DE10296852T5

DE10296852T5 - Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage

Info

Publication number: DE10296852T5
Application number: DE10296852T
Authority: DE
Inventors: Albert P. Vernon Grasso; David A. Avon Condit; Michael L. South Glastonbury Perry; Richard D. North Kingstown Breault
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2004-07-29
Also published as: US6562503B2; US20030039872A1; WO2003019709A1; JP2005501388A

Abstract

Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus reduzierendem Fluid- und Prozess-Oxidationsmittel-Reaktantenströmen, wobei die Anlage aufweist:
a. mindestens eine Brennstoffzelle (12');
b. mindestens eine Wassertransportplatte (50'), welche innerhalb der Brennstoffzelle (12') angeordnet ist und ein Wasserkühlmittel durch die Brennstoffzelle (12') leitet, einen Kühlmitteleinlass (202) und ein Kühlmittelauslass (204) in Fluidverbindung mit der Platte (50'), welche das Wasserkühlmittel in die und aus der Wassertransportplatte (50') leiten; und
c. ein Unterdruck-Wasserverdrängungssystem (206), aufweisend
i. eine frosttolerante Akkumulatoreinrichtung (78'), welche in Fluidverbindung mit dem Kühlmitteleinlass (202) verbunden ist zum Speichern des Wasserkühlmittels und eines nicht mit Wasser mischbaren Fluids;
ii. einen Vakuumseparator (210), welcher in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelauslass (204) angeordnet ist;
iii. eine Unterdruck erzeugende Eduktoreinrichtung (212), welche mit dem Vakuumseparator (210) verbunden ist, zum Erzeugen eines partiellen Vakuums innerhalb des Separators (210), des Kühlmittelauslasses (204), der Wassertransportplatte (50') und des Kühlmitteleinlasses (202), und welche...

Description

Querverweis auf eine verwandte Anmeldung
Das ist eine continuation-in-part einer anhängigen US-Anmeldung Nr. 09/935 254, welche am 22. August 2001 angemeldet wurde und den gleichen Titel hat.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen, welche geeignet sind zur Verwendung in Transportfahrzeugen, tragbaren Stromerzeugungsanlagen oder als stationäre Stromerzeugungsanlagen, und die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche ein mit Wasser nicht mischbares Fluid mit einem niedrigen Gefrierpunkt verwendet, um Wasser als Kühlmittel innerhalb von Brennstoffzellen und einer Kühlmittelschleife der Anlage zu verwenden.
Stand der Technik
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen sind allgemein bekannt und werden verbreitet verwendet, um elektrische Energie aus reduzierenden und oxidierenden Fluiden zu erzeugen, um elektrische Geräte, z.B. Geräte an Bord von Raumfahrzeugen, anzutreiben. In solchen Stromerzeugungsanlagen sind eine Mehrzahl von planaren Brennstoffzellen typischerweise in einem Stapel angeordnet, welcher von einer elektrisch isolierenden Rahmenstruktur umgeben ist, die Verzweigungssysteme zum Leiten des Stroms von reduzierendem, oxidierendem, kühlendem und Produkt-Fluid definiert. Jede individuelle Zelle um fasst im Allgemeinen eine Anoden-Elektrode und eine Kathodenelektrode, welche durch einen Elektrolyten getrennt sind. Eine Reaktanten- bzw. reduzierendes Fluid, z.B. Wasserstoff, wird zur Anodenelektrode geliefert, und ein Oxidationsmittel, z.B. Sauerstoff oder Luft, wird zur Kathodenelektrode geliefert. In einer Zelle, welche als Elektrolyten eine Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane – PEM) verwendet, reagiert der Wasserstoff elektrochemisch an einer Oberfläche der Anodenelektrode, um Wasserstoffionen und Elektronen zu erzeugen. Die Elektronen werden zu einem externen Lastkreislauf geleitet und dann zur Kathodenelektrode zurückgeleitet, während die Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zur Kathodenelektrode gelangen, wo sie mit dem Oxidationsmittel und Elektronen reagieren, um Wasser zu erzeugen und Wärmeenergie freizusetzen.
Obwohl PEM-Zellen wichtige Vorteile haben, ist es ebenfalls bekannt, dass sie beträchtliche Einschränkungen aufweisen, insbesondere in Bezug auf den Transport von flüssigem Wasser zu der, durch die und weg von der PEM. Die Verwendung von derartigen Brennstoffzellen zum Antrieb eines Transportfahrzeugs führt zu zusätzlichen mit dem Wassermanagement verbundenen Problemen, z.B. Vermeiden von mechanischen Schäden, wenn das Produkt Wasser und/oder jegliches Wasserkühlmittelfluid einfriert, und beispielsweise das rapide Schmelzen von sämtlichem gefrorenen Wasser während des Anfahrens, wenn das Brennstoffzellen-angetriebene Fahrzeug bei Frostbedingungen abgeschaltet wurde.
Dementsprechend besteht ein Bedürfnis für nach einer Brennstoffzelle, die unter Frostbedingungen abgeschaltet werden kann und keine mechanischen Schäden aufgrund des Einfrierens erleidet und die nicht erfordert, dass ein Frostschutz-Kühlmittelfluid von den Kathoden- und Anodenelektroden innerhalb eines dichten Kühlmittelsystems isoliert wird, so dass das durch die Brennstoffzelle erzeugte Produktwasser innerhalb der porösen Wassertransportplatten entfernt werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung ist eine frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Strömungen von reduzierendem Fluid- und Prozessoxidationsmittelreaktanten-Strömen; eine Kühlmittelschleife mit einer Kühlmittelpumpe, welche ein Wasserkühlmittel durch eine Kühlmittelpassage, eine Wassertransportplatten innerhalb der Brennstoffzelle, einen Kühlmittelwärmetauscher und zurück zur Brennstoffzelle leitet; und ein Wasserverdrängungssystem mit einem Offenrohr-Akkumulator, welcher ein mit Wasser nicht mischbares Fluid und Wasserkühlmittel enthält, und mit einer Pumpe für nicht mit Wasser vermischbarem Fluid, welche das nicht mit Wasser vermischbare Fluid von einem Auslass des Akkumulators durch eine Zuführleitung für nicht mit Wasser mischbares Fluid pumpt, um das Wasserkühlmittel innerhalb der Kühlmittelschleife zu verdrängen. Das Wasserverdrängungssystem weist ebenfalls eine Heizung auf, welche an der Zuführleitung für nicht mit Wasser vermischbarem Fluid angeordnet ist, um das durch die Zuführleitung strömende nicht mit Wasser vermischbare Fluid zu erwärmen, und eine Kühlmittelschleifen-Ablaufleitung, welche zwischen der Kühlmittelschleife und einem Akkumulatoreinlass angeordnet ist, um das Wasserkühlmittel und/oder das nicht mit Wasser mischbare Fluid aus der Kühlmittelschleife in den Akkumulator ablaufen zu lassen. Das System weist auch Verdrängungsventile auf, um selektiv das nicht mit Wasser vermischbare Fluid zu leiten, so dass es in den Akkumulator strömt, und um selektiv erwärmtes, nicht mit Wasser vermischbares Fluid von der Zuführleitung zurück in den Akkumulator zu leiten, um Wasserkühlmittel in dem Akkumulator zu erwärmen. Das Wasserverdrängungssystem kann auch eine Wiederverwertungsleitung für nicht mit Wasser mischbares Fluid aufweisen, welche stromabwärts von der Heizung zwischen der Zuführleitung und dem Einlass des Akkumulators angeordnet ist, um erwärmtes nicht mit Wasser mischbares Fluid zum Einlass des Akkumulators zu leiten.
Der Offenrohr-Akkumulator weist eine Mehrzahl von offenen Kunststoffrohren auf, welche als Wärmetauscher ausgelegt sind. Wasserkühlmittel in der flüssigen Phase umgibt die äußeren Flächen der offenen Kunststoffrohre, und nach Einfrieren des Wasserkühlmittels innerhalb des Akkumulators während eines längerfristigen Abschaltens der Stromerzeugungsanlage verformen sich die Kunststoffrohre, um eine Volumenzunahme des frierenden Wassers aufzunehmen und so mechanische Schäden am Akkumulator zu vermeiden. Nach dem Anfahren nach langfristigem Abschalten leitet die Wiederverwertungsleitung für nicht mit Wasser mischbarem Fluid nicht mit Wasser mischbares Fluid vom Auslass des Akkumulators und der Heizung zum Einlass des Akkumulators, so dass erwärmtes nicht mit Wasser mischbares Fluid durch die offenen Rohre strömt, um das Wasserkühlmittel aufzutauen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das nicht mit Wasser mischbare Fluid gewählt aus der Gruppe bestehend aus Perfluorkohlenstoffen, Hydrofluorethern, Alkanen, Alkenen und Alkinen. Beispielhafte nicht mit Wasser mischbare Fluide umfassen geradkettige Alkane, wie z.B. Octan, Nonan und Decan und Mischungen davon. Das nicht mit Wasser mischbare Fluid kann eine Dichte haben, welche größer oder kleiner als die Dichte des Wassers ist. Ein bevorzugter Dichteunterschied des nicht mit Wasser mischbaren Fluids, verglichen mit Wasser, ist plus oder minus 0,2 g/cm³.
Bei Gebrauch der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage während des normalen Betriebs verbleibt das nicht mit Wasser mischbare Fluid innerhalb des Offenrohr-Akkumulators getrennt von jeglichem Wasserkühlmittel innerhalb des Akkumulators, und Wasserkühlmittelzyklen durch die Brennstoffzelle und Kühlmittelwärmetauscher, um die Brennstoffzelle innerhalb eines optimalen Temperaturbereichs zu halten. Wenn die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage für ein kurzfristiges Abschalten abgeschaltet wird, wirken die Verdrängungsventile, um die Strömung von Wasserkühlmittel in den Akkumulator zu steuern, und die Pumpe für nicht mit Wasser mischbarem Fluid leitet nicht mit Wasser mischbares Fluid in die Kühlmittelschleife, um das Wasserkühlmittel zu verdrängen. Die Heizung kann zusammen mit der Pumpe für nicht mit Wasser mischbares Fluid verwendet werden, um erwärmtes nicht mit Wasser mischbares Fluid für die Brennstoffzelle bereitzustellen, um die Brennstoffzellentemperatur oberhalb eines minimalen Niveaus zu halten. Wenn eine gewünschte Temperatur erreicht ist, wird das nicht mit Wasser mischbare Fluid zurück in den Akkumulator geleitet. Um die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach einem solchen kurzfristigen Abschalten wieder zum Betrieb zu bringen, wird die Kühlmittelpumpe verwendet, um Wasserkühlmittel vom Akkumulator zurück in die Kühlmittelschleife zu leiten.
Für ein langfristiges Abschalten wird das gleiche Verfahren durch die Verdrängungsventile durchgeführt, um das Wasserkühlmittel in den Akkumulator zu leiten; um das nicht mit Wasser mischbare Fluid in die Kühlmittelschleife zu leiten, um das Wasserkühlmittel zu verdrängen; und um dann das nicht mit Wasser mischbare Fluid zurück in den Akkumulator ablaufen zu lassen. Erwärmen in regelmäßigen Abständen durch das nicht mit Wasser mischbare Fluid wird nicht durchgeführt, und es wird zugelassen, dass das Wasserkühlmittel in den Akkumulator und/oder innerhalb der Poren der Brennstoffzellenkomponenten einfriert. Um die Stromerzeugungsanlage nach langfristigem Abschalten anzufahren, leiten die Verdrängungsventile zunächst das nicht mit Wasser mischbare Fluid vom Akkumulatorauslass durch die Heizung und die Wiederverwertungsleitung in den Akkumulatoreinlass und durch die offenen Röhren des Akkumulators, um das gefrorene Wasserkühlmittel zu schmelzen. Anschließend leiten die Verdrängungsventile das erwärmte nicht mit Wasser vermischbare Fluid durch die Kühlmittelschleife, um jegliches Eis innerhalb der Wassertransportplatte und jeglicher anderer Brennstoffzellenkomponenten zu schmelzen. Anschließend wird das nicht mit Wasser mischbare Fluid zurück in den Akkumulator geleitet, während das Wasserkühlmittel in die Kühlmittelschleife geleitet wird, so dass die Brennstoffzelle beginnen kann, elektrischen Strom zu erzeugen.
