DE10297594T5

DE10297594T5 - Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser

Info

Publication number: DE10297594T5
Application number: DE10297594T
Authority: DE
Inventors: Rechard D. Breault; Leslie L. Manchester Van Dine
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-12-02
Also published as: WO2003058742A1; JP2005514746A; US6699612B2; AU2002359631A1; US20030118883A1

Abstract

Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser, aufweisend:
a. mindestens eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Reaktantenströmen von reduzierendem Fluid und Prozessoxidationsmittel;
b. ein Kühlmittelsystem einschließlich einer abgedichteten Kühlerplatte, die im Wärmetauschverhältnis mit der Brennstoffzelle angeordnet ist, welches ein Frostschutz-Kühlmittel durch die Kühlerplatte, ein Kühlmittelspeicher in Fluidverbindung mit der Kühlerplatte, welcher das Frostschutzkühlmittel speichert, und eine Kühlmittel-Zirkulationsleitung leitet, welche das Frostschutz-Kühlungsmittel zum Strömen vom Kühlmittelspeicher durch einen Kühlmittelwärmetauscher durch die Kühlerplatte und zurück zum Kühlmittelspeicher leitet;
c. einen Brennstoffzellen-Wasserkollektor in Fluidverbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Kühlmittelsystem, welches Wasser von der Brennstoffzelle zu dem Kühlungssystem leitet;
d. Ein Wasserdampf-Transfersystem, welches in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelspeicher angeordnet ist und welches das Frostschutzkühlmittel vom Speicher aufnimmt und Wasserdampf aus dem Frostschutzkühlmittel transferiert; und
e. ein Brennstoffzellen-Anfahr-System, welches in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelspeicher und mit der Brennstoffzelle angeordnet ist, einen Anfahr-Wärmetauscher aufweist, welcher das...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen, welche geeignet sind zur Verwendung in Transportfahrzeugen, beweglichen Stromerzeugungsanlagen oder als stationäre Stromerzeugungsanlagen, und die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, die freies Wasser in einer oder mehreren Brennstoffzellen der Anlage minimiert und freies Wasser innerhalb der unterstützenden Systeme der Anlage eliminiert, so dass die Anlage während des Abschaltens, Anfahrens und des Betriebs in stationärem Zustand bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts frosttolerant ist.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen sind bekannt und werden üblicherweise verwendet, um elektrische Energie aus reduzierenden Fluid- und Prozessoxidationsmittel-Reaktantenströmungen zu erzeugen, um elektrische Einrichtungen, z.B. Einrichtungen an Bord von Raumfahrzeugen, anzutreiben. In solchen Stromerzeugungsanlagen ist typischerweise eine Vielzahl von planaren Brennstoffzellen in einem Stapel arrangiert, umgeben von einer elektrisch isolierenden Rahmenstruktur, welche Verzweigungssysteme zum Leiten der Strömung von reduzierenden, Oxidationsmittel-, Kühlmittel- und Produkt-Fluiden definiert. Jede einzelne Zelle umfasst im allgemeinen eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, welche durch einen Elektrolyten getrennt sind. Ein reduzierendes Fluid, z.B. Wasserstoff, wird zur Anodenelektrode geliefert, und ein Oxidationsmittel, z.B. Sauerstoff oder Luft, wird zur Kathodenelektrode geliefert. In einer Zelle, welche eine Protonenaustauschmembran ("PEM") als Elektrolyten verwendet, reagiert Wasserstoff elektrochemisch an einer Oberfläche der Anodenelektrode und erzeugt Wasserstoffionen und Elektronen. Die Elektronen werden durch einen externen Lastkreis geleitet und dann zur Kathodenelektrode zurückgeleitet, während die Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zur Kathodenelektrode gelangen, wo sie mit dem Oxidationsmittel und den Elektronen reagieren zur Erzeugung von Wasser und Freisetzung von Wärmeenergie.
Obwohl sie wichtige Vorteile haben, ist bekannt, dass PEM-Zellen auch beträchtliche Einschränkungen haben, insbesondere bezogen auf den Transport von flüssigem Wasser zu, durch und von der PEM weg. Die Verwendung solcher PEM-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen zum Betrieb eines Transportfahrzeugs führt zu zusätzlichen Problemen, welche mit dem Wassermanagement verbunden sind, z.B. das Verhindern von mechanischen Schäden, wenn von der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser und/oder jegliches Wasserkühlmittelfluid friert, und das rapide Schmelzen von gefrorenem Wasser während des Anfahrens, nachdem das Brennstoffzellen-angetriebene Fahrzeug bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts abgeschaltet wurde.
Dementsprechend besteht ein Bedürfnis nach einer Stromerzeugungsanlage, welche bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts abgeschaltet werden kann, welche keine mechanischen Schäden infolge des Frierens erleidet und welche schnell angefahren werden kann, ohne das Erfordernis, größere Mengen an Wasser zu schmelzen.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung ist eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser, so dass eine oder mehrere Brennstoffzellen und unterstützende Systeme der Anlage frosttolerant während des Abschal tens, Anfahrens und Betrieb in stationärem Zustand der Anlage bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser sind.
Die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage umfasst mindestens eine Brennstoffzelle zum Erzeugen elektrischen Stroms aus reduzierendem Fluid- und Prozessoxidationsmittel-Reaktantenströmungen, ein Kühlmittelsystem einschließlich einer Kühlerplatte, welche in Wärmetauschverhältnis mit der Brennstoffzelle angebracht ist, das ein Frostschutz-Kühlmittel durch die Kühlungsplatte leitet, um Wärme von der Brennstoffzelle zu entfernen, durch einen Kühlmittelspeicher in Fluidverbindung mit der Kühlerplatte, welcher das Kühlmittel speichert, und eine Kühlmittel-Zirkulationsleitung leitet, welche das Frostschutz-Kühlmittel zum Strömen von Kühlmittelspeicher, durch einen Kühlmittelwärmetauscher, durch die Kühlerplatte und zurück zum Kühlmittelspeicher leitet; einen Brennstoffzellen-Wasserkollektor in Fluidverbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Kühlmittelspeicher, welcher überschüssiges, von der Brennstoffzelle entferntes Wasser zum Kühlmittelspeicher oder zu einem Abfluss leitet; ein Wasserdampf-Transfersystem, welches in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelakkumulator befestigt ist, welches das Frostschutz-Kühlmittel vom Akkumulator aufnimmt und Wasserdampf aus dem Frostschutz-Kühlmittel entfernt; und ein Brennstoffzellen-Anfahr-System, welches in Fluidverbindung zwischen dem Kühlmittelspeicher und der Brennstoffzelle angeordnet ist, und einen Anfahr-Wärmetauscher aufweist, welcher das Frostschutz-Kühlmittel erwärmt, ein Anfahr-Ventil und eine Anfahr-Leitung, welche zwischen dem Anfahr-Wärmetauscher und der Brennstoffzelle angebracht ist, um selektiv das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel vom Anfahr-Wärmetauscher durch die Kühlerplatte leitet, um die Brennstoffzelle zu erwärmen. In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelle ebenfalls ein Brennstoff-Aufbereitungssystem, welches in Fluidverbindung mit dem Wasserdampf-Transfersystem verbunden ist und mit der Brennstoffzelle, welche den Wasserdampf beim Aufbereiten eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs für die Brennstoffzelle nutzt, wobei der Anfahr-Wärmetauscher im Wärmetauscherverhältnis mit dem Brennstoff-Aufbereitungssystem verbunden ist.
Während des Betriebs und nach dem Abschalten der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage wird das meiste aus der Brennstoffzelle entfernte überschüssige Wasser nicht durch die Brennstoffzelle als ein Kühlmittel zurückgeführt, sondern wird durch den Brennstoffzellen-Wasserkollektor in den Kühlmittelspeicher geleitet, um sich mit dem Frostschutz-Kühlmittel zu mischen, oder von dem Wasserkollektor zum Ablassen in die Umgebung durch den Ablauf. Daher weisen sowohl das Kühlmittelsystem, das Wasserdampf-Transfersystem, das Brennstoffzellen-Anfahr-System als auch das Brennstoff-Aufbereitungssystem das Frostschutz-Kühlmittel auf, so dass sie kein freies Wasser haben, welches frieren könnte und die Anlage während des Betriebs und/oder Abschaltens der Anlage bei Umgebungsbedingungen, welche unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser sind, schädigen könnte. Beim Anfahren der Anlage würde freies Wasser innerhalb poröser Komponenten der Brennstoffzelle, welches getaut werden müsste, durch das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel erwärmt, welches vom Anfahr-Wärmetauscher durch das Anfahr-Ventil und die Anfahr-Leitung und durch die Kühlerplatte geleitet wird. Außerdem wird Wasserdampf, welcher beim Anfahren der Anlage bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts benötigt wird, von flüssigem Frostschutz-Kühlmittel innerhalb des Wasserdampf-Transfersystems in das Brennstoff-Aufbereitungssystem transferiert. Folglich bietet die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser der vorliegenden Erfindung das Anfahren, den Betrieb im stationären Zustand und das Abschalten der Anlage bei Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts, wobei kein freies Wasser innerhalb des Kühlmittelsystems, des Wasserdampf-Transfersystems, des Anfahr-Systems oder des Brennstoff-Aufbereitungssystems der Anlage ist. Das durch den Wasserkollektor entfernte Wasser kann in die Umgebung geleitet werden, kann in den Kühlmittelspeicher abgeleitet werden oder kann einem Brennstoff-Aufbereitungssystem zum Aufbereiten eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs reduzierendem von Fluid zugeführt werden, abhängig von den Anforderungen des Systems und von Umweltgesichtspunkten.
