DE102014224280A1

DE102014224280A1 - Befeuchtungseinrichtung für Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem mit Befeuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102014224280A1
Application number: DE102014224280.0A
Authority: DE
Inventors: Hyunyoo Kim; Hyuck Roul Kwon
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-02-04
Also published as: CN105322199B; KR20160016042A; US9620798B2; CN105322199A; KR101807015B1; US20160036074A1

Abstract

Hierin offenbart ist eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle. Die Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle, welche Membranbefeuchtung des Abgases, welches von einer Kathode einer Brennstoffzelle ausgegeben wurde, und Trockenluft, welche durch einen Luftkompressor zugeführt wurde, ausführt, und die Befeuchtungsluft zu der Kathode zuführt, beinhaltet: ein Hauptmembranmodul, welches einige Bündel an ersten Hohlfasermembranen aufweist, welche in dem Hauptmembranmodul angeordnet sind, und ein Untermembranmodul, welches mit dem Hauptmembranmodul verbunden ist, und einige Bündel von zweiten Hohlfasermembranen beinhaltet, welche in dem Untermembranmodul angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug. Insbesondere betrifft vorliegende Erfindung eine Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten von Reaktionsgas, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird.
HINTERGRUND
Im Allgemeinen ist ein Brennstoffzellensystem ein Energieerzeugungssystem, welches elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Luft durch eine Brennstoffzelle erzeugt. Zum Beispiel wird das Brennstoffzellensystem auf ein Brennstoffzellenfahrzeug angewendet, um ein Fahrzeug durch Betreiben eines elektrischen Motors anzutreiben.
Das Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Stapel, welcher ausgebildet ist aus einer Elektrizitätserzeugungsanordnung aus Brennstoffzelleneinheiten, welche aus einer Kathode und einer Anode, einer Luftzuführeinrichtung zum Zuführen von Luft zu der Kathode der Brennstoffzelle, und einer Wasserstoffzuführeinrichtung zum Zuführen von Wasserstoff zu der Anode der Brennstoffzelle zusammengesetzt sind.
Unterdessen wird in einer Polymerbrennstoffzelle eine geeignete Feuchtigkeit zur Verfügung gestellt, so dass eine Ionenaustauschmembran einer Membran-Elektrodenanordnung (EEA) sanft betrieben werden kann. Als solche beinhaltet die Luftzuführeinrichtung des Brennstoffzellensystems eine Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten der Luft, welche der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Zum Beispiel befeuchtet die Befeuchtungseinrichtung trockene Luft, welche durch einen Luftkompressor der Luftzuführeinrichtung zugeführt wurde, unter Verwendung von Feuchtigkeit in stark erwärmter und hochfeuchter Luft, welche ausgegeben wird von der Kathode der Brennstoffzelle, und die befeuchtete Luft zu der Kathode der Brennstoffzelle führt.
Wie die Befeuchtungseinrichtung, wurden verschiedene Arten von Befeuchtungseinrichtungen, wie zum Beispiel eine Blasen-Typ Befeuchtungseinrichtung, eine Einspritz-Typ Befeuchtungseinrichtung, eine Platten-Typ Befeuchtungseinrichtung, eine Adsorbier-Typ Befeuchtungseinrichtung, und ein Membrantyp der Befeuchtungseinrichtung und Ähnliches entwickelt. Jedoch wurde die Membran-Typ Befeuchtungseinrichtung, welche ein reduziertes Volumen aufweist, angewendet für die Brennstoffzellen, welche in einem Fahrzeug verwendet werden, da der Raum begrenzt ist. Die Membran-Typ Befeuchtungseinrichtung, welche oben beschrieben wurde, weist den Vorteil auf, dass die Membran-Typ Befeuchtungseinrichtung nicht besondere Energie benötigt, sowie den Vorteil hinsichtlich der Größe.
In der Membran-Typ Befeuchtungseinrichtung (hiernach als Membran-Befeuchtungseinrichtung bezeichnet) wird Befeuchtung ausgeführt durch Austausch von Feuchtigkeit zwischen Gasen, wie zum Beispiel zwischen stark erwärmten und hochfeuchten Abgas, welches von der Kathode der Brennstoffzelle abgegeben wurde, und Trockenluft, welche über den Luftkompressor zugeführt wurde.
Jedoch weist die Membran-Typ Befeuchtungseinrichtung ein reduziertes Volumen im Vergleich zu anderen Typen von Befeuchtungseinrichtungen auf, aber während dem Austausch von Feuchtigkeit zwischen Gas und Gas, kann die Membran Befeuchtungseinrichtung ein wesentliches Volumen als eine Fahrzeugkomponente aufweisen, wobei die Membran-Befeuchtungseinrichtung unvorteilhaft in der Verpackung sein kann.
Ferner kann Wasser kondensiert werden in der Befeuchtungseinrichtung aufgrund der funktionalen Charakteristik der Membran-Befeuchtungseinrichtung gemäß der verwandten Technik. Da das kondensierte Wasser, wie oben beschrieben, frieren kann bei kalten Wetterbedingungen, kann ein Luftkanal in der Befeuchtungseinrichtung sicher verkleinern, so dass eine Last des Luftkompressors ansteigen kann aufgrund eines Anstiegs im Druck, und daher kann die Energieaufnahme des Luftkompressors ansteigen. Demzufolge kann die Brennstoffeffizienz des Brennstoffzellenfahrzeuges verschlechtert sein.
Ferner, wenn das kondensierte Wasser in der Befeuchtungseinrichtung friert bei kalten Wetterbedingungen, kann ein Membranmodul der Befeuchtungseinrichtung geschädigt werden durch eine Volumenexpansion des gefrorenen Kondenswassers, und die Befeuchtungsleistung der Befeuchtungseinrichtung kann verschlechtert sein.
Unterdessen steigt eine Temperatur von Luft, welche von einem Luftkompressor komprimiert wurde, zur Zeit eines Leistungsbetriebes des Stapels auf ungefähr 100–150° auf Grund des Kompressionsverhältnisses und einer beträchtlichen Menge an Luft an.
Da die Temperatur der komprimierten Luft, wie oben beschrieben wurde, größer ist als eine normale Betriebstemperatur von ungefähr 60–80°C des Stapel, agiert die Temperatur als Nachteilbedingung der Befeuchtungseffizienz der Befeuchtungseinrichtung und der Betriebseffizienz des Stapels. Die erhöhte Temperatur von komprimierter Luft, welche zugeführt wird zu der Befeuchtungseinrichtung durch den Luftkompressor, muss verringert werden in dem Brennstoffzellensystem.
