DE10317767A1 - Gas/Flüssig-Phasenseparator mit verbesserter Druckkontrolle - Google Patents

Abstract

Ein Gas/Flüssig-Phasenseparator umfaßt einen Flüssigkeitseinlaß, einen Dampfauslaß, einen Flüssigkeitsauslaß und erste und zweite Ventile, die mit dem Flüssigkeitsauslaß strömungstechnisch verbunden angeordnet sind. Beide Ventile sind als Antwort auf einen Systemdruck und einen Flüssigkeitspegel in dem Gas/Flüssig-Phasenseparator steuerbar. Beide Ventile sind weiterhin einander parallel strömungstechnisch verbunden angeordnet. Ein Verfahren zur Steuerung eines Flüssigkeitspegels in dem Phasenseparator umfaßt ein Erfassen einer Menge einer Flüssigkeit in dem Phasenseparator, ein Erfassen eines Systemdrucks und ein selektives Öffnen eines mit dem Phasenseparator strömungstechnisch verbunden angeordneten Ventils, um die Flüssigkeit abzulassen.

Description

Hintergrund
• Die Erfindung betrifft elektrochemische Zellensysteme, insbesondere einen Gas/Flüssig-Phasenseparator, in dem wenigstens zwei Steuerventile eine Entwässerung des Phasenseparators bei entsprechenden Durchflußmengen bereitstellen.
• Elektrochemische Zellen sind Energieumwandlungseinrichtungen, die gewöhnlich entweder in Elektrolysezellen oder Kraftstoffzellen eingeteilt werden. Elektrolysezellen mit einer protonenaustauschenden Membran können durch die elektrolytische Zerlegung von Wasser als Wasserstoffgenerator dienen, um die Gase Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren. In Fig. 1 ist ein Ausschnitt einer aus dem Stand der Technik bekannten anodengestützten Elektrolysezelle 10 allgemein dargestellt und wird im folgenden als "Zelle 10" bezeichnet. Das Reagenz Wasser 12 wird in die Zelle 10 zu einer Sauerstoffelektrode (Anode) 14 eingeleitet, um Sauerstoff 16, Elektronen und Wasserstoffionen (Protonen) zu erzeugen. Die chemische Reaktion wird dadurch vereinfacht, daß der positive Pol eine Energiequelle 18 mit der Anode 14, und der negative Pol der Energiequelle 18 mit der Wasserstoff-Elektrode (Kathode) 20 verbunden ist. Sauerstoff 16 und ein erster Teil Wasser 22 werden von der Zelle 10 abgesondert, während die Protonen 15 und ein zweiter Teil Wasser 24 durch eine protonenaustauschende Membran 26 hindurch zur Kathode 20 dringen. An der Kathode 20 wird Wasserstoffgas 28 gebildet und überlicherweise durch eine Gasentnahmeleitung entnommen. Der entnommene Wasserstoff 28 kann in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen genutzt werden. Der zweite mit Wasserstoff angereicherte Teil Wasser 24 wird ebenfalls von der Kathode 20 entfernt.
• Ein Elektrolysezellensystem kann eine Anzahl von in einem Stapel angeordneten Einzelzellen umfassen, wobei das Reagenz Wasser 12 durch innerhalb der Struktur des Stapels gebildete Zu- und Abführungen durch die Zellen geleitet wird. Die Zellen im Stapel sind sequentiell angeordnet. Jede Zelle umfaßt eine Membran-Elektroden-Einheit, die durch eine zwischen eine Anode und einer Kathode befindliche protonenaustauschende Membran gebildet wird. Die Kathode, die Anode oder beide können Gasdiffusionselektroden sein, was die Gasdiffusion durch die protonenaustauschende Membran erleichtert. Jede Membran- Elektroden-Einheit befindet sich im Flüssigkeitsaustausch mit dem der Membran- Elektronen-Einheit angrenzenden Strömungsfeld, welches durch Strukturen ausgebildet wird, die zur Erleichterung der Flüssigkeitsbewegung und Hydratation der Membran innerhalb jeder einzelnen Zelle ausgebildet sind.
• Der von der Kathodenseite der Zelle abgetrennte mit Wasserstoff angereicherte Teil des Wassers wird einem Phasenseparator zugeführt, um Wasserstoff vom Wasser zu trennen, wodurch die Wasserstoffausbeute und die Gesamteffizienz der Zelle im allgemeinen gesteigert wird. Der entfernte Wasserstoff kann entweder einem Trockner zum Entfernen des gebundenen Wassers, einer Speichereinrichtung, wie z. B. einen Zylinder, einem Tank, oder einem ähnlichen Aufbewahrungsbehälter oder direkt einer Anwendung zum Gebrauch als Treibstoff zugeführt werden.