Das Frostschutz-Kühlmittel ist ein Frostschutz mit geringem Dampfdruck mit einem Partialdruck des Frostschutzmittels über einer Lösung des Frostschutz- Kühlmittels und Wasser bei einer Betriebstemperatur der Zelle, welcher weniger als 0,005 mm Hg beträgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage ebenfalls einen Brenner umfassen, welcher einen Anodenabgasstrom, welcher aus der Brennstoffzelle kommt, aufnimmt und verbrennt, um jeglichen unverbrauchten Brennstoff aus der Brennstoffzelle zu verbrennen, und der verbrannte Anodenabgasstrom wird dann zu einer Vorrichtung mit direkter Massen- und Wärmeübertragung geleitet, welche im Massenübertragungsverhältnis mit dem Prozessoxidationsmittelstrom verbunden ist, bevor der Oxidationsmittelstrom in die Brennstoffzelle eintritt, um Wasser und Wärme vom verbrannten Anodenabgasstrom zu dem Prozessoxidationsmittelstrom zu übertragen. In einer solchen Ausführungsform kann der Anfahr-Wärmetauscher im Wärmetauschverhältnis mit dem Brenner angeordnet sein. In einer zusätzlichen Ausführungsform kann der Brenner im Wärmetauschverhältnis mit dem Wasserdampf-Transfersystem angeordnet sein, um den Transfer von Wasserdampf aus dem Frostschutz-Kühlmittel zu verbessern. Die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage kann auch so betrieben werden, dass das Frostschutz-Kühlmittel bei einem Druck gehalten wird, welcher geringer ist als ein Druck der Reaktantenströmungen, um ein Zurückhalten des Frostschutzes zu unterstützen und die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass das Frostschutz-Kühlmittel Katalysatoren der Zelle vergiften könnte. In einer alternativen Ausführungsform kann die Brennstoffzelle poröse Wassertransportplatten aufweisen, welche auch als Reaktantenströmungsfelder der Brennstoffzelle dienen können. Durch die Brennstoffzelle erzeugtes Wasser kann dann durch die porösen Wassertransportplatten in und durch den Brennstoffzellen-Wasserkollektor zu einem Ablauf, zum Kühlmittelspeicher oder zu einem Brennstoff-Aufbereitungssystem geleitet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Brennstoffzelle keine Wassertransportplatte haben, sondern stattdessen gelangt Brennstoffzellenwasser und jegliches Wasser innerhalb der Reaktantenströmungen als Wasserdampf und als mitgeschleppte Wassertröpfchen in den Kathoden- und Anodenabgasströmungen hinaus. In einer solchen Ausführungsform werden die Abgasströmungen durch den Brenner geleitet, um nicht verbrannten Brennstoff zu verbrennen, und die verbrannte Anlagenabgasströmung wird dann durch einen luft- oder wassergekühlten Wasserrückgewinnungs-Kondensator geleitet, und das kondensierte Wasser wird dann zum Kühlmittelspeicher geleitet.
Dementsprechend ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser bereitzustellen, welche die Nachteile im Stand der Technik behebt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser, ausgebildet gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser.
3 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser.
4 ist eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser.
5 ist eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser.
Beste Art(en) der Ausführung der Erfindung
Es wird detailliert auf die Zeichnungen Bezug genommen. Eine erste Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser ist in 1 gezeigt und wird im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Für die vorliegenden Zwecke versteht es sich, dass der Ausdruck "freies Wasser" Wasser beschreiben soll, welches so gut wie kein Frostschutzmittel im Wasser hat, so dass der Gefrierpunkt des "freien Wassers" nicht auf unterhalb 0°C reduziert ist. Die erste Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12. Die Brennstoffzelle 12 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 14 (z.B. ein Anodenkatalysator und ein Kathodenkatalysator, welche auf entgegengesetzten Seiten einer Protonenaustauschmembran angeordnet sind, wie im Stand der Technik bekannt), ein Anodenströmungsfeld 16 und ein Kathodenströmungsfeld 18, welche auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung 14 definiert sind. Wie aus der Technik bekannt, kann die Brennstoffzelle 12 mit anderen im wesentlichen identischen Brennstoffzellen (nicht gezeigt) kombiniert werden, um eine Zellenstapelanordnung zu bilden, einschließlich Verzweigungssystemen, zum Leiten der Reaktantenströmungen durch den Stapel. Eine Oxidationsmittel-Versorgungsleitung 20 leitet einen Prozessoxidationsmittelstrom, z.B. Luft (in 1 mit "Luft" bezeichnet), durch eine Einlasskammer 22 einer Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung 24 und in einen Oxidationsmitteleinlass 26, welcher wiederum den Oxidationsmittelstrom in das Kathodenströmungsfeld 18 der Brennstoffzelle 12 leitet. Eine Kathodenabgasleitung 28 leitet den Oxidationsmittelstrom als einen Kathodenabgasstrom von der Brennstoffzelle 12 in einen Brenner 30, und eine Anlagenabgasleitung 32 leitet den verbrannten Kathodenabgasstrom in eine Abgaskammer 34 der Vorrichtung mit direkter Masse und Wärmeübertragung 24 zum Hinausströmen aus der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 in einem Systemabgas 36 (in 1 als "Systemabgas" bezeichnet). Die Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung 24 kann von dem im US-Patent Nr. US 6 274 259 beschriebenen Typ sein, welches am 14.8.2001 Grasso et al. erteilt wurde. Ein Oxidationsmittelgebläse 38 kann auf der Oxidationsmittel-Versorgungsleitung 20 positioniert sein, um Druck der Oxidationsmittelströmung, die in die Vorrichtung zur direkten Wärme- und Massenübertragung 24 und das Kathodenströmungsfeld 18 geleitet wird, zu erhöhen. Al ternativ kann das Oxidationsmittelgebläse zwischen der Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung 24 und dem Oxidationsmitteleinlass 26 positioniert sein.
Ein reduzierendes Fluid, z.B. Wasserstoffgas, wird von einer Brennstoffversorgung 40 durch einen Einlass 42 für reduzierendes Fluid in das Anodenströmungsfeld 16 geleitet. Eine Anodenabgasleitung 44 leitet das aus dem Anodenströmungsfeld strömende reduzierende Fluid als einen Anodenabgasstrom in den Brenner 30, in welchem unverbrauchtes reduzierendes Fluid verbrannt wird und anschließend in die Anlagen-Abgasleitung 32 zu dem Kathodenabgasstrom als ein Anlagenabgasstrom geleitet wird und anschließend in die Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung 24. Die Brennstoffzelle 12 kann auch eine Anodenwiederverwertungsleitung 46 aufweisen, die zwischen der Anodenabgasleitung 44 und dem Einlass für reduzierendes Fluig 42 angebracht ist, und kann ein Anodenwiederverwertungsgebläse 48 aufweisen, welches an der Leitung 46 angebracht ist zur selektiven Wiederverwertung eines Teils des Anodenabgasstroms zurück in das Anoden-Kathodenströmungsfeld 16. Außerdem kann die Brennstoffzelle eine Kathodenwiederverwertungsleitung 50 aufweisen, welche zwischen der Kathodenabgasleitung 28 und dem Oxidationsmitteleinlass 26 angebracht ist, mit einem Kathodenabgasgebläse 52, welches an der Leitung 50 angebracht ist, um selektiv einen Teil des Kathodenabgasstroms zurück in das Kathodenströmungsfeld 18 wiederzuverwerten.
Die erste Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 mit reduziertem Volumen an freiem Wasser kann auch ein Anodenströmungsfeld 16 einschließlich einer ersten porösen Wassertransportplatte aufweisen, die ein erstes Wasserströmungsfeld 55 definiert, und kann ebenfalls ein Kathodenströmungsfeld 18 einschließlich einer zweiten porösen Wassertransportplatte aufweisen, welche ein zweites Wasserströmungsfeld 56 definiert, wie in 1 gezeigt. Brennstoffzellen, welche solche Wassertransportplatten aufweisen, sind in den US-Patenten 5 503 944 und 5 700 595 beschrieben. Die ersten und zweiten Wasserströmungsfelder 54, 56 bieten ein Mittel zum Entfernen überschüssigen Wassers aus der Brennstoffzelle 10.
