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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen,
welche bei ungefähr
Umgebungsdruck arbeiten und zur Verwendung in Transportfahrzeugen
als bewegliche Stromerzeugungsanlagen oder als nicht-bewegliche Stromerzeugungsanlagen,
und die Erfindung bezieht sich besonders auf eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage,
welche Masse und Hitze, wie z. B. Wasserdampf, welcher die Anlage
verlässt,
zurück
in die Anlage führt,
um die Wasserbilanz und die Energieeffizienz der Anlage zu verbessern.
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Hintergrund
der Erfindung
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Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen sind
bekannt und werden allgemein verwendet, um elektrische Energie aus
reduzierenden und oxidierenden Fluiden zu erzeugen, um elektrische
Einrichtungen, z. B. Einrichtungen an Bord von Raumfahrzeugen, zu
betreiben. In derartigen Stromerzeugungsanlagen sind eine Mehrzahl
von planaren Brennstoffzellen in einem Stapel angeordnet, der von einem
elektrisch isolierenden Rahmen umgeben ist, welcher Verzweigungssysteme
zum Leiten von reduzierenden, oxidierenden, kühlenden und als Produkt erzeugten
Fluiden definiert. Jede einzelne Zelle weist im Allgemeinen eine
Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode auf, welche durch einen
Elektrolyten getrennt sind. Ein Reaktanten- oder reduzierendes Fluid,
z. B. Wasserstoff, wird zur Anode geführt, und ein Oxidationsmittel,
z. B. Sauerstoff oder Luft, wird zur Kathodenelektrode geführt. In
einer Zelle, welche eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt
verwendet, reagiert Wasserstoff elek trochemisch an der Oberfläche eines
Anodenkatalysators, um Wasserstoffionen und Elektronen zu erzeugen.
Die Elektronen werden zu einem externen Lastkreis geleitet und dann
zur Kathodenelektrode zurückgeführt, während die
Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zur Kathodenelektrode gelangen,
wo sie mit dem Oxidationsmittel und Elektronen reagieren, um Wasser
zu erzeugen und thermische Energie freizusetzen.
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Die
Anoden- und Kathodenelektroden derartiger Brennstoffzellen sind
durch verschiedene Arten von Elektrolyten getrennt, abhängig von
den Betriebsanforderungen und Einschränkungen der Betriebsumgebung
der Brennstoffzelle. Ein solcher Elektrolyt ist ein Protonenaustauschmembran-Elektrolyt
("PEM"), welcher aus einem
im Stand der Technik bekannten festen Polymer besteht. Andere übliche in
Brennstoffzellen verwendete Elektrolyten schließen Phosphorsäure oder
Kaliumhydroxid, gehalten innerhalb einer porösen, nichtleitenden Matrix zwischen
den Anoden- und Kathodenelektroden ein. Es wurde gefunden, dass
PEM-Zellen wesentliche Vorteile gegenüber Zellen mit flüssigen sauren
oder basischen Elektrolyten beim Erfüllen spezifischer Betriebsparameter
haben, weil die Membran der PEM eine Barriere zwischen dem reduzierenden
Fluid und dem Oxidationsmittel zur Verfügung stellt, welche gegenüber Druckunterschieden
toleranter ist als ein flüssiger
Elektrolyt, der durch Kapillarkräfte
innerhalb einer porösen
Matrix gehalten wird. Außerdem
ist der PEM-Elektrolyt fixiert und kann nicht aus der Zelle aussickern,
und die Membran hat eine relativ konstante Kapazität zur Wasserretention.
Es ist jedoch bekannt, das PEM-Zellen beträchtliche Einschränkungen,
insbesondere bezogen auf Wassertransport zu, durch und von der PEM
und bezogen auf den gleichzeitigen Transport von gasförmigen reduzierenden
und oxidierenden Fluiden zu und von den Elektroden benachbart zu
den gegenüber
liegenden Oberflächen
der PEM haben. Der Stand der Technik enthält viele Bemühungen,
die Auswirkung dieser Einschränkungen
zu minimieren.
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Im
Betrieb einer Brennstoffzelle, welche eine PEM verwendet, ist die
Membran mit Wasser gesättigt,
und die Anodenelektrode benachbart zur Membran muss nass bleiben.
Wenn an der Anodenelektrode erzeugte Wasserstoffionen durch den
Elektrolyten gelangen, ziehen sie Wassermoleküle in Form von Hydroniu mionen
mit sich von der Anode zur Kathode. Wasser gelangt auch von der
Anode zur Kathode durch Osmose zurück. An der Kathode erzeugtes Produkt-Wasser wird durch
Verdampfung oder Mitführen
in die zirkulierende Gasströmung
des Oxidationsmittels entfernt, oder durch Kapillarwirkung in und durch
eine poröse
Fluidtransportschicht benachbart zur Kathode. Poröse Wassertransportplatten
führen flüssiges Wasser
von einem Kühlmittelwasservorrat zur
Anodenelektrode und entfernen Wasser von der Kathodenelektrode und
führen
es zum Kühlmittelwasservorrat
zurück,
und die Platten dienen dadurch auch dazu, Wärme von dem Elektrolyten und
den Elektroden zu entfernen.
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Beim
Betrieb von PEM-Brennstoffzellen ist es entscheidend, dass eine
geeignete Wasserbilanz (Wasserausgleich) zwischen der Rate, mit
der Wasser an der Kathodenelektrode erzeugt wird und den Raten,
mit welchen Wasser an der Kathode entfernt und mit welcher flüssiges Wasser
zur Anodenelektrode geführt
wird, aufrecht erhalten wird. Eine betriebsmäßige Leistungsgrenze der Brennstoffzelle
wird durch die Fähigkeit
der Zelle definiert, die Wasserbilanz aufrecht zu erhalten, während der
von der Zelle in den externen Lastkreis gezogene elektrische Strom
variiert, und während
eine Betriebsumgebung der Zelle variiert. Wenn Wasser nicht ausreichend
zur Anodenelektrode zurückgeführt wird,
trocknen bei PEM-Brennstoffzellen benachbarte Bereiche des PEM-Elektrolyten
aus und verringern so die Rate, mit welcher Wasserstoffionen durch
die PEM gelangen können,
und das führt
auch zu Übertreten
des reduzierenden Fluids, was zu örtlichem Überhitzen führt. Falls in ähnlicher
Weise zu wenig Wasser von der Kathode entfernt wird, kann die Kathodenelektrode
tatsächlich überschwemmt
werden, was die Oxidationsmittelzuführung zur Kathode begrenzt
und somit den Stromfluss verringert. Falls außerdem zu viel Wasser von der
Kathode durch die Oxidationsmittel-Gasströmung entfernt wird, kann die
Kathode austrocknen, was die Fähigkeit
von Wasserstoffionen, durch die PEM zu gelangen, begrenzt, wodurch
die Leistung der Zelle verringert wird.
