DE10148610A1

DE10148610A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10148610A1
Application number: DE10148610A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Shimanuki; Yoshio Kusano; Toshikatsu Katagiri; Motohiro Suzuki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-05
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: DE10148610B4; JP2002184439A; US6596429B2; JP5132857B2; US20020041985A1; CA2358553A1; CA2358553C

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle 11, einen Ejektor 15, der von der Brennstoffzelle 11 abgegebenes Abgas mit Brenngas vermischt und dieses Gasgemisch zu der Brennstoffzelle 11 zurückführt, sowie einen Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16, um das von der Brennstoffzelle 11 abgegebene Abgas mit dem Brenngas, das aus dem Ejektor 15 ausströmt, über eine wasserdurchlässige Membrane in Kontakt zu bringen, um hier das Brenngas durch den in dem Abgas enthaltenen Wassergehalt zu befeuchten. Der Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 ist zwischen der Brennstoffzelle 11 und dem Ejektor 15 angeordnet.

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das als Elektrolytmembrane zum Beispiel eine Festpolymermembrane verwendet, und betrifft insbesondere eine Technik, die die Festpolymermembrane befeuchtet.

Beschreibung der relevanten Technik

Eine Festpolymer-Brennstoffzelle umfasst einen Stapel (hierin als "Brenn stoffzellenstapel" oder "Brennstoffzelle" bezeichnet), der durch Aufein anderschichten einer Vielzahl von Zellen aufgebaut ist, die durch Anordnen einer Festpolymer-Elektrolytmembrane zwischen einer Anode und einer Kathode gebildet sind. Eine solche Festpolymer-Brennstoffzelle arbeitet, indem als Brennstoff Wasserstoff der Anode zugeführt wird und als Oxida tionsmittel Luft der Kathode, so dass in einer katalytischen Reaktion bei der Anoden-Passage durch die Festpolymer-Elektrolytmembrane Wasserstoffio nen erzeugt werden und sich zur Kathode bewegen, um hierdurch eine elektrochemische Reaktion an der Kathode zu verursachen.

Um eine hohe Erzeugungseffizienz einzuhalten ist es notwendig, die Fest polymer-Elektrolytmembrane in einem Zustand mit gesättigtem Wasser gehalt zu halten, um hierdurch eine Funktion als ionenleitfähige Elektrolyt membrane sicherzustellen.

Daher umfasst ein Brennstoffzellensystem, das zum Beispiel in dem US- Patent Nr. 5 543 238 vorgeschlagen ist, einen Ejektor, der von einer Brenn stoffzelle abgegebenes brennstoffseitiges Abgas mit der Brennstoffzelle neu zugeführtem frischem Brenngas vermischt und das Gasgemisch zu der Brennstoffzelle zurückführt, sowie eine Befeuchtungsvorrichtung, die zwischen diesem Ejektor und einer Brenngaszufuhrvorrichtung angeordnet ist, die das dem Ejektor zugeführte Brenngas befeuchtet.

Bei dieser Brennstoffzelle wird die Dampfkonzentration (der Dampfpartial druck) des dem Ejektor zugeführten frischen Brenngases durch die Befeuch tungsvorrichtung erhöht, während das frische Brenngas und das brenn stoffseitige Abgas in dem Ejektor vermischt wird, und das befeuchtete Brenngasgemisch wird der Brennstoffzelle zugeführt.

Falls in der oben beschriebenen relevanten Technik das von der Brennstoff zelle abgegebene brennstoffseitige Abgas zur Rückführung verwendet wird, wird eine vorbestimmte Obergrenze für den spezifischen Brenngasver brauch in der Brennstoffzelle gesetzt, die abhängig ist von der Struktur für den Brenngasfluss zu der Innenseite der Brennstoffzelle, der Strömungsrate des Abgases, die zur Abgabe von innerhalb der Brennstoffzelle erzeugtem Wasser erforderlich ist, sowie der Eigenschaften eines Katalysators, der die Brennstoffzelle darstellt, und der Festpolymer-Elektrolytmembrane. Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist gleich einem Kehrwert der Stöchiometrie (rückgeführte Brenngasmenge).

Wenn der spezifische Verbrauch des der Brennstoffzelle zugeführten Brenn gases höher gemacht wird als die Obergrenze, nimmt eine Druckdifferenz des Brenngases zwischen den Zellen in der Nähe der Brenngaszuführöff nung und den Zellen in der Nähe der Auslassöffnung innerhalb der Brenn stoffzelle zu, und daher wird die Ausgangsleistung von jeder die Brenn stoffzelle bildenden Zelle ungleichmäßig. Da ferner eine Wärmeerzeugung zu der Zeit stattfindet, zu der das aus dem Brenngas erzeugte Wasser stoffion durch die Festpolymer-Elektrolytmembrane hindurchtritt, wird, wenn die Druckdifferenz des Brenngases zunimmt, die Wärmequellenver teilung in jeder Zelle ungleichmäßig, und es wird zum Beispiel schwierig, die Lebensdauer der Brennstoffzelle vorauszusagen. Daher ist es möglicher weise schwierig, die Leistung der Brennstoffzelle konstant zu halten.

