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HINTERGRUND
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, die die Wärmeübertragung und Befeuchtung effektiv und effizient durchführt.
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Beschreibung des Standes der Technik
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In einem Brennstoffzellensystem, beim Zuführen von Luft an eine Luft-Elektrode, wird Luft vor dem Zuführen an die Luftelektrode zum Zwecke der Verbesserung der Reaktionseffizienz normalerweise zuerst befeuchtet. Das Hauptproblem im Hinblick auf die für diesen Zweck verwendete Befeuchtungsvorrichtung ist die Notwendigkeit für eine Verbesserung der Befeuchtungsleistung.
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Eine Befeuchtungsvorrichtung für Reaktionsgas kann die Dichtfähigkeit einer Befeuchtungsvorrichtung 10 für Reaktionsgas verbessern und die Steifigkeit in der Stapelrichtung gewährleisten. Ein Stapel 56 der Befeuchtungsvorrichtung 10 für Reaktionsgas weist einen ersten Separator 52 und einen zweiten Separator 54 auf, die an beiden Seiten einer wasserdurchlässigen Membran 50 angeordnet sind. Der erste Separator 52 weist Ausnehmungen 74a, 74b auf, die in ersten Vorsprüngen 62b, 64b gebildet sind, die Verbindungsabschnitten einer Luftzufuhr-Verbindungsöffnung 58a und einer Luftauslass-Verbindungsöffnung 58b mit ersten Führungsnuten 62a, 64a entsprechen. Plattenartige Elemente sind in den Ausnehmungen 74a, 74b angeordnet und die plattenartigen Elemente 76a, 76b sind in der Stapelrichtung mit einer Dichtung 72 des zweiten Separators 54 an beiden Seiten der wasserdurchlässigen Membran 50 überlappt.
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Jedoch ist in dem oberhalb beschriebenen Beispiel die Befeuchtungsleistung pro Volumen geringer als das, was erwünscht ist, weil die Fläche eines als ein Befeuchtungsfilm dienenden wirksamen Films ziemlich begrenzt ist. Darüber hinaus ist die Diffusionsgeschwindigkeit ebenfalls niedriger als das, was erwünscht ist, weil die Formen eines Durchgangs, durch welchen feuchte Luft strömt, und eines Durchgangs, durch welchen trockene Luft strömt, nicht zum Übertragen von Feuchtigkeit geeignet sind, was die Befeuchtungseffizienz beeinträchtigt. Schließlich wird in dem oberhalb beschriebenen Beispiel die meiste Wärme nur durch den Befeuchtungsfilm übertragen. Somit besteht eine Notwendigkeit für eine Befeuchtungsvorrichtung, die effektiver und effizienter funktioniert.
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Das Vorhergehende ist lediglich zum besseren Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung vorgesehen, und ist nicht soll nicht bedeuten, dass die vorliegende Erfindung innerhalb des Bereichs des Standes der Technik fällt, der einem Fachmann auf dem Gebiet bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Demzufolge ist die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der oberhalb beschriebenen im Stand der Technik auftretenden Probleme gemacht worden und die vorliegende Erfindung ist dazu vorgesehen, eine Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, die eine effektive und effiziente Wärmeübertragung und Befeuchtung ermöglicht.
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Um die obige Aufgabe zu lösen, ist gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, die eine Separatorplatte, die gewellt ist, um eine alternierende konkav-konvexe Fläche bereitzustellen, und Befeuchtungsfilme, die mit einem oberen Ende und einem unteren Ende der Separatorplatte kombiniert sind, aufweist. Die Separatorplatte und Befeuchtungsfilme bilden einen kontinuierlichen Driftraum und die Separatorplatte ist gewellt, so dass sich eine Breite eines oberen Abschnitts des Driftraumes von einer Breite eines unteren Endabschnitts des Driftraumes, der in Kontakt mit dem Befeuchtungsfilm steht, unterscheidet.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann der Driftraum eine Trapezform aufweisen und/oder kann eine Reihe von Drifträumen aufweisen, und unter der Reihe von Drifträumen kann eine Breite eines oberen Endabschnitts größer als eine Breite eines unteren Endabschnitts in einem bestimmten Driftraum sein und die Breite des oberen Endabschnitts kann kleiner als die Breite des unteren Endabschnitts in den an beiden Seiten des bestimmten Driftraumes angeordneten Drifträumen sein.
