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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft Brennstoffzellen-Stromerzeuger, und insbesondere
die Verwendung einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung
in einem Brennstoffzellen-Stromerzeuger. Noch mehr im Besonderen
betrifft die Erfindung die Regelung der Masse- und/oder Wärme-Übergangseigenschaften
der Energie-Rückgewinnungseinrichtung
des Brennstoffzellen-Stromerzeugers zur Verbesserung des Wasserhaushalts
und der Erzeuger-Energie-Effizienz.
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Technischer
Hintergrund
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Brennstoffzellen-Stromerzeuger
werden allgemein verwendet, um elektrische Energie aus reduzierenden
und oxidierenden Fluiden zu erzeugen, um eine elektrische Vorrichtung
mit Strom zu versorgen. In derartigen Stromerzeugern ist eine oder
typischerweise eine Mehrzahl planarer Brennstoffzellen in einem
Brennstoffzellen-Stapel angeordnet. Jede Zelle enthält allgemein
eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, die durch einen
Elektrolyten getrennt sind. Ein reduzierendes Fluid wie Wasserstoff wird
der Anodenelektrode zugeführt,
und ein Oxidationsmittel wie Sauerstoff oder Luft wird der Kathodenelektrode
zugeführt.
Das reduzierende Fluid und das Oxidationsmittel werden typischerweise über entsprechende
Verteiler/Sammelleitungen dem Zellenstapel zugeführt und von ihm entfernt. In
einer Zelle, die eine Protonenaustauschermembran (PEM, proton exchange
membrane) als den Elektrolyten verwendet, reagiert der Wasserstoff
elektrochemisch an einer Katalysatoroberfläche der Anodenelektrode, um
Wasserstoffionen und Elektronen zu erzeugen. Die Elektronen werden
zu einem externen Verbraucherkreis geleitet und dann zu der Kathodenelektrode
zu rückgeführt, während die
Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zu der Kathodenelektrode übertreten,
wo sie mit dem Oxidationsmittel und den Elektronen reagieren, um
Wasser zu erzeugen und thermische Energie freizusetzen.
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Die
Anodenelektrode und die Kathodenelektrode derartiger Brennstoffzellen
werden durch verschiedene Typen von Elektrolyten getrennt, abhängig von
den Betriebserfordernissen und den Einschränkungen der Arbeitsumgebung
der Brennstoffzelle. Ein derartiger Elektrolyt ist ein PEM-Elektrolyt,
der aus einem in der Technik wohl bekannten festen Polymer besteht.
Andere übliche
Elektrolyten, die in Brennstoffzellen verwendet werden, umfassen
Phosphorsäure
oder Kaliumhydroxid, die innerhalb einer porösen, nicht-leitfähigen Matrix
zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode gehalten werden.
Es wurde gefunden, dass PEM-Zellen gegenüber Zellen mit flüssigen sauren
oder alkalischen Elektrolyten beträchtliche Vorteile hinsichtlich
der Erfüllung
spezieller Betriebsparameter haben, weil die Membran der PEM eine
Sperre zwischen dem reduzierenden Fluid und dem Oxidationsmittel
schafft, die toleranter gegenüber
Druckunterschieden ist, fixiert ist und nicht aus der Zelle herausgelöst werden
kann, und die eine relativ stabile Kapazität zur Wasser-Rückhaltung
hat.
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Beim
Betrieb von PEM-Brennstoffzellen ist es kritisch, dass ein passendes
Wasser-Gleichgewicht zwischen einer Rate, mit der Wasser an der
Kathodenelektrode erzeugt wird, einschließlich Wasser, das aus dem Protonen-Schleppen
durch den PEM-Elektrolyten resultiert, und Raten, mit denen Wasser
von der Kathode entfernt wird und mit denen Wasser zu der Anodenelektrode
zugeführt
wird, aufrechterhalten wird. Eine betriebsbedingte Begrenzung der
Leistungsfähigkeit
einer Brennstoffzelle wird definiert durch die Fähigkeit der Zelle, das Wasser-Gleichgewicht
aufrechtzuerhalten, wenn der von der Zelle in einen externen Kreis
abgezogene elektrische Strom variiert, und wenn die Betriebsumgebung der
Zelle variiert. Bei PEM-Zellen trocknen, wenn unzureichend Wasser
zu der Anodenelektrode zurückgeführt wird,
benachbarte Bereiche des PEM-Elektrolyten
aus, wodurch die Rate, mit der Wasserstoffionen durch die PEM übertragen
werden können, sinkt,
und wodurch auch ein Übertritt
des reduzierenden Fluids resultiert, was zu örtlichem Überhitzen führt. In ähnlicher Weise kann, wenn unzureichend Wasser
von der Kathode entfernt wird, die Kathodenelektrode geflutet werden,
wodurch die Oxidationsmittel-Zuführung
zu der Kathode effektiv begrenzt wird und daher der Stromfluss verringert
wird. Zusätzlich kann,
wenn zu viel Wasser von der Kathode entfernt wird, die PEM austrocknen,
was die Fähigkeit
von Wasserstoffionen, durch die PEM hindurchzugehen, einschränkt, was
die Leistungsfähigkeit
der Zelle verringert.
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Da
Brennstoffzellen in Stromerzeuger zur Stromversorgung von Fahrzeugen
eingebaut wurden, wurde die Aufrechterhaltung eines Wasser-Gleichgewichts
innerhalb des Stromerzeugers wegen einer Vielfalt von Faktoren eine
größere Herausforderung.
Um die Gewichts- und Raumanforderungen an ein Fahrzeug zu minimieren,
muss die Anlage hinsichtlich Wasser autark sein, um brauchbar zu
sein. Das bedeutet, dass genug Wasser innerhalb der Anlage zurückgehalten
werden muss, um Wasserverluste von gasförmigen Strömen von Reaktionsmittel-Fluiden, die durch
die Anlage hindurchgehen, auszugleichen. Beispielsweise muss jegliches
Wasser, das die Anlage durch einen Kathoden-Entlassungsstrom von
gasförmigem
Oxidationsmittel oder durch einen Anoden-Entlassungsstrom von gasförmigem reduzierendem
Fluid verlässt,
durch Wasser, das elektrochemisch an der Kathode erzeugt wird und
in der Anlage zurückgehalten
wird, ausgeglichen werden. Ansonsten zieht man sich den Kosten-
und Größen/Gewichtsnachteil
verschiedener Wasserrückgewinnungs-Komponenten
zu, wenn es notwendig ist, Wasser zu machen.