• Obwohl existierende Elektrolysezellensysteme für ihren vorgesehenen Zweck geeignet sind, besteht weiterhin ein Bedarf nach Verbesserungen, insbesondere das Management der Trennung des Wasserstoffs vom Wasser betreffend. Weiterhin besteht ein Bedarf zur verbesserten Regelung des Pegels des Wassers im Phasenseparator während des Betriebs des Zellensystems.
Kurze Zusammenfassung
• Die oben beschriebenen Mängel und Nachteile werden durch einen Gas/Flüssig- Phasenseparator für ein elektrochemisches Zellensystem verringert, in welchem der Phasenseparator eine verbesserte Druckregelungsfähigkeit besitzt. Der Phasenseparator weist einen Flüssigkeitseinlaß, einen Dampfauslaß, einen Flüssigkeitsauslaß und erste und zweite Ventile, die in strömungstechnischer Verbindung mit dem Flüssigkeitsauslaß stehen, auf. Beide Ventile sind als Reaktion auf den Flüssigkeitslevel in dem Phasenseparator sowie den Wasserstoffsystemdruck regelbar. Beide Ventile sind weiterhin in einer bezüglich einander parallelen Durchflußzusammenstellung plaziert.
• Ein Verfahren zur Regelung des Flüssigkeitsgehalts in dem Phasenseparator weist ein Erfassen der Flüssigkeitsmenge im Phasenseparator, ein Erfassen des Wasserstoffsystemdrucks und ein selektives Öffnen eines Ventils zum Ablassen der Flüssigkeit, welches in strömungstechnischer Verbindung mit dem Phasenseparator angeordnet ist, auf.
• Die oben erläuterten und andere Ziele werden von einem Fachmann durch die folgenden ausführlichen Beschreibungen und Zeichnungen anerkannt und verstanden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Elemente in verschiedenen Figuren gleich numeriert sind:
• Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer anodengestützten Elektrolysezelle nach dem Stand der Technik,
• Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektrolysezellensystems, in welchem Wasserstoffgas erzeugt werden kann,
• Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems, welches einen Gas/Flüssig-Phasenseparator und verschiedene mit diesem strömungstechnisch verbundene Ventile aufweist,
• Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines spulenbetätigten Ventils,
• Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung eines Schließvorgangs.
• Genaue Beschreibung
• Es wird ein Gas/Flüssig-Phasenseparator für ein Elektrolysezellensystem offenbart. Der Phasenseparator weist ein System zur Regelung der Abflußrate von Wasser aus dem Phasenseparator auf. Das System trägt der Entwässerung eines Gas/Flüssig-Phasenseparators durch eine Anordnung von Ventilen, die in einer parallelen Durchflußzusammenstellung bezüglich einander angeordnet sind, Rechnung. Jedes Ventil übernimmt einen bestimmten Durchflußmengenbereich, um für die Entwässerung und die verbesserte Druckstabilisierung des Separators zu sorgen. Die spezifischen Bereiche, in denen die Ventile arbeiten, ermöglichen einen weiten Steuerungsbereich des Systems. Die Stabilisierung wird durch die verstärkte Steuerung der Flüssigkeitsentwässerung und Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsanteils im Separator bewirkt.
• Fig. 2 zeigt ein Elektrolysezellensystem als eine beispielhafte Ausführungsform einer Wasserstoffgasquelle, welches allgemein bei 30 dargestellt ist und im nachhinein als "System 30" bezeichnet wird. Das System 30 kann durchgängig für die Herstellung von Wasserstoff zum Gebrauch als Treibstoff oder für andere Anwendungen geeignet sein. Obwohl die unten beschriebenen Verbesserungen mit Bezug auf Elektrolysezellen beschrieben werden, sind diese Verbesserungen auf Elektrolysezellen, Treibstoffzellen und dergleichen, insbesondere auf regenerative Treibstoffzellen, anwendbar. Obwohl die Beschreibung und die Zeichnungen auf die Produktion von Wasserstoff- und Sauerstoffgas durch die Elektrolyse von Wasser gerichtet sind, ist die Vorrichtung des weiteren zur Erzeugung von anderen Gasen aus anderen reagierenden Materialien anwendbar.
