DE10102447A1 - Befeuchter zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle - Google Patents
Befeuchter zur Verwendung mit einer BrennstoffzelleInfo
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Abstract
Ein Befeuchter zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle, der umfaßt: mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen oder wasserdurchlässige Vorrichtungen, wobei jede der wasserdurchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen befeuchtetes Gas erzeugt, indem darin verschiedene Gase mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten strömen und ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den verschiedenen Gasen stattfindet, so daß ein trockenes Gas mit einem kleineren Feuchtigkeitsgehalt durch das andere feuchte Gas mit größerem Feuchtigkeitsgehalt befeuchtet wird; und ein Strömungsdurchlaßschaltmittel Va zum optionalen Umschalten der Strömungsdurchlässe Ca des Trockengases. Das Strömungsdurchlaßschaltmittel Va schaltet den Strömungsdurchlaß Ca in Abhängigkeit von einer benötigten Menge an befeuchtetem Gas, um somit selektiv bestimmte wasserdurchlässige Membranen oder eine bestimmte wasserdurchlässige Vorrichtung unter den mehreren wasserdurchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen zu verwenden.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Befeuchter zur Verwendung
mit einer Brennstoffzelle, und insbesondere auf einen Befeuchter, der
wasserdurchlässige Membranen verwendet.
Brennstoffzellensysteme, insbesondere Feststoff-Polymer-Brennstoffzellen
systeme, sind allgemein bekannt als Stromquelle für Elektrofahrzeuge. In
solchen Brennstoffzellensystemen wird ein Befeuchter verwendet, um einen
Feuchtigkeitsaustausch zwischen einem Abgas, nämlich einem von einer
Brennstoffzelle abgegebenen feuchten Gas, und Luft als einem Trockengas
durchzuführen, und um befeuchtete Luft oder ein befeuchtetes Gas zu
erzeugen. Ein mit solchen Brennstoffzellensystemen verwendeter Befeuchter
ist vorzugsweise ein Typ mit geringem Leistungsverbrauch und muß kompakt
sein und einen geringen Montageraum beanspruchen. Aus diesem Grund
wird unter vielen anderen Befeuchtern, wie z. B. einem Überschallbefeuchter,
einem Dampfbefeuchter, einem Verdampfungsbefeuchter und einem Düsen
einspritztyp-Befeuchter, mit einer Brennstoffzelle gewöhnlich ein Befeuchter
verwendet, der wasserdurchlässige Membranen verwendet, insbesondere
Hohlfasermembranen.
Ein herkömmlicher Befeuchter, der Hohlfasermembranen verwendet, ist
offenbart in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei-7-7195.
Wie in Fig. 12 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 Hohlfaser
membranen (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 Befestigungsele
ments 105' vorgesehen ist, um die feuchte Luft abzuleiten, deren Feuchtig
keit 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 ausgebil
det, 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 Hohlfasermem
bran heraus. Die entfeuchtete Luft wird aus dem zweiten Auslaß 107 abge
geben.
Gleichzeitig wird Trockenluft vom ersten Einlaß 102 zugeführt. Die Trocken
luft 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.
Wie in Fig. 13 gezeigt, weist jedoch der herkömmliche Befeuchter 100
Befeuchtungseigenschaften auf der Grundlage des Ausgangs der Brenn
stoffzelle auf, in welchen der Taupunkt der befeuchteten Luft sowohl in einem
niedrigen Leistungsausgangsbereich, in dem eine kleine Menge befeuchteter
Luft benötigt wird, als auch in einem hohen Leistungsausgangsbereich, in
welchem eine große Menge befeuchteter Luft benötigt wird, absinkt, wobei
der Taupunkt der befeuchteten Luft in einem mittleren Leistungsausgangsbe
reich, in welchem eine mittlere Menge befeuchteter Luft benötigt wird,
ansteigt. Da getrocknete Elektrolytmembranen die Brennstoffzellen beein
trächtigen, wird der Befeuchtungsprozeß im allgemeinen auf der Grundlage
des niedrigen Leistungsausgangsbereiches oder des hohen Leistungsaus
gangsbereiches ausgeführt. Die Brennstoffzelle neigt somit dazu, im mittle
ren Leistungsausgangsbereich übermäßig befeuchtet zu werden. Als
Ergebnis der übermäßigen Befeuchtung wird dann, wenn die Diffusions
schichten oder Elektroden der Brennstoffzelle mit Wasser überflutet sind, die
freie Strömung des Gases in der Brennstoffzelle unterbrochen, was zu dem
Nachteil führt, daß die erwartete Leistungsfähigkeit nicht erreicht wird.
Um die Befeuchtungsfähigkeit des Befeuchters zu verbessern, wird eine
große Anzahl von Hohlfasermembranen benötigt, um eine ausgedehnte
Oberfläche der Membranen zu schaffen. Mit steigender Zahl von Hohlfaser
membranen besteht jedoch die Neigung, daß die außerhalb der Membranen
strömende Trockenluft eine Drift entstehen läßt, wobei die Trockenluft nicht
gleichmäßig durch das Gehäuse strömt. Somit kann die ausgedehnte
Oberfläche der Außenfläche der Hohlfasermembranen nicht effektiv genutzt
werden, was zu einer verringerten Befeuchtungseffizienz und somit zu dem
Nachteil führt, daß es unmöglich ist, den Taupunkt anzuheben. Dies kann
auch für andere wasserdurchlässige Membranen angenommen werden.
Hinsichtlich der obigen Ausführungen sucht die vorliegende Erfindung einen
Befeuchter zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle zu schaffen, der einer
Brennstoffzelle befeuchtetes Gas mit stabilen Taupunkten im gesamten
Bereich von einem niedrigen Leistungsausgangsbereich bis zu einem hohen
Leistungsausgangsbereich zuführen kann, und der die ausgedehnte Außen
oberfläche der Hohlfasermembranen nutzen kann.
Als Ergebnis intensiver Forschungen haben die Erfinder die Erfindung
letztlich fertiggestellt durch Konzentration auf die Ursache, warum der
Taupunkt der durch den Befeuchter befeuchteten Luft die in Fig. 13 gezeig
ten Eigenschaften aufweist. Das heißt, in einem niedrigen Leistungsaus
gangsbereich der Brennstoffzelle kann der Taupunkt der befeuchteten Luft
nicht ausreichend ansteigen, da die benötigte Menge an befeuchteter Luft
klein ist und der Betriebsdruck der Brennstoffzelle niedrig ist. Gleichzeitig
kann in einem hohen Leistungsausgangsbereich der Brennstoffzelle der
Taupunkt der befeuchteten Luft nicht ausreichend ansteigen, da die benö
tigte Menge an befeuchteter Luft groß ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Aufgaben der Erfindung
gelöst werden durch Schaffen eines Befeuchters zur Venrwendung mit einer
Brennstoffzelle, der umfaßt:
mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen oder wasser durchlässige Vorrichtungen, wobei jede der wasserdurchlässigen Membra nen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen befeuchtetes Gas erzeugt, indem darin verschiedene Gase mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten strömen und ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den verschiedenen Gasen stattfindet, so daß ein trockenes Gas mit einem kleineren Feuchtigkeitsgehalt durch das andere feuchte Gas mit größerem Feuchtigkeitsgehalt befeuchtet wird; und
ein Strömungsdurchlaßschaltmittel zum optionalen Umschalten der Strömungsdurchlässe des Trockengases;
wobei das Strömungsdurchlaßschaltmittel den Strömungsdurchlaß in Abhängigkeit von einer benötigten Menge an befeuchtetem Gas umschaltet, um somit selektiv bestimmte wasserdurchlässige Membranen oder eine bestimmte wasserdurchlässige Vorrichtung unter den mehreren wasser durchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen zu verwenden.
mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen oder wasser durchlässige Vorrichtungen, wobei jede der wasserdurchlässigen Membra nen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen befeuchtetes Gas erzeugt, indem darin verschiedene Gase mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten strömen und ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den verschiedenen Gasen stattfindet, so daß ein trockenes Gas mit einem kleineren Feuchtigkeitsgehalt durch das andere feuchte Gas mit größerem Feuchtigkeitsgehalt befeuchtet wird; und
ein Strömungsdurchlaßschaltmittel zum optionalen Umschalten der Strömungsdurchlässe des Trockengases;
wobei das Strömungsdurchlaßschaltmittel den Strömungsdurchlaß in Abhängigkeit von einer benötigten Menge an befeuchtetem Gas umschaltet, um somit selektiv bestimmte wasserdurchlässige Membranen oder eine bestimmte wasserdurchlässige Vorrichtung unter den mehreren wasser durchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen zu verwenden.
Selbst wenn in einer solchen Konstruktion die benötigte Menge an befeuch
tetem Gas erhöht wird (Ausgangsleistung der Brennstoffzelle wird erhöht),
kann eine Regelung mit dem Strömungsdurchlaßschaltmittel so bewerkstel
ligt werden, daß der Taupunkt des befeuchteten Gases innerhalb eines
bestimmten Ausmaßes konvergiert. Als Ergebnis kann ein Befeuchter
geschaffen werden, der zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle geeignet
ist. In diesem Beispiel werden hinsichtlich der Nivellierung des Taupunkts
unabhängig von der benötigten Menge an befeuchtetem Gas die wasser
durchlässigen Membranen oder die wasserdurchlässigen Vorrichtungen
vorzugsweise so gesteuert, daß sie innerhalb eines Zentralbereiches des
Graphen (Fig. 13) betrieben werden, wo der Taupunkt stabil ist. Das "Abgas",
das in der bevorzugten Ausführungsform erscheint, entspricht dem "feuchten
Gas", während die "trockene Luft" und die "befeuchtete Luft" dem "trockenen
Gas" bzw. "befeuchtetem Gas" entsprechen. Ferner entsprechen die "Hohl
fasermembranen" oder "Bündel von Hohlfasermembranen" in der bevorzug
ten Ausführungsform den "wasserdurchlässigen Membranen", während das
"Hohlfasermembranmodul" der "wasserdurchlässigen Vorrichtung" ent
spricht. Die wasserdurchlässigen Membranen können in Form einer wieder
holt gefalteten, filmartigen, wasserdurchlässigen Membran oder in Form
einer gewickelten Rolle vorliegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einer vorliegenden Erfindung
weist jede der mehreren kombinierten wasserdurchlässigen Membranen oder
der wasserdurchlässigen Vorrichtungen eine andere Befeuchtungsfähigkeit
auf.