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Als
Brennstoffzellen in Stromerzeugungsanlagen integriert wurde, die
entwickelt wurden, um Fahrzeuge wie z. B. Automobile, Lastkraftfahrzeuge, Busse
etc. anzutreiben, wurde das Erhalten eines effizienten Wasserausgleichs
innerhalb der Stromerzeugungsanlage eine größere Herausforderung aufgrund
einer Mehrzahl von Faktoren. Beispielsweise kann Wasser, was bei
einer nicht-beweglichen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage verloren geht,
durch Wasser ersetzt werden, welches der Anlage von Quellen außerhalb
der Anlage zugeführt wird.
Bei einem Transportfahrzeug muss die Anlage jedoch wassermäßig autark
sein, um Gewichts- und Raumanforderungen zu minimieren, damit die
Anlage brauchbar ist. Wassermäßige Autarkie
bedeutet, dass genug Wasser innerhalb der Anlage zurück gehalten
werden muss, um Verluste von einem Reaktantenfluidstrom auszugleichen,
damit die Anlage effizient betrieben werden kann. Beispielsweise
muss jegliches Wasser, welches die Anlage durch einen Kathodenabgasstrom
des gasförmigen
Oxidationsmittels oder durch einen Anodenabgasstrom des gasförmigen reduzierenden
Fluids ausgeglichen werden durch Wasser, welches elektrochemisch
an der Kathode erzeugt und innerhalb der Anlage zurückgehalten
wird.
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Ein
Ansatz zur Verbesserung der Wasserbilanz für Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen in
Transportfahrzeugen ist es, die Zellen und damit verbundene Komponenten
unter Druck zu setzen, um Reaktantenkonzentrationen in Hochdruck-Gasströmen zu erhöhen und
dadurch den Wasserverlust durch Anlagen-Abgasströme zu verringern. Solche unter
Druck stehenden Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen erfordern
jedoch zusätzliche
Kosten, Gewicht und Steuerungseinrichtungen zum Bereitstellen geeigneter
Druckgehäuse
und -steuerungen, und unter Druck stehende Anlagen erfordern zusätzliche
von der Anlage gezogene Energie, um Druck erzeugende Pumpen, Ventile,
Ventilatoren etc. zu betreiben, und sind nicht geeignet für bewegliche Stromerzeugungsanlagen.
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Ein
weiterer üblicher
Ansatz zur Verbesserung der Wasserbilanz ist die Verwendung von
kondensierenden Wärmetauschern
stromabwärts
von Stromerzeugungsanlagen-Abgasströmen, wobei die Abgasströme auf eine
Temperatur bei oder unterhalb ihres Taupunkts gekühlt werden,
um Flüssigkeit
aus den Abgasströmen
auszuscheiden, so dass die Flüssigkeit
der Stromerzeugungsanlage wieder zugeführt werden kann. Ein Beispiel
für eine
PEM-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche einen kondensierenden
Wärmetau scher
verwendet, ist in US-Patent Nr. 5 573 866 gezeigt, welches am 12.
November 1996 an Van Dine et al. erteilt wurde und dem Anmelder
der vorliegenden Erfindung übertragen wurde,
und welches Patent hiermit durch Referenz mit einbezogen wird. Viele
andere Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen, welche einen oder mehrere
kondensierende Wärmetauscher
verwenden, sind im Stand der Technik bekannt, und sie verwenden üblicherweise
Umgebungsluft als kühlendes Fluid,
welches durch den Tauschen strömt,
um die Anlagen-Abgasströme
zu kühlen.
In Van Dine et al. wird der Wärmetauscher
verwendet, um einen Abgasstrom zu kühlen, der die Kathodenkammer
verlässt,
welche die Kathodenelektrode beherbergt. Vor dem Eintreten in das
Kathodengehäuse
liefert der gleiche Strom Luft als Oxidationsmittel für die Kathodenelektrode,
und nach Verlassen der Kammer weist der Strom verdampftes Produkt-Wasser
und einen Teil des Methanols, das reduzierende Fluid auf, welches
durch die PEM geströmt
ist. Der kondensierende Wärmetauscher
umströmt
den Kathodenabgasstrom in einem Wärmetauschverhältnis mit
einem Strom von kühlender
Umgebungsluft und leitet dann kondensiertes Methanol und Wasser
indirekt durch ein Leitungssystem zurück zur Anodenseite der Zelle.
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Während kondensierende
Wärmeaustauscher
verbesserte Wasserbilanz und Energieeffizienz bei Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen
mit Umgebungsdruck und bei unter Druck stehenden Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen
haben, unterliegen die Wärmetauscher
einer abnehmenden Wasserrückgewinnungseffizienz,
wenn die Umgebungstemperaturen ansteigen. Wenn die Stromerzeugungsanlage
ein Transportfahrzeug, z. B. ein Automobil, antreiben soll, wird
die Anlage einem extrem breiten Bereich von Umgebungstemperaturen
ausgesetzt. Wenn ein Umgebungsluft-Kühlmittelstrom beispielsweise
durch einen Wärmetauscher
strömt, wird
die Leistung des Tauschers in direkter Abhängigkeit der Temperatur der
Umgebungsluft variieren, weil abnehmende Mengen von Flüssigkeit
aus den Stromerzeugungsanlagen-Abgasströmen ausgeschieden
werden, wenn die Umgebungsluft-Temperatur zunimmt.
