DE10110419A1

DE10110419A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10110419A1
Application number: DE10110419A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Kanai; Hideo Okamoto; Kouji Kurosaki; Tomoki Kobayashi; Hiroshi Shimanuki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2003-10-23
Also published as: CA2339508C; US6696192B2; US20010021468A1; CA2339508A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Befeuchter, der eine Brennstoffzellen auch dann befeuchten kann, wenn die Befeuchtung beim Anlaufen der Brennstoffzelle und während Normalbetrieb derselben ungenügend geworden ist. Eine Wassersammelvorrichtung, die Wasser in dem Abgas von einer Brennstoffzelle (1) sammelt, sowie ein Hilfsbefeuchter, der die Gaszufuhr unter Verwendung von Sammelwasser von der Wassersammelvorrichtung befeuchtet, sind separat zu dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp (2) vorgesehen. Die Wassersammelvorrichtung umfasst einen Dampf/Flüssigkeitsseparator (3) und einen Sammelwasserspeichertank (4), und der Hilfsbefeuchter umfasst ein Rückschlagventil (6), eine Sammelwasserzufuhrpumpe (7), ein Hilfsbefeuchtungsrohr (13) und einen Einspritzer (17). Das Sammelwasser in dem Sammelwasserspeichertank (4) wird durch eine Sammelwasserzufuhrpumpe (7) überführt, durch den Einspritzer (17) zerstäubt und der Einlassseite der Brennstoffzelle (1) zugeführt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp aufweist. Beispielsweise betrifft diese Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das einen Befeuchter aufweist, der Wasser sammelt, das in Abgas aus einer Brennstoffzelle enthalten ist, die durch die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Energie erzeugt, und der das einer Brennstoffzelle zugeführte Gas befeuchtet. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Technologie, die bei der Befeuchtung einer Brennstoffzelle beim Anlauf und während deren Betrieb wirksam ist.

Beschreibung der relevanten Technik

Beispielsweise muss in einer Brennstoffzelle, die eine feste Hochpolymermembrane als Elektrolytmembrane verwendet, die feste Hochpolymermembrane mit Wasser gesättigt gehalten werden, um die Funktionen eines Protonen (Wasserstoffionen)-leitenden Elektrolyts zu erhalten. Im Hinblick hierauf ist ein Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp vorgesehen, um Wasser in Abgas von der Brennstoffzelle zu sammeln und das gesammelte Wasser zu benutzen, um Zufuhrgas (Wasserstoffgas und Sauerstoffgas), das der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu befeuchten.
Ein Typ dieses Befeuchters vom Wasserdurchlässigkeitstyp ist eine Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung, die eine Hohlfasermembrane aufweist, die es erlaubt, dass Wasser parallel zur Dicke der Membrane hindurchdringt, wie z. B. in den japanischen ungeprüften Patentanmeldungen, Erstveröffentlichungen Nr. Hei 7-71795 und Hei 8-273687 offenbart.
In der Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung wird Wasser aus einer (der hochfeuchten Seite) der Fluide gesammelt, die in und aus der Hohlfasermembrane fließen, und das andere Fluid (niedrigfeuchte Seite) wird befeuchtet, indem das angesammelte Wasser durch die Hohlfasermembrane zu dem anderen Fluid überführt wird.
Fig. 28 zeigt eine allgemeine Brennstoffzelle. Wi in Fig. 28 gezeigt, umfasst eine Brennstoffzelle 201 eine Kathode (Luftelektrode) und eine Anode (Brennstoffelektrode) an jeder Seite einer Elektrolytmembrane, die eine feste Hochpolymermembrane 201c aufweist. Eine Kathode 201 und eine Anode 201d umfassen Katalysatoren und sie sind jeweils an den zwei Seiten vorgesehen. Die feste Hochpolymermembrane 201c umfasst z. B. eine Protonenaustauschermembrane einer Perfluorcarbon- Sulfonsäuremembrane, und sie wirkt als protonenleitendes Elektrolyt, wenn sie mit Wasser gesättigt ist. Bei Raumtemperatur besteht ein niedriger spezifischer Widerstand von 20 Ω-Proton oder weniger. Der Katalysator in der Kathode 201b erzeugt Sauerstoffionen aus Sauerstoff, und der Katalysator in der Anode 201d erzeugt Protonen aus Wasserstoff. Eine kathodenseitige Gaspassage 201a ist in der Außenseite der Kathode 201b vorgesehen und gestattet einen Durchfluss einer Luftzufuhr As aus Oxidationsgas. Eine anodenseitige Gaspassage 201e ist in der Außenseite der Anode 201d vorgesehen und gestattet einen Durchfluss einer Wasserstoffzufuhr Hs aus Brenngas. Wenn die Luftzufuhr As entlang der kathodenseitigen Gaspassage 201a fließt und die Wasserstoffzufuhr Hs entlang der anodenseitigen Gaspassage 201e fließt, ionisiert der Effekt des Katalysators der Anode 201d den Wasserstoff unter Erzeugung von Protonen. Die Protonen bewegen sich durch eine Elektrolytmembrane, die die feste Hochpolymermembrane 201c aufweist, und erreichen die Kathode 201b. Die Protonen reagieren mit den Sauerstoffionen, die aus dem Sauerstoff der Luftzufuhr As durch den Effekt des Katalysators erzeugt sind, und erzeugen hierdurch Wasser. Die Luftzufuhr As, die das erzeugte Wasser und nicht benutzten Sauerstoff enthält, wird als Abluft Ae von der kathodenseitigen Gaspassage 201a der Brennstoffzelle 201 abgegeben. An der Anode 201d werden beim Ionisieren des Wasserstoffs Elektronen erzeugt. Diese Elektronen fließen durch eine externe Last, wie etwa einen Motor M oder dgl., und erreichen die Kathode 201b.
In dem Brennstoffzellensystem, das die Hohlfasermembrane- Sammelvorrichtung aufweist, wird das Wasser, das bei Betrieb der Brennstoffzelle erzeugt und daraus abgegeben wird, über die Hohlfasermembrane gesammelt und als Wasser zum Befeuchten der Brennstoffzelle verwendet. In Fällen, in denen das Brennstoffzellensystem über eine lange Zeitdauer und dgl. ausgeschaltet wird, wird die Hohlfasermembrane trocken, was es unmöglich macht, die Brennstoffzelle zu befeuchten und die Energieerzeugung zu starten, wenn die Brennstoffzelle anläuft.
Nicht nur unmittelbar nach dem Anlaufen, sondern auch während des normalen Betriebs (Energieerzeugung) der Brennstoffzelle gibt es Fälle, in denen die Befeuchtungsmenge, die durch den Befeuchter vom Wasserpermeabilitätstyp erhalten wird, nicht ausreicht, in Abhängigkeit vom Betriebsstatus der Brennstoffzelle (z. B. Befeuchtungsleistung des Befeuchters vom Wasserpermeabilitätstyp und Änderungen in der von der Brennstoffzelle benötigten Befeuchtungsmenge). In dem oben erwähnten Brennstoffzellensystem sammelt der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp Wasser aus der Abluft und befeuchtet die Luftzufuhr unter Verwendung des angesammelten Wassers. Im Hinblick auf die Tatsache, dass die Verdampfungsrate von Wasser umgekehrt proportional zum Druck bei konstanter Temperatur ist, ändert sich jedoch die pro festem Volumen (Kapazität) benötigte Wassermenge, wenn sich der Druck ändert, auch wenn der vorbestimmte Taupunkt der Luftzufuhr zu der Brennstoffzelle der gleiche bleibt. Infolgedessen könnte die Wassermenge, die aus der Abluft der Brennstoffzelle gewonnen wird, zur Befeuchtung nicht ausreichend sein.
Man vergleiche z. B. (a) ein Hochdruckbetriebssystem, das eine Pumpe stromauf der kathodenseitigen Gaspassage aufweist und die Luft durch Überdruck verschiebt, und (b) ein Niederdruckbetriebssystem, das eine Pumpe stromab in der kathodenseitigen Gaspassage aufweist und die Luft durch Unterdruck verschiebt. Das Niederdruckbetriebssystem von (b) hat einen geringeren Druckverlust als das Hochdruckbetriebssystem von (a) und eine bessere Antriebskraft, hat jedoch den Nachteil, dass es eine viel größere Wassermenge pro konstantem Volumen (Kapazität) benötigt. Aus diesem Grund könnte die Befeuchtungsmenge der Polymermembrane nicht ausreichen, wenn man nur aus Abluft gewonnenes Wasser verwendet, insbesondere im Unterdruckbetrieb, und eine ungenügende Befeuchtung des Zufuhrgases könnte zu einer schlechten Energieerzeugung führen, wenn die Brennstoffzelle arbeitet. Der Grad an ungenügender Befeuchtung ist merklich größer als im Fall des Überdruckbetriebs.
Eine denkbare Lösung wäre es, den Maßstab des Befeuchters vom Wasserdurchlässigkeitstyp zu vergrößern, wobei aber die unvermeidliche Zunahme an Druckverlust dies inpraktikabel macht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde erreicht, um die obigen Probleme zu lösen. Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das eine Brennstoffzelle ohne Überschuss oder Mangel, sowohl beim Anlauf als auch während des Betriebs der Brennstoffzelle, effektiv befeuchten kann. Eine andere Aufgabe dieser Erfindung ist es, das Brennstoffzellensystem zu realisieren, das eine Brennstoffzelle ohne Überschuss oder Mangel effektiv befeuchten kann, nicht nur bei Betrieb mit Überdruck, sondern auch bei Betrieb mit Unterdruck, wo die Befeuchtung besonders leicht ungenügend wird, und das die wirtschaftlichen Merkmale des Unterdruckbetriebs nutzen kann.
Um die obigen Aufgaben zu lösen, umfasst das Brennstoffzellensystem dieser Erfindung eine Brennstoffzelle (1, 101), die unter Verwendung einer Zufuhr von Brenngas und Oxidationsgas Energie erzeugt; einen Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp (eine Hohlfasermembran- Wassersammelvorrichtung 2, einen Befeuchter 123 vom Wasserdurchlässigkeitstyp), der Wasser aus von der Brennstoffzelle abgegebenem Abgas sammelt und die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle befeuchtet; sowie einen Hilfsbefeuchter, der versehen ist mit einem Dampf/Flüssigkeitsseparator (3, Kondensator 126), der das Wasser aus dem Abgas separiert, einem Sammelwasserspeichertank (4, Reservoirabschnitt eines Kondensators 126), der das separierte Sammelwasser (9) speichert, sowie einem Einspritzer (17, 126b), der das in dem Sammelwasserspeichertank gespeicherte Sammelwasser zu der Gaszufuhr oder dem Abgas einspritzt.
Ferner sieht diese Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das eine Brennstoffzelle (1, 101) aufweist, die unter Verwendung einer Zufuhr von Brenngas und Oxidationsgas Energie erzeugt; einen Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp (Hohlfasermembrane-Wassersammelvorrichtung 2 und Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123), der Wasser aus dem von der Brennstoffzelle abgegebenen Abgas sammelt und die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle befeuchtet; sowie einen Hilfsbefeuchter, der Wasser sammelt, das von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp nicht gesammelt werden konnte, und die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle befeuchtet. Der Hilfsbefeuchter ist mit einem Dampf/Flüssigkeitsseparator (3, Kondensator 126) versehen, der das Wasser aus dem Abgas separiert, einen Sammelwasserspeichertank (4, Reservoirabschnitt vom Kondensator 126), der das separierte Sammelwasser (9) speichert, sowie einen Einspritzer (17, 126b), der das Sammelwasser, das in dem Sammelwasserspeichertank gespeichert ist, zu der Gaszufuhr oder dem Abgas einspritzt.
