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Die
Erfindung betrifft ein Spülverfahren
der Gaskreisläufe
von Brennstoffzellen, das dazu vorgesehen ist, Wasser im flüssigen Zustand,
das sich darin befinden könnte,
als auch möglicherweise
die unverbrauchten Gase oder andere als das, was bestimmungsgemäß durch
diesen Kreislauf geleitet wird, wie beispielsweise Stickstoff in
den Kreisläufen,
die für
die Zirkulation von Wasserstoff der Wasserstoff-Luft-Zellen vorgesehen
sind, aus diesen Kreisläufen
abzuleiten; sie betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Bei
den aktuellen Brennstoffzellen mit Anode, von denen Wasserstoff
verbraucht wird, geht ein Teil des auf der Kathodenseite der Zelle
erzeugten Wassers durch die Membrane hindurch und wird in dem für den Wasserstoff
vorgesehenen Raum gesammelt. Um dieses Wasser zu entfernen, ist
es notwendig, regelmäßig Spülungen des
Wasserstoffkreislaufes vorzunehmen. Die Häufigkeit der erforderlichen
Spülungen
hängt viel
von der Zelle ab und liegt in der Größenordnung von einigen Sekunden
bis zu einigen Minuten. Wenn keine Spülung vorgenommen wird, kann
eine zunehmende Verschlechterung der Leistungen der Zelle festgestellt
werden. Die Spülungen
ermöglichen,
die Anfangsleistungen annähernd
wiederzuerlangen; sie ermöglichen
außerdem,
den Stickstoff, welcher sich durch Diffusion durch die Membrane
hindurch in dem Raum für
den Wasserstoff konzentriert, als auch mögliche Verunreinigungen, die
in dem Wasserstoff vorhanden sind, zu entfernen.
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Derzeit
werden die Spülungen
des Wasserstoffkreislaufes von Brennstoffzellen nach außen hin durchgeführt, und
daraus resultiert ein Wasserstoffverlust; zur Begrenzung dieses
Verlustes, ist es üblich
die Durchflussmenge am Ausgang der Zelle zu begrenzen; allerdings
darf diese Durchflussmenge nicht zu sehr begrenzt werden, weil die
Spülungen ihre
Wirksamkeit verlieren, wenn die Wasserstoffdurchflussmenge am Ausgang
nicht ausreichend ist; weil die gesamten Wasserstoffverluste nur
um weniger als einige Prozente reduziert werden können, wird
der Brennstoffwirkungsgrad gleichermaßen vermindert. Es ist vorgesehen
worden, die Zelle als „geschlossenes
System" zu betreiben
und den Wasserstoff an ihrem Eingang mittels einer Umlaufpumpe wieder
einzupressen; auf diese Weise ist es möglich, die Zelle mit zeitlich
viel weiter auseinander liegenden Spülungen zu betreiben, die dazu
dienen, den Stickstoff aus dem Kathodenbereich bei Zellen zu entfernen,
bei denen das Verbrennungsförderungsmittel
Sauerstoff ist, der durch eine Luftzirkulation bereitgestellt wird;
ein anderer Vorteil der Umwälzung liegt
darin, dass die Gasdurchmischung eine bessere Verteilung des Wasserstoffes
ermöglicht,
wenn viel Stickstoff vorhanden ist, und die Funktionsweise mit einem
Wasserstoff-Stickstoffgemisch verbessert, indem das Phänomen der
Schichtenbildung verhindert wird.
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Die
Anwendung einer Umwälzung
birgt allerdings Nachteile: einer davon ist, dass eine Umwälzpumpe
eine komplexe sich drehende Maschine ist, die heiklen Betriebsbedingungen
unterliegt (mögliches
Vorhandensein von Wasser im flüssigen
Zustand aufgrund von Kondensation); ein anderer Nachteil liegt darin,
dass eine kontinuierliche Zirkulation nicht immer die vollständige Entfernung
des Wassers im flüssigen
Zustand aus den Zellen ermöglicht,
weil die erzeugte Gasbewegung nicht immer ausreichend stark ist.
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Die
Erfindung hat die Schaffung von starken Spülungen zur Aufgabe (das heißt mit einem
relativ großen
und schnellen Druckabfall), wobei die Gasverluste des gespülten Kreislaufes
so weit wie möglich
begrenzt werden, wie beispielsweise die Wasserstoffverluste in den
Wasserstoffkreisläufen
und die Sauerstoffverluste in den Sauerstoffkreisläufen.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Spülverfahren des Gaskreislaufes
einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1.