Ferner, in einem Turbo-typ Luftkompressor, welcher sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, können die Kühlung eines Motors, welcher einen Propeller dreht, und eines Lager, welches eine Drehwelle des Motors stürzt, wichtige Ausgestaltungsfaktoren werden, welche die Leistung und eine Lebensdauer der gesamten Einrichtung bestimmen.
Insbesondere, wenn Wärme, welche in einer Spulenwindung und einen Magneten eines Motors erzeugt wird, nicht geeignet gekühlt wird in dem Motor, kann die Spule beschädigt werden, oder die Isolation kann verschlechtert werden. Ferner, wenn ein Seltenerdenelement-basierter Magnet in dem Motor verwendet wird, kann die Kühlung des Magneten auch wichtig sein, da der Magnet verschlechtert werden kann aufgrund von Hochtemperatur-Entmagnetisierung.
Zusätzlich wird das Lager zum Tragen der Drehwelle angewendet auf den Motor des Luftkompressors. Obwohl verschiedene Arten von Lagern unterschiedliche Temperaturbereiche aufweisen, können geeignete Temperaturen gemäß der Art, oder eines Materials des Lagers bestimmt werden, und das Lager muss auch geeignet gekühlt werden.
Als solche werden gemäß der verwandten Technik ein zwischenkühler, eine Wasserpumpe, und oder ähnliches in einem Luftzuführpfad installiert, der den Luftkompressor und die Befeuchtungseinrichtung verbindet, als Beispiel einer Kühleinheit zum Kühlen von Luft, welche von dem Luftkompressor zugeführt wurde.
Jedoch werden Kühleinheiten, wie zum Beispiel ein Zwischenkühler, eine Wasserpumpe und/oder ähnliches gemäß der Verwandten Technik zusätzlich installiert zum Kühlen der Luft, welche durch den Luftkompressor komprimiert wurde, wie z. B. die Luftzuführeinrichtung zum Zuführen von Luft zu dem Stapel, welches unvorteilhaft ist hinsichtlich der Verpackung des gesamten Brennstoffzellensystems.
Die obigen Informationen, welche in diesem Hintergrundabschnitt offenbart sind, sind nur zur Steigerung des Verständnisses des Hintergrundes der Erfindung, und können daher Information beinhalten, welche nicht Stand der Technik bilden, welcher einem Fachmann mit gewöhnlichen Fachkenntnissen in diesem Land schon bekannt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle zur Verfügung, welche separat befeuchtete Befeuchtungsluft zu einem Lufteinlassende eines Luftkompressors, und Befeuchtungsluft, welche zu den Kathoden der Brennstoffzellen zugeführt wird, zirkulieren kann.
Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung, welches separat befeuchtete Befeuchtungsluft zu einem Lufteinlassende eines Luftkompressors zirkulieren kann, um den Luftkompressor in einem Luftzuführsystem zu kühlen, wodurch die Befeuchtungsleistung verbessert wird.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt, welche Membranbefeuchtung von Abgas, welches abgegeben wurde von einer Kathode der Brennstoffzelle, und von Trockenluft ausführt, welche durch einen Luftkompressor zugeführt wurde, und ferner die Befeuchtungsluft der Kathode zuführt. Die Befeuchtungseinrichtung kann beinhalten: ein Hauptmembranmodul, welches einige Bündel von ersten Hohlfasermembranen beinhaltet, welche in der Hauptmembran angeordnet sind; und ein Untermembranmodul, welches mit dem Hauptmembranmodul verbunden ist, und einige Bündel von zweiten Hohlfasermembranen beinhaltet, welche in dem Untermembranmodul angeordnet oder konzentriert sind.
Die Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Befeuchtungsluft, welche ausgegeben wurde von dem Hauptmembranmodul, zu der Kathode der Brennstoffzelle zuführen.
Die Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Befeuchtungsluft, welche ausgegeben wurde von dem Untermembranmodul, zu Lufteinlassende des Luftkompressors zuführen.
In der Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Untermembranmodul zu einem Lufteinlassende des Kompressors über eine Kreislaufleitung verbunden werden, und kann die Befeuchtungsluft zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors über die Kreislaufleitung zuführen.
In der Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Untermembranmodul zu einer Trockenluftzuführleitung zum Zuführen der Trockenluft zu dem Hauptmembranmodul verbunden sein, aber auch zu einem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Abzweigeleitung verbunden sein, welche von der Trockenluftzuführleitung abgezweigt ist.
In der Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul integral miteinander in einem einzigen Gehäuse bereitgestellt sein.
In der Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul durch eine Trennwand in dem Gehäuse voneinander getrennt sein.
In der Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Gehäuse beinhalten: ein erstes Einflussteil, durch welches die Trockenluft durch den Luftkompressor in das Hauptmembranmodul eingeführt wird; ein zweites Einflussteil, durch welches ein Teil der Trockenluft, welche durch den Luftkompressor in das Untermembranmodul zugeführt wurde, eingeführt wird; ein drittes Einflussteil, durch welchen das Abgas, welches von der Kathode der Brennstoffzelle ausgegeben wurde, in das Hauptmembranmodul geführt wird; ein viertes Einflussteil, welches in der Trennwand ausgebildet ist, und das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul miteinander verbindet, und das Abgas in das Untermembranmodul einführt; ein erstes Abgasteil, welches die Befeuchtungsluft, welche in dem Hauptmembranmodul befeuchtet wurde, ausgibt; ein zweites Abgasteil, welches die Befeuchtungsluft, welche in dem Untermembranmodul befeuchtet wurde, ausgibt; und ein drittes Abgasteil, welches das Abgas abgibt, in welchem die Feuchte entfernt wurde, während das Abgas von dem Hauptmembranmodul durch das Untermembranmodul verläuft.
In der Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das erste Einflussteil zu einem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Trockenluftzuführleitung verbunden sein.
In der Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zweite Einflussteil zu dem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Abzweigleitung, welche sich von der Trockenluftzuführleitung abzweigt, verbunden sein.
In der Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zweite Abgasteil zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors über eine Kreislaufleitung verbunden sein.
