DE10201302A1 - Brennstoffzellensystem und Befeuchtungsverfahren - Google Patents
Brennstoffzellensystem und BefeuchtungsverfahrenInfo
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Abstract
Die Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, das eine Befeuchtungsvorrichtung aufweist, um der Festelektrolytmembrane einer Brennstoffzelle ausreichend Feuchtigkeit zuzuführen, und ist in der Lage, ein Vermischen von Brenn- und Oxidationsgasen in der Vorrichtung zu verhindern. Das der Anode der Brennstoffzelle zugeführte Wasserstoffgas wird in einem ersten Befeuchter befeuchtet, und die der Kathode zugeführte Luft Ad wird in einem zweiten Befeuchter befeuchtet. Der erste Befeuchter hat eine nicht-poröse wasserdurchlässige Membrane, die nur für die Feuchtigkeit des Kathodenabgases durchlässig ist, das von der Kathode der Brennstoffzelle abgegeben wird, und andererseits hat der zweite Befeuchter die poröse wasserdurchlässige Membrane, die für die Feuchtigkeit des Kathodenabgases durchlässig ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine
Befeuchtungsvorrichtung enthält, die der Brennstoffzelle die
angefeuchteten Brenn- und Oxidationsgase zuführt, sowie deren
Befeuchtungsverfahren.
Eine Festelektrolyt-Brennstoffzelle (nachfolgend als Brennstoffzelle
bezeichnet), die in den letzten Jahren als Antriebsquelle für
Elektrofahrzeuge entwickelt wurde, erzeugt elektrische Energie, indem sie
die elektrochemische Reaktion von Brenn- und Oxidationsgasen nutzt. Das
Brenngas wird an der Anode ionisiert, und das Oxidationsgas wird an der
Kathode ionisiert. Die Ionen von Brenngas (Protonen, Wasserstoffionen)
wandern durch die Festelektrolyt-Membrane und reagieren mit den
Sauerstoffionen an der Kathode, unter Erzeugung von Wasser, um
hierdurch elektrische Energie zu erzeugen.
Als einer der Parameter, die den Wirkungsgrad der Energieerzeugung der
Brennstoffzelle bestimmen, wird die Ionenleitfähigkeit vom Wasserstoffion
angegeben, das in der Festelektrolytmembrane wandert. Je höher die
Ionenleitfähigkeit ist, desto stärker wird die elektrische Energieerzeugung
sein, die aus der elektrochemischen Reaktion resultiert, da die Anzahl von
Wasserstoffionen, die in der Festelektrolytmembrane pro Zeit wandern
können, zunimmt. Andererseits wird, wenn die Ionenleitfähigkeit niedrig ist,
die Menge an erzeugter elektrischer Energie abnehmen, da die Anzahl von
Wasserstoffionen, die in der Festelektrolytmembrane pro Zeit wandern
können, abnimmt.
Es sind verschiedene Erfindungen vorgesehen worden, die sich auf die
Anhebung der Ionenleitfähigkeit einer Festelektrolytmembrane beziehen,
und z. B. ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 8-273687 eine
Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle offenbart.
Bei der Befeuchtungsvorrichtung gemäß der japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-273687 wird das Brenngas durch das
Kühlfluid der Brennstoffzelle befeuchtet, und das Trockenwerden der
Festelektrolytmembrane wird verhindert, indem das befeuchtete Brenngas
der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Befeuchtungsvorrichtung ist mit der
Hohlfasermembrane ausgestattet. Das Brenngas fließt innerhalb der
Hohlfasermembrane, und das Wasser fließt außerhalb davon. Diese
Hohlfasermembrane ist in der Lage, die Flüssigphase außerhalb der
Hohlfasermembrane von der Gasphase innerhalb davon zu trennen und die
Feuchtigkeit von seitens der Flüssigphase mit einem höheren
Wasserdampfpartialdruck zur Seite der Gasphase, die einen relativ
niedrigen Wasserdampfpartialdruck hat, durchdringen zu lassen. Die
Feuchtigkeit, die sich von seitens der Flüssigphase zur Seite der Gasphase
durch die Festelektrolytmembrane bewegt hat, wird durch den Fluss des
Brenngases verdampft, um hierdurch das Brenngas in befeuchtetes
Brenngas umzuwandeln, das eine gegebene Menge an Wasserdampf
enthält.
Wenn jedoch die Feuchtigkeit, die in dem von der Brennstoffzelle
abgegebenen Abgas enthalten ist, für die Befeuchtung des Brenngases
benutzt wird, können möglicherweise Gasmoleküle, wie etwa
Sauerstoffmoleküle, die Hohlfasermembrane, in Abhängigkeit von deren
Typ, durchdringen, da das Abgas mit dem Oxidationsgas abgegeben wird,
das das Sauerstoffgas vor der Reaktion enthält. Wenn das Sauerstoffgas in
dem Abgas die Hohlfasermembrane durchdringt und sich mit dem Brenngas
vermischt, wird das das Sauerstoffgas enthaltende Brenngas der Anode
zugeführt. In diesem Fall reagieren möglicherweise die Brenn- und
Oxidationsgase unter Erzeugung von Wärme mit der Platinelektrode der
Anode als Katalysator vor der elektrochemischen Reaktion, was manchmal
eine Alterung der Festelektrolytmembrane und der Platinelektrode
verursacht. Wenn ferner dieser Typ von Hohlfasermembrane verwendet
wird, sind eine Spülleitung und eine Steuervorrichtung erforderlich, um das
Gas in den Rohren beim Anlaufen der Brennstoffzelle zu spülen, da sich die
Brenn- und Sauerstoffgase während der verlängerten Nicht-
Betriebszeitdauer der Brennstoffzelle möglicherweise durch die
Hohlfasermembrane hindurch vermischen.
Die Optimierung des Befeuchtungsmittels als das gesamte
Brennstoffzellensystem war erwünscht, wie eine verstärkte Befeuchtung
des Oxidationsgases, um durch die Befeuchtung den hohen Wirkungsgrad
der Energieerzeugung zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Gasvermischung in
der Befeuchtungsvorrichtung zu verhindern, die vorgesehen ist, um die
Ionenleitfähigkeit der Festelektrolytmembrane der Brennstoffzelle
einzuhalten, und in der Befeuchtungsvorrichtung eine effiziente und stabile
Befeuchtung des Gases zu erlauben.