Die Kühlmittelschleife kann auch einen Gasseparator umfassen, um jegliches Reaktantengas aus der Kühlmittelschleife zu leiten, und der Gasseparator kann eine Überlaufleitung aufweisen, um Überschuss-Produktwasser in den Akkumulator zu leiten, wenn die Stromerzeugungsanlage mehr Wasser erzeugt, als sie verwendet, welches als positive Wasserbilanz bezeichnet wird. Falls die Stromerzeugungsanlage unter negativer Wasserbilanz arbeitet, kann Wasser aus dem Akkumulator geleitet werden, um Wasserkühlmittel in der Kühlmittelschleife zu ergänzen.
Eine alternative Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage verwendet nur eine Pumpe und weist einen Unterdruck erzeugenden Eduktor auf, um ein partielles Vakuum an die Wassertransportplatte anzulegen. Die alternative Ausführungsform weist eine ähnliche Brennstoffzelle und Wassertransportplatte mit Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass auf, welche Wasserkühlmittel durch die Wassertransportplatte hindurch leitet. Die alternative Ausführungsform weist ebenfalls ein Absaug-Wasserverdrängungssystem auf, wobei der frosttolerante Akkumulator am Kühlmitteleinlass angeordnet ist und sowohl das Wasserkühlmittel als auch das nicht mit Wasser mischbare Fluid speichert. Ein Vakuumseparator ist am Kühlmittelauslass angeordnet, und der Unterdruck erzeugende Eduktor ist am Vakuumseparator angeordnet, so dass er ein teilweises Vakuum an dem Separator, Kühlmittelauslass, Wassertransportplatte und Kühlmitteleinlass anlegt. Eine Kühlmittelpumpe ist in Fluidverbindung zwischen einem Separatorauslass und dem Eduktor angeordnet, so dass Fluid, welches durch die Kühlmittelpumpe durch den Eduktor gepumpt wird, das partielle Vakuum innerhalb des Separators und der Wassertransportplatte erzeugt. Eine Akkumulator-Zuführleitung ist in Fluidverbindung zwischen dem Eduktor und dem frosttoleranten Akkumulator angeordnet, und eine Ablaufleitung für nicht mit Wasser mischbarem Fluid ist zwischen einem Auslass für nicht mit Wasser mischbares Fluid des frosttoleranten Akkumulators und dem Separatorauslass angeordnet. Eine Heizung kann zwischen dem Auslass bzw. der Auslassleitung für nicht mit Wasser mischbares Fluid angeordnet sein. Ein Pumpensteuerventil ist in Fluidverbindung zwischen dem Separatorauslass, der Auslassleitung für nicht mit Wasser mischbares Fluid und der Kühlmittelpumpe angeordnet, um selektiv ein Fluid von entweder dem Separator oder dem Akkumulator zu leiten, dass es in die Kühlmittelpumpe strömt. Ein Kühlmitteleinlass-Steuerventil ist in Fluidverbindung zwischen dem Auslass für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators, einem Wasserkühlmittelauslass des Akkumulators und dem Kühlmitteleinlass angeordnet, um selektiv entweder das nicht mit Wasser mischbare Fluid oder das Wasserkühlmittel zu leiten, damit es vom Akkumulator zum Kühlmitteleinlass strömt.
Bei der Verwendung der alternativen Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage funktioniert der Offenrohr-Akkumulator in ähnlicher Weise wie oben beschrieben. Beim Anfahren der Anlage nach langfristigem Abschalten, wobei das Wasserkühlmittel im Akkumulator gefroren ist, wird die Heizung aktiviert; das Pumpensteuerungsventil wird gesteuert, um zu ermöglichen, dass nicht mit Wasser mischbares Fluid, welches von dem Akkumulator durch die Auslassleitung für nicht mit Wasser mischbares Fluid geleitet wird, in die Kühlmittelpumpe strömt. Die Kühlmittelpumpe pumpt anschließend das erwärmte nicht mit Wasser mischbare Fluid durch den Eduktor, wodurch ein partielles Vakuum im Separator, Kühlmittelauslass, der Wassertransportplatte und dem Kühlmitteleinlass erzeugt wird. Die Zuführleitung des Akkumulators leitet dann das erwärmte nicht mit Wasser mischbare Fluid zurück zu einem Einlass des frosttoleranten Akkumulators, so dass das erwärmte Fluid beginnt, das gefrorene gespeicherte Wasserkühlmittel im Akkumulator aufzutauen. Das Kühlmitteleinlassventil wird gesteuert, um zu ermöglichen, dass erwärmtes nicht mit Wasser mischbares Fluid in den Kühlmitteleinlass strömt, wobei das partielle Vakuum das erwärmte nicht mit Wasser mischbare Fluid in und durch die Wassertransportplatte zieht, um ein Erwärmen der Wassertransportplatte und der Brennstoffzelle zu beginnen. Wenn die Wassertransportplatte und der Separator voll sind, hört das Pumpensteuerungsventil auf, erwärmtes nicht mit Wasser mischbares Fluid von dem Akkumulator in die Kühlmittelpumpe zu leiten, und leitet stattdessen das nicht mit Wasser mischbare Fluid, welches im Separator angesammelt ist, durch die Kühlmittelpumpe, von welcher aus es weiter durch den Akkumulator, die Heizung, das Kühlmitteleinlass-Steuerungsventil, den Kühlmitteleinlass, die Wassertransportplatte, den Kühlmittelauslass und den Separator im Kreislauf hindurch strömt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein eingeschränkter Brennstoffzellenbetrieb durchgeführt werden, vorausgesetzt, dass die Reaktantenströme durch die Brennstoffzelle strömen können.
Sobald die Brennstoffzelle die erwünschte Betriebstemperatur erreicht hat und das Wasserkühlmittel innerhalb des frosttoleranten Akkumulators aufgetaut ist, wird das Kühlmitteleinlassventil gesteuert, um die Strömung von nicht mit Wasser mischbarem Fluid aus dem Akkumulator zu beenden und stattdessen die Strömung des aufgetauten Wasserkühlmittel durch das Ventil und in den Kühlmitteleinlass zu ermöglichen. Die Heizung kann dann abgeschaltet werden.
Die frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage ist dann in einem stabilen Betriebszustand, wobei das Wasserkühlmittel kontinuierlich von dem Akkumulator durch den Kühlmitteleinlass, die Wassertransportplatte, den Kühlmittelauslass, den Separator, die Kühlmittelpumpe und durch die Akkumulator-Zuführleitung zurück zum Akkumulator läuft. Weil der Eduktor konstant ein partielles Vakuum innerhalb des Separators, des Kühlmittelauslasses und der Wassertransportplatte erzeugt, werden entweder nicht mit Wasser mischbares Fluid oder das Wasserkühlmittel von dem Akkumulator in die Wassertransportplatte und den Separator gezogen. Nach Abschalten der Brennstoftzellen-Stromerzeugungsanlage in einer Umgebung unter Frostbedingungen wird die Kühlmittelpumpe gesteuert, um das Pumpen zu beenden, und der Akkumulator kann angeordnet werden, um die Strömung von Wasserkühlmittel aufgrund der Schwerkraft von der Wassertransportplatte und dem Kühlmitteleinlass aufzunehmen. Dann kann das nicht mit Wasser mischbare Fluid wie oben beschrieben von dem Akkumulator zirkuliert werden, wobei jedoch nicht die Heizung verwendet wird, so dass das frosttolerante, nicht mit Wasser mischbare Fluid jegliches verbleibendes Wasserkühlmittel innerhalb der Wassertransportplatte, dem Separator, der Kühlmittelpumpe und der Akkumulator- _ Zuführleitung verdrängt. Dann ist das gesamte Wasser innerhalb des frosttoleranten Akkumulators, und nur das nicht mit Wasser mischbare Fluid mit niedrigem Gefrierpunkt verbleibt innerhalb sämtlicher Bereiche der Wassertransportplatte, welche nicht der Strömung durch Schwerkraft ausgesetzt sind, innerhalb des Separators, der Separatorablassleitung und der Kühlmittelpumpe. Die Kühlmittelpumpe wird dann abgeschaltet. Die Kühlmittelpumpe kann auch positioniert werden, um automatisch durch Schwerkraft relativ zum Akkumulator gefüllt zu werden. Die alternative Ausführungsform bietet somit eine effiziente frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage.
Dementsprechend ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage zur Verfügung zu stellen, welche Schwierigkeiten im Stand der Technik überwindet.
Es ist ein spezifisches Ziel der vorliegenden Erfindung, eine frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bereitzustellen, welche mit lediglich einer Kühlmittelpumpe und lediglich zwei Steuerventilen arbeitet.
Es ist noch ein weiteres Ziel, eine frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bereitzustellen, welche ein schnelles Anfahren der Stromerzeugungsanlage nach kurzfristigem Abschalten ermöglicht.
Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage werden einfach ersichtlich, wenn die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
1 ist eine schematische Darstellung einer frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
2 ist eine schematische partielle Schnittansicht eines Kopfstücks eines Offenrohr-Akkumulators der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage von 1, betrachtet entlang der Linie 2-2 von 1.
3 ist eine schematische partielle Schnittansicht einer Trennwand eines Offenrohr-Akkumulators der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage von 1, betrachtet entlang der Linie 3-3 von 1.
4 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäß konstruierten frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es wird detailliert auf die Zeichnungen Bezug genommen. Eine frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt und ist und ist im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Stromerzeugungsanlage 10 weist eine elektrischen Strom erzeugende Brennstoffzelleneinrichtung auf zur Erzeugung von elektrischem Strom aus reduzierenden Fluid- und Prozess-Oxidationsmittelreaktanten-Strömen, wie z.B. eine Brennstoffzelle 12. Die Brennstoffzelle 12 umfasst einen Elektrolyten 14, wie z.B. eine Protonenaustauschmembran, einen Anodenkatalysator 16 und einen Kathodenkatalysator 18, welche an den entgegengesetzten Seiten des Elektrolyten 14 angeordnet sind, benachbart zu dem Anodenkatalysator 16 definiertes Anodenströmungsfeld 20 und ein benachbart zum Kathodenkatalysator 18 definiertes Kathodenströmungsfeld 22. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann die Brennstoffzelle 12 mit anderen im wesentlichen identischen Brennstoffzellen (nicht gezeigt) kombiniert werden, um eine Zellenstapelanordnung inklusive Verteilungssysteme zum Leiten der Reaktantenströme durch den Stapel zu bilden. Eine Oxidationsmittelversorgung 24 (in 1 einfachheitshalber "Oxidationsmittel" genannt) leitet ein Oxidationsmittel, z.B. Luft, durch einen Oxidationsmitteleinlass 26 in das Kathodenströmungsfeld 22, so dass das Kathodenströmungsfeld 22 das Oxidationsmittel leitet, damit es an dem Kathodenkatalysator 18 entlang vorbei strömt. Eine Kathodenabgasleitung 30 leitet das Oxidationsmittel als Kathodenabgasströmung aus der Brennstoffzelle 12, wo die Kathodenabgasströmung zum Wärme- und Massentransfer behandelt werden kann, wie es im Stand der Technik bekannt ist, wie z.B. im US-Patent 6 048 383 gezeigt, das am 11. April 2000 an die Inhaberin der Rechte der vorliegenden Erfindung erteilt wurde. Ein Oxidationsmittelgebläse 32 kann an dem Oxidationsmitteleinlass 26 positioniert werden, um das Oxidationsmittel in das Kathodenströmungsfeld 22 zu liefern. Eine Brennstoffquelle mit reduzierendem Fluid 34 (in 1 einfachheitshalber mit "Brennstoff" bezeichnet) leitet ein reduzierendes Fluid, z.B. Wasserstoffgas, durch einen Einlass 36 für reduzierendes Fluid in das Anodenströmungsfeld 20, wobei das Anodenströmungsfeld das reduzierende Fluid über den Anodenkatalysator 16 leitet zur Erzeugung von elektrischem Strom, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das redu zierende Fluid strömt dann aus dem Anodenströmungsfeld 20 als Anodenabgasstrom in eine Anodenabgasleitung 38, welche den Anodenabgasstrom aus der Brennstoffzelle 12 durch eine Anodenabgasleitung 40 leitet. Ein Anodenabgaswiederverwertungsventil 42 kann einen Teil oder das gesamte Anodenabgas von der Anodenabgasleitung 38 in eine Anodenabgaswiederverwertungsleitung 44 leiten, durch ein Anodenwiederverwertungsgebläse 46 und zurück zum Einlass für reduzierendes Fluid 36, um etwaiges nicht verbrauchtes reduzierendes Fluid zu verwenden und/oder um etwaigen Wasserdampf innerhalb des Anodenabgasstroms wiederzuverwenden.