In der Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das vierte Einflussteil durch ein Verbindungsloch, welches das Hauptmembranmodul mit dem Untermembranmodul miteinander verbindet, ausgebildet sein.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung, welches aufweisen kann: einen Stapel, welcher aus einer elektrizitätserzeugenden Anordnung aus Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet ist; einen Luftkompressor zum Zuführen von Luft zu einer Kathode einer Brennstoffzelle; eine Befeuchtungseinrichtung, welche verbunden ist mit dem Luftkompressor und Membranbefeuchtung des Abgases ausführt, welches von der Kathode ausgegeben wurde, und der Trockenluft, welche durch den Luftkompressor zugeführt wurde; und einen Wasserstofftank zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Anode der Brennstoffzelle. Insbesondere kann die Befeuchtungseinrichtung beinhalten: ein Hauptmembranmodul, welches einige Bündel von ersten Hohlfasermembranen beinhaltet, welche in dem Hauptmembranmodul angeordnet sind, und ein Untermembranmodul beinhaltet, welches mit dem Hauptmembranmodul verbunden ist, und einige Bündel von zweiten Hohlfasermembranen beinhaltet, welche in dem Untermembranmodul angeordnet oder konzentriert sind.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Befeuchtungsluft, welche abgegeben wurde von dem Untermembranmodul, in ein Lufteinlassende des Luftkompressors über eine Kreislaufleitung zugeführt werden, und Trockenluft, welche in dem Luftkompressor komprimiert wird, durch die Befeuchtungsluft gekühlt werden.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Befeuchtungseinrichtung die Trockenluft, welche von dem Luftkompressor zugeführt wurde, zu dem Hauptmembranmodul durch eine Trockenluftzuführleitung zuführen.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Befeuchtungseinrichtung einen Teil der Trockenluft zu dem Untermembranmodul durch eine Abzweigeleitung, welche sich von der Trockenluftzuführleitung abzweigt, zuführen.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Befeuchtungseinrichtung die Befeuchtungsluft, welche ausgegeben wurde von dem Hauptmembranmodul, zu der Kathode der Brennstoffzelle durch eine Befeuchtungsluftzuführleitung zuführen.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Befeuchtungseinrichtung die Befeuchtungsluft, welche abgegeben wurde von dem Untermembranmodul, zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors über eine Kreislaufleitung zuführen.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul integral in einem einzigen Gehäuse bereitgestellt sein, und voneinander durch eine Trennwand in dem Gehäuse getrennt sein.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Gehäuse beinhalten: ein erstes Einflussteil zum Einführen der Trockenluft, welche durch den Luftkompressor zugeführt wurde, in das Hauptmembranmodul; ein zweites Einflussteil, welches einen Teil der Trockenluft, welche durch den Luftkompressor geliefert wurde, in das Untermembranmodul einführt; ein drittes Einflussteil, zum Einführen des Abgases, welches von der Kathode der Brennstoffzelle abgegeben wurde, in das Hauptmembranmodul; ein viertes Einflussteil, welches in der Trennwand ausgebildet ist, und das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul miteinander verbindet, und das Abgas in das Untermembranmodul einführt; ein erstes Abgasteil, welches die Befeuchtungsluft abgibt, welche in dem Hauptmembranmodul befeuchtet wurde; ein zweites Abgasteil, welches die Befeuchtungsluft abgibt, welche in dem Untermembranmodul befeuchtet wurde; ein drittes Abgasteil, welches Abgas abgibt, in welchem die Feuchtigkeit entfernt wurde während das Abgas von dem Hauptmembranmodul durch das Untermembranmodul verläuft.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das erste Einflussteil zu einem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Trockenluftzuführleitung verbunden sein.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zweite Einflussteil zu dem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Abzweigleitung, welche sich abzweigt von der Trockenluftzuführleitung, verbunden sein.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das dritte Einflussteil zu der Kathode der Brennstoffzelle über eine Luftauslassleitung verbunden sein.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das erste Einflussteil zu der Kathode der Brennstoffzelle über eine Befeuchtungsluftzuführleitung verbunden sein.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das zweite Abgasteil zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors über eine Kreislaufleitung verbunden sein.
Bevorzugte Fahrzeuge der vorliegenden Erfindung können das Brennstoffzellensystem wie hierin beschrieben umfassen.
Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, da die Befeuchtungsluft, welche abgegeben wurde von dem Untermembranmodul, zu den Lufteinlassende des Luftkompressors zirkuliert wird, kann eine Temperatur von komprimierter Luft in dem Luftkompressor reduziert werden, und Konfigurationskomponenten des Luftkompressors können gekühlt werden durch die komprimierte Luft, dessen Temperatur gekühlt wird, wodurch die aerodynamische Leistung und Effizienz des Luftkompressors verbessert wird.
Zusätzlich kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine relative Feuchte der Luft, welche zu der Befeuchtungseinrichtung zugeführt wird, steigen, da die Befeuchtungsluft, welche von dem Untermembranmodul abgegeben wurde, zirkuliert wird zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors, so dass eine Last der Befeuchtungseinrichtung sich verringern kann, die Befeuchtungseinrichtung der Befeuchtungseinrichtung verbessert werden kann, und eine Größe der Befeuchtungseinrichtung verringert werden kann.
Zusätzlich kann gemäß verschiedener beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine separate Kühleinheit, wie zum Beispiel ein Zwischenkühler, eine Wasserpumpe und Ähnliches, wie in der Verwandten Technik, ausgelassen werden, da der Luftkompressor gekühlt wird durch Zirkulation der Befeuchtungsluft, welche ausgegeben wurde von dem Untermembranmodul zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors, und die Größe der Befeuchtungseinrichtung kann abnehmen durch Steigern der relativen Feuchtigkeit der Luft, welche zu der Befeuchtungseinrichtung zugeführt wurde, wodurch die Verpackung des gesamten Brennstoffzellensystems verringert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Figuren werden bereitgestellt, um beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, so dass die technische Idee der vorliegenden Erfindung nicht auf die beigefügten Figuren beschränkt ist.
1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Schnittansicht, welche schematisch eine beispielhafte Befeuchtungseinrichtung für eine beispielhafte Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 zeigt einen beispielhaften Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 und 5 zeigen Vergleichsbeispiele zum Beschreiben eines beispielhaften Betriebseffekts eines beispielhaften Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bezugszeichen, welche in den 1 bis 5 verwendet werden, beinhalten einen Bezug auf die folgenden Elemente, wie weiter unten diskutiert:
Bezugszeichenliste

10: Stapel
11: Brennstoffzelle
12: Membranelektrodenanordnung
13: Kathode
15: Anode
30: Luftkompressor
50: Wasserstofftank
71: Luftzuführleitung
73: Abzweigleitung
75: Abgasleitung
77: Befeuchtungsluftzuführleitung
79: Kreislaufleitung
100: Brennstoffzellensystem
110: Gehäuse
115: Trennwand
131: erstes Einflussteil
132: zweites Einflussteil
133: drittes Einflussteil
134: viertes Einflussteil
136: Verbindungsloch
151: erstes Abgasteil
152: zweites Abgasteil
153: drittes Abgasteil
200: Befeuchtungseinrichtung
210: Hauptmembranmodul
211: erste Hohlfasermembran
230: Untermembranmodul
231: zweite Hohlfasermembran

GENAUE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun genauer beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Figuren, in welchen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt werden, so dass Fachmänner in der Technik einfach die vorliegende Erfindung anwenden können. Fachmänner in der Technik würden bemerken, dass die beschriebenen Ausführungsformen modifiziert werden können auf verschiedene Weise, ohne wegzutreten vom Geist und Bereich der vorliegenden Erfindung.