Zur Lösung der obigen Probleme sieht die vorliegende Erfindung gemäß
dem beigefügten Anspruch 1 ein Brennstoffzellensystem vor, das eine
Brennstoffzelle aufweist, die durch die elektrochemische Reaktion zwischen
dem der Anode zugeführten Brenngas und dem der Kathode zugeführten
Oxidationsgas elektrische Energie erzeugt, sowie eine
Befeuchtungsvorrichtung, die die Gase mit wasserdurchlässigen
Membranen befeuchtet. Das Brennstoffzellensystem enthält einen ersten
Befeuchter, der in der Befeuchtungsvorrichtung vorgesehen ist; und nicht
poröse wasserdurchlässige Membranen, die in dem ersten Befeuchter
vorgesehen sind und das der Anode zugeführte Brenngas mittels der
Feuchtigkeit befeuchten, die in von der Brennstoffzelle abgegebenem
Abgas enthalten ist.
Das System ermöglicht somit eine geeignete und ausreichende
Befeuchtung des Brenngases. Die diesbezügliche nicht-poröse
wasserdurchlässige Membrane ist die Membrane, die keine Poren von z. B.
10 nm oder mehr Durchmesser hat, sondern nur für die Feuchtigkeit in
einem Fluid mit Ionenhydratisierung durchlässig ist. Die nicht-poröse
wasserdurchlässige Membrane ist in der Lage, das Vermischen der Brenn-
und Oxidationsgase in der Befeuchtungsvorrichtung zuverlässig zu
verhindern, da sie nur für Feuchtigkeit durchlässig ist, auch wenn das
Abgas das Oxidationsgas vor der Reaktion enthält.
Die vorliegende Erfindung nach dem beigefügten Anspruch 2 sieht das
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 vor, in dem die
Befeuchtungsvorrichtung einen zweiten Befeuchter aufweist; und der
zweite Befeuchter poröse wasserdurchlässige Membranen aufweist, die das
Kathode zugeführte Oxidationsgas mittels des Abgases befeuchten.
Das System ermöglicht somit eine ausreichende Befeuchtung des
Brenngases. Die diesbezügliche poröse wasserdurchlässige Membrane ist
die Membrane, die eine große Anzahl von Wassermolekül-durchlässigen
Poren hat (z. B. mit Durchmesser von 10 nm) und für die Feuchtigkeit in
einem Fluid mit Kapillarkondensation durchlässig ist. Die poröse
wasserdurchlässige Membrane ist nicht nur für Feuchtigkeit schnell
durchlässig, sondern auch zur Befeuchtung in der Lage, ohne die
wasserdurchlässige Membrane altern zu lassen, auch wenn die Temperatur
des Oxidationsgases durch Druckkompression hoch ist, da sie eine hohe
Wärmebeständigkeit hat. Daher ist sie in der Lage, der Brennstoffzelle
ausreichend und stabil Feuchtigkeit zuzuführen. Obwohl die
wasserdurchlässige Membrane wegen ihrer Porosität für das Oxidationsgas
vor der Reaktion möglicherweise durchlässig ist, wird dies nicht
problematisch, weil das Befeuchtungsgas auch das Oxidationsgas ist.
Die Erfindung nach Anspruch 4 sieht das Brennstoffzellensystem nach
Anspruch 2 vor, worin das Brennstoffzellensystem und die ersten und
zweiten Befeuchter, für den Fluss des Abgases, in Serie angeordnet sind.
Durch serielle Anordnung des Brennstoffzellensystems und der ersten und
zweiten Befeuchter werden die Brenn- und Oxidationsgase jeweils mit einer
einfachen Struktur befeuchtet, da eine komplexe Rohranordnung, wie bei
einem Abgasverteiler, nicht notwendig ist. Entweder der erste oder der
zweite Befeuchter kann in Bezug auf die Brennstoffzelle zuerst kommen.
Die Erfindung nach Anspruch 6 sieht ein Verfahren zur Befeuchtung der
Brenn- und Oxidationsgase vor, die einer Brennstoffzelle in einer
Befeuchtungsvorrichtung zugeführt werden, umfassend das Einführen der
Feuchtigkeit, die im von der Brennstoffzelle abgegebenen Abgas enthalten
ist, in die Befeuchtungsvorrichtung; die Feuchtigkeitsaufnahme des
Brenngases von dem Abgas durch nicht-poröse wasserdurchlässige
Membranen in der Befeuchtungsvorrichtung; die Feuchtigkeitsaufnahme
des Oxidationsgases von dem Abgas durch wasserdurchlässige Membranen
in der Befeuchtungsvorrichtung; und die Zufuhr der jeweils befeuchteten
Brenn- und Oxidationsgase zu der Brennstoffzelle.
Die Befeuchtungsvorrichtung, in die das Abgas eingeführt worden ist, ist
somit in der Lage, das Brenngas durch die nicht-poröse wasserdurchlässige
Membrane zu befeuchten sowie auch die Vermischung mit dem
Oxidationsgas zu verhindern. Und sie kann das Oxidationsgas mit der
wasserdurchlässigen Membrane befeuchten. Daher ist die
Befeuchtungsvorrichtung in der Lage, der Brennstoffzelle genug
Feuchtigkeit mittels beiden Brenn- und Oxidationsgasen zuzuführen. Die
wasserdurchlässige Membrane zur Befeuchtung des Oxidationsgases kann
entweder porös oder nicht-porös sein.
Die Erfindung nach Anspruch 7 sieht die Befeuchtungsvorrichtung nach
den Ansprüchen 1 bis 4 und Anspruch 6 vor, worin die nicht porösen
wasserdurchlässigen Membranen Wasser durch Ionenhydratisierung
transportieren. Auch die Erfindung nach Anspruch 8 sieht die
Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5 vor, worin die nicht porösen
wasserdurchlässigen Membranen Wasser durch Ionenhydratisierung
transportieren.
Dieser Typ von nicht porösen wasserdurchlässigen Membranen ist für
Gasmoleküle in dem Abgas nicht durchlässig, sondern nur für Feuchtigkeit
durch Ionenhydratisierung. Daher ist sie in der Lage, das Brenngas zu
befeuchten sowie auch das Vermischen der Gase zu verhindern.
Die Erfindung nach Anspruch 9 sieht das Brennstoffzellensystem nach den
Ansprüchen 2 bis 4 vor, worin die porösen wasserdurchlässigen
Membranen für Feuchtigkeit durch Kapillarkondensation durchlässig sind.
Dieser Typ von poröser wasserdurchlässiger Membrane ist durch
Kapillarkondensation für Wasser zuverlässig durchlässig. Sie ist auch zur
stabilen Befeuchtung in der Lage, auch wenn die Temperatur des
Oxidationsgases hoch ist, da sie eine hohe Wärmebeständigkeit hat.
Fig. 1 ist eine Gesamtansicht, die die Struktur eines
Brennstoffzellensystems nach der bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2 ist eine Ansicht, die die Struktur einer Brennstoffzelle und einer
Befeuchtungsvorrichtung nach der bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 3(a) ist eine Ansicht, die den Längsschnitt eines ersten Befeuchters
zeigt. Fig. 3(b) ist eine Perspektivansicht eines ersten Befeuchters.
