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Gebiet der
Erfindung
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Es
wird auf Brennstoffzellensysteme des Typs Bezug genommen, die einen
Reformer umfassen, der wasserstoffreiches Gas zur Verwendung in einer
Brennstoffzelle aus einem flüssigen
Brennstoff erzeugt, dessen Zusammensetzung Wasserstoff umfasst.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung die Verdampfung des Brennstoffs
bevor dieser dem Reformer zugeführt
wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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In
den letzten Jahren wurde ein deutlich gesteigertes Interesse an
Brennstoffzellen für
die Erzeugung von elektrischem Strom beobachtet. Ein Gebiet, in
dem das Interesse hoch ist, ist die Entwicklung von Antriebssystemen
für Fahrzeuge.
Wie es wohl bekannt ist, kombiniert eine typische Brennstoffzelle
Wasserstoff und Sauerstoff, um Elektrizität zu erzeugen, die dann zum
Antrieb eines Elektromotors verwendet werden kann, der wiederum
zur Bereitstellung eines Antriebs für ein Fahrzeug verwendet werden
kann.
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Es
wurde eine Reihe von Vorschlägen
für Brennstoffzellensysteme
gemacht, die einen sogenannten Reformer verwenden. Reformer sind
chemische Reaktoren, die einen einkommenden Strom eines Kohlenwasserstoff
enthaltenden oder Kohlenwasserstoff basierenden Materials entgegen
nehmen und dieses mit Wasser reagieren, um einen Abfluss bereitzustellen,
der reich an Wasserstoffgas ist. Dieses Gas, nachdem es weiter behandelt
wurde, um es von Bestandteilen zu befreien, welche die Brennstoffzelle
vergiften können,
insbesondere von Kohlenmonoxid, wird dann der Anodenseite einer
Brennstoffzelle bereitgestellt. Umgebungsluft wird der Katodenseite
der Brennstoffzelle bereitgestellt. Der Sauerstoff in der Luft und
der Wasserstoff in dem Anodengas werden reagiert, um Wasser und
Elektrizität
zu erzeugen, die verwendet werden kann, um einen Verbraucher, wie
zum Beispiel einen Elektromotor, mit Leistung zu versorgen.
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Der
Reformer muss den Brennstoff und das Wasser in Dampfform entgegennehmen.
Wenn der Nachteil von Hochdruckbehältern vermieden werden soll,
der mit einigen reinen Wasserstoffbrennstoffzellen verbunden ist,
muss konsequenterweise ein Mittel bereitgestellt werden, um den
Brennstoff in flüssiger
Form in einem Tank zu transportieren, vergleichbar etwa mit Benzin-
oder Dieselbrennstofftanks, zusammen mit den Mitteln, um das Wasser
und den Brennstoff zu verdampfen, bevor diese dem Reformer zu geführt werden.
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Im
US Patent Nr. 5,249,624 ist zum Beispiel ein zweistufiger zylindrischer
Verdampfer beschrieben, mit dem ein flüssiger Massenstrom eines Reaktanten
durch die Zufuhr von Wärmeenergie
in einen gasförmigen
Massenstrom des Reakanten umgewandelt werden kann, und zwar basierend
auf einer Funktion des Verbrauchs.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 41 37 756 A1 offenbart einen Kreuzstrommikrowärmetauscher,
der plattenähnliche
Folien umfasst, die übereinander
gestapelt sind und eine Mehrzahl von sehr feinen parallel verlaufenden
Nuten umfassen.
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In
dem US Patent Nr. 5,823,252 ist ein Verdampfer beschrieben, der
eine verbesserte Dynamik bereitstellt und zur selben Zeit ein verringeries
Konstruktionsvolumen benötigt.
Dieser Verdampfer wird durch ein abwechselndes Stapeln von übereinander angeordneten
Folien gebildet, die Wärmeaustauschkanäle haben
und durch Folien, die Reaktionskanäle haben, welche in jedem Fall
wenigstens eine erste und eine zweite Stufe in einer Folie integriert
haben. Die erste Stufe ist als ein Kanal mit einer minimierten Querschnittsfläche konfiguriert,
der direkt mit der Zustromleitung verbunden ist. Die erste Stufe
wird bei hohen Wärmeübertra gungskoeffizienten
betrieben. Der Gesamtquerschnitt der Reaktionskanäle in der zweiten
Stufe erhöht
sich in Richtung der Strömung.
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Während für viele
Nichtfahrzeuganwendungen die Frage des Verdampfens des Wassers und des
Brennstoffs relativ einfach gehandhabt werden kann, ist das Problem
dort viel schwieriger, wo bei der Erzeugung von Elektrizität durch
die Brennstoffzelle eine schnelle Antwort auf eine Änderung
in der elektrischen Belastung erwartet wird. Im Zusammenhang mit
einem Fahrzeug bedeutet dies, dass die Brennstoffzelle sehr schnell
auf Änderungen
reagieren muss, die von dem Fahrer des Fahrzeugs durch Änderungen
in der Position der Brennstoffzellenäquivalenz eines konventionellen
Gaspedals vorgegeben werden.
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Es
wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit mit der die Brennstoffzelle
auf eine vorgebende Änderung
reagiert, von der Masse an Wasser und Brennstoff in dem Verdampfer
abhängt,
der dem Reformer verdampftes Wasser und Brennstoff zuführt. Je
größer die
Masse von Brennstoff und Wasser in dem Verdampfer ist, umso länger ist
die Antwortzeit. Dementsprechend wurde festgestellt, dass in Brennstoffzellensystemen
die Anwendungen vorsehen, welche eine schnelle Antwort auf eine
Zustandsänderung
benötigen,
die Masse an Brennstoff und Wasser in dem Verdampfer bei einem absoluten
Minimum gehalten werden muss. Um diese Anforderung zu erfüllen ist
es sehr wünschenswert,
dass die Brennstoff- und Wasserseite des Verdampfers ein möglichst
kleines Volumen hat.