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Eine
zusätzliche
Komplikation bekannter Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen,
welche zur Verwendung in Transportfahrzeugen entworfen wurden, hat
ebenfalls mit Schwankungen in der Umgebungsluft zu tun. Brennstoffzellen
solcher Anlagen verwenden typischerweise Umgebungsluft als Oxidationsmittel,
welches zur Kathodenelektrode geleitet wird. Heiße und trockene Umgebungsluft
erhöht
ein Risiko, dass die Kathodenelektrode austrocknet. Folglich wurden
viele Anstrengungen unternommen, um Austrocknen der Kathodenelektrode
und des benachbarten Elektrolyten, insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen,
zu vermeiden, einschließlich: Leiten
von flüssigem
Kondensat von Wärmetauschern,
um die gasförmigen
Reaktanten- und Oxidationsmittel-Ströme, welche
in die Zelle eintreten, zu befeuchten; Hinzufügen poröser Trägerschichten und Wassertransportplatten,
welche in Fluidverbindung mit den Elektroden stehen, zur Bewegung
von Kühlmittelwasser
durch benachbarte Zellen; und Erzeugen eines Druckunterschieds an
der Anodenseite der Zelle, wobei gasförmige reduzierende Fluide bei einem
leicht erhöhten
Druck im Vergleich zu Kühlmittelwasser
und Anodenversorgungswasser gehalten werden, welche durch die porösen Trägerschichten benachbart
zu den Verteilungskanälen
mit reduzierendem Gas strömen,
so dass der Druckunterschied beim Wassertransport durch die porösen Transportschichten
und die Zelle hilft. Derartige Anstrengungen zum Erhalten einer
effizienten Wasserbilanz gehen einher mit zusätzlichen Kosten, Gewicht und
Volumen und erfordern häufig
komplizierte Steuerungseinrichtungen.
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Weitere
Probleme, in bekannten Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen die
Wasserbilanz zu erhalten, sind verbunden mit notwendigen Komponenten
zum Aufbereiten von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen, wie z. B. Methan,
Erdgas, Benzin oder Dieselbrennstoff etc., zu einem geeigneten reduzierenden
Fluid, welches ein wasserstoffreiches Fluid für die Anodenelektrode zur Verfügung stellt. Derartige
Brennstoffaufbereitungskomponenten einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
weisen üblicherweise
einen Hilfsbrenner auf, welcher Dampf erzeugt; eine Dampfleitung,
in welche der Kohlenwasserstoff-Brennstoff
eingespritzt wird; und einen autothermen Reformer, welcher den Dampf, die
Brennstoffmischung und eine kleine Menge Luft aufnimmt und die Mischung
in ein wasserstoffangereichertes reduzierendes Fluid transformiert, welches zur
Lieferung an die Anodenelektrode der Brennstoffzelle geeignet ist.
Diese Komponenten zur Brennstoffaufbereitung weisen ebenfalls Wasser-
und Energieanfordernungen auf, welche Teil der gesamten Wasserbilanz
und Energieanforderung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
bilden. Wasser, welches in einem Dampfgenerator des Hilfsbrenners zu
Wasserdampf gemacht wird, muss durch Wasser ersetzt werden, welches
von der Anlage zurückgewonnen
wird, z. B. durch kondensierende Wärmetauscher in dem Kathodenabgasstrom
und damit verbundenen Leitungen. Oxidationsmittelströme des Verfahrens,
welche auch den Hilfsbrenner und autothermen Reformer versorgen,
müssen
außerdem
innerhalb eines konstanten Feuchtigkeitsbereichs gehalten werden,
um Schwankungen in der Leistung dieser Komponenten zu verhindern.
Wenn die Oxidationsmittelströme
des Verfahrens für
die Komponenten zur Brennstoffaufbereitung durch Umgebungsluft zur
Verfügung
gestellt werden, verkompliziert das Befeuchten dieser Ströme, um die
Leistung dieser Komponenten zur Brennstoffaufbereitung zu stabilisieren,
weiter das Aufrechterhalten einer autarken Wasserbilanz einer derartigen
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage.
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Dementsprechend
sind bekannte unter Druck stehende Anlagen und Anlagen, welche Umgebungsluft
als Kathoden-Oxidationsmittel oder Umgebungsluft für kondensierende
Wärmetauscher und/oder
Brennstoffaufbereitungskomponenten verwenden, nicht in der Lage,
eine effiziente Wasserbilanz zu maximieren und Energieanforderungen
des Betriebs zu minimieren aufgrund ihrer oben beschriebenen Eigenschaften.
Es ist daher außerordentlich wünschenswert,
eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage herzustellen, welche
eine effiziente Wasserbilanz für
die gesamte Anlage erreicht und Energieanforderungen beim Anlagenbetrieb
minimiert.
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WO
99/05741, welches ein Anmeldedatum vor dem Prioritätsdatum
der vorliegenden Anmeldung hat, aber erst nach dieser Anmeldung
erteilt wurde, beschreibt ein Brennstoffzellen-Gasmanagementsystem,
welches ein Kathoden-Befeuchtungssystem,
ein Elektroden-Feutigkeitsrückhaltesystem, ein
Kühlwassserverarbeitungssystem
aufweist. Es ist besonders gut für
Fahrzeuganwendungen geeignet. Das Kathodenbefeuchtungssystem weicht
eine Kom pressionseinrichtung zum Komprimieren von Luft auf, die
zur Brennstoffzellenkathode zur Verwendung als Brennstoffzellen-Oxidationsmittel
geführt
werden soll, auf und eine empfindliche und latente Wärmeübertragungsvorrichtung,
z. B. ein Enthalpie-Rad, zum Aufbereiten des komprimierten Oxidationsmittels.
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US-5
759 712 bezieht sich auf ein Miniatur-Brennstoffzellensystem, aufweisend
ein Feuchtigkeits- und Wärme-Rückgewinnungsuntersystem, welches
durch einen Luftansaugkanal und einen Kathodenabgaskanal gebildet
ist, welche parallel zueinander angeordnet und durch eine feuchtigkeitspermeable
Membran (Nafion) voneinander getrennt sind. Ein Gebläse ist vorgesehen,
um das Gas durch diesen Gegenstromkanal zu treiben. Die Kanäle stehen
miteinander in Fluid-Verbindung in der Nähe der Kathode, so dass ein
Vermischen zwischen der Ansaugluft und dem Kathodenabgas stattfinden
kann. Dieses Dokument beschreibt kein Separatorgehäuse.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung ist eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Übertragung
von Masse und Wärme
gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch
9. Die Stromerzeugungsanlage umfasst zwei Hauptkomponenten, welche
bestehen aus zumindest einer Brennstoffzelle und einer Vorrichtung
zur direkten Massen- und Wärmeübertragung.