Fig. 4 ist eine Ansicht, die die Struktur einer Brennstoffzelle und einer
Befeuchtungsvorrichtung nach einer anderen bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 5 ist eine Ansicht, die die Struktur einer Brennstoffzelle und einer
Befeuchtungsvorrichtung nach einer anderen bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung darstellt.
Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail
in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die Gesamtstruktur des Brennstoffzellensystems nach der Ausführung der
Erfindung in Bezug auf Fig. 1.
Ein Brennstoffzellensystem 1 enthält eine Brennstoffzelle 2, eine
Befeuchtungsvorrichtung 3, einen Luftkompressor 5 und einen
Wasserstoffspeichertank 6.
Die Brennstoffzelle 2 verwendet eine Festelektrolytmembrane und hat eine
Kathode 2a (Sauerstoffelektrode), der die befeuchtete Luft Aw als
Oxidationsgas zugeführt wird, und eine Anode 2b (Wasserstoffelektrode),
der befeuchtetes Wasserstoffgas (nachfolgend als befeuchtetes
Wasserstoffgas Hw bezeichnet) zugeführt wird. Sie erzeugt elektrische
Energie durch elektrochemische Reaktion des befeuchteten
Wasserstoffgases Hw und des in der befeuchteten Luft Aw enthaltenen
Sauerstoffgases, die den jeweiligen Elektroden zugeführt werden.
Die befeuchtete Luft Aw wird aus der wenig feuchten Luft Ad erzeugt, die
von der Atmosphäre aufgenommen wird, indem sie in der
Befeuchtungsvorrichtung 3 befeuchtet wird und in dem Luftkompressor 5
komprimiert wird.
Das befeuchtete Wasserstoffgas Hw wird aus dem Wasserstoffgas Hd
erzeugt, das an einer Wasserstoffgastankstelle in den
Wasserstoffspeichertank 6 getankt wurde, indem es in der
Befeuchtungsvorrichtung 3 befeuchtet wird.
Die Befeuchtung der Luft Ad und des Wasserstoffgases Hd durch die
Befeuchtungsvorrichtung 3 erfolgt durch Aufnahme der Feuchtigkeit aus
dem feuchtigkeitsreichen Kathoden-Abgas COG, das von der Kathode 2a
der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird. Die Details werden später
beschrieben.
An der Kathode 2a der Brennstoffzelle 2 wird das viel Wasser enthaltende
Kathoden-Abgas COG erzeugt, das das Reaktionsprodukt des befeuchteten
Wasserstoffgases Hw und des Sauerstoffgases ist. Das Kathoden-Abgas
COG wird in die Befeuchtungsvorrichtung 3 eingeführt und dann in die
Atmosphäre abgegeben.
Andererseits wird an der Anode 2b das Anoden-Abgas AOG, das das
Wasserstoffgas Hd vor der Reaktion enthält, erzeugt. Das Anoden-Abgas
AOG wird in einen Einspritzer 7 des Wasserstoffgases Hd eingeführt und
der Brennstoffzelle 2 wieder zugeführt. Wenn das Anoden-Abgas AOG in
die Atmosphäre abgegeben wird, ist ein Ventil 8, das in der letzteren Stufe
der Brennstoffzelle 2 vorgesehen ist, geöffnet.
Es wird die Struktur und der Betrieb der Brennstoffzelle 2 beschrieben.
Die Brennstoffzelle 2 hat die Anode 2b und die Kathode 2a, die die
Festelektrolytmembrane (nicht gezeigt) zwischen sich aufnehmen. Die
Elektroden, die einen Platingruppen-Katalysator aufweisen, sind für die
jeweilige Anode und Kathode vorgesehen. Das befeuchtete Wasserstoffgas
Hw fließt für die Anode 2b, und die befeuchtete Luft Aw fließt für die
Kathode 2a. Als Festelektrolytmembrane ist eine Polymermembrane
bekannt geworden, z. B. eine Protonenaustauschermembrane,
Perchlorcarbonsulfonsäuremembrane. Diese Festelektrolytmembrane hat
viele Protonenaustauscherbasen in dem Polymer und sorgt für eine hohe
Protonenleitfähigkeit unter der Raumtemperatur durch Sättigung des
Wassergehalts. Daher kann das an der Anode 2b erzeugte Proton
(Wasserstoffion) die Kathode 2a erreichen, indem es leicht durch die
Festelektrolytmembrane hindurchwandert. Das Proton, das die Kathode 2a
erreicht hat, reagiert mit dem Sauerstoffion, das an der Anode 2b erzeugt
wird, unter Erzeugung von Wasser. Das erzeugte Wasser wird durch den
Auslass der Kathodenseite 2a als Kathoden-Abgas COG zusammen mit der
befeuchteten Luft Aw abgegeben, die die Elemente vor der Reaktion
enthält. Wenn die Anode 2b und die Kathode 2a durch die externe Last
elektrisch miteinander verbunden sind, um einen Stromkreis zu bilden,
fließen die Elektronen, die bei der Ionisierung von Wasserstoff erzeugt
werden, durch den Stromkreis, und die Elektronenmenge wird die
elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle.
Als die Parameter, die die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische
Energie bestimmen, werden die Anzahl und Größe der Zellen, die die
Elektroden und die Festelektrolytmembranen enthalten, die zugeführte
Menge an befeuchteten Wasserstoffgas Hw und Luft Aw sowie die
Protonenleitfähigkeit der Festelektrolytmembrane angegeben. Von diesen
Parametern wird die Protonenleitfähigkeit der Festelektrolytmembrane
beschrieben.
Die Protonenleitfähigkeit zeigt den Freiheitsgrad für ein Proton an, das in
der Festelektrolytmembrane wandert. Je höher die Protonenleitfähigkeit ist,
desto größer ist die Reaktionsfrequenz des Protons (Wasserstoffions) und
des Sauerstoffions, was zu einer Zunahme der elektrischen
Energieerzeugung führt, da das Proton (Wasserstoffion) leichter von der
Anode 2b zur Kathode 2a wandert. Andererseits, je niedriger die
Protonenleitfähigkeit ist, desto geringer ist die Reaktion des Protons
(Wasserstoffions) und des Sauerstoffions, was zu einer Abnahme der
elektrischen Energieerzeugung führt, da die Permeabilität des Protons
abnimmt.
Die Protonenleitfähigkeit nimmt ab, wenn die Festelektrolytmembrane
trocken ist. Daher führt die Befeuchtungsvorrichtung 3 nach der
Ausführung der Erfindung der Festelektrolytmembrane das ausreichende
Wasser zu, um die Protonenleitfähigkeit der Festelektrolytmembrane zu
erhöhen, indem sie das Wasserstoffgas Hd und die Luft Ad befeuchtet, um
hierdurch die Verbesserung des Wirkungsgrads der Energieerzeugung und
deren Stabilisierung zu ermöglichen.