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Das
Verfahren kann außerdem
eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen:
- – um
den Druckunterschied zwischen der Zelle und der Kapazität zu reduzieren,
wird die Zufuhr von Gas unterbrochen, das aus der Versorgung an
dem Eingang der Zelle stammt, danach wird der Druck in der Kapazität und in
der Zelle vermindert, typischerweise bis in die Nähe des atmosphärischen
Druckes, indem die Zelle Gas der Zelle und der Kapazität aufbrauchen
kann, ohne die Zelle erneut mit Gas zu versorgen, danach wird die
Zelle wieder versorgt, um in ihr den Druck wieder ansteigen zu lassen,
und schließlich
wird die Verbindung zwischen der Zelle und der Kapazität wiederhergestellt,
indem die Verbindungsmittel wieder geöffnet werden.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
eine Vorrichtung nach Anspruch 8.
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Die
Schriftstücke
EP-A-0 596 366,
JP 59 165376 oder
JP 58 100371 beschreiben
Vorrichtungen mit Zelle und Brennstoff und Ausgangskapazität nach dem
Oberbegriff von Anspruch 8.
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Andere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, Durchführungsarten
und Ausführungsformen der
Erfindung werden als nicht einschränkende Beispiele angeführt und
durch die beigefügten
Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 bis 7 Blockschaltbilder von jeweils sieben
Vorrichtungen zur Durchführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung,
in denen dieselben Bezugszeichen den Bauteilen zugeordnet sind,
die sich in den Figuren entsprechen, und
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8 ein Kurvendiagramm, das
die von einer Brennstoffzelle gelieferte Spannung abhängig von
der verstrichenen Zeit seit ihrer Inbetriebnahme darstellt, beziehungsweise
für eine
Zelle, welche nicht gespült
wird, für
eine Zelle, welche gemäß bekannter
Technik regelmäßig gespült wird,
und für
eine Zelle, welche gemäß der Erfindung
regelmäßig gespült wird.
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Die
Figuren zeigen eine Brennstoffzelle 1, die einen Eingang 11 eines
Gaskreislaufes umfasst, durch welchen Gas in die Zelle eingeleitet
wird, das den Betrieb der Zelle ermöglicht und das aus einer (nicht
dargestellten) Gasversorgung stammt, und einen Ausgang 12 zur
Gasableitung oder zur Spülung, durch
welchen ein möglicher
Rückstand
des nicht verbrauchten Gases als auch Wasser im flüssigen Zustand,
welches durch die Membrane der Zelle hindurch gegangen ist, abgeleitet
werden, wobei dieses mögliche
Restgas und dieses Wasser Hindernisse für die freie Zirkulation von
frischem Gas darstellen. In den nachfolgenden Beispielen besteht
der Gaskreislauf aus einem Wasserstoffkreislauf, und als Restgase
können
Wasserstoff und, wie zu sehen ist, auch Stickstoff vorhanden sein.
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Gemäß der Erfindung
ist der Ausgang 12 der Zelle 1 mit einem Eingang
einer Kapazität 2,
deren Volumen der Größenordnung
des Anodenraumes der Zelle entspricht, durch Verbindungsmittel 3 verbunden,
die eine Leitung 30 umfassen. In Abständen, die regelmäßig sind
oder nicht, werden die Drücke
in mindestens einem Referenzbereich der Zelle, der zwischen dem
Eingang 11 und dem Ausgang 12 liegt, und der Kapazität, ungefähr auf einen
Wert P abgeglichen; danach wird der Gasdruck mindestens in der Kapazität 2 abgesenkt,
anschließend
wird mit Gas, das aus der Versorgung stammt, ein Gasstrom mit steilem
Anstieg aufgebaut, der durch die Verbindungsmittel von der Zelle
zu der Kapazität
geht, um gleichzeitig das Wasser im flüssigen Zustand, das in der
Zelle vorhanden ist, in die Kapazität zu transportieren; woraufhin
das Wasser im flüssigen
Zustand aus der Kapazität
abgeleitet wird.
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In
vielen Fällen
ist es praktisch, da der Wert P über
dem atmosphärischen
Druck liegt, dass der Druckwert, für den der Gasstrom aufgebaut
wird, ungefähr
gleich dem atmosphärischen
Druck ist.