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In
Fahrzeuganwendungen ist es ebenfalls sehr wünschenswert, dass der Gesamtverdampfer hinsichtlich
Volumen und Gewicht so klein wie möglich ist. Größe und Gewicht
sind sehr nachteilig, da Gewicht die Gesamtbrennstoffeffizienz des
Fahrzeugs reduziert und Größe die Transportkapazität des Fahrzeugs
bis zu dem Punkt reduziert, dass es praktisch nicht möglich ist,
ein Fahrzeug bereitzustellen, dass mit konventionell angetriebenen
Fahrzeugen in heutigen Anwendungsfällen konkurrieren kann. Es
ist ebenfalls wünschenswert
eine sehr kurze Hochfahrzeit des Systems zu erreichen.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf das Überwinden von einem oder mehreren
der oben genannten Probleme gerichtet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist ein prinzipielles Ziel ein Brennstoffzellensystem des Reformertyps
bereitzustellen und insbesondere einen verbesserten Brennstoffverdampfer zur
Verwendung in einem Reformerbrennstoffsystem. Es ist ein Ziel der
Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren zum Verdampfen von
Brennstoff zur Verwendung in einem Brennstoffsystem des Typs bereitzustellen,
der einen Reformer umfasst.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verdampfen von flüssigem Brennstoff und
Wasser bereitgestellt, bevor diese einem Reformer in einem Brennstoffzellensystem
zugeführt
werden. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Verursachen, dass ein Ström
von heißem
Fluid einen Fließpfad
durchquert, so dass das Fluid an dem Beginn des Strömungsweges
bei maximaler Temperatur ist und an einer Stelle stromabwärts des
Beginns des Strömungsweges
bei einer niedrigeren Temperatur ist,
- b) Verdampfen des flüssigen
Wassers und des Brennstoffs, in dem flüssiges Wasser und flüssiger Brennstoff
in wärmetauschender
Beziehung mit dem Strom von heißem
Fluid an dem Beginn dieses Stroms gebracht werden und indem das Wasser
und der Brennstoff parallel mit dem Strom und in wärmetauschender
Beziehung damit zu der stromabwärtigen
Stelle geführt
werden; und anschließend
- c) Führen
des verdampften Wassers und Brennstoffs in wärmetauschender Beziehung und
in Gegenstrom mit dem Strom von heißem Fluid zurück zu dem
Beginn und aus dem Kontakt mit dem Strom von Wasser und Brennstoff,
der während der
Durchführung
von Schritt b) stattfindet, um das ver dampfte Wasser und den Brennstoff
zu überhitzen.
Die Schritte a, b und c werden in einem kontinuierlichen Betrieb
durchgeführt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erfolgt
nach Schritt c) der Schritt des Richtens des verdampften und überhitzten
Wassers und Brennstoffs zu einem Reformer in einem Brennstoffzellensystem.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist der Brennstoff Methanol.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt wird auf ein Brennstoffzellensystem Bezug genommen,
dass ein Brennstoffreservoir umfasst, um flüssigen Brennstoff für eine Brennstoffzelle
zu speichern, eine Brennstoffzelle, um den Brennstoff zu verbrauchen
und um daraus Elektrizität
zu erzeugen, und einen Brennstoffreformer, der mit der Brennstoffzelle
verbunden ist, um derselben den Brennstoff bereitzustellen, damit
dieser verbraucht werden kann. Der Brennstoffreformer empfängt Brennstoff
in einem verdampften Zustand. Ein Brennstoffverdampfer ist zwischen
dem Brennstoffreservoir und dem Brennstoffreformer angeordnet, um
flüssigen
Brennstoff von dem Brennstoffreservoir zu empfangen und den flüssigen Brennstoff
in den verdampften Zustand zu überführen, um
ihn dem Brennstoffreformer zuzuführen.
Der Brennstoffverdampfer umfasst einen Wärmetauscher, der einen Einlass
für heißes Fluid
hat, einen Auslass für
heißes
Fluid und einen Kern, der den Einlass und den Auslass miteinander
verbindet. Der Kern hat alternierende Kanäle für heißes Fluid und erstreckt sich
zwischen dem Einlass für
heißes
Fluid und dem Auslass für
heißes
Fluid in wärmetauschender
Beziehung mit Passagen für
flüssigen/verdampften
Brennstoff. Die Kanäle
für heißes Fluid
sind jeweils durch zwei länglich
beabstandete, im Wesentlichen parallele Leisten, eine Rippe oder
Rippen zwischen den Leisten, welche sich entlang der Längen derselben
erstrecken und zwei separaten Platten gebildet, die mit den Leisten
und der Rippe (Rippen) verbunden sind und diese sandwichartig umfassen. Der
Wärmetauscher
umfasst weiter einen Einlass für flüssigen Brennstoff
und einen Auslass für
verdampften Brennstoff. Jede der Passagen für flüssigen/verdampften Brennstoff erstreckt
sich zwischen dem Einlass für
flüssigen
Brennstoff und dem Auslass für verdampften
Brennstoff und umfasst einen gewellten Abstandhalter, der zwischen
im Wesentlichen parallelen Leistenbereichen und Trennplatten eingerichtet ist,
welche an dem Abstandselement angebracht sind und diesen sandwichartig
umfassen, um eine Mehrzahl von Strömungsanschlüssen zu definieren, die einen
relativ kleinen hydraulischen Durchmesser haben.