Die Brennstoffzelle weist einen Elektrolyten auf, welcher entgegengesetzte
erste und zweite Hauptflächen
hat, eine von einer porösen
Anodenträgerschicht
getragene Anodenelektrode in engem Kontakt mit der ersten Hauptfläche und
eine durch eine poröse
Kathodenträgerschicht
getragene Kathodenelektrode in engem Kontakt mit der zweiten Hauptfläche auf,
einen wasserstoffreichen reduzierenden Fluid-Strom, welcher bei
ungefähr
Umgebungsdruck durch die Anodenträgerschicht in Kontakt mit der
Anodenelektrode strömt,
und einen Oxidationsmittelstrom, z. B. Luft, welcher bei ungefähr Umgebungsdruck
durch die Kathodenträgerschicht in
Kontakt mit der Kathodenelektrode strömt, um Oxidationsmittel für die Kathodenelektrode
bereitzustellen und durch Verdampfung und Mitführen in einem Kathodenabgasstromprodukt-Wasser
zu entfernen, welches an der Ka thode gebildet wurde, zusammen mit
Wasser, welches von der Anodenelektrode durch den Elektrolyten gelangt,
oder jegliches befeuchtendes Wasser in dem Oxidationsmittelstrom.
Die Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung leitet den Oxidationsmittelstrom
stromaufwärts von
der Brennstoffzelle in einem Massenübertragungs-Verhältnis mit
dem Kathodenabgasstrom der Zelle, so dass Masse, z. B. Wasser, welche
durch den Kathodenabgasstrom mitgenommen wurde, direkt durch ein
Transfermedium der Massen- und Wärmeübertragungsvorrichtung
in den Oxidationsmittelstrom strömt,
welcher in die Zelle gelangt, wodurch der Oxidationsmittelstrom,
der in die Zelle gelangt, befeuchtet wird und ihm Wärme zugeführt wird. Die
Vorrichtung zur direkten Massenübertragung weist
ein Separatorgehäuse
zum Halten des Übertragungsmediums
auf, welches in einer Massenübertragungsbeziehung
mit dem Kathodenabgasstrom und Oxidationsmitteleinlassstrom steht,
so dass die Ströme
das Übertragungsmedium
kontaktieren und das Separatorgehäuse ein Vermischen des Großteils der Ströme verhindert.
Das Übertragungmedium
kann jegliche einer Vielzahl von Materialien zum Absorbieren einer
Fluid-Substanz aufnehmen, die aus polaren Molekülen, wie z. B. Wasser, aus
einem Fluid-Strom besteht, der Fluid-Substanzen enthält, welche
aus polaren und nicht-polaren Molekülen bestehen. Ein beispielhaftes Übertragungsmedium
weist einen Flüssigwasserbereich
einer wassergesättigten
Polyfluorsulfon-Ionomer-Membran
auf.
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In
einer alternativen Ausführungsform
weist die Stromerzeugungsanlage der vorliegenden Erfindung ebenfalls
Komponenten zum Aufbereiten von Kohlenwasserstoffbrennstoffen zu
wasserstoffreichen reduzierenden Fluiden auf, welche geeignet sind,
Brennstoff für
die Anode bereitzustellen. Die Komponenten zur Brennstoffaufbereitung
weisen einen Hilfsbrenner auf, welcher Wärme für einen Dampfgenerator bereitstellt,
und einen autothermen Reformer, welcher den Dampf gemischt mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff
und einer kleinen Menge Luft aufnimmt und es zu einer wasserstoffreichen Strömung konvertiert,
die geeignet ist, Wasserstoff für
die Anodenelektrode bereitzustellen, wie es im Stand der Technik
bekannt ist. In einer derartigen Ausführung leitet die Massen- und
Wärmeübertragungsvorrichtung
ebenfalls Aufbereitungsströme, welche
in den Hilfsbrenner und autothermen Reformer einströmen, in
einer Massenübertragungsbeziehung
mit dem Kathodenabgasstrom, um Masse und Wärme, z. B. Wassserdampf zu
den Strömen
zu übertragen,
welche in den Hilfsbrenner und autothermen Reformer einströmen. In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Elektrolyt der Brennstoffzelle eine Protonaustauschmembran
("PEM").
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Bei
der Verwendung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter
Massen- und Wärmeübertragung
ist eine Masseaufnahmerate und damit Wärmeaufnahmerate, durch die
Oxidationsmittelströme
nicht ausschließlich
eine Funktion der Umgebungslufttemperatur oder -feuchtigkeit, weil die
Masse direkt vom Kathodenabgasstrom zu den Oxidationsmittelströmen, welche
in die Stromerzeugungsanlage einströmen, übertragen wird, sondern ist
eine Funktion der Partialdruckunterschiede zwischen Masse in den
Oxidationsmittelströmen,
welche in die Stromerzeugungsanlage einströmen, und der Masse im Kathodenabgas,
welches die Anlage verlässt.
Die vorliegende Erfindung erlaubt daher größere Wasserrückgewinnung,
als es mit einer Anlage möglich
wäre, welche
einen durch Umgebungsluft gekühlten
Wärmetauscher
verwendet, welcher eine Wasserrückgewinnungsrate
hat, welche größtenteils abhängig von
Umgebungstemperaturen ist. Wenn die Umgebungslufttemperatur zunimmt,
nimmt mit der vorliegenden Erfindung ein benötigter Wärmetransfer von dem Kathodenabgas
zu den einströmenden
Oxidationsmittelströmen
für optimale
Anlageneffizienz ab, eine Massenübertragungskapazität der Vorrichtung
zur direkten Übertragung
bleibt jedoch konstant. Außerdem
werden komplexe, schwere und teure Einrichtungen zum Wärmetausch
und/oder zum Unterdrucksetzen der Zelle nicht benötigt, wodurch
die Wasserbilanz und Energieeffizienz der Anlage verbessert wird,
während
Gewicht, Volumen und Kosten abnehmen.
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Dementsprechend
ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
mit direkter Massen- und Wärmeübertragung
bereitzustellen, welche die Nachteile der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen
aus dem Stand der Technik behebt.
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Es
ist ein spezifischeres Ziel, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
mit direkter Massen- und Wärmeübertragung
bereitzustellen, die wassermäßig über einen
breiten Bereich von Betriebsbedingungen autark ist.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
mit direkter Massen- und Wärmeübertragung
bereitzustellen, welche Wasser und Wärme, welche die Anlage verlassen,
an die Anlage zurückführt, ohne
Fluid-Ströme
innerhalb der Anlage zu komprimieren und ohne einen kondensierenden
Wärmetauscher
zu verwenden.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
mit direkter Massen- und Wärmeübertragung
bereitzustellen, welche Masse und Wärme, die die Stromerzeugungsanlage
verlassen, direkt zu den Oxidationsmittelströmen überträgt, welche in die Stromerzeugungsanlage
einströmen,
um diese Ströme
zu befeuchten und zu erwärmen.
