DE102013225368A1

DE102013225368A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum befeuchten und kühlen desselben

Info

Publication number: DE102013225368A1
Application number: DE102013225368.0A
Authority: DE
Inventors: Yong Gyu Noh; Hyuck Roul Kwon; Hyo Sub Shim
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-07-03
Also published as: US20140193726A1; KR101461874B1; KR20140087859A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Befeuchten und Kühlen eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Das Verfahren zum Befeuchten und Kühlen eines Brennstoffzellensystems umfasst: Ausströmen, durch eine Brennstoffversorgungseinheit, eines Wasserstoffgases an ein Reservoir, in dem Kondenswasser von einer Anode bevorratet wird. Zusätzlich werden ein Wasserstoffgas und Kondenswasser gepumpt und das Wasserstoffgas und das Kondenswasser werden an die Befeuchtungsvorrichtung ausgeströmt. Darüber hinaus wird Druckluft von einem Luftkompressor an die Befeuchtungsvorrichtung zugeführt und Wärme wird mit der Druckluft in der Befeuchtungsvorrichtung ausgetauscht. Das Wasserstoffgas und die Druckluft, in denen Wärme in einem befeuchteten Zustand ausgetauscht wird, werden an eine Anode beziehungsweise eine Kathode zugeführt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(a) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Befeuchten und Kühlen desselben, die eine Brennstoffzelle effizient befeuchten und Druckluft unter Verwendung von kondensiertem Wasser von der Anode kühlen.
(b) Beschreibung des Standes der Technik
Typischerweise umfasst ein Brennstoffzellensystem, wie in 1 gezeigt, einen Stapel 110, der elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, eine Brennstoffversorgungseinheit 120, die ein Wasserstoffgas, das ein Brennstoff ist, an den Stapel zuführt, ein Luftversorgungseinheit 130, die für die elektrochemische Reaktion erforderliche Luft an den Stapel 110 zuführt, und eine Wärme-/Wasser-Management-Einheit 140, die eine Reaktionswärme des Stapels 110 aus dem System transportiert, und die eine Betriebstemperatur des Stapels 110 steuert/regelt und einen Wassermanagement-Betrieb durchführt.
Die Brennstoffversorgungseinheit 120 des Brennstoffzellensystems 102 umfasst einen Wasserstofftank 122 und einen Ejektor 126, die Luftversorgungseinheit umfasst einen Luftkompressor 132, einen Zwischenkühler 134 und eine Befeuchtungsvorrichtung 136, und die Wärme- und Wasser-Management-Einheit 140 umfasst eine Kühlmittelpumpe 142, ein Kühlmittelreservoir 144 und einen Kühler 146.
Ein Wasserstoffgas mit hohem Druck, das von dem Wasserstofftank 122 der Brennstoffversorgungseinheit 120 zugeführt wird, wird an den Stapel 110 mit einem niedrigeren Druck über den Ejektor 126 zugeführt. Der Stapel 110 des Brennstoffzellensystems 102 ist in einem elektrischen Generatorsatz gebildet, in dem eine Mehrzahl von Elementarzellen kontinuierlich angeordnet ist, und jede Elementarzelle ist als eine Brennstoffzelle einer Einheit vorgesehen, die elektrische Energie über eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Luft erzeugt.
Die Elementarzellen umfassen eine Membran-Elektroden-Anordnung und Separatoren, die jeweils in engem Kontakt an beiden Seiten davon angeordnet sind. In diesem Fall sind die Separatoren in Form einer eine Leitfähigkeit aufweisenden Platte gebildet und bilden jeweils einen Kanal zum Leiten von Brennstoff und Luft zu einer nahen Kontaktoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung.
Die Membran-Elektroden-Anordnung kann in einer Struktur gebildet werden, die eine Anode an einer Oberfläche bildet und eine Kathode an der anderen Oberfläche bildet, und die eine Elektrolytmembran zwischen der Anode und der Kathode bildet.
Die Anode trennt den Brennstoff, der durch den Kanal des Separators zugeführt wird, in Elektronen und Protonen durch eine Oxidationsreaktion, und die Elektrolytmembran führt eine Funktion zum Bewegen von Protonen an eine Kathode durch. Die Kathode erzeugt Wasser und Wärme durch eine Reduktionsreaktion von Elektronen und Protonen, die von der Anode erhalten werden, und Sauerstoff aus der Luft, die durch den Kanal des Separators erhalten wird.
Ein Teil des Wassers, der an der Kathode durch eine chemische Reaktion erzeugt wird, bewegt sich in Richtung der Anode durch Eindringen in die Elektrolytmembran, und wenn das Wasser durch die Anode fließt und in einer Katalysatorschicht verbleibt wird die Reaktionsmenge des Katalysators verringert und wenn das Wasser, das an die Anode bewegt wird, in dem Kanal verbleibt, blockiert das Wasser einen Wasserstoffversorgungsweg.