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In
einem Beispiel sind die meisten, jedoch nicht alle, der Trennplatten
innerhalb des Kerns angeordnet und jede derartige Trennplatte gehört zu benachbarten
der Kanäle
für heißes Fluid
und der Passagen für
flüssigen/verdampften
Brennstoff.
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In
einem bevorzugten Beispiel sind die Rippe oder die Rippen vom Lance-Offset
Typ.
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In
einem Beispiel sind die Leisten, die Leistenabschnitte, die Rippen
vom Lance-Offset
Typ, die Trennplatten und die gewellten Abstandselemente miteinander
durch ein Lötmetall
verbunden.
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Ein
bevorzugtes Beispiel sieht vor, dass der Kern ein Stapel von Leisten,
Leistenabschnitten, Rippen vom Lance-Offset Typ, Trennplatten und
gewellten Abstandselementen ist, die angeordnet sind, um die alternierenden
Kanäle
für heißes Fluid
in wärmetauschender
Beziehung mit den Passagen für
flüssigen/verdampften
Brennstoff definieren.
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Ein
bevorzugtes Beispiel sieht ebenfalls vor, dass die gewellten Abstandselemente
in mehreren Bereichen vorliegen und das die Leistenabschnitte in Bezug
auf die gewellten Abstandselementbereiche angeordnet sind, um Mehrfachdurchgang-Passagen für flüssigen/verdampften
Brennstoff zu definieren, wobei wenigstens ein Durchgang der Mehrfachdurchgang-Passagen
für flüssigen/verdampften Brennstoff
in Gegenstrombeziehung mit den Passagen für heißes Fluid ist.
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In
einem Beispiel ist zumindest ein Durchgang der Mehrfachdurchgang-Passagen
für flüssigen/verdampften
Brennstoff in Gleichstrombeziehung zu den Passagen für heißes Fluid.
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Bevorzugt
ist der eine Durchgang mit dem Auslass für verdampften Brennstoff verbunden
und der andere Durchgang der Mehrfachdurchgang Passagen für flüssigen/verdampften
Brennstoff ist mit dem Einlass für
flüssigen
Brennstoff verbunden.
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In
einem besonders bevorzugten Beispiel ist die Querschnittsfläche des
einen Durchgangs, der mit dem Auslass verbunden ist größer als
die Querschnittsfläche
des Durchgangs der mit dem Einlass verbunden ist.
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Vorzugsweise
ist der Einlass für
heißes
Fluid und der Auslass für
heißes
Fluid jeweils pyramidenförmig
und hat eine offene Basis, die mit dem Kern verbunden ist.
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Die
Erfindung sieht auch ein Brennstoffverdampfungssystem zur Verwendung
in einem Brennstoffzellenantriebssystem vor, welches eine Quelle von
flüssigem
Brennstoff umfasst, eine Quelle für Wasser und eine Quelle für Fluid
mit einer erhöhten Temperatur.
Außerdem
ist ein Wärmetauscher
zum Verdampfen von Brennstoff und Wasser enthalten und zum Liefern
des resultierenden Dampfes zu einem Reformer. Der Wärmetauscher
hat einen Einlass für
das Fluid und einen Auslass für
das Fluid, der von dem ersten beabstandet ist. Der Einlass ist mit der
Fluidquelle verbunden. Eine Mehrzahl von Fluidfließpfaden
erstreckt sich zwischen dem Fluideinlaß und dem Fluidauslass und
hat stromaufwärtige
Enden an dem Fluideinlass und stromabwärtige Enden an dem Fluidauslass.
Ein Brennstoff/Wassereinlass und ein Brennstoff/Wasserauslass, welcher
von dem Brennstoff/Wassereinlass beabstandet ist, ist durch eine
Mehrzahl von Brennstoff/Wasserfließpfaden verbunden, die in wärmetauschender
Beziehung mit den Fluidfließpfaden
sind. Der Brennstoff/Wassereinlass ist mit den Brennstoff- und Wasserquellen
verbunden und benachbart der stromaufwärtigen Enden der Fluidströmungspfade
angeordnet.
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Die
Brennstoff/Wasserfließpfade
sind Mehrfachdurchgangsfließpfade,
wobei einer der Brennstoff/Wasserfließpfade, der sich am weitesten
stromaufwärts
befindet im Gleichstrom mit den Fluidfließpfaden fließt und einer
der Brennstoff/Wasserfließpfade,
der sich am weitesten stromabwärts
befindet fließt
im Gegenstrom mit den Fluidfließpfaden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist der Wärmetauscher
ein Plattenwärmetauscher,
der einen Stapel von separaten Platten umfasst, die eine Konfiguration
von Fluidfließpfaden
und Brennstoff/Wasserfließpfaden
in alternierender Beziehung definieren, und wobei Verwirbelungselemente
in den Fluidfließpfaden
angeordnet sind.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Brennstoff/Wasserfließpfade abgeflacht sind
und eine Hauptabmessung und eine Nebenabmessung haben, wobei die
Nebenabmessung 1,0 mm oder weniger beträgt. Vorzugsweise beträgt die Nebenabmessung
etwa 0,5 mm.