Ein erster Brennstoffzellen-Wasserablass 58 leitet Wasser von dem ersten Wasserströmungsfeld 54 in einen Brennstoffzellen-Wasserkollektor 60, und ein zweiter Brenntoffzellen-Wasserablass 62 leitet Wasser von dem zweiten Wasserströmungsfeld 56 in den Brennstoffzellen-Wasserkollektor 60. Der Brennstoffzellen-Wasserkollektor 60 leitet das Wasser von den Wasserströmungsfeldern 54, 56 in einen Kühlmittelspeicher 64, welcher sowohl das vom Brennstoffzellen-Wasserkollektor 60 gelieferte Brennstoffzellenwasser als auch ein Frostschutz-Kühlmittel speichert. Ein Ablass für überschüssiges Brennstoffzellenwasser (in 1 als "Ablass" bezeichnet) und ein Wasserablassventil 68 sind auch an dem Brennstoffzellen-Wasserkollektor 60 angebracht, um selektiv überschüssiges Wasser abzulassen. Die relative Menge an in dem Kühlmittelspeicher 64 vom Wasserkollektor 60 abgelassener Wassermenge kann mit den Umgebungstemperaturbedingungen variieren. Falls die Umgebungstemperatur oberhalb des Gefrierpunkts ist, kann der gesamte Auslass vom Wasserkollektor 60 zum Wasserablass 68 geleitet und in die Umgebung abgelassen werden. Falls andererseits die Umgebungstemperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, kann das gesamte vom Wasserkollektor 60 abgelassene Wasser zum Kühlmittelspeicher 64 geleitet werden. Der Brennstoffzellen-Wasserkollektor 60 kann ein Verzweigungssystem und/oder Leitungssystem sein, welches Brennstoffzellenwasser und/oder Wasserdampf und mitgeschleppte Wassertröpfchen sammelt, welche die Brennstoffzelle 12 verlassen un leitet das Wasser in den Kühlmittelspeicher 64.
Es versteht sich, dass die erste Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser Wasser von der Brennstoffzelle 12 in den Brennstoffzellen-Wasserkollektor 60 und Kühlmittelspeicher 64 durch andere aus der Technik bekannte Einrichtungen als das erste und zweite Wasserströmungsfeld 54, 56 leiten kann. Wie unten in Bezug auf eine alternative Ausführungsform beschrieben, kann das Brennstoffzellenwasser beispielsweise einfach die Brennstoffzelle in der Kathoden- und Anoden-Abgasströmung als Wasserdampf und mitgeschleppte Wassertröpfchen verlassen und danach in einem Kondensator kondensiert werden, aus welchem das flüssige Wasser zum Brennstoffzellen-Wasserkol lektor 60 und Kühlmittelspeicher 64 geleitet wird. Die erste Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Wasservolumen 10 umfasst auch ein Kühlmittelsystem 70 mit dem Kühlmittelspeicher 64, einer Kühlmittel-Zirkulationsleitung 72, welches das mit Wasser gemischte Frostschutz-Kühlmittel vom Speicher durch eine Kühlmittelpumpe 74 durch einen Kühlmittelwärmetauscher 76, welcher durch ein Gebläse 78 (ähnlich dem in der Technik bekannten Automobilkühler), in und durch eine abgedichtete Kühlerplatte 80, welche in Wärmetauschbeziehung mit der Brennstoffzelle 12 angebracht ist, und zurück in den Kühlmittelspeicher 64 leitet. Das Charakterisieren der Kühlerplatte als "abgedichtete Kühlerplatte" bedeutet, dass die Kühlerplatte 80 erlaubt, dass Frostschutz-Kühlmittel durch die Platte 80 strömt, aber die Platte 80 erlaubt nicht, dass Frostschutz-Kühlmittel von der Platte 80 in benachbarte Brennstoffzellenkomponenten, z.B. in das erste oder zweite Wasserströmungsfeld 54, 56, etc., fließt.
Wie in 1 gezeigt, kann die Kühlmittel-Zirkulationsleitung 72 Unterbereiche aufweisen, z.B. eine Speicherablass-Leitung 82, welche zwischen dem Kühlmittelspeicher und der Kühlmittelpumpe 74 angeordnet ist; eine Kühlmittelwärmetauscher-Zuführleitung 83, welche zwischen der Kühlmittelpumpe 74 und dem Kühlmittelwärmetauscher 76 angeordnet ist; eine Kühlerplatten-Zuführleitung 84, welche zwischen dem Kühlmittelwärmetauscher 76 und der Kühlerplatte 80 angeordnet ist; und eine Kühlerplatten-Auslassleitung 88, welche zwischen der Kühlerplatte 80 und dem Kühlmittelspeicher 64 angeordnet ist.
Das Kühlmittelsystem 70 kann eine Drucksteuerungseinrichtung zum Steuern eines Druckes des Frostschutz-Kühlmittels aufweisen, das durch das Kühlmittelsystem 60 zirkuliert, damit der Druck geringer ist als ein Druck der Prozessoxidationsmittel- und reduzierenden Fluid-Reaktantenströme, welche durch das Anodenströmungsfeld 16 und Kathodenströmungsfeld 18 strömen, z.B. ein Kühlmittel-Drucksteuerungsventil 90, welches an der Kühlmittel-Zirkulationsleitung 72 zwischen der Kühlmittelpumpe 74 und der Kühlerplatte 80, z.B. auf der Kühlerplatten-Zuführleitung 84 angeordnet ist. Das Kühlmitteldruckventil 90 kann jedes in der Technik bekanntes Ventil sein, welches mit der Kühlmittelpumpe 74 koordiniert werden kann, um den Strom von Frostschutz-Kühlmittel, der durch das Ventil 90 strömt, einzuschränken, um den spezifischen Druck des Frostschutz-Kühlmittels innerhalb der Kühlerplatte 80 aufrechtzuerhalten. Auf bekannte Weise kann das Kühlmittel-Druckkontrollventil 90 von Hand, automatisch oder beispielsweise elektromechanisch eingestellt werden, abhängig von einem Referenzdruck des Prozessoxidationsmittelstroms innerhalb des Kathodenströmungsfelds 18 und/oder des reduzierenden Fluidstroms innerhalb des Anodenströmungsfelds 16, um die Strömung durch das Ventil 90 einzuschränken, so dass die Strömung von Frostschutz-Kühlmittel, welches in die Kühlmittelpumpe 74 aus der Kühlerplatte 80 und der Kühlerplattenablass-Leitung 88 gezogen wird, bei einem niedrigeren Druck ist als der Druck des Prozessoxidationsmittel- und/oder reduzierenden Fluidstroms innerhalb des Kathodenströmungsfelds 18 bzw. des Anodenströmungsfelds 16. Zusätzliche Drucksteuerungseinrichtungen für diese Zwecke können sämtliche bekannte Mechanismen umfassen, welche den Druck einer flüssigen Strömung auf unterhalb eines Referenzdrucks einer gasförmigen Strömung senken können, wie es im US-Patent 5 700 595 offenbart ist, welches am 23.12.1997 Reiser erteilt wurde.
Die erste Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser 10 weist auch ein Wasserdampf-Transfersystem 92 auf, welches in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelspeicher 64 angeordnet ist, welcher das Frostschutz-Kühlmittel vom Speicher 64 aufnimmt, um Wasserdampf aus dem Frostschutz-Kühlmittel heraus zu übertragen. Durch Übertragen des Wasserdampfes aus dem Frostschutz-Kühlmittel kann das Frostschutz-Kühlmittel bei einer optimalen Konzentration gehalten werden, um eine gewünschte Gefrierpunkterniedrigung des Frostschutz-Kühlmittels zu erreichen. Außerdem kann der entzogene Wasserdampf andere Systeme der Stromerzeugungsanlage genutzt werden, wie unten beschrieben. Das Wasserdampf-Transfersystem 92 umfasst eine Wasserentziehungseinrichtung 94, um dem Frostschutz-Kühlmittel Wasser zu entziehen; eine Kühlmittel-Versorgungsleitung 96, welche zwischen dem Kühlmittelspeicher 64 und der Wasserentziehungseinrichtung 94 angeordnet ist, welche das Frostschutz-Kühlmittel zur Entziehungseinrichtung 94 leitet; eine Wasserent lüftung 98, welche abgetrenntes Wasser aus der Wasserentziehungseinrichtung 94 leitet; und eine Kühlmittelrückführleitung 100, welche zwischen der Wasserentziehungseinrichtung 94 und dem Kühlmittelsystem 70 angeordnet ist, sowie bei der Speicherauslassleitung 82 benachbart einer Ansaugseite der Kühlmittelpumpe 74. Die Frostschutz-Kühlmittel-Versorgungsleitung 96 kann direkt am Kühlmittelspeicher 64 angebracht sein, oder wie in 1 gezeigt, indirekt in Fluidverbindung mit einem Kühlmittelsystem Umlenkventil 101 verbunden sein, welches an der Kühlmittel-Zirkulationsleitung 72 angebracht ist, z.B. ein Standard-Drei-Wege-Ventil, welches selektiv einen Teil des Frostschutz-Kühlmittels zum Zirkulieren des Kühlmittelsystems 70 leitet und einen Teil des Frostschutz-Kühlmittels zum Zirkulieren durch das Wasserdampf-Transfersystem 92 leitet.
