DE10120018A1 - Brennstoffzellensystem mit einem kompakten Wasserabscheider - Google Patents
Brennstoffzellensystem mit einem kompakten WasserabscheiderInfo
- Publication number
- DE10120018A1 DE10120018A1 DE10120018A DE10120018A DE10120018A1 DE 10120018 A1 DE10120018 A1 DE 10120018A1 DE 10120018 A DE10120018 A DE 10120018A DE 10120018 A DE10120018 A DE 10120018A DE 10120018 A1 DE10120018 A1 DE 10120018A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- water
- fuel cell
- sump
- outlet
- carrier gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Ein Brennstoffzellensystem umfaßt einen kompakten Wasserabscheider mit niedrigem Druckverlust und hohem Wirkungsgrad zum Abtrennen von flüssigem Wasser von wasserbeladenen Strömen des Systems. Ein Zylinderabscheider umfaßt einen Sumpf zum Sammeln des Wassers, einen Ablauf zur Entfernung des Wassers von dem Sumpf und zum Lenken desselben zu einem Reservoir, ein Absperrventil in Verbindung mit dem Ablauf zur Steuerung der Strömung durch den Ablauf, und einen Wasserniveauschalter, der das Öffnen/Schließen des Ventils steuert. Der Schalter löst ein Schließen des Ventils aus, bevor der Sumpf geleert ist, um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die ein Entweichen des Gases durch den Ablauf verhindert.
Description
Diese Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere Was
serabscheider dafür.
Brennstoffzellen im allgemeinen und PEM-Brennstoffzellen im besonderen
sind neben anderen Anwendungen zur Verwendung als elektrische An
triebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden.
PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen ei
nen "Membranelektrodenaufbau" (auch bekannt als MEA) mit einem dün
nen protonendurchlässigen, festen Polymermembranelektrolyten, der auf
einer seiner Seiten eine Anode und auf der gegenüberliegenden Seite eine
Kathode aufweist. Der Festpolymerelektrolyt besteht typischerweise aus
einem Ionentauscherharz, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure.
Die Anode/Kathode umfaßt typischerweise fein geteilte katalytische Parti
kel (oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen) gemischt mit einem proto
nenleitfähigen Harz. Der MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elek
trisch leitfähiger Elemente angeordnet, die sowohl als Stromkollektoren
als auch als Mittel zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brenn
stoffzelle über die Oberflächen der Elektroden dienen. Bei derartigen PEM-Brenn
stoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktant (d. h. Brennstoff),
Sauerstoff (d. h. aus Luft) ist der Kathodenreaktant (d. h. Oxidationsmittel),
und diese reagieren miteinander, um Elektrizität und Wasser zu erzeugen.
Der Kathoden-/Luft-Strom (und manchmal der Anoden-/H2-Strom) wird
typischerweise befeuchtet, um die Ionentauschermembran vor einer Aus
trocknung zu bewahren.
Einige Brennstoffzellensysteme verwenden unter Druck gesetzten oder
flüssigen Wasserstoff-Brennstoff zur Beschickung der Brennstoffzelle. An
dere speichern den Wasserstoff chemisch als ein thermisch spaltbares
Hydrid oder physikalisch-chemisch durch eine über Wärme freigebbare
Adsorption auf einem geeigneten Adsorptionsmittel (beispielsweise Nano
fasern aus Kohlenstoff). Bei Fahrzeuganwendungen ist es jedoch er
wünscht, wasserstoffhaltige Flüssigkeiten, wie beispielsweise Benzin,
Methanol oder dergleichen aufgrund dessen, daß sie leicht in dem Fahr
zeug gespeichert werden können, zu spalten, um den von der Brennstoff
zelle verwendeten Wasserstoff zu bilden. Aufgrund der Existenz einer
dichten Versorgungsinfrastruktur ist Benzin besonders bevorzugt. Um de
ren Wasserstoff freizugeben, werden wasserstoffhaltige Flüssigkeiten in
einem sogenannten "Brennstoffprozessor" aufgespalten.
Ein bekannter Brennstoffprozessor zum Aufspalten von Benzin, um Was
serstoff zu erzeugen, ist ein zweistufiger chemischer Reaktor, der oftmals
als ein "autothermischer Reformer" bezeichnet wird. Bei einem autother
mischen Reformer wird Benzin und Wasserdampf (d. h. Dampf) mit Luft
gemischt und aufeinanderfolgend durch zwei Reaktionsabschnitte geleitet,
d. h. einen ersten "Abschnitt für partielle Oxidation" (POX-Abschnitt) und
einen zweiten "Dampfreformierungsabschnitt" (SR-Abschnitt). In dem
POX-Abschnitt reagiert das Benzin exotherm mit einer unterstöchiometri
schen Menge an Luft, um Kohlenmonoxid, Wasser und niedrige Kohlen
wasserstoffe (beispielsweise Methanol) zu erzeugen. Die heißen POX-Reak
tionsprodukte gelangen in den SR-Abschnitt, in dem die niedrigeren
Kohlenwasserstoffe mit dem Dampf reagieren, um ein Reformatgas zu er
zeugen, das hauptsächlich Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid,
und Stickstoff umfaßt. Die SR-Reaktion ist endotherm, erhält aber ihre
erforderliche Wärme von der Wärme, die von dem POX-Abschnitt durch
den POX-Abfluß in den SR-Abschnitt getragen wird. Ein derartiger auto
thermischer Reformer ist in der internationalen Patentveröffentlichung mit
der Nummer WO 98/08771 beschrieben, die am 5. März 1998 veröffent
licht wurde. Der Prozeß zur Erzeugung von Wasserstoff aus Methanol ist
ähnlich zu demjenigen, der für Benzin verwendet wird, außer, daß der
POX-Schritt beseitigt ist und das Methanol direkt an einen Dampfreformer
geliefert wird, in welchem es mit Dampf reagiert, um ein Reformat zu er
zeugen, das H2, CO2 und CO umfaßt. Ein bekannter Brennstoffprozessor
zur Aufspaltung von Methanol ist ein Dampfreformer, wie beispielsweise in
dem U.S. Patent 4,650,727 von Vanderborgh beschrieben ist.
Die Kohlenmonoxidkonzentration in dem Reformat, das den Dampfrefor
mer verläßt, ist zu hoch, als daß das Reformat in einer Brennstoffzelle oh
ne deren Vergiftung verwendet werden könnte. Demgemäß muß die CO-Kon
zentration auf ein sehr niedriges Niveau verringert werden, das für die
Brennstoffzelle nicht toxisch ist. Es ist bekannt, das Reformat von CO da
durch zu reinigen, daß dieses einer sogenannten "Wasser-Gas-Shift"-Reaktion
(WGS-Reaktion, auch CO-Konvertierungsreaktion) unterzogen
wird, die in einem WGS-Reaktor stattfindet, der unterstromig des SR-Reaktors
angeordnet ist. Bei der WGS-Reaktion reagiert Wasser (d. h.
Dampf) endotherm mit dem Kohlenmonoxid gemäß der folgenden idealen
Shift-Reaktion:
CO + H2O → CO2 + H2
Einiges CO überdauert die Wasser-Gas-Shift-Reaktion und muß weiter
verringert werden (d. h. unterhalb etwa 20 ppm), bevor das Reformat an
die Brennstoffzelle geliefert werden kann. Es ist bekannt, den CO-Gehalt
von H2-reichem Reformat durch selektive Reaktion desselben mit Sauer
stoff (d. h. als Luft) in einer sogenannten PrOx-Reaktion (d. h. Reaktion mit
selektiver Oxidation) weiter zu verringern, die in einem katalytischen
PrOx-Reaktor ausgeführt wird, der unterstromig des Wasser-Gas-Shift-Reaktors
angeordnet ist. Die PrOx-Reaktion ist exotherm und verläuft wie
folgt:
CO + 1/2O2 → CO2
Die Kombination einer WGS-Reaktion gefolgt durch eine PrOx-Reaktion ist
gewöhnlich ausreichend, um das Reformat ausreichend zu reinigen, so
daß es in der Brennstoffzelle verwendet werden kann.
