DE10102447B4

DE10102447B4 - Befeuchter zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10102447B4
Application number: DE10102447A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Wako Shimanuki; Toshikatsu Wako Katagiri; Motohiro Wako Suzuki; Yoshio Wako Kusano
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: DE10102447A1; US20010009306A1; US6471195B2; JP2001202975A

Abstract

Befeuchter zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle, der umfaßt: mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen (HF) oder wasserdurchlässige Vorrichtungen (21), die von verschiedenen Gasen mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten durchströmbar sind, so daß ein trockenes Gas mit einem kleineren Feuchtigkeitsgehalt durch das andere feuchte Gas mit größerem Feuchtigkeitsgehalt befeuchtbar ist; gekennzeichnet durch in zu den jeweiligen wasserdurchlässigen Membranen (HF) oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen (21) führenden Strömungsdurchlässen (Ca) des trockenen Gases separat angeordnete Strömungsdurchlaßschaltmittel (Va) zum wahlweisen Umschalten der jeweiligen Strömungsdurchlässe (Ca) des trockenen Gases in Abhängigkeit von einer benötigten Menge an befeuchtetem Gas, so dass das trockene Gas selektiv nur durch einen Teil der wasserdurchlässigen Membranen (HF) oder einen Teil der wasserdurchlässigen Vorrichtungen (21) befeuchtbar ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Befeuchter zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle, und insbesondere auf einen Befeuchter, der wasserdurchlässige Membranen verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellensysteme, insbesondere Feststoff-Polymer-Brennstoffzellensysteme, 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 Düseneinspritztyp-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 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 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.

Wie in 13 gezeigt, weist jedoch der herkömmliche Befeuchter 100 Befeuchtungseigenschaften auf der Grundlage des Ausgangs der Brennstoffzelle 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 Leistungsausgangsbereich, in welchem eine mittlere Menge befeuchteter Luft benötigt wird, ansteigt. Da getrocknete Elektrolytmembranen die Brennstoffzellen beeinträchtigen, wird der Befeuchtungsprozeß im allgemeinen auf der Grundlage des niedrigen Leistungsausgangsbereiches oder des hohen Leistungsausgangsbereiches ausgeführt. Die Brennstoffzelle neigt somit dazu, im mittleren Leistungsausgangsbereich übermäßig befeuchtet zu werden. Als Ergebnis der übermäßigen Befeuchtung wird dann, wenn die Diffusionsschichten 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 Hohlfasermembranen 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.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

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 13 gezeigten Eigenschaften aufweist. Das heißt, in einem niedrigen Leistungsausgangsbereich 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 benötigte Menge an befeuchteter Luft groß ist.

Aus der JP 06-132038 AA ist ein Befeuchter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt. Dort ist ein erster Befeuchter in der Brenngaszufuhrleitung angeordnet, und ein zweiter Befeuchter ist in der Luftzufuhrleitung zur Brennstoffzelle angeordnet.

Die US 3,735,559 zeigt eine Einrichtung mit wasserdurchlässigen Membranen, die zur Platzersparnis zusammengefaltet ist.

Die DE 37 16 653 C2 zeigt einen Atemluftbefeuchter für medizinische Anwendungen. Hohlfasermembranen in einem ersten Teilbereich sind wasserundurchlässig und haben andere Wärmeaustauscheigenschaften als die Hohlfasermembranen im anderen Teilbereich. Durch Umschalten eines sektorförmigen Sperrschiebers lassen sich durch die ersten und zweiten Teilbereiche hindurchfließenden Volumenanteile verändern.

Aufgabe der Erfindung ist es, 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 Außenoberfläche der Hohlfasermembranen nutzen kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Aufgaben der Erfindung gelöst werden durch einen Befeuchter zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1.