Daher wird das Wasser, das durch die Anode fließt, an ein Reservoir 150 durch eine Ausströmleitung 152 ausgeströmt, und wenn das Wasser gesammelt wird, öffnet das Reservoir 150 ein Ablassventil 154 und entleert demzufolge das Wasser.
Darüber hinaus ist es wichtig, einen Luftdruck für die Massenproduktion des Brennstoffzellensystems 102 zu erhöhen, und um einen Luftdruck zu erhöhen, sollte das Brennstoffzellensystem 102 mit hoher Leistung betrieben werden. Wenn das Brennstoffzellensystem 102 mit hoher Leistung betrieben wird, steigt der Luftdruck an und die relative Feuchtigkeit und eine Sauerstoffkonzentration von Luft, die an den Stapel 110 zugeführt wird, nehmen ebenfalls zu. Zusätzlich steigt eine Auslasstemperatur des Luftkompressors 132 auf ungefähr 120°C und somit ist es nachteilig, die Befeuchtungsvorrichtung 136 und den Stapel 110 zu diesem Zeitpunkt zu betreiben. Deshalb, um eine Lufttemperatur in geeigneter Weise zu senken, ist es erforderlich, einen zusätzlichen Zwischenkühler 134 zwischen die Befeuchtungsvorrichtung 136 und den Luftkompressor anzubringen.
Da der Zwischenkühler 134 jedoch typischerweise ein großes Volumen aufweist, ist es nachteilig, den Zwischenkühler 134 bei einer Baugruppe einzusetzen. Der Zwischenkühler 134 verstärkt ebenfalls Druckschäden innerhalb des Luftkompressors 132 und es ist zusätzlich ein Kühlmittelströmungskanal erforderlich. Als ein Ergebnis ist die zum Durchführen dieser Funktionen erforderliche Ausrüstung kompliziert.
Die oben in diesem Hintergrundabschnitt offenbarten Informationen dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSANMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung ist im Bestreben gemacht worden, um ein Brennstoffzellensystem mit den Vorteilen zum Kühlen von Druckluft bereitzustellen, in dem eine Temperatur im Hochleistungsbetrieb angestiegen ist, während eine Anode unter Verwendung von kondensiertem Wasser effizient befeuchtet wird und die Notwendigkeit für einen separaten Zwischenkühler und Bauteilen zum Ausströmen des kondensierten Wassers der Anode entfällt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem bereit, umfassend: einen Stapel, der eine Anode und eine Kathode aufweist; eine Brennstoffversorgungseinheit, die ein Wasserstoffgas von einem Wasserstofftank an die Anode durch eine Wasserstoffversorgungsleitung zuführt; eine Luftversorgungseinheit, die Druckluft von einem Luftkompressor an die Kathode über eine Befeuchtungsvorrichtung durch eine Luftversorgungsleitung zuführt; und ein Reservoir, das kondensiertes Wasser der Anode entleert. Die Brennstoffversorgungseinheit verbindet die Wasserstoffversorgungsleitung mit der Anode über das Reservoir und die Befeuchtungsvorrichtung, das Wasserstoffgas und die Druckluft werden an das Reservoir durch z. B. Pumpen ausgeströmt und das eingedüste Wasserstoffgas und das kondensierte Wasser tauschen Wärme mit der Druckluft in der Befeuchtungsvorrichtung aus.
An der Anode kann ein nicht umgesetztes Wasserstoffgas in das Reservoir durch eine Rückführungsleitung eingedüst werden. Das Reservoir kann eine Pumpeneinheit aufnehmen, die mit der Wasserstoffversorgungsleitung verbunden ist, und die Pumpeneinheit kann eingerichtet sein, um ein Wasserstoffgas, kondensiertes Wasser und ein nicht umgesetztes Wasserstoffgas innerhalb des Reservoirs zu pumpen. Die Pumpeneinheit kann einen Ejektor, ein Venturi-Rohr und eine Strahlpumpe umfassen und ein Pumpenrohr, das kondensiertes Wasser pumpt, das sich an dem Boden innerhalb des Reservoirs ansammelt, kann mit der Pumpeneinheit verbunden werden.
Die Befeuchtungsvorrichtung kann einen Brennstoffweg (d. h., einen Wasserstoffströmungskanal) in einer entgegengesetzten Richtung in Bezug auf einen Strom von trockener Luft an der Befeuchtungsvorrichtung bilden, ein Wärmeübertragungsstift kann an einer Wandfläche des Wasserstoffströmungskanals angebracht werden, um einen Wärmetauscher zu bilden, und ein Wasserstoffgas einschließlich eines übersättigten Dampfes, das von dem Reservoir entleert wird, kann Wärme während eines Durchströmens durch den Brennstoffweg austauschen.