In einer solchen Konstruktion wird das befeuchtete Gas entsprechend der
erforderlichen Menge an befeuchtetem Gas (der Ausgangsleistung der
Brennstoffzelle) erzeugt, so daß dann, wenn die benötigte Menge an be
feuchtetem Gas kleiner ist, wasserdurchlässige Membranen oder eine
wasserdurchlässige Vorrichtung mit einer relativ geringen Befeuchtungsfä
higkeit verwendet werden, während dann, wenn die benötigte Menge größer
ist, wasserdurchlässige Membranen oder eine wasserdurchlässige Vorrich
tung mit einer relativ hohen Befeuchtungsfähigkeit verwendet werden.
Folglich kann der Taupunkt geeignet innerhalb eines gewissen Ausmaßes
konvergieren, unabhängig von der benötigten Menge an befeuchtetem Gas.
In dem Fall, in dem die wasserdurchlässigen Membranen Hohlfasermembra
nen sind, kann deren Befeuchtungsfähigkeit verändert werden durch Ändern
ihres Profils, des Innendurchmessers, der Form, der Länge oder des Materi
als der Hohlfasermembran. Ferner kann die Befeuchtungsfähigkeit verändert
werden durch Ändern der Anzahl der Hohlfasermembranen, die im Hohlfa
sermembranmodul oder im Bündel der Hohlfasermembranen enthalten sind.
Für eine Gruppe von kombinierten wasserdurchlässigen Membranen oder
wasserdurchlässigen Vorrichtungen sind folgende drei Fälle verfügbar, in
welchen:
- 1. mehrere wasserdurchlässige Vorrichtungen verwendet werden, wobei mit der Verwendung des Strömungsdurchlaßschaltmittels eine geeignete wasserdurchlässige Vorrichtung ausgewählt wird oder alternativ die Anzahl der zu verwendenden wasserdurchlässigen Vorrichtungen erhöht oder verringert wird, entsprechend der benötigten Menge an befeuchtetem Gas;
- 2. nur eine wasserdurchlässige Vorrichtung verwendet wird. Die wasser durchlässige Vorrichtung umfaßt jedoch mehrere wasserdurchlässige Membranen, wobei mit der Verwendung des Strömungsdurchlaßschaltmittels geeignete wasserdurchlässige Membranen ausgewählt werden oder alterna tiv die Anzahl der zu verwendenden wasserdurchlässigen Membranen erhöht oder verringert wird, entsprechend der benötigten Menge an befeuchtetem Gas. In diesem Beispiel werden das feuchte Gas und das trockene Gas (befeuchtetes Gas) durch die wasserdurchlässige Membran getrennt. Jedoch ist vorzugsweise eine Trennwand innerhalb der wasserdurchlässigen Vorrichtung vorgesehen, um ein Gas, das durch eine wasserdurchlässige Membrananordnung strömen soll, vom anderen Gas zu trennen, das durch eine andere wasserdurchlässige Membrananordnung strömen soll; und
- 3. (1) und (2) kombiniert verwendet werden.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
Fig. 1 die Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems zeigt;
Fig. 2 eine schematische erläuternde Ansicht ist, die die Struktur einer
Brennstoffzelle zeigt;
Fig. 3A eine perspektivische Ansicht ist, die ein Hohlfasermembranmodul
zeigt, das für einen Befeuchter verwendet wird, wobei Fig. 3B eine perspekti
vische Ansicht ist, die die Struktur einer Hohlfasermembran zeigt;
Fig. 4 eine Ansicht ist, die einen Befeuchter gemäß einer ersten Ausfüh
rungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 5 ein Flußdiagramm ist, das die Operationen des Befeuchters der Fig. 4
zeigt;
Fig. 6 eine Ansicht ist, die einen Befeuchter gemäß einer zweiten Ausfüh
rungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 7 ein Flußdiagramm ist, das die Operationen des Befeuchters der Fig. 6
zeigt;
Fig. 8 eine Ansicht ist, die einen modifizierten Befeuchter gemäß der zweiten
Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 9 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die die Struktur eines
Hohlfasermembranmoduls zeigt, das für einen Befeuchter gemäß einer
dritten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
Fig. 10 eine Ansicht ist, die einen Befeuchter gemäß der dritten Ausfüh
rungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 11 ein Flußdiagramm ist, das die Operationen des Befeuchters der
Fig. 10 zeigt;
Fig. 12 eine Schnittansicht ist, die einen Befeuchter des Standes der Technik
zeigt; und
Fig. 13 ein Graph ist, der die Befeuchtungseigenschaften des Befeuchters
des Standes der Technik erläutert.
Mit Bezug auf die Zeichnungen werden im folgenden bevorzugte Ausfüh
rungsformen eines Befeuchters zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle (im
folgenden als "Befeuchter" bezeichnet) beschrieben. Bei Betrachtung der
Struktur und der Art der Verwendung eines Hohlfasermembranmoduls
werden die folgenden drei Ausführungsformen als bevorzugte Ausführungs
formen beschrieben.
Ein Befeuchter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird im
folgenden beschrieben. In dieser Ausführungsform umfaßt der Befeuchter
mehrere Hohlfasermembranmodule mit unterschiedlichen Befeuchtungsfä
higkeiten, wobei ein geeignetes Hohlfasermembranmodul entsprechend der
Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle (oder der benötigten Menge an
befeuchteter Luft) unter Verwendung des Strömungsdurchlaßschaltmittels
ausgewählt wird.
Im folgenden werden mit Bezug auf Fig. 1 die Gesamtanordnung und die
Operationen eines Brennstoffzellensystems beschrieben, auf das der
Befeuchter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung angewendet
wird.
Ein Brennstoffzellensystem FCS umfaßt eine Brennstoffzelle (Stapel) 1,
einen Befeuchter 2, einen Gas/Flüssigkeit-Separator 3, einen Luftkompressor
4, einen Vergasungsbrenner 5, einen Brennstoffverdampfer 6, einen Refor
mer 7, einen CO-Entferner 8, einen Wasser/Methanol-Gemisch-Speichertank
T (im folgenden einfach als "Tank" bezeichnet) und dergleichen. Die Brenn
stoffzelle 1 ist eine Feststoff-Polymer-Brennstoffzelle.
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
entsteht, um Strom zu erzeugen. Die befeuchtete Luft wird erzeugt durch
Komprimieren von atmosphärischer Luft (Luft), die mittels des Luftkompres
sors 4 komprimiert wird, und anschließendes Befeuchten der komprimierten
Luft im Befeuchter 2. Die Befeuchtung der Trockenluft wird ausgeführt durch
den Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Abgas, das eine relativ große
Menge an Wasser enthält, das vom Sauerstoffpol 1a abgegeben wird, und
der Trockenluft, die einen relativ kleinen Wassergehalt aufweist, wobei die
Einzelheiten hierzu später beschrieben werden. Das Brennstoffgas entsteht,
wenn die gemischte Flüssigkeit aus Wasser und Methanol, welche eine
Rohbrennstoffflüssigkeit ist, im Brennstoffverdampfer 6 verdampft wird und
im Reformer 7 reformiert wird, woraufhin die Entfernung von Kohlenmonoxid
(CO) im CO-Entferner 8 folgt. Die im Tank T gespeicherte Rohbrennstoffflüs
sigkeit wird über eine Pumpe P dem Brennstoffverdampfer 8 dosiert zuge
führt, wo die Brennstoffflüssigkeit verdampft wird und für die Reformierung
mit Luft gemischt wird, um ein Rohbrennstoffgas zu erzeugen, wobei das
resultierende Rohbrennstoffgas dem Reformer 7 und anschließend dem CO-
Entferner 8 zugeführt wird, wo das CO entfernt wird. Im Reformer 7 wird das
Methanol dampfreformiert und bei Anwesenheit eines Katalysators teilweise
oxidiert. Im CO-Entferner 8 wird das CO bei Vorhandensein eines Katalysa
tors selektiv oxidiert, um in CO2 umgesetzt zu werden. Um die Konzentration
des Kohlenmonoxids schnell zu senken, umfaßt der CO-Entferner zwei CO-
Entferner, nämlich 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 des an der Sauerstoffpolseite 1a er
zeugten Wassers enthält, und das Abgas, das Wasserstoff enthält, der an
der Wasserstoffpolseite 1b nicht reagiert hat, treten gleichzeitig auf. Das
Abgas an der Sauerstoffpolseite 1a wird für die Befeuchtung der Luft im
Befeuchter 2 wie oben beschrieben verwendet, woraufhin es mit dem Abgas
an der Wasserstoffpolseite 1b gemischt wird und das darin enthaltene
Wasser mittels des Gas/Flüssigkeit-Separators 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 Brenn
stoffverdampfer 6 verwendet. Es ist zu beachten, daß ein Zusatzbrennstoff
(Methanol und dergleichen) und Luft dem Vergasungsbrenner 5 zugeführt
werden, um eine ausreichende Wärmemenge zu liefern und das Brennstoff
zellensystem FCS beim Starten aufzuwärmen.
