DE10102358B4

DE10102358B4 - Befeuchter für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10102358B4
Application number: DE10102358A
Authority: DE
Inventors: Toshikatsu Wako Katagiri; Yoshio Wako Kusano; Hiroshi Wako Shimanuki; Motohiro Wako Suzuki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2021-01-20
Also published as: US20010015501A1; US6554261B2; DE10102358A1

Abstract

Befeuchter für eine Brennstoffzelle, der umfaßt:
ein Gehäuse (21a), das mehrere Bündel (21b, 21b) aufnimmt, die wasserdurchlässige Hohlfasermembranen (HF) enthalten, die in Längsrichtung des Gehäuses (21a) angeordnet sind, um die unterschiedlichen Wassergehalte zweier verschiedener Gase, die durch das Innere und den Raum außerhalb der wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen (HF) zu leiten sind, auszutauschen und das Gas, das den geringeren Wassergehalt aufweist, zu befeuchten,
gekennzeichnet durch
ein Heizmittel zum Zuführen einer Wärmemenge zu den Bündeln (21b, 21b) der Hohlfasermembranen (HF),
wobei das Heizmittel eine Vorrichtung (37, 47) zum Durchleiten des durch Kühlung der Brennstoffzelle (1) erwärmten Kühlwassers umfaßt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Befeuchter. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Befeuchter, der mit einer wasserdurchlässigen Hohlfasermembran versehen ist, und auf ein Brennstoffzellensystem, das mit diesem Befeuchter ausgerüstet ist und auch in kälteren Gebieten verwendet wird.

2. Stand der Technik

Es wurde eine Brennstoffzelle des Feststoff-Makromolekular-Typs verwendet. In den letzten Jahren wurde hauptsächlich eine Brennstoffzelle, die mit einem Befeuchter ausgerüstet ist, der eine gute Wasserdurchlässigkeit aufweist, als Stromquelle für Automobile eingesetzt. Feuchtigkeit, die im Auspuffgas (Abgas) enthalten ist, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, wird über den Befeuchter auf trockene Luft übertragen. Es wird vorzugsweise eine Brennstoffzelle mit geringem elektrischen Leistungsverbrauch eingesetzt. Ferner wird ein Befeuchtet mit kleinerem Installationsraum benötigt. Mit anderen Worten, es wird ein kompakter Befeuchter benötigt. Aus diesem Grund wird der mit einer Hohlfasermembran versehene Befeuchter am häufigsten für die Brennstoffzelle verwendet, abgesehen von einem Ultraschallbefeuchter, einem Dampfbefeuchter, einem Verdampfungsbefeuchter oder einem Düseneinspritzbefeuchter.

Ein herkömmlicher Befeuchter, der mit einer Hohlfasermembran versehen ist, ist offenbart in der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP07-071795A. Wie in 1 gezeigt, umfaßt ein Befeuchter 100 ein Gehäuse 101, an dem ein erster Einlaß 102 zum Einleiten von trockener Luft und ein erster Auslaß 103 zum Ableiten der trockenen Luft (befeuchtete trockene Luft) vorgesehen sind. Ein Bündel von Hohlfasermembranen 104, das mehrere Hohlfasermembranen (z. B. 5.000) umfaßt, ist im Gehäuse 101 aufgenommen.

An beiden Enden des Gehäuses 101 sind Befestigungselemente 105, 105' für die Befestigung der Enden des Bündels 104 vorgesehen, wobei diese offen gelassen werden. Außerhalb des Befestigungselements 105 ist ein zweiter Einlaß 106 zum Einleiten von feuchter Luft oder feuchtem Gas vorgesehen, wobei ein zweiter Auslaß 107 außerhalb des Befestigungselements 105' vorgesehen ist, um die feuchte Luft abzuleiten, deren Feuchtigkeit von dem Bündel von Hohlfasermembranen 104 abgeschieden und entfernt worden ist. Die Befestigungselemente 105, 105' sind mit einer ersten Kopfabdeckung 108 bzw. einer zweiten Kopfabdeckung 109 abgedeckt. Ferner ist der zweite Einlaß 106 an der ersten Kopfabdeckung 108 ausgebildet, während der zweite Auslaß 107 an der zweiten Kopfabdeckung 109 ausgebildet ist.

Im obenerwähnten Befeuchter 100, der Hohlfasermembranen verwendet, gelangt die vom zweiten Einlaß 106 eingeleitete feuchte Luft durch die Hohlfasermembranen, die das Bündel der Hohlfasermembranen 104 bilden, wobei die Feuchtigkeit in der feuchten Luft durch die Kapillarwirkung der Hohlfasermembranen abgeschieden wird. Die abgetrennte Feuchtigkeit bewegt sich durch eine Kapillarröhre der Membran aus der Hohlfasermembran heraus. Die entfeuchtete Luft wird aus dem zweiten Auslaß 107 abgegeben.

Gleichzeitig wird Trockenluft vom ersten Einlaß 102 zugeführt. Die Trockenluft vom ersten Einlaß 102 strömt außerhalb der Hohlfasermembranen, die das Bündel der Hohlfasermembranen bilden. Da die von der feuchten Luft abgetrennte Feuchtigkeit sich aus den Hohlfasermembranen herausbewegt hat, befeuchtet die Feuchtigkeit die Trockenluft. Die befeuchtete Trockenluft wird anschließend aus dem ersten Auslaß 103 abgegeben.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß der Befeuchter 100, der die herkömmlichen Hohlfasermembranen verwendet, in kälteren Gebieten manchmal einfriert. Wenn das Bündel aus Hohlfasern, das eine Wasserdurchlässigkeit aufweist und im Hohlfasermembranmodul angeordnet ist, in kälteren Gebieten einfriert, ist der Operator gezwungen, zu warten, bis das gefrorene Bündel aus Hohlfasermembranen durch die aufgewärmte Atmosphäre selbständig auftaut. Dementsprechend wird manchmal verhindert, daß sich der Be feuchter 100 im normalen Betriebszustand befindet.

Die JP 07-071795 AA zeigt einen Befeuchter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Dieser Befeuchter hat kein Heizmittel.

Die DE 43 91 900 C2 und die JP 05-033975 AA zeigen Befeuchter mit elektrischen Heizern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Befeuchter für eine Brennstoffzelle anzugeben, der mit geringem technischem Aufwand selbst in kälteren Gebieten ohne Probleme verwendet werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wir ein Befeuchter für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 angegeben.

Durch die Verwendung eines solchen Heizmittels zum Zuführen von Wärme zum Bündel von Hohlfasermembranen kann der Befeuchter selbst in kälteren Gebieten ohne Probleme verwendet werden, indem das gefrorene Bündel von Hohlfasermembranen aufgetaut wird.

Da das Heizmittel das durch Kühlung der Brennstoffzelle erwärmte Kühlwasser aufweist, kommt man ohne zusätzliches, mit gesonderter Energie zu versorgendes Heizmittel aus, wodurch der technische Aufwand gering wird.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Querschnitt, der einen herkömmlichen Befeuchter zeigt.

2 ist ein Blockschaltbild, das den Gesamtaufbau des Brennstoffzellensystems zeigt, das mit dem Befeuchter gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist.

