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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft Brennstoffzellen-Stromerzeuger und insbesondere
die Bewerkstelligung des Wärmehaushalts
in einem Brennstoffzellen-Stromerzeuger. Noch mehr im besonderen
betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellen-Kathoden-Sättigungsanordnung zur Handhabung
von Wärmebelastungen
in einem Brennstoffzellen-Stromerzeuger, die zur Volumenoptimierung
konstruiert ist.
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Technischer
Hintergrund
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Brennstoffzellen-Stromerzeuger
werden allgemein zur Erzeugung von elektrischer Energie aus reduzierenden
und oxidierenden Fluiden verwendet, um elektrische Vorrichtungen
mit Strom zu versorgen. In solchen Stromerzeugern wird eine, oder
wird typischerweise eine Mehrzahl, planarer Brennstoffzellen in
einem Brennstoffzellenstapel, oder einer Zellenstapelanordnung (CSA,
cell stack assembly), angeordnet. Jede Zelle enthält normalerweise
eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, die von einem Elektrolyten
getrennt werden. 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 aus ihm entfernt. In
einer Zelle, die eine Protonenaustauschermembran (PEM, proton exchange
membrane) als den Elektrolyten verwendet, reagiert der Wasserstoff
elektrochemisch an einer Katalysator-Oberfläche der Anodenelektrode, um
Wasserstoffionen und Elektronen zu erzeugen. Die Elektronen werden
zu einem externen Verbraucherkreis geleitet und dann zu der Kathodenelektrode
zurückgeführt, während die
Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zu der Kathodenelektrode übertreten,
wo sie mit dem Oxidationsmittel und Elektronen reagieren, um Wasser
zu erzeugen und Wärmeenergie
freizusetzen.
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Die
Anodenelektrode und die Kathodenelektrode derartiger Brennstoffzellen
werden, abhängig von
den Betriebserfordernissen und Einschränkungen der Arbeitsumgebung
der Brennstoffzelle, von unterschiedlichen Arten von Elektrolyten
getrennt. Ein derartiger Elektrolyt ist ein PEM-Elektrolyt, der aus
einem in der Technik wohl bekannten festen Polymer besteht. Zu anderen üblichen
Elekrolyten, die in Brennstoffzellen verwendet werden, gehören Phosphorsäure, Schwefelsäure oder
Kaliumhydroxid, die im Inneren einer porösen, nichtleitfähigen Matrix
zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode gehalten
werden. Es wurde gefunden, dass PEM-Zellen gegenüber Zellen mit flüssigen, sauren
oder alkalischen Elektrolyten wesentliche Vorteile bei der Erfüllung spezieller
Betriebsparameter haben, weil die Membran der PEM zwischen dem reduzierenden
Fluid und dem Oxidationsmittel eine Sperre schafft, die gegenüber Druckunterschieden toleranter
ist, fixiert ist und nicht aus der Zelle herausgelöst werden
kann und eine relativ stabile Kapazität zur Wasser-Rückhaltung
hat.
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Beim
Betrieb von PEM-Brennstoffzellen ist es üblicherweise wünschenswert,
dass ein passendes Wassergleichgewicht zwischen der Rate, mit der Wasser
an der Kathodenelektrode erzeugt wird, einschließlich Wasser, das von dem Protonen-Schleppen
durch den PEM-Elektrolyten herstammt, und der Rate, mit der Wasser
von der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode entfernt wird,
aufrecht erhalten wird. Dies geschieht, um ein übermäßiges Trocknen oder Fluten
eines oder mehrerer der verschiedenen Elemente der Brennstoffzelle
zu verhindern.
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Zusätzlich zu
dem Wasser-Gleichgewicht in dem Brennstoffzellen-Stromerzeuger gibt
es das weitere Erfordernis eines Kühlmittelsystems zum Aufrechterhalten
einer geeigneten Temperatur der verschiedenen Komponenten des Stromerzeugers.
Typischerweise, wenn auch nicht notwendigerweise, ist das Kühlmittel
auch das oben im Hinblick auf das Bedürfnis nach Wasser-Gleichgewicht
diskutierte Wasser. Das Kühlmittel
wird typischerweise verwendet, um Wärme aus bestimmten Abschnitten
des Brennstoffzellen-Stromerzeugers, wie beispielsweise der Brennstoffzellen-Stapelanordnung
(CSA), zu entfernen, obwohl das Kühlmittel in manchen Fällen auch als
eine Wärmequelle
dienen kann. Das Kühlmittel kann
auch als eine Feuchtigkeitsquelle zur Regelung der Befeuch tung verschiedener
Gasströme
in dem Brennstoffzellen-Stromerzeuger dienen. Auf diese Arten dient
das Kühlmittel
dazu, die verschiedenen Wärmebelastungen
verschiedener Abschnitte des Brennstoffzellen-Stromerzeugers anzugehen.
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Die
CSA kann eine Kühlmittel-Platteneinrichtung
oder dergleichen enthalten, die einen Kühlmittelkanal durch die Zellenstapelanordnung,
typischerweise der Kathode benachbart, definiert, und die einen
Teil des Kühlmittelkreises,
der sowohl innerhalb als auch außerhalb der CSA ist, bildet.