Bei dem Ejektor ist es daher notwendig, eine vorbestimmte Stöchiometrie für das Brenngas sicherzustellen. Diese Stöchiometrie ist definiert als Verhältnis einer Strömungsrate Q1 von in den Ejektor eingeführtem fri schem Brenngas zu einer Strömungsrate Qa (= Strömungsrate Q1 des eingeführten frischen Brenngases + Strömungsrate Q2 des brennstoff seitigen Abgases) des von dem Ejektor abgegebenen Brenngasgemischs (Qa/Q1). Wenn der Wassergehalt, der in dem brennstoffseitigen Abgas enthalten ist, zunimmt, sinkt der Partialdruck des Brenngases, das in dem brennstoffseitigen Abgas enthalten ist, um den Partialdruck von Wasser, und daher kann die Stöchiometrie des Brenngases selbst nicht ausreichend sichergestellt werden.

Falls ferner eine vorbestimmte Stöchiometrie in dem Ejektor sichergestellt wird, kann die Kapazität zum Rückführen des brennstoffseitigen Abgases erhöht werden, indem man zum Beispiel der Düsendurchmesser für den das frische Brenngas ausspritzenden Ejektor verkleinert, um die Strömungsrate Q1 des frischen Brenngases zu reduzieren. In diesem Fall nimmt jedoch ein Druckverlust vor und hinter dem Ejektor zu.

Da der Wasserdampfgehalt, der in dem Brenngas enthalten sein kann, mit sinkendem Brenngasdruck zunimmt, auch wenn zum Beispiel das Brenngas bei der relativen Feuchtigkeit von 100% in einem Hochdruckzustand ist, sinkt die relative Feuchtigkeit zum Beispiel auf 80%, nachdem das Brenn gas durch den Ejektor hindurchgetreten ist und einen Niederdruckzustand einnimmt.

D. h., wenn eine Befeuchtungsvorrichtung an der stromaufwärtigen Seite des Ejektors vorgesehen ist, sinkt die relative Feuchtigkeit auch dann, wenn die relative Feuchtigkeit des Brenngases vor dem Eintritt in den Ejektor 100% beträgt, nachdem das Brenngas durch den Ejektor hindurch getreten ist und einen Niederdruckzustand einnimmt, und es tritt ein Fall auf, in dem die für den Brennstoffzellenstapel benötigte Befeuchtungs menge nicht ausreichen könnte.

Wenn der Druck des frischen Brenngases vor der Einführung in den Ejektor erhöht ist - wenn man einen Druckverlust in dem Ejektor berücksichtigt, um eine vorbestimmte Anoden/Kathoden-Druckdifferenz sicherzustellen, die zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle erforderlich ist - nimmt der Wasserdampfgehalt, der in dem frischen Brenngas enthalten sein kann, ab, wodurch es schwierig wird, die für den Brennstoffzellenstapel benötigte Befeuchtungsmenge sicherzustellen.

Im Hinblick auf die obige Situation ist es Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das eine vorbestimmte Stö chiometrie und eine vorbestimmte Befeuchtungsmenge, die für dis Brenn stoffzelle erforderlich ist, beim Rückführen und Verwenden des von der Brennstoffzelle abgegebenen Abgases sicherstellen kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Zur Lösung der obigen Aufgabe umfasst das Brennstoffzellensystem nach der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle, die durch eine elektroche mische Reaktion mit ihr zugeführtem Brenngas Strom erzeugt; einen Ejektor, der von der Brennstoffzelle abgegebenes brennstoffseitiges Abgas mit frischem Brenngas vermischt, um ein Brenngasgemisch zu erzeugen, und Rückführen dieses Brenngasgemisches der Brennstoffzelle; eine Befeuchtungsvorrichtung, die das Brenngasgemisch mit in dem Abgas enthaltenem Wassergehalt befeuchtet, indem sie von der Brennstoffzelle abgegebenes Abgas über eine wasserdurchlässige Membrane mit dem Brenngasgemisch in Kontakt bringt.

Bei dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem wird das von der Brennstoffzelle abgegebene Abgas, zum Beispiel das brennstoffseitige Abgas oder das oxidationsseitige Abgas als das Befeuchtungsgas verwen det, das das Brenngasgemisch nach Durchtritt durch den Ejektor befeuch tet. Der in dem Abgas enthaltene Wassergehalt tritt durch Membranlöcher, beispielsweise in einer Hohlfasermembrane, hindurch und wird als Wasser dampf in das Brenngasgemisch verteilt.

Da wie oben beschrieben der Wassergehalt zu dem Brenngasgemisch mit relativ niedrigem Druck hinzugefügt und an der stromabwärtigen Seite des Ejektors befeuchtet wird, kann viel mehr Wassergehalt hinzugefügt wer den, im Vergleich zu dem Fall, in dem der Wassergehalt zu dem frischen Brenngas hinzugefügt wird, das einen relativ hohen Druck an der strom aufwärtigen Seite des Ejektors besitzt. Im Ergebnis kann eine Abnahme der relativen Feuchtigkeit, die auf einen Druckverlust des Brenngases vor und nach dem Durchtritt durch den Ejektor zurückgeht, verhindert werden, und die für die Brennstoffzelle benötigte Befeuchtungsmenge kann zuverlässig sichergestellt werden.

