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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine
Befeuchtungsvorrichtung enthält,
die der Brennstoffzelle die angefeuchteten Brenn- und Oxidationsgase
zuführt,
sowie deren Befeuchtungsverfahren.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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 einer 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 seiten der Flüssigphase mit einem höheren Wasserdampfpartialdruck
zur Seite der Gasphase, die einen relativ niedrigen Wasserdampfpartialdruck
hat, durchdringen zu lassen. Die Feuchtigkeit, die sich von seiten
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.
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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 nicht reagierte Sauerstoffgas 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.
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Die
Optimierung der Befeuchtung des gesamten Brennstoffzellensystem
sowie des Oxidationsgase war erwünscht,
um durch die Befeuchtung begünstigt
einen hohen Wirkungsgrad bei der Energieerzeugung zu erreichen.
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Die
prioritätsältere, aber
nach-veröffentlichte
DE 101 10 419 A1 zeigt
ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die
durch die elektro-chemische Reaktion zwischen dem der Anode zugeführten Brenngas
und dem der Kathode zugeführten
Oxidationsgas elektrische Energie erzeugt, sowie eine Befeuchtungsvorrichtung,
die Gase mit wasserdurchlässigen
Membranen befeuchtet. In der Befeuchtungsvorrichtung ist ein Befeuchter
vorgesehen, der nicht-poröse
wasserdurchlässige
Membranen oder Wasserkondensationsmembranen enthält, die das der Anode zugeführte Brenngas
mittels der Feuchtigkeit befeuchten, die in von der Brennstoffzelle
abgegebenen Abgas enthalten ist. Ferner ist ein Hilfsbefeuchtungssystem
vorgesehen, das aber ohne wasserdurchlässige Membranen arbeitet.
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Die
prioritätsältere, aber
nach-veröffentlichte
DE 101 48 610 A1 offenbart
ein ähnliches
Brennstoffzellensystem mit einem ersten Hohlfasermembranbefeuchter
zum Befeuchten der Brennstoffzelle zugeführten Luft, und einem zweiten
Hohlfasermembranbefeuchter zum Befeuchten des der Brennstoffzelle
zugeführten
Brenngase. Die Membranen dieser beiden Befeuchter sind porös.
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Die
JP 06-132038 AA zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einem ersten
Befeuchter für
die der Brennstoffzelle zugeführten
Luft und einem zweiten Befeuchter für das der Brennstoffzelle zugeführte Brenngas.
Die Befeuchter sind baugleich dargestellt, und enthalten jeweils
eine dampfdurchlässige
Folie.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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, um das
der Anode zugeführte
Brenngas mittels der Feuchtigkeit befeuchten, die in von der Brennstoffzelle
abgegebenem Abgas enthalten ist.
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Das
System ermöglicht
somit eine geeignete und ausreichende Befeuchtung des Brenngases.
Die diesbezügliche
nicht-poröse
wasserdurchlässige Membrane
ist eine 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 nich reagiertes Oxidationsgas enthält.
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Die
Befeuchtungsvorrichtung weist einen zweiten Befeuchter mit porösen wasserdurchlässigen Membranen
auf, die das der Kathode zugeführte Oxidationsgas
mittels des Abgases befeuchten.
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Das
System ermöglicht
somit eine ausreichende Befeuchtung des Brenngases. Die diesbezügliche poröse wasserdurchlässige Membrane
ist eine 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
Kompression 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
nich reagierte Oxidationsgas möglicherweise
durchlässig
ist, wird dies nicht problematisch, weil das Befeuchtungsgas auch
das Oxidationsgas ist.
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Bevorzugt
sind die Brennstoffzelle und die ersten und zweiten Befeuchter,
für den
Fluss des Abgases, in Serie angeordnet.
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Durch
serielle Anordnung der Brennstoffzelle 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.
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Bevorzugt
transportieren die nicht-porösen wasserdurchlässigen Membranen
Wasser durch Ionenhydratisierung.
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Dieser
Typ von nicht-porösen
wasserdurchlässigen
Membranen ist für
Gasmoleküle
in dem Abgas nicht durchlässig,
sondern nur für
Feuchtigkeit durch Ionenhydratisierung. Daher ist er in der Lage, das
Brenngas zu befeuchten sowie auch das Vermischen der Gase zu verhindern.
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Bevorzugt
sind die porösen
wasserdurchlässigen
Membranen für
Feuchtigkeit durch Kapillarkondensation durchlässig.
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Dieser
Typ von poröser
wasserdurchlässiger Membrane
ist durch Kapillarkondensation für
Wasser zuverlässig
durchlässig.
Er ist auch zur stabilen Befeuchtung in der Lage, auch wenn die
Temperatur des Oxidationsgases hoch ist, da er eine hohe Wärmebeständigkeit
hat.