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Ein
zusätzliches
Erfordernis zur Aufrechterhaltung der Wasser-Autarkie in Brennstoffzellen-Stromerzeugern
steht im Zusammenhang mit Komponenten, die notwendig sind, um Kohlenwasserstoff-Brennstoff
in einen Strom von Wasserstoff-reichem reduzierendem Fluid für die Anode
umzuwandeln. Jene Komponenten können
einen Reformer umfassen, der auf Dampf angewiesen ist, um den Kohlenwasserstoff
in das gewünschte
reduzierende Fluid umzuwandeln. Die Brennstoff-Behandlungskomponenten
oder Systemwasser- und Energie-Erfordernisse sind Teil des Gesamt-Wasserhaushalts-
und Energie-Erfordernisses des Brennstoffzellen-Stromerzeugers.
Wasser, das in einem Dampferzeuger zu Dampf gemacht wurde, muss
durch Wasser ersetzt werden, das aus der Anlage zurückgewonnen
wurde, wie durch kondensierende Wärmeaustauscher in dem Kathoden-Entlassungsstrom
und zugehörigem
Leitungssystem.
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Ein üblicher
Weg zur Steigerung der Wasser-Rückgewinnung
und -Rückhaltung
ist die Verwendung kondensierender Wärmeaustauscher in Entlassungsströmen des
Stromerzeugers, in denen die Entlassungsströme auf eine Temperatur bei oder unterhalb
ihrer Taupunkte abgekühlt
werden, um flüssiges
Wasser abzuscheiden, das dann zu dem Stromerzeuger zurückgeführt wird.
Typischerweise wird ein derartiger kondensierender Wärmeaustauscher
verwendet, um einen Kathoden-Entlassungsstrom, der beim Verlassen
eines Kathodenraums verdampftes Produktwasser enthält, zu kühlen. Der
kondensierende Wärmeaustauscher
führt den
Kathoden-Entlassungsstrom in Wärmeaustauschbeziehung
mit einem Strom kühlender
Umgebungsluft und leitet dann kondensiertes Wasser indirekt durch
ein Leitungssystem zurück
zu einem Wasserspeicher.
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Kondensierende
Wärmeaustauscher
haben zwar die Wasser-Rückgewinnung
und die Energie-Effizienz von Brennstoffzellen-Stromerzeugern erhöht, aber
die Wärmeaustauscher
treffen auf eine abnehmende Wasser-Rückgewinnungs-Effizienz, wenn
die Umgebungstemperatur steigt. Wenn der Stromerzeuger zur Stromversorgung
eines Fahrzeugs, wie eines Automobils, verwendet wird, ist die Anlage
einem extrem breiten Bereich von Umgebungstemperaturen ausgesetzt.
Wenn beispielsweise ein Umgebungsluft-Kühlmittelstrom durch einen Wärmeaustauscher
hindurchgeht, variiert die Leistungsfähigkeit des Austauschers als
eine direkte Funktion (umgekehrt) der Temperatur der Umgebungsluft,
weil sich aus den Stromerzeuger-Entlassungsströmen abnehmende Mengen an Flüssigkeit abscheiden,
wenn die Umgebungsluft-Temperatur ansteigt.
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Eine
zusätzliche
Anforderung an die Verwendung solcher kondensierender Wärmeaustauscher
in Brennstoffzellen-Stromerzeugern, die Fahrzeuge mit Strom versorgen,
steht im Zusammenhang mit dem Betrieb der Fahrzeuge bei Temperaturen
unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser. Weil Wasser von solchen
Austauschern oft erneut in die PEM-Brennstoffzellen der Anlage eingeführt wird,
kann das Wasser nicht mit konventionellen Gefrierschutzmitteln gemischt
werden, um seine Gefriertemperatur herabzusetzen, weil ein derartiges
Gefrierschutzmittel von den Katalysatoren in den Zellen absorbiert
werden würde
und dadurch die Effizienz der Zelle abnehmen würde.
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Um
einige der vorgenannten Einschränkungen
zu überwinden,
die es gibt, wenn der Stromerzeuger einen kondensierenden Wärmeaustauscher verwendet,
verwendet eine kürzliche
Entwicklung stattdessen eine Energie-Rückgewinnungseinrichtung (ERE),
die eine feinporige Enthalpieaustausch-Sperre zur effektiven Übertragung
von Energie und/oder Wasser von einem Gasstrom auf einen anderen über einen
breiteren Bereich von Umgebungs-Lufttemperaturen und -Bedingungen
benutzt. Ein Beispiel für
eine solche ERE mit einer feinporigen Enthalpieaustausch-Sperre
zwischen dem Einlass-Oxidationsmittelgas-Flussweg und dem Brennstoffzellen-Entlassungsgas-Flussweg
ist in dem US-Patent 6 274 259, das am 14. August 2001 Grasso et
al. erteilt wurde und auf den Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde, und das hiermit durch Bezugnahme in den Offenbarungsgehalt
aufgenommen wird, gezeigt und beschrieben. Die feinporige Enthalpieaustausch-Sperre kann
als eine oder mehrere Platten, die eine Trägermatrix aus porösem Material
wie Faser- und/oder Teilchen-Material enthalten, aufweisen, wobei
poröse Graphitschichten
vielleicht bevorzugt sind, betrachtet werden. Die Trägermatrix
definiert Poren, wobei die Poren dann mit einem flüssigen Übertragungsmedium,
wie einer wässrigen
Lösung
oder dergleichen, gefüllt
werden, um eine Gassperre zu schaffen. Die Poren der Trägermatrix
haben einen Größenbereich von
etwa 0,1 bis 100 μm,
und die Matrix ist hydrophil, so dass sie von dem flüssigen Übertragungsmedium benetzt
wird und zu einem Blasendruck führt,
der typischerweise größer als
0,2 psi ist. Eine Einlass-Oberfläche
der feinporigen Enthalpieaustausch-Sperre ist in Berührung mit
einem Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom, der in einen Brennstoffzellen-Stromerzeuger
eintritt, angebracht, und eine entgegengesetzte Entlassungs-Oberfläche der
Sperre ist in Berührung
mit einem Entlassungsstrom, der aus der Anlage austritt, angebracht,
so dass Wasser und Wärme
unmittelbar von dem Entlassungsstrom in den Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom
wechseln. Das flüssige Übertragungsmedium,
das eine wässrige
Lösung
mit geringer Flüchtigkeit,
die einen tiefen Gefrierpunkt hat, sein kann, kann einfach in der feinporigen
Enthalpieaustausch-Sperre in einer angemessenen Menge festgehalten
werden oder kann, falls nötig,
von einem Versorgungsreservoir erneut zugeführt werden. Dies stellt eine
Gassperre zwischen den zwei Gasfluss-Strömen sicher und erlaubt etwas
Befeuchtung des Prozessoxidationsmittel-Einlassstroms, wenn seine
Umgebungstemperatur ansteigt.