3 ist ein Blockschaltbild, das den Gesamtaufbau des Brennstoffzellensystems zeigt, das durch den Befeuchter gemäß der vorliegenden Erfindung befeuchtet wird.

4A ist eine perspektivische Ansicht, die den Gesamtaufbau des Befeuchters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

4B ist eine perspektivische Ansicht eines Moduls von Hohlfasermembranen gemäß der vorliegenden Erfindung.

4C ist eine vergrößere Ansicht der Hohlfasermembranen gemäß der vorliegenden Erfindung.

5A ist ein Querschnitt, der eine Strömung von Gasen innerhalb des Befeuchters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

5B ist ein Querschnitt längs der Linie X-X der 5A.

5C ist ein Querschnitt längs der Linie Y-Y der 5A.

6A ist ein Querschnitt des Heizmittels zum Zuführen von Wärme zu dem Bündel von wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen, das im Gehäuse des Moduls der Hohlfasermembranen aufgenommen ist, welches im Befeuchter gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.

6B ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Heizmittels der 6A.

7 zeigt den Gesamtaufbau eines Brennstoffzellen-Kastens, der ein wärmebeständiges Material oder einen umschlossenen Vakuumraum aufweist zum Warmhalten des Brennstoffzellensystems im Befeuchter gemäß der vorliegenden Erfindung.

8 ist ein Flußdiagramm für das Auftauen des Bündels der gefrorenen Hohlfasermembranen, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird.

9 ist ein Flußdiagramm, das zeigt, wie das Bündel der Hohlfasermembranen aufgewärmt wird, wenn die mit dem Befeuchter gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstete Brennstoffzelle gestoppt wird.

10 ist ein Flußdiagramm, das zeigt, wie die Restbatterieladung in der Speicherbatterie gesichert wird, wenn die Brennstoffzelle gestoppt wird.

11A ist eine Querschnittsansicht des Heizmittels zum Zuführen der Wärme zu dem Bündel von wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen, die im Gehäuse des Moduls aufgenommen sind, das mit dem Befeuchter gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist.

11B ist eine erweitere Ansicht des Heizmittels der 11A.

12 zeigt den Gesamtaufbau der Brennstoffzelle und des Befeuchters gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Übersicht der Rohrleitungsanordnung derselben.

13 zeigt ein weiteres Beispiel des Gesamtaufbaus der Brennstoffzelle und des Befeuchters gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Übersicht der Rohrleitungsanordnung derselben.

14 zeigt ein weiteres, durch Anspruch 1 nicht gedecktes Beispiel des Gesamtaufbaus der Brennstoffzelle und des Befeuchters und eine Übersicht der Rohrleitungsanordnung derselben, zum Vergleich.