Selbst wenn in einer solchen Konstruktion die benötigte Menge an befeuchtetem Gas erhöht wird (Ausgangsleistung der Brennstoffzelle wird erhöht), kann eine Regelung mit dem Strömungsdurchlaßschaltmittel so bewerkstelligt werden, daß der Taupunkt des befeuchteten Gases innerhalb eines bestimmten Ausmaßes stabilisiert wird. 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 wasserdurchlässigen Membranen oder die wasserdurchlässigen Vorrichtungen vorzugsweise so gesteuert, daß sie innerhalb eines Zentralbereiches des Graphen (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 "Hohlfasermembranen" oder "Bündel von Hohlfasermembranen" in der bevorzugten Ausführungsform den "wasserdurchlässigen Membranen", während das "Hohlfasermembranmodul" der "wasserdurchlässigen Vorrichtung" entspricht. Die wasserdurchlässigen Membranen können in Form einer wiederholt gefalteten, filmartigen, wasserdurchlässigen Membran oder in Form einer gewickelten Rolle vorliegen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der 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 befeuchtetem Gas kleiner ist, wasserdurchlässige Membranen oder eine wasserdurchlässige Vorrichtung mit einer relativ geringen Befeuchtungsfähigkeit verwendet werden, während dann, wenn die benötigte Menge größer ist, wasserdurchlässige Membranen oder eine wasserdurchlässige Vorrichtung mit einer relativ hohen Befeuchtungsfähigkeit verwendet werden. Folglich kann der Taupunkt geeignet innerhalb eines gewissen Ausmaßes stabilisiert werden, unabhängig von der benötigten Menge an befeuchtetem Gas. In dem Fall, in dem die wasserdurchlässigen Membranen Hohlfasermembranen sind, kann deren Befeuchtungsfähigkeit verändert werden durch Ändern ihres Profils, des Innendurchmessers, der Form, der Länge oder des Materials der Hohlfasermembran. Ferner kann die Befeuchtungsfähigkeit verändert werden durch Ändern der Anzahl der Hohlfasermembranen, die im Hohlfasermembranmodul 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 wasserdurchlässige Vorrichtung umfaßt jedoch mehrere wasserdurchlässige Membranen, wobei mit der Verwendung des Strömungsdurchlaßschaltmittels geeignete wasserdurchlässige Membranen ausgewählt werden oder alternativ 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.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 die Gesamtanordnung eines Brennstoffzellensystems zeigt;
2 eine schematische erläuternde Ansicht ist, die die Struktur einer Brennstoffzelle zeigt;
3A eine perspektivische Ansicht ist, die ein Hohlfasermembranmodul zeigt, das für einen Befeuchter verwendet wird, wobei 3B eine perspektivische Ansicht ist, die die Struktur einer Hohlfasermembran zeigt;
4 eine Ansicht ist, die einen Befeuchter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 ein Flußdiagramm ist, das die Operationen des Befeuchters der 4 zeigt;
6 eine Ansicht ist, die einen Befeuchter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
7 ein Flußdiagramm ist, das die Operationen des Befeuchters der 6 zeigt;
8 eine Ansicht ist, die einen modifizierten Befeuchter gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
9 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die die Struktur eines Hohlfasermembranmoduls zeigt, das für einen Befeuchter gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
10 eine Ansicht ist, die einen Befeuchter gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
11 ein Flußdiagramm ist, das die Operationen des Befeuchters der 10 zeigt;
12 eine Schnittansicht ist, die einen Befeuchter des Standes der Technik zeigt; und
13 ein Graph ist, der die Befeuchtungseigenschaften des Befeuchters des Standes der Technik erläutert.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Mit Bezug auf die Zeichnungen werden im folgenden bevorzugte Ausführungsformen 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.
<Erste Ausführungsform>
Ein Befeuchter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden beschrieben. In dieser Ausführungsform umfaßt der Befeuchter mehrere Hohlfasermembranmodule mit unterschiedlichen Befeuchtungsfähigkeiten, wobei ein geeignetes Hohlfasermembranmodul entsprechend der Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle (oder der benötigten Menge an befeuchteter Luft) unter Verwendung des Strömungsdurchlaßschaltmittels ausgewählt wird.