Die Konfiguration und die Funktionen der Brennstoffzelle werden im folgen
den mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 ist die Brennstoffzelle 1 als
eine einzelne Zelle dargestellt, um die Konfiguration zu vereinfachen. (In
Wirklichkeit ist die Brennstoffzelle 1 als Laminat mit etwa 200 laminierten
Einzelzellen konfiguriert).
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Brennstoffzelle über eine Elektrolytmembran 13
in eine Wasserstoffpolseite 1b und eine Sauerstoffpolseite 1a unterteilt,
wobei jeder der Pole eine Elektrode aufweist, die einen Platin-Serienkataly
sator enthält, um einen Wasserstoffpol 14 und einen Sauerstoffpol 12 zu
bilden. In dieser Figur ist die Diffusionsschicht weggelassen. Das wasser
stoffangereicherte Gas, das aus der Rohbrennstoffflüssigkeit entsteht, wird
als Brennstoffgas über einen Gasdurchlaß 15 an der Wasserstoffpolseite
geleitet, während die im Befeuchter 2 befeuchtete Luft als
Oxidationsmittelgas über einen Gasdurchlaß 15 an der Sauerstoffpolseite
geleitet wird. Als Elektrolytmembran 13, die hier verwendet werden kann, ist
als eine Feststoff-Makromolekular-Membran bekannt, wie z. B. Perfluorkoh
lenstoff-Sulfosäure, die eine Protonenaustauschmembran ist. Die Elektrolyt
membran 13 weist mehrere Protonenaustauschgruppen im Feststoff-Makro
molekül auf und besitzt einen geringen spezifischen Widerstand von weniger
als 20 -Proton bei Normaltemperatur, wenn sie mit Wasser gesättigt ist, und
dient als ein protonenleitendes Elektrolyt. Folglich können die durch die
Ionisierung des Wasserstoffs bei Anwesenheit des Katalysators erzeugten
Protonen in der Elektrolytmembran 13 leicht wandern und erreichen den
Sauerstoffpol 13, wo die Protonen leicht mit den Sauerstoffionen reagieren,
die bei Anwesenheit des Katalysators aus der befeuchteten Luft erzeugt
werden, um Wasser zu erzeugen. Das erzeugte Wasser wird aus einem
Auslaß, der sich an der Sauerstoffpolseite 1a der Brennstoffzelle 1 befindet,
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 14 über eine externe Last M, wie z. B. einem Motor.
Der Grund dafür, daß die befeuchtete Luft der Brennstoffzelle 1 als ein
Oxidationsmittelgas zugefügt wird, besteht darin, daß die Stromerzeugungs
effizienz aufgrund der gesenkten Protonenleitfähigkeit in der Elektrolytmem
bran 13 verringert wird, wenn die Elektrolytmembran 13 getrocknet wird.
Wenn andererseits die Elektrolytmembran 13 übermäßig befeuchtet wird,
kommt die Diffusion als solche zum Erliegen (typischerweise an der Sauer
stoffpolseite). In dem Brennstoffzellensystem FCS, das die Feststoff-Makro
molekulartyp-Brennstoffzelle 1 verwendet, ist folglich die Befeuchtung von
besonderer Bedeutung. Die Rohbrennstoffflüssigkeit enthält eine große
Menge an Wasser, welches zum Zweck der Befeuchtung der Sauerstoffpol
seite 1b und zusätzlich zur Umformung des Methanols in der Rohbrennstoff
flüssigkeit verwendet wird.
Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 die Struktur des Befeuch
ters beschrieben. Der in Fig. 4 gezeigte Befeuchter 2 umfaßt Hohlfasermem
branmodule 21 und Trockenluftventile Va sowie Abgasventile Vo als Strö
mungsdurchlaßschaltmittel. Entsprechend der Ausgangsleistung der Brenn
stoffzelle 1 können die Hohlfasermembranmodule 21 in drei Typen unterteilt
werden, nämlich ein Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Leistungs
ausgangsbereich 21L, in welchem die Befeuchtungsfähigkeit gering ist, ein
Hohlfasermembranmodul für den mittleren Leistungsausgangsbereich 21M,
in welchem die Befeuchtungsfähigkeit mittelmäßig ist, und ein Hohlfaser
membranmodul für den hohen Leistungsausgangsbereich 21H, in welchem
die Befeuchtungsfähigkeit hoch ist.
Wie in Fig. 3A gezeigt, umfaßt das Hohlfasermembranmodul 21 ein Gehäuse
21a und ein Bündel von Hohlfasermembranen 21b, die innerhalb des
Gehäuses 21a aufgenommen sind. Das Gehäuse 21a weist die Form eines
Hohlzylinders auf, wobei beide Enden des Gehäuses 21a offen sind. Das
Gehäuse 21a ist mit mehreren Öffnungen in unmittelbarer Nähe zum jeweili
gen Ende versehen. In der dargestellten Ausführungsform sind längs dessen
Umfangsrichtung acht Öffnungen vorgesehen. Das Bündel der Hohlfaser
membranen 21b wird ausgebildet durch Binden mehrerer tausend bis
mehrerer zehntausend Hohlfasermembranen HF, die jeweils einen Hohl
durchlaß aufweisen (Fig. 3B), derart, daß alle Hohlfasermembranen HF mit
Klebstoff fixiert werden, während die Hohldurchlässe an beiden Enden des
Gehäuses 21a erhalten bleiben (außerhalb der Öffnungen). Die Bezugszei
chen 21g und 21h zeigen einen Verklebungsabschnitt zwischen den Bündel
der Hohlfasermembranen 21b und dem Gehäuse 21a, der ein sogenannter
Vergußabschnitt ist. Durch das Vorsehen der Vergußabschnitte 21g, 21h
werden das Abgas, das durch den Hohldurchlaß strömt, der sich im Inneren
der Hohlfasermembran HF befindet, und die Trockenluft (befeuchtete Luft),
die durch den Raum außerhalb der Hohlfasermembran HF strömt, nicht
miteinander vermischt. Im Hohlfasermembranmodul 21 wird ein Ende des
Gehäuses 21a als ein Abgaseinlaß 21i verwendet, während das andere
Ende des Gehäuses 21a als ein Abgasauslaß 21j verwendet wird. Ferner
werden die an einem Ende des Gehäuses 21a vorgesehenen Öffnungen als
Trockenlufteinlässe 21c verwendet, während die am anderen Ende des
Gehäuses 21a vorgesehenen Öffnungen als Feuchtluftauslässe 21d verwen
det werden. Das Hohlfasermembranmodul 21 wird hergestellt durch Einset
zen einer bestimmten Anzahl von Bündeln, die Hohlfasermembranen HF
umfassen, in das Gehäuse 21a und sicheres Fixieren beider endnaher
Abschnitte derselben mittels Klebstoff und anschließendes Abschneiden des
Bündels der Hohlfasermembranen HF längs der beiden Enden des Gehäu
ses 21a.
Die Hohlfasermembran HF weist eine große Anzahl von kleinen Kapillarröh
ren auf, die sich von ihrem Inneren zu ihrem Äußeren erstrecken, wobei der
Durchmesser derselben mehrere Nanometer beträgt. Innerhalb der Kapillar
röhre tritt aufgrund des verringerten Dampfdrucks leicht eine Feuchtigkeits
kondensation auf. Die kondensierte Feuchtigkeit wird durch die Kapillarwir
kung herausgezogen und das Wasser durchdringt die Hohlfasermembran HF
von Innen nach Außen oder umgekehrt. Dies ist ein generisches Funktions
prinzip der Wasserdurchdringung oder Wassertrennung (Kapillarkondensa
tionstyp) unter Verwendung der Hohlfasermembran HF. Genauer strömt das
Abgas, das ausreichend Feuchtigkeit enthält, innerhalb der Hohlfasermem
bran HF, während die Trockenluft oder Spülluft mit relativ kleinem Feuchtig
keitsgehalt außerhalb der Hohlfasermembran HF strömt. Die im Abgas
enthaltene Feuchtigkeit wird an der Innenseite der Hohlfasermembran HF
kondensiert, wobei die kondensierte Feuchtigkeit durch die Kapillare vom
Inneren der Hohlfasermembran HF nach außen geleitet wird, wobei an der
Außenseite der Membran HF die Trockenluft die Feuchtigkeit verdampft.
Somit wird die außerhalb der Hohlfasermembran strömende Trockenluft
befeuchtet. In der Hohlfasermembran HF wird die Wasserdurchdringung oder
Wasserabscheidung ausgeführt durch die Vortriebskraft aufgrund der
Feuchtigkeitsgehaltdifferenz zwischen den innerhalb und außerhalb der
Membran HF strömenden Gasen. Es strömen andere Komponenten wie z. B.
Sauerstoff und Stickstoff durch die Membran HF, jedoch ist deren Durchdrin
gungsmenge sehr viel kleiner als diejenige von Wasser.