Es ist bekannt, die die Brennstoffzelle verlassenden Kathoden- und An
odenabgase in einem Brenner zu verbrennen, um jeglichen Wasserstoff
von den Abgasen des Systems zu beseitigen und Wärme zur Verwendung
an einer beliebigen Stelle in dem System zu bilden, um damit beispiels
weise (1) einen Methanolreformer zu erwärmen oder (2) flüssigen Brenn
stoff und Wasser zum Gebrauch in dem System zu verdampfen. Überdies
ist es bekannt, daß ein Wassermanagement von Brennstoffzellensystemen,
die in Kraftfahrzeuganwendungen (beispielsweise Autos, Lastwagen, Bu
ssen, etc.) verwendet werden sollen, sehr wichtig ist. Diesbezüglich ist es
erwünscht, daß durch die Brennstoffzelle erzeugte Wasser zu sammeln
und dieses an einer beliebigen Stelle in dem System (beispielsweise in ei
nem Brennstoffprozessor, einem Wasser-Gas-Shift-Reaktor oder einem
Befeuchter) wiederzuverwenden, wo es benötigt wird, anstatt eine zusätzli
che Wasserversorgung an Bord für derartige Systemanforderungen vorzu
sehen. Überdies ist es erwünscht, die Menge an flüssigem Wasser in den
verschiedenen Systemströmen so zu minimieren, daß Reaktoren nicht
nachteilig beeinflußt werden, die von diesen Strömen versorgt werden.
Daher sollte beispielsweise flüssiges Wasser von den Brennstoffzellenab
gasen und insbesondere dem Kathodenabgas beseitigt werden, die an den
Brenner geliefert werden, um so den Brennerkatalysator nicht zu über
schwemmen oder anderweitig eine Verbrennung der Abgase darin zu un
terdrücken. Ähnlicherweise ist es erwünscht, sicherzustellen, daß das H2-reiche
Brennstoffgas, das an die Anoden- und/oder Kathodenseiten der
Brennstoffzelle geliefert wird, wenig oder gar kein flüssiges Wasser enthält,
das entweder den Katalysator überschwemmen oder die Brennstoffzelle
fluten und dadurch deren Wirkungsgrad verringern könnte. Es ist ähnli
cherweise erwünscht, Wasser von dem Abgassystem von dem Brenner des
Systems abzufangen. Dem gemäß ist es bekannt, einen oder mehrere me
chanische Wasserabscheider an verschiedenen Stellen innerhalb des Sy
stems vorzusehen, um flüssiges Wasser von den verschiedenen Gasströ
men zu entfernen und dieses an eine Wassersammelstelle zu lenken. Die
se Praxis trägt zusätzliche Ausstattung zu dem System bei, die insbeson
dere bei Fahrzeuganwendungen unerwünscht ist, da die Wasserabschei
der, die bisher verwendet worden sind, zu groß und nicht effizient waren
und/oder einen zu großen Druckverlust aufwiesen, der für die System
energie abträglich ist.
Die vorliegende Erfindung mildert den unerwünschten Einfluß von me
chanischen Wasserabscheidern in Brennstoffzellensystemen für Fahrzeug
anwendungen durch Ausbildung eines Abscheiders, der (1) kompakt ist,
um so nicht zu viel Raum in dem Motorraum eines Fahrzeugs zu verbrau
chen, (2) einen hohen Abscheidungswirkungsgrad aufweist, um so einen
hohen Grad an Wasserentfernung und Wassersammlung sicherzustellen,
und (3) einen niedrigen Druckverlust aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem
kompakten, effizienten Wasserabscheider mit niedrigem Druckverlust zur
Entfernung flüssiger Wassertröpfchen von wasserbeladenen Systemströmen.
Die Erfindung ist auf alle Brennstoffzellensysteme anwendbar, die
eine Brennstoffzelle, eine Quelle für H2-reiches Brennstoffgas zur Beschickung
einer Brennstoffzelle, eine Quelle für Sauerstoff (beispielsweise Luft)
zur elektrochemischen Reaktion mit dem H2 in der Brennstoffzelle und ein
Reservoir zum Sammeln von Wasser umfassen, das von den verschiede
nen Systemströmen zur Wiederverwendung an einer beliebigen Stelle in
dem System (beispielsweise in einem Brennstoffprozessor oder einem Be
feuchter für die H2-und/oder O2-Ströme) abgeschieden wird. Allgemein
gesagt ist die Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem anwendbar, das
umfaßt: (1) eine Brennstoffzelle, (2) eine Quelle für H2-reiches Brennstoff
gas, die einen Brennstoffstrom für die Brennstoffzelle liefert, (3) eine
Quelle für Sauerstoff, die einen Oxidationsmittelstrom zur elektrochemi
schen Reaktion mit dem H2-reichen Brennstoffgas in der Brennstoffzelle
liefert, (4) einen Anodenabgasstrom, der H2-abgereichertes Brennstoffgas
umfaßt, das die Brennstoffzelle verläßt, (5) einen Kathodenabgasstrom,
der Wasser, Sauerstoff und Stickstoff umfaßt und die Brennstoffzelle ver
läßt, (6) zumindest einen Wasserabscheider zur Entfernung von Wasser
von zumindest einem der Systemströme, der mit flüssigem Wasser bela
den ist, und (7) ein Reservoir zum Sammeln des Wassers, das von dem
wasserbeladenen Strom entfernt wird, zur Wiederverwendung in dem Sy
stem. Insbesondere ist die Erfindung auf ein derartiges Brennstoffzellen
system gerichtet, bei dem der Abscheider ein Zyklonabscheider ist, der ein
Sammelrohr mit einer inneren zylindrischen Wand aufweist, die eine
Sammelkammer definiert, durch welche der wasserbeladene Strom fließt.
Das Sammelrohr weist einen Einlaß, durch welchen der wasserbeladene
Strom in die Kammer eintritt, und einen Auslaß auf, durch welchen das
abgetrennte Wasser die Kammer wieder verläßt. Eine Verwirbelungsein
richtung an dem Einlaß zu dem Sammelrohr bringt auf den wasserbela
denen Strom, der in die Kammer eintritt, eine Wirbelbewegung/Rotati
onsbewegung auf, die das Wasser zentrifugal aus dem wasserbeladenen
Strom auf die Wand treibt, während das Wasser entlang der Wand in
Richtung des Auslasses gedrängt wird. Gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung umfaßt die Verwirbelungseinrichtung eine Vielzahl bogenförmi
ger Schaufeln, die in dem Einlaß zu dem Sammelraum positioniert sind.