An der stromaufwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung kann ein Brennstoffweg in einer vertikalen Richtung zu dem Strom der trockenen Luft gebildet werden, ein Wärmeübertragungsstift kann an einer Wandfläche des Brennstoffweges angebracht werden und ein Wasserstoffgas einschließlich eines übersättigten Dampfes, das von dem Reservoir entleert wird, kann Wärme mit trockener Luft während eines Durchströmens durch den Brennstoffweg austauschen.
Alternativ kann an der stromabwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung ein Brennstoffweg in einer vertikalen Richtung zu dem Strom der trockenen Luft gebildet werden, ein Wärmeübertragungsstift kann an einer Wandfläche des Brennstoffweges angebracht werden, um einen Wärmetauscher zu bilden, und ein Wasserstoffgas einschließlich eines übersättigten Dampfes, das von dem Reservoir entleert wird, kann Wärme mit trockener Luft während eines Durchströmens durch den Brennstoffweg austauschen.
Die Befeuchtungsvorrichtung kann den Brennstoffweg in einer vertikalen Richtung zu dem Strom von feuchter Luft an einem Einlass bilden, in dem feuchte Luft eingedüst wird, und ein Wärmeübertragungsstift kann an einer Wandfläche des Brennstoffweges angebracht werden, um einen Wärmetauscher zu bilden, und ein Wasserstoffgas einschließlich eines übersättigten Dampfes, das von dem Reservoir entleert wird, kann Wärme mit trockener Luft während eines Durchströmens durch den Brennstoffweg austauschen.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Befeuchten und Kühlen eines Brennstoffzellensystems bereit, das Verfahren umfassend: Ausströmen, durch eine Brennstoffversorgungseinheit, eines Wasserstoffgases von einem Wasserstofftank an ein Reservoir, in dem kondensiertes Wasser einer Anode bevorratet ist; Pumpen, durch ein Reservoir, eines Wasserstoffgases und von kondensierten Wasser und Ausströmen des Wasserstoffgases und des kondensierten Wassers an die Befeuchtungsvorrichtung; Zuführen, durch eine Luftversorgungseinheit, von Druckluft von einem Luftkompressor an die Befeuchtungsvorrichtung; Austauschen, durch das eingedüste Wasserstoffgas und das kondensierte Wasser, von Wärme mit der Druckluft in der Befeuchtungsvorrichtung; und Zuführen, durch die Befeuchtungsvorrichtung, des Wasserstoffgases und von Druckluft, in der Wärme in einem befeuchteten Zustand ausgetauscht wird, an eine Anode beziehungsweise eine Kathode.
Genauer gesagt kann Wasserstoffgas, das an der Anode nicht umgesetzt wird, in das Reservoir eingedüst werden. Das Reservoir kann ein Wasserstoffgas, kondensiertes Wasser und ein Wasserstoffgas, das an der Anode nicht umgesetzt wird, pumpen, und das Wasserstoffgas, das kondensierte Wasser und das Wasserstoffgas in einer Form eines Wasserstoffgases einschließlich eines übersättigten Dampfes ausströmen, und eine Wasserstoffversorgungsleitung kann das Wasserstoffgas einschließlich. eines übersättigten Dampfes an die Befeuchtungsvorrichtung zuführen. Die Befeuchtungsvorrichtung kann einen Wärmetauscher aufnehmen, durch welchen das Wasserstoffgas einschließlich eines übersättigten Dampfes strömt.
Der Wärmetauscher kann in der Mitte eines Hohlfasermembran-Moduls der Befeuchtungsvorrichtung gebildet werden und ein Wasserstoffgas einschließlich eines übersättigten Dampfes kann Wärme beim Strömen in einer Rückwärtsrichtung zu einem Strom von trockener Luft austauschen. Darüber hinaus kann der Wärmetauscher an der stromaufwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung gebildet werden und das Wasserstoffgas einschließlich eines übersättigten Dampfes kann Wärme mit trockener Luft, die in die Befeuchtungsvorrichtung eingedüst wird, während eines Strömens in einer vertikalen Richtung zu dem Strom von trockener Luft austauschen.
Ebenso kann der Wärmetauscher an der stromabwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung gebildet werden und das Wasserstoffgas einschließlich eines übersättigten Dampfes kann Wärme beim Strömen in einer vertikalen Richtung zu dem Strom von trockener Luft austauschen. In einigen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher in einem Einlass gebildet werden, in dem feuchte Luft eingedüst wird, das Wasserstoffgas einschließlich des übersättigten Dampfes kann in einer vertikalen Richtung zum Strom von feuchter Luft gebildet werden und das Wasserstoffgas einschließlich des übersättigten Dampfes kann Wärme mit der feuchten Luft austauschen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird kondensiertes Wasser an eine Befeuchtungsvorrichtung zugeführt, statt ausgeströmt zu werden, und die Befeuchtungsvorrichtung kann eine Anode durch Verdampfen von kondensiertem Wasser unter Verwendung der Wärme von Druckluft, die bei Betriebsbedingungen mit hoher Leistung erhöht wird, befeuchten.