Gemäß diesen Ausführungen wird Wasser in dem Abgas, das aus der Brennstoffzelle abgegeben ist, durch den Dampf/Flüssigkeitsseparator separiert und in dem Sammelwasserspeichertank gespeichert. Dann benutzt der Hilfsbefeuchter das angesammelte Wasser in dem Sammelwasserspeichertank, um die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle zu befeuchten. Falls die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle durch den Befeuchter vom Wasserpermeabilitätstyp beim Anlaufen der Brennstoffzelle nicht befeuchtet werden kann und falls die Befeuchtungsmenge während Normalbetrieb der Brennstoffzelle ungenügend wird, kann demzufolge die Gaszufuhr mittels des Hilfsbefeuchters befeuchtet werden, der von dem Befeuchter vom Wasserpermeabilitätstyp separat vorgesehen ist.
In dieser Erfindung kann der Hilfsbefeuchter das Sammelwasser der Brennstoffzelle zuführen, wenn die von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp erhaltene Befeuchtungsmenge zur Befeuchtung der Brennstoffzelle nicht ausreicht (S204). Wenn bei diesem Aufbau die erforderlichen Feuchtigkeitsbedingungen durch den Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp allein erfüllt werden können, braucht der Hilfsbefeuchter nicht benutzt zu werden. Dies macht es möglich, überflüssigen Energieverbrauch zu reduzieren.
Ferner kann in dieser Erfindung der Hilfsbefeuchter das Sammelwasser über eine vorbestimmte Zeitperiode beim Anlaufen (S4) der Brennstoffzelle zuführen. Nachdem der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp zur Befeuchtung fähig geworden ist, schaltet bei diesem Aufbau das System von der Befeuchtung durch den Hilfsbefeuchter zur Befeuchtung durch den Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp allein. Dies macht es möglich, einen überflüssigen Energieverbrauch zu reduzieren.
Ferner kann bei dieser Erfindung der Hilfsbefeuchter das Sammelwasser auf der Basis der Differenz zwischen der von der Brennstoffzelle benötigten Befeuchtungsmenge und der Befeuchtungsmenge, die durch den Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp erreicht werden kann, zuführen. Bei diesem Aufbau kann die Wassermenge, die von der Brennstoffzelle zum stabilen Erzeugen von Energie benötigt wird, der Gaszufuhr hinzugefügt werden. Ferner kann Energie stabil erzeugt werden.
In dieser Erfindung ist der Hilfsbefeuchter mit einem Wasserpegeldetektor (10) versehen, der den Wasserpegel von in dem Sammelwasserspeichertank gespeichertem Sammelwasser erfasst und das Sammelwasser aus dem Sammelwasserspeichertank abgibt, wenn der Wasserpegel einen vorbestimmten Wasserpegel überschreitet. Bei diesem Aufbau wird Überschusswasser automatisch abgegeben, anstatt in dem System belassen zu werden.
Ferner kann in dieser Erfindung der Hilfsbefeuchter ferner eine Antigefriervorrichtung aufweisen (elektrischer Heizer, Wassertemperaturmesser, Hilfsbefeuchtungsrohr 13, Befeuchtungswasserhilfstank 18, Befeuchtungswasserhilfsventil 20, Dreiwegeventil 21 und Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22), die verhindert, dass das angesammelte Wasser gefriert. Bei diesem Aufbau kann die Gaszufuhr befeuchtet werden, ohne dass das Sammelwasser gefriert, auch wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist.
Ferner kann in dieser Erfindung der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp zumindest an einer Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen sein, und der Hilfsbefeuchter sammelt einen Teil des an der Luftelektrodenseite erzeugten Wassers, der von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp nicht gesammelt werden konnte, und befeuchtet die Gaszufuhr zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle. Auch falls die Befeuchtung an der Brennstoffelektrodenseite ungenügend wird, während die Brennstoffzelle arbeitet, kann bei diesem Aufbau die ungenügende Befeuchtung der Brennstoffelektrodenseite durch die Verwendung des Wassers ergänzt werden, das an der Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle gesammelt wurde.
Übrigens kann in dieser Erfindung die vorbestimmte Zeitperiode auf eine vorbestimmte Zeit ab dem Anlauf der Brennstoffzelle oder/und die Zeit, bis die erzeugte Spannung der Brennstoffzelle einen vorbestimmten Wert überschreitet, oder/und die Zeit, bis die Befeuchtungsmenge einen vorbestimmten Wert überschreitet, oder/und die Zeit, bis der Taupunkt der Gaszufuhr einen vorbestimmten Wert überschreitet, gesetzt werden. Bei diesem Aufbau kann die erforderliche Befeuchtungsmenge erhalten werden.
In dieser Erfindung kann der Hilfsbefeuchter Wasser stromauf von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp oder zu der Gaszufuhrseite der Brennstoffzelle zuführen. Bei diesem Aufbau, in dem der Hilfsbefeuchter Wasser zur Gaszufuhrsseite des Befeuchters vom Wasserdurchlässigkeitstyp zuführt, ist der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp in der Lage, die Gaszufuhr in der gleichen Weise wie während normalen Betriebs zu befeuchten. Andererseits wird es bei dem Aufbau, in dem der Hilfsbefeuchter Wasser zu der Gaszufuhrseite der Brennstoffzelle zuführt, möglich, den Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp zu umgehen und die Gaszufuhr unter Verwendung des Hilfsbefeuchters direkt zu befeuchten.
Ferner kann in dieser Erfindung der Hilfsbefeuchter die Hilfsbefeuchtung stoppen, wenn der vom Wasserpegeldetektor erfasste Wasserpegel unter einem vorbestimmten Wasserpegel liegt. Wenn bei diesem Aufbau der Wasserpegel des Sammelwassers, das in dem Sammelwasserspeichertank gespeichert ist, unter den vorbestimmten Pegel gefallen ist, d. h. wenn das Sammelwasser für den Hilfsbefeuchter zur Durchführung der Befeuchtung nicht ausreicht, wird der Betrieb des Hilfsbefeuchters gestoppt, wodurch es möglich wird, einen überschüssigen Energieverbrauch zu vermeiden.
Ferner kann in dieser Erfindung die Antigefriervorrichtung in Betrieb gesetzt werden, wenn die Temperatur des Sammelwassers unter eine vorbestimmte Temperatur (z. B. unter 3°C) fällt. Bei diesem Aufbau arbeitet die Antigefriervorrichtung nicht, wenn nicht die Gefahr besteht, dass das Wasser gefriert. Daher kann ein überschüssiger Energieverbrauch vermieden werden.
Ferner kann in dieser Erfindung eine Abgasüberführungsvorrichtung stromab von der Brennstoffzelle vorgesehen sein. Bei diesem Aufbau hat die Seite stromauf von der Abgasüberführungsvorrichtung einen niedrigen Druck, und die Seite stromab von der Abgasüberführungsvorrichtung hat hohen Druck. Demzufolge wird die Wassermenge, die für eine stabile Energieerzeugung der Brennstoffzelle erforderlich ist, zur Gaszufuhr hinzugefügt, und die Energie wird stabil erzeugt. Da ferner das System bei niedrigem Druck mit geringem Druckverlust arbeitet, werden die Energieeffizienz und die wirtschaftliche Effizienz erhöht.
Ferner kann in dieser Erfindung die Drucksteuervorrichtung (125), die den Druck des Abgases steuert/regelt, stromab von dem Dampf/Flüssigkeitsseparator vorgesehen sein. Während die Brennstoffzelle arbeitet, erhöht die Abgasüberführungsvorrichtung den Druck an der stromabwärtigen Seite (Auslassseite) der Abgasüberführungsvorrichtung auf mehr als den Druck an der stromaufwärtigen Seite (Saugseite), und das durch den Dampf/Flüssigkeitsseparator erhaltene Wasser wird von sich aus zugeführt. Jedoch könnte man Fälle in Betracht ziehen, wo der Druck an der Seite (Auslassseite), die stromab von der Abgasüberführungsvorrichtung liegt, niedriger ist als der Druck, mit dem der Hilfsbefeuchter arbeitet, oder niedriger als ein Druck, der ein ausreichend schnelles Ansprechvermögen ermöglicht. Bei dem oben beschriebenen Aufbau kann die Zuverlässigkeit und das Reaktionsvermögen des Hilfsbefeuchters verbessert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Aufbau von Hauptteilen eines Brennstoffzellensystems mit einem Befeuchter nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines Dampf/Flüssigkeitsseparators;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines Sammelwasserspeichertanks;
Fig. 4 ist ein Flussdiagramm, das eine Hauptroutine des Steuerflusses des Befeuchters nach der ersten Ausführung zeigt;
Fig. 5 ist ein Flussdiagramm, das eine Befeuchtungs-Unterroutine zeigt;
Fig. 6 ist ein Flussdiagramm, das eine Befeuchtungsbetrieb- Unterroutine zeigt;
Fig. 7 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zum Bewerten des Status der Brennstoffzelle und Berechnen der Befeuchtungsmenge zeigt;
Fig. 8 ist ein Kennfeld zur Bestimmung des Befeuchtungsbetrags aus der Brennstoffzellentemperatur oder der Brennstoffzellenkühlwassertemperatur und der Zufuhrgastemperatur oder dem Taupunkt;
Fig. 9 ist ein Kennfeld zur Bestimmung der Gaszufuhrmenge aus der Gaszufuhrtemperatur oder dem Taupunkt und der Befeuchtungsmenge;
Fig. 10 ist ein Flussdiagramm, das eine Betriebssteuer-Unterroutine eines Einspritzers zeigt;
Fig. 11 ist ein Flussdiagramm, das eine Wassersammel-Unterroutine zeigt;
Fig. 12 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zum Überführen von Sammelwasser zeigt;
Fig. 13 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zum Abgeben von Sammelwasser zeigt;
Fig. 14 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zur Gefrierverhinderung zeigt;
Fig. 15 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer Modifikation der ersten Ausführung zeigt;
Fig. 16 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer zweiten Ausführung zeigt;
Fig. 17 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer dritten Ausführung zeigt;
Fig. 18 ist ein Flussdiagramm, das eine Unterroutine zum Steuern der zu einem Verdampfer eingespritzten Gasmenge zeigt;
Fig. 19 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer vierten Ausführung zeigt;
Fig. 20 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer Modifikation einer vierten Ausführung zeigt;
Fig. 21 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer fünften Ausführung zeigt;
Fig. 22 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer sechsten Ausführung zeigt;
Fig. 23 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer siebten Ausführung zeigt;
Fig. 24 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer achten Ausführung zeigt;
Fig. 25 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer neunten Ausführung zeigt;
Fig. 26 ist ein Diagramm, das den Systemaufbau einer zehnten Ausführung zeigt;
Fig. 27 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführung von Steuerinhalten eines Steuergeräts ECU in der zehnten Ausführung zeigt; und
Fig. 28 ist ein Erläuterungsdiagramm, das den Aufbau einer allgemeinen Brennstoffzelle zeigt.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert.