Der Kühlmittelkreis
enthält
typischerweise mindestens eine Zirkulationseinrichtung, wie eine
Pumpe, und irgendeine Form von Wärme-Entfernungseinrichtung,
wie einen Kühler.
Insoweit die elektrochemische Reaktion in der CSA die Quelle für beträchtliche
Wärme sein kann,
hat das Kühlmittel
die wichtige Rolle, Wärme aus
der CSA zu entfernen. Kühlmittel,
das nahe an dem austretenden Kathodenabgas in die CSA eintritt, dient
dazu, durch die Verwendung feinporiger Medien wie der Kühlmittel-Platteneinrichtung,
die den dem Kathodenabgas benachbarten Kühlmittelkanal definieren, den
Abgasstrom zu kühlen
und Wasser aus jenem Gasstrom auszukondensieren. Die Wärmemenge,
die entfernt wird, ist eine Funktion der Kühlmitteltemperatur und der
Flussrate des Kühlmittels,
das in die CSA eintritt.
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Weil
das Kühlmittel
in dem Kühlmittelkreis
rezirkuliert wird, erfüllt
die Wärme-Entfernungseinrichtung
die wichtige Funktion, vor der Wiedereinführung des Kühlmittels in die CSA die meiste
Wärme zu
entfernen, die während
des Durchgangs des Kühlmittels durch
die CSA aufgenommen wurde. Während
die Wärme-Entfernungseinrichtung
eine Vielzahl von Formen annehmen kann, ist die bei weitem üblichste diejenige
eines luftgekühlten
Kühlers.
Typischerweise ist es die Aufgabe des Kühlers, die gesamte Wärme zu entfernen,
die durch den Durchgang des Kühlmittels
durch die CSA aufgenommen wurde. Die Luft, die den Kühler kühlt, befindet
sich typischerweise bei irgendeiner mit der Umgebung des Brennstoffzellen-Stromerzeugers
im Zusammenhang stehenden Umgebungstemperatur und kann typischerweise 120° F (49° C) sein
oder sich 120° F
(49° C)
nähern, besonders
wenn die CSA in einer heißen
Umgebung wie einer Wüste
verwendet wird. Weil die Temperatur des die CSA verlassenden Kühlmittels
nicht wesentlich größer ist
als diejenige der Kühler-Kühlluft,
oder umgekehrt ausgedrückt,
weil die Temperatur der Kühler-Kühlluft nur
ein wenig geringer sein kann als diejenige des die CSA verlassenden
Kühlmittels,
erfordert die sich ergebende relativ kleine Temperaturdifferenz,
manchmal als das "Quäntchen" bezeichnet, dass
die Kapazität
des Kühlers
relativ groß ist, um
die notwendige Kühlung
zu erreichen. Andererseits kann diese relative Größe des Kühlers aus
mehreren Gründen,
wozu Anschaffungskosten, Gewicht, Größe, Aussehen und Kosten, die
mit seinem Betrieb und seiner Wartung verbunden sind, gehören, zu
beanstanden sein.
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Daher
ist es wünschenswert,
einen Brennstoffzellen-Stromerzeuger bereitzustellen, in dem der Wärmehaushalt
auf eine Weise bewerkstelligt wird, die eine relative Verringerung
der größenmäßigen Auslegung
der Wärme-Entfernungseinrichtung,
wie eines Kühlers,
erlaubt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
Wärme und/oder
Wärmebelastungen verschiedener
Einrichtungen oder Abschnitte eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers
werden in einer Weise neu verteilt oder neu zugeteilt, die eine
gewünschte
Modifizierung der/an der Wärme-Entfernungseinrichtung,
die in dem Kühlmittelkreis
für die Brennstoffzellen-Stapelanordnung
(CSA, fuel cell stack assembly) enthalten ist, erlaubt. Die Einfügung eines
Befeuchters in den Kühlmittelkreis
und den Einlass-Oxidationsmittel (Luft)-Strom dient dazu, die Befeuchtung
der Einlassluft relativ zu erhöhen,
während aus
dem Kühlmittel
Wärme entfernt
wird, bevor es in die CSA eintritt. Die vereinten Wirkungen sind,
die Temperatur des Kühlmittels,
das die CSA verlässt,
relativ zu erhöhen,
ohne in ähnlicher
Weise die Temperatur des Kühlmittels,
das in die CSA eintritt, zu erhöhen,
und außerdem,
die Temperaturdifferenz ("Quäntchen") zwischen dem Kühlmittel,
das in die Wärme-Entfernungseinrichtung
eintritt, und der Kühlluft
der Wärme-Entfernungseinrichtung
relativ zu erhöhen.
Diese letztere Wirkung erlaubt eine relative Verringerung der Größe/Kapazität der erforderlichen Wärme-Entfernungseinrichtung.