Ferner kann Druckluft, in der eine Temperatur bei Betriebsbedingungen mit hoher Leistung erhöht worden ist, durch Austauschen von Wärme mit Wasserstoff einschließlich eines übersättigten Dampfes, das in die Befeuchtungsvorrichtung eingedüst wird, gekühlt werden, ohne dass ein separater Zwischenkühler angebracht werden muss.
Zusätzlich können durch Bilden eines Reservoirs und eines Ejektors in einem Modul und durch Bilden einer Befeuchtungsvorrichtung und eines Wärmetauschers in einem Modul Bauteile zum Ausströmen von kondensiertem Wasser von einer Anode und ein separater Zwischenkühler weggelassen werden und als solches kann die Größe der gesamten Baugruppe minimiert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Reservoirs gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
4 und 5 zeigen seitliche Schnittdarstellungen von einer Befeuchtungsvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Obwohl Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, versteht es sich für den Durchschnittsfachmann, dass viele Änderungen, Modifikationen oder Umänderungen an der Erfindung, wie sie hierin beschrieben wird, vorgenommen werden können, wobei keine davon von der Lehre der vorliegenden Erfindung abweicht.
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.
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.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Ungefähr” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ”ungefähr” verändert.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Reservoirs gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung und 4 und 5 zeigen seitliche Schnittdarstellungen von einer Befeuchtungsvorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Ein Brennstoffzellensystem 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst einen Stapel 10, der als ein Satz von Elementarzellen gebildet ist, eine Brennstoffversorgungseinheit 20, die ein Wasserstoffgas an den Stapel 10 zuführt, eine Luftversorgungseinheit 30, die Luft an den Stapel 10 zuführt, und ein Reservoir 40, das kondensiertes Wasser von der Anode entleert.
Der Stapel 10 des Brennstoffzellensystems 2 ist als ein elektrischer Generatorsatz gebildet, in dem eine Mehrzahl von Elementarzellen kontinuierlich angeordnet ist, wobei jede Elementarzelle als eine Brennstoffzelle einer Einheit vorgesehen ist, die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Luft erzeugt. Die Elementarzellen umfassen eine Membran-Elektroden-Anordnung und Separatoren, die in engem Kontakt an beiden Seiten davon angeordnet sind.
In diesem Fall sind die Separatoren in Form einer Platte gebildet, die eine Leitfähigkeit aufweist, und bilden jeweils Kanäle zum Führen von Brennstoff und Luft mit einer nahen Kontaktoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung. Die Membran-Elektroden-Anordnung ist in einer Struktur gebildet, die eine Anode auf einer Oberfläche und eine Kathode auf der anderen Oberfläche bildet, und die eine Elektrolytmembran zwischen der Anode und der Kathode bildet. Die Anode trennt Wasserstoff, der durch einen Kanal des Separators zugeführt wird, in Elektronen und Protonen durch eine Oxidationsreaktion, und die Elektrolytmembran bewegt die Protonen in Richtung einer Kathode. Die Kathode erzeugt Wasser und Wärme durch eine Reduktionsreaktion von Elektronen und Protonen, die von der Anodenseite erhalten werden, und Sauerstoff aus der Luft, die durch den Kanal des Separators erhalten wird.
Die Brennstoffversorgungseinheit 20 des Brennstoffzellensystems 2 umfasst einen Wasserstofftank 22 und ein Druckregelventil 24, und die Luftversorgungseinheit 30 umfasst einen Luftkompressor 32 und eine Befeuchtungsvorrichtung 50. Ein Reservoir 40, das erzeugtes Kondenswasser und nicht umgesetztes Wasserstoffgas entleert, und eine Spülleitung 44, die Verunreinigungen innerhalb der Anode entleert, sind ferner mit der Anode verbunden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden Kondenswasser und nicht umgesetztes Wasserstoffgas, die von der Anode ausgeströmt werden, und Wasserstoffgas der Brennstoffversorgungseinheit 20 in dem Reservoir 40 gesammelt und an die Befeuchtungsvorrichtung 50 zugeführt, und Druckluft der Luftversorgungseinheit 30 wird an die Befeuchtungsvorrichtung 50 zugeführt. Das Kondenswasser und das Wasserstoffgas tauschen Wärme mit der Druckluft innerhalb der Befeuchtungsvorrichtung 50 aus, um gekühlt und befeuchtet zu werden, und werden dann an die Anode und die Kathode zugeführt.