Ausführung 1

Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Aufbau von Hauptteilen eines Brennstoffzellensystems mit einem Befeuchter nach einer ersten Ausführung dieser Erfindung zeigt, Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines in Fig. 1 gezeigten Dampf/Flüssigkeitsseparators und Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus eines in Fig. 1 gezeigten Sammelwasserspeichertanks. In Fig. 1 ist mit der Bezugszahl 1 eine Brennstoffzelle bezeichnet.
Ein Einlassrohr 11, das Zufuhrgas (von der Außenseite angesaugte Luft) für die Brennstoffzelle 1 zu der Brennstoffzelle 1 überführt, und ein Auslassrohr 12, das Abgas von der Brennstoffzelle 1 überführt und abgibt, sind mit der Luftelektrode der Brennstoffzelle 1 verbunden.
Eine Hohlfasermembrane-Wassersammelvorrichtung (Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp) 2 verwendet eine Wasserkondensationsmembrane oder eine Ionenhydrationstyp-Membrane, um Wasser von Abgas, das von der Brennstoffzelle 1 abgegeben ist, zu sammeln. Die Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 und ein Einspritzer 17 sind entlang dem Einlassrohr 11 vorgesehen. Die Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2, ein Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 sowie ein Luftelekrodengegendruckeinstellventil 5 sind entlang dem Auslassrohr 12 vorgesehen.
Ein Hilfsbefeuchtungsrohr 13 trennt sich von dem Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 ab und ist über einen Sammelwasserspeichertank 4, ein Rückschlagventil 6 und eine Dreiwegeventil 21 mit dem Einspritzer 17 verbunden.
Ein Befeuchtungswasserzirkulationsrohr 22 zur Gefrierverhinderung trennt sich von dem Dreiwegeventil 21 ab und ist über einen Befeuchtungswasserhilfstank 18 und ein Befeuchtswasserhilfsventil 20 mit dem Sammelwasserspeichertank 4 verbunden.
Um die Wärmerückhaltefähigkeit zu verbessern, umfassen der Sammelwasserspeichertank 4, der Befeuchtungswasserhilfstank 18 und das Hilfsbefeuchtungsrohr 13 ein wärmetolerantes Harz und dgl.
Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst die Innenseite des Dampf/Flüssigkeitsseparators 3 einen Zylinder, um den Druckverlust weitestgehend zu reduzieren. Im Hinblick auf seine Toleranzeigenschaften gegen Korrosion und thermische Strahlung wird ein Material wie etwa rostfreier Stahl verwendet.
Ein schneckenförmiger Ausrichtflügel 24 ist in dem Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 vorgesehen. Wasserdampf in dem Abgas aus der Brennstoffzelle 1 kondensiert leicht, wenn es die Wandflächen des Ausrichtflügels 24 und den Hauptkörper des Dampf/Flüssigkeitsseparators 3 kontaktiert.
Der Kondensationseffekt wird durch eine Kühlrippe 23, die um den Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 herum vorgesehen ist, weiter verbessert.
Die Hohfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 und der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 können integriert sein, um hierdurch den Druckverlust am Auslassrohr 12 zu senken, das sich quer zu diesen erstreckt. Zusätzlich kann das Kondenswasser in dem Auslassrohr 12 zu dem Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 hin ausgerichtet sein. Ferner ist die Montageposition des Dampf/Flüssigkeitsseparators 3 nicht auf die in Fig. 1 gezeigte beschränkt und kann an Positionen montiert sein, die später in einer sechsten Ausführung (Fig. 22) und einer siebten Ausführung (Fig. 23) beschrieben werden.
Nachfolgend wird ein Umriss des Betriebs des Befeuchters nach dieser Ausführung erläutert.
Während die Brennstoffzelle arbeitet, gibt die Luftelektrode der Brennstoffzelle 1 Abgas ab. Der Wassergehalt dieses Abgases wird teilweise in der Hohlfasermembrane-Wassersammelvorrichtung 2 gesammelt, die quer über dem Einlassrohr 11 und dem Auslassrohr 12 vorgesehen ist. Danach wird der nicht gesammelte Wassergehalt teilweise an dem Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 gesammelt, der weiter stromab als die Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 vorgesehen ist.
Das angesammelte Wasser 9, das von dem Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 kondensiert wurde, wird dem Sammelwasserspeichertank 4 zugeführt.
Die in Fig. 3 gezeigte Sammelwasserzufuhrpumpe 7 ist innerhalb des Sammelwasserspeichertanks 4 vorgesehen. Beim Anlaufen der Brennstoffzelle wird die Sammelwasserzufuhrpumpe 7 für eine vorbestimmte Zeitperiode betrieben, oder bis die erzeugte Spannung gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, oder bis die Befeuchtungsmenge gleich oder größer einem vorbestimmten Wert ist, oder bis der Taupunkt des der Brennstoffzelle 1 zugeführten Gases gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, um hierdurch die Befeuchtung der Brennstoffzelle 1 zu ergänzen.
Ein Sammelwassermengendetektor 10, wie etwa ein Pegelsensor oder Pegelschalter, erfasst die Menge an Sammelwasser in dem Sammelwasserspeichertank 4.
Wenn der Pegel des Sammelwassers 9 eine Obergrenze überschritten hat, wird ein Ablassventil 8 geöffnet und das Sammelwasser 9 wird zur Außenseite oder zu dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 abgegeben, bis der Wasserpegel auf einen vorbestimmten Wert abfällt.
Umgekehrt, wenn der Pegel des Sammelwassers 9 unter einen gesetzten Wert gefallen ist, wird er wieder auf den vorbestimmten Pegel gebracht, indem Wasser von dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 nachgefüllt wird.
Wassertemperaturmesser (in den Zeichnungen nicht gezeigt) sind innerhalb des Sammelwasserspeichertanks 4 und des Befeuchtungswasserhilfstanks 18 vorgesehen. Wenn die Wassertemperatur unter eine vorbestimmte Temperatur (z. B. 3°C) gefallen ist, wird das Dreiwegeventil 21 von dem Sammelwasserspeichertank 4 zu dem Befeuchtungswasserhilsftank 18 geöffnet und die Sammelwasserzufuhrpumpe 7 wird intermittierend betrieben, wodurch das Sammelwasser 9 zurück zwischen den Sammelwasserspeichertank 4 und den Befeuchtungswasserhilfstank 18 geleitet wird, was ein Gefrieren des Sammelwassers 9 verhindert.
Das Sammelwasser 9 in dem Sammelwasserspeichertank 4 wird durch ein Rückschlagventil 6 geleitet, was einen Rückfluss von Gas verhindert, und wird in dem Einspritzer 17 zerstäubt. Das zerstäubte Wasser läuft entlang dem Einlassrohr 11 und wird der Luftelektrode der Brennstoffzelle 1 zugeführt.
Dies ermöglicht eine Befeuchtung der Brennstoffzelle beim Anlaufen und wenn die Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 nicht in der Lage ist, die Brennstoffzelle 1 zu befeuchten, weil die Hohlfasermembrane trocken geworden ist. Demzufolge kann die Zeit, bis die Brennstoffzelle mit der Energieerzeugung beginnt, verkürzt werden.
Wie oben beschrieben, bilden in dieser Ausführung die Sammelwasserhilfspumpe 7, das Hilfsbefeuchtungsrohr 13, das Rückschlagventil 6 und der Einspritzer 17 einen Hilfsbefeuchter. Wassertemperaturmesser (in den Zeichnungen nicht gezeigt), der Befeuchtungswasserhilfstank 18, das Befeuchtungswasserhilfsventil 20 und das Dreiwegeventil 21 bilden eine Gefrierverhinderungsvorrichtung.
Anschließend wird der Steuerfluss des Befeuchters nach dieser Ausführung anhand eines Flussdiagramms erläutert.
Fig. 4 zeigt eine Hauptroutine, die von einer ECU (in den Zeichnungen nicht gezeigt) ausgeführt wird, die unter Verwendung eines Zündschlüssels aktiviert wird und die auch mit vorbestimmten Intervallen während des Betriebs aktiviert wird.
Zuerst wird in Schritt S1 der Betriebsstatus der Brennstoffzelle 1 bestimmt.
Insbesondere bestimmt die ECU, ob die Brenstoffzelle 1 arbeitet oder nicht. Wenn sie nicht arbeitet, geht der Fluss zu Schritt S2 weiter und führt die Unterroutine zur Gefrierverhinderung aus (Fig. 14).
Wenn andererseits die Brennstoffzelle 1 arbeitet, geht der Fluss zu Schritt S3 weiter und bestimmt den Betriebsstatus der Brennstoffzelle 1 im näheren Detail.
Insbesondere wird bestimmt, ob die Brennstoffzelle 1 im Anlaufbetrieb ist oder bereits arbeitet. Wenn sie im Anlauf ist, wird die Unterroutine zur Befeuchtung (Fig. 5) von Schritt S4 ausgeführt.
Wenn andererseits die Brennstoffzelle 1 bereits arbeitet, wird die Unterroutine zum Sammeln von Wasser (Fig. 11) von Schritt S5 ausgeführt.
Nachfolgend wird die Unterroutine zur Befeuchtung (Schritt S4 von Fig. 4) erläutert.
In dieser Unterroutine wird beim Anlaufen der Energieerzeugung das Wasser, das sich in dem Sammelwasserspeichertank 4 während des vorherigen Betriebs der Brennstoffzelle angesammelt hat, und Wasser, das von dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 nachgefüllt wurde, unter Verwendung des Einspritzers 17 zerstäubt. Die Brennstoffzelle 1 wird durch Einspritzen des zerstäubten Wassers zur Gaszufuhrseite der Brennstoffzelle 1 befeuchtet.
Wenn die gesammelte Wassermenge, die von dem innerhalb des Sammelwasserspeichertanks 4 vorgesehenen Sammelwassermengedetektor 10 erfasst ist, unter der Untergrenze liegt, wird das Befeuchtungswasserhilfsventil 20 geöffnet, und es wird Wasser zur hilfsweisen Befeuchtung nach Bedarf von dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 zu dem Sammelwasserspeichertank 4 geleitet. (Dieser Prozess ist in Fig. 5 nicht gezeigt.)
Zuerst wird in Schritt S11 die Wassermenge in dem Sammelwasserspeichertank 4 bestimmt.
Insbesondere wird bestimmt, ob in dem Sammelwasserspeichertank 4 ausreichend Wasser gespeichert ist oder nicht, auf der Basis der Wassermenge, die von dem Sammelwassermengendetektor 10 erfasst ist. Wenn ausreichend Wasser gespeichert ist, führt die ECU die Unterroutine für den Befeuchtungsbetrieb von Schritt S11 (Fig. 6) aus und kehrt danach zur Hauptroutine von Fig. 4 zurück.
Wenn andererseits nicht genügend Wasser gespeichert ist, geht der Fluss zu Schritt S13 weiter und bestimmt die gespeicherte Wassermenge im näheren Detail.
Insbesondere wird bestimmt, ob die erfasste Wassermenge gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, was eine Warnung (Warnpegel) erfordert, oder gleich oder kleiner als ein noch niedrigerer vorbestimmter Wert ist, bei dem die Brennstoffzelle 1 nicht befeuchtet werden kann (Alarmpegel).
Wenn die gespeicherte Wassermenge beim Warnpegel ist, wird der Bediener der Brennstoffzelle von dieser Tatsache mittels eines Warnlichts oder eines Warntons in Schritt S14 aufmerksam gemacht.
Dann geht der Prozess zu Schritt S12 weiter, wobei die ECU die Unterroutine für den Befeuchtungsbetrieb (Fig. 6) ausführt und danach zur Hauptroutine von Fig. 4 zurückkehrt.
Wenn andererseits die gespeicherte Wassermenge beim Alarmpegel ist, wird der Bediener der Brennstoffzelle von dieser Tatsache mittels eines Alarmlichts oder eines Alarmtons in Schritt S15 aufmerksam gemacht, und die Aktivierung der Brennstoffzelle 1 und deren Befeuchtungsbetrieb werden gestoppt (Schritte S16 und S17). Danach kehrt die ECU zur Hauptroutine von Fig. 4 zurück.
Übrigens kann die von dem Sammelwassermengendetektor 10 erfasste Wassermenge dem Brennstoffzellenbediener mittels einer Anzeigevorrichtung oder dgl. konstant angezeigt werden. Ähnlich kann auch die Wassermenge in dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 konstant angezeigt werden.
Nachfolgend wird die Unterroutine für den Befeuchtungsbetrieb (Schritt S12 von Fig. 5) auf der Basis von Fig. 6 erläutert.
Dies ist eine Unterroutine zum Befeuchten der Brennstoffzelle unter Verwendung von Wasser, das sich während des vorherigen Betriebs der Brennstoffzelle in dem Sammelwasserspeichertank 4 gesammelt hat, oder Wasser, das von dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 in den Sammelwasserspeichertank 4 zurückgefüllt wurde.
Zuerst wird in Schritt S21 der Status der Brennstoffzelle 1 bewertet und wird die Befeuchtungsmenge berechnet (Fig. 6).
Anschließend werden in Schritt S22 die Bedingungen zum Beenden der Befeuchtung bestimmt.
Die Befeuchtung wird beendet, wenn die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte Spannung oder/und der Taupunkt der Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 1 oder/und die Befeuchtungsmengen einen vorbestimmten Wert erreicht.