Die Wasserdurchlässigkeit des Hohlfasermembranmoduls 21, d. h. die
Befeuchtungsfähigkeit, wird mit der Anzahl der Hohlfasermembranen HF, die
im Hohlfasermembranmodul 21 enthalten sind (Bündel der Hohlfasermem
branen 21b), höher, wenn das Material, die Länge, der Durchmesser und
dergleichen der Hohlfasermembran HF konstant sind. Aus diesem Grund ist
die Anzahl der Hohlfasermembranen HF, die in dem in den bevorzugten
Ausführungsformen gezeigten Hohlfasermembranmodul 21 enthalten sind,
für das Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Leistungsausgangsbe
reich 21L kleiner und für das Hohlfasermembranmodul für den hohen
Leistungsausgangsbereich 21H größer, wobei für diese folgende Beziehung
gilt: Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Leistungsausgangsbereich
21L < Hohlfasermembranmodul für den mittleren Leistungsausgangsbereich
21M < Hohlfasermembranmodul für den hohen Leistungsausgangsbereich
21H. Zum Beispiel weist das Hohlfasermembranmodul 21L etwa 5.000
Hohlfasermembranen HF auf, während das Hohlfasermembranmodul 21M
etwa 10.000 Membranen HF aufweist und das Hohlfasermembranmodul 21H
etwa 15.000 Membranen HF aufweist, wobei jede der Hohlfasermembranen
HF aus demselben Material gefertigt ist und deren Größe etwa 2 mm im
Durchmesser und etwa 250 mm in der Länge beträgt. Die Befeuchtungsfä
higkeit jedes Hohlfasermembranmoduls 21L, 21M, 21H ist dieselbe wie
diejenige des Standes der Technik, wie in Fig. 13 gezeigt ist, so daß der
Taupunkt der befeuchteten Luft niedriger wird, wenn die benötigte Menge an
befeuchteter Luft geringer oder höher ist.
Diese Hohlfasermembranmodule 21L, 21M, 21H sind durch Leitungen
parallel verbunden. Die Leitungen können in folgende zwei Systeme unterteilt
werden. Ein System verbindet die Hohlfasermembranmodule 21L, 21M, 21H
zwischen dem Luftkompressor 4 und der Brennstoffzelle 1 (dem Sauerstoff
pol 1a) parallel, um somit eine Luftleitung Ca zum Zuführen von Trockenluft
und Abführen derselben als befeuchteter Luft zu schaffen. Die Luftleitung Ca
ist zwischen den Trockenlufteinlässen 21c und den Feuchtluftauslässen 21d
des Hohlfasermembranmoduls 21 angeschlossen. Die Trockenluft strömt als
befeuchtete Luft aus den Trockenlufteinlässen 21c und aus den Feuchtluft
auslässen 21d in das Hohlfasermembranmodul 21. Im Hohlfasermembran
modul 21 strömen die Trockenluft und die befeuchtete Luft außerhalb der
Hohlfasermembran HF.
Das andere System verbindet die Hohlfasermembranmodule 21L, 21M, 21H
parallel zwischen der Brennstoffzelle 1 (dem Abgasauslaßanschluß) und
dem Gas/Flüssigkeit-Separator 3, um somit eine Abgasleitung Co zum
Zuführen und Ableiten des Abgases zu schaffen. Die Abgasleitung Co ist
zwischen dem Abgaseinlaß 21i und dem Abgasauslaß 21j des Hohlfaser
membranmoduls 21 angeschlossen. Das Abgas strömt aus dem Abgaseinlaß
21i in das Hohlfasermembranmodul 21 und aus dem Abgasauslaß 21j. Im
Hohlfasermembranmodul 21 strömt das Abgas innerhalb der Hohlfasermem
bran HF.
Die Trockenluftventile Va (VaL, VaM, VaH) bilden das Strömungsdurchlaß
schaltmittel und sind in der Luftleitung Ca unmittelbar vor den Trockenluft
einlässen 21c der jeweiligen Hohlfasermembranmodule 21 (21L, 21M, 21H)
vorgesehen. Diese Trockenluftventile VaL, VaM, VaH schalten den Strö
mungsdurchlaß der Trockenluft. Hierbei bilden die Abgasventile Vo (VoL,
VoM, VoH) zusammen mit den Trockenluftventilen Va das Strömungsdurch
laßschaltmittel und sind in der Abgasleitung Co unmittelbar vor dem Abgas
einlaß 21i der jeweiligen Hohlfasermembranmodule 21 (21L, 21M, 21H)
vorgesehen. Diese Abgasventile VoL, VoM, VoH schalten den Strömungs
durchlaß des Abgases. In den bevorzugten Ausführungsformen sind die
Trockenluftventile Va und die Abgasventile Vo Absperrklappen, die mittels
eines nicht gezeigten Steuermittels geöffnet und geschlossen werden. Die
Hohlfasermembranmodule 21L, 21M, 21H werden entsprechend der Aus
gangsleistung der Brennstoffzelle 1 selektiv verwendet.
Im folgenden werden mit Bezug auf die Fig. 1 bis 5, und insbesondere mit
Bezug auf Fig. 5, die Operationen des Befeuchters gemäß der ersten
Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Zuerst wird im Schritt S11 beurteilt, ob die benötigte Menge an befeuchteter
Luft einem niedrigen Niveau, einem mittleren Niveau oder einem hohen
Niveau entspricht. Die benötigte Menge an befeuchteter Luft wird beurteilt
auf der Grundlage der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, so daß das
niedrige Niveau im niedrigen Leistungsausgangsbereich festgestellt wird, das
mittlere Niveau im mittleren Leistungsausgangsbereich festgestellt wird und
das hohe Niveau im hohen Leistungsausgangsbereich festgestellt wird.
Tabelle 1 zeigt die Beziehungen zwischen der Ausgangsleistung der Brenn
stoffzelle und dem Offen/Geschlossen-Zustand der im Befeuchter vorgese
henen Ventile.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem niedrigen Niveau
entspricht, wird nur das Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Lei
stungsausgangsbereich 21L verwendet, wobei die anderen Hohlfasermem
branmodule 21M, 21H außer Betrieb sind. Dies ist im Schritt 12 gezeigt,
wobei die Zustände der Ventile in Tabelle 1 gezeigt sind. Die Trockenluft vom
Luftkompressor 4 strömt somit nur durch das Hohlfasermembranmodul für
den niedrigen Leistungsausgangsbereich 21L (außerhalb der Hohlfaser
membran HF) und wird dem Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1 als
befeuchtete Luft oder als befeuchtetes Oxidationsmittelgas zugeführt.
Gleichzeitig strömt das Abgas vom Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1 nur
durch das Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Leistungsausgangsbe
reich 21L (innerhalb der Hohlfasermembran HF) und wird dem
Gas/Flüssigkeit-Separator 3 zugeführt.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem mittleren Niveau
entspricht, wird nur das Hohlfasermembranmodul für den mittleren Lei
stungsausgangsbereich 21M verwendet, wobei die anderen Hohlfasermem
branmodule 21L, 21H außer Betrieb sind. Dies ist im Schritt 13 gezeigt,
wobei die Zustände der Ventile in Tabelle 1 gezeigt sind. Somit strömt die
Trockenluft vom Luftkompressor 4 nur durch das Hohlfasermembranmodul
für den mittleren Leistungsausgangsbereich 21M und wird dem Sauerstoffpol
1a der Brennstoffzelle 1 als befeuchtete Luft zugeführt. Gleichzeitig strömt
das Abgas vom Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1 nur durch das Hohlfa
sermembranmodul für den mittleren Leistungsausgangsbereich 21M und
wird dem Gas/Flüssigkeit-Separator 3 zugeführt.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem hohen Niveau ent
spricht, wird nur das Hohlfasermembranmodul für den hohen Leistungsaus
gangsbereich 21H verwendet, während die anderen Hohlfasermembranmo
dule 21L, 21M außer Betrieb sind. Dies ist im Schritt 14 gezeigt, wobei die
Zustände der Ventile in Tabelle 1 gezeigt sind. Somit strömt die Trockenluft
vom Luftkompressor 4 nur durch das Hohlfasermembranmodul für den hohen
Leistungsausgangsbereich 21H und wird dem Sauerstoffpol 1a der Brenn
stoffzelle 1 als befeuchtete Luft zugeführt. Gleichzeitig strömt das Abgas vom
Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1 nur durch das Hohlfasermembranmo
dul für den hohen Leistungsausgangsbereich 21H und wird dem
Gas/Flüssigkeit-Separator 3 zugeführt.
Wenn in der ersten bevorzugten Ausführungsform der Taupunkt aufgrund
einer erhöhten benötigten Menge an befeuchteter Luft absinkt (Fig. 13),
während das Hohlfasermembranmodul 21L im niedrigen Leistungsaus
gangsbereich verwendet wird, wird das Hohlfasermembranmodul 21L
gestoppt, wobei statt dessen das Hohlfasermembranmodul 21M in Betrieb
genommen wird, um somit den Taupunkt beizubehalten. Eine ähnliche
Operation wird ausgeführt, wenn aus dem mittleren Leistungsausgangsbe
reich in den hohen Leistungsausgangsbereich gewechselt wird, wobei vom
Hohlfasermembranmodul 21M auf das Hohlfasermembranmodul 21H
entsprechend der erhöhten benötigten Menge an befeuchteter Luft umge
schaltet wird. Wenn im Gegensatz hierzu der Taupunkt aufgrund einer
verringerten benötigten Menge an befeuchteter Luft absinkt, während das
Hohlfasermembranmodul 21H im hohen Leistungsausgangsbereich venrwen
det wird, wird das Hohlfasermembranmodul 21H gestoppt und statt dessen
das Hohlfasermembranmodul 21M in Betrieb genommen, wodurch der
Taupunkt beibehalten wird. Eine ähnliche Operation wird ausgeführt, wenn
aus den mittleren Ausgangsleistungsbereich in den niedrigen Leistungsaus
gangsbereich gewechselt wird.
Das Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Leistungsausgangsbereich
21L ist ein Hohlfasermembranmodul 21, das die hervorragende Eigenschaft
aufweist, daß der optimale Taupunkt erreicht wird, wenn die Ausgangslei
stung der Brennstoffzelle 1 im niedrigen Leistungsausgangsbereich liegt.