Die Wasserentfernungseinrichtung 94 kann jegliche einer Auswahl an bekannten Einrichtungen sein, die in der Lage sind, Wasser aus einer Lösung oder aus einer Mischung von Wasser und dem Frostschutz-Kühlmittel zu entfernen. Beispielsweise kann die Wasserentfernungseinrichtung 94 eine Kontaktsättigungsvorrichtung sein, z.B. ein gepacktes Bett, welches eine Luftlieferung durch eine Wasserentfernungsluftleitung 102 und ein Wasserentfernungsluftgebläse 104 aufnimmt, wie schematisch in 1 dargestellt. Außerdem kann die Wasserentfernungseinrichtung 94 aus einem Brenner bestehen, welcher das Frostschutz-Kühlmittel direkt erhitzt, um Wasserdampf aus dem Frostschutz-Kühlmittel zu entfernen (in 1 nicht gezeigt). Die Wasserentfernungseinrichtung 94 kann auch aus einem Brenner bestehen, welcher in direktem Wärmetauschverhältnis mit einer Kontaktsättigungsvorrichtung steht, oder die Wasserentfernungseinrichtung 4 kann einen Wärmetauscher umfassen, welcher Wärme durch ein Fluid überträgt, z.B. erwärmtes Frostschutz-Kühlmittel, an eine Kontaktsättigungseinrichtung überträgt, um das Entfernen von Wasser aus dem Frostschutz-Kühlmittel weiter zu unterstützen.
Die erste Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser 10 umfasst ebenfalls eine Anfahr-System-Einrichtung 106 zum Erwärmen des Frostschutz-Kühlmittels und zum Leiten des erwärmten Frostschutz-Kühlmittels zur Brennstoffzelle 12.
Das Anfahr-System 106 ist in Fluidverbindung zwischen dem Kühlmittelspeicher 64 und der Brennstoffzelle 12 angebracht. Das Anfahr-System umfasst einen Anfahr-Wärmetauscher 108, welcher in Wärmetauschverhältnis mit dem Brenner 30 zum Wärmen des Frostschutz-Kühlmittels ist; eine Frostschutz-Kühlmittel-Heizleitung 110, verbunden zwischen dem Anfahr-Wärmetauscher 108 und dem Kühlmittelspeicher 64, oder (wie in 1 gezeigt) das Kühlmittelsystem-Umlenkventil 101, welches Frostschutz-Kühlmittel zum Wärmetauscher 108 leitet; eine Anfahr-Leitung 112 in Fluidverbindung zwischen dem Anfahr-Wärmetauscher 108 und der Kühlerplatte 80, welche das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel zum Strömen durch die Kühlerplatte 80 leitet; und ein Anfahr-Ventil 114, angebracht an der Anfahr-Leitung 112, welches gesteuert oder gewählt werden kann, um sämtliches oder einen Teil des erwärmten Frostschutz-Kühlmittels zum Strömen von der Anfahr-Leitung 112 durch eine erste Verlängerung 116 der Anfahr-Leitung 112 leitet, in die Kühlmittel-Zirkulationsleitung 72 des Kühlmittels 72 stromabwärts von der Kühlmittelpumpe 74, wie in 1 gezeigt, bei der Kühlerplatten-Zuführleitung 84, so dass das erwärmte Frostschutzmittel durch die Kühlerplatte 80 strömen kann, um die Brennstoffzelle 12 während des Anfahr-Verfahrens zu erwärmen, nachdem die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 in Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser abgeschaltet worden ist. Für die hier vorliegenden Zwecke wird klargestellt, dass das Beschreiben des Anfahr-Ventils als "selektiv erwärmtes Frostschutzmittel vom Anfahr-Wärmetauscher durch die Kühlerplatte leitend" bedeutet, dass das Anfahr-Ventil 114 gesteuert werden kann durch manuelle, mechanische oder andere in der Technik bekannte Steuervorrichtungen, um das gesamte oder ein Teil des Frostschutz-Kühlmittels über eine erwünschte Zeitdauer zum Strömen durch die Kühlerplatte 80 zur Brennstoffzelle 12 zu leiten.
Wie aus 1 ersichtlich, wenn das Anfahr-Ventil 114 das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel nicht in das Kühlmittelsystem 70 zum Erwärmen der Brennstoffzelle leitet, dann leitet das Anfahr-Ventil 114 (z.B. ein Standard-Drei-Wege-Ventil) das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel in das Wasserdampf-Transfersystem 92, z.B. in die Wasserentfernungseinrichtung 94 durch die Frostschutz-Kühlmittel-Versorgungsleitung 96. Es wird vorausgesehen, dass das Anfahr-Ventil 114 einen Teil des erwärmten Frostschutzmittelkühlmittels zu sowohl dem Kühlmittelsystem 70 als auch dem Wasserdampf-Transfersystem 92 unter bestimmten Betriebsbedingungen leiten kann. Der Anfahr-Wärmetauscher 108 kann eliminiert werden, und die erwärmte Frostschutzmittellösung von der Kühlerplatte 80 kann von der Kühlerplattenauslassleitung 88 zum Kühlmittelspeicher 64, zur Wasserenfernungseinrichtung 94 über die Kühlmittelpumpe 74, zur Anfahr-Leitung 112 und zum Anfahr-Ventil 114 strömen.
Bei Verwendung einer ersten Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser 10 nach Strömen des erwärmten Frostschutz-Kühlmittels durch das Kühlmittelsystem 70, um jegliches gefrorenes Wasser innerhalb der Brennstoffzelle 12 geströmt ist, leitet das Anfahr-Ventil 114 anschließend selektiv das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel zum Strömen in und durch das Wasserdampf-Transfersystem 92 während eines Betriebs im stationären Zustand der Stromerzeugungsanlage 10, so dass ein Teil des Brennstoffzellenwassers, gemischt mit dem Frostschutz-Kühlmittel im Kühlmittelspeicher 64, entfernt werden kann, um die Frostschutz-Kühlmittel-Konzentration auf einem erwünschten Niveau zu erhalten zum optimalen Frostschutz der Stromerzeugungsanlage 10. Wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern, kann überschüssiges Wasser akkumulieren und über den Wasserablass 66 aus der Anlage 10 abgelassen werden.
Das Frostschutz-Kühlmittel ist ein Frostschutzmittel mit niedrigem Dampfdruck, welches einen Partialdruck des Frostschutzmittels über der Lösung aus Frostschutz-Kühlmittel und Wasser bei einer Betriebstemperatur der Zelle hat, welcher weniger als 0,005 mm Hg ist. Ein exemplarisches Frostschutz-Kühlmittel ist gewählt aus der Gruppe, die aus einer Alkantriol-Lösung und Polyethylenglycol besteht. Ein weiteres exemplarisches Frostschutz-Kühlmittel ist gewählt aus der Gruppe, die aus Glycerin, Butantriol, Pentantriol, Polyethylenglycol und Mischungen daraus besteht.