Um die vorliegende Erfindung zu verdeutlichen, werden Teile, welche nicht mit der Beschreibung verbunden sind, weggelassen, und gleiche Elemente oder Äquivalente werden mit gleichen Bezugszeichen durch die Spezifikation bezeichnet.
Die Größe und Dicke von jedem Element sind schematisch in den Figuren gezeigt zur Vereinfachung der Erklärung, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt, und in den Figuren sind die Dicke der Teile Regionen etc. vergrößert zur Deutlichkeit.
Überdies wird die Verwendung der Ausdrücke erste, zweite etc. verwendet, um ein Element von dem anderen zu unterscheiden, und sind nicht beschränkt auf die Reihenfolge der folgenden Beschreibung.
Zusätzlich, soweit nicht ausdrücklich gegensätzlich beschrieben, werden die Wörter „aufweisen” und Variationen wie zum Beispiel „aufweist” oder „aufweisend” verstanden, um das Vorhandensein der genannten Elemente zu implizieren, jedoch nicht das Nichtvorhandensein von anderen Elementen.
Ferner stellen die Ausdrücke „Einheit”, „Mittel”, „-er”, „Bauteil” etc., welche in dieser Spezifikation beschrieben werden, eine Ausgestaltungseinheit zum Ausführen von zumindest einer Funktion oder einer Betätigung dar.
1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Wie dargestellt in 1 erzeugt das Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion von Wasserstoff als Brennstoff und Luft als Oxidant. Das Brennstoffzellensystem 100 kann beinhaltet sein in einem Brennstoffzellenfahrzeug, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Stapel 10, einen Luftkompressor 30, eine Befeuchtungseinrichtung 200, und einen Wasserstofftank 500, und jede der Komponenten wird unten beschrieben.
Der Stapel ist ausgebildet aus einer elektrizitätserzeugenden Anordnung von Brennstoffzelleneinheiten, bei der eine Kathode 13 und eine Anode 15 und ein Separator, welcher auch als „Separatorplatte” oder „Bipolarplatte” in der Technik bezeichnet wird, an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 angeordnet sind.
In den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 wird stark erwärmte und hochfeuchte Luft (hiernach auch als „Abgas” bezeichnet) ausgegeben, und in den Anoden 15 der Brennstoffzellen wird stark erwärmter und hochfeuchter Wasserstoff ausgegeben als nicht reagierter Wasserstoff.
Der Luftkompressor 30, welcher Luft zu den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 zuführt, saugt Sauerstoff in der Luft (hiernach auch als „Trockenluft” bezeichnet), und komprimiert die Trockenluft, um die komprimierte Luft zu einer Befeuchtungseinrichtung 100 zuzuführen, welche unten beschrieben wird.
Da der Luftkompressor 30 Trockenluft mit einem hohen Kompressionsverhältnis bei hoher Energieleistung des Stapels 10 komprimiert, kann eine Temperatur der komprimierten Luft steigen, welches einen negativen Einfluss auf die Befeuchtungseffizienz der Befeuchtungseinrichtung 200 und der Betriebseffizienz des Stapels 10 hat. Ferner kann Wärme erzeugt werden in Ausgestaltungskomponenten wie zum Beispiel einem Kompressionsteil, einem Antriebsmotor, einem Lager und ähnlichem.
In der Befeuchtungseinrichtung 200 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Membranbefeuchtung des Abgases, welches ausgegeben wurde von den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11, und der Trockenluft, welche zugeführt wurde von dem Luftkompressor 300, ausgeführt werden durch Austausch von Feuchtigkeit zwischen Gas und Gas, und die befeuchtete Luft (hiernach als „Befeuchtungsluft” bezeichnet) kann zugeführt werden zu den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11. Insbesondere kann die Befeuchtungseinrichtung 200 verbunden werden zu dem Luftkompressor 30 durch eine Trockenluftzuführleitung 71.
Eine genaue Beschreibung einer Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung 200 für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten mit Bezug auf 2 zur Verfügung gestellt.
Der Wasserstofftank 30, welcher Wasserstoff zu den Anoden 15 der Brennstoffzellen 11 zuführt, kann Wasserstoff speichern und Wasserstoff zu den Anoden 15 führen.
Da Ausgestaltungen des Stapels 10, des Luftkompressors 30 und des Wasserstofftanks 50 wie oben beschrieben allgemein im Stand der Technik bekannt sind, wird eine genaue Beschreibung davon in der vorliegenden Spezifikation ausgelassen.
In dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Befeuchtungseinrichtung 200 für eine Brennstoffzelle, welche fähig ist, um getrennt die befeuchtete Befeuchtungsluft zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors 300 zu zirkulieren und die Befeuchtungsluft zu den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 zu liefern, zur Verfügung gestellt sein.
Zusätzlich wird die Befeuchtungseinrichtung 200 für eine Brennstoffzelle, welche fähig ist zum separaten Zirkulieren der Befeuchtungsluft zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors 300, um den Luftkompressor 30 in einem Luftzuführungssystem zu kühlen, und die Befeuchtungsleistung verbessert, zur Verfügung gestellt, und das Brennstoffzellensystem 100, welches die Befeuchtungseinrichtung 200 beinhaltet, kann auch zur Verfügung gestellt werden.
Hiernach wird eine Ausgestaltung der Befeuchtungseinrichtung 200, welche auf eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird, in Genauigkeit mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
2 ist eine Schnittansicht, welche eine beispielhafte Befeuchtungseinrichtung für eine beispielhafte Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie dargestellt in den 1 und 2 kann die Befeuchtungseinrichtung 200 für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 110 und ein Hauptmembranmodul 210 und ein Untermembranmodul 230 beinhalten, welche integral miteinander in dem Gehäuse 110 zur Verfügung gestellt sind, und wobei jede der Ausgestaltungen unten beschrieben wird.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können in dem Gehäuse 110 ein Hauptmembranmodul 210 und ein Untermembranmodul 230 integral miteinander zur Verfügung gestellt sein, und das Gehäuse 110 kann, ist jedoch nicht darauf beschränkt, ein Einzelgehäuse oder ein Gehäuse sein, welches partitioniert ist in zwei oder mehrere Teile, um das Hauptmembranmodul 210 und das Untermembranmodul 230 zu tragen.