Die Brennstoffversorgungseinheit 20 ist derart gebildet, so dass eine Wasserstoffversorgungsleitung 26 mit dem Wasserstofftank 22, dem Reservoir 40, der Befeuchtungsvorrichtung 50 und der Anode verbunden ist, und die Luftversorgungseinheit 30 ist derart gebildet, so dass eine Luftversorgungsleitung 36 mit dem Luftkompressor 32, der Befeuchtungsvorrichtung 50 und der Kathode verbunden ist. Insbesondere wird das Wasserstoffgas mit einem hohen Druck in dem Wasserstofftank 22 der Brennstoffversorgungseinheit 20 bevorratet.
In der Wasserstoffversorgungsleitung 26 ist zwischen dem Wasserstofftank 22 und dem Reservoir 40 das Druckregelventil 24 angebracht, das ein Wasserstoffgas eines hohen Drucks dekomprimiert, das von dem Wasserstofftank 22 zugeführt wird. Das Druckregelventil 24 kann als ein Ventil gebildet werden, das einen Druck von einem Fluid wie ein Druckregler und ein Ventil zum Einstellen des Durchflusses einstellt/regelt. Ein Wasserstoffgas, das auf einen geeigneten Druck über das Druckregelventil 24 eingestellt wird, wird in das Reservoir 40 eingedüst.
Ferner werden nicht umgesetztes Wasserstoffgas und Kondenswasser, das an der Anode erzeugt wird, in das Reservoir 40 durch eine Rückführungsleitung 42 eingedüst. Das Reservoir 40 kann als ein Vorratstank zum Bevorraten der Fluide ausgebildet sein. Die Fluide werden in dem Reservoir 40 bevorratet und werden kontinuierlich in die Befeuchtungsvorrichtung 50 durch die Wasserstoffversorgungsleitung 26 wieder eingedüst. In diesem Fall, um ein Wasserstoffgas, Kondenswasser und nicht umgesetztes Wasserstoffgas zu pumpen, die in das Reservoir 40 eingedüst werden und an die Befeuchtungsvorrichtung 50 zugeführt werden, weist das Reservoir 40 dementsprechend eine Pumpeinheit 46 zum Pumpen der Gase auf.
Die Pumpeinheit 46 kann als ein Ejektor, ein Venturi-Rohr und eine Strahlpumpe ausgebildet sein. Wenn die Pumpeinheit 46 in einem Ejektor gebildet ist, kann die Pumpeinheit 46 in einem einzelnen Ejektor und einem mehrstufigen Ejektor gebildet sein, wie dies in 3A und 3B dargestellt ist. Ein Pumpenrohr 48, das Kondenswasser pumpt, das innerhalb des Reservoirs 40 bevorratet wird, ist mit der Pumpeinheit 46 verbunden, wobei es derart angeordnet ist, so dass es sich zu der Bodenseite innerhalb des Reservoirs 40 nach unten bewegt. Die Pumpeinheit 46 pumpt Wasserstoffgas, das von dem Wasserstofftank 22 erhalten wird, und nicht umgesetztes Wasserstoffgas und Kondenswasser, das in der Anode erzeugt wird, und strömt sie an die Wasserstoffversorgungsleitung 26 aus, die mit der Befeuchtungsvorrichtung 50 verbunden ist.
Wasserstoffgas, Kondenswasser und nicht umgesetztes Wasserstoffgas werden in die Befeuchtungsvorrichtung 50 durch die Wasserstoffversorgungsleitung 26 in einer Form eines Wasserstoffgases A eingedüst, das einen übersättigten Dampf umfasst. Die Befeuchtungsvorrichtung 50 kann eine Film-Befeuchtungsvorrichtung sein, in der ein Hohlfasermembran-Modul angeordnet ist, das mit einer Mehrzahl von Hohlfasermembranen gebildet ist, die innerhalb eines Gehäuses 52 verdichtet sind.
An beiden Seitenflächen des Gehäuses 52 sind ein Einlass 54a und ein Auslass 54b gebildet, durch welche trockene Luft strömt, und ein Einlass 56a und ein Auslass 65b, durch welche befeuchtete Luft strömt, sind auf einer Seite und der anderen Seite eines Außenumfanges des Gehäuses 52 gebildet. Trockene Luft, die durch den Luftkompressor 32 der Luftversorgungseinheit 30 strömt, wird in den Einlass 54a eingedüst und. strömt durch das Innere eines Hohlfasermembran-Moduls.