[Brennstoffzellensystem]
Im folgenden werden mit Bezug auf 1 die Gesamtanordnung und die Operationen eines Brennstoffzellensystems beschrieben, in dem 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 Reformer 7, einen CO-Entferner 8, einen Wasser/Methanol-Gemisch-Speichertank T (im folgenden einfach als "Tank" bezeichnet). Die Brennstoffzelle 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 Luftkompressors 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 Rohbrennstoffflüssigkeit wird über eine Pumpe P dem Brennstoffverdampfer 8 dosiert zugeführt, 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 Katalysators 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 erzeugten 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 Brennstoffverdampfer 6 verwendet. Es ist zu beachten, daß ein Zusatzbrennstoff (Methanol) und Luft dem Vergasungsbrenner 5 zugeführt werden, um eine ausreichende Wärmemenge zu liefern und das Brennstoffzellensystem FCS beim Starten aufzuwärmen.
Die Konfiguration und die Funktionen der Brennstoffzelle werden im folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben. In 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 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-Serienkatalysator enthält, um einen Wasserstoffpol 14 und einen Sauerstoffpol 12 zu bilden. In dieser Figur ist die Diffusionsschicht weggelassen. Das wasserstoffangereicherte Gas, das aus der Rohbrennstoffflüssigkeit entsteht, wird als Brennstoffgas über einen Gasdurchlaß 15 an der Wasserstoffpolseite geleitet, während die im Befeuchter 2 befeuchtete befeuchtete Luft als Oxidationsmittelgas über einen Gasdurchlaß 15 an der Sauerstoffpolseite geleitet wird. Als Elektrolytmembran 13, die hier verwendet werden kann, ist eine Feststoff-Makromolekular-Membran bekannt, wie z. B. Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure, die eine Protonenaustauschmembran ist. Die Elektrolytmembran 13 weist mehrere Protonenaustauschgruppen im Feststoff-Makromolekül auf und besitzt einen geringen spezifischen Widerstand 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. einen Motor.
Der Grund dafür, daß die befeuchtete Luft der Brennstoffzelle 1 als ein Oxidationsmittelgas zugefügt wird, besteht darin, daß die Stromerzeugungseffizienz aufgrund der gesenkten Protonenleitfähigkeit in der Elektrolytmembran 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-Makromolekulartyp-Brennstoffzelle 1 verwendet, ist folglich die Befeuchtung von besonderer Bedeutung. Die Rohbrennstoffflüssigkeit enthält eine große Menge an Wasser, welches zum Zweck der Befeuchtung der Sauerstoffpolseite 1b und zusätzlich als Reaktant zur Umsetzung des Methanols in der Rohbrennstoffflüssigkeit verwendet wird.
[Befeuchter]
Im folgenden wird mit Bezug auf die 3 und 4 die Struktur des Befeuchters beschrieben. Der in 4 gezeigte Befeuchter 2 umfaßt Hohlfasermembranmodule 21 und Trockenluftventile Va sowie Abgasventile Vo als Strömungsdurchlaßschaltmittel. Entsprechend der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1 können die Hohlfasermembranmodule 21 in drei Typen unterteilt werden, nämlich ein Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Leistungsausgangsbereich 21L, in welchem die Befeuchtungsfähigkeit gering ist, ein Hohlfasermembranmodul für den mittleren Leistungsausgangsbereich 21M, in welchem die Befeuchtungsfähigkeit mittelmäßig ist, und ein Hohlfasermembranmodul für den hohen Leistungsausgangsbereich 21H, in welchem die Befeuchtungsfähigkeit hoch ist.
Wie in 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 jeweiligen Ende versehen. In der dargestellten Ausführungsform sind längs dessen Umfangsrichtung acht Öffnungen vorgesehen. Das Bündel der Hohlfasermembranen 21b wird ausgebildet durch Binden mehrerer tausend bis mehrerer zehntausend Hohlfasermembranen HF, die jeweils einen Hohldurchlaß aufweisen (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 Bezugszeichen 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 verwendet werden. Das Hohlfasermembranmodul 21 wird hergestellt durch Einsetzen 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 Gehäuses 21a.