Das Gehäuse 110 kann ferner verschiedene zusätzliche Komponenten zum Tragen des Hauptmembranmoduls 210 und des Untermembranmoduls 230 beinhalten, wie zum Beispiel verschiedene Klammern, Blöcke, Vorsprünge, Rippen, Hülsen und ähnliches.
Dennoch werden die oben genannten verschiedenen Zusatzkomponenten in der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammengefasst als das Gehäuse 110 bezeichnet, außer für einen Spezialfall, da die oben genannten verschiedenen Zusatzkomponenten zur Verfügung gestellt sind, um das Hauptmembranmodul 210 und das Untermembranmodul 230 in dem Gehäuse 110 zu installieren, welche unten weiter beschrieben werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann in dem Hauptmembranmodul 210 Membranbefeuchtung ausgeführt werden durch Austausch von Feuchtigkeit zwischen Gas und Gas, wie zum Beispiel Abgas, welches von den Kathoden 13 der Brennstoffzellen abgegeben wurde, und der Trockenluft, welche von dem Luftkompressor 30 zugeführt wurde.
Das Hauptmembranmodul 210 kann die Befeuchtungsluft abgeben, welche erhalten wurde durch Membranbefeuchtung durch Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Abgas und der Trockenluft, und kann die Befeuchtungsluft den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 zuführen.
Das Hauptmembranmodul 210 kann einige Bündel von ersten Hohlfasermembranen 211 beinhalten, welche dicht in dem Gehäuse 110 angeordnet sind. Insbesondere kann das Hauptmembranmodul 210 in dem Gehäuse 110 fixiert sein durch eine Trageeinheit, welche aus einem Polymermaterial ausgebildet ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Membranbefeuchtung in dem Untermembranmodul 230 separat von dem Hauptmembranmodul 210 ausgeführt werden durch Austausch von Feuchtigkeit zwischen dem Abgas, welches von den Kathoden 13 der Brennstoffzellen abgegeben wurde, und der Trockenluft, welche von dem Luftkompressor 30 zugeführt wurde.
Das Untermembranmodul 230 kann getrennte Befeuchtungsluft abgeben, welche erhalten wurde durch Membranbefeuchtung durch Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Abgas und der Trockenluft, und kann die Befeuchtungsluft zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors 30 führen.
Das Untermembranmodul 230 kann verbunden sein zu dem Hauptmembranmodul 210 in dem Gehäuse 110, und kann einige Bündel von zweiten Hohlfasermembranen 231 beinhalten, welche dicht in dem Gehäuse 110 angeordnet sind. Insbesondere kann das Untermembranmodul 230 fixiert werden in dem Gehäuse 110 durch eine Trageeinheit, welche aus Polymermaterial ausgebildet ist.
Das Hauptmembranmodul 210 und das Untermembranmodul 230 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können, wie oben beschrieben, integral miteinander in dem Gehäuse 110 bereitgestellt sein.
Ferner können das Hauptmembranmodul 210 und das Untermembranmodul 230 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung partitioniert in dem Gehäuse 110 zur Verfügung gestellt sein, um getrennt durch eine Trennwand 115 zu sein.
In dem Gehäuse 110, wie oben beschrieben, kann ein Verteiler das Abgas, welches abgegeben wurde von den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11, und die Trockenluft, welche zugeführt wurde durch den Luftkompressor 20, jeweils dem Hauptmembranmodul 210 und dem Untermembranmodul 120 zuführen. Der Verteiler kann auch die Befeuchtungsluft abgeben, welche erhalten wurde durch Membranbefeuchtung durch Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Abgas und der Trockenluft in dem Hauptmembranmodul 210 und dem Untermembranmodul 230, und ferner Gas zu der Außenseite abgeben, in welchem die Feuchtigkeit entfernt wurde.
Insbesondere kann das Gehäuse 110 beinhalten: ein erstes Einflussteil 131 zum Einführen der Trockenluft, welche durch den Luftkompressor 30 in das Hauptmembranmodul 210 geliefert wurde; ein zweites Anschlussteil 132 zum Einführen eines Teils der Trockenluft, welche durch den Luftkompressor 30 zugeführt wurde, in das Untermembranmodul 230; und ein drittes Einflussteil 133 zum Einführen des Abgases, welches von den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 abgegeben wurde, in das Hauptmembranmodul 210.
Zusätzlich kann ein viertes Einflussteil 134 als ein Verbindungsloch 136, welches das Hauptmembranmodul 210 und das Untermembranmodul 230 miteinander verbindet, ausgebildet sein in der Trennwand 115, welche das Hauptmembranmodul 210 und das Untermembranmodul 230 in dem Gehäuse 110 voneinander trennt.
Das vierte Einflussteil 134, wie oben beschrieben, kann das Abgas, welches eingeführt wurde in das Hauptmembranmodul durch das dritte Einflussteil 133, in das Untermembranmodul 230 durch das Verbindungsloch 136 einführen.
Zusätzlich kann das Gehäuse 110 ferner beinhalten: ein erstes Abgasteil 151 zum Abgeben der Befeuchtungsluft, welche in dem Hauptmembranmodul 210 befeuchtet wurde; ein zweites Abgasteil 152 zum Abgeben der Befeuchtungsluft, welche in dem Untermembranmodul 230 befeuchtet wurde; und ein drittes Abgasteil 153 zum Abgeben von Gas, in welchem Feuchtigkeit entfernt wurde, während das Gas durch das Untermembranmodul 220 von dem Hauptmembranmodul 210 verläuft.
In dem Gehäuse 110, wie oben beschrieben, kann das erste Einflussteil 130 verbunden sein zu einem Luftauslassende des Luftkompressors 30 durch eine Trockenluftzuführleitung 71. Demzufolge kann das Hauptmembranmodul 210 verbunden sein zu dem Luftauslassende des Luftkompressors 30 durch das erste Einflussteil 131 und der Trockenluftzuführleitung 71. Als solche kann die Trockenluft, welche von dem Luftkompressor 30 geliefert wurde, zu dem Hauptmembranmodul 210 durch die Trockenluftzuführleitung 71 zugeführt werden gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das zweite Einflussteil 132 kann verbunden sein mit dem Luftauslassende des Luftkompressors 30 durch eine Abzweigeleitung 73, welche sich von der Trockenluftzuführleitung 71 abzweigt. Demzufolge kann das Untermembranmodul 230 verbunden sein zu der Trockenluftzuführleitung 71 durch das zweite Einflussteil 132 und der Abzweigeleitung 73, und verbunden sein zu dem Luftauslassende des Luftkompressors 30 durch die Trockenluftzuführleitung 71. Als solche kann ein Teil der Trockenluft gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugeführt werden zu dem Untermembranmodul 230 durch die Abzweigeleitung 73, welche sich von der Trockenluftzuführleitung 71 abzweigt, während eines Prozesses des Zuführens der Trockenluft von dem Luftkompressor 30 über die Trockenluftzuführleitung 71.