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Jede der Reihen von Drifträumen, die zwischen den Befeuchtungsfilmen gebildet sind, kann eine Trapezform aufweisen und jeder andere Driftraum kann entsprechend eine umgekehrte Form aufweisen. Feuchte Luft kann durch den bestimmten Driftraum strömen und trockene Luft kann durch die Drifträume, die an beiden Seiten des bestimmten Driftraumes angeordnet sind, und die Drifträume, die an oberen und unteren Seiten des Driftraumes angeordnet sind, strömen. Die Separatorplatte kann ebenfalls aus einem Wärmeleiter hergestellt werden, so dass die Wärme in effizienter Weise dort hindurch übertragen werden kann.
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Die Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit der oberhalb beschriebenen Struktur handhabt getrennt die Feuchtigkeitsübertragung und die Wärmeübertragung und maximiert jede der Funktionen, so dass eine effiziente Befeuchtungsvorrichtung bereitgestellt werden kann. Darüber hinaus wird die Fläche eines wirksamen Films erhöht und die Befeuchtungsleistung wird verbessert, während die unterstützende Oberfläche minimiert wird. Noch weiter, da eine feuchte Seite und eine trockene Seite mit einer als Grenze wirkenden Separatorplatte zueinander benachbart sind, wird die Wärmeübertragung von der feuchten Seite zu der trockene Seite (in der Tat sehr gut) verbessert und die Befeuchtungseffizienz verbessert sich dadurch.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, wobei:
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1 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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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). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht, die eine Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, die eine wirksame Wärmeübertragung und Befeuchtung ermöglicht. Um eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, umfasst die Befeuchtungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem eine Separatorplatte 100, die gewellt ist, um eine alternierende konkav-konvexe Fläche bereitzustellen, und Befeuchtungsfilme 300, die jeweils mit einem oberen Ende und einem unteren Ende der Separatorplatte 100 kombiniert sind. Die mit der Separatorplatte 100 kombinierten Befeuchtungsfilme 300 bilden einen kontinuierlichen Driftraum 120. Die Separatorplatte 100 ist gewellt, so dass sich eine Fläche eines oberen Endabschnitts 122 des Driftraums 120 von einer Fläche eines unteren Endabschnitts 124 des Driftraums 120, der mit dem Befeuchtungsfilm 300 in Kontakt steht, unterscheidet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die gewellte Separatorplatte 100 zwischen zwei als obere und untere Befeuchtungsfilme vorgesehene Befeuchtungsfilme 300 eingeschoben, so dass der Driftraum zwischen der Separatorplatte 100 und dem Befeuchtungsfilm 300 gebildet wird.
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In den Drifträumen 120 driften feuchte Luft W und trockene Luft D alternierend. Insbesondere ist die Separatorplatte 100 gebildet, um eine alternierende konkav-konvexe Fläche bereitzustellen. Die Separatorplatte 100 ist gewellt, so dass die Breite des oberen Endabschnitts 122 des Driftraums 120 nicht die gleiche wie die Breite des unteren Endabschnitts 124 des Driftraums 120 ist. Das heißt, der Driftraum 120 weist keine Rechteckform auf. Die Separatorplatte 100 ist an jedem Beigeabschnitt unter einem gleichen Winkel schräg gebogen, so dass sich die Breite des oberen Endabschnitts 122 des Driftraums 120 von der Breite des unteren Endabschnitts 124 des Driftraums 120, der in Kontakt mit dem Befeuchtungsfilm 300 steht, unterscheidet.