Die Hohlfasermembran HF weist eine große Anzahl von kleinen Kapillarröhren auf, die sich von ihrem Inneren zu ihrem Äußeren erstrecken, wobei der Durchmesser derselben mehrere Nanometer beträgt. Innerhalb der Kapillarröhre tritt aufgrund des verringerten Dampfdrucks leicht eine Feuchtigkeitskondensation auf. Die kondensierte Feuchtigkeit wird durch die Kapillarwirkung herausgezogen und das Wasser durchdringt die Hohlfasermembran HF von Innen nach Außen oder umgekehrt. Dies ist ein generisches Funktionsprinzip der Wasserdurchdringung oder Wassertrennung (Kapillarkondensationstyp) unter Verwendung der Hohlfasermembran HF. Genauer strömt das Abgas, das ausreichend Feuchtigkeit enthält, innerhalb der Hohlfasermembran HF, während die Trockenluft oder Spülluft mit relativ kleinem Feuchtigkeitsgehalt 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 Durchdringungsmenge 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 Hohlfasermembranen 21b), höher, wenn das Material, die Länge, der Durchmesser 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 Leistungsausgangsbereich 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 Befeuchtungsfähigkeit jedes Hohlfasermembranmoduls 21L, 21M, 21H ist dieselbe wie diejenige des Standes der Technik, wie in 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 Sauerstoffpol 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 Feuchtluftauslässen 21d in das Hohlfasermembranmodul 21. Im Hohlfasermembranmodul 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 Hohlfasermembranmoduls 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 Hohlfasermembran HF.
Die Trockenluftventile Va (VaL, VaM, VaH) bilden das Strömungsdurchlaßschaltmittel und sind in der Luftleitung Ca unmittelbar vor den Trockenlufteinlässen 21c der jeweiligen Hohlfasermembranmodule 21 (21L, 21M, 21H) vorgesehen. Diese Trockenluftventile VaL, VaM, VaH schalten den Strömungsdurchlaß der Trockenluft. Hierbei bilden die Abgasventile Vo (VoL, VoM, VoH) zusammen mit den Trockenluftventilen Va das Strömungsdurchlaßschaltmittel und sind in der Abgasleitung Co unmittelbar vor dem Abgaseinlaß 21i der jeweiligen Hohlfasermembranmodule 21 (21L, 21M, 21H) vorgesehen. Diese Abgasventile VoL, VoM, VoH schalten den Strömungsdurchlaß 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 Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1 selektiv verwendet.
[Operation des Befeuchters]
Im folgenden werden mit Bezug auf die 1 bis 5, und insbesondere mit Bezug auf 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 Brennstoffzelle und dem Offen/Geschlossen-Zustand der im Befeuchter vorgesehenen Ventile.
[Tabelle 1] Tabelle 1: Beziehung zwischen der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle und den Ventilzuständen des Befeuchters.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem niedrigen Niveau entspricht, wird nur das Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Leistungsausgangsbereich 21L verwendet, wobei die anderen Hohlfasermembranmodule 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 Hohlfasermembran 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 Leistungsausgangsbereich 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 Leistungsausgangsbereich 21M verwendet, wobei die anderen Hohlfasermembranmodule 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 Hohlfasermembranmodul für den mittleren Leistungsausgangsbereich 21M und wird dem Gas/Flüssigkeit-Separator 3 zugeführt.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem hohen Niveau entspricht, wird nur das Hohlfasermembranmodul für den hohen Leistungsausgangsbereich 21H verwendet, während die anderen Hohlfasermembranmodule 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 Brennstoffzelle 1 als befeuchtete Luft zugeführt. Gleichzeitig strömt das Abgas vom Sauerstoffpol 1a der Brennstoffzelle 1 nur durch das Hohlfasermembranmodul 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 (13), während das Hohlfasermembranmodul 21L im niedrigen Leistungsausgangsbereich 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 Leistungsausgangsbereich in den hohen Leistungsausgangsbereich gewechselt wird, wobei vom Hohlfasermembranmodul 21M auf das Hohlfasermembranmodul 21H entsprechend der erhöhten benötigten Menge an befeuchteter Luft umgeschaltet wird. Wenn im Gegensatz hierzu der Taupunkt aufgrund einer verringerten benötigten Menge an befeuchteter Luft absinkt, während das Hohlfasermembranmodul 21H im hohen Leistungsausgangsbereich verwendet 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 Leistungsausgangsbereich 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 Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1 im niedrigen Leistungsausgangsbereich liegt. Somit führt das Hohlfasermembranmodul für den niedrigen Leistungsausgangsbereich 21L die optimale Befeuchtung im niedrigen Leistungsausgangsbereich durch, wobei im Gegensatz zum Befeuchter des Standes der Technik der Taupunkt der befeuchteten Luft im niedrigen Leistungsausgangsbereich nicht absinkt. Das gleiche gilt für das Hohlfasermembranmodul für den hohen Leistungsausgangsbereich 21H. Das Hohlfasermembranmodul für den mittleren Leistungsausgangsbereich 21M ist ein Hohlfasermembranmodul 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 Ausführungsform 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 Wasserüberflutung der Elektrode 12 oder Austrocknung der Elektrolytmembran 13.