Alternativ dazu kann die Verwirbelungseinrichtung den Einlaß zu dem
Sammelrohr derart ausgebildet und angeordnet umfassen, um so den
wasserbeladenen Strom tangential in das Sammelrohr einzuführen. Unter
dem Auslaß des Sammelrohres liegt ein Sumpf, der das Wasser sammelt,
das entlang der Wand zu dem Auslaß gewandert ist. Eine Leiteinrichtung
zwischen dem Auslaß und dem Sumpf dient dazu, das Wasser in den
Sumpf zu leiten, während verhindert wird, daß Wasser in dem Sumpf aus
dem Sumpf entweichen und in den durch den Abscheider fließenden
Strom wieder eintreten kann. Ein Ablauf steht mit dem Sumpf in Verbin
dung, um das Wasser von dem Sumpf in das Reservoir ablaufen zu las
sen. Ein Ventil, das wirksam mit dem Ablauf in Verbindung steht, steuert
den Ablauf des Wassers von dem Sumpf, um so ein ausreichendes Niveau
von Wasser in dem Sumpf beizubehalten und eine Wasserabdichtung zu
schaffen, die verhindert, daß der Strom, der durch den Abscheider fließt,
aus dem Abscheider über den Ablauf entweichen kann. Ein Flüssigkeits
niveauschalter ist mit dem Sumpf gekoppelt, um ein Schließen des Ventils
auszulösen, bevor das Niveau zu tief abfällt, um die Wasserabdichtung
beizubehalten. Der Abscheider weist ein Abgasrohr zum Austrag des was
serabgereicherten Dampfstromes von dem Abscheider auf. Das Abgasrohr
weist (1) eine Mündung an einem Ende, die im wesentlichen konzentrisch
zu dem Sammelrohr radial innerhalb der zylindrischen Innenwand des
Sammelrohres angeordnet ist, um den wasserabgereicherten Strom auf
zunehmen, der durch den Abscheider von der Sammelkammer strömt,
und (2) ein Auslaßende auf, um den wasserabgereicherten Dampfstrom
von dem Abscheider auszutragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ein
Brennstoffzellensystem mit (1) einer Brennstoffzelle, (2) einem Brennstoff
prozessor zur Umwandlung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffes, wie
beispielsweise Methanol oder Kohlenwasserstoff, in ein CO-haltiges, H2-reiches
Brennstoffgas zur Beschickung der Brennstoffzelle, (3) einem Was
ser-Gas-Shift-Reaktor unterstromig des Brennstoffprozessors zur Reaktion
des CO-haltigen, H2-reichen Brennstoffgases mit Dampf, um dessen H2-Gehalt
zu erhöhen und dessen CO-Gehalt zu verringern, (4) einem Was
serabscheider unterstromig der Brennstoffzelle, um Wasser von einem
wasserbeladenen Abfluß davon (beispielsweise Kathodenabgas) zu entfer
nen, und (5) einem Reservoir zum Sammeln des Wassers, das von dem
Abfluß entfernt wird, zur Wiederverwendung in dem Brennstoffprozessor
und/oder dem Wasser-Gas-Shift-Reaktor. Genauer weist das bevorzugte
Brennstoffzellensystem einen Wasser-Gas-Zyklonabscheider auf, der me
chanisch Wasser von dem Abfluß ohne Verlust an Gas abscheidet, das
das Wasser trägt. Der Abscheider umfaßt ein Sammelrohr, das eine innere
zylindrische Wand aufweist, die eine Sammelkammer definiert, durch wel
che der wasserbeladene Strom fließt und (d. h. in Wasser und Trägergas)
getrennt wird. Das Sammelrohr weist einen Einlaß, durch welchen das
wasserbeladene Gas in die Kammer eintritt, und einen Auslaß auf, durch
welchen Wasser aus der Kammer austritt. Eine Verwirbelungseinrichtung,
die an dem Einlaß angeordnet ist, bringt eine Wirbelbewegung auf das
Gas auf, die (1) das Wasser zentrifugal auf die zylindrische Wand treibt,
und (2) die Wasserlage, die sich an der Wand bildet, in Richtung des Aus
lasses drängt. Ein Sumpf liegt unter dem Auslaß des Sammelrohres, um
das Wasser zu sammeln, das entlang der Wand durch das Verwirbelungs
gas zu dem Auslaß gedrückt worden ist. Eine Leiteinrichtung zwischen
dem Auslaß und dem Sumpf dient dazu, das Wasser in den Sumpf zu len
ken, während verhindert wird, daß Wasser in dem Sumpf aus dem Sumpf
entweichen und wieder in das Trägergas eintreten kann. Eine bevorzugte
derartige Leiteinrichtung weist eine Vielzahl von Öffnungen darin auf,
durch welche das Wasser in den Sumpf eintritt, und umgibt am bevor
zugtesten den Auslaß des Sammelrohres. Der Sumpf weist einen Ablauf
auf, um jegliches Wasser ablaufen zu lassen, das sich in dem Sumpf an
sammelt. Der Ablauf umfaßt ein Absperrventil, das eine Durchströmung
durch den Ablauf bzw. dessen Absperrung steuert, wobei das Ventil
schließt, um einen Abfluß des Wassers von dem Sumpf zu verhindern,
damit noch immer ausreichend Wasser in dem Sumpf ist, um eine Flüs
sigkeitsabdichtung zu schaffen, die ein Entweichen des Trägergases durch
den Ausfluß verhindert. Ein Öffnen und Schließen des Ventiles wird durch
einen Schalter (beispielsweise einen Schwimmerschalter) gesteuert, der
das Niveau des Wassers in dem Sumpf bestimmt und ein Schließen des
Ventils auslöst, bevor das Niveau des Wassers in dem Sumpf zu niedrig
wird, um ein Entweichen des Trägergases durch den Ablauf zu verhin
dern. Der Abscheider umfaßt auch ein Abgasrohr mit einer Mündung an
einem Ende, die im wesentlichen konzentrisch und radial innerhalb der
Wand des Sammelrohres angeordnet ist. Die Mündung des Abgasrohres
nimmt wasserabgereichertes Trägergas von dem Längszentralbereich der
Kammer auf. Ein Abgasende an dem anderen Ende des Abgasrohres ent
gegengesetzt der Mündung trägt das wasserabgereicherte Trägergas von
dem Abscheider beispielsweise in einen Brenner aus. Bei der bevorzugte
sten Ausführungsform der Erfindung ist die Brennstoffzelle eine PEM
Brennstoffzelle, und das System umfaßt ferner einen Befeuchter ober
stromig der Brennstoffzelle, der Wasser von dem Reservoir zur Befeuch
tung des Kathodenluftstromes aufnimmt. Das Wasser könnte ähnlicher
weise von dem Reservoir an den Brennstoffprozessor oder Wasser-Gas-Shift-Reaktor
gelenkt werden.
Bei einer Ausführungsform des Abscheiders, der für eine In-Line-Anordnung
(Reihenanordnung) in einem Brennstoffzellensystem angepaßt
ist, sind die Sammel- und Abgasrohre zueinander entlang einer gemein
samen Achse ausgerichtet, so daß der Einlaß zu dem Sammelrohr der
Mündung des Abgasrohres gegenübersteht und mit dem Abgasende des
Abgasrohres ausgerichtet ist. Bei einer anderen Ausführungsform liegt die
Mündung des Abgasrohres auf derselben Längsachse wie das Sammel
rohr, aber das Abgasende des Abgasrohres liegt entlang einer anderen
Achse, die unter einem spitzen Winkel (beispielsweise 90°) zu der Längs
achse des Sammelrohres liegt. Bei dieser letztgenannten Ausführungsform
weist das Sammelrohr einen Einlaß an einem Ende, einen Auslaß an dem
entgegengesetzten Ende, eine Stirnwand benachbart des Auslasses auf,
und die Mündung des Abgasrohres steht der Stirnwand so gegenüber, daß
das Gas (a) in einer ersten allgemeinen Richtung entlang der Wand des
Sammelrohres von dem Einlaß in Richtung der Stirnwand strömt, und (b)
anschließend von der Stirnwand abgelenkt wird, so daß es durch das
Zentrum des Sammelrohres in einer zweiten allgemeinen Richtung, die der
ersten allgemeinen Richtung entgegengesetzt ist, und in die Mündung des
Abgasrohres strömt. Diese letztgenannte Ausführungsform ist insbesondere
für von einer In-Line-Anordnung verschiedene Anordnungen verwend
bar.
Fig. 1 ist ein Schema eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorlie
genden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht einer Ausführungsform eines Was
serabscheiders, der in Brennstoffzellensystemen gemäß der vor
liegenden Erfindung verwendbar ist.
Fig. 3 ist eine isometrische Ansicht einer anderen Ausführungsform
eines Wasserabscheiders, der in Brennstoffzellensystemen ge
mäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
Fig. 4 ist eine Stirnansicht in der Richtung 4-4 von Fig. 3.
Fig. 5 ist eine Seitenschnittansicht in der Richtung 5-5 von Fig. 4.
Fig. 6 ist ein Schema eines anderen Brennstoffzellensystems gemäß
der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden
Figuren anhand bestimmter Ausführungsformen detailliert beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein PEM-Brennstoffzellensystem mit einem autothermischen
Reformer 2 des Typs, der oben beschrieben ist, mit: (1) einem POX-Abschnitt
zur partiellen Oxidation von Benzin von Leitung 4 mit einer
unterstöchiometrischen Menge an Luft von Leitung 6, um einen Abfluß zu
bilden, der Methan, Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendi
oxid umfaßt; und (2) einem SR-Abschnitt unterstromig des POX-Abschnittes
zur Reaktion des über POX erzeugten Methans mit Dampf von
Leitung 8, um mehr Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid zu bil
den. Das Reformat oder der Abfluß von dem autothermischen Reaktor 2
verläßt den autothermischen Reaktor 2 über Strom 10 und tritt in einen
Wasser-Gas-Shift-Reaktor 12 ein, in welchem dieser mit Dampf von Lei
tung 14 reagiert, um das CO in dem Reformat in Wasserstoff und CO2
umzuwandeln. Das CO-gereinigte Reformat verläßt den Wasser-Gas-Shift-Reaktor
12 über Strom 16 und tritt in einen PrOx-Reaktor 18 ein, in wel
chem er durch Reaktion mit Sauerstoff (als Luft) weiter von CO gereinigt
wird, wie oben beschrieben ist. Das CO-gereinigte Reformat verläßt den
PrOx-Reaktor 18 über Strom 20 und tritt in die Anodenseite einer PEM-
Brennstoffzelle 22 ein. Nach Reaktion in der Brennstoffzelle 22 verläßt
wasserstoffabgereichertes Reformat (auch bekannt als Anodenabgas) die
Anodenseite der Brennstoffzelle 22 über Strom 24 und tritt in einen Bren
ner 26 ein, in welchem dieses verbrannt wird, um jegliches restliches H2
zu beseitigen und Wärme zur Verwendung an einer beliebigen Stelle in
dem System (beispielsweise in dem autothermischen Reformer 12 oder ei
ner Verdampfungseinheit 28 zu erzeugen.