Die frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 umfasst auch eine primäre Kühlmittelschleife 48 mit einer Wassertransportplatte 50, welche benachbart zu dem Kathodenströmungsfeld 22 in der Brennstoffzelle 12 angeordnet ist. (Die "primäre Kühlmittelschleife 48" kann auch gelegentlich hier als "Kühlmittelschleife 48" bezeichnet werden.) Die Wassertransportplatte 50 kann eine im Stand der Technik bekannte poröse Platte sein, welche den Transport von Produktwasser, welches am Kathodenkatalysator 18 erzeugt wird, durch die poröse Platte 50 und aus der Brennstoffzelle heraus unterstützt. Die Kühlmittelschleife 48 umfasst ebenfalls eine Kühlmittelpumpe 52, welche zwischen einer Kühlmittelabführleitung 54 und einer Kühlmittelzuführleitung 56 angeordnet ist, die ein Wasserkühlmittel durch die Kühlmittelzuführleitung 56 durch einen Gasseparator 58 pumpt, wobei jegliche Reaktantengase durch eine Gasleitung 60 und ein Gasablassentlüftungsventil 61 aus der Anlage geleitet werden, und die Kühlmittelpumpe 52 pumpt Wasserkühlmittel durch eine erste Verlängerung 62 der Kühlmittelzuführleitung 56 in einen Kühlmittelwärmetauscher 64. Das Wasserkühlmittel strömt dann durch eine zweite Verlängerung 66 der Kühlmittelzuführleitung 56 und anschließend durch eine dritte Verlängerung 67 der Zuführleitung 56 und dann zurück in die Wassertransportplatte 50. Die Kühlmittelpumpe 50 kann jegliches Standardgerät zum Pumpen oder Zirkulieren sein, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, um ein Fluid zu Kühlzwecken durch die Kühlmittelschleife 48 zu zirkulieren. Daher kann die Kühlmittelpumpe oder jegliche andere derartige Zirkulationseinrichtung hier als Kühlmittelzirkulationseinrichtung zum Zirkulieren des Wasserkühlmittels durch die Kühlmittelschleife 48 bezeichnet werden.
Der Kühlmittelwärmetauscher 64 kann jegliche aus dem Stand der Technik bekannte Wärmetauschereinrichtung zum Entfernen von Wärme von dem Wasserkühlmittel sein, z.B. ein Flüssig-Flüssig-Kühlmittelwärmetauscher 64, welcher auch eine Komponente der sekundären Kühlmittelschleife 68 ist. Die sekundäre Kühlmittelschleife 68 leitet ein sekundäres Kühlmittel, z.B. eine übliche Frostschutzlösung, z.B. Ethylenglykol und Wasser oder Propylenglykol und Wasser, damit sie durch eine Leitung für sekundäres Kühlmittel 69, eine Pumpe für sekundäres Kühlmittel 70, einen Kühler für sekundäres Kühlmittel 72 benachbart zu einem Gebläse 74, um Umgebungsluft über den Kühler 72 zu leiten, um das sekundäre Kühlmittel zu kühlen, ähnlich dem traditionellen Automobil-Kühler, und durch den Kühlmittelwärmetauscher 64, um Wärme aus dem Wasserkühlmittel abzuziehen. Wie bekannt, würden traditionelle Frostschutzlösungen den Anoden- und Kathodenkatalysator 16, 18 vergiften, und durch Verwendung solcher traditionellen Frostschutzlösungen innerhalb einer sekundären abgedichteten Kühlmittelschleife 68 sind die Kathalysatoren davor geschützt, diesen traditionellen Frostschutzmitteln ausgesetzt zu sein. Das Wasserkühlmittel, welches durch die primäre Kühlmittelschleife 48 einschließlich der porösen Wassertransportplatte 50 zirkuliert, ist hauptsächlich Wasser, welches den Anoden- oder Kathodenkatalysator 16, 18 nicht vergiften kann. Die Kühlmittelschleife 48 umfasst ebenfalls Standardverzweigungssysteme (nicht gezeigt), wie aus dem Stand der Technik bekannt, um Wasserkühlmittel durch die Brennstoffzelle 12 bzw. jegliche Zellenstapelanordnung einschließlich der Brennstoffzelle 12 zu leiten. Die frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 umfasst ebenfalls eine Wasserverdrängungssystemeinrichtung 76 zum Verdrängen des Wasserkühlmittels in der Kühlmittelschleife 48 mit einer nicht mit Wasser mischbaren Flüssigkeit. Das Wasserverdrängungssystem 76 kann einen Offenrohr-Akkumulator 78 umfassen, welcher sowohl das nicht mit Wasser mischbare Fluid 80 und das Wasserkühlmittel 82 enthält, welche durch eine Trennwand 84 getrennt sind. Eine Zuführleitung 86 für nicht mit Wasser. mischbares Fluid ist an dem Auslass für nicht mit Wasser mischbarem Fluid 88 des Akkumulators 78 angeordnet und ist in Fluidverbindung mit einer Pumpe 90 für nicht mit Wasser mischbares Fluid, welche das nicht mit Wasser mischbare Fluid von dem Akkumulator 78 durch den Auslass 88, die Zuführleitung 86 und eine Verlängerung 92 der Zuführleitung 86 in die primäre Kühlmittelschleife 48 pumpt, wie z.B. bei der dritten Verlängerung 67 der Kühlmittelzuführleitung 56, wie in 1 gezeigt. Die Pumpe 90 für nicht mit Wasser mischbares Fluid kann jegliche aus der Technik bekannte Pumpe oder Zirkulationseinrichtung sein, welche in der Lage ist, das nicht mit Wasser mischbare Fluid von dem Akkumulator durch die Zuführleitung 86 für nicht mit Wasser mischbares Fluid zu pumpen oder zu zirkulieren. Die Pumpe 90 für nicht mit Wasser mischbares Fluid bzw. Zirkulationseinrichtung kann daher hier als Zirkulationseinrichtung für nicht mit Wasser mischbares Fluid zum Zirkulieren des nicht mit Wasser mischbaren Fluids bezeichnet werden. Der Auslass 88 des Akkumulator 78 ist bei dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid 80 innerhalb des Akkumulator 78 angeordnet, wie in 1 gezeigt. Eine Heizung 94 ist im Wärmetauschverhältnis mit dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid 80 innerhalb des Wasserverdrängungssystems 76 angeordnet, z.B. indem sie an der Zuführleitung 86 für nicht mit Wasser mischbares Fluid wie in 1 gezeigt angeordnet ist. Die Heizung kann jegliche konventionelle Heizungseinrichtung zum Heizen eines Fluids sein, einschließlich einer elektrischen Heizung innerhalb des Akkumulators 76, oder z.B. als Heizung 94, welche Brennstoff von Speicher 34 für reduzierendes Brennstofffluid durch eine Heizungsversorgungsleitung 96 und Heizungsversorgungsventil 98 aufnimmt, und welche ein Oxidationsmittel wie Luft, z.B. aus einer zweiten Oxidationsmittelspeicherquelle 100 und einem zweiten Oxidationsmittelgebläse 102 entlang einer Heizungsoxidationsmittel-Versorgungsleitung 104 aufnimmt. Das Wasserverdrängungssystem 76 umfasst auch eine Ablaufleitung 106 der Kühlschleife, welche zwischen der primären Kühlschleife 48 und einem Wasserkühlmittel Ablaufeinlass 108 des Offenrohr-Akkumulators 78 angeordnet ist, wobei der Einlass 108 des Wasserkühlmittelablaufs am Akkumulator 78 benachbart zum Wasserkühlmittel 82 innerhalb des Akkumulators 78 angeordnet ist, wie in 1 gezeigt.
Das Wasserverdrängungssystem 76 kann auch eine Wiederverwertungsleitung 110 für nicht mit Wasser mischbares Fluid umfassen, welche zwischen der Zuführleitung 86 für nicht mit Wasser mischbares Fluid stromabwärts von der Heizung 94 und einem Einlass 112 für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Offenrohr-Akkumulators 78 angeordnet ist, um erwärmtes, nicht mit Wasser mischbares Fluid durch den Einlass 112 für nicht mit Wasser mischbares Fluid auf die Seite des nicht mit Wasser mischbaren Fluids 114 eines Kopfstücks 116, welches entgegengesetzt ist zu der Wasserkühlmittel-Seite 118 des Kopfstücks 116. Wie in 1 gezeigt, ist die Wasserkühlmittel-Seite 118 des Kopfstücks 116 benachbart zu dem und auf das Wasserkühlmittel 82 innerhalb des Akkumulators 78 ausgerichtet, und die entgegengesetzte 114 für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Kopfstücks ist zu dem Einlass für nicht mit Wasser mischbares Fluid 112 ausgerichtet.
Wie am besten in 1 ersichtlich, umfasst der Offenrohr-Akkumulator 76 eine Mehrzahl von offenen Rohren 120A, 120B, 120C, 120D, 120E, welche an dem Kopfstück 116 angeordnet sind und welche von dem Einlass 112 für nicht mit Wasser mischbares Fluid weg in einen Speicherbereich des Akkumulators 78 hinein ragen, welcher das Wasserkühlmittel 82 und nicht mit Wasser mischbares Fluid 80 speichert. Wie in 2 gesehen, sind zusätzliche offene Rohe 120F, 120G, 120H, 120I, 120J, 120K, 120L an dem Kopfstück 116 angeordnet. Die offenen Rohre 120A bis 120L ragen durch die Trennwand 84, welche zwischen dem Wasserkühlmittel 82 und dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid 80 angeordnet ist. Wie in 3 gezeigt, umfasst die Trennwand 84 ebenfalls eine Mehrzahl von Ablauflöchern 122A, 122B, 122C, 122D, 122E, 122F, 122G, 122H, 122I (welche in 3 mit gekreuzten Linien in jedem Ablaufloch gezeigt sind zur leichteren Unterscheidung von den offenen Rohren 120a bis 120I). Die Ablauflöcher 122A bis 122I dienen dazu, den Transport von Wasserkühlmittel 82 und dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid 80 durch die Trennwand 84 zu ermöglichen.
Falls die Wiederverwertungsleitung 110 für nicht mit Wasser mischbares Fluid einen Teil des nicht mit Wasser mischbaren Fluids in den Einlass 112 für nicht mit Wasser mischbares Fluid leitet, welcher benachbart zu dem Kopfstück 116 ist, strömt nicht mit Wasser mischbares Fluid durch die offenen Rohre 120A bis 120L, um durch das Wasserkühlmittel 82 zu strömen, welches in dem Akkumulator 78 gespeichert ist, ohne sich mit dem gespeicherten Wasserkühlmittel 82 oberhalb der Trennwand 84 zu vermischen. Daher wird das durch die offenen Röhren 120A bis 120L strömende nicht mit Wasser mischbare Fluid jegliches gefrorenes Wasserkühlmittel innerhalb des Akkumulators 78 erwärmen und auftauen, falls das nicht mit Wasser mischbare Fluid durch die Heizung 94 oder durch etwas anderes erwärmt ist. Die offenen Röhren 120A bis 120L sind aus einem elastisch verformbaren Material konstruiert, z.B. Kunststoff, so dass die offenen Kunststoffrohre sich verformen, wenn das Wasserkühlmittel 82 einfriert, um eine Volumenvergrößerung des gefrorenen Wasserkühlmittels zu absorbieren und somit mechanische Schäden an dem Akkumulator 78 während eines langfristigen Abschaltens der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 unter Frostbedingungen zu eliminieren. Weil das nicht mit Wasser mischbare Fluid innerhalb des Akkumulators 78 dichter als das Wasserkühlmittel 82 ist, bewegt es sich in Richtung des Ablaufs 88 für nicht mit Wasser mischbares Fluid, und das Wasserkühlmittel bewegt sich in Richtung des Wasserkühlmittelablauf-Einlasses, von dem nicht mit Wasser mischbarem Fluid weg. Die offenen Ablauflöcher 122A bis 122I innerhalb der Trennwand 84 dienen dazu, den Transport von nicht mit Wasser mischbaren Fluid 80 und Wasserkühlmittel 82 innerhalb des Offenrohr-Akkumulators 78 zu ermöglichen. Das Wasserverdrängungssystem 76 kann jedoch auch so ausgelegt werden, dass bei normalen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 12 das nicht mit Wasser mischbare Fluid 80 innerhalb des Akkumulators 78 verbleibt, wobei das nicht mit Wasser mischbare Fluid von dem Auslass für nicht mit Wasser mischbares Fluid 88 bis zu der Trennwand 84 sich erstreckt.