Wenn bestimmt wurde, dass die Befeuchtung beendet werden soll, geht der Fluss zu Schritt S23 weiter, in dem der Befeuchtungsbetrieb beim Anlaufen der Brennstoffzelle beendet wird, und kehrt dann zur Unterroutine von Fig. 5 zurück.
Wenn andererseits bestimmt wurde, dass die Befeuchtung fortgesetzt werden sollte, geht der Fluss zu Schritt S24 weiter, in dem das Erwärmen des Befeuchtungswassers bestimmt wird. Insbesondere wird das Erwärmen als notwendig erachtet, wenn die Temperatur der Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 1 gleich oder kleiner als eine vorbestimmte Temperatur (z. B. 3°C) ist, und als unnötig, wenn sie über der vorbestimmten Temperatur liegt.
Wenn in Schritt S24 bestimmt wurde, dass das Erwärmen notwendig ist, geht der Fluss zu Schritt S25 weiter, in dem ein elektrischer Heizer (nicht gezeigt) das Befeuchtungswasser zu Erwärmen beginnt.
Wenn andererseits bestimmt wurde, dass das Erwärmen nicht notwendig ist, geht der Fluss zu Schritt S26 weiter, in dem das Erwärmen des Befeuchtungswassers endet.
Nach den Schritten S25 und S26 geht der Fluss zu Schritt S27 weiter, in dem der Betrieb des Einspritzers 17 gesteuert wird (Fig. 10), und kehrt dann wieder zu Schritt S21 zurück.
In dieser Unterroutine werden der Betrieb des Einspritzers 17 und die Gaszufuhrmenge auf der Basis der Temperatur der Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 1, der Temperaturen der Brennstoffzelle 1 oder des Brennstoffzellenkühlwassers sowie des Taupunkts der Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 1 gesteuert.
Daher kondensiert das Wasser zur Befeuchtung, das durch den Einspritzer 17 zerstäubt ist, nicht in großen Mengen innerhalb der Brennstoffzelle 1.
Übrigens kann das Wasser zum Befeuchten durch Setzen der Drehzahl der Sammelwasserpumpe 7 aus dem Einspritzer 17 derart eingespritzt werden, dass der Druck des dem Einspritzer 17 zugeführten Wassers höher ist als der Druck des der Brennstoffzelle 1 zugeführten Gases.
Die Drehzahl der Sammelwasserzufuhrpumpe 7 kann unter Verwendung eines Druckmessers zum Erfassen des Wasserdrucks oder durch Verwendung einer vorbestimmten Datentabelle gesteuert werden, um die Beziehung zwischen dem Gaszufuhrdruck und der Drehzahl der Sammelwasserpumpe 7 zu bestimmen.
Anschließend wird eine Unterroutine zum Bestimmen des Status der Brennstoffzelle 1 und zum Berechnen der Befeuchtungsmenge (Schritt S21 von Fig. 6) auf der Basis von Fig. 7 erläutert.
Zuerst wird in Schritt S31 der Betriebsstatus der Brennstoffzelle 1 bestimmt.
Insbesondere wird bestimmt, ob die Brennstoffzelle Energie erzeugt oder nicht arbeitet. Wenn die Brennstoffzelle 1 Energie erzeugt, geht der Fluss zu Schritt S32 weiter, in dem die erzeugte Spannung erfasst wird. Wenn die Brennstoffzelle 1 nicht arbeitet, wird der Prozess von Schritt S32 übersprungen.
Anschließend werden in Schritt S33 die Temperatur der Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 1 oder der Taupunkt durch einen Temperaturmesser (nicht gezeigt) oder einen Taupunktmesser (nicht gezeigt) erfasst. In Schritt S34 wird die Temperatur der Brennstoffzelle oder die Temperatur des Brennstoffzellenkühlwassers durch einen Temperaturmesser (nicht gezeigt) erfasst.
In Schritt S35 werden die Befeuchtungsmenge und die Gaszufuhrmenge unter Verwendung vorbestimmter Datentabellen (siehe Fig. 8 und 9) oder Rechengleichungen berechnet, und die ECU kehrt zur Unterroutine von Fig. 6 zurück.
Nachfolgend wird eine Unterroutine (Schritt S27 in Fig. 6) zum Steuern des Betriebs des Einspritzers 17 auf der Basis von Fig. 10 erläutert. Diese Betriebssteuerunterroutine steuert die Wassereinspritzmenge des Einspritzers 17 auf der Basis der in Schritt S35 von Fig. 7 berechneten Befeuchtungsmenge.
Zuerst wird in Schritt S41 eine Zunahme der Befeuchtungsmenge bestimmt.
Insbesondere wird die Befeuchtungsmenge, die in Schritt S35 (siehe Fig. 7) der vorliegenden Routine berechnet ist, mit der in der vorherigen Unterroutine berechneten Befeuchtungsmenge verglichen.
Wenn die Befeuchtungsmenge abgenommen hat, geht der Fluss zu Schritt S42 weiter, in dem das EIN/AUS-Verhältnis des Betriebs des Einspritzers 17 gesenkt wird. Wenn die Befeuchtungsmenge zugenommen hat, geht der Fluss zu Schritt S43 weiter, in dem das EIN/AUS-Verhältnis des Betriebs des Einspritzers 17 angehoben wird.
Nach Ausführung der Schritte S42 oder S43 kehrt der Fluss zur Unterroutine von Fig. 6 zurück.
Nachfolgend wird eine Unterroutine zum Sammeln von Wasser (Schritt S5 von Fig. 4) auf der Basis von Fig. 11 erläutert.
Zuerst erfasst in Schritt S51 der Sammelwassermengendetektor 10 die Sammelwassermenge in dem Sammelwasserspeichertank 4, und in Schritt S52 wird bestimmt, ob die erfasste Sammelwassermenge gleich oder größer als eine vorbestimmte Obergrenze ist (voller Tank).
Wenn die Sammelwassermenge gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist, wird die Unterroutine zur Überführung des Sammelwassers 9 von Schritt S53 ausgeführt, und der Fluss kehrt zu Schritt S51 zurück.
Wenn andererseits die Sammelwassermenge kleiner als der vorbestimmte Wert ist, kehrt der Fluss zu Schritt S51 zurück, ohne Schritt S53 auszuführen.
Nachfolgend wird die Unterroutine zum Überführen des Sammelwassers 9 (Schritt S53 von Fig. 11) auf der Basis von Fig. 12 beschrieben.
Zuerst erfasst in Schritt S61 ein Hilfstankwassermengendetektor (nicht gezeigt), der innerhalb des Befeuchtungswasserhilfstanks 18 vorgesehen ist, die Hilfswassermenge. In Schritt S62 wird bestimmt, ob die erfasste Hilfswassermenge gleich oder größer als eine Obergrenze ist (voller Tank).
Wenn die Hilfswassermenge gleich oder größer als die Obergrenze ist, geht der Fluss zu Schritt S63 weiter, in dem die Unterroutine zum Abgeben des Sammelwassers 9 (Fig. 13) ausgeführt wird. Danach kehrt der Fluss zur Unterroutine von Fig. 11 zurück.
Wenn andererseits die Hilfswassermenge kleiner als die Obergrenze ist, geht der Fluss zu Schritt S64 weiter, in dem das Dreiwegeventil 21 zum Befeuchtungswasserhilfstank 18 hin geschaltet wird.
In Schritt S65 wird die Sammelwasserzufuhrpumpe 7 betrieben, und das Sammelwasser 9 wird zu dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 überführt.
Die Drehzahl der Sammelwasserzufuhrpumpe 7 wird auf einen solchen Wert gesetzt, dass das Sammelwasser 9 zu dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 überführt werden kann.
Danach erfasst in Schritt S66 der Sammelwassermengendetektor 10 die Sammelwassermenge in dem Sammelwasserspeichertank 4, und in Schritt S67 wird bestimmt, ob die erfasste Sammelwassermenge gleich oder größer als eine Untergrenze ist.
Wenn die Sammelwassermenge gleich oder größer als die Untergrenze ist, kehrt der Fluss zu Schritt S65 zurück und wird fortgesetzt, um das Sammelwasser 9 zu überführen.
Wenn andererseits die Sammelwassermenge unter der Untergrenze liegt, wird in Schritt S68 der Betrieb der Sammelwasserzufuhrpumpe 7 gestoppt und wird die Überführung des Sammelwassers 9 zu dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 beendet. Danach kehrt der Fluss zur Unterroutine von Fig. 11 zurück.
Nachfolgend wird die Unterroutine zum Abgeben des Sammelwassers 9 (Schritt S63 von Fig. 12) auf der Basis von Fig. 13 erläutert.
Zuerst wird in Schritt S61 das Ablassventil 8 geöffnet, und das Überschusswasser wird zur Außenseite abgegeben.
Anschließend erfasst in Schritt S72 der Sammelwassermengendetektor 10 die Sammelwassermenge in dem Sammelwasserspeichertank 4, und in Schritt S73 wird bestimmt, ob die erfasste Sammelwassermenge gleich oder größer als eine vorbestimmte Obergrenze ist oder unter dieser Grenze liegt.
Wenn die Sammelwassermenge gleich oder größer als die vorbestimmte Obergrenze ist, kehrt der Fluss zu Schritt S72 zurück und wird fortgesetzt, um das Überschusswasser abzugeben.
Wenn andererseits die Sammelwassermenge unter der vorbestimmten Obergrenze liegt, wird in Schritt S74 das Ablassventil geschlossen, was die Abgabe des Sammelwassers 9 stoppt, und der Fluss kehrt zur Unterroutine von Fig. 12 zurück.
Nachfolgend wird eine Unterroutine zur Gefrierverhinderung (Schritt S2 von Fig. 4) auf der Basis von Fig. 14 erläutert.
Zuerst wird in Schritt S81 bestimmt, ob die Wassertemperatur des Sammelwasserspeichertanks 4 oder des Befeuchtungswasserhilfstanks 18 kleiner als eine vorbestimmte Temperatur ist (z. B. 3°C).
Wenn die Wassertemperatur unter der vorbestimmten Temperatur liegt, wird ein Betrieb zum Verhindern, dass das Sammelwasser gefriert, gestartet (Schritt S82). Wenn die Wassertemperatur gleich oder größer als die vorbestimmte Temperatur ist, wird der Betrieb zum Verhindern, dass das Sammelwasser gefriert, beendet (Schritt S91).
Zum Starten des Betriebs zum Verhindern, dass das Sammelwasser gefriert, wird in Schritt S83 das Dreiwegeventil 21 zum Befeuchtungswasserhilfstank 18 hin geschaltet.
Nachdem das Befeuchtungswasserhilfsventil 18 in Schritt S84 geöffnet wurde, startet anschließend die Sammelwasserzufuhrpumpe 7 den intermittierenden Betrieb in Schritt S85.
Die Drehzahl ist zu dieser Zeit auf einen solchen Wert gesetzt, dass das Wasser langsam in das Verbindungsrohr fließt.
Danach wird in Schritt S86 bestimmt, ob die Temperatur des Sammelwassers 9 unter einer vorbestimmten Temperatur (z. B. 1°C) liegt.
Wenn die Temperatur des Sammelwassers unter der vorbestimmten Temperatur liegt, geht der Fluss zu Schritt S87 weiter, in dem bestimmt wird, ob eine Außenlufttemperatur, die unter Verwendung eines Außenlufttemperatursensors (nicht gezeigt) erhalten ist, unter einer vorbestimmten Temperatur (z. B. 0°C) liegt.
Wenn die Außenlufttemperatur gleich oder größer als die vorbestimmte Temperatur ist, geht der Fluss zu Schritt S88 weiter, in dem die Sammelwasserzufuhrpumpe 7 zum kontinuierlichen Betrieb gestartet wird. Dann kehrt der Fluss zur Hauptroutine von Fig. 4 zurück.
Wenn andererseits die Außenlufttemperatur unter der vorbestimmten Temperatur liegt, geht der Fluss zu Schritt S89 weiter, in dem ein elektrischer Heizer (nicht gezeigt) zu heizen beginnt, der in dem Sammelwasserspeichertank 4 oder/und dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 oder/und dem Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung (Hilfsbefeuchtungsrohr) 22 vorgesehen ist. Danach kehrt der Fluss zur Hauptroutine von Fig. 4 zurück.
Wenn umgekehrt in Schritt S86 die Temperatur des Sammelwassers 9 gleich oder größer als die vorbestimmte Temperatur ist, geht der Fluss zu Schritt S94 weiter, in dem das Erwärmen des Wassers durch einen elektrischen Heizer (nicht gezeigt) gestoppt wird und der Fluss zur Hauptroutine von Fig. 4 zurückkehrt.
Um die Gefrierverhinderung des Sammelwassers zu beenden, wird in Schritt S92 der intermittierende Betrieb der Sammelwasserzufuhrpumpe 7 beendet und wird in Schritt S93 das Befeuchtungswasserhilfsventil 20 geschlossen.
In Schritt S94 wird die Wassererwärmung durch einen elektrischen Heizer (nicht gezeigt) gestoppt, und der Fluss kehrt zur Hauptroutine von Fig. 4 zurück.
D. h., wenn die Wassertemperaturen in dem Sammelwasserspeichertank 4 oder dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 unter 3°C gefallen sind, wird das Dreiwegeventil 21 zum Befeuchtungswasserhilfstank 18 hin geöffnet, und die Sammelwasserpumpe 7 wird in Intervallen betrieben. Umgekehrt wird das Sammelwasser 9 zwischen den Sammelwasserspeichertank 4 und den Befeuchtungswasserhilfstank 18 entlang dem Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22 zurückgeführt.
Der Betrieb des Heizers endet, wenn die Wassertemperatur über 1°C oder darüber ansteigt, oder wenn die Außenlufttemperatur auf 0°C oder darüber angestiegen ist.
In Schritt S81 der oben beschriebenen Unterroutine zur Gefrierverhinderung wurden die Wassertemperaturen in dem Sammelwasserspeichertank 4 oder dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 bestimmt, wobei aber stattdessen auch die Temperatur der Brennstoffzelle 1 bestimmt werden kann.