Die Befeuchtungsvorrichtung 3 nach der Ausführung der Erfindung wird in
Bezug auf Fig. 2, Fig. 3(a) und Fig. 3(b) beschrieben.
Wie in Fig. 2 gezeigt, hat die Befeuchtungsvorrichtung 3 einen ersten
Befeuchter 31, der nahe der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist, sowie einen
zweiten Befeuchter 32, der, in Bezug auf die Flussrichtung des Kathoden-
Abgases COG, nach dem ersten Befeuchter 31 angeordnet ist. Die
Befeuchtungsvorrichtung 3 dient zur ausreichenden Befeuchtung der Anode
2b mit dem Abgas (Kathoden-Abgas COG), das von der Brennstoffzelle 2
abgegeben wird. Der Einfachheit halber wird das Kathoden-Abgas COG in
der folgenden Erläuterung als Befeuchtungsabgas MG bezeichnet.
Der erste Befeuchter 31, der mit dem Auslass der Kathode 2a der
Brennstoffzelle 2 mit einem Rohr 21 verbunden ist, befeuchtet das durch
ein Rohr 24 zugeführte Wasserstoffgas Hd. Der befeuchtete Wasserstoff
Hw wird der Anode 2b der Brennstoffzelle 2 durch ein Rohr 25 zugeführt.
Wie in den Fig. 3(a) und 3(b) gezeigt, enthält der erste Befeuchter 31
vier Stück von zylinderförmigen Hohlfasermembranmodulen 33 und hat die
Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds. Beide Enden der jeweiligen
Module werden durch Verteiler 34 und 35 gehalten.
Das Hohlfasermembranmodul 33 hat ein zylinderartiges Gehäuse 36 und
erste Hohlfasermembrane P1, die aus einer großen Anzahl von
wasserdurchlässigen Membranen bestehen, die in dem Gehäuse 36 in
einem Bündel enthalten sind. Die jeweiligen ersten Hohlfasermembranen P1
haben einen Außendurchmesser von einigen Zehntel Millimetern und sind
in dem Gehäuse 36 mit Abstand voneinander angeordnet, um die
Kontaktfläche für das Wasserstoffgas Hd sicherzustellen, das außen
entlang der ersten Hohlfasermembranen P1 fließt. Das Gehäuse 36 hat an
seinem Umfang eine Mehrzahl von Löchern 37a und 37b. Die Löcher 73a
dienen als Einlässe, durch die das Wasserstoffgas Hd in das
Hohlfasermembranbündel 33 eintritt, und die Löcher 37b als Auslässe,
durch die das befeuchtete Wasserstoffgas Hw das
Hohlfasermembranmodul 33 verlässt. Andererseits tritt das
Befeuchtungsabgas MG in den Hohlraum der Hohlfasermembrane P1 durch
eine Endfläche 33a des Hohlfasermembranmoduls 33 ein und verlässt es
durch die andere Endfläche 33b des Hohlfasermembranmoduls 33.
An der Seite des am einen Ende angeordneten Verteilers 34 ist ein
Abgaseinlass 38 vorgesehen, der zum Einführen des Befeuchtungsabgases
MG, das durch das in Fig. 2 gezeigte Rohr 21 gelangt ist, in jedes
Hohlfasermembranmodul 33 dient. Auch an der Ober- und Unterseite davon
ist ein Wasserstoffauslass 39 vorgesehen, der zum Abgeben des
befeuchteten Wasserstoffgases Hw dient. An der Seite des am anderen
Ende angeordneten Verteilers 35 ist ein Abgasauslass 40 vorgesehen, der
zum Abgeben des Befeuchtungsabgases MG, das durch das
Hohlfasermembranmodul 33 gelangt ist, in das Rohr 22 dient. Auch an der
Ober- und Unterseite davon ist ein Wasserstoffeinlass 41 vorgesehen, der
zum Einführen des Wasserstoffgases Hw in das Hohlfasermembranmodul
33 dient. Der Wasserstoffeinlass 41 ist mit dem in Fig. 2 gezeigten Rohr
24 verbunden, und der Wasserstoffauslass 39 ist mit dem Rohr 25
verbunden.
Die in dem ersten Befeuchter 31 vorgesehenen ersten Hohlfasermembranen
P1 sind aus Polymerelektrolytmembrane aufgebaut. Diese
Polymerelektrolytmembrane ist eine wasserdurchlässige
Ionenhydratisierungsmembrane, und als Beispiel wird eine NAFION-
Membrane von Du Pont angegeben, die Perfluorcarbonsulfonsäure
verwendet. Da die Polymerelekrolytmembrane dieses Typs keine Poren hat,
z. B. mit einem Durchmesser von 10 nm oder mehr, welche die später
beschriebene poröse Polymermembrane hat, ist sie nicht für die Elemente
durchlässig, außer für die Feuchtigkeit, die in dem Befeuchtungsabgas MG
und der Luft Ad enthalten ist. In der Polymerstruktur der
Festelektrolytmembrane koexistieren die hydrophobe Hauptkette und die
hydrophile Austauscherbase. Und die hydrophile Austauscherbase hat eine
Ionenhydratisierung, um die Feuchtigkeit aufzufangen, indem sie eine
Wasserstoffbindung mit den Wassermolekülen herstellt. Wenn daher das
viel Feuchtigkeit enthaltende Befeuchtungsabgas MG innerhalb der ersten
Hohlfasermembrane P1 fließt, die aus den Polymerelektrolytmembranen
aufgebaut ist, und das angenähert keine Feuchtigkeit enthaltende
Wasserstoffgas Hd außerhalb der ersten Hohlfasermembranen P1 (siehe
Fig. 3(a)) fließt, wird das Wassertransportphänomen auftreten. Die in dem
Befeuchtungsabgas MG enthaltene Feuchtigkeit wird an den
Innenumfangsflächen der ersten Hohlfasermembranen P1 durch
Ionenhydratisierung allmählich eingefangen, durchdringt die ersten
Hohlfasermembranen P1 und wird auf die Außenumfangsflächen
übertragen. Und die an der Außenumfangsfläche austretende Feuchtigkeit
wird durch den Fluss das Wasserstoffgases Hd zu Wasserdampf
verdampft, der sich mit dem Wasserstoffgas Hd vermischt, um das
befeuchtete Wasserstoffgas Hw zu bilden.
Da in diesem Zusammenhang andere Gase, wie etwa Sauerstoff und
Stickstoffgase, als die Feuchtigkeit des Befeuchtungsabgases MG nicht
durch die Polymerelektrolytmembrane ohne die oben beschriebenen Poren
hindurchtreten können, vermischt sich das Sauerstoffgas nicht mit dem
Wasserstoffgas Hd. Die ersten Hohlfasermembranen P1, die aus diesem
Typ von Polymerelektrolytmembranen aufgebaut sind, betreffen die nicht
poröse wasserdurchlässige Membrane gemäß den beigefügten Ansprüchen.
