibende Einström- oder
Ausströmquerschnitt
(Die Strömungsrichtung
spielt für
die Funktionsweise keine Rolle) in oder aus der Bypassleitung 12, 13 zwischen „Geschlossen" und „Offen" stufenlos variiert
werden. Der dann nicht mehr durch die Bypassleitung 12, 13 strömende restliche
Teil des Volumenstroms durchströmt
dann den Bereich der Membranen 8 und wird dort befeuchtet
oder gibt den in ihm enthaltenen Wasserdampf ab.
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In 4 ist
eine weitere Einrichtung in einer alternativen Ausführungsform
dargestellt. Diese ist für
eine runde bzw. rohrförmige
Ausführung
der Befeuchtereinrichtung 7 geeignet. Die beiden dargestellten
Scheiben 18 mit ihren Öffnungen 19 werden im
Eintritts- oder Austrittsbereich 14, 15 konzentrisch in
Strömungsrichtung
unmittelbar nacheinander angeordnet. Werden Sie nun gegeneinander
verdreht, so geben durch die sich unterschiedlich stark überlappenden Öffnungen 19 unterschiedliche
Bereiche der Membranen 8 und/oder der Bypassleitung 12, 13 zur
Durchströmung
frei.
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In 5 ist
eine weitere Möglichkeit
einer Einrichtung dargestellt, bei der die Variation des durchströmbaren Querschnitts über eine
auf der Scheibe 18 exzentrisch befestige Blendenscheibe 20 erfolgt,
welche in den Bereich des Durchströmbaren Querschnitts gebracht
werden kann. Zur Variation des durchströmbaren Querschnitts im Bereich
der Membranen 8, kann hier wieder eine zweite Scheibe im
Sinne der 4 Verwendung finden.
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Neben
diesen hier dargestellten Einrichtungen zur Variation des durchströmbaren Querschnitts können auch
alle weiteren Varianten, Kombinationen aus denkbaren und geeigneten
Einrichtung eingesetzt werden, insbesondere Blenden und dergleichen,
welche axial und/oder in ihren Durchmesser variiert werden können. Der
besondere Vorteil der Kompakten Bauweise erschließt sich
dabei mit allen Ausführungsformen,
welche so ausgebildet sind, dass eine Integration in den Eintritts- oder Austrittsbereich
möglich
wird.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Befeuchtereinrichtung 7 dargestellt. Abweichend von dem
in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Bypassleitung 12, 13 hier
exzentrisch angeordnet. Wird die Bypassleitung 12, 13 nun
gegenüber dem
Rest der Befeuchtereinrichtung 7 in Richtung der Schwerkraft
nach unten angeordnet, so kann sich im Bereich der Befeuchtereinrichtung
ggf. sammelndes auskondensierendes Wasser durch die Bypassleitung 12, 13 ideal
angeführt
werden. Das Wasser kann dann durch die Bypassleitung 12, 13 selbst
oder durch eine optionale Abflussöffnung 21 abgeführt und
dem System wieder zur Verfügung
gestellt werden, analog zu dem im Flüssigkeitsabscheider 11 anfallenden
Wasser.
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7 zeigt
eine alternative Variante des Brennstoffzellensystems 1,
wobei hier vergleichbare Bauteile mit den analogen Bezugszeichen
wie in 1 versehen sind. Die Gaserzeugungseinrichtung 6 ist
in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des
Brennstoffzellensystems 1 dabei eine notwendige Einrichtung
und nicht, wie bei dem oben gezeigten Ausführungsbeispiel, als Option
zu sehen. Bei dem Brennstoffzellensystem 1 in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 7 ist
dabei ausschließlich
die Bypassleitung 13 zur Einstellung des Taupunkts in dem zu
befeuchtenden Gasstrom vorhanden, wobei diese nach dem oben bereits
beschriebenen Prinzip arbeitet. Außerdem wird das in dem Flüssigkeitsabscheider 11 in
flüssiger
Form abgeschiedene Wasser über eine
Leitung 21 wieder der Gaserzeugungseinrichtung 6 zugeführt.
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In
der Gaserzeugungseinrichtung 6 wird dieses Wasser zusammen
mit einer kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung, beispielsweise Benzin,
Diesel, Alkohol oder dergleichen, in an sich bekannter Weise zu
einem wasserstoffreichen Gas zum Betreiben der Brennstoffzelle 2 umgesetzt.
Zusätzlich
zu dem Wasser, welches über
die Leitung 22 der Gaserzeugungseinrichtung 6 zugeführt wird,
und der kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung, deren Zuführung hier
nicht dargestellt ist, wird der Gaserzeugungseinrichtung 6 ein
sauerstoffhaltiges Medium zugeführt,
welches über
eine Fördereinrichtung 23 durch
eine weitere Befeuchtereinrichtung 24 zu der Gaserzeugungseinrichtung 6 gefördert wird.