Modifikation der ersten Ausführung

Fig. 15 zeigt eine Modifikation der ersten Ausführung.
Der Befeuchter nach dieser Modifikation besitzt nicht den Befeuchtungswasserhilfstank 18, das Befeuchtungswasserhilfsventil 20, das Dreiwegeventil 21 und das Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22, die in Fig. 1 gezeigt waren. Demzufolge kann das Gefrieren verhindert werden, indem ein elektrischer Heizer (Antigefriervorrichtung; in Fig. 15 nicht gezeigt) innerhalb des Sammelwasserspeichertanks 4 vorgesehen ist.
Der Steuerfluss des Befeuchters in dieser Modifikation ist grundlegend der gleiche wie der in den Fig. 4 bis 14 gezeigte. Da jedoch der Befeuchtungswasserhilfstank 18 nicht vorgesehen ist, wechselt der Schritt S53 von Fig. 11 von "Bewege Sammelwasser 9" zu "Abgabe Sammelwasser 9".
Daher fehlt die Unterroutine von Fig. 12 vollständig, und die Unterroutine von Fig. 13 wird in Schritt S53 von Fig. 11 ausgeführt, wobei das Sammelwasser 9 abgegeben wird.

Ausführung 2

Nachfolgend wird ein Befeuchter nach einer zweiten Ausführung auf der Basis von Fig. 16 erläutert.
Dieser Befeuchter unterscheidet sich vom in der ersten Ausführung (Fig. 1) beschriebenen, wo das Sammelwasser 9 zwischen die Luftelektrodeneinlassseite der Brennstoffzelle 1 und die Hohlfasermembran- Wassersammelvorrichtung 2 eingespritzt wird, in Bezug auf den Punkt, dass das Sammelwasser 9 von dem Sammelwasserspeichertank 4 zwischen die Luftelektrodenauslassseite der Brennstoffzelle 1 und die Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 eingespritzt wird. Abgesehen hiervon ist der Aufbau der gleiche wie in Fig. 1.
Das Sammelwasser 9 von dem Sammelwasserspeichertank 4 läuft durch das Rückschlagventil 6, wird durch den Einspritzer 17 zerstäubt und wird entlang dem Auslassrohr 12 zu der Hohlfasermembran- Wassersammelvorrichtung 2 geleitet.
Auch wenn die Brennstoffzelle mit einer trockenen Hohlfasermembrane zu Arbeiten beginnt, kann die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle 1 in der Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 befeuchtet werden. Daher kann die Brennstoffzelle 1 genauso wie bei normaler Energieerzeugung befeuchtet werden, indem ihr eine befeuchtete Gaszufuhr zugeführt wird.
Der Steuerfluss des Befeuchters in dieser Ausführung ist der gleiche wie der in den Fig. 4 bis 14.
Der Befeuchtungswasserhilfstank 18, das Befeuchtungswasserhilfsventil 20, das Dreiwegeventil 21 und das Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22 können aus dem Aufbau von Fig. 16 entfernt werden. In diesem Fall ändert sich ein Teil der Unterroutine von Fig. 11, und die Unterroutine von Fig. 12 wird unnötig, wie in der Modifikation der ersten Ausführung.

Ausführung 3

Nachfolgend wird ein Befeuchter nach einer dritten Ausführung auf der Basis von Fig. 17 erläutert.
Dieser Befeuchter unterscheidet sich vom in der ersten Ausführung (Fig. 1) beschriebenen in Bezug auf den Punkt, dass ein Bypass-Rohr 41, das die Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 umgeht, über Dreiwegeventile 41 und 43 mit dem Einlassrohr 11 verbunden ist, sodass das Sammelwasser 9 von dem Sammelwasserspeichertank 4 in das Bypass-Rohr 41 eingespritzt wird. Abgesehen hiervon ist der Aufbau der gleiche wie der von Fig. 1.
Das Sammelwasser 9 aus dem Sammelwasserspeichertank 4 läuft durch das Rückschlagventil 6, wird durch den Einspritzer 17 oder einen Verdampfer 44 zerstäubt, und wird entlang dem Bypass-Rohr 41 direkt der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Daher kann, genauso wie in der ersten Ausführung, die Brennstoffzelle 1 auch dann befeuchtet werden, wenn die Brennstoffzelle mit einer trockenen Hohlfasermembrane zu arbeiten beginnt.
Der Steuerfluss des Befeuchters in dieser Ausführung ist der gleiche wie in den Fig. 4 bis 14. Wenn jedoch der Einspritzer 17 durch den Verdampfer 44 ersetzt wird, ändert sich der Schritt S27 von Fig. 6 von "Steuerung des Einspritzers 17" in "Steuerung der zum Verdampfer eingespritzten Gasmenge".
Eine Unterroutine zum Steuern der zu dem Verdampfer eingespritzten Gasmenge wird anhand von Fig. 18 erläutert. Diese Unterroutine steuert die eingespritzte Gasmenge des Verdampfers 44 auf der Basis der Gaszufuhrmenge, die in Schritt S35 von Fig. 7 berechnet wurde.
Zuerst wird in Schritt S101 eine Zunahme der Befeuchtungsmenge bestimmt.
Insbesondere wird die Befeuchtungsmenge, die in Schritt S37 (Fig. 7) der vorliegenden Unterroutine berechnet ist, mit der in der vorherigen Unterroutine berechneten Befeuchtungsmenge verglichen.
Wenn die Befeuchtungsmenge abgenommen hat, geht der Fluss zu Schritt S102, in dem die eingespritzte Gasmenge reduziert wird, und kehrt dann zur Unterroutine von Fig. 6 zurück.
Wenn andererseits die Befeuchtungsmenge zugenommen hat, geht der Fluss zu Schritt S103 weiter, in dem die eingespritzte Gasmenge erhöht wird, und kehrt dann zur Unterroutine von Fig. 6 zurück.
Der Befeuchtungswasserhilfstank 18, das Befeuchtungswasserhilfsventil 20, das Dreiwegeventil 21 und das Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefierverhinderung 22 können aus dem Aufbau von Fig. 17 entfernt werden. In diesem Fall ändert sich ein Teil der Unterroutine von Fig. 11 und die Unterroutine von Fig. 12 wird unnötig, wie in der Modifikation der ersten Ausführung.

Ausführung 4

Nachfolgend wird ein Befeuchter nach einer vierten Ausführung auf der Basis von Fig. 19 erläutert.
Dieser Befeuchter unterscheidet sich von jenen der bereits beschriebenen Ausführungen und Modifikationen, die die Luftelektrode der Brennstoffzelle 1 befeuchten, in Bezug auf den Punkt, dass er die Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle 1 befeuchtet.
Die Grundkonstruktion ist im Wesentlichen ähnlich zu der in Fig. 1 gezeigten, unterscheidet sich jedoch in Bezug auf die folgenden Punkte.
Ein erster Unterschied ist, dass das Abgas aus der Brennstoffelektrode nach Passieren der Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 und des Dampf/Flüssigkeitsseparators 3 nicht abgegeben wird, sondern über einen Brenngasejektor 25 zum Einlassrohr 11 zurückgeführt wird.
Ein zweiter Unterschied ist, dass ein U-förmiges Gasrückflussverhinderungsrohr 19 zwischen dem Befeuchtungswasserhilfsventil 20 und dem Sammelwasserspeichertank 4 angeschlossen ist.
Das Gasrückflussverhinderungsrohr 19 hält das Wasser in diesem Abschnitt zurück, wodurch verhindert wird, dass das Brenngas, das von dem Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 über den Sammelwasserspeichertank 4 zu dem Befeuchtungswasserhilfstank 18 gelangt, gegen den Strom fließt.
In dieser Ausführung passiert das Sammelwasser 9 von dem Sammelwasserspeichertank 4 das Rückschlagventil 6, wird durch den Einspritzer 17 zerstäubt und wird entlang dem Auslassrohr 12 der Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 zugeführt. Daher kann die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle 1 in der Hohlfasermembran- Wassersammelvorrichtung 2 auch dann befeuchtet werden, wenn die Brennstoffzelle mit einer trockenen Hohlfasermembrane zu arbeiten beginnt.
Demzufolge kann die Brennstoffzelle 1 genauso wie bei normaler Energieerzeugung befeuchtet werden, indem eine Gaszufuhr, die durch die Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 befeuchtet wurde, der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird.
Der Steuerfluss des Befeuchters in dieser Ausführung ist auch der gleiche wie in den Fig. 4 bis 14.
Der Befeuchtungswasserhilfstank 18, das Gasrückflussverhinderungsrohr 19, das Befeuchtungswasserhilfsventil 20, das Dreiwegeventil 21 sowie das Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22 können aus dem Aufbau von Fig. 19 entfernt werden, um das in Fig. 20 gezeigte System zu bilden. In diesem Fall ändert sich ein Teil der Unterroutine von Fig. 11 und die Unterroutine von Fig. 12 wird unnötig, wie in der Modifikation der ersten Ausführung.

Ausführung 5

Nachfolgend wird ein Befeuchter nach einer fünften Ausführung auf der Basis von Fig. 21 erläutert.
In Fig. 21 ist der Einfachheit halber der Buchstabe "a" zu den Referenzzahlen hinzugefügt, die die Bauelemente repräsentieren, die bei der Befeuchtung der Luftelektrodenseite verwendet werden, und der Buchstabe "b" ist zu den Bezugszahlen hinzugefügt, die die Bauelemente repräsentieren, die bei der Befeuchtung der Brennstoffelektrodenseite verwendet werden.
Das Brennstoffzellensystem befeuchtet sowohl die Luft als auch die Brennstoffelektroden der Brennstoffzelle 1 und kombiniert den Aufbau von Fig. 1 mit einem Aufbau, der durch Modifizieren des Aufbaus von Fig. 19 erhalten ist, und zwar durch Verschieben der Einspritzstelle des Sammelwassers 9 nach zwischen die Hohlfasermembran- Wassersammelvorrichtung 2 und die Brennstoffelektrodeneinlassseite der Brennstoffzelle 1. Er erhält daher die gleichen Vorteile wie die bereits beschriebenen Ausführungen und deren Modifikationen.
Der Steuerfluss des Befeuchters in dieser Ausführung ist auch der gleiche wie in den Fig. 4 bis 14.
Die Befeuchtungswasserhilfstanks 18a und 18b, das Gasrückflussverhinderungsrohr 19, die Befeuchtungswasserhilfsventile 20a und 20b, die Dreiwegeventile 21a und 21b sowie die Befeuchtungswasserzirkulationsrohre zur Gefrierverhinderung 22a und 22b können aus dem Aufbau von Fig. 21 entfernt werden. In diesem Fall ändert sich ein Teil der Unterroutine von Fig. 11 und die Unterroutine von Fig. 12 wird unnötig, wie in der Modifikation der ersten Ausführung.

Ausführung 6

Nachfolgend wird ein Befeuchter nach einer sechsten Ausführung auf der Basis von Fig. 22 erläutert.
In diesem Befeuchter ist der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 der ersten Ausführung (Fig. 1) weiter stromauf des Auslassrohrs 12 als die Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 vorgesehen. D. h. dieser Befeuchter unterscheidet sich von der ersten Ausführung (Fig. 1) in Bezug auf den Punkt, dass der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 zwischen der Luftelektrodenauslassseite der Brennstoffzelle 1 und der Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 vorgesehen ist. Abgesehen hiervon ist der Aufbau mit dem von Fig. 1 identisch.
In dieser Ausführung wird der Wassergehalt in dem Gas, das von der Luftelektrodenauslassseite der Brennstoffzelle 1 abgegeben wird, teilweise von dem Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 gesammelt und zur Hilfsbefeuchtung benutzt. Zusätzlich wird ein Teil des nicht gesammelten Wassers weiter von der Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 gesammelt. Daher kann unter Verwendung der Hilfsbefeuchtung die Brennstoffzelle 1 wie in der ersten Ausführung auch dann befeuchtet werden, wenn die Brennstoffzelle mit einer trockenen Hohlfasermembrane zu arbeiten beginnt.
Der Steuerfluss des Befeuchters in dieser Ausführung ist der gleiche wie in den Fig. 4 bis 14. Ferner können der Befeuchtungswasserhilfstank 18, das Befeuchtungswasserhilfsventil 20, das Dreiwegeventil 21 und das Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22 aus dem Aufbau von Fig. 22 entfernt werden. In diesem Fall wird ein Teil der Unterroutine von Fig. 11 geändert und die Unterroutine von Fig. 12 wird unnötig, wie in der Modifikation der ersten Ausführung.