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Die
Erfindung nach Anspruch 7 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 poröse
wasserdurchlässige
Membranen in der Befeuchtungsvorrichtung; und die Zufuhr der jeweils
befeuchteten Brenn- und Oxidationsgase zu der Brennstoffzelle.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Gesamtansicht, die die Struktur eines Brennstoffzellensystems
nach der bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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2 ist
eine Ansicht, die die Struktur einer Brennstoffzelle und einer Befeuchtungsvorrichtung nach
der bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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3(a) ist eine Ansicht, die den Längsschnitt
eines ersten Befeuchters zeigt. 3(b) ist eine
Perspektivansicht eines ersten Befeuchters.
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4 ist
eine Ansicht, die die Struktur einer Brennstoffzelle und einer Befeuchtungsvorrichtung nach
einer anderen bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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5 ist
eine Ansicht, die die Struktur einer Brennstoffzelle und einer Befeuchtungsvorrichtung nach
einer anderen bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Die
bevorzugte Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Die
Gesamtstruktur des Brennstoffzellensystems nach der Ausführung der
Erfindung in Bezug auf 1.
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Ein
Brennstoffzellensystem 1 enthält eine Brennstoffzelle 2,
eine Befeuchtungsvorrichtung 3, einen Luftkompressor 5 und
einen Wasserstoffspeichertank 6.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
wird die Struktur und der Betrieb der Brennstoffzelle 2 beschrieben.
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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
zur Anode 2b, und die befeuchtete Luft Aw fließt zur 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
bei Raumtemperatur durch Sättigung
mit Wasser. 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,
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. 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 bewirkt die elektrische
Energieerzeugung der Brennstoffzelle.
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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.
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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.
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Die
Protonenleitfähigkeit
nimmt ab, wenn die Festelektrolytmembrane trocken ist. Daher führt die Befeuchtungsvorrichtung 3 nach
der Ausführung
der Erfindung der Festelektrolytmembrane ausreichend 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.
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Die
Befeuchtungsvorrichtung 3 nach der Ausführung der Erfindung wird in
Bezug auf 2, 3(a) und 3(b) beschrieben.
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Wie
in 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.
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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.
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Wie
in den 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.
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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 37a 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.
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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 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 2 gezeigten
Rohr 24 verbunden, und der Wasserstoffauslass 39 ist
mit dem Rohr 25 verbunden.
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Die
in dem ersten Befeuchter 31 vorgesehenen ersten Hohlfasermembranen
P1 sind als Polymerelektrolytmembrane aufgebaut. Diese Polymerelektrolytmembrane
ist eine wasserdurchlässige
Ionenhydratisierungsmembrane, und als Beispiel wird eine NAFION-® Membrane
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 indem 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 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.
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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.
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Wie
in 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.
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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.
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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
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Hohlfasermembranen
P2 fließt,
die aus den Polymermembranen aufgebaut sind, und die angenähert keine
Feuchtigkeit enthaltende Luft Ad außerhalb der zweiten Hohlfasermembranen
P2 (siehe 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.
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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 Hohlfasermembranen 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.
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Der
Gasfluss in der Befeuchtungsvorrichtung 3 wird in der Reihenfolge
Befeuchtungsabgas MG, Wasserstoffgas Hd und Luft Ad beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
andere Ausführung
der Erfindung wird in Bezug auf 4 beschrieben.
Die Erläuterung
der gleichen Elemente wie die in 2 gezeigten
wird weggelassen, unter Verwendung der gleichen Symbole.
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Wie
in 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 2,
außer
der Tatsache, dass das Befeuchtungsabgas MG zuerst in den zweiten
Befeuchter und dann in den ersten Befeuchter 31 eingeführt wird.
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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.
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Da
in diesem Fall der Temperaturabfall des Befeuchtungsabgases MG in
dem zweiten Befeuchter 32 klein ist oder, umgekehrt, dieses
durch die Luft Ad erhitzt wird, ist es in der Lage, das Wasserstoffgas Hd
in dem ersten Befeuchter 31, der nach dem zweiten Befeucher 32 angeordnet
ist, ausreichend zu befeuchten.
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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.
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Eine
andere Ausführung
der Erfindung wird in Bezug auf 5 beschrieben.
Die Erläuterung
der gleichen Elemente wie der in 2 gezeigten
wird weggelassen, unter Verwendung der gleichen Symbole.
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Wie
in 5 gezeigt, ist die Ausführung die gleiche wie die in 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 3(a) und 3(b) gezeigt
sind, außer
für die Wärmeaustauschermittel 53 und 54.
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Das
Heizmittel des Befeuchters 50 wird in der Reihenfolge Wärmeaustauschermittel 53, 54 und Wärmeaustauscher 55 beschrieben.
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Die
Wärmeaustauschermittel 53 und 54 verwenden
eine mantelartige Vorrichtung mit einer Röhre, die die Außenumfangsfläche des
Hohlfasermembranmoduls 33 abdeckt, wie in 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.
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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.
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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.
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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.
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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 2, 4 und 5 gezeigt.
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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.
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Obwohl
das Kathodenabgas COG für
das Befeuchtungsabgas MG verwendet wurde, kann das Anodenabgas AOG
eine Alternative sein, wenn es 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 nicht umgesetztes
Wasserstoffgas Hd enthält.
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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.
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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.
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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.
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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.