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Wenn eine Reihe von Drifträumen 120 vorhanden ist, ist die Breite des oberen Endabschnitts 122 des Driftraums 120 größer als die Breite des unteren Endabschnitts 124 des Driftraums 120 in dem Fall eines bestimmten Driftraums, und die Breite des oberen Endabschnitts 122 des Driftraums 120 ist kleiner als die Breite des unteren Endabschnitts 124 des Driftraums 120 in dem Fall von Drifträumen, die an beiden Seiten von diesem bestimmten Driftraum 120 angeordnet sind. Die feuchte Luft kann durch diesen bestimmten Driftraum 120 strömen und die trockene Luft kann durch die Drifträume 120 strömen, die an beiden Seiten des bestimmten Driftraums 120 und an oberen und unteren Seiten des bestimmten Driftraums 120 vorgesehen sind.
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Vorzugsweise kann der Driftraum eine trapezförmige Form aufweisen, wie dies in der Abbildung dargestellt ist. Jede der Reihen von Drifträumen 120, die zwischen den Befeuchtungsfilmen 300 gebildet sind, können ebenso eine Trapezform aufweisen und andere Drifträume können eine umgekehrte/umgedrehte Form aufweisen. Die Separatorplatte 100 kann aus einem Wärmeleiter hergestellt sein, so dass Wärme von der feuchten Luft zu der trockenen Luft übertragen werden kann, was die Kondensation fördert.
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Insbesondere wird gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung, da die feuchte Luft W und die trockene Luft D abwechselnd an die Abschnitte der gleichen Separatorplatte 100 zugeführt werden, eine Wärmeübertragung durch die Separatorplatte 100 maximiert. Durch Verwenden der trapezförmigen Struktur eines Fluiddurchgangs ist es möglich, die Luft zu den Befeuchtungsfilmen 300 zu führen und die Fläche der unterstützenden Fläche zu verringern. Das heißt, die in der vorliegenden Erfindung verwendete Struktur stellt eine plattenartige Durchgangsstruktur dar, die die wirksame Fläche des Films maximieren kann. Auf diese Weise verwendet die vorliegende Erfindung die Struktur, die die Funktion und Leistung der Wasserübertragung durch die Befeuchtungsfilme 300 und die Leistung der Wärmeübertragung durch die Separatorplatte 100 getrennt handhabt. Dies maximiert die Befeuchtungsleistung.
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Andererseits wird gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, da die Separatorplatte 100 aus Metall oder Kunststoff mit Wärmeübertragungseigenschaften hergestellt ist, die Wärmeübertragung von der feuchten Seite (z. B. heiße und feuchte Abluft von einem Stapel) zu der trockenen Seite (z. B. trockene Luft) maximiert. Darüber hinaus wirken gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Befeuchtungsfilme 300 derart, um einen Stoff (Wasser oder Dampf) effizient und effektiv zu übertragen.
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Die Hauptfunktionen der für ein Brennstoffzellensystem verwendeten Befeuchtungsvorrichtung umfassen ein Übertragen eines Stoffes (z. B. Wasser und/oder Dampf) und ein Übertragen von Wärme, um den übertragenen Stoff in einem gasförmigen Zustand zu halten, während die Funktion einer gewöhnlichen Befeuchtungsvorrichtung ist, eine Wärmeübertragung und Stoffübertragung nur durch einen Befeuchtungsfilm durchzuführen. In dem Fall von gewöhnlichen Befeuchtungsfilmen, um Leistungen von Stoffübertragung und Wärmeübertragung zu verbessern, wird die Übertragung des Befeuchtungsfilms 300 durch Vergrößern der Porengröße verbessert. In solche einem Fall verschlechtert sich die Wärmeübertragungsfunktion des Befeuchtungsfilms 300. Jedoch werden in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beide Funktionen getrennt durchgeführt, so dass eine Stoffübertragung durch den Befeuchtungsfilm 300 durchgeführt wird und die Wärmeübertragung durch die aus einem Wärmeleiter gebildete Separatorplatte 100 durchgeführt wird.