Eine Wasserkühlmittelüberlaufleitung 124 kann sich auch zwischen dem Gasseparator 58 und einem Überlaufeinlass 126 des Offenrohr-Akkumulators 78 erstrecken, der an dem Akkumulator 78 zwischen der Wasserkühlmittelseite 118 des Kopfstücks und der Trennwand angeordnet ist, so dass überschüssiges Wasser, z.B. durch die Brennstoffzelle 12 erzeugtes Produktwasser, welches durch die poröse Wassertransportplatte 50 in die Kühlmittelschleife 48 strömt, aus dem Separator 58 durch die Kühlmittelüberlaufleitung 124 und den Überlaufeinlass 126 in das Wasserkühlmittel 82 in dem Akkumulator 78 überlaufen kann. Durch Positionieren des Überlaufeinlasses 126 zwischen der Wasserkühlmittelseite 118 des Kopfstücks 116 und der Trennwand 84 strömt überschüssiges Wasserkühlmittel nicht in die offenen Rohre 120A bis 120L und wird dadurch daran gehindert, sich mit dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid 80 innerhalb des Akkumulators 78 zu vermischen. Der Akkumulator 78 umfasst ebenfalls ein Auslassbelüftungsventil 127, welches benachbart zur Wasserkühlmittelseite 118 des Kopfstücks angeordnet ist, um einen Überlauf von Wasserkühlmittel und/oder Luft aus dem Akkumulator 78 zu ermöglichen und ein Einströmen von Luft in den Akkumulator 78 zu ermöglichen.
Der oben beschriebene und in 1 gezeigte Akkumulator 78 beschreibt, dass das nicht mit Wasser mischbare Fluid dichter als das Wasserkühlmittel ist. Das nicht mit Wasser mischbare Fluid kann jedoch auch eine geringere Dichte als Wasser haben. Um ein nicht mit Wasser mischbares Fluid mit geringerer Dichte als Wasser zu verwenden, würde man geeignete Veränderungen an dem Akkumulator 78 und der Positionierung des Auslasses 88 für nicht mit Wasser mischbares Fluid, des Wasserkühlmittelablauf-Einlasses 108, etc. vornehmen. Das nicht mit Wasser mischbares Fluid mit Wasser mischbares Fluid kann eine Dichte haben, welche größer oder geringer als die Dichte von Wasser ist, und ein bevorzugter Dichteunterschied des nicht mit Wasser mischbaren Fluids im Vergleich zu Wasser ist plus oder minus 0,2 g/cm³.
Es versteht sich, dass der Umfang dieser frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 in einer bevorzugten Ausführungsform den beschriebenen Offenrohr-Akkumulator 78 umfasst, und dass alternative Ausführungsformen jegliche in der Technik bekannte frosttolerante Akkumulatoren für Wasserkühlmittel und nicht mit Wasser mischbares Fluid umfasst, die in der Lage sind, das Wasserkühlmittel und das nicht mit Wasser mischbare Fluid auf eine frosttolerante Weise zu speichern. Der Bereich der Erfindung umfasst insbesondere das Verdrängen des Wasserkühlmittels aus der Kühlmittelschleife durch das nicht mit Wasser mischbare Fluid während Perioden des Abschaltens der Stromerzeugungsanlage, so dass das Wasserkühlmittel und das nicht mit Wasser mischbare Fluid gespeichert dain sind, was hier als frosttolerante Akkumulatoreinrichtung zum Speicher des Wasserkühlmittels und des nicht mit Wasser mischbaren Fluids beschrieben wird. Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst den Offenrohr-Akkumulator 78. Es wird ebenfalls angemerkt, dass der Bereich der Erfindung Ausführungsformen mit der beschriebenen Heizung 94 umfasst und ebenfalls Auführungsformen ohne die Heizung 94 umfasst. Wäh rend die Heizung 94 für spezifische hier beschriebene Ausführungsformen nützlich ist, ist es innerhalb des Bereichs der Erfindung, dass besondere Ausführungsformen der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 lediglich das Wasserverdrängungssystem 76 zum Schutz vor Frost durch Verdrängung des Wasserkühlmittels in einem frosttoleranten Akkumulator benötigen und nicht die Heizung 94 zum Anfahren der Stromerzeugungsanlage 10 benötigen.
Das Wasserverdrängungssystem 76 umfasst ebenfalls eine Fluidverdrängungs-Steuerventileinrichtung zum selektiven Leiten des nicht mit Wasser mischbare Fluids von dem Offenrohr-Akkumulator 78 in die primäre Kühlmittelschleife 48; zum selektiven Leiten des Wasserkühlmittels innerhalb der Kühlmittelschleife 48 in den Akkumulator 78; und zum selektiven Leiten von erwärmtem nicht mit Wasser mischbaren Fluid von benachbart zu dem Ablauf 88 für nicht mit Wasser mischbares Fluid in den Einlass 112 für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators 78 zum Erwärmen von Wasserkühlmittel innerhalb des Akkumulators 78. Das Fluidverdrängungs-Steuerungsventil kann ein Kühlmittelzirkulationsventil 128 umfassen, welches zwischen der Kühlmittelpumpe 52 und der Wassertransportplatte 50 z.B. auf der zweiten Verlängerung 66 der Kühlmittelzuführleitung 56 angeordnet ist; es kann ein Wasserkühlmittel-Zuführventil 130 umfassen, welches zwischen dem Wasserkühlmittel 82 innerhalb des Akkumulators 78 der Wassertransportplatte 50, z.B. auf der Kühlmittelablaufleitung 106, angeordnet ist; es kann ein Kühlmittelablaufventil 132 umfassen, welches zwischen dem Wasserkühlmitteleinlass des Akkumulators 78 und der Wassertransportplatte 50 angeordnet ist, z.B. auf der dritten Verlängerung 67 der Kühlmittelzuführleitung 56; es kann ein Zuführventil 134 für nicht mit Wasser mischbares Fluid umfassen, welches zwischen dem Ablauf 88 für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators und der Wassertransportplatte angeordnet ist, z.B. auf der ersten Verlängerung 92 der Zuführleitung 86 für nicht mit Wasser mischbares Fluid; und es kann ein Wiederverwertungsventil 136 für nicht mit Wasser mischbares Fluid umfassen, welches zwischen der Heizeinrichtung 94 und dem Einlass 112 für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators 78 angeordnet ist, z.B. angeordnet auf der Wiederverwertungsleitung 110 für nicht mit Wasser mischbares Fluid, wie ins gesamt in 1 gezeigt. Ein Ausblas-Ablaufventil 138 kann auch an einem Ablauf 140 des Akkumulators 78 angeordnet werden, welcher benachbart zur Trennwand 84 und zwischen der Trennwand 84 und dem Kopfstück 116 an dem Akkumulator 78 angeordnet ist, um selektiv den Ablauf von Wasserkühlmittel 82 aus dem Akkumulator 78 zu ermöglichen, wenn beispielsweise die Brennstoffzelle 12 mehr Wasser erzeugt, als die Stromerzeugungsanlage 10 benötigt, was, wie bereits oben erwähnt, als Betrieb mit positiver Wasserbilanz der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage bezeichnet wird.
Während des normalen Betriebs der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 ist das Kühlmittelzirkulationsventil 128 geöffnet; Das Wasserkühlmittel-Zuführventil 130 ist geschlossen; das Kühlmittelablaufventil 132 ist geöffnet; und das Zuführventil 134 für nicht mit Wasser mischbares Fluid ist geschlossen, so dass das nicht mit Wasser mischbare Fluid 80 innerhalb des Offenrohr-Akkumulators 78 bleibt, während das Wasserkühlmittel durch die primäre Kühlmittelschleife 48 zirkuliert. Es wird angemerkt, dass das Kühlmittelzirkulationsventil 128 oder das Kühlmittelablaufventil 132 ebenfalls während des Anlagenbetriebs gesteuert werden kann, um das Strömen von Wasserkühlmittel durch die Kühlmittelzuführpassage 56 oder die erste, zweite oder dritte Verlängerung 62, 66, 67 der Kühlmittelzuführleitung 56 zu beschränken, um das Wasserkühlmittel innerhalb der Wassertransportplatte 50 bei einem geringeren Druck zu halten als die durch das Kathodenströmungsfeld 22 strömende Prozess-Oxidationsmittelströmung. Falls die Anlage 10 bei andauernder positiver Wasserbilanz betrieben wird, kann überschüssiges Produktwasser, welches durch die Kühlmittelüberlaufleitung 124 aus der Kühlmittelschleife 48 in den Akkumulator strömt, aus der Anlage 10 durch das Abgasventil 127 oder das Ausblas-Ablaufventil 138 und den Ablauf 140 des Akkumulators 78 überlaufen.
Wenn die frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 für eine kurzfristige Aufbewahrung bzw. Lagerung abgeschaltet werden soll, z.B. Aufbewahrung über Nacht eines Transportfahrzeugs, welches durch die Anlage 10 angetrieben wird, und unter Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts betrieben werden soll, wird zunächst das Wasserkühlmittel-Zuführventil 130 geöffnet, um ein Ablaufen des Wasserkühlmittels innerhalb der Kühlmittelschleife 48 in den Akkumulator 78 zu ermöglichen. Anschließend wird die Kühlmittelpumpe 52 abgeschaltet, das Wasserkühlmittel-Zuführventil 130 wird geschlossen, und das Kühlmittelablaufventil 132 wird geschlossen, und das Ventil 134 für nicht mit Wasser mischbares Fluid ist geöffnet, während die Pumpe 90 für nicht mit Wasser mischbares Fluid anfängt, nicht mit Wasser mischbares Fluid 80 von dem Akkumulatorauslass 88 durch die Zuführleitung 86 für nicht mit Wasser mischbares Fluid und das Zuführventil 134 in die Kühlmittelschleife 48 zu pumpen. Die Kühlmittelpumpe 52 kann betrieben werden, um den Transport für nicht mit Wasser mischbarem Fluid durch sämtliche Komponenten der Kühlmittelschleife 48 zu unterstützen, einschließlich sämtlicher Verzweigungssysteme und damit verbundener Kanäle, etc. (nicht gezeigt) einer Zellenstapelanordnung (nicht gezeigt), in welcher die Brennstoffzelle 12 positioniert ist, um zu gewährleisten, dass sämtliches Wasserkühlmittel durch das nicht mit Wasser mischbare Fluid von der Kühlmittelschleife 38 durch die Kühlmittelüberlaufleitung 124 in den Akkumulator 78 verdrängt wird. Anschließend werden die Kühlmittelpumpe 52 und die Pumpe für nicht mit Wasser mischbares Fluid 90 angehalten, und das Wasserkühlmittel-Zuführventil 130 wird geöffnet, um ein Ablaufen des nicht mit Wasser mischbaren Fluids von der Kühlmittelschleife 48 in den Akkumulator 78 durch den Wasserkühlmittelablauf-Einlass 108 zu ermöglichen. Weil das nicht mit Wasser mischbares _ Fluid eine größere Dichte als das Wasserkühlmittel 82 innerhalb des Akkumulators 78 besitzt, trennt sich das nicht mit Wasser mischbare Fluid von dem Wasserkühlmittel und strömt durch die Ablauflöcher 122A bis 122I in der Trennwand 84, um sich mit dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid innerhalb des Akkumulators 78 zu mischen. Die frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage ist nun im Lagerungszustand, wobei fast sämtliches Wasser in der Kühlmittelschleife durch das Wasserverdrängungssystem 76 in den Akkumulator 78 verdrängt wurde. Wasser verbleibt innerhalb des PEM-Elektrolyten 14 und den Poren der Wassertransportplatte und möglicherweise innerhalb der Poren oder Kanäle der Materialien, welche die Anoden- und Kathodenströmungsfelder 20, 22 definieren.