GENAUE ERLÄUTERUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Im folgenden wird ein Beispiel des Befeuchters gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
2 ist ein Blockschaltbild, das den Gesamtaufbau des Brennstoffzellensystems zeigt. 3 ist ein Blockschaltbild, das die Gesamtkonstruktion des Brennstoffzellensystems erläutert. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die die Gesamtkonstruktion des Brennstoffzellensystems zeigt. 5 ist ein Querschnitt, der die Strömung der Gase im Befeuchter zeigt.
2 zeigt die Gesamtkonstruktion und die Funktion des Brennstoffzellensystems gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Das Brennstoffzellensystem (im folgenden und in den Zeichnungen nur mit FCS bezeichnet) umfaßt eine Brennstoffzelle 1, einen Befeuchter 2, einen Gas/Flüssigkeit-Separator, einen Luftkompressor 4, einen Vergasungsbrenner 5, einen Kraftstoffverdampfer 6, einen Reformer 7, einen CO-Entferner 8 und einen Speichertank für das Gemisch aus Wasser und Methanol (im folgenden nur mit Tank bezeichnet). Die Brennstoffzelle 1 entspricht einem Feststoff-Makromolekular-Typ.
In der Brennstoffzelle 1 wird befeuchtete Luft als ein Oxidationsmittelgas einer Sauerstoffpolseite 1a zugeführt, während wasserstoff-angereichertes Gas als ein Brennstoffgas einer Wasserstoffpolseite 1b zugeführt wird. Die Brennstoffzelle 1 entnimmt elektrische Energie aus der chemischen Energie, die aufgrund der chemischen Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt wird, um Strom zu erzeugen. Die befeuchtete Luft wird erzeugt durch Komprimieren von atmosphärischer Luft (Luft), die durch den Luftkompressor 4 komprimiert wird, und anschließendes Befeuchten der komprimierten Luft im Befeuchter 2. Die Befeuchtung der trockenen Luft wird ausgeführt durch den Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Abgas, das relativ größere Mengen an Feuchtigkeit enthält, die vom Sauerstoffpol 1a abgegeben wird, und der trockenen Luft, die einen relativ kleineren Feuchtigkeitsgehalt aufweist, wobei Einzelheiten hierzu später beschrieben werden. Das Brennstoffgas wird erzeugt, wenn das Gemisch aus Wasser und Methanol, das eine Rohbrennstoffflüssigkeit ist, im Brennstoffverdampfer 6 verdampft wird und im Reformer 7 reformiert wird, gefolgt von der Entfernung des Kohlenmonoxids (CO) im CO-Entferner 8. Die im Tankt T gespeicherte Rohbrennstoffflüssigkeit wird über eine Pumpe P dem Brennstoffverdampfer 6 dosiert zugeführt, wo der flüssige Brennstoff verdampft wird und für die Reformierung mit Luft gemischt wird, um ein Rohbrennstoffgas bereitzustellen, wobei das resultierende Rohbrennstoffgas dem Reformer 7 und anschließend dem CO-Entferner 8 zugeführt wird, wo CO entfernt wird. Im Reformer 7 wird Methanol unter Anwesenheit eines Katalysators dampfreformiert und teilweise oxidiert. Im CO-Entferner 8 wird CO bei Anwesenheit eines Katalysators selektiv oxidiert, um in CO₂ umgesetzt zu werden. Um die Konzentration von Kohlenmonoxid schnell zu verringern, umfaßt der CO-Entferner zwei CO-Entferner, d. h. den CO-Entferner Nr. 1 und den CO-Entferner Nr. 2. Der Luftkompressor 4 liefert Luft für die selektive Oxidation zum CO-Entferner 8.
Das Abgas, das eine große Menge an Wasser enthält, das an der Sauerstoffpolseite 1a erzeugt wird, und das Abgas, das restlichen Wasserstoff an der Wasserstoffpolseite 1b enthält, treten gleichzeitig auf. Das Abgas an der Sauerstoffpolseite 1a wird für die Befeuchtung der Luft im Befeuchter 2 verwendet, wie oben erwähnt worden ist, woraufhin es mit dem Abgas von der Wasserstoffpolseite 1b gemischt wird und das darin enthaltene Wasser durch den Gas/Flüssigkeit-Separator 3 entfernt wird. Folglich wird das Abgas, aus dem das Wasser entfernt worden ist (gemischtes Abgas), im Vergasungsbrenner 5 verbrannt und als eine Wärmequelle für den Kraftstoffverdampfer 6 verwendet. Es ist zu beachten, daß dem Vergasungsbrenner 5 Zusatzbrennstoff (Methanol) und Luft zugeführt werden, um eine ausreichende Wärmemenge zu liefern und das Brennstoffzellensystem FCS aufzuwärmen, wenn es gestartet wird.
Die Konfiguration und Funktion der Brennstoffzelle wird im folgenden mit Bezug auf 3 beschrieben. In 3 ist die Brennstoffzelle 1 als eine Einzelzelle dargestellt, um die Konfiguration zu vereinfachen. (In Wirklichkeit ist die Brennstoffzelle 1 als Laminat mit etwa 200 laminierten Einzelzellen konfiguriert).
Wie in 3 gezeigt, ist die Brennstoffzelle 1 über eine Elektrolytmembran 13 in die Wasserstoffpolseite 1b und die Sauerstoffpolseite 1a unterteilt, wobei jeder der Pole eine Elektrode aufweist, die einen Platinserienkatalysator enthält, um einen Wasserstoffpol 14 und einen Sauerstoffpol 12 zu bilden. Das wasserstoff-angereicherte Gas, das aus der Rohbrennstoffflüssigkeit austritt, wird als Brennstoffgas über einen Gasdurchlaß 15 an die Wasserstoffpolseite geleitet, während die befeuchtete Luft, die im Befeuchter 2 befeuchtet worden ist, als Oxidationsmittelgas durch einen Gasdurchlaß 15 an die Sauerstoffpolseite geleitet wird. Als Elektrolytmembran 13, die hier verwendet werden kann, waren Feststoff-Makromolekül-Membranen bekannt, wie z. B. Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure, die eine Protonenaustauschmembran ist. Die Elektrolytmembran 13 weist mehrere Protonenaus tauschgruppen im Feststoff-Makromolekül auf, und weist einen niedrigen spezifischen Widerstand bei Normaltemperatur auf, wenn sie mit Wasser gesättigt ist, das als protonenleitender Elektrolyt dient. Die durch die Ionisierung des Wasserstoffs bei Anwesenheit des Katalysators erzeugten Protonen können folglich in der Elektrolytmembran 13 leicht wandern und erreichen den Sauerstoffpol 13, an welchem die Protonen leicht mit den Sauerstoffionen reagieren, die aus der befeuchteten Luft bei Anwesenheit des Katalysators erzeugt werden, um Wasser zu erzeugen. Das erzeugte Wasser wird aus einem Auslaß, der an der Sauerstoffpolseite 1a der Brennstoffzelle 1 vorhanden ist, als ein feuchtes Abgas zusammen mit der befeuchteten Luft abgegeben. Zum Zeitpunkt der Ionisierung des Wasserstoffs werden Elektronen e^– am Wasserstoffpol 14 erzeugt. Die erzeugten Elektronen e^– erreichen den Sauerstoffpol 12 über eine externe Last M, wie z. B. einen Motor.
Der Grund dafür, daß die befeuchtete Luft der Brennstoffzelle 1 als ein Oxidationsmittelgas zugeführt wird, besteht darin, daß die Stromerzeugungseffizienz aufgrund der gesenkten Protonenleitfähigkeit in der Elektrolytmembran 13 verringert wird, wenn die Elektrolytmembran 13 getrocknet wird. Folglich ist im Brennstoffzellensystem FCS, das die Feststoff-Makromolekültyp-Brennstoffzelle 1 verwendet, die Befeuchtung von besonderer Bedeutung. Die Rohbrennstoffflüssigkeit, die ein Gemisch aus Wasser und Methanol umfaßt, enthält eine große Menge an Wasser, welches zum Zweck der Befeuchtung des Brennstoffgases verwendet wird. Wenn jedoch die Rohbrennstoffflüssigkeit keine ausreichende Menge an Wasser für die Befeuchtung des Rohbrennstoffgases enthalten sollte, ist es wünschenswert, den Befeuchter 2 gemäß der vorliegenden Erfindung anzuwenden.
Die Konfiguration und Funktion des Befeuchters 2 wird im folgenden mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben.
Wie in 4A gezeigt, enthält der Befeuchter zwei Module von näherungsweise zylindrischer Struktur. Die zwei Module sind parallel zueinander angeordnet. Der Befeuchter enthält ferner ein Gehäuse, bei dem ein Ende mit einem Verteiler 22 versehen ist und das andere Ende mit einem weiteren Verteiler 23 versehen ist. Die Gesamtkonfiguration des Befeuchters 2 ist quaderförmig. Zwei Module der Hohlfasermembranen 21, 21 sind mittels des Verteilers 22, der an einem Ende des Gehäuses angeordnet ist, und des Verteilers 23, der am anderen Ende des Gehäuses angeordnet ist, auf der gleichen Ebene mit einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander sicher befestigt. Vom Verteiler 22 wird die Trockenluft zugeführt und das Abgas abgeführt. Vom Verteiler 23 wird die befeuchtete Luft abgeführt und das Abgas zugeführt.
Wie in 4B gezeigt, umfaßt das Hohlfasermembranmodul 21 ein Gehäuse 21a und ein Bündel von Hohlfasermembranen 21b, das im Gehäuse 21a aufgenommen ist. Das Gehäuse 21a ist ein hohles zylindrisches Rohr, dessen beide Enden offen sind. Das Gehäuse 21a ist mit mehreren Öffnungen (etwa 8 Stück längs der Umfangsrichtung an jedem Ende) versehen, die nahe dem jeweiligen Ende angeordnet sind. Das Bündel der Hohlfasermembranen 21b, das im Gehäuse 21a aufgenommen ist, umfaßt ein Bündel aus Hohlfasern, das mehrere tausend Hohlfasermembranen HF enthält (im folgenden nur mit HF bezeichnet), wie in 4C gezeigt ist. Die beiden Enden der HF sind jeweils mit einem Klebstoff fixiert, so daß die hohlen Durchlässe der Hohlfasermembranen an jedem Ende die hohlen Durchlässe im Normalströmungszustand halten können. Die Abschnitte, an denen die HF 21b mit dem Klebstoff an beiden Enden sicher am Gehäuse 21a befestigt sind, werden als Vergußabschnitte 21g, 21h bezeichnet. Das durch das Innere des hohlen Durchlasses der HF 21b geleitete Abgas und die durch den Raum außerhalb hohlen Durchlasses der HF 21b geleitete befeuchtete Trockenluft werden streng daran gehindert, sich zu vermischen. An einem Ende des Gehäuses 21a wird das eine Ende des Hohlfasermembranmoduls 21 als eine Auslaßöffnung 21dout des Abgases verwendet, wobei das andere Ende als eine Zufuhröffnung 21din des Abgases verwendet wird. Hierbei wird die Öffnung längs der Umfangsrichtung an einem Ende des Gehäuses 21a als ein Trockenlufteinlaß 21cin verwendet, während die andere Öffnung längs der Umfangsrichtung am anderen Ende des Gehäuses 21a als ein Feuchtluftauslaß 21cout verwendet wird. Ein solches Modul von Hohlfasermembranen 21 wird so vorbereitet, daß eine vorgegebene Anzahl von Hohlfasermembranen im Gehäuse 21a plaziert wird, wobei die beiden Enden jeder HF an jedem Ende des Gehäuses 21a gehalten werden, um das Ende der HF mittels Klebstoff am Ende des Gehäuses 21a zu befestigen und das Bündel der HF längs der Stirnwand des Gehäuses 21a auszuschneiden.
Das Heizmittel zum Zuführen einer erforderlichen Wärmemenge zum Bündel der Hohlfasermembranen, die im Gehäuse 21a des Moduls 21 aufgenommen sind, wird später erläutert.
Der Verteiler 22 sowie der andere Verteiler 23 fixieren die zwei Module der Hohlfasermembranen 21, 21 zwischen den zwei Verteilern mit einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander. Der Verteiler 22 weist den Abgasauslaß 22a und den Trockenlufteinlaß 22b auf. Der Abgasauslaß 22a und der Abgasauslaß 21dout jedes Moduls der Hohlfasermembranen 21 sind in einem internen Durchlaß 22a' verbunden, der innerhalb des Verteilers 22 angeordnet ist (siehe 5A, 5B). In ähnlicher Weise sind der Trockenlufteinlaß 22b und der Trockenlufteinlaß 21c jedes Moduls der Hohlfasermembranen 21 in einem internen Durchlaß 22b' verbunden, der innerhalb des Verteilers 22 angeordnet ist (siehe 5A, 5B).
Hierbei ist der am anderen Ende des Moduls 21 angeordnete Verteiler 23 mit dem Abgaseinlaß 23a und dem Feuchtluftauslaß 23b versehen. Der Abgaseinlaß 23a und der Abgaseinlaß 21din jedes Moduls der Hohlfasermembranen 21 sind im inneren Strömungsdurchlaß 23a' verbunden, der innerhalb des Verteilers 23 am anderen Ende angeordnet ist (siehe 5A). In ähnlicher Weise sind der Feuchtluftauslaß 23b und der Feuchtluftauslaß 21cout in einem internen Durchlaß 23b' verbunden, der innerhalb des Verteilers 23 angeordnet ist (siehe 5A).
Die Hohlfasermembran HF, die in dem Modul der Hohlfasermembranen angewendet wird, ist eine Hohlfaser mit einem Innendurchmesser zwischen 300 Mikrometer und 700 Mikrometer, wie in 4c gezeigt ist. Aufgrund der Feinheit des Durchmessers der Hohlfasermembran ist diese dadurch gekennzeichnet, daß die Packungsdichte pro Hohlfasermembran größer ist. Die Hohlfasermembran HF weist eine hervorragende Beständigkeit gegenüber hohem Druck auf. Die Feuchtigkeit wird durch die Hohlfasermembran abgetrennt, so daß das Abgas durch das Innere der Hohlfasermembran HF geleitet wird und der Dampfdruck in der Kapillare der Hohlfasermembran verringert wird, um den Dampf in der Kapillare zu kondensieren, wobei das Kondensat erzeugt wird. Das Kondensat wird durch die Kapillarwirkung der Hohlfasermembran herausgesaugt und tritt durch die Hohlfasermembran nach außen. Der Raum außerhalb der Hohlfasermembran ist mit der Trockenluft gefüllt.
Die Funktion des Befeuchters 2 wird im folgenden mit Bezug auf 4 und 5 erläutert.
Das Abgas wird durch den Abgaseinlaß 23a des Verteilers 23 in den Befeuchter 2 zugeführt. Das Gas wird durch den inneren Durchlaß 23a' eingeleitet und erreicht den Abgaseinlaß 21din des Hohlfasermembranmoduls 21. Das Abgas wird am Einlaß 21d verteilt und durch das Innere der Hohlfasermembranen HF des Hohlfasermembranbündels 21b geleitet. Die im Abgas enthaltene Feuchtigkeit wird auf die Trockenluft übertragen, die durch den Raum außerhalb der HF geleitet wird. Nachdem der Feuchtigkeitsaustausch mit der durch den Raum außerhalb der HF geleiteten trockenen Luft bewerkstelligt worden ist, wird das Abgas aus dem Abgasauslaß 21dout abgegeben. Das durch die jeweiligen Hohlfasermembranen HF geleitete Abgas wird vereinigt und strömt gemeinsam zum Abgasauslaß 22a durch den inneren Durchlaß 22a'. Das Abgas wird in Richtung zum Gas/Flüssigkeit-Separator 3 geleitet. Wie oben erwähnt worden ist, ist der innere Durchlaß 23a' des Verteilers 23 mit jedem der Hohlfasermembranmodule 21 bzw. 21 verbunden, so daß das Abgas auf alle Module 21 verteilt wird. Die Funktion und der Ort des inneren Durchlasses 22a' des Verteilers 22 sind dieselben wie beim inneren Durchlaß 23a' des Verteilers 23. Eine Erläuterung wird weggelassen.
Inzwischen wird die Trockenluft durch den Trockenlufteinlaß 22b des Verteilers 22 in den Befeuchter 2 geleitet. Die Trockenluft erreicht den Trockenlufteinlaß 21cin des Hohlfasermembranmoduls 21 durch den inneren Durchlaß 22b'. Die Trockenluft fließt außerhalb der Hohlfasermembranen HF und wird durch das Innere des Gehäuses 21a geleitet. Der Trockenluft wird Feuchtigkeit vom Abgas zugeführt, um befeuchtet zu werden. Die befeuchtete Trockenluft wird aus dem Gehäuse 21a durch den Auslaß für befeuchtete Trockenluft 21cout abgegeben. Die befeuchtete Trockenluft erreicht den Auslaß für befeuchtete Trockenluft 23b durch den inneren Durchlaß 23b' und wird später zum Gas/Flüssigkeit-Separator 3 weitergeleitet. Wie oben erwähnt worden ist, ist der innere Durchlaß 22b' des Verteilers 22 mit jedem der zwei Hohlfasermembranmodule 21 verbunden. Die Trockenluft wird auf alle Hohlfasermembranmodule verteilt. Die Funktion und der Ort des inneren Durchlasses 23b' sind die gleichen wie diejenigen des inneren Durchlasses 22b'. Daher wird eine Erläuterung derselben weggelassen.
Die Konfiguration des Hohlfasermembranmoduls 21 ist so kompakt ausgeführt, daß eine Behandlung einfach ist. Es beansprucht einen kleineren Raum. Dies ist eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung.
Im folgenden werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen des Heizmittels zum Zuführen einer Wärmemenge zu dem Bündel der wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen beschrieben, das auf den Befeuchter gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird, der in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird.
Die erste Ausführungsform des Heizmittels zum Zuführen einer Wärmemenge zu dem Bündel der Hohlfasermembranen, die mehrere wasserdurchlässige Hohlfasermembranen umfaßt, die im Gehäuse 21a des Hohlfasermembranmoduls 21 des Befeuchters 2 enthalten sind, wird in 6A erläutert. Das Heizmittel umfaßt eine Heizvorrichtung 37, die eine in das Bündel der Hohlfasermembranen 36 eingebettete Flosse 37b sowie drei Thermoelemente TC zum Messen der Temperatur bereitstellt. Die Wärmemenge wird dem Bündel der Hohlfasermembranen zugeführt, indem die vom Thermoelement TC angezeigte Temperatur beobachtet wird.
Der Heizvorrichtungshauptkörper 37a weist eine stangenartige Konfiguration auf, wie in 6B gezeigt ist. Die vier Flossen 37b stehen in Radialrichtung fest nach außen hervor. Die Konfiguration der Flosse 37b ist trapezförmig. Die obere Grundlinie des Trapezes ist außen angeordnet. Mit dieser Flosse 37b wird die Wärmemenge von der Heizvorrichtung 37a effektiv auf die Hohlfasermembran übertragen.
Es sind zwei Leitungsdrähte 37c, 37d am Ende des Heizvorrichtungshauptkörpers 37a vorgesehen. Es ist möglich, über die Leitungsdrähte 37c, 37d elektrische Leistung von einer Batterie oder einer äußeren Stromversorgung der Heizvorrichtung 37 zuzuführen.
6B zeigt eine elektrische Heizvorrichtung, die mit der Flosse 37b versehen ist. Erfindungsgemäß wird aber anstelle der elektrischen Leistung heißes Wasser verwendet. Hierzu wird ein Heißwasserzufuhrrohr als ein Wärmetauscher mit Flossen anstelle der Leitungsdrähte 37c, 37d verwendet. Als heißes Wasser wird das Wasser verwendet, das zum Kühlen des Brennstoffzellenhauptkörpers verwendet wird. Die Temperatur des heißen Wassers nach der Verwendung zum Kühlen des Brennstoffzellenhauptkörpers beträgt etwa 80 °C.
Die drei Thermoelemente TC sind am oberen Teil des Gehäuses 31 in dessen Längsrichtung vorgesehen. Der Temperatursensor jedes Thermoelements ist in der Mitte der Hohlfasermembran angeordnet, um die Temperatur in der Mitte des Moduls 21c zu messen. Man kann aber auch vier Thermoelemente TC verwenden.
Es sind die drei Thermoelemente TC vorgesehen, von denen die Temperatur im Mittelabschnitt des Moduls bekannt ist. Anhand der Anzeige des Thermoelements wird beobachtet, ob die Hohlfasermembranen gefroren oder aufgetaut sind.
Der Operator kann mittels der Heizvorrichtung eine Wärmemenge zuführen und die vom Thermoelement angezeigte Temperatur beobachten. Der Befeuchter wird verwendet, um die Hohlfasermembran aufzutauen, wenn sie gefroren ist. Es ist ferner möglich, den wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen eine Wärmemenge zuzuführen, wenn der Befeuchtungs-Feuchtigkeitsgehalt in der Trockenluft aus bestimmten unbekannten Gründen verringert ist. Der Brennstoffzelle werden immer stabile Feuchtigkeitsgehalte zur Befeuchtung zugeführt.
Das Verfahren zum Auftauen der gefrorenen Hohlfasermembran, das die vom Thermoelement angezeigte Temperatur beobachtet, wird später beschrieben.
Wie in 7 gezeigt, ist der Gesamtaufbau des Brennstoffzellensystems FCS mit Ausnahme des Brennstoffverdampfers 6 und des Reformers 7 in einem Gehäuse aufgenommen. Das Gehäuse ist aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt oder weist über die gesamte Umfangswand eine Vakuumschicht auf, um das Brennstoffzellensystem warmzuhalten. Als wärmeisolierendes Material wird ein Pulver aus einem Siliciumoxid/Aluminiumoxid-Serienmaterial (z. B. Perlit) verwendet. Ein Deckentyp-Wärmeisolationsmaterial wird ebenfalls angewendet. Der Grad des Vakuums ist höher als 1,33·10^–2 Pa, was etwas höher ist als der Grad von Thermosflaschen. Wenn ein Pulverisolationsmaterial wie z. B. Perlit in die Vakuumschicht gefüllt wird, wird die Wärmeisolation deutlich verbessert.
Wie oben erwähnt worden ist, ist die Heizvorrichtung, die mit drei Flossen und drei in das Bündel der Hohlfasermembranen eingebetteten Thermoelementen versehen ist, um die erforderliche Wärmemenge dem Hohlfasermembranmodul zuzuführen, und das gesamte Brennstoffzellensystem mit Ausnahme des Brennstoffverdampfers und des Reformers in dem Gehäuse eingeschlossen, das aus einer wärmeisolierenden Materialschicht hergestellt ist oder über den gesamten Umfang des Gehäuses eine Vakuumschicht aufweist. Somit wird das Aufwärmen des Brennstoffzellensystems deutlich verbessert. Das Brennstoffzellensystem wird schnell gestartet, wenn es erforderlich ist.
Im folgenden wird ein Auftauverfahren mittels der Heizvorrichtung beschrieben. Wenn das Bündel der Hohlfasermembranen, die im Befeuchter angebracht sind, gefroren ist, muß die Stromversorgung durch die Batterie sichergestellt werden. Das gefrorene Bündel der Hohlfasermembranen wird mittels der Heizvorrichtung aufgetaut. Das Verfahren wird mit Bezug auf die 8, 9 und 10 erläutert.
Zuerst wird vor dem Starten der Brennstoffzelle die Stromversorgung durch die Batterie sichergestellt. Die Stromquellenbatterie betreibt eine elektrische Heizvorrichtung, die sich von dem erfindungsgemäßen Heizmittel, welches das durch Kühlung der Brennstoffzelle erwärmte Kühlwasser umfasst, unterscheidet, um das gefrorene Bündel von Hohlfasermembranen aufzutauen. Das Verfahren wird mit Bezug auf 8 erläutert.
[Erläuterung des Auftauflußdiagramms, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird]