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Andere
Ziele und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung hervorgehen,
die in Verbindung mit den zugehörigen
Figuren zu lesen ist.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines typischen Brennstoffzellensystems
des Typs, der einen Reformer verwendet, mit dem der Brennstoffverdampfer
verwendet werden kann;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffverdampfers;
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3 ist
eine Draufsicht auf die Struktur von brennstoffseitigen Passagen,
die in dem Verdampfer verwendet werden;
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4 ist
eine vergrößerte, geschnittene
Ansicht, ungefähr
entlang der Linie 4-4 in 3 gesehen;
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5 ist
eine ähnliche
Ansicht wie 3, aber von der Heißgasseite
des Verdampfers gesehen;
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6 ist
eine vergrößerte, teilgeschnittene Ansicht
und ungefähr
entlang der Linie 6-6 in 5 gesehen;
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7 ist
eine perspektivische Ansicht einer typischen Rippenkonstruktion
des Lance-Offset Typs, die in der Heißgasseite des Verdampfers verwendet
werden kann;
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8 ist
eine Explosionsansicht eines Teils eines Kerns eines Verdampfers;
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9 ist
eine Draufsicht auf ein alternatives Beispiel der Struktur der brennstoffseitigen
Passagen; und
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10 ist
eine Draufsicht auf noch ein weiteres alternatives Beispiel der
Struktur der brennstoffseitigen Passagen.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Im
Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung in
der beabsichtigten Verwendungsumgebung in einem Fahrzeug beschrieben,
wobei die Ausführungsform
Methanol als Wasserstoff enthaltende Flüssigkeit verwendet, die mit
Wasser kombiniert wird, um ein wasserstoffreiches Gas zur Verwendung
in der Brennstoffzelle zu erzeugen. Methanol ist ein bevorzugter
Brennstoff, da es leicht in das Anodengas reformiert werden kann.
Allerdings sollte es klar sein, dass die Erfindung wirksam in Nichtfahrzeugwendungen
eingesetzt werden kann, insbesondere wo eine schnelle Antwort auf
eine Laständerung
benötigt
wird. Der Verdampfer kann auch in anderen Brennstoffzellensystemen
des Reformertyps verwendet werden, die einen anderen flüssigen Brennstoff
als Methanol verwenden, wie zum Beispiel Ethanol, Benzin, Diesel, etc.
Folglich soll die Erfindung nicht auf Fahrzeugssysteme oder Systeme
des Methanoltyps begrenzt angesehen werden, wenn dies nicht explizit
in den beigefügten
Ansprüchen
so angegeben ist.
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Nun
Bezug nehmend auf 1 ist ein Typ eines Brennstoffzellensystems
dargestellt, dass einen Reformer verwendet. Dieses System ist insbesondere
dazu gedacht in einem Fahrzeug eingesetzt zu werden, aber es kann
vorteilhaft in anderen Umgebungen verwendet werden.
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Das
System umfasst eine Brennstoffzelle 10 mit einer Vorrichtung
für einen
Anodengaseinlassstrom an einer Leitung 12. Das Anodengas
wird typischerweise Wasserstoff sein, Kohlendioxid und Wasserdampf.
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Die
Brennstoffzelle umfasst auch eine Einlassleitung 14, die
zu der Kathodenseite der Brennstoffzelle führt und durch welche ein sauerstoffreicher Strom
empfangen wird. Üblicherweise
ist dieser Strom Luft.
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Die
Brennstoffzelle umfasst auch eine Kühlschleife, allgemein mit 16 bezeichnet,
wie es wohl bekannt ist.
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Das
Kathodenabgas wird über
eine Leitung 18 ausgegeben, welche evtl. zu einem Wassertank oder
Reservoir 20 führt.
Dies bedeutet, dass Wasser, welches das Produkt der chemischen Reaktion
innerhalb der Brennstoffzelle 10 ist, dem Wassertank 20 für eine spätere Wiederverwendung
in dem Reformprozess bereitgestellt wird.
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Zusätzlich zu
dem Wassertank 20 umfasst das System einen Brennstofftank 24,
welcher in dem abgebildeten System Methanol enthält. Pumpen 26, die
während
des Hochfahrens elektrisch durch Batteriestrom angetrieben werden
oder während
des Betriebs durch die Elektrizität, die durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt
wird, dosieren Wasser und Methanol in einem gewünschten Verhältnis separaten
Einlässen
zu oder einem gemeinsamen Einlass eines Brennstoffverdampfers 28,
Die Wasser/Methanolmischung wird verdampft und über eine Leitung 30 zu dem
Einlass eines Reformers und katalytischen Brenners 32 ausgegeben.
Der Reformer und katalytische Brenner 32 führt wiederum
Reformat (Wasserstoff, Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid) über eine
Leitung 34 zu einem Gasreinigungsreaktor 36 zu,
wo der Kohlenmonoxidgehalt des Gases bis zu dem Punkt reduziert
wird, wo er die Brennstoffzelle 10 nicht vergiften wird.
Der Gasreinigungsreaktor 36 gibt sein Gas über die
Einlassleitung 12 zu der Anode der Brennstoffzelle 10 ab.
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Das
System umfasst auch eine Abgasleitung 38, über welche
Abgas ausgegeben wird. Das Abgas wird über einen Kompressor/Expander 44 entspannt und
als Abgas ausgegeben. Eine Rückführleitung 46 für heißes Gas
kann ebenfalls bereitgestellt werden.
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Von
der Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Energie wird
während
des Betriebs verwendet, um Pumpen, Motoren etc. innerhalb des Systems
anzutreiben, sowie um elektrische Energie für die durch das System angetriebene
Last bereitzustellen. Für das
Hochfahren kann Batteriestrom verwendet werden. In dem Falle eines
Fahrzeugantriebssystems wird die Last typischerweise ein Motor sein,
der mit dem Antriebsystem des Fahrzeugs verbunden ist.
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Bezug
nehmend auf 2 ist eine bevorzugte Form eines
Brennstoffverdampfers 28 dargestellt. Derselbe umfasst
einen Kern 50, der aus einer Serie von Platten, Leisten,
Abstandelementen und Kühlrippen
aufgebaut ist, die im Folgenden detaillierter beschrieben werden.