Wie in Fig. 2 gezeigt, befeuchtet der zweite Befeuchter 32, der mit dem
ersten Befeuchter 31 durch ein Rohr 22 verbunden ist, die Luft Ad, die von
dem Kompressor 5 durch ein Rohr 26 zugeführt wird. Die dieser
Befeuchtung unterzogene Luft Ad, nämlich die befeuchtete Luft Aw, wird
der Kathode 2a der Brennstoffzelle 2 durch ein Rohr 27 zugeführt.
Der zweite Befeuchter 32 ist strukturell der gleiche wie der erste
Befeuchter 31. Der zweite Befeuchter 32 unterscheidet sich von dem
ersten Befeuchter 31 in der Verwendung zweiter Hohlfasermembranen P2,
die sich von den ersten Hohlfasermembranen P1 unterscheiden. Die
zweiten Hohlfasermembranen P2 sind in dem Hohlfasermembranmodul 33
aufgenommen.
Die zweiten Hohlfasermembranen P2, die in einem Bündel in dem Gehäuse
36 des Hohlfasermembranmoduls 33 für den zweiten Befeuchter 32
aufgenommen sind, sind porös oder aus einer Polymermembrane mit vielen
Poren (Durchmesser 10 nm) aufgebaut, in der molekulare Diffusion
stattfinden kann. Diese Polymermembrane ist für Feuchtigkeit durch die
Pore durch Kapillarkondensation durchlässig. Wenn daher das viel
Feuchtigkeit enthaltende Befeuchtungsabgas MG innerhalb der zweiten
Hohlfasermembranen P2 fließt, das aus den Polymerelektrolytmembranen
aufgebaut ist, und die angenähert keine Feuchtigkeit enthaltende Luft Ad
außerhalb der zweiten Hohlfasermembranen P2 (siehe Fig. 3(a)) fließt,
kondensiert die Feuchtigkeit an den Innenumfangsflächen der zweiten
Hohlfasermembranen P2, oder die in den Poren verteilte Feuchtigkeit
durchdringt die zweiten Hohlfasermembranen P2 durch
Kapillarkondensation, um an ihren Außenumfangsflächen auszutreten. Und
die Feuchtigkeit, die an den Außenumfangsflächen ausgetreten ist, wird
durch den Fluss der Luft Ad zu Wasserdampf verdampft und mischt sich
mit der Luft Ad zur Bildung der befeuchteten Luft Aw.
Die wasserdurchlässige Membrane, die aus der Polymermembrane
aufgebaut ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie in der Lage ist, sowohl
die verdampfte Feuchtigkeit zuverlässig zu transportieren als auch,
abgesehen von Feuchtigkeit, für Sauerstoffgas etc., durch die Poren
durchlässig zu sein. Die zweiten Hohlfasermebmranen P2 betreffen die
poröse wasserdurchlässige Membrane nach den beigefügten Ansprüchen.
Und der Durchmesser der Pore kann mehr als 10 nm betragen, solange das
Wassermolekül frei hindurchdringen kann.
Der Gasfluss in der Befeuchtungsvorrichtung 3 wird in der Reihenfolge des
Befeuchtungsabgases MG, des Wasserstoffgases Hd und der Luft Ad
beschrieben.
Das viel Feuchtigkeit enthaltende Befeuchtungsabgas MG, das als das
Kathoden-Abgas COG von der Kathode 2a der Brennstoffzelle 2 abgegeben
wird, strömt durch das Rohr 21 und wird in einen Abgaseinlass 38 des
ersten Befeuchters 31 eingeführt, ein Teil der Befeuchtungsvorrichtung 3,
und verteilt sich dann in die Hohlräume vieler erster Hohlfasermembranen
P1, die in den vier Stücken von Hohlfasermembranmodulen 33
aufgenommen sind. Ein Teil der Feuchtigkeit, die in dem
Befeuchtungsabgas MG enthalten ist, kondensiert an der
Innenumfangsfläche der ersten Hohlfasermembranen P1, wenn sie durch
die Hohlräume der ersten Hohlfasermembranen P1 fließt. Die kondensierte
Feuchtigkeit wird, wie oben beschrieben, durch das Wasserstoffgas Hd
gesammelt.
Das Befeuchtungsabgas MG, das aus dem anderen Ende des
Hohlfasermembranmoduls 33 herauskommt, wird durch einen
Abgasauslass 40 des ersten Befeuchters 31 abgegeben und durch das Rohr
22 in den zweiten Befeuchter 32 eingeführt.
Das Befeuchtungsabgas MG, das in den zweiten Befeuchter 32 eingeführt
wird, verteilt sich in die Hohlräume vieler zweiter Hohlfasermembranen P2,
die in den vier Stücken von Hohlfasermembranmodulen aufgenommen sind.
Ein Teil der Feuchtigkeit, die in dem Befeuchtungsabgas MG enthalten ist,
kondensiert an der Innenumfangsfläche der zweiten Hohlfasermembranen
P2, wenn sie durch die Hohlräume der zweiten Hohlfasermembranen P2
fließt. Und ein Teil der Feuchtigkeit diffundiert in die Poren der zweiten
Hohlfasermembranen P2. Die Feuchtigkeit, die in den Poren kondensiert
oder diffundiert ist, wird durch die Luft Ad gesammelt, wie zuvor
beschrieben. Das Befeuchtungsabgas MG, das aus dem
Hohlfasermembranmodul 33 herauskommt, wird von dem zweiten
Befeuchter 32 durch das Rohr 23 in die Atmosphäre abgegeben.
Das Wasserstoffgas Hd wird in den Wasserstoffeinlass 41 des ersten
Befeuchters 31 durch einen Einspritzer 7 und das Rohr 24 eingeführt. Es
tritt dann in das Gehäuse 36 des Hohlfasermembranmoduls 33 durch den
Einlass 37a ein und fließt in der Längsrichtung des
Hohlfasermembranmoduls 33. Das Wasserstoffgas Hd wird durch
Aufnahme der Feuchtigkeit befeuchtet, die an den Außenumfangsflächen
der ersten Hohlfasermembranen P1 austritt. Anschließend fließt es durch
den Auslass 37b aus und wird als befeuchtetes Wasserstoffgas Hw durch
den Wasserstoffgasauslass 39 abgegeben und wird dann in die Anode 2b
der Brennstoffzelle 2 durch das Rohr 25 eingeführt.