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Es
ist noch ein weiteres spezifisches Ziel, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
mit direkter Massen- und Wärmeübertragung
bereitzustellen, welche Wasser, das die Anlage in einem Kathodenabgasstrom
verlässt,
zurückzugewinnt,
um Wasser als Reaktant für
Komponenten zum Aufbereiten von Kohlenwasserstoffbrennstoffen, welche
von der Anlage verwendet werden, bereitzustellen.
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Diese
und weitere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden besser ersichtlich,
wenn die folgende Beschreibung in Verbindung mit dem begleitenden
Zeichnungen durchgelesen wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine schematische
Darstellung einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter
Massen- und Wärmeübertragung,
welche entsprechend der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
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2 ist eine schematische
Darstellung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter
Massen- und Wärmeübertragung
von 1, welche Komponenten
zur Aufbereitung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen zu für die Brennstoffzellen
geeigneten Brennstoffen verwendet.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Es
wird detailliert auf die Zeichnungen Bezug genommen. Eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
mit direkter Massen- und Wärmeübertragung
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird gezeigt und im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Wie am besten in 1 ersichtlich,
weist die Stromerzeugungsanlage 10 mindestens eine Brennstoffzelle 12 und
eine Vorrichtung 14 zur direkten Massen- und Wärmeübertragung
auf. Die Brennstoffzelle 12 weist einen Elektrolyten 16,
z. B. eine Protonenaustauschmembran ("PEM")
oder einen sauren oder alkalischen Elektrolyten auf mit einer ersten
Hauptfläche 18 und
einer entgegengesetzten zweiten Hauptfläche 20; eine Anodenelektrode 22, welche
durch eine poröse
Anodenträgerschicht 24 in engem
Kontakt mit der ersten Hauptfläche 18 des Elektrolyten 16 gehalten
wird; und eine durch eine poröse
Kathodenträgerschicht 28 getragene
Kathodenelektrode 26 in engem Kontakt mit der zweiten Hauptfläche 20 des
Elektrolyten 16. Die porösen Anoden- und Kathodenträgerschichten 24, 28 können aus
porösen
oder mit Kanälen
versehenen Grafit-, Kohlenstoff- oder Metallplatten gebildet sein.
Die Brennstoffzelle 12 kann mit anderen nahezu identischen
Brennstoffzellen in bekannter Weise kombiniert werden, um einen
Stapel zu bilden. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann die
Brennstoffzelle 12 innerhalb einer Struktur 30 umschlossen sein,
welche Verzweigungssysteme zum Leiten von Strömen von reduzierenden Fluiden
und Oxidationsmittel in die und aus der Zelle hinaus definiert,
und die Struktur 30 weist ebenfalls elektrische Leitungseinrichtungen
zum Leiten eines elektrischen Stroms, der von der Brennstoffzelle
erzeugt wurde, aus der Zelle 12 zu einer Elektrizität verbrauchenden
Vorrichtung 32, z. B. einen standardmäßigen externen Lastkreis 34,
auf.
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Ein
Oxidationsmittelstrom, z. B. Luft, wird von einer Oxidationsmittelquelle 36 in
die Brennstoffzelle 12 durch eine primäre Oxidationsmittelleitung 38 geleitet,
welche einen Oxidationsmittelstrom in die poröse Kathodenträgerschicht 28 leitet,
so dass das Oxidationsmittel in Kontakt mit der Kathodenelektrode 26 strömt, um Oxidationsmittel
für die
Elektrode 25 bereitzustellen, um eine elektrochemische
Reaktion an der Kathodenelektrode zu unterstützen und zum Einführen von
Wasser in den Oxidationsmittelstrom durch Verdampfen und/oder Mitführen, welches
an der Kathodenelektrode 26 gebildet wurde, wie auch von
Wasser, welches durch den Elektrolyten 16 von der Anodenelektrode
getragen wurde, oder von jeglichem befeuchtenden Wasser im Oxidationsmittelstrom
pumpt. Der Oxidationsmittelstrom strömt anschließend aus der Kathodenträgerschicht 28 als
Kathodenabgasstrom innerhalb einer Kathodenabgasleitung 40 hinaus.
Ein Strom mit reduzierendem Fluid wird von einer Vorratsquelle 42 für reduzierendes
Fluid durch einen Einlass 44 des reduzierenden Fluids in
die poröse
Anodenträgerschicht 24 geleitet,
so dass das reduzierende Fluid, z. B. Wasserstoff, in Kontakt mit
der Anodenelektrode 22 kommt. Auf bekannte Weise reagiert
das reduzierende Fluid elektrochemisch an der Anodenelektrode, um
Protonen und Elektronen zu erzeugen, wobei die Elektroden durch
den externen Lastkreis 34 fließen, um die elektrische Vorrichtung 32,
z. B. elektrische Motoren, welche ein Transportfahrzeug antreiben, anzutreiben,
während
die Protonen durch den Elektrolyten 16 zur Kathodenelektrode 26 gelangen.
Die Elektronen strömen
dann weiter durch den Schaltkreis 34 zur Kathodenelektrode,
wo sie mit dem Oxidationsmittel reagieren, um Wasser und Wärme zu bilden.
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Die
Vorrichtung 14 zur direkten Massen- und Wärmeübertragung
ist in Fluidverbindung mit sowohl der primären Oxidationsmittelleitung 38 und
der Kathodenabgasleitung 40 fixiert. Die Vorrichtung zur
direkten Massen- und Wärmeübertragung 14 weist eine Übertragungsmediumeinrichtung 46 auf,
zum Absorbieren einer Fluid-Substanz, welche aus polaren Molekülen innerhalb
eines ersten Fluid-Stroms steht, der Fluid-Substanzen enthält, welche
aus polaren und nicht-molaren Molekülen bestehen, z. B. ein Strom,
aufweisend Wasserdampf und/oder mitgeführte Flüssigkeits-Feuchtigkeit (eine
aus polaren Molekülen
bestehende Fluid-Substanz) und Luft (eine aus nicht-polaren Mo lekülen bestehende
Fluid-Substanz) und zum Desorbieren der absorbierten Flüssigkeit
in einen zweiten Strom mit niedrigerem Anteil der Fluid-Substanz,
bestehend aus polaren Molekülen,
als der erste Strom. Zu beispielhaften Übertragungsmedium-Einrichtungen
gehören
der Flüssigwasserbereich
eines Ionenaustauschharzes oder einer ionomeren Membran, z. B. eine
wassergesättigte
Polyfursulfon-Ionomermembran, welche unter dem Handelsnamen "Nafion" zu durch die E.