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In der in der Abbildung dargestellten trapezförmigen Durchgangsstruktur ist der Druck in einem oberen Abschnitt des Durchgangs höher als in einem unteren Abschnitt des Durchgangs, weil die Fläche des Querschnitts des oberen Abschnitts kleiner als die des unteren Abschnitts ist. Demzufolge strömt die Luft, die durch den Durchgang strömt, hauptsächlich in dem Abschnitt mit einer größeren Querschnittsfläche. Aus diesem Grund erhöht sich jeweils die Zeit, während welcher die feuchte Luft und die trockene Luft an beiden Seiten des Befeuchtungsfilms benachbart zueinander sind. Demzufolge nimmt die Diffusionsgeschwindigkeit der feuchten Luft in die trockene Luft zu.
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Darüber hinaus, wenn Dampf in der feuchten Luft durch den Befeuchtungsfilm 300 strömt und den Durchgang der trockenen Luft erreicht, kondensiert die Feuchtigkeit in der feuchten Luft zuerst an einer ersten Fläche des Befeuchtungsfilms 300, die in Kontakt mit der feuchten Luft steht, und bewegt sich dann zu einer zweiten Fläche des Befeuchtungsfilms 300, die in Kontakt mit der trockenen Luft steht. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Temperatur abzusenken, so dass der Dampf kondensieren kann. Zu diesem Zweck sollte die Separatorplatte 100 mit einer hohen Wärmeübertragungsleistung verwendet werden. Demzufolge sind die feuchte Luft W und die trockene Luft D an beiden Seiten der Separatorplatte 100 vorhanden, die Wärme der feuchten Luft mit einer hohen Temperatur wird zu der trockenen Luft mit einer niedrigen Temperatur durch die Separatorplatte 100 übertragen und der Dampf wird leicht durch Kondensieren auf der Oberfläche des Films übertragen.
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Das heißt, da die feuchte Seite und die trockene Seite zueinander benachbart sind und an beiden Seiten der Separatorplatte 100 vorhanden sind, ist die Wärmeübertragungswirkung von der feuchten Luft zu der trockenen Luft ausgezeichnet und somit kann die Befeuchtungswirkung maximiert werden. Darüber hinaus, da die trapezförmige Durchgangsstruktur der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Diffusionsgeschwindigkeit der feuchten Luft in die trockene Luft im Vergleich zum Stand der Technik erhöht, verbessert sich die Befeuchtungsleistung.
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Zusätzlich, da das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Struktur bereitstellt, die verursacht, dass sich die Luft auf der Oberfläche des Befeuchtungsfilms 300 sammelt, wird der Kontakt zwischen dem Befeuchtungsfilm 300 und der Luft erleichtert. Ferner sammelt sich in der Struktur, in der die von einem Brennstoffzellenstapel ausgeströmte feuchte Luft zu der trockene Luft durch den Befeuchtungsfilm 300 übertragen wird, da die Durchgangsstruktur eine trapezförmige Struktur aufweist, die driftende Luft in der Nähe des Befeuchtungsfilms 300. Dies verbessert die Stoffübertragungsleistung. Mehr noch, da die Fläche des unterstützenden Raumes minimiert wird und die Fläche des wirksamen Films zunimmt, wird die Befeuchtungsleistung infolgedessen verbessert. Darüber hinaus, da die Wärme von der feuchten Seite zu der trockenen Seite durch die Separatorplatte 100 mit ausgezeichneten Wärmeübertragungseigenschaften übertragen wird, kann die Befeuchtung durch den Befeuchtungsfilm 300 problemlos erreicht werden.
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Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden ist, wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass verschiedene Änderungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen, wie dies in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist.