Das dritte Einflussteil 133 kann verbunden sein zu den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 durch die Luftabgabeleitung 75. Demzufolge kann das Hauptmembranmodul 210 verbunden sein zu den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 über das dritte Einflussteil 133 und der Luftabgabeleitung 75. Als solche kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das stark erwärmte und hochfeuchte Abgas, welches von den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 abgegeben wurde, zugeführt werden zu dem Hauptmembranmodul 210 über die Luftabgabeleitung 75.
Das vierte Einflussteil 134, welches wie oben beschrieben in der Trennwand 115 ausgebildet ist, kann das Hauptmembranmodul 210 und das Untermembranmodul 230 miteinander verbinden, und das Abgas, welches eingeführt wurde in das Hauptmembranmodul 210 durch das dritte Einflussteil 133, in das Untermembranmodul 230 einführen.
Das erste Abgasteil 151 kann verbunden sein zu den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 über eine Befeuchtungsluftzuführleitung 77. Demzufolge kann das Hauptmembranmodul 210 verbunden sein zu den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 über das erste Abgasteil 151 und die Befeuchtungsluftzuführleitung 77. Als solche kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Befeuchtungsluft, welche durch die erste Abgasleitung des Hauptmembranmoduls 210 abgegeben wurde, zugeführt werden zu den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 über die Befeuchtungsluftzuführleitung 77.
Das zweite Abgasteil 152 kann verbunden sein zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors 30 über eine Kreislaufleitung 79. Demzufolge kann das Untermembranmodul 230 verbunden sein zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors 30 über das zweite Abgasteil 152 und die Kreislaufleitung 79. Als solche kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden die Befeuchtungsluft, welche abgegeben wurde durch das zweite Abgasteil 252 des Untermembranmoduls 230, zugeführt werden oder zirkuliert werden zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors 30 über die Kreislaufleitung 79, und daher kann die Trockenluft, welche komprimiert wird in dem Luftkompressor 30, gekühlt werden durch die Befeuchtungsluft.
Zusätzlich kann das dritte Abgasteil 153, welches zu dem Untermembranmodul 230 verbunden ist, das Abgas abgeben, in welchem die Feuchtigkeit entfernt wurde während das Abgas durch das Untermembranmodul 230 von dem Hauptmembranmodul 210 zu der Außenseite oder zu der Luft verläuft.
Hiernach werden Arbeitsschritte der Befeuchtungseinrichtung 200 für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche wie oben beschrieben ausgebildet ist, und des Brennstoffzellensystems 100, welches dasselbe aufweist, in Genauigkeit mit Bezug zu den oben genannten Figuren und den beigefügten Figuren beschrieben.
3 zeigt einen beispielhaften Betrieb eines beispielhaften Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie dargestellt in 3 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während eines Prozesses des Erzeugens von elektrischer Energie als eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Luft durch die Brennstoffzellen 11 des Stapels 10 stark erwärmtes und hochfeuchtes Abgas abgegeben werden von den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11.
Danach kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Abgas, welches von den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 abgegeben wurde, zugeführt werden zu dem Hauptmembranmodul 210 durch die Luftabgabeleitung 75 und das dritte Einflussteil 133.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann während diesem Prozess die Trockenluft, welche zugeführt wurde durch den Luftkompressor 30, zugeführt werden zu dem Hauptmembranmodul 210 durch die Trockenluftzuführleitung 71 und das erste Einflussteil 131.
Hierbei kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eines Prozesses des Zuführens der Trockenluft, welche zugeführt wird von dem Luftkompressor 30 zu dem Hauptmembranmodul 210 über die Trockenluftzuführleitung 71, ein Teil der Trockenluft zugeführt werden zu dem Untermembranmodul 230 durch die Abzweigeleitung 73, welche sich abzweigt von der Trockenluftzuführleitung 71 und dem zweiten Einflussteil 132.
Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann Membranbefeuchtung durchgeführt werden durch Austausch von Feuchtigkeit zwischen Gas und Gas, oder alternativ durch Austausch von Feuchtigkeit zwischen dem Abgas und der Trockenluft in dem Hauptmembranmodul 210. Die Befeuchtungsluft kann nachfolgend abgegeben werden zu dem ersten Abgasteil 151. Insbesondere kann die Befeuchtungsluft zugeführt werden zu den Kathoden 13 der Brennstoffzellen 11 durch die Befeuchtungsluftzuführleitung 77.
Während den oben genannten Prozessen kann das Abgas, welches durch das Hauptmembranmodul 210 verläuft, zugeführt werden zu dem Untermembranmodul 230 in einem feuchtigkeitsbeinhaltenden Zustand durch das vierte Einflussteil 134.
Als solche kann Membranbefeuchtung durch Austausch von Feuchtigkeit zwischen dem Abgas und der Trockenluft ausgeführt werden in dem Untermembranmodul 230, und die Befeuchtungsluft kann ausgegeben werden über das zweite Abgasteil 152.
Nachfolgend kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Befeuchtungsluft, welche durch das zweite Abgasteil 152 abgegeben wurde, wie oben beschrieben zirkuliert werden zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors 30 über die Kreislaufleitung 79.
Demzufolge kann die Befeuchtungsluft, welche Feuchtigkeit beinhaltet, eingeführt werden in den Luftkompressor 30 durch Zirkulation der Befeuchtungsluft, welche von dem Untermembranmodul 230 abgegeben wurde, zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors 30.
Als Konsequenz kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Temperatur der Luft, welche in dem Luftkompressor 30 komprimiert wurde, reduziert werden, und Konfigurationskomponenten des Luftkompressors 30, wie zum Beispiel ein Kompressionsteil, ein Antriebsmotor, ein Lager und ähnliches können gekühlt werden durch die komprimierte Luft, dessen Temperatur gekühlt wird, wodurch die aerodynamische Leistung und die Effizienz des Luftkompressors 30 verbessert werden.
Ferner kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die relative Feuchtigkeit der Luft, welche zugeführt wird zu der Befeuchtungseinrichtung 200, gesteigert werden, so dass eine Belastung der Befeuchtungseinrichtung 200 gesenkt werden kann, und die Befeuchtungsleistung der Befeuchtungseinrichtung 200 gesteigert werden kann, und eine Größe der Befeuchtungseinrichtung 200 auch verkleinert werden kann, da die Befeuchtungsluft, welche von dem Untermembranmodul 230 abgegeben wurde, zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors 30 zirkuliert wird.