1. Ausgeben des Startbefehls, um die Brennstoffzelle zu starten (S1).
2. Beurteilen, ob die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen 36 im Hohlfasermembranmodul 21 unter 0 °C liegt durch Beobachten der von den drei Thermoelementen TC angezeigten Temperatur (S2) Wenn die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen 36 unter 0 °C angezeigt wird, wird die Heizvorrichtung 37 gestartet (S3). Wenn inzwischen die Temperatur auf 0 °C ansteigt, wird wie folgt vorgegangen: A) Stoppen der Heizvorrichtung 37 (S5). B) Beurteilen, ob die Restbatterieladung kleiner als 50 % oder größer ist (S6). C) Wenn die Restbatterieladung kleiner als 50 % ist, Starten der Brennstoffzelle, um die Batterie (S7) aufzuladen. D) Wenn die Restbatterieladung mehr als 50 % beträgt, Beenden des Auftauvorgangs.
2. Nachdem die Heizvorrichtung 37 gestartet ist (S3), Beurteilen, ob die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen 36 mehr als 5 °C beträgt (S4). Wenn die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen 36 mehr als 5 °C beträgt, Stoppen der Heizvorrichtung 37 (S5). Wenn inzwischen die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen 36 kleiner als 5 °C ist, Fortsetzen der Operation der Heizvorrichtung 37, bis die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen 36 über 5 °C ansteigt (S3).
3. Nach dem Stoppen der Heizvorrichtung (S5), Beurteilen, ob die Restbatterieladung mehr als 50 % oder weniger beträgt (S6). Wenn die Restbatterieladung weniger als 50 % beträgt, starten der