Andererseits wird die Luft Ad in den zweiten Befeuchter 32 der
Befeuchtungsvorrichtung 3 durch den Luftkompressor 5 und das Rohr 26
eingeführt und fließt innerhalb des Hohlfasermembranmoduls 33. Die Luft
Ad wird zur befeuchteten Luft Aw befeuchtet, indem sie die Feuchtigkeit
aufnimmt, die an den Außenumfangsflächen der zweiten
Hohlfasermebmranen P2 austritt oder durch die Poren diffundiert. Die
befeuchtete Luft Aw, die von dem zweiten Befeuchter 32 ausgegeben
wird, wird durch das Rohr 27 in die Kathode 2a der Brennstoffzelle 2
eingeführt. Obwohl die zweiten Hohlfasermembranen P2 möglicherweise
für Gase, wie etwa Sauerstoffgas, durchlässig sein können, wird das
Gemisch des Sauerstoffgases mit der Luft Ad, die in dem zweiten
Befeuchter 32 zu befeuchten ist, die Brennstoffzelle 2 nicht nachteilig
beeinflussen.
Die poröse wasserdurchlässige Membrane, die für die zweiten
Hohlfasermembranen P2 verwendet wird, hat allgemein eine gute
Hitzebeständigkeit und hält es aus, wenn sie bis zu etwa 200 Grad Celsius
hoch erhitzt wird. So kann die Luft Ad, deren Temperatur durch die
Kompressionswärme bei Kompression in dem Kompressor 5 angehoben
wird, in den zweiten Befeuchter eingeführt werden, ohne sie zu kühlen.
Wenn die Temperatur der eingeführten Luft Ad hoch ist, wird die
Feuchtigkeit leicht an den Außenumfangsflächen der zweiten
Hohlfasermembranen P2 verdampft, und es ist auch anzunehmen, dass die
Wasserdampfmenge, die die Luft Ad enthalten kann, zunimmt. Dies führt
somit zur Zufuhr von mehr Feuchtigkeit zur Brennstoffzelle 2 und zur
Verbesserung des Wirkungsgrads der Energieerzeugung. Da ferner die
Poren der zweiten Hohlfasermembranen P2 auch dazu dienen, die
Feuchtigkeitsdurchlässigkeit zu fördern, können sie zur Verbesserung des
Wirkungsgrads der Energieerzeugung beitragen. Die ersten
Hohlfasermembranen P1, die aus den nicht porösen wasserdurchlässigen
Membranen aufgebaut sind, können stattdessen für den zweiten
Befeuchter 32 verwendet werden.
Eine andere Ausführung der Erfindung wird in Bezug auf Fig. 4
beschrieben. Die Erläuterung der gleichen Elemente wie die in Fig. 2
gezeigten wird weggelassen, unter Verwendung der gleichen Symbole.
Wie in Fig. 4 gezeigt, enthält die Befeuchtungsvorrichtung 40 die ersten
und zweiten Befeuchter 31, 32. Der erste Befeuchter 31 befeuchtet das
Wasserstoffgas Hd und der zweite Befeuchter befeuchtet die Luft Aw. Die
Ausführung ist die gleiche wie die gemäß Fig. 2, außer der Tatsache, dass
das Befeuchtungsabgas MG zuerst in den zweiten Befeuchter und dann in
den ersten Befeuchter 31 eingeführt wird.
Das Befeuchtungsabgas MG ist in der Lage, die größere
Feuchtigkeitsmenge der Brennstoffzelle 2 mit der Luft als Trägergas
zuzuführen, da es, unter den Bedingungen hoher Gastemperatur, relativ
warme Luft Ad befeuchtet. Insbesondere, wenn der zweite Befeuchter 32
die zweiten Hohlfasermembranen P2 mit Poren verwendet, die eine hohe
Wasserdurchlässigkeit haben, kann das Befeuchtungsabgas MG eine große
Feuchtigkeitsmenge der Brennstoffzelle 2 zuführen. Daher erhält man
gemäß der Ausführung eine ausreichende Befeuchtung der Kathode 2a.
Da in diesem Fall der Temperaturabfall des Befeuchtungsabgases MG in
dem zweiten Befeuchter 32 klein ist oder, umgekehrt, sie durch die Luft Ad
erhitzt wird, ist sie in der Lage, das Wasserstoffgas Hd in dem ersten
Befeuchter 31, der nach dem zweiten Befeuchter 32 angeordnet ist,
ausreichend zu befeuchten.
Weil die für den ersten Befeuchter 31 verwendeten Hohlfasermembranen
die Hohlfasermembranen P1 der wasserdurchlässigen Membrane sind, die
aus der gleichen nicht porösen Polymermembrane wie in der vorigen
Ausführung hergestellt ist, wird gemäß dieser Ausführung verhindert, dass
während der Befeuchtung des Wasserstoffgases Hd sich das Sauerstoffgas
mit dem Wasserstoffgas Hd mischt. Auch weil die für den zweiten
Befeuchter 32 verwendeten Hohlfasermembranen die Hohlfasermembranen
P2 der wasserdurchlässigen Membrane sind, die aus der gleichen
hitzebeständigen und porösen Polymermembrane wie in der vorigen
Ausführung hergestellt ist, kann die Luft Ad hoher Temperatur, die durch
den Luftkompressor 5 kompressionserhitzt ist, in den zweiten Befeuchter
32 eingeführt werden.
Eine andere Ausführung der Erfindung wird in Bezug auf Fig. 5
beschrieben. Die Erläuterung der gleichen Elemente wie der in Fig. 2
gezeigten wird weggelassen, unter Verwendung der gleichen Symbole.
Wie in Fig. 5 gezeigt, ist die Ausführung die gleiche wie die in Fig. 2
gezeigte; eine Befeuchtungsvorrichtung 50 enthält einen ersten und
zweiten Befeuchter 51 und 52, wobei der erste Befeuchter 51 das
Wasserstoffgas Hd befeuchtet und der zweite Befeuchter die Luft Aw
befeuchtet, und die Anordnung der ersten und zweiten Befeuchter 51 und
52. Jedoch hat gemäß der Ausführung die Befeuchtungsvorrichtung 50 ein
Heizmittel, um die Gase zu erhitzen. Das Heizmittel enthält ein
Wärmeaustauschermittel 53 in dem ersten Befeuchter 51, ein
Wärmeaustauschermittel 54 in dem zweiten Befeuchter 52 und einen
Wärmeaustauscher 55, der in der Mitte des Rohrs 22 zwischen den ersten
und zweiten Befeuchtern 51, 52 vorgesehen ist. Die ersten und zweiten
Befeuchter 51, 52 sind die gleichen, wie sie in den Fig. 3(a) und 3(b)
gezeigt sind, außer für die Wärmeaustauschermittel 53 und 54.
Das Heizmittel des Befeuchters 50 wird in der Reihenfolge der
Wärmeaustauschermittel 53, 54 und des Wärmeaustauschers 55
beschrieben.