Somit führt das Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Leistungsaus
gangsbereich 21L die optimale Befeuchtung im niedrigen Leistungsaus
gangsbereich durch, wobei im Gegensatz zum Befeuchter des Standes der
Technik der Taupunkt der befeuchteten Luft im niedrigen Leistungsaus
gangsbereich nicht absinkt. Das gleiche gilt für das Hohlfasermembranmodul
für den hohen Leistungsausgangsbereich 21H. Das Hohlfasermembranmo
dul für den mittleren Leistungsausgangsbereich 21M ist ein Hohlfasermem
branmodul 21, das die hervorragende Eigenschaft aufweist, daß der optimale
Taupunkt erreicht wird, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1 im
mittleren Leistungsausgangsbereich liegt. Es führt somit die optimale
Befeuchtung im mittleren Leistungsausgangsbereich durch, wobei im
Gegensatz zum Befeuchter des Standes der Technik eine übermäßige
Befeuchtung der Brennstoffzelle 1 im mittleren Leistungsausgangsbereich
verhindert werden kann.
Dementsprechend kann der Befeuchter 2 gemäß der ersten Ausführungs
form der Erfindung befeuchtete Luft mit einem stabilen Taupunkt über den
gesamten Ausgangsleistungsbereich der Brennstoffzelle 1 vom niedrigen
Leistungsausgangsbereich bis zum hohen Leistungsausgangsbereich der
Brennstoffzelle 1 zur Verfügung stellen. Folglich kann die Brennstoffzelle 1
unter stabilen Bedingungen betrieben werden, unabhängig von der Aus
gangsleistung der Brennstoffzelle 1 und ohne Auftreten einer Wasserüber
flutung der Elektrode 12 oder Austrocknung der Elektrolytmembran 13.
Ein Befeuchter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird im
folgenden beschrieben. In dieser Ausführungsform umfaßt der Befeuchter
mehrere Hohlfasermembranmodule mit im wesentlichen der gleichen
Befeuchtungsfähigkeit, wobei unter Verwendung des Strömungsdurchlaß
schaltmittels die Anzahl der zu verwendenden Hohlfasermembranmodule
entsprechend der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle (oder der benötigten
Menge an befeuchteter Luft) erhöht oder verringert wird. Die Teile oder
Elemente, die denjenigen ähnlich sind, die vorher mit Bezug auf die erste
Ausführungsform beschrieben worden sind, werden mit den gleichen Be
zugszeichen bezeichnet, wobei ihre Beschreibung weggelassen wird.
Das Brennstoffzellensystem, auf das ein Befeuchter gemäß der zweiten
Ausführungsform der Erfindung angewendet wird, ist im wesentlichen
dasselbe wie dasjenige der ersten Ausführungsform. Eine genaue Beschrei
bung desselben wird daher weggelassen.
Im folgenden wird mit Bezug auf Fig. 6 ein Befeuchter gemäß der zweiten
Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Ähnlich der ersten Ausfüh
rungsform umfaßt ein in Fig. 6 gezeigter Befeuchter 2 Hohlfasermembran
module 21 und Trockenluftventile Va und Abgasventile Vo als Strömungs
durchlaßschaltmittel. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform umfassen
die Hohlfasermembranmodule 21 drei Hohlfasermembranmodule 21A, 21B,
21C mit im wesentlichen der gleichen Befeuchtungsfähigkeit.
Ähnlich der ersten Ausführungsform umfaßt das Hohlfasermembranmodul 21
ein Gehäuse 21a und ein Bündel von Hohlfasermembranen 21b (Fig. 3A). Da
die Struktur und das Funktionsprinzip des Hohlfasermembranmoduls 21
dieselben sind wie diejenigen, die in der ersten Ausführungsform beschrie
ben worden sind, wird eine weitere Erläuterung weggelassen. Jedes der
Hohlfasermembranmodule 21A, 21B, 21C enthält etwa 5.000 Hohlfaser
membranen HF.
Diese Hohlfasermembranmodule 21A, 21B, 21C sind über Rohrleitungen
parallel verbunden. Dies entspricht der ersten Ausführungsform, weshalb
eine weitere Erläuterung weggelassen wird.
Die Trockenluftventile Va (VaA, VaB, VaC), die das Strömungsdurchlaß
schaltmittel bilden, sind an der Luftleitung Ca unmittelbar vor den Trocken
lufteinlässen 21c der jeweiligen Hohlfasermembranmodule 21 (21A, 21B,
21C) vorgesehen. Siehe Fig. 3A. Diese Trockenluftventile VaA, VaB, VaC
schalten den Strömungsdurchlaß der Trockenluft. Wie in Fig. 3A gezeigt,
bilden hierbei die Abgasventile Vo (VoA, VoB, VoC) zusammen mit den
Trockenluftventilen Va das Strömungsdurchlaßschaltmittel und sind in der
Abgasleitung Co unmittelbar vor dem Abgaseinlaß 21i des jeweiligen
Hohlfasermembranmoduls 21 (21A, 21B, 21C) vorgesehen. Diese Abgas
ventile VoA, VoB, VoC schalten den Strömungsdurchlaß des Abgases. In
dieser Ausführungsform sind die Trockenluftventile Va und die Abgasventile
Vo Absperrklappen, die mittels eines nicht gezeigten Steuermittels geöffnet
und geschlossen werden. Die Anzahl der zu verwendenden Hohlfasermem
branmodule 21A, 21B, 21C wird in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung
der Brennstoffzelle 1 selektiv erhöht oder verringert.
Mit Bezug auf Fig. 7 (und bei Bedarf auf die Fig. 1 bis 4) werden im folgen
den die Operationen des Befeuchters gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
Zuerst wird im Schritt S21 beurteilt, ob die benötigte Menge an befeuchteter
Luft einem niedrigen Niveau, einem mittleren Niveau oder einem hohen
Niveau entspricht. Die benötigte Menge an befeuchteter Luft wird beurteilt
auf der Grundlage der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, so daß das
niedrige Niveau im niedrigen Leistungsausgangsbereich festgestellt wird, das
mittlere Niveau im mittleren Leistungsausgangsbereich festgestellt wird und
das hohe Niveau im hohen Leistungsausgangsbereich festgestellt wird.
Tabelle 2 zeigt die Beziehungen zwischen der Ausgangsleistung der Brenn
stoffzelle und dem Offen/Geschlossen-Zustand der im Befeuchter vorgese
henen Ventile.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem niedrigen Niveau
entspricht, wird nur das Hohlfasermembranmodul 21A verwendet und die
anderen Hohlfasermembranmodule 21B, 21C sind außer Betrieb. Dies ist im
Schritt 22 gezeigt, wobei die Zustände der Ventile in Tabelle 2 gezeigt sind.
Somit strömt die Trockenluft vom Luftkompressor 4 nur durch das Hohlfa
sermembranmodul 21A (außerhalb der Hohlfasermembran HF) und wird dem
Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1 als befeuchtete Luft oder befeuchtetes
Oxidationsmittelgas zugeführt. Gleichzeitig strömt das Abgas des Sauerstoff
pols 1a der Brennstoffzelle 1 nur durch das Hohlfasermembranmodul 21A
(innerhalb der Hohlfasermembran HF) und wird dem Gas/Flüssigkeit-Sepa
rator 3 zugeführt. Das Hohlfasermembranmodul 21A enthält mehrere
Hohlfasermembranen HF, die für die Befeuchtung der trockenen Luft im
niedrigen Leistungsausgangsbereich ausreichen.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem mittleren Niveau
entspricht, werden die Hohlfasermembranmodule 21A, 21B verwendet,
wobei das andere Hohlfasermembranmodul 21C außer Betrieb ist. Dies ist
im Schritt 23 gezeigt, wobei die Zustände der Ventile in Tabelle 2 gezeigt
sind. Somit strömt die Trockenluft vom Luftkompressor 4 durch die zwei
Hohlfasermembranmodule 21A, 21B (außerhalb der Hohlfasermembran HF)
und wird dem Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1 als befeuchtete Luft
oder befeuchtetes Oxidationsmittelgas zugeführt. Gleichzeitig strömt das
Abgas vom Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1 durch die zwei Hohlfaser
membranmodule 21A, 21B (innerhalb der Hohlfasermembran HF) und wird
dem Gas/Flüssigkeit-Separator 3 zugeführt.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem hohen Niveau ent
spricht, werden alle Hohlfasermembranmodule 21A, 21B, 21C verwendet.
Dies ist im Schritt 24 gezeigt, wobei die Zustände der Ventile in Tabelle 2
gezeigt sind. Die Trockenluft vom Luftkompressor 4 strömt somit durch alle
Hohlfasermembranmodule 21A, 21B, 21C (außerhalb der Hohlfasermembran
HF) und wird dem Sauerstoffpol der Brennstoffzelle 1 als befeuchtete Luft
oder befeuchtetes Oxidationsmittelgas zugeführt. Gleichzeitig strömt das
Abgas vom Sauerstoffpol 21a der Brennstoffzelle 1 durch alle Hohlfaser
membranmodule 21A, 21B, 21C (innerhalb der Hohlfasermembran HF) und
wird dem Gas/Flüssigkeit-Separator 3 zugeführt.
Wenn in der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Taupunkt aufgrund
einer Erhöhung der benötigten Menge an befeuchteter Luft absinkt, während
ein Hohlfasermembranmodul 21A im niedrigen Leistungsausgangsbereich
verwendet wird, wird ein weiteres Hohlfasermembranmodul 21B in Betrieb
genommen, um somit den Taupunkt beizubehalten. Eine ähnliche Operation
wird ausgeführt, wenn vom mittleren Leistungsausgangsbereich in den
hohen Leistungsausgangsbereich gewechselt wird, wobei alle drei Hohlfa
sermembranmodule 21 entsprechend der erhöhten benötigten Menge an
befeuchteter Luft betrieben werden. Wenn im Gegensatz hierzu der Tau
punkt aufgrund einer Verringerung der benötigten Menge an befeuchteter
Luft absinkt, während alle Hohlfasermembranmodule 21A, 21B, 21C im
hohen Leistungsausgangsbereich verwendet werden, wird das Hohlfaser
membranmodul 21C gestoppt, wodurch der Taupunkt beibehalten wird. Eine
ähnliche Operation wird ausgeführt, wenn vom mittleren Leistungsausgangs
bereich in den niedrigen Leistungsausgangsbereich gewechselt wird, wobei
die Anzahl der zu verwendenden Hohlfasermembranmodule 21 entspre
chend der verringerten benötigten Menge an befeuchteter Luft auf 1 reduziert
wird.