• Das System 30 weist eine wassergespeiste Elektrolysezelle auf, welche in der Lage ist, Wasserstoffgas aus dem Reagenz Wasser zu erzeugen. Das durch das System 30 genutzte Reagenz Wasser ist in einer Wasserquelle 32 gespeichert und wird durch die Gravitation oder durch eine Pumpe 38 in einen Elektrolysezellenstapel 40 eingespeist. Die Zuleitung, die eine klare, weichmacherfreie Leitung sein kann, weist vorzugsweise einen elektrischen Konduktivitätssensor 34 auf, welcher mit dieser zur Anzeige des elektrischen Potenzials des Wassers strömungstechnisch verbunden ist, wodurch dessen Reinheit festgestellt und dessen Eignung für den Gebrauch im System 30 gesichert wird.
• Der Zellenstapel 40 umfaßt eine Vielzahl von mit abdichtenden Strukturen (nicht dargestellt) eingeschlossenen Zellen, die gleich der oben mit Bezug zu Fig. 1 beschriebenen Zelle 10 sind. Das Reagenz Wasser wird durch Verteiler oder andere Arten von Leitungen (nicht dargestellt), die mit den Zelleneinheiten strömungstechnisch verbunden sind, eingespeist. Eine elektrische Quelle 42 ist innerhalb des Zellenstapels 40 mit jeder Zelle elektrisch verbunden angeordnet, um die antreibende Energie für die Zerlegung des Wassers zu liefern. Die elektrische Quelle 42 ist operativ mit einem Steuerungssystem für die Zellen (nicht dargestellt), welches den Betrieb des Systems 30 steuert, verbunden.
• Ein Wasser mitführender Wasserstoffstrahl verläßt den Zellenstapel 40 und wird in einen Gas/Flüssig-Phasentrennungsbehälter eingeleitet, welcher ein Wasserstoff/Wasser-Separator 44 ist und im nachfolgenden als "Separator 44" bezeichnet wird. In diesem werden die gasförmigen und flüssigen Phasen voneinander getrennt. Das aus dem Separator 44 austretende Wasserstoffgas wird weiterhin in einer Trocknungseinheit 46 getrocknet, die beispielsweise ein Diffusor, ein Druckschwingungsabsorber, ein Trocknungsmittel oder dergleichen sein kann. Der nasse Wasserstoffstrahl kann einen Druck von ungefähr 1 Pfund pro Quadratinch (psi) bis zu 20.000 psi und darüber hinaus haben. Vorzugsweise beträgt der Druck des Wasserstoffstrahls ungefähr 1 psi bis ungefähr 10.000 psi, mit einem bevorzugten Druck von ungefähr 100 psi bis 6.000 psi, für einige Anwendungen mit einem bevorzugteren Druck von ungefähr 1.500 bis 2.500 psi und für andere Anwendungen mit einem bevorzugteren Druck von ungefähr 100 bis 275 psi. Der Wasserstoff von der Trocknungseinheit 46 wird, wie oben beschrieben, in eine Speichereinrichtung eingeleitet oder einer Anwendung, beispielsweise einem Auftanksystem zum Gebrauch als Treibstoff, direkt zugeführt. Wasser mit geringen Mengen darin mitgeführten Wasserstoffs wird vom Separator 44 zur Wasserquelle 32 durch einen Niederdruck-Wasserstoff-Abscheider 48 zurückgeführt. Der Separator 44 weist ebenfalls einen Auslaß 50 auf, welcher ein Überdruckventil sein kann, um den Wasserstoff schnell durch ein Wasserstoffgebläse 52 zu entleeren, wenn der Druck oder Druckschwankungen einen vorgewählten Grenzwert überschreiten.
• Ein Wasserstoffproduktionssensor 64 ist in das System 30 zur Anzeige des Wasserstoffdrucks integriert. Der Wasserstoffproduktionssensor 64 kann irgendein geeigneter Produktionssensor sein, eingeschlossen ein Durchflußmengensensor, ein Massenströmungssensor oder irgendeine andere quantitative Meßeinheit, wie ein Druckumformer, der den Gasdruck innerhalb der Wasserstoffleitung in eine Spannung oder einen laufenden Wert für eine Messung umwandelt, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Der Wasserstoffproduktionssensor 64 ist mit einem Umformer 66 verbunden, welcher zur Umwandlung der Spannung oder des laufenden Meßwerts in eine Druckanzeige geeignet ist. Ein Display (nicht dargestellt) kann mit dem Umformer 66 operativ verbunden vorgesehen sein, um eine Anzeige des Drucks beispielsweise an der Stelle des Wasserstoffproduktionssensors 64 in der Wasserstoffleitung zu liefern. Der Umformer 66 ist eine beliebige geeignete Umwandlungseinheit, wie ein Analogkreislauf, ein digitaler Mikroprozessor oder dergleichen, der in der Lage ist, ein Sensorsignal in einen darstellbaren Wert zu wandeln.
• Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Separators 44. Die Ausflußrate des Separators 44 wird durch eine Ventilzusammenstellung 74 bewirkt, welche in strömungstechnischer Verbindung mit dem Separator 44 regelbar unterhalten wird. Die Regelung der Ventilzusammenstellung 74 wird durch eine Regeleinrichtung, welche vorzugsweise ein Umwandler 75 ist, bewirkt.
• Der Separator 44, der im wesentlichen eine zum ermöglichen eines konstanten Durchsatzes ausgebildete Behältereinrichtung ist, weist einen Behälter 70 und eine pegelerfassende Einheit 72 auf. Verschiedene Materialien, aus denen der Separator 44 hergestellt sein kann, umfassen Metalle, Kunststoffe und deren Kombinationen. Diese erlauben vorteilhaft, daß der Separator 44 den Gas/Flüssigkeitsstrahl zu dem Druck erhält, an dem dieser den Zellenstapel verläßt. Die vom Separator 44 ermöglichten Drücke, die im allgemeinen oder im wesentlichen den Betriebsdrücken des elektrochemischen Zellensystems entsprechen, können bis zu ungefähr 20.000 psi und darüber hinaus betragen, wobei Drücke von ungefähr 100 psi bis ungefähr 6.000 psi typisch sind, Drücke von ungefähr 1.500 psi bis ungefähr 2.500 psi für einige Anwendungen bevorzugt werden und Drücke von ungefähr 100 psi bis ungefähr 275 psi für andere Anwendungen bevorzugt werden. Die zur Herstellung der verschiedenen Teile des Separators 44 nutzbaren Metalle schließen eisenartige Materialien (z. B. rostfreie Stähle und dergleichen), Titan, Nickel und dergleichen sowie Oxide, Verbindungen, Legierungen und Mischungen, die wenigstens eines der vorstehenden Metalle aufweisen, ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Einige geeignete Kunststoffe, die zur Herstellung der verschiedenen Teile des Separators 44 genutzt werden können, schließen Polykarbonate, Polyäthylene, Polypropylene und dergleichen, sowie Reaktionsprodukte und Mischungen, die wenigstens einen der vorstehenden Kunststoffe aufweisen, ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
• Der Behälter 70 schließt einen Flüssigkeitseinlaß 78 ein, mit dem er den nassen Wasserstoffstrahl von dem Zellenstapel erhält. Vorzugsweise ist der Flüssigkeitseinlaß 78 wie in Fig. 3 dargestellt an einem unteren Ende des Behälters 70 plaziert. Dies hat den Grund, die Stärke der durch das Angießen des nassen Wasserstoffstrahls bei dessen Einströmen in den Behälter 70 verursachten Bewegung im Separator 44 zu verhindern oder wenigstens zu minimieren. Ein nicht dargestelltes Rückschlagventil kann innerhalb des nassen Wasserstoffstrahls plaziert werden, um das Rückfließen von Wasser vom Separator 44 zu verhindern.
• Der Behälter 70 schließt weiterhin einen Überflußanschluß 80, einen Dampfauslaß 82 und einen Druckablaßanschluß 84 ein, die an einem oberen Endes des Separators 44 plaziert sind. Der Überflußanschluß 80 dient zur Entleerung des Separators 44 in dem Fall, daß der Behälter 70 sich vollständig mit Wasser füllt und ist vorteilhaft derart dimensioniert, daß er eine Durchflußmenge ermöglicht, welche größer ist als die maximale Durchflußmenge des nassen Wasserstoffstrahls in den Behälter 70 durch den Flüssigkeitseinlaß 78. Der Dampfauslaß 82 dient der strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Separator 44 und der Trocknungsvorrichtung und ist vorteilhaft soweit wie möglich von dem Flüssigkeitseinlaß 78 entfernt plaziert, um die Aufenthaltsdauer der nassen Wasserstoffmoleküle innerhalb des Separators 44 zu maximieren. Dadurch wird dem Wasserstoffgas eine maximale Zeitdauer gegeben um sich von dem Wasser zu trennen. Der Druckablaßanschluß 84 dient der strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Separator 44 und dem Auslaß 50 zum schnellen Entleeren von Wasserstoff in dem Fall, daß der Druck auf einen vorgewählten Wert ansteigt.