Befeuchtete Luft, die durch eine Kathode des Stapels 10 ausgeströmt wird, wird in den Einlass 56a zugeführt, um sich aus dem Hohlfasermembran-Modul zu bewegen, und Feuchtigkeit der feuchten Luft wird durch einen Kapillarbetrieb der Hohlfasermembran getrennt, und die getrennte Feuchtigkeit wird während eines Durchdringens eines Kapillarrohres der Hohlfasermembran kondensiert, um sich zu dem Inneren der Hohlfasermembran zu bewegen, und trockene Luft, die in den Einlass 54a durch diese Feuchtigkeit eingedüst wird, wird befeuchtet und an den Auslass 54b ausgeströmt.
Wenn das Brennstoffzellensystem 2 mit hoher Leistung betrieben wird, steigt der Luftdruck an und eine relative Feuchte und eine Sauerstoffkonzentration der Luft, die an den Stapel 10 zugeführt wird, nehmen zu, aber eine Auslasstemperatur des Luftkompressors 32 steigt an und somit wird trockene Luft mit hoher Temperatur in die Befeuchtungsvorrichtung 50 durch die Luftversorgungsleitung 36 eingedüst.
In der Befeuchtungsvorrichtung 50 sind trockene Luft mit einer hohen Temperatur, die durch die Luftversorgungsleitung 36 eingedüst wird, ein Wasserstoffgas A einschließlich eines übersättigten Dampfes, das durch die Wasserstoffversorgungsleitung 26 eingedüst wird, und feuchte Luft, die durch die Kathode ausgeströmt wird, vorhanden. Drei Arten von Gasen tauschen Wärme beim Bilden von verschiedenen Strömungskanälen innerhalb der Befeuchtungsvorrichtung 50 aus.
In der Befeuchtungsvorrichtung 50, um Wärme effizient auszutauschen, ist ferner ein Wärmetauscher 60 gebildet, und ein Wasserstoffgas A einschließlich eines übersättigten Dampfes, das durch die Wasserstoffversorgungsleitung 26 eingedüst wird, strömt durch den Wärmetauscher 60. Wie in 4 dargestellt, ist in dem Wärmetauscher 60 ein Brennstoffweg 62, der durch ein Wasserstoffgas A einschließlich eines übersättigten Dampfes durchgehen kann, in der Mitte eines Hohlfasermembran-Moduls gebildet und ein Wärmeübertragungsstift (nicht gezeigt) kann an einer Wandfläche des Brennstoffweges 62 angebracht werden.
Der Brennstoffweg 62, der in dem Wärmetauscher 60 gebildet ist, ist in einer Rückwärtsrichtung zur Strömung trockener Luft gebildet, die durch die Luftversorgungsleitung 36 eingedüst wird, um einen Wärmeaustausch weiter effizient durchzuführen.
Ferner kann ein Wärmeübertragungsstift (nicht gezeigt) aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden.
In der Befeuchtungsvorrichtung 50 tauschen trockene Luft mit einer hohen Temperatur und feuchte Luft und ein Wasserstoffgas A einschließlich eines übersättigten Dampfes Wärme während eines Strömens in einer unterschiedlichen Richtung aus. Das heißt, trockene Luft mit hoher Temperatur und ein Wasserstoffgas A einschließlich eines übersättigten Dampfes strömen in entgegengesetzten Richtungen während eines Durchströmens durch die Mitte des Hohlfasermembran-Moduls der Befeuchtungsvorrichtung 50 und feuchte Luft tauscht Wärme während eines Strömens aus dem Hohlfasermembran-Modul aus.
Ferner empfängt das Wasserstoffgas A einschließlich eines übersättigten Dampfes Wärme von trockener Luft mit hoher Temperatur während eines Durchströmens durch den Wärmetauscher 60, um ein Wasserstoffgas mit einem hohen Taupunkt zu werden, und trockene Luft mit hoher Temperatur verliert Wärme und ihre Temperatur wird verringert, und feuchte Luft, die in die Kathode eingeqdüst wird, wird gut kondensiert und verbessert weiter eine befeuchtende Wirkung von trockener Luft.
Als eine beispielhafte Variation, wie in 5A dargestellt, kann ein Wärmetauscher 60a einen Brennstoffweg 62a in einer vertikalen Richtung zum Strom von trockener Luft an der stromaufwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung 50 bilden, in welche trockene Luft eingedüst wird. In diesem Fall wird lediglich ein Wärmeaustausch zwischen trockener Luft mit hoher Temperatur und einem Wasserstoffgas A einschließlich eines übersättigten Dampfes durchgeführt, und wenn die trockene Luft mit hoher Temperatur an die Befeuchtungsvorrichtung zugeführt wird, während ein Flüssigkeitstropfen verdampft, der in dem Wasserstoffgas umfasst ist, wird viel Wärme von trockener Luft entnommen und somit kann eine Lufttemperatur effizienter verringert werden.