Um die frosttolerante Brennstoffzelle-Stromerzeugungsanlage in einem Zustand der kurzfristigen Lagerung zu erhalten, müssen sämtliche kleine Mengen an Wasser, welche innerhalb der Brennstoffzelle 12 oder der Kühlmittelschleife 48 verbleiben, und das Wasserkühlmittel innerhalb des Akkumulators 78 über dem Gefrierpunkt gehalten werden, so dass die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage ohne Verzögerung angefahren werden kann. Eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der genannten Ventile 128, 130, 132, 134 und 136 der Verdrängungsventileinrichtung, z.B. aus dem Stand der Technik bekannte Steuerungen, welche Ventile in Reaktion auf gemessene Information verstellen, können verwendet werden, um die Brennstoffzelle 12, Kühlmittelschleife 48 und Akkumulator 78 zu heizen, wenn die Steuerungseinrichtung feststellt, dass eine Temperatur der Brennstoffzelle 12, der Kühlmittelschleife 48 oder des Akkumulators 78 unterhalb einer minimalen Temperatur für die kurzfristige Lagerung sinkt. Die Steuerungseinrichtung kann die Ventile 128, 130, 132, 134 und 136 der Verdrängungsventileinrichtung durch bekannte Mechanismen verstellen, einschließlich manueller Ventilsteuerung, elektro-mechanischer Stellglieder, elektro-hydraulischer Stellglieder, etc. Wenn die Steuerungeinrichtung erfasst, dass eine Temperatur der Brennstoffzelle 12, der Kühlmittelschleife 48 oder des Akkumulators 78 unterhalb der minimalen Temperatur für kurzfristige Lagerung absinkt, schließt die Steuerungeinrichtung zunächst das Wasserkühlmittel-Zuführventil 130, anschließend werden die Heizung 94 und die Pumpe für nicht _ mit Wasser mischbares Fluid aktiviert, und das Zuführventil für nicht mit Wasser mischbares Fluid 134 wird geöffnet, um erwärmtes, nicht mit Wasser mischbares Fluid in die Kühlmittelschleife 48 zu leiten, um die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 in einem Zustand kurzfristiger Lagerung zu halten. Die Kühlmittelpumpe 52 kann ebenfalls angeschaltet werden, um die Zirkulation des erwärmten, nicht mit Wasser mischbaren Fluids durch die Kühlmittelschleife 48 zu unterstützen, um die Brennstoffzelle gleichmäßig zu erwärmen. Das erwärmte, nicht mit Wasser mischbare Fluid füllt und überfüllt den Gasseparator 58 und kehrt durch die Kühlmittelüberlaufleitung 124 zurück, um den Akkumulator 78 zu erwärmen. Wenn eine erwünschte Heiztemperatur erreicht ist, werden die Heizung 94, die Pumpe 90 für nicht mit Wasser mischbares Fluid und die Kühlmittelpumpe 52 abgeschaltet, und das Wasserkühlmittel-Zuführventil 130 und Gasablassventil 61 werden geöffnet, um zu ermöglichen, dass nicht mit Wasser mischbares Fluid zurück in den Akkumulator abläuft. Falls die frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage langfristig gelagert werden soll, kann das Zuführventil für nicht mit Wasser mischbares Fluid 134 geschlossen werden, und das Wasserkühlmittel 82 innerhalb des Akkumulators 78 kann einfrieren, und jegliches Wasser innerhalb der Brennstoffzelle 12, z.B. innerhalb der Poren der Wassertransportplatte, kann ebenfalls einfrieren. Wie bereit oben erwähnt, treten durch dieses Einfrieren keine mechanischen Schäden an der Anlage 10 auf, weil die offenen Röhren 120A bis 120L verformbar sind und weil so wenig Wasser innerhalb der Brennstoffzelle 12 und der Kühlmittelschleife 48 verbleibt.
Um die Stromerzeugungsanlage 10 nach kurzfristiger Lagerung anzufahren, wobei das Wasserkühlmittel 82 innerhalb des Akkumulators 78 nicht gefroren ist, werden das Wasserkühlmittel-Zuführventil 130 und das Kühlmittelablaufventil 132 geöffnet, und das Kühlmittel-Zirkulationsventil 128 wird geschlossen, während die Kühlmittelpumpe 52 angeschaltet wird, um Kühlmittel aus dem Akkumulator in die Kühlmittelschleife 48 zu ziehen. Wenn Wasserkühlmittel von dem Gasseparator 58 durch die Kühlmittelüberlaufleitung 124 in den Akkumulator 78 strömt, wird das Kühlmittel-Zirkulationsventil 128 geöffnet, und das Wasserkühlmittel-Zuführventil 130 geschlossen. Die Stromerzeugungsanlage 10 ist dann betriebsbereit.
Um die Stromerzeugungsanlage 10 nach langfristiger Lagerung anzufahren, wobei das Wasserkühlmittel 82 im Akkumulator 78 gefroren ist, wird das Zuführventil 134 für nicht mit Wasser mischbares Fluid geschlossen und das Zuführungsventil 136 für nicht mit Wasser mischbares Fluid geöffnet. Anschließend werden die Heizung 94 und die Pumpe 90 für nicht mit Wasser mischbares Fluid angeschaltet, so dass erwärmtes, nicht mit Wasser mischbares Fluid beginnt durch die Rückführleitung 110 für nicht mit Wasser mischbares Fluid durch den Einlass 112 für nicht mit Wasser mischbares Fluid und die offenen Rohre 120A bis 120L des Akkumulators 78 zu zirkulieren, um das gefrorene Wasserkühlmittel 82 im Akkumulator 78 aufzutauen. Wenn das Wasserkühlmittel 82 im Akkumulator 78 geschmolzen ist, wird das Rückführungsventil 136 für nicht mit Wasser mischbares Fluid geschlossen und das Zuführventil 134 für nicht mit Wasser mischbares Fluid geöffnet und die Kühlmittelpumpe 52 angeschaltet, um erwärmtes, nicht mit Wasser mischbares Fluid durch die Kühlmittelschleife 48 zu pumpen, um die Brennstoffzelle 12 und die Kühlmittelschleife 48 gleichmäßig zu erwärmen. Wenn eine gewünschte Anfahr-Temperatur erreicht ist, werden die Kühlmittelpumpe 52, die Pumpe 90 für nicht mit Wasser mischbares Fluid und die Heizung 94 abgeschaltet und das Wasserkühlmittel-Zuführventil 130 geöffnet, um das Ablaufen des nicht mit Wasser mischbaren Fluids von der Kühlmittelschleife 48 zurück in den Akkumulator 78 zu ermöglichen. Die oben beschriebene Prozedur für das Anfahren der Anlage 10 nach kurzfristiger Lagerung kann dann verwendet werden, um die frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage anzufahren. Aus Gründen des einfacheren Verständnisses kann die vorliegende Erfindung auch beschrieben werden als Ermöglichen des Lagerns und Betriebs der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen in Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts durch Verwendung des Wasserverdrängungssystems 76, um die Stromerzeugungsanlage 10 in einen Zustand der kurzfristigen Lagerung zu versetzen durch die Schritte des Pumpens von nicht mit Wasser mischbarem Fluid von dem Akkumulator 78 in die Kühlmittelschleife 48, um das Wasserkühlmittel von der Kühlmittelschleife 48 in den Akkumulator 78 zu verdrängen; des Ablaufen-lassens von nicht mit Wasser mischbarem Fluid aus der Kühlmittelschleife zurück in den Akkumulator 78; und, wenn eine gemessene Temperatur der Brennstoffzelle 12, der Kühlmittelschleife 48 oder des Akkumulators 78 unterhalb einer minimalen Temperatur für kurzfristige Lagerung abfällt, des Heizens und Pumpens des nicht mit Wasser mischbaren Fluids von dem Akkumulator 78 durch die Kühlmittelschleife 48 und offenen Rohre 120A bis 120L des Akkumulators 78, und des Ablaufen-lassens des erwärmten nicht mit Wasser mischbaren Fluids zurück in den Akkumulator 78. In ähnlicher Weise kann die Stromerzeugungsanlage 10 beschrieben werden als ein Verwenden des Wasserverdrängungssystems 76, um die Stromerzeugungsanlage 10 in einen Zustand der langfristigen Lagerung zu versetzen durch die folgenden Schritte: Pumpen von nicht mit Wasser mischbarem Fluid von dem Akkumulator 78 in der Kühlmittelschleife 48, um das Wasserkühlmittel aus der Kühlmittelschleife 48 in den Akkumulator 78 zu verdrängen; und Ablaufen-lassen des nicht mit Wasser vermischbaren Fluids aus der Kühlmittelschleife zurück in den Akku mulator 78, wobei das Wasserkühlmittel im Akkumulator 78 benachbart zu verformbaren offenen Rohren 120A bis 120L positioniert ist, so dass eine Expansion des Wasserkühlmittels nach dem Einfrieren durch Deformation der offenen Röhren 120A bis 120L absorbiert wird.
Die frosttolerante Stromerzeugungsanlage 10 kann ebenfalls beschrieben werden als ein Verwenden des Wasserverdrängungssystems, um die Stromerzeugungsanlage 10 nach kurzfristiger Lagerung anzufahren durch Pumpen von Wasserkühlmittel von dem Akkumulator 78 durch die Kühlmittelschleife 48 und Verhindern des Ablaufens des Wasserkühlmittels von der Kühlmittelschleife 48 zurück in den Akkumulator 78. Das Anfahren der Stromerzeugungsanlage 10 nach langfristiger Lagerung kann beschrieben werden als Heizen und Zurückführen des nicht mit Wasser mischbaren Fluids durch die offenen Rohre 120A bis 120L in den Akkumulator 78, um das gefrorene Wasserkühlungsmittel aufzutauen; anschließend Pumpen des erwärmten, nicht mit Wasser mischbaren Fluids durch die Kühlmittelschleife 48, um sämtliches Wasser innerhalb der Kühlmittelschleife 48 zu schmelzen; anschließend Ablaufen-lassen des nicht mit Wasser mischbaren Fluids von der Kühlmittelschleife 48 zurück in den Akkumulator 78; Pumpen des Wasserkühlmittels von dem Akkumulator 78 in die Kühlmittelschleife und Verhindern des Ablaufens von Wasserkühlmittel zurück in den Akkumulator 78.
Ein erstes bevorzugtes nicht mit Wasser mischbares Fluid ist gewählt aus der Gruppe bestehend aus Perfluorkohlenstoffen, Hydrofluorethern, und Mischungen davon, welche einen Gefrierpunkt haben, welcher höchstens –40°C oder weniger beträgt und welche nicht mischbar mit Wasser sind. Geeignete Perfluorkohlenstoffe sind Perfluoralkane, Perfluortrialkylamine und Perfluortributylamine, welche erhältlich sind von der 3M Specialty Minerals Company, St. Paul, Minnesota, USA und unter den Bezeichnungen "Grades FC-77, FC-3283 bzw. FC-40" verkauft werden. Ein geeigneter Hydrofluorether wird unter der Bezeichnung "Grade HFE-7500" vertrieben. Die genannten Perfluorkohlenstoffe sind erhältlich von der 3M Specialty Minerals Company unter dem Markennamen "FLUORINERT PFC", und geeignete Hydrofluorether sind ebenfalls bekannt von der genannten 3M Firma unter dem Markennamen "NOVEC HFE".
Ein zweites bevorzugtes nicht mit Wasser mischbares Fluid ist gewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkanen, Alkenen, Alkinen, und Mischungen davon, welche einen Gefrierpunkt haben, der höchstens –40°C oder weniger beträgt und die nicht mit Wasser mischbar sind. Geeignete Alkane umfassen Heptan (C₇H₁₆, Schmelzpunkt –91°C), Octan (C₈H₁₈, Schmelzpunkt –57°C), Nonan (C₉H₂₀, Schmelzpunkt –54°C) und Decan (C₁₀H₂₂, Schmelzpunkt –30°C). Geeignete Alkene umfassen Cyclohexen (C₆H₁₀, Schmelzpunkt –103°C), Hepten (C₇H₁₄, Schmelzpunkt –119°C), Cyclohepten (C₇H₂₂, Schmelzpunkt –56°C), Octen (C₈H₁₂, Schmelzpunkt –102°C), Cycloocten (cis) (C₈H₁₄, Schmelzpunkt –12°C) und Cycloocten (trans) (C₈H₁₄, Schmelzpunkt –59°C). Geeignete Alkine umfassen 2-Octin (C₈H₁₄, Schmelzpunkt –62°C) und 1-Decen (C₁₀H₁₈, Schmelzpunkt –36°C). Viele anderen Alkane, Alkene und Alkine mit 6 oder mehr Kohlenstoffatomen, oder Mischungen davon haben einen Gefrierpunkt, der höchstens –40°C oder weniger beträgt und die nicht mit Wasser mischbar sind, ergeben auch ein geeignetes nicht mit Wasser mischbares Fluid, z.B. solche mit mehrfachen Doppel- und/oder Dreifachbindungen. All diese Alkane, Alkene und Alkine und Mischungen davon sind erhältlich von großen Chemikalienanbietern, z.B. die Aldrich Company, Milwaukee, Wisconsin, USA.