<Zweite Ausführungsform>
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 Strömungsdurchlaßschaltmittels 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 Bezugszeichen bezeichnet, wobei ihre Beschreibung weggelassen wird.
[Brennstoffzellensystem]
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 Beschreibung desselben wird daher weggelassen.
[Befeuchter]
Im folgenden wird mit Bezug auf 6 ein Befeuchter gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Ähnlich der ersten Ausführungsform umfaßt ein in 6 gezeigter Befeuchter 2 Hohlfasermembranmodule 21 und Trockenluftventile Va und Abgasventile Vo als Strömungsdurchlaßschaltmittel. 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 (3A). Da die Struktur und das Funktionsprinzip des Hohlfasermembranmoduls 21 dieselben sind wie diejenigen, die in der ersten Ausführungsform beschrieben worden sind, wird eine weitere Erläuterung weggelassen. Jedes der Hohlfasermembranmodule 21A, 21B, 21C enthält etwa 5.000 Hohlfasermembranen 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 Strömungsdurchlaßschaltmittel bilden, sind an der Luftleitung Ca unmittelbar vor den Trockenlufteinlässen 21c der jeweiligen Hohlfasermembranmodule 21 (21A, 21B, 21C) vorgesehen. Siehe 3A. Diese Trockenluftventile VaA, VaB, VaC schalten den Strömungsdurchlaß der Trockenluft. Wie in 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 Abgasventile 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 Hohlfasermembranmodule 21A, 21B, 21C wird in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1 selektiv erhöht oder verringert.
[Operation des Befeuchters]
Mit Bezug auf 7 (und bei Bedarf auf die 1 bis 4) werden im folgenden 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 Brennstoffzelle und dem Offen/Geschlossen-Zustand der im Befeuchter vorgesehenen Ventile.
[Tabelle 2] Tabelle 2: Beziehungen zwischen der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle und den Ventilzuständen des Befeuchters.
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 Hohlfasermembranmodul 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 Sauerstoffpols 1a der Brennstoffzelle 1 nur durch das Hohlfasermembranmodul 21A (innerhalb der Hohlfasermembran HF) und wird dem Gas/Flüssigkeit-Separator 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 Hohlfasermembranmodule 21A, 21B (innerhalb der Hohlfasermembran HF) und wird dem Gas/Flüssigkeit-Separator 3 zugeführt.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem hohen Niveau entspricht, 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 Hohlfasermembranmodule 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 Hohlfasermembranmodule 21 entsprechend der erhöhten benötigten Menge an befeuchteter Luft betrieben werden. Wenn im Gegensatz hierzu der Taupunkt aufgrund einer Verringerung der benötigten Menge an befeuchteter Luft absinkt, während alle Hohlfasermembranmodule 21A, 21B, 21C im hohen Leistungsausgangsbereich verwendet werden, wird das Hohlfasermembranmodul 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 entsprechend der verringerten benötigten Menge an befeuchteter Luft auf 1 reduziert wird.
Dementsprechend kann der Befeuchter 2 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung befeuchtete Luft mit einem stabilen Taupunkt der Brennstoffzelle 1 über den gesamten Ausgangsleistungsbereich der Brennstoffzelle 1 vom niedrigen Leistungsausgangsbereich bis zum hohen Leistungsausgangsbereich zur Verfügung stellen. Folglich kann die Brennstoffzelle 1 unter stabilen Bedingungen betrieben werden, unabhängig von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1.