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In
einem Brennstoffzellen-Stromerzeuger wird eine Brennstoffzellen-Stapelanordnung
(CSA), ein Kühlmittelkreis
mit einer Wärme-Entfernungseinrichtung,
betriebswirksam mit der CSA verbunden, und ein betriebswirksam mit
dem Kühlmittelkreis
verbundener Befeuchter vorgesehen. Die CSA beinhaltet einen Anodenbereich
mit einem Einlass und einem Auslass, einen Kathodenbereich mit einem
Einlass und einem Auslass, einen Elektrolytbereich zwischen dem
Anodenbereich und dem Kathodenbereich, und einen Kühlmittelbereich
mit einem Einlass und einem Auslass, die in den Kühlmittelkreis
eingebunden sind. Ein Einlass-Brennstoffstrom ist mit dem Anodenbereich-Einlass
verbunden. Ein Einlass-Oxidationsmittelstrom
ist betriebswirksam über
den Befeuchter mit dem Kathodenbereich-Einlass verbunden. Die Wärme-Entfernungseinrichtung
kann typischerweise ein Kühler
sein, der aktiv von einem Medium wie Luft mit einer Temperatur,
die etwas geringer ist als diejenige des Kühlmittels aus der CSA, gekühlt wird.
Der Einlass-Oxidationsmittelstrom wird vor dem Eintritt in die Kathode
der CSA durch den Befeuchter geführt,
und in dem Befeuchter wird er zumindest teilweise, und typischerweise
stark, durch Masse- und Wärme-Übergangsverbindung
mit dem Kühlmittel,
das ebenfalls durch den Befeuchter geführt wird, befeuchtet. Der Befeuchter
muss einen Masse- und Wärme-Übergang
zwischen zwei Fluidströmen,
wie über
eine Energie-Rückgewinnungseinrichtung
(ERE), erlauben. Die ERE kann bevorzugt von dem Typ sein, bei dem
ein feinporiges Medium die zwei Ströme trennt, aber einen Fluidübergang
dazwischen erlaubt, oder kann alternativ ein Blasensättiger oder
ein Kontaktsättiger
oder dergleichen sein, bei dem es einen direkten Kontakt zwischen
den zwei Fluidströmen
ohne die Anwesenheit einer porösen Sperre
dazwischen gibt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine vereinfachte schematische Abbildung eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers gemäß dem Stand
der Technik, die Beispiele von Temperaturen in ausgewählten Abschnitten
der Anlage, einschließlich
der Brennstoffzellen-Stapelanordnung (CSA) und dem Kühlmittelkreis,
veranschaulicht;
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2 ist
eine vereinfachte graphische Ansicht des Verdampfungs/Kondensations-Profils
in einer Standard-Brennstoffzelle für einen Luftstrom, der nicht
hochgradig befeuchtet ist;
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3 ist
eine vereinfachte graphische Ansicht des Verdampfungs/Kondensations-Profils
in einer Standard-Brennstoffzelle für einen Luftstrom, der hochgradig
befeuchtet ist; und
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4 ist
eine vereinfachte schematische Abbildung, ähnlich derjenigen von 1,
eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers gemäß der Erfindung, die die Einbeziehung
eines Befeuchters zur Befeuchtung des Einlass-Oxidationsmittels
und außerdem
zur Kühlung
des Kühlmittels
veranschaulicht, und die Beispiele für Temperaturen in ausgewählten Abschnitten
der Anlage veranschaulicht.
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Beste Art
zur Ausführung
der Erfindung
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Es
wird auf 1 Bezug genommen. Dort ist in
Form einer vereinfachten schematischen Abbildung ein Brennstoffzellen-Stromerzeuger 10 gemäß dem Stand
der Technik dargestellt, wobei repräsentative Temperaturen in ausgewählten Abschnitten
der Anlage, einschließlich
einer Brennstoffzellen-Stapelanordnung (CSA) 12 und eines
Kühlmittelkreises 14, angegeben
sind. Der Brennstoffzellen-Stromerzeuger 10 umfasst
eine Anzahl von Brennstoffzellen, die in einer bekannten Weise in
einer Brennstoffzellen-Stapelanordnung 12 angeordnet sind.
Obwohl die Illustration der CSA 12 in 1 so
gedacht ist, dass sie mehrere Brennstoffzellen umfasst, ist sie aus
Gründen
der Einfachheit der Illustration und der Bezugnahme als eine einzige
Zelle dargestellt. Jede Brennstoffzelle, und daher die CSA 12,
umfasst typischerweise einen Anodenbereich 16, einen Kathodenbereich 18,
einen Elekrolytbereich 20 zwischen dem Anodenbereich 16 und
dem Kathodenbereich 18, und einen Kühlmittelbereich oder Kühlmittelkanal 22,
der typischerweise dem Kathodenbereich 18 benachbart ist.
Der Elektrolyt ist bevorzugt ein Protonenaustauschermembran (PEM,
proton exchange membrane)-Typ,
der ein in der Technik wohl bekanntes festes Polymer verwendet.
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In
dem Brennstoffzellen-Stromerzeuger 10 wird ein Reduktionsmittel
in der Form eines Wasserstoff-reichen Brennstoffstroms 24 dem
Anodenbereich 16, wie am Anodeneinlass 26, zugeführt. Die verschiedenen
Anoden-, Kathoden- und Kühlmittel-Bereich-Einlasse
und -Auslasse, die hierin nachfolgend verwendet werden, sind typischerweise
in der Form von Verteilerleitungen bzw. Sammelleitungen, die die
jeweiligen Bereiche bedienen. Der Wasserstoff-reiche Brennstoffstrom 24 stammt
typischerweise aus einer Kohlenwasserstoff-Brennstoffquelle 28 mittels
eines Brennstoff-Behandlungssystems (BBS) 30 von bekannter
Konstruktion. Eine Quelle für Oxidationsmittel 32,
wie Luft, liefert einen Oxidationsmittelstrom 34 über den
Kathodeneinlass 36 zu dem Kathodenbereich 18,
wobei der Fluss in einer bekannten Weise durch eine Treibeinrichtung,
wie einen Ventilator, Kompressor oder ein Gebläse 38, unterstützt werden
kann.