Eine zweite Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser ist in 2 gezeigt und wird all gemein durch das Bezugszeichen 120 bezeichnet. Aus Gründen der Einfachheit sind jene Komponenten der zweiten Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 120, die identisch mit Komponenten der ersten Ausführungsform 10 sind, mit dem gleichen Bezugszeichen in 2 wie in 1 bezeichnet. Die zweite Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 120 umfasst ein Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 zum Konvertieren eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu einem reduzierenden Fluidbrennstoff, welcher für eine Brennstoffzelle geeignet ist, wie beispielsweise offenbart als "fuel processing component means" im o.g. US-Patent 6 274 259, wie auch im US-Patent 6 007 931, welches am 28.12.1999 an Fuller et al. erteilt wurde. Wie aus der Technik bekannt, nimmt die Brennstoffaufbereitungseinrichtung, welche in dieser Darstellung einen autothermen Reformer umfasst, einen Kohlenwasserstoffbrennstoff, z.B. Benzin etc. aus einer Brennstoffpumpe 124 und Brennstoffzuführleitung 126 und deren ersten Verlängerung 127 auf, und nimmt auch eine Luftversorgung von einer Brennstoff-Aufbereitungsverlängerung 128 der Wasserentfernungs-Luftversorgungsleitung 102 auf. Das Brennstoff-Aufbereitungssystem nimmt ebenfalls Wasserdampf in Form von Dampf auf, welcher von einem zweiten Wasserdampf-Transfersystem 121 durch eine Wasserdampf-Zuführleitung 130 gelangt. Überschüssiger Wasserdampf kann aus dem zweiten Wasserdampf-Transfersystem 121 durch einen Wasserdampfablass 131 geleitet werden, welcher beispielsweise an der Wasserdampf-Zuführleitung 130 angebracht ist. Wie bekannt, bereitet das Brennstoff-Aufbereitungssystem den Kohlenwasserstoffbrennstoff durch Anwendung von Wärme (beispielsweise durch einen Reformer, Shift-Konverter und selektiven Oxidierer, wie in der Technik bekannt) und Wasserdampf auf den Brennstoff zu einem reduzierenden Fluid auf, welches dann vom Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 in dem Einlass für reduzierendes Fluid 42 geleitet wird, um zum Anodenströmungsfeld 16 der Brennstoffzelle 12 geleitet zu werden.
In der zweiten Ausführungsform 120 der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage der vorliegenden Erfindung umfasst das zweite Wasserdampf-Transfersystem 121 eine zweite Wasserentfernungsvorrichtung 132, welche einen Wasserentfernungsbrenner 134 hat, welcher Luft von der Wasserentfernungs luft-Zuführleitung 102 und Gebläse 104 aufnimmt, welcher Brennstoff von der Brennstoffzuführleitung 126 aufnimmt und welcher ebenfalls den Anodenabgasstrom, welcher aus der Brennstoffzelle 12 geleitet wird, in der Anodenabgasleitung 44 aufnehmen kann. Der verbrannte Anodenabgasstrom strömt aus dem Wasserentfernungsbrenner 134 in einer Leitung 136 für verbrannten Anodenabgasstrom zur Mischung mit dem Kathodenabgasstrom, um zum Anlagenabgasstrom in der Anlagenabgasleitung 32 zu werden. Der Wasserentfernungsbrenner 134 ist im Wärmetauschverhältnis mit einem Boiler 138 angeordnet, welcher das Frostschutz-Kühlmittel von einer zweiten Frostschutz-Kühlmittel-Versorgungsleitung 140 aufnimmt, welche in Fluidverbindung zwischen dem Boiler 138 und dem Kühlmittelspeicher 64 verbunden ist, beispielsweise durch das Kühlmittelsystem-Umlenkventil 101, wie in 2 gezeigt. Ein Dampfseparator 142 ist in Fluidverbindung mit dem Boiler 138 angeordnet, er trennt den gesiedeten Wasserdampf als Dampf von dem im Boiler 138 erhitzten Frostschutz-Kühlmittel, und der Dampf wird vom Dampfseparator 142 durch die Wasserdampf-Zuführleitung 130 in das Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 geleitet, um dort das Brennstoffaufbereiten zu unterstützen.
In der zweiten Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser 120 umfasst außerdem ein zweites Anfahr-System 144 einen zweiten Anfahr-Wärmetauscher 146, welcher im Wärmetauschverhältnis mit dem Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 angeordnet ist; eine zweite Frostschutz-Kühlmittel-Heizleitung 148, welche in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelspeicher 64 angeordnet ist, z.B. durch den Boiler 138, leitet das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel in ein zweites Anfahr-Ventil 150 und durch eine Verlängerung 152 der zweiten Frostschutz-Kühlmittel-Heizleitung 148 in den zweiten Anfahr-Wärmetauscher 146; und eine zweite Anfahr-Leitung, welche mit dem zweiten Anfahr-Wärmetauscher 146 verbunden ist, leitet das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel zum Strömen in die Kühlerplatte 80, um die Brennstoffzelle 12 während eines Anfahr-Vorgangs zu erwärmen.
Das zweite Anfahr-Ventil 150 kann selektiv sämtliches oder ein Teil des Frostschutz-Kühlmittels zum Strömen in den zweiten Anfahr-Wärmetauscher 146 leiten, oder es kann gesteuert werden, um sämtliches oder ein Teil des Frostschutz-Kühlmittels zum Strömen durch eine Kühlmittelsystem-Zuführleitung 156 zu leiten, welche zwischen dem zweiten Anfahr-Ventil und dem Kühlmittelsystem 70 angeordnet ist, beispielsweise an der Kühlmittel-Zirkulationsleitung 72 angebracht. Nachdem die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 120 einen stationären Betriebszustand erreicht hat, kann sämtliches Frostschutz-Kühlmittel, welches das Wasserdampf-Transfersystem 121 verlässt, zurück in das Kühlmittelsystem 70 geleitet werden. In einem derartigen Zustand der Stromerzeugungsanlage 120 wird ein erstes Ablassventil 158, welches an der zweiten Anfahr-Leitung 154 angebracht ist, gesteuert, um jegliches Rückfließen des Frostschutz-Kühlmittels vom Kühlmittelsystem in die zweite Anfahr-Leitung 154 zu verhindern, um einen Zerfall des Frostschutz-Kühlmittels im zweiten Anfahr-Wärmetauscher 146 zu vermeiden; ein Ablassventil 160, welches an der Anfahr-Leitung 154 zwischen dem ersten Ablassventil 158 und dem zweiten Anfahr-Wärmetauscher 146 angeordnet ist, wird gesteuert, um Luft einzulassen, um das Ablassen des Frostschutz-Kühlmittels zu unterstützen; ein zweites Ablassventil 162, welches an einer Ablass-Leitung 164 in Fluidverbindung zwischen dem zweiten Anfahr-Wärmetauscher 146 und dem Kühlmittelspeicher 64 angebracht ist, wird gesteuert, um ein Ablassen des Frostschutz-Kühlmittels durch das zweite Ablassventil 162 zurück in das Kühlmittelsystem 70, z.B. den Kühlmittelspeicher 64, zu ermöglichen.
Die zweite Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser 120 erreicht eine Betriebseffizienz durch Integrieren des zweiten Anfahr-Wärmetauschers 146 des zweiten Anfahr-Systems 144 mit der beträchtlichen durch das Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 erzeugten Wärme, wie auch durch Nutzen zusätzlicher Wärme, welche durch den Wasserentfernungsbrenner 134 und den Boiler 138 im zweiten Wasserdampf-Transfersystem 121 erzeugt wird. Zusätzliche Effizienz wird erreicht durch Verbrennen des Anodenabgasstroms innerhalb des Wasserentfernungsbrenners 134 des zweiten Wasserdampf-Entfernungssystems, anstatt eine separate Verbrennungseinrichtung zu verwenden.
Eine dritte Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser ist in 3 gezeigt und im allgemeinen durch das Bezugszeichen 170 bezeichnet. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit werden die Komponenten der dritten Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 170, welche mit Komponenten der ersten und zweiten Ausführungsform 10, 120 identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen in 3 wie in 1, 2 bezeichnet. Die dritte Ausführungsform der Brennstoftzellen-Stromerzeugungsanlage der vorliegenden Erfindung 170 ist sehr ähnlich der zweiten Ausführungsform 120, außer dass ein drittes Wasserdampf-Transfersystem 172 einen Kontaktsättiger 174 im Wärmetauschverhältnis mit einem zweiten Wasserentfernungsbrenner 176 als eine dritte Wasserentfernungseinrichtung 178 nutzt. Der Kontaktsättiger 174 nimmt das Frostschutz-Kühlmittel von einer dritten Frostschutz-Kühlmittel-Versorgungsleitung 180 auf, welche in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelspeicher angeordnet ist, z.B. an dem Kühlsystem-Umlenkventil 101. Eine Brenner-Umgehungsleitung 182, welche an der Wasserentfernungs-Luftversorgungsleitung 102 angeordnet ist, leitet Luft zum Strömen in den Kontaktsättiger 174, so dass vom Gebläse durchgedrückte Luft Wasserdampf aus dem Frostschutz-Kühlmittel im Kontaktsättiger 174 entfernt, und die mit Wasserdampf gesättigte Luft wird vom Kontaktsättiger 174 durch eine zweite Wasserdampfzuführleitung 182 in das Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 geleitet. Nachdem Wasser aus dem Frostschutz-Kühlmittel im Kontaktsättiger entfernt wurde, wird das Frostschutz-Kühlmittel zurück zum Kühlsystem 70 durch eine zweite Kühlmittelsystem-Zuführleitung 184 zurückgeleitet, welche zwischen dem Kontaktsättiger 174 und einer Ansaugseite der Kühlmittelpumpe 174 angebracht ist, z.B. an der Speicherauslassleitung 82.