Falls das brennstoffseitige Abgas als das Abgas verwendet wird, wird das brennstoffseitige Abgas, dessen Wassergehalt nach Durchtritt durch die Befeuchtungsvorrichtung reduziert ist, zu dem frischen Brenngas in dem Ejektor hinzugefügt. Im Ergebnis nimmt die Konzentration des in dem brennstoffseitigen Abgas enthaltenen Brenngases zu, wodurch man in der Lage ist, die Stöchiometrie des Brenngases zu verbessern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2A ist eine Schnittseitenansicht, die ein Beispiel eines Ejektors zeigt.

Fig. 2B ist eine Schnittseitenansicht, die ein anderes Beispiel des Ejektors zeigt.

Fig. 3 ist eine Grafik, die Änderungen im Wassergehalt zeigt, der in dem Abgas enthalten ist, das in ein Rückflusseinführrohr des Ejektors eingeführt wird, sowie in der Stöchiometrie des Brennstoffs.

Fig. 4 ist eine Grafik, die Änderungen in einer Druckdifferenz des Brenngases vor und hinter dem Ejektor und der Stöchiometrie des Brennstoffs zeigt.

Fig. 5 ist eine Grafik, die eine Beziehung zwischen dem Wasserge halt, der in dem Brenngas enthalten ist, das eine konstante Temperatur und eine relative Feuchtigkeit von 100% hat, und dem Druck zeigt.

Fig. 6 ist ein konzeptionelles Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Strömungsrate Q1 des dem Ejektor zugeführten Brenn gases, einer Strömungsrate Q2, des von einem Rückflussein führrohr eingeführten Abgases und eine Strömungsrate Qa des von dem Ejektor abgegebenen Brenngases zeigt.

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einem ersten modifizierten Beispiel in dieser Ausführung.

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einem zweiten modifizierten Beispiel in dieser Ausführung.

Detailbeschreibung der Erfindung

Nun wird anhand der Zeichnungen eine Ausführung eines Brennstoffzel lensystems nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 1 ist eine Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Fig. 2A ist eine Schnittseitenansicht, die ein Bei spiel eines Ejektors 15 zeigt, und Fig. 2B ist eine Schnittseitenansicht, die ein anderes Beispiel des Ejektors 15 zeigt.

Das Brennstoffzellensystem 10 in diesem Beispiel ist an einem Fahrzeug angebracht, zum Beispiel einem Elektroauto, und umfasst eine Brennstoff zelle 11, einen Brennstoffzufuhrabschnitt 12, einen Oxidationsmittelzufuhr abschnitt 13, einen Oxidationsmittelbefeuchtungsabschnitt 14, den Ejektor 15 und einen Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16.

Die Brennstoffzelle 11 ist aufgebaut, indem eine Vielzahl von Zellen aufein andergeschichtet sind, die durch Einklemmen einer Festpolymer-Elektrolyt membrane, die zum Beispiel aus einer Festpolymer-Ionenaustauscher-Mem brane besteht, zwischen einer Anode und einer Kathode gebildet ist, und umfasst eine Brennstoffelektrode, der zum Beispiel Wasserstoff als das Brenngas zugeführt wird, und eine Luftelektrode, der zum Beispiel sauer stoffhaltige Luft als Oxidationsgas zugeführt wird.

Die Luftelektrode ist mit einer Luftzufuhröffnung 11a versehen, um Luft aus dem Oxidationsmittelzufuhrabschnitt 13 zuzuführen, sowie einer Luft auslassöffnung 11b, um Luft in der Luftelektrode nach außen abzugeben. Andererseits ist die Brennstoffelektrode mit einer Brennstoffzufuhröffnung 11c versehen, um Wasserstoff von dem Brennstoffzufuhrabschnitt 12 zuzuführen, sowie einer Brennstoffauslassöffnung 11d, um Wasserstoff in der Brennstoffelektrode nach außen abzugeben.

Der Oxidationsmittelzufuhrabschnitt 13 umfasst zum Beispiel einen Luft kompressor und wird entsprechend der Last der Brennstoffzelle 11 und Eingangssignalen und einem Gaspedal (nicht gezeigt) geregelt, um der Luftelektrode der Brennstoffzelle 11 über den Oxidationsmittelbefeuch tungsabschnitt 14 Luft zuzuführen.

Der Oxidationsmittelbefeuchtungsabschnitt 14 umfasst eine wasserdurch lässige Membrane, die beispielsweise eine Hohlfasermembrane darstellt, und verwendet das oxidationsmittelseitige Abgas, das von der Luftauslass öffnung 11b der Brennstoffzelle 11 abgegeben wird, als das Befeuchtungs gas für das Oxidationsgas, das von dem Oxidationsmittelzufuhrabschnitt 13 zugeführt wird. D. h., wenn das Oxidationsgas mit dem oxidationsmittel seitigen Abgas über die wasserdurchlässige Membrane in Kontakt gebracht wird, die zum Beispiel eine Hohlfasermembrane darstellt, tritt der Wasser gehalt (insbesondere Wasserdampf), der in dem oxidationsmittelseitigen Abgas enthalten ist, durch die Membranlöcher in der Hohlfasermembrane hindurch und wird dem Oxidationsgas als Wasserdampf zugeführt.

Das von dem Brennstoffzufuhrabschnitt 12 zugeführte Brenngas wird in den Ejektor 15 und den Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 rückgeführt und dann der Brennstoffzelle 11 zugeführt.

Wie in Fig. 2A gezeigt, umfasst der Ejektor zum Beispiel eine Fluidzufuhr öffnung 21, ein Rückflusseinführrohr 22, ein Fluidauslassrohr 23, eine Düse 24 und eine Rückflusskammer 25.

Die Rückflusskammer 25, die zum Beispiel aus einem im Wesentlichen säulenförmigen Hohlraum besteht, der zu einer Achse O koaxial ist, ist innerhalb des Ejektorkörpers 15a ausgebildet, und ein Rückflusseinführrohr 22, das sich in Richtung orthogonal zur Achse O erstreckt, ist damit ver bunden, wobei ein Ende des Rückflusseinführrohrs 22 zur Innenumfangs fläche der Rückflusskammer 25 offen ist und dessen anderes Ende zur Außenseite des Ejektors 15a offen ist.

In der Richtung entlang der Achse O des Ejektors 15 steht eine im Wesent lichen zylindrische Düse 24 koaxial zur Achse O von der Innenwandfläche am einen Ende der Rückflusskammer 25 vor, und die Spitze dieser Düse 24 ist so angeordnet, dass sie der Innenwandfläche am anderen Ende der Rückflusskammer 25 nahe kommt.

Eine Fluidzufuhröffnung 21, die sich an der Außenseite des Ejektorkörpers 15a öffnet, ist an einem Basisende der Düse 24 vorgesehen, und die Düse 24 weist einen verjüngten Innenumfang auf, dessen Durchmesser vom Basisende zur Spitze hin allmählich abnimmt.

An der anderen Innenwandfläche der Rückflusskammer 24 ist ein Ende des Fluidauslassrohrs 23, das den Ejektorkörper 15a entlang der Richtung der Achse O durchdringt, offen, wohingegen das andere Ende des Fluidauslass rohrs zur Außenseite des Ejektorkörpers 15a hin offen ist.

Wie in Fig. 1 und Fig. 2A gezeigt, wird der Fluidzufuhröffnung 21 des Ejektors 15 frisches Brenngas von dem Brenngaszufuhrabschnitt 12 zu geführt, und in das Rückflusseinführrohr 22 wird brennstoffseitiges Abgas eingeführt, das von der Brennstoffauslassöffnung 11d der Brennstoffzelle 11 abgegeben und durch den Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 hin durchgetreten ist.

Das von der Fluidzufuhröffnung 21 zugeführte frische Brenngas wird beim Durchtritt durch die Düse 24 beschleunigt und von der Spitze der Düse in die Rückflusskammer 25 zu dem Fluidauslassrohr 23 hin ausgeworfen. In der Nähe dieses Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstroms wird das brenn stoffseitige Abgas, das von dem Rückflusseinführrohr 22 in die Rückfluss kammer 25 eingeführt wird, in den Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrom hineingesaugt und in das Fluidauslassrohr 23 eingeführt. Hierbei herrscht in der Rückflusskammer 25 ein Unterdruck, das brennstoffseitige Abgas wird von dem Rückflusseinfuhrrohr 25 angesaugt.

Der Ejektor 15 ist nicht auf einen solchen beschränkt, der die in Fig. 2A gezeigte Struktur hat, sondern kann auch ein solcher sein, der die in Fig. 2B gezeigte Struktur hat. Dieses andere Beispiel des Ejektors 15 wird in Bezug auf Fig. 2B beschrieben.

Dieser Ejektor 15 umfasst zum Beispiel eine Brennstoffzuführöffnung 36, ein Einführrohr 37, ein Brennstoffauslassrohr 38 und eine Düse 39.

Die Düse 39, die mit der Brennstoffzuführöffnung 36 entlang der Achse O verbunden ist, besitzt eine verjüngte Innenumfangsfläche, deren Durch messer von dem Basisende zur Spitze hin allmählich abnimmt. Das Basi sende der Düse 39 ist mit dem Basisende des Brennstoffauslassrohrs 38 verbunden, das im Wesentlichen zylinderförmig ist, und die Spitze der Düse 39 steht zur Innenseite des Brennstoffauslassrohrs 38 koaxial zu der Achse O vor.

Mit dem Brennstoffauslassrohr 38 ist das Einführrohr 37 verbunden, das in Richtung orthogonal zur Achse O erstreckt und die Rohrwand durchdringt, wobei sich ein Ende 37a des Einführrohrs 37 in das Brennstoffauslassrohr 38 erstreckt und in der Nähe des offenen Endes an der Spitze 39a der Düse 39 angeordnet ist, und wobei dessen anderes Ende zur Außenseite des Brennstoffauslassrohrs 39 vorsteht. Das brennstoffseitige Abgas wird in das Einführrohr 37 des Ejektors 15 eingeführt.

Wenn frisches Brenngas von der Brennstofffzufuhröffnung 36 des Ejektors 15 zugeführt wird, wird das frische Brenngas während des Durchtritts durch die Düse 39 beschleunigt. In der Nähe des Hochgeschwindigkeits- Brennstoffflusses, der von der Spitze der Düse 39 in das Brennstoffauslass rohr 38 ausgegeben wird, wird das von dem Einführrohr 37 abgegebene brennstoffseitige Abgas in den Hochgeschwindigkeits-Brennstofffluss gesaugt und zur Spitze des Brennstoffauslassrohrs 38 hin gefördert. Hierbei entsteht in dem Brennstoffauslassrohr 38 ein Unterdruck, und das brenn stoffseitige Abgas wird von dem Einführrohr 37 angesaugt, was auf diesen Unterdruck zurückgeht.

Das frische Brenngas und das brennstoffseitige Abgas, die in dem Ejektor 15 gemischt sind, werden von dem Fluidauslassrohr 23 oder dem Brenn stoffauslassrohr 38 als Brenngasgemisch abgegeben und dem Brennstoff befeuchtungsabschnitt 16 zugeführt. D. h., das von der Brennstoffzelle 1 abgegebene brennstoffseitige Abgas wird über den Ejektor 15 rückgeführt.

Der Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 umfasst eine wasserdurchlässige Membrane, die zum Beispiel eine Hohlfasermembrane darstellt, und nutzt das von der Brennstoffzelle 1 abgegebene brennstoffseitige Abgas als das Befeuchtungsgas für das Brenngasgemisch, das aus dem Ejektor 15 aus strömt. Wenn zum Beispiel das frische Brenngas in Kontakt mit dem brenn stoffseitigen Abgas über die wasserdurchlässige Membrane, wie etwa die Hohlfasermembrane in Kontakt gebracht wird, wird das in dem brennstoff seitigen Abgas enthaltene Wasser (insbesondere Wasserdampf) dem Brenn gasgemisch als Wasserdampf zugeführt, nachdem es durch die Membranlö cher in der Hohlfasermembrane durchgetreten ist.

Das Brenngasgemisch, das in dem Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 befeuchtet ist, wird der Brennstoffzelle 11 zugeführt, um hierdurch die Ionenleitfähigkeit der Festpolymer-Elektrolytmembrane sicherzustellen.

Nun wird der Betrieb dieses Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.

Fig. 3 zeigt in einer Grafik die Änderungen im Wassergehalt, der in dem brennseitigen Abgas enthalten ist, das in das Rückflusseinführrohr 22 des Ejektors 15 eingeführt ist, sowie in der Stöchiometrie des Brennstoffs gegenüber der Leistung der Brennstoffzelle. Fig. 4 ist eine Grafik, die Änderungen in der Druckdifferenz des Brenngases vor und hinter dem Ejektor 15 und der Stöchiometrie des Brennstoffs zeigt. Fig. 5 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Druck und dem Wasserdampf gehalt, der in dem Brenngas bei konstanter Temperatur und einer relativen Feuchtigkeit von 100% enthalten ist, zeigt. Fig. 6 ist ein konzeptionelles Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Strömungsrate Q1 des dem Ejektor 15 zugeführten Brenngases, einer Strömungsrate Q2 des von dem Rückflusseinführrohr 22 eingeführten Abgases sowie einer Strömungsrate Qa des von dem Ejektor 15 abgegebenen Brenngases zeigt.

Falls das brennstoffseitige Abgas, das von der Brennstoffzelle 11 durch den Ejektor 15 abgegeben wird, rückgeführt und verwendet wird, wird ein vorbestimmter Schwellenwert für den spezifischen Verbrauch des zugeführ ten Brenngases gesetzt, der abhängig ist von zum Beispiel der Struktur für die Brenngasrückführung- bzw. -zirkulation innerhalb der Vorrichtung, der Strömungsrate des Abgases, die zur Abgabe von erzeugtem Wasser von innen nach außen erforderlich ist, sowie der Eigenschaften des Katalysators und der Festpolymer-Elektrolytmembrane, die die Brennstoffzelle 11 dar stellen. Der spezifische Brennstoffverbrauch ist gleich einem Kehrwert der Stöchiometrie (d. h. der rückgeführten Brenngasmenge).

D. h., wie in Fig. 6 gezeigt, ist die rückgeführte Brenngasmenge (Stöchio metrie S) definiert als

S = Qa/Q1 = (Q1 + Q2)/Q1,

wobei Q1 die Strömungsrate des dem Ejektor 15 zugeführten Brenngases ist, Q2 die Strömungsrate des von dem Rückflusseinführrohr 22 eingeführ ten Abgases ist und Qa die Strömungsrate des von dem Ejektor 15 abgege benen Brenngases ist.

Wenn in dem Abgas Wasser enthalten ist, ist die Strömungsrate Q2 des Abgases definiert als eine Summe der Strömungsrate Qf des Brennstoffs allein und der Strömungsrate Qw von Wasser (Q2 = Qf + Qw). Falls daher die Stöchiometrie S des Brenngases auf einen vorbestimmten Wert geregelt wird, sinkt die Stöchiometrie des Brennstoffs selbst, wenn die in dem Abgas enthaltene Wassermenge zunimmt.

Wie in Fig. 3 gezeigt, kann die Stöchiometrie des Brennstoffs für die gleiche Leistung erhöht werden, falls Wasser aus dem Abgas entfernt wird, das in das Rückflusseinführrohr 22 des Ejektors 15 eingeführt wird, im Vergleich zu dem Fall, dass darin Wasser enthalten ist.

In dem Brennstoffzellensystem 10 nach diese Ausführung wird das von der Brennstoffzelle 11 abgegebene brennstoffseitige Abgas zuerst dem Brenn stoffbefeuchtungsabschnitt 16 zugeführt und als das Befeuchtungsgas für das Brenngas benutzt, und wird dann in das Rückflusseinführrohr 22 des Ejektors 15 eingeführt. D. h., der in dem brennstoffseitigen Abgas enthal tene Wassergehalt wird in dem Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 ver braucht, und das brennstoffseitige Abgas, dessen Wassergehalt reduziert ist, wird der Brennstoffzelle 11 über den Ejektor 15 rückgeführt. Daher kann die Stöchiometrie des Brennstoffs selbst, d. h. des Wasserstoffs, verbessert werden.

Um die Stöchiometrie in dem Ejektor 15 zu erhöhen, wird der Düsendurch messer des Ejektors 15, in den das frische Brenngas eingeführt wird, verkleinert, um die Strömungsrate Q1 des frischen Brenngases zu reduzie ren, um hierdurch zu ermöglichen, dass die Stöchiometrie des brennstoff seitigen Abgases erhöht wird. Wie in Fig. 4 gezeigt, nimmt jedoch in die sem Fall der Druckverlust vor und hinter dem Ejektor zu (d. h. zwischen dessen stromaufwärtiger Seite und dessen stromabwärtiger Seite).

Wenn, wie in Fig. 5 gezeigt, der Druck des Brenngases abnimmt, nimmt der Wasserdampfgehalt, der in dem Brenngas enthalten sein kann, zu. Zum Beispiel auch im Falle eines Brenngases in einem Hochdruckzustand mit einer relativen Feuchtigkeit von 100% sinkt daher die relative Feuchtigkeit auf zum Beispiel 80%, wenn das Gas durch den Ejektor 15 hindurchtritt und einen Niederdruckzustand einnimmt.

Auch wenn daher eine geeignete Befeuchtungsvorrichtung an der strom aufwärtigen Seite des Ejektors 15 vorgesehen ist und die relative Feuchtig keit des Brenngases vor der Einführung in den Ejektor 15 auf 100% ge setzt wird, was die Obergrenze ist, kann ein Fall auftreten, wo die Befeuch tungsmenge des Brenngases als für die Brennstoffzelle 11 benötigte Be feuchtungsmenge nicht genügt.

In dem Brennstoffzellensystem 10 nach dieser Ausführung wird das Brenn gasgemisch, das durch Vermischen des brennstoffseitigen Abgases mit dem frischen Brenngas in dem Ejektor 15 erhalten wird, dem Brennstoff befeuchtungsabschnitt 16 zugeführt und darin befeuchtet und wird dann der Brennstoffzelle 11 zugeführt. D. h. die Befeuchtung erfolgt für das Brenngas an der stromabwärtigen Seite des Ejektors 15, wo, im Vergleich zur stromaufwärtigen Seite des Ejektors 15, der Druck relativ niedrig ist. Falls zum Beispiel der Druck des frischen Brenngases vor der Einführung in dem Ejektor 15 relativ hoch eingestellt wird - unter Berücksichtigung des Druckverlustes in dem Ejektor 15 - um einen vorbestimmten Anoden/Katho den-Druck sicherzustellen, der zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle 11 erforderlich ist, nimmt daher die relative Feuchtigkeit des Brenngases nicht ab. Im Ergebnis kann eine vorbestimmte Befeuchtungs menge sichergestellt werden, die für die Brennstoffzelle 11 erforderlich ist.

Wie oben beschrieben, ist gemäß dem Brennstoffzellensystem 10 in dieser Ausführung der Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 zwischen dem Ejektor 15 und der Brennstoffzelle 11 angeordnet, und das brennstoffseitige Abgas wird als das Befeuchtungsgas für das Brenngasgemisch genutzt. Daher kann die Stöchiometrie des Brennstoffs selbst, d. h. Wasserstoff, verbessert werden.

Da ferner das Brenngasgemisch an der stromabwärtigen Seite des Ejektors 15 befeuchtet wird, wo, im Vergleich zu dessen stromaufwärtiger Seite, der Gasdruck relativ niedrig ist, kann viel mehr Wassergehalt hinzugefügt werden. Im Ergebnis kann verhindert werden, dass die relative Feuchtigkeit auf Grund des Druckverlusts des durch den Ejektor 15 hindurchtretenden Abgases abnimmt, und kann eine vorbestimmte Befeuchtungsmenge, die für die Brennstoffzelle 11 erforderlich ist, zuverlässig sichergestellt werden.

In der obigen Ausführung nutzt der Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 das brennstoffseitige Abgas, das von der Brennstoffauslassöffnung 11d der Brennstoffzelle 11 abgegeben wird, als das Befeuchtungsgas für das Brenn gasgemisch, das aus dem Ejektor 15 ausströmt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.

Zum Beispiel zeigt Fig. 7 ein Brennstoffzellensystem 50 nach einem ersten modifizierten Beispiel dieser Ausführung. In diesem Beispiel kann das oxidationsmittelseitige Abgas, das von einer Luftauslassöffnung 11b der Brennstoffzelle 11 abgegeben wird, als das Befeuchtungsgas für das Brenn gasgemisch genutzt werden, das aus einem Ejektor 15 ausströmt.

In dem Brennstoffzellensystem 50 nach diesem ersten modifizierten Bei spiel ist ein Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 an der stromaufwärtigen Seite eines Oxidationsmittelbefeuchtungsabschnitts 14 angeordnet, in der Rückführrichtung der von der Brennstoffzelle 11 abgegebenen Abluft. D. h., die von der Luftauslassöffnung 11b der Brennstoffzelle 11 abgegebene Abluft wird zuerst mit dem Brenngasgemisch über eine wasserdurchlässige Membrane, die zum Beispiel eine Hohlfasermembrane darstellt, in dem Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 in Kontakt gebracht, und nach Durch tritt durch Membranlöcher in der Hohlfasermembran wird der Wassergehalt (insbesondere Wasserdampf), der in dem oxidationsmittelseitigen Abgas enthalten ist, dem Brenngasgemisch als Wasserdampf zugeführt.

Dann wird das oxidationsmittelseitige Abgas, das durch den Brennstoff befeuchtungsabschnitt 16 hindurchgetreten ist, mit dem Oxidationsgas über die wasserdurchlässige Membrane in dem Oxidationsmittelbefeuch tungsabschnitt 14 in Kontakt gebracht, und der Wassergehalt (insbeson dere Wasserdampf), der in dem oxidationsmittelseitigen Abgas enthalten ist, wird dem Oxidationsgas als Wasserdampf zugeführt, nachdem er durch Membranlöcher in der Hohlfasermembrane hindurchgetreten ist.

In diesem Fall wird das Brenngasgemisch durch das oxidationsmittelseitige Abgas an der stromwärtigen Seite des Ejektors befeuchtet, wo, im Ver gleich zu dessen stromaufwärtiger Seite, der Druck relativ niedrig ist, und die Befeuchtung erfolgt durch Nutzung des oxidationsmittelseitigen Ab gases, das, im Vergleich zum brennstoffseitigen Abgas, einen relativ hohen Wassergehalt enthält. Daher kann das Brenngasgemisch wirkungsvoll befeuchtet werden.

Da ferner das Brenngasgemisch, das einen niedrigen Druck hat, befeuchtet wird, dann ist es im Vergleich zu einem Fall, wo das frische Brenngas mit relativ hohem Druck durch das oxidationsmittelseitige Abgas befeuchtet wird, wie zum Beispiel an der stromaufwärtigen Seite des Ejektors 15, möglich, den Durchtritt von Brenngas durch die Hohlfasermembrane und ein Vermischen mit dem oxidationsmittelseitigen Abgas zu unterdrücken. Auch falls der Oxidationsmittelbefeuchtungsabschnitt 14, der stromab des Brennstoffbefeuchtungsabschnitts 16 vorgesehen ist, für Wasserstoff durchlässig ist, oder ein Ejektor zum Rückführen des oxidationsmittelseiti gen Abgases an der Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle 11 vorgesehen ist, kann verhindert werden, dass das Brenngas in großer Menge in die Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle 11 eingemischt wird.

In dem oben beschriebenen ersten modifizierten Beispiel ist der Brennstoff befeuchtungsabschnitt 16 an der stromaufwärtigen Seite des Oxidations mittelbefeuchtungsabschnitts 16 angeordnet, in der Rückführ- bzw. Zirkula tionsrichtung der von der Brennstoffzelle 11 abgegebenen Abluft. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann, wie in einem Brennstoffzellensystem 60 nach einem zweiten modifizierten Beispiel, wie in Fig. 8 gezeigt, der Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 an der stromabwärtigen Seite des Oxidationsmittelbefeuchtungsabschnitts 14 angeordnet sein, in der Rückführ- bzw. Zirkulationsrichtung der von der Brennstoffzelle 11 abgegebenen Abluft.

In diesem Fall wird das oxidationsmittelseitige Abgas, das von der Luftaus lassöffnung 11b der Brennstoffzelle 11 abgegeben wird, zuerst mit dem frischen Oxidationsgas über eine wasserdurchlässige Membrane in dem Oxidationsmittelbefeuchtungsabschnitt 14 in Kontakt gebracht, und der Wassergehalt (insbesondere Wasserdampf), der in dem oxidationsmittel seitigen Abgas enthalten ist, wird dem Oxidationsgas als Wasserdampf zugeführt, nachdem er durch Membranlöcher in der Hohlfasermembrane hindurchgetreten ist.