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Während die
in dem vorgenannten US-Patent 6 274 259 beschriebene ERE einen signifikanten Nutzen
gegenüber
den kondensierenden Wärmeaustauschern
des Stands der Technik einbringt, kann sie auf Veränderungen
der Höhen
der Umgebungsfeuchtigkeit und/oder Temperatur des Prozessoxidationsmittel-Einlassstroms
zu reaktiv sein. Sehr heiße, trockene,
d.h. "aride" Einlassluft kann
bewirken, dass die Verdampfung von Befeuchtungswasser mit einer höhe ren Rate
auftritt als von dem kondensierenden Entlassungsgasstrom bereitgestellt
werden kann; dabei wird möglicherweise
die Gesamtmenge von in den Brennstoffzellen erzeugtem rückgewinnbaren Entlassungswasser überschritten.
Diese Situation ist nicht annehmbar, weil sie zum Austrocknen der ERE-Platten,
insbesondere entlang der Einlassluft-Vorderkante der Platten, führen kann.
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Was
dementsprechend gebraucht wird, ist eine verbesserte Anordnung zur
Regelung der Befeuchtung in, und von, einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung
in einem Brennstoffzellen-Stromerzeuger, insbesondere im Hinblick
auf den Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom, der durch sie hindurch fließt.
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Außerdem wünschenswert
ist eine Anordnung zur Regelung der Leistungsfähigkeit einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung
in einem Brennstoffzellen-Stromerzeuger,
um das Wasser-Gleichgewicht in dem Stromerzeuger zu regulieren.
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Noch
weiter wünschenswert
ist die Fähigkeit, schnell
und einfach die Feuchtigkeits- und/oder Temperatur-Bedingungen im
Zusammenhang mit einer feinporigen Enthalpieaustausch-Sperre in
einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung
eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers zu regeln.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
wird ein Brennstoffzellen-Stromerzeuger zum Erzeugen elektrischer
Energie aus einem Prozessoxidationsmittelstrom und einem Reduktionsfluidstrom
bereitgestellt, und wobei die Anlage eine oder mehrere Brennstoffzellen
zum Erzeugen der elektrischen Energie aus dem Prozessoxidationsmittelstrom
und dem Reduktionsfluidstrom und zum Liefern eines Brennstoffzellen-Entlassungsstroms,
der Feuchtigkeit und fühlbare
Wärme enthält; eine
Energie-Rückgewinnungseinrichtung
(ERE) mit einem ersten und einem zweiten Gasflusskanal, die durch eine
entsprechende Enthalpieaustausch-Sperre getrennt sind, wobei der
Brennstoffzellen-Entlassungsstrom so angeschlossen ist, dass er
durch den ersten Gasflusskanal hindurch geht, und wobei eine Quelle von
Prozessoxidationsmittel für
den Prozessoxidationsmittelstrom so angeschlossen ist, dass er durch den
zweiten Gasflusskanal hindurch geht, wodurch ein Masse- und/oder
Wärme-Über gang
zwischen den Gasen in dem ersten und dem zweiten Gasflusskanal über die
Enthalpieaustausch-Sperre erlaubt wird; und Einspritzmittel aufweist,
die angeordnet sind, um ein flüssiges
Medium, wie Wasser, in den Prozessoxidationsmittelstrom in Vorbereitung
des Durchgangs des Prozessoxidationsmittels durch den zweiten Gasflusskanal
der Energie-Rückgewinnungseinrichtung
einzuspritzen, um die Übergangsrate
von Masse und Wärme,
d.h. Enthalpie, zwischen dem Brennstoffzellen-Entlassungsstrom und
dem Prozessoxidationsmittelstrom zu regulieren.
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Die
Enthalpieaustausch-Sperre der ERE ist bevorzugt von dem Typ mit
feinen Poren in einer Trägerstrukturmatrix,
wie poröse
Graphitschichten, faserige Materialien oder dergleichen. Eine Flüssigkeit, wie
Wasser, füllt
normalerweise die Poren der Trägerstrukturmatrix,
um eine Gasdichtung zwischen dem Prozessoxidationsmittelstrom und
dem Brennstoffzellen-Entlassungsstrom zu schaffen, und um den Übergang
von Masse, wie Wasser, und/oder fühlbarer Wärme von einem Gasstrom in den
anderen zu erleichtern.
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Eine
Flüssigkeit
wie Wasser, mit einer zur Aufnahme in die Brennstoffzelle geeigneten
Reinheit, kann bei oder unmittelbar vor dem Durchgang des Prozessoxidationsmittel-Einlassstroms
durch die ERE in ihn eingespritzt werden. Durch Regeln der Flussrate
und Flussdauer, d.h. der Menge und/oder der Temperatur des eingespritzten
Wasser, ist es möglich,
relativ einfach eine oder mehrere Betriebsbedingungen des Stromerzeugers,
und insbesondere der ERE, zu regulieren. Das Wasser kann durch eine
oder mehrere Sprühdüsen oder ähnliche
Feinverteilungseinrichtungen eingespritzt werden, die an oder nahe
dem Einlassende des Prozessoxidationsmittelkanals durch die ERE
angebracht sind, wie z.B. in einem Raum, der dem Einlass in die
ERE benachbart ist.