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Die
folgenden Werte, die als Beispiel angeführt sind, entsprechen einer
Brennstoffzelle von 30 kW und deren Innenvolumen beträgt 24 Liter.
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In 1 umfassen die Verbindungsmittel 3, außer der
Leitung 30 am Ausgang der Zelle, ein Ausgangsventil 31,
das in diese Leitung eingesetzt ist, und sie weisen Chargeverluste
auf, die so niedrig wie möglich
sind; bei normalem Betrieb (zwischen den Spülungen) kann dieses Ventil 31 geöffnet oder
geschlossen sein; in dem Eingangskreislauf 4 der Zelle 1,
der die Zelle mit einer (nicht dargestellten) Gasversorgung verbindet,
ist ein Ventil 41 an dem Eingang 11 der Zelle
angeschlossen; bei normalem Betrieb (zwischen den Spülungen)
ist dieses Ventil 41 geöffnet.
Im Hinblick auf eine Durchführung
einer Spülung wird
das Ventil 31 am Ausgang geöffnet, wenn es anfänglich geschlossen
war, danach, aufeinander folgend
- – wird die
Zufuhr von Gas, das aus der Versorgung stammt, am Eingang 11 der
Zelle unterbrochen, und dazu wird das Eingangsventil 41 geschlossen;
aufgrund des Verbrauches von Gas, das in der Zelle vorhanden ist,
die nicht wieder versorgt wird, fällt der Druck, der in der Zelle 1 und der
Kapa zität 2 anfänglich P
betrug, bis auf P – ΔP ab; in
dem gewählten
Beispiel liegt der Druckabfall ΔP
alle zwei Sekunden in der Größenordnung von
0,1 bar;
- – wenn ΔP einen vorbestimmten
Wert in der Größenordnung
von 0,1 bar bis 0,6 bar erreicht, wird die Kapazität von der
Zelle getrennt, und zu diesem Zweck wird das Ausgangsventil 31 geschlossen,
und die Zelle wird wieder versorgt, und zu diesem Zweck wird sofort
das Eingangsventil 41 geöffnet, wodurch ein Wiederanstieg
des Druckes in der Zelle 1 erzeugt wird;
- – wenn
schließlich
der Druck in der Zelle 1 seinen anfänglichen Wert P wieder erreicht
hat, wird die Verbindung zwischen der Zelle und der Kapazität wiederhergestellt
und zu diesem Zweck wird das Ausgangsventil 31 wieder geöffnet, wodurch
ein Gasstrom mit steilem Anstieg zu der Zelle hervorgerufen wird,
und wobei, beim Durchlaufen der Verbindungsmittel 3, von
der Zelle zu der Kapazität,
Wasser im flüssigen
Zustand, das in der Zelle vorhanden ist, bis in die Kapazität 2 transportiert wird;
anschließend
reicht es aus, die Kapazität
zu spülen,
um das Wasser mittels eines Spülelementes 21 daraus
abzuleiten, das ebenfalls ein Ventil sein kann.
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In 2 umfassen die Verbindungsmittel 3 eine
Ausgangsleitung 30, aber kein Ausgangsventil, weil angenommen
wird, dass die Chargeverluste des Eingangskreislaufes 4,
der das Eingangsventil 41 umfasst, niedrig genug sind,
um keine Beschränkung für die Gastransporte
darzustellen. Zum Zweck der Spülung
wird in diesem Fall die Gaszufuhr am Eingang der Zelle unterbrochen
und dazu wird das Eingangsventil 41 geschlossen, es wird
wie im Fall der 1 gewartet,
bis der Druck um ΔP
in der Zelle 1 und in der Kapazität 2 abfällt, und
die Zelle wird wieder versorgt und dazu wird das Eingangsventil 41 geöffnet, wodurch ein Gasstrom mit steilem Anstieg
in Richtung der Zelle, in der Zelle und von der Zelle zu der Kapazität hervorgerufen
wird, der das in der Zelle vorhandene Wasser transportiert. Wenn
die Chargeverluste in dem Eingangskreislauf 4 zu hoch sind, kann
als Abwandlung eine Pufferkapazität 42 in diesem Kreislauf,
stromaufwärts
des Eingangsventiles 41 (in 2 in
gestrichelten Linien), angeordnet werden, um frisches Gas in vorbestimmter
Menge und bei vorbestimmtem Druck zu speichern.