Gemäß der zweiten Ausführungsform werden im mittleren Leistungsausgangsbereich und hohen Leistungsausgangsbereich mehrere Hohlfasermembranmodule 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 Hohlfasermembranmodul 21 strömt, kaum eine Drift hervorruft, selbst wenn die Anzahl der Hohlfasermembranen HF erhöht wird. Dies führt zu einer Verbesserung der Befeuchtungsfähigkeit des Befeuchters 2, da die ausgedehnte Oberfläche der Außenfläche der Hohlfasermembran HF effektiv genutzt werden kann.
Wie in 8 gezeigt, sind in der zweiten Ausführungsform nur Trockenluftventile Va als Strömungsdurchlaßschaltmittel vorgesehen, wobei die Abgasventile Vo weggelassen sind. In dieser Anordnung kann die Struktur des Befeuchters 2 vereinfacht sein. Hierbei werden alle Hohlfasermembranmodule 21A, 21B, 21C jederzeit mit dem Abgas versorgt, unabhängig von der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 1. Da das Abgas ausreichend Feuchtigkeit enthält, fällt jedoch der Taupunkt der befeuchteten Luft nicht fehlerhaft ab.
<Dritte Ausführungsform>
Im folgenden wird ein Befeuchter gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In dieser Ausführungsform ist ein Hohlfasermembranmodul durch Trennwände abgetrennt, wobei unter Verwendung des Strömungsdurchlaßschaltmittels die Anzahl der zu verwendenden Hohlfasermembranen 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 weggelassen wird.
[Brennstoffzellensystem]
Das Brennstoffzellensystem, in dem ein Befeuchter gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung angewendet wird, ist im wesentlichen dasselbe wie dasjenige der ersten Ausführungsform. Eine genaue Beschreibung desselben wird daher weggelassen.
[Befeuchter]
Im folgenden wird mit Bezug auf 9 ein Befeuchter gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Ähnlich der ersten Ausführungsform umfaßt ein in den 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 Hohlfasermembranen 21'b (21A'b, 21B'b, 21C'b). Somit werden die drei Trockenluftströme oder befeuchteten Luftströme, die durch die getrennten Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b, 21C'b strömen, nicht miteinander vermischt. Das Funktionsprinzip der Hohlfasermembran HF ist das gleiche wie dasjenige 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 Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b, 21C'b ist im wesentlichen gleich (obwohl sie verschieden 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) entgegengesetzt 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 9 gezeigten Hohlfasermembranmoduls 21' vorgesehen ist, in das Bündel der Hohlfasermembranen 21A'b, wobei sie außerhalb der jeweiligen Hohlfasermembran strömt, und wird als befeuchtete Luft aus einem Feuchtluftauslaß 21A'd an der rechten Seite des Hohlfasermembranmoduls 21' abgegeben. Gleichzeitig strömt das Abgas von einem Abgaseinlaß 21A'i, der an einer rechten Seite des in 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 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 Hohlfasermembranmoduls 21' abgegeben. Gleichzeitig strömt das Abgas von einem Abgaseinlaß 21B'i, der auf der rechten Seite des in 9 gezeigten Hohlfasermembranmoduls 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 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 Hohlfasermembranmoduls 21' abgegeben. Gleichzeitig strömt das Abgas von einem Abgaseinlaß 21C'i, der auf der rechten Seite des in 9 gezeigten Hohlfasermembranmoduls 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 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 Hohlfasermembranen 21'b (21A'b, 21B'b, 21C'b) vorgesehen. Diese Trockenluftventile 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) vorgesehen. 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.
[Operation des Befeuchters]
Mit Bezug auf 11 (und bei Bedarf auf die 1 bis 3) werden im folgenden 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 Hohlfasermembran HF) und wird dem Gas/Flüssigkeit-Separator 3 zugeführt. Das Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b enthält eine Anzahl von Hohlfasermembranen HF, die zum Befeuchten der Trockenluft im niedrigen Leistungsausgangsbereich ausreicht.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem mittleren Niveau entspricht, werden zwei Bündel von Hohlfasermembranen 21,A'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 Brennstoffzelle 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 zugeführt.