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Gemäß einem
Aspekt wird die Temperatur des Prozessoxidationsmittels, das der
ERE zugeführt wird, überwacht.
Wenn die Oxidationsmittel-Temperatur fähig wird, Wasser aus der Enthalpieaustausch-Sperre
schneller zu verdampfen als die Brennstoffzellen-Entlassungsluft
kondensiertes Wasser liefern kann, wie beispielsweise bei Lufttemperaturen
oberhalb etwa 85°F,
kann Wasser in den Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom vor dem
Eintritt in die ERE eingespritzt werden. Dies kühlt und befeuchtet den Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom,
was wiederum den Austrocknungseffekt des Stroms auf das in der Enthalpieaustausch-Sper re
enthaltene Wasser verringert. Zur Erzielung dieser Einlassluft-Befeuchtung
werden relativ kleine Mengen an Wasserzusatz gebraucht, die typischerweise
5% der rückgewinnbaren
Wasserrate sind.
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Gemäß einem
anderen allgemeinen Aspekt kann Wasser zur Zeit der Stromerzeuger-Inbetriebnahme,
insbesondere nach einer ausgedehnten Außerbetriebsetzung, in den Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom
eingespritzt werden, um die Befeuchtung der Enthalpieaustausch-Sperre
vor der Erzeugung von angemessenem kondensiertem Wasser aus der
Brennstoffzellen-Entlassungsluft zu erleichtern. Eine spezielle
Anwendung dieses allgemeinen Aspekts liegt darin, in dem Fall, dass
die Inbetriebnahme der Anlage unter Frostbedingungen erfolgt und
es notwendig ist, die ERE zu enteisen, relativ warmes Wasser in
den Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom einzuspritzen.
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Gemäß noch einem
anderen Aspekt kann die Leistungsfähigkeit der ERE durch das Einspritzen von
warmem Wasser in den Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom, um seinen
Taupunkt zu erhöhen und
den Wasserübergang
von dem Brennstoffzellen-Entlassungsluftstrom zu verringern, kontrollierbar vermindert
werden. Diese Fähigkeit
kann nützlich sein,
wenn es erwünscht
ist, dass der Brennstoffzellen-Stromerzeuger unter einen Wassergleichgewichts-Zustand
fällt.
In einem derartigen Fall gibt es einen Netto-Systemwasserverlust über das
Entlassene, und der Zustand kann zeitweilig erwünscht sein, um ein unerwünschtes Überfließen (d.h.
Auslaufen) von flüssigem
Wasser aus dem System zu verhindern.
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Die
vorstehenden Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
im Licht der folgenden genauen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
davon, wie sie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind,
deutlicher.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine vereinfachte schematische Darstellung eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers, der
das Einspritzen von Wasser in einen Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom
verwendet, um die Wasser- und/oder Wärme-Übergangsbe dingungen in einer
Energie-Rückgewinnungseinrichtung
(ERE), durch die der Oxidationsmittelstrom nachfolgend fließt, zu regeln;
und
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2 ist
eine fragmentarische schematische Darstellung des Stromerzeugers
von
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1,
die die Wassereinspritzung und ihre Regelung detaillierter zeigt.
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Beste Art
zur Ausführung
der Erfindung
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Es
wird detailliert auf die Zeichnungen Bezug genommen. Ein Brennstoffzellen-Stromerzeuger ist schematisch,
sehr allgemein, in 1 als eine Arbeitsumgebung für die vorliegende
Erfindung gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der
Brennstoffzellen-Stromerzeuger 10 enthält mindestens eine Brennstoffzellen-Einrichtung
zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einem Reduktionsfluid
und einem Oxidationsmittelstrom, wie eine Brennstoffzelle 12.
Die Brennstoffzelle 12 hat einen Elektrolyten 14 wie
eine Protonenaustauschermembran (PEM, proton exchange membrane),
einen Anodenelektrodenbereich 16 und einen Kathodenelektrodenbereich 18 an
entgegengesetzten Seiten des Elektrolyten 14. Die Brennstoffzelle 12 ist
typischerweise in einer wohl bekannten Art mit anderen praktisch
identischen Brennstoffzellen (nicht gezeigt) kombiniert, um eine
Brennstoffzellen-Stapelanordnung zu bilden, die Verteiler/Sammelleitungen
zum Führen
eines Reduktionsfluidstroms und eines Prozessoxidationsmittelstroms
in einer in der Technik wohl bekannten Art in die Brennstoffzelle 12 hinein und
aus ihr heraus enthält.
Die Brennstoffzelle 12 kann auch einen Kühlmittelfluss-Kanal
oder -Weg 20 zum Entfernen von Wärme und etwas überschüssigem Produktwasser
aus der Brennstoffzelle enthalten.
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Ein
Wasserstoff-reiches Reduktionsfluid ist in einer Brennstoff-Versorgung 22 in
Vorbereitung der Behandlung und Verarbeitung durch ein Brennstoff-Behandlungssystem
(BBS) 24 gespeichert, um ein gewünschtes Reduktionsfluid, das
besonders Wasserstoff-reich ist, zur Zuführung, wie über die Leitung oder den Strom 26,
zu der Anode 16 der Brennstoffzelle 12 bereitzustellen.
Wie hierin verwendet, können "Leitung" und "Strom" austauschbar verwendet
werden, wobei das erstere Rohre bzw. Kanäle repräsentiert und das letztere den
Fluidfluss selbst repräsentiert.
Das BBS 24 kann irgendeine aus einer Vielfalt in der Technik
wohl bekannter Einrichtungen zur Bereitstellung des Reduktionsfluids
sein, und kann typischerweise einen Reformer, einen Dampferzeuger,
Shiftreaktor(en), eine Vorzugsoxidationseinrichtung etc. (nicht
gezeigt) oder Teile davon umfassen.