I. DuPont Company aus Willmington, Delaware, USA, verkauft wird,
oder der Flüssigwasserbereich
von Rohren, die aus der o. g. "Nafion"-Membran gemacht und
unter der Handelsbezeichnung "ME-SERIES MOISTURE
EXCHANGERS" durch
die Perma Pure, Inc. Company aus Toms River, New Jersey, USA, verkauft
werden. Ein weiteres Übertragungsmedium umfasst
ein Trockenmittelmaterial, welches in der Lage ist, Feuchtigkeit
aus einem Gasstrom zu absorbieren und in der Lage ist, die Feuchtigkeit
in einem Gasstrom zu desorbieren (abzugeben), z. B. fein gepulverte
feste kristalline Alkalimetall- oder Erdalkalimetallverbindungen
einschließlich
aktivierte Kohlenstoffe, Silicagel, aktivierte Aliminiumoxide und
Zeolite, wie detaillierter beschrieben in Spalte ?? 5, Zeile 9 bis
Spalte 6, Zeile 17 in dem US-Patent Nr. 5 542 968, welches am 6.
August 1996 an Belding et al. erteilt wurde, welches hiermit durch
Referenz einbezogen wird.
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Die
Vorrichtung 14 zur direkten Massenübertragung umfasst eine Separatorgehäuse-Einrichtung 48 zum
Halten der Übertragungsmediums-Einrichtung 46 im
Massenübertragungsverhältnis mit
dem Kathodenabgasstrom und dem Oxidationsmitteleinlassstrom, so
dass beide Ströme
die Massenübertragungsmedium-Einrichtung
kontaktieren und die Separatorgehäuse-Einrichtung ein Vermischen
des Großteils
des Kathodenabgases und des Oxidationsmitteleinlassstroms verhindert.
Beispielhafte Separatorgehäuse-Einrichtungen
können
eine Umschließung
umfassen (in 1 und 2 mit Bezugszeichen 48 schematisch
gezeigt), die die Übertragungsmedium-Einrichtung 46 zwischen
einer Einlasskammer 50 und einer Abgaskammer 52 hält. Der
Oxidationsmitteleinlassstrom strömt
von der Oxidationsmittelquelle 36 durch eine Oxidationsmittelversorgungsleitung 54 in
und durch die Einlasskammer 50 in die primäre Oxidationsmittelleitung 38,
während
der Kathodenabgasstrom von der Kathodenabgasleitung 40 in
und durch die Abgaskammer 52 strömt, um die Anlage 10 durch
Anlagenabgasauslass 56, in Fluidverbindung mit der Abgaskammer 52,
zu verlassen. Zusätzliche Separatorgehäuse-Einrichtungen 48 können kompliziertere
Umschließungen
umfassen, die strukturiert sind, um die Exposition der Oxidationsmitteleinlass- und
Kathodenabgas-Ströme
gegenüber
der Massenübertragungsmedium-Einrichtung
zu verbessern, während
ein Vermischen des Großteils
der Ströme, die
in der bekannten Fluid-zu-Fluid-Wärmeaustauschtechnik üblich sind,
zu verhindern. Ein zusätzlicher
und kooperativer Aspekt der Separatorgehäuse-Einrichtung 48 umfasst
Membranbereiche, welche Flüssigwasser-Bereiche
in den o. g. "Nafion"-Membranmaterialien
tragen und Rohrbereiche, welche flüssiges Wasser in den o. g. "Nafion"-basierenden Röhren tragen,
welche unter dem Handelsnamen "ME-SERIES
MOISTURE EXCHANGERS" durch
Perma Pure, Inc. verkauft werden. In einer derartigen Separatorgehäuse-Einrichtung 48 übertragen "Nafion"-basierte Massenübertragungsmedium-Einrichtungen
selektiv Fluid-Substanzen, welche aus polaren Molekülen, z.
B. Wasserdampf oder mitgeführte
flüssige
Feuchtigkeit, von einer Seite der Membran mit einer größten Konzentration
der Fluid-Substanzen, welche aus polaren Molekülen bestehen, zu einer Seite
mit einer geringeren Konzentration, wie es aus dem Stand der Technik
bekannt ist.
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Eine
weitere beispielhafte Separatorgehäuse-Einrichtung umfasst ein
Enthalpie-Rad (enthalpy wheel), welches die o. g. Trockenmittel-Massenübertragungsmedium-Einrichtung
in einer drehbaren Anordnung zwischen einem Feuchtigkeits-beladenen Abgasstrom
und einem trockenen Einlassstrom hält, wie detaillierter beschrieben
in Spalte 4, Zeile 35 bis Spalte 5, Zeile 4 und im Allgemeinen im
o. g. US-Patent Nr. 5 542 968. Das Rad weist eine Mehrzahl von Passagen
mit offenem Ende auf, welche im Allgemeinen parallel zu einer Drehachse
des Rads verlaufen, wobei die Passagen üblicherweise gebildet werden durch
Winden einer flachen Wellpappe, wobei das Massenübertragungsmedium-Trockenmittel
um eine zentrale Nabe des Rads umfasst wird, bis ein mehrschichtiges
Medium aufgebaut ist, dass sich zu einem äußeren Gehäuse einer Kassette erstreckt,
welche das Rad hält.