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Bei
den zwei Beispielen, die gerade beschrieben worden sind, ist die
Häufigkeit
der Spülungen
der Zelle 1 nur durch die Geschwindigkeit des Gasverbrauches
in der Zelle beschränkt.
Außerdem können die
durch die starken Gasbewegungen geschaffenen Turbulenzen den Betrieb
bei Vorhandensein von Stickstoff verbessern. Wenn allerdings eine
zu große
Menge Stickstoff vorhanden ist, ist es notwendig, zusätzlich eine
Stickstoffspülung
vorzunehmen. Das Vorhandensein einer zu großen Menge Stickstoff wird durch
die Feststellung eines Abfalls der Leistungen der Zelle zum Zeitpunkt
des Druckabfalls erkannt. In dem ersten Beispiel ermöglicht das Vorhandensein
der Kapazität 2,
die Wasserstoffverluste zu begrenzen, weil, um den Stickstoff zu
spülen, das
Ventil 31, welches die Kapazität 2 und die Zelle 1 trennt,
geschlossen wird und die Kapazität 2 nach
außen
hin geöffnet
wird, wodurch ein Teil des wasserstoffarmen Gemisches abgeleitet
wird, das sich dort befindet (ein Drittel bei einem Betrieb bei
1,5 bar); während
der Rückkehr
zu normalen Betriebsbedingungen wird der Wasserstoffgehalt in dem
Anodenbereich erhöht
und ein Teil des wasserstoffarmen Gemisches durch frischen Wasserstoff
(hier 1/6) ersetzt.
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In 3 umfassen die Verbindungsmittel 3 wiederum
eine Ausgangsleitung 30 und ein Ausgangsventil 31,
das in diese Leitung eingesetzt ist; außerdem umfasst die Kapazität 2 einen
Ausgang 22, der über
einen Rückführkreislauf 5 mit
der Zelle 1 verbunden ist, um dorthinein den Wasserstoff
wieder einzupressen, der in der Kapazität enthalten ist, anstatt ihn
aus der Kapazität
mittels des Spülelementes 21 abzuleiten,
welches daher einzig und allein dazu dient, das Wasser und den Stickstoff
abzuleiten; zu diesem Zweck umfasst der Rückführkreislauf 5 eine Pumpe 50,
die in eine Leitung 51 des Rückführkreislaufes eingesetzt ist,
der den Ausgang der Kapazität hier
mit dem Eingangskreislauf 4 verbindet; ein Spülelement 52 ist
auch an den Ausgang der Pumpe 50 angeschlossen.
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Die
in dieser 3 dargestellte
Vorrichtung ermöglicht
sehr starke und regelmäßige Spülungen vorzunehmen,
wobei gleichzeitig der Wasserstoff wieder in Umlauf gebracht wird,
weil der Druck in der Kapazität 2 mittels
der Pumpe 50 abgesenkt wird, durch welche der in der Kapazität enthaltene
Wasserstoff wieder eingepresst wird, beispielsweise stromaufwärts der
Zelle 1 (in unmittelbarer Nähe des Eingangs 11 oder
noch weiter stromaufwärts),
oder sogar stromabwärts
der Zelle, aber stromaufwärts des
Ausgangsventiles 31 (in 3 in
gestrichelter Linie), dabei wird der Wasserstoff dann durch ihren Ausgang 12 wieder
in die Zelle eingeleitet. Bei dieser Vorrichtung wird das Ausgangsventil 31 geschlossen und
der Druck in der Kapazität
bis auf einen Wert P – ΔP abgesenkt;
sobald dieser Wert erreicht ist, wird das Ausgangsventil 31 geöffnet und
auf diese Weise wird ein Gasstrom mit steilem Anstieg von der Zelle zu
der Kapazität
geschaffen, der Wasser in flüssigem Zustand,
das in der Zelle vorhanden ist, in die Kapazität transportiert, damit es abgeleitet
wird.