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Reduktionsfluid
aus der Brennstoff-Versorgung 22 und dem BBS 24 wird über den
Strom 26 der Anode 16 zugeführt. Gleichermaßen führt eine
Oxidationsmittel-Einlassleitung 28 einen Oxidationsmittelstrom
wie Luft aus einer Oxidationsmittel-Versorgung 30 in die
Brennstoffzelle 12 über
Oxidationsmittel-Verteilerleitungen (nicht gezeigt) zu dem Kathodenelektrodenbereich 18.
Der Oxidationsmittelstrom kann zwischen seiner Quelle an der Oxidationsmittel-Versorgung 30 und
seiner Zuführung
zu der Brennstoffzelle 12 über den Strom 18 Veränderungen der
Feuchtigkeit und/oder Temperatur erfahren, in erster Linie als Ergebnis
des Fließen-Lassens
des Oxidationsmittelstroms durch eine Energie-Rückgewinnungseinrichtung
(ERE) 32 gemäß der Erfindung, wie
hierin im Folgenden detaillierter beschrieben wird.
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Das
in den Anodenelektrodenbereich 16 eingelassene Reduktionsfluid
und der in den Kathodenelektrodenbereich 18 der Brennstoffzelle 12 eingelassene
Oxidationsmittelstrom reagieren in Anwesenheit von Katalysatoren
und des PEM-Elektrolyten 14 elektrochemisch
in einer wohl bekannten Weise, um elektrische Energie und Produktwasser
bereitzustellen. Zusätzlich
wird ein Anoden-Entlassungstrom, der
typischerweise etwas unverbrauchtes Reduktionsfluid enthält, aus
dem Anodenelektrodenbereich 16 entlassen und über den
Strom 34 einem Brenner/Dampferzeuger (nicht gezeigt) in
dem BBS 24 zur Erzeugung von Dampf zugeführt. Ein
Kathoden-Entlassungsstrom wird aus dem Kathodenelektrodenbereich 18 über den
Strom 36 entlassen und enthält typischerweise Oxidationsmittel
(Luft), das durch die Reaktion in der Brennstoffzelle erwärmt wurde,
und enthält
außerdem
Feuchtigkeit (Wasser) aus der Reaktion.
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Der
Kühlmittelflussweg 20 durch
die Brennstoffzelle 12 dient dazu, die Brennstoffzelle
zu kühlen und überschüssiges Produktwasser über den
Kühlmittel-Entlassungsstrom 37 zu
entlassen. Der Kühlmittelflussweg 20 und
die Kühlmittel-Entlassung 37 sind
typischerweise Teil eines Kühlmittelkreises 38, der
zumindest einen Teil des Kühlmittels
kühlen,
reinigen und rezirkulieren kann. In 1 ist eine
Zirkulationspumpe 40 dargestellt, aber es versteht sich, dass
andere Komponenten (nicht gezeigt) vorhanden und wohl bekannt sind.
Das Kühlmittel
ist entweder Wasser oder eine wässrige
Lösung,
die für
einen Betrieb bei tiefer Temperatur bestimmt ist, und kann daher
eine Wasserquelle für
andere Verwendungen sein. Beispielsweise wird der Kühlmittel-Entlassungsstrom 37' zu dem BBS 24 geführt, um
Wasser zur Verwendung, entweder als Flüssigkeit oder als Dampf, in
dem Reformationsprozess zu liefern. Wasser in dem Kühlmittelkreis 38 kann
dazu verwendet werden, das Wassergleichgewicht in dem System in einer
bekannten Weise aufrechtzuerhalten und kann außerdem als eine Wasserquelle
gemäß der Erfindung
verwendet werden. Noch darüber
hinaus können,
in dem Ausmaß,
als es überschüssiges Produktwasser
gibt, Vorkehrungen getroffen werden, etwas aus dem Stromerzeuger-System
zu entlassen; ein Aspekt der Erfindung trachtet jedoch danach, das
Erfordernis zu beseitigen oder abzuschwächen.
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Wenn
man nun die Aufmerksamkeit genauer auf die Erfindung richtet, ist
die ERE 32 zu dem Zweck vorhanden, die Wasser-Rückgewinnung
und den Wärme-Nutzungsgrad des
Brennstoffzellen-Stromerzeugers 10 ohne das Erfordernis
eines kondensierenden Wärmeaustauschers
für diesen Zweck
zu erhöhen.
Unter Bedingungen von überschüssiger Umgebungswärme und/oder
hoher oder niedriger Feuchtigkeit, entweder in dem Umgebungs-Oxidationsmittel
oder in den Brennstoffzellen-Entlassungen, wie sie bei mobilen Fahrzeug-Anwendungen
auftreten können,
werden jedoch zusätzliche
Anforderungen an die ERE gestellt. Allgemein ist die ERE 32 konstruiert,
einen Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 42 für das hereinkommende
Behandlungs-Oxidationsmittel und einen Brennstoffzellen-Entlassungsstrom 44 für den Gasstrom
oder die Ströme,
die aus der Brennstoffzelle 12 entlassen werden, zu definieren.
Der Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 42 und der Brennstoffzellen-Entlassungsfluss-Strom 44 erstrecken
sich entlang entgegengesetzten Oberflächen einer Enthalpieaustausch-Sperre 46,
die dazu dient, normalerweise die zwei Fluss-Ströme zu trennen, während sie
den Übergang
von Masse (Wasser oder dergleichen) und fühlbarer Wärme zwischen ihnen erlaubt.
Typischerweise, wenn auch nicht notwendigerweise, fließen der
Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 42 und der Brennstoffzellen-Entlassungsfluss-Strom 44 relativ zueinander
in entgegengesetzten Richtungen bezüglich der Enthalpieaustausch-Sperre 46.