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Nach
dem Hindurchgehen durch den Anodenbereich 16 wird teilweise
verarmter Brennstoff als Anodenabgasstrom 40 am Anodenauslass 42 abgegeben
oder entlassen. Nach dem Hindurchgehen durch den Kathodenbereich 18 wird
teilweise verarmtes Oxidationsmittel am Kathodenauslass 46 als
Kathodenabgasstrom 44 entlassen.
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Der
Kühlmittelkanal 22 ist
ein integraler Abschnitt bzw. Teil des Kühlmittelkreises 14 und
kann von einer abgedichteten oder einer porösen Kühlmittelplatte, die nicht separat
gezeigt ist, definiert werden. Wenn er als eine abgedichtete Platte
gekennzeichnet ist, kann das Kühlmittel,
typischerweise Wasser, nicht zwischen dem Kühlmittelkanal 22 und den
Kathoden- und/oder Anoden-Bereichen 16, 18 fließen. Wenn
er andererseits als eine feinporige, poröse Platte gekennzeichnet ist,
können
das Kühlmittel-Wasser
und das Produkt-Wasser durch die Poren zwischen dem Kühlmittelkanal 22 und
den Kathoden- und/oder Anoden-Bereichen 18, 16 übertreten.
In jedem Fall tritt Wasser in dem Kühlmittelkreis 14 am Einlass 48 in
den Kühlmittelkanal 22 der
CSA 12 ein und kehrt über
den Auslass 50 in den Kreis zurück. Der Kühlmittelkreis 14 ist
hier in vereinfachter Form als eine Wärme-Entfernungseinrichtung,
wie einen Kühler 52,
und eine Zirkulations-Unterstützungseinrichtung,
wie eine Pumpe 54, enthaltend gezeigt. Ein Kühlmittelkreis-Abschnitt 14' verbindet den
Kühlmittelkanal-Auslass 50 mit
der Pumpe 54, ein Abschnitt 14'' verbindet
die Pumpe 54 mit dem Einlass zu dem Kühler 52, und ein weiterer
Abschnitt 14''' verbindet den Auslass des Kühlers 52 mit
dem Kühlmittelkanal-Einlass 48.
Der Kühler 52 umfasst
einen motorisierten Ventilator 56 zum Blasen von Luft durch,
oder über,
den Kühler,
um eine Wärmeübertragung
zwischen der Luft und dem flüssigen
Kühlmittel,
das durch den Kühler
und den Kühlmittelkreis 14 hindurchgeht,
zu bewirken. Der Kühlmittelkreis 14 kann zusätzlich eine
Vielfalt von, nicht gezeigten, Einrichtungen zum Reinigen, Entgasen,
Zugeben und/oder Abgeben, und/oder in anderer Weise Behandeln des Kühlmittels,
wie in der Technik bekannt, umfassen.
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Bei
der konventionellen, in 1 dargestellten Stromerzeuger-Konstruktion
kann es sein, dass der Kühler 52 relativ
groß sein
muss, um das Ausmaß an
Kühlung zu
liefern, das erforderlich ist, um die Wärme zu entfernen, die während des
Durchgangs des Kühlmittels
durch die CSA 12 aufgenommen wurde. Die Funktion des Kühlmittels,
wenn es durch die CSA 12 hindurchgeht, ist, durch die Brennstoffzellen-Reaktion
erzeugte Wärme
zu entfernen.
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Die
größenmäßige Auslegung
des Kühlers 52 wird
in erster Linie bestimmt durch den Unterschied in den Temperaturen
zwischen dem Kühlmittel,
das die CSA 12 an den Kühlmittelkreis-Abschnitten 14' und 14'' verlässt und so in den Kühler eintritt, und
der Luft, die von dem Ventilator 56 zugeführt wird,
um Wärme
aus dem Kühlmittel
in dem Kühler
zu entfernen. Bei dieser Betrachtungsweise kann der Kühlmittelauslass 50 der
CSA 12 als die "Quelle" von Wärme und
der luftgekühlte
Kühler 52 als
die "Senke" gesehen werden.
Wenn der Unterschied zwischen diesen beiden Temperaturen kleiner,
oder enger, wird, werden die Anforderungen an die Kühlergröße und die
Ventilatorleistung größer, und
in einer nicht-linearen Weise, so dass eine kleine Verringerung
in jener Temperaturdifferenz zu einer relativ viel größeren Veränderung
(Vergrößerung)
in der Größe des Kühlers 52 führen kann.