In der dritten Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 170 umfasst ferner ein drittes Anfahr-System 186 ein drittes Anfahr-Ventil 188, angebracht an einer dritten Frostschutz-Kühlmittel-Heizleitung 189, welche in Fluidverbindung zwischen dem Kühlmittelspeicher und einem dritten Anfahr-Wärmetauscher 187 verbunden ist, der im Wärmetauschverhältnis mit dem Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 ist. Wie in 3 gezeigt, kann das dritte Anfahrventil 188 an der dritten Frostschutz-Kühlmittel-Zuführleitung 180 stromaufwärts vom Kontaktsättiger 174 angebracht sein, so dass das Ventil 188 selektiv sämtliches oder ein Teil des Frostschutz-Kühlmittels zum direkten Strömen zum dritten Anfahr-Wärmetauscher 187 für ein Anfahr-Verfahren leiten kann, oder das Ventil 188 kann sämtliches oder ein Teil des Frostschutz-Kühlmittels für den Betrieb im stationären Zustand in den Kontaktsättiger 174 leiten. Wie bei der zweiten Ausführungsform 120 erreicht die dritte Ausführungsform der Brennstoffzellen- Stromerzeugungsanlage 170 der vorliegenden Erfindung eine Betriebseffizienz durch Integrieren des dritten Anfahr-Wärmetauschers 187 mit dem Brennstoff-Aufbereitungssystem 122, und die dritte Ausführungsform verwendet ein drittes Wasserdampf-Transfersystem 172, welches keinen Dampf erzeugt.
Eine vierte Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser ist in 4 gezeigt und allgemein durch das Bezugszeichen 190 bezeichnet. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit werden jene Komponenten der vierten Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 190, welche identisch mit den Komponenten der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform 10, 120 bzw. 170 sind, mit den gleichen Bezugszeichen in 4 wie in den 1 bis 3 bezeichnet. Die vierte Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage der vorliegenden Erfindung 190 verwendet den Brenner 30 nur zur Verbrennung des Anodenabgasstroms wie bei der ersten Ausführungsform 10, und der Brenner 30 leitet den verbrannten Anodenabgasstrom und den erwärmten Kathodenabgasstrom vom Brenner 30 in die Anlagenabgasleitung 32, durch welche der Anlagenabgasstrom zur Vorrichtung für direkte Massen- und Wärmeübertragung 24 gelangt. Um daher das Frostschutz-Kühlmittel für ein Anfahr-Verfahren zu erwärmen, umfasst die vierte Ausführungsform 190 ein viertes Anfahr-System 192, bei welchem ein vierter Anfahr-Wärmetauscher 194 im Wärmetauschverhältnis mit dem Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 integriert ist und welcher Frostschutz-direkt aus dem Kühlmittelspeicher 64 durch eine vierte Frostschutz-Kühlmittel-Heizleitung 196 aufnimmt, welche in Fluidverbindung zwischen dem vierten Anfahr-Wärmetauscher 194 und dem Kühlmittelspeicher 64 verbunden ist, z.B. beim Kühlmittelsystem-Umlenkventil 101. In der vierten Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungs anlage 190 leitet die Brennstoffpumpe 124 einen Kohlenwasserstoffbrennstoff durch eine Brennstoffaufbereitungs-Brennstoffzuführleitung 198, um das Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 zu versorgen.
Das vierte Anfahr-System umfasst 192 umfasst ebenfalls ein viertes Anfahr-Ventil 200, welches in Fluidverbindung zwischen dem vierten Anfahr-Wärmetauscher 194 und einem vierten Wasserdampf-Entfernungssystem 202 und der Kühlmittel-Zirkulationsleitung 72 angebracht ist. Wie in 4 gezeigt, leitet eine vierte Anfahr-Leitung 204 das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel vom vierten Wärmetauscher 194 zum vierten Anfahr-Ventil 200; eine Verlängerung 206 der vierten Anfahr-Leitung 204 leitet das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel vom vierten Anfahr-Ventil 200 zur Kühlmittel-Zirkulationsleitung 72 stromabwärts von dem Kühlmittelwärmetauscher 76, z.B. bei der Kühlerplatten-Zuführleitung 84; und eine vierte Frostschutz-Kühlmittel-Versorgungsleitung 208 leitet das Frostschutz-Kühlmittel vom vierten Anfahr-Ventil zum vierten Wasserdampf-Transfersystem 202.
Das vierte Wasserdampf-Transfersystem 202 kann jegliche Wasserentfernungseinrichtungen aufweisen, z.B. den Kontaktsättiger 174, welcher von dem Wasserentfernungsluftgebläse 104 durch die Wasserentfernungs-Luftzuführleitung 102 geblasene Luft aufnimmt. Die Luft entfernt Wasserdampf aus dem erwärmten Frostschutzmittel, welches durch den Kontaktsättiger 174 strömt, und die mit Wasserdampf gesättigte Luft wird durch die zweite Wasserdampf-Zuführleitung 182 in das Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 geleitet. Wie bei der dritten Ausführungsform 170 wird, nachdem die Luft Wasserdampf aus dem erwärmten Frostschutzmittel innerhalb des Kontaktsättigers 174 entfernt hat, das Frostschutz-Kühlmittel zurück zum Kühlmittelsystem 70 durch eine vierte Kühlmittelsystem-Zuführleitung 212 geleitet, welche zwischen dem vierten Kontaktsättiger 174 und einer Ansaugseite der Kühlmittelpumpe 174 angebracht ist, z.B. an der Speicherauslassleitung 82.
Während eines Anfahr-Vorgangs der vierten Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 190 leitet das vierte Anfahr-Ventil selektiv sämtliches oder ein Teil des Frostschutz-Kühlmittels, welches durch den vier ten Anfahr-Wärmetauscher 194 geströmt ist, zum Strömen durch die Verlängerung 206 der vierten Anfahr-Leitung 204 in die Kühlerplatten-Zuführleitung 84 und dann in die Kühlerplatte 80, um die Brennstoffzelle 12 zu erwärmen. Nachdem die Brennstoffzelle 12 eine gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, leitet das vierte Anfahr-Ventil anschließend das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel zum Strömen in das vierte Wasserdampf-Transfersystem 202 zum Betrieb im stationären Zustand der vierten Ausführungsform 190 der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit reduziertem Volumen an freiem Wasser. Die vierte Ausführungsform 194 erreicht Effizienz durch Integrieren des vierten Anfahr-Wärmetauschers 194 mit dem Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 und indem es keinen Brenner in dem vierten Wasserdampf-Übertragungssystem 202 aufweist.
Eine fünfte Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an frischem Wasser ist in 5 gezeigt und wird im allgemeinen durch das Bezugszeichen 210 bezeichnet. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit werden jene Komponenten der fünften Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 210, welche identisch mit Komponenten der ersten, zweiten, dritten oder vierten Ausführungsform 10, 120, 170 bzw. 190 sind, mit dem gleichen Bezugszeichen in 5 wie in 1 bis 4 gekennzeichnet. Die vierte Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage der vorliegenden Erfindung 210 umfasst ein Kühlungssystem 70, welches das gleiche wie die Kühlungssysteme der vorher beschriebenen Ausführungsformen ist und jegliche der beschriebenen Wasserdampftransfer- und Anfahr-Systeme aufweisen kann, z.B. das vierte Wasserdampf-Transfersystem 202 und das vierte Anfahr-System 192, wie oben beschrieben und schematisch in 4 dargestellt. Was die fünfte Ausführungsform 210 hauptsächlich von den oben beschriebenen Ausführungsformen unterscheidet, ist, dass eine zweite Brennstoffzelle 212 gezeigt ist, bei welcher das erste und zweite Wasserströmungsfeld 54, 56 der vorher beschriebenen Ausführungsformen nicht umfasst ist. Stattdessen umfasst die zweite Brennstoffzelle 212 eine zweite Membranelektrodenanordnung 214 mit einem zweiten Anodenströmungsfeld 216 und einem zweiten Kathodenströmungsfeld 218 auf entgegengesetzten Seiten der Membranelektrodenanordnung 214. Das zweite Anodenströmungsfeld 216 nimmt einen Brennstoff aus reduzierendem Fluid vom Einlass 42 für reduzierendes Fluid auf und leitet diesen zum Strömen benachbart zur zweiten Membranelektrodenanordnung 214, und das zweite Kathodenströmungsfeld 218 nimmt den Prozessoxidationsmittelstrom vom Oxidationsmitteleinlass 26 auf und leitet ihn zum Strömen benachbart zur zweiten Membranelektrodenanordnung 214. Der Anodenabgasstrom strömt dann vom zweiten Anodenströmungsfeld 216 durch die Anodenabgasleitung 44 in den Brenner 30, während der Kathodenabgasstrom vom zweiten Kathodenströmungsfeld 218 durch die Kathodenabgasleitung 28 in den Brenner 30 strömt. In dieser fünften Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 210 verlassen der verbrannte Anodenabgasstrom und der erwärmte Kathodenabgasstrom den Brenner 30 als Anlagenabgasstrom in einer zweiten Anlagenabgasleitung 220, welche den Anlagenabgasstrom in eine Wasserkondensationsvorrichtung 224 zum Kondensieren und Entfernen des Wassers aus dem Anlagenabgasstrom, z.B. mit bekannten luft- oder flüssigkeitsgefüllten Kondensatoren und Schwerkraft-Sammlern, wie in der Technik bekannt. Eine entfernte Ablassleitung 224 für entferntes Wasser leitet kondensiertes Wasser aus dem Wasserkondensator 222 in den Brennstoffzellen-Wasserkollektor 60, und der Kollektor 60 leitet das entfernte Brennstoffzellenwasser in den Kühlmittelspeicher 64. Da der Wasserkondensator 222 Wasser aus dem Anlagenabgasstrom entfernt, wäre die Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung 24 der ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsformen 10, 120, 170, 190 in den meisten Betriebsumgebungen erforderlich, aber könnte in der fünften Ausführungsform 210 für ein bestimmtes Betriebserfordernis der Anlage 210 umfasst sein. Ein zweites Systemabgas 226 leitet die Pflanzenabgasströmung vom Wasserkondensator 222.