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Während im
breitesten Sinne der Erfindung die Enthalpieaustausch-Sperre 46 der
ERE 32 irgendeine Form von ionomerer Membran sein könnte, ist
es bei der vorliegenden Ausführungsform
bevorzugt, eine feinporige Trägerstrukturmatrix
zu verwenden. Typische Beispiele sind von dem Typ, der in dem US-Patent
6 274 259 beschrieben ist. In solchen Fällen kann die Enthalpieaustausch-Sperre 46 eine feinporige
Trägerstrukturmatrix
aus porösen
Graphitschichten; Schichten aus porösem Graphit-Polymer; Schichten
aus anorganischer Faser-wärmehärtbarem
Polymer; Glasfaserschichten; Filterpapieren aus synthetischen Fasern,
die behandelt sind, um benetzbar zu sein; porösen Metallschichten; perforierten
Metallschichten mit Teilchenmaterial in den Poren; und/oder einer
Mehrzahl von Kombinationen dieser Schichten, oder aus irgendeinem
anderen Material, das zur Herstellung feinporiger Strukturen geeignet
ist, sein. Die Schichten können
manchmal als "Platten" bezeichnet werden.
Die Materialien der Schichten sind hydrophil, oder werden bevorzugt
hydrophil gemacht. Die Porengrößen liegen
bevorzugt in dem Bereich von 0,1 bis 100 μm, um eine Gassperre mit einem
Blasendruck von größer als
0,2 psi zu erzeugen, wenn die hydrophilen Poren von einem flüssigen Übertragungsmedium
befeuchtet werden. Das flüssige Übertragungsmedium
ist, in der bevorzugten Ausführungsform,
die Feuchtigkeit, typischerweise Wasser, die in den durch die ERE 32 fließenden Gasströmen enthalten
ist.
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Die
warmen oder heißen
Entlassungsgase aus der Brennstoffzelle 12 werden der ERE 32 als
der Brennstoffzellen-Entlassungsstrom 48 zugeführt, und
sie stammen entweder unmittelbar aus dem Kathodenabgas 36 oder
aus einem oxidierten Anoden-Entlassungsstrom 34', der aus dem
Anodenabgas 34 stammt, nachdem es einen Brenner in dem BBS 24 mit
Brennstoff versorgt hat, oder aus einer Kombination von beiden jener
Brennstoffzellen-Entlassungsströme,
wie es symbolisch durch ein Mehrwegeventil 50 dargestellt
wird, das die Möglichkeit schafft,
einen Teil des Entlassungsgases als Ausgangsstrom 69 unmittelbar
abzulassen. Die Brennstoffzellen-Entlassungsgase fließen über den
Brennstoffzellen-Entlassungsfluss-Strom 44 durch die ERE 32 und
treten über
den Entlassungsstrom 52 aus der ERE und dem Stromerzeuger 10 aus.
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Die
Oxidationsmittel-Versorgung 30, typischerweise eine Luft-Quelle,
liefert Oxidationsmittel für
die Brennstoffzelle 12. Das Oxidationsmittel wird über die
ERE 32, wo es Feuchtigkeit und/oder latente und fühlbare Wärme über die
Enthalpieaustausch-Sperre aus dem Brennstoffzellen-Entlassungsgasstrom 44 aufnehmen,
oder verlieren, kann, zu der Brennstoffzelle 12 geleitet.
Der Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom erstreckt sich von der
Versorgung 30, über
die Leitung oder den Strom 53, zu einem Oxidationsmitteleinlass 54 zu
der ERE 32, um der Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 42 zu
werden. Ein Oxidationsmittel-Gebläse 56 ist in dem Oxidationsmittelflussweg,
entweder in dem Strom 53 oder in dem Strom 28,
angebracht, um die Zuführung des
Oxidationsmittels zu bewirken.
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Außerdem sind
Mittel zum Einspritzen von Wasser in den Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom 53,
nominell an oder gerade vor dem Einlass 54 zu der ERE 32,
vorgesehen. Dieses Einspritzen von Wasser ist in der schematischen
Darstellung von 1 symbolisch durch den Pfeil 58 repräsentiert, und
ist unter Bezugnahme auf 2 detaillierter dargestellt,
worin eine oder mehrere Sprühdüsen 60,
die in einem Raum 62 eingebaut sind, einen Sprühregen 64 von
Wasser 58, das den Düsen
von einer Wasserquelle oder Versorgung 66 zugeführt wird,
zuführen. Die
Wasserversorgung 66 kann ein getrenntes Reservoir sein,
unabhängig
von anderen Wasserquellen in dem Stromerzeuger 10, aber
bevorzugt stammt sie von einer Einspeisung aus dem Kühlmittelkreis 38, wie
durch die gestrichelte Linie 68 in 1 dargestellt
ist. Der von der Düse 60 gelieferte
Wasser-Sprühregen 64 ist
genügend
fein und verteilt, um ein gutes Vermischen mit dem Oxidationsmittel-Strom,
der von dem Strom 53 in den Raum 62 zugeführt wird,
zu erlauben. Auf diese Weise kann eine Befeuchtung des Prozessoxidationsmittelstroms 42 in
dem Raum 62 ausgeführt
werden, um das zu ergänzen,
was über
die normale Übertragung
von Feuchtigkeit durch die Enthalpieaustausch-Sperre 46 geschieht.
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Zusätzlich zur
einfachen Zuführung
eines Wasser-Sprühregens
in den eintretenden Prozessoxidationsmittelstrom, sorgen weitere
Aspekte für
die Kontrolle der Flussrate und der Menge und/oder der Temperatur
des in den Oxidationsmittelstrom eingespritzten Wassers. In der
Hinsicht ist ein Regler 70 in 2 in bekannter
Weise wirksam, über
eine Leitung 72 ein Kontrollsignal an ein Regelventil 74,
das in einem Bereich der Wasserzuführleitung 58 von der Wasserversorgung 66 angeschlossen
ist, zu übermitteln.