Ausführung 7

Nachfolgend wird ein Befeuchter nach einer siebten Ausführung auf der Basis von Fig. 23 erläutert.
In diesem Befeuchter ist der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 der ersten Ausführung (Fig. 1) weiter stromab des Auslassrohrs 12 als das Luftelektrodengegendruckeinstellventil 5 vorgesehen. D. h. dieser Befeuchter unterscheidet sich von der ersten Ausführung (Fig. 1) in Bezug auf den Punkt, dass der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 an der Auslassseite des Luft/Elektrodengegendruckeinstellventils 5 vorgesehen ist. Abgesehen hiervon ist der Aufbau mit dem von Fig. 1 identisch.
In dieser Ausführung wird der Wassergehalt in dem Abgas, das von der Luftelektrodenauslassseite der Brennstoffzelle 1 abgegeben wird, teilweise von der Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 gesammelt. Dann wird ein Teil des nicht gesammelten Wassers weiter von dem Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 gesammelt und wird zur Hilfsbefeuchtung benutzt. Daher kann unter Verwendung der Hilfsbefeuchtung die Brennstoffzelle 1 wie in der ersten Ausführung auch denn befeuchtet werden, wenn die Brennstoffzelle mit einer trockenen Hohlfasermembrane zu arbeiten beginnt.
Der Steuerfluss des Befeuchters in dieser Ausführung ist der gleiche wie in den Fig. 4 bis 14. Ferner können der Befeuchtungswasserhilfstank 18, das Befeuchtungswasserhilfsventil 20, das Dreiwegeventil 21 und das Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22 von dem Aufbau von Fig. 23 entfernt werden. In diesem Fall ändert sich ein Teil der Unterroutine von Fig. 11 und die Unterroutine von Fig. 12 wird unnötig, wie in der Modifikation der ersten Ausführung.

Ausführung 8

Nachfolgend wird ein Befeuchter nach einer achten Ausführung auf der Basis von Fig. 24 erläutert.
In diesem Befeuchter ist der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 der vierten Ausführung (Fig. 19) weiter stromab an dem Auslassrohr 12 als die Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 vorgesehen. D. h. dieser Befeuchter unterscheidet sich von der vierten Ausführung (Fig. 19) in Bezug auf die Punkte, dass der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 zwischen der Brennstoffelektroden-Auslassseite der Brennstoffzelle 1 und der Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 vorgesehen ist, und der Einspritzer 17 an der Einlassseite der Brennstoffzelle 1 anstatt an deren Auslassseite vorgesehen ist. Abgesehen hiervon ist der Aufbau mit dem von Fig. 19 identisch.
In dieser Ausführung wird der Wassergehalt in dem Abgas, das aus der Brennstoffelektrodenauslassseite der Brennstoffzelle 1 abgegeben wird, teilweise von dem Dampf/Flüssigkeitsseparator 3 gesammelt und zur Hilfsbefeuchtung benutzt. Zusätzlich wird ein Teil des nicht gesammelten Wassers weiter von der Hohlfasermembran-Wassersammelvorrichtung 2 gesammelt. Daher kann unter Verwendung der Hilfsbefeuchtung die Brennstoffzelle 1 wie in der vierten Ausführung auch dann befeuchtet werden, wenn die Brennstoffzelle mit trockener Hohlfasermembrane zu arbeiten beginnt.
Der Steuerfluss des Befeuchters in dieser Ausführung ist der gleiche wie in den Fig. 4 bis 14. Ferner können der Befeuchtungswasserhilfstank 18, das Gasrückflussverhinderungsrohr 19, das Befeuchtungswasserhilfsventil 20, das Dreiwegeventil 21 und das Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22 aus dem Aufbau von Fig. 24 entfernt werden. In diesem Fall ändert sich ein Teil der Unterroutine von Fig. 11 und die Unterroutine von Fig. 12 wird unnötig, wie in der Modifikation der ersten Ausführung.

Ausführung 9

Nachfolgend wird ein Befeuchter nach einer neunten Ausführung auf der Basis von Fig. 25 erläutert.
In dieser Ausführung wird im Hinblick auf die Tatsache, dass im Vergleich zur Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle 1 die Brennstoffelektrodenseite zu einer ungenügenden Befeuchtung tendiert, das an der Luftelektrodenseite erzeugte Produktwasser gesammelt, um es der Brennstoffelektrodenseite zur Wassereinspritzung zuzuführen.
Der Aufbau der in Fig. 21 gezeigten Ausführung beruht auf dem Aufbau der fünften Ausführung (Fig. 21), die die Brennstoffelektroden- und Luftelektrodenseiten befeuchtet. Jedoch sind der Einspritzer 17a an der Luftelektrodenseite, der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3b, der Sammelwasserspeichertank 4b, das Rückschlagventil 6b, der Befeuchtungswasserhilfstank 18b, das Gasrückflussverhinderungsrohr 19, das Befeuchtungswasserhilfsventil 2b, das Dreiwegeventil 21b und das Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22b an der Brennstoffelektrodenseite in Fig. 21 nicht vorgesehen. In Fig. 21 ist das Dreiwegeventil 21a mit dem Einspritzer 17a verbunden, wobei aber in dieser Ausführung das Dreiwegeventil 21a mit dem Einspritzer 17b an der Brennstoffelektrodenseite verbunden ist.
In dieser Ausführung passiert das Sammelwasser, das an der Luftelektrodenseite gesammelt und in dem Sammelwasserspeichertank 4a gespeichert ist, das Rückschlagventil 6a und das Dreiwegeventil 21a wird von dem Einspritzer 17b zerstäubt und wird in das Einlassrohr an der Brennstoffelektrodenseite eingespritzt, um die Gaszufuhr zu der Brennstoffelektrodeneinlassseite zu befeuchten. Aus diesem Grund kann, auch wenn die Befeuchtung an der Brennstoffzellenseite ungenügend wird, während die Brennstoffzelle 1 arbeitet, die ungenügende Befeuchtung an der Brennstoffzellenelektrodenseite an der Luftelektrodenseite unter Verwendung des an der Luftelektrodenseite gesammelten Wassers ergänzt werden.
Der Steuerfluss des Befeuchters in dieser Ausführung ist der gleiche wie in den Fig. 4 bis 14. Ferner können der Befeuchtungswasserhilfstank 18a, das Befeuchtungswasserhilfsventil 20a, das Dreiwegeventil 21a sowie das Befeuchtungswasserzirkulationsrohr zur Gefrierverhinderung 22a aus dem Aufbau von Fig. 25 entfernt werden. In diesem Fall ändert sich ein Teil der Unterroutine von Fig. 11 und die Unterroutine 12 wird unnötig, wie in der Modifikation der ersten Ausführung. Der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3a braucht nicht in der in Fig. 25 gezeigten Stelle vorgesehen sein und kann stattdessen an den Stellen vorgesehen sein, die in der sechsten Ausführung (Fig. 22) und der siebten Ausführung (Fig. 23) gezeigt sind.