Diese Komponenten definieren einen Brenn stoff/Wasserfließpfad durch
den Verdampfer, welcher schematisch durch einen Pfeil 52 angezeigt
ist. Ein Einlass für
flüssigen
Brennstoff zu dem Fließpfad 52 wird
durch einen Kopf 54 und ein Rohr 56 mit relativ
kleinem Durchmesser bereitgestellt, das mit dem Kopf verbunden ist.
Ein ähnlicher
Kopf (nicht gezeigt) trägt
ein Rohr 58 mit großem
Durchmesser, welches als ein Auslass für den verdampften Brennstoff
dient. Der Größenunterschied
der Rohre 56 und 58 wird durch die Tatsache bedingt,
dass die Brennstoff- und Wassermischungen in das Rohr 56 als
eine Flüssigkeit
eintritt und somit in einer relativ größeren Dichte vorliegen als
der Brennstoff, der durch das Auslassrohr 58 austritt,
welcher nämlich
in verdampfter Form vorliegt. Folglich hat das Auslassrohr 58 eine
größere Querschnittsfläche, um
einen großen
Druckabfall aufgrund der größeren Volumenfließrate an
dem Auslassrohr 58 zu vermeiden.
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Der
Kern 50 hat entgegengesetzte Enden 60 und 62.
Das Ende 60 ist ein Einlassende und umfasst einen Einlasskopf 64.
Das Ende 62 ist ein Auslassende und umfasst einen Auslasskopf 66.
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Der
Kopf 64 ist angeschlossen, um heißes Gas von dem Reformer und
dem katalytischen Brenner 32 zu empfangen (1)
und es durch Fluidfließpassagen
für heißes Gas
zu leiten, die in wärmetauschender
Beziehung mit dem Fließpfad 50 sind,
welcher ebenfalls in der Form einer Mehrzahl von Passagen vorliegt.
Wie gesehen werden wird, ist der Kern 50 ein Stapel der
zuvor erwähnten
Komponenten, die alternierende Brennstoff/Wasserfließpfade und
Fließpfade
für heißes Gas
definieren. Es soll angemerkt werden, dass die Einlass- und Auslassköpfe 64, 66 für das heiße Gas vorzugsweise
pyramidenförmig
sind und eine runde Öffnung 68 an
ihren Spitzen haben und eine entgegengesetzte, offene Basis (nicht
abgebildet) die in Fluidkommunikation mit Fluidfließpfaden
für heißes Gas
(nicht abgebildet) innerhalb des Kerns 50 sind.
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Bezug
nehmend auf 3 ist ein typischer Unterzusammenbau
der Brennstoffseite dargestellt, der eine Struktur bildet, die einen
Methanol/Wasserfließpfad definiert.
Derselbe umfasst eine T-förmige Leiste 70,
die ein oberes Ende 72 des T's hat und eine aufrechte Leiste 74.
Die Leiste 74 erstreckt sich zwischen zwei Leisten 76 und 78,
die parallel sind und sich im Wesentlichen entlang der Länge des Kerns 50 erstrecken
(2), mit Ausnahme einer relativ kleinen Unterbrechung
oder eines Spalts 80 zwischen der Leiste 78 und
der Oberseite 72 des T's, welcher
mit dem Einlassverteiler 54 ausgerichtet ist und einer
relativ größeren Unterbrechung
oder eines Spalts 82 an dem Ende der Leiste 76 benachbart
zu der Oberseite 72 des T's 70, welche mit dem Methanol/Wasserauslassverteiler
(nicht abgebildet) ausgerichtet ist, welcher wiederum mit dem Auslassrohr 58 verbunden
ist.
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An
dem Ende der Leiste 76 und 78, entfernt von der
Oberseite 72 des T's 70 ist
eine Quersleiste 84 angeordnet, um somit das Ende abzudichten.
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Zwischen
den Leisten 70, 76, 78 und 84 ist ein
gewelltes Abstandselement, allgemein mit 86 bezeichnet,
das aus einer Mehrzahl von Abstandselementbereichen 88 aufgebaut
ist, welche die in 3 gezeigte Konfiguration aufweisen,
eingerichtet. In mehreren Fällen,
wie zum Beispiel bei 90 gezeigt, sind Lücken zwischen benachbarten
Abstandselementbereichen 88 angeordnet und kleine Streifen 92 können an
der Leiste 74 sowie an den Leisten 76 und 78 vorgesehen
sein, um die Lücken 90 beizubehalten.
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4 ist
ein Querschnitt, gesehen ungefähr entlang
der Linie 4-4 in 3, und zeigt das gewellte Abstandselement 86.
Das Abstandselement 86 erstreckt sich zwischen den Leisten 76 und 78 (sowie auch
der Leiste 74, die in 4 nicht
abgebildet ist) und ist sandwichartig an dieser Stelle durch Trennplatten 94 umfasst,
die in 3 nicht dargestellt sind. Das Abstandselement 86 ist
mit den Trennplatten 94 zum Beispiel durch eine Lötverbindung
verbunden. Das Abstandselement 86 dient als eine interne
Rippe und kann geschlitzt sein, vom Lance-Offset Typ sein, ein Fischgrätmuster
haben oder jegliche andere Konfiguration haben, die es erlaubt sie
mit den Trennplatten 94 zu verbinden.
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Im üblichen
Fall werden korrosionsbeständige
Materialien, wie zum Beispiel Edelstahl oder Inconel, verwendet,
um den korrosiven Wirkungen der Brennstoff – Wassermischung zu widerstehen,
die durch den Spalt 80 von dem Kopf 54 zu geführt wird. Als
eine Konsequenz wird eine Mehrzahl von Fließanschlüssen oder Passagen 96 zwischen
benachbarten Wellen der Abstandselemente 86 geformt, die einen
Brennstoffpfad in der Richtung, die in 3 mit den
Pfeilen 98 angedeutet ist, bereitstellen.