Dies ermöglicht,
dass die Zuführung
von Wasser zu der Sprühdüse 60,
zumindest was die Menge betrifft, durch Regeln der Flussrate und/oder
der Flussdauer reguliert wird. Noch darüber hinaus ist der Regler 70 so
dargestellt, dass er über
die Leitung 76 ein Kontrollsignal an einen Heizer, wie
ein Heizelement 78, übermittelt,
um die Temperatur des der Düse 60 zugeführten Wassers
zu kontrollieren. Ein Temperatursensor 80 überwacht
die Temperatur des über
den Strom 53 zugeführten
Umgebungs-Prozess- oxidationsmittels
und übermittelt über die
Leitung 82 einen Hinweis an den Regler 70. In ähnlicher Weise
kann ein Feuchtigkeitssensor 84 verwendet werden, um den
Feuchtigkeitsgehalt des über
den Strom 53 zugeführten
Umgebungs-Prozessoxidationsmittels zu überwachen, und er übermittelt über die
Leitung 86 einen Hinweis an den Regler 70. Als eine
Alternative zu dem Feuchtigkeitssensor 84 kann der Feuchtigkeitsgehalt
der eintretenden Luft durch Messung der fühlbaren Temperatur, wie mit
Taupunkttemperatur- und Kühlgrenztemperatur-Messungen und Vergleichen,
bestimmt werden.
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Noch
ein weiterer Parameter wird kontrolliert, welcher das in dem Kühlmittelkreis 38 zurückgehaltene
Wasser ist. Ein Sammler 88 in dem Kühlmittelkreis 38 enthält einen
Füllstandsensor 90 zum
Anzeigen des Füllstands
von Wasser in dem Sammler als ein Maß für die Menge an Wasser in dem
System. Ein Wasserfüllstand-Signal
wird von dem Sensor 90 zu dem Regler 70 übertragen,
um die Menge und die Temperatur des Wassers, das der Sprühdüse 60 zugeführt wird,
außerdem
in einer Weise zu regeln, die die Leistung der ERE 32 vermindert,
und erhöht
dadurch die Menge an Wasser, die aus dem Stromerzeuger 10 entfernt
wird, wenn der Wasser-Füllstand übermäßig wird.
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Etwas überschüssige Wassereinspritzung
ist tolerierbar, da die Primärkühlung der
Einlass-Luft durch Wasserverdampfung geschieht. Sobald Sättigung
eintritt, ändert
sich die Einlass-Lufttemperatur nicht wesentlich. Allgemein gesagt,
werden niedrige Mengen an Wasser eingespritzt, wenn entweder a) die
Luft heiß ist,
d.h. größer als
85°F, um
ein Austrocknen zu verhindern; oder b) bei der Inbetriebnahme, wenn
gewärmtes
Wasser dazu dient, das System "aufzunässen" und/oder zu enteisen.
Umgekehrt werden relativ höhere
Mengen an Wasser eingespritzt, wenn der Wasser-Füllstand in dem Sammler 88 nahezu
voll ist, um die Wasser-Rückgewinnung
zu verringern.
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Es
wird nun Bezug genommen auf die verschiedenen Arten des Betriebs,
die mit der ERE 32 möglich
sind, die eine Einrichtung zum Einspritzen eines Wasser-Sprühregens 64 in
den Prozessoxidationsmittel-Einlassstrom 53 unmittelbar
vor dem Eintritt in die ERE hat. Es versteht sich, dass die Flussrate
und/oder die Flussdauer, und daher die Menge, des eingespritzten
Wasser-Sprühregens über das Ventil 74 geregelt
werden kann, wie durch eine manuelle Kontrolle oder, bevorzugter,
einen geeignet programmierten Regler 70 und zugehörige Eingaben von
einem oder mehreren Sensoren 80, 84, 90,
etc., bestimmt. Die Temperatur des eingespritzten Sprühregens 64 kann
in ähnlicher
Weise geregelt werden wie durch eine Regelung des Heizers 78 als
Reaktion auf Eingaben von dem Sensor 80, obwohl normale Kühlwassertemperaturen
ohne zusätzliches
Heizen geeignet sein können.
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Weil
ein Einlass-Luftfluss bei hohen Umgebungstemperaturen dazu neigen
kann, die Enthalpieaustausch-Sperre 76 auszutrocknen und
so ein gewisses Maß an
unerwünschtem
Durchfluss des Brennstoffzellen-Entlassungsfluss-Stroms 44 in
den Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 42 durch sie hindurch
zu erlauben, wird ein Wasser-Sprühregen 64 in den
Einlass-Prozessoxidationsmittel-Strom 53, 42 vorgesehen,
um zu kühlen
und ausreichend Wasserdampf zuzugeben, um ein derartiges Austrocknen der
Sperre 46 zu verhindern. Dies wird durch Überwachen
eines Parameters, der, direkt oder indirekt, auf ein beginnendes
Austrocknen der Sperre 46 hinweist, ausgeführt. Andererseits
kann der Feuchtigkeitssensor 84, der die Trockenheit des
Einlass-Prozessoxidationsmittelstroms 53 überwacht,
dazu dienen, einen solchen Hinweis zu liefern. In einer relativ einfachen
und wirkungsvollen Anordnung kann jedoch eine Temperaturschwelle
des Umgebungs-Prozessoxidationsmittels als der hauptsächliche,
oder alleinige, entscheidende Faktor verwendet werden, ob ein Sprühregen 64 einzuspritzen
ist oder nicht. Es wurde allgemein bestimmt, dass Umgebungslufttemperaturen
von oberhalb etwa 85° bis
90°F zu
dem unerwünschten
Austrocknen der Enthalpieaustausch-Sperre 46 führen. Daher
wird eine Kontrollschwelle von etwa 85° bis 90°F, wie von dem Sensor 80 überwacht,
als der Punkt oder Bereich, über
dem ein Wasser-Sprühregen 64 eingespritzt
wird, aufgestellt, und umgekehrt.
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Gemäß einer
anderen Phase der Kontrolle der Feuchtigkeit und/oder der Temperatur
des Einlass-Prozessoxidationsmittelfluss-Stroms 53, 42 kann
es wichtig sein, eine angemessene Befeuchtung der Enthalpieaustausch-Sperre 46 zur
Zeit der Stromerzeuger-Inbetriebnahme sicherzustellen, insbesondere
nach einer längeren
Außerbetriebsetzung,
wenn die Sperre besonders trocken sein kann, und bevor der Entlassungsfluss-Strom 44 angemessene
Feuchtigkeit zu der Sperre zuführen
kann. Dementsprechend kann der Regler 70 geeignet programmiert
werden, um Außerbetriebsetzungen
von solch langer Dauer zu erkennen und bei der Inbetriebnahme einen
Wasser-Sprühregen 64 auf
den Einlass-Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 53, 42 anzuwenden.