In 4 ist eine alternativ Ausführungsform 200 der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage gezeigt. Aus Gründen der Effizienz werden jene Komponenten der alternativen Ausführungsform 200, welche die gleichen sind wie in der beschriebenen und in 1 gezeigten Ausführungsform, in 4 gezeigt mit einem Hauptteil desselben Bezugszeichens wie in 1 gezeigt. Beispielsweise ist die in 1 gezeigte Brennstoffzelle 12 in 4 mit dem Bezugszeichen 12' bezeichnet und der in 1 gezeigte Offenrohr-Akkumulator 78 ist in 4 durch das Bezugszeichen 78' bezeichnet. Außerdem werden Komponenten, welche in 1 beschrieben und gezeigt wurden, die die gleiche Funktion in 4 haben, und redundante Details ihrer Funktion nicht wieder im Folgenden beschrieben.
Die alternative Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 umfasst die Brennstoffzelle 12' und die in der Brenn stoffzelle 12' angeordnete Wassertransportplatte 50', welche ein Wasserkühlmittel durch die Brennstoffzelle 12' leitet, um eine Temperatur der Brennstoffzelle 12' zu steuern und möglicherweise jegliches durch die Brennstoffzelle 12' erzeugtes Produktwasser zu entfernen, welches durch die Wassertransportplatte 50' strömt. Ein Kühlmitteleinlass 202 ist in Fluidverbindung mit der Wassertransportplatte 50' angeordnet, und ein Kühlmittelauslass 204 ist ebenfalls in Fluidverbindung mit der Platte 50' angeordnet, so dass der Kühlmitteleinlass 202 und der Kühlmittelauslass 204 zusammenarbeiten, um das Wasserkühlmittel 82' oder das nicht mit Wasser mischbare Fluid 80' mit niedrigem Gefrierpunkt durch die Wassertransportplatte 50' zu leiten.
Die alternative Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 umfasst ebenfalls ein Unterdruck-Wasserverdrängungssystem 206. Das Unterdruck-Wasserverdrängungssystem 206 umfasst ebenfalls die oben beschriebene frosttolerante Akkumulatoreinrichtung zum Speichern des Wasserkühlmittels 82' und des nicht mit Wasser mischbaren Fluids 80', derart, dass das Wasserkühlmittel einfrieren kann, ohne den Akkumulator 78' zu beschädigen und das nicht mit Wasser mischbare Fluid 80' durch das gefrorene Wasserkühlmittel strömen kann, um das Wasserkühlmittel aufzutauen, so wie in dem oben beschriebenen frosttoleranten Offenrohr-Akkumulator 78'. Der frosttolerante Akkumulator 78' ist in Fluidverbindung mit dem Kühlmitteleinlass 202 durch einen Wasserkühlmittelauslass 208 und den Auslass für nicht mit Wasser mischbares Fluid 88' verbunden. Der Wasserkühlmittelauslass 208 ist an dem Akkumulator 78' angeordnet, so dass er in Fluidverbindung mit dem im Akkumulator gespeicherten Wasserkühlmittel 82' ist, und in ähnlicher Weise ist der Auslass 88' für nicht mit Wasser mischbares Fluid an dem Akkumulator 78 angeordnet, so dass er in Fluidverbindung mit dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid 80' ist, welches im Akkumulator 78' gespeichert ist. Wie oben beschrieben, kann eine Heizung 94' jeglicher zum Heizen des nicht mit Wasser mischbaren Fluids 80' geeignete Heizung sein und kann mit einem Teil des gespeicherten Brennstoffs 34' durch die Heizungsversorgungsleitung 96' und einem Oxidationsmittel 100' durch das zweite Oxidationsmittelgebläse 102' und die Heizungsoxidationsmittel-Versorgungsleitung 104', wie oben beschrieben, versorgt werden.
Das Unterdruck-Wasserverdrängungssystem 206 umfasst ebenfalls einen Vakuumseparator 210, welcher in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelauslass 204 verbunden ist. Ein Unterdruck erzeugender Eduktor 212 ist an dem Vakuumseparator 210 angeordnet und kann jegliche Unterdruck erzeugende Eduktoreinrichtung zum Erzeugen eines partiellen Vakuums innerhalb des Separators 210, des Kühlmittelauslasses 204, der Wassertransportplatte 50' und des Kühlmitteleinlasses 202 sein. Der Begriff Eduktor (Strahlpumpe) bezieht sich für die hiesigen Zwecke auf jegliche bekannte Struktur, welche eine Unterdruckkraft in Reaktion auf einen sich bewegenden, durch den "Eduktor" strömenden Fluidstrom erzeugt. Ein "Eduktor" ist in der Technik auch als ein "Ejektor" bekannt. Manche derartige bekannte Eduktoren oder Ejektoren weisen eine sich verengende Düse und eine benachbarte Ausdehnungskammer auf, durch welche der Fluidstrom gezwungen oder gepumpt wird, um einen "Venturi-Effekt" zu erzeugen, um eine durch den Eduktor in Erwiderung auf die Bewegung des sich bewegenden Fluidstroms durch den Eduktor erzeugte Unterdruckkraft zu verbessern. Ein aus der Technik bekannter Eduktor ist als "Ejektor" bezeichnet und in US-Patent 3 982 961 beschrieben, welches am 28. September 1976 erteilt wurde. Ein beispielhafter Eduktor 212 wurde durch die vorliegenden Erfinder entworfen und ist geeignet zur Verwendung in der alternativen Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200.
Eine zweite Kühlmittelpumpe 214 ist in Fluidverbindung zwischen einem Separatorauslass 216 und dem Eduktor 212 angeordnet, und eine Akkumulator-Zuführleitung 218 ist in Fluidverbindung zwischen dem Eduktor 212 und dem Einlass 112' für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Offenrohr-Akkumulators 78' angeordnet. Die Kühlmittelpumpe 214 kann jegliche Kühlmittel-Zirkulationseinrichtung zum Zirkulieren des nicht mit Wasser mischbaren Fluids oder Wasserkühlungsmittel von dem Vakuumseparator 210 zu dem Eduktor 212 sein. Eine Ablaufleitung 220 für nicht mit Wasser mischbares Fluid ist in Fluidverbindung zwischen dem Ablauf 88' für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators 78' und dem Separatorauslass 216 verbunden. Wie in 4 gezeigt, kann die Auslassleitung 220 für nicht mit Wasser mischbares Fluid sich durch die Heizung 94' in bestimmten Ausführungsformen hindurch erstrecken. Eine Pumpensteuerungs-Ventileinrichtung 222 ist in Fluidverbindung zwischen dem Separatorauslass 216, der Auslassleitung 220 für nicht mit Wasser mischbares Fluid und der zweiten Kühlmittelpumpe 214 angeordnet zum selektiven Leiten von Fluid von entweder dem Vakuumseparator 210 oder dem Akkumulator 78' zur Strömung in die zweite Kühlmittelpumpe 214. Eine Kühlmitteleinlass-Steuerungsventileinrichtung 224 ist in Fluidverbindung zwischen dem Auslass für nicht mit Wasser mischbares Fluid 88' des Akkumulators 78', des Kühlmittelwasserauslasses 208 des Akkumulators 78' und des Kühlmitteleinlasses 202 angeordnet zum selektiven Leiten von entweder dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid 80' oder dem Wasserkühlmittel 82' zur Strömung vom Akkumulator 78' in den Kühlmitteleinlass 202 und die Wassertransportplatte 50'.
Es wird betont, dass bei Betrieb der alternativen Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 die "zweite Kühlmittelpumpe 214" die primäre Kühlmittelpumpe ist und nur als "zweite Kühlmittelpumpe 214" bezeichnet wird, um sie von der "Kühlmittelpumpe 52 zu unterscheiden, welche in Bezug auf die Ausführungsform von 1 der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage identifiziert ist. In einer alternativen Ausführungsform 200 pumpt die zweite Kühlmittelpumpe 214 Kühlmittelwasser von dem Separator 210 während des normalen Betriebs bzw. Betriebs mit stationärem Zustand der Anlage 200 und pumpt das nicht mit Wasser mischbare Fluid 80' während des Anfahrens und Abschaltens der Anlage 200. Das Kühlmittel-Einlasssteuerventil 224 schaltet zu nicht mit Wasser mischbarem Fluid 80' zum Anfahren und Abschalten der Anlage 200, wobei der Eduktor 212 mit Antriebsenergie versorgt wird und sichergestellt wird, dass die Pumpe das nicht-frierende, nicht mit Wasser mischbare Fluid 80' während des Abschaltens der Anlage enthält.
Die alternative Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 kann auch einen Wärmetauscher 225 zur Abführung der Wärme umfassen, welcher in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelauslass 204 angeordnet ist zum Aufrechterhalten einer optimalen Temperatur während des Betriebs der Brennstoffzelle 12'. Der Wärmetauscher 225 zur Wärmeabführung kann zu einer Kühlmittel-Bypass-Leitung 226 verbunden sein, welche in Fluidverbindung zwischen einer ersten Verlängerung 228 des Separatorauslasses 216 und des Einlasses 112' des Akkumulators 78'. Ein Wärmetauscherventil 229 kann an der Kühlmittelumgehungsleitung 226 bzw. zwischen der Kühlmittelumgehungsleitung 226 und der ersten Verlängerung des Separatorauslasses 216 angeordnet sein. Das Wärmetauscherventil 229 wird nur gesteuert, nur dann das Strömen von Wasserkühlungsmittel durch den Wärmetauscher 225 zur Wärmeentnahme zu ermöglichen, nachdem die Brennstoffzelle 12 eine optimale Betriebstemperatur erreicht hat und überschüssige Wärme erzeugt, wie z.B. in einem stationären Betriebszustand. Der Wärmetauscher 225 zur Wärmeentnahme kann jeglicher in der Technik bekannter Standard-Wärmetauscher sein.
Eine Frostschutzmittel-Kühlmittelschleife 230 kann vorhanden sein, um bei der Wärmeentnahme des Wärmetauschers 225 zur Wärmeentnahme zu unterstützen. Wie mit der (in 1 gezeigten) sekundären Kühlmittelschleife 68, leitet die Frostschutzmittel-Kühlmittelschleife 230 ein sekundäres Kühlmittel, z.B. eine übliche Frostschutzmittellösung, z.B. Ethylenglykol und Wasser oder Propylenglykol und Wasser, um durch eine Frostschutzmittel-Kühlmittelleitung 232, eine Frostschutzmittel-Kühlmittelpumpe 234, einen Frostschutzmittel-Kühlmittelkühler 236 benachbart zu einem zweiten Gebläse 238, um Umgebungsluft über den Frostschutzmittel-Kühlmittelkühler 236 zu leiten, um das sekundäre Kühlmittel zu kühlen, ähnlich wie bei einem traditionellen Autokühler, und durch den Wärmetauscher 225 zur Wärmeentnahme zu zirkulieren, um Wärme aus dem Wasserkühlmittel abzuziehen, welches durch die Kühlmittel-Umgehungsleitung 226 strömt. Wie bekannt, würden übliche Frostschutzmittellösungen die Anoden- und Kathodenkatalysatoren 16', 18' vergiften, und durch Verwendung solcher üblicher Frostschutzmittel innerhalb einer dichten Frostschutzmittel-Kühlmittelschleife 230 werden die Katalysatoren vor der Exposition gegenüber diesen üblichen Frostschutzmitteln geschützt. Außerdem ist das nicht mit Wasser mischbare Fluid sowie die Komponenten, durch welche es strömt, gegen einen Fluidverlust geschützt, indem sie nicht der rasch strömenden Umgebungsluft ausgesetzt sind, welche schädliche Fremdkörper enthält, die üblicherweise auf Automobilkühler auftreffen und diese schädigen.
Die alternative Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 kann auch einen Entgaser 240 umfassen, welcher einen Teil des Kathodenabgasstroms von dem Kathodenabgas 30' durch ein Kathodenabgas-Umleitungsventil 242 leitet, welches einen Teil des Kathodenabgasstroms in eine Entgaser-Zuführleitung 244 umlenkt, welche wiederum den Teil des Kathodenabgasstroms in den Einlass 112' des frosttoleranten Akkumulators 78' leitet. Innerhalb des Einlasses 112' mischt sich der gasförmige Kathodenabgasstrom mit dem Wasserkühlmittel, welches von der Akkumulatorzuführleitung 218 oder der Kühlmittelumgehungsleitung 226 einströmt, so dass jegliche angesammelte, gelöste Kohlensäure (H₂CO₃) innerhalb des Wasserkühlmittels das System als Kohlendioxid durch eine Akkumulatorentlüftung 246 verlässt, welche am Akkumulator 78' angeordnet ist.