Umgekehrt kann eine kleine Vergrößerung in
jener Temperaturdifferenz eine signifikante Verringerung in der
Größe des Kühlers 52 ermöglichen,
wobei andere Dinge relativ konstant bleiben. Dieses Ergebnis wird
erzielt durch Anpassen der Arbeitspunkte, und daher der Energiekonzentration,
oder der Temperatur, an verschiedenen Punkten in dem System. Es
wird Bezug genommen auf Ausgangsarbeitsbedingungen und -temperaturen
in 1, die repräsentativ
für den
Stand der Technik sind. Es sollte klar sein, dass die hierin bezüglich der 1 bis 4 erwähnten Temperaturen willkürlich und
lediglich beispielhaft und in keiner Weise beschränkend gemeint
sind, und in erster Linie zu veranschaulichenden Vergleichszwecken
genannt werden. Wenn angenommen wird, dass die Umgebungsluft an,
oder in, dem Brennstoffzellen-Stromerzeuger 10 etwa 120° F (49° C) hat,
wie unter den schlimmstmöglichen
Betriebsbedingungen, dann sieht man, dass sowohl der Luft(Oxidationsmittel)-Strom 34,
der in die Kathode 18 eintritt, als auch die Luft am Ventilator 56,
die zum Kühlen
des Kühlers
verwendet wird, 120° F
(49° C)
haben. Für diese
Erklärung
von 1 nehme man an, dass das Kühlmittel, das am Kühlmitteleinlass 48 in
den Kühlmittelkanal 22 eintritt,
eine Temperatur von etwa 135° F
(57° C)
hat, und die Temperatur des Kühlmittels, das
den Kühlmittelkanal 52 am
Auslass 50 verlässt, wird
eine Temperatur von etwa 160° F
(71° C)
haben. Daher ist es notwendig, einen Kühlmitteltemperatur-Abfall über den
Kühler 52 von
25° F (14° C) mit einem
Quelle-zu-Senke-Temperaturunterschied von nur 40° F (22° C) zu erhalten, was einen relativ
großen
Kühler
und Ventilator erfordert.
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Unter
diesen Umständen
ist es nützlich,
die Verdampfungs/Kondensations-Profile einer typischen Brennstoffzelle
zu betrachten, in der, erstens, der Kathoden-Luftstrom nicht hochgradig befeuchtet ist,
wie man in 2 sieht, und zweitens, der Kathoden-Luftstrom
hochgradig, oder zumindest relativ hochgradiger, befeuchtet, oder
gesättigt,
ist, wie man in 3 sieht. Bei Bezugnahme auf
die 2 und 3 sollte klar sein, dass bei
der Darstellung des Inneren einer Brennstoffzelle, insbesondere
des Kathoden-Luftstroms und des Kühlmittelflusswegs, eine gewisse
graphische Freiheit genutzt wird, und obwohl die Ausrichtungen von 1 verschieden
sind, wurden die passenden Bezugsziffern verwendet.
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Es
wird zuerst auf 2 Bezug genommen. Das Kühlmittel
tritt am Kühlmitteleinlass 48,
der an dem Rand ist, oder in dem Bereich, wo die Kathodenluft austritt,
wie am Kathodenauslass 46, in die CSA 12 ein.
Das Kühlmittel
dient dazu, den Kathodenabgasstrom dort zu kühlen und Wasser aus dem Kathodenabgas
auszukondensieren. Das kondensierte Wasser wird mengenmäßig und örtlich durch
die dichte Schraffierung 58 dargestellt. Dementsprechend
wird die Wärme
aus dem Kathodengasstrom entfernt und tritt in das Kühlmittel
ein. Die Menge der entfernten Wärme
ist eine Funktion der Kühlmitteleinlass 48-Temperatur
und der Flussrate zu der CSA. Für
dieselbe Flussrate führt
eine Verringerung der Kühlmitteltemperatur
dazu, dass mehr Wasser kondensiert wird. In einem repräsentativen
Brennstoffzellen-Stromerzeuger wird genügend Wasser kondensiert, um
das Wassergleichgewicht in dem Stromerzeuger 10, einschließlich dem
BBS 30 und dem Kühlmittelkreis 14,
aufrecht zu erhalten, wenn der Kühlmittelfluss
ausreichend ist, beispielsweise 45 pph/Zelle, und die Kühlmitteltemperatur
niedrig genug ist, beispielsweise 135° F (57° C). Daher soll der Stromerzeuger
ungeachtet des Geschehens im Rest des Kühlmittelkreises 14 von 1 im
Wassergleichgewicht sein, wenn der Kühlmitteleinlass 48 die
vorgenannten Bedingungen erfüllt.
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Es
wird weiter auf 2 Bezug genommen. Das Kühlmittel
verlässt
die CSA 12 am Kühlmittelauslass 50,
der an dem Rand, oder in dem Bereich, liegt, wo die Luft als ein
Kathodeneinlass 36 in die Kathode 18 eintritt.
Das erwärmte
Kühlwasser
dient dazu, diesen Kathodenluftstrom zu erwärmen und, in einem gewissen
Ausmaß,
zu befeuchten, weil die CSA 12 in dieser Hinsicht in einer
zu einer Energie-Rückgewinnungseinrichtung
analogen Weise arbeitet. Jene Befeuchtung geschieht in einem Verdampfungsbereich
der Brennstoffzelle, der mengenmäßig und örtlich durch
die einfache Schraffierung 60 dargestellt wird. In diesem
Verdampfungsbereich 60 wird die Wärme aus dem Kühlmittel
entfernt und tritt in den Kathodengasstrom ein. Die Temperatur des Kühlmittels
fällt entsprechend,
so dass, in dem vorgenannten repräsentativen Beispiel, die Kühlmitteltemperatur
an dem Kühlmittelauslass
etwa 160° F
(71° C)
beträgt.