Dementsprechend kann der Befeuchter 2 gemäß der zweiten Ausführungs
form der Erfindung befeuchtete Luft mit einem stabilen Taupunkt der Brenn
stoffzelle 1 über den gesamten Ausgangsleistungsbereich der Brennstoffzelle
1 vom niedrigen Leistungsausgangsbereich bis zum hohen Leistungsaus
gangsbereich zur Verfügung stellen. Folglich kann die Brennstoffzelle 1 unter
stabilen Bedingungen betrieben werden, unabhängig von der Ausgangslei
stung der Brennstoffzelle 1.
Gemäß der zweiten Ausführungsform werden im mittleren Leistungsaus
gangsbereich und hohen Leistungsausgangsbereich mehrere Hohlfaser
membranmodule 21A, 21B, 21C verwendet, weshalb im Gegensatz zum
Befeuchter des Standes der Technik, der ein Hohlfasermembranmodul
verwendet, die Trockenluft oder die befeuchtete Luft, die durch das Hohlfa
sermembranmodul 21 strömt, kaum eine Drift hervorruft, selbst wenn die
Anzahl der Hohlfasermembranen HF erhöht wird. Dies führt zu einer Verbes
serung der Befeuchtungsfähigkeit des Befeuchters 2, da die ausgedehnte
Oberfläche der Außenfläche der Hohlfasermembran HF effektiv genutzt
werden kann.
Wie in Fig. 8 gezeigt, sind in der zweiten Ausführungsform nur Trockenluft
ventile Va als Strömungsdurchlaßschaltmittel vorgesehen, wobei die Abgas
ventile Vo weggelassen sind. In dieser Anordnung kann die Struktur des
Befeuchters 2 vereinfacht sein. Hierbei werden alle Hohlfasermembranmo
dule 21A, 21B, 21C jederzeit mit dem Abgas versorgt, unabhängig von der
Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1. Da das Abgas ausreichend Feuch
tigkeit enthält, fällt jedoch der Taupunkt der befeuchteten Luft nicht fehlerhaft
ab.
Im folgenden wird ein Befeuchter gemäß einer dritten Ausführungsform der
Erfindung beschrieben. In dieser Ausführungsform ist ein Hohlfasermem
branmodul durch Trennwände abgetrennt, wobei unter Verwendung des
Strömungsdurchlaßschaltmittels die Anzahl der zu verwendenden Hohlfa
sermembranen entsprechend der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle oder
der benötigten Menge an befeuchteter Luft erhöht oder verringert wird. Die
Teile oder Elemente, die denjenigen ähnlich sind, die vorher in bezug auf die
erste und die zweite Ausführungsform beschrieben worden sind, sind mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet, wobei ihre Beschreibung weggelas
sen wird.
Das Brennstoffzellensystem, auf das ein Befeuchter gemäß der dritten
Ausführungsform der Erfindung angewendet wird, ist im wesentlichen
dasselbe wie dasjenige der ersten Ausführungsform. Eine genaue Beschrei
bung desselben wird daher weggelassen.
Im folgenden wird mit Bezug auf Fig. 9 ein Befeuchter gemäß der dritten
Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Ähnlich der ersten Ausfüh
rungsform umfaßt ein in den Fig. 9 und 10 gezeigter Befeuchter 2' ein
Hohlfasermembranmodul 21' und Trockenluftventile Va sowie Abgasventile
Vo als Strömungsdurchlaßschaltmittel. Das Hohlfasermembranmodul 21' des
Befeuchters 2' ist jedoch durch Trennwände P in drei Sektionen unterteilt. Mit
anderen Worten, das Hohlfasermembranmodul 21' gemäß der dritten
Ausführungsform der Erfindung umfaßt drei Bündel von Hohlfasermembra
nen 21'b (21A'b, 21B'b, 21C'b). Somit werden die drei Trockenluftströme
oder befeuchteten Luftströme, die durch die getrennten Bündel von Hohlfa
sermembranen 21A'b, 21B'b, 21C'b strömen, nicht miteinander vermischt.
Das Funktionsprinzip der Hohlfasermembran HF ist das gleiche wie dasjeni
ge der ersten Ausführungsform, weshalb dessen Beschreibung weggelassen
wird.
Das Gehäuse 21'a des Befeuchters 2' weist die Form eines Kegelstumpfes
auf, wobei dessen Durchmesser von einer Seite zur anderen allmählich
zunimmt. Der Abstand zwischen den Hohlfasermembranen HF des Bündels
der Hohlfasermembranen 21'b nimmt ebenfalls allmählich von einer Seite zur
anderen zu (d. h. die Hohlfasermembranen HF sind in radialer Weise
angeordnet). Die Anzahl der Hohlfasermembranen HF jedes Bündels von
Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b und 21C'b ist konstant (nämlich 5.000
Membranen). Die Befeuchtungsfähigkeit jedes Bündels von Hohlfasermem
branen 21A'b, 21B'b, 21C'b ist im wesentlichen gleich (obwohl sie verschie
den sein kann).
Diese Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b, 21C'b sind durch
Rohrleitungen und nicht gezeigte Kopfabdeckungen parallel verbunden.
Ähnlich der ersten Ausführungsform enthält das Rohrleitungssystem eine
Luftleitung Ca und eine Abgasleitung Co. Ferner strömt ähnlich der ersten
und der zweiten Ausführungsform die Trockenluft (befeuchtete Luft) entge
gengesetzt zum Abgas.
Bei Betrachtung des Bündels der Hohlfasermembranen 21A'b strömt die
Trockenluft von einem Trockenlufteinlaß 21A'c, der an der linken Seite des in
Fig. 9 gezeigten Hohlfasermembranmoduls 21' vorgesehen ist, in das Bündel
der Hohlfasermembranen 21A'b, wobei sie außerhalb der jeweiligen Hohlfa
sermembran strömt, und wird als befeuchtete Luft aus einem Feuchtluftaus
laß 21A'd an der rechten Seite des Hohlfasermembranmoduls 21' abgege
ben. Gleichzeitig strömt das Abgas von einem Abgaseinlaß 21A'i, der an
einer rechten Seite des in Fig. 9 gezeigten Hohlfasermembranmoduls 21'
vorgesehen ist, in das Bündel der Hohlfasermembranen 21A'b, wobei es
innerhalb der jeweiligen Hohlfasermembran strömt, und wird aus einem
Abgasauslaß 21'j an der linken Seite des Hohlfasermembranmoduls 21'
ausgegeben.
Bei Betrachtung des Bündels der Hohlfasermembranen 21B'b strömt die
Trockenluft vom (nicht gezeigten) Trockenlufteinlaß, der an der linken Seite
des in Fig. 9 gezeigten Hohlfasermembranmoduls 21' vorgesehen ist, in das
Bündel der Hohlfasermembranen 21B'b, wobei sie außerhalb der jeweiligen
Hohlfasermembran strömt, und wird als befeuchtete Luft von einem (nicht
gezeigten) Feuchtluftauslaß an der rechten Seite des Hohlfasermembranmo
duls 21' abgegeben. Gleichzeitig strömt das Abgas von einem Abgaseinlaß
21B'i, der auf der rechten Seite des in Fig. 9 gezeigten Hohlfasermembran
moduls 21' vorgesehen ist, in das Bündel der Hohlfasermembranen 21B'b,
wobei es innerhalb der jeweiligen Hohlfasermembran strömt, und wird vom
Abgasauslaß 21'j an der linken Seite des Hohlfasermembranmoduls 21'
abgegeben.
Bei Betrachtung des Bündels der Hohlfasermembranen 21C'b strömt die
Trockenluft vom (nicht gezeigten) Trockenlufteinlaß, der an der linken Seite
des in Fig. 9 gezeigten Hohlfasermembranmoduls 21' vorgesehen ist, in das
Bündel der Hohlfasermembranen 21C'b, wobei sie außerhalb der jeweiligen
Hohlfasermembran strömt, und wird als befeuchtete Luft von einem (nicht
gezeigten) Feuchtluftauslaß an der rechten Seite des Hohlfasermembranmo
duls 21' abgegeben. Gleichzeitig strömt das Abgas von einem Abgaseinlaß
21C'i, der auf der rechten Seite des in Fig. 9 gezeigten Hohlfasermembran
moduls 21' vorgesehen ist, in das Bündel der Hohlfasermembranen 21C'b,
wobei es innerhalb der jeweiligen Hohlfasermembran strömt, und wird vom
Abgasauslaß 21'j an der linken Seite des Hohlfasermembranmoduls 21'
abgegeben.
Während dieser Zeit befeuchtet das Abgas die trockene Luft. Die jeweiligen
Trockenluftströme (Feuchtluftströme) und Abgasströme, die durch die Bündel
der Hohlfasermembranen 21'b (21A'b, 21B'b, 21C'b) strömen, sind jedoch
durch die Trennwände P getrennt und vermischen sich somit nicht.
Wie in Fig. 10 gezeigt, bilden die Trockenluftventile Va (VaA, VaB, VaC) das
Strömungsdurchlaßschaltmittel und sind in der Luftleitung Ca unmittelbar vor
den Trockenlufteinlässen (nur 21'Ac ist gezeigt) jedes Bündels von Hohlfa
sermembranen 21'b (21A'b, 21B'b, 21C'b) vorgesehen. Diese Trockenluft
ventile VaA, VaB, VaC schalten den Strömungsdurchlaß der Trockenluft.