• Ein am unteren Ende des Behälters 70 plazierter Flüssigkeitsauslaß 88 ermöglicht ein periodisches Entwässern, um ein kontrolliertes Entfernen des in dem Behälter gesammelten Wasser durch die Ventilanordnung 74 zu ermöglichen, wodurch ein vorgewählter Pegel erhalten wird. Ein Filter 86 ist am Flüssigkeitsauslaß 88 mit dem Zweck plaziert in dem im Separator 44 gesammelten Wasser treibende Schwebestoffe zu entfernen. Der Flüssigkeitsauslaß 88 ist vorzugsweise zur optimalen Entwässerung des Separators 44 an dem niedrigsten Punkt des Separators 44 angeordnet.
• In einem Ausführungsbeispiel weist die pegelerfaßende Einheit 72 eine pegelübertragende Einheit 77 und einen Schwimmer 90 auf, welcher sich gleitend entlang einer vertikal plazierten Stange 93 bewegen kann und mit der pegelübertragenden Einrichtung 77 im Datenaustausch ist. Die pegelübertragende Einheit 77 ist in operativer Verbindung mit dem Schwimmer 90 angeordnet und wirkt zur Übertragung von Informationen an den Umwandler 75 mit dem Schwimmer 90 zusammen, welche die Menge des Wassers in dem Behälter 70 anzeigen. Der Schwimmer 90 ist typischerweise ein direkt hebender Schwimmer, bei dem der Auftriebseffekt auf den Schwimmer größer sein muß als die auf den Boden des Schwimmers ausgeübte Kraft, die den Schwimmer "zieht". Wenn der Wasserpegel innerhalb des Separators steigt und fällt, schwankt demnach die Lage des Schwimmers 90. Der Schwimmer 90 kann aus verschiedenen Materialien ausgeführt sein, einschließlich Metallen oder Kunststoffen. Metalle, die bei der Ausführung des Schwimmers 90 genutzt werden können, umfassen rostfreien Stahl (z. B. rostfreier Stahl des Typs 316), Titan und Legierungen oder Mischungen von wenigstens einem der vorgenannten Metalle. Kunststoffe, die zur Ausführung des Schwimmers 90 genutzt werden können, umfassen Polykarbonate, Polypropylene, Polyäthylene (z. B. hochdichtes Polyäthylen (HDPE) oder Polyäthylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE)) und Mischungen von wenigstens einem der vorgenannten Kunststoffe, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. In einer Ausführung besteht der Separator 44 aus Polykarbonat und der Schwimmer 90 aus Polypropylen.
• Die Ventilzusammenstellung 74 ist mit dem Flüssigkeitsauslaß 88 strömungstechnisch verbunden und ermöglicht die Entwässerung des Separators 44. Der Pegel des im Separator 44 gesammelten Wassers wird durch die selektive Regelung der Ventile der Ventilzusammenstellung 74 aufrechterhalten. Obwohl die Ventilzusammenstellung 74 eine beliebige Anzahl von Ventilen aufweisen kann, weist die Ventilzusammenstellung 74 im allgemeinen erste und zweite Ventile auf, die in einer parallelen Zusammenstellung miteinander strömungstechnisch verbunden angeordnet sind. Optimale Durchflußmengen durch jedes Ventil sind Funktionen der Größe der Ausflußöffnung des jeweiligen Ventils.
• Typischerweise ist das erste Ventil der Ventilanordnung 74 ein Ventil mit einer großen Durchflußrate 92 und das zweite Ventil der Ventilanordnung 74 ein Ventil mit einer niedrigen Durchflußrate 94. Jedes Ventil 92, 94 ist über einen Druchflußmengenbereich regelbar. Des weiteren ist jedes Ventil 92, 94 in operativer Verbindung mit dem Umformer 75 angeordnet und in Abhängigkeit von dem Wasserstoffdruck des Systems unabhängig betätigbar. In einer beispielhaften Ausführung des Separators 44, welche die Ventile 92, 94 einschließt, liefert das Ventil mit großer Durchflußrate 92 Durchflußmengen von ungefähr 100 L/h bis ungefähr 120 L/h und vorzugsweise ungefähr 105 Uh bis ungefähr 113 L/h. Das Ventil mit niedriger Durchflußrate 94 liefert Durchflußmengen von ungefähr 8 L/h bis ungefähr 15 L/h und vorzugsweise ungefähr 9,3 Uh bis ungefähr 13,5 L/h.