Diese Temperaturen sind mit den in dem System von 1 dargestellten
in Übereinstimmung.
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Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, die in den
meisten Beziehungen 2 ähnlich ist, aber in der der
Luftstrom, der am Kathodeneinlass 36 in die Kathode 18 eintritt,
bereits auf einen Taupunkt nahe an der Einlasstemperatur der CSA 12 befeuchtet
wurde, so dass relativ weniger Wärme
und Wasser erforderlich sind, um die Befeuchtung auf örtliche Betriebsbedingungen
der CSA 12 zu vervollständigen.
Dieser Unterschied wird dadurch dargestellt, dass der Verdampfungsbereich 60 in 3 relativ kleiner
ist, als er in 2 war, und führt dazu, dass eine höhergradige
(Temperatur)Wärme
die Brennstoffzelle (oder CSA 16) in dem Kühlmittel
am Kühlmittelauslass 50 verlässt. Für das oben
erwähnte Beispiel
würde,
wenn der Taupunkt des in den Kathodeneinlass 36 eintretenden
Luftstroms nun als ein Ergebnis seiner erhöhten Befeuchtung vor jenem
Punkt 130° F
(54,5° C)
wäre, die
Kühlmitteltemperatur
am Kühlmittelausgang 50 auf
etwa 165° F
(74° C)
ansteigen.
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Ein
einfaches Erhöhen
der Temperatur des Kühlmittels,
das die Brennstoffzelle/CSA 12 am Kühlmittelauslass 50 verlässt, erreicht
an und für
sich nicht das Ziel, fähig
zu sein, die Kühlergröße zu verringern.
Dies liegt hauptsächlich
daran, dass es auch die Temperatur des in den Kühlmitteleinlass 48 eintretenden
Kühlmittels
relativ erhöhen
würde,
was der obigen Diskussion entgegenläuft, die erforderte, dass jene
Temperatur bei etwa 135° F
(57° C)
bleibt.
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Der
Prozess des teilweisen Befeuchtens des Luftstroms zur Zuführung zu
dem Kathodeneinlass 36 überwindet
jedoch jenes Hindernis. Auf der Basis des oben diskutierten Beispiels
ergibt sich durch Befeuchtung des Luftstroms auf einen Taupunkt
von 135° F
(57° C)
die Übertragung
von Wärme,
die der Entfernung von mehr als 5° F
(3° C) aus
dem Kühlmittel
entspricht. Dies wird durch die Hinzufügung einer Befeuchtungseinrichtung
gemäß der Erfindung erreicht.
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Es
wird nun auf 4 Bezug genommen. Dort ist ein
Brennstoffzellen-Stromerzeuger 110 gemäß der Erfindung
dargestellt. In 4 werden Bezugsziffern, die
mit denjenigen von 1 identisch sind, für jene Komponenten
verwendet, die in den beiden Ausführungen dieselben, oder im
wesentlichen dieselben, sind. Wenn es jedoch, bedingt durch die
Erfindung, einen gewissen funktionellen, zusammensetzungsmäßigen oder
strukturellen Unterschied gibt, aber die Komponenten von 4 dennoch
zu den Komponenten von 1 analog bleiben, wurde ihnen
dieselbe Bezugsziffer zugeteilt, aber mit vorangestellter "1". Die folgende Beschreibung wird den neuen
Charakter, die neue Struktur und/oder Funktion des Verunreinigungs-Entfernungssystems
der Erfindung herausstellen, und sie wird versuchen, die Wiederholung
von Beschreibung, die ein Doppel derjenigen, die im Hinblick auf 1 geliefert
wurde, darstellt, zu minimieren.
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Während der
Brennstoffzellen-Stromerzeuger 110 von 4 in
den meisten Beziehungen dem im Hinblick auf 1 beschriebenen
Stromerzeuger 10 ähnlich
ist, unterscheidet er sich in mindestens dem wichtigen Aspekt, dass
die Hinzufügung
einer Befeuchtungseinrichtung 70 die Verwendung relativ kleinerer,
einfacherer Wärmeentfernungseinrichtungen,
in der Form eines relativ kleineren Kühlers 152 und motorisierten
Ventilators 156, ermöglicht.
Die Befeuchtungseinrichtung 70 ist eine relativ einfache, kleine
und preiswerte Einrichtung und kann typischerweise die Form einer
Energie-Rückgewinnungseinrichtung
(ERE) mit einem Gasflussraum 72 und einem Flüssigkeits-,
oder Kühlmittel-,
Flussraum 74, die von einer Enthalpieaustausch-Sperre 76 dazwischen
getrennt werden, annehmen. Die Befeuchtungseinrichtung 70,
hierin auch als "ERE" 70 bezeichnet,
kann von irgendeinem allgemein bekannten Aufbau sein, in dem ein
Oxidationsmittel (Luft)-Strom und ein Kühlmittel (Wasser)-Strom in
relativer Wärme-
und Masse-Übertragungsbeziehung geführt werden
können,
um den Taupunkt/die Feuchtigkeit der Luft, die in die Kathode 18 der
CSA 12 eintritt, relativ zu erhöhen, während auch Wärme aus dem
Kühlmittel,
das in den Kühlmittelkanal 22 der CSA
eintreten soll, entfernt wird. Es ist bevorzugt, dass die ERE 70 ausreichend
kompakt, einfach und preiswert ist, um jene Aspekte des vorherigen
Kühlers 52 und/oder
motorisierten Ventilators 56 in Bezug auf den Kühler 152 und/oder
motorisierten Ventilator 156, die sie ersetzen, auszugleichen.