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Diese
Vorrichtung und dieses Verfahren, die eine Umwälzung des Wasserstoffes ermöglichen,
erfordern die Instandhaltung einer Pumpe. Diese Lösung bietet
allerdings als Vorteil, verglichen mit dem vorherigen Stand der
Technik, bei dem eine Umlaufpumpe eingesetzt wird, dass die Pumpe
keine großen
Wasserstoffmengen bei niedrigem ΔP
in Umlauf bringen muss, sondern nur den Druck in der Kapazität in dem
Zeitraum senken muss, der zwischen zwei Spülungen liegt. In demselben
Beispiel wie zuvor (Zelle von 30 kW und 24 Litern), mit einer Spülung alle
zwei Minuten bei einem Druckunterschied von 0,5 bar, beträgt die Durchflussmenge
6 Nl/Min. und kann deswegen durch eine Minipumpe mit einigen Watt
geleistet werden. Der grundsätzliche
Vorteil dieser Vorrichtung und dieses Verfahrens liegt allerdings darin,
dass während
der Spülung
der Druck nicht in der Zelle abfällt,
und es deswegen keinen Abfall von Leistungen, auch keinen leichten,
im Laufe dieses Abfallens des Druckes gibt, außer wenn die Kapazität Stickstoff
aufnimmt, wodurch der Zeitpunkt erkannt werden kann, an dem die
Kapazität
gespült
werden muss.
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Die
Vorrichtungen der 1, 2 und 3 erfordern die Spülung der Kapazität, um den
Stickstoff und verschiedene Verunreinigungen zu entfernen; sie können, damit
nur Wasserstoff wieder in die Zelle eingepresst wird und die Verunreinigungen
bei einem minimalen Verlust dieses Gases gespült werden, mit Reinigungsmitteln
versehen sein, beispielsweise mit Palladium, mit einer organischen
Membrane oder mit einem molekularen Sieb.
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In 4 umfassen die Verbindungsmittel 3 eine
Ausgangsleitung 30 und ein Ausgangsventil 31 des
Dreiwegetyps. Die Kapazität 2 ist
mit einem Abscheider 23 hier mit Membrane ausgestattet,
um den in ihr vorhandenen Wasserstoff zurückzugewinnen. Der Ausgang dieses
Gerätes 23 ist
mit einem Rückführkreislauf 5 verbunden,
der eine Leitung 51 an einem zweiten Eingang (der dritte
Weg) des Ventiles 31 umfasst. Die Vorrichtung umfasst auch
ein Eingangsventil 41 in ihrem Eingangskreislauf 4 und
ein Spülelement 21 für die Kapazität, wie z.
B. ein Ventil. Das in dieser Vorrichtung durchgeführte Verfahren, welches
eine Verbesserung desjenigen von 1 ist,
ist das folgende: im Hinblick auf die Spülung wird das Eingangsventil 41 geschlossen,
und der Eingang des Ausgangsventiles 31 wird mit dem Ausgang 22 des
Abscheiders 23 verbunden, so dass die Zelle 1 den
Inhalt der Kapazität 2 durch
die Membrane des Abscheiders 23 hindurch ansaugt; es wird
abgewartet, bis der Druck in der Kapazität den Wert P – ΔP erreicht
oder sich bei einem höheren
Wert stabilisiert (wodurch dann angezeigt wird, dass fast nur noch Stickstoff
und Verunreinigungen in der Kapazität vorhanden sind); dann wird
das Ausgangsventil 31 geschlossen und das Eingangsventil 41 geöffnet; woraufhin
die Kapazität
gespült
wird, wenn der Druck sich bei einem höheren Wert als P – ΔP (oder bei
einem vorbestimmten Wert) stabilisiert hat, um mindestens einen
Teil der Verunreinigungen zu entfernen; auf diese Weise wird ein
Wert P – ΔP (beispielsweise in
der Nähe
des atmosphärischen
Druckes) in der Kapazität
erreicht; schließlich
wird die Verbindung zwischen dem Eingang des Ausgangsventiles 31 und dem
Eingang der Kapazität über die
Ausgangsleitung 30 erstellt, und die Zelle wird auf diese
Weise gespült, wie
dies für
die Vorrichtung der 1 beschrieben wird.
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Als
(nicht dargestellte) Abwandlungen:
- – kann am
Ausgang der Spülung
der Kapazität eine
Pumpe zum Absaugen der Verunreinigungen angeschlossen werden, die
es ermöglicht,
einen niedrigeren Druck in der Kapazität zu erzielen und mehr Verunreinigungen
zu entfernen;
- – kann
das Dreiwege-Ausgangsventil 31 durch ein herkömmliches
Ventil und zwei Klappenventile ersetzt werden, das heißt ein Rückschlagventil
für das
Pumpen von Wasserstoff (in Richtung von dem Abscheider 23 zu
der Zelle), und ein Spülklappenventil
(in Richtung von der Zelle zu der Kapazität).