• Der Informationsaustausch und die Steuerung der Entwässerung des Separators 44 wird über den Umformer 75 erhalten. Ein Druckausgabesensor/Transmitter (nicht dargestellt) kann in das Wasserstoffsystem eingegliedert sein, um den Wasserstoffdruck anzuzeigen und ein Signal 96 des Wasserstoffsystemdrucks an den Umformer 75 zu übertragen. Der Druckausgabesensor/Transmitter kann eine beliebige geeignete quantitative Meßeinrichtung sein, die den Druck des Wasserstoffs innerhalb des Systems in eine Spannung oder einen Stromwert (das Signal 96 des Wasserstoffsystemdrucks) zur Messung umwandelt und mit dem Umformer 75 verbunden ist, welcher in der Lage ist, die Spannung oder den Stromwert in die Druckanzeige umzuwandeln. Der Umformer 75 ist, wie der oben in Fig. 2 beschriebene Umformer 66, eine beliebige geeignete umwandelnde Einheit, wie ein Analogkreislauf, ein digitaler Mikroprozessor oder dergleichen, welche in der Lage ist, die Druckanzeige in ein zur Regelung der Ventilanordnung 74 nutzbares Signal umzuwandeln.
• In Fig. 4 ist eine beispielhafte Ausführung eines Ventils mit hoher Durchflußrate 92 schematisch als ein Tellerventil dargestellt. Andere für den Gebrauch als Ventil mit hoher Durchflußrate 92 (genauso wie ein Ventil mit niedriger Durchflußrate) geeignete Ventilzusammenstellungen schließen Membranventile, Kugelventile und Nadelventile ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Ventile hoher Durchflußmenge können mittels Luft, eines elektrischen Stroms, durch manuelle Betätigung oder durch irgendeine andere Art eines Ventilbetriebs betätigbar sein. Ein Ventil mit hoher Durchflußrate 92 ist jedoch vorzugsweise mittels einer Magnetspule 97, die in operativer Verbindung mit einem Ventilstößel 98 angebracht ist, betätigbar. Die Magnetspule 97 ermöglicht eine lineare Bewegung des Ventilstößels 98 in der durch einen Doppelpfeil 100 angezeigten Richtung, so daß ein an dem Ventilstößel 98 plazierter Verschlußstopfen 102 in einem innerhalb des Ventilkörpers 106 geformten oder auf andere Weise plazierten Ventilsitz 104 aufgenommen wird. Die strömungstechnische Verbindung durch den Ventilkörper 106 wird mittels der durch den Ventilsitz 104 definierten Öffnung erhalten. In einem Ventil mit hoher Durchflußrate 92 ist die Abmessung als d dargestellt. In dem (nicht dargestellten) Ventil mit niedriger Durchflußrate ist die den Querschnittsbereich der durch den Ventilsitz geformten Öffnung definierende Abmessung entsprechend zu den Ventilen mit hoher Durchflußrate 92 kleiner als d, wodurch eine entsprechend geringere Durchflußmenge erreicht wird.
• Der Betrieb des Separators 44 und seiner Ventilanordnung 74 wird mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Während des Betriebs eines elektrochemischen Zellensystems, welches einen durch einen Umformer 75 mit einer Ventilanordnung 74 in regelbarer Verbindung angeordneten Phasenseparator 44 einschließt, wird jedes Ventil 92, 94 selektiv betrieben, so daß von dem Separator 44 Wasser in einer Menge abgelassen ist, welche im wesentlichen den Wasserstand auf einem vorgewählten Pegel erhält. Der selektive Betrieb der Ventilanordnung 74 wird durch die pegelerfassende Einheit 72 erreicht. Im einzelnen erfaßt die pegelerfassende Einheit 72 den Wasserpegel in dem Behälter 70 und formt den Wasserpegel in einen Signalwert um, der durch ein Pegelsignal 79 repräsentiert wird. Die pegelübermittelnde Einheit 77 übermittelt das Pegelsignal 79 zum Umformer 75, welcher wiederum im Gegenzug ein Wasserstoffsystemdrucksignal 96 von dem Systemdrucksensor erhält. Der Wert des Wasserstoffsystemdrucksignals 96 wird mit einem in den Umformer 75 vorprogrammierten und gespeicherten Wert verglichen und wird weiterhin mit dem Pegelsignal 79 verglichen. Eine logische Funktion des Umformers 75 führt zu einer Entscheidung, die sofort veranlaßt, welches der Ventile 92, 94 zu öffnen ist. Wenn der Entscheidungswert gleich oder größer dem festgesetzten Wert (der während der Programmierung des Umformers 75 festgelegt wurde) ist, wird das Ventil mit niedriger Durchflußrate 94 betätigt und das Wasser mit einer niedrigen Durchflußrate abgelassen. Ist der Entscheidungswert niedriger als der festgesetzte Wert, wird das Ventil mit hoher Durchflußrate 92 betätigt und Wasser mit einer hohen Durchflußmenge abgelassen. Eines der Ventile 92, 94 verbleibt in der betätigten Stellung (geöffnet), bis der Schwimmer 90 unter eine vorprogrammierte Höhe sinkt, bei der die pegelübermittelnde Einrichtung 77 ein Signal an den Umformer 75 übermittelt, welcher das betätigte Ventil schließt.