Eine bevorzugte ERE 70 ist von dem Typ mit benachbartem Gasraum
und Flüssigkeitsraum, 72 bzw. 74,
die durch ein feinporiges Sättigermedium,
typischerweise aus Graphit oder dergleichen, das die Enthalpieaustausch-Sperre 76 bildet,
getrennt werden. Eine genaue Beschreibung einer derartigen Anordnung
ist zu finden in dem US-Patent 6 274 259 von Grasso et al., das
auf den Abretungsempfänger
der vorliegenden Erfindung übertragen
wurde, wenn auch die vorliegende Erfindung nicht die Einbeziehung
des Übertragungsmediumkreises
jenes Patents zum Befeuchten der Enthalpieaustausch-Sperre 76 hierin
erfordern mag. Andere annehmbare Sperren können von dem den feinporigen
Wasserübertragungsplatten, wie
sie in den/für
die Kühlmittelkanäle in der
CSA 12 verwendet werden, ähnlichen Typ sein. Eine alternative
Form des Befeuchters oder der Energie-Rückgewinnungseinrichtung, 70,
kann ein Blasensättiger oder
Kontaktsättiger
(nicht separat gezeigt) sein, in dem der Oxidationsmittel (Luft)-Strom
direkt mit dem Kühlmittel
(Wasser) in Kontakt gebracht wird, wie in einem Tank, einem Reservoir,
einer Leitung oder dergleichen, um die notwendige Übertragung
von Masse und Energie zwischen den zwei Fluiden zu bewirken, ohne
zu erfordern, dass jene Übertragung
indirekt über
eine Enthalpieaustausch-Sperre dazwischen geschieht.
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Die
Befeuchtungseinrichtung 70 ist in den Kühlmittelkreis 114 relativ
zum Kühler 152 stromab, und
relativ zu dem Kühlmitteleinlass 48 zu
dem Kühlmittelkanal 22 in
der CSA 12 stromauf eingefügt. In ähnlicher Weise befindet sich
die Befeuchtungseinrichtung 70 in dem Einlass-Oxidationsmittelstrom zwischen
der Oxidationsmittelquelle 32 und dem Kathodeneinlass 36 zu
der Kathode 18 der CSA 12. Ein Kühlmittelkreis-Abschnitt 114''' verbindet
den Auslass, oder das Abgabeende, des Kühlers 152 mit dem Einlassende
des Kühlmittelflussraums 74 der
ERE 70, und ein Kühlmittelkreis-Abschnitt 114'''' verbindet das
Auslassende jenes Kühlmittelflussraums
mit dem Kühlmitteleinlass 48 der
CSA 12. Ein Oxidationsmittel-Leitungsabschnitt 134 verbindet
Oxidationsmittel von dem Gebläse 38 mit
dem Einlassende des Gasflussraums 72 der ERE 70,
und ein weiterer Oxidationsmittel-Leitungsabschnitt 134' verbindet das
Auslassende jenes Gasflussraums mit dem Kathodeneinlass 36 der
CSA 12. Es versteht sich, dass das Gebläse 38 entweder vor
dem Einlass oder nach dem Auslass des Gasflussraums 72 angebracht
sein kann. Es ist im allgemeinen wünschenswert, dass die Luft
in dem Gasflussraum 72 und das Wasser in dem Kühlmittelflussraum 74 für eine maximale
Effizienz der ERE in Gegenstrombeziehung zueinander fließen, wenn
auch andere Ausführungen
innerhalb des Umfangs der Erfindung sind.
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Es
wird nun weiter auf den Betrieb des Stromerzeugers 110 mit
der Einbeziehung der Befeuchtungseinrichtung 70 Bezug genommen.
Es ist nun möglich,
sowohl den Taupunkt/die Feuchtigkeit des Oxidationsmittels vor seinem
Eintritt in die Kathode 18 relativ zu erhöhen, als
auch das den Kühler 152 verlassende
Kühlmittel
vor seinem Eintritt in den Kühlmittelkanal 22 weiter
zu kühlen.
Dies führt
zu der Neuverteilung von Wärme
in dem Stromerzeuger, und insbesondere der CSA 12, dem
Kühlmittelkreis 114 und
dem Ventilator 156 und dem Kühler 152 in dem Kühlmittelkreis.
Diese Neuverteilung der Wärme wird
durch einen Vergleich der Temperaturen an verschiedenen Stellen
in dem Stromerzeuger 110 von 4 mit den
Temperaturen an ähnlichen
Stellen in dem Stromerzeuger der 1 veranschaulicht.