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In 5, die eine Vorrichtung
darstellt, welche eine Weiterentwicklung derjenigen von 2 ist, bei welcher die Verbindungsmittel
eine Ausgangsleitung 30 umfassen, aber kein Ausgangsventil;
ist hier das Ausgangsventil tatsächlich
durch ein Hauptklappenventil 32 ersetzt worden, dessen
Durchgangsrichtung von der Zelle 1 zu der Kapazität 2 geht,
und ein Rückführkreislauf 5 umfasst
ein Rückschlagventil 52 für das Pumpen
von Wasserstoff, der den Abscheider 23 stromaufwärts des
Hauptklappenventiles 32 verbindet, wobei die Durchgangsrichtung
von diesem Gerät 23 stromaufwärts führt. Während der
Absaugung, die schon in Verbindung mit der Vorrichtung der 4 beschrieben worden ist, öffnet sich
das Klappenventil 52 zum Pumpen von Wasserstoff und ermöglicht den
Transport von Wasserstoff von der Kapazität zu der Zelle, wodurch der
Druck in der Kapazität
absinkt; wenn kein Wasserstoff mehr in der Kapazität vorhanden
ist, fällt
der Druck in der Zelle noch weiter ab, kann allerdings in der Kapazität nicht weiter
abfallen; wenn die Kapazität
gespült
wird, öffnet
sich das Hauptklappenventil 32 solange nicht wie die Zelle
auf einem niedrigeren Druck als die Kapazität bleibt; nachdem das Spülelement 21 wieder
geschlossen worden ist, wird das Eingangsventil 41 geöffnet, und
auf diese Weise wird der Gasstrom zum Spülen wie im Fall der 2 aufgebaut.
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Bei
den Vorrichtungen der 4 und 5 kann die Spülung der
Zelle außerdem
durchgeführt
werden, ohne das Spülelement
der Kapazität
zu schließen,
indem eine Geometrie für
die Kapazität
gewählt wird,
welche die Kolbenwirkung unterstützt,
die durch das aus der Zelle austretende Gas entsteht; auf diese Weise
wird ein größerer Teil
der angesammelten Verunreinigungen entfernt.
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In 6, die eine Vorrichtung
darstellt, welche eine Weiterentwicklung derjenigen von 3 ist, umfassen die Verbindungsmittel 3 auch
eine Ausgangsleitung 30 und ein Ausgangsventil 31,
welches in diese Leitung eingesetzt ist; die Kapazität 2 ist
mit einem Wasserstoffabscheider 23 mit Membrane ausgestattet;
dieses besagte Gerät 23 ist über einen Rückführkreislauf 5 mit
dem Eingang 11 der Zelle oder mit dem Eingangskreislauf 4 verbunden,
oder sogar stromaufwärts
des Ausgangsventiles 31 (in 6 in
gestrichelter Linie), um den in der Kapazität enthaltenen Wasserstoff wieder
in die Zelle einzupressen, wobei der Rückführkreislauf 5 eine
Pumpe 50 umfasst, die in die Rückführleitung 51 integriert
ist, wie schon mit Bezugnahme auf 3 beschrieben worden
ist. Wie zuvor wird also der Wasserstoff der Kapazität in Richtung
Pumpe abgesaugt, dieses Mal mittels der selektiven Membrane, und
anschließend von
der Pumpe zu der Zelle transportiert; das Spülverfahren ist bis auf diesen
Unterschied dasselbe wie dasjenige, das zuvor mit Bezugnahme auf 3 beschrieben worden ist.
So wie es der Fall für
die Vorrichtungen der 4 und 5 ist, wird die Notwendigkeit
des Spülens
der Kapazität
erfasst, wenn sich der Druck in ihr über dem gewöhnlichen Druck stabilisiert.
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In 7 ist eine Vorrichtung dargestellt,
die ebenfalls eine Abwandlung der Vorrichtung der 1 ist; dort gibt es auch wieder ein Ausgangsventil 31 zwischen
der Zelle und der Kapazität,
ein Spülelement 21 für die Kapazität und ein
Eingangsventil 41, mit demselben Aufbau; das herkömmliche
Eingangsventil 41 ist einfach durch ein Dreiwegeventil
ersetzt worden, dessen zweiter Eingang (dritter Weg) über einen
Rückführkreislauf 5,
der eine Leitung 51 umfasst, mit dem Ausgang 22 der
Kapazität
verbunden ist.