• Um das Öffnen der Ventile 92, 94 in dem Fall, daß der Separator 44 kein Wasser enthält, zu verhindern, kann eine Absperrabfolge in die Ausbildung der pegelerfassenden Einheit 72 eingebracht sein. Eine beispielhafte Ausführungsform der Absperrabfolge weist eine Niederpegel übermittelnde Einheit/Transmitter 108 auf, welches in dem Fall, daß der Schwimmer die Niederpegel übermittelnde Einheit/Transmitter 108 auslöst, ein Absperrsignal 110 zum Umformer 75 übermittelt. Das Absperrsignal 110 verhindert das Öffnen der Ventile 92, 94 ohne ein Eingreifen eines Bedieners, was das Auslösen einer (nicht dargestellten) Reset-Einrichtung aufweisen kann.
• In Fig. 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Absperreinrichtung bei 200 dargestellt. In der Absperreinrichtung 200 sind die Ventile 92, 94 mit ein Absperrsignal 210 verdrahtet. Wie dargestellt, ist jedes Ventil 92, 94 parallel mit dem Absperrsignal 210 verbunden angeordnet. Im Falle eines Öffnens eines Absperrschalters 208 wird die Energie von dem System entfernt, wodurch die Energie von den Ventilen 92, 94 entfernt wird. Da die Energie von den Ventilen 92, 94 entfernt ist, werden die Magnetspulen der Ventile 92, 94 unwirksam gemacht.
• Die Vorteile der Ventileinheit und eines Separators, in den die Ventileinheit eingebracht ist, schließen die verbesserte Regelung der Abflußrate des Wassers während des Betriebs des Elektrolysezellensystems ein. Die Steuerung der Entnahmerate führt zu einer verbesserten Druckstabilisierung innerhalb des Separators und zu einer verbesserten Regelung des Wasserpegels. Die Absperreinrichtung verhindert das Öffnen der Ventile in dem Fall, daß der Separator kein Wasser enthält, was wiederum ein Austreten von Wasserstoff durch den Flüssigkeitsauslaß des Separators verhindert. Des weiteren ist die verdrahtete Verbindung des Ventils mit dem Absperrsignal ein redundantes Merkmal, welches eine Ventilbetätigung im Falle eines Ausfallens des elektrischen Signals verhindert. Ein derartiges Schema verhindert weiterhin das Austreten von Wasserstoff durch den Flüssigkeitsauslaß des Separators.
• Obwohl die Erfindung mit Bezug zu einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, daß verschiedene Änderungen durchgeführt werden und Elemente der Erfindung durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne dabei den Bereich der Erfindung zu verlassen. Des weiteren können zahlreiche Veränderungen durchgeführt werden, um die Lehren der Erfindung einer bestimmten Situation oder Material anzupassen, ohne den wesentlichen Bereich der Erfindung zu verlassen. Daher wird angemerkt, daß die Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist, die als die beste Weise betrachtet werden um diese Erfindung darzustellen, sondern daß die Erfindung alle Ausführungsformen, die in den Bereich der angehängten Ansprüche fallen einschließt.