Die fünfte Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser 210 erreicht die Effizienz der vorliegenden Erfindung für Brennstoffzellen, welche nicht eine oder mehrere poröse Wasserströmungsfelder innerhalb der Zellen verwenden. Weil die zweite Brennstoffzelle 212 keine porösen Wasserströmungsfelder 54, 56 benachbart zum zweiten Anoden- bzw. Kathodenströmungsfeld 216, 218 hat, entströmt Wasser, welches während des Betriebs der zweiten Brennstoffzelle 212 erzeugt wird, und sämtliches Wasser innerhalb der Prozessoxidationsmittel- und reduzierendes Fluid-Reaktantenstroms aus dem zweiten Anodenströmungsfeld 216 und aus dem zweiten Kathodenströmungsfeld 218 als Wasserdampf bzw. mitgeschleppte Flüssigkeitströpfchen, welche kondensiert bzw. vom Anlagenabgasstrom innerhalb des Wasserkondensators 22 getrennt werden. Der Betrieb sämtlicher beschriebener Anfahr-Wasserdampftransfer- und Kühlungssysteme, z.B. des vierten Anfahr-Systems 192, des vierten Wasserdampf-Transfersystems 202 und des Kühlungssystems 70 funktionieren in der fünften Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser 210.
Während die Anlage abgeschaltet ist, enthalten das Kühlungssystem 70, das Anfahr-System 192, das Wasserdampf-Transfersystem 202 und das Brennstoff-Aufbereitungssystem 122 kein freies Wasser, welches bei Umgebungsbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser einfrieren könnte. Wie oben in Bezug auf die vierte Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 190 beschrieben, verwendet die fünfte Ausführungsform 210 den vierten Anfahr-Wärmetauscher 194 und das vierte Anfahr-Ventil 200, um erwärmtes Frostschutz-Kühlmittel in und durch die abgedichtete Kühlerplatte 80 während eines Anfahr-Vorgangs zu leiten, bis die zweite Brennstoffzelle 212 eine erwünschte Temperatur erreicht hat. Dann wird das vierte Anfahr-Ventil 200 gesteuert, um erwärmtes Frostschutzkühlmittel vom vierten Anfahr-Wärmetauscher 194 zu dem vierten Wasserdampf-Transfersystem 202 während des Betriebs im stationären Zustand der fünften Ausführungsform der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 212 zu leiten.
Während des Betriebs im stationären Zustand kann der Wasserkollektor auch direkt in das Brennstoff-Aufbereitungssystem 121 ableiten, wie bekannt. Alternativ kann der Wasserkollektor zu einer Brennstoffaufbereitungs-Zuführwasserpumpe (nicht gezeigt) ableiten, welche Wasser für das Brennstoff-Aufbereitungssystem zuführt, wie bekannt, womit die Wasserdampf-Transfersysteme 121, 172 und 202 umgangen werden. Die Brennstoffaufbereitungs-Zuführwasserpumpe kann auch so konfiguriert sein, dass sie beim Abschalten in den Kühlmittelspeicher 64 abläuft.
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf die o.g. fünf Ausführungsformen der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser 10, 120, 170, 190, 210 beschrieben und dargestellt wurde, versteht es sich, dass die Erfindung sich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise sind die fünf Ausführungsformen der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10, 120, 170, 190, 210 oben hauptsächlich in Bezug auf Brennstoffzellen 12, 212 mit einer Protonenaustauschmembran ("PEM")-Elektrolytenanordnung 14, 214 beschrieben. Die Ausführungsformen der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser 10 kann sich jedoch auch auf eine Brennstoffzelle mit anderen Elektrolyten beziehen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung reduziert das Volumen an freiem Wasser in einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, so dass unterstützende Systeme der Anlage frosttolerant sind. Die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) umfasst ein Kühlsystem (70) mit einer abgedichteten Kühlerplatte, welches ein Frostschutz-Kühlmittel im Wärmtausch mit einer Brennstoffzelle zirkuliert und Brennstoffzellenwasser sammelt; ein Wasserdampf-Transfersystem (92), welches Wasserdampf vom Frostschutz-Kühlmittel entfernt, um die Frostschutzkonzentration zu steuern; und ein Anfahr-System (106) mit einem Anfahr-Wärmetauscher (108) und einem Anfahr-Ventil (114), welches selektiv erwärmtes Frostschutz-Kühlmittel in die Kühlerplatte (80) für ein Anfahr-Verfahren leitet. Die Anlage kann auch ein Brennstoff-Aufbereitungssystem umfassen, welches den entfernten Wasserdampf nutzt und im Wärmetauschverhältnis mit dem Anfahr-Wärmetauscher ist. Das Frostschutz-Kühlmittel ist eine Lösung mit niedrigem Dampfdruck, z.B. ein Alkantriol oder Polyethylenglycol.

Claims

Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser, aufweisend: a. mindestens eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Reaktantenströmen von reduzierendem Fluid und Prozessoxidationsmittel; b. ein Kühlmittelsystem einschließlich einer abgedichteten Kühlerplatte, die im Wärmetauschverhältnis mit der Brennstoffzelle angeordnet ist, welches ein Frostschutz-Kühlmittel durch die Kühlerplatte, ein Kühlmittelspeicher in Fluidverbindung mit der Kühlerplatte, welcher das Frostschutzkühlmittel speichert, und eine Kühlmittel-Zirkulationsleitung leitet, welche das Frostschutz-Kühlungsmittel zum Strömen vom Kühlmittelspeicher durch einen Kühlmittelwärmetauscher durch die Kühlerplatte und zurück zum Kühlmittelspeicher leitet; c. einen Brennstoffzellen-Wasserkollektor in Fluidverbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Kühlmittelsystem, welches Wasser von der Brennstoffzelle zu dem Kühlungssystem leitet; d. Ein Wasserdampf-Transfersystem, welches in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelspeicher angeordnet ist und welches das Frostschutzkühlmittel vom Speicher aufnimmt und Wasserdampf aus dem Frostschutzkühlmittel transferiert; und e. ein Brennstoffzellen-Anfahr-System, welches in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelspeicher und mit der Brennstoffzelle angeordnet ist, einen Anfahr-Wärmetauscher aufweist, welcher das Frostschutzkühlmittel erwärmt, wobei das erwärmte Frostschutzkühlmittel selektiv vom Anfahr-Wärmetauscher durch die abgedichtete Kühlerplatte zum Erwärmen der Brennstoffzelle geleitet wird.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, bei welcher der Anfahr-Wärmetauscher im Wärmetauschverhältnis mit einem Brenner angeordnet ist, der einen von der Brennstoffzelle in einer Anodenabgasleitung zum Brenner geleiteten Anodenabgasstrom aufnimmt und verbrennt.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 2, bei welcher das erwärmte Frostschutzkühlmittel in Fluidverbindung mit dem Wasserdampf-Transfersystem ist.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, ferner aufweisend ein Brennstoff-Aufbereitungssystem zum Aufbereiten eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu reduzierendem Fluid, bei welcher das Brennstoff-Aufbereitungssystem in Fluidverbindung mit dem Wasserdampf-Transfersystem angeordnet ist und den aus dem Frostschutzkühlmittel transferierten Wasserdampf aufnimmt.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, bei welchem die Brennstoffzelle mindestens eine Wassertransportplatte umfasst, die in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellen-Wasserkollektor angeordnet ist, so dass von der Brennstoffzelle entferntes Wasser durch die Wassertransportplatte in den Brennstoffzellen-Wasserkollektor geleitet wird.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Drucksteuerungseinrichtung zum Steuern eines Drucks des Frostschutzkühlmittels in der abgedichteten Kühlerplatte, so dass der Druck des durch die abgedichtete Kühlerplatte strömenden Frostschutzkühlmittels geringer ist als ein Druck des Stroms von reduzierendem Fluid und des Stroms von Prozessoxidationsmittel, welches durch die Brennstoffzelle strömt.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, bei welchem das Wasserdampf-Transfersystem einen Wasserentfernungsbrenner aufweist, welcher im Wärmetauschverhältnis mit einem Boiler angeordnet ist, der in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelsystem angeordnet ist, und einen Dampfseparator aufweist, welcher in Fluidverbindung mit dem Boiler zum Abtrennen des Wasserdampfes als Dampf und zum Entfernen des Wasserdampfes vom Wasserdampf-Transfersystem.