Brennstoffzelle, um die Batterie aufzuladen (S7). Wenn hierbei die Restbatterieladung über 50 % liegt, beenden des Auftauvorgangs. Ähnlich hierzu wird vor dem Starten der Brennstoffzelle die Heizvorrichtung mittels der Stromquellenbatterie betrieben, die bereits über 50 % geladen worden ist, wobei dann, wenn der Auftauvorgang beendet ist und die Heizvorrichtung gestoppt wird, der Operator die Restbatterieladung prüfen sollte. Wenn die Restbatterieladung weniger als 50 % beträgt, wird die Brennstoffzelle gestartet, um die Batterie aufzuladen. Wenn die Restbatterieladung mehr als 50 % beträgt, wird die Brennstoffzelle gestoppt. Die Stromversorgung durch die Batterie wird sichergestellt und das Bündel der gefrorenen Hohlfasermembranen wird zu einem beliebigen Zeitpunkt aufgetaut. Dementsprechend kann der Befeuchter in kälteren Gebieten verwendet werden.
Wenn die Batterie überladen werden sollte, während die Heizvorrichtung betrieben wird, stoppt das Brennstoffzellensystem den Betrieb. Die Batterie arbeitet kontinuierlich. Dies wird später beschrieben.
Nachdem die Brennstoffzelle gestoppt ist, wird die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen überwacht. Das Auftauverfahren zum Aufwärmen der Brennstoffzelle derart, daß das Bündel der wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen nicht einfrieren kann, wird mit Bezug auf 9 beschrieben.
[Erläuterung des Flußdiagramms zum Warten auf das Aufwärmen des Befeuchters, wenn die Brennstoffzelle gestoppt ist]