Wenn die benötigte Menge an befeuchteter Luft dem hohen Niveau entspricht, 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 Luftkompressor 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 Oxidationsmittelgas 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 Befeuchtung ausgeführt. Im Gegensatz zum Befeuchter des Standes der Technik fällt der Taupunkt der befeuchteten Luft daher im unteren Leistungsausgangsbereich nicht ab. Da im hohen Leistungsausgangsbereich alle drei Bündel von Hohlfasermembranen 21A'b, 21B'b 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 Leistungsausgangsbereich bis zum hohen Leistungsausgangsbereich der Brennstoffzelle 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 Hohlfasermembranen 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 konstruiert, daß der Abstand zwischen den Hohlfasermembranen HF in der Nähe des Feuchtluftauslasses enger wird. Dies führt zu einer effektiven Befeuchtung 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 Hohlfasermembran strömt. Ferner ist die Anzahl der Hohlfasermembranmodule oder Bündel von Hohlfasermembranen (im folgenden mit "Hohlfasermembranmodule und dergleichen" bezeichnet) nicht auf drei beschränkt, wobei zwei oder mehr als vier Hohlfasermembranmodule verwendet werden können. Mit zunehmender Anzahl von Hohlfasermembranmodulen wird eine optimale Befeuchtung entsprechend den unterschiedli chen Ausgangsleistungen der Brennstoffzelle ausgeführt. Die Anzahl der Hohlfasermembranen kann optional verändert werden. Ferner ist die wasserdurchlässige Membran nicht auf eine Hohlfasermembran beschränkt, wobei sie in Form einer wiederholt gefalteten, filmartigen, wasserdurchlässigen 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 Hohlfasermembranmodul. 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 Anordnung des Gaseinlasses und des Gasauslasses die Anordnung der Gasrohrleitungen. 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 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 maximaler Ausgangsleistung der Brennstoffzelle). Gleichzeitig wird die Brennstoffzelle 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 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 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 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. Somit wird mit der Temperatureinstellfunktion des Befeuchters die Brennstoffzelle unter geeigneten Temperaturen betrieben, was zu einer erhöhten Erzeugungseffizienz 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 Trockenluft durch den Befeuchter strömt, in welchem das Abgas (mit einer Temperatur von 80°C und etwas mehr) strömt, wird die Trockenluft über die Hohlfasermembran 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 Erzeugungseffizienz 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 Gehäuses zum anderen allmählich (und z. B. stark) zunimmt. Außerdem kann in der zweiten und dritten Ausführungsform ein Zeitgeber verwendet werden, um zwischen den drei Hohlfasermembranmodulen (Bündeln von Hohlfasermembranen) in einer Weise umzuschalten, so daß alle Hohlfasermembranmodule (Bündel von Hohlfasermembranen) gleichmäßig verwendet werden und nicht ein bestimmtes Hohlfasermembranmodul (Bündel von Hohlfasermembranen) kontinuierlich verwendet wird. Dies stellt eine verlängerte Lebensdauer des Befeuchters als Ganzes sicher.
Außerdem können optional die erste, die zweite und die dritte Ausführungsform kombiniert werden. Zum Beispiel kann in der ersten Ausführungsform das Hohlfasermembranmodul für den hohen Leistungsausgangsbereich durch Trennwände abgetrennt werden, so daß mehrere Bündel von Hohlfasermembranen darin enthalten sind, oder alternativ können mehrere Hohlfasermembranmodule für den hohen Leistungsausgangsbereich verwendet werden. In der dritten Ausführungsform kann die Anzahl der in jedem Bündel von Hohlfasermembranen enthaltenen Hohlfasermembranen veränderlich sein, wie in der ersten Ausführungsform.
Der Befeuchter gemäß der vorliegenden Erfindung kann zu anderen Zwekken verwendet werden, weshalb die Verwendung des Befeuchters nicht auf die Brennstoffzelle beschränkt ist.