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 7, bei welchem eine Anodenabgasleitung eine Anodenabgasströmung zum Wasserentfernungsbrenner führt.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, bei welchem das Wasserdampf-Transfersystem einen Kontaktsättiger aufweist, welcher in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelsystem angeordnet ist und welcher das Frostschutzkühlmittel aufnimmt und welcher Luft aufnimmt, so dass die Luft Wasserdampf aus dem Frostschutzkühlmittel entfernt.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 9, bei welchem ein Wasserentfernungsbrenner in Fluidverbindung mit dem Kontaktsättiger ist und bei welchem eine Anodenabgasleitung eine Anodenabgasströmung zum Wasserentfernungsbrenner führt.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, bei welcher das Frost-Kühlmittel gewählt ist aus der Gruppe, die aus einer Alkantriol-Lösung, Polyethylenglycol und Mischungen daraus besteht.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, bei welcher das Frostschutz-Kühlmittel gewählt ist aus der Gruppe, die aus Glycerin, Butantriol, Pentantriol, Polyethylenglycol und Mischungen daraus besteht.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, bei welcher ein Brenner in Fluidverbindung mit einer die Brennstoffzelle verlassender Anodenabgasströmung ist und bei welcher eine Wasserkondensatoreinrichtung zum Kondensieren und Entfernen von Wasser in Fluidverbindung mit dem Brenner angeordnet ist und eine den Brenner verlassende verbrannte Anodenabgasströmung aufnimmt und eine die Brennstoffzelle verlassende Kathodenabgasströmung aufnimmt, und bei welcher eine entfernte Wasserablassleitung, die in Fluidverbindung mit der Wasserkondensatoreinrichtung und dem Kühlungssystem verbunden ist, Wasser vom Kondensator zum Kühlungssystem leitet.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, bei welchem ein Brenner in Fluidverbindung mit einer die Brennstoffzelle verlassenden Anodenabgasströmung angeordnet ist und bei welcher eine Vorrichtung mit direkter Massen- und Wärmeübertragung in Fluidverbindung mit dem Brenner ist und eine den Brenner verlassende verbrannte Anodenabgasströmung aufnimmt und eine die Brennstoffzelle verlassende Kathodenabgasströmung aufnimmt und eine in einen Oxidationsmitteleinlass in die Brennstoffzelle eintretende Prozessoxidationsmittelströmung aufnimmt, so dass die Vorrichtung zur direkten Massen- und Wärmeübertragung Masse und Wärme von der verbrannten Anodenabgasströmung und der Kathodenabgasströmung in die Prozessoxidationsmittelströmung überträgt, welche in die Brennstoffzelle eintritt.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 1, bei welcher das Brennstoffzellen-Anfahr-System ein Anfahr-Ventil aufweist, welches in Fluidverbindung mit dem Wasserdampf-Transfersystem und mit einer Anfahr-Leitung, die in Fluidverbindung zwischen dem Anfahr-Wärmetauscher und dem Kühlmittelsystem verbunden ist, verbunden ist, so dass das Anfahr-Ventil selektiv das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel von dem Anfahr-Wärmetauscher durch die abgedichtete Kühlerplatte leitet, um die Brennstoffzelle zu erwärmen.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser, aufweisend: a. mindestens eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom aus Reaktantenströmungen von reduzierendem Fluid und Prozessoxidationsmittel; b. ein Kühlsystem, aufweisend eine abgedichtete Kühlerplatte, welche im Wärmetauschverhältnis mit der Brennstoffzelle angeordnet ist, das ein Frostschutz-Kühlmittel durch die Kühlerplatte, einen Kühlmittelspeicher in Fluidverbindung mit der Kühlerplatte und eine Kühlmittel-Zirkulationsleitung leitet, welche das Frostschutz-Kühlmittel zum Strömen vom Kühlmittelspeicher durch einen Kühlmittelwärmetauscher durch die Kühlerplatte und zurück zum Kühlmittelspeicher leitet; c. ein Brennstoffzellen-Wasserkollektor in Fluidverbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Kühlsystem, welcher etwas Wasser von der Brennstoffzelle zum Kühlsystem leitet; d. ein Wasserdampf-Transfersystem, welches in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelspeicher angeordnet ist und welches das Frostschutz-Kühlmittel von dem Speicher aufnimmt und Wasserdampf aus dem Frostschutz-Kühlmittel transferiert; e. ein Brennstoff-Aufbereitungssystem zum Aufbereiten eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu dem reduzierenden Fluid, bei welchem das Brennstoff-Aufbereitungssystem in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellen-Wasserkollektor und mit dem Wasserdampf-Transfersystem angeordnet ist und aus dem Frostschutz-Kühlmittel transferierten Wasserdampf aufnimmt; und f. ein Brennstoffzellen-Anfahr-System, das in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelsystem und mit der Brennstoffzelle angeordnet ist, welches einen Anfahr-Wärmetauscher aufweist, der das Frostschutz-Kühlmittel erwärmt, bei welchem das erwärmte Frostschutz-Kühlmittel vom Anfahr-Wärmetauscher selektiv durch das Kühlsystem geleitet wird, um die Brennstoffzelle zu erwärmen.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 16, bei welcher das Wasserdampf-Transfersystem einen Kontaktsättiger aufweist, welcher Luft aufnimmt, so dass die Luft Wasserdampf aus dem Frostschutz-Kühlmittel aufnimmt.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 16, bei welchem das Frostschutz-Kühlmittel gewählt ist aus der Gruppe, die aus Glycerin, Butantriol, Pentantriol, Polyethylenglycol und Mischungen daraus besteht.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser, aufweisend die folgenden Schritte: a. Zirkulieren-lassen eines Frostschutz-Kühlmittels von einem Kühlmittelspeicher durch einen Kühlmittelwärmetauscher durch eine abgedichtete Kühlerplatte, welche im Wärmetauschverhältnis mit einer Brennstoffzelle der Stromerzeugungsanlage angeordnet ist, und zurück in den Kühlmittelspeicher; b. Leiten von durch die Brennstoffzelle erzeugtes und hindurch strömendes Wasser in den Kühlmittelspeicher; c. Zirkulieren-lassen eines Teils des Frostschutz-Kühlmittels von dem Kühlmittelspeicher durch ein Wasserdampf-Entfernungssystem, so dass Wasserdampf von dem Frostschutz-Kühlmittel entfernt wird, und dann Zirkulieren-lassen des Frostschutz-Kühlmittels zurück zum Kühlsystem; und d. Erwärmen eines Teils des Frostschutz-Kühlmittels in einem Anfahr-Wärmetauscher und selektives Leiten des wärmenden Frostschutz-Kühlmittels zum Strömen durch die abgedichtete Kühlerplatte, um die Brennstoffzelle zu erwärmen.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 19, aufweisend die weiteren Schritte des Leitens des von dem Frostschutz-Kühlmittel entfernten Wasser in ein Brennstoff-Aufbereitungssystem, um das Aufbereiten eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu einem reduzierenden Fluid für die Brennstoffzelle zu unterstützen.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 20, aufweisend den weiteren Schritt des Leitens von Wasser von dem Brennstoffzellen-Wasserkollektor zum Brennstoff-Aufbereitungssystem.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 21, aufweisend die weiteren Schritte des Pumpens von Wasser durch eine Brennstoffaufbereitungs-Wasserzuführpumpe vom Brennstoffzellen-Wasserkollektor zum Brennstoff-Aufbereitungssystem und des Ablassens von Wasser durch die Brennstoffaufbereitungs-Wasserzuführpumpe in den Kühlmittelspeicher, wenn die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage abgeschaltet wird.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem reduzierten Volumen an freiem Wasser nach Anspruch 19, aufweisend die weiteren Schritte des Anordnens des Anfahr-Wärmetauschers in Fluidverbindung mit einem Kontaktsättiger des Wasserentfernungssystems und des Leitens von erwärmtem Frostschutz-Kühlmittel vom Anfahr-Wärmetauscher durch den Kontaktsättiger.