Unterdessen, wie oben beschrieben, kann das Abgas, welches durch das Hauptmembranmodul 210 und das Untermembranmodul 230 verläuft, abgegeben werden zu der Luft durch das dritte Abgasteil 153 in einem Zustand, in welchem Feuchtigkeit entfernt wurde.
In der Befeuchtungseinrichtung 200 für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dem Brennstoffzellensystem 100, welches die Befeuchtungseinrichtung 200 wie oben beschrieben aufweist, kann eine separate Kühleinheit wie zum Beispiel ein Zwischenkühler und eine Wasserpumpe wie in der verwandten Technik ausgelassen werden durch die Kühlung der Temperatur der Luft, welche komprimiert wurde in dem Luftkompressor 30, und durch die Zirkulation der Befeuchtungsluft, welche von dem Untermembranmodul 230 abgegeben wurde, zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors 30.
Zusätzlich kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Verzögerung eines Kühlstartzeitpunkts zum Anheben einer Temperatur eines Kühlmittels des Zwischenkühlers im Winter verhindert werden, und daher kann eine Kaltstartzeit des Brennstoffzellensystems verkürzt werden, da die Kühleinheit, wie zum Beispiel der Zwischenkühler, weggelassen wird.
Zusätzlich kann ein vorher bestimmter Betrag an Luft wieder zirkuliert werden zu dem Luftkompressor 30 durch das Untermembranmodul 230 bei hohem Leistungsbetrieb des Stapels 10, wodurch eine Sprungwelle des Luftkompressors 30 verhindert wird gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als solcher kann der Luftkompressor stabil betrieben werden.
Ferner kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Kondenswasser, welches gesammelt wird von einem unteren Ende der Befeuchtungseinrichtung 200, entfernt werden, und verwendet werden durch die Befeuchtung des Untermembranmoduls 230, da das Untermembranmodul 230 unterhalb des Hauptmembranmoduls 210 zur Verfügung gestellt ist.
Des Weiteren kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, da eine separate Kühleinheit wie zum Beispiel ein Zwischenkühler, die Wasserpumpe und ähnliches, wie in der verwandten Technik verwendet, weggelassen werden und die Größe der Befeuchtungseinrichtung 200 kann verringert werden, wodurch die Größe des gesamten Brennstoffzellensystems 100 reduziert werden kann.
Zusätzlich werden gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, da eine separate Kühleinheit wie zum Beispiel der Zwischenkühler, die Wasserpumpe, und ähnliches wie in der verwandten Technik verwendet werden, weggelassen werden können, verschiedene Komponenten, welche zur Verfügung gestellt sind in dieser Kühleinheit, wie zum Beispiel Ventile, Düsen und Ähnliches nicht benötigt, so dass Schaden von diesen Komponenten bewirkt durch ein Frieren von Wasser bei geringer Temperatur verhindert werden kann.
Hiernach werden Vergleichsbeispiele beschrieben im Vergleich zu der Befeuchtungseinrichtung 200 für eine Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und des Brennstoffzellensystems 100, welches dieselbe aufweist.
4 und 5 zeigen Vergleichsbeispiele zum Beschreiben eines Betriebseffekts des Brennstoffzellensystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie dargestellt in 4 kann in einem ersten Vergleichsbeispiel verglichen mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Teil der Befeuchtungsluft zirkuliert werden zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors 5 wie dargestellt durch eine gestrichelte Linie während eines Prozesses des Zuführens von Abgas, welches abgegeben wurde von einem Stapel 1 zu einer Befeuchtungseinrichtung 3, einem Zuführen von Trockenluft, welches zugeführt wurde von einem Luftkompressor 5 zu der Befeuchtungseinrichtung 3, und dem Zuführen von Befeuchtungsluft, welche abgegeben wurde von der Befeuchtungseinrichtung 3 zu dem Stapel 1.
In dem ersten Vergleichsbeispiel wie oben beschrieben, kann die Kühleinheit, wie zum Beispiel der Zwischenkühler wie in der verwandten Technik, ausgelassen werden, jedoch kann Kondenswasser in der Befeuchtungseinrichtung 3 nicht entfernt werden und verwendet werden. Zusätzlich kann eine Temperatur der Befeuchtungsluft hoch sein, so dass der Kühleffekt des Luftkompressors 5 verschlechtert ist als im Vergleich zu einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 5 kann in einem zweiten Vergleichsbeispiel im Vergleich zu einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während eines Prozesses des Zuführens von Abgas, welches von einem Stapel 1 abgegeben wurde, zu einer Befeuchtungseinrichtung 3, dem Zuführen von Trockenluft, welches zugeführt wurde von dem Luftkompressor 5, zu der Befeuchtungseinrichtung 3, und dem Zuführen von Befeuchtungsluft, welche von der Befeuchtungseinrichtung 3 abgegeben wurde, zu dem Stapel 1 das Abgas, welches abgegeben wurde von der Befeuchtungseinrichtung 3 in einem Zustand, in welchem Feuchtigkeit entfernt wurde, zirkuliert werden zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors 5, wie dargestellt durch eine gestrichelte Linie.
Da in dem zweiten Vergleichsbeispiel wie oben beschrieben die Kühleinheit, wie zum Beispiel der Zwischenkühler und ähnliches wie im Stand der Technik, weggelassen werden kann, da jedoch eine Stickstoffkonzentration in dem Abgas hoch ist, kann eine Stickstoffkonzentration in der Luft, welche in dem Stapel 1 eingeführt wird, steigen, so dass die Leistung des Stapels 1 verschlechtert sein kann als im Vergleich zu einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, ist der Geist der vorliegenden Erfindung nicht auf die Ausführungsformen, welche hier dargestellt wurden, beschränkt, und Fachmänner in der Technik, welche die vorliegende Erfindung verstehen, können einfach andere Ausführungsformen bewerkstelligen, welche in dem Geist der vorliegenden Erfindung sind, durch Zusätze, Modifikationen, und Entfernung von Komponenten in denselben Geist, jedoch sollten diese angesehen werden als im Geist der vorliegenden Erfindung beinhaltet zu sein.

Claims

Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle, welche Membranbefeuchtung von Abgas, welches von einer Kathode einer Brennstoffzelle ausgegeben wurde, und Trockenluft, welche durch einen Luftkompressor zugeführt wurde, ausführt, und der Kathode Befeuchtungsluft zuführt, aufweisend: ein Hauptmembranmodul, welches einige Bündel von ersten Hohlfasermembranen beinhaltet, welche in der Hauptmembran angeordnet sind; und ein Untermembranmodul, welches mit dem Hauptmembranmodul verbunden ist, und einige Bündel von zweiten Hohlfasermembranen beinhaltet, welche in dem Untermembranmodul angeordnet sind.
Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Befeuchtungsluft, welche von dem Hauptmembranmodul ausgegeben wurde, zu der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und die Befeuchtungsluft, welche von dem Untermembranmodul ausgegeben wurde, zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors zugeführt wird.
Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Untermembranmodul zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors über eine Kreislaufleitung verbunden ist, und die Befeuchtungsluft zu dem Lufteinlassende des Luftkompressors über die Kreislaufleitung zuführt.
Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei das Untermembranmodul verbunden ist mit einer Trockenluftzuführleitung zum Zuführen der getrockneten Luft, welche in dem Luftkompressor komprimiert wurde, zu dem Hauptmembranmodul, jedoch verbunden ist zu einem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Abzweigeleitung, welche sich von der Trockenluftzuführleitung abgezweigt.
Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul integral miteinander in einem einzigen Gehäuse bereitgestellt sind.
Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 5, wobei das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul voneinander durch eine Trennwand in dem Gehäuse getrennt sind.
Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei das Gehäuse beinhaltet: ein ersten Einflussteil, welches die Trockenluft, welche durch Luftkompressor zugeführt wurde, in das Hauptmembranmodul einführt; ein zweites Einflussteil, welches einen Teil der Trockenluft, welche durch den Luftkompressor zugeführt wurde, in das Untermembranmodul einführt; ein drittes Einflussteil, durch welches das Abgas, welches von der Kathode der Brennstoffzelle ausgegeben wurde, in das Hauptmembranmodul einführt; ein viertes Einflussteil, welches in der Trennwand ausgebildet ist, und das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul miteinander verbindet, und Abgas in das Untermembranmodul einführt; ein erstes Abgasteil, welches die Befeuchtungsluft, welche in dem Hauptmembranmodul befeuchtet wurde, ausgibt; ein zweites Abgasteil, welches die Befeuchtungsluft, welche in dem Untermembranmodul befeuchtet wurde, ausgibt; und ein drittes Abgasteil, welches das Abgas ausgibt, in welchem Feuchte entfernt wurde während das Abgas durch das Untermembranmodul von dem Hauptmembranmodul verläuft.
Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei das erste Einflussteil zu einem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Trockenluftzuführleitung verbunden ist, wobei das zweite Einflussteil zu dem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Abzweigleitung verbunden ist, welche sich von der Trockenluftzuführleitung abzweigt, und das zweite Abgasteil zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors über eine Kreislaufleitung verbunden ist.
Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei das vierte Einflussteil durch ein Verbindungsloch ausgebildet ist, welches das Hauptmembranmodul mit dem Untermembranmodul verbindet.
Brennstoffzellensystem aufweisend: einen Stapel, welcher aus einer elektrizitätserzeugenden Anordnung aus Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet ist; einen Luftkompressor zum Zuführen von Luft zu einer Kathode einer Brennstoffzelle; eine Befeuchtungseinrichtung, welche mit dem Luftkompressor verbunden ist, und Membranbefeuchtung des Abgases, welches von der Kathode ausgegeben wird, und Trockenluft, welche durch den Luftkompressor zugeführt wird, ausführt; und einen Wasserstofftank zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Anode der Brennstoffzelle; wobei die Befeuchtungseinrichtung ein Hauptmembranmodul beinhaltet, welches einige Bündel von ersten Hohlfasermembranen beinhaltet, welche in dem Hauptmembranmodul angeordnet sind, und ein Untermembranmodul beinhaltet, welches mit dem Hauptmembranmodul verbunden ist, und einige Bündel von zweiten Hohlfasermembranen beinhaltet, welche in dem Untermembranmodul angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei Befeuchtungsluft, welche von dem Untermembranmodul ausgegeben wurde, in ein Lufteinlassende des Luftkompressors über eine Kreislaufleitung zugeführt wird, und Trockenluft, welche in dem Luftkompressor komprimiert wurde, durch die Befeuchtungsluft gekühlt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei die Befeuchtungseinrichtung die Trockenluft, welche von dem Luftkompressor zugeführt wurde, zu dem Hauptmembranmodul durch eine Luftzuführleitung zuführt, einen Teil der Trockenluft zu dem Untermembranmodul durch eine Abzweigeleitung zuführt, welche sich von der Trockenluftzuführleitung abzweigt, die Befeuchtungsluft, welche von dem Hauptmembranmodul ausgegeben wurde, zu der Kathode der Brennstoffzelle durch eine Befeuchtungsluftzuführleitung zuführt, und Befeuchtungsluft, welche von dem Untermembranmodul ausgegeben wurde, zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors über eine Kreislaufleitung zuführt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul integral in einem einzigen Gehäuse bereitgestellt sind, und voneinander durch eine Trennwand in dem Gehäuse getrennt sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei das Gehäuse beinhaltet: ein erstes Einflussteil, welches die Trockenluft, welche durch den Luftkompressor zugeführt wurde, in das Hauptmembranmodul einführt, ein zweites Einflussteil, welches einen Teil der Trockenluft, welche durch den Luftkompressor zugeführt wurde, in das Untermembranmodul einführt, ein drittes Einflussteil, welches das Abgas, welches von der Kathode der Brennstoffzelle ausgegeben wurde, in das Hauptmembranmodul einführt, ein viertes Einflussteil, welches in der Trennwand ausgebildet ist, und das Hauptmembranmodul und das Untermembranmodul miteinander verbindet, und das Abgas in das Untermembranmodul einführt; ein erstes Abgasteil, welches die Befeuchtungsluft abgibt, welche in dem Hauptmembranmodul befeuchtet wurde; ein zweites Abgasteil, welches die Befeuchtungsluft abgibt, welche in dem Untermembranmodul befeuchtet wurde; ein drittes Abgasteil, welches Abgas abgibt, in welchem die Feuchtigkeit entfernt wurde während das Abgas durch das Untermembranmodul von dem Hauptmembranmodul verläuft.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, wobei das erste Einflussteil verbunden ist zu einem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Trockenluftzuführleitung, wobei das zweite Einflussteil verbunden ist zu dem Luftauslassende des Luftkompressors über eine Abzweigleitung, welche sich von der Trockenluftzuführleitung abzweigt, und das dritte Einflussteil verbunden ist zu der Kathode der Brennstoffzelle über eine Luftauslassleitung, wobei das erste Abgasteil zu der Kathode der Brennstoffzelle über eine Befeuchtungsluftzuführleitung verbunden ist, und das zweite Abgasteil zu einem Lufteinlassende des Luftkompressors über eine Kreislaufleitung verbunden ist.
Fahrzeug, welches das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10 aufweist.