Der Sprühregen
kann für eine
vorbestimmte Dauer angewendet werden, um eine Befeuchtung oder ein "Aufnässen" der Sperre 46 sicherzustellen,
oder bis irgendein gefühlter
Parameter, wie ein Fluss-Druckabfall im Betrieb über die ERE 32 (nicht
gezeigt), anzeigt, dass der Sprühregen
nicht länger
erforderlich ist.
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Als
eine spezifische Untergruppe der obigen Maßnahme zur Sicherstellung,
dass die Enthalpieaustausch-Sperre 46 während des Inbetriebnahme-Intervalls
angemessen befeuchtet wird, kann es weitere Fälle geben, wenn der Stromerzeuger 10 während Frostbedingungen
im Abschaltmodus war und die Sperre 46 und/oder andere
Elemente stromab von der ERE 32 relativ zu dem Einlass-Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 53, 42 gefroren
sind. Ein derartiger Zustand wird normalerweise von dem Oxidationsmittel-Umgebungstemperatursensor 80 (oder von
einem anderen, nicht gezeigten, Temperatursensor) bestimmt oder
zu erkennen gegeben und verwendet, um den Regler 70 mit
einer Eingabe zu versehen, nicht nur einen Sprühregen 64 anzuwenden, sondern
auch den Heizer 78 mit Energie zu versorgen, um das Wasser
in dem Sprühregen 64 zu
erwärmen
und dadurch zu helfen, Eis in der ERE und/oder stromab davon zu
schmelzen. Die Dauer des Einspritzens des erwärmten Wasser-Sprühregens
kann entweder ein vorbestimmtes Intervall sein, festgelegt oder
variabel als eine Funktion der Temperatur der Umgebungsluft, die
den Prozessoxidationsmittelfluss-Strom liefert, oder sie kann automatisch
variiert werden als Reaktion auf einen gefühlten Parameter stromab davon,
der angibt, dass der Zustand der Vereisung nicht mehr vorliegt.
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Gemäß noch einem
anderen Aspekt kann das Wassergleichgewicht in dem Brennstoffzellen-Stromerzeuger 10 eingestellt
werden durch Regeln des Taupunkts in dem Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 42 in
der ERE 32, um die Masseübertragungsleistung der ERE
zeitweilig zu vermindern und dadurch die Menge an Wasser, die aus
dem Stromerzeuger 10 über
den Brennstoffzellen-Entlassungsfluss-Strom 44 in
der ERE 32 und den daraus herauskommenden Entlassungsstrom 52 entfernt
wird, zu erhöhen.
Diese Maßnahme
kann getroffen werden, um eine übermäßige Wasser-Rückgewinnung
zu verhindern, die wiederum zu einem Überfließen von Wasser aus dem System
führen
kann. Ein derartiges Überfließen von
Wasser ist allgemein zu beanstanden aufgrund von Regelungen gegen
Auslaufen in den Boden, des Bedarfs an Anlagen-Abflusssystemen,
die Entsorgungsgebühren
beinhalten, etc.
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Die
Verminderung der Wasserübertragung durch
die ERE 32 wird erreicht, indem der Taupunkt des Prozessoxidationsmittelfluss-Stroms 42 durch Einspritzen
eines Sprühregens 64 aus
erwärmtem Wasser
in den Prozessoxidationsmittelstrom 53, 42 relativ
erhöht
wird. Wenn der Taupunkt in dem Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 44 in
der ERE 32 erhöht
wird, verringert er entsprechend die Menge an Wasser, die der Oxidationsmittelfluss
aus dem Entlassungsfluss aufnehmen kann. Auf diese Weise kann das
Wassergleichgewicht in dem Stromerzeuger 10, und besonders
in dem Kühlmittelkreis 38, durch
die Entlassung einer relativ größeren Menge an
Wasser in dem Entlassungsfluss-Strom 44 als Reaktion auf
die relativ kleinere Zugabe an wärmerem Wasser,
um den Taupunkt in dem Prozessoxidationsmittelfluss-Strom 44 zu
erhöhen,
etwas verringert werden. Typischerweise überwacht ein mit dem Sammler 88 in
dem Kühlmittelkreis 38 verbundener Füllstandsensor 90 einen
Wassergleichgewichts-Parameter, wie den Wasser-Füllstand,
und liefert eine Eingabe an den Regler 70, der wiederum
das Ventil 74 und den Heizer 78 regelt, um für ein geeignetes Intervall
einen erwärmten
Wasser-Sprühregen 64 bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird eine Anordnung in einem Brennstoffzellen-Stromerzeuger (10)
zum Verteilen (58, 74, 60, 64)
eines flüssigen
Mediums, wie Wasser (66), in einen Prozessoxidationsmittel
(Luft)-Strom (53), der durch einen Gaskanal (42)
in einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung
(ERE) (32) fließt,
bereitgestellt. Ein Entlassungsgasstrom (48), der Wärme und Feuchtigkeit
aus der Brennstoffzelle (12) enthält, fließt durch einen anderen Kanal
(44) in der ERE. Eine Enthalpieaustausch-Sperre (46)
trennt den einen und den anderen Gaskanal, erlaubt aber einen Masse-
und/oder Wärme-Übergang
dazwischen. Das Wasser wird in den Luftstrom (53) in einer
geregelten (70, 74) Menge eingespritzt, und vielleicht
die Temperatur (78), als Reaktion auf gefühlte Parameter (80, 84, 90)
des Stromerzeugers, einschließlich
des Prozessluftstroms, um eine oder mehrere Bedingungen in dem Stromerzeuger
einzustellen. Die Regelung der ERE-Trockenheit, die Bereitstellung
einer Enteisungsfähigkeit
für die
ERE, und/oder die Verhinderung einer übermäßigen Wasseransammlung in dem
System sind einige der geregelten Bedingungen.