Luft wird an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 über Strom 30 ge
liefert, nachdem diese in dem Befeuchter 32 befeuchtet worden ist, um die
erforderliche Feuchtigkeit für die Polymerelektrolytmembran der PEM-Brennstoffzelle
22 zu schaffen. Die Brennstoffzelle 22 erzeugt Wasser als
ein Nebenprodukt und stößt dieses in den Kathodenluftstrom (auch be
kannt als Kathodenabgas) 34 aus. Das Kathodenabgas verläßt die Brenn
stoffzelle als ein Gas, das eine merkliche Menge an Wasser enthält, d. h. in
einem ringförmig verteilten Strömungszustand als darin enthaltene Was
sertröpfchen und ein Film an der Wand des Abgasrohres. Wenn das Ka
thodenabgas in Leitung 34 mit flüssigem Wasser beladen in den Brenner
26 eintreten würde, könnte das Wasser den Brennerkatalysator über
schwemmen und/oder die darin ablaufende Verbrennung löschen und die
Wirksamkeit des Brenners 26 wesentlich verringern. Gemäß der vorlie
genden Erfindung ist ein Wasserabscheider 36 zwischen der Brennstoff
zelle 22 und dem Brenner 26 angeordnet, um flüssiges Wasser von dem
Kathodenabgas in Leitung 34 zu trennen. Das wasserabgereicherte Ka
thodenabgas verläßt den Abscheider über Strom 38, während das Wasser,
das von dem Abgas getrennt ist, den Abscheider 36 über einen Ablauf 40
verläßt und an ein Reservoir 42 zur zeitweiligen Speicherung und nachfol
genden Wiederverwendung in dem System je nach Bedarf befördert wird.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform betrifft diese Wiederverwen
dung die Förderung des Wassers von dem Reservoir 42 an die Verdamp
fungseinrichtung 28 zur Verdampfung darin und nachfolgenden Lieferung
an den autothermischen Reformer 2 über Leitung 8 und/oder an den
Wasser-Gas-Shift-Reaktor 12 wie auch den Befeuchter 32.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer Ausführungsform eines Was
serabscheiders 50 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei diese Ausfüh
rungsform insbesondere bei Situationen nützlich ist, wenn das System so
angeordnet ist, daß die Systemkomponenten, die durch den Wasserab
scheider verbunden sind, nicht direkt in Reihe (nicht In-Line) zueinander
sind - d. h. sie sind so orientiert, daß der wasserbeladene Strom in den Ab
scheider in einer ersten Richtung strömend eintritt und den Abscheider in
einer zweiten Richtung strömend verläßt, die unter einem spitzen Winkel
zu der ersten Richtung liegt. Genauer zeigt Fig. 2 einen Wasserabscheider
50 mit einem Sammelrohr 52, das einen Einlaß 54 zum Zuführen eines
wasserbeladenen Brennstoffzellensystemstromes in den Abscheider 50
und einen Auslaß 56 aufweist, durch den Wasser das Sammelrohr 52
verläßt. Das Sammelrohr 52 weist eine innere zylindrische Wand 58 auf,
die eine Sammelkammer 60 definiert. Eine Stirnwand 62 benachbart des
Auslasses 56 schließt das Rohr 52 ab. Der Einlaß 54 ist tangential zu dem
Rohr 52 angeordnet, so daß bewirkt wird, daß der wasserbeladene Strom,
der in das Rohr 52 eintritt, entlang der Wand 58 in einer schnell verwir
belnden Bewegung strömt, die zur Folge hat, daß jegliches Wasser in dem
Strom, der in das Rohr 52 eintritt, durch Zentrifugalkraft an die Wand 58
geschleudert wird. Ein gekrümmtes Abgasrohr 64, das in der Nähe des
Einlaßendes 54 des Sammelrohres 52 angeordnet ist, weist eine Mündung
66 an einem Ende zur Aufnahme des wasserabgereicherten Stromes von
dem Zentrum der Sammelkammer und ein Abgasende 68 zum Austrag des
wasserabgereicherten Stromes von dem Abscheider 50 (beispielsweise an
den Brenner 26 von Fig. 1) auf. Daher liegt bei dieser Ausführungsform
das Zentrum der Mündung 66 des Abgasrohres 64 und die Zentrallinie
des Sammelrohres 52 auf einer gemeinsamen Achse A-A, und das Zen
trum des Abgasendes liegt auf einer anderen Achse B-B unter einem spit
zen Winkel zu der Achse A-A.
Unter dem Auslaßende 56 des Sammelrohres 52 liegt ein Sumpf 70, der
dazu dient, das Wasser zu sammeln, das anfänglich an die Wand 58 ge
schleudert wurde und sich anschließend entlang der Wand 58 in Richtung
des Sumpfes 70 durch die Wirkung des verwirbelnden Trägergases bewegt
hat, das sich entlang der Länge des Sammelrohres 52 bewegt. Eine kup
pelförmige Leiteinrichtung 72 mit einer Vielzahl von Öffnungen 74 an ih
rem Umfang krönt den Sumpf 70 und ermöglicht, daß das Wasser in den
Sumpf 70 laufen kann, während gleichzeitig verhindert wird, daß das
Wasser in dem Sumpf in den wasserabgereicherten Strom wiederaufge
nommen werden kann, der sich durch die Kammer 60 in die Mündung 66
des Abgasrohres 64 bewegt. Ein Schwimmerschalter 76 erfaßt das Niveau
des Wassers in dem Sumpf 70 und signalisiert das Öffnen und Schließen
eines Absperrventiles 78, das in einem Ablaufrohr 80 angeordnet ist, das
zu dem Reservoir 42 in Fig. 1 führt. Diesbezüglich wird der Schalter 76
eingestellt, um ein Schließen des Ventils 78 auszulösen, bevor der Sumpf
70 vollständig leer ist, und insbesondere, damit ausreichend Wasser in
dem Sumpf 70 verbleibt, um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die ver
hindert, daß das durch den Abscheider 50 strömende Trägergas von dem
Abscheider 50 durch das Ablaufrohr 80 entweichen kann.