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Wie
in den vorhergehenden Fällen,
bei denen es ein Ausgangsventil 31 gibt, kann dieses bei normalem
Betrieb geöffnet
oder geschlossen sein; das Eingangsventil 41 verbindet
die Zelle mit der Wasserstoffversorgung; zum gegebenen Zeitpunkt wird
die Position des Eingangsventiles umgekehrt und auf diese Weise
wird der Druck in der Kapazität vermindert,
indem Gas aus ihr in die Zelle transportiert wird; dann wird das
Ausgangsventil 31 geschlossen, wenn es geöffnet war;
sobald der Druck in der Kapazität
auf den gewählten
Wert abgefallen ist, wird die Position des Eingangsventiles 41 umgekehrt,
um die Verbindung zwischen der Zelle und der Gasversorgung wiederherzustellen,
und das Ausgangsventil 31 wird geöffnet, und auf diese Weise
wird ein Gasstrom mit steilem Anstieg geschaffen, der das Wasser
aus der Zelle zu der Kapazität
transportiert; woraufhin das Ausgangsventil 31 wieder geschlossen wird,
um die Zelle und die Kapazität
zu trennen, wenn das die normalen Betriebsbedingungen sind.
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Dieselbe
Abwandlungsart kann auf der Grundlage der 2 realisiert werden, und auf diese Weise
wird, in einer nicht dargestellten Ausführungsform, die 2 modifiziert, indem das
herkömmliche Eingangsventil 41 durch
ein Dreiwegeventil ersetzt wird, dessen zweiter Eingang durch einen
Rückführkreislauf
mit einem Ausgang der Kapazität
verbunden ist.
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Selbstverständlich ist
das Problem des Auftretens von Wasser nicht auf den Wasserstoffkreislauf
einer Brennstoffzelle beschränkt,
sondern es besteht außerdem
in dem Sauerstoffkreislauf.
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Die
vorstehend beschriebenen Beispiele, die sich nicht auf spezielle
Techniken mit Wasserstoff beziehen, nämlich diejenigen der 1, 2, 3 und 7, können auch auf den Kreislauf
mit reinem Sauerstoff derartiger Wasserstoff-Sauerstoff-Zellen angewendet
werden. Darüber
hinaus erfordert die größere Wassermenge,
die auf der Sauerstoffseite vorhanden ist, häufigere Spülungen, aber deren Häufigkeit hängt, wie
bei dem Wasserstoff, von der Zelle ab; im Gegensatz dazu gibt es
allerdings weniger Beeinträchtigungen
durch die Probleme der Ansammlung von anderen Gasen.
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Es
wird angemerkt, dass die Häufigkeit
der Spülungen
der Kapazität
(von Wasser, von Stickstoff, usw.) sehr viel niedriger sein kann
als diejenige der Spülungen
der Zelle.
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Die
Wirksamkeit der Durchführung
der Erfindung kann anhand von 8 festgestellt
werden, die in mehreren Fällen
die gelieferte Spannung einer Brennstoffzelle wie derjenigen, die
zuvor als Beispiel genommen wurde, in Abhängigkeit von der Zeit zeigt: Die
Kurve A stellt die Spannung dar, die durch die Zelle zeitabhängig geliefert
wird, wenn diese Zelle nicht gespült wird, eine Spannung, bei
der die Schnelligkeit der Leistungsabnahme charakteristisch ist;
die Kurve B stellt die Spannung für eine identische Zelle dar,
bei welcher der Wasserstoffkreislauf alle fünf Minuten nach dem bekannten
Verfahren gespült
wird, wobei bei jeder Spülung
Wasserstoff verloren geht; die Kurve C stellt die Spannung für eine identische
Zelle dar, bei welcher der Wasserstoffkreislauf mittels des Verfahrens
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
gespült
wird, die in 1 dargestellt
ist. Diese letzte Kurve stellt deutlich die Beständigkeit der Leistungen einer
Zelle im Verlaufe der Zeit dar, die gemäß der Erfindung auf diese Weise
gespült
wird.