Die Wärmeaustauschermittel 53 und 54 verwenden eine mantelartige
Vorrichtung mit einer Röhre, die die Außenumfangsfläche des
Hohlfasermembranmoduls 33 abdeckt, wie in Fig. 3(a) gezeigt.
Zirkulationswasser CW wird in der Röhre vom einen zum anderen Ende des
Hohlfasermembranmoduls 33 in dessen Längsrichtung zirkuliert. Das
Zirkulationswasser CW ist somit in der Lage, das Wasserstoffgas Hd, die
Luft Ad, das Befeuchtungsabgas MG und die ersten und zweiten
Hohlfasermembranen P1, P2 zu erhitzen, indem es die Wärme durch das
Gehäuse 36 des Hohlfasermembranmoduls 33 überführt. Eine
Zirkulationswasserleitung 56, die mit der Brennstoffzelle 2 verbunden ist,
dient zur Einfuhr und Abfuhr des Zirkulationswassers CW in und aus den
Wärmeaustauschermitteln 53, 54. Die Wärmeaustauschermittel 53, 54
brauchen nicht auf die in der Figur gezeigte beschränkt zu sein, solange sie
die Wärme, die das Zirkulationswasser CW besessen hat, zum
Wasserstoffgas Hd etc. überführen kann.
Der Wärmeaustauscher 55, der eine das Rohr 52 abdeckende Röhre, worin
das Befeuchtungsgas MG nach Durchtritt durch den ersten Befeuchter 51
fließt, und ein Rohr, das spiralig um das Rohr 22 herumgewickelt ist,
aufweist, ist zwischen den ersten und zweiten Befeuchtern 51 und 52
angeordnet. Dieser Wärmeaustauscher 55 ist in der Lage, die
Feuchtigkeitskondensation des Befeuchtungsabgases MG zu verhindern,
das in den zweiten Befeuchter 52 einzuführen ist, und die
Rückverdampfung davon zu fördern, um hierdurch den Wirkungsgrad der
Befeuchtung der Luft Ad in dem zweiten Befeuchter 52 zu verbessern. Die
Einfuhr und Ausfuhr des Zirkulationswassers CW in und aus dem
Wärmeaustauscher 55 erfolgt ebenfalls durch die Zirkulationswasserleitung
56.
Die Feuchtigkeitsmenge, die in dem Wasserstoffgas Hd und der Luft Ad
enthalten sein soll, kann vergrößert werden, indem das Befeuchtungsabgas
MG, das Wasserstoffgas Hd und die Luft Ad mit dem Heizmittel erhitzt
werden. Da somit das Heizmittel dazu beitragen kann, der
Festelektrolytmembrane der Brennstoffzelle 2 die Feuchtigkeit stabil
zuzuführen und die Protonenleitfähigkeit zu erhöhen, nimmt die Anzahl von
Protonen (Wasserstoffionen), die durch die Festelektrolytmembrane
hindurchtreten, zu und wird der Wirkungsgrad der elektrischen
Energieerzeugung verbessert.
Das Zirkulationswasser CW wird bei dem Wärmeaustausch durch das
Wärmeaustauschermittel 53, 54 und den Wärmeaustauscher 55 gekühlt.
Das gekühlte Zirkulationswasser CW wird zum Kühlen der Brennstoffzelle
2 wieder verwendet, um hierdurch eine effiziente Rückführung der
Überschusswärme der Brennstoffzelle 2 zu erreichen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist nun ersichtlich, dass die
vorliegende Erfindung nicht auf die oben diskutierten, im Einzelnen
dargestellten Ausführungen beschränkt ist und sie in verschiedenen
modifizierten Formen ausgeführt werden kann. Z. B. können in der
Befeuchtungsvorrichtung 3 die ersten und zweiten Befeuchter 31 und 32
für den Fluss des Befeuchtungsabgases MG parallel angeordnet werden,
anstatt in Serie, wie in den Fig. 2, 4 und 5 gezeigt.
Die wasserdurchlässige Membrane ist nicht auf die Hohlfasermembranen
P1 und P2 beschränkt, sondern es können als Ersatz beliebige Formen
verwendet werden, wie etwa ein Blatt.
Obwohl das Kathodenabgas COG für das Befeuchtungsabgas MG
verwendet wurde, kann das Anodenabgas AOG eine Alternative sein, wenn
sie viel Feuchtigkeit enthält. In diesem Fall wäre die nicht-poröse
wasserdurchlässige Membrane für den zweiten Befeuchter 32 bevorzugt,
die die Luft Ad befeuchtet, da das alternative Befeuchtungsabgas MG
möglicherweise das Wasserstoffgas Hd vor der Reaktion enthält.
Das Heizmittel kann nur für den ersten Befeuchter 51, den zweiten
Befeuchter 52 oder das Rohr 22 vorgesehen sein. Es kann auch für das
Rohr 25 zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem ersten Befeuchter 51
vorgesehen sein, oder das Rohr 27 zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem
zweiten Befeuchter 52. Insbesondere wenn beide Rohre 25 und 27 erhitzt
werden, wird verhindert, dass sich das befeuchtete Wasserstoffgas Hw
und die befeuchtete Luft Aw soweit abkühlen, dass sie in den Rohren 25
und 27 kondensieren, bevor sie der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden.
Ferner kann der Heizer mit einer gegebenen Struktur zusätzlich zu den
Wärmeaustauschermitteln 53, 54 und dem Wärmeaustauscher 55 gewählt
werden. Die Verwendung des Heizers gestattet eine ausreichende
Feuchtigkeitszufuhr zu der Festelektrolytmembrane der Brennstoffzelle, da
das Befeuchtungsabgas MG, das Wasserstoffgas Hd und die Luft Ad auf
eine hohe Temperatur erhitzt werden.
Eine Kühlvorrichtung zum Abkühlen der Luft Ad auf eine gegebene
Temperatur kann zwischen dem Luftkompressor 5 und dem zweiten
Befeuchter 52 angeordnet sein. Auch wenn die Temperatur der Luft Ad, die
aus dem Kompressor 5 herauskommt, höher ist als der erforderliche Wert,
wird sie heruntergekühlt, um dazu beizutragen, die Haltbarkeit der
wasserdurchlässigen Membrane einzuhalten.
Die Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, das eine
Befeuchtungsvorrichtung aufweist, um der Festelektrolytmembrane einer
Brennstoffzelle ausreichend Feuchtigkeit zuzuführen, und ist in der Lage,
ein Vermischen von Brenn- und Oxidationsgasen in der Vorrichtung zu
verhindern. Das der Anode der Brennstoffzelle zugeführte Wasserstoffgas
wird in dem ersten Befeuchter befeuchtet, und die der Kathode zugeführte
Luft Ad wird in dem zweiten Befeuchter befeuchtet. Der erste Befeuchter
hat eine nicht-poröse wasserdurchlässige Membrane, die nur für die
Feuchtigkeit des Kathodenabgases durchlässig ist, das von der Kathode der
Brennstoffzelle abgegeben wird, und andererseits hat der zweite Befeuchter
die poröse wasserdurchlässige Membrane, die für die Feuchtigkeit des
Kathodenabgases durchlässig ist.