Auch diese weitere Befeuchtereinrichtung 23 ist im Prinzip
analog zu der Befeuchtereinrichtung 7 aufgebaut. Auch sie
weist vergleichbare Membranen 8 auf, welche lediglich für Wasserdampf
durchlässig
sind. Die Feuchtigkeit zur Befeuchtung der Zuluft zu der Gaserzeugungseinrichtung 6 stammt
dabei ebenfalls von dem Abgasstrom, welcher nach der Befeuchtereinrichtung 7 noch
eine gewisse Restfeuchte enthält,
welche er in der weiteren Befeuchtereinrichtung 24 an die
Zuluft zu dem Gaserzeugungssystem 6 abgibt. In diesem Aufbau
kann bei durch die Bypassleitung 13 weiterhin gegebener
Möglichkeit
der Einstellung des Taupunkts in der Zuluft zu dem Kathodenraum 5 die
ideale Ausnutzung der in dem Abgasstrom enthaltenen Feuchte sichergestellt
werden. Eine Variation des Taupunkts ist bei der Zuluft zu der Gaserzeugungseinrichtung 6 dabei
nicht notwendig, da hier durch die geregelte Zufuhr von flüssigem Wasser
der für
die ideale Umsetzung der Ausgangsstoffe benötigte Wasseranteil ohnehin
nachträglich
eingestellt wird und der Anteil an Wasserdampf in der befeuchteten Zuluft
nur einen vergleichsweise geringen Teil des benötigten Wassers bereitstellt.
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In 8 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt,
wobei auch hier die Bezugszeichen von vergleichbar funktionierenden
Bauelementen analog zu den vorhergehenden Figuren gewählt wurden.
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Das
in 8 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 weist
zum Einstellen des Taupunkts in dem dem Kathodenraum 5 zugeführten Zuluftstrom
die oben bereits beschriebene Variante unter Verwendung der Bypassleitung 12 auf.
Wie oben bereits erwähnt,
hat diese Variante den prinzipiellen Nachteil, dass ein Teil des
feuchten Abgases um die Befeuchtereinrichtung 7 strömt und die
in ihm enthaltene Feuchte damit prinzipiell verloren geht. Bei dem
Ausführungsbeispiel
gemäß 8 ist
dieser Nachteil nun so vermieden, dass der Anteil des Abgasstroms, welcher
durch die Bypassleitung 12 strömt, nicht unmittelbar mit dem
Abgasstrom nach der Befeuchtereinrichtung 7 vermischt wird,
sondern dass dazwischen die weitere Befeuchtereinrichtung 24 angeordnet
ist. Die in dem Abgasstrom, welcher durch die Bypassleitung 12 strömt, enthaltene
Feuchte kann somit in der weiteren Befeuchtereinrichtung 24,
analog zu 7, in die Zuluft für die Gaserzeugungseinrichtung 6 übertragen
werden. Analog zu 7 ist auch hier wieder eine
Fördereinrichtung 23 dargestellt, welche
für die
Förderung
der Zuluft zu der Gaserzeugungseinrichtung 6 benötigt wird.
Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß 8 weist
nun eine weitere optionale Fördereinrichtung 25 auf.
Diese ist notwendig bzw. kann notwendig sein, wenn in der Gaserzeugungseinrich tung 6 ein
deutlich höherer
Druck vorliegt als im Bereich der weiteren Befeuchtereinrichtung 24.
In diesem Fall wäre
die Fördereinrichtung 23 als
Niederdruckverdichter und die Fördereinrichtung 25 dementsprechend
als Hochdruckverdichter ausgelegt, um den für die Gaserzeugungseinrichtung 6 gegebenenfalls
notwendigen Systemdruck sicherzustellen.
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Auch
bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
wird der annähernd
größte Teil
der Feuchte in dem Abgasstrom genutzt, um die entsprechenden zu
befeuchtenden Gasströme
zu befeuchten und oder das für
die Gaserzeugungseinrichtung 6 benötigte Wasser bereitzustellen.
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Neben
den hier diskret dargestellten Ausführungsbeispielen sind selbstverständlich auch
alle denkbaren und sinnvollen Kombinationen hieraus sowie die Verwendung
mit einer Gaserzeugungseinrichtung 6 oder mit in entsprechenden
Speichereinrichtungen gespeichertem Wasserstoff denkbar. Für sämtliche
Brennstoffzellensysteme 1 gilt dabei, dass mit dem in dem
Abgas vorhandenen Wasserdampf eine ideale Befeuchtung von zu befeuchtenden
Gasströmen,
und hier insbesondere von der Zuluft zu dem Kathodenraum 5,
gewährleistet
werden kann, wobei der Taupunkt in diesem Gasstrom frei eingestellt
werden kann. Die Ausführungsbeispiele
der 7 und 8 zeigen darüber hinaus Möglichkeiten,
auch die in dem Abgasstrom verbleibende Restfeuchte zurückzugewinnen,
z.B. zum Betreiben der Gaserzeugungseinrichtung 6, sofern
vorhanden.
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Aufgrund
der besonders kompakten und robusten Bauweise sind die Vorrichtung
zum Befeuchten besonders für
Brennstoffzellensysteme 1 in Fahrzeugen zu Lande, zu Wasser
und in der Luft geeignet, und hierbei sowohl für Brennstoffzellensysteme 1,
welche Energie zu Antriebszwecken bereitstellen, als insbesondere
auch für
als Hilfsenergieerzeuger (APU/Auxiliary Power Unit) genutzte Brennstoffzellensysteme 1.