Gleichzeitig bilden die Abgasventile Vo (VoA, VoB, VoC) zusammen mit den
Trockenluftventilen Va das Strömungsdurchlaßschaltmittel und sind in der
Abgasleitung Co unmittelbar vor den Abgaseinlässen 21'i (21A'i, 21B'i, 21C'i)
jedes Bündels von Hohlfasermembranen 21'b (21A'b, 21B'b, 21C'b) vorge
sehen. Diese Abgasventile VoA, VoB, VoC schalten den Strömungsdurchlaß
des Abgases. In dieser Ausführungsform sind die Trockenluftventile Va und
die Abgasventile Vo Absperrklappen. Ähnlich der zweiten Ausführungsform
werden diese Ventile mittels eines nicht gezeigten Steuermittels geöffnet und
geschlossen.
Mit Bezug auf Fig. 11 (und bei Bedarf auf die Fig. 1 bis 3) werden im folgen
den die Operationen des Befeuchters gemäß der dritten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
Zuerst wird im Schritt S31 beurteilt, ob die benötigte Menge an befeuchteter
Luft einem niedrigen Niveau, einem mittleren Niveau oder einem hohen
Niveau entspricht. Die benötigte Menge an befeuchteter Luft wird beurteilt
auf der Grundlage der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, so daß das
niedrige Niveau im niedrigen Leistungsausgangsbereich festgestellt wird, das
mittlere Niveau im mittleren Leistungsausgangsbereich festgestellt wird und
das hohe Niveau im hohen Leistungsausgangsbereich festgestellt wird. Die
Beziehungen zwischen der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle und dem
Offen/Geschlossen-Zustand der im Befeuchter vorgesehenen Ventile
beziehen sich auf Tabelle 2 der zweiten Ausführungsform.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem niedrigen Niveau
entspricht, wird nur das Bündel der Hohlfasermembranen 21A'b verwendet,
während die anderen Bündel von Hohlfasermembranen 21B'b, 21C'b außer
Betrieb sind. Dies ist im Schritt 32 gezeigt, wobei die Zustände der Ventile in
Tabelle 2 gezeigt sind. Somit strömt die Trockenluft vom Luftkompressor 4
nur durch das Bündel der Hohlfasermembranen 21A'b (außerhalb der
Hohlfasermembran HF) und wird dem Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1
als befeuchtete Luft oder befeuchtetes Oxidationsmittelgas zugeführt.
Gleichzeitig strömt das Abgas vom Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1 nur
durch ein Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b (innerhalb der Hohlfaser
membran HF) und wird dem Gas/Flüssigkeit-Separator 3 zugeführt. Das
Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b enthält eine Anzahl von Hohlfaser
membranen HF, die zum Befeuchten der Trockenluft im niedrigen Leistungs
ausgangsbereich ausreicht.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem mittleren Niveau
entspricht, werden zwei Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b
verwendet, wobei das andere Bündel von Hohlfasermembranen 21C'b außer
Betrieb ist. Dies ist in Schritt 33 gezeigt, wobei die Zustände der Ventile in
Tabelle 2 gezeigt sind. Somit strömt die Trockenluft vom Luftkompressor 4
durch die zwei Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b (außerhalb
der Hohlfasermembran HF) und wird dem Sauerstoffpol 1a der Brennstoff
zelle 1 als befeuchtete Luft oder befeuchtetes Oxidationsmittelgas zugeführt.
Gleichzeitig strömt das Abgas vom Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1
durch die zwei Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b (innerhalb der
Hohlfasermembran HF) und wird dem Gas/Flüssigkeits-Separator 3 zuge
führt.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem hohen Niveau ent
spricht, werden alle Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b und
21C'b verwendet. Dies ist im Schritt 24 gezeigt, wobei die Zustände der
Ventile in Tabelle 2 gezeigt sind. Somit strömt die Trockenluft vom Luftkom
pressor 4 durch alle Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b und
21C'b (außerhalb der Hohlfasermembran HF) und wird dem Sauerstoffpol
1a der Brennstoffzelle 1 als befeuchtete Luft oder befeuchtetes Oxidations
mittelgas zugeführt. Gleichzeitig strömt das Abgas vom Sauerstoffpol 1a der
Brennstoffzelle 1 durch alle Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b
und 21C'b (innerhalb der Hohlfasermembran HF) und wird dem
Gas/Flüssigkeits-Separator 3 zugeführt.
In der dritten Ausführungsform wird somit der Bedarf an befeuchteter Luft
befriedigt. Da hierbei im niedrigen Leistungsausgangsbereich nur ein Bündel
von Hohlfasermembranen 21'b verwendet wird, wird eine effektive Befeuch
tung ausgeführt. Im Gegensatz zum Befeuchter des Standes der Technik fällt
der Taupunkt der befeuchteten Luft daher im unteren Leistungsausgangsbe
reich nicht ab. Da im hohen Leistungsausgangsbereich alle drei Bündel von
Hohlfasermembranen 21A'b, 21Bb und 21C'b verwendet werden, sinkt im
Gegensatz zum Befeuchter des Standes der Technik der Taupunkt der
befeuchteten Luft im hohen Leistungsausgangsbereich nicht ab. Dies ist das
gleiche wie bei der zweiten Ausführungsform.
Dementsprechend kann der Befeuchter 2' gemäß der dritten Ausführungs
form der Erfindung befeuchtete Luft mit einem stabilen Taupunkt über den
gesamten Ausgangsbereich der Brennstoffzelle 1 vom niedrigen Leistungs
ausgangsbereich bis zum hohen Leistungsausgangsbereich der Brennstoff
zelle 1 zur Verfügung stellen. Folglich kann die Brennstoffzelle unter stabilen
Bedingungen betrieben werden, unabhängig von der Ausgangsleistung der
Brennstoffzelle 1.
Ferner wird gemäß der dritten Ausführungsform die Befeuchtung durch die
drei Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b und 21C'b ausgeführt,
die durch die Trennwände P getrennt sind, weshalb im Gegensatz zum
Befeuchter des Standes der Technik, der ein Bündel von Hohlfasermembra
nen verwendet, die Trockenluft oder die befeuchtete Luft, die durch das
Bündel von Hohlfasermembranen 21'b strömt, kaum eine Drift hervorruft.
Dies führt zu einer Verbesserung der Befeuchtungsfähigkeit des Befeuchters
2', da die ausgedehnte Oberfläche der Außenfläche der Hohlfasermembran
HF effektiv genutzt werden kann.
Ferner ist gemäß der dritten Ausführungsform der Befeuchter 2' so konstru
iert, daß der Abstand zwischen den Hohlfasermembranen HF in der Nähe
des Feuchtluftauslasses enger wird. Dies führt zu einer effektiven Befeuch
tung aufgrund eines verringerten Druckverlusts der befeuchteten Luft
(Trockenluft), d. h. es tritt kaum eine Drift der befeuchteten Luft auf.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf ihre spezifischen Ausführungsformen
genauer beschrieben worden ist, ist für Fachleute klar, daß verschiedene
Änderungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne
vom Geist und Umfang derselben abzuweichen.
Zum Beispiel kann die Trockenluft oder befeuchtete Luft innerhalb der
Hohlfasermembran strömen, während das Abgas außerhalb der Hohlfaser
membran strömt. Ferner ist die Anzahl der Hohlfasermembranmodule oder
Bündel von Hohlfasermembranen (im folgenden mit "Hohlfasermembranmo
dule und dergleichen" bezeichnet) nicht auf drei beschränkt, wobei zwei oder
mehr als vier Hohlfasermembranmodule und dergleichen verwendet werden
können. Mit zunehmender Anzahl von Hohlfasermembranmodulen und
dergleichen wird eine optimale Befeuchtung entsprechend den unterschiedli
chen Ausgangsleistungen der Brennstoffzelle ausgeführt. Die Anzahl der
Hohlfasermembranen kann optional verändert werden. Ferner ist die was
serdurchlässige Membran nicht auf eine Hohlfasermembran beschränkt,
wobei sie in Form einer wiederholt gefalteten, filmartigen, wasserdurchlässi
gen Membran oder in Form einer gewickelten Rolle vorliegen kann.
In den bevorzugten Ausführungsformen strömen die Trockenluft (befeuchtete
Luft) und das Abgas in Gegenstromweise durch das Hohlfasermembranmo
dul. Die Trockenluft (befeuchtete Luft) und das Abgas können jedoch auch
parallel strömen.
Eine Gegenströmung der Trockenluft und des Abgases ist vorteilhaft, da die
Feuchtigkeitskonzentrationsdifferenz innerhalb der Hohlfasermembranen
ausgeglichen werden kann und somit die Wasserdurchlässigkeit derselben
verbessert werden kann. Ferner erleichtert die gegenüberliegende Anord
nung des Gaseinlasses und des Gasauslasses die Anordnung der Gasrohr
leitungen. Da ferner die Wärmetauschereffektivität durch die Hohlfasermem
bran 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, wo
durch die Temperatureinstellung erleichtert wird. Dies erleichtert das Mana
gement der Feuchtigkeit der der Brennstoffzelle zugeführten Luft.
Gleichzeitig ist eine 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
wird, werden die Hohlfasermembranen leicht in Linie gebündelt, was zu
reduzierten Kosten führt. Da ferner die Wärmetauschereffektivität der
Trockenluft niedriger 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 im folgenden zusätzlich
beschrieben.