Claims (11)
1. Brennstoffzellensytem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die durch
die elektrochemische Reaktion zwischen dem der Anode zugeführten
Brenngas und dem der Kathode zugeführten Oxidationsgas
elektrische Energie erzeugt, sowie eine Befeuchtungsvorrichtung, die
die Gase mit wasserdurchlässigen Membranen befeuchtet,
umfassend:
einen ersten Befeuchter, der in der Befeuchtungsvorrichtung vorgesehen ist; und
nicht-poröse wasserdurchlässige Membranen, die in dem ersten Befeuchter vorgesehen sind und das der Anode zugeführte Brenngas mittels der Feuchtigkeit befeuchten, die in von der Brennstoffzelle abgegebenem Abgas enthalten ist.
einen ersten Befeuchter, der in der Befeuchtungsvorrichtung vorgesehen ist; und
nicht-poröse wasserdurchlässige Membranen, die in dem ersten Befeuchter vorgesehen sind und das der Anode zugeführte Brenngas mittels der Feuchtigkeit befeuchten, die in von der Brennstoffzelle abgegebenem Abgas enthalten ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, worin die Befeuchtungs
vorrichtung einen zweiten Befeuchter aufweist; und
der zweite Befeuchter poröse wasserdurchlässige Membranen aufweist, die das Kathode zugeführte Oxidationsgas mittels des Abgases befeuchten.
der zweite Befeuchter poröse wasserdurchlässige Membranen aufweist, die das Kathode zugeführte Oxidationsgas mittels des Abgases befeuchten.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, worin die ersten und
zweiten Befeuchter in der Befeuchtungsvorrichtung derart
angeordnet sind, dass das Abgas zuerst durch den ersten Befeuchter
hindurchtritt und dann den zweiten Befeuchter erreicht.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, worin das
Brennstoffzellensystem, der erste Befeuchter und der zweite
Befeuchter, für den Fluss des Abgases, in Serie angeordnet sind.
5. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, worin das
Abgas von der Kathode abgegeben wird.
6. Verfahren zur Befeuchtung der Brenn- und Oxidationsgase, die einer
Brennstoffzelle zugeführt werden, in einer Befeuchtungsvorrichtung,
umfassend:
Einführen der Feuchtigkeit, die im von der Brennstoffzelle abgegebenen Abgas enthalten ist, in die Befeuchtungsvorrichtung;
Feuchtigkeitsaufnahme des Brenngases von dem Abgas durch nicht- poröse wasserdurchlässige Membranen in der Befeuchtungs vorrichtung;
Feuchtigkeitsaufnahme des Oxidationsgases von dem Abgas durch wasserdurchlässige Membranen in der Befeuchtungsvorrichtung; und
Zufuhr der jeweils befeuchteten Brenn- und Oxidationsgase zu der Brennstoffzelle.
Einführen der Feuchtigkeit, die im von der Brennstoffzelle abgegebenen Abgas enthalten ist, in die Befeuchtungsvorrichtung;
Feuchtigkeitsaufnahme des Brenngases von dem Abgas durch nicht- poröse wasserdurchlässige Membranen in der Befeuchtungs vorrichtung;
Feuchtigkeitsaufnahme des Oxidationsgases von dem Abgas durch wasserdurchlässige Membranen in der Befeuchtungsvorrichtung; und
Zufuhr der jeweils befeuchteten Brenn- und Oxidationsgase zu der Brennstoffzelle.
7. Befeuchtungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4 und
Anspruch 6, worin die nicht-porösen wasserdurchlässigen
Membranen Wasser durch Ionenhydratisierung transportieren.
8. Befeuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, worin die nicht-porösen
wasserdurchlässigen Membranen Wasser durch Ionenhydratisierung
transportieren.
9. Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 2 bis 4, worin die
porösen wasserdurchlässigen Membranen Wasser durch
Kapillarkondensation transportieren.
10. Brennstoffzellensytem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die durch
die elektrochemische Reaktion zwischen dem der Anode zugeführten
Brenngas und dem der Kathode zugeführten Oxidationsgas
elektrische Energie erzeugt, sowie eine Befeuchtungsvorrichtung, die
die Gase mit wasserdurchlässigen Membranen befeuchtet,
umfassend:
einen ersten Befeuchter, der in der Befeuchtungsvorrichtung vorgesehen ist und das der Anode zugeführte Brenngas mittels der Feuchtigkeit befeuchtet, die in von der Brennstoffzelle abgegebenem Abgas enthalten ist; und
einen zweiten Befeuchter, der in der Befeuchtungsvorrichtung vorgesehen ist und das der Kathode zugeführte Oxidationsgas mittels des Abgases befeuchtet, das durch den ersten Befeuchter hindurchgetreten ist.
einen ersten Befeuchter, der in der Befeuchtungsvorrichtung vorgesehen ist und das der Anode zugeführte Brenngas mittels der Feuchtigkeit befeuchtet, die in von der Brennstoffzelle abgegebenem Abgas enthalten ist; und
einen zweiten Befeuchter, der in der Befeuchtungsvorrichtung vorgesehen ist und das der Kathode zugeführte Oxidationsgas mittels des Abgases befeuchtet, das durch den ersten Befeuchter hindurchgetreten ist.
11. Verfahren zur Befeuchtung der Brenn- und Oxidationsgase, die einer
Brennstoffzelle zugeführt werden, in einer Befeuchtungsvorrichtung,
umfassend:
Einführen der Feuchtigkeit, die im von der Brennstoffzelle abgegebenen Abgas enthalten ist, in die Befeuchtungsvorrichtung;
Feuchtigkeitsaufnahme des Brenngases von dem Abgas durch wasserdurchlässige Membranen in der Befeuchtungsvorrichtung;
Feuchtigkeitsaufnahme des Oxidationsgases von dem Abgas durch wasserdurchlässige Membranen in der Befeuchtungsvorrichtung; und
Zufuhr der jeweils befeuchteten Brenn- und Oxidationsgase zu der Brennstoffzelle.
Einführen der Feuchtigkeit, die im von der Brennstoffzelle abgegebenen Abgas enthalten ist, in die Befeuchtungsvorrichtung;
Feuchtigkeitsaufnahme des Brenngases von dem Abgas durch wasserdurchlässige Membranen in der Befeuchtungsvorrichtung;
Feuchtigkeitsaufnahme des Oxidationsgases von dem Abgas durch wasserdurchlässige Membranen in der Befeuchtungsvorrichtung; und
Zufuhr der jeweils befeuchteten Brenn- und Oxidationsgase zu der Brennstoffzelle.
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