Wenn eine Feuchtigkeitskondensation in den Hohlfasermembranmodulen in einem Teil des Gehäuses auftritt, wo die Trockenluft oder die befeuchtete Luft strömt, wird die Außenoberfläche der Hohlfasermembranen nicht effektiv genutzt. Aus diesem Grund wird die befeuchtete Luft vorzugsweise aus einem unteren Teil des Hohlfasermembranmoduls abgeleitet, um eine Feuchtigkeitskondensation innerhalb des Gehäuses zu verhindern. Da mit dieser Anordnung die kondensierte Feuchtigkeit zusammen mit der befeuchteten Luft aus dem Gehäuse abgeleitet wird, kann ein Auftreten von Feuchtigkeitskondensation verhindert werden. Das abgeleitete Wasser wird vorzugsweise von einem Auffangtank gesammelt und in anderen Systemen wiederverwendet.
Ein Befeuchter 21 zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle 1, der umfaßt:
mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen oder wasserdurchlässige 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 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 21 unter den mehreren wasserdurchlässigen Membranen oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen 21 zu verwenden.

Claims

Befeuchter zur Verwendung mit einer Brennstoffzelle, der umfaßt: mehrere kombinierte wasserdurchlässige Membranen (HF) oder wasserdurchlässige Vorrichtungen (21), die von verschiedenen Gasen mit unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten durchströmbar sind, so daß ein trockenes Gas mit einem kleineren Feuchtigkeitsgehalt durch das andere feuchte Gas mit größerem Feuchtigkeitsgehalt befeuchtbar ist; gekennzeichnet durch in zu den jeweiligen wasserdurchlässigen Membranen (HF) oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen (21) führenden Strömungsdurchlässen (Ca) des trockenen Gases separat angeordnete Strömungsdurchlaßschaltmittel (Va) zum wahlweisen Umschalten der jeweiligen Strömungsdurchlässe (Ca) des trockenen Gases in Abhängigkeit von einer benötigten Menge an befeuchtetem Gas, so dass das trockene Gas selektiv nur durch einen Teil der wasserdurchlässigen Membranen (HF) oder einen Teil der wasserdurchlässigen Vorrichtungen (21) befeuchtbar ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem jede der mehreren kombinierten, wasserdurchlässigen Membranen (HF) oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen (21) eine andere Befeuchtungsfähigkeit aufweist.
Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem jede der wasserdurchlässigen Membranen (HF) oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen (21) im wesentlichen die gleiche Befeuchtungsfähigkeit aufweist, wobei die Anzahl der zu verwendenden kombinierten wasserdurchlässigen Membranen (HF) oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen (21) in Abhängigkeit von der benötigten Menge an befeuchtetem Gas erhöhbar oder verringerbar ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem jede der wasserdurchlässigen Vorrichtungen (21A'b, 21B'b, 21C'b) durch eine Trennwand (P) abgetrennt ist, um somit zu verhindern, daß sich die durch den Befeuchter strömenden trockenen Gase miteinander vermischen.
Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem das Strömungsdurchlaßschaltmittel (Va) von mehreren Absperrklappen (VaA, VaB, VaC) gebildet ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, bei dem der Abstand zwischen den wasserdurchlässigen Membranen (HF) von einer Seite der Membran zur anderen zunimmt, oder jede wasserdurchlässige Vorrichtung (21) ein solches Profil aufweist, daß ihr Querschnitt von einem Ende zum anderen zunimmt.
Befeuchter nach Anspruch 3, der eine bestimmte wasserdurchlässige Membran (HF) oder eine bestimmte wasserdurchlässige Vorrichtung (21) umfaßt, die, wenn die benötigte Menge an befeuchtetem Gas klein ist, so umschaltbar ist, daß eine kontinuierliche Verwendung der bestimmten wasserdurchlässigen Membran (HF) oder der bestimmten wasserdurchlässigen Vorrichtung (21) ausgeschlossen ist, so daß alle wasserdurchlässigen Membranen (HF) oder wasserdurchlässigen Vorrichtungen gleichmäßig verwendbar sind.
Befeuchter nach Anspruch 1, der vom trockenen Gas entgegen dem feuchten Gas durchströmbar ist.
Befeuchter nach Anspruch 1, der vom trockenen Gas parallel zum feuchten Gas durchströmbar ist.