Die Fig. 3-5 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines Wasserab
scheiders gemäß der vorliegenden Erfindung, der insbesondere zur Posi
tionierung in einem wasserbeladenen Strom eines Brennstoffzellensystems
ausgebildet ist, das so angeordnet ist, daß die Systemkomponenten, die
durch den Wasserabscheider verbunden sind, direkt in Reihe (In-Line) zu
einander sind. Genauer zeigen die Fig. 3-5 einen Wasserabscheider 82 mit
(1) einem Sammelrohr 84 mit einem Einlaß 86 für einen wasserbeladenen
Strom und einem Wasserauslaß 88, (2) ein Abgasrohr 90 mit einer Mün
dung 92 zur Aufnahme eines flüssigen wasserabgereicherten Dampfstro
mes von dem Sammelrohr 84 und einem Abgasende 94 zum Austrag von
wasserabgereichertem Dampf-/Trägergas von dem Abscheider
(beispielsweise an einen Brenner), und (3) ein Gehäuse 96, das den Auslaß
88 umgibt. Ein perforierter Zylinder oder Schirm 98, der radial innerhalb
des Gehäuses 96 angeordnet ist, umgibt auch den Auslaß 88 und dient
als eine Leiteinrichtung, die zuläßt, daß Wasser durch diese in einen dar
unterliegenden Sumpf 100 fließen kann, während verhindert wird, daß
Wasser, das in den Sumpf 100 eingetreten ist, in den Dampfstrom, der
durch den Abscheider 82 strömt, wieder aufgenommen wird. Eine Verwir
belungseinrichtung 102 ist in dem Einlaß 86 zu dem Sammelrohr 84 an
geordnet und umfaßt eine Vielzahl bogenförmiger Schaufeln 104, die zur
Folge haben, daß der eintretende wasserbeladene Strom ähnlich eines
Wirbels/Zyklons verwirbelt wird und jegliche darin enthaltene Wasser
tröpfchen davon an die Innenwand 106 des Sammelrohres 84 getrieben
werden. Gleichzeitig drängt die Strömung des Trägergases/Dampfes ent
lang der Wand in Richtung des Auslasses 88 das auf der Wand 106 abge
schiedene Wasser in Richtung des Auslasses 88, von wo es durch die Öff
nungen 108 und in den Sumpf 100 gelangt. Das wasserabgereicherte Trä
gergas/der wasserabgereicherte Dampf in dem Zentrum des Sammelroh
res 84 tritt in die Mündung 92 des Abgasrohres 90 ein und verläßt das
Abgasrohr 90 durch das Abgasende 94. Ein Schwimmerschalter 110 er
faßt das Niveau des Wassers in dem Sumpf 100 und signalisiert das Öff
nen und Schließen eines Absperrventiles 112, das in einem Ablaufrohr
114 angeordnet ist, das zu dem Reservoir 42 in Fig. 1 führt. Ähnlich dem
Schalter 76 von Fig. 2 wird der Schwimmerschalter 110 so eingestellt, um
ein Schließen des Ventils 112 auszulösen, bevor der Sumpf 100 vollstän
dig leer ist, und es bleibt ausreichend Wasser in dem Sumpf 100, um eine
Wasserabdichtung zu schaffen, die verhindert, daß der Trägergas-/Dampfstrom,
der durch den Wasserabscheider 82 strömt, von dem Was
serabscheider 82 durch das Ablaufrohr 114 entweichen kann. Bei dieser
Ausführungsform ist der Wasserabscheider zur Anbringung zwischen Sy
stemkomponenten ausgebildet, die in Reihe (In-Line) zueinander liegen,
und daher teilen sich das Sammelrohr 84 und das Abgasrohr 90 eine ge
meinsame Zentralachse C-C.
Fig. 6 ist ein Schema einer anderen Ausführungsform des Brennstoffzel
lensystemes der vorliegenden Erfindung, wobei die Kathodenluft, die an
die PEM-Brennstoffzelle 116 über den Strom 118 geliefert wird, zuerst
durch einen Befeuchter 120 befeuchtet wird. Ein wasserbeladener Katho
denabgasstrom 122 tritt in den Wasserabscheider 124 (d. h. siehe Fig. 3-5)
ein, wo das darin enthaltene Wasser davon abgezogen und an ein Reser
voir 126 gelenkt und anschließend zurück an den Befeuchter 120 gelenkt
wird. Der flüssige wasserabgereicherte Kathodenabgasstrom 128 wird an
einen Brenner 130 gelenkt, wo er zusammen mit dem H2 in dem Anoden
abgasstrom 132 verbrannt wird. Der Anodenbrennstoffstrom kann aus
einer Vielzahl von Quellen stammen, wie oben beschrieben ist, und ist
hier als gespeicherter Wasserstoff 134 gezeigt.
Die Fig. 7 & 8 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, die
ähnlich zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist, aber wobei das
Abgasrohr 136 ein Auslaßende 138 aufweist, dessen Zentrallinie von der
Zentrallinie des Einlasses 148 geringfügig versetzt ist, aber ansonsten all
gemein in Reihe (In-Line) mit dem Einlaß 148 angeordnet ist.
Der Abscheider der vorliegenden Erfindung könnte an einem beliebigen
anderen Ort innerhalb des Brennstoffzellensystemes einschließlich unter
stromig des Brenners angeordnet sein. Überdies können zusätzliche Aus
rüstungsteile, wie beispielsweise Brenner, unmittelbar oberstromig des
Wasserabscheiders zur weiteren Wasserentfernung angeordnet sein.
Ein Brennstoffzellensystem umfaßt einen kompakten Wasserabscheider
mit niedrigem Druckverlust und hohem Wirkungsgrad zum Abtrennen von
flüssigem Wasser von wasserbeladenen Strömen des Systems. Ein Zy
klonabscheider umfaßt einen Sumpf zum Sammeln des Wassers, einen
Ablauf zur Entfernung des Wassers von dem Sumpf und zum Lenken des
selben zu einem Reservoir, ein Absperrventil in Verbindung mit dem Ab
lauf zu Steuerung der Strömung durch den Ablauf, und einen Wasserni
veauschalter, der das Öffnen/Schließen des Ventils steuert. Der Schalter
löst ein Schließen des Ventils aus, bevor der Sumpf geleert ist, um eine
Wasserabdichtung zu schaffen, die ein Entweichen des Gases durch den
Ablauf verhindert.
Claims (14)
1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Quelle für
H2-reiches Brennstoffgas, die einen Brennstoffstrom für die
Brennstoffzelle liefert, einer Quelle für Sauerstoff, die einen Oxi
dationsmittellstrom zur elektrochemischen Reaktion mit dem H2-reichen
Brennstoffgas in der Brennstoffzelle liefert, einem Ab
gasstrom, der H2-abgereichertes Brennstoffgas umfaßt, einem
Kathodenabgasstrom, der Wasser, Sauerstoff und Stickstoff um
faßt, welche die Brennstoffzelle verlassen, zumindest einem Was
serabscheider zur Entfernung von Wasser von zumindest einem
der Ströme, der mit Wasser beladen ist, und einem Reservoir zum
Sammeln des Wassers, das von dem wasserbeladenen Strom ent
fernt wird, zur Wiederverwendung in dem System, wobei der Ab
scheider ein Zyklonabscheider ist, der umfaßt: ein Sammelrohr,
das eine innere zylindrische Wand aufweist, die eine Sammel
kammer definiert, durch welche der wasserbeladene Strom
strömt, wobei das Sammelrohr einen Einlaß, durch den der was
serbeladene Strom in die Kammer eintritt, und einen Auslaß um
faßt, durch den das Wasser die Kammer verläßt, eine Verwirbe
lungseinrichtung an dem Einlaß, um eine Wirbelbewegung auf
den wasserbeladenen Strom in der Kammer aufzubringen, die das
Wasser zentrifugal aus dem wasserbeladenen Strom auf die Wand
treibt und das Wasser entlang der Wand in Richtung des Auslas
ses drängt, einen Sumpf, der unterhalb des Auslasses liegt, um
Wasser zu sammeln, das entlang der Wand zu dem Auslaß ge
wandert ist, eine Leiteinrichtung zwischen dem Auslaß und dem
Sumpf zum Zuführen des Wassers in den Sumpf, während ver
hindert wird, daß Wasser in dem Sumpf aus dem Sumpf zurück
in den zumindest einen Strom entweichen kann, einen Ablauf in
Verbindung mit dem Sumpf, damit das Wasser von dem Sumpf in
das Reservoir abfließen kann, ein Ventil, das wirksam mit dem
Ablauf in Verbindung steht, um das Abfließen so zu steuern, daß
ein ausreichendes Wasserniveau in dem Sumpf beibehalten wird,
um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die verhindert, daß der
wasserbeladene Strom von dem Abscheider über den Ablauf ent
weichen kann, einen Schalter in Verbindung mit dem Sumpf zur
Auslösung des Schließens des Ventils, wenn das Niveau erreicht
ist, ein Abgasrohr mit einer Mündung an einem Ende, die im we
sentlichen konzentrisch zu dem Sammelrohr innerhalb der Wand
zur Aufnahme des zumindest einen wasserabgereicherten Stro
mes von der Kammer angeordnet ist, und einem Abgasende zum
Austrag des zumindest einen wasserabgereicherten Stromes von
dem Abscheider.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der wasserbela
dene Strom oberstromig der Brennstoffzelle vorliegt.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der wasserbela
dene Strom unterstromig der Brennstoffzelle vorliegt.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der wasserbela
dene Strom der Kathodenabgasstrom ist.
5. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Quelle für
H2-reiches Brennstoffgas zur Beschickung der Brennstoffzelle, ei
ner Quelle für Sauerstoff zur elektrochemischen Reaktion mit
dem H2-reichen Brennstoffgas in der Brennstoffzelle, einem Was
serabscheider unterstromig der Brennstoffzelle zur Entfernung
von Wasser von einem Trägergas, das die Brennstoffzelle verläßt,
und einem Reservoir zum Sammeln des Wassers, das von dem
Trägergas entfernt wird, zur Wiederverwendung in dem System,
wobei der Abscheider ein Zyklonabscheider ist, der umfaßt: ein
Sammelrohr, das eine innere zylindrische Wand aufweist, die eine
Sammelkammer definiert, durch welche das Trägergas strömt,
wobei das Sammelrohr einen Einlaß, durch den das Trägergas in
die Kammer eintritt, und einen Auslaß umfaßt, durch den das
Wasser die Kammer verläßt, eine Verwirbelungseinrichtung an
dem Einlaß, um eine Wirbelbewegung auf das Trägergas in der
Kammer aufzubringen, die das Wasser zentrifugal aus dem Trä
gergas auf die Wand treibt und das Wasser entlang der Wand in
Richtung des Auslasses drängt, einen Sumpf, der unterhalb des
Auslasses liegt, um Wasser zu sammeln, das entlang der Wand zu
dem Auslaß gewandert ist, eine Leiteinrichtung zwischen dem
Auslaß und dem Sumpf zum Zuführen des Wassers in den
Sumpf, während verhindert wird, daß Wasser in dem Sumpf aus
dem Sumpf entweichen und in das Trägergas wieder eintreten
kann, einen Ablauf in Verbindung mit dem Sumpf, damit das
Wasser von dem Sumpf in das Reservoir abfließen kann, ein Ven
til, das wirksam mit dem Ablauf in Verbindung steht, um das Ab
fließen so zu steuern, damit ein ausreichendes Wasserniveau in
dem Sumpf beibehalten wird, um eine Wasserabdichtung zu
schaffen, die verhindert, daß das wasserbeladene Trägergas von
dem Abscheider über den Ablauf entweichen kann, einen Schalter
in Verbindung mit dem Sumpf zur Auslösung des Schließens des
Ventils, wenn das Niveau erreicht ist, ein Abgasrohr mit einer
Mündung an einem Ende, die im wesentlichen konzentrisch zu
dem Sammelrohr innerhalb der Wand zur Aufnahme von wasser
abgereichertem Trägergas von der Kammer angeordnet ist, und
einem Abgasende zum Austrag des wasserabgereicherten Träger
gases von dem Abscheider.
6. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Brenn
stoffprozessor zur Umwandlung einer wasserstoffhaltigen Flüssig
keit in ein CO-haltiges, H2-reiches Brennstoffgas zur Beschickung
der Brennstoffzelle, einem Wasser-Gas-Shift-Reaktor unterstro
mig des Brennstoffprozessors zur Reaktion des CO-haltigen, H2-reichen
Brennstoffgases mit Dampf, um den H2-Gehalt zu erhö
hen und den CO-Gehalt des CO-haltigen, H2-reichen Brennstoff
gases zu verringern, einem Wasserabscheider unterstromig der
Brennstoffzelle zur Entfernung von Wasser von einem Trägergas,
das die Brennstoffzelle verläßt, und einem Reservoir zum Sam
meln des Wassers, das von dem Trägergas entfernt ist, zur nach
folgenden Verteilung an den Brennstoffprozessor und den Was
ser-Gas-Shift-Reaktor, wobei der Abscheider ein Zyklonabschei
der ist, der umfaßt: ein Sammelrohr, das eine innere zylindrische
Wand aufweist, die eine Sammelkammer definiert, durch welche
das Trägergas strömt, wobei das Rohr einen Einlaß, durch den
das Trägergas in die Kammer eintritt, und einen Auslaß umfaßt,
durch den das Wasser die Kammer verläßt, eine Verwirbelungs
einrichtung an dem Einlaß, um eine Wirbelbewegung auf das
Trägergas in der Kammer aufzubringen, die das Wasser zentrifu
gal aus dem Trägergas und auf die Wand treibt und das Wasser
entlang der Wand in Richtung des Auslasses drängt, einen
Sumpf, der unterhalb des Auslasses liegt, um Wasser zu sam
meln, das entlang der Wand zu dem Auslaß gewandert ist, eine
Leiteinrichtung zwischen dem Auslaß und dem Sumpf zum Zu
führen des Wassers in den Sumpf, während verhindert wird, daß
Wasser in dem Sumpf aus dem Sumpf entweichen und in das
Trägergas wieder aufgenommen werden kann, einen Ablauf in
Verbindung mit dem Sumpf, damit das Wasser von dem Sumpf in
das Reservoir abfließen kann, einem Ventil, das wirksam mit dem
Ablauf in Verbindung steht, um das Abfließen so zu steuern, daß
ein ausreichendes Wasserniveau in dem Sumpf beibehalten wird,
um eine Wasserabdichtung zu schaffen, die verhindert, daß das
Trägergas von dem Abscheider über den Ablauf entweichen kann,
einen Schalter in Verbindung mit dem Sumpf zur Auslösung des
Schließens des Ventils, wenn das Niveau erreicht ist, ein Abgas
rohr mit einer Mündung an einem Ende, die im wesentlichen kon
zentrisch zu dem Sammelrohr innerhalb der Wand zur Aufnahme
von wasserabgereichertem Trägergas von der Kammer angeordnet
ist, und einem Abgasende zum Austrag des wasserabgereicherten
Trägergases von dem Abscheider.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Brennstoff
zelle eine PEM-Brennstoffzelle ist und das System ferner einen
Befeuchter zur Befeuchtung des H2-reichen Brennstoffgases um
faßt, bevor dieses in die Brennstoffzelle eintritt, und das Reservoir
Wasser an den Befeuchter liefert.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Sammelrohr
und das Abgasrohr zueinander entlang einer gemeinsamen Achse
so ausgerichtet sind, daß der Einlaß der Mündung gegenüber
steht.
9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Mündung
und das Sammelrohr entlang einer gemeinsamen Achse liegen,
und das Abgasende entlang einer anderen Achse unter einem
spitzen Winkel zu der gemeinsamen Achse liegt.
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Leiteinrich
tung eine Vielzahl von Öffnungen darin aufweist, durch welche
das Wasser in den Sumpf eintritt.
11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Leiteinrich
tung den Auslaß umgibt und eine Vielzahl von Öffnungen darin
umfaßt, durch welche die Flüssigkeit in den Sumpf eintritt.
12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Verwirbe
lungseinrichtung eine Vielzahl bogenförmiger Schaufeln umfaßt,
die in dem Einlaß positioniert sind.
13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Verwirbe
lungseinrichtung den Einlaß so angeordnet und ausgebildet um
faßt, damit das Trägergas tangential in das Sammelrohr einge
führt wird.