Derartige Enthalpie-Räder sind
in der Technik der Luftklimatisierung bekannt, wie ferner in US-Patent
Nr. 5 660 048, erteilt an Bedding et al. am 26. August 1997, beschrieben
und hiermit durch Referenz einbezogen. Als eine Separatorgehäuse-Einrich tung
würde das
Enthalpie-Rad gehalten werden, damit es sich um eine Achse parallel
zur Strömungsrichtung
durch die Einlass- und Abgaskammern 50, 52 drehen
kann, so dass der Kathodenabgasstrom durch etwa eine Hälfte des
Rads strömt, während gleichzeitig
der Oxidationseinlassstrom durch die andere Hälfte des Rads strömt. Das
Transfermedium-Einrichtung-Trockenmittel auf einem ersten Bereich
innerhalb der Abgaskammer 52 würde dadurch eine Fluidsubstanz
absorbieren, die aus polaren Molekülen, z. B. Wasserdampf oder
vom Kathodenabgasstrom mitgeführte
flüssige
Feuchtigkeit besteht, und wenn das Rad sich dreht, um den ersten Bereich
des Rads in der Einlasskammer 50 zu positionieren, falls
die Konzentration der Fluidsubstanz, bestehend aus polaren Molekülen, innerhalb
des Einlassoxidationsmittelstroms niedriger als die Konzentration
der aus Fluidmolekülen
bestehenden Fluidsubstanz innerhalb des Kathodenabgasstroms ist,
würden
die absorbierten polaren Fluidsubstanzmoleküle, welche vom Trockenmittel
gehalten werden, in den Oxidationseinlassstrom desorbiert werden,
um den Oxidationsmittelstrom zu befeuchten und zu erwärmen.
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Wie
in 1 gezeigt, kann die
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massenübertragung
ebenfalls ein Gebläse 58 umfassen,
welche auf der Oxidationsmittelzuführleitung 54 positioniert
ist, um die Strömung
von gasförmigem
Oxidationsmittel in die Anlage 10 variabel zu beschleunigen. Optional
kann das Gebläse 58 entlang
der primären Oxidationsmittelleitung 38 zu
demselben Zweck positioniert werden. Es wird jedoch betont, dass
das Gebläse
ausgelegt ist, die Betriebsdrücke
des Oxidationsmittels nur leicht zu erhöhen, von einem Bereich von
Umgebungsdruck bis ca. 6,89 kPa oberhalb Umgebungsdruck, bzw. von
ca. 101,28 kPa zu ca. 108,17 kPa.
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Wie
in 2 gezeigt, kann die
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit direkter Massenübertragung
auch Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen zum Aufbereiten
von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen zu reduzierenden Fluiden aufweisen,
die geeignet sind, Brennstoff für
eine Anodenelektrode einer Brennstoffzelle bereitzustellen. Beispielhafte
Kohlenwasserstoffbrennstoffe zum Betreiben einer derartigen Anlage 10 umfassen
Benzin, Dieseltreibstoff, Butan, Propan, Erdgas, Methanol, Ethanol
etc.
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In 2 haben Komponenten der
Anlage 10, die identisch mit der schematischen Darstellung
der Anlage 10 von 1 sind,
die gleichen Bezugszeichen. Wie in 2 gezeigt,
können
die Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen umfassen: einen
Hilfsbrenner 60 (zur Vereinfachung als "Hilfsbrenner" in 2 bezeichnet),
welcher einen Brennstoff verbrennt, einschließlich jeglichen überschüssigen reduzierenden
Fluids, z. B. Wasserstoff, welches den Brenner 60 durch
die Leitung 62 von der Anodenträgerschicht 24 und
Zellenstruktur 30 zugeführt
wird; einen Dampfgenerator (in 2 mit "Dampf" bezeichnet), welcher
Wärme direkt
von dem Brenner über
die Wärmeleitung 66 aufnimmt,
um Dampf aus einem Wasservorrat zu erzeugen; einen Reformer 68,
welcher ein autothermer Reformer sein kann (mit "A. T. R." bezeichnet in 2), welcher Dampf von dem Dampfgenerator 64,
gemischt mit Kohlenwasserstoffbrennstoff, durch die Dampfleitung 70 aufnimmt;
eine Kohlenwasserstoffbrennstoff-Vorratsquelle 70 (in 2 mit Brennstoff bezeichnet), welche
Brennstoff zur Dampfleitung durch die Brennstoffleitung 74 führt; und
eine Auslassleitung 75 für reformierten Brennstoff,
welche den reformierten Brennstoff vom autothermen Reformer 68 zum
Einlass 44 für
reduzierendes Fluid leitet. Die Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen
können auch
Komponenten umfassen, welche beim konventionellen Dampf-Reformen
bekannt sind, autothermen Reformen verschiedener chemischer Verbindungen
und Reformen mit teilweiser Oxidation, welche alle einen Reformer 68 umfassen.
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Wie
in 2 gesehen, in welcher
die Anlage 10 solche Brennstoffaufbereitungskomponenten
umfasst, kann die primäre
Oxidationsmittelleitung 38, welche den Oxidationsmittelstrom
zur Kathodenträgerschicht
führt,
geteilt werden, um eine sekundäre Oxidationsmittelleitung 76 zu
umfassen, welche einen Teil des Oxidationsmitteleinlassstroms in
die Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen, z. B. in die
Dampfleitung, leitet, um Aufbereitungsoxidationsmittel für den autothermen
Reformer zu werden, so dass ein Teil der Masse und Wärme, z. B.
vom Kathodenabgas durch die Massenübertragungsvorrichtung 14 zurückgewonnener
Wasserdampf, zu der Dampf- und Brennstoffmischung geleitet wird,
welche in den autothermen Reformer einströmt. Auf diese Weise werden
die Gesamtanforderungen an Wärme
und Dampf des Hilfsbrenners 60 und Dampfgenerators 64 verringert.
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Um
ferner die Brennstoffaufbereitungskomponenten zu versorgen, kann
die primäre
Oxidationsmittelleitung 38 weiter geteilt werden, um eine
tertiäre Oxidationsmittelleitung 78 zu
umfassen, welche einen Teil des Oxidationsmitteleinlassstroms in
den Hilfsbrenner 60 leitet, um Aufbereitungsoxidationsmittel
für den
Brenner 60 zu werden, wodurch ein Teil der Masse und Wärme, z.
B. von der Massenübertragungsvorrichtung 14 aus
dem Kathodenabgasstrom übertragener
Wasserdampf, in den Brenner 60 geleitet wird, um die Energieanforderungen
des Brenners 60 effektiv zu reduzieren und vom Kathodenabgasstrom
zurückgewonnenes
Wasser zurück
in die Anlage 10 zu leiten, um effektiv Wasser innerhalb
des Dampfgenerators 64 zu ergänzen und die Wasser-Autarkie
der Anlage 10 zu verbessern. Die Brennstoffaufbereitungskomponenten
besitzen eine relativ konventionelle Konstruktion, welche in der Technik
der chemischen Aufbereitung bekannt sind, in welcher es ein Erfordernis
gibt, wasserstoffangereichertes Fluid aus verbreiteten Kohlenwasserstoffquellen
zu erzeugen. Beispielsweise verbrennen autotherme Reformer in derartigen
Prozessen typischerweise einen Teil des in der Brennstoff-Dampfmischung
aufgenommenen Brennstoffs, um Temperaturen von ca. 927°C zu erreichen.