1. Stoppen der Brennstoffzelle (S11).
2. Beurteilen, ob die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen 36 unter 0 °C liegt, wobei die von den drei Thermoelementen TC angezeigte Temperatur beobachtet wird (S12). Wenn die Temperatur weniger als 0 °C anzeigt, Starten der Heizvorrichtung 36 (S13). Wenn inzwischen die Temperatur über 0 °C liegt, wird wie folgt vorge gangen: E) Stoppen der Heizvorrichtung 37 (S15). F) Beurteilen, ob die Restbatterieladung kleiner als 50 % ist (S16). G) Wenn die Restbatterieladung kleiner als 50 % ist, Starten der Brennstoffzelle, um die Batterie aufzuladen (S17). H) Wenn inzwischen die Restbatterieladung mehr als 50 % beträgt, Stoppen der Brennstoffzelle (S11).
3. Nachdem die Heizvorrichtung 37 gestartet ist (S13), Beurteilen, ob die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen 36 über 5 °C ansteigt (S14). Wenn die Temperatur mehr als 5 °C beträgt, Stoppen der Heizvorrichtung (S15). Wenn die Temperatur weniger als 5 °C beträgt, Fortsetzen der Operation der Heizvorrichtung 37, bis die Temperatur über 5 °C ansteigt (S13).
4. Nachdem die Heizvorrichtung gestoppt ist (S15), erneutes Beurteilen, ob die Restbatterieladung kleiner als 50 % ist (S16). Wenn die Restbatterieladung kleiner als 50 % ist, Starten der Brennstoffzelle 1, um die Batterie aufzuladen, bis sie 50 % überschreitet (S17). Wenn inzwischen die Restbatterieladung über 50 % ansteigt, Stoppen der Brennstoffzelle (Rückkehr zu S11).

Nachdem die Brennstoffzelle gestoppt ist, wird die Heizvorrichtung betätigt, wobei die Stromquellenbatterie bereits über 50 % geladen ist. Wenn die Heizvorrichtung gestoppt ist, muß der Operator prüfen, ob die Restbatterieladung immer noch im betriebsfähigen Zustand ist. Wenn die Brennstoffzelle gestartet wird, so daß die Restbatterieladung an einem Absinken unter 50 % gehindert werden kann, ist die Stromquelle der Heizvorrichtung immer gesichert. Das Bündel der gefrorenen Hohlfasermembranen wird zu einem beliebigen Zeitpunkt aufgetaut. Dementsprechend wird der Befeuchter in kälteren Gebieten verwendet.
Nachdem die Brennstoffzelle gestoppt ist, wird die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen überwacht. Das Auftauverfahren zum Aufwärmen der Brennstoffzelle derart, daß das Bündel der wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen nicht einfrieren kann, wird im folgenden mit Bezug auf 10 erläutert.
[Erläuterung des Flußdiagramms zum Sicherstellen der Restbatterieladung, wenn die Brennstoffzelle gestoppt ist]

1. Ausgeben des Stoppbefehls, um die Brennstoffzelle zu stoppen (S21).
2. Beurteilen, ob die Restbatterieladung kleiner als 50 % oder größer ist (S22). Wenn die Restbatterieladung kleiner als 50 % ist, Laden der Batterie (S23). Wenn die Restbatterieladung 50 % überschreitet, Stoppen der Brennstoffzelle (S24).
3. Wenn die Brennstoffzelle gestoppt ist, ist der Vorgang zum Sichern der Restbatterieladung zum Auftauen des Bündels der Hohlfasermembranen 36 beendet. Vor dem Stoppen der Brennstoffzelle wird geprüft, ob die Restbatterieladung kleiner oder größer als 50 % ist. Wenn die Restbatterieladung kleiner als 50 % ist, wird die Batterie geladen. Die Batterie wird gestoppt, wenn die Restbatterieladung 50 % überschreitet. Die Restbatterieladung von über 50 % wird immer sichergestellt, selbst wenn die Brennstoffzelle gestoppt wird. Folglich ist die Stromquelle für die Heizvorrichtung sichergestellt, selbst nachdem die Brennstoffzelle gestoppt worden ist. Es wird eine ausreichende Batterieladung sichergestellt. Die Batterie kann kontinuierlich arbeiten, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird, oder während des Wartens auf das Aufwärmen.