14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Sammelrohr
den Einlaß an einem Ende, den Auslaß an dem entgegengesetzten
Ende, eine Stirnwand benachbart des Auslasses umfaßt und die
Mündung der Stirnwand gegenübersteht, wobei das Gas (a) in ei
ner ersten allgemeinen Richtung entlang der Wand von dem Ein
laß in Richtung der Stirnwand strömt und (b) von der Stirnwand
abgelenkt wird, so daß es in einer zweiten allgemeinen Richtung,
die der ersten allgemeinen Richtung entgegengesetzt ist, in dem
Zentrum des Sammelrohres und in die Mündung strömt.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/584,065 US6579637B1 (en) | 2000-05-31 | 2000-05-31 | Fuel cell system having a compact water separator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10120018A1 true DE10120018A1 (de) | 2001-12-13 |
Family
ID=24335788
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10120018A Withdrawn DE10120018A1 (de) | 2000-05-31 | 2001-04-24 | Brennstoffzellensystem mit einem kompakten Wasserabscheider |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6579637B1 (de) |
JP (1) | JP2002008693A (de) |
CA (1) | CA2339587A1 (de) |
DE (1) | DE10120018A1 (de) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2835764A1 (fr) * | 2002-02-14 | 2003-08-15 | Mann & Hummel Filter | Installation de cyclones commutable pour separer des particules ou des gouttelettes d'une veine de fluide, notamment pour un vehicule automobile |
EP1618623A2 (de) * | 2003-04-04 | 2006-01-25 | Texaco Development Corporation | Verfahren und vorrichtung zum trennen von flüssigkeit von einem gasstrom |
DE102007048321A1 (de) | 2007-10-09 | 2009-04-16 | Daimler Ag | Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom sowie Brennstoffzellensystem |
DE102008016373A1 (de) | 2008-03-29 | 2009-10-01 | Daimler Ag | Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem |
EP2447591A1 (de) * | 2010-10-27 | 2012-05-02 | Vaillant GmbH | Kondensatabscheider für Brennstoffzellensystem im Unterdruckbetrieb |
WO2013083223A1 (de) * | 2011-12-08 | 2013-06-13 | Daimler Ag | Flüssigkeitsabscheider für ein brennstoffzellensystem |
US10258917B1 (en) | 2018-02-09 | 2019-04-16 | Tenneco Automotive Operating Company Inc. | System for removing water and particulates from engine exhaust |
WO2019105656A1 (de) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | Robert Bosch Gmbh | Gas-flüssigkeitsabscheider zum abscheiden von zumindest einem flüssigen bestandteil von einem gasförmigen bestandteil |
WO2019105661A1 (de) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | Robert Bosch Gmbh | Gas-flüssigkeitsabscheider zum abscheiden von zumindest einem flüssigen bestandteil von einem gasförmigen bestandteil |
WO2021069311A3 (de) * | 2019-10-10 | 2021-07-01 | Robert Bosch Gmbh | Vorrichtung zum abscheiden eines flüssigen mediums, insbesondere wasser, für ein brennstoffzellensystem |
AT525561B1 (de) * | 2022-02-10 | 2023-05-15 | Avl List Gmbh | Separiervorrichtung zum Separieren von flüssigem Wasser aus einem Abgas in einem Abgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems |
AT525805B1 (de) * | 2022-02-10 | 2023-08-15 | Avl List Gmbh | Abscheidevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem |
Families Citing this family (48)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6558826B1 (en) * | 2000-07-31 | 2003-05-06 | Plug Power Inc. | Fuel cell system fluid recovery |
US20020090329A1 (en) * | 2000-08-11 | 2002-07-11 | Marten Ternan | Apparatus for a fuel processing system |
JP4104287B2 (ja) * | 2001-01-15 | 2008-06-18 | 小島プレス工業株式会社 | 気液分離器 |
US6875246B2 (en) * | 2001-07-20 | 2005-04-05 | General Motors Corporation | Water vapor transfer device for fuel cell reformer |
CA2536773A1 (en) * | 2003-08-26 | 2005-03-03 | Hydrogenics Corporation | Apparatus for separating liquid from a process gas stream of an electrochemical cell stack |
JP2007503295A (ja) * | 2003-08-26 | 2007-02-22 | ハイドロジェニクス コーポレイション | 流体分離器と一体化したエネルギー及び/又は質量交換器 |
WO2005028077A1 (en) * | 2003-09-22 | 2005-03-31 | Hydrogenics Corporation | Separator for removing liquid from fluid |
TWI276654B (en) * | 2004-02-18 | 2007-03-21 | Ind Tech Res Inst | Proton exchange membrane (PEM) with different molecular permeation rates |
US7250075B1 (en) | 2004-06-16 | 2007-07-31 | United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Water outlet control mechanism for fuel cell system operation in variable gravity environments |
WO2006013917A1 (ja) * | 2004-08-06 | 2006-02-09 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 燃料電池システム |
US7615296B2 (en) * | 2004-08-06 | 2009-11-10 | Panasonic Corporation | Fuel cell system |
GB2427682B (en) * | 2005-03-18 | 2009-08-05 | Honeywell Normalair Garrett | Apparatus for extracting condensate |
US20060228734A1 (en) * | 2005-03-18 | 2006-10-12 | Applera Corporation | Fluid processing device with captured reagent beads |
JP4810869B2 (ja) * | 2005-04-20 | 2011-11-09 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池システム |
US20070087232A1 (en) * | 2005-10-18 | 2007-04-19 | Robin Curtis M | Capacitor hybrid fuel cell power generator |
US20070087241A1 (en) * | 2005-10-18 | 2007-04-19 | General Hydrogen Corporation | Fuel cell power pack |
US7477505B2 (en) * | 2005-10-18 | 2009-01-13 | General Hydrogen Corporation | Capacitor bank for electrical generator |
US20070087239A1 (en) * | 2005-10-18 | 2007-04-19 | General Hydrogen Corporation | Fuel cell fluid management system |
US20070218326A1 (en) * | 2006-03-17 | 2007-09-20 | Honeywell International, Inc. | Approach of solving humidification device turndown ratio for proton exchange membrane fuel cells |
CA2659517C (en) | 2006-09-13 | 2012-05-22 | Daimler Ag | Apparatus for humidifying a gas flow |
WO2008090430A1 (en) * | 2007-01-22 | 2008-07-31 | Nissan Motor Co., Ltd. | Drainage apparatus for fuel cell system generation water |
US8236456B2 (en) * | 2007-07-19 | 2012-08-07 | GM Global Technology Operations LLC | Bidirectional water separator |
KR101000584B1 (ko) | 2007-07-20 | 2010-12-10 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 차량용 워터트랩 장치 |
KR100974735B1 (ko) * | 2007-07-26 | 2010-08-06 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 응축수 배출장치 |
WO2009082406A1 (en) * | 2007-12-26 | 2009-07-02 | Utc Power Corporation | Fuel cell and bipolar plate for limiting leakage |
US20090241515A1 (en) * | 2008-03-26 | 2009-10-01 | Denso International America, Inc. | Exhaust condensation separator |
US8309259B2 (en) | 2008-05-19 | 2012-11-13 | Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Arizona State University | Electrochemical cell, and particularly a cell with electrodeposited fuel |
US8491763B2 (en) * | 2008-08-28 | 2013-07-23 | Fluidic, Inc. | Oxygen recovery system and method for recovering oxygen in an electrochemical cell |
US20100205953A1 (en) * | 2009-02-13 | 2010-08-19 | Bettin Leonard A | Case Drain Line Pressure Switch With Automatic Fan Drive Motor Shutdown |
US8273501B2 (en) * | 2009-07-30 | 2012-09-25 | Ford Global Technologies, Llc | System and method for hydrating a proton exchange membrane fuel cell |
EP2486622B1 (de) * | 2009-10-08 | 2014-07-23 | Fluidic, Inc. | Wiederaufladbare metall-luft-zelle mit fliessmanagementsystem |
US8431278B2 (en) * | 2010-02-08 | 2013-04-30 | GM Global Technology Operations LLC | Passive water drain |
DE102010008209A1 (de) * | 2010-02-17 | 2011-08-18 | Daimler AG, 70327 | Katalytischer Brenner |
BR112012032269B1 (pt) | 2010-06-24 | 2020-01-07 | Nantenergy, Inc. | Método para operar célula eletroquímica e célula eletroquímica |
CN202550031U (zh) | 2010-09-16 | 2012-11-21 | 流体公司 | 具有渐进析氧电极/燃料电极的电化学电池*** |
EP2630689B1 (de) | 2010-10-20 | 2015-09-23 | Fluidic, Inc. | Batterierücksetzverfahren für eine gerüstbrennstoffelektrode |
JP5908251B2 (ja) | 2010-11-17 | 2016-04-26 | フルイディック,インク.Fluidic,Inc. | 階層型アノードのマルチモード充電 |