Es ist auch in solchen Reforming-Prozessen auch bekannt, Produktgase
des autothermen Reformers durch einen Wasser-Shift-Reaktor 79 zu
leiten und anschließend durch
einen selektiven Oxidierer 81 und dann in den Einlass für reduzierendes
Fluid, so dass ein reduzierender Fluidstrom im Einlass 44 Wasserstoff
und Kohlendioxid mit sehr kleinen Mengen von Kohlenmonoxid aufweist.
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In
einer zusätzlichen
Ausführungsform
der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 mit direkter
Massenübertragung
kann eine Kühlmittel-Wasserrückführungseinrichtung
umfasst sein zum Rückführen von
aus der Brennstoffzelle 12 zurückgewonnenem Wasser zu den
Brennstoffaufbereitungskomponenten, um die Wasser-Autarkie der Anlage
weiter zu verbessern. Die Kühlmittel-Wasserrückführungseinrichtung
umfasst eine feinporige Wasserplatte 80 benachbart zur
Kathodenträgerschicht 28,
welche an der Kathodenelektrode gebildetes Wasser und/oder durch
den Elektrolyten 16 gelangtes Wasser absorbiert; und eine
Kühlmittelwasserleitung 82,
welche Wasser in der porösen
Wasserplatte 80 in die Brennstoffaufbereitungskomponenten-Einrichtungen
leitet, z. B. in den Dampfgenerator, um die Wasserversorgung des
Dampfgenerators weiter zu ergänzen.
Wie aus 2 ersichtlich,
wird ein Teil dieses Wassers dann durch die Dampfleitung 70 in
den autothermen Reformer 68 geleitet und von dort durch
die Auslasslinie 75 für
reformierten Brennstoff und Einlass 44 für reduzierendes
Fluid zurück
in die Anodenträgerschicht 24,
und kann dann durch den Elektrolyten 16 zurück in die
poröse
Wasserplatte 80 gelangen, um eine "Schleife" der Kühlmittel-Wasserrückführungseinrichtung
zu vervollständigen.
Die Kühlmittel-Wasserrückführungseinrichtung kann
auch eine feinporige Wasserplatte benachbart zur Anodenträgerschicht 24 aufweisen
und in einer solchen Reihenfolge zwischen jeder Zelle in einem Stapel,
wie detaillierter in US-Patent 5 505 944 gezeigt, welches am 26.
April 1996 an !Meyer et al. erteilt wurde, welches die Anmelderin
der vorliegenden Erfindung besitzt und welches hiermit durch Referenz
mit einbezogen wird.
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Eine
Konstruktionsabschätzung
der Leistung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 mit direkter
Massenübertragung,
wie in 1 gezeigt, produziert
Daten, welche substanzielle Vorteile gegenüber vergleichbaren Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen
aufzeigen, welche nicht eine Massenübertragungsvorrichtung 14 verwenden.
Die Konstruktionsabschätzung
verwendet auch "Nafion"-basierende Membran
mit einer Wasserübertragungsrate
von ca. 160 Pfund Wasser pro Stunde als Übertragungsmedium in einem
Separatorgehäuse,
welches einen Oxidationsmitteleinlassstrom in einer Massenübertragungsbeziehung
mit einem Kathodenauslassstrom strömen lässt. Für Zwecke der Konstruktionsabschätzung hat
die Brennstoffzelle eine Leistung von 50 kW. Der Oxidationsmitteleinlassstrom
verlässt das
Gebläse 58 mit
einem Druck von 106,11 kPa, einer Strömung von 5,38 m3/min,
einer Temperatur von 25°C
und einem Taupunkt von unter 0°C.
nach Verlassen der Massenübertragungsvorrichtung 14 ist der
Oxidationsmittelstrom innerhalb der primären Oxidationsmittelleitung 38 bei
63,9°C gesättigt. Der Kathodenabgasstrom
innerhalb der Kathodenabgaspassage 40 verlässt die
Brennstoffzelle 12 und strömt in die Massenübertragungsvorrichtung 14 bei 88°C mit einem
Taupunkt von 66,7°C
ein; und der Kathodenstrom verlässt
dann die Massenübertragungsvorrichtung 14
im Anlagenabgas bei einer Temperatur von 66,7°C und einem Taupunkt von 35°C und einer
Strömungsrate
von 6,12 m3/min.
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Wie
durch Gegenüberstellen
der Eigenschaften des Oxidaitonsmittelstroms zwischen der primären Oxidationsmittelleitung 38 und
dem Gebläse 58 offensichtlich
wird, vergrößert die
Vorrichtung 14 zur direkten Massenübertragung signifikant den Feuchtigkeits-
und Wärmegehalt
des Oxidationsmittelstroms, welcher in die Kathodenträgerschicht 28 einströmt, bei
praktisch keiner Energieaufwendung der Anlage 10 und ohne
ergänzende
Leitungs- oder Steuerungseinrichtungen, um flüssiges Kondensat zurück in den
Kathodeneinlassstrom zu leiten. Die Komponenten, welche die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 mit
direkter Massen- und Wärmeübertragung
bilden, sind aus konventionellen, im Stand der Technik bekannten
Materialien gemacht, mit Ausnahme der Materialien, die hier detailliert
beschrieben sind, z. B. die Übertragungsmedium-Einrichtung.
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Während die
vorliegende Erfindung in Bezug auf eine spezielle Konstruktion und
Art der Verwendung der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit
direkter Massen- und Wärmeübertragung
beschrieben und dargestellt wurde, versteht es sich, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.
Während
beispielsweise Bezug genommen wurde auf die Wasseranforderungen
einer Brennstoffzelle, welche eine PEM als Elektrolyt verwendet,
versteht es sich, dass jeglicher in bekannten Brennstoffzellen üblicher
Elektrolyt in der Anlage verwendet werden kann. Dementsprechend
sollte hauptsächlich
auf die folgenden Ansprüche,
denn auf die obige Beschreibung Bezug genommen werden, um den Umfang
der Erfindung zu bestimmen.