Wie oben erläutert worden ist, ist die Leistungsfähigkeit entsprechend der Betriebsbedingung der Brennstoffzelle sichergestellt, wie in der ersten bevor zugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist. Die Heizvorrichtung wird betrieben, während die Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen und die Restbatterieladung beobachtet werden, wobei das Bündel der Hohlfasermembranen jederzeit und überall aufgetaut wird oder am Einfrieren gehindert wird.
Im folgenden wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Das Heizmittel kann die Wärmemenge dem Bündel der wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen zuführen, die im Gehäuse 21a des Befeuchters aufgenommen sind. Wie in 11A gezeigt, umfaßt das Heizmittel die drei Thermoelemente zum Messen der Temperatur des Bündels der Hohlfasermembranen und eine Heizvorrichtung 47, die das äußere des Gehäuses 41 umgibt. Die Heizvorrichtung 47 kann die benötigte Wärmemenge dem gesamten Bündel der Hohlfasermembranen 46 von außerhalb des Gehäuses 41 zuführen.
Der Heizvorrichtungshauptkörper 47a ist eine flexible Heizvorrichtung. Die flexible Heizvorrichtung wird verwendet, um den Umfang des Gehäuses 41 spiralförmig zu umwickeln. Beide Enden der flexiblen Heizvorrichtung sind mit Verbindungsanschlüssen 47c, 47d versehen. 11B zeigt die Heizvorrichtung. Erfindungsgemäß verwendet die Heizvorrichtung heißes Wasser als Heizquelle.
Der Heizvorrichtungshauptkörper 47a funktioniert wie ein Wärmetauscher eines Schraubenlinientyps, wobei Heißwasserzufuhrrohre anstelle der Leitungsdrähte 47c, 47d verwendet werden. Als Kühlwasser kann das für die Kühlung des Brennstoffzellenhauptkörpers verwendete Wasser erneut für die Kühlung der Heizvorrichtung verwendet werden. Dieses Wasser weist eine Temperatur von 80 °C auf.
Die drei Thermoelemente TC sind am oberen Teil des Gehäuses 41 in dessen Längsrichtung vorgesehen. Wie in 11A gezeigt, sind die drei Thermoelemente in einem bevorzugten Abstand angeordnet. Der Temperatursensor jedes Thermoelements ist in der Mitte der Hohlfasermembran angeordnet, um die Temperatur in der Mitte des Moduls 21 zu messen. Es ist aber auch möglich, vier Thermoelemente TC zu verwenden.
Die drei Thermoelemente TC zeigen die Temperatur im Zentralteil des Moduls an. Der Operator kann die Anzeige des Thermoelements beobachten, um zu erkennen, ob das Bündel der Hohlfasermembranen eingefroren oder aufgetaut ist.
Wie in 7 gezeigt, ist der Gesamtaufbau des Brennstoffzellensystems FCS mit Ausnahme des Brennstoffverdampfers 6 und des Reformers 7 im Gehäuse eingeschlossen. Das Gehäuse ist aus wärmeisolierendem Material hergestellt oder weist über der gesamten Umfangswand eine Vakuumschicht auf, um das Brennstoffzellensystem warmzuhalten. Als wärmeisolierendes Material wird ein Pulver aus Siliciumoxid/Aluminiumoxid-Serienmaterialien (z. B. Perlit) verwendet. Ein Deckentyp-Wärmeisolationsmaterial wird ebenfalls angewendet. Der Grad des Vakuums beträgt vorzugsweise 1,33·10^–2 Pa.
Es wurden einige Verbesserungen vorgenommen, um das Heizmittel effektiv zu nutzen. Erfindungsgemäß umfaßt das Heizmittel die Nutzung des Kühlwassers, das für die Kühlung der Brennstoffzelle verwendet wird, wobei das Kühlwasser wiederverwendet wird, um es am Außenumfang des Befeuchters strömen zu lassen, um das Abgas zu erwärmen, das in den Befeuchter geleitet wird.
Das Kühlwasser wird durch das Kühlen der Brennstoffzelle erwärmt, wobei das erwärmte Kühlwasser entlang der Außenseite des Befeuchters strömt. Der Befeuchter wird erwärmt, um die zu regelnde Temperatur des Abgases zu regeln. Der Feuchtigkeitsübergang wird sicher und effektiv bewerkstelligt. Die Stromerzeugungseffizienz wird sicher aufrecht erhalten.
In der Brennstoffzelle, strömt das für die Kühlung der Brennstoffzelle verwendete Kühlwasser entlang des Leitungsrohres, das das Abgas zum Befeuchter leitet, um das in den Befeuchter zu leitende Abgas zu erwärmen. (13).
Das Kühlwasser wird erwärmt durch Kühlen der Brennstoffzelle, wobei das erwärmte Kühlwasser kontaktierend längs des Leitungsrohres zum Zuführen des Abgases zum Befeuchter strömt. Der Feuchtigkeitsübergang wird sicher und effektiv bewerkstelligt. Die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle wird sicher aufrecht erhalten.
Ferner ist vorzugsweise ein Heizelement längs des Abgasrohres zwischen dem Befeuchter und dem Brennstoffzellensystem FCS plaziert, um das Abgas zu erwärmen. Diese Ausführungsform zeigt ein Beispiel zum Zuführen von Oxidationsmittelgas auf der Katodenseite der Brennstoffzelle. Selbstverständlich wird vorzugsweise ein Heizelement an der Anodenseite der Brennstoffzelle plaziert, um das Abgas zu erwärmen.
Das Wasser wird durch die Wärme erwärmt, die von der flexiblen Heizvorrichtung erzeugt wird, die um den Außenumfang des Befeuchters gewickelt ist. Der Befeuchter wird leicht erwärmt, um die zu senkende Temperatur des Abgases zu regeln. Der Feuchtigkeitsübergang wird sicher und effektiv bewerkstelligt. Die Stromerzeugungseffizienz wird sicher aufrecht erhalten.
Wie oben erwähnt worden ist, wird die Aufwärmeffizienz des Brennstoffzellensystems erhöht. Es ist möglich, das Brennstoffzellensystem schnell zu starten, wenn es erforderlich ist.
Der Operator kann die Wärmemenge mittels der Heizvorrichtung zuführen und die Temperatur beobachten, die mit dem Thermoelement angezeigt wird. Der Befeuchter kann verwendet werden, da die Heizvorrichtung die gefrorenen Hohlfasermembranen auftaut. In dem Fall, in dem der Feuchtigkeitsgehalt in der Trockenluft aus unbekannten Gründen verringert ist, wird der wasserdurchlässigen Hohlfasermembran eine Wärmemenge zugeführt, um den Feuchtigkeitsgehalt zu steigern. Der Brennstoffzelle wird eine ausreichende Menge an Feuchtigkeit zum Befeuchten zugeführt.
Das Verfahren zum Auftauen des gefrorenen Bündels der Hohlfasermembran 46 mittels der Heizvorrichtung 47 unter Beobachtung der Temperatur des Thermoelements TC und der Restbatterieladung ist das gleiche wie dasjenige der ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine Erläuterung wird daher weggelassen.
Zum Beispiel kann die Trockenluft oder befeuchtete Luft außerhalb der Hohlfasermembran strömen, während die Trockenluft durch das Innere der Hohlfasermembran geleitet wird. Ferner ist die wasserdurchlässige Membran nicht auf eine Hohlfasermembran beschränkt, sondern kann in Form einer wiederholt gefalteten, filmartigen, wasserdurchlässigen Membran oder in Form einer gewickelten Rolle vorliegen.
Die Trockenluft (befeuchtete Luft) und das Abgas können in Gegenstromweise durch das Hohlfasermembranmodul strömen. Die Trockenluft und das Abgas können parallel strömen.
Eine Gegenströmung der Trockenluft und des Abgases ist vorteilhaft, da die Feuchtigkeitskonzentrationsdifferenz innerhalb der Hohlfasermembranen ausgeglichen sein kann und somit deren Wasserdurchlässigkeit verbessert werden kann. Ferner erleichtert eine gegenüberliegende Anordnung des Gaseinlasses und des Gasauslasses die Anordnung der Gasleitungen. Da ferner die Wärmetauschereffektivität durch die Hohlfasermembran verbessert wird, wird die Kühlleistung des Gases verbessert. Aufgrund der höheren Wärmetauschereffektivität ist ferner die Auslaßtemperatur der Trockenluft leicht auf die Auslaßtemperatur des Abgases einstellbar, wodurch die Temperatureinstellung erleichtert wird. Dies erleichtert das Management der Feuchtigkeit der der Brennstoffzelle zugeführten Luft.
Gleichzeitig ist die Parallelströmung der Trockenluft und des Abgases vorteilhaft, da die Feuchtigkeitskonzentrationsdifferenz am Einlaß höher ist und die Befeuchtungsfähigkeit verbessert ist, wobei die Gesamtlänge der Hohlfasermembran selbst reduziert werden kann, was zu einer reduzierten Größe der Vorrichtung führt. Da ferner die Größe der Vorrichtung reduziert ist, werden die Hohlfasermembranen leicht in Reihe gebündelt, was zu reduzierten Kosten führt. Da ferner die Wärmetauschereffektivität der Trockenluft geringer ist, kann die Temperatur des der Brennstoffzelle zugeführten Gases höher eingestellt werden, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle höher ist. Somit kann die Effektivität der Brennstoffzelle verbessert werden.
Die Temperatureinstellfunktion des Befeuchters wird zusätzlich beschrieben.
Zum Beispiel ändert die durch einen Luftkompressor, wie z. B. einen Vorverdichter, komprimierte Luft ihre Temperatur im Bereich von etwa 30 °C (wenn die Brennstoffzelle im Leerlauf ist) bis 120 °C (bei maximaler Ausgangsleistung der Brennstoffzelle). Hierbei wird die Brennstoffzelle mit einer Temperatur von etwa 80 °C unter Regelung der Temperatur betrieben, wobei das Abgas bei einer Temperatur von 80 °C und etwas mehr abgegeben wird. Wenn dieses Abgas und die vom Luftkompressor komprimierte Trockenluft in den Befeuchter strömen, findet eine Wärmeübertragung sowie eine Feuchtigkeitsübertragung durch die Hohlfasermembran statt. Als Ergebnis wird die Trockenluft der Brennstoffzelle als befeuchtete Luft mit einer Temperatur nahe der Abgastemperatur zugeführt, die eine stabile Temperatur nahe der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle ist. Mit anderen Worten, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle niedriger ist, wie z. B. während des Leerlaufs, wird die Trockenluft durch den Befeuchter befeuchtet und erwärmt und wird der Brennstoffzelle zugeführt, wobei jedoch dann, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle höher ist, wie z. B. bei maximaler Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die Trockenluft durch den Befeuchter befeuchtet und gekühlt wird und der Brennstoffzelle als befeuchtete Luft innerhalb eines stabilen Temperaturbereiches zugeführt wird. Mit der Temperatureinstellfunktion des Befeuchters wird daher die Brennstoffzelle unter geeigneten Temperaturen betrieben, was zu einer erhöhten Erzeu gungseffizienz führt.
Wenn ferner ein Zwischenkühler an einer Ausstoßseite des Luftkompressors montiert ist, wird die vom Luftkompressor komprimierte Trockenluft gekühlt oder erwärmt und ändert ihre Temperatur im Bereich von etwa 50 °C (wenn die Brennstoffzelle im Leerlauf ist) auf 60 °C (bei maximaler Ausgangsleistung der Brennstoffzelle). Wenn die durch den Zwischenkühler geleitete Trockenluft durch den Befeuchter strömt, wo das Abgas (mit einer Temperatur von 80 °C und etwas mehr) strömt, wird die Trockenluft durch die Hohlfasermembran befeuchtet und in der Wärme eingestellt (erwärmt) und der Brennstoffzelle als befeuchtete Luft mit einer Temperatur nahe derjenigen des Abgases zugeführt, welches eine stabile Temperatur nahe der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle ist. Selbst wenn daher ein Zwischenkühler montiert ist, wird mit der Temperatureinstellfunktion des Befeuchters die Brennstoffzelle unter geeigneten Temperaturen betrieben, was zu einer erhöhten Stromerzeugungseffizienz führt.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Wie aus dem vorangehenden Aufbau und der Funktion der vorliegenden Erfindung deutlich wird, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Befeuchter geschaffen, der mit verschiedenen Heizmitteln versehen ist, um die benötigte Wärmemenge dem Bündel der Hohlfasermembranen zuzuführen. Der Befeuchter wird in kälteren Gebieten verwendet, selbst wenn die Hohlfasermembran eingefroren ist.
Die Erfindung bietet einen Befeuchter, der ein Gehäuse umfaßt, das eine große Anzahl wasserdurchlässiger Hohlfasermembranen aufnimmt, die entlang der Längsrichtung des Gehäuses angeordnet sind, wobei zwei unterschiedliche Gase mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten getrennt durch den Raum außerhalb und durch das Innere des Bündels der Hohlfasermembranen geleitet werden, um ihre Feuchtigkeiten über die Hohlfasermembranen auszutauschen, wobei das Trockengas mit dem geringeren Feuchtigkeitsgehalt befeuchtet wird. Durch Verwendung eines solchen Heizmittels kann der Befeuchter selbst in kälteren Gebieten verwendet werden.