Claims (13)

1. Gasherstellungssystem, welches aufweist:
eine elektrochemische Zelle,
eine mit der elektrochemischen Zelle strömungstechnisch verbundene Flüssigkeitseinspeisung,
eine mit der elektrochemischen Zelle elektrisch verbundene Energiequelle und
ein mit der elektrochemischen Zelle strömungstechnisch verbundener Gas/Flüssig-Phasenseparator,
wobei der Gas/Flüssig-Phasenseparator eine Ventilanordnung aufweist, die mit einem Flüssigkeitsauslaß des Gas/Flüssig-Phasenseparators strömungstechnisch verbunden ist, und die Ventilanordnung wenigstens zwei über variierende Durchflußratenbereiche regelbare Ventile aufweist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile als Reaktion auf einen Druck des gasproduzierenden Systems und eines Flüssigkeitspegels des Gas/Flüssig-Phasenseparators selektiv regelbar sind.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile durch Magnetspulen betätigte Ventile sind.

4. Gas/Flüssig-Phasenseparator, welcher aufweist:
einen Flüssigkeitseinlaß,
einen Dampfauslaß,
einen Flüssigkeitsauslaß,
ein mit dem Flüssigkeitsauslaß strömungstechnisch verbunden angeordnetes erstes Ventil, wobei das erste Ventil als Reaktion auf einen Wasserstoffsystemdruck und einen Flüssigkeitspegel in dem Gas/Flüssig- Phasenseparator regelbar ist, und
einem zweiten mit dem Flüssigkeitsauslaß strömungstechnisch verbunden angeordneten Ventil, wobei das zweite Ventil als Reaktion auf einen Wasserstoffsystemdruck und einen Flüssigkeitspegel in dem Gas/Flüssig- Phasenseparator regelbar ist und mit dem ersten Ventil in einer parallelen Durchflußanordnung angeordnet ist.

5. Gas/Flüssig-Phasenseparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines oder beide der Ventile durch Magnetspulen betätigte Ventile sind.

6. Gas/Flüssigkeit-Phasenseparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ventil über einen Durchflußratenbereich von ungefähr 110 L/h bis ungefähr 120 L/h regelbar ist.

7. Gas/Flüssig-Phasenseparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ventil über einen Durchflußratenbereich von ungefähr 105 L/h bis ungefähr 113 L/h regelbar ist.

8. Gas/Flüssig-Phasenseparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ventil über einen Durchflußratenbereich von ungefähr 8 L/h bis ungefähr 15 L/h regelbar ist.

9. Gas/Flüssig-Phasenseparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ventil über einen Durchflußratenbereich von ungefähr 9,3 L/h bis ungefähr 13,5 L/h regelbar ist.

10. Ventileinheit für einen Gas/Flüssig-Phasenseparator eines elektrochemischen Zellensystems, wobei die Ventileinheit aufweist:
ein erstes als Reaktion auf einen Systemdruck und einen Flüssigkeitspegel in dem Gas/Flüssig-Phasenseparator regelbares Ventil und
ein zweites Ventil, welches mit dem ersten Ventil strömungstechnisch verbunden in einer parallelen Anordnung angeordnet ist, wobei das zweite Ventil als Reaktion auf einen Systemdruck und einen Flüssigkeitspegel in dem Gas/Flüssig-Phasenseparator regelbar ist.

11. Verfahren zur Steuerung eines Flüssigkeitspegels in einem Gas/Flüssig- Phasenseparator, welches aufweist:
Erfassen einer Menge einer Flüssigkeit in dem Gas/Flüssig-Phasenseparator, Erfassen eines Druckes des Gases, und
selektives Öffnen eines mit dem Gas/Flüssig-Phasenseparator strömungstechnisch verbunden angeordneten Ventiles, um die Flüssigkeit abzulassen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassen der Menge der Flüssigkeit ein
Festsetzen eines Flüssigkeitspegels in dem Gas/Flüssig-Phasenseparators,
ein Umwandeln des festgelegten Flüssigkeitspegels in ein Signal und
ein Übermitteln des Signals zu einer Steuereinheit aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive Öffnen der Ventile
ein Vergleichen des Drucks des Gases mit einem vorprogrammierten gespeicherten Druckwert und mit der Menge der Flüssigkeit in dem Gas/Flüssig-Phasenseparator,
ein Treffen einer Entscheidung, welche auf dem Vergleich des Drucks des Gases, des vorprogrammierten gespeicherten Druckwerts und der Menge der Flüssigkeit beruht,
ein auf der getroffenen Entscheidung basiertes Auswählen eines Ventils und ein Liefern eines Signals zum ausgewählten Ventil aufweist.