Die frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 kann auch ein Ablaufventil 248 umfassen, welches an dem Kühlmitteleinlass 202 angeordnet ist, so dass das Ablaufventil 248 geöffnet werden kann, wenn die Stromerzeugungsanlage 200 abgeschaltet wird und die sekundäre Kühlmittelpumpe 214 das Pumpen beendet, so dass Flüssigkeit innerhalb der Wassertransportplatte 50', des Kühlmitteleinlasses 202 und -auslasses 204 aufgrund der Schwerkraft in den Akkumulator 78' ablaufen kann. Die Stromerzeugungsanlage 200 kann auch ein Drucksteuerungsventil 250 umfassen zur Steuerung eines Drucks des Wasserkühlmittels 82, welches durch die Wassertransportplatte 50' strömt, so dass der Druck niedriger ist als ein Druck der Reaktantenströme, welche durch das benachbarte Kathodenströmungsfeld 22' oder Anodenströmungsfeld 20' strömen. Das Druckventil 250 wird auf eine aus der Technik bekannte Art und Weise gesteuert, wie z.B. beschrieben im US-Patent 6 316 135 B1, welches am 13. November 2001 erteilt wurde und der Inhaberin sämtlicher Rechte der vorliegenden Erfindung gehört. Das nicht mit Wasser mischbare Fluid 80', welches in der alternativen Ausführungsform 200 von 4 verwendet wird, ist das Gleiche wie das nicht mit Wasser mischbare Fluid 80, welches oben in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben wurde.
Die alternative Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 kann konstruiert sein, um das schwerkraftbedingte Ab laufen des Wasserkühlmittels 82' in den Akkumulator 78' während des Abschaltens der Anlage 200 in Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts zu verbessern, wobei der Akkumulator 78' relativ zur Richtung der Schwerkraft tiefer angeordnet ist als die Brennstoffzelle 12', die Wassertransportplatte 50', der Vakuumseparator 210 und andere Komponenten der Anlage 200. Zusätzlich kann die sekundäre Kühlmittelpumpe 214 in einer Position angeordnet sein, die relativ zur Richtung der Schwerkraft noch niedriger als der Akkumulator 78' ist, so dass sie automatisch mit nicht mit Wasser mischbarem Fluid 80' gefüllt wird, um ein Anfahren nach einer Periode des Abschaltens der Anlage zu erleichtern. Das Pumpensteuerungsventil 222, das Kühlmitteleinlass-Steuerungsventil 224, die Kühlmittelpumpe 214, das Ablaufventil 248 und das Kathodenabgas-Umlenkungsventil 242 können alle während des Betriebs der alternativen Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage durch eine aus der Technik bekannte Steuerungseinrichtung gesteuert werden, wie oben in Bezug auf die Ausführungsform 10 der 1 bis 3 der Anlage beschrieben. Wie ersichtlich, eliminiert die alternative Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage das Erfordernis für eine separate Kühlmittelpumpe 52 und eine Pumpe für nicht mit Wasser mischbares Fluid 90, wie in 1 gezeigt, durch Verwendung des Eduktors 212 zur Erzeugung eines partiellen Vakuums innerhalb des Unterdruckseparators 210, des Kühlmittelauslasses 204, der Wassertransportplatte 50' und des Kühlmitteleinlasses 202. Bei Verwendung der alternativen Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 arbeitet der frosttolerante Akkumulator 78' in einer ähnlichen Weise wie oben in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben und bietet eine Struktur (z.B. die offenen Rohre 120A, 120B, 120C, 120D, 120E), welche es ermöglicht, dass das flüssige, erwärmte nicht mit Wasser mischbare Fluid mit niedrigem Gefrierpunkt von dem Einlass 112' für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators 78' durch das gefrorene Wasserkühlmittel 82' in Akkumulator 78' strömt. Beim Anfahren der Anlage 200 nach langfristigem Abschalten bei Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts, bei welchen das Wasserkühlmittel im Akkumulator 78' gefroren wäre, wird die Heizung 94' gestartet; das Pumpensteuerungsventil 222 wird gesteuert, um zu ermöglichen, dass erwärmtes, nicht mit Wasser mischbares Fluid, welches durch die Auslassleitung 220 für nicht mit Wasser mischbares Fluid geleitet wird, in die Kühlmittelpumpe 214 strömt. Die Kühlmittelpumpe 214 pumpt anschließend das nicht mit Wasser mischbare Fluid durch den Eduktor 212, wodurch ein partielles Vakuum innerhalb des Separators 210, des Kühlmittelauslasses 204, der Wassertransportplatte 50' und des Kühlmitteleinlasses 202 erzeugt wird. Die Akkumulator-Zuführleitung 218 leitet dann das erwärmte nicht mit Wasser mischbare Fluid zurück in den Akkumulator 78', so dass es durch die offenen Röhren benachbart zu dem gefrorenen Wasserkühlmittel 82' strömt, um das Auftauen des Wasserkühlmittels 82' zu beginnen. Das Kühlmittel-Einlasssteuerventil 224 wird gesteuert, um zu ermöglichen, dass das erwärmte nicht mit Wasser mischbare Fluid in den Kühlmitteleinlass 202 strömt und das partielle Vakuum darin das nicht mit Wasser mischbare Fluid in die Wassertransportplatte 50', durch den Kühlmittelauslass 204 und in den Vakuumseparator 210 zieht, wodurch das Erwärmen der Brennstoffzelle 12 und Auftauen jeglichen Wassers innerhalb der Komponenten der Brennstoffzelle 12 begonnen wird.
Wenn die Wassertransportplatte 50' und der Vakuumseparator 210 voll sind, wird das Pumpensteuerventil gesteuert, um ein Leiten des nicht mit Wasser mischbaren Fluids vom Akkumulator 78' in die Pumpe zu beenden, und stattdessen leitet das Pumpensteuerungsventil das im Vakuumseparator 210 angesammelte nicht mit Wasser mischbare Fluid durch die sekundäre Kühlmittelpumpe 214, von welcher es fortfährt, durch den Eduktor 212, den Akkumulator 78', die Heizung 94', das Kühlmitteleinlass-Steuerventil 224, den Kühlmitteleinlass 202, die Wassertransportplatte 50', den Kühlmittelauslass 204, den Vakuumseparator 210 und zurück zur Kühlmittelpumpe 214 zu zirkulieren. Dieses Zirkulieren bewirkt ein kontinuierliches Aufwärmen der Brennstoffzelle 12 und Auftauen des Wasserkühlmittels innerhalb des Akkumulators 78'. Ein eingeschränkter Betrieb der Brennstoffzelle kann während dieses Zirkulierens des nicht mit Wasser mischbaren Fluids durch die Wassertransportplatte 50' begonnen werden, vorausgesetzt, dass Reaktantenströme durch das Kathodenströmungsfeld 22' und das Anodenströmungsfeld 20' strömen können.
Wenn die Brennstoffzelle eine gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat und das Wasserkühlmittel innerhalb des frosttoleranten Akkumulator 78' aufgetaut ist, wird die Heizung 94' abgeschaltet und das Kühlmitteleinlass-Steuerventil 224 wird gesteuert, um die Strömung des nicht mit Wasser mischbaren Fluids aus dem Akkumulator 78' zu beenden. Stattdessen ermöglicht das Ventil 224, die Strömung des aufgetauten Wasserkühlmittels 82' durch das Ventil 224 und in den Kühlmitteleinlass 202 und die Wassertransportplatte 50', damit es zurück durch den Vakuumseparator 210, die Kühlmittelpumpe 214, den Eduktor 212 zum Akkumulator 78' zirkuliert. Wenn die Brennstoffzellenbetriebstemperatur eine optimale Temperatur überschreitet, wird das Wärmetauscherventil 229 gesteuert, um einen Teil des zirkulierenden Wasserkühlmittels zu leiten, so dass es durch den Wärmetauscher 225 zur Wärmeentnahme strömt, und die Frostschutzmittel-Kühlmittelschleife 230 kann ebenfalls aktiviert werden, um die Temperatur des Wasserkühlmittels weiter auf eine optimale Temperatur zu reduzieren.
Die alternative Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 ist dann in einem stabilen Betriebszustand, bei welchem Wasserkühlmittel kontinuierlich von dem Akkumulator 78' und durch den Kühlmitteleinlass 202, die Wassertransportplatte 50', den Kühlmittelauslass 204, den Vakuumseparator 210 und zurück zum Akkumulator 78' zirkuliert. Weil der Eduktor 212 kontinuierlich ein partielles Vakuum innerhalb des Separators 210, des Kühlmittelauslasses 204, der Wassertransportplatte 50' und des Kühlmitteleinlasses 202 erzeugt, werden entweder nicht mit Wasser mischbares Fluid 80' oder Wasserkühlmittel 82' vom Akkumulator 78' in den Kühlmitteleinlass 202 gezogen, obwohl der Akkumulator 78' nicht mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Nach Abschalten der alternativen Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 wird die Kühlmittelpumpe 214 gesteuert, um das Pumpen zu beenden, und die Ablaufbelüftung 248 auf dem Kühlmitteleinlass wird geöffnet, um eine Luftströmung in den Kühlmitteleinlass 202 zu ermöglichen. Der Akkumulator 78' kann positioniert sein, um Wasserkühlmittel durch Schwerkraft-Ablaufen zu dem Akkumulator 78' von der Wassertransportplatte 50' und anderen Komponenten der Anlage 200 aufzunehmen. Falls die Wassertransportplatte 50' und andere Komponenten der Anlage 200 nicht in den Akkumulator 78' drainieren, oder um jegliches verbleibendes Was serkühlmittel innerhalb der Komponenten der Anlage 200 in den Akkumulator 78' zu verdrängen, kann nicht mit Wasser mischbares Fluid aus dem Akkumulator 78', ohne dass die Heizung 94' aktiviert wird, durch die Auslassleitung 220 für nicht mit Wasser mischbares Fluid, das Pumpensteuerventil 222, die Kühlmittelpumpe 214, den Eduktor 212, die Kühlmittel-Umgehungsleitung 226, den Wärmetauscher 225 zur Wärmeentnahme, die Akkumulator-Zuführleitung 218, den Einlass 122' des Akkumulators 78', das Kühlmitteleinlass-Steuerventil 224, den Kühlmitteleinlass 202, die Wassertransportplatte 50' und den Vakuumseparator 210 zirkuliert werden. Die Kühlmittelpumpe 214 wird anschließend abgeschaltet. Durch das Zirkulieren des nicht mit Wasser mischbaren Fluids durch die Komponenten der Anlage 200 wird Kühlmittelwasser in den frosttoleranten Akkumulator 78' zur Vorbereitung eines langfristigen Abschaltens unter Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts hinein verdrängt, und nur das nicht mit Wasser mischbare Fluid mit niedrigem Gefrierpunkt verbleibt in jeglichen Komponenten der Anlage 200, welche man nicht mit Schwerkraft ablaufen lassen kann. Außerdem kann, wie in 4 gezeigt, die Kühlmittelpumpe 214 relativ zur Richtung der Schwerkraft tiefer als der Akkumulator 78' positioniert werden, so dass sie mit nicht mit Wasser mischbarem Fluid in Vorbereitung eines Anfahrens bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts gefüllt werden kann, wie oben beschrieben.
