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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Kühlmittelmanagementsystem
in einem Polymerelektrolytmembran-(PEM) Brennstoffzellensystem.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die vorteilhafte Verwendung
von Unterdruckvorrichtungen und insbesondere von einem Ejektor im
Kühlmittelströmungskreislauf
des Brennstoffzellensystems.
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Stand der
Technik
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Beim
Design und Betrieb von Brennstoffzellensystemen und insbesondere
bei Brennstoffzellensystemen mit einer Polymerelektrolytmembran (PEM)
ist das Management des Kühlmittels,
typischerweise Wasser, wichtig und stellt eine Herausforderung dar.
Die Drücke,
Strömungsraten
und Volumina, wie auch die Qualität des Wassers im Kühlmittelströmungskreislauf
eines PEM-Brennstoffzellensystems sind entscheidend für den fortgesetzten,
effizienten Betrieb des Systems, weil das Kühlmittelsystem der Schlüssel zum
Aufrechterhalten des Entfernens von Produktwasser vom Brennstoffzellenstapel ist,
während
des ebenfalls gewährleistet,
dass dieser Membranelektrolyt nicht austrocknet. Die Anwesenheit
von nicht kondensierbarem (unter normalen Betriebsbedingungen nicht
ohne weiteres kondensierbarem) Gas im Kühlmittelwasser erzeugt Wassermanagementprobleme,
welche angegangen werden müssen.
In verschiedenen Brennstoffzellensystemen aus dem Stand der Technik
wird Wasser von Reaktantengasen im Brennstoffzellenstapel isoliert,
wodurch ein Verschleppen/Lösen
der Gase in dem Kühlmittel
und die verschiedenen damit verbundenen Probleme oder Einschränkungen
minimiert werden. In PEM-Brennstoff zellenstapeln, welche Wassertransferplatten
(WTP) zwischen benachbarten Brennstoffzellen im Stapel als Kühlmittelverteilungsmedium
verwenden, kommen die im System vorhandenen Gase in engen Kontakt
mit dem Kühlmittelwasser
und werden ohne weiteres verschleppt und/oder darin gelöst. Daher
muss das Kühlmittelmanagementsystem
die Zirkulation von Fluiden in zwei Phasen bzw. Zuständen, d.h.
gasförmig
und flüssig, bewältigen.
Dies kann; und wurde, mit Volumentstromvorrichtungen gemacht werden,
z.B. eine oder mehrere Pumpen der Verdrängungsbauart. Die Pumpen sind
jedoch relativ komplex und kostspielig. Außerdem ist es ferner erwünscht, an
irgendeinem Punkt die verschleppten nicht kondensierbaren Gase vom
rezirkulierenden Kühlmittel
zu trennen. Das Entfernen mancher Gase, z.B. Wasserstoff (H2) und/oder Kohlendioxid (CO2)
aus dem Kühlmittel
ist essenziell, um ein Erhöhen
ihrer Konzentration im Kühlungssystem
zu vermeiden. Daher können
manche Trennungs- oder Entgasungsmechanismen tatsächlich zur
Sättigung
des Kühlmittels
mit Luft beitragen.
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Dementsprechend
ist es ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Kühlmittelmanagementsystem
in einem Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu
stellen. Es ist ein weiteres Ziel, ein solches Kühlmittelmanagementsystem auf
eine Weise zur Verfügung
zu stellen, welche weniger komplex und weniger kostspielig als bisherige Systeme
ist.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren und ein System zum Management
von Wasserkühlmittel
in einer PEM-Brennstoffzelle, welches Wassertransportplatten (WTP)
umfasst. Die Erfindung umfasst die Verwendung einer Gas-Flüssigkeitstrennungseinrichtung
mit einer Unterdruckvorrichtung in einem PEM-Brennstoffzellensystem
des Typs, bei welchem nicht kondensierbares Gas ohne weiteres im
zirkulierenden Kühlmittel
verschleppt und/oder gelöst
wird, teilweise aufgrund dessen Kontakts mit dem WTP. Die Unterdruckvorrichtung
(bzw. Vakuumvorrichtung) in einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Unterdruckpumpe, z.B. ein Ejektor, zum Transportieren von
Gas oder einer Gas-Flüssigkeitsmischung
durch Sog. Die Gas-Flüssigkeitstrennung
umfasst mindestens den effizienten Transport des Gases und vorzugsweise
auch die Verwendung einer Trennungs- und/oder Speichervorrichtung
um die Gas-Flüssigkeitstrennung
und Speicherung des flüssigen
Kühlmittels
voranzutreiben. Ferner bietet eine relativ einfache und kostengünstige Kühlmittelpumpe,
z.B. eine Zentrifugalpumpe oder ähnliche
dynamische Pumpe, die Zirkulationsbewegungskraft und den treibenden
Druck für das
Kühlmittelwasser
im Kühlmittelsystem.