Claims

Befeuchter für eine Brennstoffzelle, der umfaßt: ein Gehäuse (21a), das mehrere Bündel (21b, 21b) aufnimmt, die wasserdurchlässige Hohlfasermembranen (HF) enthalten, die in Längsrichtung des Gehäuses (21a) angeordnet sind, um die unterschiedlichen Wassergehalte zweier verschiedener Gase, die durch das Innere und den Raum außerhalb der wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen (HF) zu leiten sind, auszutauschen und das Gas, das den geringeren Wassergehalt aufweist, zu befeuchten, gekennzeichnet durch ein Heizmittel zum Zuführen einer Wärmemenge zu den Bündeln (21b, 21b) der Hohlfasermembranen (HF), wobei das Heizmittel eine Vorrichtung (37, 47) zum Durchleiten des durch Kühlung der Brennstoffzelle (1) erwärmten Kühlwassers umfaßt.
Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser entlang des Außenumfangs des Befeuchters (2) zuführbar ist um das in den Befeuchter (2) geleitete Abgas zu erwärmen.
Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gkennzeichnet, daß das Kühlwasser entlang Leitungsrohren zuführbar ist, die das Abgas zum Befeuchter (2) leiten, um das in den Befeuchter (2) geleitete Abgas zu erwärmen.
Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser verwendende Heizmittel Rohrleitungen kontaktiert, die das Abgas zu dem Befeuchter (2) leiten, um das in dem Befeuchter (2) eingeführte Abgas zu erwärmen, wobei das Heizmittel zwischen der Brennstoffzelle (1) und dem Befeuchter (2) angeordnet ist und an einer Anodenseite der Brennstoffzelle (1) angeordnet ist, um das Abgas zu erwärmen.
Befeuchter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser verwendende Heizmittel Rohrleitungen kontaktiert, die das Abgas zu dem Befeuchter (2) leiten, um das in dem Befeuchter (2) eingeführte Abgas zu erwärmen, wobei das Heizmittel zwischen der Brennstoffzelle (1) und dem Befeuchter (2) angeordnet ist und an einer Kathodenseite der Brennstoffzelle (1) angeordnet ist, um das Abgas zu erwärmen.