Man sieht nun, dass die Befeuchtung des Oxidationsmittels vor seiner
Einbringung in die Kathode 18 zu einer Temperatur von etwa
130° F (54,5° C) an der
Leitung 134' an
dem Kathodeneinlass 36 führt, was wiederum weniger Wärme aus
dem Kühlmittel
erfordert, um den Befeuchtungsprozess in der CSA 12 zu
vollenden, und daher zu einer höhergradigen
Wärme,
d. h. 165° F
(74° C),
des Kühlmittels,
das die CSA 12 am Kühlmittelauslass 5O verlässt, führt. Diese
höhergradige
Wärme in
dem Kühlmittel
tritt in ähnlicher
Weise in dem Kühlmittelkreis-Abschnitt 14'' am Einlass zu dem Kühler 152 auf,
und weil die Umgebungsluft von dem Ventilator 156 bei 120° F (49° C) bleibt,
wird der Temperaturunterschied dazwischen relativ erhöht. Dies
befähigt
den Kühler 152,
dasselbe Ausmaß an Kühlung, d.
h. einen Abfall von etwa 25° F
(14° C)
auf 140° F
(60° C)
an seinem Auslass am Kreis-Abschnitt 114''', mit einem
Kühler
von relativ kleinerer Kapazität,
als sie für
denselben Temperaturabfall über
den Kühler 52 von 1 erforderlich
ist, zu bewirken. Dies wird erzielt, weil, obwohl die Temperatur
des Kühlmittels,
das den Kühler 152 verlässt, 5° F (3° C) höher ist
als die Temperatur von 135° F
(57° C),
die für
das am Einlass 48 in den Kühlmittelkanal 22 eintretende
Kühlmittel
erwünscht
ist, jene erwünschte Temperatur
(135° F,
57° C) erreicht
wird, wenn das Kühlmittel
aus dem Kühlmittelkreis-Abschnitt 114''' durch
den Kühlmittelflussraum 74 des
Befeuchters 70 hindurchgeht und in den Kühlmittelkreis-Abschnitt 114'''' austritt. Jene
weitere Kühlung
des Kühlmittels geschieht
als das Ergebnis der während
des Oxidationsmittel-Befeuchtungsprozesses in der ERE 70 daraus
entfernten Wärme,
wie vorher beschrieben.
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Im
Hinblick auf die vorangehende Diskussion wird anerkannt werden,
dass der Brennstoffzellen-Stromerzeuger 110 so zufriedenstellend
betrieben werden kann wie der Stromerzeuger 10, jedoch mit
einem relativ kleineren und einfacheren Kühler 152/motorisierten
Ventilator 156, als es in dem Stromerzeuger 10 der
Fall war, und mit den zusätzlichen "Kosten" nur eines relativ
einfachen, kompakten und preiswerten ERE/Befeuchters 70.
Alles in allem sind die verringerte Größe und die verringerten Kosten
des Kühlers 152/Ventilators 156 typischerweise ein
Nettovorteil gegenüber
jeglichen erhöhten
Kosten und erhöhter
Größe des hinzugefügten Befeuchters 70.
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Obwohl
die Erfindung im Hinblick auf die beispielhaften Ausführungsformen
davon beschrieben und veranschaulicht wurde, sollte für Fachleute
auf dem Gebiet klar sein, dass das Vorstehende und verschiedene
andere Veränderungen,
Weglassungen und Hinzufügungen
durchgeführt
werden können, ohne
von dem Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise
kann der Kühler 52 der
Wärme-Entfernungseinrichtung
irgendeiner von zahlreichen Typen von Wärmeaustauschern sein, z. B.
Flüssigkeit
zu Flüssigkeit,
Flüssigkeit
zu Gas, etc.. Darüber
hinaus kann die Befeuchtungseinrichtung 70 verschiedene
Formen annehmen, einschließlich
des feinporigen Sättigermediums
einer ERE, der Wasserübertragungsplatten
wie in einer CSA, eines Blasensättigers,
oder dergleichen, sowie Andere.
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Zusammenfassung
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Die
Wärme von
verschiedenen Abschnitten eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers (110) wird in einer
Weise neu verteilt, die eine gewünschte
Abwandlung der/an der Wärme-Entfernungseinrichtung (152, 156),
z. B. Kühler
(152), die in dem Kühlmittelkreis
für die
Brennstoffzellen-Stapelanordnung (CSA) (12) enthalten ist,
erlaubt. Ein Befeuchter (70), der in den Kühlmittelkreis
(114) und den Einlass-Oxidationsmittel (Luft)-Strom (134') eingefügt ist,
dient dazu, die Befeuchtung der Einlass-Luft relativ zu erhöhen, während Wärme aus
dem Kühlmittel
vor dem Eintritt in die CSA (12) entfernt wird. Die vereinten Wirkungen
sind, die Temperatur des Kühlmittels,
das die CSA verlässt,
relativ zu erhöhen
ohne in ähnlicher Weise
die Temperatur des Kühlmittels,
das in die CSA eintritt, zu erhöhen,
und die Temperaturdifferenz ("Quäntchen") zwischen dem Kühlmittel,
das in die Wärme-Entfernungseinrichtung
eintritt, und der Kühlluft
der Wärme-Entfernungseinrichtung
(152, 156) relativ zu erhöhen. Diese letztere Wirkung
erlaubt eine relative Verringerung der Größe/Kapazität der Wärme-Entfernungseinrichtung
(152, 156).