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Zusätzlich zu
den Anoden- und Kathodenreaktantenkanälen in und für eine Brennstoffzellenanordnung
(Fuel Cell Assembly, CSA), umfasst die Brennstoffzellenanordnung
ferner einen Kühlmittelkanal
bzw. Kühler,
welcher die Wassertransferplatten enthält. Gas, z.B. Luft, Wasserstoff,
Kohlendioxid, etc., welches in flüssigem Kühlmittel beim Strömen an dem
WTP verschleppt und/oder gelöst
wird, wird von Kühlmittel
mit Hilfe einer Unterdruckvorrichtung, z.B. einem Ejektor, und weiteren
Trennungs-/Speichereinrichtungen entfernt. Der Ausdruck "Gas" soll, wie hier verwendet,
ein normalerweise nicht kondensierbares Gas bedeuten, welches in
Kühlmittel
verschleppt und/oder gelöst
wurde, im Gegensatz zu Dampf, welcher kondensierbar ist. Die Trennungs-/Speichereinrichtung
kann beispielsweise ein Zentrifugal-Separator/Speicher und/oder
ein Luftfallen-(bubble trap) Separator/Speicher sein.
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Der
Ejektor umfasst einen primären
(bzw. Bewegungs-)Einlass, einen sekundären (bzw. Ansaug-)Einlass und
einen Ausstoßausgang
(bzw. Auslass). Kühlmittelwasser
von der Kühlmittelpumpe wird
zum Bewegungseinlass des Eduktors geführt. Der Bewegungseinlass des
Eduktors ist mit einem Bereich des Kühlmittelkreislaufs verbunden,
welcher geeignet ist, eine relative Trennung von verschleppten Gasen
zu ermöglichen,
so dass der Unterdruck zumindest den gasförmigen Teil zu und durch den Ejektor
zieht. Ein Separator/Speicher nimmt den Ausfluss des Ejektors für weitere
Gastrennung und Speicherung des flüssigen Kühlmittels auf, welches für die Rückkehr in
den Kühlmittelkreislauf
bestimmt ist.
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In
einer Ausführungsform
wird ein Gas-Flüssigkeitsmischungskühlmittel
durch Unterdruck durch den Ejektor gezogen und dann getrennt. Gespeichertes
flüssiges
Kühlmittel
wird dann zur Kühlmittelpumpe
geführt.
In einer weiteren Ausführungsform
umfasst eine vorausgehende Trennung des Gases von Flüssigkeit
einen Luftfallenseparator oder ähnliches, so
dass der Ejektor hauptsächlich
Gas von der Falle zieht. Das verbleibende flüssige Kühlmittel wird erst der Kühlmittelpumpe
zugeführt
und dann wird die Strömung
zwischen dem Bewegungseinlass des Eduktors und dem zusätzlichen
Separator/Speicher vor Rückkehr
in den Kühlmittelkreislauf
aufgeteilt. Das getrennte Gas, z.B. Luft, Wasserstoff, Kohlendioxid,
etc., kann aus dem System entlüftet
oder im Fall von Luft zur Verwendung als Oxidationsmittelreaktant
zur Kathode der Zellenstapelanordnung zurückgeführt werden. Ein Entmineralisierer
kann im Umgehungsrücklaufverhältnis mit
der Kühlmittelpumpe
angeschlossen werden, um die gewünschte
Wasserqualität
aufrechtzuerhalten.
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Die
vorangehenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
anschaulicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften
Ausführungsformen,
dargestellt mit den begleitenden Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems
mit einem Kühlmittelmanagementsystem,
welches in allgemeiner Übereinstimmung
mit der Erfindung ist;
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellenstromerzeugungssystems
mit einem Kühlmittelmanagementsystem
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ist
eine Explosionszeichnung eines in das Kühlmittelmanagementsystem der
Erfindung inkorporierten Injektors;
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4 ist
eine Untenansicht der Oberplatte des Ejektors von 3,
welche die Anordnung und Konturen der Ejektorströmungskanäle zeigt;
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5 ist
eine vergrößerte Ansicht
des eingekreisten Bereichs von 4, welches
die Ejektorströmungskanäle detaillierter
zeigt;
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6 ist
ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems
mit einem Kühlmittelmanagementsystem
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung; und
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7 ist
ein einfaches schematisches Diagramm eines Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems
mit einem Kühlmittelmanagementsystem
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, welche ähnlich
jener von 6 ist, und bietet beispielhafte Druckzuwächse/Verluste
rund um den Kühlmittelkreislauf.
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Beste Art
der Ausführung
der Erfindung
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Es
wird zunächst
auf 1 Bezug genommen, wo schematisch ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem
dargestellt ist, allgemein bezeichnet mit dem Bezugszeichen 10,
einschließlich
einer oder mehrerer Brennstoffzellenstapelanordnungen (Cell Stack
Assemblies, CSA) 12 und eines allgemein mit 14 bezeichneten
Kühmittelmanagementsystems. Die
CSA 12 ist von dem Typ, welcher eine Polymerelektrolytmembran 16 verwendet,
PEM-Zelle genannt, genauer beschrieben im Reiser erteilten US Patent
5 700 595, welches durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen wird.
Die Membran 16 ist zwischen einem Anoden-Brennstoffreaktanten-Strömungsfeldbereich 18 und
einem Kathoden-Oxidationsmittelreaktanten-Strömungsfeldbereich 20 angeordnet.