Ausführung 10

Nachfolgend wird ein Befeuchter nach einer zehnten Ausführung erläutert.
Diese Ausführung umfasst ein Brennstoffzellensystem, das als Fahrzeugkraftwerk verwendet wird. In den oben beschriebenen Ausführungen wird beim Anlaufen der Brennstoffzelle, in der die Hohlfasermembrane trocken geworden ist, was eine ungenügende Befeuchtung zur Folge hat, eine Hilfseinspritzung ausgeführt. Im Gegensatz hierzu wird in dieser Ausführung eine Hilfseinspritzung ausgeführt, wenn eine ausreichende Befeuchtung nur mit dem Befeuchter vom Wasserpermeabilitätstyp während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle nicht erreicht werden kann.
Fig. 26 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 120 ist grundlegend der gleiche wie der in Fig. 1 gezeigte Aufbau. Beispielsweise entsprechen die Brennstoffzelle 1, die Hohlfasermembran- Wassersammelvorrichtung 2, der Dampf/Flüssigkeitsseparator 3, der Sammelwasserspeichertank 4, der Einspritzer 17, der Befeuchtungswasserhilfstank 18 und das Befeuchtungswasserhilfsventil 20, wie in Fig. 1 gezeigt, der Brennstoffzelle 101, dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123, dem Kondensator 126, dem Reservoirabschnitt des Kondensators 126, dem Einspritzer 126b, dem Hilfswassertank 126d und dem Öffnungs/Schließventil 126e. Andererseits unterscheidet sich der Aufbau in Fig. 26 von dem von Fig. 1 in Bezug auf die Punkte, dass ein Kompressor 124 für Unterdruckbetrieb durch Saugen an der Auslassseite der Brennstoffzelle 101 vorgesehen ist und der Einspritzer 126b den Einspritzdruck durch Einstellen des Öffnungsgrads des Druckeinstellventils 125 erhält.
Das Brennstoffzellensystem 120 umfasst eine Luftüberführungspassage 102 zum Überführen eines Luft aufweisenden Oxidationsmittelgases zur Brennstoffzelle 101 sowie eine Wasserstoffüberführungspassage 103 zum Zuführen eines Wasserstoff aufweisenden Brenngases zu der Brennstoffzelle 101. Die Luftüberführungspassage 102 umfasst eine Luftzufuhrpassage 102a zum Zuführen von Luft zur kathodenseitigen Gaspassage 101a der Brennstoffzelle 101 und eine Luftauslasspassage 102b zum Abgeben von Abluft Ae, die von der kathodenseitigen Gaspassage 101a abgegeben wird. Ein Luftfilter 121 ist stromauf der Luftzufuhrpassage 102a vorgesehen, wobei die gereinigte Luft stromab geleitet wird. Der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 ist an der Luftzufuhrpassage 102a der Luftauslasspassage 102b angebracht und sammelt Wasser aus der Abluft Ae und überführt sie zu der Luftzufuhr As. Der Kompressor 124 umfasst eine Abgasüberführungsvorrichtung und ist an der Luftauslasspassage 102b stromab von der kathodenseitigen Gaspassage 101a und stromauf von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 vorgesehen. Eine das Druckeinstellventil 125 aufweisende Druckeinstellvorrichtung ist stromab von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 angebracht und stellt den Gasdruck ein.
Der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 umfasst hauptsächlich eine ein Gehäuse 123a aufweisende Außenschale und eine Hohlfasermembrane 123b für den Wasseraustausch. Die Hohlfasermembrane 123b erlaubt einen Wasserdurchtritt von der hochfeuchten Seite des darin ein- und ausfließenden Gases zu der niedrigfeuchten Seite und ist an der Luftzufuhrpassage 102a der Luftauslasspassage 102b derart angebracht, dass z. B. die Abluft Ae durch die Innenseite der Hohlfasermembrane 123b strömt und die Luftzufuhr As durch die Außenseite der Hohlfasermembrane 123b strömt. Während die Abluft Ae durch die Innenseite der Hohlfasermembrane 123b strömt, wird das Wasser in der Abluft Ae gesammelt und zu der außen fließenden Luftzufuhr As überführt.
Die Wasserstoffüberführungspassage 103 umfasst eine Wasserstoffzufuhrpassage 103a zum Zuführen einer Wasserstoffversorgung Hs zu der anodenseitigen Gaspassage 101e der Brennstoffzelle 101 sowie eine Wasserstoffauslasspassage 103b zum Abgeben von postreaktivem Auslasswasserstoff He, der von der anodenseitigen Gaspassage 101e abgegeben wird. Eine Wasserstoffzufuhrquelle zum Zuführen von Wasserstoff umfasst z. B. einen Wasserstoffzufuhrtank (nicht gezeigt) und ist an dem stromaufwärtigen Ende der Wasserstoffzufuhrpassage 103a angebracht. Ein Regulator (nicht gezeigt) zur Druckeinstellung und eine Wasserstoffzirkulationspumpe (nicht gezeigt) zum Zuführen von Wasserstoff sind aufeinanderfolgend stromab von der Wasserstoffzufuhrquelle vorgesehen. Ein Dreiwegeventil (nicht gezeigt) ist an der Wasserstoffauslasspassage 103b vorgesehen und schaltet den Auslasswasserstoff He zwischen der Wasserstoffzirkulationspumpenseite und der Auslassseite.
Daher wird, wenn die Wasserstoffzirkulationspumpe und die den Kompressor 124 aufweisende Abgasüberführungsvorrichtung aktiviert werden, durch die chemische Reaktion Energie erzeugt, die zwischen der Luftzufuhr As, die an der kathodenseitigen Gaspassage 101a der Brennstoffzelle 101 fließt, und der Wasserstoffzufuhr Hs, die an der anodenseitigen Gaspassage 101e fließt, auftritt, wodurch Reaktionwasser erzeugt wird. Ein Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) tauscht thermisch die Luft (Abluft Ae), die durch die kathodenseitige Gaspassage 101a der Brennstoffzelle 101 angesaugt und danach durch den Kompressor 124 komprimiert wurde, und die Luftzufuhr As, die durch den Luftfilter 121 gefiltert wurde. Im Ergebnis wird die Luftzufuhr As auf eine vorbestimmte Temperatur (zwischen angenähert 60 und 75°C) erwärmt.
Infolgedessen beträgt die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 101 angenähert 80 bis 90°C. Im Hinblick auf die Tatsache, dass die Wasserverdampfungsrate umgekehrt proportional zum Druck bei konstanter Temperatur ist, nimmt die Verdampfungsrate des Reaktionswassers bei niedrigem Druck wegen des durch das Ansaugen des Kompressors 124 verursachten Unterdrucks zu, und das Reaktionswasser verdampft, ohne die Hochpolymermembrane gründlich zu benetzen. Infolgedessen nimmt die pro festem Volumen (Kapazität) benötigte Wassermenge zu, mit der Folge, dass die Befeuchtungsmenge für die Luftzufuhr ungenügend sein könnte. Daher ist ein Verfahren erforderlich, um eine ausreichende Befeuchtung zur regulären Energieerzeugung zu erhalten.
In dieser Ausführung ist der Kondensator 126 zum Sammeln von Restwasser in der Abluft Ae stromab von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 an der Luftauslasspassage 102b vorgesehen. Der Kondensator 126 umfasst eine Wassersprühvorrichtung zum Zuführen von Kondenswasser (Sammelwasser) zu der Luftzufuhr As.
Der Kondensator 126 braucht nur in der Lage zu sein, Wasser aus der Abluft Ae durch Kondensation zu sammeln, wobei für den Aspekt der Kondensation keine Beschränkungen bestehen. Um die Gesamteffizienz des Brennstoffzellensystems 120 zu erhöhen, verwendet diese Ausführung eine Metallaufnahme mit einem abgedichteten zylindrischen Deckabschnitt und einem trichterartigen Bodenabschnitt als den Kondensatorhauptkörper. Die Abluft Ae, die in den Hauptkörper gepresst wird, steigt unter Rotation an, um hierdurch durch Berührung und Aufprall von Wasserpartikeln auf die Innenumfangsseite des Hauptkörpers Kondenswasser zu erhalten. Der Kondensator 126 ist stromab von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 vorgesehen. Ein Reservoirabschnitt (nicht gezeigt) zum Speichern des Kondenswassers ist an dem Bodenabschnitt des Kondensators 126 angebracht. Ein den Einspritzer 126b aufweisender Hilfsbefeuchter ist an dem Reservoirabschnitt über eine Verbindungspassage 126a angebracht, und der Hilfswassertank 126d zur Wasserzufuhr ist an dem oberen Abschnitt des Kondensators 126 über eine Verbindungspassage 126c angebracht.
Das Öffnungs/Schließventil 126e zum Wassernachfüllen ist an einer Verbindungspassage 126c vorgesehen, die den Kondensator 126 mit dem Hilfswassertank 126d verbindet, und ein den Einspritzer 126b aufweisender Hilfsbefeuchter ist zwischen der kathodenseitigen Gaspassage 101a und dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 über eine Verbindungspassage 126h verbunden.
Ferner sind Drucksensoren (nicht gezeigt) zum Erfassen des Drucks vor und hinter dem Einspritzer 126b vorgesehen. Wenn bestimmt worden ist, dass die Differenz zwischen dem Druck stromauf von dem Kompressor 124 und dem Druck innerhalb des Kondensators 126, d. h. die Differenz zwischen den Drücken vor und hinter dem Einspritzer 126b, geringer ist als der Druck, um Wassereinspritzung zu erreichen, übt eine das Druckeinstellventil (Gegendruckventil) 125 aufweisende Drucksteuervorrichtung einen Druck auf die Oberfläche des Fluids in dem Reservoirabschnitt des Kondensators 126 aus. Ein Kompressor 128a und eine Pumpe (nicht gezeigt) können separat vorgesehen sein, um das Ansprechverhalten der Druckausübung zu erhöhen. Wenn übrigens der Kompressor 128a vorgesehen ist, ist ein Luftfilter 126b an einem Lufteinlass des Kompressors 128a vorgesehen, um die Luft zur Druckausübung zu reinigen.
Wenn daher der Kompressor 124 der Luftauslasspassage 102b aktiviert wird, reduziert die Saugkraft des Kompressors 124 den Druck stromauf von dem Kompressor 124 und erhöht den Druck stromab davon. Das Wasser, das durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt ist, verdampft aufgrund des reduzierten Drucks, der durch die Saugkraft des Kompressors 124 erhalten wird, und wird mit dem Wasser in der von der Brennstoffzelle 101 abgegebenen Abluft Ae stromab geleitet. Das Wasser wird durch den Kondensator 126 kondensiert und in dessen Reservoirabschnitt gespeichert. Durch Steuern des Öffnens und Schließens des Öffnungs/Schließventils 126e und der Druckdifferenz vor und hinter dem Einspritzer 126b ist es möglich, eine geeignete Menge an zerstäubtem Wasser der kathodenseitigen Gaspassage 101a zuzuführen.
Um in dieser Ausführung die Wasserzufuhrmenge einzustellen, sind ein Feuchtigkeitssensor T1 und ein Taupunktsensor (nicht gezeigt) zum Erfassen der Feuchtigkeit und des Taupunkts der Luftzufuhr As an der Luftzufuhrpassage 102a vorgesehen, das ist stromauf von der kathodenseitigen Gaspassage 101a. Der Feuchtigkeitssensor T1 und der Taupunktsensor geben Messergebnisse an ein Steuergerät ECU 129 aus. Das Steuergerät 129 öffnet und schließt das Öffnungs/Schließventil 126e und steuert den Einspritzer 126b, das Druckeinstellventil (Gegendruckventil) 125 und/oder einen separat vorgesehenen Kompressor 128a sowie eine Pumpe (nicht gezeigt).
Fig. 27 zeigt einen Aspekt eines Steuerbetriebs, der durch das Steuergerät ECU 129 mit vorbestimmten Zeitintervallen ausgeführt wird. Übrigens umfasst das Steuergerät 129 einen herkömmlichen Mikrocomputer.
Das Steuergerät ECU 129 bestätigt die erzeugte Sollspannung oder den erzeugten Sollstrom der Brennstoffzelle 101 (S201) und berechnet den Taupunkt oder die Feuchtigkeit, die zur Energieerzeugung erforderlich ist, auf der Basis der Sollenergiespannung oder des Sollenergiestroms (S202). Anhand der Befeuchtungszustände des gegenwärtigen Betriebs wird bestimmt, ob der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 in der Lage ist, für eine ausreichende Befeuchtung zu sorgen. D. h. es wird bestimmt, ob die Befeuchtung nur durch den Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 ausreicht (S203). Wenn sie nicht ausreicht (NEIN), wird bestimmt, ob eine vorbestimmte Wassermenge in dem Reservoirabschnitt des Kondensators 126 gespeichert ist, d. h. ob eine vorbestimmte Wassermenge in dem Kondensator 126 vorhanden ist (S205). Der Wasserpegel des Reservoirabschnitts des Kondensators 126 wird durch den in Fig. 26 gezeigten Fluidpegelsensor L1 bestimmt. Wenn in Schritt S205 bestimmt wurde, dass die Wassermenge in dem Reservoirabschnitt des Kondensators 126 zum Wassereinspritzen nicht ausreicht, d. h. wenn das Ergebnis der Bestimmung NEIN ist, wird das Öffnungs/Schließventil 126e geöffnet, und es wird Wasser aus dem Hilfswassertank 126d dem Kondensator 126 zugeführt, bis der Fluidpegelsensor L1 bestimmt, das der Wasserpegel des Reservoirabschnitts des Kondensators 126 zur Wassereinspritzung ausreicht (S210).
Bei der Bestimmung (S205), ob eine vorbestimmte Wassermenge in dem Reservoirabschnitt des Kondensators 126 vorhanden ist, wird, wenn der Wasserpegel des Reservoirabschnitts des Kondensators 126 zum Wassereinspritzen ausreicht, d. h. wenn das Ergebnis der Bestimmung JA ist, die Differenz zwischen dem Druck stromauf von dem Kompressor 124 und dem Innendruck des Kondensators 126 (d. h. die Druckdifferenz vor und hinter dem Einspritzer 126b) aus Werten bestimmt, die aus Drucksensoren (nicht gezeigt) erhalten werden, die vor und hinter dem Einspritzer 126b vorgesehen sind. Dann wird bestimmt, ob die Druckdifferenz niedriger als ein Druck zum Ermöglichen von Wassereinspritzung ist (S206).
Wenn in S206 bestimmt wurde, dass die Druckdifferenz vor und hinter dem Einspritzer 126b niedriger als ein Druck zum Ermöglichen von Wassereinspritzung ist, wird das Druckeinstellventil (Gegendruckventil) 126 geschlossen (oder der Grad der gegenwärtigen Öffnung wird reduziert) (S207). Der Gegendruck der Wassereinspritzung 126 wird auf den Wassereinspritzdruck gesetzt, und der Druck wird auf die Fluidoberfläche in dem Reservoirabschnitt des Kondensators 126 ausgeübt. Es wird Wasser stromauf von der kathodenseitigen Gaspassage 101a eingespritzt, das die Befeuchtung der Luftzufuhr As ergänzt. In diesem Fall wird die Befeuchtung ergänzt, bis die Werte, die durch den Feuchtigkeitssensor T1 oder den Taupunktsensor erfasst werden, die Feuchtigkeit, oder den Taupunkt entsprechend dem erzeugten Sollstrom und der erzeugten Sollspannung erreichen (S208). Wenn bei der Bestimmung von S206 die Differenz zwischen dem Druck stromauf von dem Kompressor 124 und dem Druck in dem Kondensator 126 (d. h. die Differenz zwischen dem Druck vor und hinter dem Einspritzer 126b) höher als der Druck zum Ermöglichen der Wassereinspritzung ist, geht der Fluss zu Schritt S208 weiter und ergänzt die Befeuchtung der Luftzufuhr As, wie oben beschrieben, wodurch der Steuerbetrieb endet (S209).
Um das Ansprechverhalten der Wassereinspritzung und das Ansprechverhalten der Befeuchtungsergänzung zu verbessern, kann in Schritt S208 ein Druck auf die Fluidoberfläche des Reservoirabschnitts des Kondensators 126 durch einen separat vorgesehenen Kompressor 128a und eine Pumpe (nicht gezeigt) gleichzeitig mit dem Schließen des Druckeinstellventils 125 ausgeübt werden.
Wenn andererseits bestimmt wird (S204), dass nur durch Verwendung des Befeuchters vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 eine ausreichende Befeuchtung erhalten werden kann (d. h. der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp 123 die durch den gegenwärtigen Betrieb angeforderten Feuchtigkeitsbedingungen erfüllen kann), stoppt das Steuergerät ECU 129 die Druckausübung auf den Einspritzer 126b und die Fluidoberfläche des Reservoirabschnitts des Kondensators 126, um hierdurch die Hilfsbefeuchtung durch Wassereinspritzung zu beenden (S211).
Daher ermöglicht das Steuergerät ECU 129, dass die Brennstoffzelle 101 anhaltend stabil Energie erzeugt und den Sollstrom und die Sollspannung der Last, wie etwa einem Motor, zuführt.
Obwohl die Erläuterung dieser Ausführung einen Fall beschreibt, wo Wasser, das durch den Kondensator 126 gesammelt und kondensiert wurde, unmittelbar stromauf an der kathodenseitigen Gaspassage 101a eingespritzt wird, kann das Wasser auch stromab an der kathodenseitigen Gaspassage 101a und stromauf von dem Kompressor 124 eingespritzt werden, oder sowohl unmittelbar stromab als auch stromauf der kathodenseitigen Gaspassage 101a. Natürlich wird in diesem Fall das eingespritzte Wasser zugeführt, bis die Luftzufuhr As den vorbestimmten Taupunkt oder die vorbestimmte Feuchtigkeit erreicht, die zur Energieerzeugung erforderlich sind.
Anstatt der Verwendung der Werte, die durch den Feuchtigkeitssensor T1 und den Taupunktsensor erfasst werden, ist es akzeptabel, den Einspritzer 126b und das Druckeinstellventil 125, das einen Druck auf die Fluidoberfläche des Reservoirabschnitts des Kondensators 126 ausübt, oder/und den Kompressor 128a oder/und die Pumpe zu aktivieren, um hierdurch die Luftzufuhr zu befeuchten, bis Werte, die von einem Monitor CV1 zum Erfassen von Spannung oder Strom erfasst werden, die erzeugte Sollspannung oder den erzeugten Sollstrom der Brennstoffzelle 101 erreichen.
Um den Wasserpegel in dem Reservoirabschnitt des Kondensators 126 jederzeit auf dem vorbestimmten Pegel zu halten, wird der Fluidpegel jederzeit durch den Fluidpegelsensor L1 und dgl. überwacht. Wenn das von dem Fluidpegelsensor L1 ausgegebene Signal den vorbestimmten Wasserpegel nicht erreicht, wird der Kondensator 126 mit Wasser von dem Hilfswassertank 126d und dgl. nachgefüllt. Der Kondensator 126 kann nachgefüllt werden, bis sich in dem Hilfswassertank 126d kein Wasser mehr befindet, wobei aber, um das Brennstoffzellensystem 120 zu schützen, der Betrieb des Brennstoffzellensystems 120 beendet wird, wenn die Ausgabe des Fluidpegelsensors L1 unter dem vorbestimmten Wasserpegel liegt und die Befeuchtung durch Wassereinspritzung erforderlich ist.
Antigefrierheizer (nicht gezeigt) und Sensoren T1 und T2 zum Erfassen der Temperaturen der Reservoirabschnitte des Kondensators 126 bzw. des Hilfswassertanks 126d sind an dem Kondensator 126 und dem Hilfswassertank 126d angebracht. Auf der Basis der von den Sensoren T1 und T2 erfassten Ergebnisse werden die Heizer aktiviert, um ein Gefrieren zu verhindern, wenn die Temperaturen der Reservoirabschnitte des Kondensators 126 und des Hilfswassertanks 126d unter Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt fallen.
Wenn sich zuviel Wasser in dem Kondensator 126 befindet, kann eine Pumpe 126i, die separat an dem Kondensator 126 angebracht ist, verwendet werden, um das Extrawasser zu dem Hilfswassertank 126d zu überführen. Der Kondensator 126 kann einen Kondensator (Wärmeaustauscher) aufweisen, der Kondenswasser unter Verwendung eines Wärmeaustauschmediums erhält.
Der Kompressor 124 wurde als ein Beispiel der Überführungsvorrichtung der Luftüberführungspassage 102 erwähnt, wobei aber stattdessen auch eine Pumpe verwendet werden kann.
Diese Ausführung beschreibt einen Fall der Anwendung in einem Luftüberführungssystem, wobei aber der Befeuchteraufbau dieser Ausführung (der Kompressor 124, der Kondensator 126, der Hilfswassertank 126d, das Öffnungs/Schließventil 126e, der Einspritzer 126b, der Kompressor 128a etc.) auch bei der Wasserstoffüberführungspassage 103 genauso wie in dem Luftüberführungssystem angewendet werden kann, um hierdurch die Leistung und die Zuverlässigkeit des gesamten Brennstoffzellensystems zu verbessern.
Die durch das Steuergerät ECU 129 ausgeführten Steuerprozesse, die anhand des Flussdiagramms von Fig. 27 beschrieben sind, sind nicht auf den Systemaufbau von Fig. 26 nach dieser Ausführung beschränkt und können auch in dem System der ersten bis neunten Ausführungen angewendet werden.
Nach den oben erwähnten Ausführungen dieser Erfindung lassen sich die folgenden Effekte erhalten.