Zum Beispiel ändert die Trockenluft, die von einem Luftkompressor wie z. B.
einem Vorverdichter komprimiert worden ist, ihre Temperatur im Bereich von
etwa 30°C (wenn die Brennstoffzelle im Leerlauf ist) bis 120°C (bei maxima
ler Ausgangsleistung der Brennstoffzelle). Gleichzeitig wird die Brennstoff
zelle bei 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 kompri
mierte 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
zugeführt, die eine Temperatur nahe dem Abgas aufweist, 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 trockene Luft durch den Befeuchter
befeuchtet und erwärmt und der Brennstoffzeile 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 befeuch
tete Luft innerhalb eines stabilen Temperaturbereiches zugeführt wird. Somit
wird mit der Temperatureinstellfunktion des Befeuchters die Brennstoffzelle
unter geeigneten Temperaturen betrieben, was zu einer erhöhten Erzeu
gungseffizienz führt.
Wenn ferner ein Zwischenkühler an der Abgasseite 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) bis 60°C (bei maximaler Ausgangsleistung
der Brennstoffzelle). Wenn die durch den Zwischenkühler geleitete Trocken
luft durch den Befeuchter strömt, in welchem das Abgas (mit einer Tempe
ratur von 80°C und etwas mehr) strömt, wird die Trockenluft über die Hohlfa
sermembran befeuchtet und in der Wärme eingestellt (erwärmt) und der
Brennstoffzelle als befeuchtete Luft mit einer Temperatur ähnlich dem Abgas
zugeführt, die 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 Erzeugungseffi
zienz führt.
Ähnlich der dritten Ausführungsform können ferner die Befeuchter der ersten
und der zweiten Ausführungsformen in einer Weise konstruiert sein, daß der
Abstand zwischen den Hohlfasermembranen von einem Endes des Gehäu
ses zum anderen allmählich (und z. B. stark) zunimmt. Außerdem kann in der
zweiten und dritten Ausführungsform ein Zeitgeber und dergleichen verwen
det werden, um zwischen den drei Hohlfasermembranmodulen (Bündeln von
Hohlfasermembranen) in einer Weise umzuschalten, so daß alle Hohlfaser
membranmodule (Bündel von Hohlfasermembranen) gleichmäßig verwendet
werden und nicht ein bestimmtes Hohlfasermembranmodul (Bündel von
Hohlfasermembranen) kontinuierlich verwendet wird. Dies stellt eine verlän
gerte Lebensdauer des Befeuchters als Ganzes sicher.
Außerdem können optional die erste, die zweite und die dritte Ausführungs
form kombiniert werden. Zum Beispiel kann in der ersten Ausführungsform
das Hohlfasermembranmodul für den hohen Leistungsausgangsbereich oder
dergleichen durch Trennwände abgetrennt werden, so daß mehrere Bündel
von Hohlfasermembranen darin enthalten sind, oder alternativ können
mehrere Hohlfasermembranmodule für den hohen Leistungsausgangsbe
reich verwendet werden. In der dritten Ausführungsform kann die Anzahl der
in jedem Bündel von Hohlfasermembranen enthaltenen Hohlfasermembra
nen veränderlich sein, wie in der ersten Ausführungsform.
Der Befeuchter gemäß der vorliegenden Erfindung kann zu anderen Zwec
ken verwendet werden, weshalb die Verwendung des Befeuchters nicht auf
die Brennstoffzelle beschränkt ist.
Wenn eine Feuchtigkeitskondensation in den Hohlfasermembranmodulen
und dergleichen in einem Teil des Gehäuses auftritt, wo die Trockenluft oder
die befeuchtete Luft strömt, wird die Außenoberfläche der Hohlfasermembra
nen nicht effektiv genutzt. Aus diesem Grund wird die befeuchtete Luft
vorzugsweise aus einem unteren Teil des Hohlfasermembranmoduls abge
leitet, um eine Feuchtigkeitskondensation innerhalb des Gehäuses zu
verhindern. Da mit dieser Anordnung die kondensierte Feuchtigkeit zusam
men mit der befeuchteten Luft aus dem Gehäuse abgeleitet wird, kann ein
Auftreten von Feuchtigkeitskondensation verhindert werden. Das abgeleitete
Wasser wird vorzugsweise von einem Auffangtank oder dergleichen gesam
melt und in anderen Systemen wiederverwendet.
Ein Befeuchter 21 zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle 1, der umfaßt:
mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen oder wasserdurchläs sige Vorrichtungen 21, wobei jede der wasserdurchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen befeuchtetes Gas erzeugt, indem darin verschiedene Gase mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten strömen und ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den verschiedenen Gasen stattfindet, so daß ein trockenes Gas mit einem kleineren Feuchtigkeitsgehalt durch das andere feuchte Gas mit größerem Feuchtigkeitsgehalt befeuchtet wird; und ein Strömungsdurchlaßschaltmittel Va zum optionalen Umschalten der Strömungsdurchlässe Ca des Trockengases. Das Strömungsdurchlaß schaltmittel Va schaltet den Strömungsdurchlaß Ca in Abhängigkeit von einer benötigten Menge an befeuchtetem Gas, um somit selektiv bestimmte wasserdurchlässige Membranen oder eine bestimmte wasserdurchlässige Vorrichtung 21 unter den mehreren wasserdurchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen 21 zu verwenden.
mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen oder wasserdurchläs sige Vorrichtungen 21, wobei jede der wasserdurchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen befeuchtetes Gas erzeugt, indem darin verschiedene Gase mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten strömen und ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den verschiedenen Gasen stattfindet, so daß ein trockenes Gas mit einem kleineren Feuchtigkeitsgehalt durch das andere feuchte Gas mit größerem Feuchtigkeitsgehalt befeuchtet wird; und ein Strömungsdurchlaßschaltmittel Va zum optionalen Umschalten der Strömungsdurchlässe Ca des Trockengases. Das Strömungsdurchlaß schaltmittel Va schaltet den Strömungsdurchlaß Ca in Abhängigkeit von einer benötigten Menge an befeuchtetem Gas, um somit selektiv bestimmte wasserdurchlässige Membranen oder eine bestimmte wasserdurchlässige Vorrichtung 21 unter den mehreren wasserdurchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen 21 zu verwenden.
Claims (9)
1. Befeuchter zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle, der umfaßt:
mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen oder wasser durchlässige Vorrichtungen, wobei jede der wasserdurchlässigen Membra nen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen befeuchtetes Gas erzeugt, indem darin verschiedene Gase mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten strömen und ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den verschiedenen Gasen stattfindet, so daß ein trockenes Gas mit einem kleineren Feuchtigkeitsgehalt durch das andere feuchte Gas mit größerem Feuchtigkeitsgehalt befeuchtet wird; und
ein Strömungsdurchlaßschaltmittel zum optionalen Umschalten der Strömungsdurchlässe des Trockengases;
wobei das Strömungsdurchlaßschaltmittel den Strömungsdurchlaß in Abhängigkeit von einer benötigten Menge an befeuchtetem Gas umschaltet, um somit selektiv bestimmte wasserdurchlässige Membranen oder eine bestimmte wasserdurchlässige Vorrichtung unter den mehreren wasser durchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen zu verwenden.
mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen oder wasser durchlässige Vorrichtungen, wobei jede der wasserdurchlässigen Membra nen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen befeuchtetes Gas erzeugt, indem darin verschiedene Gase mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten strömen und ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen den verschiedenen Gasen stattfindet, so daß ein trockenes Gas mit einem kleineren Feuchtigkeitsgehalt durch das andere feuchte Gas mit größerem Feuchtigkeitsgehalt befeuchtet wird; und
ein Strömungsdurchlaßschaltmittel zum optionalen Umschalten der Strömungsdurchlässe des Trockengases;
wobei das Strömungsdurchlaßschaltmittel den Strömungsdurchlaß in Abhängigkeit von einer benötigten Menge an befeuchtetem Gas umschaltet, um somit selektiv bestimmte wasserdurchlässige Membranen oder eine bestimmte wasserdurchlässige Vorrichtung unter den mehreren wasser durchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen zu verwenden.
2. Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem jede der mehreren kombinier
ten, wasserdurchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtun
gen eine andere Befeuchtungsfähigkeit aufweist.
3. Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem jede der wasserdurchlässigen
Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen im wesentlichen die
gleiche Befeuchtungsfähigkeit aufweist, wobei die Anzahl der zu verwenden
den kombinierten wasserdurchlässigen Membranen oder wasserdurchlässi
gen Vorrichtungen in Abhängigkeit von der benötigten Menge an befeuchte
tem Gas erhöht oder verringert wird.
4. Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem jede der wasserdurchlässigen
Vorrichtungen durch eine Trennwand abgetrennt ist, um somit zu verhindern,
daß die durch den Befeuchter strömenden Trockengase miteinander ver
mischt werden.
5. Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem das Strömungsdurchlaß
schaltmittel von mehreren Absperrklappen gebildet wird.
6. Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem der Abstand zwischen den
wasserdurchlässigen Membranen von einer Seite der Membran zur anderen
zunimmt, oder jede wasserdurchlässige Vorrichtung ein solches Profil
aufweist, daß ihr Querschnitt von einem Ende zum anderen zunimmt.
7. Befeuchter nach Anspruch 3, bei dem eine bestimmte wasserdurch
lässige Membran oder eine bestimmte wasserdurchlässige Vorrichtung, die
verwendet wird, wenn die benötigte Menge an befeuchtetem Gas klein ist, so
umgeschaltet wird, daß eine kontinuierliche Verwendung der bestimmten
wasserdurchlässigen Membran oder der bestimmten wasserdurchlässigen
Vorrichtung verhindert wird, um alle wasserdurchlässigen Membranen oder
wasserdurchlässigen Vorrichtungen gleichmäßig zu verwenden.
8. Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem das Trockengas entgegen
dem feuchten Gas strömt.
9. Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem das Trockengas parallel zum
feuchten Gas strömt.
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