Wasserstoffreiches Brennstoffreaktantengas wird zum Anodenbereich 18 über eine
Leitung 15, welche das Brennstoffsteuerungssystem 17 enthält, geführt. Ein Oxidationsmittel,
z.B. Luft, wird zum Kathodenbereich 20 aus einer oder mehreren
Quellen, einschließlich
beispielsweise über
die Rückführungsleitung 19,
was im Folgenden detaillierter beschrieben wird.
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Ferner
umfasst die CSA 12 einen Kühler 22 mit einem
Einlass 27 und einem Auslass 29, welcher Kühlmittelströmungsfelder
zum Leiten von Kühlmittelwasser
zu und von der Zellenstapelanordnung 12 bietet. Das Kühlmittel 22 umfasst
feinporige Wassertransportplatten (WTP), hier nicht gezeigt, aber
im größeren Detail
im bereits genannten US-Patent 5 700 595 beschrieben. Über und
durch die Wassertransportplatten strömendes Kühlmittelwasser trägt dazu
bei, ein Überqueren
von Reaktantengasen zwischen benachbarten Brennstoffzellen in der
Zellenstapelanordnung 12 zu verhindern, aber währenddessen
wird ein Teil des Reaktantengases verschleppt und/oder im Kühlmittelwasser
gelöst.
Die verschleppten/gelösten
Gase umfassen typischerweise Luft, Wasserstoff und, falls ein Reformatbrennstoff
verwendet wird, Kohlendioxid. Während
ein Teil der Luft in das Kühlmittel
bei seinem Durchströmen durch
den Brennstoffzellenstapel 12 eingeführt wird, wird Luft auch durch
das Kühlmittel
bei einem "Stripping"- oder Spülvorgang
während
des Strömens
des Kühlmittels
durch einen unten beschriebenen Entgaserseparator aufgenommen. Normalerweise
ist die größte Menge
an im Kühlmittel
verschleppten, gelösten
Gas entweder vor oder nach dem Entgasen, die Luft, welche als Stripping-Medium
verwendet wird. Der Ausdruck "Gas", wie hier verwendet,
soll ein nicht kondensierbares Gas bedeuten, welches im Kühlmittel
verschleppt und/oder gelöst
ist, im Gegensatz zu Dampf, welcher kondensierbar ist.
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Das
Kühlmittelmanagementsystem 14 ist
im Prinzip ein Versorgungskreislauf, welcher einen Teil oder das
gesamte Kühlmittelwasser
zum Brennstoffzellenstapel 12 für die Wiederverwendung zurückführt. Daher
ist es erwünscht,
dass das Kühlmittel
im flüssigen
Zustand ist, aus einer Reihe von Gründen, einschließlich Wärmetransfer,
Befeuchtung, Reaktantenbarriere, vereinfachtes Pumpen, etc. Außerdem ist
es erwünscht,
dass potenziell sämtliche
Gase, z.B. Wasserstoff oder Kohlendioxid, sich im Kühlmittelsystem 14 nicht
ansammeln. Wie jedoch bereits erwähnt, enthält das Kühlmittel, welches den Zellenstapel 12 verlässt, typischerweise
eine signifikante Gasmenge, typischerweise Luft, aber auch Wasserstoff
etc. Dementsprechend enthält
das Kühlmittelmanagementsystem 14 Möglichkeiten
zum effizienten Pumpen des Kühlmittels
im flüssigen
Zustand durch die relevanten Teile des Kühlmittelkreislaufs und Möglichkeiten
zum Vereinfachen des Transports von Gas und/oder Gas-Flüssigkeitsmi schungen
in dem Kühlmittel,
welches den Zellenstapel 12 verlässt, zu einem Separator. Zu
diesem Zweck stellt die Erfindung eine Flüssigkeitspumpe, z.B. eine Zentrifugalkühlmittelpumpe 24,
bereit und einen Gas-Transport- und -Trennungsmechanismus 26 im
Kühlmittelmanagementsystem,
bzw. -kreislauf, 14.
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Die
Pumpe 24 ist eine Zentrifugalpumpe konventioneller Bauart
und ist relativ einfach, effizient und im Handel erhältlich.
Die Pumpe 24 hat einen Einlass 23 und einen Auslass 25 und
kann verwendet werden, um die erforderliche Kühlmitteldrucksteigerung zur
Verfügung
zu stellen, da sie nur flüssiges Kühlmittel,
d.h. Wasser, und nicht ein Flüssigkeits-Gasgemisch
pumpen muss, wie im Folgenden erklärt wird. Es versteht sich,
dass im Kühlmittel
gelöste
Gas für
diesen Typ Pumpe keine Schwierigkeit darstellt, wie es verschleppte
Gase tun, da effektiv nur die letzteren in der Pumpe in der Gasphase
auftreten.
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Der
Gas-Transport- und -Trennungsmechanismus 26 ist in 1 umfassend
dargestellt und umfasst eine Unterdruckvorrichtung, z.B. eine Unterdruckpumpe 28,
und einen Separator/Speicher 30 und ist im Kühlmittelkreislauf 14 zwischen
einem Bereich einer Gas-Flüssigkeitskühlmittelmischung stromabwärts vom
Kühler 22 des
Zellenstapels 12 und dem Einlass 23 zur Pumpe 24 verbunden.