ES2709652T3 (es) * | 2011-08-03 | 2019-04-17 | Tvs Motor Co Ltd | Sistema de células de combustible |
US9077004B2 (en) * | 2012-04-18 | 2015-07-07 | GM Global Technology Operations LLC | Extended valve orifice for fuel cell |
US9269979B2 (en) * | 2013-03-12 | 2016-02-23 | Ford Global Technologies, Llc | Centrifugal water separator for a fuel cell system |
US9853303B2 (en) | 2013-06-21 | 2017-12-26 | Ford Global Technologies, Llc | Centrifugal water separator for a fuel cell system |
US10256496B2 (en) * | 2014-07-01 | 2019-04-09 | General Electric Company | Power generation systems and methods utilizing cascaded fuel cells |
JP2019521497A (ja) | 2016-07-22 | 2019-07-25 | ナントエナジー,インク. | 電気化学セル内の水分及び二酸化炭素管理システム |
DE102017220633A1 (de) | 2017-11-17 | 2019-05-23 | Volkswagen Ag | Befeuchtungssystem und Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchtungssystem |
CN110013173A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-07-16 | 海南立昇净水科技实业有限公司 | 饮水机及其水汽分离出水嘴 |
EP3966887A1 (de) | 2019-05-10 | 2022-03-16 | NantEnergy, Inc. | Verschachtelte ringförmige metall-luft-zelle und systeme damit |
WO2022051960A1 (en) * | 2020-09-10 | 2022-03-17 | Robert Bosch Gmbh | Gas-liquid separator and fuel cell system comprising the same |
JP7310769B2 (ja) * | 2020-09-23 | 2023-07-19 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
-
2000
- 2000-05-31 US US09/584,065 patent/US6579637B1/en not_active Expired - Lifetime
-
2001
- 2001-03-07 CA CA002339587A patent/CA2339587A1/en not_active Abandoned
- 2001-04-24 DE DE10120018A patent/DE10120018A1/de not_active Withdrawn
- 2001-05-30 JP JP2001162280A patent/JP2002008693A/ja active Pending
Cited By (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2835764A1 (fr) * | 2002-02-14 | 2003-08-15 | Mann & Hummel Filter | Installation de cyclones commutable pour separer des particules ou des gouttelettes d'une veine de fluide, notamment pour un vehicule automobile |
DE10205981A1 (de) * | 2002-02-14 | 2003-08-21 | Mann & Hummel Filter | Schaltbare Zyklone zum Abscheiden von Partikeln oder Tropfen aus eiem Fluidstrom |
DE10205981B4 (de) * | 2002-02-14 | 2014-01-09 | Mann + Hummel Gmbh | Schaltbare Zyklone zum Abscheiden von Partikeln oder Tropfen aus einem Fluidstrom |
EP1618623A2 (de) * | 2003-04-04 | 2006-01-25 | Texaco Development Corporation | Verfahren und vorrichtung zum trennen von flüssigkeit von einem gasstrom |
EP1618623B1 (de) * | 2003-04-04 | 2010-06-09 | Texaco Development Corporation | Verfahren und vorrichtung zum trennen von flüssigkeit von einem gasstrom |
DE102007048321A1 (de) | 2007-10-09 | 2009-04-16 | Daimler Ag | Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden einer Flüssigkeit aus einem Gasstrom sowie Brennstoffzellensystem |
DE102008016373A1 (de) | 2008-03-29 | 2009-10-01 | Daimler Ag | Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem |
EP2447591A1 (de) * | 2010-10-27 | 2012-05-02 | Vaillant GmbH | Kondensatabscheider für Brennstoffzellensystem im Unterdruckbetrieb |
WO2013083223A1 (de) * | 2011-12-08 | 2013-06-13 | Daimler Ag | Flüssigkeitsabscheider für ein brennstoffzellensystem |
WO2019105656A1 (de) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | Robert Bosch Gmbh | Gas-flüssigkeitsabscheider zum abscheiden von zumindest einem flüssigen bestandteil von einem gasförmigen bestandteil |
WO2019105661A1 (de) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | Robert Bosch Gmbh | Gas-flüssigkeitsabscheider zum abscheiden von zumindest einem flüssigen bestandteil von einem gasförmigen bestandteil |
CN111417815A (zh) * | 2017-11-28 | 2020-07-14 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于将至少一个液态组分从气态组分分离的气液分离器 |
US11298651B2 (en) | 2017-11-28 | 2022-04-12 | Robert Bosch Gmbh | Gas-liquid separator for separating at least one liquid component from a gaseous component |
US11527767B2 (en) | 2017-11-28 | 2022-12-13 | Robert Bosch Gmbh | Gas-liquid separator for separating at least one liquid component from a gaseous component |
CN111417815B (zh) * | 2017-11-28 | 2023-10-27 | 罗伯特·博世有限公司 | 用于将至少一个液态组分从气态组分分离的气液分离器 |
US10258917B1 (en) | 2018-02-09 | 2019-04-16 | Tenneco Automotive Operating Company Inc. | System for removing water and particulates from engine exhaust |
WO2021069311A3 (de) * | 2019-10-10 | 2021-07-01 | Robert Bosch Gmbh | Vorrichtung zum abscheiden eines flüssigen mediums, insbesondere wasser, für ein brennstoffzellensystem |
AT525561B1 (de) * | 2022-02-10 | 2023-05-15 | Avl List Gmbh | Separiervorrichtung zum Separieren von flüssigem Wasser aus einem Abgas in einem Abgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems |
AT525561A4 (de) * | 2022-02-10 | 2023-05-15 | Avl List Gmbh | Separiervorrichtung zum Separieren von flüssigem Wasser aus einem Abgas in einem Abgasabschnitt eines Brennstoffzellensystems |
AT525805B1 (de) * | 2022-02-10 | 2023-08-15 | Avl List Gmbh | Abscheidevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem |
AT525805A4 (de) * | 2022-02-10 | 2023-08-15 | Avl List Gmbh | Abscheidevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002008693A (ja) | 2002-01-11 |
CA2339587A1 (en) | 2001-11-30 |
US6579637B1 (en) | 2003-06-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE10120018A1 (de) | Brennstoffzellensystem mit einem kompakten Wasserabscheider | |
DE69433591T2 (de) | Elektrochemische brennstoffzelle mit integral selektivem oxidierer | |
DE10118151B4 (de) | Brennstoffzellensysteme mit dynamisch geregeltem Gegendruck und Verfahren zu deren Steuerung | |
EP3111499B1 (de) | Brennstoffzellensystem | |
DE69928417T2 (de) | Verfahren zur elektrokatalytischen entfernung von kohlenmonoxid aus einem wasserstoffreichen gas | |
DE10297056B4 (de) | Brennstoffzellensystem | |
DE10247540B4 (de) | Reaktorsystem mit einem Schaum zur Unterdrückung von Selbstentzündung und Kohlenstoffbildung | |
EP0859421B1 (de) | Flüssigbrennstoffzellensystem | |
DE10151665B4 (de) | Eine Gas/Flüssigkeit-Trenneinrichtung, insbesondere zur Anwendung in einem Brennstoffzellensystem | |
DE10065459B4 (de) | Ein Entlüftungssystem und ein Verfahren zur gestuften Entlüftung eines Brennstoffzellensystems bei Schnellabschaltung | |
DE102006019114B4 (de) | Brennstoffzellensystem zur verbesserten Wasserstoff- und Sauerstoffverwendung | |
EP1815549B8 (de) | Brennstoffzellensystem mit flüssigkeitsabscheider | |
EP1356533A2 (de) | Brennstoffzellen mit integrierter befeuchtung sowie verfahren zum befeuchten von brennstoffzellen-prozessgas | |
DE102015122144A1 (de) | Befeuchter mit integriertem Wasserabscheider für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit einem solchen | |
DE19746074A1 (de) | Brennstoffelement | |
DE102008006735A1 (de) | Leistungsstarke, kompakte und geringen Druckabfall aufweisende, spiralartig gewickelte Brennstoffzellenbefeuchter-Gestaltung | |
DE60315538T2 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Gas in einer Brennstoffzelle | |
DE102004006025A1 (de) | Integrierte Einheit aus Luftkühler, Filter und Befeuchtungseinrichtung für einen Brennstoffzellenstapel | |
DE10207536A1 (de) | Vorrichtung zum Mischen von Brennstoff und einem Oxidationsmittel | |
DE102007009897B4 (de) | Gefrierfähiges kompaktes Brennstoffzellensystem mit verbesserter Befeuchtung und Entfernung von überschüssigem Wasser und eingeschlossenem Stickstoff, sowie Brennstoffzellensystemkonstruktion | |
DE10297048B4 (de) | Übertragungsvorrichtung für Wasserdampf für einen Reformer einer Brennstoffzelle | |
DE19902926C2 (de) | Reaktoranlage und Betriebsverfahren hierfür | |
DE112004000139T5 (de) | Brennstoff verarbeitendes System mit einem Membranseparator | |
EP1032066B1 (de) | Brennstoffzellensystem | |
DE112004000156T5 (de) | Umwandlung von H2-Abgas von Brennstoffzellen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |