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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran-Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle. Sie betrifft insbesondere eine Membran-Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche gesamte Hohlfasermembrane von Außenseiten der Membran zu einem zentralen Teil des Innenraums der Membran-Befeuchtungsvorrichtung gleichmäßig befeuchten, um die Verteilung von feuchter Luft und trockener Luft zu verbessern, wodurch die Befeuchtungsleistung verbessert wird.
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(b) Stand der Technik
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Ein Betrieb eines Brennstoffzellenstapels erfordert ein Befeuchten einer Polymer-Elektrolyt-Membran innerhalb des Brennstoffzellenstapels. Demzufolge setzt die Brennstoffzelle eine Membran-Befeuchtungsvorrichtung ein, die durch Feuchtigkeitsaustausch zwischen einer Feuchtigkeit vom Abgas, welches eine von dem Brennstoffzellenstapel abgeführte feuchte Luft darstellt, und von der Außenseite (z. B. umweltfreundlich zugeführte kühle Luft) zugeführter trockenen Luft betrieben wird.
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Es gibt verschiedene Arten von Befeuchtungsvorrichtungen, wie zum Beispiel eine Befeuchtungsvorrichtung der Blasdüsenrohr-Bauart, eine Befeuchtungsvorrichtung der Einspritz-Bauart und eine Befeuchtungsvorrichtung unter Verwendung eines Adsorptionsmittels. Da jedoch nur ein begrenzter Raum auf der Baugruppenoberfläche eines Brennstoffzellenfahrzeugs vorhanden ist, wird eine kleinformatige Befeuchtungsvorrichtung, die keine besondere Energie benötigt, in der Brennstoffzelle verwendet. Insbesondere eine Membran-Befeuchtungsvorrichtung unter Verwendung von Hohlfasermembranen wurde für eine Membran-Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle in geeigneter Weise verwendet.
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Wie in 5 dargestellt, ist eine Membran-Befeuchtungsvorrichtung 100 in einem Luftversorgungssystem zum Zuführen von Luft (Sauerstoff) zu einem Brennstoffzellenstapel 200 eines Brennstoffzellensystems umfasst, trockene Luft von außen wird der Membran-Befeuchtungsvorrichtung 100 durch Inhalation eines Gebläses 202 zugeführt und von dem Brennstoffzellenstapel 200 abgeführtes Abgas strömt gleichzeitig durch einen Innenraum der Membran-Befeuchtungsvorrichtung 100. Zu diesem Zeitpunkt wird die trockene Luft befeuchtet, während in dem Abgas enthaltene Feuchtigkeit durch die Hohlfasermembrane innerhalb der Membran-Befeuchtungsvorrichtung 100 strömt.
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Eine herkömmliche Membran-Befeuchtungsvorrichtung, die die Hohlfasermembrane umfasst, und ihr Betrieb werden unter Bezugnahme auf 6 ausführlich beschrieben. Wie in 6 dargestellt, umfasst die herkömmliche Membran-Befeuchtungsvorrichtung 100 ein Gehäuse 101. Das Gehäuse 101 weist einen ersten Einlass 102 zum Einleiten von trockener Luft und einen ersten Auslass 101 zum Abführen von befeuchteter trockener Luft auf. Ein Hohlfasermembranbündel 107, umfassend eine Mehrzahl von dichten Hohlfasermembranen 106, ist innerhalb des Gehäuses 101 aufgenommen. Ferner umfasst das Gehäuse 101 einen zweiten Einlass 104 zum Einleiten von feuchter Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, und einen zweiten Auslass 105 zum Abführen von feuchter Luft an einer gegenüberliegenden Seite davon.
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Im Betrieb, wenn das abgeführte Gas, d. h., feuchte Luft, die vollständig reagiert hat und von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wurde, an eine Seite des Hohlfasermembranbündels 107 von dem zweiten Einlass 104 des Gehäuses 101 zugeführt wird, wird die in der feuchten Luft enthaltene Feuchtigkeit durch eine Kapillarwirkung von jeder der Holfasermembrane 106 getrennt und die getrennte Feuchtigkeit wird kondensiert, während sie in die Kapillaren der Holfasermembrane 106 eindringt, um sich zu dem Innenraum der Holfasermembrane 106 zu bewegen. Nachfolgend strömt die feuchte Luft, von welcher die Feuchtigkeit getrennt wird, direkt entlang der Außenseite der Holfasermembrane 106 und wird durch den zweiten Auslass 105 des Gehäuses 101 abgeführt.
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Unterdessen wird Außenluft (trockene Luft) dem Gehäuse 101 durch den ersten Einlass 102 durch die Kraft von dem Gebläse zugeführt und die durch den ersten Einlass 102 zugeführte Außenluft strömt durch die Holfasermembrane 106. zu diesem Zeitpunkt, da die von der feuchten Luft getrennte Feuchtigkeit bereits zu den Innenräumen der Holfasermembrane 106 geströmt ist, wird die trockene Luft durch die Feuchtigkeit befeuchtet und die befeuchtete trocken Luft wird an die Seite des Brennstoffzellenstapels durch den ersten Auslass 103 zugeführt.
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Da jedoch das Hohlfasermembranbündel 107 sehr kompakt ist und eine Mehrzahl von dichten Hohlfasermembranen 106 darin aufweist, ist es kompliziert, dass die durch den zweiten Einlass 104 eingeleitete feuchte Luft in das Hohlfasermembranbündel 107 eindringt. Ferner ist die Diffusionsgeschwindigkeit der feuchten Luft durch die Hohlfasermembrane sehr langsam und somit ist es sehr schwierig, dass die feuchte Luft in die Innenräume der Holfasermembrane eindringen kann.
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Insbesondere die feuchte Luft, die durch die Außenseite des Hohlfasermembranbündels 107 innerhalb des Gehäuses 101 geleitet wird, kann oftmals nicht in einen zentralen Teil des Hohlfasermembranbündels 107 innerhalb des Gehäuses 101 eindringen, wie mit einer gepunkteten Linie in 8 und 9 angegeben ist, sondern strömt durch einen Randabschnitt, wie mit einem Pfeil in 8 und 9 angegeben ist. Somit ist die Diffusionsgeschwindigkeit der feuchten Luft zu dem zentralen Teil des Hohlfasermembranbündels 107 sehr langsam, wodurch eine Verschlechterung der Befeuchtungsleistung für trockene Luft verursacht wird.
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Ferner, da die große Menge an trockener Luft, die durch den ersten Einlass 102 des Gehäuses 101 eingeleitet wird, hauptsächlich durch den zentralen Teil des Hohlfasermembranbündels 107 (ein Teil, der mit verdeckten Linien in 6 und 7 angegeben ist) strömt, werden die Holfasermembrane innerhalb der Befeuchtungsvorrichtung nicht ausgelastet und die allgemeine Befeuchtungsleistung der Befeuchtungsvorrichtung wird weiter verschlechtert.
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Auf diese Weise können aufgrund der obigen Probleme die an dem zentralen Teil des Hahlfasermembranbündels 107 angeordneten Holfasermembrane 106 keine ausreichende Feuchtigkeitsmenge aufnehmen, so dass die allgemeine Leistung der Befeuchtungsvorrichtung verschlechtert wird.
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Solch ein Problem kann durch ein experimentelles Simulationsergebnis in 8 erkannt werden. Es ist aus 8 klar ersichtlich, dass das meiste der trockenen Luft lediglich durch den zentralen teil des Hohlfasermembranbündels 107 strömt. Das heißt, die durch den ersten Einlass 102 des Gehäuses 101 eingeleitete Luft strömt hauptsächlich durch den zentralen Teil (einen Teil, der mit verdeckten Linien in 6 und 7 angegeben ist) des Hohlfasermembranbündels 107 und die durch den zweiten Einlass 104 feuchte Luft strömt durch den Randabschnitt des Hohlfasermembranbündels 107. Demzufolge wird die Befeuchtungsleistung der Membran-Befeuchtungsvorrichtung verschlechtert, was weiter einen Einfluss nimmt, wenn die Durchströmung der trockenen Luft erhöht wird, d. h., eine höhere Leistung wird von dem Brennstoffzellenstapel abgegeben.
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Wie oberhalb beschrieben, wird die an die Membran-Befeuchtungsvorrichtung zugeführte feuchte Luft nach einer Reaktion in der Brennstoffzelle abgeführt, und in der Reaktion erzeugtes Wasser, ebenso wie Dampf, wird ebenfalls an die Membran-Befeuchtungsvorrichtung zusammen mit der feuchten Luft zugeführt. Demzufolge gefriert bei kaltem Wetter in die Membran-Befeuchtungsvorrichtung eingeleitetes Wasser und verhindert, dass die Holfasermembrane ihre Befeuchtungsaktivität in geeigneter Weise durchführen. Darüber hinaus kann bei kaltem Wetter die Membran-Befeuchtungsvorrichtung nur verwendet werden, nachdem die gefrorene Feuchtigkeit der Holfasermembrane geschmolzen ist. Ferner, da die Oberflächen der Holfasermembrane der herkömmlichen Membran-Befeuchtungsvorrichtung wiederholt gefroren und geschmolzen werden, werden die Holfasermembrane auf den Außenseiten, d. h., den Randabschnitten, des Hohlfasermembranbündels 107, durch welches die feuchte Luft strömt, beschädigt oder werden unterbrochen (siehe 9).
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Unter Bezugnahme auf 9 ist das die dichten Holfasermembrane umfassende Hohlfasermembranbündel 107 innerhalb des Gehäuses 101 der Membran-Befeuchtungsvorrichtung montiert. In diesem Fall sind gegenüberliegende Endbereiche des Hohlfasermembranbündels 107 an Endbereichen eines Innenraums des Gehäuses 101 durch ein Vergussmasse befestigt, so dass das Hohlfasermembranbündel 107 befestigt ist. Demzufolge kann eine Unterbrechung der Holfasermembrane an den Außenseiten aufgrund einer Beschädigung oder eines Bruchs der Vergussmasse 108 auf einem Außenseitenendbereich des Hohlfasermembranbündels 107 auftreten, durch welchen die feuchte Luft hauptsächlich strömt.
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Weiterhin, falls die Oberflächen der Holfasermembrane wiederholt bis auf das Ausmaß gefroren und geschmolzen werden, sodass sie beschädigt werden, haben die beschädigten Holfasermembrane eventuell einen drastischen Effekt auf eine Leistung des Brennstoffzellenstapels und somit ist es erforderlich, die gesamte Membran-Befeuchtungsvorrichtung auszutauschen.
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Darüber hinaus wird beim Herstellen der Membran-Befeuchtungsvorrichtung ein großer Teil der Membran-Befeuchtungsvorrichtung aus kostspieligen Holfasermembranen hergestellt, die aus einem Polymer-Material gebildet werden. Um die Befeuchtungsleistung zu verbessern, werden mehr Holfasermembranbündel verwendet als erforderlich sind, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen. Darüber hinaus steht aufgrund der Verwendung von vielen Hohlfasermembranbündeln die Größe der Membran-Befeuchtungsvorrichtung verglichen mit der Leistung der Membran-Befeuchtungsvorrichtung in keinem Verhältnis.
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Des Weiteren, da die herkömmliche Membran-Befeuchtungsvorrichtung ein einzelnes Holfasermembran-Modul umfasst, innerhalb welchem eine Mehrzahl von Holfasermembranen in der Form eines Bündels aufgenommen ist, sind die Holfasermembrane innerhalb des Gehäuses nicht gleichmäßig verteilt und es findet eine Gewichtsbelastung zu einer Seite des Gehäuses während der Herstellung der Membran-Befeuchtungsvorrichtung statt (siehe 10).
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Membran-Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereit, in welcher patronenförmige Membranmodul-Baugruppen mit verschiedenen Durchmessern innerhalb eines oberen Gehäuses der Membran-Befeuchtungsvorrichtung aufgenommen sind, um eine Verteilung von feuchter Luft und trockener Luft zu verbessern, wobei die Gesamtheit der trockenen Luft von einer Außenseite zu einem zentralen Teil der Membranmodul-Baugruppe gleichmäßig befeuchtet wird, wodurch eine Befeuchtungsleistung verbessert wird.
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In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung eine Membran-Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereit, umfassend: ein ausgespartes oberes Gehäuse, umfassend erste Einlassöffnungen oder -Kanäle für feuchte Luft und erste Auslassöffnungen oder -Kanäle für die feuchte Luft; und eine Membranmodul-Anordnung, umfassend eine Mehrzahl von Membranmodul-Baugruppen, die der Länge nach innerhalb des oberen Gehäuses entlang der Strömungsrichtung der trockenen Luft aufgenommen sind.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Membranmodul-Anordnung wenigstens zwei Membranmodul-Baugruppen mit unterschiedlichen Durchmessern. Die Membranmodul-Anordnung umfasst eine Membranmodul-Baugruppe mit einem relativ geringen Durchmesser, die an einem zentralen Teil des oberen Gehäuses angeordnet ist, und Membranmodul-Baugruppen mit Durchmessern, welche im Verlauf von der Mitte zu den Außenseiten des oberen Gehäuses schrittweise größer werden als der der Membranmodul-Baugruppe, die an einem Teil des oberen Gehäuses angeordnet ist.
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In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Membranmodul-Baugruppe ein ausgespartes unteres Gehäuse, umfassend zweite Einlassöffnungen für die feuchte Luft und zweite Auslassöffnungen für die feuchte Luft an äußeren peripheren Teilen von gegenüberliegenden Endbereichen davon und ein Hohlfasermembranbündel, das der Länge nach innerhalb des ausgesparten unteren Gehäuses entlang der Strömungsrichtung der trockenen Luft aufgenommen ist.
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Demzufolge umfasst die Membran-Befeuchtungsvorrichtung für die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung die patronenförmigen Modul-Baugruppen mit unterschiedlichen Durchmessern, die innerhalb des oberen Gehäuses angeordnet sind, um eine Verteilung von feuchter Luft und von trockener Luft zu verbessern, wodurch die Gesamtheit der trockenen Luft von den Außenseiten zu dem zentralen Teil der Membran-Befeuchtungsvorrichtung gleichmäßig befeuchtet wird und auf diese Weise die Befeuchtungsleistung des Fahrzeugs verbessert wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf deren bestimmte beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche nachfolgend lediglich der Veranschaulichung dienen und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind, wobei:
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1 und 2 zeigen perspektivische Ansichten, die schematisch eine Membran-Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen;
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3 zeigt eine Schnittdarstellung, die schematisch die Membran-Befeuchtungsvorrichtung für die Brennstoffzelle aus 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 zeigt eine Ansicht, die schematisch eine Durchströmung von feuchter Luft in die Membran-Befeuchtungsvorrichtung für die Brennstoffzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 zeigt eine Ansicht, die schematisch ein Luftversorgungssystem des Brennstoffzellensystems darstellt;
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6 zeigt eine Schnittdarstellung, die ein Befeuchtungsprinzip einer herkömmlichen Membran-Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle darstellt;
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7 zeigt eine Schnittdarstellung, die eine Durchströmung von feuchter Luft in der herkömmlichen Membran-Befeuchtungsvorrichtung für die Brennstoffzelle darstellt;
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8 zeigt einen Graph eines experimentellen Simulationsergebnisses, der ein in der herkömmlichen Membran-Befeuchtungsvorrichtung für die Brennstoffzelle erzeugtes Problem darstellt; und
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9 und 10 zeigen Ansichten, die schematisch ein Problem der herkömmlichen Membran-Befeuchtungsvorrichtung der Brennstoffzelle darstellen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend wird nun ausführlich Bezug genommen auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden.
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Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird).
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Wie bereits unter Bezugnahem auf 6 beschrieben, befeuchtet die herkömmliche Membran-Befeuchtungsvorrichtung für die Brennstoffzelle trockene Luft durch einen Feuchtigkeitsaustausch unter Verwendung eines darin montierten Hohlfasermembranbündels 107. In diesem Fall strömt die trockene Luft (Außenluft) hauptsächlich entlang den Innenräumen der Holfasermembrane, die an dem zentralen Teil des Hohlfasermembranbündels 107 angeordnet sind, und die feuchte Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel nach einer Reaktion abgeführt wird, strömt hauptsächlich entlang den Außenflächen der Holfasermembrane, die an den Außenseiten des Hohlfasermembranbündels 107 angeordnet sind. Als solches weist die herkömmliche Membran-Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle ein strukturelles Ungleichgewicht auf, die zwangsläufig eine Herabsetzung eines Kontaktgrads zwischen der trockenen Luft und der feuchten Luft verursacht, wodurch eine Verschlechterung der Verwendung der Holfasermembrane und eine verminderte Befeuchtungsleistung der Befeuchtungsvorrichtung verursacht wird.
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Demzufolge umfasst die vorliegende Erfindung patronenförmige Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 mit verschiedenen Durchmessern innerhalb eines oberen Gehäuses 10 einer Membran-Befeuchtungsvorrichtung, um feuchte Luft problemlos durch die Gesamtheit der Befeuchtungsvorrichtung von einer Außenseite zu einem zentralen Teil des oberen Gehäuses 10 durchzuleiten und die Durchströmung von trockener Luft zu der Außenseite des oberen Gehäuses zu erzeugen, wodurch eine gleichmäßige Befeuchtung der Holfasermembrane bereitgestellt wird.
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Zu diesem Zweck umfasst die Membran-Befeuchtungsvorrichtung für die Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung das ausgesparte obere Gehäuse 10 und eine Mehrzahl von Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18, die der Länge nach innerhalb des oberen Gehäuses 10 entlang der Strömungsrichtung der trockenen Luft aufgenommen sind. Die Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 sind innerhalb des oberen Gehäuses 10 in der Form eines Bündels aufgenommen, um eine Membranmodul-Anordnung 15 zu bilden. Jedes der Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 ist durch Montieren eines Hohlfasermembranbündels 23 innerhalb eines unteren Gehäuses 20 und Modularisieren des Hohlfasermembranbündels 23 in einer Patronenform gebildet, und eine Mehrzahl von Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 ist innerhalb des oberen Gehäuses 10 montiert. Die Mehrzahl von Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18, d. h., die Membranmodul-Anordnung 15, die innerhalb des oberen Gehäuses 10 montiert ist, umfasst zumindest zwei Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 mit unterschiedlichen Durchmessern.
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Die Membranmodul-Anordnung 15 umfasst vorzugsweise die Membranmodul-Baugruppe 16, welche einen relativ geringen Durchmesser im Vergleich zu den Durchmessern der Membranmodul-Baugruppen aufweist, die mehr in Richtung der Außenfläche der Anordnung 15 angeordnet sind. Diese relativ kleinen Module sind an einem zentralen Teil des oberen Gehäuses 10 angeordnet. Die Membranmodul-Baugruppen 17 und 18 weisen Durchmesser auf, welche schrittweise größer werden, da die Membranmodul-Baugruppen von dem zentralen Teil zu der Außenseite des oberen Gehäuses 10 verlaufen.
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Nachstehend wird eine Ausführungsform der Membranmodul-Anordnung, die Membranmodul-Baugruppen mit drei unterschiedlichen Durchmessern umfasst, ausführlich beschrieben.
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Wie in 1 bis 3 dargestellt, umfasst die Membran-Befeuchtungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das ausgesparte obere Gehäuse 10 und die innerhalb des oberen Gehäuses 10 montierte Membranmodul-Anordnung 15. Die Membranmodul-Anordnung 15 umfasst die Mehrzahl von bündelförmigen Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18. Jede der Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 umfasst das ausgesparte untere Gehäuse und das Hohlfasermembranbündel 23, das innerhalb des unteren Gehäuses 20 entlang der Strömungsrichtung der trockenen Luft aufgenommen ist.
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Das heißt, die Membranmodul-Anordnung 15 umfasst die Mehrzahl von Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 mit unterschiedlichen Durchmessern. Insbesondere umfasst die Membranmodul-Anordnung 15 das erste Membranmodul, das an dem zentralen Teil des oberen Gehäuses 10 angeordnet ist, die dritten Membranmodule 18, die umfangsseitig an der Außenseite des oberen Gehäuses 10 angeordnet sind, und die zweiten Membranmodule 17, die umfangsseitig zwischen dem ersten Membranmodul 16 und den dritten Membranmodulen 18 angeordnet sind.
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Das erste Membranmodul 16 ist eingerichtet, dass es verglichen mit jenen des zweiten Membranmoduls 17 und des dritten Membranmoduls 18 den kleinsten Durchmesser aufweist, und das zweite Membranmodul 17 weist einen Durchmesser auf, der relativ kleiner als der des dritten Membranmoduls 18 ist.
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Das heißt, in der Membranmodul-Anordnung 15 ist die Membranmodul-Baugruppe 16 mit dem kleinsten Durchmesser unter den innerhalb des oberen Gehäuses 10 angeordneten Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 an dem zentralen Teil des oberen Gehäuses 10 angeordnet, und die Membranmodul-Baugruppen weisen Durchmesser auf, welche im Verlauf von dem zentralen Teil zu der Außenseite des oberen Gehäuses 10 schrittweise größer werden.
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Demzufolge wird trockene Luft, die durch ein Gebläse eingeleitet wird, zu der Außenseite geführt, an welcher das Membranmodul (welches im Vergleich mit einem weiteren Membranmodul mit einem kleineren Durchmesser mehr Holfasermembranen umfasst) mit einem großen Durchmesser angeordnet ist, und hauptsächlich durch den zentralen Teil des oberen Gehäuses strömende Luft wird zu der Außenseite des oberen Gehäuses 10 verteilt eingebracht, so dass die Verteilung der trockenen Luft verbessert werden kann.
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Ferner strömt die in das obere Gehäuse 10 eingeleitete feuchte Luft zwischen den Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18, die umfangsseitig in einer Bündelform angeordnet sind, so dass sie der an dem zentralen Teil des oberen Gehäuses 10 angeordneten Membranmodul-Baugruppe sowie der Außenseite des oberen Gehäuses 10 zugeführt wird. Demzufolge wird die feuchte Luft den gesamten Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 zugeführt, so dass die Verteilung der feuchten Luft verbessert wird, und Feuchtigkeit, die in der an jede der Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 zugeführten feuchten Luft enthalten ist, wird durch eine Kapillarwirkung der innerhalb des unteren Gehäuses 20 montierten Holfasermembranen 24 getrennt, um in die Holfasermembranen 24 zu strömen.
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Die in die Holfasermembranen 24 geströmte Feuchtigkeit befeuchtet die trockene Luft, die durch die Innenräume der Holfasermembranen 24 strömt. Demzufolge kann die vorliegende Erfindung das Problem lösen, das verursacht wird, wenn die Hauptströmung der Luft durch einen zentralen Teil eines Hohlfasermembranbündels verläuft und die Hauptströmung der feuchten Luft durch eine Außenseite eines Hohlfasermembranbündels verläuft, und auf diese Weise erzeugt sie die gleichmäßige Befeuchtung für die gesamten Holfasermembranen 24, die innerhalb der Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 innerhalb des oberen Gehäuses 10 aufgenommen sind, um eine Befeuchtungsleistung zu verbessern.
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Zum Vergleich, obwohl es nicht dargestellt ist, können die Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 an dem Innenraum des oberen Gehäuses 10 durch eine Vergussmasse befestigt werden. Die Vergussmasse wird zum Befestigen des Hohlfasermembranbündels an dem Innenraum des Hohlfasermembranmoduls verwendet.
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Unterdessen, wie in 2 dargestellt, umfasst das obere Gehäuse für eine Einleitung und Abführung der feuchten Luft eine Mehrzahl von ersten Einlassöffnungen 11 für feuchte Luft und eine Mehrzahl von ersten Auslassöffnungen 12 für feuchte Luft an Außenseiten an gegenüberliegenden Endbereichen davon in einer Umfangsrichtung des oberen Gehäuses 10, und das untere Gehäuse 20 umfasst eine Mehrzahl von zweiten Einlassöffnungen 21 für feuchte Luft und eine Mehrzahl von zweiten Auslassöffnungen 22 für feuchte Luft an äußeren peripheren Teilen an gegenüberliegenden Endbereichen davon in einer Umfangsrichtung.
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Die Mehrzahl der zweiten Einlassöffnungen 21 für feuchte Luft und die Mehrzahl der zweiten Auslassöffnungen 22 für feuchte Luft sind insbesondere an gegenüberliegenden Endbereichen des unteren Gehäuses 20 umfangsseitig gebildet und sind ebenfalls in einer Mehrzahl von Reihen in einer Längsrichtung oder einer vertikalen Richtung des unteren Gehäuses 20 entlang einem vorbestimmten Abschnitt gebildet.
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Während dem Betrieb der Membran-Befeuchtungsvorrichtung mit dem zuvor beschriebenen Aufbau, wird die von dem Brennstoffzellenstapel abgeführte feuchte Luft nach einer Reaktion in die ersten Einlassöffnungen 11 für feuchte Luft des Gehäuses 10 eingeleitet, um durch die Bereiche zwischen den Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 durchzuströmen, und dann strömt die feuchte Luft durch die Membranmodul-Baugruppe, die an den Außenseiten des oberen Gehäuses angeordnet ist, nach oben zu der Membranmodul-Baugruppe, die an dem zentralen Teil des oberen Gehäuses 10 angeordnet ist, um gleichmäßig trockene Luft und feuchte Luft durch den gesamten Innenraum des oberen Gehäuses 10 zuzuführen.
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Die an jede der Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 zugeführte feuchte Luft wird durch die zweiten Einlassöffnungen 21 für feuchte Luft des unteren Gehäuses 20 wie in 4 gezeigt eingeleitet, so dass in der feuchten Luft enthaltene Feuchtigkeit durch eine Kapillarwirkung der umfassten Holfasermembranen 24 getrennt werden kann, und die getrennte Feuchtigkeit wird kondensiert während sie durch Kapillarröhrchen der Holfasermembranen 24 durchströmt, um in die Holfasermembranen 24 zu strömen.
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Unterdessen, wenn Außenluft (trockene Luft) in das obere Gehäuse 10 gemäß der Kraft des Gebläses eingeleitet wird, wird die durch eine Öffnung 13 an einem gegenüberliegenden Endbereich des oberen Gehäuses eingeleitete trockene Luft zu der Außenseite verteilt eingebracht, an welcher die Membranmodul-Baugruppe mit einem großen Durchmesser angeordnet ist, um von dem zentralen Teil zu der Außenseite des oberen Gehäuses 10 gleichmäßig verteilt zu werden und zu strömen, und wird in die Holfasermembranen 24 von jeder der Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 eingeleitet, um entlang den Innenräumen der Holfasermembranen 24 zu strömen.
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Da die von der feuchten Luft getrennte Feuchtigkeit in die Holfasermembranen 24 geströmt ist, wird die trockene Luft durch die getrennte Feuchtigkeit befeuchtet und die befeuchtete trockene Luft wird durch eine Öffnung 14 an einem anderen gegenüberliegenden Endbereich des oberen Gehäuses 10 abgeführt, um einer Seite des Brennstoffzellenstapels zugeführt zu werden. Die feuchte Luft, von der die Feuchtigkeit getrennt wird, strömt entlang der Außenseite des Hohlfasermembranbündels 23 der Membranmodul-Baugruppen 16, 17 und 18 und wird durch die zweiten Auslassöffnungen 22 für feuchte Luft des unteren Gehäuses abgeführt, um an die Atmosphäre durch die zweiten Auslassöffnungen 12 für feuchte Luft des oberen Gehäuses 10 abgeführt zu werden.
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Demzufolge weist die Membran-Befeuchtungsvorrichtung für die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung die folgenden Effekte auf.
- 1. Die patronenförmigen Membranmodul-Baugruppen mit verschiedenen Durchmessern sind innerhalb des oberen Gehäuses aufgenommen und die Membranmodul-Baugruppen weisen Durchmesser auf, welche schrittweise größer werden, da die Membranmodul-Baugruppen von dem zentralen Teil zu der Außenseite des oberen Gehäuses verlaufen. Demzufolge wird die Verteilung von feuchter Luft und trockener Luft verbessert, so dass die gesamten Holfasermembranen gleichmäßig befeuchtet werden, und auf diese Weise wird die Verwendung der Membran erhöht und die Befeuchtungsleistung wird verbessert.
- 2. Durch die Verbesserung der Verteilung der feuchten Luft verhindert die vorliegende Erfindung eine Beschädigung oder Unterbrechung der Holfasermembrane an der Außenseite aufgrund der Hauptströmung der feuchten Luft durch die Außenseite des Hohlfasermembranbündels in der herkömmlichen Membran-Befeuchtungsvorrichtung.
- 3. In der herkömmlichen Membran-Befeuchtungsvorrichtung ist eine Mehrzahl von Holfasermembranen innerhalb des Gehäuses in einer Form eines großen Bündels aufgenommen, wodurch eine gleichmäßige Verteilung durch die Holfasermembrane verhindert wird, wobei sie beispielsweise eine Gewichtsbelastung auf eine Seite des Gehäuses verursachen (siehe 10). In der Membran-Befeuchtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung sind jedoch eine Mehrzahl von patronenförmigen Membranmodul-Baugruppen, die kleine bündelförmige Hohlfasermembranbündel umfassen, innerhalb des oberen Gehäuses aufgenommen, so dass die gesamten Holfasermembrane beim Herstellen der Membran-Befeuchtungsvorrichtung gleichmäßig verteilt werden können, wodurch ein herkömmliches Problem der nicht gleichmäßigen Verteilung der Holfasermembrane gelöst wird.
- 4. Für den Fall der Erzeugung eines Problems aufgrund der Beschädigung oder der Unterbrechung der Holfasermembrane ist es möglich, lediglich die Membranmodul-Baugruppe auszutauschen, die die Holfasermembran mit dem Problem umfasst, wodurch die Wiederbeschaffungskosten der Membranmodul-Baugruppe in hohem Maße verringert wird.
- 5. Gemäß der Verbesserung der Befeuchtungsleistung ist es möglich, die Anzahl von Streifen der beim Herstellen einer Membran-Befeuchtungsvorrichtung verwendeten Holfasermembrane zu verringern, Herstellungskosten verglichen mit der herkömmlichen Membran-Befeuchtungsvorrichtung zu sparen und eine Größe der Membran-Befeuchtungsvorrichtung zu vermindern, wodurch eine effizientere Verpackungskomponente als die im Stand der Technik zu erlangt wird.
- 6. Die vorliegende Erfindung verwendet die patronenförmigen Membranmodul-Baugruppen, um die Verteilung der feuchten Luft zu verbessern, wodurch die Höhe des auf die Membranmodul-Baugruppen innerhalb der Befeuchtungsvorrichtung ausgeübten Druckabfalls reduziert wird, und somit eine Last des Gebläses verringert wird.
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Die vorhergehenden Beschreibungen der bestimmten beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung dargelegt. Sie sind nicht erschöpfend und nicht dazu vorgesehen, um die Erfindung auf die exakten offenbarten Formen zu beschränken, und offensichtlich sind viele Modifikationen und Änderungen im Lichte der oberhalb genannten Lehre möglich. Die beispielhaften Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um bestimmte Grundsätze der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es einem anderen Fachmann zu ermöglichen, verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, ebenso wie verschiedene Alternativen und Modifikationen hiervon zu bilden und zu verwenden. Es ist vorgesehen, dass der Umfang der Erfindung durch die hierzu beigefügten Ansprüche und ihren Äquivalenten bestimmt wird.