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Es
soll angemerkt werden, dass die Leiste 74 nicht an der
Oberseite 72 des T's 70 zentriert
ist, sondern vielmehr so angeordnet ist, um dieselbe an einer Stelle
etwa 10% bis 50% des Abstands von dem Spalt 80 zu dem Spalt 82 zu
schneiden. Dies bietet ein Minimum an Strömungswiderstand für die Brennstoff/Wassermischung,
während
sie verdampft und als Ergebnis daraus eine Volumenvergrößerung erfährt.
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Um
die Masse an Brennstoff, die sich in der Brennstoffpassage 52 befindet
zu minimieren, wobei 3 und 4 nur eine
einzelne Passage zeigen, beträgt
die Höhe
des Einlasses 1,0 mm oder weniger und vorzugsweise etwa 0,5 mm.
Dies bietet einen kleinen hydraulischen Durchmesser für die Anschlüsse 96,
der typischerweise in der Größenordnung
von 0,49 mm sein wird. Allerdings kann, wenn eine Verringerung in
der Antwortzeit tolerierbar ist, der hydraulische Durchmesser vergrößert werden.
Die untere Grenze des hydraulischen Durchmessers wird von der benötigten Massenstromrate
für ein
gegebenes System abhängen,
dem tolerierbaren Druckabfall, der gesamten freien Strömungsfläche, die
für die Brennstoffströmung bereitgestellt
wird und anderen ähnlichen
Faktoren.
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Die
Spalten 90 betragen in der Strömungsrichtung zwischen 1 und
3 mm und der Abstand benachbarter Spalten 90 beträgt zwischen
20 und 30 mm. Die Spalten 90 bieten eine Wiederverteilung
der Strömung
und helfen beim Reduzieren von un gewünschten Druckschwankungen in
der Strömung. Die äußeren Durchmesser
des Zusammenbaus sind in 3 dargestellt.
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Es
sollte erkannt werden, dass während
der Unterzusammenbau der Brennstoffseite als eine hergestellte Struktur
beschrieben wurde, die aus Trennelementen, Leisten und gewellten
Abstandselementen aufgebaut ist, auch die Verwendung von extrudierten
Strukturen angedacht werden könnte,
um jeden zuvor beschriebenen Durchgang bereitzustellen, wenn der
gewünschte
relativ kleine hydraulische Durchmesser für ein gegebenes System erreicht werden
kann.
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Nun
Bezug nehmend auf 5 ist ein typischer Unterzusammenbau
dargestellt, der die Fließpassage
des heißen
Gases definiert. Derselbe umfasst beabstandete, parallele Leisten 100, 102,
zwischen denen eine Rippe des Lance-Offset Typs eingerichtet ist,
die allgemein mit 104 bezeichnet ist, und als ein Verwirbelungselement
für das
heiße
Gas dient. 6 zeigt abschnittsweise die
Rippe des Lance-Offset Typs 104 zwischen zwei Trennplatten 94 (die
identisch mit den Trennplatten 94 aus 4 sind)
und sie kann mit denen in 4 gezeigten
in den meisten Fällen
gleich sein, wie beschrieben werden wird. Die Rippe 104 ist
zwischen den Trennplatten 94 sandwichartig umfasst und
mit diesen verlötet. Die
Höhe der
Rippe vom Lance-Offset Typ beträgt
in der dargestellten Ausführungsform
3,4 mm. Obwohl Rippen vom Lance-Offset Typ aus dem Stand der Technik
bekannt sind, zeigt 7 eine perspektivische Ansicht
einer solchen Rippe. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Rippe, wie
zuvor erwähnt, 3,4
mm hoch mit einer Rippendichte von 9 Rippen pro Zentimeter.
Die Gesamtabmessungen des Unterzusammenbaus der heißen Gasseite,
der die Fluidfließpassagen
definiert, sind in 5 dargestellt und identisch
zu denen, die in 4 gezeigt sind.
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8 ist
eine Explosionsansicht eines Teils eines Stapels von alternierenden
Unterzusammenbauten, wie sie in 3 und 5 gezeigt
sind, und den Kern 50 ausbilden.
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Um
den Zusammenbau zu erleichtern, sind außerdem Lötfolienstreifen 106 vorgesehen
und so angeordnet, um eine Trennplatte 94 jeweils sandwichartig
zu umfassen, mit der Ausnahme der obersten und untersten Trennplatten 94 in
dem Stapel, der den Kern 50 definiert (2).
Die Lötfolienlagen 106 werden
in dem endgültigen
Zusammenbau nicht selbst sichtbar sein, obwohl die Rückstände des
Lötmaterials
derselben vorhanden sein werden. Falls gewünscht können andere Mittel verwendet
werden, um Lötmetall
an gewünschten
Stellen zu platzieren, wie zum Beispiel eine Pulverbeschichtung,
die Verwendung von mit Lötmaterial
verkleideten Folien und ähnlichem.