Ferner, als eine beispielhafte Variation, wie in 5B dargestellt, kann ein Wärmetauscher 60b einen Brennstoffweg 62b in einer vertikalen Richtung zu dem Strom von trockener Luft an der stromabwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung 50 bilden, in welche trockene Luft eingedüst wird. Wenn es schwierig ist, eine Baugruppe eines Systems von 5A zu bilden, kann der Wärmetauscher 60b von 5B ausgewählt werden. Ferner, als eine beispielhafte Variation, wie in 5C dargestellt, kann ein Wärmetauscher 60c einen Brennstoffweg 62c in einer vertikalen Richtung zu dem Strom von feuchter Luft an dem Einlass 56a bilden, in welchen feuchte Luft eingedüst wird.
Der Wärmetauscher 60c von 5C verwendet ein Wärmeaustauschverfahren eines Wasserstoffgases A einschließlich feuchter Luft und eines übersättigten Dampfes. Feuchte Luft mit hoher Temperatur, die von der Kathode ausgeströmt wird, wird gekühlt, und Wasserstoffgas A einschließlich eines übersättigten Dampfes kann weiter einen Taupunkt eines Wasserstoffgases durch Absorbieren von Wärme von feuchter Luft erhöhen.
Das obige Verfahren verbessert weiter eine Befeuchtungsleistung von trockener Luft beim Betreiben des Brennstoffzellensystems 2 mit hoher Leistung. Wie in 4 und 5 dargestellt ist, wird ein Wasserstoffgas, in dem Wärme in der Befeuchtungsvorrichtung ausgetauscht wird, in die Anode durch eine Wasserstoffversorgungsleitung in einem befeuchteten Zustand eingedüst und Luft mit hoher Temperatur wird in die Kathode durch die Luftversorgungsleitung in einem Zustand eingedüst, in dem eine Temperatur verringert wird.
Durch die obige Anordnung kann ein Brennstoffzellensystem gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Druckluft, in welcher eine Temperatur bei einem Hochleistungsbetrieb angestiegen ist, kühlen, während eine Anode gleichmäßig befeuchtet wird, ohne dass ein separater Zwischenkühler und Bauteile zum Ausströmen/Entleeren von Kondenswasser von der Anode angebracht werden müssen.
Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktische Ausführungsbeispiele erachtet werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu vorgesehen ist, um verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst sind.
Bezugszeichenliste

2: Brennstoffzellensystem
10: Stapel
20: Brennstoffversorgungseinheit
26: Wasserstoffversorgungsleitung
30: Luftversorgungseinheit
32: Luftkompressor
36: Luftversorgungsleitung
40: Reservoir
42: Rückführungsleitung
46: Pumpeinheit
48: Pumpenrohr
50: Befeuchtungsvorrichtung
60, 60a, 60b, 60c: Wärmetauscher

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Stapel, umfassend eine Anode und eine Kathode, eine Brennstoffversorgungseinheit, die ein Wasserstoffgas von einem Wasserstofftank an die Anode durch eine Wasserstoffversorgungsleitung zuführt; eine Luftversorgungseinheit, die Druckluft von einem Luftkompressor an die Kathode über eine Befeuchtungsvorrichtung durch eine Luftversorgungsleitung zuführt; und ein Reservoir, das Kondenswasser von der Anode entleert, wobei die Brennstoffversorgungseinheit die Wasserstoffversorgungsleitung mit der Anode über das Reservoir und die Befeuchtungsvorrichtung verbindet, das Wasserstoffgas und die Druckluft an das Reservoir ausgeströmt werden und das eingedüste Wasserstoffgas und das Kondenswasser Wärme mit der Druckluft in der Befeuchtungsvorrichtung austauschen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei: ein nicht umgesetztes Wasserstoffgas an der Anode in das Reservoir durch eine Rückführungsleitung eingedüst wird; das Reservoir mit einer Pumpeinheit versehen ist, die mit der Wasserstoffversorgungsleitung verbunden ist; und die Pumpeinheit ein Wasserstoffgas, Kondenswasser und ein nicht umgesetztes Wasserstoffgas innerhalb des Reservoirs pumpt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Pumpeinheit einen Ejektor, ein Venturi-Rohr und eine Strahlpumpe aufweist und ein mit der Pumpeinheit verbundenes Pumpenrohr, das Kondenswasser pumpt, das an dem Boden innerhalb des Reservoirs gesammelt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Befeuchtungsvorrichtung einen Brennstoffweg in einer entgegengesetzten Richtung mit Bezug auf einen Strom von trockener Luft an der Befeuchtungsvorrichtung bildet, ein Wärmeübertragungsstift innerhalb einer Wandfläche des Brennstoffweges zum Bilden eines Wärmetauschers angebracht ist und ein einen übersättigten Dampf aufweisendes Wasserstoffgas, das von dem Reservoir ausgeströmt wird, Wärme beim Durchströmen des Brennstoffweges