1. Falls der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp keine Befeuchtung ausführen kann, wenn die Brennstoffzelle mit trockener Hohlfasermembrane zu arbeiten beginnt, kann der daran separat vorgesehene Hilfsbefeuchter die Befeuchtung durchführen. Daher ist es möglich, die Energieerzeugung frühzeitig zu starten.
2. Nachdem der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp zur Befeuchtung fähig geworden ist, wird die Befeuchtung von dem Hilfsbefeuchter zu nur dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp umgeschaltet. Daher kann eine ausreichende Befeuchtung ohne überflüssigen Energieverbrauch erreicht werden.
3. Wenn während Normalbetriebs der Brennstoffzelle nach dem Anlaufen die Befeuchtungsmenge durch den Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp durch nicht ausreichende Leistung davon oder dgl. ungenügend wird, ergänzt der Hilfsbefeuchter die Befeuchtung, was das Problem ungenügender Befeuchtung löst.
4. Wenn das Sammelwasser stromauf des Befeuchters vom Wasserdurchlässigkeitstyp zugeführt worden ist, führt der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp die Befeuchtung genauso durch wie während normaler Energieerzeugung. Wenn das Sammelwasser der Gaszufuhrseite der Brennstoffzelle zugeführt worden ist, wird der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp umgangen, und die Gaszufuhr wird direkt durch den Hilfsbefeuchter befeuchtet.
5. Überschüssiges Wasser wird automatisch abgegeben, anstatt in dem System belassen zu werden.
6. Wenn der Wasserpegel in der Wassersammelvorrichtung auf einen vorbestimmten Pegel oder darunter gefallen ist, d. h. wenn wegen nicht ausreichendem Sammelwasser der Hilfsbefeuchter nicht mehr befeuchten kann, wird der Betrieb des Hilfsbefeuchters gestoppt. Daher wird keine Energie verschwendet und die Energieerzeugungseffizienz kann verbessert werden.
7. Es ist möglich, auch bei niedrigen Außenlufttemperaturen die Gaszufuhr zu befeuchten, ohne ein Gefrieren des Sammelwassers zu erlauben.
8. Die Antigefriervorrichtung arbeitet nicht, wenn keine Gefahr besteht, dass das Sammelwasser gefriert. Daher wird keine Energie verschwendet und die Energieerzeugungseffizienz kann verbessert werden.

Wie oben im Detail beschrieben, sind verschiedene Modifikationen zulässig, die nicht dem Hauptkonzept dieser Erfindung entgegenlaufen. Natürlich fallen diese Modifikationen immer noch unter den Umfang dieser Erfindung.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Befeuchter, der eine Brennstoffzelle auch dann befeuchten kann, wenn die Befeuchtung beim Anlaufen der Brennstoffzelle und während Normalbetrieb derselben ungenügend geworden ist. Eine Wassersammelvorrichtung, die Wasser in dem Abgas von einer Brennstoffzelle (1) sammelt, sowie ein Hilfsbefeuchter, der die Gaszufuhr unter Verwendung von Sammelwasser von der Wassersammelvorrichtung befeuchtet, sind separat zu dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp (2) vorgesehen. Die Wassersammelvorrichtung umfasst einen Dampf/Flüssigkeitsseparator (3) und einen Sammelwasserspeichertank (4), und der Hilfsbefeuchter umfasst ein Rückschlagventil (6), eine Sammelwasserzufuhrpumpe (7), ein Hilfsbefeuchtungsrohr (13) und einen Einspritzer (17). Das Sammelwasser in dem Sammelwasserspeichertank (4) wird durch eine Sammelwasserzufuhrpumpe (7) überführt, durch den Einspritzer (17) zerstäubt und der Einlassseite der Brennstoffzelle (1) zugeführt.

Claims

1. Brennstoffzellensystem, umfassend:
eine Brennstoffzelle (1, 101), die unter Verwendung einer Zufuhr von Brenngas und Oxidationsgas Energie erzeugt;
einen Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp (2, 123), der Wasser aus von der Brennstoffzelle abgegebenem Abgas sammelt und die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle befeuchtet; sowie
einen Hilfsbefeuchter, der versehen ist mit einem Dampf/Flüssigkeitsseparator (3, 126), der das Wasser aus dem Abgas separiert, einem Sammelwasserspeichertank (4, 126), der das separierte Sammelwasser (9) speichert, sowie einem Einspritzer (17, 126b), der das in dem Sammelwasserspeichertank gespeicherte Sammelwasser zu der Gaszufuhr oder dem Abgas einspritzt.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin der Hilfsbefeuchter das Sammelwasser der Brennstoffzelle zuführt, wenn die von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp erhaltene Befeuchtungsmenge zur Befeuchtung der Brennstoffzelle nicht ausreicht.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin der Hilfsbefeuchter das Sammelwasser über eine vorbestimmte Zeitperiode beim Anlaufen der Brennstoffzelle zuführt.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin der Hilfsbefeuchter das Sammelwasser auf der Basis der Differenz zwischen der von der Brennstoffzelle benötigten Befeuchtungsmenge und der Befeuchtungsmenge, die durch den Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp erreicht werden kann, zuführt.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin der Hilfsbefeuchter mit einem Wasserpegeldetektor (10) versehen ist, der den Wasserpegel von in dem Sammelwasserspeichertank gespeichertem Sammelwasser erfasst und das Sammelwasser aus dem Sammelwasserspeichertank abgibt, wenn der Wasserpegel einen vorbestimmten Wasserpegel überschreitet.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin der Hilfsbefeuchter ferner eine Antigefriervorrichtung aufweist (13, 18, 20, 21 und 22), die verhindert, dass das Sammelwasser gefriert.

7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp Wasser in dem Abgas mittels einer Wasserkondensationsmembrane oder einer Ionenhydratations- Membrane sammelt.

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin der Hilfsbefeuchter die Gaszufuhr zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle nach Sammeln eines Teils von Wasser, das an einer Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle erzeugt wird, befeuchtet.

9. Brennstoffzellensystem, umfassend:
eine Brennstoffzelle (1, 101), die unter Verwendung einer Zufuhr von Brenngas und Oxidationsgas Energie erzeugt;
einen Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp (2, 123), der Wasser aus dem von der Brennstoffzelle abgegebenen Abgas sammelt und die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle befeuchtet; sowie
einen Hilfsbefeuchter (3, 4, 17, 126 und 126b), der Wasser sammelt, das von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp nicht gesammelt werden konnte, und die Gaszufuhr zu der Brennstoffzelle befeuchtet.

10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, worin der Hilfsbefeuchter einen Dampf/Flüssigkeitsseparator (3, 126), der das Wasser von dem Abgas separiert, einen Sammelwasserspeichertank (4, 126), der das separierte Sammelwasser (9) speichert, sowie einen Einspritzer (17, 126b), der das in dem Sammelwasserspeichertank gespeicherte Sammelwasser zu der Gaszufuhr oder dem Abgas einspritzt, umfasst.

11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, worin der Hilfsbefeuchter das Sammelwasser der Brennstoffzelle zuführt, wenn die durch den Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp erhaltene Befeuchtungsmenge zur Befeuchtung der Brennstoffzelle nicht ausreicht.

12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, worin der Hilfsbefeuchter das Sammelwasser unmittelbar nach dem Anlaufen der Brennstoffzelle zuführt.

13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, worin der Hilfsbefeuchter das Sammelwasser auf der Basis der Differenz zwischen der von der Brennstoffzelle benötigten Befeuchtungsmenge und der Befeuchtungsmenge, die durch den Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp erreicht werden kann, zuführt.

14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, worin der Hilfsbefeuchter mit einem Wasserpegeldetektor (10) versehen ist, der den Wasserpegel des in dem Sammelwasserspeichertank gespeicherten Sammelwassers erfasst und das Sammelwasser aus dem Sammelwasserspeichertank abgibt, wenn der Wasserpegel einen vorbestimmten Pegel überschreitet.

15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, worin der Hilfsbefeuchter ferner eine Antigefriervorrichtung (13, 18, 20, 21 und 22) aufweist, die ein Gefrieren des Sammelwassers verhindert.

16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, worin der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp Wasser in dem Abgas mittels einer Wasserkondensationsmembrane oder einer Ionenhydradations- Membrane sammelt.

17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, worin der Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp zumindest an einer Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen ist, und der Hilfsbefeuchter einen Teil des an der Luftelektrodenseite erzeugten Wassers sammelt, der von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp nicht gesammelt werden konnte, und die Gaszufuhr zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle befeuchtet.

18. Brennstoffzellensystem, umfassend:
eine Brennstoffzelle (1, 101), die unter Verwendung einer Zufuhr von Brenngas und Oxidationsgas Energie erzeugt;
einen Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp (2a, 123), der Wasser aus Abgas sammelt, das von einer Luftelektrode der Brennstoffzelle abgegeben wird, und die Gaszufuhr zu der Luftelektrode der Brennstoffzelle befeuchtet; und
einen Hilfsbefeuchter (3a, 4a, 17b, 126 und 126b), der Wasser sammelt, das von dem Befeuchter vom Wasserdurchlässigkeitstyp nicht gesammelt werden konnte, und die Gaszufuhr zu einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle befeuchtet.

19. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, worin der Hilfsbefeuchter einen Dampf/Flüssigkeitsseparator (3a, 126), der das Wasser von dem Abgas separiert, einen Sammelwasserspeichertank (4a, 126), der das separierte Sammelwasser (9) speichert, sowie einen Einspritzer (17b, 126b), der das in dem Sammelwasserspeichertank gespeicherte Sammelwasser zu der Gaszufuhr oder dem Abgas einspritzt, umfasst.