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Von
oben nach unten wird eine Trennplatte 94 bereitgestellt,
gefolgt von einer Lötfolienlage 106. Dies
wird wiederum von einem Zusammenbau der Leisten 70, 74, 76, 78 gefolgt,
mit dem gewellten Einsatz 86, der zwischen denselben eingerichtet
ist, wie es zuvor erwähnt
wurde. Diese Struktur wird dann von einer Lötfolienlage 106 gefolgt,
einer Trennplatte 94, einer weiteren Lötfolienlage 106, und
dann Leisten 100, 102, wobei die Rippe 104 zwischen
denselben eingerichtet ist. Diese Struktur wird wiederum von einer
Lötfolienlage 106 gefolgt,
einer Trennplatte 94 und einer weiteren Lötfolienlage 106,
welche wiederum von einem weiteren der Zusammenbauten der Leisten 70, 74, 76, 78 gefolgt
wird, wobei das gewellte Abstandselement 86 dazwischen
eingerichtet ist. Dies wird wiederum von einer Lötfolienlage 106 gefolgt,
einer Trennplatte 94, einer weiteren Lötfolienlage 106 und
den Leisten 100 und 102, wobei die Rippe 104 zwischen
denselben eingerichtet ist. Diese Konstruktion wird wiederholt bis
die gewünschte Höhe des Stapels
praktisch vollständig
ist, zu welchem Zeitpunkt der letzte Satz von Leisten und Abstandselementen 86 für die Rippe 104 an
Ort und Stelle ist, welche wiederum von einer weiteren Lötfolienlage 106 gefolgt
werden und einer unteren Trennplatte 94.
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Um
den Zusammenbau zu vereinfachen erstreckt sich eine Befestigungslasche 110 über den Spalt 82 zwischen
der Oberseite 72 des T's 70 und dem
benachbarten Ende der Leiste 76. Eine ähnliche Befestigungslasche 112 erstreckt
sich über den
Spalt 80 zwischen der Leiste 76 und der Oberseite 72 des T's. In einer ähnlichen
Weise erstrecken sich Befestigungslaschen 114 zwischen
den Leisten 100 und 102 an dem Einlassende des
Unterzusammenbaus der Fluidfließpassage,
während
sich eine ähnliche
Befestigungslasche 116 zwischen den entgegengesetzten Enden
der Leisten 100, 102 erstreckt. Die Befestigungslaschen 110, 112, 114, 116 werden
entfernt, wie zum Beispiel durch maschinelle Bearbeitung oder abgeschnitten,
nachdem der gesamte Kern 50 zusammengelötet wurde.
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Zusätzlich zu
den zuvor gegebenen Abmessungen sind typische Abmessungen für die Trennplatten 94 und
die Lötfolienlagen 106 (oder
Verkleidungen oder Beschichtungen, wenn diese anstelle der Lagen
verwendet werden) wie folgt. Die äußeren Abmessungen sind üblicherweise
dieselben, wie die der Unterzusammenbauten, die in 3 und 5 gezeigt
sind. Typischerweise werden die Lötfolienlagen 106 eine
Dicke in dem Bereich von etwa 0,01 bis 0,05 mm haben, vorzugsweise
0,02 mm, während
die Trennplatten 94 eine Dicke von 0,2 mm haben werden.
Ein Druckwiderstand wird durch die Tatsache bereitgestellt, dass
der Kamm bzw. Spitze von sowohl den gewellten Abstandselementen 86 als
auch der Rippe vom Lance-Offset Typ 104 mit den Trennplatten 94 verlötet ist.
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Wenn
die Befestigungslaschen entfernt sind, werden die Köpfe 54, 64 und 66 sowie
der Wasser/Methanolauslasskopf (nicht abgebildet) mit dem Kern 50 an
den zuvor erwähnten
Stellen verschweißt.
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Im üblichen
Fall wird eine Wasser- und Methanolmischung durch die Einlassröhre 56 eingeführt, d.h.
durch einen einzelnen Einlass. Es soll jedoch verstanden werden,
dass, falls gewünscht, mehrere
Einlässe
verwendet werden können.
Es sollte ebenfalls verstanden werden, dass es möglich ist den Verdampfer zu
verwenden, um nur den wasserstoffenthaltenden Brennstoff zu verdampfen
und nicht das Wasser, welches in einem separaten Verdampfer verdampft
werden kann, wobei die Auslassströme dann vor ihrer Zuführung zu
dem Reformer 32 kombiniert werden.
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Alternative
Beispiele der brennstoffseitigen Struktur sind in den 9 und 10 dargestellt.
Im Interesse einer kurzen Darstellung werden Komponenten, wo gleiche
oder identische verwendet werden, wie die zuvor beschriebenen, nicht
erneut beschrieben und dieselben Bezugszeichen werden verwendet.
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Einfach
gesagt sollen die in den 9 und 10 gezeigten
Beispiele dazu dienen der Tatsache Rechnung zu tragen, dass der
einkommende Brennstoff, d.h. eine Mischung aus Wasser und Methanol,
die teilweise in Dampfform und teilweise in flüssiger Form vorliegt, eine
höhere
Dichte haben wird als der ausgehende Brennstoff, welcher vollständig in
Dampfform vorliegenden wird. Um den Strömungswiderstand zu reduzieren,
haben die Beispiele in den 9 und 10 eine
sich erweiternde Querschnittsfläche
wenn man sich von dem Brennstoffeinlass 80 zu dem Brennstoffauslass 82 bewegt. In
dem in 9 gezeigten Beispiel verbindet sich das aufrechte
Element 74 der T-förmigen
Leiste 70 mit der Oberseite 72 der T-förmigen Leiste 74 an
einer Stelle, die sich bei etwa 10% des Abstands von dem Einlass 80 zu
dem Auslass 82 entlang der Oberseite 72 der T-förmigen Leiste 74 befindet.
Dieser Treffpunkt wird in 9 bei 150 gezeigt.