Der Sog der Unterdruckpumpe 28 bietet ein relativ effizientes
Mittel zum Transportieren von Gas oder einer Gas-Flüssigkeitsmischung,
um eine Trennung der Gas- und Flüssigkeitsphase
und das Speichern der Flüssigkeit
unter Verwendung des Separator-Akkumulators 30 zu bewirken,
was detaillierter in Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wird.
Das resultierende gespeicherte flüssige Kühlmittel wird dann zum Einlass 23 einer
Kühlmittelpumpe 24 geführt. Eine
Quelle für
Spülluft
oder Stripping-Luft wird über
die Leitung 32 dem Separator/Akkumulator 30 zur
Verfügung
gestellt, um die Trennung und Entfernung von gelösten oder verschleppten Gasen,
z.B. Wasserstoff und Kohlendioxid, aus dem Kühlmittelkreislauf 14 zu
unterstützen,
wobei die Luft dann weiter zur Kathode 20 über die
Rückführleitung 19 gebracht
werden kann. Die Luftquelle für
die Stripping-Luft kann tatsächlich
die Luft sein, welche die Kathode 20 verlässt.
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Ein
Entmineralisierer kann parallel zur Kühlmittelpumpe 24 von
ihrem Auslass 25 zu ihrem Einlass 23 verbunden
sein, um nicht erwünschte
Mineralien aus dem Kühlmittelwasser
zu entfernen. Möglichkeiten
zum entsprechenden Erwärmen
des Kühlmittels,
beispielsweise durch eine elektrische Heizung 36, vor seinem
Einlass in den Zellenstapel 12 über ein Einstellungsventil 37 sind
vorgesehen. Durch das Kühlmittel
während
seiner Passage durch den Zellenstapel 12 aufgenommene Wärme kann dann
reguliert und abgegeben werden, falls notwendig, durch Verwendung
eines Wärmetauschers,
z.B. eine Kombination aus Kühler/Ventilator 38.
Der Kühler/Ventilator 38 kann
mit einem Bereich an Variablität ausgestattet
sein oder kann nur für
Maximalleistung ausgelegt und vorgesehen sein, wobei die gewünschte Variabilität über eine
Bypass-Kühlmittelleitung 40 erreicht
werden kann, welche in Umgehung mit dem Kühler/Ventilator 38 über ein
Mehrweg-Wärmesteuerungsventil 42 verbunden
ist.
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Zusätzlich,
wie in gestrichelter Linie dargestellt, kann es wünschenswert
sein, einen Teil des ausströmenden
Kühlmittels
vom Auslass 29 des Kühlers 22 zur
Erzeugung von Dampf auf bekannte Weise bei einer Reformierungsreaktion
in einem Brennstoffaufbereitungssystem (Fuel Processing System FPS) 90 zu
verwenden, welches mit den Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem
verbunden ist. In einem solchen Fall kann Kühlmittel mit verschleppten
Gasen durch ein Kontrollventil 91 und eine Pumpe 93 zum
Brennstoffaufbereitungssystem 90 über eine Heizung 92 geleitet
werden. Weil das Kühlmittel,
welches den Kühler 22 des
PEM-Brennstoffzellenstapels 12 verlässt, keine besonders hohe Temperatur
hat, dient die Heizung 92, welche ein Brenner, Boiler oder
Wärmetauscher
sein kann, dazu, den erforderlichen Dampf in oder aus dem Kühlmittel
zu erzeugen. Das Kontrollventil 91 ermöglicht eine Portionierung der
Strömung
bis zu erforderlichen Ausmaß.
In dem Maß,
in welchem Kühlmittel
für Dampf
im Brennstoffaufbereitungssystem 90 verwendet wird, wird
ein Teil davon im Folgenden zu Wasser kondensiert und dieses Kondensat
kann in den Kühlmittelkreislauf 14 zurückgeführt oder
zugefügt
werden. Es wird darauf hingewiesen, dass als Folge der Dampferzeugung
der Heizung 92 ein Ausblasen in regelmäßigen Abständen (Periodic Blowdown) der
Heizung 92 erforderlich ist, um ein Ansammeln von Verunreinigungen
im Wasser zu vermeiden. Es ist wichtig, ein Kühlmittelgleichgewicht innerhalb
des Kühlmittelmanagementsystems 14 und
insbesondere im Zellenstapel aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck
kann Kühlmittelwasser
selektiv zu dem System 14 hinzugefügt (oder entfernt) werden, beispielsweise
durch Steuerung des Ausmaßes
des Ausblasens von der Heizung 92, welches über ein damit
verbundenes Kontrollventil 44 in den Kühlmittelkreislauf 14,
vorzugsweise direkt vor dem Separator 26, eintritt und/oder
die den Kühlmittelkreislauf 14 zurückgeführte/zugefügte Menge
an Brennstoffzellenproduktwasser (nicht gezeigt). Es sollte angemerkt
werden, dass es nicht erforderlich ist, dass der Kühlmittelkreislauf 14 kontinuierlich
100% des durch den Kühler 22 strömenden Kühlmittels
zu jeder Zeit rezirkuliert, wenngleich dies ein wünschenswertes Ziel
sein kann. Stattdessen kann Kühlmittel
aus diesem Kreislauf bei Verwendung in einem Dampf-Reformierungsprozess,
z.B. in der Brennstoffaufbereitungsanlage 90, verloren
gehen, und Kühlmittel
kann von dem durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 12 gebildeten
Produktwasser hinzugefügt
werden.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung im Kontext einer spezifischeren Ausführungsform
wird nun auf 2 Bezug genommen. Elemente,
welche identisch oder ähnlich
mit denen in 1 beschriebenen sind, erhalten
die gleichen (oder abgeleitete) Bezugszeichen, und das Gleiche gilt
für die
folgenden Figuren. 2 zeigt ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem 10 ähnlich dem
in 1 dargestellten allgemeinen Basissystem dar, weisen
aber den Gas-Flüssigkeitstrennungsmechanismus 26' in einer detaillierten
Ausführungsform
auf. Die Vakuumpumpe 28 von 1 ist hier
als Flüssigkeitsejektor 28' beschrieben
und dargestellt, und der Separator/Speicher ist ein Zentrifugalseparator/Speicher 30; die über die
Leitung 32 zu dem Separator/Akkumulator 30' geführte Luft
wird durch ein Luftgebläse 46 mit variabler
Geschwindigkeit zugeführt.
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Der
Flüssigkeitsejektor 28' ist in größerem Detail
in 3, 4 und 5 dargestellt
und gehört
zu einem allgemein bekannten Betriebsprinzip und Design. Beispielsweise
sind in Brennstoffzellenumgebungen verwendete Ejektoren in den US-Patenten
5 419 978, 5 013 617, 4 769 297 und 3 982 961 beschrieben, welche
alle von der Inhaberin der Rechte an der vorliegenden Erfindung
gehal ten werden und hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen werden.
In den meisten dieser Fälle
ist das Primärfluid
dieser Ejektoren ein Gas, wohingegen es im vorliegenden Fall eine
Flüssigkeit
ist. Obwohl kommerziell erhältlich
Ejektoren in der vorliegenden Erfindung ausreichend sein können, bieten
sie u.U. nicht die erwünschte
Effizienz, und eine weitere Konstruktionsoptimierung kann erforderlich
sein, wie im Folgenden beschrieben. Der Flüssigkeitsejektor (die Flüssigkeitsstrahlpumpe)
ist eine Impulsvorrichtung, und Gasblasen mit niedriger Dichte werden
schneller als die normale Kühlmittelwasserströmung gepumpt, wodurch
es eine effektive und effiziente Pumpe für das enthaltene Gas ist.
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Der
Ejektor 28' kann
eine Mehrzahl von Geometrien bzw. Gestaltungen oder Gestelten annehmen,
verwendet im vorliegenden Fall jedoch eine flache Gestalt, die bis
zu einem gewissen Grad ähnlich zu
der im genannten Patent 3 982 961 beschriebenen ist. Der hier dargestellte
Ejektor 28' umfasst
eine Grundplatte 48 mit einer darin gebildeten ausgenommenen
Pfanne 49'.
Eine oder mehrere Silicondichtungsblätter 50 mit einer
Gesamtdicke von etwa 0,060 Inch, welche in der Pfanne 49 sitzen;
ein O-Ring aus Silicon 52 mit einem Querschnitt von etwa
0,07 Inch, welcher ebenfalls in der Pfanne 49 sitzt, um
eine Randbereichdichtung zu bilden; und eine Oberplatte 54,
in deren Unterseite die in 4 und 5 dargestellten
Fluidströmungsgeometrien eingearbeitet
sind. Die Oberplatte 54 und Grundplatte 48 sind
in fluiddichtem Verhältnis
zusammengebaut und zusammengehalten, z.B. durch Befestiger oder
durch Verbinden.
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Es
wird Bezug genommen auf 4 und 5. Die Oberplatte 54 des
Ejektors 28' enthält eine
Bewegungseinlassöffnung 56 zum
Aufnehmen von unter Druck stehendem flüssigen Kühlmittel; eine Ansaug-Einlassöffnung 58 zum
Aufnehmen von Gas oder einer Gasflüssigkeitsmischung; und eine
Ausstoß-Ausgangsöffnung 60 zum
Ausstoßen
der über die
beiden Einlässe
aufgenommenen, gemischten Produktfluide. Der Bewegungseinlass 56 hat
einen assoziierten Bewegungsfluid- (Transportfluid) Kanal 56', welcher mit
dem Mischkanal 62 gemeinsam aufgerichtet ist, welcher sich
zu dem Ausstoßausgang 60 erstreckt.
Ein Paar Saugfluidkanäle 58' biegen sich
um den Bewegungsfluidkanal 56 vom Saugeinlass 58 zu
einem Kreuzungspunkt mit dem Bewegungsfluidkanal 56' und dem Mischkanal 62.
Eine Venturi-Einrichtung an diesem Bereich der Kreuzung bewirkt,
dass das Fluid am Saugeinlass 58 in den Ejektor 28' gesaugt und
mit dem Bewegungsfluid zum Ausstoß beim Auslass 60 gemischt
wird. Die Länge
des Mischkanals beträgt
etwa das Zehnfache ihrer Breite bzw. !! ihres !! Durchmessers, und
ein Diffusorbereich 64 hat einen geringen Divergenzwinkel von
10° oder
weniger. Dies unterstützt
das Mischen der Fluide und verbessert den durch das Bewegungsfluid
erzeugten Unterdruck am Saugeinlass 58. Im dargestellten
Beispiel wird ein Unterdruck von etwa 5,0 psig unter Verwendung
eines Kühlmitteldrucks
von 12 psig am Bewegungseinlass 56 erzeugt.
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Wie
in 2 dargestellt, ist eine unter Druck stehende Kühlmittelversorgungsleitung 66 vom
Auslass 25 der Kühlmittelpumpe 24 zum
Bewegungseinlass 56 des Ejektors 28' verbunden. Der Saugeinlass 58 des
Ejektors 28' ist
auch über
die Leitung 67 mit dem Kühlmittelkreislauf 14 in
einem Bereich verbunden, welcher eine Gas-Flüssigkeitsmischung enthält, beispielsweise
nach dem Wärmesteuerungsventil 42.
Der Ausstoßausgang 60 des
Ejektors 28' wird tangential
in einen Zentrifugalseparator/Speicher 30' geführt, um die Trennung von Gas
von flüssigem Kühlmittel
zu vervollständigen
und das verbleibende Kühlmittelwasser
zu speichern. Mindestens der Separatorbereich des Separators/Speichers
ist ein Gefäß mit kreisförmiger oder
zylindrischer Form, und es wird bewirkt, dass das tangential eintretende
Wasser um den inneren Durchmesser des Separatorbereichs wirbelt
und auf den Boden des Gefäßes herabfällt, wo
es im Speicherbereich, welcher trennende Ablenkelemente 68 enthält, angesammelt
wird. Gleichzeitig strömt
die Spül-Luftströmung oder
Stripping-Luftströmung
vom Gebläse 46 aufwärts durch das
absteigende Kühlmittelwasser,
was dazu dient, Gase aus dem Kühlmittel
zu strippen (entfernen) und freie Gase im Spül-Luftstrom mitzuschleppen
und bewirkt, was wichtig ist, dazu, dass gelöste Gase, z.B. Wasserstoff
und möglicherweise
Kohlendioxid, welche im Kühlmittel
aus der Lösung
gekommen sind, im Spül-Luftstrom mitgeschleppt
werden. Der letztere Mechanismus wird unterstützt durch den durch den Ejektor
zur Verfügung
gestellten relativen Unterdruck. Der Spül-Luftstrom gelangt dann durch
ein entnebelndes Sieb. Die so getrennten Gase können aus dem System entlüftet werden,
wodurch sich das Ansammeln von Wasserstoff im Kühlmittelkreis auf 14 reduziert.
Da jedoch der Großteil
der gasförmigen Strömung, welche
den Separator/Speicher 30 verlässt, Luft ist, kann sie, wie
gezeigt, durch eine Leitung 19 als Oxidationsmittelversorgung
für die
Kathode 20 zurückgeführt werden.
Das im Speicherbereich gesammelte Wasser ist nun relativ frei von
mitgeschleppten/gelösten
Gasen, bis auf Luft. Die Mehrheit des im Wasser verbleibenden Gases
ist Luft in gelöster
Form, teilweise von der Stripping-Luft aufgenommen, und ist über eine
Leitung 72 mit dem Einlass 23 der Kühlmittelpumpe 24 verbunden.
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Obwohl
die Anordnung der Ausführungsform von 2 in
der Lage ist, einen Ejektor zu verwenden, um im flüssigen Kühlmittel
mitgeschlepptes Gas zu trennen/transportieren, sei angemerkt, dass
nicht nur Gas, sondern im Wesentlichen sämtliche Flüssigkeit im Kühlmittelkreislauf 14 durch
den Saugeinlass 58 des Ejektors 28 gelangen muss.
Dieser Zustand beeinflusst nachteilig die Effizienz des Ejektors
als Unterdruckpumpe für
Gase und begrenzt dessen Gesamt-Pumpkapazität. Aus diesem Grund ist es
erwünscht,
die Menge an Flüssigkeit
zu minimieren, von welcher erforderlich ist, dass sie durch den
Saugeinlass 58 des Ejektors gelangt, wodurch er im Prinzip
zu einer flüssigkeitsgetriebenen
Gaspumpe wird.
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Dementsprechend
zeigt 6 eine Ausführungsform
des Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 10' mit vielen
der gleichen Komponenten und Funktionen wie in der Ausführungsform
von 2, dem prinzipiellen Unterschied, dass es eine größere Menge
an flüssigem
Kühlmittel
erfordert, welche in den Ejektor 28' durch dessen Saugeinlass 58 gezogen
werden muss. Stattdessen ist der Flüssigkeitsejektor 28 verbunden,
um am effizientesten als eine Gaspumpe zu wirken. Von Bedeutung
ist, dass der Trennungsmechanismus 26' dieser Ausführungsform nicht nur als Zentrifugalseparator/Speicher 30 der
Ausführungsform
von 2 wirkt, aber auch als weitere Separator/Speicher-Einrichtung,
in diesem Fall in Form einer Luftfalle (bubble trap) 130. Aus
Gründen
der visuellen Vereinfachung von 6 wurde
eine Darstellung eines optionalen Pfads für Kühlmittel/Dampf durch ein Brennstoffaufbereitungssystem
weggelassen, dessen optionales Vorhandensein kann jedoch bis zu
dem in 1 und 2 gezeigten Grad impliziert
werden. In einem solchen Fall würde
das Kühl mittel
für Dampf
wahrscheinlich nach der Pumpe 24' von 6 erhalten
werden.