Die Verwendung der alternativen Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 kann auch beschrieben werden als ein Verfahren zum Betrieb und Lagern der alternativen Ausführungsform der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 200 unter Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts durch die folgenden Schritte: Speichern des Wasserkühlmittels 82' und des nicht mit Wasser mischbaren Fluids 80' in einem frosttoleranten Akkumulator 78', welcher in Fluidverbindung durch einen Kühlmitteleinlass 202 mit der Wassertransportplatte 50' der Brennstoffzelle 12' verbunden ist, Anordnen des Vakuumseparators 210 in Fluidverbindung durch den Kühlmittelauslass 204 mit der Wassertransportplatte 50', Erzeugen von Unterdruck in dem Vakuumseparator 210 durch Pumpen von nicht mit Wasser mischbarem Fluid von dem Akkumulator 78' durch den Eduktor 212, welcher an dem Separator 210 angeordnet ist; Leiten des nicht mit Wasser mischbaren Fluids von dem Eduktor 212 zurück zu dem Akkumulator 78'; Leiten des nicht mit Wasser mischbaren Fluids von dem Akkumulator 78' durch den Kühlmitteleinlass 202, die Wassertransportplatte 50', den Kühlmittelauslass 204, den Vakuumseparator 210 und zurück zu dem Akkumulator 78'; anschließend Pumpen des nicht mit Wasser mischbaren Fluids von dem Vakuumseparator 210 durch den Eduktor 212 zum Akkumulator 78', wenn der Vakuumseparator 210 mit nicht mit Wasser mischbarem Fluid gefüllt ist; und anschließend Leiten des Wasserkühlmittels 82' zum Zirkulieren von dem Akkumulator 78' durch den Kühlmitteleinlass 202, die Wassertransportplatte 50', den Kühlmittelauslass 204, den Vakuumseparator 210 und zurück zum Akkumulator 78', wenn die Brennstoffzelle 12' eine gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat.
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine bestimmte Konstruktion einer frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 beschrieben und dargestellt wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Zum Beispiels sind die Bezugnahmen auf einen "Separatorauslass 216", einen "Auslass 88' für nicht mit Wasser mischbares Fluid", eine "Auslassleitung 220 für nicht mit Wasser mischbares Fluid" nicht auf "röhrenähnliche" Komponenten beschränkt. Stattdessen können solche Komponenten jegliche Struktur haben, welche einen Pfad für ein Fluid zwischen den beschriebenen Komponenten bereitstellt. Der "Separatorauslass 216" kann integral mit dem Vakuumseparator 210 durch ein direkt an der Kühlmittelpumpe 214 angeordnetes Verteilungssystem sein, etc. Außerdem wird beschrieben, dass das Wasserverdrängungssystem 76 die Wiederverwertungsleitung 110 für nicht mit Wasser mischbares Fluid und das Wiederverwertungsventil 136 umfasst, um erwärmtes, nicht mit Wasser vermischbares Fluid durch die offenen Rohre 120A bis 120L des Akkumulators zu zirkulieren, um gefrorenes Wasserkühlmittel innerhalb des Akkumulators 78 aufzutauen. Es ist jedoch innerhalb des Bereichs der Erfindung, eine direktere Heizungseinrichtung zum Auftauen des gefrorenen Wassers im Akkumulator 78 zu verwenden, z.B. eine elektrische Widerstandsheizung oder eine alternative Heizungseinrichtung, welche im Akkumulator 78 positioniert ist, so dass das Zurückführen von erwärmtem, nicht mit Wasser mischbaren Fluid nicht notwendig ist. Ferner sind die oben beschriebenen Ausführungsformen der frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10, 200 beschrieben in Bezug auf eine Brennstoffzelle 12 mit einem Protonaustauschmembran ("PEM")-Elektrolyten 14. Die Wasserverdrängungssysteme 76, 206 können jedoch auch auf eine Brennstoffzelle mit alternativen Elektrolyten angewendet werden. Dementsprechend sollte hauptsächlich auf die folgenden Patentansprüche anstatt der vorangegangenen Beschreibung Bezug genommen werden, um den Umfang der Erfindung zu bestimmen.
Zusammenfassung
Die Erfindung ist eine frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200), welche mindestens eine Brennstoffzelle (12') und eine Wassertransportplatte (50') umfasst, die in der Brennstoffzelle (12') angeordnet ist, mit einem Kühlmitteleinlass (202) und einem Kühlmittelauslass (204), welche Wasserkühlmittel durch die Platte (50') leiten. Ein Unterdruck-Wasserverdrängungssystem (206) umfasst einen frosttoleranten Akkumulator (78'), welcher an dem Kühlmitteleinlass (202) angeordnet ist, und einen Vakuumseparator (210), welcher an dem Kühlmittelauslass (204) angeordnet ist, mit einem Unterdruck-erzeugenden Eduktor (212), der an dem Separator (210) angeordnet ist. Steuerventile (222, 224) und eine Kühlmittelpumpe (214) leiten selektiv entweder das Wasserkühlmittel, erwärmtes oder nicht erwärmtes nicht mit Wasser mischbares Fluid zur Zirkulation von dem Akkumulator (78') durch den Kühlmitteleinlass (202), die Wassertransportplatte (50'), den Kühlmittelauslass (204), den Vakuumseparator (210) und zurück zum Akkumulator (78'), um den Betrieb und das Lagern der Anlage (200) bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes zu ermöglichen.

Claims

Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus reduzierendem Fluid- und Prozess-Oxidationsmittel-Reaktantenströmen, wobei die Anlage aufweist: a. mindestens eine Brennstoffzelle (12'); b. mindestens eine Wassertransportplatte (50'), welche innerhalb der Brennstoffzelle (12') angeordnet ist und ein Wasserkühlmittel durch die Brennstoffzelle (12') leitet, einen Kühlmitteleinlass (202) und ein Kühlmittelauslass (204) in Fluidverbindung mit der Platte (50'), welche das Wasserkühlmittel in die und aus der Wassertransportplatte (50') leiten; und c. ein Unterdruck-Wasserverdrängungssystem (206), aufweisend i. eine frosttolerante Akkumulatoreinrichtung (78'), welche in Fluidverbindung mit dem Kühlmitteleinlass (202) verbunden ist zum Speichern des Wasserkühlmittels und eines nicht mit Wasser mischbaren Fluids; ii. einen Vakuumseparator (210), welcher in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelauslass (204) angeordnet ist; iii. eine Unterdruck erzeugende Eduktoreinrichtung (212), welche mit dem Vakuumseparator (210) verbunden ist, zum Erzeugen eines partiellen Vakuums innerhalb des Separators (210), des Kühlmittelauslasses (204), der Wassertransportplatte (50') und des Kühlmitteleinlasses (202), und welche in Fluidverbindung mit einem Einlass des Akkumulators (210) verbunden ist; iv. eine Kühlmittel-Zirkulationseinrichtung (214), welche in Fluidverbindung zwischen einem Separatorauslass (216), einem Auslass (88') für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators (220) und dem Eduktor (212) angeordnet ist, zum Pumpen des Wasserkühlmittels oder des nicht mit Wasser mischbaren Fluids zu dem Eduktor (212); v. ein Pumpensteuerventil (222), welches in Fluidverbindung zwischen dem Separatorauslass (216) und dem Auslass (220) für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators (78') verbunden ist, um selektiv Fluid von entweder dem Separator (216) oder dem Akkumulator (78') zu leiten, so dass es in die Kühlmittel-Zirkulationseinrichtung (214) strömt; und vi. ein Kühlmitteleinlass-Steuerventil (224), welches in Fluidverbindung zwischen dem Auslass (220) für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators (78'), einem Kühlmittelwasserauslass (208) des Akkumulators und dem Kühlmitteleinlass (202) angeordnet ist, zum selektiven Leiten von entweder dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid oder dem Kühlmittelwasser, so dass es von dem Akkumulator (78') in den Kühlmitteleinlass (202) strömt.
Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) nach Anspruch 1, wobei das nicht mit Wasser mischbare Fluid gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Perfluorkohlenstoffen, Hydrofluorethern, und Mischungen davon.
Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) nach Anspruch 1, wobei das nicht mit Wasser mischbare Fluid gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alkanen, Alkenen, Alkinen mit 6 oder mehr Kohlenstoffatomen, und Mischungen davon.
Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) nach Anspruch 1, wobei das nicht mit Wasser mischbare Fluid gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Perfluorkohlenstoffen, Hydrofluorethern und Mischungen davon, welche einen Gefrierpunkt von oder weniger als –40°C haben und nicht mit Wasser mischbar sind.
Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) nach Anspruch 1, wobei das nicht mit Wasser mischbare Fluid gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alkanen, Alkenen, Alkinen mit 6 oder mehr Kohlenstoffatomen, und Mischungen davon, die einen Gefrierpunkt von oder weniger als –40°C haben und nicht mit Wasser mischbar sind.
Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) nach Anspruch 1, wobei die frosttolerante Akkumulatoreinrichtung (78') einen Offenrohr-Akkumulator mit einer Mehrzahl von plastisch verformbaren offenen Rohren (120A, 120B, 120C, 120D, 120E) aufweist.
Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) nach Anspruch 1, wobei das Unterdruck-Wasserverdrängungssystem (206) ferner eine Heizungseinrichtung (94') für nicht mit Wasser mischbares Fluid zum Erwärmen des nicht mit Wasser mischbaren Fluids aufweist, welche in Wärmeaustauschverbindung mit dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid benachbart zu dem Auslass (88') für nicht mit Wasser mischbares Fluid des Akkumulators (78') angeordnet ist.
Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) nach Anspruch 1, wobei eine Ablaufbelüftung (248) in Fluidverbindung mit dem Kühlmitteleinlass (202) verbunden ist, um selektiv zu ermöglichen, dass Luft in den Kühlmitteleinlass (202) einströmt.
Frosttolerante Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) nach Anspruch 1, wobei ein Wärmetauscher (225) zur Wärmeentnahme in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelauslass (204) verbunden ist, und eine dichte Frostschutzmittel-Schleife (230) in Wärmeaustauschverbindung mit dem Wärmetauscher (225) zur Wärmeentnahme verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben und Lagern einer frosttoleranten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (200) unter Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts, wobei die Stromerzeugungsanlage (200) eine Brennstoffzelle (12') und eine Wassertransportplatte (50'), welche in der Brennstoffzelle (12') angeordnet ist und ein Wasserkühlmittel durch die Brennstoffzelle (12') leitet, einen Kühlmitteleinlass (202) und einen Kühlmittelauslass (204) in Fluidverbindung mit der Platte (50') aufweist, welche ein Wasserkühlmittel in die und aus der Wassertransportplatte (50') leiten, aufweisend die folgenden Schritte: a. Speichern des Wasserkühlmittels und eines nicht mit Wasser mischbaren Fluids in einem frosttoleranten Akkumulator (78'), welcher in Fluidverbindung durch den Kühlmitteleinlass (202) mit der Wassertransportplatte (50') angeordnet ist; b. Erzeugen von Unterdruck in einem Vakuumseparator (210), welcher in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelauslass (204), der Wassertransportplatte (50') und dem Kühlmitteleinlass (202) verbunden ist, durch Pumpen des nicht mit Wasser mischbaren Fluids von dem Akkumulator (78') durch einen Eduktor (212), welcher mit dem Separator (210) verbunden ist; und c. selektiv Leiten von entweder dem nicht mit Wasser mischbaren Fluid oder dem Wasserkühlmittel zum Zirkulieren von dem Akkumulator (78') durch den Kühlmitteleinlass (202), die Wassertransportplatte (50'), den Kühlmittelauslass (204), den Vakuumseparator (210) und zurück zu dem Akkumulator (78').
Verfahren nach Anspruch 10, ferner aufweisend die folgenden Schritte: a. Pumpen von erwärmtem, nicht mit Wasser mischbaren Fluid von dem Akkumulator (78') durch den Eduktor (212); b. anschließend Leiten des erwärmten nicht mit Wasser mischbaren Fluids von dem Eduktor (212) zurück zu dem Akkumulator (78'); c. anschließend Leiten des erwärmten nicht mit Wasser mischbaren Fluids von dem Akkumulator (78') durch den Kühlmitteleinlass (202), die Wassertransportplatte (50'), den Kühlmittelauslass (204), den Vakuumseparator (210) und zurück zu dem Akkumulator (78'), um die Temperatur der Brennstoffzelle (12') zu erhöhen; d. anschließend Pumpen von nur dem erwärmten, nicht mit Wasser mischbaren Fluid zum Zirkulieren von dem Vakuumseparator (210) durch den Eduktor (212), den Akkumulator (78'), den Kühlmitteleinlass (202), die Wassertransportplatte (50'), dem Kühlmittelauslass (204) und zurück zum Separator (210), wenn der Vakuumseparator (210) mit nicht mit Wasser mischbarem Fluid gefüllt ist; und e. anschließend Leiten von nur dem Wasserkühlmittel zum Zirkulieren von dem Akkumulator (78') durch den Kühlmitteleinlass (202), die Wassertransportplatte (50'), den Kühlmittelauslass (204), den Vakuumseparator (210) und zurück zu dem Akkumulator (78'), wenn die Brennstoffzelle (12') die erwünschte Betriebstemperatur erreicht hat.