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Das
entgegengesetzte Ende des aufrechten Elements 74 wird mit 152 bezeichnet
und endet an einer Stelle, die etwa auf der Hälfte der Strecke zwischen den
Leisten 76 und 78 liegt (wie entlang der Oberseite 72 der
T-förmigen
Leiste 74 gemessen) und ist von der Leiste 84 um
einen Abstand beabstandet, der in etwa dem in der Ausführungsform
von 3 entspricht. Als eine Konsequenz wird erkannt werden,
dass sich die Querschnittsfläche
des Fließpfades
für eine
Strömungsrichtung
in Richtung der Pfeile 98 kontinuierlich von dem Einlass 80 zu
dem Auslass 82 vergrößern wird,
so dass, während
sich die Dichte der Brennstoffmischung als ein Resultat der Verdampfung
von der flüssigen
Phase reduziert und ein Erwärmen
der Dampfphase dessen Dichte verringert (Erhöhung des Volumens) dieselbe
einfach durch den sich erweiternden Fließpfad strömt, ohne den Strömungswiderstand
messbar zu erhöhen.
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Das
Beispiel von 10 ist im Allgemeinen ähnlich,
aber in diesem Fall ist das aufrechte Element 74 in einer
Serie von verbundenen Stufen aufgeteilt, die bei 154, 156, 158, 160 gezeigt
sind. Somit erfolgt in dem Beispiel von 10, die
Erhöhung
der Querschnittsfläche
von dem Einlass 80 zu dem Auslass 82 stufenweise,
im Gegensatz zu der kontinuierlich auftretenden Vergrößerung,
die in dem Beispiel von 9 stattfindet.
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In
einigen Fällen
kann es wünschenswert sein
die verschiedenen Leisten als Flansche oder Rippen in den Trennplatten,
welche aneinander angrenzen oder anderen Trennplatten, welche daran angelötet sind,
auszubilden, und eine Bezugnahme auf „Leisten" soll derartige Strukturen mit umfassen.
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Nichtsdestotrotz
wird erkannt werden, das in beiden Beispielen die Vergrößerung der
Querschnittsfläche
des Brennstofffließpfades
vorliegt, um die verringerte Dichte der Brennstoffmischung aufzunehmen,
um einen hohen Strömungswiderstand
zu vermeiden.
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Das
Vorhergehende resultiert in einer Konstruktion, in der der Brennstoff/Wasserstrom
benachbart zu dem Einlass für
heißes
Gas eingeführt
wird, um so sofort einem Wärmeaustausch
mit dem heißen Gas
ausgesetzt zu werden, wenn das letztere bei seiner höchsten Temperatur
vorliegt. Dasselbe strömt dann
stromabwärts
in Gleichstrombeziehung mit dem heißen Gas, bis zu einem Punkt
allgemein benachbart zu dem Auslass für heißes Gas 66, wo das Brennstoff/Wassergemisch.
seine Richtung umkehrt, um im Gegenstrom mit der Strömung des
heißen
Gases zu strömen
und letztendlich zu dem Brennstoffauslass. Dies bedeutet, dass die
Anwesenheit des T's 70 in
dem Unterzusammenbau der Brennstoffpassage einen Mehrfachdurchgangfließpfad für den Brennstoff
bietet, wobei der stromaufwärtigste
Durchgang an dem Punkt der höchsten
Temperatur des heißen
Gases eintritt und der stromabwärtigste Durchgang
des Brennstoffs, der im Gegenstrom strömt, ebenfalls an dem Punkt
ausgestoßen
wird, wo das hei ße
Gas bei seiner höchsten
Temperatur vorliegt. Dies bietet eine höchst vorteilhafte Wirkung, indem,
da die Fließdurchgangsanordnung
in dem höchsten
Temperaturunterschied zwischen dem Brennstoff und dem heißen Gas
an dem Eintrittspunkt des Brennstoffs als eine Flüssigkeit
resultiert, diese schneller verdampft wird, als wenn eine andere Strömungsanordnung
verwendet werden würde. Folglich
wird die Dichte des Brennstoffstroms durch eine schnelle Verdampfung
des Brennstoffs sofort erheblich verringert, was wiederum bedeutet,
dass die Masse des Brennstoffs, die innerhalb des Verdampfers 28 zu
jedem Zeitpunkt vorliegt, minimiert wird. Dies bietet eine viel
schnellere Antwort der Brennstoffzelle auf eine Befehlsänderung,
wenn zum Beispiel ein Anwender eines Fahrzeugs das System für Antriebsschritte
verwendet, die dem Äquivalent
eines Gaspedals in einem Antriebssystem mit einem konventionellen
internen Verbrennungsmotor entsprechen.
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Es
sollte auch angemerkt werden, dass die extrem kleine Höhe und der
hydraulische Durchmesser der Anschlüsse 96, welche die
Brennstofffließpassagen
definieren, in einem minimalen Volumen für den Brennstoff resultieren,
wodurch die Masse an Brennstoff, die sich in dem Verdampfer 28 befindet, minimiert
wird, egal ob sie in gasförmiger
oder flüssiger
Form vorliegt. Wiederum wird die Antwort maximiert.
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Es
ist weiter wichtig, dass die Verwendung einer Rippe vom Lance-Offset
Typ, wie der Rippe 104, in den Fluidströmungspassagen eine exzellente Verwirbelung
in diesen Passagen für
das heiße
Gas bereitstellt, wodurch die Wärmeübertragung
maximiert wird und es wiederum erlaubt wird das Volumen der Brennstoffseite
des Verdampfers für
denselben Zweck zu minimieren.
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Es
sollte angemerkt werden, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung
von Restgas als Wärmequelle
angewiesen ist. Es kann jedes Gas mit einer erhöhten Temperatur und einer ausreichenden Wärmekapazität, um die
verlangte Verdampfung durchzuführen,
verwendet werden. Tatsächlich
kann in manchen Fällen,
ins besondere während
des Hochfahrens des Systems, Methanol von dem Tank 24 verwendet
werden, um das heiße
Gas zu erzeugen, dass für
die Verdampfung des Brennstoffs benötigt wird.