austauscht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei an der stromaufwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung ein Brennstoffweg in einer vertikalen Richtung zu einem Strom von trockener Luft gebildet ist, ein Wärmeübertragungsstift innerhalb einer Wandfläche des Brennstoffweges zum Bilden eines Wärmetauschers angebracht ist und ein einen übersättigten Dampf aufweisendes Wasserstoffgas, das von dem Reservoir ausgeströmt wird, Wärme mit trockener Luft beim Durchströmen des Brennstoffweges austauscht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei an der stromabwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung ein Brennstoffweg in einer vertikalen Richtung zu einem Strom von trockener Luft gebildet ist, ein Wärmeübertragungsstift innerhalb einer Wandfläche des Brennstoffweges zum Bilden eines Wärmetauschers angebracht ist und ein einen übersättigten Dampf aufweisendes Wasserstoffgas, das von dem Reservoir ausgeströmt wird, Wärme beim Durchströmen des Brennstoffweges austauscht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Befeuchtungsvorrichtung den Brennstoffweg in einer vertikalen Richtung zu einem Strom von feuchter Luft an einem Einlass bildet, in welchen feuchte Luft eingedüst wird, und ein Wärmeübertragungsstift innerhalb einer Wandfläche des Brennstoffweges zum Bilden eines Wärmetauschers angebracht ist, und ein einen übersättigten Dampf aufweisendes Wasserstoffgas, das von dem Reservoir ausgeströmt wird, Wärme mit feuchter Luft beim Durchströmen des Brennstoffweges austauscht.
Verfahren zum Befeuchten und Kühlen eines Brennstoffzellensystems, das Verfahren aufweisend: Ausströmen, durch eine Brennstoffversorgungseinheit, eines Wasserstoffgases an ein Reservoir, in dem Kondenswasser von einer Anode bevorratet wird; Pumpen, durch ein Reservoir, eines Wasserstoffgases und von Kondenswasser und Ausströmen des Wasserstoffgases und des Kondenswassers an die Befeuchtungsvorrichtung; Zuführen, durch eine Luftversorgungseinheit, von Druckluft von einem Luftkompressor an die Befeuchtungsvorrichtung; Austauschen, durch das eingedüste Wasserstoffgas und das Kondenswasser, von Wärme mit der Druckluft in der Befeuchtungsvorrichtung; und Zuführen, durch die Befeuchtungsvorrichtung, des Wasserstoffgases und der Druckluft, in denen Wärme in einem befeuchteten Zustand ausgetauscht wird, an eine Anode beziehungsweise eine Kathode.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Wasserstoffgas, das an der Anode nicht umgesetzt wird, in das Reservoir eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Reservoir ein Wasserstoffgas, Kondenswasser und ein Wasserstoffgas, das an der Anode nicht umgesetzt wird, pumpt, und das Wasserstoffgas, das Kondenswasser und das Wasserstoffgas in einer Form eines einen übersättigten Dampf aufweisenden Wasserstoffgases ausströmt, und eine Wasserstoffversorgungsleitung das einen übersättigten Dampf aufweisende Wasserstoffgas an die Befeuchtungsvorrichtung zuführt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Befeuchtungsvorrichtung einen Wärmetauscher aufnimmt, durch welchen das einen übersättigten Dampf aufweisende Wasserstoffgas strömt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wärmetauscher an der Mitte eines Hohlfasermembran-Moduls der Befeuchtungsvorrichtung gebildet ist und das einen übersättigten Dampf aufweisende Wasserstoffgas Wärme beim Strömen in einer Rückwärtsrichtung zu einem Strom von trockener Luft austauscht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wärmetauscher an der stromaufwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung gebildet ist und das einen übersättigten Dampf aufweisende Wasserstoffgas Wärme mit trockener Luft, die in die Befeuchtungsvorrichtung eingedüst wird, beim Strömen in einer vertikalen Richtung zu einem Strom von trockener Luft austauscht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wärmetauscher an der stromabwärts liegenden Seite der Befeuchtungsvorrichtung gebildet ist und das einen übersättigten Dampf aufweisende Wasserstoffgas Wärme beim Strömen in einer vertikalen Richtung zu einem Strom von trockener Luft austauscht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wärmetauscher in einem Einlass gebildet ist, in welchen feuchte Luft eingedüst wird, das einen übersättigten Dampf aufweisende Wasserstoffgas in einer vertikalen Richtung zu einem Strom von feuchter Luft gebildet wird und das einen übersättigten Dampf aufweisende Wasserstoffgas Wärme mit der feuchten Luft austauscht.