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Die
Luftfalle (bubble trap) 130 weist ein generell längliches
Gefäß mit einer
Mehrzahl von Ablenkelementen (Ablenkplatten) 132 auf, welche
so angeordnet sind, dass sie einen oder mehrere langwierige Fluidpfade
zwischen einer Kühlmittel/Gaseintrittsstelle 74 zu
einem Ende der Luftfalle (bubble trap) 132 und einer Austrittsstelle 76 für flüssiges Kühlmittel 2 oder
in der Nähe
des anderen, typischerweise niedrigeren Endes. Eine Gasausgangsstelle 78 ist
auch an dem entgegengesetzten, typischerweise oberen, Ende des Fluidpfads
relativ zu der Ausgangsstelle 76 für flüssiges Kühlmittel vorgesehen. Die flüssige Kühlmittel-Gasmischung, welche
von der Zellenstapelanordnung 12 abgegeben wird, wird verbunden
mit der Eingangsstelle 74 der Luftfalle (bubble trap) 132;
die Austrittsstelle 76 für flüssiges Kühlmittel wird mit dem Einlass 23' der Kühlmittelpumpe 24' verbunden;
und die Gasaustrittsstelle 78 wird über die Leitung 67' mit dem Ansaugeinlass 58 des Ejektors 28' verbunden.
Wenn die flüssige
Kühlmittel/Gasmischung
durch den Ablenk-Pfad bzw. -Pfade der Luftfalle (bubble trap) 130 strömt, zieht
der an der Gasaustrittsstelle 78 durch den Saugunterdruck
des Ejektors erzeugte reduzierte Druck die mitgeschleppten Gasbläschen hochwärts und
aus der Luftfalle (bubble trap) heraus und durch den Saugeinlass 58 des
Ejektors. In ähnlicher
Weise bewirkt der reduzierte Druck auch, dass gelöste Gase
im Kühlmittel
den gelösten
Zustand verlassen und durch den Saugeinlass 58 gezogen
werden. Entsprechend steigt das schwerere Kühlmittelwasser, nun von einem
Großteil der
Gasmischung befreit, zu der Austrittsstelle 76 für flüssiges Kühlmittel
herab und wird dort gesammelt, von wo es dann zu der Kühlmittelpumpe 24' gebracht wird.
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Auf
diese Weise nimmt die Kühlmittelpumpe 24' weiterhin im
Wesentlichen nur flüssiges
Kühlmittel
zum Pumpen innerhalb des Kreislaufs 14 auf, und der Ejektor 28' kann als effiziente
Vakuumpumpe dienen, welche nicht notwendigerweise einen beträchtlichen
Teil des Kühlmittelwassers
durch den Saugeinlass 58 transportieren muss. Tatsächlich wird
das entgaste Kühlmittelwasser,
welches die Kühlmittelpumpe 24' verlässt, über die
Leitung 66' sowohl
zum Bewegungseinlass 56 des Ejektors 28' als auch direkt
zum Zentrifugalsepara tor/Speicher 30' geliefert, wobei der letztere
Pfad ein Einstellungsventil 80 zum Regulieren der relativen
Aufteilung der Strömung zwischen
diesen beiden Pfaden aufweist. Der Separator/Speicher 30' arbeitet weiterhin
wie bisher beschrieben, wobei ein größeres Ausmaß an Gas-Flüssigkeitstrennung vor der Ankunft
dieser beiden Fluide bei dieser Vorrichtung stattgefunden hat. Spül-Luft oder Stripping-Luft
wird über
die Leitung 32 geliefert, und ausgeblasenes vom Brennstoff-Aufbereitungssystem
und Brennstoffzellen-Kühlmittelwasser
wird nun direkt vom Separator/Speicher 30' geliefert. Schließlich gibt
der Akkumulatorbereich des Separators/Speichers 30' flüssiges Kühlmittel
direkt in den Kühlmittelkreislauf 14 zurück, wobei
die Kühlmittelpumpe 24' in diesem Fall
ihren Kühlmittelwassereingang
vom Luftfallenseparator (bubble trap separator) 130 wie
bereits beschrieben aufnimmt.
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Es
wird nun auf 7 Bezug genommen, um die repräsentativen
Druckzunahmen und -verluste zu verstehen, die um einen typischen
Kühlmittelkreislauf 14 eines
Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystems 10' auftreten, welches die Merkmale
der vorliegenden Erfindung inkorporiert. Der Kühlmittelkreislauf 14 arbeitet
bei nahezu Umgebungsdrücken,
wobei Bereiche des Kreislaufs ein Paar psig oberhalb des Umgebungsdrucks
und Bereiche ein Paar psig unterhalb des Umgebungsdrucks sind. Der
Druckplan von 7 ist ausschließlich für Kühlmitteldruckzunahmen
und -verringerungen im Brennstoffaufbereitungszweig. Die Kühlmittelpumpe 24' und der Mechanismus
für den
Gas-Flüssigkeitstransport,
Trennung und Speicherung werden hier als in Betrieb zwischen etwa –5,0 psig
und +12,0 psig dargestellt, etwas breitere oder schmälere Bereiche
sind jedoch möglich.