Das oxidationsmittelseitige Abgas, das durch den Oxidationsmittelbefeuch tungsabschnitt 14 hindurchgetreten ist, wird weiter mit dem Brenngasge misch über eine wasserdurchlässige Membrane, die zum Beispiel eine Hohlfasermembrane darstellt, in dem Brennstoffbefeuchtungsabschnitt in Kontakt gebracht, und der Wassergehalt (insbesondere Wasserdampf), der in dem oxidationsmittelseitigen Abgas enthalten ist, wird dem Brenngasge misch als Wasserdampf zugeführt, nachdem er durch die Membranlöcher in der Hohlfasermembrane hindurchgetreten ist.

Da in diesem Fall das oxidationsmittelseitige Abgas, das durch den Oxida tionsmittelbefeuchtungsabschnitt 14 hindurchgetreten ist, mit dem Brenn gasgemisch über die wasserdurchlässige Membrane in dem Brennstoff befeuchtungsabschnitt 16 in Kontakt gebracht wird, wird auch in einem Fall, in dem das Brenngas in das oxidationsmittelseitige Abgas in dem Brennstoffbefeuchtungsabschnitt 16 eingedrungen ist, die Abluft, in die das Brenngas eingemischt ist, nicht als das Befeuchtungsgas verwendet, sondern wird nach außen abgegeben. Daher kann verhindert werden, dass sich das Brenngas in die Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle 11 ein mischt.

Ein Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle 11, einen Ejektor 15, der von der Brennstoffzelle 11 abge gebenes Abgas mit Brenngas vermischt und dieses Gasgemisch zu der Brennstoffzelle 11 zurückführt, sowie einen Brennstoffbefeuchtungsab schnitt 16, um das von der Brennstoffzelle 11 abgegebene Abgas mit dem Brenngas, das aus dem Ejektor 15 ausströmt, über eine wasserdurchlässige Membrane in Kontakt zu bringen, um hier das Brenngas durch den in dem Abgas enthaltenen Wassergehalt zu befeuchten. Der Brennstoffbefeuch tungsabschnitt 16 ist zwischen der Brennstoffzelle 11 und dem Ejektor 15 angeordnet.

Claims

1. Brennstoffzellensystem, umfassend:
eine Brennstoffzelle (11), die durch eine elektrochemische Reaktion mit ihr zugeführtem Brenngas Strom erzeugt;
einen Ejektor (15), der von der Brennstoffzelle (11) abgegebenes brennstoffseitiges Abgas mit frischem Brenngas vermischt, um ein Brenngasgemisch zu erzeugen, und Rückführen dieses Brenngasge misches zu der Brennstoffzelle (11);
eine Befeuchtungsvorrichtung (16), die das Brenngasgemisch mit in dem Abgas enthaltenem Wassergehalt befeuchtet, indem sie von der Brennstoffzelle (11) abgegebenes Abgas über eine wasserdurch lässige Membrane mit dem Brenngasgemisch in Kontakt bringt.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungsvorrichtung (16) das brennstoffseitige Abgas als das Abgas über die wasserdurchlässige Membrane mit dem Brenngasgemisch in Kontakt bringt.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Brennstoffzelle ein Oxidationsgas sowie das Brenngas zugeführt wird und das brennstoffseitige Abgas und das oxidationsmittelseitige Abgas davon abgegeben werden; und die Befeuchtungsvorrichtung (16) das oxidationsmittelseitige Abgas als das Abgas über die wasserdurchlässige Membrane mit dem Brenngasgemisch in Kontakt bringt.

4. Brennstoffzellensystem umfassend:
eine Brennstoffzelle (11), der ein Brenngas und ein Oxidationsgas zugeführt wird, die durch eine elektrochemische Reaktion Strom erzeugt und die brennstoffseitiges Abgas und oxidationsmittelseiti ges Abgas abgibt;
einen Ejektor (15), der das brennstoffseitige Abgas mit frischem Brenngas vermischt, um hierdurch ein Brenngasgemisch zu erzeu gen, und Rückführen des Brenngasgemisches zu der Brennstoffzelle (11);
eine erste Befeuchtungsvorrichtung (16), die das Brenngasgemisch befeuchtet, indem sie das oxidationsmittelseitige Abgas über eine wasserdurchlässige Membrane mit dem Brenngasgemisch in Kontakt bringt;
und eine zweite Befeuchtungsvorrichtung (14), die das Oxidations gas befeuchtet, indem sie das oxidationsmittelseitige Abgas über eine wasserdurchlässige Membrane mit dem Oxidationsgas in Kon takt bringt.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Brennstoffzelle (11) abgegebene oxidationsmittel seitige Abgas durch die erste Befeuchtungsvorrichtung (16) und dann durch die zweite Befeuchtungsvorrichtung (14) strömt.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Brennstoffzelle (11) abgegebene oxidationsmittel seitige Abgas durch die zweite Befeuchtungsvorrichtung (14) und dann durch die erste Befeuchtungsvorrichtung (16) strömt.