Der Druck des flüssigen
Kühlmittels
und der gespülten
Luft an den Auslässen
des Separator-Speichers 30' dient
hier als Referenzdruck der Umgebung bzw. 0 psig. Entlang der Strömung des Kühlmittelkreislaufs 14 in
Richtung der Zellenstapelanordnung 12 folgend durchmacht
das Kühlmittel
eine 1,5 psi Verringerung bzw. Differenz (psid) über das Einstellungsventil 37.
Ein Abfall von 0,5 psig findet über
das Isolierungsventil 82 statt. Der Druckabfall über dem
Kühlmittelbereich 22 der
Zellenstapelanordnung 12 ist etwa 2,5 psi, und ein weiterer
Abfall von 0,5 psi findet über
dem Isolierungsventil 84 statt. An diesem Punkt ist der
Druck 5,0 psi abgefallen, so dass der Kühlmittelsystemdruck hier –5,0 psi
ist. Die Gas-Flüssigkeitskühlmittelmi schung
der Zellenstapelanordnung 12 wird dann durch den Luftfallen-Separator/Speicher 130 geleitet,
wo es notwendig ist, dass der Unterdruck am Saugeinlass des Ejektors 28' aufgebaut wird,
damit er ausreichend ist, Gas vom Kühlmittel abzuziehen. Das maximale
Unterdruckpotenzial des Ejektors 28' (in 3 bis 5 dargestellt) überschreitet
5 psid bei dem 12 psig Einlasswasserdruck, wodurch eine Marge geschaffen
wird, um Gase bei dem Unterdruckniveau des Systems zu pumpen. Der
Druckabfall des flüssigen
Kühlmittels über den
Separator/Speicher 130 ist etwa 0,1 psi, so dass der gemessene
Druck am Einlass der Kühlmittelpumpe 24' –5,1 psig
ist. Die Pumpte 24' bietet
eine Druckunterstützung
bzw. eine Differenz (psid) von etwa 17,1 psi, so dass der in den
Bewegungseinlass des Ejektors 28' eintretende Kühlmitteldruck +12,0 psig beträgt. Dies
reicht aus, um den benötigten
Unterdruck am Saugeinlass des Ejektors zu erzeugen. Erhöhen des
Einlassdrucks am Bewegungseinlass des Ejektors 28' verstärkt ebenfalls
den Unterdruck, falls eine erhöhte
Pumpt-Marge notwendig ist. Der Ausstoß vom Ejektor 28' wird zum Separator/Speicher 30' geleitet, wo
der Druck wieder bei Umgebungsdruck ist. Spül-Luft spült die abgetrennten Luft-Gase
vom Kühlmittelsystem,
und das Kühlmittel wird
wieder verwertet. Darüber
hinaus ist der Hauptdurchfluss von flüssigem Kühlmittel von der Pumpe 24' zum Separator/Speicher 30' über den
Wärmetauscher 38, über welchen
der Druck 12 psi auf Umgebungsdruck abfüllt.
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Obwohl
die Erfindung beschrieben und dargestellt wurde in Bezug auf ihre
beispielhaften Ausführungsformen,
verstehen Fachleute, dass die vorangehenden und verschiedene andere
Veränderungen,
Weglassungen und Hinzufügungen
gemacht werden können,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise sind,
obwohl die bevorzugte Ausführungsform
der Unterdruckpumpe 28 der 1 ein Ejektor 28' ist, andere
Mechanismen vom Unterdrucktyp, z.B. Membranpumpen und ähnliche, innerhalb
des Bereichs der Erfindung. Obwohl ein Zentrifugalseparator/Akkumulator 30' und/oder ein Luftfallen-
(bubble trap) Separator/Speicher 130 bevorzugte Beispiele
waren, sind gleichermaßen
andere Separatoren und/oder Akkumulatoren, seien sie kombiniert
oder nicht, innerhalb des Umfangs.
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Zusammenfassung
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Ein
System und Verfahren zum Management von Wasserkühlmittel im Kühlmittelkreislauf
(14) eines PEM-Brennstoffzellensystems (10) werden
bereitgestellt. Eine Gas-Flüssigkeitstrennungseinrichtung
(26) dient dazu, effizient flüssiges Kühlmittel enthaltende Gase zu
transportieren und Gase vom flüssigen
Kühlmittel
zu trennen. Das flüssige
Kühlmittel, von
welchem Gase entfernt wurden, wird dann durch den Flüssigkeitskreislauf
durch eine konventionelle Pumpe (24) transportiert. Eine
Unterdruckpumpe (28), z.B. ein Flüssigkeitsejektor (28'), welche mit
der Gas-Flüssigkeitstrenneinrichtung
(26) verbunden ist, dient dazu, Fluide in der Gasphase
und/oder Gas-Flüssigkeitsphase
zu transportieren und die Entgasung des flüssigen Kühlmittels zu unterstützen. Der
Ejektor stößt in Richtung
eines Separators/Speichers (30; 30') aus, was die Trennung von Gasen
von flüssigem
Kühlmittel
weiter unterstützt.